CN110314834B - 一种超声换能器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及医学超声的技术领域，公开了一种超声换能器及其制备方法，所述超声换能器包括壳体，壳体内设置有压电层，所述压电层由至少两个压电阵元组成，所述压电阵元之间的频率间隔为50kHz～1.2MHz；所述压电层的前端设置有声透镜，所述声透镜用于保证不同频率的压电阵元共焦点。本发明可以同时接收两种或多种频率成分激励信号，可以在不增加功率损耗的前提下，增强超声的空化效应，该结构便于制备，成本较低。本发明可以增强治疗效果，可行性较好，在诸如血脑屏障打开、超声溶栓、消融治疗、神经调控等应用可以获得更佳的治疗效果。

Description

一种超声换能器及其制备方法
技术领域
本发明涉及医学超声的技术领域，特别涉及一种超声换能器及其制备方法。
背景技术
医学超声技术已经广泛应用于临床诊断与治疗。超声诊断主要是利用超声回波获取组织的影像学信息，为临床医生提供必要的诊断参考。超声治疗则是利用了超声波的力学效应、热效应以及空化效应，用于疾病的治疗。具体而言，又可以分为高剂量的超声热消融技术和低剂量的超声波调控技术。高强度聚焦超声(HIFU)就是一种典型的超声热消融技术，HIFU可以穿透组织，到达设定的目标区域，用来破坏体内的肿瘤，最后通过机体自身的免疫系统吸收掉被破坏的肿瘤，达到无创治疗的功效。低剂量超声治疗主要应用有：超声血管溶栓、基于超声波的血脑屏障开启以及超声神经调控。所谓的超声血管溶栓，即利用超声波来破坏、疏通血斑，以达到治疗的目的。血脑屏障是指在血管和脑之间有选择性地阻止某些物质由血液进入脑的屏障，通常这对于机体的保护，是有益的。但是，同样会削弱药物对病人的治疗效果。而聚焦超声波可以暂时解除血脑屏障，令药物可以穿过屏障到达脑部，有效提高药物治疗的效果。超声神经调控，即通过超声刺激神经，引起神经系统兴奋或抑制，调节生物体的神经活动，改变神经环路的响应，从而有助于神经性精神疾病的治疗。超声神经调控，通过人为干预生物活体的神经环路，进而开展大脑机能(如认知、感受等)的研究，而成为一种有效的手段。
超声换能器作为其中的关键部件，超声换能器的性能对治疗效果在很大程度上起着决定性的作用。目前，已有文献报道基于单频率、双频率激励单阵元超声换能器用于超声溶栓。而实际上，受到换能器带宽限制，使用双频率、多频率信号激励单阵元超声换能器时，在非谐振频率点时，电声转化效率将会降低，并且，对阻抗匹配电路也有更高的要求。在使用时，为了达到较好的效果，需要在非谐振频率激励信号上做功率补偿。
神经类疾病一直以来都是医学界的难题，传统化学药物的方法奏效很难。神经调控的方法越来越受到重视。心血管类疾病，传统的外科介入治疗手段需要在血管内植入导管，存在大出血的风险。基于超声的治疗方法，由于其无创、高分辨率等优点，更是得到了格外的重视。目前领域内已经提出的基于超声治疗的方法主要有以下几种：
基于单阵元换能器超声治疗方法：这类方法实现较为简单，可以使用市场已有的信号发生器、信号放大器等设备连接组成，亦可以根据需求定制一个专用的设备，配合单阵元超声换能器使用。在刺激检测方面，通常可以结合基于检测生物电信号的方法或者MRI成像的方法。
基于单一激励频率相控阵换能器超声治疗方法：法国Image Guided Therapy公司，设计开发了一套基于单一正弦激励频率的相控阵超声神经调控设备。当前，该设备可以实现128阵元的相控阵电子聚焦，结合MRI成像引导，用于HIFU、神经调控等应用。当前，这些常见的方法在换能器方面并没有过多设计，通常均采用单一频率的单阵元或者阵列式超声换能器。
美国发明专利：Dual-frequency ultrasound transducer(专利号：US20120267986A1)设计一种可以支持一个低频(100KHz)、一个高频(1-3MHz)的双频率超声换能器。当换能器在被低频振荡分量的电压激励时，发生低频谐振；当换能器在被高频率振荡分量的电压激励时，发生高频谐振。该换能器可以增强超声的穿透深度，但无法在不增加激励系统的功率损耗的前提下，提高超声的空化效应。目前，其主要用于医疗美容领域，增加皮肤的穿透性，降低皮肤外角质层的阻碍作用，提升皮肤美容治疗的效果，不适用于诸如神经调控、血脑屏障打开、超声给药、血管溶栓等应用中。
在传统的治疗超声应用中，均使用单一频率的单阵元或者阵列式的超声换能器，考虑到换能器的带宽限制，直接使用双频率或者多频率激励信号驱动超声换能器会有较大的能量损失，不利于最大程度上发挥换能器的性能，此外，由于激励信号中包含多个频率成分，对激励系统的阻抗匹配电路提出更高的要求，存在反射信号功率较大的风险。
中国发明专利：一种双频双层功率增强的环形高强度聚焦超声换能器(专利号：CN201510169324.2)，公开一种环形的高强度聚焦超声换能器，内环为高频压电晶片，外环为低频压电晶片，两层压电晶片均为环形凹面自聚焦结构。所述高频压电晶片处于同一球面且共焦，但是，因为频率差别较大，晶片厚度不同，这种两层环形凹面晶片嵌套结构，在换能器实际制备过程中，难以保证两个晶片处于同一球面，因此两者的聚焦点难以保证在同一位置。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明中设计了双频率、多频率一体的新型超声换能器，该换能器可以同时接收两种或多种频率成分激励信号，两种频率可以较为接近，配合不同的激励序列，可以在不增加功率损耗的前提下，增强超声的空化效应。本发明采用频率不同的两个或多个压电阵元组合，形成二种及以上频率的超声换能器，通过声透镜实现不同频率压电阵元聚焦在同一个焦点处。该结构便于制备，成本较低。经过试验验证双频率、多频率一体的新型超声换能器可以增强治疗效果，可行性较好，在诸如血脑屏障打开、超声溶栓等应用可以获得更佳的治疗效果。
本发明的技术方案是这样实施的：
本发明提供一种超声换能器，包括壳体，壳体内设置有压电层，所述压电层由至少两个压电阵元组成，所述压电阵元之间的频率不同，所述压电阵元之间的频率间隔为50kHz～1.2MHz。
优选地，所述压电层由低频压电阵元及高频压电阵元组成，所述低频压电阵元与所述高频压电阵元之间的频率间隔为50kHz～1.2MHz。
优选地，所述压电层由低频压电阵元、中频压电阵元及高频压电阵元组成，所述低频压电阵元、所述中频压电阵元与所述高频压电阵元之间的频率间隔为50kHz～1.2MHz。
优选地，所述压电阵元为平面或凹面。
优选地，所述压电阵元的排列形式为沿圆心轴对称排列或线性阵列排列。
优选地，所述压电层的轴向横截面为圆形、三角形或方形。
优选地，所述压电层的前端设置有至少一层匹配层，所述匹配层前端设置有声透镜，所述声透镜用于保证不同频率的压电阵元共焦点；所述压电层的后端设置有背衬层；所述压电层的各个压电阵元前后表面的电极分别连接电缆的正极和负极。
本发明还提供一种超声换能器的制备方法，包括下述步骤：
S1：将至少两个压电阵元的侧面粘接形成压电层；
S2：将所述压电阵元的前后表面分别镀有电极，所述电极分别连接电缆的正极和负极；
S3：将连接有电缆的压电层固定在壳体内侧，将背衬材料灌注于压电层下表面，形成固定在壳体内侧的背衬层；
S4：将匹配材料灌注在压电层上表面，形成固定在壳体内侧的匹配层；
S5：在匹配层前端制作一层声透镜，所述声透镜用于保证不同频率的压电阵元共焦点，通过声透镜的曲率半径和声速计算每个压电阵元声波的传播时间，再通过调整每个压电阵元的激励时间将每个压电阵元的焦点重叠在一起。
优选地，所述步骤S2中将所述压电阵元的前后表面分别镀有电极形成阵元正极和阵元负极，将所述阵元正极连接电缆正极；将所述阵元负极连接电缆负极，或者使用导电材料将所述阵元负极连接金属壳体并将所述金属壳体连接电缆负极。
优选地，所述背衬材料为环氧树脂加填料，所述匹配材料为环氧树脂加填料。
实施本发明的有益效果主要有：
1)提供了一种新型的超声换能器，可以支持双频率、多频率信号同时激励，并保持较高电声转化效率。双频、多频换能器的组合可以提高超声换能器的频带宽度，并降低宽带阻抗匹配电路的设计难度，便于超声信号的收发和后处理；
2)将两种或多种频率不同的平面压电阵元组合，并采用声透镜共聚焦，相对于凹面晶片嵌套结构更容易保证共焦点，且可以降低超声换能器的制备难度；
3)可以在不增加激励系统的功率损耗的前提下，提高超声的空化效应；
4)不同的频率组合激励超声换能器配合超声激励系统，利用不同的激励序列，在诸如神经调控、血脑屏障打开、超声给药、血管溶栓等应用中，可以显著提高治疗效果。
附图说明
为更好地理解本发明的技术方案，可参考下列的、用于对现有技术或实施例进行说明的附图。这些附图将对部分实施例或现有技术涉及的产品或方法进行简要的展示。这些附图的基本信息如下：
图1为一实施例中，一种新型超声换能器的示意图；
图2为一实施例中，一种新型超声换能器的剖视图；
图3为一实施例中，一种新型超声换能器的爆炸图；
图4为一实施例中，两种频率的压电阵元排列图；
图5为一实施例中，三种频率的压电阵元排列图。
其中，1-匹配层、2-声透镜、3-压电层、31-低频压电阵元、32-高频压电阵元、33-中频电压阵元、4-背衬层、5-壳体、6-电缆。
具体实施方式
现在对本发明实施例中的技术方案或有益效果作进一步的展开描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施方式，而并非全部。
本实例提供一种超声换能器，包括壳体5，所述壳体内设置有压电层3，所述压电层3由至少两个压电阵元组成，所述每个压电阵元之间的频率不同，所述压电阵元之间的频率间隔为50kHz～1.2MHz。其它实施例中，优选地，所述压电阵元之间的频率间隔为50kHz～1MHz。更优选地，所述压电阵元之间的频率间隔为50kHz～0.8MHz。所述压电阵元为凹面，其它实施例中，所述压电阵元可以为平面。相对于现有技术，本实施例中，将两种或多种频率不同的平面压电阵元组合，并采用声透镜共聚焦，相对于凹面晶片嵌套结构更容易保证共焦点，且可以降低超声换能器的制备难度。所述压电阵元的排列形式为沿圆心轴对称排列，其它实施例中，所述压电阵元的排列形式可以为线性阵列排列。所述压电层3的轴向横截面为圆形，其它实施例中，所述压电层3的轴向横截面可以三角形或方形。相应地，所述壳体5可以设置为圆形、三角形或方形。
具体的，所述超声换能器包括壳体5，壳体5内设置有压电层3，所述压电层由低频压电阵元31及高频压电阵元32组成，所述低频压电阵元31与所述高频压电阵元32之间的频率间隔为50kHz～1.2MHz；所述压电层3上设置有用于保证所述低频压电阵元31及所述高频压电阵元32共焦点的声透镜2。优选地，所述焦距为5～10cm。本实施例中，所述低频压电阵元31及所述高频压电阵元32的频率分别为0.5MHz～2MHz。
本实施例中，所述压电层3的前端设置有至少一层匹配层1，主要功能为提高换能器的声传播效率，所述匹配层数量为一层或多层。所述匹配层前端设置有声透镜2。所述压电层3的后端设置有背衬层4。
所述压电层3的各个压电阵元前后表面的电极分别连接电缆6的芯线和地线。超声换能器的每个压电阵元分别由同轴线缆引出。作为一优选实施例，所述超声换能器为双频换能器，由一个低频压电阵元31及一个高频压电阵元32组成，所以其拥有两根同轴线缆，每根同轴线缆的芯线和负极地线分别与所述低频压电阵元31及所述高频压电阵元32的前后表面连接。具体的，两根电缆6的正极分别和两个压电阵元的正极连接到一起，两根电缆6的负极分别和两个压电阵元的负极连接到一起。
本实施例中，所述压电层3由低频压电阵元31及高频压电阵元32组成。所述低频压电阵元31与所述高频压电阵元32之间的频率间隔为50kHz～1.2MHz。其中，高频及低频是相对而言，优选的，高频及低频相差较小。如图3所示，所述超声换能器为双频率超声换能器，包括两个频率不一样的半圆形压电阵元，它们共同组成一个圆形压电层3，所述半圆形压电阵元可以一样也可以不一样。所述低频压电阵元31为650KHz，所述高频压电阵元32为1MHz。两种频率不同的压电阵元组合在一个平面内，通过声透镜2将双频率换能器的声场聚焦到同一位置，提高焦点位置的声场强度。现有技术中，往往采用将不同频率压电阵元前后叠加的技术方案，而本实施例中，通过将多个频率不同的压电晶片组合，通过声透镜的作用，保证不同压电晶片共焦点。实际应用时，所述低频压电阵元31与所述高频压电阵元32可以不在同一平面，可以根据声透镜的设计，具体设计压电阵元的组合方式。
在超声溶栓应用时，分别使用650KHz和1MHz正弦信号组合激励本实施例的双频率超声换能器，用于血栓消融。作为对照组，单一频率组别使用650KHz或1MHz正弦信号单独激励普通超声换能器。将双频率组别和单频率组别分别设置参数，如作用时间、脉冲重复频率、激励信号的占空比、功率等参数设置相同。
实验结果表明，双频率刺激在超声溶栓应用中，可以降低超声溶栓的空化阈值，较单频率溶栓效率大约提高一倍。在相同的溶栓效率的前提下，双频率溶栓可以缩短治疗时间为单频率的一半。双频率超声换能器较普通超声换能器所产生的的声压，可以提高30％，这样可以进一步减少激励超声换能器设备的能量，这对于经颅超声应用，可以减少热量的积累，降低热堆积的风险。相对于现有技术，本实施例中，所述高频及低频相差较小，可以在不增加激励系统的功率损耗的前提下，提高超声的空化效应，溶栓效果好。
作为一优选实施例，所述压电层3由低频压电阵元31、中频压电阵元33及高频压电阵元32组成，所述低频压电阵元31、所述中频压电阵元33与所述高频压电阵元32之间的频率间隔为50kHz～1.2MHz。其中，高频、中频及低频是相对而言，优选的，高频、中频及低频相差较小。本实施例中，所述低频压电阵元31、中频压电阵元33及高频压电阵元32的频率分别为0.5MHz～2MHz。如图4所示，所述超声换能器为三频率超声换能器，包括三个频率不一样的扇形压电阵元，它们共同组成一个圆形压电层3，所述三个扇形压电阵元可以一样也可以不一样。实际应用时，所述低频压电阵元31、中频压电阵元33与高频压电阵元32可以设置在同一平面也可以不设置在同一平面，可以根据声透镜的设计，具体设计压电阵元的组合方式。所述低频压电阵元31为1.4MHz，所述中频压电阵元33为1.45MHz，所述高频压电阵元32为1.5MHz。经过试验验证，当采用三种频率组合激励时，在超声溶栓应用上比双频率的效率有小幅度提高，能提高5％的效率。相对于现有技术，本实施例中所述高频、中频及低频相差较小，可以在不增加激励系统的功率损耗的前提下，提高超声的空化效应，溶栓效果好。实际应用时，不限于两种或三种不同频率的压电阵元，可以根据实际需求设置。本实施例中利用不同频率的压电阵元进行组合制作成二种及以上频率的超声换能器，不同频率的压电阵元组合产生混频超声。双频、多频换能器的组合可以提高换能器的频带宽度，并降低宽带阻抗匹配电路的设计难度，便于超声信号的收发和后处理。两种或多种频率不同的压电阵元组合在一个平面内，通过声透镜2将双频、多频换能器的声场聚焦到同一位置，提高焦点位置的声场强度。
本实施例还提供一种超声换能器的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
S1：将低频压电阵元31及高频压电阵元32的侧面粘接形成压电层3。具体的，所述低频压电阵元31及高频压电阵元32使用环氧树脂或其他粘接材料粘接到一起。
S2：将所述压电阵元的前后表面分别镀有电极，所述电极分别连接电缆6的正极和负极。
具体的，所述步骤S2中将每个压电阵元的前后表面分别镀有电极形成阵元正极和阵元负极，将所述每个阵元正极连接电缆6正极(芯线)。本实施例中，所述电缆6为同轴线缆。超声换能器的每个压电阵元分别由同轴线缆引出。换能器负极的连接分为两种方式，将所述每个阵元负极连接每个同轴线缆负极(地线)，或者使用导电材料将所述每个阵元负极连接金属壳体5并将所述金属壳体5连接每个同轴线缆负极(地线)。其中，所述导电材料优选为导电银浆。
S3：将连接有电缆6的压电层3固定在壳体5内侧，将背衬材料灌注于压电层3的下表面，形成固定在壳体5内侧的背衬层4。其中，所述背衬材料优选为环氧树脂加填料。
S4：将匹配材料灌注在压电层3的上表面，形成固定在壳体5内侧的匹配层1。其中，所述匹配材料优选为环氧树脂加填料。
S5：在匹配层1的前端制作一层声透镜2，所述声透镜用于保证不同频率的压电阵元共焦点，通过声透镜2的曲率半径和声速计算声波的传播时间，再通过调整激励时间将压电阵元的焦点重叠在一起。
具体的，在匹配层1正面制作一层声透镜2，所述声透镜用于保证不同频率的压电阵元共焦点，通过声透镜2的曲率半径和声速计算每个压电阵元声波的传播时间，再通过调整每个压电阵元的激励时间可以将每个压电阵元的焦点重叠在一起。相对于现有技术，本实施例将两种或多种频率不同的平面压电阵元组合，并采用声透镜2聚焦，相对于凹面晶片嵌套聚焦，可以降低制备难度。
最后需要指出的是，上文所列举的实施例，为本发明较为典型的、较佳实施例，仅用于详细说明、解释本发明的技术方案，以便于读者理解，并不用以限制本发明的保护范围或者应用。因此，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等而获得的技术方案，都应被涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种超声换能器，应用于超声治疗，其特征在于：包括壳体，所述壳体内设置有压电层，所述压电层由至少两个压电阵元组成，所述压电阵元之间的频率不同，所述压电阵元的频率间隔为50kHz～1.2MHz；
所述压电层由低频压电阵元及高频压电阵元组成，所述低频压电阵元与所述高频压电阵元之间的频率间隔为50kHz～1.2MHz，或者所述压电层由低频压电阵元、中频压电阵元及高频压电阵元组成，所述低频压电阵元、所述中频压电阵元与所述高频压电阵元之间的频率间隔为50kHz～1.2MHz，所述低频压电阵元及所述高频压电阵元的频率分别为0.5MHz～2MHz；
所述压电阵元为平面或凹面，所述压电阵元的排列形式为沿圆心轴对称排列或线性阵列排列，所述压电层的轴向横截面为圆形、三角形或方形；
所述压电层的前端设置有至少一层匹配层，所述匹配层前端设置有声透镜，所述声透镜用于保证不同频率的压电阵元共焦点；所述压电层的后端设置有背衬层；所述压电层的各个压电阵元前后表面的电极分别连接电缆的正极和负极。
2.一种超声换能器的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1：将至少两个压电阵元的侧面粘接形成压电层；
S2：将所述压电阵元的前后表面分别镀有电极，所述电极分别连接电缆的正极和负极，其中，所述压电阵元的前表面镀有电极形成阵元正极，所述压电阵元的后表面镀有电极形成阵元负极，将所述阵元正极连接电缆正极，将所述阵元负极连接电缆负极，或者使用导电材料将所述阵元负极连接金属壳体并将所述金属壳体连接电缆负极；
S3：将连接有电缆的压电层固定在壳体内侧，将背衬材料灌注于压电层下表面，形成固定在壳体内侧的背衬层，所述背衬材料为环氧树脂加填料；
S4：将匹配材料灌注在压电层上表面，形成固定在壳体内侧的匹配层，所述匹配材料为环氧树脂加填料；
S5：在匹配层前端制作一层声透镜，所述声透镜用于保证不同频率的压电阵元共焦点，通过声透镜的曲率半径和声速计算每个压电阵元声波的传播时间，再通过调整每个压电阵元的激励时间将每个压电阵元的焦点重叠在一起。
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