CN117462860A - 一种超声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声治疗技术领域，具体公开了一种超声换能器，该换能器波表面输出的各次波不同相，形成了距离换能器表面的低声压的针形声场分布，可完全避免强声场造成的皮肤烫伤。同时，本发明换能器超声传导单元与人体皮肤相接触的一面的形状设置为内凹的弯月形时，较平面形的球差小、焦点聚焦好、强度高，沿声轴线方向声场不会快速下降、衰减较慢，治疗效果更好，避免因为治疗区声辐照剂量不足造成的部分病人治疗效果不理想的问题。

Description

一种超声换能器

技术领域

本发明涉及超声治疗技术领域，具体涉及一种超声换能器。

背景技术

由于超声波作用在组织上不但可产生热效应、生物效应，也可产生机械效应，这些效应在人体中产生多种生物效应，从而达到治疗疾病的目的。同时超声波对组织穿透能力强，可实现完全的非介入治疗。因此，超声治疗是一种新兴且非常有前景的治疗方法，其关键技术在于超声换能器的设计是否能够满足治疗的需要。

目前市面上产生超声治疗声场的换能器主要有两类，一类是平面声场聚焦换能器，另一类是聚焦声场换能器。由于平面声场换能器沿声轴线上的声场是逐渐衰减的，导致对病灶的靶向性不强，治疗效果不显著。现在的超声治疗大多使用的是聚焦声场换能器。已有的聚焦声场超声换能器有很多种，如透镜换能器、球壳换能器、菲涅尔波带片换能器、相控阵聚焦换能器、抛物面反射式换能器等等。这些聚焦声场换能器的特点是所产生的超声波是一种以焦点为球心的球面波，由于超声能量主要集中于焦点处，具有很强的靶向性。与平面声场换能器比较，对很多疾病，效果更显著。

在超声治疗中，要达到好的治疗效果，需要根据治疗的病灶和治疗机制来来设计相应的声场分布。比如，超声骨关节治疗和超声针灸治疗，针形声场分布的效果就比聚焦超声声场的效果要好。一般产生这类声场的方法都较为复杂。为了用简单可靠的方法产生针形声场(也叫长焦域声场)，本申请发明人之一在2010年设计并公开了一种具长焦域的超声换能器(CN201010299244)。该换能器将普通凹型球壳聚焦换能器与平凸声透镜组合，使超声波在球壳外表面和透镜平面间产生多次反射，每次反射都只有一小部分超声能量出射，而经不同反射次数后出射的超声波能量聚焦在声轴线的不同位置，通过选择反射材料的声速和换能器的半径，就可在换能器输出面后形成一段细长的声压分布。该换能器声场检测结构与设计结果符合，具体分析见论文：王华，曾德平；一种超声针灸换能器设计，压电与声光，2013.8.15,(04):533～535+539。

上述换能器已经在超声针灸仪和骨关节治疗仪中进行实际临床应用，相对于聚焦超声治疗仪治疗效果更显著。但是，这类换能器在治疗中存在一些问题：如治疗中容易烫伤病人皮肤，同时对部分病人治疗效果不理想。

为了避免治疗时的烫伤，人们想了很多办法，比如冷却皮肤法、移动治疗头方法以及限制治疗时间等方法，但效果均不理想。

申请人对这种换能器空间的声场分布进行测量后发现：该换能器虽然沿换能器的声轴线形成了针形声场，但在靠近换能器的地方，输出的声场强度比其它位置大，具体可参考：王华，曾德平；一种超声针灸换能器设计，压电与声光，2013.8.15,论文。由于它在靠近皮肤处的声场强，加上皮肤的特殊声学结构，很容易出现烫伤。另外，沿声轴上，声强度呈下降趋势，在治疗时考虑皮肤安全，会出现治疗时病灶处的治疗剂量不足，影响治疗效果。

为解决上述问题，需要设计出靠近换能器表面声压低，沿声轴线方向声场开始缓慢增大，随后在逐渐减小的针形声场换能器。

众所周知，换能器为了输出大能量，都采用共振方式，对平面和聚集超声换能器，共振条件是换能器两个强反射面的相位是半波长的整数倍。这样，从换能器输出的各次输出波的相位是同相位的，在输出面和焦点(或者其他空间点)处的波叠加都是同相叠加，因而，超声换能器才有大的超声强度输出。如果两个反射面的相位为四分之一波长的基数倍，相邻次输出波的相位相反，这样在输出面和焦点(或者其他空间点)处波叠加时，由于相邻次波相互抵消，输出的超声强度很低，因此，现有平面超声换能器和聚焦超声换能器都避免使用四分之一波长的基数倍方式。专利(CN201010299244)在设计针形声场分布时，也采用的是共振型结构。对这种换能器，共振条件是沿换能器声轴线上，换能器的前反射面(超声波的输出面)和换能器后表面(与空气接触面)的声学厚度是波长的半整数倍。因而在换能器的输出面处，各次波均为同相位。因而得到很强的超声强度，但由于这种换能器各次波的空间聚焦位置沿(声轴线)都是不同的，在焦点处不会形成共振叠加，造成换能器输出面强度高，离开表面后，声强度逐渐降低的原因。该种换能器设计导致的针形声场的强度分布如图1所示。

除了导致换能器表面声场很强，离开表面声压降低的问题外，CN201010299244专利中采用的平凸透镜和凹球壳压电聚焦换能器结合，根据几何像差分析，会在各次波的焦点处，产生显著的球差，导致声轴线上的声强降低。另外，由于该专利中的平凸透镜的厚度与压电凹球壳换能器球面的半径和口径值之比都很小，使得透镜平面与凹球壳换能器的外表面构成的谐振腔形成一个高稳定谐振，导致平凸透镜平面上输出的高次波的有效聚焦口径越来越小，在声轴线上形成的聚焦能力也很小，最终造成沿声轴线上，随着距离的增大声压值快速减少，影响治疗效果。

虽然共振结构是所有超声治疗换能器设计的一个原则，根据前面的分析，针对CN201010299244专利中的换能器，由于这种换能器与一般平面超声换能器和聚焦超声换能器不同，它输出面输出的各次聚焦波的焦点在空间上的位置不同，共振条件并不会导致焦点处的声强增大，只会使换能器输出面附近的声压强增大，极易造成皮肤烫伤。为此，我们提出，对这种换能器采用反共振结构，即在换能器的声轴线方向，使换能器的两个强反射面之间(不是声透镜的两个面)的相位差为四分之一波长的基数倍，这样，相邻次输出波的相位在输出面处相位相反，相互抵消，形成小的声强。但在沿声轴线方向，由于各次波的焦点位置不重合，这种反共振条件对各声波焦点的强度影响很小，这样就避免了针形换能器在皮肤处高声强的问题。另外，采用球差小的声透镜形状，可避免沿声轴线上声强快速下降的问题。避免了治疗时皮肤烫伤以及治疗区声辐照剂量不足造成的治疗效果不理想的问题，特提出本申请。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种可防止皮肤烫伤的超声换能器，该换能器焦点聚集好、强度高，治疗效果好。

本发明所采用的第一个技术方案是：

一种超声换能器，包括有能发射聚焦超声波的超声发射单元，超声发射单元发射的超声波所形成的焦域形状为长条形，且沿超声波声轴线方向延伸，所述超声发射单元的平面输出面上的相邻级次聚焦波不同相，形成距离换能器表面的低声压的针形声场分布。

优选的是，所述超声发射单元的平面输出面上的相邻级次聚焦波，相位相差180度，即超声发射单元的声学厚度D为四分之一波长的奇数倍。

所述超声发射单元包括聚焦波源和设置在超声传输路径上的超声传导单元；其中，所述聚焦波源采用能反射超声波的聚焦波源；超声传导单元采用可透射超声波并能反射超声波的材料制成，该材料的声阻抗与人体皮肤的声阻抗不相匹配；所述聚焦波源发射超声波，经超声传导单元的底面发生多次反射和透射后聚集在超声波声轴线的不同位置上，并沿超声波声轴线方向延伸，所形成的焦域形状呈长条形。

当然，聚焦波源也可以采用其他具有相同功能的结构。

本发明所采用的第二个技术方案是：

一种超声换能器，所述超声传导单元与聚焦波源的超声发射面相接触，且接触面的形状与聚焦波源的超声发射面的形状相适配；超声传导单元与人体皮肤相接触的一面的形状为平面形或者内凹的弯月形。

优选的是，所述超声传导单元外表面与聚焦波源的内表面半径相等。

本发明所采用的第三个技术方案是：

一种超声换能器，所述超声发射单元包括一个或两个或多个聚焦波源，所述两个或多个聚焦波源是由一个或一个以上垂直于超声波声轴线的平行平面将一个球壳形波源分割为一个球冠和一个或一个以上的圆环，再将分割后形成的一个球冠以及依次相邻的一个或一个以上的圆环，或者将分割后形成的相邻的任意两个或两个以上的圆环，大致沿超声波声轴线的方向互相间隔一定距离摆放形成。

所述的一种超声换能器，分割所形成的一个球冠与任意一个圆环的面积，或者任何两个圆环的面积大致相等。

所述的一种超声换能器，所述超声传导单元采用玻璃或陶瓷或铜或铝制成。

所述的一种超声换能器，所述的驱动电路采用非共振点驱动。

优选的是，所述的驱动电路采用它激式驱动。

所述超声发射单元所发射的超声波的频率范围为0.8-10MHz，优选的是，超声波的频率为1.5MHz。

为了适应和满足超声针灸设备的需要，本发明超声换能器所形成的焦域的长度范围为3-100mm，其宽度范围为1-15mm；或者所形成的焦域的长度范围为3-100mm，其宽度范围为2-4mm；或者所形成的焦域的长度范围为20-60mm，其宽度范围为1-15mm；或者所形成的焦域的长度范围为20-60mm，其宽度范围为2-4mm。

为了适应和满足超声针灸设备的需要，所述超声发射单元所发射的超声波的频率范围为0.8-10MHz，优选超声波的频率为1.5MHz。

上述技术方案的有益效果：

(1)本发明针形声场换能器与一般换能器输出的聚焦波不同，它的各次波聚焦的焦点处在空间不同位置，当表面输出的各次波相位不同相时，由于焦点的波很强，减去不同相部分的声场影响不大，但在换能器表面，各级次的相相差不大，由于相位不同，不会叠加处强生长。因此，本发明换能器形成了距离换能器表面的低声压的针形声场分布，可完全避免强声场造成的皮肤烫伤。

(2)本发明超声传导单元与人体皮肤相接触的一面的形状设置为内凹的弯月形时，较平面形的球差小、焦点聚焦好、强度高，沿声轴线方向声场不会快速下降、衰减较慢，治疗效果更好，可避免高次聚集波输出的有效口径减小造成的聚集效果差这一问题的产生，同时避免因为治疗区声辐照剂量不足造成的部分病人治疗效果不理想的问题。

(3)本发明超声换能器可以对超声波的声能输出进行有效的调控，，以使得声能分布在一个较均匀的范围之内，当将之应用于超声针灸设备中时，可以使之达到超声针灸所需的超声能量分布模式，即针对人体体表上不同穴位的特点，可单独制作针对此穴位的超声换能器，使得该超声换能器所产生的焦域具有与该穴位的区域相适应的长度，即所产生的焦域能完全覆盖该穴位，从而可以完全模拟传统针灸中的针刺手法，达到与传统针灸相同的治疗效果。并且，本发明超声换能器相对于功率相等的现有的聚焦换能器而言，焦域的面积要大得多，因而焦域中声能的能量不会过分集中，不存在损伤人体组织的可能。

附图说明

图1为背景技术中所述的超声换能器的针形声场分布图；

图2为本发明实施例1提供的超声换能器的结构示意图；

图3为本发明实施例2提供的超声换能器的结构示意图；

图4为本发明实施例2提供的超声换能器的声场分布图。

附图标记：1-聚焦波源，2-超声传导单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的优选实施例，本发明的范围由权利要求书限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

目前超声换能器的设计，为了防止换能器表面输出声波叠加时的相互抵消，都采用换能器的声学厚度为半波长的整数倍方式。这也是造成针形声场换能器表面输出很高的原因。但是，针形声场换能器与一般换能器输出的聚焦波不同。它的各次波聚焦的焦点处在空间不同位置，当表面输出的各次相位不同相时，由于焦点的波很强，减去不同相部分的声场影响不大，但在换能器表面，各级次的相相差不大，由于相位不同，不会叠加处强生长。因此，为输出靠近皮肤表面低声压的针形声场，本发明换能器的平面输出面上相邻级次聚焦波不同相(最好相差180度左右)，即保持换能器的声学厚度为四分之一波长的奇数倍。即(D＝(2×N+1)×(λ/4)。其中，N为0，1，2...的正整数，λ为超声波在超声传导单元中的波长。如超声传导单元采用陶瓷材料，超声波波长为1MHz，陶瓷材料的波长波长大约为：5.6mm左右，因此，换能器的声学厚度为1.4mm左右、4.2mm左右、7mm左右均可。

但需要说明，厚度并非绝对等于这些值。即只要不同相叠加，就有降低表面声压效果。但相位完全相反，效果更好。当然，对其它材料做成的超声传导单元，换能器的声学厚度仍然需要保持在四分之一波长的奇数倍。

需要注意，为了保证相位相反，驱动电路不能采用共振点驱动，最好采用它激式驱动。

另外，在此重申，本申请通过跟踪每条超声波的声线轨迹在超声传导单元底面上的振幅和相位，采用现有的声线追迹方法(声线追迹方法具体可参阅《计算声学-声场的方程和计算方法》一书，科学出版社，出版日期：2005-01-01，第186-212页)进行精确计算，通过求出每条声波传播的实际路径和到达时间，从而可计算出超声波在声轴线上的分布情况，即可确定出焦域的长度。在此不再重复表述。

同时，对于本申请中超声波的频率、聚集波源的口径、聚焦半径参数，可根据治疗和超声针灸设备的需要进行适应性选择和调整。在先申请专利及文献中也多有公开，在此亦不再重复表述。

实施例1

如图2所示，本发明超声换能器包括有能发射聚焦超声波的超声发射单元，所述超声发射单元包括聚焦波源1和设置在超声传输路径上的超声传导单元2。

所述聚焦波源1采用能反射超声波的球壳状聚焦波源。超声传导单元2为球冠体，该球冠体放置在球壳形波源的内部，与所述球壳形波源紧密贴合。声传导单元2与所述球壳形波源的超声发射面相接触的接触面的形状为球冠面，该球冠面与球壳形波源的超声发射面相适配，而超声传导单元2与人体皮肤接触的另一个面(即球冠体的底面，也就是进行透射的表面)则为平面形状。

超声传导单元2采用可透射超声波并能反射超声波的材料制成，该材料的声阻抗与人体皮肤的声阻抗不相匹配。

本实施例中，超声传导单元2采用陶瓷材料制成，超声波波长为1MHz，陶瓷材料的波长波长大约为5.6mm左右，因此，换能器的声学厚度D可设计为1..4mm左右、4.2mm左右、7mm左右均可。

实施例2

如图3所示，与实施例1不同，本实施例中，超声传导单元与人体皮肤相接触的一面的形状为内凹的弯月形，该结构的声场分布如图4所示。

较实施例1中平面形接触面相比，弯月形的接触面球差小、焦点聚焦好、强度高，沿声轴线方向声场不会快速下降、衰减较慢，治疗效果更好，可避免高次聚集波输出的有效口径减小造成的聚集效果差这一问题的产生，同时避免因为治疗区声辐照剂量不足造成的部分病人治疗效果不理想的问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种超声换能器，包括有能发射聚焦超声波的超声发射单元，所述超声发射单元发射的超声波所形成的焦域形状为长条形，且沿超声波声轴线方向延伸，其特征在于，所述超声发射单元的输出面上的相邻级次聚焦波不同相，形成距离换能器表面的低声压的针形声场分布。

2.根据权利要求1所述的一种超声换能器，其特征在于，所述超声发射单元的平面输出面上的相邻级次聚焦波的相位相差180度，所述超声发射单元的声学厚度为四分之一波长的奇数倍。

3.根据权利要求1或2所述的一种超声换能器，其特征在于，所述超声发射单元包括聚焦波源(1)和设置在超声传输路径上的超声传导单元(2)；

其中，所述聚焦波源(1)采用能反射超声波的聚焦波源；所述超声传导单元(2)采用可透射超声波并能反射超声波的材料制成，该材料的声阻抗与人体皮肤的声阻抗不相匹配；所述聚焦波源(1)发射超声波，经所述超声传导单元(2)的底面发生多次反射和透射后聚集在超声波声轴线的不同位置上，并沿超声波声轴线方向延伸，所形成的焦域形状呈长条形。

4.根据权利要求3所述的一种超声换能器，其特征在于，所述超声传导单元(2)与所述聚焦波源(1)的超声发射面相接触，且接触面的形状与所述聚焦波源(1)的超声发射面的形状相适配；所述超声传导单元(2)与人体皮肤相接触的一面的形状为平面形或者内凹的弯月形。

5.根据权利要求4所述的一种超声换能器，其特征在于，所述超声传导单元(2)外表面与聚焦波源(1)的内表面半径相等。

6.根据权利要求3所述的一种超声换能器，其特征在于，所述超声发射单元包括一个或两个或多个聚焦波源，所述两个或多个聚焦波源是由一个或一个以上垂直于超声波声轴线的平行平面将一个球壳形波源分割为一个球冠和一个或一个以上的圆环，再将分割后形成的一个球冠以及依次相邻的一个或一个以上的圆环，或者将分割后形成的相邻的任意两个或两个以上的圆环，大致沿超声波声轴线的方向互相间隔一定距离摆放形成。

7.根据权利要求6所述的一种超声换能器，其特征在于，所述分割后形成的一个球冠与任意一个圆环的面积，或者任何两个圆环的面积大致相等。

8.根据权利要求3所述的一种超声换能器，其特征在于，所述超声传导单元采用玻璃或陶瓷或铜或铝制成。

9.根据权利要求3所述的一种超声换能器，其特征在于，所述驱动电路采用非共振点驱动。

10.根据权利要求9所述的一种超声换能器，其特征在于，所述驱动电路优选它激式驱动。