CN115844447A - 一种柔性聚合物超声探头 - Google Patents
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Abstract
本发明属于柔性电子领域，具体为一种柔性聚合物超声探头。本发明柔性聚合物超声探头为多层结构，自上而下依次为屏蔽层、背衬层、上电极、压电层、下电极、匹配层、耦合层；所有功能层均由聚合物及其复合材料制成，具有非常好的柔性，可耐受弯曲、扭曲等复杂形变。所述柔性聚合物超声探头可在电信号的激励下发射超声波，作为超声发射单元，也可采集超声波信号，作为超声接收单元。所述柔性聚合物超声探头可以制成贴片进行非规则表面物体的工业探伤和人体长期健康监测，如基于超声多普勒原理可实现对人体血管血流速度的长期连续监测。
Description
技术领域
本发明属于柔性电子技术领域，具体涉及柔性聚合物超声探头。
背景技术
医学超声检测是一种基于超声波的医学诊断技术，具有无创、高精度、高灵敏度和强穿透能力等优点，目前已经被广泛应用。超声技术可检测实质性脏器的大小、形态及物理特征，近年来在心脏超声、妇产科超声、腔内超声及超声造影等领域也有了较大的发展。此外，超声技术还可用于监测动脉血管的结构、功能与血流动力学状态，在工业探伤方面，超声检测具有灵敏度高，无损伤等优势，具有广阔应用前景。
比如，以血流为例，血流在时间和空间上的变化反映了一个人的血管状况。在血管中的血流通常不是均匀流动的，由于心脏的周期性跳动泵血，动脉中的血流呈现出周期性的脉动变化。由于液体的黏性，在管道中流动的液体会出现分层现象，与血管壁接触的血液层接近静止，越靠近血管的中心则流速越快，血管壁附近的血流速度和血管中心的血流速度不一致，在部分血流速度很快的血管中还会出现湍流。血液流速的分布可以指示多种血管疾病如血栓、动脉狭窄、硬化、闭塞等。通过超声多普勒技术，可以检测出血管中血液流速的分布，而长期连续监测血流速度对于一些血管疾病的诊断和预防具有重要意义。例如，缺血性脑卒中的发生，有部分原因是由于颈动脉狭窄，形成的血凝块阻塞颈动脉或转移至大脑造成栓塞，及时发现异常对于此类疾病的预防非常重要，持续的监测对于防止患者在手术后疾病复发也具有重要意义。此外，在进行血管重建或支架植入等手术后，患者的手术处存在一定的风险，需要对该部位进行持续的监测并评估，患者在医院只能接受有限时长的评估，在出院后缺乏有效的长期监测手段。
然而，目前的超声探头都是刚性的，体积较大，对操作者的手持稳定性要求很高，且会压迫皮肤，这会给接受过手术的患者带来很大的不适。刚性探头通常无法与皮肤这样柔软和非规则表面进行紧密接触，这些界面处存在的气体间隙会导致较大的声能反射和波形的失真，因此不得不需要借助超声波耦合剂来实现良好的耦合效果。而目前商用的耦合剂，在空气中暴露48小时后就会失水，从而导致连续监测失效。此外，目前已有的具有柔性的超声贴片，都是基于刚性的压电陶瓷来制备，局部的柔性并不理想，且由于陶瓷是脆性材料，难以制作高频的柔性探头。因此，亟需发展一种具有良好柔性且轻量的超声探头，尽可能减少对患者的伤害，同时实现长期稳定监测，从而满足柔性化、轻量化、舒适化的应用要求。聚合物材料通常具有柔性、轻量、加工简单等优点，如果将功能性聚合物替代压电陶瓷等刚性材料，将有望构建出具有优异柔性和轻量化的新型超声探头，通过文献和专利检索，目前尚无能够监测血流速度的柔性聚合物超声探头的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性好、贴合舒适的柔性聚合物超声探头。
本发明提供的柔性聚合物超声探头，由多层结构组成，自上而下分别为：屏蔽层、背衬层、上电极、压电层、下电极、匹配层、耦合层；所述柔性聚合物超声探头可在电信号的激励下发射超声波，作为超声发射单元，也可采集超声波信号，作为超声接收单元；其中：
所述屏蔽层，用于屏蔽空间中存在的电磁波，减少电磁波对超声探头信号的干扰；
所述背衬层，用于吸收压电层中压电材料晶体的背向辐射的超声波，减少压电元件的余振，提高能量利用率，同时提升探头的带宽；
所述上电极，位于背衬层和压电层之间；
所述压电层，在其两侧施加一定电压的作用下可以将电能转换成声能，发射超声波；同时，其在接收到超声波引起的振动时，可以将声能转换成电能，输出电信号；
所述下电极，位于压电层和匹配层之间；
所述匹配层，用于对人体和压电材料的声阻抗进行匹配，其中，匹配层的厚度是超声波在匹配层中波长的四分之一，匹配层的声阻抗约为压电材料声阻抗和人体声阻抗的几何平均值；
所述耦合层，用于紧密贴合人体皮肤，具有柔软舒适的特征，耦合层的声阻抗和人体接近。
所有功能层均由聚合物及其复合材料组成，具有非常好的柔性，可沿任意轴进行任意角度的弯曲；具体地；
所述屏蔽层，其材料包括但不限于镀铜的聚酰亚胺复合薄膜、镀铜的聚对苯二甲酸乙二醇酯复合薄膜、纳米银线（AgNW）/聚合物复合薄膜等材料；
所述背衬层，其材料包括但不限于聚氨酯（PU）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酰亚胺（PI）等柔性聚合物材料；所述背衬层可提高柔性聚合物超声探头的时间分辨率；
所述压电层，其材料包括但不限于聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物（PVDF-TrFE）等柔性压电聚合物；
所述匹配层，其材料包括但不限于聚乙烯（PE）、聚氨酯（PU）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等柔性聚合物材料，其中可填充纳米级别的ZnO、Al2O3粉末或其他纳米级别的粉末来调节声阻抗；
所述耦合层，由固态耦合剂Ecoflex组成；或由两张聚氨酯薄膜及具有耦合作用的水凝胶组成，其中两张聚氨酯薄膜四周粘合在一起，中间夹有耦合剂或具有耦合作用的水凝胶；
所述上、下电极，是在PVDF薄膜上下两面镀铜、金或通过丝印银浆得到。
本发明提供的柔性聚合物超声探头，重量仅为2克左右，不超过2.5克，厚度仅为1.5毫米左右，不超过2毫米。
本发明提供的柔性聚合物超声探头，其制备流程为：在已经极化且表面印好电极的PVDF薄膜上下两面进行电极引线；制备得到具有耦合作用的耦合层；依次用胶水粘接耦合层与匹配层、匹配层与压电层、压电层与背衬层、背衬层与屏蔽层，过程中需要按压排出层间空气；将屏蔽层与下电极的引线相连，二者共同接地。
本发明提供的柔性聚合物超声探头，可用于包括但不限于具有非规则表面物体的工业探伤、血流速监测和超声成像。在血流速监测中，柔性聚合物超声探头基于超声多普勒原理，血液流速的不同会使超声回波信号产生不同频率的偏移，从而实现定量监测人体血管中血流速度的分布。
本发明提供的柔性聚合物超声探头，可与无线信号传输技术相结合，在柔性聚合物超声探头与皮肤的贴合处涂覆生物胶水，可进一步制备成柔性聚合物超声贴片。
本发明提供的柔性聚合物超声探头，具有很好的柔性，贴合皮肤长期佩戴不会造成明显不适，尽可能减少对患者造成的伤害。基于柔性聚合物超声探头制备的柔性聚合物超声贴片，可实现长期连续监测血流速度，对于某些心血管疾病的诊断和预防具有重要意义。
附图说明
图1为柔性聚合物超声探头逐层结构示意图。
图2为柔性聚合物超声探头测水管中水流速的时频分析图。
图3为柔性聚合物超声探头测人运动时颈动脉血流速时频分析图。
具体实施方式
实施例1
（1）电极引线：使用导电银胶作为粘结剂，在已经极化且表面印好银电极的PVDF薄膜上下两面分别粘接镀镍铜丝，静置一段时间直至导电银浆固化，完成电极的引线；
（2）耦合层的制备：将Ecoflex-0030的双组分一比一混合搅拌均匀，抽真空除气泡，滴加混合液于旋膜机上，以1000rpm旋涂得到约100um厚度的Ecoflex薄膜耦合层；
（3）层间连接：滴加M540胶水于耦合层（Ecoflex薄膜）上，将50um厚度的匹配层（PU）轻按在Ecoflex薄膜上，排出空气，再将已引线的压电层（PVDF）贴于匹配层（PU）上方，按压排出层间空气，使胶均匀分散于两层间的空隙处，静置一段时间直至胶水固化；用同样的方式依次连接压电层（PVDF）与背衬层（PI）、背衬层（PI薄膜）与屏蔽层（纳米银线/聚合物复合薄膜）；
（4）屏蔽层接地：将屏蔽层与下电极的引线相连，二者共同接地；
（5）制备得到的柔性聚合物超声探头，可用于测量水管中的液体流速，参见图2，显示了水管中的液体流速分布。
实施例2
（1）电极引线：使用导电银胶作为粘结剂，在已经极化且表面印好银电极的PVDF薄膜上下两面分别粘接镀铜聚酰亚胺排线，静置一段时间直至导电银浆固化，完成电极的引线；
（2）耦合层的制备：将3％（w/w）高分子量壳聚糖、12％（w/w）丙烯酰胺，0.5％（w/w）α-酮戊二酸溶解于去离子水中；将混合物以9000rpm离心除去气泡，倒入透明的玻璃模具中，溶液在紫外光灯（365nm，12W功率）下固化60 min，固化后获得水凝胶；将所得的水凝胶切割成所需的大小和形状，将水凝胶轻按于PU薄膜上，排出气泡，再将另一张PU薄膜贴于水凝胶上，轻按排出气泡并将两张PU薄膜粘合到一起，使用激光烧结薄膜边缘并密封；
（3）层间连接：滴加M540胶水于耦合层上，将50um厚度的匹配层（PU）轻按在耦合层上，排出空气，再将已引线的压电层（PVDF）贴于耦合层中50um厚度的PU薄膜上方，按压排出层间空气，使胶均匀分散于两层空隙处，静置一段时间直至胶水固化；用同样的方式依次连接压电层（PVDF）与背衬层（PI）、背衬层（PI）与屏蔽层（镀铜的聚对苯二甲酸乙二醇酯复合薄膜）；
（4）屏蔽层接地：将屏蔽层与下电极的引线相连，二者共同接地；
（5）制备得到的柔性聚合物超声探头，可以用于人体血流速度的监测，参见图3，得到人运动时颈动脉血流流速的分布随时间的变化，可以观察到受试者在运动时的心率较快。
Claims (9)
1.一种柔性聚合物超声探头，其特征在于，为多层结构，自上而下分别为：屏蔽层、背衬层、上电极、压电层、下电极、匹配层、耦合层；在电信号的激励下发射超声波，作为超声发射单元，并可采集超声波信号，作为超声接收单元； 其中：
所述屏蔽层，用于屏蔽空间中存在的电磁波，减少电磁波对超声探头信号的干扰；
所述背衬层，用于吸收压电层中压电材料晶体的背向辐射的超声波，减少压电元件的余振，提高能量利用率，同时提升超声探头的带宽；
所述上电极，位于背衬层和压电层之间，具有良好的抗弯折性；
所述压电层，在其两侧施加一定的电压的情况下将电能转换成声能，发射超声波；同时，其在接收到超声波引起的振动时，将声能转换成电能，输出电信号；
所述下电极，位于压电层和匹配层之间，具有良好的抗弯折性；
所述匹配层，用于对人体和压电材料的声阻抗进行匹配；匹配层的厚度是超声波在匹配层中波长的四分之一，匹配层的声阻抗为压电材料声阻抗和人体声阻抗的几何平均值；
所述耦合层，用于紧密贴合人体皮肤，具有柔软舒适的特征，耦合层的声阻抗和人体接近。
2.根据权利要求1所述的柔性聚合物超声探头，其特征在于，所述屏蔽层材料选自镀铜的聚酰亚胺复合薄膜、镀铜的聚对苯二甲酸乙二醇酯复合薄膜、纳米银线/聚合物复合薄膜等材料。
3.根据权利要求1所述的柔性聚合物超声探头，其特征在于，所述背衬层材料选自聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺。
4.根据权利要求1所述的柔性聚合物超声探头，其特征在于，所述压电层材料选自聚偏氟乙烯及其共聚物。
5.根据权利要求1所述的柔性聚合物超声探头，其特征在于，所述匹配层材料选自聚乙烯、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷，其中填充纳米级别的ZnO、Al2O3粉末来调节声阻抗。
6.根据权利要求1所述的柔性聚合物超声探头，其特征在于，所述耦合层由固态耦合剂Ecoflex组成；或由两张聚氨酯薄膜及具有耦合作用的水凝胶组成，其中两张聚氨酯薄膜四周粘合在一起，中间夹有耦合剂或具有耦合作用的水凝胶。
7.根据权利要求1所述的柔性聚合物超声探头，其特征在于，重量不超过2.5克，厚度不超过2毫米。
8.根据权利要求1-7之一所述的柔性聚合物超声探头，其特征在于，与无线信号传输技术相结合，在柔性聚合物超声探头与皮肤的贴合处涂覆生物胶水，形成柔性聚合物超声贴片。
9.如权利要求1-8之一所述的柔性聚合物超声探头在非规则表面物体工业探伤、血流速监测或超声成像中的应用。
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