CN112274787A - 一种面聚焦超声换能器阵列及其换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及换能器技术领域，更具体的是涉及一种面聚焦超声换能器阵列及其换能器，包括若干个阵元；每个阵元包括框架和固定设置在框架上的晶体层，晶体层为向框架内凹可线聚焦的凹弧面结构；还包括与每个阵元的晶体层电连接的控制装置，控制装置控制每个阵元独立工作。本发明通过若干个可线聚焦的中空半圆筒形换能器排列形成换能器阵列，组合形成一个面状的聚焦区域，增大了聚焦体积，减少了治疗时间；另外通过控制装置控制每个阵元独立工作，这样可使得部分阵元工作而部分阵元关闭，形成所需要的聚焦体积和聚焦形状，从而避开不需要治疗的人体组织。

Description

一种面聚焦超声换能器阵列及其换能器

技术领域

本发明涉及换能器技术领域，更具体地是涉及一种面聚焦超声换能器阵列及其换能器。

背景技术

现有的聚焦超声换能器一般是由一个单一的球面换能器组成，直接在球面换能器的几何焦点进行聚焦，位置较为固定，只能通过机械移动的方式改变焦点的位置，灵活性较差；或者是由多个超声换能器阵元组成的相控阵，通过对各个阵元的相位和幅度进行调控，从而实现电子调节焦距和焦点位置，但是这样的调节方式对于复杂的人体结构来说还是不够灵活。

中国专利CN105228699A公开了一种线聚焦超声波换能器及包括其的高强度线聚焦超声波发生装置，包括：治疗用压电元件，其呈中空的半圆筒形状；第 1电极部，其配备于治疗用压电元件的内面；及第2电极部，其与第1电极部对应地配备于治疗用压电元件的外面。其只能进行线聚焦，且换能器整体结构复杂，还需要繁琐的机械运动来改变焦点位置。

中国专利CN209421976U公开了一种柔性超声波换能器阵列、聚焦换能器，包括具有易变形、可弯折特性的柔性基板，以及镶嵌在该柔性基板上的多个振元，该振元的第一端、第二端均分别凸出于其的上表面、下表面，故所提供的柔性超声波换能器阵列也将具有易变形、可弯折等特点。这样一来，在将柔性超声波换能器阵列应用至医学治疗领域中时，该柔性超声波换能器阵列的形状能够根据人体表面形状而发生变化，也即对于不同形状的人体表面而言，其可以采用同一个柔性超声波换能器阵列对其进行超声成像或超声治疗，较为灵活。

虽然柔性基板可以使得换能器阵列的形状可以根据人体结构需要进行改变，但是其还是线聚焦或者点聚焦的方式，聚焦体积较小，对于具有较大病灶体积的肿瘤进行治疗时，可能需要很长的治疗时间，这无论对于医生还是患者都将会产生较大的痛苦和不便。

另外的，中国专利CN201482706U公开了一种柱形超声换能器，其能够在复合超声管的空心螺纹管轴线附近区域获得高强度的柱面聚焦超声场，但其只能形成单一的柱面聚焦，灵活性还是不够，且其结构较为复杂，产生的超声场强度过大，不适合应用于医疗器械中。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中换能器聚焦方式单一、聚焦体积小、结构复杂的不足，提供了一种结构简单、聚焦方式多样、聚焦体积大的面聚焦超声换能器阵列及其换能器。

在本技术方案中，提供了一种面聚焦超声换能器阵列，包括若干个阵元；每个阵元包括框架和固定设置在框架上的晶体层，晶体层为向框架内凹可线聚焦的凹弧面结构；还包括与每个阵元的晶体层电连接的控制装置，控制装置控制每个阵元独立工作。

本发明中通过设置若干个可线聚焦的阵元，每个阵元聚焦线组合形成一个面状的聚焦区域，使得聚焦面积可随着阵元的个数而增大，而不是点状或线状聚焦，极大的缩短了大病灶体积的肿瘤治疗时间，减轻了患者痛苦；另外通过将每个阵元都连接到控制装置上，方便医生对换能器阵列上的阵元实现单独控制，使其形成所需要的聚焦体积和聚焦形状，聚焦的方式多样，可避开特定的人体组织。

优选的，上述的控制装置为多通道控制器，多通道控制器具有数量大于或等于若干个阵元的独立通道，每个独立通道对应控制每个阵元。这样设置是为了使控制装置能对每个阵元独立控制，单独激励每个阵元的晶体层发射超声波，这样可以通过控制装置控制换能器阵列上的某一部分阵元工作发射超声波，形成所需要的聚焦体积和形状，避免对人体造成过多影响，同时也减少了能源的浪费。

优选地，上述的晶体层包括顺次连接的第一电极层、压电元件、第二电极层，第一电极层靠近框架，第一电极层和第二电极层均与控制装置电连接，根据控制装置的激励信号驱动压电元件振动。

优选地，上述的晶体层在框架上的正投影为矩形，这样设置是为了使每个阵元的具有相同的规则结构，方便控制各阵元进行各种阵列排布时聚焦的区域。

优选地，上述的框架为中空结构，框架与晶体层密封固定连接形成中空半圆筒结构，这样设置是为了实现换能器的声学匹配功能。

优选地，上述的阵列为矩形阵列、圆形阵列、球形阵列、弧形阵列、不规则阵列中的一种或几种结合，对于不同的病灶区域，可用不同的阵列形式形成不同的形状的聚焦面，大大方便了医务工作者的工作。

优选地，上述的压电元件材质为压电陶瓷、压电晶体、复合压电物质中的一种，其具有压电效应，可将电信号转换成声信号，或将声信号转换成电信号；压电元件在受到第一电极层和第二电极层的电激励后，产生高频振动发射超声波，在对应的位置线聚焦。

本技术方案还提供了一种面聚焦超声换能器，包括上述的面聚焦超声换能器阵列。

优选地，上述的面聚焦超声换能器还包括背衬，框架背离晶体层凹弧面的一面固定设置在背衬的上，以对各个阵元定位，固定其形成的阵列形式。

优选地，上述的背衬为平面结构、弧面结构、球面结构、不规则结构中的一种，这样是为了让各个阵元固定可在背衬上固定形成各种形式的阵列，方便医务工作者根据病灶位置大小等选择合适的换能器进行治疗。

与现有技术相比，有益效果是：

本发明中通过设置若干个中空半圆筒形可线聚焦的阵元，阵元可排列形成多种阵列形式，每个阵元的晶体层在平行方向上聚焦或在相交的位置聚焦，组合形成一个面状的聚焦区域，使得聚焦体积可随着阵元的个数而增大，而不是点状或线状的聚焦，极大的缩短了大病灶体积的肿瘤治疗时间，减轻了患者痛苦；另外通过将每个阵元都连接到多通道控制器上，每个阵元被一个独立通道控制，实现了各个阵元的独立工作，方便医生对换能器阵列上的阵元实现单独控制，这样可使得部分阵元工作而部分阵元关闭，形成所需要的聚焦体积和聚焦形状，从而避开不需要治疗的人体组织；而中空半圆筒形可线聚焦的阵元排列在背衬上，其结构较为简单。

附图说明

图1为本发明实施例1面聚焦超声换能器阵列的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1面聚焦超声换能器阵列的阵元结构整体示意图；

图3为本发明实施例1面聚焦超声换能器阵列的阵元俯视图；

图4为图3的A-A方向剖视图；

图5为图4的A部局部放大图；

图6为本发明实施例1面聚焦超声换能器的整体结构示意图；

图7为图2聚焦模拟结果示意图；

图8为图6聚焦模拟结果示意图；

图9为本发明实施例1面聚焦超声换能器阵列的控制装置控制示意图；

图10为本发明实施例2面聚焦超声换能器的整体结构示意图；

图11为图10聚焦模拟结果示意图；

图12为本发明实施例3中的控制装置控制示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例1

如图1至图9为一种面聚焦超声换能器阵列的实施例，包括64个阵元1；每个阵元1包括框架2和固定设置在框架2上的晶体层3，晶体层3为向框架2 内凹可线聚焦的凹弧面结构；还包括与每个阵元1的晶体层3电连接的控制装置，控制装置控制每个阵元1独立工作。

如图9所示，本实施例中的控制装置为一个多通道控制器，多通道控制器具有数量大于或等于64的独立通道，每个独立通道对应控制每个阵元1。这样设置是为了使控制装置能对每个阵元1独立控制，单独激励每个阵元1的晶体层3发射超声波，这样可以通过控制装置控制换能器阵列上的某一部分阵元1 工作发射超声波，形成所需要的聚焦体积和形状，避免对人体造成过多影响，同时也减少了能源的浪费。值得注意的是，本实施例中的控制装置为多通道控制器仅为优选的形式，并不是对本方案的限定，当然可以采用多个控制装置，每个控制装置分别与每个阵元1连接实现独立控制。

如图5所示，本实施例中的晶体层3包括顺次连接的第一电极层31、压电元件32、第二电极层33，第一电极层31靠近框架2，第一电极层31和第二电极层33均与控制装置电连接，根据控制装置的激励信号驱动压电元件32振动。

如图3所示，本实施例中的晶体层3在框架2上的正投影为矩形，这样设置是为了使每个阵元1的具有相同的规则结构，方便控制各阵元1进行各种阵列排布时聚焦的区域。

如图2、图4所示，本实施例中的框架2为中空结构，框架2与晶体层3 密封固定连接形成中空半圆筒结构，这样设置是为了实现换能器的声学匹配功能。值得注意的是，本实施例中不对中空半圆筒结构和晶体层的尺寸进行限定，其可根据需要选择不同尺寸大小的晶体层3和与其匹配的框架2。

本实施例中的阵列为8×8矩形阵列，可形成一个规则矩形聚焦面。需要说明的是，采用64个阵元形成8×8矩形阵列，仅为本实施例参考的一种实现方式，并不能理解为对本方案的限定，阵元1的个数和阵列形式并不局限于此，可根据需要采用其他个数的阵元1排列形成另外的矩形阵列、圆形阵列、球形阵列、弧形阵列、不规则阵列中的一种或几种结合。

本实施例中的压电元件32材质为压电陶瓷、压电晶体、复合压电物质中的一种，其具有压电效应，可将电信号转换成声信号，或将声信号转换成电信号；压电元件32在受到第一电极层31和第二电极层33的电激励后，产生高频振动发射超声波，在对应的位置线聚焦。需要说明的是，压电元件32的材质并不限定于上述的材料，只要其能在电激励下产生高频振动发射超声波即可；另外压电元件32的厚度及材料决定了其产生的超声波频率，本实施例对此不作限定，其包括超声治疗所能使用的所有频率。

如图6所示一种面聚焦超声换能器，包括上述的换能器阵列和平面矩形背衬4，框架2背离晶体层3凹弧面的一面固定设置在背衬4的上，以对各个阵元1定位，固定其形成的平面矩形阵列。

实施例2

如图10、图11为一种面聚焦超声换能器阵列的实施例。

本实施例与实施例1的区别仅在于阵元1的阵列形式。

如图10所示，本实施例中的阵元1的阵列形式为中空的矩形阵列。

实施例3

如图12为为一种面聚焦超声换能器阵列的实施例。

本实施例与实施例1或实施例2的区别仅在于控制装置。

如图12所示，本实施例中的控制装置为多个独立的控制器，每个控制器分别与每个阵元1连接，实现对阵元1的独立控制。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面聚焦超声换能器阵列，包括若干个阵元(1)；所述每个阵元(1)包括框架(2)和固定设置在框架(2)上的晶体层(3)，所述晶体层(3)为向所述框架(2)内凹可线聚焦的凹弧面结构；还包括与所述每个阵元(1)的晶体层(3)电连接的控制装置，所述控制装置控制每个阵元(1)独立工作。

2.根据权利要求1所述的一种面聚焦超声换能器阵列，其特征在于，所述控制装置为多通道控制器，所述多通道控制器具有数量大于或等于所述若干个阵元(1)的独立通道，所述每个独立通道对应控制所述每个阵元(1)。

3.根据权利要求2所述的一种面聚焦超声换能器阵列，其特征在于，所述晶体层(3)包括顺次连接的第一电极层(31)、压电元件(32)、第二电极层(33)，所述第一电极层(31)靠近所述框架(2)，所述第一电极层(31)和所述第二电极层(33)均与所述控制装置电连接，根据所述控制装置的激励信号驱动所述压电元件(32)振动。

4.根据权利要求3所述的一种面聚焦超声换能器阵列，其特征在于，所述晶体层(3)在框架(2)上的正投影为矩形。

5.根据权利要求4所述的一种面聚焦超声换能器阵列，其特征在于，所述框架(2)为中空结构，所述框架(2)与所述晶体层(3)密封固定连接形成中空半圆筒结构。

6.根据权利要求1所述的一种面聚焦超声换能器阵列，其特征在于，所述阵列为矩形阵列、圆形阵列、球形阵列、弧形阵列、不规则阵列中的一种或几种结合。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种面聚焦超声换能器阵列，其特征在于，所述所述压电元件(32)材质为压电陶瓷、压电晶体、复合压电物质中的一种。

8.一种面聚焦超声换能器，其特征在于，包括权利要求7所述的一种面聚焦超声换能器阵列。

9.根据权利要求8所述的一种面聚焦超声换能器，其特征在于，还包括背衬(4)，所述框架(2)背离所述晶体层(3)凹弧面的一面固定设置在所述背衬(4)的上。

10.根据权利要求9所述的一种面聚焦超声换能器，其特征在于，所述背衬(4)为平面结构、弧面结构、球面结构、不规则结构中的一种。

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