CN104771841A - 一种双频双层功率增强的环形高强度聚焦超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双频双层功率增强的环形高强度聚焦超声换能器，目的在于：满足低频条件的空化力学毁损与高频条件的热凝固同时或分时混合使用的要求，并且提高发射功率，所采用的技术方案为：包括外壳(1)，外壳(1)内设置有相互叠加且共焦的表层压电晶片(3)和里层压电晶片(2)，两层压电晶片均为环形凹面自聚焦结构，每层压电晶片均包括呈环形凹面且相互嵌套的外环和内环，外环为低频压电晶片(4)，内环为高频压电晶片(5)，两层的高频压电晶片处于同一球面且共焦。

Description

一种双频双层功率增强的环形高强度聚焦超声换能器

技术领域

本发明属于功率超声换能器的技术领域，具体涉及一种双频双层功率增强的环形高强度聚焦超声换能器。

背景技术

高强度聚焦超声换能器HIFU作为一种非介入式的微创治疗手段，正在逐渐被应用于更多的场合。首次将HIFU应用于临床治疗的是印第安纳大学Foster小组，他们在大量动物实验的基础上通过FDA的许可治疗了15例前列腺癌。在1997年，重庆医科大学研制出来国产的第一台HIFU治疗设备，并在此后的十多年间出口10余个发达国家，治疗肿瘤患者4万多例。全球各HIFU中心大量的病例治疗表明，无创的HIFU治疗技术与传统方法的疗效至少是相当的，并且更具优势。研究人员利用连续式HIFU在体内病灶部位产生高的能量聚集，形成短时高温，使得病灶组织产生不可逆的热凝固性坏死，从而杀死病变细胞。目前这一类HIFU治疗方式多应用于胰腺癌、前列腺增生和前列腺癌、乳腺癌、肝癌以及子宫肌瘤等。为了提高组织的吸热效率，通常采用1至5MHz高频超声连续作用。然而这种长达40至60分钟的连续辐照，可能在HIFU焦前区域造成皮肤和浅层组织损伤，而且仅适用于前文提到的那一类非致密性组织。针对一些致密组织，高频超声能量在入射的时候会由于声阻抗的巨大差异而大量反射，能量无法进入，此时低频的超声作用则更为明显。2004年，密歇根大学的Cain小组研究并发表了一种超声组织毁损技术(histotripsy)。该技术是利用短至几个周期的高能量低频率超声脉冲，在组织内产生空化力学毁损，从而达到组织粉碎和移除的目的。近几年内，该小组发展了一种基于半个周期的脉冲超声所产生的“microtripsy”技术，达到了微米级蚀刻的精度。该小组所使用的超声频率通常为几百KHz。此外，华盛顿大学Crum小组研究了一种基于毫秒级脉冲超声所产生的“boilinghistotripsy”技术，这是一种新兴的热凝固与空化力学毁损混合作用的治疗方式，他们所采用的超声频率为1-3MHz。

目前国际上关于HIFU的研究成果已经体现出低频与高频HIFU混合作用的重要性，可以预见未来HIFU的治疗不是仅仅局限于单一频率的某一种作用方式，而是空化力学毁损与热凝固同时或分时混合作用才能提高治疗效率。为了实现这种混合治疗方式，使用两个不同频率的HIFU换能器单独驱动、分时治疗并不合理，而且从系统的开发角度考虑也很复杂。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种能够满足低频条件的空化力学毁损与高频条件的热凝固同时或分时混合使用的要求，并且提高发射功率的双频双层功率增强的环形高强度聚焦超声换能器。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括外壳，外壳内设置有相互叠加且共焦的表层压电晶片和里层压电晶片，两层压电晶片均为环形凹面自聚焦结构，每层压电晶片均包括呈环形凹面且相互嵌套的外环和内环，外环为低频压电晶片，内环为高频压电晶片，两层的高频压电晶片处于同一球面且共焦。

所述的外环内径等于内环外径。

所述的表层压电晶片和里层压电晶片的曲率半径差等于表层压电晶片的厚度。

所述的里层压电晶片的背面设置有用于压电晶片的引线排布的填充及引线预留层。

所述的表层压电晶片和里层压电晶片之间的夹层内，以及填充及引线预留层均填充有耦合及固化材料。

所述的耦合及固化材料采用航海级环氧树脂，是液态的环氧树脂本胶与固化剂混合之后凝固形成的，压电晶片的引线包埋在凝固之后的固态胶体中。

所述的外壳上设置有引线预留孔，引线预留孔延伸至里层压电晶片背面的填充及引线预留层，引线预留孔的外端部设置有引线固定螺纹和密封圈凹槽。

所述的外壳的中间底部位置上设置有监控探头预留孔。

所述的外壳的背部设置有用于与机械控制装置连接的固定螺孔和用于与实验水槽连接的固定卡扣。

所述的外壳呈圆柱状，其近表面端的圆周侧设置有水囊卡扣。

与现有技术相比，本发明通过设置两层内外嵌套的压电晶片，每层均包括外环和内环，内环为高频压电晶片部分，频率高至几MHz，能够满足连续波模式作用下的热凝固作用；外环为低频部分，频率低至几百KHz，能够满足短脉冲模式作用下的空化力学作用，考虑到组织内的衰减，高频超声的聚焦性能好，适合f值即曲率半径与换能器半径的比值较大的情况；低频超声聚焦性能较差，适合f值较小的情况，这样的设计保证了高低频压电晶片的共焦，满足了热凝固与空化力学毁损混合作用的要求，同时通过双层压电晶片叠加的设计，每一层压电晶片都采用凹面自聚焦的形状压制，增大了发射功率。本发明使得空化力学毁损与热凝固作用一体化，通过时序控制使得治疗时间上也趋于一体化。另外，在尺寸受到传统HIFU换能器限制的条件下，采用双层压电晶片叠加耦合的设计，增大了换能器的发射功率，提高了治疗效率。

进一步，外环内径等于内环外径，使得内外环紧密贴合，更好的保证了本发明的性能。

更进一步，两层压电晶片的曲率半径差为表层压电晶片的厚度，更好的保证了两层两层压电晶片的共焦，提高了本发明的性能。

更进一步，在里层压电晶片的背面设置填充及引线预留层，有利于压电晶片的引线的排布。

更进一步，考虑到制作工艺的限制，表层压电晶片和里层压电晶片的凹面存在不完美契合的可能，在夹层中使用耦合及固化材料，使用航海级环氧树脂，该材料通常是采用液态的环氧树脂本胶与固化剂混合之后凝固形成。填充及引线预留层也填充耦合及固化材料，使得压电晶片的引线包埋在凝固之后的固态胶体中，能够预防由于引线的晃动而导致的断裂，而且还有防水作用。另外，调整本胶与固化剂的混合比例，使其固化之后的声速及声阻抗值能够匹配不同厚度的压电晶片。

进一步，引线预留孔延伸至填充及引线预留层，并通过引线固定螺纹和密封圈凹槽，将外壳和引线进行封装。

进一步，在外壳的中间底部设有监控探头预留孔，能够配合临床检测用的相控阵、面阵以及单阵元超声探头进行监控成像治疗。

进一步，考虑到换能器的三维控制要求，在外壳背部设计有两种固定方式，一种是螺钉固定方式，即留有固定螺孔可与机械控制装置连接；另一种是卡扣式固定，用于科学实验，可固定于适配水槽的侧壁。

进一步，作为用于临床应用的治疗换能器，外壳设为圆柱状，在其近表面端的圆周侧设有水囊卡扣，可作为拥有弹性封口的水囊的固定开口。这样的设计考虑到换能器倒置工作的情况下，解决了换能器与治疗部位的介质耦合的问题。另一方面使得水囊与换能器构成一个可移动的整体，从而满足了扫描式治疗的要求。

附图说明

图1为本发明的装配示意图；

图2a为本发明的等侧视图，图2b为本发明的上视图，图2c为本发明的底部视图；

图3a为本发明的剖视图，3b为填充及引线预留层局部放大剖视图，3c为引线预留孔部位局部放大剖视图；

图4a为本发明分时作用声轴平面的外环声压分布图，图4b为本发明分时作用声轴平面的内环声压分布图；

其中，1-外壳、2-里层压电晶片、3-表层压电晶片、4-低频压电晶片、5-高频压电晶片、6-监控探头预留孔、7-填充及引线预留层、8-引线预留孔、9-引线固定螺纹、10-密封圈凹槽、11-固定卡扣、12-固定螺孔、13-水囊卡扣。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

参见图1、图2a、图2b和图2c，本发明包括外壳1，外壳1内设置有相互叠加且共焦的表层压电晶片3和里层压电晶片2，两层压电晶片均为环形凹面自聚焦结构，每层压电晶片均包括呈环形凹面且相互嵌套的外环和内环，外环为低频压电晶片4，内环为高频压电晶片5，两层的高频压电晶片处于同一球面且共焦。外环内径等于内环外径。表层压电晶片3和里层压电晶片2的曲率半径差等于表层压电晶片3的厚度。

参见图3a、图3b和图3c，里层压电晶片2的背面设置有用于压电晶片的引线排布的填充及引线预留层7。表层压电晶片3和里层压电晶片2之间的夹层内，以及填充及引线预留层7均填充有耦合及固化材料。耦合及固化材料为航海级环氧树脂，采用液态的环氧树脂本胶与固化剂混合之后凝固形成的，压电晶片的引线包埋在凝固之后的固态胶体中。外壳1上设置有引线预留孔8，引线预留孔8延伸至里层压电晶片2背面的填充及引线预留层7，引线预留孔8的外端部设置有引线固定螺纹9和密封圈凹槽10。外壳1的中间底部位置上设置有监控探头预留孔6，高频压电晶片5的中心孔与监控探头预留孔6连接。外壳1的背部设置有固定螺孔12和固定卡扣11。外壳1呈圆柱状，其近表面端的圆周侧设置有水囊卡扣13。

本发明采用内外环嵌套模式，分为内外环两部分，其中内环由高频压电晶片5构成，外环由低频压电晶片4构成。考虑到组织内的衰减，高频超声的聚焦性能好，适合f值即曲率半径与换能器半径的比值较大的情况；低频超声聚焦性能较差，适合f值较小的情况，这样的设计保证了高低频压电晶片的共焦。

凹面自聚焦压电晶片的双层固定及耦合，为了增大发射功率，采用双层压电晶片叠加的设计，每一层压电晶片都采用凹面自聚焦的形状压制。为了保证前后两层共焦，二者的曲率半径差为表层压电晶片的厚度。考虑到制作工艺的限制，凹面存在不完美契合的可能，在夹层中使用耦合及固化材料。该材料使用航海级环氧树脂，而层压电晶片的背部同样使用这种材料填充。该材料通常是采用液态的环氧树脂本胶与固化剂混合之后凝固形成。压电晶片的引线包埋在凝固之后的固态胶体中，可以预防由于引线的晃动而导致的断裂，而且还有防水作用。另外，调整本胶与固化剂的混合比例，使其固化之后的声速及声阻抗值可以匹配不同厚度的压电晶片。

整个换能器的装配示意图如图1所示，剖面及局部放大示意图如图2a、图2b、图2c、图3a、图3b和图3c所示。其中外部的环形凹面为低频压电晶片4，内侧的环形凹面为高频压电晶片5，内环高频部分与外环高频部分不一定需要紧密贴合，可按照工艺条件适当调整，但是必须处于同一球面以保证共焦的要求。在里层压电晶片的背部有一定厚度的预留空间，用于压电晶片的引线排布以及环氧树脂固态胶的填充，而在引线预留孔8处，设有密封圈凹槽10及引线固定螺纹9。考虑到换能器的三维控制要求，在外壳1的背部设计有两种固定方式。一种是螺钉固定方式，即留有四个固定螺孔12可与机械控制装置连接；另一种是固定卡扣11固定，用于科学实验，可固定于适配水槽的侧壁。作为用于临床应用的治疗换能器，在其近表面端的圆周侧设计有水囊卡扣13，可作为拥有弹性封口的水囊固定开口。这样的设计是考虑到换能器倒置工作的情况下，解决了换能器与治疗部位的介质耦合的问题。另一方面该设计使得水囊与换能器构成一个可移动的整体，从而满足了扫描式治疗的要求。在换能器的中间底部设有监控探头预留孔6，可配合临床检测用的相控阵、面阵以及单阵元超声探头进行监控成像治疗。

本发明优选的尺寸及参数如表1所示，考虑理想条件为内外环紧密贴合，即外环内径等于内环外径。所采用的环氧树脂AB胶水为Tap PlasiticsInc公司生产的314型号本胶与143型号的固化剂以1：3的比例混合，固化之后的固体声速为1240m/s，密度为5.48g/cm³，声阻抗为6.8MRayl。以此计算了声轴平面分时作用的声压分布。

表1 本发明换能器仿真计算的参数设置

换能器参数项目	参数值
		外环外径	95mm
外环压电晶片频率	380KHz
		内环外径	50mm
内环内径	25mm
		内环压电晶片频率	2MHz

内外环的曲率半径	60mm
		换能器表面声压	0.6MPa

按照上述参数计算，图4a和图4b为换能器高低频分时作用时声轴平面的声压分布，声能量传播的方向为从上到下。外环低频部分焦点处的声压为12MPa，增益为26.0dB；内环高频部分焦点出处的声压为14MPa，增益27.4dB。这里计算的结果是单层压电晶片发射所形成，根据1993年发表在IEEE UFFC期刊上的文章，双层压电晶片可以提高发射5倍的发射功率，但是那局限于平面的压电晶片。对于凹面自聚焦形状的压电晶片，双层叠加之后表面的声功率依然是提高5倍，但是焦点处的声能量增益就远远超过了单层压电晶片的增益。

通常情况下，低频压电晶片作用时，采用高能量的短脉冲形式作用，更容易产生空化力学毁损的效果；高频压电晶片作用时，相对能量需要降低，但是采用连续式的工作方式，更易于热量的累积从而产生热凝固的效果。可根据要求定制换能器内外环的工作频率，再根据治疗的目的制定内外环的工作时序。

为了满足热凝固与空化力学毁损混合作用的要求，本发明采用高低频环阵换能器内外嵌套的设计：内环为高频部分，高至几MHz，可以满足连续波模式作用下的热凝固作用；外环为低频部分，低至几百KHz，可以满足短脉冲模式作用下的空化力学作用。

由于相控阵控制系统的复杂，本换能器采用凹面自聚焦的设计以降低聚焦成本，并且高低频部分是共焦点的。另一方面，考虑到换能器普适性的应用场合，不能采用大半径半球面的设计，换能器的尺寸受到了限制，所以为了增大发射功率以符合治疗超声的要求，采用压电晶片双层叠加的设计。

本发明采用内外层压电晶片的耦合与封装，换能器外壳的密封设计。双层的压电晶片，引线及背部材料被封装于铝合金外壳中。使用航海级的环氧树脂胶将双层压电晶片粘合固定，并适当填充于压电晶片的背部。适当的调整环氧树脂本胶与固化剂的混合比例来调整其凝固之后的声阻抗及硬度，使之匹配不同厚度的压电晶片。

本发明为双频的凹面自聚焦环形功率超声换能器，使得空化力学毁损与热凝固作用一体化，通过时序控制使得治疗时间上也趋于一体化。另外，在尺寸受到传统HIFU换能器限制的条件下，采用双层压电晶片叠加耦合的设计，增大了换能器的发射功率，提高了治疗效率。

Claims (10)

1.一种双频双层功率增强的环形高强度聚焦超声换能器，其特征在于：包括外壳(1)，外壳(1)内设置有相互叠加且共焦的表层压电晶片(3)和里层压电晶片(2)，两层压电晶片均为环形凹面自聚焦结构，每层压电晶片均包括呈环形凹面且相互嵌套的外环和内环，外环为低频压电晶片(4)，内环为高频压电晶片(5)，两层的高频压电晶片处于同一球面且共焦。

2.根据权利要求1所述的一种双频双层功率增强的环形高强度聚焦超声换能器，其特征在于：所述的外环内径等于内环外径。

3.根据权利要求1所述的一种双频双层功率增强的环形高强度聚焦超声换能器，其特征在于：所述的表层压电晶片(3)和里层压电晶片(2)的曲率半径差等于表层压电晶片(3)的厚度。

4.根据权利要求3所述的一种双频双层功率增强的环形高强度聚焦超声换能器，其特征在于：所述的里层压电晶片(2)的背面设置有用于压电晶片的引线排布的填充及引线预留层(7)。

5.根据权利要求4所述的一种双频双层功率增强的环形高强度聚焦超声换能器，其特征在于：所述的表层压电晶片(3)和里层压电晶片(2)之间的夹层内，以及填充及引线预留层(7)均填充有耦合及固化材料。

6.根据权利要求5所述的一种双频双层功率增强的环形高强度聚焦超声换能器，其特征在于：所述的耦合及固化材料采用航海级环氧树脂，是液态的环氧树脂本胶与固化剂混合之后凝固形成的，压电晶片的引线包埋在凝固之后的固态胶体中。

7.根据权利要求6所述的一种双频双层功率增强的环形高强度聚焦超声换能器，其特征在于：所述的外壳(1)上设置有引线预留孔(8)，引线预留孔(8)延伸至里层压电晶片(2)背面的填充及引线预留层(7)，引线预留孔(8)的外端部设置有引线固定螺纹(9)和密封圈凹槽(10)。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种双频双层功率增强的环形高强度聚焦超声换能器，其特征在于：所述的外壳(1)的中间底部位置上设置有监控探头预留孔(6)。

9.根据权利要求1-7任一项所述的一种双频双层功率增强的环形高强度聚焦超声换能器，其特征在于：所述的外壳(1)的背部设置有用于与机械控制装置连接的固定螺孔(12)和用于与实验水槽连接的固定卡扣(11)。

10.根据权利要求1-7任一项所述的一种双频双层功率增强的环形高强度聚焦超声换能器，其特征在于：所述的外壳(1)呈圆柱状，其近表面端的圆周侧设置有水囊卡扣(13)。