一种大带宽跟骨骨密度超声探头及其制作方法与流程

本发明涉及医疗器械领域,特别是一种用于探测人体跟骨骨密度的超声探头，具体地说是一种大带宽跟骨骨密度超声探头及其制作方法。

背景技术：

由于传统X射线方法检测人体骨密度容易形成辐射，因此无辐射、价格低廉、使用方便的超声骨密度检测方法逐渐被人们接受。依据测量部位，目前常用的超声骨密度测试方法有跟骨骨密度、桡骨骨密度、指骨骨密度等。其中跟骨骨密度常采用一发一收的双探头方法进行脚部跟骨的测量，可以同时获得跟骨处声速SOS和声衰减BUA。其中BUA的测量原理是根据跟骨处的声衰减系数在0.2MHz到0.8MHz之间与频率呈线性关系的物理关系。实际应用中很难有超声探头可以做到在0.2MHz和0.8MHz之间进行线性采样，这需要探头带宽达到120%，比较常用的是采集0.2MHz到0.6MHz的声衰减系数。即使这样普通超声跟骨骨密度探头通常也只能做到0.3MHz到0.5MHz的线性BUA数据采样。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的现状，而提供制作工艺简单、适于人体跟骨部位骨密度检测，并且灵敏度高、带宽广，能在0.2MHz到0.6MHz之间获得线性声衰减系数拟合的一种大带宽跟骨骨密度超声探头及其制作方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种大带宽跟骨骨密度超声探头，该超声探头由探头外壳以及封装在该探头外壳内的声叠层和探头电极引线共同组成，其中，声叠层在探头外壳内从上至下依次由高声阻抗背衬、压电陶瓷晶片、第二声匹配层和第一声匹配层经胶粘叠加组成；高声阻抗背衬由环氧树脂与钨粉配制形成，压电陶瓷晶片为钛酸铅压电陶瓷晶片，第二声匹配层由环氧树脂和固化剂制作形成，第一声匹配层由环氧树脂和氧化铝粉末配制形成；探头电极引线包括正电极引线和负电极引线，正电极引线与压电陶瓷晶片的上表面焊接相连接，负电极引线与压电陶瓷晶片的下表面焊接相连接；正电极引线和负电极引线均从探头外壳的上端面引出。

为优化上述技术方案，采取的措施还包括：

上述的高声阻抗背衬主要是起到背向声吸收和增加带宽的作用，该高声阻抗背衬的声阻抗最佳在9MRaly-18MRaly之间。

上述的压电陶瓷晶片具有径向振动模式小于厚度振动模式的特点，该压电陶瓷晶片的直径在10mm-35mm之间，压电陶瓷晶片的最佳谐振频率在0.4MHz-0.8MHz之间。

上述的第二声匹配层的声阻抗在4MRaly-1.5MRaly之间，第二声匹配层的厚度最佳为该层声速波长的四分之一。

上述的第一声匹配层的声阻抗在6.5MRaly-10.5MRaly之间，第一声匹配层的厚度最佳为该层声速波长的四分之一。

本发明还提供了一种大带宽跟骨骨密度超声探头的制作方法，该方法包括以下步骤：

1)、选取厚度为3.85mm，直径为25mm的商用披银电极PT压电陶瓷作为压电陶瓷晶片，并将正电极引线与压电陶瓷晶片的上表面焊接固定相连，将负电极引线与压电陶瓷晶片的下表面焊接固定相连；

2)、采用质量比为1:8的E54环氧树脂与钨粉配制出高声阻抗背衬；

3)、采用质量比为1:4的E51环氧树脂和593固化剂配制出第二声匹配层；

4)、采用质量比为1:3的E51环氧树脂与800目氧化铝粉末配制出第一声匹配层；

5)、由上至下将上述的高声阻抗背衬、焊接有正电极引线和负电极引线的压电陶瓷晶片、第二声匹配层和第一声匹配层通过E51环氧树脂胶粘叠置形成声叠层；

6)、将正电极引线未焊接的一端和负电极引线未焊接的一端向上引出并将上述的声叠层屏蔽后，封装于探头外壳内，即完成大带宽跟骨骨密度超声探头的制作。

上述的高声阻抗背衬的厚度为15mm；第二声匹配层的厚度为1.05mm；第一声匹配层的厚度为1.15mm。

与现有技术相比，本发明为了匹配人体的声阻抗，提高探头的灵敏度和带宽，根据KLM理论模型，将第二声匹配层和第一声匹配层进行上下叠置，大带宽跟骨骨密度超声探头采用了“高声阻抗背衬+钛酸铅压电陶瓷+第二声匹配层+第一声匹配层”的超声探头结构设计，能在0.2MHz到0.6MHz之间获得线性声衰减系数BUA数据采样。本发明制造工艺简单，具有检测灵敏、可靠性高、适用带宽广的特点，能广泛用于对于人体跟骨部位的骨密度状况的检测。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明水槽中测试得到的脉冲回波图和频谱图；

图3是本发明跟骨体模测试得到的BUA线性拟合结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

图1为本发明实施例的结构示意图。

其中的附图标记为：探头外壳1、高声阻抗背衬21、压电陶瓷晶片22、第二声匹配层23、第一声匹配层24、正电极引线31、负电极引线32。

实施例一：

图1为本发明的结构示意图，如图1所示，本发明的一种大带宽跟骨骨密度超声探头，该骨密度超声探头由探头外壳1以及封装在该探头外壳1内的声叠层和探头电极引线组成，本发明骨密度超声探头的声叠层采用高声阻抗背衬+压电陶瓷+第二声匹配层+第一声匹配层的超声探头结构设计，即声叠层在探头外壳1内从上至下依次由高声阻抗背衬21、压电陶瓷晶片22、第二声匹配层23和第一声匹配层24组成的设计结构，声叠层的各层通过胶粘固定叠加；高声阻抗背衬21由环氧树脂与钨粉配制形成，压电陶瓷晶片22为钛酸铅PT压电陶瓷晶片，第二声匹配层23由环氧树脂和固化剂制作形成，第一声匹配层24由环氧树脂和氧化铝粉末配制形成；探头电极引线包括正电极引线31和负电极引线32，正电极引线31与压电陶瓷晶片22的上表面焊接相连接，负电极引线32与压电陶瓷晶片22的下表面焊接相连接；正电极引线31和负电极引线32均从探头外壳1的上端面引出。

本发明的高声阻抗背衬21位于压电陶瓷晶片22背面，也即是高声阻抗背衬21的上面，高声阻抗背衬21主要是起到背向声吸收和增加带宽的作用，本发明高声阻抗背衬21的声阻抗最佳在9MRaly-18MRaly之间。

实施例中，本发明的压电陶瓷晶片22具有径向振动模式小于厚度振动模式的特点，该压电陶瓷晶片22的直径优选在10mm-35mm之间，压电陶瓷晶片22的最佳谐振频率在0.4MHz-0.8MHz之间。

实施例中，本发明的第二声匹配层23的声阻抗在4MRaly-1.5MRaly之间，第二声匹配层23的厚度最佳为该层声速波长的四分之一。

实施例中，本发明的第一声匹配层24的声阻抗在6.5MRaly-10.5MRaly之间，第一声匹配层24的厚度最佳为该层声速波长的四分之一。

本发明的一种大带宽跟骨骨密度超声探头的制作方法，该方法包括以下步骤：

1)、选取厚度为3.85mm，直径为20mm，谐振频率在0.5MHz的商用披银电极PT压电陶瓷作为压电陶瓷晶片22，并将正电极引线31与压电陶瓷晶片22的上表面焊接固定相连，将负电极引线32与压电陶瓷晶片22的下表面焊接固定相连；

2)、采用质量比为1:8的E54环氧树脂与钨粉配制出高声阻抗背衬21，高声阻抗背衬21的声阻抗为13MRaly；高声阻抗背衬21的厚度为15mm；

3)、采用质量比为1:4的E51环氧树脂和593固化剂配制出第二声匹配层23；第二声匹配层23的声阻抗在2.8MRaly，第二声匹配层23的厚度为该层声速波长的四分之一即第二声匹配层23的厚度为1.05mm；

4)、采用质量比为1:3的E51环氧树脂与800目氧化铝粉末配制出第一声匹配层24；第一声匹配层24的声阻抗为7.5MRaly，第一声匹配层24的厚度为该层声速波长的四分之一即第一声匹配层24的厚度为1.15mm

5)、由上至下将上述的高声阻抗背衬21、焊接有正电极引线31和负电极引线32的压电陶瓷晶片22、第二声匹配层23和第一声匹配层24通过E51环氧树脂胶粘叠置形成声叠层；

6)、将正电极引线31未焊接的一端和负电极引线32未焊接的一端向上引出并将上述的声叠层2屏蔽后，封装于探头外壳1内，即完成大带宽跟骨骨密度超声探头的制作。

实施例二：

本发明的一种大带宽跟骨骨密度超声探头的制作方法，该方法包括以下步骤：

1)、选取厚度为3.55mm，直径为25mm，谐振频率在0.6MHz的商用披银电极PT压电陶瓷作为压电陶瓷晶片22，并将正电极引线31与压电陶瓷晶片22的上表面焊接固定相连，将负电极引线32与压电陶瓷晶片22的下表面焊接固定相连；

2)、采用质量比为1:8的E54环氧树脂与钨粉配制出高声阻抗背衬21；高声阻抗背衬21的声阻抗为13MRaly；高声阻抗背衬21的厚度为15mm；

3)、采用质量比为1:4的E51环氧树脂和593固化剂配制出第二声匹配层23；第二声匹配层23的声阻抗在2.8MRaly，第二声匹配层23的厚度为0.96mm是该层声速波长的四分之一；

4)、采用质量比为1:3的E51环氧树脂与800目氧化铝粉末配制出第一声匹配层24；第一声匹配层24的声阻抗为7.5MRaly，第一声匹配层24的厚度为1.05mm是该层声速波长的四分之一；

5)、由上至下将上述的高声阻抗背衬21、焊接有正电极引线31和负电极引线32的压电陶瓷晶片22、第二声匹配层23和第一声匹配层24通过E51环氧树脂胶粘叠置形成声叠层；

6)、将正电极引线31未焊接的一端和负电极引线32未焊接的一端向上引出并将上述的声叠层2屏蔽后，封装于探头外壳1内，即完成大带宽跟骨骨密度超声探头的制作。

实施例三：

本发明的一种大带宽跟骨骨密度超声探头的制作方法，该方法包括以下步骤：

1)、选取厚度为3.35mm，直径为15mm，谐振频率在0.7MHz的商用披银电极PT压电陶瓷作为压电陶瓷晶片22，并将正电极引线31与压电陶瓷晶片22的上表面焊接固定相连，将负电极引线32与压电陶瓷晶片22的下表面焊接固定相连；

2)、采用质量比为1:8的E54环氧树脂与钨粉配制出高声阻抗背衬21；高声阻抗背衬21的声阻抗为13MRaly；高声阻抗背衬21的厚度为15mm；

3)、采用质量比为1:4的E51环氧树脂和593固化剂配制出第二声匹配层23；第二声匹配层23的声阻抗在2.8MRaly，第二声匹配层23的厚度为0.85mm是该层声速波长的四分之一；

4)、采用质量比为1:3的E51环氧树脂与800目氧化铝粉末配制出第一声匹配层24；第一声匹配层24的声阻抗为7.5MRaly，第一声匹配层24的厚度为0.92mm是该层声速波长的四分之一；

5)、由上至下将上述的高声阻抗背衬21、焊接有正电极引线31和负电极引线32的压电陶瓷晶片22、第二声匹配层23和第一声匹配层24通过E51环氧树脂胶粘叠置形成声叠层；

6)、将正电极引线31未焊接的一端和负电极引线32未焊接的一端向上引出并将上述的声叠层2屏蔽后，封装于探头外壳1内，即完成大带宽跟骨骨密度超声探头的制作。

实施例四：

本发明的一种大带宽跟骨骨密度超声探头的制作方法，该方法包括以下步骤：

1)、选取厚度为3.85mm，直径在10mm-35mm之间，谐振频率在0.4-0.8MHz之间的商用披银电极PT压电陶瓷作为压电陶瓷晶片22，并将正电极引线31与压电陶瓷晶片22的上表面焊接固定相连，将负电极引线32与压电陶瓷晶片22的下表面焊接固定相连；

2)、采用质量比为1:8的E54环氧树脂与钨粉配制出高声阻抗背衬21；高声阻抗背衬21的声阻抗在9-18MRaly之间；高声阻抗背衬21的厚度为15mm；

3)、采用质量比为1:4的E51环氧树脂和593固化剂配制出第二声匹配层23；第二声匹配层23的声阻抗在2.8MRaly，第二声匹配层23的厚度为1.05mm是该层声速波长的四分之一；

4)、采用质量比为1:3的E51环氧树脂与800目氧化铝粉末配制出第一声匹配层24；第一声匹配层24的声阻抗在6.5MRaly-10.5MRaly之间，第一声匹配层24的厚度为1.15mm是该层声速波长的四分之一；

5)、由上至下将上述的高声阻抗背衬21、焊接有正电极引线31和负电极引线32的压电陶瓷晶片22、第二声匹配层23和第一声匹配层24通过E51环氧树脂胶粘叠置形成声叠层；

6)、将正电极引线31未焊接的一端和负电极引线32未焊接的一端向上引出并将上述的声叠层2屏蔽后，封装于探头外壳1内，即完成大带宽跟骨骨密度超声探头的制作。

本发明水槽中测试波形如图2所示，-6dB带宽达到了72%，具有较小的拖尾和较对称的频谱图：图3是本发明跟骨体模测试得到的BUA线性拟合图，可以在0.2MHz在0.6MHz之间实现了BUA的线性测量，满足跟骨骨密度实际测试需求。

以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，对于本发明所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以做出其他若干简单修饰和替换，都应该视作属于本发明的保护范围。