CN115105738A - 一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明创造提供了一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器及其制作方法，属于超声治疗技术领域。解决了现有换能器在透皮给药过程中给皮下深处细胞带来损伤的问题。它包括曲面匹配层、曲面压电陶瓷片和外壳，曲面压电陶瓷片的形状为凹面球冠形，曲面压电陶瓷片设置在金属外壳内，曲面压电陶瓷片的凹面朝上，凸面朝下，曲面压电陶瓷片与金属外壳之间通过环氧树脂粘接固定，曲面压电陶瓷片上表面电极与金属外壳以速干银浆连接导通，在曲面压电陶瓷的上表面铺设一层曲面匹配层，且曲面匹配层与压电陶瓷之间以环氧树脂粘接，曲面匹配层与曲面压电陶瓷形状相适应，在曲面压电陶瓷片的下表面与金属外壳的内壁上分别焊接一根导线。本发明创造适用于透皮给药。
Description
技术领域
本发明创造属于超声治疗技术领域，尤其是涉及一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器及其制作方法。
背景技术
超声波技术与医疗技术的结合一直是近些年来的热点，典型的应用已有超声手术刀，B超，超声针灸探头和超声碎石等。与X光，核磁共振等电磁波技术不同，超声波本质上是机械波，在人体内的传播过程中可以迅速衰减，低强度超声并不会对人体造成任何影响。此外，已有研究表明，超声可以有效促进人体对药物的吸收，因此，将超声与透皮给药结合在一起成为当下的一个热门方向。
目前关于透皮给药的技术中，关于换能器部分的设计大多未考虑到超声声场的分布，这样不可避免地在透皮给药过程给皮下深处的细胞带来损伤，因此有必要设计一种全新的换能器用于浅皮下透皮给药。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器及其制作方法，以解决现有换能器在透皮给药过程中给皮下深处细胞带来损伤的问题。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器，包括曲面匹配层、曲面压电陶瓷片和外壳，曲面压电陶瓷片的形状为凹面球冠形，所述曲面压电陶瓷片设置在金属外壳内，曲面压电陶瓷片的凹面朝上，凸面朝下，曲面压电陶瓷片与金属外壳之间通过环氧树脂粘接固定，曲面压电陶瓷片上表面电极与金属外壳以速干银浆连接导通，在曲面压电陶瓷的上表面铺设一层曲面匹配层，且曲面匹配层与压电陶瓷之间以环氧树脂粘接，所述曲面匹配层与曲面压电陶瓷形状相适应，在曲面压电陶瓷片的下表面与金属外壳的内壁上分别焊接一根导线，两根导线和信号源相连接。
更进一步的，所述曲面匹配层的材质为环氧树脂与钨粉混合物，声阻抗为7.25MRayl，厚度为4.785毫米。
更进一步的，所述曲面压电陶瓷片和曲面匹配层的截面均为球冠形。
更进一步的，所述曲面压电陶瓷片的厚度为2毫米，其中球冠高度为2毫米，球冠直径为20毫米。
更进一步的，所述曲面匹配层的厚度为换能器工作频率的四分之一波长，其中球冠高度为2毫米，球冠直径为20毫米。
更进一步的，所述换能器采用径向振动模式，工作频率范围为90kHz-120kHz。
更进一步的，所述换能器产生的有效声场区域为：直径范围为2mm-8mm，深度范围为1mm-5mm。
更进一步的，所述换能器驱动信号为正弦波，频率为94.573kHz，产生的有效声场区域的直径为5.4mm，深度为2.2mm。
更进一步的，所述金属外壳为铝合金管，在曲面压电陶瓷片的凸面中心焊接一根导线，在铝合金管的内壁焊接一根导线。
本申请还提供一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器的制作方法，具体包括以下步骤：
S1、将曲面压电陶瓷片置于金属外壳内的所需位置，且曲面压电陶瓷片的凹面朝上，在曲面压电陶瓷片与金属外壳的缝隙处灌入环氧树脂，静置一段时间等待固化，待环氧树脂固化后，使用速干银浆连接金属外壳与曲面压电陶瓷片的凹面电极；静置一段时间，等待银浆充分固化，确保金属外壳与曲面压电陶瓷片的凹面电极电学导通；
S2、将橡胶管套于金属外壳上端，其中橡胶管部分与金属外壳接触，然后将环氧树脂与钨粉按一定比例搅拌均匀，并做除泡处理后将环氧树脂沿管壁倒入橡胶管中，保证环氧树脂与曲面压电陶瓷片的凹面相接触，静置一段时间等待环氧树脂固化，环氧树脂固化后除去橡胶管，再打磨曲面匹配层至指定形状；
S3、在曲面压电陶瓷片的凸面中心处焊接一根导线，在金属外壳的内壁上焊接一根导线，至此完成换能器的制作。
与现有技术相比，本发明创造所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器的有益效果是：
(1)本发明创造所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器与普通换能器相比，本设计的换能器产生的超声作用深度较浅，能量利用率高，可以有效避免超声对皮下较深处的细胞损伤。
(2)本发明创造所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器通过器件结构设计对超声的作用范围进行了控制；首先使用凹面陶瓷作为压电元件，比起平面陶瓷，凹面陶瓷基压电器件声束更为集中，声聚焦区域显著变短；其次通过陶瓷片直径的设计，对器件谐振频率进行调控，实现对声场的作用范围与作用深度的调制，尽可能避免超声波对皮下较深处细胞的影响。
(3)本发明创造提供的超声换能器，利用径向振动模式结合曲面陶瓷设计，可以在较小的器件尺寸下提供更大的超声作用面积，同时较小的驱动频率设计，大大减小了近场区域面积，确保超声作用深度较浅，避免了近场区域不稳定声场对人体的损伤作用。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造实施例所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器的立体结构示意图；
图2为本发明创造实施例所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器的剖面图；
图3为本发明创造实施例所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器的曲面压电陶瓷的结构示意图；
图4为本发明创造实施例所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器的曲面匹配层的结构示意图；
图5为本发明创造实施例所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器的阻抗谱；
图6为本发明创造实施例所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器的声压分布图；
图7为本发明创造实施例所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器的轴向声压分布图。
附图标记说明：
1、曲面匹配层；2、曲面压电陶瓷片；3、外壳；4、导线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明创造的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明创造保护的范围。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明创造不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1-图4所示，一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器，包括曲面匹配层1、曲面压电陶瓷片2和外壳3，曲面压电陶瓷片2的形状为凹面球冠形，所述曲面压电陶瓷片2设置在金属外壳3内，曲面压电陶瓷片2的凹面朝上，凸面朝下，曲面压电陶瓷片2与金属外壳3之间通过环氧树脂粘接固定，曲面压电陶瓷片2上表面电极与金属外壳3以速干银浆连接导通，在曲面压电陶瓷的上表面铺设一层曲面匹配层1，且曲面匹配层1与压电陶瓷之间以环氧树脂粘接，所述曲面匹配层1与曲面压电陶瓷形状相适应，在曲面压电陶瓷片2的下表面与金属外壳3的内壁上分别焊接一根导线，两根导线和信号源相连接。
本申请的换能器与普通换能器相比，本设计的换能器产生的超声作用深度较浅，能量利用率高，可以有效避免超声对皮下较深处的细胞损伤。
所述曲面匹配层1的材质为环氧树脂与钨粉混合物，声阻抗为7.25MRayl，厚度为4.785毫米。
所述曲面压电陶瓷片2和曲面匹配层1的截面均为球冠形。所述曲面压电陶瓷片2的厚度为2毫米，其中球冠高度为2毫米，球冠直径为20毫米。所述曲面匹配层1的厚度为换能器工作频率的四分之一波长，其中球冠高度为2毫米，球冠直径为20毫米。
所述换能器采用径向振动模式，工作频率范围为90kHz-120kHz。所述换能器产生的有效声场区域为：直径范围为2mm-8mm，深度范围为1mm-5mm。所述换能器驱动信号为正弦波，频率为94.573kHz，产生的有效声场区域的直径为5.4mm，深度为2.2mm。
所述金属外壳3为铝合金管，在曲面压电陶瓷片2的凸面中心焊接一根导线4，在铝合金管的内壁焊接一根导线4。
与普通换能器相比，本申请的换能器产生的超声作用深度较浅，能量利用率高，可以有效避免超声对皮下较深处的细胞损伤，对超声作用范围进行控制，减少无效超声对人体的影响。
一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器的制作方法，具体包括以下步骤：
S1、将曲面压电陶瓷片2置于金属外壳3内的所需位置，且曲面压电陶瓷片2的凹面朝上，在曲面压电陶瓷片2与金属外壳3的缝隙处灌入环氧树脂，静置一段时间等待固化，待环氧树脂固化后，使用速干银浆连接金属外壳3与曲面压电陶瓷片2的凹面电极；静置一段时间，等待银浆充分固化，确保金属外壳3与曲面压电陶瓷片2的凹面电极电学导通；
S2、将橡胶管套于金属外壳3上端，其中橡胶管部分与金属外壳3接触，然后将环氧树脂与钨粉按一定比例搅拌均匀，并做除泡处理后将环氧树脂沿管壁倒入橡胶管中，保证环氧树脂与曲面压电陶瓷片2的凹面相接触，静置一段时间等待环氧树脂固化，环氧树脂固化后除去橡胶管，再打磨曲面匹配层1至指定形状；
S3、在曲面压电陶瓷片2的凸面中心处焊接一根导线，在金属外壳3的内壁上焊接一根导线，至此完成换能器的制作。
下面给出一种具体的可用于浅皮下透皮给药的小型换能器制备方法，包括以下步骤：
S1、将球冠高度为2毫米，球冠直径为20毫米，厚度为2毫米的曲面压电陶瓷片2置于内径为20.5毫米，外径为21.5毫米，高度为25毫米的铝合金管中的所需位置，即距离铝合金管的上端面5mm位置处，且曲面压电陶瓷片2的凹面朝上，在曲面压电陶瓷片2与金属外壳3的缝隙处灌入环氧树脂，静置24h等待固化，待环氧树脂固化后，使用速干银浆连接金属外壳3与曲面压电陶瓷片2的凹面电极；静置4h，等待银浆充分固化，确保金属外壳3与曲面压电陶瓷片2的凹面电极电学导通；
S2、将长6毫米，直径为21毫米的橡胶管套于金属外壳3上端，其中橡胶管部分与金属外壳3接触，然后将环氧树脂与钨粉按质量比1：5搅拌均匀，并做除泡处理后将环氧树脂沿管壁倒入橡胶管中，静置24h等待环氧树脂固化，环氧树脂固化后除去橡胶管，再打磨曲面匹配层1至指定形状；
S3、在曲面压电陶瓷片2的凸面中心处焊接一根导线，在金属外壳3的内壁上焊接一根导线，至此完成换能器的制作。
如图5所示为一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器的阻抗谱，根据阻抗谱确定换能器驱动信号频率为94.573kHz；
对上述制作的换能器发出的声场，如图6的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器的声压分布图所示，可以看出声场主要分布在直径5.4毫米范围内，之后强度迅速下降；
对上述制作的换能器发出的声场，如图7的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器的轴向声压分布图，通过图5-图7的结果可以得出：声场主要分布在皮下2.2毫米深度范围内，之后强度迅速下降。
通过以上图表明，本申请的一种换能器能够大大减小近场区域面积，确保超声作用深度较浅，避免了近场区域不稳定声场对人体的损伤作用，特别适用于浅皮下透皮给药操作。
以上公开的本发明创造实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明创造仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明创造的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明创造。
Claims (10)
1.一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器，其特征在于：包括曲面匹配层(1)、曲面压电陶瓷片(2)和外壳(3)，曲面压电陶瓷片(2)的形状为凹面球冠形，曲面压电陶瓷片(2)设置在金属外壳(3)内，曲面压电陶瓷片(2)的凹面朝上，凸面朝下，曲面压电陶瓷片(2)与金属外壳(3)之间通过环氧树脂粘接固定，曲面压电陶瓷片(2)上表面电极与金属外壳(3)以速干银浆连接导通，在曲面压电陶瓷的上表面铺设一层曲面匹配层(1)，且曲面匹配层(1)与压电陶瓷之间以环氧树脂粘接，曲面匹配层(1)与曲面压电陶瓷形状相适应，在曲面压电陶瓷片(2)的下表面与金属外壳(3)的内壁上分别焊接一根导线，两根导线和信号源相连接。
2.根据权利要求1所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器，其特征在于：曲面匹配层(1)的材质为环氧树脂与钨粉混合物，声阻抗为7.25MRayl，厚度为4.785毫米。
3.根据权利要求1所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器，其特征在于：曲面压电陶瓷片(2)和曲面匹配层(1)的截面均为球冠形。
4.根据权利要求1所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器，其特征在于：曲面压电陶瓷片(2)的厚度为2毫米，其中球冠高度为2毫米，球冠直径为20毫米。
5.根据权利要求4所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器，其特征在于：曲面匹配层(1)的厚度为换能器工作频率的四分之一波长，其中球冠高度为2毫米，球冠直径为20毫米。
6.根据权利要求5所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器，其特征在于：所述换能器采用径向振动模式，工作频率范围为90kHz-100kHz。
7.根据权利要求6所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器，其特征在于：所述换能器产生的有效声场区域为：直径范围为2mm-8mm，深度范围为1mm-5mm。
8.根据权利要求7所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器，其特征在于：所述换能器驱动信号为正弦波，频率为94.573kHz，产生的有效声场区域的直径为5.4mm，深度为2.2mm。
9.根据权利要求1所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器，其特征在于：所述金属外壳(3)为铝合金管，在曲面压电陶瓷片(2)的凸面中心焊接一根导线(4)，在铝合金管的内壁焊接一根导线(4)。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种可用于浅皮下透皮给药的小型换能器的制作方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
S1、将曲面压电陶瓷片(2)置于金属外壳(3)内的所需位置，曲面压电陶瓷片(2)的凹面朝上，在曲面压电陶瓷片(2)与金属外壳(3)的缝隙处灌入环氧树脂，静置一段时间等待固化，待环氧树脂固化后，使用速干银浆连接金属外壳(3)与曲面压电陶瓷片(2)的凹面电极；静置一段时间，等待银浆充分固化，确保金属外壳(3)与曲面压电陶瓷片(2)的凹面电极电学导通；
S2、将橡胶管套于金属外壳(3)上端，其中橡胶管部分与金属外壳(3)接触，然后将环氧树脂与钨粉按一定比例搅拌均匀，并做除泡处理后将环氧树脂沿管壁倒入橡胶管中，保证环氧树脂与曲面压电陶瓷片(2)的凹面相接触，静置一段时间等待环氧树脂固化，环氧树脂固化后除去橡胶管，再打磨曲面匹配层(1)至指定形状；
S3、在曲面压电陶瓷片(2)的凸面中心处焊接一根导线，在金属外壳(3)的内壁上焊接一根导线，至此完成换能器的制作。
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- 2022-05-20 CN CN202210550607.1A patent/CN115105738B/zh active Active
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