一种具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器制造技术

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。了诊断超声换能器易发热易损坏问题。了诊断超声换能器易发热易损坏问题。

【技术实现步骤摘要】
一种具备功率输出和成像能力的低损耗超声换能器


[0001]本专利技术涉及超声器械
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0023]本专利技术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
[0024]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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。
[0025]图1为本专利技术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；
[0026]图2为本专利技术实施例提供的进行低强度超声治疗的示意图；
[0027]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；
[0028]图4为本专利技术实施例提供的声压信号和带宽对比示意图；
[0029]图5为本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：马建国，徐立军，蔡奕奇，刘铁铭，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：