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CN119138921A - 用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器 - Google Patents

用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器 Download PDF

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陈建中
吴一冉
张哲�
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Abstract

本发明涉及柔性超声换能器技术领域，公开了一种用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器。旨在解决现有技术中阵元密度低，使得声波传输的能量有限，成像效果分辨率较低，且无匹配层或者匹配层被遮挡，在分析超声换能器时会带来较大的误差，不符合KLM模型，无法实现高效率超声波能力传输，导致超声换能器带宽低，分辨率低，难以实现高质量成像的技术问题。本发明柔性可穿戴超声换能器由上至下依次设置电极衬底、背衬层、压电层、第一匹配层、贴片、第二匹配层；增强声学功能，开发一种高密度、匹配层无遮挡、高带宽可实现二维和三维多维度成像的大范围曲率适形的柔性超声换能器，可用于乳腺囊肿长时间的持续筛查。

Description

用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器
技术领域
本发明涉及柔性超声换能器技术领域，尤其涉及一种用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器。
背景技术
超声换能器是一种机械能和声能相互转换的装置，广泛应用于医学成像、无损检测等领域。传统超声换能器一般采用刚性材料制成，虽然具有较高的机械强度和稳定的换能性能，但在一些特定应用场合存在一定的局限性。在医学成像中，为了获得高质量的图像，超声换能器需要紧密贴合人体表面。由于人体表面存在复杂的曲面结构，刚性换能器难以实现良好的贴合，影响成像效果。
柔性超声换能器的出现为解决这些问题提供了新的途径。柔性超声换能器采用柔性材料制成，具有良好的机械柔韧性和形变适应性，能够更好地贴合复杂曲面和不规则表面，从而显著提升应用效果。然而，现有的柔性超声换能器在设计和制造方面仍存在诸多可改进的地方。
现有技术中的中国专利文献：202210770771.3中公开了一种柔性超声线阵换能器。所述柔性超声线阵换能器包括柔性背衬层、柔性匹配层和介于柔性背衬层与柔性匹配层之间的压电层；所述压电层包括柔性匹配层侧的信号电极柔性电路板、柔性背衬层侧的地电极柔性电路板、介于信号电极柔性电路板和地电极柔性电路板之间的多个压电阵元；所述压电阵元之间配置填充有柔性隔离材料的间隙。
但上述方案在实施过程中，至少存在如下技术问题：现有的柔性超声换能器大多阵元密度低，使得声波传输的能量有限，成像效果分辨率较低，且均存在无匹配层或者匹配层被遮挡的问题，这种处理方法在分析超声换能器时会带来较大的误差，不符合KLM模型，无法实现高效率超声波能力传输，导致相比于传统超声换能器带宽低，分辨率低，难以实现高质量成像。因此，亟需提出一种用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器。
发明内容
鉴于以上技术问题，本公开提供了一种用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器，解决了现有技术中阵元密度低，使得声波传输的能量有限，成像效果分辨率较低，且无匹配层或者匹配层被遮挡，在分析超声换能器时会带来较大的误差，不符合KLM模型，无法实现高效率超声波能力传输，导致超声换能器带宽低，分辨率低，难以实现高质量成像的技术问题。
根据本公开的一个方面，提供一种用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器，由上至下依次设置电极衬底、背衬层、压电层、第一匹配层、贴片、第二匹配层；电极衬底包括聚酰亚胺薄膜，以实现机械支持，所述聚酰亚胺薄膜下部设置铜膜，以实现电路连接；所述背衬层包括导电的E-solder 3022双组分银胶；所述压电层为PZT-5H压电陶瓷材料切割的1-3复合材料，所述压电层包括若干个阵元，所述阵元包括底电极和上电极；第一层匹配层为环氧树脂和银粉制备的导电匹配层，所述导电匹配层与所述铜膜连接形成信号电极；所述贴片包括三个软探头模块，所述三个软探头模块包括一个面阵，所述面阵两侧经铰链连接两个左右对称的线阵；第二层匹配层为纯环氧树脂。
在本公开的一些实施例中，所述铜膜厚度为10μm。
在本公开的一些实施例中，所述背衬层厚度为 700μm，以吸收声波增强轴向分辨率。
在本公开的一些实施例中，所述压电层厚度为260μm，所述阵元宽度为86μm，相邻压电材料之间切缝的间隔为24μm，体积分数为61.12%。
在本公开的一些实施例中，所述银粉直径为5μm，第一层匹配层厚度为74μm。
在本公开的一些实施例中，第二层匹配层厚度为127μm，以直接接触皮肤。
在本公开的一些实施例中，所述线阵与面阵的阵列间距为0.47 mm，所述线阵与面阵之间使用8个长度为4mm的蛇形铰链相互连接，所述蛇形铰链连接背衬层形成接地电极。
在本公开的一些实施例中，所述线阵包括32个通道组成的柔性线性阵列。
在本公开的一些实施例中，所述面阵包含64个通道。
在本公开的一些实施例中，每个通道包括串联连接的12个阵元，所述阵元为有源元件。
在本公开的一些实施例中，所述阵元的上下两面分别配置8条地线和8条阵元线。
本发明的有益效果在于：
1.贴片设计符合乳房的多种曲率，用于超声成像和囊肿评估，实现了与皮肤直接接触的高密度、无遮挡匹配层、柔性超声网格阵列，保证了声波的高效传输，粘弹性复合层平衡了探头-皮肤界面处的杨氏模量，并确保了与人体保形接触的稳定机械支撑。
2.可用于乳腺囊肿长时间的持续筛查；高带宽实现二维和三维多维度成像的大范围曲率适形；贴片可以有效地衰减旁瓣栅瓣，从而产生更好的空间分辨率，软探头可以适应更大的曲率和体积范围，以满足紧密、无负荷的磨损要求。
3.行列寻址电路可以通过极少电路实现更多通道控制方式，可以通过2N个电极实现N2个激活模式，大大简化了可穿戴的柔性超声换能器电路系统，更加复合可穿戴设备的轻量化和高柔性。寻址激活任意阵元的设计可以实现定制化声场，该装置通过该方法实现“NUAA”字母声场效果，并由水听器采集。
4.压电层有效降低声阻抗，有效的匹配层可以和皮肤外界面进行完美的声阻抗匹配，有效提高声波传输效率使更多的声波可以穿透进人体皮肤里以提高成像质量。背衬层可以有效吸收声波增强轴向分辨率。
5.探头保证电气和机械互连的基础上实现匹配层无遮挡物的效果，从而使超声波在传输的过程中不受遮挡物的影响，更多的声波可以传输出去，并且采用刚性背衬同步切割的方式，提高柔性探头的背衬。其次粘弹性复合层具有接近皮肤的弹性模量，为探头提供了一个兼容平台，以提高机械顺应性和耐用性，降低阵元之间的串扰。高密度阵列元素的匹配层直接附着在皮肤上，促进高质量成像。3模块软探头可以用于曲面，提供大深度、多角度的成像视场，可以实现二维和三维多维度成像。
6.本发明具有81.51%的-6dB高带宽和-61.9 dB的低串扰。轴向和横向分辨率分别为0.38 mm和0.55 mm，可用于舒适的佩戴，并具有广角和多维成像能力，有助于乳腺癌囊肿长时间、持续筛查。
附图说明
图1为用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器结构示意图；
图2为底电极结构示意图；
图3为上部电极结构示意图；
图4为穿戴式柔性超声换能器实物图；
图5为穿戴式柔性超声换能器局部放大图；
图6为5mm液体囊肿成像图；
图7为6mm实性囊肿成像图；
图8为成像囊肿轴向和横向尺寸对比图；
图9为两个1.5mm微钙化模拟物和不同弹性模量囊肿边界成像图；
图10为R = 50 / 60mm幻影组乳腺导管未扩张和扩张成像图。
图中各部件名称：1、聚酰亚胺薄膜；2、铜膜；3、背衬层；4、1-3复合材料；5、第一层匹配层；6、贴片；7、第二匹配层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本例公开一种用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器，参见图1至图10；由上至下依次设置电极衬底、背衬层3、压电层、第一匹配层5、贴片6、第二匹配层7；电极衬底包括聚酰亚胺薄膜1，以实现机械支持，所述聚酰亚胺薄膜1下部设置铜膜2，以实现电路连接；所述背衬层3包括导电的E-solder 3022双组分银胶；所述压电层为PZT-5H压电陶瓷材料切割的1-3复合材料4，所述压电层包括若干个阵元，所述阵元包括底电极和上电极；第一层匹配层5为环氧树脂和银粉制备的导电匹配层，所述导电匹配层与所述铜膜连接形成信号电极；所述贴片6包括三个软探头模块，所述三个软探头模块包括一个面阵，所述面阵两侧经铰链连接两个左右对称的线阵；第二层匹配层7为纯环氧树脂。
所述铜膜2厚度为10μm。
所述背衬层3厚度为 700μm，以吸收声波增强轴向分辨率。
所述压电层厚度为260μm，所述阵元宽度为86μm，相邻压电材料之间切缝的间隔为24μm，体积分数为61.12%。
所述银粉直径为5μm，第一层匹配层厚度为74μm。
第二层匹配层7厚度为127μm，以直接接触皮肤。
所述线阵与面阵的阵列间距为0.47 mm，所述线阵与面阵之间使用8个长度为4mm的蛇形铰链相互连接，所述蛇形铰链连接背衬层形成接地电极。
所述线阵包括32个通道组成的柔性线性阵列。
所述面阵包含64个通道。
每个通道包括串联连接的12个阵元，所述阵元为有源元件。
所述阵元的上下两面分别配置8条地线和8条阵元线。
基本结构：本发明柔性超声换能器贴片由三个软探头模块组成，采用两个高密度的线阵和一个面阵相结合的方式组成阵列，阵列间距为0.47 mm，有128个通道，可以有效地衰减旁瓣栅瓣，从而产生更好的空间分辨率。它们之间使用8个长度为4mm的蛇形铰链相互连接，如图1所示。这种软探头可以适应更大的曲率和体积范围，以满足紧密、无负荷的磨损要求。两个线阵具有对称的结构，是由32通道的柔性线性阵列，每12个有源元件串联成一个通道。
电路方法：面阵包含64个通道，采用行-列寻址电路实现二维阵列配置，在阵元上下两面分别配置8条地线和8条阵元线，可以通过任意一行电极和垂直的一列电极激活64阵元中任意对应交叉的点阵元。相比于传统的柔性电路板，行列寻址电路设计的目的可以通过极少电路实现更多通道控制方式，可以通过2N个电极实现N2个激活模式，大大简化了可穿戴的柔性超声换能器电路系统，更加复合可穿戴设备的轻量化和高柔性。寻址激活任意阵元的设计可以实现定制化声场，该装置通过该方法实现“NUAA”字母声场效果，并由水听器采集。
压电层制备：压电层使用PZT-5H材料，厚度打磨至260μm，切割成1-3复合材料，阵元宽度为86μm，切缝为24μm，体积分数高达61.12%。这种结构有效降低声阻抗，然而仍就难以匹配到人体1.5Mrayl阻抗值。根据KLM等效电路模型，有效的匹配层可以和皮肤外界面进行完美的声阻抗匹配，有效提高声波传输效率使更多的声波可以穿透进人体皮肤里以提高成像质量。该柔性超声换能器贴片采用双层匹配层的设计，第一层匹配使用环氧树脂和直径为5μm银粉制备成导电匹配层厚度为74μm，第二层匹配直接接触皮肤，由纯环氧树脂制备厚度为127μm。背衬层可以有效吸收声波增强轴向分辨率，由导电的E-solder 3022制备厚度为 700μm。
电极制备和连接：电极衬底由聚酰亚胺薄膜和一层10μm铜模组成，通过激光切割制备，一部分制备成带有孔槽的衬底，一部分加工成蛇形铰链，其中由铜膜实现电路连接，聚酰亚胺层实现机械支持。阵元块设计切成割小块时，压电块的匹配层略大，以‘钉子形状’通过过盈配合的方式固定在基板上。信号电极由衬底上的铜膜层和导电层银-环氧树脂匹配层连接，而地线电极通过背衬块上的蛇形铰链相互连接。设计的粘弹性复合层为探头提供了一个兼容平台，灌装进封装后的阵列凹槽内实现封装以提高耐用性，在贴近皮肤一面使用镀膜机沉积一层厚度为5 μm的Parylene薄膜。
本发明的柔性矩阵的制备方法,包括以下步骤：激光直刻系统(ProtoLaser U3,LPKF)加工柔性超声换能器的信号电极和接地电极;划片机(DAD323, DISCO Corporation)微切割完成的压电块；柔性超声贴片上下电极层粘合固化。
柔性超声换能器阵列工作方式如下：
模块1行列寻址式柔性可拉伸超声换能器阵列工作方式：
每行压电阵元的底电极都与行阵列电学导通，每列压电阵元的上电极都与列阵列电学导通；
激励一个行接线盘和一个列接线盘，即可激励该行、列接线盘所对应的压电阵元使其工作；
激励一个行接线盘和所有列接线盘，即可激励该行所有压电阵元使它们工作；
激励所有行接线盘和列接线盘，即可激励所有压电阵元使它们工作。
模块2和模块3线阵超声换能器阵列工作方式：
每列压电阵元都排列在一条直线上，换能器单元通过组控制实现工作状态；
激励一个接线盘，即可激励该接线盘所对应的一列压电阵元，使其工作；
激励多个接线盘，即可激励这些接线盘所对应的多列压电阵元，使它们工作；
激励所有接线盘，即可激励所有压电阵元，使它们工作。
尽管已描述了本发明的一些优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器，其特征在于：由上至下依次设置电极衬底、背衬层、压电层、第一匹配层、贴片、第二匹配层；电极衬底包括聚酰亚胺薄膜，以提供机械支持，所述聚酰亚胺薄膜下部设置铜膜，以实现电路连接；所述背衬层包括导电的E-solder 3022双组分银胶；所述压电层为PZT-5H压电陶瓷材料切割的1-3复合材料，所述压电层包括若干个阵元，所述阵元包括底电极和上电极；第一层匹配层为环氧树脂和银粉制备的导电匹配层，所述导电匹配层与所述铜膜连接形成信号电极；所述贴片包括三个软探头模块，所述三个软探头模块包括一个面阵，所述面阵两侧经铰链连接两个左右对称的线阵；第二层匹配层为纯环氧树脂。
2.如权利要求1所述的用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器，其特征在于：所述铜膜厚度为10μm。
3.如权利要求1所述的用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器，其特征在于：所述背衬层厚度为 700μm，以吸收声波增强轴向分辨率。
4.如权利要求1所述的用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器，其特征在于：所述压电层厚度为260μm，所述阵元宽度为86μm，相邻压电材料之间切缝的间隔为24μm，体积分数为61.12%。
5.如权利要求1所述的用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器，其特征在于：所述银粉直径为5μm，第一层匹配层厚度为74μm。
6.如权利要求1所述的用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器，其特征在于：第二层匹配层厚度为127μm，以直接接触皮肤。
7.如权利要求1所述的用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器，其特征在于：所述线阵与面阵的阵列间距为0.47 mm，所述线阵与面阵之间使用8个长度为4mm的蛇形铰链相互连接，所述蛇形铰链连接背衬层形成接地电极。
8.如权利要求1所述的用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器，其特征在于：所述线阵包括32个通道组成的柔性线性阵列。
9.如权利要求1所述的用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器，其特征在于：所述面阵包含64个通道组成的柔性线性阵列。
10.如权利要求1所述的用于乳腺囊肿筛查的穿戴式柔性超声换能器，其特征在于：每个通道包括串联连接的12个阵元，所述阵元为有源元件；所述阵元的上下两面分别配置8条地线和8条阵元线。
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