CN113731780A - 一种二维环形相控阵超声换能器制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维环形相控阵超声换能器制备工艺，首先使用1‑3型压电复合材料来切割划分环形阵列，切割划分电极只切穿电极，不需要切穿压电陶瓷就可以很有效的降低阵元间的串声干扰，1‑3复合材料单纯的振动模态使得换能器的转换效率大大提高；然后进一步的在环形阵列辐射面前端添加匹配层，提高换能器的发射灵敏度；在环形阵列的后端添加背衬进一步抑制串声干扰对聚焦声场的影响。本发明是中心开孔式的二维环形相控阵超声换能器，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；而且本发明可以实现焦点的轴向动态偏转，提高了聚焦超声的治疗精度和治疗效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种二维环形相控阵超声换能器制备工艺，属于医疗器械技术领域。
背景技术
高强度聚焦超声(HIFU)技术起源于40年代，随着当下高精度成像和定位技术的发展，该项技术相比于传统外科手术在许多方面展现出其优越性，具有极大的临床应用价值。高强度聚焦超声因其对机体具有热效应、空化效应和生物效应，将焦点定位到体内靶组织上，超声能量会快速、精准的集中到焦域上，使靶区病变组织瞬间变性达到治疗目的。治疗过程中皮肤灼伤率极小，基本不伤害正常组织，也不会产生任何并发症，同时由于超声波是一种机械波，对机体没有类似X射线、γ射线所致的电离辐射损伤，是真正意义上的无创治疗。
高强度聚焦超声治疗设备已经作为一种成熟、安全、可靠、有效的无创治疗仪器，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，其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系统结构庞大且复杂度极高，庞大的尺寸链使得精度控制难度大大提升，而且单通道自聚焦换能器只能聚焦固定位置，实际应用中需要外部动力结构来实现三维空间的治疗，大大降低了治疗效率。
通过使用二维环形相控阵超声换能器可以实现焦点深度空间的偏转，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，环阵相控阵有一个明显的缺点就是会产生不期望的旁瓣和轴向次极大能量点；另外，制作中需使用压电陶瓷材料切割环形阵列，然而就现有技术而言很难将压电陶瓷切穿为环形，且制作的阵元之间的串声干扰很强，而且阵元的横向振动模态耦合大大降低换能器转换效率。这样制备的环形相控阵聚焦效果差、偏转能力差，并且旁瓣和轴向次极大值达不到国家对于高强度聚焦超声的强制性要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二维环形相控阵超声换能器制备工艺，主要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；解决现有相控阵换能器焦点偏转能力范围小，偏转后旁瓣能量大、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为：一种二维环形相控阵超声换能器制备工艺，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、使用1-3型压电复合材料来切割划分环形阵列，切割划分时只切穿电极，不切穿压电陶瓷；
步骤二、在环形阵列辐射面的前端添加匹配层，提高换能器的发射灵敏度和带宽；在环形阵列的后端添加背衬进一步抑制串声干扰对聚焦声场的影响。
进一步的，先采用1-3型压电复合材料制作压电晶片，然后在压电晶片的正反面覆电极层，接着在覆电极后的辐射前端面的电极面上添加匹配层，在覆电极后的后端面的电极面上切割划分电极。
进一步的，所述二维环形相控阵超声换能器按照形状分为：平面分布式和球面分布式，其中平面、球面分布式下包括阵元间等间距分布、阵元间等面积分布、阵元间随机间距分布。
进一步的，使用球面成型夹具，可以将平面的环形阵列压制成球冠状，并且匹配层面与夹具贴合；压制球冠时使用石蜡使环形阵列粘接在球面成型夹具上，最后将每个阵元单独焊接引线后封装背衬。
进一步的，球面成型夹具曲率半径为300mm。
进一步的，所述1-3型压电复合材料采用切割填充法或种压电陶瓷柱法进行压电晶片制备；其中切割填充法制备的压电晶片为中心开孔70mm、外径为160mm，在压电晶片上切割压电柱的宽度为0.4mm、切槽的宽度为0.2mm；采用种陶瓷柱法制备的压电晶片为中心开孔70mm、外径为160mm，并且种在聚合物基地上的压电陶瓷柱直径为1mm。
进一步的，所述超声换能器的中心预留有通孔用于放置诊断、检测用的B超探头。
进一步的，所述匹配层的厚度为0.25λ的奇数倍，其中λ为超声在匹配层材料中传播的波长。
进一步的，根据材料在换能器频率下的衰减系数计算背衬的厚度，使后端的声能量衰减至-20dB以上。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明是中心开孔式的二维环形相控阵超声换能器，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；
(2)本发明的二维环形相控阵超声换能器，可以实现焦点的轴向动态偏转，提高了聚焦超声的治疗精度和治疗效率；
(3)基于1-3型压电复合材料来划分环形相控阵列，相较于压电材料Kt值提高0.5倍左右，相较于压电材料划分的同心圆环振动模态更加单一，转换效率显著提升；
(4)基于1-3型压电复合材料来划分环形相控阵列，更加有效的降低串扰，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；
(5)前端声辐射面添加匹配层，有效的提高了发射灵敏度，改善聚焦能力；后端添加背衬进一步抑制串声干扰对聚焦声场的影响。
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是平面分布式二维环形相控阵示意图；其中图1a是俯视图，图1b是轴测图。
图2是球面分布式二维环形相控阵示意图；其中图2a是俯视图，图2b是轴测图。
图3是切割填充法制备的压电晶片示意图。
图4是种陶瓷法制备的压电晶片示意图。
图5是压电晶片覆电极后示意图。
图6是添加匹配层后示意图。
图7是划分电极后示意图。
图8是球冠状环形阵列封装图；其中图8a是主视图，图8b是轴测图。
图9是制备完成后的中心开孔球面分布式二维环形相控阵超声换能器示意图。
图10是球面分布式二维环形相控阵超声换能器轴向动态聚焦图。
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。
一种二维环形相控阵超声换能器制备工艺，首先，使用1-3型压电复合材料来切割划分环形阵列，切割划分电极可以只切穿电极，不需要切穿压电陶瓷就可以很有效的降低阵元间的串声干扰，1-3复合材料单纯的振动模态使得换能器的转换效率大大提高；然后进一步的在环形阵列辐射面前端添加匹配层，提高换能器的发射灵敏度；在环形阵列的后端添加背衬进一步抑制串声干扰对聚焦声场的影响，因背衬对于串扰的抑制效果越强，正面辐射的超声能量损失会越多，权衡串扰抑制效果和换能器效率优选一种轻背衬。
通过本工艺制备的二维环形相控阵超声换能器按照形状可分为两种：平面分布式和球面分布式，平面、球面分布式下具体又包括阵元间等间距分布、阵元间等面积分布、阵元间随机间距分布。下图具体给出两种分布方式环形相控阵，每种方式下的间距不具体示例。
如图1所示是一种中心开孔平面分布式二维环形相控阵超声换能器，各个独立工作的环状阵元按照同心、等间距(等面积、随机分布不再示例)分布在同一平面上，每个独立工作的圆环阵元由1-3压电复合材料制备。
如图2所示是一种中心开孔球面分布式二维环形相控阵超声换能器，各个独立工作的环状阵元按照同心、等间距(等面积、随机分布不再示例)分布在同一球面上，每个独立工作的圆环阵元由1-3压电复合材料制备。
下面本实施例再具体针对一种中心开孔球面分布式二维环形相控阵超声换能器进行详细描述：
第一步，1-3型压电复合材料的制备，优选的方式是切割填充方法或种压电陶瓷柱的方法，如图3所示为切割填充方法，正方形格子表示为压电陶瓷柱，线条表示切割槽，贯穿的切割槽填充聚合物连接各个压电陶瓷柱，优选的压电陶瓷片为中心开孔70mm、外径为160mm，在压电片上切割压电柱的宽度优选为0.4mm、切槽的宽度为0.2mm。如图4所示为种陶瓷柱方法，是将圆形的压电陶瓷柱子种在聚合物基地上，图中圆形表示压电陶瓷柱，其他为聚合物基地，优选的在开孔70mm、外径160mm的聚合物基上种1mm直径的压电陶瓷柱，优选的使用规则同心排列方式。
然后进一步的在压电复合材料正反面覆电极层，电极层的作用是将压电阵元引出，其厚度在声学结构中可忽略不计，如图5所示。
接着进一步的在覆电极后的1-3型压电复合材料的第一面(辐射前端面)电极面上添加匹配层材料，匹配层的厚度为0.25λ的奇数倍，优选的厚度为0.25λ，λ为超声在匹配层材料中传播的波长，如图6所示，上层所示为匹配层，下层所示为覆电极后的1-3型压电复合材料。
接着进一步的在覆电极后的1-3型压电复合材料第二面(后端面)电极面上划分电极，优选的切穿电极层即可(也可切深)，划分电极的方式优选等面积划分方式，是每个阵元的面积相同，如图7所示。
接着进一步的使用球面成型夹具，将平面的环形阵列压制成球冠状，匹配层面与夹具贴合，优选的曲率半径为300mm，压制球冠时使用石蜡使环形阵列粘接在球面成型夹具上，最后将每个阵元单独焊接引线后封装背衬，如图8所示。
然后将封装完毕的换能器从球面成型夹具上取下，即可制备出一种中心开孔球面分布式二维环形相控阵超声换能器；如图9所示。
最后通过实测一种中心开孔球面分布式二维环形相控阵超声换能器的声场分布，图示给出的声场为换能器轴向某一切面，换能器频率为1.3MHz，轴向聚焦位置分别为60mm、80mm、100mm、120mm、140mm，可以看出换能器在轴向动态偏转能力优异，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。如图10所示：
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)
1.一种二维环形相控阵超声换能器制备工艺，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、使用1-3型压电复合材料来切割划分环形阵列，切割划分时只切穿电极，不切穿压电陶瓷；
步骤二、在环形阵列辐射面的前端添加匹配层，提高换能器的发射灵敏度和带宽；在环形阵列的后端添加背衬进一步抑制串声干扰对聚焦声场的影响。
2.根据权利要求1所述的一种二维环形相控阵超声换能器制备工艺，其特征在于，采用1-3型压电复合材料制作压电晶片，然后在压电晶片的正反面覆电极层，接着在覆电极后的辐射前端面的电极面上添加匹配层，在覆电极后的后端面的电极面上切割划分电极。
3.根据权利要求2所述的一种二维环形相控阵超声换能器制备工艺，其特征在于，所述二维环形相控阵超声换能器按照形状分为：平面分布式和球面分布式，其中平面、球面分布式下包括阵元间等间距分布、阵元间等面积分布、阵元间随机间距分布。
4.根据权利要求2或3所述的一种二维环形相控阵超声换能器制备工艺，其特征在于，使用球面成型夹具，将平面的环形阵列压制成球冠状，并且匹配层面与夹具贴合。
5.根据权利要求4所述的一种二维环形相控阵超声换能器制备工艺，其特征在于，压制球冠时使用石蜡使环形阵列粘接在球面成型夹具上，最后将每个阵元单独焊接引线后封装背衬。
6.根据权利要求4所述的一种二维环形相控阵超声换能器制备工艺，其特征在于，球面成型夹具曲率半径为300mm。
7.根据权利要求1所述的一种二维环形相控阵超声换能器制备工艺，其特征在于，所述1-3型压电复合材料采用切割填充法或种压电陶瓷柱法进行压电晶片制备；其中切割填充法制备的压电晶片为中心开孔70mm、外径为160mm，在压电晶片上切割压电柱的宽度为0.4mm、切槽的宽度为0.2mm；采用种陶瓷柱法制备的压电晶片为中心开孔70mm、外径为160mm，并且种在聚合物基地上的压电陶瓷柱直径为1mm。
8.根据权利要求2所述的一种二维环形相控阵超声换能器制备工艺，其特征在于，所述超声换能器的中心预留有通孔用于放置诊断、检测用的B超探头。
9.根据权利要求1所述的一种二维环形相控阵超声换能器制备工艺，其特征在于，所述匹配层的厚度为0.25λ的奇数倍，其中λ为超声在匹配层材料中传播的波长。
10.根据权利要求1所述的一种二维环形相控阵超声换能器制备工艺，其特征在于，根据材料在换能器频率下的衰减系数计算背衬的厚度，使后端的声能量衰减至-20dB以上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211203 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |