多频超声换能器设计方法与理论研究

Ultrasound imaging is one of the most important diagnosis way in clinical use. But most of the ultrasound transducers are usually working at a specific frequency, it's impossible to get images with high resolution and deep tissue information at the same time. To solve this problem, a multi-frequency transducer based on high-performance piezoelectric composite is proposed in this project. It can work at three different central frequencies including 12MHz、20MHz and 30MHz respectively or simultaneously. Through fusing the images at different frequency, the target can be imaged with higher quality, which will be useful in many applications. This project will focus on: Piezo-composite material and multi-frequency transducer design simulating and optimizing; Piezo-composite material and transducers fabricating through high accuracy MEMS(micro electro-mechanical systems) technology; Ultrasound image evaluating. By those works, the goal of "one probe, multi frequencies" can be realized. Through this multi-frequency transducer technology, the ultrasound imaging system can have a higher imaging quality,the operation time and medical cost can be decreased.

超声成像是主流的成像诊断手段之一，在临床中发挥着重要的作用。但目前使用的超声探头多为单一频率，无法兼顾探测深度和成像分辨率，使用时需根据不同检测目的更换不同频率的探头，增加了手术成本和病患负担。为了克服这一问题，项目提出了一种基于高性能压电复合材料的多频超声微探头，该探头能够在12MHz、20MHz和30MHz三个不同的工作频率灵活切换或同时工作，能够进行图像的融合，可极大地丰富超声图像的信息，满足各种检测和诊治的需要。项目将通过软件模拟仿真优化压电复合材料和多频换能器的设计,利用高精密微纳工艺研制出所需的高机电耦合系数和低声阻抗的压电复合材料和多频宽带宽的微型内窥超声探头，并对研制的探头进行声场扫描、回波测试、成像实验等性能评估和优化，最终实现“一个探头，多个工作频率”的超声探头技术，达到提高超声成像系统图像质量、降低相关手术时间和医疗费用的目的。

常规超声探头多为单一频率，无法时兼顾探测深度和成像分辨率。为了克服这一问题，项目提出了一种基于高性能压电复合材料的多频超声微探头，该探头能够在13MHz、20MHz和30MHz三个工作频率灵活切换或协同工作，并通过图像的融合的方法获取兼具深度与分辨率信息的超声图像，满足各种检测和诊治的需要。项目将理论分析、仿真设计、实验验证有机结合起来，首先通过模拟仿真方法分别对2-2复合材料以及1-3复合材料进行设计与参数优化，得到了三种工作频率对应的压电复合材料的工艺参数；项目实践过程中发现Parylene涂层技术适合作为复合材料换能器的匹配层，可以大幅提升复合材料换能器的性能，所获得的复合材料换能器性能也优于常规压电材料换能器。其次，项目系统地分析了换能器阵元尺寸变化对其性能的影响，通过仿真分析和实验验证的比较分析，对不同尺寸的换能器阵元进行了性能对比；结果表明换能器的尺寸能够直接影响其性能，通过优化阵元的尺寸，可以提高换能器的性能。这些工作为多频换能器阵元的集成化提供了数据支持。项目还提出了两种多频超声图像融合的算法。最后，在上述工作的基础上，项目提出了一种三角结构的多频换能器结构方案；仿真分析结构表明这样的结构各频率阵元间相互影响小，串扰低，可以独立工作，能够满足多频换能器同步或异步工作的要求；之后利用精密微纳工艺研制出了一种多频微型内窥超声探头；声场扫描和回波测试结果表明这款探头具有良好的声场指向性，具备高灵敏度等优点，能够满足成像需求。结合之前提出的基于RF数据的多频数据融合成像方法，利用多频换能器对多层仿体进行了成像，成像实验结果表明三频融合的图像质量要远优于单频成像。这些结果证明了项目方案的可行性，上述工作完善了多频超声探头的设计理论和方法。该研究为高频换能器的设计提供了新的思路，在超声内镜、IVUS成像系统、阵列换能器等方面的应用具有重要意义。