CN102416225A - 一种超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声换能器，其包括有发射聚焦超声波的超声发射单元，所述超声发射单元发射的超声波所形成的焦域形状为长条形，且沿超声波声轴线方向延伸。本发明可为现有的超声针灸设备提供一种长焦域超声换能器，使得超声针灸设备能够完全模拟传统针灸中的针刺手法。

Description

一种超声换能器

技术领域

本发明属于超声治疗技术领域，具体涉及一种超声换能器。

背景技术

超声波由于对组织的穿透能力强、同时对组织不产生电离辐射，因而在治疗和诊断中的使用日益普遍。而在超声治疗和超声诊断中，普遍使用的超声换能器是平面超声换能器和聚焦超声换能器。

聚焦超声换能器可以在组织内形成非侵入的靶向作用，最近几年，聚焦超声换能器的使用越来越普遍。目前市面上已有的聚焦超声换能器有很多种，如透镜换能器、球壳换能器、菲涅尔波带片换能器、相控阵聚焦换能器、抛物面反射式换能器等等，这些聚焦换能器的特点是所产生的超声波是一种以焦点为球心的球面波，这类超声换能器的优点是可以将超声能量全部集中于焦点处，超声波聚焦能量集中。

而在超声治疗中，要达到好的治疗效果，必须根据治疗目的来设计相应的超声声场。比如，目前市面上出现了一些利用超声波来替代中医治疗领域中的针灸治疗的超声针灸设备。超声针灸设备作为一种新兴的超声设备，其基本原理是利用超声波透过皮肤以后在皮下汇聚所产生的声能对人休穴位进行刺激，以达到传统针刺穴位的效果。

穴位作为针灸时的针刺部位，并非仅为单个的点位而是一个具有一定深度(各个穴位在人体体表的位置深浅不一)和广度的区域，要想使针灸达到较理想的效果就必须对整个区域做到准确的刺激，现有的聚焦换能器尽管在组织内要求具有靶向作用，但由于超声波作用区域较小(对组织的刺激区域仅为以焦点为中心的一个很小的椭球区域)，其在组织内产生的刺激区域不能同时覆盖针灸治疗所要求的区域，因而无法完全模拟传统针灸中的针刺手法，从而很难达到传统针灸的治疗效果。并且这类聚焦换能器由于会聚于焦点处的能量较高，因而还存在损伤组织的可能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中超声治疗设备所存在的上述不足，提供一种长焦域的超声换能器。

为了解决上述超声针灸治疗中的问题，本发明人通过试验发现，对于超声针灸设备而言，如果超声换能器的能量集中区域是一个沿超声波声轴线方向延伸的长条形区域，即超声换能器所发射的超声波形成的是一个焦域为长条形的聚焦声场，则在超声治疗中，人体很容易产生传统针灸过程中的酸麻涨痛等感觉，从而达到较好的治疗效果。而目前普通的聚焦超声换能器由于衍射原理的限制，难以形成这种长焦域的超声声场。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是该超声换能器包括有发射聚焦超声波的超声发射单元，所述超声发射单元发射的超声波所形成的焦域形状为长条形，沿超声波声轴线方向延伸，即本发明中超声换能器的超声发射单元的结构能够使超声波所形成的焦域形状为长条形且沿超声波声轴线方向延伸。

一种优选方案是，所述超声发射单元包括聚焦波源和设置在超声传输路径上的超声传导单元，所述聚焦波源所发射的超声波经超声传导单元后聚集在超声波声轴线上并沿超声波声轴线方向延伸，从而使所形成的焦域形状为沿超声波声轴线方向延伸的长条形。

优选的是，所述聚焦波源采用能反射超声波的聚焦波源，所述超声传导单元采用可透射超声波并能反射超声波的材料制成，该材料的声阻抗与人体皮肤的声阻抗不相匹配，即超声传导单元与人体皮肤之间的声阻抗不一致，两者之间具有较大的声阻抗差异。

其中，所述人体皮肤与超声传导单元的声阻抗比值的优选范围为1/2-1/50，进一步优选为1/10-1/40。

优选超声传导单元采用玻璃、铜或铝制成。

更优选的是，所述超声传导单元与聚焦波源的超声发射面相接触，且其形状与聚焦波源的超声发射面的形状相适配。优选超声传导单元与人体皮肤相接触一面(即超声传导单元的底面)的形状为平面形或者采用与人体皮肤表面相适应的形状。

进一步优选的是，所述聚焦波源可采用球壳形波源，超声传导单元与所述球壳形波源的超声发射面相接触的接触面的形状为与超声发射面相适配的球冠面；或者，所述聚焦波源也可包括平面压电材料以及贴合在所述平面压电材料上的凹透镜，超声传导单元与所述凹透镜相接触的接触面的形状为与所述凹透镜的凹陷部相适配的形状。

当然，聚焦波源也可以采用其他具有相同功能的结构。

为了适应和满足超声针灸设备的需要，其中，所述聚焦波源的口径D范围是25-50mm，聚焦波源的聚焦半径SR范围是20-50mm，超声发射单元的中心厚度S范围是0.5-2.6mm。

该优选方案中，由于超声传导单元的声阻抗与人体皮肤的声阻抗不相匹配，即超声传导单元与人体声阻抗之间具有较大的声阻抗差异，因而超声波经过超声传导单元的底面后，会发生反射和透射，且反射的超声波大于透射的超声波，即部分超声波经透射进入人体皮肤，而大部分发生反射的超声波经反射后又回到聚焦波源的球壳面上，该超声波再经聚焦波源反射后，重新进入超声传导单元，继续在超声传导单元的底面发生反射和透射，此过程不断重复进行，直至最后反射的超声波几乎为零，全部透射到人体皮肤中，即在超声波经过上述多次反射和透射，最后全部进入人体，并且由于每经过一次反射后，进入人体的超声波与前次进入人体的超声波在声轴线上聚焦位置是沿声轴线方向延伸，因而所形成的焦域为长条形焦域。。

另一种优选方案是，所述超声发射单元可包括两个或多个聚焦波源，所述两个或多个聚焦波源是由一个或一个以上垂直于超声波声轴线的平行平面通过将一个球壳形波源分割为一个球冠和一个或一个以上的圆环，再将分割后形成的一个球冠以及依次相邻的一个或一个以上的圆环，或者将分割后形成的相邻的任意两个或两个以上的圆环，大致沿超声波声轴线的方向互相间隔一定距离摆放形成。

由于多个聚焦波源之间面积的差异越大，则所形成的长焦域的超声能量分布就越不均匀，因此优选的是，分割所形成的一个球冠与任意一个圆环的面积，或者任何两个圆环的面积大致相等。

为了适应和满足超声针灸设备的需要，所述被分割的球壳形波源的口径D范围是25-50mm，其聚焦半径SR的范围是20-50mm。

分割后所形成的两个或多个聚焦波源中，每相邻两个聚焦波源之间的径向间隔距离B为0-10mm，各个聚焦波源的焦点位置与超声波的声轴线之间的偏差值A的范围为0-5mm。

所述超声发射单元所发射的超声波的频率范围为0.8-10MHz，优选的是，超声波的频率为1.5MHz。

为了适应和满足超声针灸设备的需要，本发明超声换能器所形成的焦域的长度范围为3-100mm，其宽度范围为1-15mm；或者所形成的焦域的长度范围为3-100mm，其宽度范围为2-4mm；或者所形成的焦域的长度范围为20-60mm，其宽度范围为1-15mm；或者所形成的焦域的长度范围为20-60mm，其宽度范围为2-4mm。

为了适应和满足超声针灸设备的需要，所述超声发射单元所发射的超声波的频率范围为0.8-10MHz，优选超声波的频率为1.5MHz。

本发明超声换能器可以对超声波的声能输出进行有效的调控，以使得声能分布在一个较均匀的范围之内，当将之应用于超声针灸设备中时，可以使之达到超声针灸所需的超声能量分布模式，即针对人体体表上不同穴位的特点，可单独制作针对此穴位的超声换能器，使得该超声换能器所产生的焦域具有与该穴位的区域相适应的长度，即所产生的焦域能完全覆盖该穴位，从而可以完全模拟传统针灸中的针刺手法，达到与传统针灸相同的治疗效果。并且，本发明超声换能器相对于功率相等的现有的聚焦换能器而言，焦域的面积要大得多，因而焦域中声能的能量不会过分集中，不存在损伤人体组织的可能。

当本发明超声换能器用于超声针灸设备中时，在治疗慢性腰痛等多种慢性疾病的临床实验中发现，具有很好的治疗效果。实验小组人员将治疗前后病人情况进行对照研究发现，治疗后不同的随访时间点，其疼痛评分均较治疗前有统计学意义的下降，说明采用本发明超声换能器对治疗慢性疼痛非常有效，5次治疗疼痛评分平均下降了68.89％，且随访到21天时间仍维持在该水平。实验证明，在超声针灸设备中采用本发明超声换能器治疗慢性腰背痛等慢性疾病，其症状改善至少可达6个月。

附图说明

图1为本发明实施例1中超声换能器的结构示意图；

图2为本发明实施例2中超声换能器的结构示意图。

图中：1-聚焦波源；2-超声传导单元；3-聚焦波源；4-声轴线。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明超声换能器包括有发射聚焦超声波的超声发射单元，所述超声发射单元发射的超声波所形成的焦域形状为长条形，且沿超声波声轴线方向延伸。

实施例1：

本发明超声换能器包括超声发射单元，所述超声发射单元包括聚焦波源1和超声传导单元2。

超声传导单元2设置在聚焦波源1所发射超声波的超声传输路径上，聚焦波源1所发射的超声波经超声传导单元2后聚集在超声波的声轴线上并沿超声波声轴线方向延伸。

如图1所示，本实施例中，聚焦波源1采用具有超声反射功能的球壳形波源，超声传导单元2为球冠体，该球冠体放置在球壳形波源的内部，与所述球壳形波源紧密贴合。超声传导单元2与所述球壳形波源的超声发射面相接触的接触面的形状为球冠面，该球冠面与球壳形波源的超声发射面相适配，而超声传导单元2与人体皮肤接触的另一个面(即球冠体的底面，也就是进行透射的表面)则为平面形状。

超声传导单元2采用可透射超声波并可反射超声波的材料制成，该材料的声阻抗与人体皮肤的声阻抗不相匹配。本实施例中，超声传导单元2采用玻璃材料制成(玻璃的声速5900m/s，而人体皮肤的声速为1500m/s)，这样，超声传导单元2底部的平面既是聚焦超声波的输出面，同时也是一个反射面。

当然，超声传导单元2也可根据不同需要采用铜或铝等其他材质构成。

由于超声传导单元2和人体皮肤之间具有较大的声阻抗差异，这样本实施例中，超声传导单元2的底部既是聚焦超声波的输出面，同时也是一个反射面。聚焦波源1所发射的多条超声波在超声传导单元2的底面发生多次反射和透射(在实际使用中第一次和第二次超声反射具有较强的能量，而以后的反射过程因超声能量较小，可以忽略不计，因而图1中的箭头只示意出了第一次和第二次的超声反射，以及前三次的超声透射)，多次透射与多次反射后的超声波聚集在超声波声轴线的不同位置并沿声轴线方向延伸，从而形成长条形的聚焦超声声场。

其中，通过跟踪每条超声波的声线轨迹在超声传导单元2底面上的振幅和相位，采用现有的声线追迹方法(声线追迹方法具体可参阅《计算声学-声场的方程和计算方法》一书，科学出版社，出版日期：2005-01-01，第186-212页)进行精确计算，通过求出每条声波传播的实际路径和到达时间，从而可计算出超声波在声轴线上的分布情况，即可确定出焦域的长度。

为了适应和满足超声针灸设备的需要，其中，聚焦波源的口径D范围是25-50mm，聚焦波源的聚焦半径SR范围是20-50mm，超声发射单元2的中心厚度S范围是0.5-2.6mm。

本实施例中，超声波源1的口径D为25mm，聚焦半径SR为50mm，超声传导单元2的中心厚度S为2mm。本实施例中，所形成的焦域长度为60mm，宽度为2-4mm。

本实施例中，超声波的频率为0.8-10MHz，本实施例中，超声波的频率为1.5MHz。

本实施例中，聚焦波源1既可采用球壳状的压电陶瓷换能器，也可采用平面的压电换能器与凹透镜的组合。

实施例2：

如图2所示，本实施例中，超声发射单元包括两个或多个聚焦波源3，所述两个或多个聚焦波源3是由一个或一个以上垂直于超声波声轴线4的平行平面将一个球壳形波源分割为一个球冠和相邻的两个圆环(当然也可根据需要将此球壳形波源分割为一个球冠和多个圆环)，再将所分割后形成的一个球冠以及两个圆环沿超声波声轴线4的方向分别拉开后，互相间隔一定距离摆放形成，所形成的一个球冠或者一个圆环就为一个聚焦波源3。

当然，超声发射单元中的多个聚焦波源3也可以不包括上述分割形成的球冠，而由同一个球壳形波源上分割所形成的两个或两个以上的圆环沿超声波声轴线4的方向依次拉开，互相间隔一定距离后形成。

其中，每两个聚焦波源3之间的距离可以相等，也可以不相等。优选为相等。

由于多个聚焦波源3之间，面积的差异越大，则所形成的长焦域的超声能量分布就越不均匀。因而本实施例中，使分割后所形成的球冠与两个圆环的面积大致相等。

本实施例中，通过将球壳形波源分成面积大致相等的一个球冠和两个圆环，然后将三者同轴放置，这样就在声轴线4上形成了长条形的聚焦超声声场分布。

其中，三个聚焦波源3的摆放位置通常要求同轴摆放，但是可以略有偏差，偏差值为球壳形波源半径的10％左右。三个聚焦波源3的焦点位置与超声波的声轴线之间的偏差值A为0-5mm，对于本实施例而言，偏差值为0，即同轴摆放。

其中，被分割的球壳形波源的口径D范围是25-50mm，其聚焦半径SR的范围是20-50mm，经分割后所形成的两个或多个聚焦波源3中，相邻两个聚焦波源之间的径向间隔距离B为0-10mm。本实施例中，被进行分割的球壳形波源的口径为50mm，聚焦半径SR为80mm。相邻两个聚焦波源3之间的径向间隔距离B为10mm。

本实施例中，所形成的焦域的长度为60-70mm，宽度为1-15mm。

其中，超声波的频率为0.8-10MHz，本实施例中，超声波的频率为1.5MHz。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变形和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种超声换能器，包括有发射聚焦超声波的超声发射单元，其特征在于所述超声发射单元发射的超声波所形成的焦域形状为长条形，且沿超声波声轴线方向延伸。

2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于所述超声发射单元包括聚焦波源(1)和设置在超声传输路径上的超声传导单元(2)，所述聚焦波源(1)所发射的超声波经超声传导单元(2)后聚集在超声波声轴线上并沿超声波声轴线方向延伸，从而使所形成的焦域形状为沿超声波声轴线方向延伸的长条形。

3.根据权利要求2所述的超声换能器，其特征在于所述聚焦波源(1)采用能反射超声波的聚焦波源，超声传导单元(2)采用可透射超声波并能反射超声波的材料制成，该材料的声阻抗与人体皮肤的声阻抗不相匹配。

4.根据权利要求3所述的超声换能器，其特征在于所述人体皮肤与超声传导单元(2)两者的声阻抗的比值范围为1/2-1/50，优选为1/10-1/40。

5.根据权利要求4所述的超声换能器，其特征在于超声传导单元(2)采用玻璃、铜或铝制成。

6.根据权利要求2-5之一所述的超声换能器，其特征在于所述超声传导单元(2)与聚焦波源(1)的超声发射面相接触，且其形状与聚焦波源的超声发射面的形状相适配；超声传导单元(2)与人体皮肤相接触的一面的形状为平面形或者采用与人体皮肤表面相适应的形状。

7.根据权利要求6所述的超声换能器，其特征在于所述聚焦波源(1)采用球壳形波源，超声传导单元(2)与所述球壳形波源的超声发射面相接触的接触面的形状为与超声发射面相适配的球冠面；所述聚焦波源(1)包括平面压电材料以及贴合在所述平面压电材料上的凹透镜，超声传导单元(2)与所述凹透镜相接触的接触面的形状采用与所述凹透镜的凹陷部相适配的形状。

8.根据权利要求7所述的超声换能器，其特征在于所述聚焦波源的口径D范围是25-50mm，聚焦波源的聚焦半径SR范围是20-50mm，超声发射单元的中心厚度S范围是0.5-2.6mm。

9.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于所述超声发射单元包括两个或多个聚焦波源(3)，所述两个或多个聚焦波源是由一个或一个以上垂直于超声波声轴线的平行平面将一个球壳形波源分割为一个球冠和一个或一个以上的圆环，再将分割后形成的一个球冠以及依次相邻的一个或一个以上的圆环，或者将分割后形成的相邻的任意两个或两个以上的圆环，大致沿超声波声轴线的方向互相间隔一定距离摆放形成。

10.根据权利要求9所述的超声换能器，其特征在于分割所形成的一个球冠与任意一个圆环的面积，或者任何两个圆环的面积大致相等。

11.根据权利要求9或10所述的超声换能器，其特征在于所述被分割的球壳形波源的口径D范围是25-50mm，其聚焦半径SR的范围是20-50mm，经分割后所形成的两个或多个聚焦波源(3)中，相邻两个聚焦波源之间的径向间隔距离B为0-10mm，各聚焦波源的焦点位置与超声波的声轴线之间的偏差值A的范围为0-5mm。

12.根据权利要求1-11之一所述的超声换能器，其特征在于所形成的焦域的长度范围为3-100mm，其宽度范围为1-15mm；或者所形成的焦域的长度范围为3-100mm，其宽度范围为2-4mm；或者所形成的焦域的长度范围为20-60mm，其宽度范围为1-15mm；或者所形成的焦域的长度范围为20-60mm，其宽度范围为2-4mm。

13.根据权利要求1-12之一所述的超声换能器，其特征在于所述超声发射单元所发射的超声波的频率范围为0.8-10MHz，优选的是，超声波的频率为1.5MHz。

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