CN113712631B - 一种随机分布三维相控阵探头的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种随机分布三维相控阵探头的制备方法，首先使用随机点生成函数生成随机点位置坐标；然后根据随机分布位置坐标定义换能器单元，使每个独立阵元的中心坐标分别与随机点位置坐标重合；接着根据欧拉角控制每个阵元的偏转，使每个阵元的法线绕x、y、z轴旋转，最终确定每个独立阵元的中心轴与换能器整体的中心轴的夹角；最后根据最终生成的随机坐标位置和确立的对应的欧拉角建立结构模型，将各个独立的压电基元安装在中心开孔的壳体上，制备成最终的中心开孔式球型随机分布三维相控阵。本发明制备的随机分布阵列可很好的抑制栅瓣和轴向次极大值的叠加，大大提升相控焦点动态范围，提高了相控阵的可用性、安全性和可靠性。

Description

一种随机分布三维相控阵探头的制备方法
技术领域
本发明涉及一种随机分布三维相控阵探头的制备方法，属于医疗器械技术领域。
背景技术
超声技术的飞速发展使其在各个领域中得到了广泛的应用。超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，能量也很大，因而产生了很多效应。比如说：机械效应、空化效应、热效应和生物化学效应等。利用强度较低的超声波的热效应、机械效应等对疾病部位进行“加热”和机械刺激称为超声理疗，主要包括超声按摩、超声针灸及超声热疗。利用较强的超声波的剧烈作用来切断、破坏某些组织称为超声手术，主要有超声碎石、超声手术刀。然而现有的超声治疗设备使用的换能器类型一般为球冠自聚焦单通道超声换能器，压电陶瓷是单个球冠状或者为多片拼接为球冠状达到自聚焦效果。单通道自聚焦换能器本身复杂度低，对于硬件系统要求相对简单，但单通道自聚焦换能器只能聚焦固定位置，实际应用中需要庞大的结构来实现三维空间的治疗，对于精度的保障带来了巨大的挑战。
通过使用相控阵换能器可以实现焦点三维空间的偏转，并且通过电子控制动态焦点，可以实现焦点精确快速扫描或动态多焦点，不仅可以减少结构的复杂性，提高位置精度；还可以大大缩短治疗时间。但是目前现有技术制备出来的相控阵换能器有一个明显的缺点，就是会产生不期望的栅瓣和轴向次极大能量点，虽然目前也采取了将阵元都分布在同心圆环的方式来抑制，但这些对于栅瓣的改善都很有限，只能在小的偏转范围能抑制栅瓣，而且也限制了相控阵的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种随机分布三维相控阵探头的制备方法，用于解决现有单基元换能器焦点固定，结构庞大导致的精度控制难度大问题；以及解决现有相控阵换能器焦点偏转能力范围小，偏转后栅瓣能量大、轴向次极大点能量高，使用中会造成非治疗区域损伤，影响相控阵的实际应用等问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种随机分布三维相控阵探头的制备方法，其包括如下步骤：
步骤一、首先使用随机点生成函数生成随机点位置坐标；
步骤二、根据随机分布位置坐标定义换能器单元，使每一个独立阵元的中心坐标分别与随机点位置坐标重合；
步骤三、根据欧拉角控制每个阵元的偏转，使每个阵元的法线分别绕x、y、z轴旋转，最终确定每个独立阵元的中心轴与换能器整体的中心轴的夹角；
步骤四、最后根据最终生成的随机坐标位置和确立的对应的欧拉角建立结构模型，将各个独立的压电基元安装在中心开孔的壳体上，制备成最终的中心开孔式球型或平面型随机分布三维相控阵。
进一步的，所述步骤一中，设置换能器外径、内径、阵元曲率半径、阵元最小中心距、阵元直径作为随机函数的边界条件。
进一步的，所述步骤一中，通过迭代算法，设置迭代求解次数和声场分布目标条件，在所有迭代求解生成的随机方案中，优选生成的随机点以获得较优的声场分布，满足较优的声场分布的目标函数条件如下：（1）优选的声压聚焦点大小X*Y*Z≤2*2*8mm；（2）优选的焦点动态偏转范围X*Y*Z≥40*40*80 mm；（3）优选的旁瓣级＜-10.1dB；（4）优选的轴向次极大级＜-13.2 dB；（5）优选的在球面上随机分布通道数≥190阵元。
进一步的，所述步骤二中，分别以每一个随机点坐标为基准构建换能器阵子，各个独立工作的单基元压电片阵子按照无规则随机方式分布在球面或平面上，此时建立的独立阵元法线指向是随机的。
进一步的，所述步骤四中，首先使用结构建模软件根据换能器外径、内径、阵元曲率半径、阵元直径参数生成球面或平面结构，然后将随机位置坐标和确立的对应欧拉角参数导入，在球面或平面上生成随机点，再根据每个对应点的欧拉角确立随机分布点的法向轴线，最后根据点坐标和轴线在球面或平面上开槽，开完槽将各个独立的压电阵元分别安装在槽内。
进一步的，所述独立的压电阵元采用压电复合材料，压电阵元的外径与槽面配合，压电阵元的厚度与槽的深度一致，装配保证每个独立阵元压到槽的底部。
进一步的，所述三维相控阵呈中心开孔式球面型，各个独立工作的单基元压电片按照无规则随机方式分布在球面上，且经旋转调整后，每个独立压电片的中心轴线穿过换能器球心。
进一步的，所述三维相控阵呈中心开孔式平面型，各个独立工作的单基元压电片按照无规则随机方式分布在平面上，且经旋转调整后，每个独立压电片的中心轴线垂直于平面。
进一步的，所述三维相控阵呈中心开孔式平面锯齿型，各个独立工作的单基元压电片按照无规则随机方式分布在平面上，且经旋转调整后，每个独立压电片的中心轴线穿过平面中心轴线上其中一点。
进一步的，所述三维相控阵呈中心开孔式球面锯齿型，各个独立工作的单基元压电片按照无规则随机方式分布在平面上，且经旋转调整后，每个独立压电片的中心轴线穿过球面中心轴线上其中一点。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明制备的随机分布阵列很好的抑制栅瓣和轴向次极大值的叠加，大大提升相控焦点动态范围，提高了相控阵的可用性、安全性和可靠性；
（2）本发明制备的三维相控阵超声换能器预留有B超安装位置，可以实现B超诊断、规划、剂量和安全监测等；
（3）本发明使用独立压电复合材料制作单基元换能器，单纯的厚度振动模态保证了高的转化效率，优异的指向性提高了相控阵的偏转能力、降低旁瓣和栅瓣的产生；
（4）本发明制备的三维相控阵超声换能器动态焦点扫描治疗效率更高、治疗区域更精准；电子控制焦点偏转响应更快，可以实现不同治疗方案（比如：单点治疗切下一点治疗；或者刷油漆式治疗，电子控制焦点在某平面或某大于焦点几倍的体积内快速扫描治疗，切换下一平面或体积；或者同时生成多个焦点治疗）。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是中心开孔式球型随机分布三维相控阵的结构示意图；
图2是随机分布点位置坐标图；
图3是随机分布阵列图；
图4是控制欧拉角的随机分布图；
图5是中心开孔式球型随机分布三维相控阵的俯视结构示意图；
图6是中心开孔式球型随机分布三维相控阵的主视剖面示意图；
图7是中心开孔式球型随机分布三维相控阵的轴测剖面示意图；
图8是9a动态偏转-6dB声场测试图；
图9是中心开孔式平面随机分布三维相控阵的结构示意图；
图10是中心开孔式平面随机分布三维相控阵的俯视结构示意图；
图11是中心开孔式平面随机分布三维相控阵的主视剖面示意图；
图12是中心开孔式平面随机分布三维相控阵的轴测剖面示意图；
图13是中心开孔式平面锯齿随机分布三维相控阵的结构示意图；
图14是中心开孔式平面锯齿随机分布三维相控阵的俯视结构示意图；
图15是中心开孔式平面锯齿随机分布三维相控阵的主视剖面示意图；
图16是中心开孔式平面锯齿随机分布三维相控阵的轴测剖面示意图；
图17是中心开孔式平面锯齿随机分布三维相控阵的轴测图；
图18是中心开孔式球面锯齿随机分布三维相控阵的结构示意图；
图19是中心开孔式球面锯齿随机分布三维相控阵的俯视结构示意图；
图20是中心开孔式球面锯齿随机分布三维相控阵的主视剖面示意图；
图21是中心开孔式球面锯齿随机分布三维相控阵的轴测剖面示意图；
图22是中心开孔式球面锯齿随机分布三维相控阵的的轴测图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例一
如图1所示，一种中心开孔式球型随机分布三维相控阵，优选的各元件的总辐射面积在30%-80%之间，频率范围在0.5MHz-3MHz之间，压电片的直径在2mm-10mm之间，阵元最小中心间距为2.5mm-10.5mm之间，阵元数目为32-2048之间，球壳的曲率半径100-200mm之间，换能器外径在150mm-300mm之间，探头内径在30mm-80mm之间。
该中心开孔式球型随机分布三维相控阵的制备方法如下：
首先使用随机点生成函数，设置换能器外径、内径、曲率半径、最小中心距、阵元直径作为随机函数的边界条件，优选的换能器外径和内径分别是200mm和80mm、优选的阵元曲率半径为150mm、阵元最小中心间隔10mm、优选的单个阵元的直径8mm作为函数边界条件，通过随机函数生成随机点位置坐标，即可在满足边界条件的球冠面上获得随机分布点。通过迭代算法，设置迭代求解次数和声场分布目标条件，在所有迭代求解生成的随机方案中，优选生成的随机点可以获得较优的声场分布，满足较优的声场分布的目标函数条件如下：1、优选的声压聚焦点大小X*Y*Z≤2*2*8mm；2、优选的焦点动态偏转范围X*Y*Z≥40*40*80mm；3、优选的旁瓣级＜-10.1dB；4、优选的轴向次极大级＜-13.2 dB；5、优选的在球面上随机分布通道数≥190阵元。如图2所示，优先的随机分布点位置坐标。
然后根据随机分布位置坐标定义换能器单元，每一个独立阵元的中心点放置与随机点重合，各个独立工作的单基元压电片按照无规则随机方式分布在球壳表面上，如图3所示。
接着根据欧拉角控制每个独立阵元的中心轴与换能器整体的中心轴的夹角，使每个独立压电片的中心轴线穿过换能器球心，如图4所示。
最后根据最终生成的随机坐标位置和对应的欧拉角建立结构模型，如图5-7所示。将各个独立的压电基元安装在球壳上，制备成最终的中心开孔式球型随机分布三维相控阵，
中心开孔式球型随机分布三维相控阵实测声场分布如图8所示，图示给出的声场为换能器轴向某一切面，换能器频率为1MHz，轴向聚焦位置分别为（0，0，120），（20，0，120），（0，0，150），（0，0，180），（20，0，180），（0，0，200），（20，0，200），可以看出换能器在直径40mm、深度80mm的圆柱体积范围内偏转，动态偏转范围大，可以完全抑制栅瓣的产生并具有很小的旁瓣和轴向次极大值。
实施例二
如图9-12所示，一种中心开孔式平面随机分布三维相控阵，优选的各元件的总辐射面积在30%-80%之间，频率范围在0.5MHz-3MHz之间，压电片的直径在2mm-10mm之间，阵元最小中心间距为2.5mm-10.5mm之间，阵元数目为32-2048之间，换能器外径在150mm-300mm之间，探头内径在30mm-80mm之间。
制备方法与实施例一类似，首先使用随机函数生成随机点位置坐标，优选的在平面上随机分布190阵元，优选的换能器外径和内径分别数200mm和80mm，优选的单个阵元的直径为8mm，阵元最小中心间隔10mm，各个独立工作的单基元压电片按照无规则随机方式分布在平面表面上，压电片的中心轴线垂直与该平面。
实施例三
如图13-17所示，一种中心开孔式平面锯齿随机分布三维相控阵，优选的各元件的总辐射面积在30%-80%之间，频率范围在0.5MHz-3MHz之间，压电片的直径在2mm-10mm之间，阵元最小中心间距为2.5mm-10.5mm之间，阵元数目为32-2048之间，阵元的中心轴穿过与该平面中心轴线上某一点（该点距离分布平面100mm-150mm），换能器外径在150mm-300mm之间，探头内径在30mm-80mm之间。
制备方法与实施例一类似，首先使用随机函数生成随机点位置坐标，优选的在平面上随机分布190阵元，优选的换能器外径和内径分别数200mm和80mm，优选的单个阵元的直径为8mm，阵元最小中心间隔10mm，各个独立工作的单基元压电片按照无规则随机方式分布在平面表面上，压电片的中心轴线穿过与该平面中心轴线上某一点，该点距离平面150mm。
实施例四
如图18-22所示，一种中心开孔式球面锯齿随机分布三维相控阵，优选的各元件的总辐射面积在30%-80%之间，频率范围在0.5MHz-3MHz之间，压电片的直径在2mm-10mm之间，阵元最小中心间距为2.5mm-10.5mm之间，阵元数目为32-2048之间，阵元的中心轴穿过与该球中心轴线上某一点（该点距离阵元分布面球底100mm-200mm），换能器的曲率半径在200mm-300mm之间，换能器外径在150mm-300mm之间，探头内径在30mm-80mm之间。
首先使用随机函数生成随机点位置坐标，优选的在平面上随机分布190阵元，优选的独立阵元的中心轴线穿过球中心轴线上一点（该点距离阵元分布面球底150mm），优选的换能器曲率半径为300mm，优选的换能器外径和内径分别数200mm和80mm，优选的单个阵元的直径为8mm，阵元最小中心间隔10mm，各个独立工作的单基元压电片按照无规则随机方式分布在球面表面上，压电片的中心轴线穿过与该球面中心轴线上某一点。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种随机分布三维相控阵探头的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、首先使用随机点生成函数生成随机点位置坐标；
步骤二、根据随机分布位置坐标定义换能器单元，使每一个独立阵元的中心坐标分别与随机点位置坐标重合；
步骤三、根据欧拉角控制每个阵元的偏转，使每个阵元的法线分别绕x、y、z轴旋转，最终确定每个独立阵元的中心轴与换能器整体的中心轴的夹角；
步骤四、最后根据最终生成的随机坐标位置和确立的对应的欧拉角建立结构模型，将各个独立的压电基元安装在中心开孔的壳体上，制备成最终的中心开孔式球型或平面型随机分布三维相控阵。
2.根据权利要求1所述的一种随机分布三维相控阵探头的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，设置换能器外径、内径、阵元曲率半径、阵元最小中心距、阵元直径作为随机函数的边界条件。
3.根据权利要求1所述的一种随机分布三维相控阵探头的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，通过迭代算法，设置迭代求解次数和声场分布目标条件，在所有迭代求解生成的随机方案中，选择生成的随机点以获得较优的声场分布，满足较优的声场分布的目标函数条件如下：（1）声压聚焦点大小X*Y*Z≤2*2*8mm；（2）焦点动态偏转范围X*Y*Z≥40*40*80mm；（3）旁瓣级＜-10.1dB；（4）轴向次极大级＜-13.2 dB；（5）在球面上随机分布通道数≥190阵元。
4.根据权利要求1所述的一种随机分布三维相控阵探头的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，分别以每一个随机点坐标为基准构建换能器阵子，各个独立工作的单基元压电片阵子按照无规则随机方式分布在球面或平面上，此时建立的独立阵元法线指向是随机的。
5.根据权利要求1所述的一种随机分布三维相控阵探头的制备方法，其特征在于，所述步骤四中，首先使用结构建模软件根据换能器外径、内径、阵元曲率半径、阵元直径参数生成球面或平面结构，然后将随机位置坐标和确立的对应欧拉角参数导入，在球面或平面上生成随机点，再根据每个对应点的欧拉角确立随机分布点的法向轴线，最后根据点坐标和轴线在球面或平面上开槽，开完槽将各个独立的压电阵元分别安装在槽内。
6.根据权利要求5所述的一种随机分布三维相控阵探头的制备方法，其特征在于，所述独立的压电阵元采用压电复合材料，压电阵元的外径与槽面配合，压电阵元的厚度与槽的深度一致，装配保证每个独立阵元压到槽的底部。
7.根据权利要求1所述的一种随机分布三维相控阵探头的制备方法，其特征在于，所述三维相控阵呈中心开孔式球面型，各个独立工作的单基元压电片按照无规则随机方式分布在球面上，且经旋转调整后，每个独立压电片的中心轴线穿过换能器球心。
8.根据权利要求1所述的一种随机分布三维相控阵探头的制备方法，其特征在于，所述三维相控阵呈中心开孔式平面型，各个独立工作的单基元压电片按照无规则随机方式分布在平面上，且经旋转调整后，每个独立压电片的中心轴线垂直于平面。
9.根据权利要求1所述的一种随机分布三维相控阵探头的制备方法，其特征在于，所述三维相控阵呈中心开孔式平面锯齿型，各个独立工作的单基元压电片按照无规则随机方式分布在平面上，且经旋转调整后，每个独立压电片的中心轴线穿过平面中心轴线上其中一点。
10.根据权利要求1所述的一种随机分布三维相控阵探头的制备方法，其特征在于，所述三维相控阵呈中心开孔式球面锯齿型，各个独立工作的单基元压电片按照无规则随机方式分布在平面上，且经旋转调整后，每个独立压电片的中心轴线穿过球面中心轴线上其中一点。
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