專利名稱：一種用于經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)超聲成像設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭及其制備方法。
背景技術(shù)：
經(jīng)內(nèi)鏡(胃鏡、腹腔鏡、結(jié)腸鏡)超聲技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用中一直發(fā)揮著重要的作用。與體外超聲相比，經(jīng)內(nèi)鏡超聲可避免皮下脂肪、腸腔氣體和骨骼等對超聲波的影響和干擾。近年來，三維超聲技術(shù)的發(fā)展勢頭迅猛，將三維超聲與經(jīng)內(nèi)鏡超聲融合已成為發(fā) 展方向。經(jīng)內(nèi)鏡三維超聲既可提高超聲圖像的分辨率與立體感，還可增強(qiáng)成像實時性，能為醫(yī)生在手術(shù)提供實時導(dǎo)航。二維超聲陣列的制備是經(jīng)內(nèi)鏡三維超聲技術(shù)中的重要一環(huán)也是難點所在。朝前探測的環(huán)狀二維陣列，不僅可以呈現(xiàn)實時的三維超聲圖像，而且由于其特殊的中空結(jié)構(gòu)，還可有機(jī)的融入光學(xué)探頭或者插入手術(shù)器械便于經(jīng)內(nèi)鏡微創(chuàng)手術(shù)的開展，因此應(yīng)用前景廣闊。目前，已有的二維超聲陣列的制備方法通常為先制作一個個陣元，然后在圓筒上手工排列成呈環(huán)狀。此方法麻煩耗時，較難做到所制作的陣元大小相等，質(zhì)量參差不齊，很難大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，而且難以保證各個陣元同心、齊整、等間距排布，這就會影響所制備探頭的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種用于經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭的制備方法，采用直接從壓電陶瓷圓環(huán)或者壓電單晶圓環(huán)上切割出多個壓電陣元的方式，解決了傳統(tǒng)方式采用的先制作好所有陣元再圍繞成圈的方法所造成的各個陣元無法同心、不齊整、不等間距排布的問題，同時，采用利用齒輪狀格子排布同軸電纜信號線，并隨后切割陣元的過程中使信號線電學(xué)斷開的方式，解決了傳統(tǒng)接線過程中逐個陣元與信號線去點焊的復(fù)雜操作的問題。實現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案如下一種用于經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭的制備方法，其特征在于，包括如下步驟首先，制備壓電圓筒在圓筒狀壓電材料內(nèi)外表面鍍電極并極化，再在極化處理后的壓電材料上灌注背襯材料和匹配層材料并加工切割鉆孔，形成壓電圓筒。其次，加工絕緣棒和絕緣圓筒，由內(nèi)到外依次將絕緣棒、壓電圓筒和絕緣圓筒固定，在絕緣棒粗端外側(cè)和絕緣圓筒外側(cè)沿軸向切割出齒輪狀格子凹槽并在凹槽中排列電纜信號線。最后，將絕緣棒固定在旋轉(zhuǎn)裝置上，切割出環(huán)狀二維陣列，填入去耦材料，抽真空固化，鉆空中心塑料棒；封裝上述材料，即可得到經(jīng)內(nèi)鏡環(huán)狀三維超聲探頭。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在加工絕緣棒時，要使絕緣棒一端粗一端細(xì)，使細(xì)端外徑與圓筒狀壓電材料內(nèi)徑一致，粗端便于固定在旋轉(zhuǎn)裝置上。加工絕緣圓筒時，要使絕緣圓筒內(nèi)徑與圓筒狀壓電材料外徑一致。本發(fā)明的目的之二在于提供一種用于經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭，其主要包括同心且等距離排列的一定數(shù)目N的帶有導(dǎo)電聲阻抗匹配層壓電陣元，壓電陣元可選用各種壓電陶瓷和壓電單晶材料，壓電陣元的數(shù)目N可以是32、64、128甚至更多；各壓電陣元都帶有導(dǎo)電的背襯材料，背襯材料彼此導(dǎo)通且用以吸收壓電陣元向后發(fā)射的超聲波，提聞探頭的成像分辨率；每個壓電陣元之間的去耦材料，用以減少壓電陣元之間的串波影響； 與每一個陣元相連的同軸電纜信號線，芯線與匹配層連通，地線與背襯材料相連，用以傳送激勵電壓信號和接收回波電壓信號；以排布同軸電纜信號線以及切割陣元時定位的軸向凹槽，用以排列同軸電纜線、分隔同軸電纜線的芯線和地線以及切割陣元時的定位作用，其齒輪的數(shù)目等同于壓電陣元的數(shù)目，所有齒輪做到等距離和同心排列。本發(fā)明直接從壓電陶瓷圓環(huán)或壓電單晶圓環(huán)上切割出多個壓電陣元，取代目前一般采用的制作好所有陣元再圍繞成圈的方法，避免了將多個壓電陣元手工排列呈圓管狀的過程中所造成的各個陣元無法同心、齊整、等間距排布等問題。利用齒輪狀環(huán)狀格子排布同軸電纜信號線，可使所有信號線同心且等間隔的對齊各陣元排布，只需將全部信號線連接好壓電材料并于隨后切割陣元的過程中使各個信號線電學(xué)斷開，省去逐個陣元和信號線去點焊操作。旋轉(zhuǎn)裝置與結(jié)合線切割機(jī)的巧妙結(jié)合，能通過旋轉(zhuǎn)來精確控制切割，得到同等大小同等間隔的各個陣元。因此，此種方法優(yōu)化了工藝過程、提高了研制效率、節(jié)約了時間成本，簡單有效。


圖I為本發(fā)明的經(jīng)內(nèi)鏡環(huán)狀三維超聲探頭結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的經(jīng)內(nèi)鏡環(huán)狀三維超聲探頭的截面圖。圖3為用以固定和旋轉(zhuǎn)環(huán)狀三維超聲波探頭主體以及環(huán)狀格子主體的裝置(結(jié)合線切割機(jī)使用)。圖4為用以排布同軸電纜信號線以及切割陣元時定位的齒輪狀環(huán)狀格子示意圖。圖5經(jīng)內(nèi)鏡環(huán)狀三維超聲探頭的制備方法的流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但上述實施例僅是示例性的，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。本實施例的一種經(jīng)內(nèi)鏡環(huán)狀三維超聲探頭的研制方法，包括如下具體步驟(I)設(shè)計加工并減薄壓電材料，在其上下表面鍍電極并進(jìn)行極化處理，所選擇的壓電材料可以是壓電陶瓷和壓電單晶等。(2)在極化處理后的壓電材料端面上灌注背襯材料和匹配層材料并加工減薄到所需厚度，然后加工切割鉆孔形成圓筒狀壓電材料(壓電圓筒)。
(3)加工絕緣棒和絕緣圓筒,并將三者依次固定。所加工的絕緣棒優(yōu)選是一端粗一端細(xì)，細(xì)的一端尺寸與圓筒狀壓電材料的內(nèi)徑一致，粗的一端用于固定在旋轉(zhuǎn)裝置上。所加工的絕緣圓筒的內(nèi)徑與圓筒狀壓電材料的外徑一致，絕緣筒的外徑與絕緣棒粗的一端尺寸一致，如圖4，其中401為絕緣圓筒，402和403為絕緣棒，其中402為絕緣棒的粗端，403為絕緣棒的細(xì)端。(4)切割出齒輪狀布線凹槽并布線。將絕緣圓筒401套在圓筒狀壓電材料外，將絕緣棒插入圓筒狀壓電體內(nèi)，并將三者固定，確保三者同軸且壓電材料匹配層與絕緣棒和絕緣圓筒端面齊平，在絕緣棒粗端外側(cè)和絕緣圓筒外側(cè)，用線切割機(jī)沿軸向線切割出凹槽，各凹槽在端面上看，呈周向均勻分布在絕緣棒粗端外側(cè)和絕緣圓筒外周面上，類似齒輪狀格子。其中凹槽優(yōu)選貫通兩端面，以便于布線。凹槽數(shù)目與經(jīng)內(nèi)鏡三維超聲探頭的陣元數(shù)目相同，在齒輪狀格子凹槽中排列與經(jīng)內(nèi)鏡三維超聲探頭的陣元數(shù)目相同的電纜信號線。采用齒輪狀凹槽布線使信號線與壓電圓筒相連，布線后經(jīng)過對圓筒狀壓電材料的線切割不僅可以得到等大小等間距的壓電陣元，還可以使信號線間自然的電學(xué)斷開，形成陣元與信號線的一對一關(guān)系，這就省去逐個對陣元和導(dǎo)線的去點焊操作。 優(yōu)選用導(dǎo)電膠(或蒸金)將同軸電纜信號線的地線與背襯材料相連，將同軸信號線芯線與匹配層相連。本實施例中特別優(yōu)選使用蒸金電極的方法，使所有同軸電纜的芯線與壓電材料匹配層連通，經(jīng)之后的切割陣元過程，各個芯線之間電學(xué)斷開；所有同軸電纜的地線用導(dǎo)電膠連通在背襯材料上。將絕緣棒粗端固定在旋轉(zhuǎn)裝置上，用線切割機(jī)切出環(huán)狀二維陣列，各同軸信號線芯線自然斷開，填入去耦材料，抽真空除氣泡并固化，鉆空中心的塑料棒，封裝得到三維超聲探頭。如圖3，301為本實施例中的環(huán)狀三維超聲探頭，302為旋轉(zhuǎn)裝置上的金屬圓柱，起支撐切割主體的作用。303為旋轉(zhuǎn)頭，設(shè)計有刻度，可進(jìn)行360度內(nèi)精確角度的旋轉(zhuǎn)控制。旋轉(zhuǎn)頭固定在支座304上，旋轉(zhuǎn)頭左側(cè)突出的金屬圓柱部分穿過固定支座304中心的圓孔，和切割主體301相連。需要說明的是，必須保證以上各部件處于同心位置，才能確保切割時的精確度。固定支座的底部為光滑的平面，可由真空吸附在線切割機(jī)的切割平臺上。圖4顯示的是本實施例中的用以排布同軸電纜信號線以及切割陣元時定位的凹槽，可以選用容易切割加工的塑料材料并結(jié)合圖3設(shè)計的裝置用線切割機(jī)進(jìn)行切割制備而成。例如，首先加工一個絕緣圓筒401和一個一端粗一端細(xì)的絕緣棒,如圖4所示粗端為402，細(xì)端為403。絕緣圓筒內(nèi)徑尺寸與圓筒狀壓電材料的外徑尺寸一致，絕緣棒細(xì)端尺寸與圓筒狀壓電材料外徑尺寸一致，絕緣圓筒外徑尺寸與絕緣棒粗端尺寸一致。圓筒狀壓電材料將被固定在絕緣圓筒與絕緣棒細(xì)端之間，絕緣棒粗端將被固定在旋轉(zhuǎn)裝置上。按照環(huán)狀二維陣列超聲波探頭的陣元數(shù)目N，N可以是32、64、128甚至更多，本發(fā)明不做限制，每旋轉(zhuǎn)角度360° /N，進(jìn)行一次線切割，切槽深度與寬度略大于同軸電纜信號線的直徑，以便在切槽內(nèi)排布同軸電纜信號線，完成一圈N次線切割后，即得到圖4所示的形狀。本實施例中的用于經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭，包括環(huán)狀壓電陣101和絕緣套105。其中，環(huán)狀壓電陣101包括多個壓電單元，各壓電單元呈陣列排列形成具有中心通孔的同心環(huán)，用以發(fā)送或接收超聲波，各壓電單元之間存在縫隙，用于填充固化去耦材料103。絕緣套105套裝在所述環(huán)狀壓電陣101外周，其上沿軸向均勻間隔設(shè)置有凹槽，用于容置排布信號線纜；環(huán)狀壓電陣101的中心通孔中套接有絕緣棒402、403，該絕緣棒402、403的一端直徑較小，另一端直徑較大，其中較小的端部402套裝在壓電圓筒的中心通孔中。絕緣棒的大端端部403沿周向也切有多個軸向凹槽，其與絕緣套105上的凹槽一一對應(yīng)。 環(huán)狀壓電陣101的一端端面覆蓋背襯層102，另一端端面覆蓋匹配層。
權(quán)利要求
1.一種用于經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 在圓筒狀壓電材料兩端面鍍電極并極化，再在極化后的一端面覆蓋背襯層，另一端面覆蓋匹配層，形成壓電圓筒； 在所述壓電圓筒的內(nèi)孔和外周上分別固定套裝絕緣棒和絕緣圓筒，并在所述絕緣棒的相對于套裝該壓電圓筒一端的另一端的外周面、以及所述絕緣圓筒的外周面上切出多個軸向凹槽，各軸向凹槽在相應(yīng)外周面的周向上均勻分布，以用于容置排布信號線纜； 在所述絕緣圓筒的外周面上的各凹槽之間軸向切割所述絕緣圓筒和壓電圓筒，使得所述壓電圓筒被分割為多個壓電單元，并在各壓電單元之間的縫隙中填充去耦材料； 封裝，即可得到所述用于經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭的制備方法，其特征在于， 所述絕緣棒的一端直徑較小，另一端直徑較大，其中較小的端部套裝在壓電圓筒的內(nèi)孔中，較大的另一端外周面開有所述軸向凹槽。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的用于經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭的制備方法，其特征在于，所述絕緣棒具有中心通孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的用于經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭的制備方法，其特征在于，所述壓電圓筒可以為壓電陶瓷或壓電單晶材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的用于經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭的制備方法，其特征在于，所述絕緣棒外周面以及絕緣圓筒的外周面的軸向凹槽一一對應(yīng)，且其數(shù)量與所述壓電單元的個數(shù)相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的用于經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭的制備方法，其特征在于，所述絕緣棒直徑較大的端部安裝在線切割機(jī)上，通過帶動絕緣棒旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對所述軸向凹槽和所述壓電圓筒的切割。
7.一種用于經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭，包括 環(huán)狀壓電陣(101)，其包括多個壓電單元，各壓電單元呈陣列排列形成具有中心通孔的同心環(huán)，用以發(fā)送或接收超聲波； 絕緣套(105)，其套裝在所述環(huán)狀壓電陣(101)外周，其上沿軸向均勻間隔設(shè)置有軸向凹槽，用于容置排布信號線纜； 其特征在于，所述各壓電單元之間存在縫隙，用于填充固化去耦材料(103)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭，其特征在于，所述的環(huán)狀壓電陣(101)的中心通孔中套接有絕緣棒(402、403)，該絕緣棒(402、403)的一端直徑較小，另一端直徑較大，其中較小的端部(402)套裝在壓電圓筒的所述中心通孔中。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的用于經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭，其特征在于，所述環(huán)狀壓電陣(101)的一端端面覆蓋有背襯層(102)，另一端端面覆蓋匹配層，用于分別與信號線纜中的地線相連和與將信號線纜中的芯線相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的用于經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭，其特征在于，所述絕緣棒(402、403)的大端端部(403)沿周向切有多個軸向凹槽，其與絕緣套(105)上的軸向凹槽一一對應(yīng)，用于容置排布信號線纜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭的制備方法，包括(1)制備壓電圓筒；(2)在壓電圓筒的內(nèi)孔和外周上分別固定套裝絕緣棒和絕緣圓筒，并在絕緣棒以及絕緣圓筒的外周面上切出多個軸向凹槽；(3)切割壓電圓筒，即在絕緣圓筒的外周面沿周向的各凹槽之間切割絕緣圓筒和壓電圓筒，使得壓電圓筒分割為多個壓電單元，且壓電單元之間存在縫隙；最后封裝即得到三維超聲探頭。本發(fā)明還公開了一種用于經(jīng)內(nèi)鏡的環(huán)狀三維超聲探頭。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)采用的先制作好所有陣元再圍繞成圈的方法所造成的各個陣元無法同心、不齊整、不等間距排布的問題，同時，采用凹槽排布同軸電纜信號線，解決了傳統(tǒng)接線過程中操作復(fù)雜的問題。
文檔編號A61B8/12GK102743192SQ20121022985
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月4日
發(fā)明者朱本鵬, 郭萬克, 郭瑞超 申請人:華中科技大學(xué)