CN108593783B - 一种双频共焦超声换能器 - Google Patents
一种双频共焦超声换能器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108593783B CN108593783B CN201711134044.3A CN201711134044A CN108593783B CN 108593783 B CN108593783 B CN 108593783B CN 201711134044 A CN201711134044 A CN 201711134044A CN 108593783 B CN108593783 B CN 108593783B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- piezoelectric
- piezoelectric film
- ultrasonic
- dual
- frequency
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 17
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 7
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 26
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 26
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 17
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 13
- -1 polyethylene Polymers 0.000 claims description 6
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 4
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 claims description 4
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 2
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 claims description 2
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 claims description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 2
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 claims description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims description 2
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 claims description 2
- MIZLGWKEZAPEFJ-UHFFFAOYSA-N 1,1,2-trifluoroethene Chemical group FC=C(F)F MIZLGWKEZAPEFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N tetrafluoroethene Chemical group FC(F)=C(F)F BFKJFAAPBSQJPD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 abstract description 5
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 abstract description 3
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 13
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 210000000845 cartilage Anatomy 0.000 description 9
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 3
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 2
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 108020004999 messenger RNA Proteins 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 2
- 208000010392 Bone Fractures Diseases 0.000 description 1
- 102000000503 Collagen Type II Human genes 0.000 description 1
- 108010041390 Collagen Type II Proteins 0.000 description 1
- 102000030746 Collagen Type X Human genes 0.000 description 1
- 108010022510 Collagen Type X Proteins 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 1
- 206010017076 Fracture Diseases 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102000004887 Transforming Growth Factor beta Human genes 0.000 description 1
- 108090001012 Transforming Growth Factor beta Proteins 0.000 description 1
- 102000009618 Transforming Growth Factors Human genes 0.000 description 1
- 108010009583 Transforming Growth Factors Proteins 0.000 description 1
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- DQXBYHZEEUGOBF-UHFFFAOYSA-N but-3-enoic acid;ethene Chemical group C=C.OC(=O)CC=C DQXBYHZEEUGOBF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000022159 cartilage development Effects 0.000 description 1
- 230000036755 cellular response Effects 0.000 description 1
- 210000001612 chondrocyte Anatomy 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 1
- 210000004292 cytoskeleton Anatomy 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000035194 endochondral ossification Effects 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 239000005038 ethylene vinyl acetate Substances 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 1
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 1
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 1
- 230000037427 ion transport Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000012811 non-conductive material Substances 0.000 description 1
- 210000004409 osteocyte Anatomy 0.000 description 1
- 229920001200 poly(ethylene-vinyl acetate) Polymers 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 description 1
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- ZRKFYGHZFMAOKI-QMGMOQQFSA-N tgfbeta Chemical compound C([C@H](NC(=O)[C@H](C(C)C)NC(=O)CNC(=O)[C@H](CCC(O)=O)NC(=O)[C@H](CCCNC(N)=N)NC(=O)[C@H](CC(N)=O)NC(=O)[C@H](CC(C)C)NC(=O)[C@H]([C@@H](C)O)NC(=O)[C@H](CCC(O)=O)NC(=O)[C@H]([C@@H](C)O)NC(=O)[C@H](CC(C)C)NC(=O)CNC(=O)[C@H](C)NC(=O)[C@H](CO)NC(=O)[C@H](CCC(N)=O)NC(=O)[C@@H](NC(=O)[C@H](C)NC(=O)[C@H](C)NC(=O)[C@@H](NC(=O)[C@H](CC(C)C)NC(=O)[C@@H](N)CCSC)C(C)C)[C@@H](C)CC)C(=O)N[C@@H]([C@@H](C)O)C(=O)N[C@@H](C(C)C)C(=O)N[C@@H](CC=1C=CC=CC=1)C(=O)N[C@@H](C)C(=O)N1[C@@H](CCC1)C(=O)N[C@@H]([C@@H](C)O)C(=O)N[C@@H](CC(N)=O)C(=O)N[C@@H](CCC(O)=O)C(=O)N[C@@H](C)C(=O)N[C@@H](CC=1C=CC=CC=1)C(=O)N[C@@H](CCCNC(N)=N)C(=O)N[C@@H](C)C(=O)N[C@@H](CC(C)C)C(=O)N1[C@@H](CCC1)C(=O)N1[C@@H](CCC1)C(=O)N[C@@H](CCCNC(N)=N)C(=O)N[C@@H](CCC(O)=O)C(=O)N[C@@H](CCCNC(N)=N)C(=O)N[C@@H](CO)C(=O)N[C@@H](CCCNC(N)=N)C(=O)N[C@@H](CC(C)C)C(=O)N[C@@H](CC(C)C)C(O)=O)C1=CC=C(O)C=C1 ZRKFYGHZFMAOKI-QMGMOQQFSA-N 0.000 description 1
- 230000001225 therapeutic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000014616 translation Effects 0.000 description 1
- 238000002054 transplantation Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/34—Generating the ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
本发明公开了一种双频共焦超声换能器，适用于生物组织定征、组织工程力学性能调控、超声无损检测等领域。具体包括压电元件、具有凹圆柱面的背衬层、射频基座以及外壳。具体有以下特征：(1)具有三个独立的压电元件及对应的射频基座；(2)压电元件为压电高分子聚合物制成的压电薄膜；(3)压电薄膜上表面覆着正电极，下表面覆着负电极；(4)压电薄膜紧密贴合在背衬层的凹圆柱面上；(5)压电薄膜的正电极通过电极引线与对应射频基座的正极相连，压电薄膜的负电极通过电极引线与对应射频基座的负极相连。本发明可以产生两个不同频率的超声波，能够实现对生物组织的力学特性评估，也可实现对材料的各向异性分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声换能器，具体涉及一种双频共焦超声换能器。本发明适用于生物组织定征、组织工程力学性能调控、超声无损检测等领域。
背景技术
低强度超声作为一种生物物理形式，除了具有机械效应以外，还可以产生热效应和独特的空腔效应。超声内的能量可在传播介质内产生交替变化的压缩波，使分子运动增加,导致分子的振动和碰撞增加，产生热效应。由于一些酶对温度的微小变化很敏感，低强度超声产生的细微热效应仍可影响一些酶的活性。作为一种交替变化的压力波，超声波可以产生稳定的腔隙和传输组织内的小束。治疗强度的超声可能在细胞膜上产生剪切力，且这种作用可能通过影响细胞骨架来直接改变基因表达，它们也可以通过细胞膜上的跨膜通道，使跨膜离子的运输及随后的细胞应答发生改变。这些特性使得组织工程中的力学特性超声调控成为可能。
近来的研究表明，低强度超声波通过加速软骨形成及软骨内骨化，进而可以有效促进骨折愈合。动物实验研究也证实，低强度脉冲超声波具有促进关节骨-软骨缺损修复的作用。另外，低强度脉冲超声波可维持软骨细胞中的II型胶原和蛋白聚糖mRNA的高水平表达，以及延迟X型胶原mRNA的表达，还可明显促进转化生长因子TGF-β的表达以蛋白产物的增加。
受限于现有的超声换能器，组织工程的超声调控实验仅能同时使用单一频率超声波或者窄脉冲超声波进行超声刺激，无法同时加载多个频率的声学刺激。另一方面，现有的超声调控实验无法实现对特定深度、特定方向上实施有针对性的定量声学刺激。因此，有必要开发一种超声换能器，使其能够提供有空间指向性的双频交变超声辐射力场。
在软骨修复领域，移植过程要求体外培养的工程软骨具有一定的机械强度。芬兰Lyyra等人研制了用于软骨力学特性评估的装置。该装置通过印压头使软骨产生固定的形变，通过应变片来测量印压头的受力，进而分析软骨的应力反应来测量软骨的硬度。但检测过程的接触力和形变就会造成接触面软骨细胞的损伤和凋零。因此，也需要一种适用于软骨组织培养过程中的力学特征无损评估手段，而超声与力学特性息息相关，被视为最可能的技术路径。
本发明面向上述需求，通过三个独立的压电薄膜及对应的凹圆柱面背衬层等创新设计，开发一种双频共焦超声换能器。通过该换能器产生的有指向性的声辐射力场对在培组织特定区域实施有针对性的调控，从而实现对工程组织局部结构或微观力学特性的调控。
发明内容
本发明的目的是针对组织工程的超声定量调控、软骨组织培养过程中的力学特性评估量等场合对特定超声换能器的应用需求，设计一种能够提供有空间指向性的双频交变超声辐射力场的双频共焦超声换能器。同时该换能器具有多种工作模式，可以完成工程软骨的组织力学特性无损评估。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：
一种双频共焦超声换能器，包括压电元件、背衬层、前置匹配层、射频基座、电极引线、壳体以及填充材料，具体的有以下几个特点：
①压电元件为压电高分子聚合物制成的压电薄膜；
②具有三个独立的压电薄膜、三个独立的背衬层以及三个独立的射频基座；三个独立的背衬层具有凹圆柱面，且凹圆柱面具有相同的圆柱半径；三个独立的压电薄膜紧密贴合在对应背衬层的凹圆柱面上；任意一个压电薄膜及其对应背衬层与射频基座组成独立的超声发射模块，能够产生独立的超声声场，且产生的超声声场是线聚焦声场；
③压电薄膜上表面覆着正电极，下表面覆着负电极；压电薄膜的正电极通过电极引线与对应射频基座的正极相连，压电薄膜的负电极通过电极引线与对应射频基座的负极相连。
④壳体内部剩余空间使用填充材料填充。
所述压电薄膜包括聚偏二氟乙烯PVDF压电薄膜、PVDF与三氟乙烯的共聚物P(VDF-TrFE)压电薄膜、PVDF与四氟乙烯的共聚物P(VDF-TeFE)压电薄膜。
两个背衬层具有相同的结构，其凹圆柱面的角度小于90度；剩余一个背衬层的结构沿圆柱面的中心线对称，其凹圆柱面的角度小于90度；三个背衬层凹圆柱面的角度之和小于180度。
三个独立的背衬层空间上对称布置，两个具有相同结构的背衬层对称布置在剩余一个背衬层的左右两侧，且保证三个凹圆柱面的圆柱轴线在一条直线上。
压电薄膜的长度与对应背衬层凹圆柱面的长度一致，压电薄膜的宽度与对应背衬层凹圆柱面的弧长一致。
前置匹配层材料的声阻抗与压电薄膜的声阻抗接近；前置匹配层的厚度等于超声主频率下超声波波长的四分之一。
前置匹配层为高分子复合材料制成的薄膜，所选的高分子复合材料包括：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚酯。
该换能器具有超声激发声发射、自发自收、一发一收、双发一收四种工作模式。
所述的超声激发声发射模式实现如下：中间的压电元件发射频率为f的超声波，两侧的压电元件发射频率为f+Δf的超声波，两种不同频率的超声波在聚焦位置激发出频率为Δf的声波，使用水听传感器或其他声传感器装置采集该声波；基于该声波，分析待测样品的材料特性。
所述的自发自收工作模式实现如下：任何一个压电元件能够作为发射器，对压电元件施加一个脉冲激励，能够向外发射一个脉冲超声波；所发射的脉冲超声波经待测样品发射后，由该压电元件接收；基于反射超声波，分析待测样品的材料特性。
所述的一发一收工作模式实现如下：使用左右两侧的压电元件，一侧作为发射器，另一侧作为接收器；对发射器施加一个脉冲激励，向外发射一个脉冲超声波；所发射的脉冲超声波经待测样品发射后，由接收器接收；基于接收器捕获的反射超声波，分析待测样品的材料特性；所述的双发一收工作模式实现如下：使用左右两侧的压电元件作为发射器，中间的压电元件作为接收器。
本发明相对于现有技术的有益效果为：
第一，本发明可以提供具有空间指向性的双频交变超声辐射力场，改变以往组织工程中超声调控实验仅能采用单一频率超声波或脉冲超声波的情况；第二，本发明提供的双频共焦超声换能器具有多种工作模式，既可以用于力学性能调控，也可以用于力学性能的无损评估，可极大提升组织培养装置的质量控制能力。
附图说明
图1是本发明实施例的超声换能器结构示意图；
图2是本发明实施例的超声激发声发射工作模式的应用框架图；
图3是本发明实施例的自发自收工作模式的使用方法图；
图4是本发明实施例的一发一收工作模式的使用方法图；
图5是本发明实施例的双发一收工作模式的使用方法图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做具体说明。
如图1-5所示，本发明的实施例涉及一种双频共焦超声换能器，具有超声激发声发射、自发自收、一发一收、双发一收等四种工作模式，可用于生物组织定征、组织工程力学性能调控、超声无损检测等领域。
如图1所示，一种双频共焦超声换能器的结构，包括压电元件、背衬层、前置匹配层、射频基座、电极引线、外壳以及填充材料。
本实施例中，外壳101采用不导电材料制成，是一个长宽高24mm×20mm×20mm的长方体，高度方向上下贯通，壁厚1.5mm，配有壳盖。外壳101的下方沿长度方向加工为圆柱面，圆柱半径为15mm，圆弧的角度为65度。
本实施例中，所述双频共焦超声换能器具有三个独立的压电元件，即右侧PVDF压电薄膜102、中间PVDF压电薄膜104、左侧PVDF压电薄膜106。PVDF压电薄膜上方覆有铝电极薄膜(正极)，下方覆有铝电极薄膜(负极)。所述双频共焦超声换能器具有三个独立的背衬层，即右侧背衬块103、中间背衬块105、左侧背衬块107。右侧背衬块103和左侧背衬块107具有相同的结构，底部加工有凹圆柱面，圆弧角度为16度。中间背衬块105的底部加工有对称的凹圆柱面，圆弧角度为20度。右侧背衬块103、中间背衬块105和左侧背衬块107底部的凹圆柱面的圆柱半径相同，均为16mm。
右侧背衬块103、中间背衬块105和左侧背衬块107的加工步骤是：加工一个长宽高均为16mm的正方体，底部加工一个圆弧角度为60度、圆柱半径为16mm的凹圆柱面，使用切割设备切割出符合角度要求的三个背衬块。
使用环氧树脂混合导电银胶将右侧PVDF压电薄膜102紧密贴合在右侧背衬块103的凹圆柱面上。同样的，将中间PVDF压电薄膜104紧密贴合在中间背衬块105的凹圆柱面上，将左侧PVDF压电薄膜104紧密贴合在左侧背衬块105的凹圆柱面上。环氧树脂混合导电银胶的涂层厚度控制在PVDF压电薄膜厚度的二分之一左右。PVDF压电薄膜的长度与对应背衬块的长度相同，均为16mm。PVDF压电薄膜的宽度略长于对应背衬块底部的边界宽度。本实施例中，中间PVDF压电薄膜104的宽度为7mm，右侧PVDF压电薄膜102和左侧PVDF压电薄膜106的宽度为8mm。
右侧PVDF压电薄膜102的左侧与右侧背衬块103的左侧齐平。右侧PVDF压电薄膜102超过右侧背衬块103的右侧边缘的部分使用导电银胶贴合在右侧背衬块103的右壁上。右侧背衬块103的右壁和上表面使用导电银胶涂抹出一个导电路径，并通过右侧正极引线116与右侧射频基座108的正极相连。使用带粘性的铜箔和导电银胶将右侧PVDF压电薄膜102的铝电极薄膜(负极)与右侧负极引线117进行粘合，粘合的位置在右侧背衬块103的右壁上。将右侧负极引线117与右侧射频基座108的负极相连。相同的方法，将左侧压电薄膜106的铝电极薄膜(正极)通过导电银胶与左侧正极引线120与左侧射频基座110的正极相连，将左侧压电薄膜106的铝电极薄膜(负极)通过导电银胶与左侧正极引线121与左侧射频基座110的负极相连。相同的方法，将中间压电薄膜104的铝电极薄膜(正极)通过导电银胶与中间正极引线118与中间射频基座109的正极相连，将中间压电薄膜104的铝电极薄膜(负极)通过导电银胶与中间正极引线119与中间射频基座109的负极相连。
将前置匹配层112使用快速胶水贴合在三个独立的压电薄膜102、104和106上。本实施例中，采用聚酯材料制成的40微米厚的薄膜作为前置匹配层。
外壳内部的剩余空间使用填充材料122填充，本实施例中优选的填充材料为乙烯-醋酸乙烯共聚物。外壳和壳盖之间通过左侧沉头螺钉115和右侧沉头螺钉114进行固定。所有缝隙使用防水硅胶涂抹，以保证探头可以在水中使用。
图2显示了本实施例所提供的双频共焦超声换能器在超声激发声发射工作模式的应用框架。本模式下，中间的压电元件发射频率为f的连续超声波，左右两侧的压电元件发射频率为f+Δf的连续超声波，两种不同频率的超声波在聚焦位置激发出频率为Δf的声波，使用水听传感器采集该声波。基于该工作模式，可以产生双频交变超声辐射力场。
整个系统由一台计算机207负责总控。双频共焦超声换能器201通过夹具211固定在XYZ三轴运动平台212上，并可在运动控制器206的控制下在前后、左右、上下等方向进行微米精度的运动。信号控制器204负责控制信号源202和信号源203的信号发射动作及频率。信号源202通过中间射频基座109与双频共焦超声换能器201相连，并产生频率为f的连续超声波。信号源203通过左侧射频基座110和右侧射频基座108与双频共焦超声换能器201相连，并产生频率为f+Δf的连续超声波。待调控样品209放在一个规则容器210中。所发射的超声波在待调控样品209的对应位置产生声发射现象，并向外辐射频率为Δf的声波。所发射的频率为Δf的声波被水听器208所捕获，并经过AD采样器205转化为数字量进入计算机207。
图3显示了本实施例所提供的双频共焦超声换能器201在自发自收工作模式的使用方法。在该模式下仅使用一个压电元件可以作为发射器，对其施加一个脉冲激励，可以向外发射一个脉冲超声波。所发射的脉冲超声波经待测样品发射后，由该压电元件接收。基于反射超声波，分析待测样品的材料特性。优选的方案是使用中间压电元件作为发射器，信号放射器301通过中间射频基座109与双频共焦超声换能器201相连，并施加脉冲激励。双频共焦超声换能器201产生的脉冲超声波在待测样品209的表面或内部产生反射，反射的超声波被中间的压电元件接收，并通过信号接收器302被计算机获取。
图4显示了本实施例所提供的双频共焦超声换能器在一发一收工作模式的使用方法。在本实施例中，信号放射器301通过左侧射频基座110与双频共焦超声换能器201相连，信号接收器302通过右侧射频基座108与双频共焦超声换能器201相连。信号放射器301施加脉冲激励，左侧压电元件所产生的脉冲超声波401在待测样品209的表面或内部产生反射，反射的超声波402被右侧的压电元件接收，并通过信号接收器302被计算机获取。
所述的双发一收工作模式，其特征在于：使用左右两侧的压电元件作为发射器，中间的压电元件作为接收器。
图5显示了本实施例所提供的双频共焦超声换能器在双发一收工作模式的使用方法。本实施例中，双发一收工作模式也会产生声发射现象。信号接收器301通过中间射频基座109与与双频共焦超声换能器201相连。信号源203通过左侧射频基座与双频共焦超声换能器201相连，并控制左侧压电元件产生频率为f+Δf的连续超声波501。信号源202通过右侧射频基座与双频共焦超声换能器201相连，并控制右侧压电元件产生频率为f的连续超声波502。所发射的超声波501和502在待测样品209的对应位置产生声发射现象，并向外辐射频率为Δf的声波503。所辐射的声波503被中间的压电元件捕获，并通过信号接收器301被计算机获取。该工作模式下的其他配置与图2中的相同。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种双频共焦超声换能器，包括压电元件、背衬层、前置匹配层、射频基座、电极引线、壳体以及填充材料，其特征在于：
①压电元件为压电高分子聚合物制成的压电薄膜；
②具有三个独立的压电薄膜、三个独立的背衬层以及三个独立的射频基座；三个独立的背衬层具有凹圆柱面，且凹圆柱面具有相同的圆柱半径；三个独立的压电薄膜紧密贴合在对应背衬层的凹圆柱面上；任意一个压电薄膜及其对应背衬层与射频基座组成独立的超声发射模块，能够产生独立的超声声场，且产生的超声声场是线聚焦声场；
③压电薄膜上表面覆着正电极，下表面覆着负电极；压电薄膜的正电极通过电极引线与对应射频基座的正极相连，压电薄膜的负电极通过电极引线与对应射频基座的负极相连；
④壳体内部剩余空间使用填充材料填充；
所述压电薄膜包括聚偏二氟乙烯PVDF压电薄膜、PVDF与三氟乙烯的共聚物P(VDF-TrFE)压电薄膜、PVDF与四氟乙烯的共聚物P(VDF-TeFE)压电薄膜；
两个背衬层具有相同的结构，其凹圆柱面的角度小于90度；剩余一个背衬层的结构沿圆柱面的中心线对称，其凹圆柱面的角度小于90度；三个背衬层凹圆柱面的角度之和小于180度；
三个独立的背衬层空间上对称布置，两个具有相同结构的背衬层对称布置在剩余一个背衬层的左右两侧，且保证三个凹圆柱面的圆柱轴线在一条直线上；
压电薄膜的长度与对应背衬层凹圆柱面的长度一致，压电薄膜的宽度与对应背衬层凹圆柱面的弧长一致。
2.如权利要求1所述的双频共焦超声换能器，其特征在于：前置匹配层材料的声阻抗与压电薄膜的声阻抗接近；前置匹配层的厚度等于超声主频率下超声波波长的四分之一；前置匹配层为高分子复合材料制成的薄膜，所选的高分子复合材料包括：聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚酯。
3.如权利要求1所述的双频共焦超声换能器，其特征在于：该换能器具有超声激发声发射、自发自收、一发一收、双发一收四种工作模式。
4.如权利要求3所述的双频共焦超声换能器，其特征在于所述的超声激发声发射模式实现如下：中间的压电元件发射频率为f的超声波，两侧的压电元件发射频率为f+Δf的超声波，两种不同频率的超声波在聚焦位置激发出频率为Δf的声波，使用水听传感器或其他声传感器装置采集该声波；基于该声波，分析待测样品的材料特性。
5.如权利要求3所述的双频共焦超声换能器，其特征在于所述的自发自收工作模式实现如下：任何一个压电元件能够作为发射器，对压电元件施加一个脉冲激励，能够向外发射一个脉冲超声波；所发射的脉冲超声波经待测样品发射后，由该压电元件接收；基于反射超声波，分析待测样品的材料特性。
6.如权利要求3所述的双频共焦超声换能器，其特征在于所述的一发一收工作模式实现如下：使用左右两侧的压电元件，一侧作为发射器，另一侧作为接收器；对发射器施加一个脉冲激励，向外发射一个脉冲超声波；所发射的脉冲超声波经待测样品发射后，由接收器接收；基于接收器捕获的反射超声波，分析待测样品的材料特性；所述的双发一收工作模式实现如下：使用左右两侧的压电元件作为发射器，中间的压电元件作为接收器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711134044.3A CN108593783B (zh) | 2017-11-16 | 2017-11-16 | 一种双频共焦超声换能器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711134044.3A CN108593783B (zh) | 2017-11-16 | 2017-11-16 | 一种双频共焦超声换能器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108593783A CN108593783A (zh) | 2018-09-28 |
| CN108593783B true CN108593783B (zh) | 2021-01-01 |
Family
ID=63633025
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711134044.3A Active CN108593783B (zh) | 2017-11-16 | 2017-11-16 | 一种双频共焦超声换能器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108593783B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111044618B (zh) * | 2019-12-05 | 2022-08-16 | 西安理工大学 | 一种声发射信号检测的压电传感器及压电薄膜的制备方法 |
| CN112414601B (zh) * | 2020-11-18 | 2021-10-26 | 北京理工大学 | 宽频超声换能器 |
| CN115252277A (zh) * | 2021-04-30 | 2022-11-01 | 微创视神医疗科技(上海)有限公司 | 一种超声乳化仪 |
| WO2023092725A1 (zh) * | 2021-11-26 | 2023-06-01 | 深圳先进技术研究院 | 一种导管鞘及成像装置 |
| CN114129189B (zh) * | 2021-11-30 | 2023-02-03 | 深圳先进技术研究院 | 双频血管内超声换能器、血管壁杨氏模量计算方法和装置 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201034982Y (zh) * | 2007-04-27 | 2008-03-12 | 北京工业大学 | 一种双层pvdf压电薄膜线聚焦超声探头 |
| CN103041978A (zh) * | 2013-01-23 | 2013-04-17 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 聚焦型超声换能器及其制备方法 |
| CN104225810A (zh) * | 2014-09-09 | 2014-12-24 | 西安交通大学 | 基于双频共焦超声分时激励的超声力学毁损和热凝固装置及方法 |
| CN105903667A (zh) * | 2016-05-10 | 2016-08-31 | 广州佰奥廷电子科技有限公司 | 双频中空聚焦超声探测器 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ES2458629T3 (es) * | 2009-06-19 | 2014-05-06 | Sonovia Holdings Llc | Transductor de ultrasonidos de frecuencia dual |
-
2017
- 2017-11-16 CN CN201711134044.3A patent/CN108593783B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN201034982Y (zh) * | 2007-04-27 | 2008-03-12 | 北京工业大学 | 一种双层pvdf压电薄膜线聚焦超声探头 |
| CN103041978A (zh) * | 2013-01-23 | 2013-04-17 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 聚焦型超声换能器及其制备方法 |
| CN104225810A (zh) * | 2014-09-09 | 2014-12-24 | 西安交通大学 | 基于双频共焦超声分时激励的超声力学毁损和热凝固装置及方法 |
| CN105903667A (zh) * | 2016-05-10 | 2016-08-31 | 广州佰奥廷电子科技有限公司 | 双频中空聚焦超声探测器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 生物组织中的超声激发声发射（USAE）及其医学应用研究;何培忠;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库（博士） 医药卫生科技辑（月刊）》;20070215;正文第53-70页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108593783A (zh) | 2018-09-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108593783B (zh) | 一种双频共焦超声换能器 | |
| US20050031499A1 (en) | Ultrasound device | |
| US5501655A (en) | Apparatus and method for acoustic heat generation and hyperthermia | |
| CN111458409A (zh) | 一种柔性超声探头、超声成像检测系统和检测方法 | |
| US10178985B2 (en) | Detachably joined ultrasonic probe device | |
| US20210043825A1 (en) | Multi-cell transducer | |
| Chen et al. | Quasi-spherical PVDF ultrasonic transducer with double-cylindrical PVDF structure | |
| CN110199194B (zh) | 使用超声波来检测部件的多元件方法及装置 | |
| CN212083324U (zh) | 一种柔性超声探头及超声成像检测系统 | |
| US20130245444A1 (en) | Synchronously pumped ultrasonic waves and shear wave generation by same | |
| KR20110003057A (ko) | 초음파 프로브 및 초음파 진단장치 | |
| JP2023510608A (ja) | 超音波結合シュー | |
| US20170107506A1 (en) | System and methods for applying controlled low-intensity ultrasound to a cell culture | |
| US12115555B2 (en) | Gas matrix piezoelectric ultrasound array transducer | |
| Sempsrott et al. | Experimental verification of acoustic saturation | |
| KR20160088918A (ko) | 초음파 프로브 및 초음파 프로브를 이용한 생체 혈관 직경의 측정 방법 | |
| Huang et al. | Transducer design for high-efficient acoustic droplet ejection | |
| US11826781B2 (en) | Ultrasonic transducer for non-invasive measurement | |
| Nistorica et al. | Modeling and characterization of a 3D-MEMS piezoelectric ultrasound transducer | |
| CN214584379U (zh) | 一种用于生物样品预处理的双频聚焦换能器 | |
| Seifer | Titanium ultrasonic reactor tuned to 500 kHz | |
| Vladišauskas et al. | Investigation of the characteristics of the low frequency broadband contact transducers | |
| Mohammad Nouri et al. | Simulation and optimization of Tonpilz transducer by FEM and comparing the results with electroacoustic tests. | |
| Ryu | Pulse-echo Measurement Systems-A Mini | |
| JPH06105397A (ja) | 超音波探触子 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |