CN112971931A - 超声波镜片模块与超声波探针装置 - Google Patents

超声波镜片模块与超声波探针装置 Download PDF

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黃世桦
钟逸骏
黃彦杰
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Abstract

本发明公开了一种超声波镜片模块与超声波探针装置。超声波探针装置包含换能器层以及超声波镜片模块。超声波镜片模块设置于换能器层上，以聚焦换能器层所发出的超声波，其中超声波镜片模块包含超材料层。超材料层包含：平坦部以及微结构部。微结构部位于平坦部的表面上，其中微结构部包含至少一个凸起结构。当凸起结构的数量为一时，凸起结构以螺旋状来设置于平坦部上。当凸起结构的数量大于一时，凸起结构以螺旋状或同心圆状来设置于平坦部上。借此，本发明的超声波探针装置，通过上述微结构的设计，超声波镜片模块可聚焦换能器层所发出的超声波，使此超声波具有较高的指向性。

Description

超声波镜片模块与超声波探针装置
技术领域
本发明是有关于一种超声波镜片模块与超声波探针装置。
背景技术
硬脊膜外腔麻醉(epidural anesthesia)是通过将麻醉剂注入硬脊膜外腔(epidural space)内，对脊髓神经进行麻醉的方法。目前临床上是借由麻醉专科医师的经验来决定脊膜外套针针尖的定位。然而，这种针尖定位方法需要长期的麻醉经验。目前业界已发展出一种超声波探针装置，其可利用超声波来感测针尖位置的方法。然而，现有的超声波探针装置仍无法满足使用者的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声波镜片模块与超声波探针装置，其可提高超声波的指向性，进而提高超声波探针装置的感测距离以及超声波影像的影像解析度。
根据本发明的一实施例，此超声波镜片模块包含超材料层。此超材料层包含：平坦部以及微结构部。微结构部位于平坦部的表面上，其中微结构部包含至少一个凸起结构。当凸起结构的数量为一时，凸起结构以螺旋状来设置于平坦部上。当凸起结构的数量大于一时，凸起结构以螺旋状或同心圆状来设置于平坦部上。
在一些实施例中，凸起结构的间距(pitch)为超声波的半波长或四分之一波长的倍数。
在一些实施例中，凸起结构的高度为超声波的半波长或四分之一波长的倍数。
在一些实施例中，凸起结构与平坦部的表面的夹角大于90度且小于180度。
在一些实施例中，超材料层的材质为陶瓷或聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate；PMMA)。
根据本发明的一实施例，前述的超声波探针装置包含换能器层以及超声波镜片模块。超声波镜片模块设置于换能器层上，以聚焦超声波，其中超声波镜片模块包含超材料层。此超材料层包含：平坦部以及微结构部。微结构部位于平坦部的表面上，其中微结构部包含至少一个凸起结构。当凸起结构的数量为一时，凸起结构以螺旋状来设置于平坦部上。当凸起结构的数量大于一时，凸起结构以螺旋状或同心圆状来设置于平坦部上。
在一些实施例中，凸起结构的间距为超声波的半波长或四分之一波长的倍数。
在一些实施例中，凸起结构的高度为超声波的半波长或四分之一波长的倍数。
在一些实施例中，凸起结构与平坦部的表面的夹角大于90度且小于180度。
在一些实施例中，超材料层的材质为陶瓷或聚甲基丙烯酸甲酯。
与现有技术相比，根据本发明的超声波镜片模块与超声波探针装置，其可提高超声波的指向性，进而提高超声波探针装置的感测距离以及超声波影像的影像解析度。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。
附图说明
图1是绘示根据本发明实施例的超声波探针装置100的结构示意图。
图2是绘示根据本发明实施例的超声波感测器的俯视图。
图3是绘示沿着图2的切线A-A’的超声波感测器的剖视图。
图4是绘示根据本发明实施例的超声波感测器的俯视图。
图5是绘示沿着图4的切线B-B’的超声波感测器的剖视图。
图6是绘示根据本发明实施例的超声波感测器的俯视图。
图7是绘示沿着图6的切线C-C’的超声波感测器的剖视图。
具体实施方式
图1是绘示根据本发明实施例的超声波探针装置100的结构示意图。超声波探针装置100包含针管110和连接体120。针管部110的端部112设置有超声波感测器(未绘示)，以发出/接收超声波。连接体120用以连接供外部的超声波影像系统连接，以使超声波感测器的电子信号通过连接体120传送至此超声波影像系统。
请同时参照图2和图3，图2是绘示根据本发明实施例的超声波感测器200的俯视图，图3是绘示沿着图2的切线A-A’的超声波感测器200的剖视图。超声波感测器200包含固定层210、换能器层220以及超材料(Metamaterial)层230，其中换能器层220和超材料层230依序设置于固定层210上。换能器层220用以发出超声波。在本发明的实施例中，换能器层220为压电材料层，例如陶瓷材料。然而，本发明的实施例并不受限于此。在本发明的其他实施例中，换能器层220可为电容性微机械加工的超声波换能器(capacitive micromachinedultrasonic transducer；CMUT)层或压电微机械加工的超声波换能器(PiezoelectricMicromachined Ultrasonic Transducers；PMUT)层。另外，本发明实施例的超声波具有20MHz以上的频率。在一些实施例中，超声波的频率为20MHz至40MHz。
为了使换能器层220所发出的超声波具有较高的指向性，本发明的实施例提供一种超声波镜片模块来聚焦换能器层220所发出的超声波。在本实施例中，此超声波镜片模块包含超材料层230，其设置于换能器层220上，以聚焦换能器层220所发出的超声波。如图2所示，超材料层230包含平坦部232以及微结构部234，其中平坦部232位于微结构部234与换能器层220之间，且具有平坦的表面232a。微结构部234位于平坦部232的表面232a上，且包含至少一个凸起结构，例如凸起结构234a和234b。在本实施例中，凸起结构234a和234b以螺旋状的方式来分布于平坦部232的表面232a上，如图2所示。在图2中，凸起结构234a和234b以螺旋状的方式互相平行延伸。
如图3所示，本实施例的每个凸起结构234a和234b的切面为锥状结构，且其表面与平坦部232的表面232a具有夹角θ。在本实施例中，夹角θ大于90度，且小于180度。两个凸起结构234a和234b之间具有间距(pitch)P，而每个凸起结构234a和234b是以间距2P来形成于平坦部232上。在本实施例中，间距P为超声波的半波长或四分之一波长的倍数。每个凸起结构234a和234b具有高度H，其值也为超声波的半波长或四分之一波长的倍数。
由上述说明可知，本实施例的超材料层230通过螺旋状的凸起结构234a和234b来聚焦换能器层220所发出的超声波，如此可使得换能器层220所发出的超声波具有较高的指向性，进而提高超声波探针装置100的感测距离以及超声波影像系统的影像解析度。
另外，本发明实施例的超材料层的凸起结构的数量并不受限于上述实施例，且凸起结构的形状和排列方式也不受限于上述实施例。例如，在本发明的另一实施例中，超材料层可只包含一个凸起结构。又例如，在本发明的又一实施例中，凸起结构可为环状且以同心圆的方式来排列。
请同时参照图4和图5，图4是绘示根据本发明实施例的超声波感测器400的俯视图，图5是绘示沿着图4的切线B-B’的超声波感测器400的剖视图。超声波感测器400类似于超声波感测器200，不同之处在于超声波感测器400采用超材料层430来取代超材料层230。类似于超材料层230，超材料层430包含平坦部432以及微结构部434，其中平坦部432位于微结构部434与换能器层220之间，且具有平坦的表面432a。微结构部434位于平坦部432的表面432a上，且包含一个凸起结构434a，其以螺旋状的方式来分布于平坦部432的表面432a上，如图4所示。
如图5所示，在本实施例中，凸起结构434a的切面为锥状结构，且其表面与平坦部432的表面432a具有前述的夹角θ。凸起结构434a具有前述的高度H且以前述的间距P来形成于平坦部432上。
由上述说明可知，本实施例的超材料层430类似于超材料层230，不同之处在于超材料层430只包含一个凸起结构434a，且凸起结构434a以前述的间距P来形成于平坦部432上。如此，本实施例的超材料层430所提供的聚焦效果也类似于前述的超材料层230。
请同时参照图6和图7，图6是绘示根据本发明实施例的超声波感测器600的俯视图，图7是绘示沿着图6的切线C-C’的超声波感测器600的剖视图。超声波感测器600类似于超声波感测器200，不同之处在于音波感测器600采用超材料层630来取代超材料层230。类似于超材料层230，超材料层630包含平坦部632以及微结构部634，其中平坦部632位于微结构部634与换能器层220之间，且具有平坦的表面632a。微结构部634位于平坦部632的表面632a上，且包含多个环状的凸起结构634a，其以同心圆状的方式来分布于平坦部632的表面632a上，如图6所示。
如图7所示，在本实施例中，凸起结构634a的切面为锥状结构，且其表面与平坦部632的表面632a具有前述的夹角θ。两个相邻的凸起结构634a是以间距P来设置于平坦部232上，且每个凸起结构634a具有前述的高度H。
由上述说明可知，本实施例的超材料层630类似于超材料层230，不同之处在于超材料层630的凸起结构634a是以同心圆状来设置。如此，本实施例的超材料层630所提供的聚焦功能也类似于前述的超材料层230。另外，在本发明的实施例中，同心圆状或螺旋状的凸起结构的圈数为大于或等于1。
虽然本发明已经以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的变动与润饰，所以本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种超声波镜片模块，用以聚焦超声波，其特征在于，所述超声波镜片模块包含：
超材料层，其中所述超材料层包含：
平坦部；以及
微结构部，位于所述平坦部的表面上，其中所述微结构部包含至少一个凸起结构，其中：
当所述至少一个凸起结构的数量为一时，所述凸起结构以螺旋状来设置于所述平坦部上；
当所述至少一个凸起结构的数量大于一时，多个所述凸起结构以螺旋状或同心圆状来设置于所述平坦部上。
2.如权利要求1所述的超声波镜片模块，其特征在于，所述至少一个凸起结构的间距为所述超声波的半波长或四分之一波长的倍数。
3.如权利要求1所述的超声波镜片模块，其特征在于，所述至少一个凸起结构的高度为所述超声波的半波长或四分之一波长的倍数。
4.如权利要求1所述的超声波镜片模块，其特征在于，所述至少一个凸起结构与所述平坦部的所述表面的夹角大于90度且小于180度。
5.如权利要求1所述的超声波镜片模块，其特征在于，所述超材料层的材质为陶瓷或聚甲基丙烯酸甲酯。
6.一种超声波探针装置，其特征在于，包含：
换能器层，用以发出超声波；以及
超声波镜片模块，设置于所述换能器层上，以聚焦所述超声波，其中所述超声波镜片模块包含：
超材料层，其中所述超材料层包含：
平坦部；以及
微结构部，位于所述平坦部的表面上，其中所述微结构部包含至少一个凸起结构，其中：
当所述至少一个凸起结构的数量为一时，所述凸起结构以螺旋状来设置于所述平坦部上；
当所述至少一个凸起结构的数量大于一时，多个所述凸起结构以螺旋状或同心圆状来设置于所述平坦部上。
7.如权利要求6所述的超声波探针装置，其特征在于，所述至少一个凸起结构的排列周期为所述超声波的半波长或四分之一波长的倍数。
8.如权利要求6所述的超声波探针装置，其特征在于，所述至少一个凸起结构的排列周期为所述超声波的半波长或四分之一波长的倍数。
9.权利要求6所述的超声波探针装置，其特征在于，所述至少一个凸起结构与所述平坦部的所述表面的夹角大于90度且小于180度。
10.如权利要求6所述的超声波探针装置，其特征在于，所述超材料层的材质为陶瓷或聚甲基丙烯酸甲酯。
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