CN110681078A

CN110681078A - 一种柔性光纤式光声聚焦超声换能器

Info

Publication number: CN110681078A
Application number: CN201911031077.4A
Authority: CN
Inventors: 李成; 刘健; 尹浩腾
Original assignee: Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2019-10-28
Publication date: 2020-01-14
Anticipated expiration: 2039-10-28
Also published as: CN110681078B

Abstract

本发明公开了一种柔性光纤式光声聚焦超声换能器，包括双包层光纤(1)、紫外胶保护层(2)、紫外胶微凹透镜(3)、光声激发涂层(4)。所述的换能器采用凹面振子聚焦超声方式：利用双包层光纤将一定功率的高频激光照射到光纤端面，由于出射激光在双包层光纤端面存在一定角度的发散，而紫外胶保护层内的空气腔设计可实现激光均匀辐射在紫外胶微凹透镜整个表面。位于紫外胶微凹透镜上表面的光声激发涂层受高频激光的照射，产生高振幅的瞬时热膨胀，进而激发超声波。由于凹面振子的结构特性，激发的超声波聚焦于紫外胶微凹透镜的焦点处。本发明极大地减小了传统聚焦超声换能器的尺寸，具有结构新颖、柔性、小型化、高灵敏度、抗电磁干扰等特性。

Description

一种柔性光纤式光声聚焦超声换能器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种柔性光纤式光声聚焦超声换能器。

背景技术

超声医学诊断及治疗技术作为一种行之有效、安全便捷的医学手段，在临床医学中有着广泛的应用。20世纪40年代美国科学家林恩和弗赖伊提出高强度聚焦超声(HIFU)技术，自提出至今受到广泛关注。高强度聚焦超声技术将超声波能量集中到一个较小体积内，利用其高强度能量来破坏靶区的组织目标，这对体外无创手术以及特殊疾病的治疗康复具有重要的实际意义和广泛的应用价值。

传统的高强度聚焦超声医学设备中，单独的超声元件通常由压电复合材料制成，尺寸通常在5～10mm，重量在50g以上，总外径约为1～2cm，且重量随着直径的平方成比例增加，因此超声阵列设备具有更大的外形尺寸和重量。随着可穿戴技术的发展，开发一种操作灵活方便、安装维护成本低的小型高强度聚焦超声设备的需求越来越迫切。

1880年，美国贝尔等人首次提出光声效应，这为研制小型高强度聚焦超声换能器开辟了新的思路。光声效应是指物体在周期性变化的光照下产生声信号的现象。物体受到光照时吸收热能，具有弹性的物体在局部热量的聚集下会发生周期性振动，将热能以机械能的形式释放出来，从而激发声信号。

近年来，光声效应的研究一直是国内外学者持续关注的热点。需要说明的是，目前光声效应的激励方式主要分为空间光激励和光导纤维激励两种，前者可提供较大能量的脉冲光，提高超声信号的功率，但空间光激励对于光学平台的稳定性要求高，光路较为复杂，不利于临床医学设备的集成与使用；而光导纤维激励则具有更为紧凑的结构、更高的稳定性，适合超声设备的小型化，同时还具有抗电磁干扰、柔性等特点。例如，2001年意大利学者Biagi.E等人在前人的研究基础上，提出使用石墨粉-环氧树脂胶混合物作为吸光振动材料，将其涂敷在光纤端面制成了超声激励探头，其激发的超声强度较金属吸收膜激发信号提高了两个数量级，但该结构探头激发的超声信号无聚焦特性，且随传播距离的增加，其信号强度逐渐衰减。2017年，美国学者Kim.J等人提出了一种光纤聚焦超声换能器，该换能器基于塑料管的毛细效应制作而成。即，将内径1mm的塑料管放入盛有液态紫外胶的烧杯中，待紫外胶液面由于毛细效应在塑料管中被部分拉升后，使用紫外线照射塑料管以固化紫外胶，从而在紫外胶液面处获得一个微凹面结构，再利用蜡烛烟灰-聚二甲基硅氧烷在其表面制成光声激发涂层，实现光声信号的聚焦激发。但这种结构的超声换能器无法精确控制凹面振子的结构尺寸及吸光振动材料的厚度，其较差的结构一致性也导致这种聚焦超声换能器尚不能应用于超声医学诊断与治疗。由上述工作可知，凹面振子结构可以对超声波进行聚焦，此时超声波聚焦的焦点即为凹面振子的球心，焦半径即为凹面振子的曲率半径，凹面振子的结构特性决定着聚焦声场中的声压分布。因此，获得一种结构参数可控、一致性良好的凹面振子光声聚焦超声发声器无疑能明显促进高强度聚焦超声设备的小型化，从而有效改善临床使用效果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构可控、一致性良好、尺寸小、抗干扰能力强、能量转换效率高的一种柔性光纤式光声聚焦超声换能器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种柔性光纤式光声聚焦超声换能器，包括双包层光纤、紫外胶保护层、紫外胶微凹透镜、光声激发涂层。首先，剥除双包层光纤一端的涂覆层，利用光纤切割刀切除端部，保证双包层光纤端面平整；然后，将紫外胶以设定的形状及长度涂敷在双包层光纤的端面，再对其进行短暂地紫外线照射，使其固化形成紫外胶保护层；之后，将提前预制的、与紫外胶保护层具有相同内径尺寸的紫外胶微凹透镜插入紫外胶保护层，保持其凹面外侧边缘与紫外胶保护层端面平齐；接下来，将液态的石墨烯-聚二甲基硅氧烷混合物沉积至紫外胶微凹透镜的凹面上，并加热固化形成光声激发涂层。

其中，所述紫外胶保护层与紫外胶微凹透镜材料相同，紫外胶保护层的内径尺寸与紫外胶微凹透镜的凹面外径尺寸相同，两者构成聚焦超声换能器的主体。

其中，所述紫外胶保护层是经液态紫外胶光照固化形成。将液态紫外胶加入到由3D打印制成的特殊模具中，使其以模具设定的形状及长度涂敷在双包层光纤的端面，通过紫外线照射固化完成紫外胶保护层的制备。

其中，所述用于制备紫外胶保护层的模具是由可降解聚乳酸材料经3D打印制成的空心腔体，其内部具有的圆台结构，且腔体上盖设计有用于光纤插入的光纤引导孔和用于液态紫外胶及内部空气排出的气孔。制备紫外胶保护层时打开模具上盖，向其中注满液态紫外胶，之后盖紧上盖，并插入光纤，则多余液态紫外胶及空气由气孔排出。待紫外胶保护层光照固化后，缓慢将模具取下。

其中，所述紫外胶微凹透镜是由液态紫外胶经光照固化形成。将液态紫外胶加入到内径2mm的塑料管中，然后将一定直径大小的玻璃球放置在塑料管的一端，使玻璃球与紫外胶紧密贴合；再使用另一个完全相同的灌注了紫外胶的塑料管连接在玻璃球的另一端，并保持玻璃球与紫外胶的贴合状态，利用紫外线灯进行照射，使紫外胶固化；之后，将一端充满有固化紫外胶的塑料管从玻璃球连接处取下，完成紫外胶微凹透镜的制作。

在凹球面型超声换能器的声场模型中，根据Rayleigh积分，声场中任一点声压p可表示为：

式中，ρ为介质的密度，c为介质中的声速，k为波数，v₀为换能器吸收膜材料表面质点的振动速度，dS为换能器凹球面的面积微元，r₀为声场中任意一点Q到换能器凹球面上面积微元dS的距离。

参考附图4，对于凹球面型超声换能器轴线上的声场分布，有y＝0，对y从0到a(其中a为凹球面半径)进行积分计算。将凹球面边缘处的点与x轴上待求点之间的距离B表示为：

则换能器中心轴线上的声压p可表示为：

这样，通过优化换能器的结构参数，如取a＝1.0mm，B＝1.3mm，声的传播介质为水(取ρ＝1000kg/m³，c＝1500m/s)，v₀＝1m/s，则可根据不同凹球面直径a可确定聚焦超声换能器轴向声压最强的位置(即焦点)。

所述光声激发涂层由石墨烯分散液与聚二甲基硅氧烷按一定比例混合制成。

在光致超声的振动理论中，光声激发涂层激发的超声振幅可表示为：

式中，α为超声信号的衰减系数，β_i为体积膨胀系数，B_i为体积模量，ρ_i为材料的密度，K_i为热扩散系数，p_i为光声激发涂层所处位置的压力，C为材料热容，ω为材料厚度，s为材料的光吸收系数，I为入射激光强度。由上式可知，光声激发涂层材料的体积模量与体积膨胀系数越大、热扩散效果越强，则激发振动的超声信号越强。因此，选择热扩散效果极佳的石墨烯材料与高热弹性材料聚二甲基硅氧烷作为光声激发涂层材料。

取一定浓度配比的石墨烯分散液与聚二甲基硅氧烷溶液混合，搅拌直至混合液中的水分完全蒸发；之后，将石墨烯-聚二甲基硅氧烷混合物沉积至紫外胶微凹透镜的凹面上，将附着有石墨烯-聚二甲基硅氧烷混合物的紫外胶微凹透镜放置在温箱中加热固化，完成光声激发涂层的制备。

本发明的原理及工作过程是：纳秒脉冲激光器发出激光，经掺钇光纤放大器放大后，导入双包层光纤。由于双包层光纤具有一定的数值孔径，当激光从双包层光纤端面出射时，会以一定的角度发散到紫外胶保护层的内部空间，经过保护层内的空气腔到达紫外胶微凹透镜的平面部分，此时由于激光存在一定的发散角，紫外胶微凹透镜整体可被均匀照射。根据凹面振子的结构特性，当高频激光照射到光声激发涂层时，石墨烯-聚二甲基硅氧烷混合物产生高振幅的瞬时膨胀，进而产生超声波，并将超声波聚焦于凹面球心位置，从而实现聚焦超声的激发。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明中固化在双包层光纤端面的紫外胶保护层可以有效保护光纤端面，防止在操作或使用过程中意外损坏光纤端面，同时避免引入杂质，起到良好的封装作用。

(2)本发明中紫外胶保护层内的光纤端面与紫外胶微凹透镜底面之间存在一定长度的空气间隙，其与所用双包层光纤数值孔径相匹配，可使从双包层光纤中出射的激光均匀地辐射至整个紫外胶微凹透镜，从而可保证光声激发涂层能够均匀、充分地吸收光热并产生振动，形成稳定分布的聚焦超声。

(3)本发明中紫外胶微凹透镜的凹球面由一定尺寸的玻璃球压制而成。由于玻璃球具有统一的制式规格，因此，由此制成的凹球面具有表面光洁、形状完整、一致性高的优点。而且，通过选择不同直径大小的玻璃球，可调节凹面振子的结构参数，实现具有不同聚焦效果的聚焦超声换能器的制作，从而满足不同的应用场合需求。

(4)本发明采用石墨烯-聚二甲基硅氧烷混合物制作光声激发涂层。由于石墨烯在室温下具有良好的吸光效果和极高的热导率，该新型二维材料可作为优良的吸光材料与导热材料；而聚二甲基硅氧烷具有极强的热膨胀性能，将其与石墨烯分散液混合后，可明显改善光声激发涂层的热膨胀性能，从而提高超声换能器的能量转换效率。

(5)本发明中紫外胶保护层、紫外胶微凹透镜及光声激发涂层均集成在双包层光纤端面，整体尺寸远小于当前单一超声激发元件，有效实现了聚焦超声传感探头的小型化。同时由于其具有抗电磁干扰、柔性等优势，本发明所述的光声换能器可与超声医疗设备相配合用于可穿戴医疗设备。

附图说明

图1为本发明中柔性光纤式光声聚焦超声换能器的原理结构示意图；

图2为本发明中柔性光纤式光声聚焦超声换能器沿轴线的平面剖视图；

图3为本发明中柔性光纤式光声聚焦超声换能器的制作流程示意图；

图4为本发明中柔性光纤式光声聚焦超声换能器的凹球面声场焦点求解模型图。

图中附图标记含义为：1为双包层光纤，2为紫外胶保护层，3为紫外胶微凹透镜，4为光声激发涂层。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1和图2所示，本实施例的一种柔性光纤式光声聚焦超声换能器，主要包括双包层光纤1、紫外胶保护层2、紫外胶微凹透镜3、光声激发涂层4。在本实施例中以石墨烯-聚二甲基硅氧烷复合材料为例，用于制备光声激发涂层4。

图3示出了一种柔性光纤式光声聚焦超声换能器制备流程图。基于图3所示的制备流程，对柔性光纤式光声聚焦超声换能器制作过程进行了阐述。

首先，使用光纤剥线钳对双包层光纤一端的涂覆层进行剥除，用无尘布蘸取酒精和去离子水对裸纤部分进行擦拭；然后，利用光纤切割刀切除光纤端部，保证双包层光纤1端面平整；随后，将液态紫外胶注满制备紫外胶保护层2所需的模具，并插入双包层光纤1，使光纤端面与模具内圆台结构上表面贴合，对由气孔排出的多余紫外胶进行擦除，从而对模具进行紫外光照射；待紫外胶保护层2光照固化后，将模具取下，完成紫外胶保护层2的制备。由于双包层光纤1具有一定的数值孔径，为使激光均匀地辐射到整个紫外胶微凹透镜3，所述的紫外胶保护层2的外径为3mm，其内部具有直径为2mm，长度为10mm的一段空气腔。

接下来，将液态紫外胶注满两段内径为2mm的塑料管，并将一定直径大小的玻璃球固定在两段塑料管之间，保持两段塑料管端部与玻璃球紧密贴合；对两段塑料管进行紫外光照，待液态紫外胶固化之后，取下一端具有凹面的塑料管，并对其平面的另一端进行切割与研磨，控制其平面端距凹面边缘的厚度为3mm；再用无尘布蘸取酒精和去离子水对平面部分进行擦拭，保证平面端平整光滑，从而完成紫外胶微凹透镜3的制备。所述的紫外胶微凹透镜3的外径为2mm。

在此基础上，借助显微操作仪将制备好的紫外胶微凹透镜3插入紫外胶保护层2，并使其凹面边缘与紫外胶保护层端面平齐。

最后，取浓度为40mg/ml的石墨烯分散液，以4:1的体积比与聚二甲基硅氧烷溶液混合，搅拌直至混合液中的水分完全蒸发；之后，将石墨烯-聚二甲基硅氧烷混合物沉积至紫外胶微凹透镜的凹面上，将附着有石墨烯-聚二甲基硅氧烷混合物的紫外胶微凹透镜放置在60℃的温箱中加热固化1小时，使光声激发涂层4固化，完成柔性光纤式光声聚焦超声换能器的制作。

这样，对于按照上述步骤制备的柔性光纤式光声聚焦超声换能器，纳秒脉冲激光器发出激光，经掺钇光纤放大器放大后，导入双包层光纤。由于双包层光纤具有一定的数值孔径，当激光从双包层光纤端面出射时，会以一定的角度发散到紫外胶保护层的内部空间，并经紫外胶保护层内空气腔到达紫外胶微凹透镜的平面部分。由于激光存在一定的发散角，紫外胶微凹透镜整体可被均匀照射。特别地，光声激发涂层被均匀沉积于紫外胶微凹透镜的凹面，为此根据凹面振子的结构特性，当高频激光照射到光声激发涂层时，石墨烯-聚二甲基硅氧烷复合材料将产生高振幅的瞬时膨胀而激发超声波，并将超声波聚焦于凹面球心位置，从而实现光声聚焦超声波的发射。

本实施例给出了一组具体的超声换能器的组成元件及其结构尺寸：

双包层光纤1的型号为Liekki无源10/125DC光纤，具有两层包层，纤芯和内包层均可传光，其包层外径为125μm。

紫外胶保护层2、紫外胶微凹透镜3材料相同，均为紫外胶，且两者共同构成聚焦超声换能器的主体；紫外胶保护层2外径为3mm，内径为2mm，长度为15mm，其中，空气腔的长度为10mm。紫外胶微凹透镜3的外径为2mm，平面端至凹面边缘的厚度为3mm，其中，的凹面的直径为3mm。

光声激发涂层4可通过化学气相沉积方法均匀沉积在紫外胶为凹透镜3的凹面，控制其厚度在5-10μm。

本发明的各项尺寸均可大于或小于实施例中所给尺寸。

本发明的制作可通过用化学气相沉积(CVD)、紫外照射、电子束蒸发技术等系列工艺实现。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种柔性光纤式光声聚焦超声换能器，包括双包层光纤(1)、紫外胶保护层(2)、紫外胶微凹透镜(3)、光声激发涂层(4)，其特征在于：剥除双包层光纤(1)一端的涂覆层，利用光纤切割刀切除端部，保证双包层光纤(1)端面平整；将紫外胶以设定的形状及长度涂敷在双包层光纤(1)的端面，再对其进行紫外线照射，使其固化形成紫外胶保护层(2)；将提前预制的、与紫外胶保护层(2)内径尺寸相同的紫外胶微凹透镜(3)插入紫外胶保护层(2)，保持其凹面外侧边缘与紫外胶保护层(2)端面平齐；将液态的石墨烯-聚二甲基硅氧烷混合物沉积在紫外胶微凹透镜(3)的凹面上，并加热固化形成光声激发涂层(4)。

2.如权利要求1所述的一种柔性光纤式光声聚焦超声换能器，其特征在于：所述紫外胶保护层(2)与紫外胶微凹透镜(3)材料相同，紫外胶保护层(2)的内径尺寸与紫外胶微凹透镜(3)的凹面外径尺寸相同，两者构成聚焦超声换能器的主体。

3.如权利要求1所述的一种柔性光纤式光声聚焦超声换能器，其特征在于：所述紫外胶保护层(2)是经液态紫外胶光照固化形成，将液态紫外胶加入到由3D打印制成的模具中，使其以模具设定的形状及长度涂敷在双包层光纤(1)的端面，经过紫外线照射固化形成紫外胶保护层(2)。

4.如权利要求1所述的一种柔性光纤式光声聚焦超声换能器，其特征在于：所述用于制备紫外胶保护层(2)的模具可由可降解聚乳酸材料经3D打印制成，其内部具有的圆台结构可在液态紫外胶注入后形成一段空气腔；其上盖设计有用于光纤插入的光纤引导孔和用于液态紫外胶及内部空气排出的气孔。

5.如权利要求1所述的一种柔性光纤式光声聚焦超声换能器，其特征在于：所述紫外胶微凹透镜(3)是经液态紫外胶光照固化形成，将液态紫外胶加入到内径2mm的塑料管中，将一定直径大小的玻璃球固定在塑料管的一端，使玻璃球与紫外胶紧密贴合；并再使用另一个完全相同的灌注了紫外胶的塑料管连接在玻璃球的另一端，保持玻璃球与紫外胶的贴合状态，利用紫外线灯照射使紫外胶固化；然后，从玻璃球连接处，取下充满固化紫外胶的塑料管，完成紫外胶微凹透镜(3)的制作；

对于所述的凹球面型超声换能器轴线上的声场分布，有y＝0，对y从0到a进行积分计算，其中a为凹球面半径，并将凹球面边缘处的点与x轴上待求点之间的距离B表示为：

则所述换能器的中心轴线上的声压p可以表示为：

式中，ρ为介质的密度，c为介质中的声速，k为波数，v₀为换能器吸收膜材料表面质点的振动速度，通过优化换能器结构参数，取a＝1.0mm，B＝1.3mm，声的传播介质为水，取ρ＝1000kg/m³，c＝1500m/s，位于换能器吸收膜材料表面的质点振动速度v₀＝1m/s，则可根据不同凹球面半径a可确定聚焦超声换能器轴向声压最强的位置即焦点。

6.如权利要求1所述的一种柔性光纤式光声聚焦超声换能器，其特征在于：所述光声激发涂层(4)由石墨烯分散液与聚二甲基硅氧烷按一定比例混合制成；

式中，α为超声信号的衰减系数，β_i为体积膨胀系数，B_i为体积模量，ρ_i为材料的密度，K_i为热扩散系数，p_i为光声激发涂层所处位置的压力，C为材料热容，ω为材料厚度，s为材料的光吸收系数，I为入射激光强度。由上式可知，光声激发涂层材料的体积模量与体积膨胀系数越大、热扩散效果越强，则激发振动的超声信号越强，选择热扩散效果极佳的石墨烯材料与高热弹性材料聚二甲基硅氧烷作为光声激发涂层材料。

7.如权利要求1或5所述的一种柔性光纤式光声聚焦超声换能器，其特征在于：所述的光声激发涂层(4)材料可采用石墨烯-聚二甲基硅氧烷混合物，也可用炭黑、碳纳米管、二硫化钼等其他吸热材料代替石墨烯作为光纤超声激发材料。

8.如权利要求1至4任一所述的一种柔性光纤式光声聚焦超声换能器，其特征在于：所述双包层光纤(1)的数值孔径NA与纤芯折射率n₁与包层折射率n₂密切相关，因此，紫外胶保护层(2)中双包层光纤(1)端面所在的平面与紫外胶微凹透镜(3)的平面之间存在与数值孔径相匹配的空气间隙，使得从双包层光纤(1)出射的激光能够均匀地辐射至该紫外胶微凹透镜(3)。