CN108969013A - 一种可穿戴超声探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿戴超声探头，包括上封装膜、电极接口、有机压电材料、正电极、负电极及下封装膜；所述有机压电材料被所述上封装膜和下封装膜封装；所述上封装膜和下封装膜为高分子聚合物薄膜；所述正电极和负电极为金属薄膜；所述上封装膜、电极接口、有机压电材料、正电极、负电极和下封装膜通过粘接进行组合。相对于现有的A超探头人机接口，本发明在保障人机接口的效果同时，极大地提高了探头的便携化。

Description

一种可穿戴超声探头

技术领域

本发明涉及可穿戴电子产品领域，尤其涉及一种便携可穿戴超声波治疗设备的探头结构。

背景技术

人机接口能够采集人体的生理信号，通过处理能够获得人体的运动意图，进一步得可以用于控制外部设备。目前在人机接口中所使用主流的人体信号为肌电信号和脑电信号，超声信号作为两种信号的替代，具有安全、稳定和高精度的特点。现有超声人机接口使用B超探头和传统A超探头作为传感器检测人体肌肉，以检测人体肌肉的界面或其他组织信息，通过对信号进行处理，可以获得人体的动作意图。其中B超探头由多个压电阵元组成，使得其探头本身及其信号处理单元的价格昂贵、且体积较大难以实现便携化；而传统A超探头作为B超探头在人机接口中的替代，简化了探头本身及其信号处理单元，并能够有效地获得人体肌肉的信息，且目前在一定程度上实现了便携化。然而，传统A超探头的压电材料常为压电陶瓷及其复合材料，因为所用压电材料本身的声阻抗远高于人体软组织，且所用压电材料的机械品质因数高，在停止激励后需要较长时间恢复到静止状态，因此，为提高声波从探头传递到人体的效率和缩短声波长度，在传统A超探头中需要匹配层和背衬，从而使得传统A超探头的轴向长度难以缩短，而限制了基于A超探头人机接口的进一步便携化。由于有机压电材料PVDF及其聚合物相对压电陶瓷及其复合材料在材料特性上的劣势，且人体软组织对声波具有高衰减的特性，因此，在对人体组织探测中，目前有一定的局限性。现有人机接口的种类繁多，或成本高昂、或体积庞大、或信号微弱或信号不稳定，难以满足长期的便携佩戴。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种新型可穿戴超声探头,在保障人机接口的效果同时，可以极大地提高探头的便携性。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何突破传统A超探头在轴向长度上的简化限制，针对人机接口用途，简化传统A超探头的结构，将传统A超探头进一步便携化。

为实现上述目的，本发明提供了一种可穿戴超声探头，包括上封装膜、电极接口、有机压电材料、正电极、负电极及下封装膜；所述电极接口包括电极固定板、正极端、接地极端和正极端固定板，所述正极端和正极端固定板组成所述电极接口的正极，所述接地极端为电极接口的接地极，所述电极接口通过粘接进行固定；所述有机压电材料被上封装膜和下封装膜封装，保持有机压电材料的电极表面整洁，并给电极接口提供粘贴位置。通过粘接而非焊接，减少温度对有机压电材料的影响；所述上封装膜和下封装膜为高分子聚合物薄膜；所述正电极和负电极为金属薄膜；所述上封装膜、电极接口、有机压电材料、正电极、负电极和下封装膜通过粘接进行组合。

进一步地，所述电极接口将所述正电极和负电极转接到同轴电缆的接口，实现探头内部的正电极和负电极与外部的设备进行连接，并通过其方形底座粘接于下封装膜上。

进一步地，所述有机压电材料为PVDF或PVDF的共聚物，所述有机压电材料不包含和人体软组织之间的匹配层及背衬层，其形状为矩形或者圆形。

进一步地，所述有机压电材料的厚度为100到1000微米，以满足人机接口中的探测工作频率需求。

进一步地，所述正电极和负电极的材料为铝，厚度为10到100微米。

进一步地，根据有机压电材料的厚度变化，为便于封装，并确保声波传递效率，所述下封装膜的材料厚度为10到100微米，以使其声阻抗在所述有机压电材料和人体软组织(接近于水)的声阻抗之间；所述上封装膜的材料厚度与所述下封装膜的材料厚度相同，以防止所述有机压电材料发射的声波通过所述上封装膜传递到空气中，并再次反射到人体组织中，造成对有用信息的干扰。

进一步地，为减少所述正电极和负电极在探头内部的信号干扰，所述正电极和负电极为“L”型结构，优选的，所述正电极和负电极的面积在满足工艺要求和保证使用效果的前提下尽可能小，以减少探头在使用过程中金属材料变形对声波传递的干扰。

进一步地，为防止电极接口、有机压电材料、正电极、负电极和人体组织的直接接触，利用所述上封装膜和所述下封装膜对所述探头进行封装；所述上封装膜带有凹槽，其体积与有机压电材料相同，以防止在封装过程在有机压电材料四周产生空气，所述上封装膜还开有小孔，所述小孔的形状、尺寸与所述电极接口相匹配，以方便将电极接口粘贴于下封装膜上。

进一步地，所述下封装膜材料可与人体组织直接接触，为完整的平面膜，可以实现人体组织与电信号的隔离。

进一步地，所述电极固定板为绝缘材料，所述正极端、正极端固定板和接地极端为导电材料；所述正极端与接地极端通过所述电极固定板连接并固定于所述下封装膜上。

本发明将该种结构的超声探头应用于人机接口设备中，其结构与无损探伤(NDT)中的贴片探头相似，但通过高分子聚合物封装薄膜将电信号、接口与人体组织进行了有效地隔离。具有低成本、体积小的优点，可适用于截肢患者或者可穿戴设备的超声波探头人机接口。相对于现有的A超探头人机接口，本发明在保障人机接口的效果同时，极大地提高了探头的便携化。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的外观结构示意图；

图2是本发明的内部结构俯视图；

图3是本发明的内部结构仰视图；

图4是本发明的上封装膜；

图5是本发明的下封装膜；

图6是本发明的电极接口轴测图；

图7是本发明的电极接口仰视图；

其中，1-上封装膜，2-电极接口，3-有机压电材料，4-正电极，5-负电极，6-下封装膜，21-电极固定板，22-正极端，23-接地极端，24-正极端固定板。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

图1-图7示出了本发明所提供的可穿戴超声探头的一种优选的具体实施方式。

如图1、图2和图5所示，本实施案例的超声探头包括上封装膜1、电极接口2、有机压电材料3、正电极4、负电极5及下封装膜6。使用上封装膜1和下封装膜6对探头进行封装，以防止电极接口2、有机压电材料3、正电极4、负电极5和人体组织的直接接触。

如图6和图7所示，电极接口2与现有IPEX母头结构相似，但具体组合方式又不同，本发明电极接口2通过粘接进行固定，而不是通过传统的焊接电极接口进行固定，电极接口2包括了电极固定板21、正极端22、接地极端23和正极端固定板24；电极固定板21为绝缘体；正极端固定板24、正极端22和接地极端23为导电材料；正极端22与接地极端23通过固定板21连接并固定于下封装膜6上。

如图2和图5所示：

有机压电材料3直接被上封装膜1和下封装膜6封装；上封装膜1和下封装膜6为高分子聚合物薄膜；正电极4和负电极5为金属薄膜；上封装膜1、电极接口2、有机压电材料3、正电极4、负电极5及下封装膜6通过粘接进行组合。

本实施例中，有机压电材料3采用PVDF材料，有机压电材料3不包含和人体软组织之间的匹配层及背衬层，其声阻抗与人体软组织接近，因此在该材料和人体软组织之间的匹配层可被省去，且其机械品质因数低，在被停止激励后，能够较快的恢复到静止状态，因此背衬层也可以被省去。

有机压电材料3的厚度和其工作频率有着直接的关系，厚度大则频率低，因此，在实际应用中，根据不同的需求，就会需要有不同的工作频率，根据在人机接口中的探测工作频率需求，本实施例中，有机压电材料3的厚度为500微米。

如图3所示，由于有机压电材料3在高温时不稳定，因此其电极表面与探头的正电极4和负电极5及其封装均采用粘接的方式，并通过电极接口2将探头内部的正电极4和负电极5与外部的设备进行连接。

如图2和图3所示，因为金属材料所能承受的变形有限，当探头在使用过程中产生变形时，上下两个表面的变形不同，为了防止金属材料对变形量的限制，且减少金属材料对声波传递的干扰，本发明正电极4和负电极5的面积在工艺和保证使用效果的范围内尽可能小。本实施案例中正电极4和负电极5的材料为铝，厚度为20微米。除此之外，为了减少正电极4和负电极5在所发明探头内部的信号干扰，其结构设置为“L”型。

如图4所示，上封装膜1带有凹槽，凹槽内放置有机压电材料3，凹槽的体积和形状与有机压电材料3相同，以防止在封装过程在有机压电材料3四周产生空气；上封装膜1还开有电极接口小孔，小孔的形状、尺寸与电极接口2相匹配，以方便将电极接口2粘贴于下封装膜6上。

如图5所示，下封装膜6与人体组织直接接触，为完整的平面膜以实现人体组织与电信号的隔离，材质为高分子聚合物薄膜。有机压电材料3发射的声波将通过下封装膜6传递到人体组织中，其声阻抗及厚度会影响到声波传递效率，声阻抗应在有机压电材料3和人体软组织(接近于水)的声阻抗之间，而厚度应该接近或者远小于其所传递声波的四分之一波长，根据有机压电材料3的厚度变化，下封装膜6的厚度设为50微米。

有机压电材料3发射的声波也将会通过上封装膜1传递到空气与封装膜的交界面，并再次反射到人体组织中，为了防止这种信号对有用信息的干扰，应降低上封装膜1的厚度，为了便于探头的封装，本实施例中，上封装膜1和下封装膜6采用相同材料及相同厚度的薄膜。

本发明的另一个实施例是，有机压电材料3采用PVDF的聚合物材料。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可穿戴超声探头，其特征在于，包括上封装膜、电极接口、有机压电材料、正电极、负电极及下封装膜，所述电极接口包括电极固定板、正极端、接地极端和正极端固定板，所述正极端和正极端固定板组成所述电极接口的正极，所述接地极端为电极接口的接地极，所述电极接口通过粘接进行固定；所述有机压电材料被上封装膜和下封装膜封装；所述上封装膜和下封装膜为高分子聚合物薄膜；所述正电极和负电极为金属薄膜；所述上封装膜、电极接口、有机压电材料、正电极、负电极和下封装膜通过粘接进行组合。

2.如权利要求1所述的可穿戴超声探头，其特征在于，所述电极接口将所述正电极和负电极转接到同轴电缆的接口，并通过其方形底座粘接于所述下封装膜上。

3.如权利要求1所述的可穿戴超声探头，其特征在于，所述有机压电材料为PVDF或PVDF的共聚物，所述有机压电材料不包含和人体软组织之间的匹配层及背衬层，其形状为矩形或者圆形。

4.如权利要求1所述的可穿戴超声探头，其特征在于，所述有机压电材料的厚度为100到1000微米。

5.如权利要求1所述的可穿戴超声探头，其特征在于，所述正电极和负电极的材料为铝，厚度为10到100微米。

6.如权利要求1所述的可穿戴超声探头，其特征在于，所述上封装膜和下封装膜材料的声阻抗在有机压电材料的声阻抗和水的声阻抗之间，厚度为10到100微米。

7.如权利要求1所述的可穿戴超声探头，其特征在于，所述正电极和负电极为“L”型结构。

8.如权利要求1所述的可穿戴超声探头，其特征在于，所述探头用所述上封装膜和下封装膜进行封装，所述上封装膜带有凹槽，所述凹槽的体积与所述有机压电材料相同，所述上封装膜还开有电极接口小孔。

9.如权利要求1所述的可穿戴超声探头，其特征在于，所述下封装膜材料可与人体组织直接接触，为完整的平面膜。

10.如权利要求1所述的可穿戴超声探头，其特征在于，所述电极固定板为绝缘材料，所述正极端、正极端固定板和接地极端为导电材料；所述正极端与接地极端通过所述电极固定板连接并固定于所述下封装膜上。