使用混合阵列的合成孔径成像系统和方法技术方案

一种声光成像的方法可包括从传感器阵列的第一子孔径接收第一信号。第一子孔径可包括一个或多个第一类型的阵列元件。该方法还可包括从传感器阵列的第二子孔径接收第二信号。第二子孔径可包括一个或多个不同于第一类型的第二类型的阵列元件。在一些变体中，第一类型的阵列元件可以是声学换能器(例如，压电换能器)和/或第二类型的阵列元件可以是光学传感器(例如，光学谐振器，比如耳语回廊模式(WGM)谐振器)。该方法还可包括组合第一信号和第二信号以形成传感器阵列的合成孔径。信号以形成传感器阵列的合成孔径。信号以形成传感器阵列的合成孔径。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用混合阵列的合成孔径成像系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2020年9月8日递交的美国专利申请第63/075,727号的优先权，在此通过引用将该美国专利申请全部并入。


[0003]本公开概括而言涉及超声成像的领域，具体而言涉及使得能够通过组合来自包括光学谐振器和其他传感器的阵列的混合阵列的信号来形成合成孔径的方法和设备。本文公开的方法和设备包括具有高灵敏度和高操作带宽的光学谐振器，以提高成像性能。

技术介绍

[0004]超声波传感由于有若干优点而被用于各种行业中，包括医学成像和医学诊断。例如，超声传感利用了具有显著的穿透深度的超声信号。此外，已知超声成像是一种有利的非侵入性成像形式，因为它是基于非电离辐射的。
[0005]超声成像中使用的各种已知的超声换能器具有许多缺点。例如，一些超声换能器是由压电材料制成的，例如锆钛酸铅(lead zirconate titanate，PZT)。然而，PZT材料的6dB带宽一般只限于大约70％。某些复合PZT材料的带宽略有增大，但仍只能实现最多约80％的带宽。作为另一个示例，为了改善超声探头的性能，单晶材料越来越多地被使用，但其居里温度较低，并且易变。另一种类型的换能器材料是硅，它可以被加工来构建具有更高带宽的电容式微机械超声换能器(Capacitive Micromachined Ultrasound Transducer，CMUT)探头。然而，CMUT探头不是非常灵敏或可靠。此外，CMUT探头具有几个操作限制。例如，CMUT探头是非线性传感器，因此一般不适合于谐波成像。此外，CMUT探头要求额外的偏置电压才能正确操作。从而，需要有包括具有更高带宽和灵敏度的传感器的超声探头。

技术实现思路

[0006]概括而言，在一些变体中，一种用于对目标成像的装置，可包括一个或多个第一类型的阵列元件，它们形成第一子孔径，以及一个或多个不同于第一类型的第二类型的阵列元件，它们形成第二子孔径，其中第一子孔径接收具有第一相位的第一信号，并且第二子孔径接收具有第二相位的第二信号。该装置还可包括前端，该前端被配置为至少部分地通过组合第一信号和第二信号来生成合成孔径。在一些变体中，前端可被配置为使用如本文所述的方法的一个或多个方面生成合成孔径。
[0007]概括而言，在一些变体中，一种用于对目标成像的方法可包括从传感器阵列的第一子孔径接收第一信号，其中第一子孔径包括一个或多个第一类型的阵列元件。该方法还可包括从传感器阵列的第二子孔径接收第二信号，其中第二子孔径包括一个或多个不同于第一类型的第二类型的阵列元件。该方法还可包括组合第一信号和第二信号以形成传感器阵列的合成孔径。
[0008]在该装置和方法的一些变体中，第一类型的阵列元件可以是被配置为发送声波的
非光学传感器，例如声学换能器(例如，压电换能器或电容式微机械超声换能器(CMUT)传感器)，并且第二类型的阵列元件可以是光学传感器，例如耳语回廊模式(whispering gallery mode，WGM)传感器。光学传感器可以是/包括微球体谐振器、微型环芯谐振器、微环谐振器(例如，具有圆形截面形状或非圆形截面形状，例如赛道或椭圆)、微气泡谐振器、光子集成电路(photonic integrated circuit，PIC)谐振器、和/或微盘谐振器。在一些情况下，第一类型和第二类型的阵列元件可被配置为检测与发送的声波相对应的声学回声。
[0009]在一些变体中，该方法还可包括第一信号和第二信号进行相位匹配。为了对信号进行相位匹配，可以对第一信号施加第一延迟和/或可以对第二信号施加第二延迟。在一些情况下，可以至少部分地基于从一个或多个第一类型的阵列元件到被成像的介质的第一传播时间和从一个或多个第二类型的阵列元件到介质的第二传播时间之间的差异来确定第一延迟和/或第二延迟。额外地，或者替代地，可以基于声学透镜的厚度和声速和/或声学匹配层的厚度和声速来确定第一延迟和/或第二延迟。可以作为考虑到每个阵列元件和/或子元件之间的各种差异的延迟曲线来呈现第一延迟和/或第二延迟。
[0010]在一些变体中，该方法还可包括对第一信号和/或第二信号进行滤波，以降低信号中的噪声和/或匹配信号的频率范围。滤波器可包括带通滤波器、低通滤波器、高通滤波器、数字滤波器，等等。在一些变体中，该方法还可包括按照放大增益来放大第一信号和/或第二信号，以对第一信号和第二信号进行幅度匹配。放大增益可以是预设值和/或基于成像深度来确定。放大增益可包括常数值或者包括为每个阵列元件提供特定增益的放大增益值的张量。
[0011]超声传感器阵列可以是1维(1D)阵列、1.25维(1.25D)阵列、1.5维(1.5D)阵列、1.75维(1.75D)阵列、或者2维(2D)阵列。在一些变体中，一个或多个第一类型的阵列元件和一个或多个第二类型的阵列元件可以被排列成1.25D阵列或1.5D阵列。1.25D阵列或1.5D阵列的每一者可包括第一行和第二行。第一行可包括第一数目的阵列元件，并且第二行可包括第二数目的阵列元件。在一些情况下，第一行中的阵列元件的第一数目可以等于第二行中的阵列元件的第二数目。例如，第一行和第二行，各自可包括128个阵列元件。在一些情况下，第一行中的阵列元件的第一数目可以与第二行中的阵列元件的第二数目不同。例如，第一行可包括128个阵列元件，而第二行可包括192个阵列元件。
[0012]在一些变体中，第一信号可包括源自多个第一类型的阵列元件的信号的组合。额外地或者替代地，第二信号可包括源自多个第二类型的阵列元件的信号的组合。将来自相似类型、彼此距离较近的阵列元件的信号相组合可以降低混合阵列的维度(例如，从1.5D阵列降低到1D阵列)。因此，混合阵列可能需要更少的滤波器和/或放大器。
[0013]在一些变体中，该方法可包括按任何适当的顺序对第一信号和第二信号进行频率匹配、幅度匹配和相位匹配。例如，该方法可包括对第一信号和第二信号进行频率匹配，随后进行幅度匹配，然后进行相位匹配。作为另一示例，该方法可包括按顺序对第一信号和第二信号进行相位匹配、幅度匹配和频率匹配。在对每个阵列元件类型分别执行频率匹配、幅度匹配和相位匹配之后，第一信号和第二信号可以被组合。该组合可以涉及相干组合。
[0014]在一些变体中，该方法可包括选择用于发送声学信号的第一子孔径和用于接收响应于声学信号的声学回声的第一子孔径和第二子孔径的组合。在一些变体中，该方法可包括从第一类型的一个或多个阵列元件中选择一元件用于发送声学信号，并且选择第一子孔
径和第二子孔径的组合用于接收响应于声学信号的声学回声。在一些变体中，该方法可包括选择用于发送声学信号和/或接收声学回声的角度(例如，转向角)。上述选择过程可以被迭代地重复，直到所有的子孔径、阵列元件和/或角度都被完全覆盖了为止。
[0015]在一些变体中，一个或多个第二类型的阵列元件可包括嵌入在聚合物结构中的(一个或多个)光学传感器。(一个或多个)光学传感器可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种声光成像的方法，包括：从传感器阵列的第一子孔径接收第一信号，其中所述第一子孔径包括一个或多个第一类型的阵列元件；从所述传感器阵列的第二子孔径接收第二信号，其中所述第二子孔径包括一个或多个第二类型的阵列元件，所述第二类型不同于所述第一类型，其中所述第二类型是光学传感器；并且组合所述第一信号和所述第二信号以形成所述传感器阵列的合成孔径。2.如权利要求1所述的方法，还包括：对所述第一信号和所述第二信号进行相位匹配。3.如权利要求2所述的方法，其中，对所述第一信号和所述第二信号进行相位匹配包括向所述第一信号应用第一延迟或者向所述第二信号应用第二延迟，所述第一延迟和所述第二延迟是至少部分地基于从所述一个或多个第一类型的阵列元件到被成像的介质的第一传播时间和从所述一个或多个第二类型的阵列元件到所述介质的第二传播时间之间的差异来确定的。4.如权利要求3所述的方法，其中，所述第一延迟或所述第二延迟是至少部分地基于以下项来确定的：声学透镜的厚度和声速、或者声学匹配层的厚度和声速、或者声学透镜和声学匹配层的每一者的厚度和声速。5.如权利要求3所述的方法，其中，所述第一延迟或所述第二延迟是至少部分地基于发送和/或接收焦点来确定的。6.如权利要求1所述的方法，还包括：对所述第一信号进行滤波以降低所述第一信号中的噪声并且对所述第二信号进行滤波以降低所述第二信号中的噪声。7.如权利要求1所述的方法，还包括：按照放大增益来放大所述第一信号或所述第二信号以对所述第一信号和所述第二信号进行幅度匹配。8.如权利要求7所述的方法，其中，所述放大增益是预设的值。9.如权利要求7所述的方法，其中，所述放大增益是至少部分地基于成像深度来确定的。10.如权利要求1所述的方法，还包括：对所述第一信号和所述第二信号进行频率匹配。11.如权利要求2所述的方法，其中，所述第一信号是源自多个第一类型的阵列元件的信号的组合，或者所述第二信号是源自多个第二类型的阵列元件的信号的组合，或者这两者。12.如权利要求11所述的方法，还包括在对所述第一信号和所述第二信号进行相位匹配之前，进行以下步骤中的一个或多个：通过组合源自多个第一类型的阵列元件或者多个第一类型和第二类型的阵列元件的信号来生成所述第一信号；以及通过组合源自多个第二类型的阵列元件或者多个第一类型和第二类型的阵列元件的信号来生成所述第二信号。
13.如权利要求12所述的方法，还包括从多个第一类型的阵列元件、多个第二类型的阵列元件、或者多个第一类型和第二类型的阵列元件形成更大的有效阵列元件。14.如权利要求12所述的方法，还包括减少所述合成孔径中的阵列元件的有效数目。15.如权利要求12所述的方法，还包括减小所述合成孔径的有效维度。16.如权利要求15所述的方法，其中，所述传感器阵列是1.5维(1.5D)阵列，并且其中，所述方法包括将所述合成孔径的有效维度从1.5D减小到1维(1D)。17.如权利要求15所述的方法，其中，所述传感器阵列是2维(2D)阵列，并且其中，所述方法包括将所述合成孔径的有效维度从2D减小到1.5维(1.5D)。18.如权利要求1所述的方法，还包括：对所述第一信号和所述第二信号进行频率匹配；在对所述第一信号和所述第二信号进行频率匹配之后，对所述第一信号和所述第二信号进行幅度匹配；并且在对所述第一信号和所述第二信号进行频率匹配和幅度匹配之后，对所述第一信号和所述第二信号进行相位匹配。19.如权利要求1所述的方法，还包括：对所述第一信号和所述第二信号进行相位匹配；在对所述第一信号和所述第二信号进行相位匹配之后，对所述第一信号和所述第二信号进行幅度匹配；并且在对所述第一信号和所述第二信号进行相位匹配和幅度匹配之后，对所述第一信号和所述第二信号进行频率匹配。20.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一信号和所述第二信号的组合是相干组合。21.如权利要求1所述的方法，其中，所述光学传感器是光学谐振器。22.如权利要求21所述的方法，其中，所述光学谐振器是耳语回廊模式(WGM)光学谐振器。23.如权利要求21所述的方法，其中，所述光学谐振器是微气泡光学谐振器、光子集成电路(PIC)光学谐振器、微球体谐振器、微型环芯谐振器、微环谐振器、或者微盘光学谐振器。24.如权利要求1所述的方法，其中，所述一个或多个第一类型的阵列元件包括压电换能器、单晶材料换能器、压电式微机械超声换能器(PMUT)、或者电容式微机械超声换能器(CMUT)。25.如权利要求1所述的方法，还包括：选择所述第一子孔径来发送声学信号；并且选择所述第一子孔径或所述第二子孔径来接收响应于所述声学信号的声学回声。26.如权利要求1所述的方法，还包括：从所述一个或多个第一类型的阵列元件中选择元件来发送声学信号；并且选择所述第一孔径或所述第二子孔径来接收响应于所述声学信号的声学回声。27.如权利要求1所述的方法，还包括：选择用于发送声学信号的角度；发送所述声学信号；并且
接收响应于所述声学信号的声学回声。28.如权利要求1所述的方法，其中，所述光学传感器被嵌入在聚合物结构中。29.一种用于对目标成像的装置，包括：形成第一子孔径的一个或多个第一类型的阵列元件；形成第二子孔径的一个或多个第二类型的阵列元件，所述第二类型不同于所述第一类型，所述第二类型是光学传感器，其中所述第一子孔径接收具有第一相位的第一信号并且所述第二子孔径接收具有第二相位的第二信号；以及前端，该前端被配置为至少部分地通过组合所述第一信号和所述第二信号来生成合成孔径。30.如权利要求29所述的装置，所述前端还被配置为通过对所述第一信号和所述第二信号进行相位匹配来生成所述合成孔径。31.如权利要求30所述的装置，其中，对所述第一信号和所述第二信号进行相位匹配包括：向所述第一信号应用第一延迟或者向所述第二信号应用第二延迟，所述第一延迟和所述第二延迟是至少部分地基于从所述一个或多个第一类型的阵列元件到被成像的介质的第一传播时间和从所述一个或多个第二类型的阵列元件到所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵丹华，朱立人，
申请(专利权)人：深视超声科技公司，
类型：发明
国别省市：