《Ultrasonics》：Kerf filling material: Suppressing crosstalk and enhancing imaging quality in ultrasonic arrays
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超声阵列中横通现象受填缝材料影响显著，本研究通过数值模拟和实验验证发现，RTV-664硅胶相较于环氧树脂能降低33.4%的横通效应，提升带宽、信号噪声比及临床成像分辨率。
彭胜奇|孙新豪|杨廷浩|权毅|陈俊|娄丽菲|费春龙|杨银堂
西安电子科技大学集成电路学院，中国西安710071
摘要
串扰是超声阵列中的一种有害现象，会降低分辨率、穿透深度和诊断可靠性。本研究通过综合数值模拟和实验验证，探讨了填充材料对串扰抑制和成像性能的影响。评估了两种具有不同声学特性的填充材料：刚性环氧树脂（Epo-Tek 301）和软质硅橡胶（RTV-664）。RTV-664具有较低的声阻抗和较高的衰减性能，能够有效减少相邻元件之间的机械耦合。为此，我们设计并制造了一个128元线性阵列，并通过有限元仿真、模型实验和“体内”成像对其电气特性、收发器性能以及串扰特性进行了系统评估。结果表明，在4–8 MHz的带宽范围内，RTV-664将相邻元件之间的串扰平均减少了33.4%，这与仿真预测结果一致。成像测试进一步证实，基于RTV-664的阵列实现了更宽的带宽、更好的场均匀性以及更优的图像质量，包括更高的分辨率、穿透深度、信噪比（SNR）和对比度噪声比（CNR）。这些发现强调了填充材料选择在串扰抑制中的关键作用，为优化高性能医学成像超声阵列设计提供了理论依据和实验证据。
引言
超声阵列是现代医学成像系统的核心组成部分，广泛用于心血管疾病、腹部器官和表层组织的无创诊断[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。随着对高分辨率临床成像需求的增加，阵列设计正朝着更高频率和更密集的元件排列方向发展。然而，这种小型化不可避免地加剧了串扰现象——即由于机械振动耦合、电磁干扰和声场相互作用导致的阵列元件之间的寄生干扰[7]、[8]。过度的串扰会扭曲波束模式，延长脉冲持续时间，并引入伪影，从而降低最终图像的信噪比（SNR）和对比度噪声比（CNR）[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。因此，有效抑制串扰仍然是设计高性能超声探头的关键挑战。
为了减轻这些不利影响，过去几十年进行了大量研究，这些研究大致可以分为主动抑制方法和被动抑制方法。
主动抑制技术主要依靠数字信号处理来补偿元件间的耦合。早期的方法利用主动噪声消除原理生成反相信号[14]。最近，提出了诸如矩阵反演方法[15]、编码激励[16]、[17]和基于深度学习的波束成形[18]等先进算法来数学分离信号。尽管这些方法可以有效，但它们通常需要复杂的硬件架构[16]、[18]、较高的计算负担[14]、[15]、[16]、[17]，或者需要对换能器的传输函数有精确的先验知识[18]，这限制了它们在便携式或成本敏感系统中的实时应用。
相比之下，被动抑制方法侧重于物理隔离元件，以切断耦合振动的传播路径。传统策略包括优化压电元件的长宽比[19]、加深切割槽[20]以及采用稀疏阵列布局[21]、[22]。近年来，出现了新的结构设计，例如使用声子板[13]、声子晶体[23]、空气填充隔离沟槽[7]和微加工空腔结构[24]来实现极端的声学隔离。虽然像空气槽这样的结构可以提供最小的机械耦合，但它们会损害阵列的结构完整性和可靠性，使得制造过程变得困难，并且在流体浸泡或临床操作过程中容易发生机械故障[7]、[25]。
尽管付出了这些努力，大多数现有研究仍依赖于刚性环氧树脂作为填充材料。虽然这些材料提供了结构稳定性，但其高机械刚性往往限制了它们在振动解耦方面的效果。RTV-664是一种常用的软质硅橡胶，具有高衰减和低声阻抗[1]。这些特性理论上符合有效抑制串扰的要求，但其作为填充材料的应用尚未得到充分探索[25]。此外，许多研究仅停留在仿真或基本电气特性测试阶段，这导致了对填充材料属性如何直接影响高级临床成像性能的理解存在空白[8]、[13]、[19]、[20]、[21]、[22]。
本研究通过提供从理论机制分析、有限元仿真到全面实验验证的完整研究流程，解决了这些局限性。我们评估了一个5.5 MHz的线性阵列，将传统的刚性环氧树脂Epo-Tek 301与提出的软质RTV-664填充材料进行了对比。除了标准台架测试外，我们还通过线模型目标和人体颈动脉成像验证了成像效果的改进。结果证实，RTV-664的高阻尼和低阻抗特性使串扰减少了约33%，从而显著提高了带宽、信噪比和临床图像对比度。
部分摘录
设计与仿真
该线性阵列旨在用于表层血管和小器官成像，标称中心频率为5.5 MHz[26]。根据线性阵列的设计原则[27]，间距设置为300 μm，以接近工作频率下水中的声波波长，从而抑制栅瓣效应并确保高质量的成像[28]。切割槽的宽度由实际刀片宽度（50 μm）决定，最终为250 μm。使用KLM模型（PiezoCAD，Sonic）进行了单元件仿真
实验程序
选择PZT-5H压电陶瓷作为基础材料，通过切割和填充工艺制造了具有2-2复合结构的线性阵列。首先将陶瓷研磨至300 μm的厚度，然后用丙酮和无水乙醇清洗表面。随后使用等离子清洗设备（Atto-BL-PCCE，Diener Electric，德国Ebhausen）对表面进行处理，以改善金属涂层的附着力。在陶瓷的两侧沉积了铬/金电极层
电气性能表征
对两组各128元线性阵列进行了逐点电气测试，分别使用Epo-Tek 301和RTV-664作为填充材料。图4(a)和(d)展示了两组换能器的静态电容和介电损耗分布。测试结果表明，两组都没有开路或短路元件，显示出良好的制造一致性。具体来说，Epo-Tek 301组的静态电容为324 ± 10 pF讨论
我们的结果表明，填充材料的选择通过影响机电效率和声学阻尼来决定线性阵列的性能。Epo-Tek 301具有较高的刚性 và 低介电损耗，有利于提高机电转换效率。相比之下，RTV-664具有较高的固有阻尼和与匹配层相匹配的声阻抗。这些特性有效地解耦了元件间的振动，这是其主要优势
作者贡献声明
彭胜奇：撰写——原始草稿，可视化，研究，形式分析，数据管理，概念化。孙新豪：撰写——原始草稿，项目管理，方法论，概念化。杨廷浩：可视化，数据管理。权毅：验证，方法论。陈俊：软件，数据管理。娄丽菲：验证，监督。费春龙：撰写——原始草稿，监督，项目管理，资金获取，概念化。杨银堂：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号62474129、52402154）；中央高校基本科研业务费（YJSJ25013、ZYTS25223）；陕西三秦人才专项支持计划：青年顶尖人才项目；西安电子科技大学跨学科拓展专项支持计划：前沿基础研究项目；青年科学技术人才促进计划（QTZX25081）的支持。
