CN111151432A - 压缩声焦域轴向长度的变厚度聚焦超声换能器、换能系统及其声焦域轴向长度的确定方法 - Google Patents

压缩声焦域轴向长度的变厚度聚焦超声换能器、换能系统及其声焦域轴向长度的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种压缩声焦域轴向长度的变厚度聚焦超声换能器、换能系统及其声焦域轴向长度的确定方法，用于解决现有技术中声焦域长度较长的的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种压缩声焦域轴向长度的超声换能器，包括：压电片，所述压电片包括压电凹面和压电凸面，所述压电凹面和所述压电凸面均为球面结构，所述压电片具有多个厚度不同的谐振单元；所述压电凹面的曲率半径为R0，所述压电凸面的曲率半径为r0，且R0小于r0。具有压缩声焦域轴向长度的效果。

Description

压缩声焦域轴向长度的变厚度聚焦超声换能器、换能系统及 其声焦域轴向长度的确定方法
技术领域
本发明涉及超声治疗领域，特别是涉及一种压缩声焦域轴向长度的变厚度聚焦超声换能器、换能系统及其声焦域轴向长度的确定方法。
背景技术
高强度聚焦超声(HIFU)是一种近年来新兴的体外无创治疗肿瘤技术，通过放置在体外的聚焦超声换能器，将超声能量聚焦在体内形成高能量的焦区，体内组织吸收超声能量使焦区内的组织产生凝固性坏死而不损伤声路径以及靶区周围正常组织。传统的HIFU换能器为单一频率模式，声焦域为椭球形，轴向长度是横向长度的几倍(6以上)。在临床治疗过程中发现，单频HIFU消融横向薄层病变组织时，由于声焦域轴向长度过长，可能损伤到靶区外的正常组织，增加治疗过程中的安全风险。
现有改变声焦域轴向长度的方法主要有：提高换能器工作频率、优化换能器结构和采用多频换能器。目前，应用于临床治疗HIFU换能器的频率都在1MHz左右，提高换能器工作频率能使声焦域轴向长度变短，但这是以牺牲超声波对组织的穿透性为代价的。因此，有学者从换能器结构上入手，发现增加聚焦换能器的开口半径能够从一定程度上缩短声焦域轴向长度，但在实际应用中，开口半径过大会导致入射物体的声窗口增大，从而影响使用范围。20世纪90年代以来，国内外学者开始了双频或多频聚焦换能器的探究，Li等人从理论上系统性的分析了双频聚焦换能器的声焦域，结果表明，与单频聚焦换能器声焦域轴向长度相比，双频聚焦换能器声焦域轴向长度变长。Jianguo Ma等人采用两块等厚度压电片串联的方式实现1.5MHz+3MHz的双频聚焦超声换能器，结果表明，双频聚焦超声换能器的声焦域轴向长度介于1.5MHz和3MHz的单频聚焦超声换能器的声焦域轴向长度之间。采用双频的方式虽然能改变声焦域轴向长度，但由于不同频率的个数太少达不到压缩声焦域轴向长度的目的。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种压缩声焦域轴向长度的变厚度聚焦超声换能器、换能系统及其声焦域轴向长度的确定方法，用于解决现有技术中声焦域长度较长的的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种压缩声焦域轴向长度的变厚度聚焦超声换能器，包括：
压电片，所述压电片包括压电凹面和压电凸面，所述压电凹面和所述压电凸面均为球面结构，所述压电片具有多个厚度不同的谐振单元；
所述压电凹面的曲率半径为R0，所述压电凸面的曲率半径为r0，且R0小于r0。
可选的，所述压电片的中心厚度为t1，所述压电片的边缘厚度为H，其中H-t1小于
Figure BDA0002375020410000021
λ为压电片的最高频率的波长。
可选的，所述压电片的中心厚度0.2m＜m1＜t 5,所述压电片的边缘厚度0.2m＜m＜H 5，且t1<H。
可选的，所述压电片由1-3型压电复合材料制成。
一种换能系统，包括权利所述的变厚度聚焦超声换能器；
还包脉冲源，所述脉冲源用于激励所述压电片，所述脉冲源为多频脉冲源。
可选的，所述脉冲源为矩形脉冲。
可选的，所述矩形脉冲包含的频率为0.5-2MHz。
一种所述的换能系统的声焦域轴向长度的确定方法，包括如下步骤:
根据瑞利积分原理将换能器辐射面分成若干个微元dS，每个微元都可以视为辐射相应频率的球面波源，而空间声场中A点处产生的声压是由所有微元在该点处产生的声压叠加后的结果；
根据压电片的厚度确定压电片的频率f(R)：
Figure BDA0002375020410000022
其中：h(R)为压电片厚度，c为弹性刚度常数，e为压电应力常数，ε为介电常数，ρ为压电复合材料密度，E为恒定电场,S为恒定应变，dS为积分微元，R为坐标原点至积分微元dS中心的距离；
空间声场中A点处声压的表达式如下：
Figure BDA0002375020410000023
式中，f(R)为频率，ρ0为传播媒质的密度，u为变厚度聚焦超声换能器辐射面上法向振速分布，ω(R)＝2πf(R)为角频率，t为时间，k(R)＝2πf(R)/c1为波数，c1为媒质中的声速；
其中，微元dS到A点的距离l的表达形式如下：
Figure BDA0002375020410000031
式中，l0为坐标原点到A点处的距离，θ为l0与Z轴的夹角，
Figure BDA0002375020410000032
为过场点A(x,y,z)且垂直相交OZ轴的直线与平面YOZ之间的夹角，β2为过积分面元dS且垂直相交OZ轴的直线与平面YOZ之间的夹角；
联立式(1)，(2)，(3)求得P(l,θ,t)；
变厚度聚焦超声换能器的稳态声压以一段时间内的有效声压值Pe表示：
Figure BDA0002375020410000033
Figure BDA0002375020410000034
式中，T表示一段时间，f(R)max为最大频率即压电片的中心厚度为t1处对应的频率，f(R)min为最小频率即所述压电片的边缘厚度为H处对应的频率；
根据式(4)计算出变厚度聚焦超声换能器的声焦域轴向长度。
如上所述，本发明的压缩声焦域轴向长度的变厚度聚焦超声换能器、换能系统及其声焦域轴向长度的确定方法，至少具有以下有益效果：
本发明提出了变厚度聚焦超声换能器，通过压电片本身的压电凹面和压电凸面的曲率半径不同的设置实现变厚度，通过多个谐振单元实现了对不同频率的脉冲源的共振，在治疗横向薄层病变组织时，可以不损伤或者减少正常组织的损伤，减少治疗过程中的安全风险，解决了现有单频HIFU聚焦超声换能器声焦域轴向长度过长的问题，且技术目的实现过程中没有透镜参与，换能器的能量转换效率更高。
附图说明
图1显示为本发明的一种压电片的纵向半剖示意图。
图2显示为本发明的一种截面的示意图。
图3显示为本发明的变厚度聚焦超声换能器辐射面辐射声压示意图。
图4显示为本发明的变厚度聚焦超声换能器系统的声焦域和传统的声焦域的对比图。
元件标号说明：压电片1，压电凹面11，压电凸面12。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图4。须知，本说明书附图所示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以下各个实施例仅是为了举例说明。各个实施例之间，可以进行组合，其不仅仅限于以下单个实施例展现的内容。
请参阅图1至图2，本发明提供一种压缩声焦域轴向长度的变厚度聚焦超声换能器的实施例，包括：压电片，所述压电片包括压电凹面和压电凸面，所述压电凹面和所述压电凸面均为球面结构，所述压电片具有多个厚度不同的谐振单元；所述压电凹面的曲率半径为R0，所述压电凸面的曲率半径为r0，且R0小于r0。通过压电片本身的压电凹面和压电凸面的曲率半径不同的设置实现变厚度，且R0小于r0，使得压电片具有更好的聚焦效果，通过多个谐振单元实现了对不同频率的脉冲源的共振，在治疗横向薄层病变组织时，可以不损伤或者减少正常组织的损伤，减少治疗过程中的安全风险，解决了现有单频HIFU聚焦超声换能器声焦域轴向长度过长的问题，且技术目的实现过程中没有透镜参与，换能器的能量转换效率更高。
本实施例中，请参阅图1至图2，所述压电片的中心厚度为t1，所述压电片的边缘厚度为H，其中H-t1小于
Figure BDA0002375020410000041
λ为压电片的最高频率的波长。为保证H与t1所对应的频率范围包含中华人民共和国医药行业标准YY 0592-2005中所规定的0.5-2MHz的范围,所述压电片的中心厚度0.2mm＜t1＜5mm,所述压电片的边缘厚度0.2mm＜H＜5mm，且t1<H。可选的，所述H＝2.3mm，压电片的最低频率fmin＝0.93MHz。可选的，所述t1＝2.2mm，压电片的最高频率fmax＝1.07MHz。可选的，R0为94mm，r0为96.1mm，d为92.3mm，。由于变厚度聚焦超声换能器具有多个不同的谐振频率，当H-t1小于
Figure BDA0002375020410000042
时聚焦效果更好。
本实施例中，请参阅图1，所述压电片1由1-3型压电复合材料制成，1-3型压电复合材料由PZT-5和环氧树脂结合而成。用1-3型压电复合材料是由于其横向应力被聚合物介质吸收，环氧树脂的剪切模量远小于压电相的剪切模量，各个PZT柱之间的相互耦合很小，当1-3型压电复合材料制作成变厚度聚焦超声换能器时，可以认为它是由不同厚度的PZT柱组成，这些PZT柱可以独立的振动。
一种换能系统的实施例，包括以上任一实施例所述的变厚度聚焦超声换能器；还包脉冲源，所述脉冲源用于激励所述压电片1，所述脉冲源为多频脉冲源。可选的，所述脉冲源为矩形脉冲。变厚度聚焦超声换能器拥有多个谐振频率点，怎么同时驱动这些谐振点是要解决的重要问题之一，可以采用矩形脉冲的方式驱动变厚度聚焦超声换能器，因为矩形脉冲的频域拥有多个不同的频率，能同时驱动变厚度聚焦超声换能器的多个谐振点。进一步可选的，所述矩形脉冲的频率为0.5-2MHz。
一种所述的换能系统的声焦域轴向长度的确定方法，包括如下步骤:
根据瑞利积分原理将换能器辐射面分成若干个微元dS，每个微元都可以视为辐射相应频率的球面波源，而空间声场中A点处产生的声压是由所有微元在该点处产生的声压叠加后的结果；
根据压电片的厚度确定压电片的频率f(R)：
Figure BDA0002375020410000051
其中：h(R)为压电片厚度，c为弹性刚度常数，e为压电应力常数，ε为介电常数，ρ为压电复合材料密度，E为恒定电场,S为恒定应变，dS为积分微元，R为坐标原点至积分微元dS中心的距离；
空间声场中A点处声压的表达式如下：
Figure BDA0002375020410000052
式中，f(R)为频率，ρ0为传播媒质的密度，u为变厚度聚焦超声换能器辐射面上法向振速分布，ω(R)＝2πf(R)为角频率，t为时间，k(R)＝2πf(R)/c1为波数，c1为媒质中的声速；
其中，微元dS到A点的距离l的表达形式如下：
Figure BDA0002375020410000061
式中，l0为坐标原点到A点处的距离，θ为l0与Z轴的夹角，
Figure BDA0002375020410000062
为过场点A(x,y,z)且垂直相交OZ轴的直线与平面YOZ之间的夹角，β2为过积分面元dS且垂直相交OZ轴的直线与平面YOZ之间的夹角；
联立式(1)，(2)，(3)求得P(l,θ,t)；
变厚度聚焦超声换能器的稳态声压以一段时间内的有效声压值Pe表示：
Figure BDA0002375020410000063
Figure BDA0002375020410000064
式中，T表示一段时间，f(R)max为最大频率即压电片的中心厚度为t1处对应的频率，f(R)min为最小频率即所述压电片的边缘厚度为H处对应的频率；
将P(l,θ,t)带入式中,并联立式(4)和式(5)求得一段时间内的有效声压值Pe；
根据式(4)计算出变厚度聚焦超声换能器的声焦域轴向长度。
将本方案的声焦域轴向长度与相同开口直径、相同曲率半径下的1MHz等厚度声透镜聚焦超声换能器的声焦域轴向长度进行对比。如图4所示，等厚度聚焦换能器声焦域轴向长度为12.6mm。与等厚度聚焦换能器声焦域轴向长度相比，中间薄两边厚换能器声焦域轴向长度为4mm,说明中间薄两边厚换能器能压缩声焦域轴向长度。
综上所述，本发明通过压电片本身的压电凹面和压电凸面的曲率半径不同的设置实现变厚度，且R0小于r0，使得压电片具有更好的聚焦效果，通过多个谐振单元实现了对不同频率的脉冲源的共振，在治疗横向薄层病变组织时，可以不损伤或者减少正常组织的损伤，减少治疗过程中的安全风险，解决了现有单频HIFU聚焦超声换能器声焦域轴向长度过长的问题，且技术目的实现过程中没有透镜参与，换能器的能量转换效率更高。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种压缩声焦域轴向长度的变厚度聚焦超声换能器，其特征在于，包括：
压电片，所述压电片包括压电凹面和压电凸面，所述压电凹面和所述压电凸面均为球面结构，所述压电片具有多个厚度不同的谐振单元；
所述压电凹面的曲率半径为R0，所述压电凸面的曲率半径为r0，且R0小于r0。
2.根据权利要求1所述的压缩声焦域轴向长度的变厚度聚焦超声换能器，其特征在于：所述压电片的中心厚度为t1，所述压电片的边缘厚度为H，其中H-t1小于
Figure FDA0002375020400000011
λ为压电片的最高频率的波长。
3.根据权利要求2所述的压缩声焦域轴向长度的变厚度聚焦超声换能器，其特征在于：所述压电片的中心厚度0.2mm＜t1＜5mm,所述压电片的边缘厚度0.2mm＜H＜5mm，且t1<H。
4.根据权利要求1所述的压缩声焦域轴向长度的变厚度聚焦超声换能器，其特征在于：所述压电片由1-3型压电复合材料制成。
5.一种换能系统，其特征在于：包括权利要求1-4任一所述的变厚度聚焦超声换能器；
还包脉冲源，所述脉冲源用于激励所述压电片，所述脉冲源为多频脉冲源。
6.根据权利要求5所述的换能系统，其特征在于：所述脉冲源为矩形脉冲。
7.根据权利要求6所述的换能系统，其特征在于：所述矩形脉冲包含的频率为0.5-2MHz。
8.一种权利要求5-7任一所述的换能系统的声焦域轴向长度的确定方法，其特征在于,包括如下步骤:
根据瑞利积分原理将换能器辐射面分成若干个微元dS，每个微元都可以视为辐射相应频率的球面波源，而空间声场中A点处产生的声压是由所有微元在该点处产生的声压叠加后的结果；
根据压电片的厚度确定压电片的频率f(R)：
Figure FDA0002375020400000021
其中：h(R)为压电片厚度，c为弹性刚度常数，e为压电应力常数，ε为介电常数，ρ为压电复合材料密度，E为恒定电场,S为恒定应变，dS为积分微元，R为坐标原点至积分微元dS中心的距离；
空间声场中A点处声压的表达式如下：
Figure FDA0002375020400000022
式中，f(R)为频率，ρ0为传播媒质的密度，u为变厚度聚焦超声换能器辐射面上法向振速分布，ω(R)＝2πf(R)为角频率，t为时间，k(R)＝2πf(R)/c1为波数，c1为媒质中的声速；
其中，微元dS到A点的距离l的表达形式如下：
Figure FDA0002375020400000023
式中，l0为坐标原点到A点处的距离，θ为l0与Z轴的夹角，
Figure FDA0002375020400000024
为过场点A(x,y,z)且垂直相交OZ轴的直线与平面YOZ之间的夹角，β2为过积分面元dS且垂直相交OZ轴的直线与平面YOZ之间的夹角；
联立式(1)，(2)，(3)求得P(l,θ,t)；
变厚度聚焦超声换能器的稳态声压以一段时间内的有效声压值Pe表示：
Figure FDA0002375020400000025
Figure FDA0002375020400000026
式中，T表示一段时间，f(R)max为最大频率即压电片的中心厚度为t1处对应的频率，f(R)min为最小频率即所述压电片的边缘厚度为H处对应的频率；
根据式(4)计算出变厚度聚焦超声换能器的声焦域轴向长度。
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