CN112914508A - 基于椭球面曲率的光声/超声双模态高频探头 - Google Patents

基于椭球面曲率的光声/超声双模态高频探头 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于椭球面曲率的光声/超声双模态高频探头，包括探头外壳、椭球形背衬层、高频压电元件和信号传输线路；所述探头外壳侧壁中部挖孔并设有信号传输线路；所述椭球形背衬层同轴固定在探头外壳的入射光通道，中部设有圆柱结构；所述高频压电元件被压制于椭球形背衬层下端形成用于扩展景深的椭球形凹面，高频压电元件的中部设有与圆柱结构匹配的中部挖孔，所述椭球形凹面的形状与椭球形背衬层相匹配。本发明解决了目前高频探头景深不足的弊端，既能利用高频压电元件提高光声/超声成像横向和轴向分辨率，在无需移动焦点位置的情况下又能够接收来自更深层的组织中的信号。

Description

基于椭球面曲率的光声/超声双模态高频探头
技术领域
本发明涉及光声技术领域，特别涉及一种基于椭球面曲率的光声/超声双模态高频探头。
背景技术
光声成像是近年快速发展起来的一种无损生物医学影像技术。它基于光声效应，利用短脉冲光源作为激发源照射生物组织，生物组织吸收光能，由于迅速的热膨胀产生光致超声信号，携带组织光学吸收信息的超声信号被接收后，利用成像算法反演出生物组织吸收结构的可视化图像。光声成像结合了光学成像与超声成像的优点，成为介于光学成像与超声成像之间的关键成像技术，在生物医学影像领域表现出广泛的应用前景。超声换能器是光声成像过程中核心器件，高频超声换能器已广泛用于各种生物医学应用，包括血管和皮肤成像，传统的光声显微镜使用的超声探头大多是单元碗状聚焦超声换能器，即仅有一个狭窄的景深，只能在焦点附近有限的区域内获得高分辨图像，而在离焦后图像分辨率急剧下降，难以提取更深被检测部位的组织信息。
为了开发高质量的深度成像的超声换能器，聚焦区域范围需要得到提升。申请号201210524695.4的专利申请公开了一种聚焦孔径技术(SAFT)，在离焦区，横向分辨率可以显著提高，但离焦的信号强度恢复仍然相对较低，导致信噪比较低；并且横向分辨率随着深度的增加而变差；申请号201310737534.8的专利申请公开了一种液体透镜可以用来改变传感器的焦距的技术，但它仍然需要为每次焦点改变重新执行数据采集程序。申请号201710038098.3的专利申请公开了基于环形超声换能器阵列的大景深光声-声速双模成像法，该发明利用环形超声换能器阵列的动态聚焦得到较长深度范围内的光声图像。然而，这类的阵列传感器设计制造过程及加工难度大，成本高，算法复杂，并且体积庞大，无法应用于内窥成像系统中。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种基于椭球面曲率的光声/超声双模态高频探头，利用椭球面来扩展景深，解决目前高频超声探头焦深有限的弊端。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于椭球面曲率的光声/超声双模态高频探头，包括探头外壳、椭球形背衬层、高频压电元件和信号传输线路；所述探头外壳侧壁中部挖孔并设有信号传输线路；所述椭球形背衬层同轴固定在探头外壳的入射光通道，中部设有圆柱结构；所述高频压电元件被压制于椭球形背衬层下端形成用于扩展景深的椭球形凹面，高频压电元件的中部设有与圆柱结构匹配的中部挖孔，所述椭球形凹面的形状与椭球形背衬层相匹配；
所述椭球形凹面具有关于中垂线对称连续不同曲率半径的椭球面，外径的曲率半径与中垂线的交点为第一交点，内径的曲率半径与中垂线的交点为第二交点，所述第一交点和第二交点的差值为几何焦深，通过设置椭圆不同的内径和外径的曲率半径来控制中垂线上交点之差，进一步控制高频探头最终产生扩展景深的长度。
优选的，所述高频压电元件采用宽频带效果的PVDF材料，主频范围为15MHz～100MHz；所述高频压电元件的声阻抗和生物组织相近，无需匹配层即可接受组织产生的超声信号。
优选的，所述椭球形背衬层为环氧树脂，包括组分A环氧树脂和组分B环氧树脂固化剂，其质量比为1:0.35，搅拌混合、抽真空、导入软模具、放置抛光面玻璃、烘干固化后，得到椭球面背衬其中部圆柱具有抛光效果；所述圆柱结构、高频压电元件、探头外壳同轴设置；
所述椭球形背衬层设有直径在1mm～5mm范围的用于隔水进入内部通道的圆柱结构，所述圆柱结构上下端面设置具有抛光面，使得入射光具有80％～99％透射效率。
优选的，所述椭球形背衬层通过软模具制造，所述软模具包括组分A硅胶和组分B硅胶固化剂，其质量比为1:0.02，经过搅拌混合、抽真空、倒入涂有脱模剂容器、烘干固化处理得到软模具。
优选的，所述信号传输线路包括：银扁丝、微型电路板、SMA连接器和射频线；所述微型电路板设置在椭球形背衬层的上端，该微型电路板设有正电极和负电，所述正电极和负电分别通过银扁丝连接到高频压电元件的正电极和负电极；所述射频线的芯线一端连接SMA连接器芯部，另一端连接微型电路板的正电极；所述射频线的屏蔽网一端连接SMA连接器外导体，另一端连接微型电路板的负电极。
优选的，所述射频线的屏蔽网接地，所述接地过程是通过导电银胶固化焊接相连，将射频线的屏蔽网固定在探头外壳内壁上；所述导电银胶为双组分类型、高电导率、固化短期周期的胶水，探头外壳焊点的形成通过导电银胶组分A和组分B的质量比为1:1，经过搅拌混合，连接射频线屏蔽网和探头外壳以及烘干固化。
优选的，所述椭球形背衬层与探头外壳之间的缝隙用胶水层填充，所述胶水层包括紫外光固化胶、树脂防水胶；在探头外壳和椭球形背衬层的同轴位置确定后首先使用紫外光固化胶固定，然后利用树脂防水胶进行完全填充，使得探头外壳的入射光通道和下部进行隔绝。
优选的，所述高频压电元件通过夹具和治具在所述椭球形背衬层上通过胶水粘结，被压制成具有连续不同曲率半径的椭球凹面，在粘贴整个过程中高频压电元件平整无褶皱。
优选的，所述夹具的弧面为凸面，与椭球形背衬层的椭球形凹面相匹配，夹具使得高频压电元件在烤箱升温去应力的过程后得到椭球凹面的形状；
所述治具包括平口钳和压力传感器，通过平口钳施压和压力传感器控制高频压电元件的受力程度。
优选的，所述高频探头通过探头仿真来进行确定，仿真步骤包括：建立高频探头弧面模型、微元划分小于1/6波长网格的点声源、设置探头性能参数以及计算最终超声阵元的发射/接收声场，仿真模拟完成后直接设计参数制作实际的高频椭球面探头。
本发明与现有技术相比，具有下述优点和效果
首先，本发明供了一种基于椭球面曲率连续可变的超大景深光声/超声双模态高频探头，制作方法简便，设计效果显著；解决了目前点聚焦高频探头景深不足的弊端，在利用高频探头来提高光声/超声成像横向和轴向分辨率的同时，在无需调制焦点的情况下能够接收来自更深层的组织中的信号。
其次，在探头实际制作的过程中，为了得到稳定的高频探头性能，通过加入压力传感器提供一种实时监测治具压制成形过程中的高频压电元件受力情况，其受力情况会影响最终探头的性能参数；另一方面通过使用导电银胶将射频线屏蔽网接地而代替锡焊，降低在探头外壳的小空间焊接的难度。
另外，本发明通过理论仿真结合实际，通过对探测器的仿真来制定最终实际的方案，最后实际和仿真的效果吻合，说明仿真的效果具有可供实际参数参考理论价值。
最后，本发明提供了一种快速制作模具去批量制作背衬的方法，可以大大降低背衬加工的时间和经济成本。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于椭球连续焦点扩展景深的高频超声/光声探头的外形结构示意图。
图2为图1中实施例的剖面图。
图3为图1中实施例的椭圆连续焦点的设计示意图。
图4为图1中实施例制作椭球凹面的流程示意图。
图5为图1中实施例仿真所剖分网格的阵元分布的示意图。
图6为仿真球面聚焦的轴向和横向声场强度图；
图7为仿真球面扫描轴向和横向的声场强度图。
附图序号说明：10为椭球形背衬层；11为圆柱结构；20为高频压电元件；21为正极触点；22为负极触点；23为中部挖孔；30为探头外壳；31为入射光通道；32为顶部螺纹；33为探头外壳焊点；40为信号传输线路；41为SMA连接器；41-1为SMA连接器芯部；41-2为SMA连接器外导体；42为射频线；42-1为射频线芯线；42-2为射频线屏蔽网；43为微型电路板；43-1为微型电路板正极端口；43-2为微型电路板负极端口；44为银扁丝；44-1为正极银扁丝；44-2为负极银扁丝；50为胶水层；60为换能器产生的焦区；61为对应内径弧面产生的焦点；62为对应内外径之间弧面产生的焦点；63为对应外径弧面产生的焦点；70为夹具；80为治具；81为压力传感器；82为平口钳；L为入射激光；U为双模态高频探头。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1、图2所示，本实施例基于椭球面曲率的光声/超声双模态高频探头(以下简述高频探头U)包括：探头外壳30、椭球形背衬层10、高频压电元件20和信号传输线路40；所述探头外壳30侧壁设有信号传输线路40，用于引出压电信号；所述椭球形背衬层10同轴固定在入射光通道31，所述高频压电元件20被压制于椭球形背衬层10下端形成椭球形凹面，另外高频压电元件20设有中部挖空23，其内径为2mm，保证入射激光穿过与回波超声信号同轴。所述椭球形凹面具有关于中垂线对称连续不同曲率半径的椭球面，外径的曲率半径与中垂线的交点为第一交点对应内径弧面产生的焦点63，内径的曲率半径与中垂线的交点为第二交点对应外径弧面产生的焦点61，所述第一交点和第二交点的中值对应外径弧面产生的焦点63；第一交点和第二交点的差值为换能器产生的焦区60，通过设置椭圆不同的内径和外径的曲率半径来控制中垂线上交点之差，进一步控制高频探头最终产生扩展景深的长度。
进一步的，所述高频压电元件20使用宽频带效果的PVDF材料，制作可达到主频在15MHz～100MHz范围的高频探头；所述高频压电元件20的声阻抗和生物组织相近，无需匹配层可以接受组织产生的超声信号；所述高频压电元件20的可塑性高，可通过特制夹具70和治具80在所述椭球形背衬层10上通过胶水粘结被压制成具有连续不同曲率半径的椭球形凹面，在粘贴整个过程中高频压电元件20平整无褶皱，保证最终探头的灵敏度不受影响。
更进一步的，所述夹具70的硬度强且弧面为凸面，对应背衬层椭球凹面，夹具使得高频压电元件在烤箱升温去应力的过程后得到椭球凹面的形状；所述治具80包括：平口钳82和压力传感器81，通过平口钳施压和压力传感器控制高频压电元件的受力程度。
进一步的，所述椭球形背衬层10为环氧树脂材料制成，其材料光学性能在光谱为320nm～1600nm范围的光透射效率≥94％；其声学性能方面的声阻抗值在2.7MRayls～3.2MRayls，在30MHz的声衰减系数为9-12dB/mm。
更进一步的，所述椭球形背衬层10的表面为非球面，即利用椭球面进行景深的扩展；所述椭球形背衬层10设有直径在2mm范围的圆柱结构11，可隔水进入内部通道，其圆柱结构上下端面设置具有抛光面效果保证入射光具有80％～99％透射效率。
更进一步的，所述非球面背衬层10的通过软模具制作，包括硅胶组分A和组分B，其质量比为1:0.02，经过搅拌混合、抽真空烘干固化处理得到模具。
更进一步的，所述背衬材料层10包括环氧树脂组分A和组分B，其质量比为1:0.35，搅拌混合、抽真空、导入软模具、放置抛光面玻璃、烘干固化后，得到椭球面背衬的圆柱结构具有抛光效果。所述圆柱结构、高频压电元件10、入射激光L与所述探头外壳30保持同轴设置
可以理解的是，所述高频压电元件20的结构设计具有连续不同曲率半径的椭球面，其椭球面是关于其中垂线对称如图3所示，外径的曲率半径与中垂线的交点与内径的曲率半径与中垂线的交点的差值为几何焦深，通过公式(3)设置椭圆不同的内径和外径的曲率半径来控制中垂线上交点之差，进一步控制高频探头最终产生扩展景深的长度Y1Yn；另外高频压电元件的中部挖孔23保证入射激光穿过与回波超声信号同轴。
进一步的，如图3所示，具有连续不同曲率的焦点椭圆面的设计，具体包括如下步骤：
(1)设质点P(x，y)在椭圆上运动，二面角θ是椭圆在其对应圆上投影的夹角，
Figure BDA0002910772880000081
其中a和b分为长半轴和短半轴顶点坐标，根据圆周运动和椭圆方程的基本公式的知识可知：
Figure BDA0002910772880000082
Figure BDA0002910772880000083
(2)椭圆的曲率半径ρ和坐标P关系表达式：
Figure BDA0002910772880000084
(3)计算曲率半径在中垂线上的投影的长度来确定几何焦深：
Y1Yn＝ρ1cosα1+ρncosαn-|yn-y1|
其中α为曲率半径和Y轴的夹角，Y1Yn为设计所得到的几何焦深。
(4)在声束的断面贝塞尔函数的形状进行声压计算的表达式：
Figure BDA0002910772880000085
具体可参阅(李太宝著.计算声学声场的方程和计算方法[M].北京：科学出版社.2005.第121-122页)。
进一步的，所述椭球形背衬层与探头外壳之间的缝隙用胶水层填充，所述胶水层包括紫外光固化胶、树脂防水胶；在探头外壳和椭球形背衬层的同轴位置确定后首先使用紫外光固化胶固定，然后利用树脂防水胶进行完全填充，使得探头外壳30的入射光通道31和下部进行隔绝。粘结胶水为双组份光学级别环氧树脂是振动的柔性粘合剂和低应力粘合剂，其附着力稳定，声阻抗和椭球形背衬层10相同，以保证高频压电元件20和椭球形背衬层10的粘结和过渡效果；压制前需要对配置过的光学环氧树脂胶水进行抽真空处理，去除配置过程产生的气泡。
所述光学环氧树脂胶水为双组份光学级别环氧树脂是振动的柔性粘合剂和低应力粘合剂，其附着力稳定，声阻抗和背衬层相同，以保证高频压电元件和背衬层的粘结和过渡效果；压制前需要对配置过的光学环氧树脂胶水进行抽真空处理，去除配置过程产生的气泡。
进一步的，所述探头外壳30用于保护接头，保证良好接地，从而减少噪声对电路耦合的信号干扰，其顶部螺纹32与成像系统固定；所述信号传输线路40包括：SMA连接器41、射频线42、微型电路板43和银扁丝44。所述微型电路板43设于椭球形背衬层10上端，微型电路板正极端口43-1，通过正极银扁丝44-1和高频压电元件的正极触点21连接；射频线芯线42-1和SMA连接器芯部41-1相连；微型电路板负极端口43-2通过负极银扁丝44-2和高频压电元件的负极触点22连接，通过射频线屏蔽网42-2和SMA连接器外导体41-2相连；另外在提高系统稳定性和降低噪声的接地操作中，射频线屏蔽网42-2直接通过导电银胶利用，在探头外壳焊点33进行焊接。
更进一步的，在本身的另一个实施例中，所述探头外壳焊点33的形成通过导电银胶组分A和组分B的质量比为1:1，经过搅拌、粘结、烘干固化处理，进而形成探头外壳焊点33。
可以理解的是，为了模拟和优化高频探头U的性能，在仿真时，计算探头在声场中每一点产生的声压值，在本次仿真中的算法是利用瑞利积分来计算某一点产生的声压值，具体如下：
首先对高频探头模型进行微元划分，当尺寸的定义过大则不满足点声源的定义；当尺寸的定义过小，总的数据量会增大且对仿真的结果没有相应的提升。一般线度小于1/6波长方可近似为点声源。
其次，将剖分好的网格如图5所示，导入Matlab软件上计算超声阵元的发射声场，通过设定探头系统参数来观察横向焦点直径和轴向景深变化，最终设计出有效的增大声场的景深长度的方案。
在真实扫描探头声场时，使用三维声场扫描装置和光纤超声传感器对高频探头固定位置后，对其发射场进行实际的声场扫描。
最终实验结果中，仿真声场和真实扫描的声场结果一致，如图6和图7所示。基于椭球连续焦点扩展景深的高频光声/超声探头实现了扩展景深的实际效果；因此椭球形-连续焦点扩展景深超声/光声探头可以接收来自更深层的组织中的信号，可获取被检测部位的轴向上更多病理信息。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

Claims (10)

1.基于椭球面曲率的光声/超声双模态高频探头，其特征在于，包括探头外壳、椭球形背衬层、高频压电元件和信号传输线路；所述探头外壳侧壁中部挖孔并设有信号传输线路；所述椭球形背衬层同轴固定在探头外壳的入射光通道，中部设有圆柱结构；所述高频压电元件被压制于椭球形背衬层下端形成用于扩展景深的椭球形凹面，高频压电元件的中部设有与圆柱结构匹配的中部挖孔，所述椭球形凹面的形状与椭球形背衬层相匹配；
所述椭球形凹面具有关于中垂线对称连续不同曲率半径的椭球面，外径的曲率半径与中垂线的交点为第一交点，内径的曲率半径与中垂线的交点为第二交点，所述第一交点和第二交点的差值为几何焦深，通过设置椭圆不同的内径和外径的曲率半径来控制中垂线上交点之差，进一步控制高频探头最终产生扩展景深的长度。
2.根据权利要求1所述的基于椭球面曲率的光声/超声双模态高频探头，其特征在于，所述高频压电元件采用宽频带效果的PVDF材料，主频范围为15MHz～100MHz；所述高频压电元件的声阻抗和生物组织相近，无需匹配层即可接受组织产生的超声信号。
3.根据权利要求1所述的基于椭球面曲率的光声/超声双模态高频探头，其特征在于，所述椭球形背衬层为环氧树脂，包括组分A环氧树脂和组分B环氧树脂固化剂，其质量比为1:0.35，搅拌混合、抽真空、导入软模具、放置抛光面玻璃、烘干固化后，得到椭球面背衬其中部圆柱具有抛光效果；所述圆柱结构、高频压电元件、探头外壳同轴设置；
所述椭球形背衬层设有直径在1mm～5mm范围的用于隔水进入内部通道的圆柱结构，所述圆柱结构上下端面设置具有抛光面，使得入射光具有80％～99％透射效率。
4.根据权利要求1所述的基于椭球面曲率的光声/超声双模态高频探头，其特征在于，所述椭球形背衬层通过软模具制造，所述软模具包括组分A硅胶和组分B硅胶固化剂，其质量比为1:0.02，经过搅拌混合、抽真空、倒入涂有脱模剂容器、烘干固化处理得到软模具。
5.根据权利要求1所述的基于椭球面曲率的光声/超声双模态高频探头，其特征在于，所述信号传输线路包括：银扁丝、微型电路板、SMA连接器和射频线；所述微型电路板设置在椭球形背衬层的上端，该微型电路板设有正电极和负电，所述正电极和负电分别通过银扁丝连接到高频压电元件的正电极和负电极；所述射频线的芯线一端连接SMA连接器芯部，另一端连接微型电路板的正电极；所述射频线的屏蔽网一端连接SMA连接器外导体，另一端连接微型电路板的负电极。
6.根据权利要求1所述的基于椭球面曲率的光声/超声双模态高频探头，其特征在于，所述射频线的屏蔽网接地，所述接地过程是通过导电银胶固化焊接相连，将射频线的屏蔽网固定在探头外壳内壁上；所述导电银胶为双组分类型、高电导率、固化短期周期的胶水，探头外壳焊点的形成通过导电银胶组分A和组分B的质量比为1:1，经过搅拌混合，连接射频线屏蔽网和探头外壳以及烘干固化。
7.根据权利要求1所述的基于椭球面曲率的光声/超声双模态高频探头，其特征在于，所述椭球形背衬层与探头外壳之间的缝隙用胶水层填充，所述胶水层包括紫外光固化胶、树脂防水胶；在探头外壳和椭球形背衬层的同轴位置确定后首先使用紫外光固化胶固定，然后利用树脂防水胶进行完全填充，使得探头外壳的入射光通道和下部进行隔绝。
8.根据权利要求1所述的基于椭球面曲率的光声/超声双模态高频探头，其特征在于，所述高频压电元件通过夹具和治具在所述椭球形背衬层上通过胶水粘结，被压制成具有连续不同曲率半径的椭球凹面，在粘贴整个过程中高频压电元件平整无褶皱。
9.根据权利要求8所述的基于椭球面曲率的光声/超声双模态高频探头，其特征在于，所述夹具的弧面为凸面，与椭球形背衬层的椭球形凹面相匹配，夹具使得高频压电元件在烤箱升温去应力的过程后得到椭球凹面的形状；
所述治具包括平口钳和压力传感器，通过平口钳施压和压力传感器控制高频压电元件的受力程度。
10.根据权利要求1所述的基于椭球面曲率的光声/超声双模态高频探头，其特征在于，所述高频探头通过探头仿真来进行确定，仿真步骤包括：建立高频探头弧面模型、微元划分小于1/6波长网格的点声源、设置探头性能参数以及计算最终超声阵元的发射/接收声场，仿真模拟完成后直接设计参数制作实际的高频椭球面探头。
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