双频超声换能器及超声探测设备的制作方法

本发明涉及超声技术领域，特别涉及一种双频超声换能器及超声探测设备。

背景技术：

超声在临床骨科手术中的应用，特别是脊柱椎弓根内固定手术中，利用高频超声波的高分辨率对骨内钉道周壁进行清晰成像，来检测已建立钉道的完整性；利用低频超声波的高穿透性对钉道周壁距离皮质骨的距离进行探测，为进一步进钉方向提供指导。

现有超声换能器均是在指定中心频率下进行设计制造，换能器在中心谐振频率下工作。但是在某些特殊应用领域，可能需要两种甚至多种频率的超声换能器，单一工作频率的换能器显然不能满足；虽然分别利用多个频率的换能器单独工作也能解决问题，但多个换能器的分别使用可能造成空间探测位置的改变，另外也增加了整体探测器的设计尺寸。而现有双频换能器的设计方法，高频超声换能器镶嵌在低频换能器中，高频部分可以单独工作，而低频部分是利用利用高频部分接收低频部分发射到组织的声波的高次回波进行成像。因此，换能器工作在非谐振频率下，工作效率、接收灵敏度都会收到影响，而且换能器的低频和高频部分不能同时工作，限制了其应用范围。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种双频超声换能器及超声探测设备。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种双频超声换能器，包括低频单元和高频单元；

所述低频单元和高频单元共用背衬层，且所述低频单元还包括依次层叠设置在所述背衬层的第一侧表面的低频柔性电路板层、低频压电层和低频匹配层，所述高频单元还包括依次层叠设置在所述背衬层的与所述第一侧表面相对的第二侧表面的高频柔性电路板层、高频压电层和高频匹配层；

或者所述低频单元和高频单元同时共用背衬层和柔性电路板层，且所述柔性电路板层环形包覆在所述背衬层的外周，所述低频单元还包括依次层叠设置在所述柔性电路板层外周上的低频压电层和低频匹配层，所述高频单元还包括依次层叠设置在所述柔性电路板层外周上的高频压电层和高频匹配层。

优选的是，所述低频压电层和高频压电层的材质为压电陶瓷、压电复合材料、压电单晶或薄膜材料。

优选的是，所述低频单元和高频单元共用背衬层，所述低频单元用于发出1.5～3.5mhz的低频超声波，所述高频单元用于发出12～30mhz的高频超声波。

优选的是，所述低频单元和高频单元共用背衬层，且所述低频单元还包括依次层叠设置在所述背衬层的第一侧表面的低频柔性电路板层、低频压电层和低频匹配层，所述高频单元还包括依次层叠设置在所述背衬层的与所述第一侧表面相对的第二侧表面的高频柔性电路板层、高频压电层和高频匹配层；

其中，所述低频压电层和低频匹配层构成低频阵元，所述低频阵元包括层叠形成在所述低频柔性电路板层上的至少2个，且所述低频阵元的层叠方向与所述低频单元中各层的层叠方向垂直；

其中，所述高频压电层和高频匹配层构成高频阵元，所述高频阵元包括层叠形成在所述高频柔性电路板层上的至少2个，且所述高频阵元的层叠方向与所述高频单元中各层的层叠方向垂直。

优选的是，所述低频阵元和高频阵元均包括32个；

所述低频单元用于发出1.5～5mhz的低频超声波，所述高频单元用于发出20～50mhz的高频超声波。

优选的是，所述低频单元和高频单元共用背衬层，且所述低频单元还包括依次层叠设置在所述背衬层的第一侧表面的低频柔性电路板层、低频压电层和低频匹配层，所述高频单元还包括依次层叠设置在所述背衬层的与所述第一侧表面相对的第二侧表面的高频柔性电路板层、高频压电层和高频匹配层；

所述低频匹配层、低频压电层、低频柔性电路板层、背衬层、高频柔性电路板层、高频压电层和高频匹配层均呈圆盘状，层叠形成圆柱状的双频超声换能器。

优选的是，所述低频匹配层和高频匹配层的外端面均向所述双频超声换能器的中心凹陷。

优选的是，，所述低频单元和高频单元同时共用背衬层和柔性电路板层，且所述背衬层呈圆柱状，所述柔性电路板层环形包覆在所述背衬层的外周，所述低频单元还包括依次层叠设置在所述柔性电路板层的柱面上的低频压电层和低频匹配层，所述高频单元还包括依次层叠设置在所述柔性电路板层的柱面上的高频压电层和高频匹配层；

其中，所述低频压电层和低频匹配层构成低频阵元，所述高频压电层和高频匹配层构成高频阵元，所述低频阵元和高频阵元均至少包括2个，且呈环形交错布置在所述柔性电路板层的柱面上。

优选的是，所述柔性电路板层上还设置有电缆线连接区域；

所述低频阵元和高频阵元均包括32个。

本发明还提供一种超声探测设备，其包括如上所述的双频超声换能器。

本发明的有益效果是：本发明双频超声换能器具备可独立的发出低频超声和高频超声的低频单元和高频单元，低频单元和高频单元可分别工作也可同时工作，且互不干扰；本发明可实现低频和高频超声探测的功能，且通过各层结构的设计可获得小尺寸的特点。

附图说明

图1为本发明的实施例1中的双频超声换能器的结构示意图；

图2为本发明的实施例1中的双频超声换能器的侧视图；

图3为本发明的实施例2中的双频超声换能器的结构示意图；

图4为本发明的实施例2中的双频超声换能器的侧视图；

图5为本发明的实施例3中的双频超声换能器的结构示意图；

图6为本发明的实施例4中的双频超声换能器的截面结构示意图；

图7为本发明的实施例4中的双频超声换能器的结构示意图。

附图标记说明：

1—低频匹配层；2—低频压电层；3—低频柔性电路板层；4—背衬层；5—高频柔性电路板层；6—高频压电层；7—高频匹配层；8—共用的柔性电路板层；9—电缆线连接区域；10—低频单元；11—低频阵元；20—高频单元；21—高频阵元。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本发明提供一种双频超声换能器，包括低频单元10和高频单元20，低频单元10和高频单元20均可独立的发出低频超声和高频超声；

在方案一中：低频单元10和高频单元20共用背衬层4，且低频单元10还包括依次层叠设置在背衬层4的第一侧表面的低频柔性电路板层3、低频压电层2和低频匹配层1，高频单元20还包括依次层叠设置在背衬层4的与第一侧表面相对的第二侧表面的高频柔性电路板层5、高频压电层6和高频匹配层7；

或者在方案二中：低频单元10和高频单元20同时共用背衬层4和柔性电路板层，且柔性电路板层环形包覆在背衬层4的外周，低频单元10还包括依次层叠设置在柔性电路板层外周上的低频压电层2和低频匹配层1，高频单元20还包括依次层叠设置在柔性电路板层外周上的高频压电层6和高频匹配层7。

以上两种方案中，低频压电层2和高频压电层6的材质均可为压电陶瓷、压电复合材料、压电单晶或薄膜材料。

该双频超声换能器作为探头可应用于超声探测设备中，利用低频超声穿透深度大和高频探头分辨率高的特点，通过低频单元10和高频单元20可对组织结构进行浅表高分辨率以及深度信息探测，例如脊柱椎弓根手术导航的应用，实际使用时，如要检测脊柱椎弓根内固定手术中钉道周壁的完整性信息，可以使用高频单元20工作；如要探测钉道内壁距离外周皮质骨距离的深度信息，可以使用低频单元10工作；如要同时获得钉道周壁的完整性信息和周壁距离皮质骨距离的深度信息，可以同时使用高频和低频单元10同时工作。

以上为本发明的总体构思，以下提供可选的实施例，以作进一步说明。

实施例1

参照图1-2，本实施例采用方案一并做进一步改进，提供一种共背衬的双频单阵元超声换能器，即低频单元10和高频单元20共用背衬层4，且低频单元10还包括依次层叠设置在背衬层4的第一侧表面的低频柔性电路板层3、低频压电层2和低频匹配层1，高频单元20还包括依次层叠设置在背衬层4的与第一侧表面相对的第二侧表面的高频柔性电路板层5、高频压电层6和高频匹配层7；

其中吗，低频单元10可发出1.5～3.5mhz的低频超声波，高频单元20可发出12～30mhz的高频超声波。

实际使用中，例如脊柱椎弓根螺钉内固定手术中钉道的超声探测，使高频单元20工作(发出高频超声波：12-30mhz)可对钉道周壁进行完整性信息的扫描；使低频率单元工作(发出低频超声波：1.5～3.5mhz)可探测钉道内壁距离外周皮质骨距离的深度信息，如要同时获得钉道周壁的完整性信息和周壁距离皮质骨距离的深度信息，可以同时使用高频和低频单元10同时工作。

实施例2

参照图3-4，本实施例中采用方案一并做进一步改进，提供一种共背衬的双频线阵超声换能器，其中包括多个阵元，具体为：

低频单元10和高频单元20共用背衬层4，且低频单元10还包括依次层叠设置在背衬层4的第一侧表面的低频柔性电路板层3、低频压电层2和低频匹配层1，高频单元20还包括依次层叠设置在背衬层4的与第一侧表面相对的第二侧表面的高频柔性电路板层5、高频压电层6和高频匹配层7；

其中，低频压电层2和低频匹配层1构成低频阵元11，低频阵元11包括层叠形成在低频柔性电路板层3上的至少2个，且低频阵元11的层叠方向与低频单元10中各层的层叠方向垂直；

其中，高频压电层6和高频匹配层7构成高频阵元21，高频阵元21包括层叠形成在高频柔性电路板层5上的至少2个，且高频阵元21的层叠方向与高频单元20中各层的层叠方向垂直。

其中，低频单元10用于发出1.5～5mhz的低频超声波，高频单元20用于发出20～50mhz的高频超声波。

进一步优选的实施例中，低频阵元11和高频阵元21均包括32个(图4中上下两端的1-32号)；当然，低频阵元11数和高频阵元21数可以根据需要进行增加或减少，低频阵元11数与高频阵元21数也可以不完全相同。

实际使用中，如要对组织浅表进行检测，可以使用换能器的高频单元20(20-50mhz)部分；如要对组织的深层结构进行检测，可以使用换能器的低频单元10(1.5-5mhz)部分成像。

实施例3

参照图5，本实施例中采用方案一并做进一步改进，提供一种共背衬的双频单阵元聚焦超声换能器，具体为：

低频单元10和高频单元20共用背衬层4，且低频单元10还包括依次层叠设置在背衬层4的第一侧表面的低频柔性电路板层3、低频压电层2和低频匹配层1，高频单元20还包括依次层叠设置在背衬层4的与第一侧表面相对的第二侧表面的高频柔性电路板层5、高频压电层6和高频匹配层7；

低频匹配层1、低频压电层2、低频柔性电路板层3、背衬层4、高频柔性电路板层5、高频压电层6和高频匹配层7均呈圆盘状，层叠形成圆柱状的双频超声换能器。

低频匹配层1和高频匹配层7的外端面均向双频超声换能器的中心凹陷，以实现聚焦功能。本实施例的共背衬的双频单阵元聚焦超声换能器，拥有两种不同的频率及焦距，可以满足不同的需求。

实施例4

参照图6-7，本实施例中采用方案二并做进一步改进，提供一种共背衬和柔性电路板8的双频环阵超声换能器，具体为：

低频单元10和高频单元20同时共用背衬层4和柔性电路板层，且背衬层4呈圆柱状，共用的柔性电路板层8环形包覆在背衬层4的外周，低频单元10还包括依次层叠设置在柔性电路板层8的柱面上的低频压电层2和低频匹配层1，高频单元20还包括依次层叠设置在柔性电路板层8的柱面上的高频压电层6和高频匹配层7；

柔性电路板层8弯曲成环形，然后在环形柔性电路板层8的内部空间灌注背衬材料，形成圆柱状的衬层。

其中，低频压电层2和低频匹配层1构成低频阵元11，高频压电层6和高频匹配层7构成高频阵元21，低频阵元11和高频阵元21均至少包括2个，且呈环形交错布置在柔性电路板层8的柱面上。柔性电路板层8上还设置有电缆线连接区域9。

在进一步优选的实施例中，如图6和7，低频阵元11和高频阵元21均包括32个，各占柔性电路板层8一半的空间，如图6中1、3、5....61、63号为低频阵元11，2、4、5....62、64号为高频阵元21，。图6和图7并未示意全部阵元，仅部分示意。当然实际使用中，可以是64个阵元，但不局限于64个阵元，根据具体需要可增加或减少阵元数。低频阵元11和高频阵元21可以间隔分布在柔性电路板上。

实施例5

提供一种超声探测设备，该超声探测设备采用实施例1-4中的任意一种的双频超声换能器作为探头。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。