[發明專利]一種性能優化的高頻超聲換能器及其制作方法

在審

• 申請號: 201510714169.8
• 申請日: 2015-10-28
• 公開（公告）號: CN105232090A
• 公開（公告）日: 2016-01-13
• 發明（設計）人: 李翔;陳友偉;趙萬金
• 申請（專利權）人: 上海愛聲生物醫療科技有限公司
• 主分類號: A61B8/12
• 分類號: A61B8/12;A61B8/08;A61B8/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

技術領域

本發明涉及超聲換能器，特別涉及一種性能優化的高頻超聲換能器及其制作方法。

背景技術

血管內超聲(IntravascularUltrasound，IVUS)是無創性的超聲技術和微創性的導管技術相結合的一種新的診斷方法。血管內超聲是利用導管技術將一個高頻微型超聲換能器導入冠狀動脈血管腔內進行探測，得到血管壁各層橫斷面成像，以輔助臨床醫生對血管內病變進行診斷。

血管內超聲成像系統包括三個主要部件：裝有超聲探頭的血管內超聲導管，回撤裝置以及超聲主機。血管內超聲導管直接在血管內工作，是整個成像系統的核心部件，安裝在超聲導管遠端的超聲換能器的性能將直接影響成像質量，進而影響超聲診斷儀的診斷效果。

目前臨床上使用的血管內超聲導管產品的設計主要有兩類：機械旋轉式和陣列式。機械旋轉式設計通過導管內柔韌的驅動轉軸旋轉，驅動導管遠端的單陣元超聲換能器，以獲取二維橫斷面圖像。在機械旋轉式的血管內超聲導管系統內，換能器和導管鞘之間需要充滿生理鹽水，以獲得最佳的聲學耦合。目前商品化的機械旋轉式的導管中心頻率在40MHz左右。陣列式是由多個陣元(目前為止最多為64個)呈環型排列在導管頂端外周，通過電子開關的逐次連續激勵，而獲得血管橫斷面圖像。其優點是沒有旋轉的部件，導絲通過中央腔，使用時不需要注射液體。由于制作高頻陣列式換能器的工藝難度極高，目前臨床產品的中心頻率為20MHz或小于20MHz。

目前臨床使用的血管內超聲導管中選用的換能器，無論是機械旋轉式的單陣元換能器，還是陣列式的多陣元換能器，均采用壓電陶瓷制作，其聲阻抗較高(30-40MRayl)，難以與血液聲阻抗(1.5-1.8MRayl)很好的匹配從而達到優異的聲學性能。

發明內容

本發明針對上述現有技術中存在的問題，提出一種性能優化的高頻超聲換能器及其制作方法，采用澆注或者蒸鍍的方法制作匹配層和/或背襯層，省略了膠水層，使得換能器的匹配性能更好，從而達到有益的聲學性能。同時使用高頻復合壓電材料，降低了超聲換能器的聲阻抗，提高了換能器的回波靈敏度和頻譜帶寬，優化了超聲圖像的對比度和分辨率。

為解決上述技術問題，本發明是通過如下技術方案實現的：

本發明提供一種性能優化的血管內超聲換能器，其包括：依次連接的背襯層、壓電層以及匹配層，其中：

所述背襯層為摻雜有顆粒材料的膠水混合物和/或所述匹配層為摻雜有顆粒材料的膠水混合物和/或所述匹配層為聚對二甲苯薄膜。(Parylene)。

超聲換能器的匹配層在壓電層與人體組織之間形成一個聲阻抗過度，匹配層的聲阻抗一般介于壓電層和人體組織之間，匹配層能夠幫助超聲能量高效的在聲阻抗較高的壓電層向聲阻抗較低的人體組織傳播。傳統換能器制作工藝中，使用膠水粘貼壓電層和匹配層，所以無法避免的引入一層聲阻抗匹配不佳、約1～2μm的膠水層，當超聲換能器頻率較低的時候，超聲波長遠遠大于膠水層的厚度，所以膠水層對超聲能量的傳播影響很小。但是對于血管內超聲應用中的換能器，其工作頻率在40MHz以上，波長比傳統的低頻(5MHz以下)換能器短很多，更接近于膠水層的厚度，故而對很薄的膠水層也會有強烈的反射。本發明中對匹配層的制作采用澆注的方法，將摻雜有顆粒材料的膠水混合物澆注在壓電層的輻射面，固化后將匹配層研磨至所需厚度；或者通過蒸鍍的方法將一定厚度的聚對二甲苯蒸鍍在換能器輻射面上形成匹配層；或者兩種方法同時使用。

超聲換能器的背襯層用于吸收壓電層向后發射的超聲能量，使得向后發射的超聲波不會與向前發射的超聲波產生疊加而延長脈沖超聲的長度，從而有利于提高超聲圖像的分辨率。其中：背襯層中的顆粒材料用于對超聲能量進行吸收和/或散射，將向后發射的超聲能量衰減掉，使得向前發射的超聲脈沖更短。

本發明沒有膠水粘貼層，使匹配層和/或背襯層與壓電層匹配更好，超聲脈沖在各層之間反射更小，換能器帶寬更寬。

較佳地，所述匹配層和/或所述背襯層的數量為一層或多層；當所述匹配層的數量為多層時，與所述壓電層相鄰的所述匹配層為摻雜有顆粒材料的膠水混合物。

較佳地，所述壓電層的厚度為10～30μm，其工作頻率大于40MHz。

較佳地，所述壓電層為超高頻復合壓電層；所述超高頻壓電復合層的頻率大于40MHz，其帶寬超過60％，分辨率比現有換能器提高。

較佳地，所述壓電層包括壓電材料和非壓電材料，所述非壓電材料填充在所述壓電材料的間隙中。由于材料中間隙的存在，使這種材料中的橫波模式的干擾也被降至很低的水平。