非聚焦式声场增强换能器

1.本发明涉及超声换能器技术领域，特别涉及一种非聚焦式声场增强换能器。


背景技术：

2.超声换能器是医用超声诊断治疗设备的核心器件，目前临床上利用超声机械效应、温热效应以及理化效应进行消融治疗的换能器，多为聚焦换能器，通过凹型结构设计或者增加声透镜的方法，将换能器辐射能量聚集，从而增强空间某一位置的超声能量，其优点是能量聚集点小，能量密度大，焦点和焦距可以通过结构设计改变；然而用于消融治疗的换能器通常为低频换能器，聚焦换能器设计体积较大、比较沉重，比如1mhz hifu超声探头直径大概7cm左右，不能满足临床上要求整体尺寸在2mm甚至1mm的介入治疗领域、以及微小轻便可穿戴医疗设备的需求；另外，聚焦超声探头将能量聚焦为一个特定的小区域，很难辐射较大区域，不能满足某些特定的大面超声辐射治疗场景。单阵元高频超声换能器尺寸较小，可以通过介入导管将超声换能器送至靶向区域，直接作用于靶组织，然而高频超声较小的体积，很难辐射较强的超声能量，不能达到消融组织需要的能量阈值。
3.为了满足临床介入消融治疗以及体外可穿戴医疗超声设备，对于微小换能器高辐射能量的需求，本发明提出设计一种基于多个超声换能器通过一定角度形成辐射声场相互叠加增强的技术方案。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种非聚焦式声场增强换能器。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种非聚焦式声场增强换能器，包括呈星形设置的3个换能器：第一换能器、第二换能器和第三换能器；
6.所述第一换能器和第二换能器之间的夹角为θ1，所述第二换能器和第三换能器之间的夹角为θ2，所述第一换能器和第三换能器之间的夹角为θ3，θ1、θ2和θ3均为15
°‑
165
°
，且θ1+θ2+θ3＝360
°
。
7.第一换能器、第二换能器和第三换能器之间呈一定角设置，两个换能器之间的辐射方向的交叉处由于声场叠加而增强(即声场增强区域)，通过改变换能器之间的空间角度，则可以调节空间叠加声场(即声场增强区域)的空间位置。
8.优选的是，第一换能器、第二换能器和第三换能器均可为单面发射或双面发射的换能器。通过三个换能器进行单面发射和双面发射的组合，可以实现控制声场辐射方向的目的，以应用于特定的治疗场合。例如，第一换能器、第二换能器和第三换能器均为双面发射时，则在三个换能器两两之间的三个区域均能获得声场增强区域。此时不仅起到了增强声场的目的，同时也增大了声场的作用范围，可以获得辐射方向相互垂直的三个空间分布增强声场。
9.优选的是，所述第一换能器包括第一工作层，所述第二换能器包括第二工作层，所
述第三换能器包括第三工作层。
10.优选的是，所述第一工作层的正面还设置有第一匹配层。
11.优选的是，所述第一工作层的背面还设置有第一背衬层。
12.优选的是，所述第二工作层的正面还设置有第二匹配层。
13.优选的是，所述第二工作层的背面还设置有第二背衬层。
14.优选的是，所述第三工作层的正面还设置有第三匹配层。
15.优选的是，所述第三工作层的背面还设置有第三背衬层。
16.优选的是，所述第一换能器、第二换能器和第三换能器的中心频率分别为f1、f2、f3，f1、f2、f3均为1
‑
30mhz之间。且f1、f2、f3可以相等也可以不相等，当f1、f2、f3不同时相等时，可以在声场叠加区域获得增强混频声场，可以应用于不同深度的混频介入消融治疗，低频可以获得更高的穿透深度，对深层组织作用效果好；高低频叠加区域可以获得更好的治疗效果。
17.优选的是，θ1、θ2和θ3均为120
°
。
18.优选的是，第一、第二和第三工作层的材料均可以为压电陶瓷、压电复合材料、压电单晶或薄膜材料。
19.优选的是，第一、第二和第三匹配层均可以为多层匹配结构。
20.优选的是，第一、第二和第三背衬层均可以为波浪式或倾斜状。
21.本发明的有益效果是：本发明的非聚焦式声场增强换能器，通过三个换能器叠加获得增强声场，通过改变换能器空间角度，可以调节空间叠加声场的空间位置；通过三个换能器进行单面发射和双面发射的组合，可以实现控制声场辐射方向的目的，同时还能增大声场作用范围，以应用于特定的治疗场合；通过配置三个换能器的频率，还能获得三处空间分布增强混频声场，可以应用于不同深度的混频介入消融治疗，结合低频和高频各自的优势可以获得更好的治疗效果；三个换能器的尺寸较小，使得本发明的整体尺寸可实现小型化，相比与传统的聚焦换能器能大大缩小整体尺寸，同时又能提供能满足治疗强度的超声能量，从而可用于组织介入治疗。
附图说明
22.图1为本发明的实施例1中的非聚焦式声场增强换能器的结构示意图(左侧为俯视图，右侧为立体图)；
23.图2为本发明的实施例1中的非聚焦式声场增强换能器的空间绝对声压分布仿真结果图；
24.图3为本发明的实施例2中的非聚焦式声场增强换能器的结构示意图(左侧为俯视图，右侧为立体图)；
25.图4为本发明的实施例2中的非聚焦式声场增强换能器的空间绝对声压分布仿真结果图；
26.图5为本发明的实施例3中的非聚焦式声场增强换能器的结构示意图(左侧为俯视图，右侧为立体图)；
27.图6为本发明的实施例3中的非聚焦式声场增强换能器的空间绝对声压分布仿真结果图；
28.图7为本发明的实施例4中的非聚焦式声场增强换能器的结构示意图(左侧为俯视图，右侧为立体图)；
29.图8为本发明的实施例4中的非聚焦式声场增强换能器的空间绝对声压分布仿真结果图；
30.图9为本发明的实施例5中的非聚焦式声场增强换能器的结构示意图；
31.附图标记说明：
32.1—第一换能器；2—第二换能器；3—第三换能器；11—第一匹配层；12—第一工作层；13—第一背衬层；21—第二匹配层；22—第二工作层；23—第二背衬层；31—第三匹配层；32—第三工作层；33—第三背衬层。
具体实施方式
33.下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
34.应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
35.实施例1
36.如图1所示，本实施例的一种非聚焦式声场增强换能器，包括呈星形(如图1左侧的俯视图)设置的3个换能器：第一换能器1、第二换能器2和第三换能器3；
37.第一换能器1包括第一工作层12、设置在第一工作层12的正面的第一匹配层11和设置在第一工作层12的背面的第一背衬层13；第二换能器2包括第二工作层22、设置在第二工作层22的正面的第二匹配层21和设置在第二工作层22的背面的第二背衬层23；第三换能器3包括第三工作层32、设置在第三工作层32的正面的第三匹配层31和设置在第三工作层32的背面的第三背衬层33。
38.其中，第一、第二和第三工作层(12、22、32)的材料均可以为压电陶瓷、压电复合材料、压电单晶或薄膜材料。第一、第二和第三工作层(12、22、32)均可为单层工作层结构，也可为多层工作层结构。
39.其中，第一、第二和第三匹配层(11、21、31)均可以为单层匹配结构，也可以为多层匹配结构。
40.其中，第一、第二和第三背衬层(13、23、33)均可以为波浪式或倾斜状。
41.其中，第一换能器1和第二换能器2之间的夹角为θ1，第二换能器2和第三换能器3之间的夹角为θ2，第一换能器1和第三换能器3之间的夹角为θ3，θ1、θ2和θ3均为15
°‑
165
°
，且θ1+θ2+θ3＝360
°
。
42.其中，第一换能器1、第二换能器2和第三换能器3的中心频率分别为f1、f2、f3，f1、f2、f3均为1
‑
30mhz之间。
43.本实施例中，第一换能器1、第二换能器2和第三换能器3均为单向发射背向有弱散射声场信号，空间声场在第一换能器1和第二换能器2的辐射方向的交叉处获得叠加增强，在第二换能器2背向和第三换能器3正向辐射方向的交叉处获得叠加增强，本实施例可以同时起到增强声场和增大声场作用范围的作用，可以获得辐射方向相互垂直的空间分布声场。通过改变换能器空间角度，可以调节空间叠加声场的空间位置。
44.在一种进一步优选的实施例中，θ1、θ2和θ3均为120
°
，三个换能器的频率均相同；参照图2，为本实施例中的空间绝对声压分布仿真结果图。
45.需要理解的是，其中
46.实施例2
47.本实施例与实施例1大部分相同，以下仅写明不同之处。
48.参照图3，本实施例中，与实施例1的不同之处主要在于：第一换能器1、第二换能器2和第三换能器3均不包括背衬层。本实施例中，第一换能器1、第二换能器2和第三换能器3均为单向发射，背向有散射声场信号，空间声场在第一换能器1和第二换能器2的辐射方向的交叉处获得叠加增强，在第二换能器2背向和第三换能器3正向辐射方向的交叉处获得叠加增强，本实施例也可同时起到增强声场和增大声场作用范围的作用，可以获得辐射方向相互垂直的空间分布声场。进一步优选的实施例中，θ＝120
°
，第一换能器1、第二换能器2和第三换能器3的中心频率均相同；参照图4，为本实施例中的空间绝对声压分布仿真结果图。
49.实施例3
50.本实施例与实施例1大部分相同，以下仅写明不同之处。
51.参照图5，本实施例中，与实施例1的不同之处主要在于：第一换能器1、第二换能器2和第三换能器3均不包括背衬层和匹配层，即各自只具有工作层。本实施例中，第一换能器1、第二换能器2和第三换能器3均为双向发射声场信号，空间声场在三个换能器两两之间的辐射方向的交叉处获得叠加增强，本实施例可以同时起到三处增强声场的作用，可以获得辐射方向夹角为θ的三处空间分布增强声场。进一步优选的实施例中，θ＝120
°
，第一换能器1、第二换能器2和第三换能器3的中心频率均相同；参照图6，为本实施例中的空间绝对声压分布仿真结果图。
52.实施例4
53.本实施例与实施例3大部分相同，以下仅写明不同之处。
54.参照图7，本实施例中，与实施例1的不同之处主要在于：第一、第二和第三换能器3的中心频率分别为为f1、f2、f3，且f1、f2、f3不同时相同。本实施例中，第一换能器1、第二换能器2和第三换能器3均为双向发射声场信号，空间声场在第一换能器1、第二换能器2和第三换能器3的辐射方向的交叉处获得叠加增强，本实施例可以同时起到三处增强混频声场的作用，可以获得辐射方向夹角为θ的三处空间分布增强混频声场，可以应用于不同深度的混频介入消融治疗，低频可以获得更高的穿透深度，对深层组织作用，高低频叠加区域可以获得更好的治疗效果。进一步优选的实施例中，θ＝120
°
；参照图8，为本实施例中的空间绝对声压分布仿真结果图。
55.实施例5
56.在本实施例中，3个换能器中的1个还具备成像功能，参照图9，第一换能器1、第二换能器2在下方辐射方向的交叉处获得叠加增强声场，第三换能器3具备成像功能，使用时，通过第一换能器1、第二换能器2得到的增强声场进行治疗，然后通过旋转180
°
，利用第三换能器3结合必要的外部超声成像设备对治疗部位进行成像，从而能实时观察治疗部位的治疗效果。
57.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地
实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。