[发明专利]一种高强度聚焦超声换能器阵列

说明书

技术领域

本发明涉及利用逆压电效应的超声振动高强度声场输出领域，具体来说，涉及一种应用于高强度聚焦超声肿瘤治疗的高强度聚焦超声换能器阵列。

背景技术

随着超声技术的发展，强功率声波在空气中的应用日趋广泛。在生物医学工程、超声医疗技术等领域，为了得到较高强度声场，目前多采用曲面有源自聚焦、声透镜聚焦、多元阵列自聚焦、相控阵聚焦等方式，这几种高强度声场的获取方式在多个生产领域均有应用，能够基本满足生产应用的需要，但是也存在一些不足，曲面有源自聚焦和声透镜聚焦方式，超声能量转化率低、聚焦声功率小，尤其是曲面有源自聚焦还存在加工难度大，成本较高等问题，多元阵列自聚焦和相控阵聚焦虽然聚焦声功率大，但也存在超声能量转化率低、功耗高、体积大、不便于移动等问题。

高强度聚焦超声相控阵是相控型高强度聚焦超声肿瘤治疗系统的关键部件之一。通过调控其中任意阵元的激励相位和幅度，可以实现体外超声在人体内汇聚于一个或多个焦点，在靶区内形成高强声场区域，进而使焦点处的非正常组织细胞在很短时间内迅速升温(5～10秒内温度达65℃以上)而凝固性坏死，而焦点外的正常组织仅有少量能量沉积而损伤不大。但在实际的手术作业过程中，如果各个超声能量单元之间的距离较大，空间分布不够紧凑，电子聚焦和扫描时容易产生较大的旁瓣，可能导致靶区外正常组织被过度加热，危害病人正常组织健康。

为了克服以上高强度声场获取技术的不足，公开号为CN1775327的专利文献公开了一种阵元呈环形密集分布的高强度聚焦超声球面相控阵，该相控阵由一个大孔径刚性球冠体和若干个离散分布的阵元组成，球冠体的中央圆孔为超声定位装置的检测探头提供安装空间，所有阵元离散地分布在以球冠体中心为原点的若干层同心环上，各环层之间的角间距相等，每一层同心环的起始阵元位置随机而定，其余阵元则相继按等角间距均匀地分布在同心环上，各个阵元均有独立的电激励信号馈线，分别连接至相控信号激励系统。”该相控阵由于在球冠体的中央圆孔内安装了超声定位装置的检测探头，导致声束轴上聚焦时的焦点能量不集中，同时聚焦点位置偏移声束轴的距离(即焦点扫描范围)受到限制，影响该换能器的治疗范围；另外各阵元分部采取各环层之间的角间距相等，导致内环层的相邻阵元环间距比外环层的相邻阵元环间距大，相控阵聚焦时产生的旁瓣要比相同条件下阵元呈密集排布的相控阵大，影响聚焦效果。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有夹心式结构超声换能器的高强度聚焦超声换能器阵列，用于MRI引导的相控型高强度聚焦超声系统，本发明包括一个球冠型刚性支撑架和若干个联接在球冠型刚性支撑架上的超声换能器。

超声换能器包括螺栓、后盖板、压电陶瓷片、电极片、变幅杆、转换套筒、振动板和粘接在振动板上的耦合层。后盖板和变幅杆通过螺栓将依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和变幅杆联接夹紧，构成了超声换能器阵列的能量转换部分，将激励电源输出的激励电源信号转换为超声换能器变幅杆前端的超声振动能量。另外变幅杆上设置有和球冠型刚性支撑架联接用的法兰盘。转换套筒通过焊接或螺纹联接设置在变幅杆的前端，或者转换套筒和变幅杆制造成一个整体零件，振动板通过焊接或者粘接设置在转换套筒的前端，耦合层粘接在振动板的前端，耦合层的材料为泡沫塑料或环氧树脂。能量转换部分产生的纵向振动经转换套筒传递到振动板后转换为振动板和耦合层的弯曲振动，弯曲振动是超声波最易于与空气耦合传播的振动形式之一，有利于超声振动能量从振动板到空气的传播，另外振动板前端粘贴的耦合层提高了超声振动能量从振动板到空气的透射系数，更有利于振动板前方高强声场的实现。振动板和耦合层的弯曲振动固有频率和超声换能器纵向振动固有频率一致，当超声换能器的电极片接入激励电源的电信号后，超声换能器工作在其固有频率点，超声换能器系统形成共振，振动板和耦合层的弯曲振动振幅达到最大。

球冠型刚性支撑架上设置有若干个供安装超声换能器的孔，球冠型刚性支撑架的曲率半径R＝L1+L2+L3，其中L1为该相控阵的聚焦最小深度，L2为该相控阵的轴向扫描范围，L3为超声换能器中耦合层到固定法兰盘之间的距离，球冠型刚性支撑架的f值满足0.70≤f值≤0.85，其中f值为刚性支撑架球冠的曲率半径R与球冠底部直径D之比。