CN204307228U - 82阵元相控阵超声换能器 - Google Patents

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菅喜岐
韩珍珍
罗明艳
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Abstract

本实用新型公开了一种82阵元相控阵超声换能器，包括一个刚性球冠体和82个嵌在刚性球冠体上离散分布的阵元。刚性球冠体上形成有用于镶嵌阵元的圆形小孔，82个阵元随机分布在刚性球冠体上，相邻阵元的中心间距不小于8.7mm。本实用新型的82阵元相控阵超声换能器，具有如下优点：阵元在球冠面上的随机排布方式，可明显降低声场中的旁瓣、增大声场的可调控范围，改善声场分布；选取较少的阵元数目，制作工艺和控制电路简单，可降低阵列的复杂性和制作成本；可同时实现多焦点治疗，增大单次可治疗焦域的体积，缩短治疗时间，提高治疗效率。

Description

82阵元相控阵超声换能器
技术领域
本实用新型涉及一种相控聚焦高强度超声换能器阵列，应用于高强度聚焦超声肿瘤治疗系统，属于生物医学工程技术领域。
背景技术
超声换能器是高强度聚焦超声肿瘤治疗系统的关键部件之一，目前按聚焦方式可分为：曲面自聚焦换能器、声透镜聚焦换能器、相控阵聚焦换能器。
曲面自聚焦和声透镜聚焦换能器的工作原理均类似于光学几何聚焦，只能形成单一焦点且焦距不可调，治疗肿瘤时需通过机械调整换能器与病患部位的相对位置进行定位，治疗时间长，灵活性差。
相控阵聚焦换能器的工作原理是通过控制阵元激励信号的相位，使声波波阵面的曲率和中心位置发生变化，从而实现电子声束的偏转和聚焦。
相控阵聚焦换能器形成声场的较高旁瓣易导致靶区外正常组织的损伤，且制作工艺和控制电路复杂、造价高。
现有相控阵聚焦换能器阵元排布多采用周期或同心环分布形式：周期分布阵列选取相等的相邻阵元中心间距，离轴聚焦声场中易有较高旁瓣；同心环分布阵列的相邻阵元中心间距虽不等，但沿声轴方向调控的声场中易有较高旁瓣。
实用新型内容
本实用新型为了解决上述现有技术中的问题，而提供了一种82阵元相控阵超声换能器，一方面选取小开口刚性球冠体和较少的阵元数目，以降低阵列的复杂性和制作成本，另一方面设计为随机分布相控阵，用于降低声场中的旁瓣并改善声场分布，避免靶区外正常组织的损伤。
本实用新型所采取的技术方案是：
本实用新型的82阵元相控阵超声换能器，包括一个刚性球冠体和82个嵌在刚性球冠体上离散分布的阵元。刚性球冠体上形成有用于镶嵌阵元的圆形小孔，82个阵元随机分布在刚性球冠体上，相邻阵元的中心间距不小于8.7mm。
所述的刚性球冠体的曲率半径为80mm，开口直径为100mm，曲率半径与开口直径之比F值为0.8。
所述的阵元直径均为8mm，填充率为52.48%，在四个象限内的阵元数目分别为21、21、20、20。
所述的阵元相位信号独立可调，阵元激励信号频率一致，谐振频率范围均为0.5-1.0MHz。
本实用新型具有的优点和积极效果是：
本实用新型的82阵元相控阵超声换能器，具有如下优点：阵元在球冠面上的随机排布方式，可明显降低声场中的旁瓣、增大声场的可调控范围，改善声场分布；选取较少的阵元数目，制作工艺和控制电路简单，可降低阵列的复杂性和制作成本；可同时实现多焦点治疗，增大单次可治疗焦域的体积，缩短治疗时间，提高治疗效率。
附图说明
图1是82阵元相控阵超声换能器的结构示意图；
图2是82阵元相控阵超声换能器在(65,0,0)mm聚焦的声场分布图；
图3是82阵元相控阵超声换能器偏离声轴的聚焦特性曲线图；
图4是82阵元相控阵超声换能器在(75,10,0)mm聚焦的声场分布图；
图5是82阵元相控阵超声换能器轴对称三焦点的声场分布图。
图中主要部件标号说明：
1：刚性球冠体           2：阵元。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步说明描述。
图1是82阵元相控阵超声换能器的结构示意图，包括一个刚性球冠体1和82个嵌在刚性球冠体上离散分布的阵元2。刚性球冠体上形成有用于镶嵌阵元的圆形小孔，82个阵元随机分布在刚性球冠体上，相邻阵元的中心间距不小于8.7mm。
刚性球冠体的曲率半径为80mm，开口直径为100mm，曲率半径与开口直径之比F值为0.8。
阵元直径均为8mm，填充率为52.48%；在四个象限内的阵元数目分别为21、21、20、20，每个象限内随机选定第一个阵元的中心位置，在相邻阵元中心间距不小于8.7mm的条件下利用随机数生成器依次选定各象限中其余阵元的中心位置。
随机分布相控阵超声换能器的谐振频率范围为0.5-1.0MHz，最佳谐振频率为0.7MHz。
图2是82阵元相控阵超声换能器在(65,0,0)mm聚焦的声场分布图。图2中(a)是xy平面声场分布图，(b)是yz平面声场分布图，可以看出焦域呈规则椭球体，仅在焦域附近有离散分布的较小旁瓣，不会对靶区外正常组织造成损伤。
图3是82阵元相控阵超声换能器偏离声轴的聚焦特性曲线图。设定焦点位置为x轴80mm、z轴0mm、沿y轴正方向以2mm步长偏离x轴聚焦，可以看出随着偏离声轴距离的增加，旁瓣与主瓣的最大声强比值逐渐增加，选取旁瓣与主瓣的最大声强比值不大于0.25作为声场安全治疗判断标准，可知该阵列至少可实现11mm的离轴聚焦。
图4是82阵元相控阵超声换能器在(75,10,0)mm聚焦的声场分布图。图4中(a)是xy平面声场分布图， (b)是yz平面声场分布图，可以看出仅在焦域附近有较小旁瓣，旁瓣与主瓣的最大声强比值为0.1786，小于0.25的安全治疗标准，可实现安全治疗。
图5是82阵元相控阵超声换能器轴对称三焦点的声场分布图，三个焦点的位置分别为(65,4,0)mm、(65,0,0)mm、(65,-4,0)mm，图5中(a)是xy平面声场分布图， (b)是yz平面声场分布图，可以看出旁瓣仅出现在三个离散的焦域间。

Claims (4)

1.一种82阵元相控阵超声换能器，包括一个刚性球冠体和82个嵌在刚性球冠体上离散分布的阵元；刚性球冠体上形成有用于镶嵌阵元的圆形小孔，其特征在于：82个阵元随机分布在刚性球冠体上，相邻阵元的中心间距不小于8.7mm。
2.根据权利要求1所述的82阵元相控阵超声换能器，其特征在于：刚性球冠体的曲率半径为80mm，开口直径为100mm，曲率半径与开口直径之比F值为0.8。
3.根据权利要求1所述的82阵元相控阵超声换能器，其特征在于：阵元直径均为8mm，填充率为52.48%，在四个象限内的阵元数目分别为21、21、20、20。
4.根据权利要求1所述的82阵元相控阵超声换能器，其特征在于：阵元相位信号独立可调，阵元激励信号频率一致，谐振频率范围为0.5-1.0MHz。
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