CN106679793A - 检测声功率的新型热释电传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测声功率的新型热释电传感器。本发明采用聚偏氟乙烯薄膜作为敏感元件，所述的聚偏氟乙烯薄膜斜向设置在水槽内，所述的水槽采用聚甲基丙烯酸甲酯材料，水槽的内壁紧贴有不锈钢面板，聚偏氟乙烯薄膜将水槽分为两部分，聚偏氟乙烯薄膜的上部为开放区，聚偏氟乙烯薄膜的下部为密闭区，密闭区内布置将声能转化为热能的吸声背衬材料。本发明运用热释电材料的热释电效应来对超声换能器输出声功率的检测。该发明成本低且与热电偶测声功率的方法相比无需达到热平衡状态，因此响应速度明显加快。
Description
技术领域
本发明主要涉及新型热释电传感器，特别涉及一种检测声功率的新型热释电传感器。
背景技术
超声诊断已经逐渐成为最主要的医学诊疗手段。尤在近十余年，超声治疗的新技术得到了迅猛的发展，特别在高强度聚焦超声方面更是有了突破性的进展。高强度聚焦超声是一种非介入性无创肿瘤治疗技术，利用超声波在生物组织内的可聚焦性和可穿透性的物理特点，将超声能量聚焦在体内病灶上的一个很小的焦域内，该区域内瞬时温度可上升到65℃以上。因此可以在对焦域周围正常组织没有明显损伤的前提下，使焦域内组织产生不可逆转的凝固性坏死，从而达到“切除”或消融肿瘤的目的。由此对比MRI、CT、PET等医疗设备，超声诊疗具有操作便捷，使用经济，适用范围广泛等特点，所以广受医生和病人的欢迎。
安全性和有效性是用于治疗的医疗器械所必须满足的两个重要指标。而对于此类诊疗设备声功率的安全测量方法已经成为目前医疗人员及社会各界迫切需要的保障。超声声功率过低导致治疗没有效果、而过高则会带来不可逆的损伤，因此治疗过程中需要准确控制阈值范围的大小。在这种需求形势下，超声功率的测量具有其重要的实际意义。
然而目前对声功率的测量方法主要有辐射力法、光学法、热学法以及水听器扫描法等。其中得到普遍应用的是辐射力法，但其需要较高的成本和高技能的人才，并且辐射力天平测量要求较为严格，尤其是在安装以及换能器尺寸方面，从而在临床和用户层面会有所限制。而水听器扫描法则存在使用效率较低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种检测声功率的新型热释电传感器，以解决上述背景中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明采用聚偏氟乙烯薄膜作为敏感元件，其特征在于：所述的聚偏氟乙烯薄膜斜向设置在水槽内，其与水平面的倾斜角为15°～25°，所述的水槽采用聚甲基丙烯酸甲酯材料，水槽的内壁和底部紧贴有不锈钢面板，聚偏氟乙烯薄膜将水槽分为两部分，聚偏氟乙烯薄膜的上部为开放区，聚偏氟乙烯薄膜的下部为密闭区，密闭区内布置将声能转化为热能的吸声背衬材料。
所述的聚偏氟乙烯薄膜有两层，其中上层为非极化的聚偏氟乙烯薄膜薄膜，用于对换能器发射的超声功率经由除气水到下层的聚偏氟乙烯薄膜的电隔离，下层为极化的聚偏氟乙烯薄膜，用于感受吸声背衬材料吸收声波后温度的改变；极化的聚偏氟乙烯薄膜因热释电效应而释放电荷或电压，并由金电极引出。
进一步说，所述的极化的聚偏氟乙烯薄膜呈阵列排布。
进一步说，所述的倾斜角为20°。
背景技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明运用热释电材料的热释电效应来对超声换能器输出声功率的检测。该发明成本低且与热电偶测声功率的方法相比无需达到热平衡状态，因此响应速度明显加快。再者在传感器制作与应用的过程中可以灵活的变换形状以及布局，增加了应用的范围与领域，尤其在高强度聚焦超声治疗过程中能够进行实时监测。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为阵列型PVDF薄膜结构示意图；
图中：1、PMMA外壳，2、不锈钢面板，3、阵列型PVDF薄膜，4、高吸声背衬材料，5、极化的PVDF薄膜，6、阵元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示：本发明包括一个PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）材料的水槽外壳1，水槽内部各面粘贴有一定厚度的不锈钢面板2。水槽内部放置与水平面呈20°夹角的阵列型PVDF（聚偏氟乙烯）薄膜3，薄膜的下方充斥着高吸声背衬材料4。本实施例是通过热释电材料的热释电效应检测超声的声功率。为了实现声功率的准确测量，减少声波在传感器中由于反射和散射所带来的测量损失，设计传感器由非极化的PVDF薄膜、极化的PVDF薄膜（含上、下金电极）和高吸声材料组成。
所述的非极化的PVDF薄膜置于传感器的顶端，用于对换能器发射的超声功率经由除气水到极化的PVDF薄膜5的电隔离。而极化的PVDF薄膜则是作为传感器的敏感元件，其呈阵列排布，由多个阵元6组成，置于未极化的PVDF薄膜之后，用于感受吸声材料吸收声波后温度的改变，并利用热释电效应在其表面释放电荷或电压。进一步，这两类薄膜同时与水平面呈20°夹角放置在水槽中，以减小驻波对测量的影响。
高吸声材料则置于极化的PVDF薄膜之后，吸收声波并将声波的声能转换为热能。水槽内粘贴的不锈钢面板更是为了增强声波在内部的反射与折射。
测量时，超声换能器对某一点发射聚焦超声波，通过该点之后的聚焦超声束会发生散射，后到达热释电传感器表面。由于上层PVDF薄膜的透声性能很好，绝大部分的声波能够顺利的透过PVDF薄膜从而到达高吸声背衬材料中。高吸声背衬材料吸收声波后，将声能转换为热能。又因为下层PVDF薄膜与高吸声背衬材料紧密相连，因此接触界面的热量会直接传递到下层PVDF表面。此时具有热释电性能的PVDF表面会产生表面电荷，通过消耗采集系统，该热释电电荷会被记录。通过理论研究可以建立声功率与热释电电荷的关系，从而推算得超声换能器的发射声功率。
以下为本发明的具体实施例：
1）热释电传感器的结构设计与制作
步骤1）选择合适的热释电材料。根据热释电传感器所基于的热释电效应，选择合适的热释电材料。考虑超声换能器传播的介质为水或人体，所以所需的热释电材料要具有透声性较好的特点，因此选择了高分子聚合物PVDF作为热释电传感器的敏感元件。并且为了更好的接收声波，将薄膜制作成阵列形式以提高传感器的精度。
步骤2）选择高吸声背衬材料。声波透过薄膜进入吸声材料中，吸声材料吸收声波将声能转化为热能。在此要求吸声材料具有较高的吸声系数以及高转换效率，以确保将绝大部分的声能转换成热能，而减少声波在吸声材料内部的反射与折射。
步骤3）设计水槽。声波在介质中或吸声材料中传播不可避免的会有部分声波发生反射与折射，设计水槽减少声波透射到外界。因此水槽材料需要隔声性能较好并且能够将声波重新反射回水槽内部。因此在设计时选择了隔声性好、绝缘性好的高分子透明材料PMMA，且在外壳内壁粘贴一层不锈钢增加反射。
步骤4）设计热释电材料放置位置。PVDF薄膜简单水平放置时，会有大量的声波反射回换能器表面从而形成驻波。所以有必要改变薄膜的放置位置减少驻波的产生，使尽可能多的声波透过薄膜进入吸声材料，从而提高传感器的灵敏度。因此将薄膜与水平面呈20°夹角放置。
2）热释电传感器性能评价
步骤1）理论计算。通过理论推导建立换能器发射声功率与热释电输出信号之间的关系。找到理论上热释电信号受哪些因素的影响，以及声功率的改变如何影响热释电信号变化。以此作为该传感器的参考理论值，用于与后期实验进行对比。
步骤2）实验。保持换能器距离与传感器垂直距离不变的条件下，采用相同时间，相同频率与相同的超声换能器声功率，进行重复两次实验，比较前后两次测得的热释电信号之间的差异，得到该传感器的重复性曲线。在相同超声频率的条件下，仅改变换能器输出的声功率时。根据测量得到热释电传感器输出电压，由此观察热释电输出电压与声功率之间的变换规律。同样的在保持声功率不变的条件下，仅增强换能器的频率。观察热释电输出电压与频率大小间的关系。
步骤3）对比。将步骤1)与步骤2）的数据进行对比，即可得到该传感器的性能评价。
步骤4）系统不确定度的评定。实验中造成系统误差的因素有很多，大致可分为以下几种：水的温度变化所造成的误差，吸声材料热传递过程中所造成的误差，透声薄膜造成的传递误差等。
Claims (3)
1.检测声功率的新型热释电传感器，采用聚偏氟乙烯薄膜作为敏感元件，其特征在于：所述的聚偏氟乙烯薄膜斜向设置在水槽内，其与水平面的倾斜角为15°～25°，所述的水槽采用聚甲基丙烯酸甲酯材料，水槽的内壁和底部紧贴有不锈钢面板，聚偏氟乙烯薄膜将水槽分为两部分，聚偏氟乙烯薄膜的上部为开放区，聚偏氟乙烯薄膜的下部为密闭区，密闭区内布置将声能转化为热能的吸声背衬材料；
所述的聚偏氟乙烯薄膜有两层，其中上层为非极化的聚偏氟乙烯薄膜薄膜，用于对换能器发射的超声功率经由除气水到下层的聚偏氟乙烯薄膜的电隔离，下层为极化的聚偏氟乙烯薄膜，用于感受吸声背衬材料吸收声波后温度的改变；极化的聚偏氟乙烯薄膜因热释电效应而释放电荷或电压，并由金电极引出。
2.根据权利要求1所述的新型热释电传感器，其特征在于：所述的极化的聚偏氟乙烯薄膜呈阵列排布。
3.根据权利要求1所述的新型热释电传感器，其特征在于：所述的倾斜角为20°。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20170517 |