一种双频大振幅收发一体式超声换能器

技术领域

本发明涉及超声换能器领域，特别涉及一种双频大振幅收发一体式超声换能器。

背景技术

目前，超声手术刀被广泛应用于各种外科手术中，例如血管的切割和凝闭。相比于传统的外科手术设备，超声手术刀具有精度高、创伤小以及术后易恢复等优点。而针对不同大小和厚度的组织，超声手术刀需要选择合适的功率以达到最佳的切割和凝闭效果。如果功率选择不当，则可能导致凝闭效果不佳而出血或损伤其他正常人体组织，甚至危及患者生命。因此，准确判断待切割组织的大小和厚度，进而选择合适手术刀输入功率的显得尤为重要。

目前，判断组织大小和厚度的方法主要有两种，一是通过B超等成像设备进行判断；二是医生基于自身经验进行判断。第一种方法的缺点在于，首先成像设备只能在手术前对待切割组织进行成像判断，无法在手术中实时成像；其次对于一些结构复杂的、易发生位移的组织，例如血管等，成像后难以精确判断待切割组织位置。第二种方法的缺点在于，医生由于自身经验问题容易导致误判，进而引起手术失败，危害患者健康甚至生命。

发明内容

本发明目的是：针对上述问题，本发明提出一种大振幅收发一体式超声换能器。其特点是既可以作为成像换能器，进行发射、接收超声波以判断组织大小和厚度，也可以作为功率超声换能器，产生大振幅的振动以实现对组织的切割和凝闭。在手术中可以灵活切换两种工作模式，以实现对待切割组织的大小和厚度进行实时判断、实现组织的切割和凝闭，极大地提高手术成功率。

本发明的技术方案是：

一种双频大振幅收发一体式超声换能器，包括驱动部分、换能器前盖、换能器后盖、预应力螺栓、匹配层和背衬层；其中：

驱动部分由多个压电陶瓷片堆叠构成，相邻压电陶瓷片之间放置铜电极片，铜电极片通过导线与换能器的驱动设备连接；

换能器前盖和换能器后盖分别放置在驱动部分的两端；

预应力螺栓依次穿过换能器后盖和驱动部分，与换能器前盖连接，并施加有一定的预应力；

背衬层粘贴在预应力螺栓的另一端面，匹配层粘贴在换能器前盖的另一端面；

所述驱动部分中，堆叠的压电陶瓷片不少于两种，每种压电陶瓷片的形状、所占体积比例根据需要进行调整；

所述驱动部分中，至少一种压电陶瓷片的工作频率范围为20kHz～80kHz，当其工作时换能器产生振动；至少一种压电陶瓷片的工作范围为2MHz～80MHz，当其工作时换能器发射、接收声波信号。

优选的，所述换能器前盖，采用变截面杆，当换能器以20kHz～80kHz频率工作时，变截面杆最窄端能够产生20微米～200微米振幅的振动。

优选的，所述换能器后盖，其密度、声速均大于换能器前盖密度、声速。

优选的，所述匹配层，当换能器工作在2MHz～80MHz范围内时，用于减小换能器前盖窄端面与换能器作用介质之间的声波反射；所述背衬层，当换能器工作在20kHz～80kHz范围内时，用于吸收从换能器后盖发射的声波。

优选的，所述驱动部分中，每个压电陶瓷片由若干块不同种类的圆扇形压电陶瓷拼接成圆形。

优选的，所述驱动部分中，各种压电陶瓷片交替排列或分类排列。

优选的，所述驱动部分中，每个压电陶瓷片由若干块不同种类的同心环形压电陶瓷拼接成圆形。

优选的，所述驱动部分的数量为多个，相邻驱动部分之间放置至少一个变截面杆。

本发明的优点是：

本发明利用一定比例的多种压电陶瓷组合成压电陶瓷堆的结构，使得换能器可以实现双频工作，当超声换能器工作在2MHz～80MHz频率范围时，能够实时计算组织的大小和厚度，当工作在20kHz～80kHz范围内时，能够实现对组织的切割，相比于传统换能器，本发明的换能器能够实时、精确定位组织和计算其大小，并精确选择工作功率进行切割，大大缩短手术时间，降低手术风险。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的双频大振幅收发一体式超声换能器的立体图；

图2为本发明的双频大振幅收发一体式超声换能器的剖视图；

图3为实施例1中双频大振幅收发一体式超声换能器的主视图；

图4为实施例1中驱动部分的构成图；

图5为实施例2中双频大振幅收发一体式超声换能器的主视图；

图6为实施例2中驱动部分的构成图；

图7为实施例3中双频大振幅收发一体式超声换能器的主视图；

图8为实施例3中驱动部分的构成图；

图9为实施例4中双频大振幅收发一体式超声换能器的主视图；

图10为实施例4中驱动部分的构成图；

图11为实施例5中双频大振幅收发一体式超声换能器的主视图。

实施方式

如图1、2所示，本发明提出的一种双频大振幅收发一体式超声换能器，包括驱动部分1、换能器前盖2、换能器后盖3、预应力螺栓4、匹配层5和背衬层6；其中：驱动部分1由多个压电陶瓷片7堆叠构成，相邻压电陶瓷片7之间放置铜电极片，铜电极片通过导线与换能器的驱动设备连接；换能器前盖2和换能器后盖3分别放置在驱动部分1的两端；预应力螺栓4依次穿过换能器后盖3和驱动部分1，与换能器前盖2连接，并施加有一定的预应力。背衬层6粘贴在预应力螺栓4的另一端面，匹配层5粘贴在换能器前盖2的另一端面。

所述驱动部分1中，堆叠的压电陶瓷片7不少于两种，每种压电陶瓷片7的形状、所占体积比例根据需要进行调整。其中，至少一种压电陶瓷片7的工作频率范围为20kHz～80kHz，当其工作时换能器产生振动；至少一种压电陶瓷片7的工作范围为2MHz～80MHz，当其工作时换能器发射、接收声波信号。

所述换能器前盖2，采用变截面杆，当换能器以20kHz～80kHz频率工作时，变截面杆最窄端能够产生20微米～200微米振幅的振动。

所述换能器后盖3，其密度、声速均大于换能器前盖2密度、声速。

所述匹配层5，当换能器工作在2MHz～80MHz范围内时，用于减小换能器前盖窄端面与换能器作用介质之间的声波反射；所述背衬层6，当换能器工作在20kHz～80kHz范围内时，用于吸收从换能器后盖发射的声波。

实施例1

本发明实施例1的超声换能器，主视图如图3所示，驱动部分1示意图如图4所示，驱动部分1由4个压电陶瓷片7构成；每个压电陶瓷片7由3块圆扇形PZT8压电陶瓷8和3块圆扇形PZT5压电陶瓷9交替拼接组成；换能器前盖2由3段杆组成；换能器前盖后盖3为一段圆环柱。本实施例的压电陶瓷片7的数量可根据需要进行调整，圆扇形陶瓷的数量也可以根据需要进行调整。

实施例2

本发明实施例2的超声换能器，主视图如图5所示，驱动部分1示意图如图6所示，驱动部分1由3个圆环形PZT8压电陶瓷8和3个圆环形PZT5压电陶瓷9构成；每个压电陶瓷片7厚2mm；PZT8压电陶瓷8和PZT5压电陶瓷9相互交错堆叠放置。本实施例的压电陶瓷片7的数量可根据需要进行调整。

实施例3

本发明实施例3的超声换能器，为实施例2的另一种组合方式，其主视图如图7所示，驱动部分1示意图如图8所示，由3个PZT8压电陶瓷8和3个PZT5压电陶瓷9构成， PZT8压电陶瓷8和PZT5压电陶瓷9分别自行堆叠成圆环柱状，然后在相互叠加在一起。本实施例的压电陶瓷片7的数量可根据需要进行调整。

实施例4

本发明实施例4的超声换能器，主视图如图9所示，驱动部分1由6个压电陶瓷堆7组成，示意图如图10所示。每个压电陶瓷堆7由多个同心的PZT8压电陶瓷片8和PZT5压电陶瓷片9构成，外侧陶瓷圆环片的内径不小于其相邻内侧陶瓷圆环片的外径，各个圆环片由内至外依次放置。本实施例的压电陶瓷片7的数量可根据需要进行调整，每个压电陶瓷片7中压电陶瓷环的数量也可以根据需要进行调整。

实施例5

本发明实施例5的超声换能器，如图11所示，换能器包含了2个驱动部分1，两个驱动部分1之间放置多个变截面杆10，每个驱动部分均可由实施例1～4中任一种陶瓷片配置或其组合构成；进一步地，本实例中驱动部分1可以为3个或者更多。

上述实施例中PZT8压电陶瓷8可以用其他发射型压电陶瓷代替，PZT5压电陶瓷9可以用其他收发两用型压电陶瓷代替。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。