CN1281286C - 高强度聚焦超声肿瘤治疗用换能器阵列 - Google Patents
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Abstract
一种高强度聚焦超声肿瘤治疗用换能器阵列，属于医疗设备领域。本发明由匹配层和压电陶瓷片组成，匹配层为一个厚度均匀的凹球薄壳碗形的声辐射层，所有压电陶瓷片胶合在同一个匹配层的外表面上，多个相同的压电陶瓷片构成一个大孔径共凹球面紧密镶嵌式换能器阵列。本发明具有很高的阵聚焦声强比和对称的聚焦声场特性；每个阵元的压电陶瓷片面积较小，制造成本低；阵元数目、功率放大器通道数目少，功率放大器、移相器和匹配网络的一致性较易实现、制造、调整都较简单，稳定性和可靠性大为提高；共同的匹配层提供了换能器阵元的牢固支撑，并与阵元一起发生谐振加强了各阵元谐振的一致性，使阵列的输出声功率达到最大。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种换能器阵列，特别是一种高强度聚焦超声肿瘤治疗用换能器阵列，属于医疗设备领域。
背景技术
超声换能器或换能器阵列是高强度聚焦超声肿瘤治疗系统的核心部件。它能把电能转换成超声能量并加以聚焦，形成高强度的聚焦区域或焦斑，在靶组织(肿瘤)中产生高温，杀灭癌细胞。其性能的优劣，直接关系到治疗效果、安全性和可靠性，具有极为重要的意义。通常的HIFU聚焦换能器系统分为单元换能器和多元换能器阵列两类。单元换能器有透镜型和曲面自聚焦型两种。前者用大孔径平面圆盘压电陶瓷换能器与固体声透镜组合实现聚焦，但声透镜的效率难以提高。后者用大孔径凹球面碗形压电陶瓷换能器聚焦，为保证有很大的聚焦声强比，以提高治疗的安全性和有效性，要求制造大孔径凹球薄壳形压电陶瓷元件，工艺上难以实现。
多元换能器阵列可由许多个单元聚焦换能器(通常是圆形的)安装在一个大孔径刚性聚焦球面体上构成，形成共焦点配置。有离散分布和连续分布两种。前者聚焦性能较差，能量集聚度较低。后者要求单元换能器尺度小，阵元数目多，才能实现优良的聚焦性能。但也对阵元的性能、安装精度、多路功率放大器的一致性、稳定性提出了严格的要求，调试和维修的复杂性剧增，对系统的可靠性带来许多不利影响。技术难度大，隐患多，成本高。
经文献检索发现，张德俊在《2000年全国超声医学工程学术会议论文集》第11-18页(2000年12月，重庆)上发表的“高强度聚焦超声换能器”一文，该文介绍了：单元凹球壳换能器，平板晶片附加声透镜式换能器和多元换能器阵列的结构及其声场计算。非相控聚焦阵若阵元数及相应的通道数不多，难以达到理想焦斑。而单元凹球壳换能器，平板晶片附加声透镜式换能器的中心安装B超探头后，最大声压明显下降，纵向焦斑拉长变坏。显然发射面积会明显减少，声功率降低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高强度聚焦超声肿瘤治疗用换能器阵列，使其既能满足形成与大孔径聚焦换能器类似的声场特性要求，克服了大孔径单元换能器所需的凹球面薄壳压电陶瓷元件难以制造困难，又能使换能器阵元数量不致太多，避免了大量阵元镶嵌构成凹球面聚焦换能器阵列带来的一致性、稳定性、复杂性等问题，在工程上有很高的可靠性和性能/价格比。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明由匹配层和压电陶瓷片组成，匹配层为一个厚度均匀的大孔径凹球薄壳碗形的声辐射层，所有压电陶瓷片胶合在同一个匹配层的外表面上，多个相同的压电陶瓷片构成一个大孔径共凹球面紧密镶嵌式换能器阵列。
整个换能器阵列的压电陶瓷片分布呈子午线均匀分割球台状，其内表面的曲率半径等于匹配层外表面的曲率半径，紧密拼接形成完整连续的共同聚焦辐射面，每个压电陶瓷片的曲率半径、厚度、形状大小相同，匹配层中间开孔，是为了提供定位B超探头的安装部位。
所有压电陶瓷片胶合在同一个匹配层的外表面上，以形成一个共同的均匀的凹球形辐射面(匹配层内表面)，保证了辐射声场达到相当好的对称性和优良的聚焦特性。
换能器阵列设有电子驱动部分，电子驱动部分包括：频率合成器、可调移相器、功率放大器、匹配网络。其连接方式为：频率合成器输出端与可调移相器输入端连接，可调移相器输出端与功率放大器输入端连接，功率放大器输出端与匹配网络连接，匹配网络输出端通过射频电缆与压电陶瓷片连接。各压电陶瓷片阵元都由各自的功率放大器经匹配网络驱动，各路功率放大器都由同一台信号发生器(即频率合成器)经过移相器激励，以保证发射的超声工作频率相同。通过调节相移，使各压电陶瓷片发出的超声在焦点处同相位叠加。声辐射匹配层的厚度为二分之一波长的整数倍，使其在超声工作频率下谐振，获得较高的换能器电声效率。每个功率放大器前都配有移相器电路，可调节相位，保证输出同相位声压。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明可以是很大的具有连续辐射面的曲面聚焦换能器阵列，具有很高的阵聚焦声强比和对称的良好聚焦声场特性；每一个阵元的压电陶瓷片面积较小，制造成本低；阵元数目、功率放大器通道数目少，因此功率放大器、移相器和匹配网络的一致性较易实现、制造、调整都较简单，稳定性和可靠性大为提高；共同的匹配层提供了换能器阵元的牢固支撑，并与于阵元一起发生谐振还能加强了各阵元谐振的一致性，使阵列的输出声功率达到最大。
附图说明
图1本发明结构示意图
图2六元换能器阵列的结构示意图
图3六元换能器阵列的电子驱动部分结构图
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明由匹配层1和压电陶瓷片2组成，匹配层1为一个厚度均匀的凹球薄壳碗形的声辐射层，所有压电陶瓷片2胶合在同一个匹配层1的外表面上，多个相同的压电陶瓷片2构成一个大孔径共凹球面紧密镶嵌式换能器阵列3。
整个换能器阵列3的压电陶瓷片2分布呈子午线均匀分割的球台状，其内表面的曲率半径等于匹配层外表面的曲率半径，紧密拼接形成完整连续的共同聚焦辐射面，每个压电陶瓷片2的曲率半径、厚度、形状大小相同，具有接近的谐振频率。
换能器阵列3设有电子驱动部分4，电子驱动部分4包括：频率合成器5、可调移相器6、功率放大器7、匹配网络8，其连接方式为：频率合成器5输出端与可调移相器6输入端连接，可调移相器6输出端与功率放大器7输入端连接，功率放大器7输出端与匹配网络8连接，匹配网络8输出端通过射频电缆与压电陶瓷片2连接，各压电陶瓷片2都由各自的功率放大器7经匹配网络8驱动，各路功率放大器7都由同一台频率合成器5激励，每个功率放大器7前都配有可调移相器6，调节相位。
匹配层1中间开孔，匹配层1的厚度为二分之一波长的整数倍。
Claims (4)
1、一种高强度聚焦超声肿瘤治疗用换能器阵列，其特征在于，由匹配层(1)和压电陶瓷片(2)组成，匹配层(1)为一个厚度均匀的凹球薄壳碗形的声辐射层，所有压电陶瓷片(2)胶合在同一个匹配层(1)的外表面上，多个相同的压电陶瓷片(2)构成一个大孔径共凹球面紧密镶嵌式换能器阵列(3)。
2、根据权利要求1所述的高强度聚焦超声肿瘤治疗用换能器阵列，其特征是，整个换能器阵列(3)的压电陶瓷片(2)分布呈子午线均匀分割的球台状，其内表面的曲率半径等于匹配层外表面的曲率半径，紧密拼接形成完整连续的共同聚焦辐射面，每个压电陶瓷片(2)的曲率半径、厚度、形状大小相同，具有很接近的谐振频率。
3、根据权利要求1或2所述的高强度聚焦超声肿瘤治疗用换能器阵列，其特征是，换能器阵列(3)设有电子驱动部分(4)，电子驱动部分(4)包括：频率合成器(5)、可调移相器(6)、功率放大器(7)、匹配网络(8)，其连接方式为：频率合成器(5)输出端与可调移相器(6)输入端连接，可调移相器(6)输出端与功率放大器(7)输入端连接，功率放大器(7)输出端与匹配网络(8)连接，匹配网络(8)输出端通过射频电缆与压电陶瓷片(2)连接，各压电陶瓷片
(2)都由各自的功率放大器(7)经匹配网络(8)驱动，各路功率放大器(7)都由同一台频率合成器(5)激励，每个功率放大器(7)前都配有可调移相器(6)，调节相位。
4、根据权利要求1所述的高强度聚焦超声肿瘤治疗用换能器阵列，其特征是，匹配层(1)中间开孔，匹配层(1)的厚度为二分之一波长的整数倍。
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