[发明专利]具有超构表面声透镜的环形超声换能器及优化设计方法

说明书

本发明公开了一种具有超构表面声透镜的环形超声换能器及其优化设计方法，所述换能器包括中心开孔且附加声学人工结构的声透镜、匹配层、压电晶片和换能器底座，且各部件从上到下依次粘接在一起，然后在中心孔放置B超探头；其中声学人工结构为在声透镜的辐射面上设置的多重同心圆环凹槽；所述优化方法是采用遗传算法，以半径周期、凹槽宽度和凹槽深度作为遗传基因，以径向声压最大值/次级大值为适应度，以适应度最大为优化目标。本发明相比传统无凹槽的环形聚焦声透镜式换能器，可以将能量集中在焦点区域，提高治疗的安全性和效率，降低治疗所需的电功率，提高超声治疗可操纵性，并且可以简化设计的流程和步骤，兼顾计算的准确性和总时间。

技术领域

本发明涉及一种具有超构表面声透镜的环形超声换能器及优化设计方法，属于医疗器械领域。

背景技术

高强度聚焦超声(HIFU)是一种成熟运用于肿瘤治疗的非侵入式治疗方法，可以通过超声的热效应和机械效应损伤人体内的肿瘤组织。实现损伤区域的预测和实时监控，是实现安全治疗的前提，例如运用B超图像显示损伤区域。在实际治疗中常常使用B超探头和HIFU治疗探头的复合系统来进行手术，具体的结构在环形的聚焦式换能器中心开孔，放置B超探头。对于一种超声换能器，由于衍射效应，在声场的焦点区域一定会存在旁瓣，而减小旁瓣一直是各种超声治疗探头的设计目标，因为旁瓣使声能量堆积在别处，容易损伤目标治疗区域以外的组织，尤其对于中心开孔环形探头，会产生更大的旁瓣。近年来，利用声学人工结构来改善声场的聚焦效果成为了一个研究方向，有发现表明利用这种结构可以实现增强聚焦的效果，如Christensen等人在声学刚性板上加上周期性修饰后得到结构声表面波，获得声波透射增强和声准直波束。

另外经检索，关于运用声人工结构制作换能器的设计方法已有相关专利公开。如，中国专利申请号：201510816714.4，申请日为：2015年11月23日，发明创造名称：一种聚焦声透镜的设计方法，该申请案通过有限元模拟计算，对凹槽的结构参数进行优化设计，达到在非连续的频率范围上，抑制旁瓣的效果。但该申请所使用的设计优化方法，是通过循环列举所有组合的方法找出结构参数，找到有效参数的标准是透射频谱的峰值频率达到预期要求。这样的方法耗费时间巨大，不能兼顾计算的准确性和总时间，而且也没有针对环形换能器提出设计方案。

发明内容

本发明的目的在于克服：一、目前传统的环形超声治疗探头的声场焦点区域旁瓣过大的问题；所以提出了在换能器表面构建周期凹槽结构，通过声准直效应，缩小旁瓣、增大聚焦增益的方法，同时可以获得更高的焦点声强。已有的超构聚焦换能器是将此类结构应用在没有中心孔的球面上，而不是环形换能器领域。二、在以往的参数设计中所运用的搜索算法需要消耗的时间过长，难以应用在实际情况中，需要改变优化算法来获得设计方案。

为克服上述现有技术方案的不足，本发明提供的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种具有超构表面声透镜的环形超声换能器，所述换能器包括中心开孔且附加声学人工结构的声透镜、匹配层、压电晶片和换能器底座，所述声透镜、匹配层、压电晶片和换能器底座从上到下依次粘接在一起，并且在中心开孔内设有探头设备。

进一步的，所述声透镜为平凹形，并且在其凹面上设置有若干个半径按周期分布的同心圆环凹槽。

进一步的，所述同心圆环凹槽等间距分布，将间距称为半径的周期，所有圆环凹槽的圆心均位于声透镜的轴线上，这些同心圆环凹槽共同构成声学人工结构。

进一步的，每一道凹槽的尺寸都相同，且截面为扇形，槽的开口和底部对应圆环圆心的弧度相同。利用这一组特定尺寸的周期性凹槽，可以在结构中激发声表面波，获得声波反常透射和抑制衍射的效果，此处即将这一非衍射声束理论应用在超声聚焦设备的设计中。

进一步的，探头设备可采用B超探头。