一種血管內(nèi)超聲聚焦診斷儀及聚焦換能器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及血管內(nèi)超聲診斷儀，特別涉及一種血管內(nèi)超聲聚焦診斷儀及聚焦 換能器。
【背景技術(shù)】
[0002] 血管內(nèi)超聲診斷儀是用以診斷心血管或外圍血管的阻塞情況的最為有效的超聲 診斷儀器；被稱為是分析心血管或外圍血管的阻塞情況的"金標(biāo)準(zhǔn)"。它可以定量地檢測 阻塞截面的距離位置和范圍大小等等。由于血管管壁由血管壁從管腔面向外依次由內(nèi)膜 (tunica intima)、中膜（tunica media)和外膜（tunica adventitia)組成，血管內(nèi)超聲診 斷儀還可以用來分析血管管壁的病變情況。
[0003] 血管內(nèi)徑僅在毫米到厘米的范圍。為了分析血管堵塞和管壁的病變，需要高分辨 率的血管內(nèi)超聲診斷儀。目前血管內(nèi)超聲診斷儀的工作頻率在40MHz，其縱向和橫向分辨 率大約分別在100微米和400微米左右。提高儀器的工作頻率，可以提高檢測的分辨率，但 是，同時也會減小儀器的檢測范圍（距離）和增加由于血管內(nèi)的環(huán)境對信號的散射，導(dǎo)致減 低儀器的檢測信噪比。 【實用新型內(nèi)容】
[0004] 本實用新型針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出一種血管內(nèi)超聲聚焦診斷儀及 聚焦換能器，利用超聲聚焦技術(shù)，顯著提高了血管診斷儀的分辨率，解決了現(xiàn)有技術(shù)中為了 提高分辨率而使檢測信噪比降低的問題。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本實用新型是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0006] 本實用新型提供一種血管內(nèi)超聲聚焦診斷儀，其包括：超聲導(dǎo)管、回撤/驅(qū)動裝置 以及電子成像系統(tǒng)。所述超聲導(dǎo)管的前端安裝有血管內(nèi)超聲聚焦換能器，后端連接所述回 撤/驅(qū)動裝置；所述回撤/驅(qū)動裝置另一端連接所述電子成像系統(tǒng)，所述電子成像系統(tǒng)上裝 載有重建圖像的電子部件，所述血管內(nèi)超聲聚焦換能器的孔徑為〇.3_~2_，其對發(fā)射的 超聲信號進(jìn)行聚焦，減小了超聲信號的指向角因子，并減小了散射體積。
[0007] 本實用新型的血管內(nèi)超聲聚焦換能器為微型超聲傳感器，能夠進(jìn)入血管內(nèi)部，對 血管內(nèi)部病變進(jìn)行探測。所述回撤/驅(qū)動裝置先經(jīng)導(dǎo)絲將超聲導(dǎo)管送至靶病變部位遠(yuǎn)端， 然后緩慢回撤超聲導(dǎo)管進(jìn)行超聲檢查，就可以在電子成像系統(tǒng)的顯示屏上看到一系列的血 管橫斷面圖像，輔助臨床醫(yī)生對血管內(nèi)病變進(jìn)行診斷。
[0008] 目前常用的血管內(nèi)超聲導(dǎo)管的設(shè)計主要有兩種：機械旋轉(zhuǎn)式和電子相控陣式。機 械旋轉(zhuǎn)式是通過單個陣元的換能器在360度范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，并發(fā)射超聲波，同時將血管截 面反射回的聲波采集，通過圖像處理，得到血管橫截面圖像，此時回撤裝置將兼有驅(qū)動換能 器旋轉(zhuǎn)的功能。電子相控陣式的換能器呈圓柱形排列，無需旋轉(zhuǎn)，利用電子延遲激勵的方 法，將血管截面反射回的聲波采集，圖像處理后得到血管橫截面圖像。
[0009] 與這兩種設(shè)計相對應(yīng)的換能器有兩種，分別為：（1)單波束的平面換能器（如圖1 所示）；(2)圓柱形陣列的換能器（如圖2所示）。
[0010] 單波束的平面換能器通常由背襯材料，壓電材料和匹配層組成，背襯材料，壓電材 料和匹配層都可以是僅僅一層或多層復(fù)合而成，以得到所需要的性能要求。圓柱形陣列的 換能器是由多個單元組成的圓柱狀換能器陣列組成，圓柱狀換能器的中心是背襯材料和適 當(dāng)?shù)碾娮悠骷瑮l狀的各個單元按一定的聲學(xué)要求分布在圓柱面上。
[0011] 現(xiàn)有的這兩種換能器的波束在探測的方向上都沒有聚焦的功能。聲波在探測的傳 播方向上只有一個近場和遠(yuǎn)場的自然分界面。因此，圖像的橫向分辨率取決于波束的自然 帶寬，沒有聚焦的波束的自然帶寬較寬，其分辨率較低。本實用新型的超聲聚焦換能器的聲 波為聚焦聲波，自然帶寬窄，因此，其分辨率高，即提高了血管診斷儀的分辨率。
[0012] 醫(yī)療超聲檢測的聲強度定義為單位面積上的聲能量，即等于總能W和波束面積的 比：

[0014] 顯然，對于給定的聲功率，減小波束面積S，便能增加聲強度I，從而提高成像檢測 的信噪比。
[0015] 對于給定的空間角(1Ω，超聲散射聲強度是 對 空間的體積積分。其中Sv是體積散射系數(shù)。dv是散射體積元，定義為
其 中：r是超聲換能器到目標(biāo)的距離，c是聲速，τ是脈沖長度；b(&灼和b'〇9,州分別為發(fā)射 和接收的指向角因子，其原理如圖3所示。
[0016] 不難看出，減小指向角因子說的，將直接提高成像檢測的分辨率?，F(xiàn)有 的提高血管內(nèi)超聲檢測分辨率的方法，為通過提高儀器的工作頻率來實現(xiàn)。提高儀器的工 作頻率減小了指向角因子和!y(久㈧。但是隨工作頻率的升高，體積散射系數(shù)Sv成指 數(shù)關(guān)系增加，這將增加血管內(nèi)的環(huán)境對信號的散射，導(dǎo)致儀器的檢測信噪比降低，從而降低 了儀器的探測范圍。
[0017] 本實用新型的超聲聚焦換能器不僅減小了指向角因子b(武的和b'沙#)，提高了 成像檢測的分辨率；同時也減小了散射體積dv，降低了血管內(nèi)環(huán)境（血小板等）的散射強 度，從而提高了成像檢測的信噪比（信號散射噪聲比），提高了成像的清晰度，即圖像的質(zhì) 量，同時也提高了診斷儀的探測范圍。
[0018] 本實用新型聚焦超聲技術(shù)的實現(xiàn)按實現(xiàn)的方法可分為：（1)機械結(jié)構(gòu)聚焦；(2)電 子聚焦。機械結(jié)構(gòu)聚焦又可以分為整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)聚焦和聲透鏡聚焦。較佳地，所述超聲聚 焦換能器包括依次緊密連接的背襯層、壓電層以及聲匹配層；其中：所述背襯層、所述壓電 層以及所述聲匹配層都具有所需的機械曲面，然后疊加、粘結(jié)在一起，得以實現(xiàn)聲束聚焦， 其是采用整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)聚焦技術(shù)來實現(xiàn)聚焦。
[0019] 較佳地，所述血管內(nèi)超聲聚焦換能器為血管內(nèi)高頻超聲換能器，其實現(xiàn)方法是通 過減小換能器的壓電層以及匹配層的厚度。
[0020] 較佳地，所述血管內(nèi)超聲聚焦換能器包括依次緊密連接的背襯層、壓電層以及聲 匹配層；其中：所述背襯層和/或所述壓電層和/或所述聲匹配層具有機械曲面，所述機 械曲面的曲率半徑根據(jù)預(yù)定的焦距f確定，聚焦因子K定義為焦距f和換能器孔徑d的比， 即：K = f/d，孔徑d的尺寸可根據(jù)預(yù)定的聚焦因子K和焦距f來確定。
[0021] 較佳地，所述超聲聚焦換能器包括依次緊密連接的背襯層、壓電層、聲匹配層以及 聲透鏡；其中：所述聲透鏡具有機械曲面，其曲率半徑根據(jù)預(yù)定的焦距f確定，聚焦因子K 定義為焦距f和換能器孔徑d的比，即：K = f/d，孔徑d的尺寸可根據(jù)預(yù)定的聚焦因子K和 焦距f來確定。
[0022] 較佳地，所述聲透鏡為平凸或平凹聲透鏡，透鏡的凹凸形狀由聲透鏡的聲速決定。
[0023] 較佳地，所述超聲聚焦換能器包括多個超聲換能單元以及多個延時電路；其 中：每個所述超聲換能單元都接入一個所述延時電路，來補償聲波從發(fā)射點到個超聲 聚焦換能器的聲程差所引起的時間差，聲程差和時間差根據(jù)預(yù)定的中心距離差來確 定；第i個超聲換能單元到中心軸線的距離SDi，由中心距離差01引入的聲程差為：
，時間差!^為：
，其中：i = 1，2···，5，?·為 焦距，c為聲速。此超聲聚焦換能器通過調(diào)節(jié)延時電路的時間，可以自由調(diào)節(jié)系統(tǒng)的焦距， 比較靈活，其是采用電子聚焦技術(shù)來實現(xiàn)聚焦。
[0024] 較佳地，所述多個超聲換能單元為同心排布或陣列排布。
[0025] 較佳地，當(dāng)所述多個超聲換能單元同心排布時，其為同心圓環(huán)排布或同心方環(huán)排 布。
[0026] 較佳地，所述壓電層所使用的材料可以為壓電陶瓷材料、壓電厚膜材料、壓電薄膜 材料、壓電陶瓷復(fù)合材料或壓電單晶復(fù)合材料。
[0027] 較佳地，當(dāng)所述壓電層的材料為壓電單晶復(fù)合材料時，其為ΡΜΝ-ΡΤ壓電單晶復(fù)合 材料或ΡΙΝ-ΡΜΝ-ΡΤ壓電單晶復(fù)合材料。ΡΜΝ-ΡΤ和ΡΙΝ-ΡΜΝ-ΡΤ具有很高的k33 (可以高達(dá) 0. 9以上），因此PMN-PT和PIN-PMN-PT的復(fù)合材料換能器具有很高的靈敏度與帶寬。
[0028] 較佳地，所述血管內(nèi)超聲聚焦換能器為壓電微加工超聲聚焦換能器（PMUT)或電 容微加工超聲聚焦換能器（CMUT)。
[0029] 本實用新型還提供一種血管內(nèi)超聲聚焦換能器，其包括：超聲換能單元以及聚焦 單元；其中：所述超聲換能單元用于發(fā)射一超聲信號，并對反射回來的超聲信號進(jìn)行接收； 所述超聲換能單元包括依次緊密連接的背襯層、壓電層以及聲匹配層；聚焦單元用于對所 述超聲換能單元發(fā)射的超聲信號進(jìn)行聚焦。
[0030] 需要說明的是，此處所說的聚焦單元并一定為一個具體的結(jié)構(gòu)，可以是對超聲換 能單元自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，使其具有聚焦功能。本實用新型的血管內(nèi)超聲聚焦換能器采用 的聚焦技術(shù)具體可以分為兩大類：（1)機械結(jié)構(gòu)聚焦；（2)電子聚焦。機械結(jié)構(gòu)聚焦又可以 分為整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)聚焦和聲透鏡聚焦。
[0031] 較佳地，所述聚焦單元具體為在所述背襯層、所述壓電層以及所述聲匹配層上形 成的機械曲面，其為采用整體聲學(xué)結(jié)構(gòu)聚焦技術(shù)的血管內(nèi)超聲聚焦換能器。
[0032] 較佳地，所述聚焦單元具體為具有機械曲面的聲透鏡，所述聲透鏡與所述超聲換 能單元的聲匹配層緊密連接，所述聲透鏡位于所述匹配層背對所述壓電層的一側(cè)，其為采 用聲透鏡聚焦技術(shù)的血管內(nèi)超聲聚焦換能器，。
[0033] 較佳地，所述超聲換能單元包括多個；所述聚焦單元具體為多個延遲電路，每個 所述超聲換能單元連接一個所述延時電路，其為采用電子聚焦技術(shù)的血管內(nèi)超聲聚焦換能 器。
[0034] 相較于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型具有以下優(yōu)點：
[0035] (1)本實用新型提供的血管內(nèi)超聲聚焦診斷儀及聚焦換能器，利用超聲聚焦技術(shù)， 可以增強超聲檢測的聲強，并且能顯著提高血管內(nèi)超聲診斷儀成像的信噪比和分辨率，即 利用超聲聚焦技術(shù)可以在不增加超聲檢測波束寬度的前提下，同時提高儀器檢測的縱向和 橫向分辨率，即提尚檢測成像的質(zhì)量和檢測的清晰度，從而提尚診斷的精確度；
[0036] (2)本實用新型提供的血管內(nèi)超聲聚焦診斷儀及聚焦換能器，減小了換能器的孔 徑，可以使血管內(nèi)超聲聚焦診斷儀介入到更加細(xì)小的血管（例如腦血管）實施超聲成像和 檢測診斷，使其在血管中活動范圍更大，更加方便的自由旋轉(zhuǎn)，減少了跟血管壁的摩擦；
[0037] (3)目前常用的醫(yī)療超聲換能器，其壓電層的厚度為工作頻率的1/2波長，匹配層 厚度為工作頻率的1/4波長，即分別為Cc/2f和Cm/4f。其中Cc，Cm為壓電材料的和匹配 層的聲速（m/