聚焦声透镜材料及其应用

6db带宽可增大约14％。
9.较佳的，所述硅胶基材选自室温硫化硅橡胶rtv、高温硫化硅橡胶htv或聚二甲基硅氧烷pdms，优选为聚二甲基硅氧烷pdms。
10.较佳的，所述掺杂剂的粒径为0.1μm～5μm，优选为0.2μm～3μm，更优选为1μm。
11.较佳的，所述聚焦声透镜材料的声阻抗为1.24～1.61mrayls。
12.较佳的，所述聚焦声透镜材料的声衰减为2.65～8.92db/mm@5mhz。
13.较佳的，所述聚焦声透镜材料的声速为937～1071m/s。
14.另一方面，本发明还提供了一种上述聚焦声透镜材料制备的聚焦声透镜，所述聚焦声透镜为平-凸型声透镜，具有内表面(即内平面)和外表面(即外凸面)。
15.该聚焦声透镜的内表面形状为与一维阵列超声探头相同的平面，以达到使声透镜内表面与探头表面尽可能紧密贴合不产生气泡的目的，从而可以减小在超声波主方向上的气泡处的声反射和相应的超声波衰减，从而提高超声波的发射效率。该聚焦声透镜的外表面形状为具有一定曲率半径的凸型，因为掺杂改性后，所述聚焦声透镜的声速要低于人体软组织的声速，则声波从换能器经过所述聚焦声透镜时将产生聚焦效果，有利于提高换能器的成像效果。
16.再一方面，本发明还提供了一种上述聚焦声透镜在医用相控阵超声换能器中的应用，所述聚焦声透镜的内表面用于面对医用相控阵超声换能器的发射表面并且用于接收来自发射表面的超声波，所述聚焦声透镜的外表面用于发射在内表面处接收的超声波。
17.有益效果：在本发明中，所得聚焦声透镜材料具有比传统医用纯硅胶材料更接近与人体软组织平均声阻抗值(1.6mrayls)的声阻抗值，使得声能量在经过所述聚焦声透镜进入人体或经由人体组织器官反射经声透镜回到超声换能器中时只产生5db的衰减；在本发明中，所得聚焦声透镜材料具有比传统医用纯硅胶材料更高的强度，从而在使用过程中不易损坏，可减少可能的维修次数和成本；在本发明中，所得聚焦声透镜包裹在超声探头外表面，可以对换能器起到防水、防潮、防油污等保护作用；在本发明中，所得聚焦声透镜对经过的声波具有较小的衰减作用，同时对换能器的回波拖尾能够起到一定程度的抑制作用；具有本发明所述聚焦声透镜的换能器与不具有本发明所述聚焦声透镜的原型换能器相比，换能器的-6db带宽可提高10％以上，有利于换能器纵向分辨率的提高；在本发明中，所得聚焦声透镜包裹在超声探头外表面且具有一定的弧度，声波经声透镜进入人体软组织时会产生声聚焦效果，使得声能量在垂直声轴线方向上更集中，有利于提高换能器的横向分辨率。
附图说明
18.图1为平-凸型声透镜对声波产生聚焦作用的示意图；图2为聚焦声透镜的有限元模型；图3为阵元1灌注声透镜前后的回波和带宽图。
具体实施方式
19.以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
20.本发明基于为实现超声换能器在灌注声透镜以后灵敏度衰减尽可能小，同时对超声换能器的回波拖尾起到一定抑制作用从而增大其-6db频率带宽的想法来对传统的医用纯硅胶材料进行掺杂改性。
21.在本发明中，聚焦声透镜材料可为硅胶基质与氧化物掺杂剂(包括金属氧化物和非金属氧化物)的固体混合物。
22.目前常见的纯硅胶材料的优点在于：衰减系数小，可浇注成型，无毒，生物相容性较好；缺点在于：声阻抗低，与人体软组织平均阻抗相差较大，且硬度较小，虽然适合用于制备可直接接触人体皮肤的声透镜，但易损坏。因此可采用掺杂改性的方法，目的是提高材料的声阻抗和强度，同时控制衰减系数。
23.确定掺杂基质材料，即纯硅胶种类。目前最常用的三种硅胶材料，即室温硫化硅橡胶(rtv)、高温硫化硅橡胶(htv)和聚二甲基硅氧烷(pdms)的性能如下表1所示：高温硫化硅橡胶(htv)和聚二甲基硅氧烷(pdms)的性能如下表1所示：。可优选选择其中声阻抗最大且声衰减最小的pdms作为掺杂基质(或称掺杂剂)。掺杂剂的加入主要是为了增大声透镜的声阻抗和硬度，事实上掺杂剂和硅胶之间存在协同作用。
24.对掺杂剂填料的基本要求：(1)密度高于纯材料，能有效地提高复合体系的声阻抗；(2)密度不能太高，且粒径要很小，以尽量减少复合体系的声衰减系数；(3)对原本的材料有补强作用；(4)在满足声阻抗率要求的条件下，混合物料应具有足够的流动性，可允许真空除气和浇注成型。
25.确定掺杂剂种类。对于相同粒径和密度的掺杂粉末，样品声衰减与掺杂剂的质量分数成正比；当掺杂剂的质量分数确定时，声衰减与掺杂剂粒径和密度成正比。因此，可以选择不同种类、不同粒径的氧化物粉末作为掺杂剂(或称掺杂物)。优选，选用的掺杂物包括sio2、al2o3、y2o3和zro2中的至少一种。其中，掺杂物的加入主要会影响声透镜的声阻抗和声衰减，而这两个参数存在相互制约的关系，掺杂物加入少量，声衰减较小，但声阻抗增大也较小，可能达不到理想的与人体软组织声阻抗相匹配的值；掺杂物加入过量，则声阻抗可能达到与人体软组织相匹配，但声衰减也会相应增大，声衰减的增大会对成像灵敏度产生不利影响，因此需要调整掺杂量使两者达到一个共同作用的最优值。
26.进一步地，优选掺杂剂的粒径包括3μm、1μm和0.2μm。掺杂剂的质量分数优选为29％。
27.本发明人研究了硅胶种类、掺杂粉末种类，掺杂粉末粒径，掺杂物质量分数等对声透镜密度、声速、声衰减等性能的影响，并运用有限元分析计算辅助实验，模拟不同配方声透镜对声波的聚焦性能和对声波的衰减作用。
28.在本发明一实施方式中，利用聚焦声透镜材料制备可用于一维相控阵超声探头的
聚焦声透镜为平-凸型声透镜，其具有内表面和外表面(参见图1)，所述内表面用于面对超声换能器的发射表面并且用于接收来自所述发射表面的超声波，所述外表面用于发射在所述内表面处接收的所述超声波。
29.在可选的实施方式中，声透镜内表面形状为与一维阵列超声探头相同的平面，以达到使声透镜内表面与探头表面尽可能紧密贴合不产生气泡的目的，从而可以减小在超声波主方向上的气泡处的声反射和相应的超声波衰减，从而提高超声波的发射效率。
30.在可选的实施方式中，声透镜外表面形状为具有一定曲率半径的凸型，因为掺杂改性后，所述聚焦声透镜的声速要低于人体软组织的平均声速(1540m/s)，则声波从换能器经过所述聚焦声透镜时将产生聚焦效果，有利于提高换能器的成像效果。
31.进一步地，确定平-凸型声透镜的曲率半径rc的计算公式。若折声材料与介质的声速分别为v
l
和vm，当vm＞v
l
时，声透镜呈凸形，如图1所示。从图中关系可推导得到如下式子：其中a为声透镜孔径半径，fd为焦距，rc为声透镜的曲率半径。对上式取泰勒一级近似可得到：rc＝fd(vm/v
l-1)。本发明中聚焦声透镜的尺寸通常只考虑其聚焦半径rc，计算公式如上所示，则对于确定的声透镜材料，只要确定其聚焦深度fd即可确定其聚焦半径。
32.确定声透镜的焦距fd。本发明所述聚焦声透镜主要用于一维64阵元2.7mhz相控阵超声换能器。根据目前市场上商用的2.7mhz 64阵元相控阵超声换能器的可作用范围，将fd定为70mm。
33.确定介质声速vm。本发明所述聚焦声透镜主要用于医用超声相控阵换能器，因此为vm人体软组织的声速，即vm＝1540m/s。
34.如上所述，本发明所述掺杂改性后的低衰减声透镜可用于一维阵列超声换能器，可对换能器起到一定的保护作用。同时，所述聚焦声透镜具有比传统医用纯硅胶更接近人体软组织平均声阻抗值的声阻抗值和更高的强度，并且对声波具有一定的聚焦效果，对回波拖尾可起到一定的抑制作用。
35.下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
36.实施例1样品制备与性能测试。以pdms为掺杂基质，分别进行单种粉末掺杂和双粉末掺杂实验，具体步骤包括：(1)首先配置硅胶基质材料，将pdms基质与相应固化剂按照10：1的比例进行配置，并搅拌均匀；(2)在步骤(1)中可知pdms基质与相应固化剂的总质量，已知掺杂物质量分数可计算出需要加入的掺杂物质量，称量出相应质量的掺杂物后直接加入步骤(1)中配置好的硅胶基
质中并搅拌均匀；(3)将步骤(2)中搅拌均匀的混合物放入真空干燥箱中进行抽真空除气20分钟；(4)将步骤(3)中除气后的混合物注入声透镜模具中，再次放入真空干燥箱中进行抽真空除气20分钟；(5)将步骤(4)中除气后的混合物置于室温下2-3小时进行短期室温自凝固；(6)将步骤(5)中的混合物置于55℃恒温干燥箱中干燥15小时进行最终凝固成型。测试结果分别如下表2、表3所示。
37.表2：
38.表3：
39.考虑到聚声透镜各项性能中对换能器灵敏度影响最大的为声衰减大小，因此声透镜的声衰减应尽可能小，同时声阻抗值不能与人体软组织声阻抗值相差太大，否则声波经过声透镜进入人体软组织时由于界面声阻抗差异较大，会造成声能量产生较大衰减，影响最终成像的灵敏度。由于人体软组织的平均声阻抗约为1.6mrayls，理想声透镜的声阻抗一般为1.3-1.6mrayls。因此，优选将选择标准定为声衰减小于5db/mm@5mhz同时声阻抗值大于1.3mrayls。在进一步优选的前提下，表2中符合标准的样品为1号、3号、4号、7号，表3中符合标准的样品为19号、25号、26号。对比19、25和26号样品结果可知，对于双掺样品，当两种粉末掺杂总质量分数不变时，改变粉末之间的质量比对样品性能并不会产生显著影响，这主要是因为声透镜中的粉末对入射声波的作用只是物理过程，并且掺杂的两种粉末之间不会发生化学反应。因此，在19、25和26号样品中最优选声衰减最小的19号样品。
40.建立有限元模拟，如图2所示。在有限元模型中分别对编号为1、3、4、7、19的五个样品性能进行模拟。根据表2、表3中样品的声速和声透镜半径计算公式可知五个声透镜的半径分别为32.57mm、31.60mm、30.65mm、34.25mm、36.84mm。将不同半径值代入有限元模型中，模拟声透镜的聚焦效果。
41.评价声透镜聚焦效果的衡量标准主要有两个：(a)换能器发射不声波经声透镜聚焦后在70mm焦点处的-6db横向声束宽度，横向声束宽度越小则声透镜聚焦效果越好；(b)70mm焦点处声压大小与换能器表面声压大小的比值，比值越大则声透镜对声能量的衰减越小。具体而言，在有限元模型中计算出上述两项指标，并进行比较。结果如下表4所示。首先选出-6db横向声束宽度最小的样品，即样品3和7，再选择其中焦点处声压与声源处声压比值较大的样品，即7号样品。由此最终可确定性能最优的为7号声透镜样品。
42.表4：
编号声透镜半径(mm)-6db横向声束宽度(mm)焦点处声压与声源处声压比132.572.0215.20％331.601.9315.50％430.651.9815.28％734.251.9315.83％1936.842.0015.42％
。
43.验证7号声透镜样品配方的实际性能。对中心频率为2.7mhz的64阵元相控阵超声换能器进行声透镜灌注。首先在64阵元中随机选取5个阵元进行标记，测试这5个阵元的回波响应和带宽特性。然后对所述换能器进行声透镜灌注，声透镜内表面和外表面之间的最大厚度为1.3mm。灌注完成后同样对标记的5个阵元分别测试其回波响应和带宽特性。对比灌注声透镜前后所述相控阵超声换能器的回波和带宽特性，结果如下表5所示。图3所示为阵元1灌注声透镜前后的回波和带宽图。对比灌注前后回波图可以看到，灌注本发明声透镜后，换能器的回波拖尾明显减小，说明本发明声透镜对换能器的回波拖尾具有明显的抑制作用。对比灌注前后带宽图可知，灌注本发明声透镜后，换能器的-6db带宽明显增大，且带宽曲线变得更加平滑，这些变化均有利于提升换能器的分辨率。
44.表5：
45.综上所述，本实施例的一种聚焦声透镜的设计方法，通过在纯硅胶pdms中掺杂不同种类和不同质量分数的氧化物掺杂剂对纯硅胶进行填充改性，以达到增大其声阻抗和样品强度的目的。通过大量的实验数据，并采用有限元模型对声透镜聚焦性能进行模拟分析，最终确定了最优的掺杂设计为在pdms中掺杂质量分数为29％的1μm粒径的al2o3。使用本实施例设计的聚焦声透镜的2.7mhz 64阵元相控阵超声换能器灵敏度平均只降低4.80db，同时带宽平均可提高14.27％。