用于胸腔部位经肋体外成像的聚焦超表面超声换能器

本发明涉及医学图像，更具体地，涉及一种用于胸腔部位经肋体外成像的聚焦超表面超声换能器。

背景技术：

1、在胸腔部位超声成像及治疗过程中，有时会遇到超声传播路径上有肋骨存在的情况，由于骨骼与组织之间的声阻抗有巨大差异，以及骨骼有非常高的超声吸收系数，因此在这种情况下，肋骨会吸收超声的能量，影响焦点处超声能量的聚焦，降低成像质量及治疗效率。

2、对于医学领域广泛应用的聚焦超声换能器，通常使用的声聚焦方法是几何曲面聚焦，通过加工冠状或者半球状压电陶瓷来实现，制作工艺较为复杂，制作出的聚焦换能器有较为明显的旁瓣效应。此外，由于换能器的谐振频率跟晶片厚度有关，对大面积压电材料进行加工会造成较大误差，从而影响其发射效率。在临床上应用于对胸腔部位疾病进行成像或者治疗时，由于肋骨的存在引起的“狭窄声窗效应”，声场发生了强烈的衍射，使得声场发生畸变，而且肋骨具有很强的声衰减能力，声波几乎无法从肋骨中穿透过去，只能从肋骨之间的缝隙中穿透过去，致使声能量衰减，严重影响成像质量及治疗效率。另一种现有方案是采用电子相控阵聚焦的方式来控制多阵元换能器，可以灵活的控制声场能量分布，在不使用机械移动装置的情况下，也能够通过改变各个阵元的激励信号而自由移动声场焦点的位置。尽管在经肋骨应用中，多阵元换能器有很大的优势，可以灵活地控制各个阵元的输出来关闭被肋骨遮挡的阵元，但这需要复杂的算法支持。

3、在现有技术中，专利申请cn201520291514.7公布了一种用于经肋骨超声体外治疗的超声波治疗仪，通过设计换能器的几何结构，使其符合人体骨骼结构，不同的形状对应不同器官部位，以此来避免肋骨的影响。但这种方案在实际应用中需要根据每个病人自身情况来进行精细化设计，耗时耗力，不具备时效性。

4、综上，现有的聚焦超声换能器在对胸腔受肋骨遮挡部位进行治疗或者成像时，受到肋骨影响，声场发生散射，聚焦效率较低。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于胸腔部位经肋体外成像的聚焦超表面超声换能器。该超声换能器包括外壳、匹配层、背衬层、声源层和艾里波束聚焦超表面，其中：

2、所述声源层基于压电效应产生超声波；

3、所述匹配层用于将超声波传递至目标物体；

4、所述背衬层用于控制超声换能器的振动；

5、所述外壳是超声换能器内部材料的支持体，并用于固定电缆引线；

6、所述艾里波束聚焦超表面包含采用第一种材料制备的多个同心圆环，同心圆环之间采用第二种材料填充，并且利用第一种材料和第二种材料的声速差在表面形成相位差以产生艾里波束，进而形成聚焦声束。

7、根据本发明的第二方面，还提供一种上述超声换能器的制备方法。该方法包括以下步骤：

8、利用第一种材料，制备初始的艾里波束聚焦超表面，包含多个同心圆环；

9、将第二种材料融化后填充在同心圆环之间，通过设定高温抽真空去除气泡，并在该设定高温下压平所述同心圆环，形成艾里波束聚焦超表面；

10、在所述艾里波束聚焦超表面上添加匹配层，进而添加声源层；

11、将所述艾里波束聚焦超表面、所述匹配层和所述声源层进行粘合；

12、对所述声源层进行引线后放入外壳中，并向该外壳中注入背衬层材料。

13、与现有技术相比，本发明提供一种可发出无衍射且可自愈波束的超表面聚焦超声换能器，可发出艾里声束，并且声束经过肋骨后可以进行自愈，无需复杂算法干预即可实现经肋骨超声成像或治疗，并提高了聚焦效率。

14、通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

技术特征：

1.一种用于胸腔部位经肋体外成像的聚焦超表面超声换能器，包括外壳、匹配层、背衬层、声源层和艾里波束聚焦超表面，其中所述声源层基于压电效应产生超声波；所述匹配层用于将超声波传递至目标物体；所述背衬层用于控制超声换能器的振动；所述外壳是超声换能器内部材料的支持体，并用于固定电缆引线；所述艾里波束聚焦超表面包含采用第一种材料制备的多个同心圆环，同心圆环之间采用第二种材料填充，并且利用第一种材料和第二种材料的声速差在表面形成相位差以产生艾里波束，进而形成聚焦声束。

2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述艾里波束聚焦超表面根据以下公式设计：

3.根据权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，所述艾里波束聚焦超表面通过3d打印获得，并根据以下公式确定同心圆环的高度：

4.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述艾里波束聚焦超表面还包含与同心圆环匹配的圆形基底。

5.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，对于所述艾里波束聚焦超表面，在同心圆环之间还设有链接块。

6.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，第一种材料是红蜡树脂、聚乳酸或abs树脂，第二种材料是乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。

7.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述匹配层采用石英玻璃制备，厚度是石英玻璃中波长的四分之一。

8.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述声源层采用压电陶瓷或者单晶材料制备。

9.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述背衬层的材料是钨粉与环氧树脂的混合物，比例为1：3。

10.一种根据权利要求1至9任一项所述的超声换能器的制备方法，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种用于胸腔部位经肋体外成像的聚焦超表面超声换能器。该超声换能器包括外壳、匹配层、背衬层、声源层和艾里波束聚焦超表面，其中所述声源层基于压电效应产生超声波；所述匹配层用于将超声波传递至目标物体；所述背衬层用于控制超声换能器的振动；所述外壳是超声换能器内部材料的支持体，并用于固定电缆引线；所述艾里波束聚焦超表面包含采用第一种材料制备的多个同心圆环，同心圆环之间采用第二种材料填充，并且利用第一种材料和第二种材料的声速差在表面形成相位差以产生艾里波束，进而形成聚焦声束。本发明无需复杂算法干预即可实现经障碍物遮挡的超声成像，并提高了聚焦效率。

技术研发人员：郭师峰,姜超,李叶海,曹欢庆,冯伟
受保护的技术使用者：中国科学院深圳先进技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27