一种双频双层功率增强的环形高强度聚焦超声换能器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于功率超声换能器的技术领域，具体涉及一种双频双层功率增强的环形 高强度聚焦超声换能器。
【背景技术】
[0002] 高强度聚焦超声换能器HIFU作为一种非介入式的微创治疗手段，正在逐渐被应 用于更多的场合。首次将HIFU应用于临床治疗的是印第安纳大学Foster小组，他们在大量 动物实验的基础上通过FDA的许可治疗了 15例前列腺癌。在1997年，重庆医科大学研制出 来国产的第一台HIFU治疗设备，并在此后的十多年间出口 10余个发达国家，治疗肿瘤患者 4万多例。全球各HIFU中心大量的病例治疗表明，无创的HIFU治疗技术与传统方法的疗效 至少是相当的，并且更具优势。研宄人员利用连续式HIFU在体内病灶部位产生高的能量聚 集，形成短时高温，使得病灶组织产生不可逆的热凝固性坏死，从而杀死病变细胞。目前这 一类HIFU治疗方式多应用于胰腺癌、前列腺增生和前列腺癌、乳腺癌、肝癌以及子宫肌瘤 等。为了提高组织的吸热效率，通常采用1至5MHz高频超声连续作用。然而这种长达40至 60分钟的连续辐照，可能在HIFU焦前区域造成皮肤和浅层组织损伤，而且仅适用于前文提 到的那一类非致密性组织。针对一些致密组织，高频超声能量在入射的时候会由于声阻抗 的巨大差异而大量反射，能量无法进入，此时低频的超声作用则更为明显。2004年，密歇根 大学的Cain小组研宄并发表了一种超声组织毁损技术（histotripsy)。该技术是利用短至 几个周期的高能量低频率超声脉冲，在组织内产生空化力学毁损，从而达到组织粉碎和移 除的目的。近几年内，该小组发展了一种基于半个周期的脉冲超声所产生的"microtripsy" 技术，达到了微米级蚀刻的精度。该小组所使用的超声频率通常为几百KHz。此外，华盛 顿大学Crum小组研宄了一种基于毫秒级脉冲超声所产生的"boilinghistotripsy"技术， 这是一种新兴的热凝固与空化力学毁损混合作用的治疗方式，他们所采用的超声频率为 l-3MHz〇
[0003] 目前国际上关于HIFU的研宄成果已经体现出低频与高频HIFU混合作用的重要 性，可以预见未来HIFU的治疗不是仅仅局限于单一频率的某一种作用方式，而是空化力学 毁损与热凝固同时或分时混合作用才能提高治疗效率。为了实现这种混合治疗方式，使用 两个不同频率的HIFU换能器单独驱动、分时治疗并不合理，而且从系统的开发角度考虑也 很复杂。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种能够满足低频条件的空化力学 毁损与高频条件的热凝固同时或分时混合使用的要求，并且提高发射功率的双频双层功率 增强的环形高强度聚焦超声换能器。
[0005] 为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：包括外壳，外壳内设置有相互叠 加且共焦的表层压电晶片和里层压电晶片，两层压电晶片均为环形凹面自聚焦结构，每层 压电晶片均包括呈环形凹面且相互嵌套的外环和内环，外环为低频压电晶片，内环为高频 压电晶片，两层的高频压电晶片处于同一球面且共焦。
[0006] 所述的外环内径等于内环外径。
[0007] 所述的表层压电晶片和里层压电晶片的曲率半径差等于表层压电晶片的厚度。
[0008] 所述的里层压电晶片的背面设置有用于压电晶片的引线排布的填充及引线预留 层。
[0009] 所述的表层压电晶片和里层压电晶片之间的夹层内，以及填充及引线预留层均填 充有耦合及固化材料。
[0010] 所述的耦合及固化材料采用航海级环氧树脂，是液态的环氧树脂本胶与固化剂混 合之后凝固形成的，压电晶片的引线包埋在凝固之后的固态胶体中。
[0011] 所述的外壳上设置有引线预留孔，引线预留孔延伸至里层压电晶片背面的填充及 引线预留层，引线预留孔的外端部设置有引线固定螺纹和密封圈凹槽。
[0012] 所述的外壳的中间底部位置上设置有监控探头预留孔。
[0013] 所述的外壳的背部设置有用于与机械控制装置连接的固定螺孔和用于与实验水 槽连接的固定卡扣。
[0014] 所述的外壳呈圆柱状，其近表面端的圆周侧设置有水囊卡扣。
[0015] 与现有技术相比，本发明通过设置两层内外嵌套的压电晶片，每层均包括外环和 内环，内环为高频压电晶片部分，频率高至几MHZ，能够满足连续波模式作用下的热凝固作 用；外环为低频部分，频率低至几百KHz，能够满足短脉冲模式作用下的空化力学作用，考 虑到组织内的衰减，高频超声的聚焦性能好，适合f?值即曲率半径与换能器半径的比值较 大的情况；低频超声聚焦性能较差，适合f值较小的情况，这样的设计保证了高低频压电晶 片的共焦，满足了热凝固与空化力学毁损混合作用的要求，同时通过双层压电晶片叠加的 设计，每一层压电晶片都采用凹面自聚焦的形状压制，增大了发射功率。本发明使得空化力 学毁损与热凝固作用一体化，通过时序控制使得治疗时间上也趋于一体化。另外，在尺寸受 到传统HIFU换能器限制的条件下，采用双层压电晶片叠加耦合的设计，增大了换能器的发 射功率，提高了治疗效率。
[0016] 进一步，外环内径等于内环外径，使得内外环紧密贴合，更好的保证了本发明的性 能。
[0017] 更进一步，两层压电晶片的曲率半径差为表层压电晶片的厚度，更好的保证了两 层两层压电晶片的共焦，提高了本发明的性能。
[0018] 更进一步，在里层压电晶片的背面设置填充及引线预留层，有利于压电晶片的引 线的排布。
[0019] 更进一步，考虑到制作工艺的限制，表层压电晶片和里层压电晶片的凹面存在不 完美契合的可能，在夹层中使用耦合及固化材料，使用航海级环氧树脂，该材料通常是采用 液态的环氧树脂本胶与固化剂混合之后凝固形成。填充及引线预留层也填充耦合及固化材 料，使得压电晶片的引线包埋在凝固之后的固态胶体中，能够预防由于引线的晃动而导致 的断裂，而且还有防水作用。另外，调整本胶与固化剂的混合比例，使其固化之后的声速及 声阻抗值能够匹配不同厚度的压电晶片。
[0020] 进一步，引线预留孔延伸至填充及引线预留层，并通过引线固定螺纹和密封圈凹 槽，将外壳和引线进行封装。
[0021] 进一步，在外壳的中间底部设有监控探头预留孔，能够配合临床检测用的相控阵、 面阵以及单阵元超声探头进行监控成像治疗。
[0022] 进一步，考虑到换能器的三维控制要求，在外壳背部设计有两种固定方式，一种是 螺钉固定方式，即留有固定螺孔可与机械控制装置连接；另一种是卡扣式固定，用于科学实 验，可固定于适配水槽的侧壁。
[0023] 进一步，作为用于临床应用的治疗换能器，外壳设为圆柱状，在其近表面端的圆周 侧设有水囊卡扣，可作为拥有弹性封口的水囊的固定开口。这样的设计考虑到换能器倒置 工作的情况下，解决了换能器与治疗部位的介质耦合的问题。另一方面使得水囊与换能器 构成一个可移动的整体，从而满足了扫描式治疗的要求。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明的装配示意图；
[0025] 图2a为本发明的等侧视图，图2b为本发明的上视图，图2c为本发明的底部视图；
[0026] 图3a为本发明的剖视图，3b为填充及引线预留层局部放大剖视图，3c为引线预留 孔部位局部放大剖视图；
[0027] 图4a为本发明分时作用声轴平面的外环声压分布图，图4b为本发明分时作用声 轴平面的内环声压分布图；
[0028] 其中，1-外壳、2-里层压电晶片、3-表层压电晶片、4-低频压电晶片、5-高频压电 晶片、6-监控探头预留孔、7-填充及引线预留层