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反射探針型聚焦聲場測量用換能器的制作方法

文檔序號:6113124閱讀:296來源:國知局
專利名稱:反射探針型聚焦聲場測量用換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種對HIFU設(shè)備的性能進(jìn)行測量的裝置,主要是一種反射探針型聚焦聲場測量用換能器,即反射探針型水聽器,用于對高強(qiáng)度聚焦超聲HIFU換能器所產(chǎn)生的聲場的測量,可獲得換能器焦域附近的聲壓量值及聲壓分布。
背景技術(shù)
高強(qiáng)度聚焦超聲High Intensity Focused Ultrasound,簡稱HIFU技術(shù)目前已被發(fā)展為醫(yī)療設(shè)備,應(yīng)用于臨床對腫瘤的治療。當(dāng)高聲強(qiáng)超聲波聚焦到毫米量級的焦域中并作用到人體組織后,可在短時間內(nèi)使組織的溫度上升,從而達(dá)到治療的效果。較之傳統(tǒng)的外科治療方法,HIFU設(shè)備可避免和減小手術(shù)給病人帶來的痛苦,因此,受到世界各國的重視,近年來得到了快速發(fā)展。
隨著HIFU技術(shù)的發(fā)展,臨床設(shè)備正不斷出現(xiàn)并得到應(yīng)用,如何對HIFU設(shè)備的性能進(jìn)行測量和鑒定正日益受到各界的重視和關(guān)注。由于HIFU設(shè)備利用超聲波作用于人體組織來達(dá)到治療目的,因此,對其所產(chǎn)生的超聲功率、聲壓和聲壓分布的測量顯得尤為重要。
為了對醫(yī)療超聲設(shè)備進(jìn)行聲學(xué)性能的檢測,歐、美等國的研究人員已發(fā)明了多種測量方法,到目前為止,較為普及的測量方法多是依靠壓電水聽器來進(jìn)行。作為測量用的壓電水聽器一般為探針式水聽器,在該種水聽器中,壓敏元件被安置于管狀探針的一端,直接接收測量聲波并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓波形。探針式水聽器在診斷超聲設(shè)備的檢測中發(fā)揮了重要作用。但是,HIFU治療設(shè)備將產(chǎn)生數(shù)兆帕的連續(xù)波,傳統(tǒng)的探針?biāo)犉鲗粨p壞,因此,目前各國尚沒有成熟的方法來對HIFU設(shè)備的性能進(jìn)行檢測,顯然,這對于HIFU技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)備的改進(jìn)是不利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是為了克服上述技術(shù)的不足,而提供的一種可以對高強(qiáng)度聚焦換能器進(jìn)行測量的反射探針型聚焦聲場測量用換能器,可以解決HIFU等高強(qiáng)度聚焦換能器測量所面臨的困難。
本發(fā)明解決技術(shù)問題采用的技術(shù)方案這種反射探針型聚焦聲場測量用換能器,主要包括反射探針和聚焦換能器,所述的反射探針、聚焦換能器分別與支架固定連接,聚焦換能器設(shè)置于被測換能器的聲場之外,且聚焦換能器的焦點處于反射探針反射端面的中心位置。
本發(fā)明所述的技術(shù)方案可以進(jìn)一步完善。
本發(fā)明所述的聚焦換能器固定連接在支架上端的橫梁上,反射探針固定連接在支架下端的橫梁上,其中聚焦換能器聲軸與反射探針的軸向成40°-50°的夾角,最佳的角度是45°。
本發(fā)明所述的聚焦換能器的外殼內(nèi)設(shè)置有聲學(xué)透鏡、壓敏元件和吸聲背襯,其中壓敏元件的正負(fù)極通過導(dǎo)線與輸出電纜相連接。
本發(fā)明所述的反射探針為實心的金屬或非金屬圓錐體,前端被加工為直徑為1mm-2mm的平面。
本發(fā)明所述的支架上設(shè)有連接桿,通過連接桿安裝到相應(yīng)的測量裝置上。
本發(fā)明有益的效果是1)、與傳統(tǒng)的工作在兆赫茲頻段的水聽器相比,接收換能器具有較大的接收面積和電容量,測量中可使用相對較長的電纜,并可直接連接至一般的測量儀表設(shè)備上,不需要進(jìn)行接收靈敏度的修正,因此,極大地方便了測量操作。2)、通過探針的端面截獲并按設(shè)計方向反射入射聲波,接收換能器的焦點處于金屬探針反射端面的中心位置,既可達(dá)到有效接收探針反射信號的目的,同時,由于聚焦換能器對聲波的接收具有空間選擇性,也有效地消除了來自其它區(qū)域聲波對測量的干擾,以此達(dá)到了有效接收反射聲波、消除其他入射聲波干擾的目的。3)、傳統(tǒng)的探針?biāo)犉魍ㄟ^固定在探針中的壓電元件直接接收入射聲波,本發(fā)明的反射探針型水聽器,利用內(nèi)部不再含有壓電有源元件的探針截獲和反射待測聲波,接收換能器不再處于高強(qiáng)度聲波的作用下,從而避免了聲波對壓力敏感元件的損害,提高了系統(tǒng)對高強(qiáng)度聲波的測量能力。


圖1是本發(fā)明的主視結(jié)構(gòu)示意圖;圖2是本發(fā)明中聚焦換能器部分的結(jié)構(gòu)示意圖;圖3是本發(fā)明中凹面壓敏材料聚焦換能器軸向聲壓分布示意圖;圖4是利用本發(fā)明測量獲得的HIFU換能器在不同驅(qū)動電壓下焦平面上的聲壓分布圖;
附圖標(biāo)記說明反射探針1,支架2,聚焦換能器3,連接桿4,聲學(xué)透鏡5,PZT元件6,金屬外殼7,軟木橡膠8,吸聲背襯9,導(dǎo)線10,密封圈11,金屬堵頭12,后蓋13,輸出電纜14。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施對本發(fā)明作進(jìn)一步介紹本發(fā)明所述的這種反射探針型聚焦聲場測量用換能器(反射探針型水聽器)的結(jié)構(gòu)如附圖1所示。它由反射探針1、剛性連接支架2和聚焦換能器3構(gòu)成,反射探針1為實心的金屬或非金屬圓錐,前端被加工為直徑為1mm-2mm的平面。聚焦換能器3設(shè)置于被測換能器的聲場之外并固定連接在支架2上端的橫梁上,反射探針1固定連接在支架2下端的橫梁上,連接支架2由金屬或具有較好剛性的非金屬材料制成,其作用是使聚焦換能器3的焦點位于反射探針1端面的中心位置,并使聚焦換能器的聲軸與反射探針的軸向成45°的夾角。所述的支架2上設(shè)有連接桿4,反射探針型水聽器通過連接桿4安裝到相應(yīng)的測量裝置上。聚焦換能器3由PZT或PVDF等壓敏材料制造而成,通過將壓敏材料加工成凹面形狀或使用聲學(xué)透鏡使換能器具有聚焦特性。
采用聲學(xué)透鏡原理的聚焦換能器3的結(jié)構(gòu)如附圖2所示,它由聲學(xué)透鏡5、PZT壓敏元件6、吸聲背襯9、導(dǎo)線10、外殼7和后蓋13等部件構(gòu)成。聲學(xué)透鏡5采用環(huán)氧樹脂材料,外表面被加工成凹球面形狀;PZT陶瓷與環(huán)氧樹脂聲學(xué)透鏡5、吸聲背襯9在金屬外殼7中被灌注為一體,吸聲背襯9采用環(huán)氧鎢粉材料,壓敏元件PZT陶瓷的正負(fù)極被導(dǎo)線10連接至輸出電纜14上引出,在背襯9和外殼7之間使用軟木橡膠8等材料以減少外界振動對換能器性能的影響;通過O型密封圈11、金屬堵頭12和后蓋13,換能器被設(shè)計成水密結(jié)構(gòu)。
如果壓敏材料6設(shè)計成凹面形式,聚焦換能器將不再需要使用聲學(xué)透鏡,PZT陶瓷的凹面涂覆一層環(huán)氧樹脂材料后直接作為外輻射面,其余結(jié)構(gòu)和透鏡式聚焦換能器完全相同。
反射探針型水聽器的工作原理當(dāng)使用反射探針型水聽器進(jìn)行HIFU換能器聚焦聲場的測量時,探針的反射端面將置于聲場中的待測點上。入射聲波在與端面作用后,將改變傳播方向和傳播形式,以探針端面為中心,呈球面波形式在空間散射,聲壓最大值方向朝向聚焦換能器。聚焦換能器將處于HIFU換能器的聲場之外接收反射聲波,并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號。由于探針為一實心圓柱體結(jié)構(gòu),可承受極高的壓力,聲波經(jīng)探針反射到達(dá)換能器表面時聲壓振幅已大大減少,因此該種反射探針式水聽器可應(yīng)用于進(jìn)行高強(qiáng)度聚焦聲場的測量。
1.1探針反射在HIFU換能器的焦點附近,聲波將以平面波形式傳播。當(dāng)其作用于探針的反射端面后,反射波等同與相同直徑的平面換能器所發(fā)射出的聲波,聲壓幅度取決于入射聲波的強(qiáng)度和探針的材料。
如果頻率為f的平面波正入射于不銹鋼圓盤表面,反射后在距離反射面為r距離處,與入射軸線成θ角度處的聲壓值可用下列公式表示Pr(f,r,θ)=12P0(f)ka2r(Zm-ZwZm+Zw)[2J1(kasinθ)kasinθ]---(1)]]>其中,J1是一階貝塞爾函數(shù),P0是入射平面波振幅,k為波數(shù),a為反射探針的半徑;Zw和Zm分別為水介質(zhì)和反射材料特性阻抗。
因此,平面聲波經(jīng)探針反射后在空間的聲壓分布形式與具有同樣直徑的平面活塞換能器相同。
當(dāng)入射的平面波與圓盤的法線方向成夾角θ時,根據(jù)反射定律,反射聲波與入射聲波的交角為2θ。因此,如反射探針的軸線方向與入射波相交45°角,在經(jīng)過端面反射后,反射聲波的主極大方向?qū)⒑腿肷渎暡ǔ?0°角。對于沿水平方向傳播的平面波,在經(jīng)過探針端面反射后,聲波的主極大將出現(xiàn)在垂直方向。
1.2聚焦換能器聚焦換能器發(fā)射的聲波將在其焦點上會聚,形成較強(qiáng)的聲壓。當(dāng)該種換能器被用于接收聲波時,來自其焦域中的聲波將被有效地接收,轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號,而來自其他區(qū)域的聲波在到達(dá)敏感元件表面時相位將出現(xiàn)顯著差異,導(dǎo)致聲波能量相互抵消,轉(zhuǎn)換的電壓信號明顯下降。因此,聚焦換能器對聲場中的聲波的接收具有較強(qiáng)的空間選擇性。
以凹面壓電材料構(gòu)成的聚焦換能器為例,如果壓敏材料的曲率半徑為R,口徑為d,弦高為h,在聲軸上聲場分布可用公式表示為
p(x)=jρ0c02v0q′sin[k(B-x)/2]·eJ[(ωt-k(B+x)/2)]---(2)]]>q′=1-x/R (3)B=(x-h)2+(d/2)2---(4)]]>其中,ρ0是水介質(zhì)的密度,c0為水介質(zhì)中的聲速,v0為聚焦換能器表面的振速。根據(jù)上式可得出軸線上聲壓最大值的位置,也就是焦點位置。設(shè)d/R=0.45,軸線上聲壓分布如圖3所示,其最大值出現(xiàn)在x≈0.9R。如使用該換能器作為接收水聽器,來自焦點處x≈0.9R的聲波將會被最有效的接收。
1.3反射探針型水聽器靈敏度反射探針型水聽器靈敏度由探針的反射強(qiáng)度、聚焦換能器的靈敏度以及探針和換能器之間的相對位置所共同決定。
聚焦換能器的靈敏度由換能器的結(jié)構(gòu)、有源材料和無源材料的特性決定。在壓電元件的諧振頻率遠(yuǎn)高于工作頻率、聚焦換能器的半徑大于測量頻段聲波的波長、背襯材料的散射和反射影響可以不考慮的條件下,換能器的接收靈敏度響應(yīng)將趨于平坦。為方便分析,設(shè)反射探針端面的中心位置位于聚焦換能器的球心位置,來自HIFU換能器的聲波在探針端面反射后,向聚焦換能器方向傳播,則到達(dá)聚焦換能器敏感元件表面的聲波將處于同相位。根據(jù)公式(1),作用在換能器表面的聲壓積分可表示為P‾=2π·a·rP0(f)·(Zm-ZwZm+Zw)∫0αJ1(kasinθ)dθ---(5)]]>式中,α為聲波經(jīng)探針反射后被聚焦換能器接收到的波束開角的一半。當(dāng)聲波波長λ>a時,(5)式可以進(jìn)一步簡化為P‾=πa2P0(f)·r·ωc(1-cosα)---(6)]]>(6)式顯示,由于經(jīng)探針反射的聲波隨著頻率的升高會呈現(xiàn)越來越強(qiáng)的空間指向性,較多的聲波能量將會被換能器表面所接收。因此,反射探針式水聽器的靈敏度將以每倍頻程6dB的速度增加。但在實際制作過程中,受到探針和聚焦換能器相對位置等因素的影響,反射探針型水聽器靈敏度隨頻率的增加速度將會低于上述理論計算結(jié)果。
2.運(yùn)用反射探針型水聽器測量結(jié)果2005年9月在重慶海扶公司通過運(yùn)用反射探針型水聽器對HIFU換能器焦平面上的聲壓分布進(jìn)行了實際測量,測量結(jié)果見附圖4所示。
測量在半消聲水池中進(jìn)行,通過夾具將HIFU換能器固定在水池中,反射探針型水聽器被安裝在水池中坐標(biāo)機(jī)構(gòu)上,該坐標(biāo)機(jī)構(gòu)可沿X、Y、Z軸方向平動,其中,X軸方向與HIFU換能器的聲軸方向重合,Y、Z軸方向與換能器的聲軸方向垂直,坐標(biāo)軸的圓點位于換能器的焦點上。測量中,反射探針型水聽器沿水平方向Z軸做掃描運(yùn)動,運(yùn)動步進(jìn)為0.2mm;輸入換能器的電壓分別為200V,400V,800V,1kV,1.5kV和1.8kV。
測量結(jié)果顯示,該HIFU換能器的焦點直徑約為2mm,該結(jié)果和傳統(tǒng)的探針?biāo)犉鳒y量結(jié)果相同,由此驗證了新型反射探針型水聽器測量結(jié)果的正確性。圖4結(jié)果也顯示,該反射探針型水聽器可在較大的動態(tài)范圍內(nèi)使用,可以測量幅度達(dá)10MPa以上的聲壓,遠(yuǎn)高于通常的探針?biāo)犉魉軝z測的聲壓幅度;測量過程中使用的是連續(xù)波,而圖4顯示出較為理想的HIFU換能器的聲壓分布結(jié)果,這一實驗結(jié)果顯示了新型的反射探針型水聽器具有較好空間分辨能力和較強(qiáng)的抗干擾能力,反射探針型水聽器的這些特征使其十分適合于進(jìn)行HIFU換能器的測量。
權(quán)利要求
1.一種反射探針型聚焦聲場測量用換能器,主要包括反射探針(1)和聚焦換能器(3),其特征在于所述的反射探針(1)、聚焦換能器(3)分別與支架(2)固定連接,聚焦換能器(3)設(shè)置于被測換能器的聲場之外,且聚焦換能器(3)的焦點處于反射探針(1)反射端面的中心位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射探針型聚焦聲場測量用換能器,其特征在于所述的聚焦換能器(3)固定連接在支架(2)上端的橫梁上,反射探針(1)固定連接在支架(2)下端的橫梁上,其中聚焦換能器(3)聲軸與反射探針(1)的軸向成40°-50°的夾角。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的反射探針型聚焦聲場測量用換能器,其特征在于所述聚焦換能器(3)的外殼(7)內(nèi)設(shè)置有聲學(xué)透鏡(5)、壓敏元件(6)和吸聲背襯(9),其中壓敏元件(6)的正負(fù)極通過導(dǎo)線(10)與輸出電纜(14)相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的反射探針型聚焦聲場測量用換能器,其特征在于所述的反射探針(1)為實心的金屬或非金屬圓錐體,前端被加工為直徑為1mm-2mm的平面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射探針型聚焦聲場測量用換能器,其特征在于所述的支架(2)上設(shè)有連接桿(4),通過連接桿(4)安裝到相應(yīng)的測量裝置上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種反射探針型聚焦聲場測量用換能器,主要包括反射探針和聚焦換能器,所述的反射探針、聚焦換能器分別與支架固定連接,聚焦換能器設(shè)置于被測換能器的聲場之外,且聚焦換能器的焦點處于反射探針反射端面的中心位置。本發(fā)明有益的效果是1)、具有較大的接收面積和電容量,測量中可使用相對較長的電纜,并可直接連接至一般的測量儀表設(shè)備上,不需要進(jìn)行接收靈敏度的修正。2)、能有效接收探針反射信號,也有效地消除了來自其它區(qū)域聲波對測量的干擾,以此達(dá)到了有效接收反射聲波、消除其他入射聲波干擾的目的。3)、接收換能器不再處于高強(qiáng)度聲波的作用下,避免了聲波對壓力敏感元件的損害,提高了系統(tǒng)對高強(qiáng)度聲波的測量能力。
文檔編號G01M99/00GK1818573SQ200610049779
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月10日
發(fā)明者王月兵, 葉方偉 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所, 重慶海扶(Hifu)技術(shù)有限公司
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