一種大帶寬跟骨骨密度超聲探頭及其制作方法與流程

本發明涉及醫療器械領域,特別是一種用于探測人體跟骨骨密度的超聲探頭，具體地說是一種大帶寬跟骨骨密度超聲探頭及其制作方法。

背景技術：

由于傳統X射線方法檢測人體骨密度容易形成輻射，因此無輻射、價格低廉、使用方便的超聲骨密度檢測方法逐漸被人們接受。依據測量部位，目前常用的超聲骨密度測試方法有跟骨骨密度、橈骨骨密度、指骨骨密度等。其中跟骨骨密度常采用一發一收的雙探頭方法進行腳部跟骨的測量，可以同時獲得跟骨處聲速SOS和聲衰減BUA。其中BUA的測量原理是根據跟骨處的聲衰減系數在0.2MHz到0.8MHz之間與頻率呈線性關系的物理關系。實際應用中很難有超聲探頭可以做到在0.2MHz和0.8MHz之間進行線性采樣，這需要探頭帶寬達到120%，比較常用的是采集0.2MHz到0.6MHz的聲衰減系數。即使這樣普通超聲跟骨骨密度探頭通常也只能做到0.3MHz到0.5MHz的線性BUA數據采樣。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的現狀，而提供制作工藝簡單、適于人體跟骨部位骨密度檢測，并且靈敏度高、帶寬廣，能在0.2MHz到0.6MHz之間獲得線性聲衰減系數擬合的一種大帶寬跟骨骨密度超聲探頭及其制作方法。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種大帶寬跟骨骨密度超聲探頭，該超聲探頭由探頭外殼以及封裝在該探頭外殼內的聲疊層和探頭電極引線共同組成，其中，聲疊層在探頭外殼內從上至下依次由高聲阻抗背襯、壓電陶瓷晶片、第二聲匹配層和第一聲匹配層經膠粘疊加組成；高聲阻抗背襯由環氧樹脂與鎢粉配制形成，壓電陶瓷晶片為鈦酸鉛壓電陶瓷晶片，第二聲匹配層由環氧樹脂和固化劑制作形成，第一聲匹配層由環氧樹脂和氧化鋁粉末配制形成；探頭電極引線包括正電極引線和負電極引線，正電極引線與壓電陶瓷晶片的上表面焊接相連接，負電極引線與壓電陶瓷晶片的下表面焊接相連接；正電極引線和負電極引線均從探頭外殼的上端面引出。

為優化上述技術方案，采取的措施還包括：

上述的高聲阻抗背襯主要是起到背向聲吸收和增加帶寬的作用，該高聲阻抗背襯的聲阻抗最佳在9MRaly-18MRaly之間。

上述的壓電陶瓷晶片具有徑向振動模式小于厚度振動模式的特點，該壓電陶瓷晶片的直徑在10mm-35mm之間，壓電陶瓷晶片的最佳諧振頻率在0.4MHz-0.8MHz之間。

上述的第二聲匹配層的聲阻抗在4MRaly-1.5MRaly之間，第二聲匹配層的厚度最佳為該層聲速波長的四分之一。

上述的第一聲匹配層的聲阻抗在6.5MRaly-10.5MRaly之間，第一聲匹配層的厚度最佳為該層聲速波長的四分之一。

本發明還提供了一種大帶寬跟骨骨密度超聲探頭的制作方法，該方法包括以下步驟：

1)、選取厚度為3.85mm，直徑為25mm的商用披銀電極PT壓電陶瓷作為壓電陶瓷晶片，并將正電極引線與壓電陶瓷晶片的上表面焊接固定相連，將負電極引線與壓電陶瓷晶片的下表面焊接固定相連；

2)、采用質量比為1:8的E54環氧樹脂與鎢粉配制出高聲阻抗背襯；

3)、采用質量比為1:4的E51環氧樹脂和593固化劑配制出第二聲匹配層；

4)、采用質量比為1:3的E51環氧樹脂與800目氧化鋁粉末配制出第一聲匹配層；

5)、由上至下將上述的高聲阻抗背襯、焊接有正電極引線和負電極引線的壓電陶瓷晶片、第二聲匹配層和第一聲匹配層通過E51環氧樹脂膠粘疊置形成聲疊層；

6)、將正電極引線未焊接的一端和負電極引線未焊接的一端向上引出并將上述的聲疊層屏蔽后，封裝于探頭外殼內，即完成大帶寬跟骨骨密度超聲探頭的制作。

上述的高聲阻抗背襯的厚度為15mm；第二聲匹配層的厚度為1.05mm；第一聲匹配層的厚度為1.15mm。

與現有技術相比，本發明為了匹配人體的聲阻抗，提高探頭的靈敏度和帶寬，根據KLM理論模型，將第二聲匹配層和第一聲匹配層進行上下疊置，大帶寬跟骨骨密度超聲探頭采用了“高聲阻抗背襯+鈦酸鉛壓電陶瓷+第二聲匹配層+第一聲匹配層”的超聲探頭結構設計，能在0.2MHz到0.6MHz之間獲得線性聲衰減系數BUA數據采樣。本發明制造工藝簡單，具有檢測靈敏、可靠性高、適用帶寬廣的特點，能廣泛用于對于人體跟骨部位的骨密度狀況的檢測。

附圖說明

圖1是本發明實施例的結構示意圖；

圖2是本發明水槽中測試得到的脈沖回波圖和頻譜圖；

圖3是本發明跟骨體模測試得到的BUA線性擬合結果。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的實施例作進一步詳細描述。

圖1為本發明實施例的結構示意圖。

其中的附圖標記為：探頭外殼1、高聲阻抗背襯21、壓電陶瓷晶片22、第二聲匹配層23、第一聲匹配層24、正電極引線31、負電極引線32。

實施例一：

圖1為本發明的結構示意圖，如圖1所示，本發明的一種大帶寬跟骨骨密度超聲探頭，該骨密度超聲探頭由探頭外殼1以及封裝在該探頭外殼1內的聲疊層和探頭電極引線組成，本發明骨密度超聲探頭的聲疊層采用高聲阻抗背襯+壓電陶瓷+第二聲匹配層+第一聲匹配層的超聲探頭結構設計，即聲疊層在探頭外殼1內從上至下依次由高聲阻抗背襯21、壓電陶瓷晶片22、第二聲匹配層23和第一聲匹配層24組成的設計結構，聲疊層的各層通過膠粘固定疊加；高聲阻抗背襯21由環氧樹脂與鎢粉配制形成，壓電陶瓷晶片22為鈦酸鉛PT壓電陶瓷晶片，第二聲匹配層23由環氧樹脂和固化劑制作形成，第一聲匹配層24由環氧樹脂和氧化鋁粉末配制形成；探頭電極引線包括正電極引線31和負電極引線32，正電極引線31與壓電陶瓷晶片22的上表面焊接相連接，負電極引線32與壓電陶瓷晶片22的下表面焊接相連接；正電極引線31和負電極引線32均從探頭外殼1的上端面引出。

本發明的高聲阻抗背襯21位于壓電陶瓷晶片22背面，也即是高聲阻抗背襯21的上面，高聲阻抗背襯21主要是起到背向聲吸收和增加帶寬的作用，本發明高聲阻抗背襯21的聲阻抗最佳在9MRaly-18MRaly之間。

實施例中，本發明的壓電陶瓷晶片22具有徑向振動模式小于厚度振動模式的特點，該壓電陶瓷晶片22的直徑優選在10mm-35mm之間，壓電陶瓷晶片22的最佳諧振頻率在0.4MHz-0.8MHz之間。

實施例中，本發明的第二聲匹配層23的聲阻抗在4MRaly-1.5MRaly之間，第二聲匹配層23的厚度最佳為該層聲速波長的四分之一。

實施例中，本發明的第一聲匹配層24的聲阻抗在6.5MRaly-10.5MRaly之間，第一聲匹配層24的厚度最佳為該層聲速波長的四分之一。

本發明的一種大帶寬跟骨骨密度超聲探頭的制作方法，該方法包括以下步驟：

1)、選取厚度為3.85mm，直徑為20mm，諧振頻率在0.5MHz的商用披銀電極PT壓電陶瓷作為壓電陶瓷晶片22，并將正電極引線31與壓電陶瓷晶片22的上表面焊接固定相連，將負電極引線32與壓電陶瓷晶片22的下表面焊接固定相連；

2)、采用質量比為1:8的E54環氧樹脂與鎢粉配制出高聲阻抗背襯21，高聲阻抗背襯21的聲阻抗為13MRaly；高聲阻抗背襯21的厚度為15mm；

3)、采用質量比為1:4的E51環氧樹脂和593固化劑配制出第二聲匹配層23；第二聲匹配層23的聲阻抗在2.8MRaly，第二聲匹配層23的厚度為該層聲速波長的四分之一即第二聲匹配層23的厚度為1.05mm；

4)、采用質量比為1:3的E51環氧樹脂與800目氧化鋁粉末配制出第一聲匹配層24；第一聲匹配層24的聲阻抗為7.5MRaly，第一聲匹配層24的厚度為該層聲速波長的四分之一即第一聲匹配層24的厚度為1.15mm

5)、由上至下將上述的高聲阻抗背襯21、焊接有正電極引線31和負電極引線32的壓電陶瓷晶片22、第二聲匹配層23和第一聲匹配層24通過E51環氧樹脂膠粘疊置形成聲疊層；

6)、將正電極引線31未焊接的一端和負電極引線32未焊接的一端向上引出并將上述的聲疊層2屏蔽后，封裝于探頭外殼1內，即完成大帶寬跟骨骨密度超聲探頭的制作。

實施例二：

本發明的一種大帶寬跟骨骨密度超聲探頭的制作方法，該方法包括以下步驟：

1)、選取厚度為3.55mm，直徑為25mm，諧振頻率在0.6MHz的商用披銀電極PT壓電陶瓷作為壓電陶瓷晶片22，并將正電極引線31與壓電陶瓷晶片22的上表面焊接固定相連，將負電極引線32與壓電陶瓷晶片22的下表面焊接固定相連；

2)、采用質量比為1:8的E54環氧樹脂與鎢粉配制出高聲阻抗背襯21；高聲阻抗背襯21的聲阻抗為13MRaly；高聲阻抗背襯21的厚度為15mm；

3)、采用質量比為1:4的E51環氧樹脂和593固化劑配制出第二聲匹配層23；第二聲匹配層23的聲阻抗在2.8MRaly，第二聲匹配層23的厚度為0.96mm是該層聲速波長的四分之一；

4)、采用質量比為1:3的E51環氧樹脂與800目氧化鋁粉末配制出第一聲匹配層24；第一聲匹配層24的聲阻抗為7.5MRaly，第一聲匹配層24的厚度為1.05mm是該層聲速波長的四分之一；

5)、由上至下將上述的高聲阻抗背襯21、焊接有正電極引線31和負電極引線32的壓電陶瓷晶片22、第二聲匹配層23和第一聲匹配層24通過E51環氧樹脂膠粘疊置形成聲疊層；

6)、將正電極引線31未焊接的一端和負電極引線32未焊接的一端向上引出并將上述的聲疊層2屏蔽后，封裝于探頭外殼1內，即完成大帶寬跟骨骨密度超聲探頭的制作。

實施例三：

本發明的一種大帶寬跟骨骨密度超聲探頭的制作方法，該方法包括以下步驟：

1)、選取厚度為3.35mm，直徑為15mm，諧振頻率在0.7MHz的商用披銀電極PT壓電陶瓷作為壓電陶瓷晶片22，并將正電極引線31與壓電陶瓷晶片22的上表面焊接固定相連，將負電極引線32與壓電陶瓷晶片22的下表面焊接固定相連；

2)、采用質量比為1:8的E54環氧樹脂與鎢粉配制出高聲阻抗背襯21；高聲阻抗背襯21的聲阻抗為13MRaly；高聲阻抗背襯21的厚度為15mm；

3)、采用質量比為1:4的E51環氧樹脂和593固化劑配制出第二聲匹配層23；第二聲匹配層23的聲阻抗在2.8MRaly，第二聲匹配層23的厚度為0.85mm是該層聲速波長的四分之一；

4)、采用質量比為1:3的E51環氧樹脂與800目氧化鋁粉末配制出第一聲匹配層24；第一聲匹配層24的聲阻抗為7.5MRaly，第一聲匹配層24的厚度為0.92mm是該層聲速波長的四分之一；

5)、由上至下將上述的高聲阻抗背襯21、焊接有正電極引線31和負電極引線32的壓電陶瓷晶片22、第二聲匹配層23和第一聲匹配層24通過E51環氧樹脂膠粘疊置形成聲疊層；

6)、將正電極引線31未焊接的一端和負電極引線32未焊接的一端向上引出并將上述的聲疊層2屏蔽后，封裝于探頭外殼1內，即完成大帶寬跟骨骨密度超聲探頭的制作。

實施例四：

本發明的一種大帶寬跟骨骨密度超聲探頭的制作方法，該方法包括以下步驟：

1)、選取厚度為3.85mm，直徑在10mm-35mm之間，諧振頻率在0.4-0.8MHz之間的商用披銀電極PT壓電陶瓷作為壓電陶瓷晶片22，并將正電極引線31與壓電陶瓷晶片22的上表面焊接固定相連，將負電極引線32與壓電陶瓷晶片22的下表面焊接固定相連；

2)、采用質量比為1:8的E54環氧樹脂與鎢粉配制出高聲阻抗背襯21；高聲阻抗背襯21的聲阻抗在9-18MRaly之間；高聲阻抗背襯21的厚度為15mm；

3)、采用質量比為1:4的E51環氧樹脂和593固化劑配制出第二聲匹配層23；第二聲匹配層23的聲阻抗在2.8MRaly，第二聲匹配層23的厚度為1.05mm是該層聲速波長的四分之一；

4)、采用質量比為1:3的E51環氧樹脂與800目氧化鋁粉末配制出第一聲匹配層24；第一聲匹配層24的聲阻抗在6.5MRaly-10.5MRaly之間，第一聲匹配層24的厚度為1.15mm是該層聲速波長的四分之一；

5)、由上至下將上述的高聲阻抗背襯21、焊接有正電極引線31和負電極引線32的壓電陶瓷晶片22、第二聲匹配層23和第一聲匹配層24通過E51環氧樹脂膠粘疊置形成聲疊層；

6)、將正電極引線31未焊接的一端和負電極引線32未焊接的一端向上引出并將上述的聲疊層2屏蔽后，封裝于探頭外殼1內，即完成大帶寬跟骨骨密度超聲探頭的制作。

本發明水槽中測試波形如圖2所示，-6dB帶寬達到了72%，具有較小的拖尾和較對稱的頻譜圖：圖3是本發明跟骨體模測試得到的BUA線性擬合圖，可以在0.2MHz在0.6MHz之間實現了BUA的線性測量，滿足跟骨骨密度實際測試需求。

以上內容是對本發明所作的進一步詳細說明，對于本發明所述技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明基本思想的前提下，還可以做出其他若干簡單修飾和替換，都應該視作屬于本發明的保護范圍。