CN116173432A - 一种具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种具备功率输出和成像能力的低损耗新型超声换能器设计。所述新型超声换能器包括由底向上依次设置的背衬层、第二及第一反匹配层、压电层、第一及第二匹配层。所述第二及第一反匹配层增大了背衬层和压电层之间的不匹配程度，使超声换能器的能量耗散接近于零，并增加输出声压和输出声功率，解决了超声换能器的发热问题，从而增加了操作的安全性并延长了超声换能器的使用寿命。所述第一及第二匹配层针对高传输效率和大带宽进行设计，可在超声治疗的同时进行成像定位。提出的具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器设计，改善了传统治疗超声换能器窄带宽问题，同时解决了诊断超声换能器易发热易损坏问题。

Description

一种具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器

技术领域

本发明涉及超声器械技术领域，特别是涉及具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器及该超声换能器的设计制造方法。

背景技术

传统的肿瘤临床治疗方法主要有放化疗治疗方案，免疫治疗则是目前最具发展前景的新型治疗方法。但是这些治疗方法在肿瘤治疗中经常会产生治疗抵抗，严重降低治疗疗效。近年来，低强度超声作为一种新型肿瘤抵抗的解决方法，具有安全无创、疗效显著和简便等特点，因此受到广泛关注。低强度超声治疗方法一般利用诊断超声换能器对肿瘤进行长时间、大占空比和低强度的超声激励，其治疗机制主要以空化效应和机械效应为主。在长时间低强度超声作用下，注入血液中的微泡会产生震荡、膨胀和收缩等一系列动力学过程，从而释放出一定的机械能量在微血管壁或细胞膜上形成微小声孔，增加了血液通透性。血液通透性的增加将大幅度增强放化疗和免疫治疗等肿瘤治疗方法的敏感程度。但是诊断超声换能器在长时间高占空比的激励下易损坏，导致高治疗成本和治疗隐患。

超声换能器的基本结构包括声匹配层、压电层及背衬层，每一层在不同应用下需要选择合适的材料和厚度。为了满足上述应用场景，换能器需要有发射出大功率声压的能力，具有高带宽特性，并且具有低损耗特点。当在压电层两端加上电信号时，压电振子产生振动并分别向前和向后发射超声波，向前的超声波经过匹配层传输到介质，向后的超声波大部分被背衬层反射成为向前的超声波，小部分后向超声波进入背衬层被转化为热量。诊断超声换能器损坏的主要原因是声波在背衬处衰减产生大量的热量，损耗非常高。为了获得尽量高的前向声压并减少超声换能器的发热，治疗超声换能器的背衬层一般是低声阻抗材料。但是即使使用目前常用的低声阻抗材料，后向超声波依然有15％以上的能量被耗散在背衬层，这部分耗散能量被转化为换能器的热量。为了获得最大的带宽，诊断超声换能器背衬一般是高声阻抗材料，后向超声波甚至有50％以上的能量被耗散在背衬层，大量热量在背衬处产生，高损耗导致超声换能器整体的升温，从而引起材料的膨胀，压电晶片被挤压而导致超声换能器寿命的下降。除此之外，治疗超声换能器的匹配层一般对最大输出声压进行优化，利用声压累积效应增加输出声压，因此其传输效率达不到100％并且带宽较窄，导致治疗超声换能器的成像能力较差。

因此，具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器要克服能量损耗导致的换能器发热和损坏问题以及窄带宽问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器，使其相比诊断超声换能器具有更大的输出声压和更高的输出功率，同时还具有低损耗和高带宽特性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器，其基本结构包括由底向上依次设置的背衬层、第二反匹配层、第一反匹配层、压电层、第一匹配层及第二匹配层。

所述压电层用于接收电压激励信号并产生前向超声波和后向超声波；所述压电层还用于接收组织或介质中反射和散射的超声信号；所述前向超向波为由所述压电层向所述匹配层传输的超声波；所述后向超向波为由所述压电层向所述背衬层传输的超声波。

所述背衬层用于反射大部分后向超声波以增强前向超声波，当背衬层声阻抗与压电层声阻抗相差越大时，后向超声波的反射程度也越大；所述背衬层还能衰减进入背衬层的后向超声波，以热量的形式散发出去；所述背衬层一般是低声阻抗材料，以保证压电层二分之一波长的振动模式。

所述第一反匹配层和第二反匹配层用于增加背衬层和压电层之间的不匹配程度，从而增大后向超声波的反射系数并减少超声换能器的发热；所述第一反匹配层一般是低声阻抗材料，所述第二反匹配层一般是高声阻抗材料，以保证压电层二分之一波长的振动模式。

所述第二反匹配层的厚度可以为零，此时双层反匹配层结构退化为单层反匹配结构，此时背衬层使用高声阻抗材料。

所述第一匹配层和第二匹配层用于增大超声波在介质和压电层之间的透射程度，合理的匹配层设计可以达到接近百分百的透射。所述第一匹配层和第二匹配层的材料和厚度选择并不以最大输出声压为目标，而以最大带宽为主要优化目标。

可选的，所述背衬层声阻抗与所述压电层声阻抗的比例一般小于0.3:1。

可选的，背衬层不仅可以选择声阻抗低于压电层的材料，也可以选择声阻抗远高于压电层的材料，但是这会导致压电层振动模式的改变，需调整压电层厚度。

可选的，所述反匹配层可以是单一材料组成的单层结构或采用多种不同材料组成的多层结构。

可选的，所述匹配层可以是单一材料组成的单层结构或采用多种不同材料组成的多层结构。

可选的，所述反匹配层每层厚度可以为超声波波长的0.05-0.45倍；所述超声波波长为超声波传输到所述反匹配层时的超声波波长。

可选的，所述匹配层每层厚度可以为超声波波长的0.15-0.35倍；所述超声波波长为超声波传输到所述匹配层时的超声波波长。

可选的，所述压电层材料包括但不限于压电陶瓷、压电单晶和/或压电复合材料。

可选的，所述具备功率输出和成像能力的超声换能器的形状和类型包括但不限于单振元平面式、单振元聚焦式、平面阵列式和曲面阵列式。

可选的，基于具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器具有的用途包括但不限于传统成像、长时间低强度激励的放化疗增敏、中高强度超声治疗、介入性治疗和佩戴式治疗等。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种具备功率输出和成像能力的超声换能器，包括由底向上依次设置的背衬层、第二反匹配层、第一反匹配层、压电层、第一匹配层及第二匹配层。该超声换能器通过插入单层或双层反匹配层，增加背衬层和压电层之间的不匹配程度，以达到提高前向超声波声压和功率的目的，并通过改善匹配层的设计增加超声换能器的带宽，

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的具备功率输出和成像能力的超声换能器基本结构图；

图2为本发明实施例提供的进行低强度超声治疗的示意图；

图3为传统治疗超声换能器的声压信号和带宽对比示意图；

图4为本发明实施例提供的声压信号和带宽对比示意图；

图5为本发明实施例提供的具备功率输出和成像能力的超声换能器在背衬层与压电层之间的能量传输效率随反匹配层厚度变化的关系图。

符号说明：1-背衬层，2-第二反匹配层，3-第一反匹配层，4-压电层，5-第一匹配层，6-第二匹配层，7-超声换能器，8-肿瘤区域

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器，旨在增大输出声压和输出功率的同时增加带宽，以便于在进行超声治疗的同时对病灶进行成像和定位。本发明公开的具备功率输出和成像能力的超声换能器利用了一种新型双层反匹配层机制，增大了背衬层和压电层的不匹配程度，增大了超声换能器的输出声压和输出功率，并降低了超声换能器的发热，延长了超声换能器的使用寿命。本发明公开的新型超声换能器结构放宽了匹配层的设计，匹配层的设计仅针对高带宽进行优化，而不是高声压和高输出功率，高带宽匹配层的设计使得超声换能器也能够进行成像和定位。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器基本结构图。如图1所示，本实施例中的超声换能器，包括由底向上依次设置的背衬层1、第二反匹配层2、第一反匹配层3、压电层4、第一匹配层5和第二匹配层6。

所述背衬层1一般采用低声阻抗材料，以满足压电层二分之一波长振动模式，在此具体实施方式中选择环氧树脂，声阻抗为2.9MRayl。

所述第二反匹配层2一般采用高声阻抗材料，使背衬层1与第二反匹配层2的等效声阻抗变得更高，在此具体实施方式中选择铁单质制作成的一定厚度的铁片，声阻抗为40.9MRayl；所述第一反匹配层3一般采用低声阻抗材料，使背衬层1与第二反匹配层2及第一反匹配层3的等效声阻抗变得极低，在此具体实施方式中选择环氧树脂，声阻抗为2.9MRayl。

所述压电层4在此实施例中采用PZT-4陶瓷材料，以满足低衰减和高品质因数的要求，其声阻抗为34MRayl。

所述第一匹配层5和第二匹配层6用于增加压电层4和介质之间声波的透射，提升所述超声换能器的带宽和透射效率，在此具体实施方式中第一匹配层5采用钨粉混环氧树脂的混合物材料，声阻抗为8.9MRayl，第二匹配层6采用环氧树脂材料，声阻抗为2.9MRayl，厚度均为0.24λ。

可选的，背衬层1材料声阻抗与压电层4材料声阻抗比值一般低于0.3:1，背衬层1声阻抗越低，其与压电层4的不匹配程度越高。

可选的，反匹配层2和3可使用单层反匹配结构和双层反匹配结构；单层反匹配结构较为简单，但是依然会有接近2％的能量损耗，且反匹配带宽较窄，这意味着制造误差会对单层反匹配效果起到较大的不利影响；虽然双反匹配结构较为复杂，但能量损耗几乎为零，且反匹配带宽较大，其反匹配效果受制作误差影响较小。

可选的，针对不同应用，所述压电层4材料不限于PZT-4，也不限于压电陶瓷、压电单晶和/或压电复合材料。

可选的，双层匹配5和6的材料和厚度的选择可以遵循传统匹配理论，也可以根据其他匹配理论进行匹配；匹配层不限于双层匹配结构，单层、多层和/或超材料制成的匹配层在满足大带宽的前提下也具有可行性。

图2为本发明实施例基于具备功率输出和成像能力的超声换能器对目标区域进行治疗和定位的装置示意图。如图2所示，本实施例中的具备功率输出和成像能力的超声换能器进行治疗和成像的装置包括依次连接的信号放大器、功率放大器、多路信号发射采集系统、显示器、控制器和具备功率输出和成像能力的超声换能器7。使用该装置进行治疗和成像的步骤如下：

(1)控制器设置为成像模式，频率为2MHz，多路信号发射采集系统和功率放大器对换能器进行激励。

(2)将换能器接收到的脉冲回波信号通过信号放大器增加信噪比然后对信号进行处理并实时成像，标定感兴趣区域，并将控制器设置为诊疗模式。

(3)根据病症设置诊疗模式的参数，在此实施例中，功率输出参数：激励脉冲串为20个周期，重复频率为5kHz，机械指数为0.3。

(4)治疗和成像模式在200μs重复周期中依次切换。200μs中的前60μs用于治疗模式，其中10μs是脉冲串激励时间，后50μs是等待时间。200μs中的后140μs是成像模式，成像深度约10cm。

(5)治疗范围仅选择在感兴趣区域处，仅在感兴趣区域进行聚焦扫描治疗，从而提升治疗效率。

(6)在进行10min治疗时间后，设置控制器切换为成像模式，对感兴趣区域进行相应的超声观察、超声造影成像或者后续的放疗和化疗等治疗手段。

图3为传统治疗超声换能器的信号和频谱仿真图。如图3所示，图3a信号的激励波形是5个正弦波，峰峰值为2V，输出声压最大值为5.07kPa。图3b展示了背衬处的声压信号，其输出声压最大为3.06kPa，背衬处能量耗散占据换能器发射总能量的15.9％。图3c信号的激励波形是1个正弦波，峰峰值为2V，输出声压最大值为3.26kPa。图3d展示了图3c信号的频谱，其-6dB相对带宽为58.0％。

图4为本发明实施例提供的信号和频谱仿真图。如图4所示，图4a信号的激励波形是5个正弦波，峰峰值为2V，输出声压最大值为5.37kPa，幅值为图3a最大输出声压的105.9％，能量为112.2％。图4b展示了其背衬处的声压波形，最大输出声压是0.55kPa，相比图3(b)下降了82.0％，背衬处能量耗散占据换能器发射总能量的0.5％。本发明实施例提供的换能器的绝大部分能量被集中到前向，且由于耗散能量极大降低，换能器的发热也能够得到有效遏制。图4c信号的激励波形是1个正弦波，峰峰值为2V，输出声压最大值为3.67kPa，幅值为图3c最大输出声压的112.6％，能量为126.8％。图4d展示了图4c信号的频谱，其-6dB相对带宽为68.3％，相比图3d的相对带宽上升了17.8％。

图5为本发明实施例的背衬层1与压电层4之间能量传输效率随着反匹配层厚度变化的关系图。如图5所示，在双层反匹配2和3作用下，背衬层1与压电层4之间的能量传输效率在大范围下都极低，特别是双层反匹配2和3的厚度均为0.25λ时。高传输效率的白色区域仅存在于双层反匹配2和3均为低厚度或者均接近于0.5λ时，这表明了双层反匹配结构对能量传输效率的抑制作用的大带宽。

本发明涉及的具备功率输出和成像能力的超声换能器在多周期电压激励情况下，其最大输出声压相比传统治疗超声换能器提高了5.9％，输出能量提高了12.2％，带宽一致。在单周期电压激励情况下，其最大输出声压相比传统治疗超声换能器提高了12.6％，输出能量提高了26.7％，-6dB相对带宽提高了17.8％。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器，其特征在于，包括由底向上依次设置的背衬层、第二反匹配层、第一反匹配层、压电层、第一匹配层及第二匹配层。

所述背衬层与压电层声阻抗不匹配，用于反射后向超声波并增大前向超声波的声压；所述背衬层还用于衰减进入背衬层的后向超声波；所述背衬层声阻抗一般低于压电层声阻抗，以满足压电层二分之一振动模式，提高输出声压和输出声功率；所述后向超声波为由压电层往背衬层方向的超声波；

所述第二和第一反匹配层用于增大背衬层和压电层之间的不匹配程度，进一步增加输出声压和输出声功率，减少超声换能器的发热并延长寿命；所述第二反匹配层满足Z_AM2>Z_B，所述第一反匹配层声阻抗满足Z_AM1<Z_AM2，第一反匹配层厚度满足l₁＝0.05λ-0.45λ，优选0.25λ，第二反匹配层厚度满足l₂＝0.05λ-0.45λ，优选0.25λ，其中Z_AM1为第一反匹配层声阻抗，声阻抗越低越好，Z_AM2为第二反匹配层声阻抗，声阻抗越高越好，Z_P为压电层的声阻抗，Z_B为背衬层声阻抗，l₁为第一反匹配层厚度，l₂为第二反匹配层厚度，λ为各材料中超声波的波长；

所述压电层具有治疗模式和成像定位模式两种模式，在治疗模式时用于产生高输出声压的超声波或者长时间激励的低强度超声波，在成像定位模式时用于产生和接收高带宽的超声波信号；

所述第一和第二匹配层用于增大前向和后向超声波的透射程度，并增大超声换能器的带宽。

2.根据权利要求1所述的具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器，其特征在于，所述第二反匹配层的厚度可以为0，此时双反匹配层结构退化为单反匹配结构，且背衬改为高声阻抗材料。

3.根据权利要求1所述的具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器，其特征在于，所述第二反匹配层声阻抗一般是背衬声阻抗2倍以上，所述第一反匹配层声阻抗一般是第二反匹配层声阻抗0.5倍以下，且比值越大反匹配效果越好。

4.根据权利要求1所述的具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器，其特征在于，表面一般有声透镜层，声透镜用于换能器的保护和在高程方向的弱聚焦，其材料包括但不局限于橡胶、环氧树脂材料，其形状包括但不限于球形、椭球形、抛物线型和双曲面型。

5.根据权利要求1所述的具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器，其特征在于，根据不同应用，所述压电层材料包括但不限于压电陶瓷、压电单晶和压电复合材料等。

6.根据权利要求1所述的具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器，其特征在于，反匹配层和匹配层材料的选择包括但不限于陶瓷材料、金属材料、有机物材料和混合物材料等，且反匹配层和匹配层可采用单一材料组成的单层结构或采用多种不同材料组成的多层结构。

7.根据权利要求1所述的具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器，其特征在于，换能器表面形状不受约束，包括但不限于单振元的平面、椭球面和其他曲面，以及阵列式的平面、曲面和不规则面等；换能器整体形状不受约束，包括但不限于长方体式、扁平式、半圆球式、圆柱体式和其他弧面等。

8.根据权利要求1所述的具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器，其特征在于，匹配层结构不局限于传统单层或双层匹配结构，还包括但不限于声子晶体、超材料和生物匹配等。

9.根据权利要求1所述的具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器，其特征在于，可通过添加近端电匹配或远端电匹配来提升超声系统与换能器之间的能量传输效率。

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