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(fā)明涉及醫(yī)療器械領(lǐng)域,特別是一種用于探測(cè)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(shù)：

由于傳統(tǒng)X射線方法檢測(cè)人體骨密度容易形成輻射，因此無輻射、價(jià)格低廉、使用方便的超聲骨密度檢測(cè)方法逐漸被人們接受。依據(jù)測(cè)量部位，目前常用的超聲骨密度測(cè)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(fā)一收的雙探頭方法進(jìn)行腳部跟骨的測(cè)量，可以同時(shí)獲得跟骨處聲速SOS和聲衰減BUA。其中BUA的測(cè)量原理是根據(jù)跟骨處的聲衰減系數(shù)在0.2MHz到0.8MHz之間與頻率呈線性關(guān)系的物理關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用中很難有超聲探頭可以做到在0.2MHz和0.8MHz之間進(jìn)行線性采樣，這需要探頭帶寬達(dá)到120%，比較常用的是采集0.2MHz到0.6MHz的聲衰減系數(shù)。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(shù)據(jù)采樣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀，而提供制作工藝簡(jiǎn)單、適于人體跟骨部位骨密度檢測(cè)，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(shù)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(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)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(nèi)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(nèi)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(jīng)膠粘疊加組成；高聲阻抗背襯由環(huán)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(huán)氧樹脂和固化劑制作形成，第一聲匹配層由環(huán)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(fù)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(fù)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(fù)電極引線均從探頭外殼的上端面引出。

為優(yōu)化上述技術(shù)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(dòng)模式小于厚度振動(dòng)模式的特點(diǎn)，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(zhǎng)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(zhǎng)的四分之一。

本發(fā)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(fù)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(zhì)量比為1:8的E54環(huán)氧樹脂與鎢粉配制出高聲阻抗背襯；

3)、采用質(zhì)量比為1:4的E51環(huán)氧樹脂和593固化劑配制出第二聲匹配層；

4)、采用質(zhì)量比為1:3的E51環(huán)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(fù)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(huán)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(fù)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(nèi)，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(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明為了匹配人體的聲阻抗，提高探頭的靈敏度和帶寬，根據(jù)KLM理論模型，將第二聲匹配層和第一聲匹配層進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能在0.2MHz到0.6MHz之間獲得線性聲衰減系數(shù)BUA數(shù)據(jù)采樣。本發(fā)明制造工藝簡(jiǎn)單，具有檢測(cè)靈敏、可靠性高、適用帶寬廣的特點(diǎn)，能廣泛用于對(duì)于人體跟骨部位的骨密度狀況的檢測(cè)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明水槽中測(cè)試得到的脈沖回波圖和頻譜圖；

圖3是本發(fā)明跟骨體模測(cè)試得到的BUA線性擬合結(jié)果。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中的附圖標(biāo)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(fù)電極引線32。

實(shí)施例一：

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，本發(fā)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(nèi)的聲疊層和探頭電極引線組成，本發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即聲疊層在探頭外殼1內(nèi)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，聲疊層的各層通過膠粘固定疊加；高聲阻抗背襯21由環(huán)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(huán)氧樹脂和固化劑制作形成，第一聲匹配層24由環(huán)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(fù)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(fù)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(fù)電極引線32均從探頭外殼1的上端面引出。

本發(fā)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(fā)明高聲阻抗背襯21的聲阻抗最佳在9MRaly-18MRaly之間。

實(shí)施例中，本發(fā)明的壓電陶瓷晶片22具有徑向振動(dòng)模式小于厚度振動(dòng)模式的特點(diǎn)，該壓電陶瓷晶片22的直徑優(yōu)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(shí)施例中，本發(fā)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(zhǎng)的四分之一。

實(shí)施例中，本發(fā)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(zhǎng)的四分之一。

本發(fā)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(fù)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(zhì)量比為1:8的E54環(huán)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(zhì)量比為1:4的E51環(huán)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(zhǎng)的四分之一即第二聲匹配層23的厚度為1.05mm；

4)、采用質(zhì)量比為1:3的E51環(huán)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(zhǎng)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(fù)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(huán)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(fù)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(nèi)，即完成大帶寬跟骨骨密度超聲探頭的制作。

實(shí)施例二：

本發(fā)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(fù)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(zhì)量比為1:8的E54環(huán)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(zhì)量比為1:4的E51環(huán)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(zhǎng)的四分之一；

4)、采用質(zhì)量比為1:3的E51環(huán)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(zhǎng)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(fù)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(huán)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(fù)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(nèi)，即完成大帶寬跟骨骨密度超聲探頭的制作。

實(shí)施例三：

本發(fā)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(fù)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(zhì)量比為1:8的E54環(huán)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(zhì)量比為1:4的E51環(huán)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(zhǎng)的四分之一；

4)、采用質(zhì)量比為1:3的E51環(huán)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(zhǎng)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(fù)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(huán)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(fù)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(nèi)，即完成大帶寬跟骨骨密度超聲探頭的制作。

實(shí)施例四：

本發(fā)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(fù)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(zhì)量比為1:8的E54環(huán)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(zhì)量比為1:4的E51環(huán)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(zhǎng)的四分之一；

4)、采用質(zhì)量比為1:3的E51環(huán)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(zhǎng)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(fù)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(huán)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(fù)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(nèi)，即完成大帶寬跟骨骨密度超聲探頭的制作。

本發(fā)明水槽中測(cè)試波形如圖2所示，-6dB帶寬達(dá)到了72%，具有較小的拖尾和較對(duì)稱的頻譜圖：圖3是本發(fā)明跟骨體模測(cè)試得到的BUA線性擬合圖，可以在0.2MHz在0.6MHz之間實(shí)現(xiàn)了BUA的線性測(cè)量，滿足跟骨骨密度實(shí)際測(cè)試需求。

以上內(nèi)容是對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，對(duì)于本發(fā)明所述技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明基本思想的前提下，還可以做出其他若干簡(jiǎn)單修飾和替換，都應(yīng)該視作屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。