CN203342224U - 一种高强度聚焦超声换能器阵列 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高强度聚焦超声换能器阵列，包括一个球冠型刚性支撑架和若干个超声换能器，球冠型刚性支撑架的中央单独放置一个超声换能器，其余超声换能器离散分布在以该超声换能器为中心的若干层同心环上，各环层之间的角间距均不相等，各环层之间的间隔及同环内相邻超声换能器的间距在5mm以内，每层同心环的起始超声换能器位置随机而定，每个超声换能器有独立的电激励信号馈线，分别连接至相控信号激励系统。本实用新型通过基于伪逆矩阵理论的焦点模式合成方法计算超声换能器的相位和电压幅度分布，实现声束电子聚焦和扫描，产生所需单焦点或多焦点等声场控制模式，应用于人体内目标肿瘤病灶的快速加热消融。
Description
技术领域
本实用新型涉及利用逆压电效应的超声振动高强度声场输出领域，具体来说，涉及一种应用于高强度聚焦超声肿瘤治疗的高强度聚焦超声换能器阵列。
背景技术
随着超声技术的发展，强功率声波在空气中的应用日趋广泛。在生物医学工程、超声医疗技术等领域，为了得到较高强度声场，目前多采用曲面有源自聚焦、声透镜聚焦、多元阵列自聚焦、相控阵聚焦等方式，这几种高强度声场的获取方式在多个生产领域均有应用，能够基本满足生产应用的需要，但是也存在一些不足，曲面有源自聚焦和声透镜聚焦方式，超声能量转化率低、聚焦声功率小，尤其是曲面有源自聚焦还存在加工难度大，成本较高等问题，多元阵列自聚焦和相控阵聚焦虽然聚焦声功率大，但也存在超声能量转化率低、功耗高、体积大、不便于移动等问题。
高强度聚焦超声相控阵是相控型高强度聚焦超声肿瘤治疗系统的关键部件之一。通过调控其中任意阵元的激励相位和幅度，可以实现体外超声在人体内汇聚于一个或多个焦点，在靶区内形成高强声场区域，进而使焦点处的非正常组织细胞在很短时间内迅速升温(5～10秒内温度达65℃以上)而凝固性坏死，而焦点外的正常组织仅有少量能量沉积而损伤不大。但在实际的手术作业过程中，如果各个超声能量单元之间的距离较大，空间分布不够紧凑，电子聚焦和扫描时容易产生较大的旁瓣，可能导致靶区外正常组织被过度加热，危害病人正常组织健康。
为了克服以上高强度声场获取技术的不足，公开号为CN1775327的专利文献公开了一种阵元呈环形密集分布的高强度聚焦超声球面相控阵，该相控阵由一个大孔径刚性球冠体和若干个离散分布的阵元组成，球冠体的中央圆孔为超声定位装置的检测探头提供安装空间，所有阵元离散地分布在以球冠体中心为原点的若干层同心环上，各环层之间的角间距相等，每一层同心环的起始阵元位置随机而定，其余阵元则相继按等角间距均匀地分布在同心环上，各个阵元均有独立的电激励信号馈线，分别连接至相控信号激励系统。”该相控阵由于在球冠体的中央圆孔内安装了超声定位装置的检测探头，导致声束轴上聚焦时的焦点能量不集中，同时聚焦点位置偏移声束轴的距离(即焦点扫描范围)受到限制，影响该换能器的治疗范围；另外各阵元分部采取各环层之间的角间距相等，导致内环层的相邻阵元环间距比外环层的相邻阵元环间距大，相控阵聚焦时产生的旁瓣要比相同条件下阵元呈密集排布的相控阵大，影响聚焦效果。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种具有夹心式结构超声换能器的高强度聚焦超声换能器阵列，用于MRI引导的相控型高强度聚焦超声系统，本实用新型包括一个球冠型刚性支撑架和若干个联接在球冠型刚性支撑架上的超声换能器。
超声换能器包括螺栓、后盖板、压电陶瓷片、电极片、变幅杆、转换套筒、振动板和粘接在振动板上的耦合层。后盖板和变幅杆通过螺栓将依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和变幅杆联接夹紧，构成了超声换能器阵列的能量转换部分，将激励电源输出的激励电源信号转换为超声换能器变幅杆前端的超声振动能量。另外变幅杆上设置有和球冠型刚性支撑架联接用的法兰盘。转换套筒通过焊接或螺纹联接设置在变幅杆的前端，或者转换套筒和变幅杆制造成一个整体零件，振动板通过焊接或者粘接设置在转换套筒的前端，耦合层粘接在振动板的前端，耦合层的材料为泡沫塑料或环氧树脂。能量转换部分产生的纵向振动经转换套筒传递到振动板后转换为振动板和耦合层的弯曲振动，弯曲振动是超声波最易于与空气耦合传播的振动形式之一，有利于超声振动能量从振动板到空气的传播，另外振动板前端粘贴的耦合层提高了超声振动能量从振动板到空气的透射系数，更有利于振动板前方高强声场的实现。振动板和耦合层的弯曲振动固有频率和超声换能器纵向振动固有频率一致，当超声换能器的电极片接入激励电源的电信号后，超声换能器工作在其固有频率点，超声换能器系统形成共振，振动板和耦合层的弯曲振动振幅达到最大。
球冠型刚性支撑架上设置有若干个供安装超声换能器的孔，球冠型刚性支撑架的曲率半径R＝L1+L2+L3，其中L1为该相控阵的聚焦最小深度，L2为该相控阵的轴向扫描范围，L3为超声换能器中耦合层到固定法兰盘之间的距离，球冠型刚性支撑架的f值满足0.70≤f值≤0.85，其中f值为刚性支撑架球冠的曲率半径R与球冠底部直径D之比。
球冠型刚性支撑架的中央单独放置一个超声换能器，其余超声换能器离散分布在以该超声换能器为中心的若干层同心环上，各环层之间的角间距均不相等，角间距是以球冠型刚性支撑架中央的超声换能器为中心，同环层中两超声换能器之间的夹角大小，各环层之间的间隔及同环内相邻超声换能器的间距在5mm以内，每层同心环的起始超声换能器位置随机而定，其余超声换能器相继按等角间距紧密均匀地分布在同心环上，每个超声换能器有独立的电激励信号馈线，分别连接至相控信号激励系统。所有超声换能器的工作频率和所有超声换能器的激励电源信号频率均相同，各个激励电源信号独立可控，相位和电压幅度各不相同，通过基于伪逆矩阵理论的焦点模式合成方法计算超声换能器的相位和电压幅度组合，超声换能器被激励电源信号激励后辐射的声波在三维空间内叠加，会使声波的波阵面曲率和中心位置发生变化，实现声束的电子聚焦和扫描，产生所需的单焦点或多焦点声场控制模式，应用于人体内目标肿瘤病灶的快速加热消融。
和阵元呈环形密集分布的高强度聚焦超声球面相控阵相比，该高强度聚焦超声换能器阵列中的超声换能器采用了夹心式结构，具有功率容量大、超声振动能量转化率高、声场输出强度高的优点，对病人体内肿瘤病灶进行加热消融的作用时间短，减少了病人的手术痛苦，另外还具有结构新颖简单、整体体积小、移动方便、扫描范围大、加工难度小、生产成本较、使用寿命长等优点，有利于其产业化发展，应用前景广阔。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是本实用新型球冠型刚性支撑架的结构示意图。
图3是本实用新型中超声换能器的结构示意图。
图中标号说明：1. 球冠型刚性支撑架，2.超声换能器，3.螺栓，4.后盖板，5.压电陶瓷片，6.电极片，7.变幅杆, 8.法兰盘，9. 转换套筒, 10. 振动板， 11. 耦合层。
具体实施方式
实施例1
结合图1-3所示，一种高强度聚焦超声换能器阵列，包括一个球冠型刚性支撑架1和37个联接在球冠型刚性支撑架1上的夹心式超声换能器2。每个超声换能器2均包括螺栓3、后盖板4、压电陶瓷片5、电极片6、变幅杆7、转换套筒9、振动板10和粘接在振动板10上的耦合层11。后盖板4和变幅杆7通过螺栓3将依次套设在螺栓3上的后盖板4、压电陶瓷片5、电极片6和变幅杆7联接夹紧，构成了超声换能器2的能量转换部分。转换套筒9通过螺纹联接设置在变幅杆7的前端，振动板10通过焊接设置在转换套筒9的前端，耦合层11粘接在振动板10的前端，耦合层11的材料为环氧树脂。超声换能器2压电陶瓷段直径12mm，压电陶瓷片5材料为PZT-8，尺寸为：Ф12×Ф5×3mm，变幅杆7段直径7mm，转换套筒9大端外径14mm,大端内径10mm,换能器固有频率为40.5KHz，阻抗为43欧姆，动态电阻为16.5欧姆。
球冠型刚性支撑架1的曲率半径R＝L1+L2+L3，其中L1为该相控阵的聚焦最小深度，L2为该相控阵的轴向扫描范围，球冠型刚性支撑架1的f值满足0.70≤f值≤0.85，其中f值为球冠型刚性支撑架1的曲率半径R与球冠底部直径D之比，L3为超声换能器2中耦合层11到固定法兰盘8之间的距离。
使用螺钉通过变幅杆7上的法兰盘8将超声换能器2和球冠型刚性支撑架1联接在一起，球冠型刚性支撑架1的中央单独放置一个超声换能器2，其余超声换能器2离散分布在以该超声换能器2为中心的4层同心环上，第一层为中心的超声换能器2，角间距为0°；第二层有6个超声换能器2，角间距为60°；第三层有12个超声换能器2，角间距为30°；第四层有18个换能器，角间距为20°。
在本实用新型的实施例中，该阵列的聚焦最小深度L1＝3.5cm，轴向扫描范围L2＝3.2cm，超声换能器2的耦合层11到固定法兰盘8之间的距离L3=2.5cm，因此球冠型刚性支撑架1的曲率半径R＝L1+L2+L3＝9.2cm，球冠型刚性支撑架1的f值取为0.8，其球冠底部直径D＝11.5cm。
每个超声换能器2有独立的电激励信号馈线，分别连接至相控信号激励系统。所有超声换能器2的工作频率和所有超声换能器2的激励电源信号频率均相同，各个激励电源信号独立可控，相位和电压幅度各不相同，通过基于伪逆矩阵理论的焦点模式合成方法计算各个超声换能器2的相位和电压幅度组合，超声换能器2被激励电源激励后辐射的声波在三维空间内叠加，使声波的波阵面曲率和中心位置发生变化，实现声束的电子聚焦和扫描，产生所需的单焦点或多焦点声场控制模式，应用于人体内目标肿瘤病灶的快速加热消融。
Claims (10)
1.一种高强度聚焦超声换能器阵列，其特征在于：包括一个球冠型刚性支撑架和若干个超声换能器，球冠型刚性支撑架上设置有若干个供安装超声换能器的孔；超声换能器包括螺栓、后盖板、压电陶瓷片、电极片、变幅杆、转换套筒、振动板和粘接在振动板上的耦合层，后盖板和变幅杆通过螺栓将依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和变幅杆联接夹紧，转换套筒设置在变幅杆的前端，振动板和粘接在振动板上的耦合层设置在转换套筒的前端；球冠型刚性支撑架的中央单独放置一个超声换能器，其余超声换能器离散分布在以该超声换能器为中心的若干层同心环上，各环层之间的角间距均不相等，各环层之间的间隔及同环内相邻超声换能器的间距在5mm以内，每层同心环的起始超声换能器位置随机而定，其余超声换能器相继按等角间距紧密均匀地分布在同心环上，每个超声换能器有独立的电激励信号馈线，分别连接至相控信号激励系统。
2.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声换能器阵列，其特征在于：所述的球冠型刚性支撑架的曲率半径R＝L1+L2+L3，其中L1为该相控阵的聚焦最小深度，L2为该相控阵的轴向扫描范围，L3为超声换能器中耦合层到固定法兰盘之间的距离，球冠型刚性支撑架的f值满足0.70≤f值≤0.85，其中f值为刚性支撑架球冠的曲率半径R与球冠底部直径D之比。
3.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声换能器阵列，其特征在于：所有超声换能器的工作频率和所有超声换能器的激励电源信号频率均相同，各个激励电源信号独立可控，相位和电压幅度各不相同，通过基于伪逆矩阵理论的焦点模式合成方法计算阵元的相位和电压幅度组合，实现声束的电子聚焦和扫描，产生所需的单焦点或多焦点声场控制模式。
4.根据权利要求1或2或3所述的高强度聚焦超声换能器阵列，其特征在于：所述超声换能器的转换套筒和变幅杆制造成一个整体零件。
5.根据权利要求1或2或3所述的高强度聚焦超声换能器阵列，其特征在于：所述超声换能器的转换套筒焊接在变幅杆的前端。
6.根据权利要求1或2或3所述的高强度聚焦超声换能器阵列，其特征在于：所述超声换能器的转换套筒通过螺纹联接在变幅杆的前端。
7.根据权利要求1或2或3所述的高强度聚焦超声换能器阵列，其特征在于：所述超声换能器的振动板粘接在转换套筒的前端。
8.根据权利要求1或2或3所述的高强度聚焦超声换能器阵列，其特征在于：所述超声换能器的振动板焊接在转换套筒的前端。
9.根据权利要求1或2或3所述的高强度聚焦超声换能器阵列，其特征在于：所述超声换能器的耦合层的材料为泡沫塑料。
10.根据权利要求1或2或3所述的高强度聚焦超声换能器阵列，其特征在于：所述超声换能器的耦合层的材料为环氧树脂。
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| CN108381305A (zh) * | 2018-03-08 | 2018-08-10 | 天津大学 | 一种基于声透镜的球面阵列超声聚焦流体振动抛光系统 |
| CN109821720A (zh) * | 2019-01-16 | 2019-05-31 | 昆明理工大学 | 一种空间聚焦大功率超声换能器 |
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| CN103341241B (zh) * | 2013-07-24 | 2016-01-20 | 苏州科技学院 | 一种高强度聚焦超声换能器阵列 |
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