CN107361795A - 一种大带宽复合材料跟骨骨密度超声探头及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大带宽复合材料跟骨骨密度超声探头及其制作方法，该探头包括探头外壳、声叠层；声叠层为采用“重背衬+压电复合材料+声匹配层”的探头设计结构，重背衬设置于压电复合材料的背面，声匹配层设置于压电复合材料的前面，探头外壳的后端引出有与压电复合材料电连接的电极引线。其制作方法为首先选取压电复合材料并焊接电极引线；再用E54环氧树脂与钨粉配制出重背衬；用E51环氧树脂和800目氧化铝粉末配制出声匹配层；然后将重背衬、焊接有电极引线的压电复合材料和声匹配层通过E51环氧树脂胶粘叠置形成声叠层后屏蔽封装于探头外壳内，即完成大带宽跟骨骨密度超声探头的制作。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域,特别是用于探测人体跟骨骨密度的一种超声探头，具体地说是一种大带宽复合材料跟骨骨密度超声探头及其制作方法。
背景技术
由于传统X射线方法检测人体骨密度容易形成辐射，无辐射的超声骨密度检测方法逐渐被人们接受。依据测量部位，目前常用的超声骨密度测试方法有跟骨骨密度、桡骨骨密度、指骨骨密度等。其中跟骨骨密度常采用0.5MHz的一发一收的双探头方法进行脚部跟骨的测量，可以同时获得跟骨处声速SOS和声衰减BUA。其中BUA的测量原理是根据跟骨处的声衰减系数在0.2MHz到0.8MHz之间与频率呈线性关系。实际应用中很难有超声探头可以做到在0.2MHz和0.8MHz之间进行线性采样，这需要探头带宽达到120%，比较常用的是采集0.3MHz到0.6MHz的声衰减数。即使这样普通0.5MHz的探头通常也只能做到0.3MHz到0.5MHz的线性BUA数据采样。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，而提供一种可以在0.3MHz到0.6MHz之间获得线性声衰减系数拟合的一种大带宽复合材料跟骨骨密度超声探头及其制作方法，其工艺简，单能用于人体跟骨部位骨密度状况的检测。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种大带宽复合材料跟骨骨密度超声探头，包括探头外壳以及封装在该探头外壳内的声叠层；声叠层为采用“重背衬+压电复合材料+声匹配层”的探头设计结构，重背衬设置于压电复合材料的背面以起到背向声吸收和增加带宽的作用，声匹配层设置于压电复合材料的前面以起到匹配人体声阻抗的作用，探头外壳的后端引出有与压电复合材料电连接的电极引线，电极引线包括正电极引线和负电极引线，正电极引线与压电复合材料的上表面电连接，负电极引线与压电复合材料的下表面电连接，压电复合材料为由压电相和非压电相组成的压电复合材料晶片。
为优化上述技术方案，采取的措施还包括：
上述的重背衬的声阻抗在9MRaly-18MRaly之间，最佳为13MRaly。
上述的压电复合材料的压电相体积分数在10%-60%之间。
上述的重背衬为由环氧树脂与钨粉配制出的高声阻抗背衬。
上述的声匹配层为由环氧树脂与氧化铝粉末配制而成的匹配层。
上述的压电复合材料的压电相体积分数在30%，压电复合材料的厚度为3.35mm，直径为25mm。
本发明还提供了一种大带宽复合材料跟骨骨密度超声探头的制作方法；该方法包括以下步骤：
1)、选取厚度为3.35mm，直径为25mm，体积分数为30%的压电复合材料，并将正电极引线与压电复合材料的上表面焊接固定相连，将负电极引线与压电复合材料的下表面焊接固定相连；
2)、采用质量比为1:8的E54环氧树脂与钨粉配制出重背衬；
3)、采用质量比为1:2的E51环氧树脂和800目氧化铝粉末配制出声匹配层；
5)、由上至下将上述的重背衬、焊接有正电极引线与负电极引线的压电复合材料和声匹配层通过E51环氧树脂胶粘叠置形成声叠层；
6)、将上述形成的声叠层屏蔽封装于探头外壳内，并将正电极引线未焊接的一端和负电极引线未焊接的一端从探头外壳的后端引出，即完成大带宽复合材料跟骨骨密度超声探头的制作。
上述的重背衬的厚度为15mm；声匹配层厚度为0.96mm。
与现有技术相比，本发明的声叠层为采用“重背衬+压电复合材料+声匹配层”的探头设计结构，重背衬设置于压电复合材料的背面以起到背向声吸收和增加带宽的作用，声匹配层设置于压电复合材料的前面以起到匹配人体声阻抗的作用，探头外壳的后端引出有与压电复合材料电连接的电极引线，电极引线包括正电极引线和负电极引线，正电极引线与压电复合材料的上表面电连接，负电极引线与压电复合材料的下表面电连接，压电复合材料为由压电相和非压电相组成的压电复合材料晶片。本发明的声叠层采用的是压电复合材料，由于压电复合材料具有较低的声阻抗和较高的信号接收性能，因此灵敏度高、带宽大、稳定性好，能在0.2MHz到0.6MHz之间获得线性声衰减系数BUA数据采样，特别是适用于人体跟骨部位骨密度的探测。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是图1中压电复合材料的结构示意图；
图3是本发明水槽测试回波波形和频谱图；
图4是本发明跟骨体模测试得到的BUA线性拟合结果。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
图1至图4为本发明实施例的结构示意图。
其中的附图标记为：探头外壳1、重背衬2、压电复合材料3、压电相31、非压电相32、声匹配层4、正电极引线5、负电极引线6。
图1至图4为本发明的结构示意图，如图所示，本发明的一种大带宽跟骨骨密度超声探头，包括探头外壳1以及封装在该探头外壳1内的声叠层；声叠层为采用“重背衬+压电复合材料+声匹配层”的探头设计结构，重背衬2设置于压电复合材料3的背面以起到背向声吸收和增加带宽的作用，声匹配层4设置于压电复合材料3的前面以起到匹配人体声阻抗的作用，探头外壳1的后端引出有与压电复合材料3电连接的电极引线，电极引线包括正电极引线5和负电极引线6，正电极引线5与压电复合材料3的上表面电连接，负电极引线6与压电复合材料3的下表面电连接，压电复合材料3为由压电相31和非压电相32组成的压电复合材料晶片。为了匹配人体的声阻抗，提高探头的灵敏度和带宽，根据KLM理论模型，超声探头需要在压电复合材料和人体组织之间插入一层匹配材料，由于本发明使用了低体积分数的压电复合材料，因此可以只设计单层匹配，当然也可以为了进一步提高性能采用两层匹配的结构设计。本发明采用了“重背衬+压电复合材料+声匹配层”的超声探头结构设计，采用压电复合材料替代了传统的压电陶瓷晶片，压电复合材料具有较低的声阻抗和较高的信号接收性能，因此灵敏度高、带宽大、稳定性好，能在0.2MHz到0.6MHz之间获得线性声衰减系数BUA数据采样。本发明具有检测灵敏、可靠性高、适用带宽广的特点，能广泛用于对于人体跟骨部位的骨密度状况的检测。
实施例中，重背衬2的声阻抗在9MRaly-18MRaly之间，最佳为13MRaly。
实施例中，压电复合材料3的压电相体积分数在10%-60%之间。
实施例中，重背衬2为由环氧树脂与钨粉配制出的高声阻抗背衬。
实施例中，声匹配层4为由环氧树脂与氧化铝粉末配制而成的匹配层。
实施例中，压电复合材料3的压电相体积分数在30%，压电复合材料3的厚度为3.35mm，直径为25mm。
本发明在水槽中的测试回波波形和频谱图，如图3所示，-6dB带宽达到了94%，具有较小的拖尾：图4是本发明跟骨体模测试得到的BUA线性拟合图，可以在0.3MHz在0.6MHz之间实现了BUA的线性测量，满足跟骨骨密度实际测试需求。
一种大带宽跟骨骨密度超声探头的制作方法；该方法包括以下步骤：
1)、选取厚度为3.35mm，直径为25mm，体积分数为30%的压电复合材料3，并将正电极引线5与压电复合材料3的上表面焊接固定相连，将负电极引线6与压电复合材料3的下表面焊接固定相连；
2)、采用质量比为1:8的E54环氧树脂与钨粉配制出重背衬2；重背衬2的厚度为15mm；
3)、采用质量比为1:2的E51环氧树脂和800目氧化铝粉末配制出声匹配层4；声匹配层4厚度为0.96mm是该层声速波长的四分之一；
5)、由上至下将上述的重背衬2、焊接有正电极引线5与负电极引线6的压电复合材料3和声匹配层4通过E51环氧树脂胶粘叠置形成声叠层；
6)、将上述形成的声叠层屏蔽封装于探头外壳1内，并将正电极引线5未焊接的一端和负电极引线6未焊接的一端从探头外壳1的后端引出，即完成大带宽复合材料跟骨骨密度超声探头的制作。
实施例一
一种大带宽跟骨骨密度超声探头的制作方法；该方法包括以下步骤：
1)、选取厚度为3.35mm，直径为20mm，体积分数为50%的压电复合材料3，并将正电极引线5与压电复合材料3的上表面焊接固定相连，将负电极引线6与压电复合材料3的下表面焊接固定相连；
2)、采用质量比为1:8的E54环氧树脂与钨粉配制出重背衬2；重背衬2的厚度为15mm；
3)、采用质量比为1:2的E51环氧树脂和800目氧化铝粉末配制出声匹配层4；声匹配层4厚度为1.05mm是该层声速波长的四分之一；
5)、由上至下将上述的重背衬2、焊接有正电极引线5与负电极引线6的压电复合材料3和声匹配层4通过E51环氧树脂胶粘叠置形成声叠层；
6)、将上述形成的声叠层屏蔽封装于探头外壳1内，并将正电极引线5未焊接的一端和负电极引线6未焊接的一端从探头外壳1的后端引出，即大带宽复合材料跟骨骨密度超声探头的制作。
虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了图示和描述，但是，本专业普通技术人员应当了解，在权利要求书的范围内，可作形式和细节上的各种各样变化。
Claims (8)
1.一种大带宽复合材料跟骨骨密度超声探头，包括探头外壳(1)以及封装在该探头外壳(1)内的声叠层；其特征是：所述的声叠层为采用“重背衬+压电复合材料+声匹配层”的探头设计结构，所述的重背衬(2)设置于压电复合材料(3)的背面以起到背向声吸收和增加带宽的作用，所述的声匹配层(4)设置于压电复合材料(3)的前面以起到匹配人体声阻抗的作用，所述的探头外壳(1)的后端引出有与压电复合材料(3)电连接的电极引线，所述的电极引线包括正电极引线(5)和负电极引线(6)，所述的正电极引线(5)与压电复合材料(3)的上表面电连接，所述的负电极引线(6)与压电复合材料(3)的下表面电连接，所述的压电复合材料(3)为由压电相(31)和非压电相(32)组成的压电复合材料晶片。
2.根据权利要求1所述的一种大带宽复合材料跟骨骨密度超声探头，其特征是：所述的重背衬(2)的声阻抗在9MRaly-18MRaly之间，最佳为13MRaly。
3.根据权利要求2所述的一种大带宽复合材料跟骨骨密度超声探头，其特征是：所述的压电复合材料(3)的压电相体积分数在10%-60%之间。
4.根据权利要求3所述的一种大带宽复合材料跟骨骨密度超声探头，其特征是：所述的重背衬(2)为由环氧树脂与钨粉配制出的高声阻抗背衬。
5.根据权利要求4所述的一种大带宽复合材料跟骨骨密度超声探头，其特征是：所述的声匹配层(4)为由环氧树脂与氧化铝粉末配制而成的匹配层。
6.根据权利要求5所述的一种大带宽复合材料跟骨骨密度超声探头，其特征是：所述的压电复合材料(3)的压电相体积分数在30%，压电复合材料(3)的厚度为3.35mm，直径为25mm。
7.一种如权利要求1至6任一权利要求所述的一种大带宽复合材料跟骨骨密度超声探头的制作方法；其特征是：该方法包括以下步骤：
1)、选取厚度为3.35mm，直径为25mm，体积分数为30%的压电复合材料(3)，并将正电极引线(5)与压电复合材料(3)的上表面焊接固定相连，将负电极引线(6)与压电复合材料(3)的下表面焊接固定相连；
2)、采用质量比为1:8的E54环氧树脂与钨粉配制出重背衬(2)；
3)、采用质量比为1:2的E51环氧树脂和800目氧化铝粉末配制出声匹配层(4)；
5)、由上至下将上述的重背衬(2)、焊接有正电极引线(5)与负电极引线(6)的压电复合材料(3)和声匹配层(4)通过E51环氧树脂胶粘叠置形成声叠层；
6)、将上述形成的声叠层屏蔽封装于探头外壳(1)内，并将正电极引线(5)未焊接的一端和负电极引线(6)未焊接的一端从探头外壳(1)的后端引出，即完成大带宽复合材料跟骨骨密度超声探头的制作。
8.根据权利要求7所述的一种大带宽复合材料跟骨骨密度超声探头的制作方法，其特征是：所述的重背衬(2)的厚度为15mm；所述的声匹配层(4)厚度为0.96mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| 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 | ||
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Application publication date: 20171121 |