新型三排多功能医疗超声探头设计

李晓晓，杨向 ，刘智操

(1.成都大学机械工程学院，四川 成都 610106;2.成都理工大学材料与化学化工学院，四川 成都 610059)

新型三排多功能医疗超声探头设计

李晓晓1，杨向1，刘智操2

(1.成都大学机械工程学院，四川 成都 610106;2.成都理工大学材料与化学化工学院，四川 成都 610059)

针对目前医疗领域的超声探头大多都是单排或双排结构，功能比较单一的情况，开发出了一种基于检测─治疗一体化原理，并具有三排结构的双频多功能新型超声探头，该探头能够完成在超声实时图像引导下的超声辐射力空间操控定点给药的功能.

医疗超声探头;三排结构;多功能

0 引言

超声检查结果的质量在很大程度上取决于探头的结构性能的优劣［1］.传统探头只具有探测功能，其结构和用途都比较单一，不具备准确治疗功能，在药物运输过程中没有特定目的地，降低了药物的疗效.基于此，本研究开发出了一种多功能医疗超声探头，其既能进行医疗检测，又能进行药物治疗.该新型探头的设计特点是将2排低频聚焦换能器和中间高频成像换能器以某一特定的角度分布于同一探头体内，使超声辐射力对药物微小颗粒在血管内的运动进行三维空间操控，从而实现“成像超声(检测)”和“辐射力超声(治疗)”的双模式同步进行.

1 三排探头设计原理

超声探头的功能部件主要是超声换能器，而超声换能器的声场驱动是通过电能和声能的相互转换来实现的.在三排探头实现给药治疗过程中，其基本原理是，声场中超声波对独特微小粒子进行控制，并对在血管中随着血液而全身流动的微小气泡进行驱赶并击破，以达到或实现治疗的目的.

实际上，超声微粒控制的实质是利用超声波形成一个螺旋状的声涡，螺旋状的声涡一般没有直接将气泡固定在主轴上某一固定位置的声场里的力场，但它的截面完整的力学声场可以实现对气泡的控制，但这只能适用在很小的微粒身上，比如像输液的微型气泡，很适合用来增加血管内的一些局部药物的运输，这只是单个换能器，如果结合几个换能器同时应用，并利用一些电子发射系统使它们的发射呈现出一定的顺序后，它们就会成为一种新的三维探头，使探头具备空间操控气泡的功能，突破一些医疗上的瓶颈［2］.

2 三排探头的设计及制作工艺

2.1 换能器结构与设计

考虑到粒子在空间声场的局限性等因素，以及换能器制作的难度，本研究决定将三排探头的中间排换能器设计为如图1所示结构.

图1 中间排换能器结构连接示意图

为了增加超声波的均匀性，换能器设计为128×2阵元.同时，为了使所有阵元的超声波都能均匀混合在一起，主阵元之间间隙要足够小［3］，本设计每个主阵元内部的小阵元之间的间隔kerf为0.03 mm，它们的picth也仅为0.15 mm，所有的阵元均成一列排开.

2个边排的换能器设计如图2所示.对于2个边排的换能器设计成64×6的阵列，每个阵元的前后左右之间的距离kerf均为0.135 mm，对于压电阵元，其面积越小，对超声波的反射信号解读就越精确，横向分辨率就越高［4］.特别在前端能量集中时，面积要求更小，但是阵元的面积又决定它的阻抗，面积越小阻抗越高，太小的面会导致无法实现电学匹配.所以，本设计阵元的长度为0.6～0.135 mm，宽度为1～0.135 mm.在这些阵元中，第一排与最后一排联系在一起，通入一个信号;将第二排与第五排联系在一起，通入一个信号;再将第三排与第四排放在一起通入一个信号，形成3种不同的信号，即1.5D换能器.

图2 左、右排的换能器结构连接图

2.2 三排探头的结构设计

为了在进行气泡驱逐时保持有相当大的声压场，取探头焦距为37.5 mm，通过在HIFU上施加高功率的激发后，产生比较大的声场.要实现三排的给药治疗功能即实现对血管中的药物微小气泡进行定向地控制与运输，就必须对探头实行聚焦，让它具有很强的聚焦效果［5］.三排探头的整体设计如图3所示，其聚焦焦点示意图如图4所示，尺寸示意图如图5所示.

图3 三排探头位置结构连接示意图

图4 三排探头位置聚焦示意图

图5 三排探头结构尺寸示意图

本设计的三排探头由并不完全相同的换能器组合而成，左右两边的是1.5D，而中间是1D.1D与1.5D连接如图6所示，聚焦对比图如图7所示.这3个换能器都是平面的阵列换能器.为了更强的聚焦，本设计将3个换能器在探头内部空间内以一定的角度进行安置，中间换能器进行平放，左右两边的换能器分别都以与中间换能器平面成8.75°的角度安放在中间换能器的左右两侧(见图3).三排探头的整体参数如下:

图6 1D(左)与1.5D(右)联接比较示意图

图7 1D与1.5D声场聚焦对比示意图

1)左右排探头:1.5D线阵;有效高度，6 mm;中心频率，1.5 MHz;阵元数，64;阵元中心间距，0.6 mm;脉冲回波，－6 dB;百分比带宽，≥50%.

2)中间排探头:1D线阵;有效高度，4 mm;中心频率，5.3 MHz;阵元数，128;中心间距，0.30 mm;脉冲回波，－6 dB;百分比带宽，≥75%;轴向聚焦深度，35 mm.

2.3 三排探头的制作工艺

对于探头而言，其功能主要由其结构设计决定，而其性能却由其加工工艺方法来保证，所以探头的制作比其设计更为重要［6］.在探头的制作过程中需要大量灌胶，通过固化胶来对所有的组成件进行连接使它成为一个整体，这就要求在灌胶时不能产生气泡(见图8).如果背衬里面产生气泡就会影响到背衬的阻抗，背衬的吸收反射超声波的效果大打折扣，就会出现很多超声波又被反射回来，继而影响检测结果，如果是晶片与背衬之间或者匹配层之间的胶体在固化时候出现这些气泡，则会影响甚至阻断超声波在探头里的传递，进而影响到相关的图像质量.

图8 探头制作时气泡示意图

在三排探头制作过程中，最主要是精确定位的问题，因为换能器的定位将直接影响到焦距的定位，同时也对声场辐射力的能量分布产生重要的影响，继而影响到对药物运输治疗的效果.在制作中间排和左右两排的换能器时，分别设计使用了如图9所示的夹具，以保证其制作精度.

图9 左、右制作探头夹具示意图

同时，在制作整个三排探头时采取了如图10的结构，使3个换能器以特定角度和姿势固定.对于三排的定位最重要的是位置精度，采用在前后挡板上自上而下加工一道槽，让压板能自由进行上下移动而不会在水平方向上产生位移和角度.为了保证三排在受到向下的压力而不发生侧翻，将压板设计成倒V形状，考虑到灌胶的方便性，切去中间部分，在三排定位的时侯考虑到它特殊的角度，并把底板也做成了如图11所示的形状.探头的最终制作如图12所示.

图10 三排探头定位夹具示意图

图11 定位装置夹具底板示意图

图12 三排探头的制作示意图

3 结语

超声声场的形成原理和特征是超声换能器应用的理论基础，也是超声换能器和探头设计的理论依据.本研究设计的三排探头的原理就是让3个不同的换能器以某一特定角度位置分布在同一探头中，并利用它们各自产生的声场进行叠加，形成一个具有聚焦功能的复合声场，再利用这个特殊的复合声场来实现超声探头的集成像—运输—治疗为一体的功能.

本研究利用粒子操控理论分析了超声声场对微粒的控制，为多排探头的声场叠加实现微泡的空间控制提供依据.设计出了三排探头的位置结构图以及相关的换能器的结构示意图和它们之间的连接结构，包括三排探头所对应的各个参数;为保证探头的顺利制作，分析了探头制作过程的关键环节并成功制作了相应的精密夹具.

［1］张海澜，林伟军，王秀明，等.医学超声成像波束形成技术的演变［J］.中国医学影像技术，2010，26(7):1395－1398.

［2］周金娟.高输出性能超声换能器结构设计及仿真实验研究［D］.南京:南京航空航天大学，2012.

［3］刘智操.基于复合压电材料的三排超声多功能探头的设计［D］.成都:成都理工大学，2014.

［4］郝淑娟.用于医学超声诊断的新型阵列超声换能器的宽带基阵设计方法［D］.西安:陕西师范大学，2007.

［5］刘仕远，万升云，姚荣文，等.超声波探头性能检测多功能试块的设计与应用［J］.轨道交通装备与技术，2013，(6):23－25.

［6］李存霞，姬瑞海.机床夹具设计与应用［M］.北京:清华大学出版社，2012.

Design of New Type of Three-row Multi-functional Medical Ultrasound Probe

LI Xiaoxiao1，YANG Xiangjun1，LIU Zhicao2
(1.School of Mechanical Engineering，Chengdu University，Chengdu 610106，China;2.College of Materials，Chemistry and Chemical Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

Now the ultrasound probes in the medical field mostly have single-or double-row structures.Their functions are relatively simple.This paper develops one new type of double-frequency multifunctional ultrasonic probe with three-row structure based on the detection-treatment integration theory.This probe can control the designated-point drug delivery in the ultrasonic radiation space led by the ultrasound real-time image.

medical ultrasound probe;three-row structure;multi-function

TH776

A

1004－5422(2015)01－0080－04

2015－01－15.

李晓晓(1987—)，男，硕士研究生，从事机械结构仿真设计与分析研究.