CN111450424A - 超声换能器、超声换能器制作方法以及超声设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种超声换能器、超声换能器制作方法以及超声设备，该超声换能器包括：至少两个换能器阵元，用于在被激励时输出超声；戴在目标对象头部的支架，支架的超声输出区为内凹曲面，并开设有至少两个用于放置所述换能器阵元的通孔，且各个通孔的朝向使得所述超声输出区的所有换能器阵元输出的超声形成的超声声束与所述目标对象头部的超声入射区相适形。解决了用户很难通过现有技术的阵列超声换能器输出与目标对象头部的超声入射区相适形的超声声束。

Description

超声换能器、超声换能器制作方法以及超声设备

技术领域

本发明实施例涉及医疗设备领域，尤其涉及一种超声换能器、超声换能器制作方法以及超声设备。

背景技术

由于超声可以提供安全、无创、精确的神经刺激，经颅超声治疗被越来越多地应用于神经***疾病和精神类疾病的治疗上，比如帕金森并、癫痫病和抑郁症等疾病。

经颅超声治疗为非侵入式技术，通过对目标病灶靶区产生空化效应、热效应、机械效应等效应，对患者脑部病灶进行直接或间接的作用，已在急性脑梗死、脑出血等疾病的治疗手术中取得了肯定的疗效。目前主要采用单阵元和阵列式换能器进行超声治疗。单阵元换能器只能产生一个固定焦点，需要通过机械手段进行焦点的移动；阵列超声换能器主要为平面排列和球面状排列，通过设置相应位置的延时，实现电子聚焦。但是由于阵列换能器的分布和朝向固定，很难保证换能器输出的超声声束与目标对象头部的超声入射区相适形。

综上，在经颅超声治疗领域，用户很难通过现有技术的阵列超声换能器输出与目标对象头部的超声入射区相适形的超声声束。

发明内容

本发明实施例提供了一种超声换能器、超声换能器制作方法以及超声设备，解决了用户很难通过现有技术的阵列超声换能器输出与目标对象头部的超声入射区相适形的超声声束的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种超声换能器，其特征在于，包括：

至少两个换能器阵元，用于在被激励时输出超声；

戴在目标对象头部的支架，支架的超声输出区为内凹曲面，并开设有至少两个用于放置所述换能器阵元的通孔，且各个通孔的朝向使得所述超声输出区的所有换能器阵元输出的超声形成的超声声束与所述目标对象头部的超声入射区相适形。

进一步，所述通孔中心线与换能器阵元输出的超声方向相同，至少一个换能器阵元输出的超声方向与超声入射处的颅骨法线方向之间的夹角为锐角。

进一步，所述锐角角度小于20度。

进一步，所述超声输出区与所述超声入射区正对，并由所述目标对象头部的超声入射区的轮廓放大第一比例得到，所述通孔中心线垂直于对应的颅骨，所述第一比例大于1。

进一步，所述通孔为柱形，所述换能器阵元为圆台形，所述换能器阵元输入端的直径大于所述通孔的直径，所述换能器阵元输出端的直径小于所述通孔的直径。

进一步，所述通孔为倾斜度可调节的柱形孔。

进一步，所述支架还包括非超声输出区；

所述非超声输出区由目标对象头部的非超声入射区的轮廓放大第二比例得到，所述第二比例大于1。

进一步，所述目标对象的头部轮廓基于CT、MRI、超声成像和光学成像确定。

进一步，所述超声入射区根据目标靶区的形状、目标靶区在目标对象头部内的位置以及目标对象的颅骨密度确定。

进一步，所述支架的底缘设置有固定连接结构；

该超声换能器还包括套设于所述支架外部的外壳，所述外壳底缘通过所述固定连接机构与所述支架固定连接，以保证各换能器阵元位置不变。

第二方面，本发明实施例还提供了一种超声设备，包括：

任意实施例所述的超声换能器；

激励装置，所述激励装置的激励通道与所述超声换能器中的对应换能器阵元连接，用于为对应换能器阵元提供激励，以使对应换能器阵元输出超声。

第三方面，本发明实施例还提供了一种超声换能器的制作方法，包括：

根据超声入射区形状和超声入射区在目标对象头部的位置，确定支架的超声输出区的位置和形状，所述超声输出区的形状为内凹曲面；

在所述超声输出区开设至少两个用于放置换能器阵元的通孔，且各个通孔的朝向使得所述超声输出区的所有换能器阵元输出的超声形成的超声声束与所述目标对象头部的超声入射区相适形。

进一步，所述超声输出区的确定方法包括：

基于CT、MRI、超声成像或光学成像确定目标对象的头部轮廓；

根据目标靶区的形状和目标靶区在目标对象头部中的位置，在所述目标对象的头部轮廓上确定超声入射区；

将所述超声入射区放大第一比例得到所述超声输出区。

本发明实施例提供的超声换能器的技术方案，通过设置支架的超声输出区的通孔的朝向，使得超声输出区的所有换能器阵元输出的超声形成的超声声束与目标对象头部的超声入射区相适形。提高了换能器在经颅超声治疗中的准确性，同时提高了超声换能器的声能利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的超声换能器的结构示意图；

图2A是本发明实施例一提供的支架的结构示意图；

图2B是本发明实施例一提供的又一支架的结构示意图；

图3是本发明实施例一提供的又一超声换能器的结构示意图；

图4是本发明实施例一提供的支架制作示意图；

图5是本发明实施例一提供的换能器阵元的结构示意图；

图6是本发明实施例一提供的超声入射方向与能量损耗示意图；

图7是本发明实施例二提供的超声设备的结构示意图；

图8是本发明实施例三提供的超声换能器制作方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例提供了一种超声换能器。如图1和图2A和图2B所示，该超声换能器包括戴在目标对象01头部的支架10和至少两个换能器阵元2，换能器阵元2用于在被激励时输出超声；支架的超声输出区为内凹曲面并开设有至少两个用于放置换能器阵元的通孔12，且各个通孔12的朝向使得超声输出区的所有换能器阵元输出的超声形成的超声声束与目标对象头部的超声入射区相适形。

其中，超声输出区的截面优选为弧形。

其中，换能器阵元2至少包含压电层，压电层由压电陶瓷、压电单晶、复合材料、PMUT或CMUT等制成。优选情况下，换能器阵元2还包括设于压电层两侧的匹配层和背衬层，且匹配层和背称层均至少一层。

其中，本实施例中的通孔12优选但不限于柱形，对应的，换能器阵元2优选但不限于圆台形(参见图5)。对于圆台形的换能器阵元2，其输入端的直径大于通孔的直径输出端的直径小于通孔的直径，这样通孔可直接将圆台形的换能器阵元直接卡住。

超声输出区11可能占据支架10的全部(参见图1和图2A)，也可能仅占据支架一部分(参见图2B)。对于前者，目标对象的整个头部均为超声入射区，即目标对象的头部接收来自任何方向的超声，对于后者，目标对象仅限在划定为超声入射区的部分接收超声。无论是前者，还是后者，如果超声输出区的形状与超声入射区的形状不同和/或位置关系上不是正对关系，则根据通孔在超声输出区的期望输出位置和超声在超声入射区的期望入射位置，将超声输出区的至少两个通孔设置为倾斜的柱形孔，即通孔的中心线的延长线与颅骨交接位置的法线方向所成角度为锐角，且各个通孔的倾斜度可使各个通孔均朝向超声入射区，且使得超声输出区的所有换能器阵元输出的超声形成的超声声束与目标对象头部的超声入射区相适形。由于超声输出方向与通孔中心线方向一致，此时超声的入射夹角也为锐角。其中，通孔的中心线的延长线与颅骨交接位置的法线方向所成角度优选小于20度。

本实施例的超声输出区还可由目标对象头部的超声入射区的轮廓放大第一比例得到，此时超声输出区的形状与超声入射区的形状相同。如果超声输出区与超声入射区正对，那么超声输出区的形状与目标对象头部的超声入射区形状一致，当每个通孔均为直通孔时，设于其内的各个换能器阵元沿着颅骨形状分布，从而使每个换能器阵元输出的超声垂直入射至超声入射区的颅骨内，可最大限度地减少超声在穿透颅骨时所损耗的能量，提高超声利用率。可以理解的是，如果超声入射区没有与超声输出区正对，那么超声输出区的至少一个通孔需被设置为倾斜通孔，以保证各个通孔均朝向超声入射区，且使得超声输出区的所有换能器阵元输出的超声形成的超声声束与目标对象头部的超声入射区相适形。

本实施例的通孔可以是固定式通孔，也可以是倾斜度可调节的通孔。对于包含有固定式通孔的支架，特别是包含具有一定倾斜度的固定式通孔的支架，通常为专人专用。对于包含有倾斜度可调节式的通孔的支架，可通过调节通孔的倾斜度来改变换能器阵元的超声输出方向，可适用于多人使用。

在超声输出区仅占据支架的一部分时，支架还包含非超声输出区。该非超声输出区优选但不限于由目标对象头部的非超声入射区的轮廓放大第二比例得到，只要能将超声输出区固定在目标对象头部的预设位置，以使保证各个通孔均朝向超声入射区，且使得超声输出区的所有换能器阵元输出的超声形成的超声声束与目标对象头部的超声入射区相适形即可。其中，第二比例大于1，可以与第一比例相同，也可以与第一比例不同。

对于超声输出区是由目标对象的头部的超声入射区的轮廓放大第一比例得到的情况，在制作支架或者支架的超声输出区之前，需要先确定目标对象的头部轮廓。本实施例优选根据目标对象头部的CT(Computed Tomography，简称CT，电子计算机断层扫描)图像、MRI(Magnetic Resonance Imaging，简称MRI，磁共振成像)图像、超声图像和光学图像确定目标对象的头部轮廓，图4示出了通过CT/MRI获取目标对象头部轮廓图像的示意图。

由于每个人的颅骨骨密度不同，因此超声在每个人的颅骨中的传播速度不同，传播过程中发生的偏移不同，为此本实施例根据目标靶区的形状及其在目标对象头部中的位置以及目标对象的颅骨密度确定超声入射区，从而使换能器阵元发出的超声从超声入射区进入颅骨，然后达到目标靶区。

支架10开口处设置有固定装置13，用于将支架固定于目标对象的头部，使支架在目标对象的头部不会发生转动，从而使支架上的各个换能器阵元不会发生移动。

进一步的，该换能器还包括外壳16(参见图3)，套设于支架10外部，用于固定设置于支架10上的换能器阵元2，防止换能器阵元在目标对象治疗过程中因目标对象头部晃动而产生移动。

为了防止换能器阵元的移动，本实施例在每个换能器阵元上开设至少一个穿孔，各个换能器阵元的对应穿孔通过柔性连接线15连接在一起(参见图1)。其中，柔性连接线可以是弹性线，也可以是非弹性线。

本实施例在各个换能器阵元之间还设置有流动水囊14(参见图1)，用于为换能器阵元散热，从而减少支架的热量。当然，也可以采用其他的散热手段，比如冰袋等。

本发明实施例提供的超声换能器的技术方案，通过设置支架的超声输出区的通孔的朝向，使得超声输出区的所有换能器阵元输出的超声形成的超声声束与目标对象头部的超声入射区相适形。提高了换能器在经颅超声治疗中的准确性，同时提高了超声换能器的声能利用率。

实施例二

图7是本发明实施例二提供的超声设备的示意图。该超声设备包括激励装置3和前述实施例所述的超声换能器1，该激励装置3包括至少一个激励通道，且激励通道与该超声换能器1的对应换能器阵元连接，用于为对应换能器阵元提供激励，以使对应换能器阵元向输出超声。

其中，激励装置3可以仅包含一个激励通道，适应于包含一个换能器阵元的换能器；激励装置也可以包含多个激励通道，可以直接为换能器中的各个换能器阵元提供激励支持。如果一个激励通道仅为一个换能器阵元提供激励支持，那么在选择激励装置时，需要考虑换能器中有多少个换能器阵元需要被激励。

需要说明的是，本实施例的激励装置采用现有技术即可，本实施例在此不作具体限定，只要能够为换能器中的各个换能器阵元提供激励即可。

本发明实施例提供的超声设备的技术方案，包括超声激励装置和前述实施例所述的超声换能器，激励装置的激励通道与超声换能器中的对应换能器阵元连接，用于为对应换能器阵元提供激励，通过设置支架的超声输出区的通孔的朝向，使得超声输出区的所有换能器阵元输出的超声形成的超声声束与目标对象头部的超声入射区相适形。提高了换能器在经颅超声治疗中的准确性，同时提高了超声换能器的声能利用率。

实施例三

图8是本发明实施例三提供的超声换能器的制作方法的流程图。该方法用于制作前述实施例所述的超声换能器。结合图1、图2A和图2B，该方法包括：

S101、根据超声入射区形状和超声入射区在目标对象头部的位置，确定支架的超声输出区的位置和形状，且超声输出区的形状为内凹曲面。

超声输出区11可能占据支架的全部(参见图1和图2A)，也可能仅占据一部分(参见图2B)。对于前者，目标对象的整个头部均为超声入射区，即目标对象的头部接收来自任何方向的超声，对于后者，仅限在划定为超声入射区的部分接收超声。

其中，超声输出区为内凹曲面，其截面优选为弧形，该内凹曲面优选但不限于与目标对象头部部分轮廓相同，比如在其与超声入射区正对应时，与超声入射区的轮廓形状一致。

为了使超声输出区的形状与超声入射区的形状一致，本实施例优选通过CT图像、MRI图像、超声图像或光学成像获取目标对象的头部影像。根据该头部影像确定目标对象的头部轮廓。根据目标靶区的形状及其在目标对象头部中的位置确定该目标对象头部的超声入射区。根据所确定的超声入射区的形状和超声入射区在目标对象头部的位置确定支架的超声输出区。

S102、在超声输出区开设至少两个用于放置换能器阵元的通孔，且各个通孔的朝向使得超声输出区的所有换能器阵元输出的超声形成的超声声束与目标对象头部的超声入射区相适形。

无论超声输出区仅对应目标对象头部的一部分，还是对应目标对象头部的全部，如果超声输出区的形状与超声入射区的形状不同，且位置关系上不是正对关系，则根据通孔在超声输出区的期望输出位置和超声在超声入射区的期望入射位置，将超声输出区的至少两个通孔设置为倾斜的柱形孔，即通孔的中心线的延长线与颅骨交接位置的法线方向所成角度为锐角，以保证各个通孔均朝向超声入射区，且使得超声输出区的所有换能器阵元输出的超声形成的超声声束与目标对象头部的超声入射区相适形。由于超声输出方向与通孔中心线方向一致，此时超声的入射夹角也为锐角。其中，该锐角优选小于20度。

如果超声输出区的形状与超声入射区的形状相同，且超声输出区与超声入射区正对，那么超声输出区的形状与目标对象头部的超声入射区形状一致，当每个通孔均为直通孔时，可使设于其内的换能器阵元沿着颅骨形状分布，这可使得每个换能器阵元输出的超声垂直输出至超声入射区的颅骨内，减少了超声在穿透颅骨时所损耗的能量。可以理解的是，如果超声入射区没有与超声输出区正对，则根据每个换能器阵元的期望输出位置和期望输入位置，设置其对应通孔的倾斜度，以保证各个通孔均朝向超声入射区，从而使得超声输出区的所有换能器阵元输出的超声形成的超声声束与目标对象头部的超声入射区相适形。

本实施例的通孔可以设置为固定式通孔，也可以设置为倾斜度可调节的通孔。对于包含有固定式通孔的支架，特别是包含具有一定倾斜度的固定式通孔的支架，通常为专人专用。对于包含有倾斜度可调节式的通孔的支架，可通过调节通孔的倾斜度来改变换能器阵元的超声输出方向，可适用于多人使用。

在超声输出区仅占据支架的一部分时，支架还包含非超声输出区。该非超声输出区优选但不限于由目标对象头部的非超声入射区的轮廓放大第二比例得到的，只要能将超声输出区固定在目标对象头部的预设位置，以使保证各个通孔均朝向超声入射区，且使得超声输出区的所有换能器阵元输出的超声形成的超声声束与目标对象头部的超声入射区相适形即可。其中，第二比例大于1，可以与第一比例相同，也可以与第一比例不同。

优选地，本实施例还在支架10开口处设置固定装置13，用于将支架固定于目标对象的头部，使支架在目标对象的头部不会发生转动，从而使支架上的各个换能器阵元不会发生移动。

进一步的，该换能器还包括外壳16(参见图3)，套设于支架10外部，用于固定设置于支架10上的换能器阵元2，防止换能器阵元在目标对象治疗过程中因目标对象头部晃动而产生移动。

为了防止换能器阵元的移动，本实施例在每个换能器阵元上开设至少一个穿孔，各个换能器阵元的对应穿孔通过柔性连接线15连接在一起(参见图1)。其中，柔性连接线可以是弹性线，也可以是非弹性线。

本实施例还在各个换能器阵元之间还设置有流动水囊14(参见图1)，用于为换能器阵元散热，从而减少支架的热量。当然，也可以采用其他的散热手段，比如冰袋等。

本发明实施例提供的超声换能器制作方法的技术方案，通过设置支架的超声输出区的通孔的朝向，使得超声输出区的所有换能器阵元输出的超声形成的超声声束与目标对象头部的超声入射区相适形。提高了换能器在经颅超声治疗中的准确性，同时提高了超声换能器的声能利用率。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (13)

1.一种超声换能器，其特征在于，包括：

至少两个换能器阵元，用于在被激励时输出超声；

戴在目标对象头部的支架，支架的超声输出区为内凹曲面，并开设有至少两个用于放置所述换能器阵元的通孔，且各个通孔的朝向使得所述超声输出区的所有换能器阵元输出的超声形成的超声声束与所述目标对象头部的超声入射区相适形。

2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述通孔中心线与换能器阵元输出的超声方向相同，至少一个换能器阵元输出的超声方向与超声入射处的颅骨法线方向之间的夹角为锐角。

3.根据权利要求2所述的超声换能器，其特征在于，所述锐角角度小于20度。

4.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述超声输出区与所述超声入射区正对，并由所述目标对象头部的超声入射区的轮廓放大第一比例得到，所述通孔中心线垂直于对应的颅骨，所述第一比例大于1。

5.根据权利要求1-4任一所述的超声换能器，其特征在于，所述通孔为柱形，所述换能器阵元为圆台形，所述换能器阵元输入端的直径大于所述通孔的直径，所述换能器阵元输出端的直径小于所述通孔的直径。

6.根据权利要求5所述的超声换能器，其特征在于，所述通孔为倾斜度可调节的柱形孔。

7.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述支架还包括非超声输出区；

所述非超声输出区由目标对象头部的非超声入射区的轮廓放大第二比例得到，所述第二比例大于1。

8.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述目标对象的头部轮廓基于CT、MRI、超声成像和光学成像确定。

9.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述超声入射区根据目标靶区的形状、目标靶区在目标对象头部内的位置以及目标对象的颅骨密度确定。

10.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述支架的底缘设置有固定连接结构；

该超声换能器还包括套设于所述支架外部的外壳，所述外壳底缘通过所述固定连接机构与所述支架固定连接，以保证各换能器阵元位置不变。

11.一种超声设备，其特征在于，包括：

权利要求1-10任一所述的超声换能器；

激励装置，所述激励装置的激励通道与所述超声换能器中的对应换能器阵元连接，用于为对应换能器阵元提供激励，以使对应换能器阵元输出超声。

12.一种超声换能器的制作方法，其特征在于，包括：

根据超声入射区形状和超声入射区在目标对象头部的位置，确定支架的超声输出区的位置和形状，所述超声输出区的形状为内凹曲面；

在所述超声输出区开设至少两个用于放置换能器阵元的通孔，且各个通孔的朝向使得所述超声输出区的所有换能器阵元输出的超声形成的超声声束与所述目标对象头部的超声入射区相适形。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述超声输出区的确定方法包括：

基于CT、MRI、超声成像或光学成像确定目标对象的头部轮廓；

根据目标靶区的形状和目标靶区在目标对象头部中的位置，在所述目标对象的头部轮廓上确定超声入射区；

将所述超声入射区放大第一比例得到所述超声输出区。

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