便携式电子扫描超声内窥成像系统环形阵列超声探头的设计

摘要

超声诊断技术是当今最重要并具有广阔的发展前景的医学诊断技术之一，相对其它医学影像技术具有便携式、简单式、可重复性、实时性、准确性和经济性等特点。超声内镜系统是一种新型的超声诊断技术，它将高频超声换能器和普通内镜有机的结合在一起，医生检测时将它插入人体体腔，可以使用普通内镜的功能观察到体腔器官表面粘膜的病变情况，也可以通过超声换能器对体腔器官组织和相邻脏器进行断层扫描。国内目前各大研究机构和医疗机械公司所开发出来的产品一直是利用机械转动带动探头进行扫描，这种扫描方式虽然对换能器的要求简单，但需要高精度的机械连接与驱动，易于损坏，获得的图像也不够稳定。
　　论文利用仿真软件COMSOL确定并优化了2-2型压电复合材料的各项参数;按照仿真所得的参数，采用改进的切割—填充法制备压电复合材料，并使用双阶段研磨法加工材料的表面;采用磁控溅射镀膜法，制备2-2型压电复合材料的表面电极，为增加复合材料和电极层之间的可镀性，增镀了一层NiCr合金膜;对所制备的复合材料进行表征分析并将其和仿真结果进行对比;利用三维造型软件设计出环形阵列超声探头的结构，根据结构制定了探头制备工艺流程，对探头每一部分的尺寸和参数进行分析计算，制备了环形阵列超声探头样机;利用脉冲发射接收仪和示波器对探头的声学性能进行了测试。论文所制备的环形阵列超声探头压电阵元围绕内镜环绕一周，能够在不使用电机的情况下对人体组织进行360度超声扫描，突出了“电子扫描”的技术要点，直接跨越“机械扫描”的技术阶段，占据技术制高点，进入国际先进水平行列。论文取得了如下主要成果:
　　(1)利用COMSOL软件对2-2型压电复合材料仿真的结果表明，当复合材料的厚度为0.16mm，子阵元轴向长度为8mm，宽度为0.16mm，间距为0.2mm时，复合材料的振动模式单一，并且绘制的导纳曲线最小导纳频率为9.1MHz，与最终制备而成的复合材料的最小导纳频率8.84MHz十分接近，表明使用COMSOL软件对压电设备的仿真可行性和可信度高。
　　(2)改进后的切割—填充制备法能够有效地防止切割过程中压电陶瓷柱的塌陷减少材料的缺陷率，将相邻两刀的下刀距离从0.2mm增大到0.6mm，能提高切割的精细度，可以制备出中高频的复合材料。采用磁控溅射法给2-2型压电复合材料制备电极具有可镀性强，结构均匀，性能优良等优点，还可以通过调整溅射功率和溅射时间来控制膜层的厚度。所制备的2-2型复合材料样品结构缺陷小，相对介电常数εr=121.3，声阻抗(Z)=24.5 Mrayl，机电耦合系数Kt=0.581，机械品质因数Qm=26.25，性能优良，能够满足制备高品质环形阵列超声探头的要求。
　　(3)通过实用型灌注法制备的环形阵列超声探头以2-2型压电复合材料为压电振子，拥有40个阵元，中心频率为5.1MHz，横向焦距为50.1mm回波脉冲持续时间短，-6dB带宽能达到62.7％以上。这些性能参数接近国外知名公司最新产品的性能参数，证明用实用型灌注法制备环形阵列超声探头是可行的。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景

1．2 COMSOL仿真发展现状

1．3 2-2型压电复合材料概述

1．4 超声内窥镜简介

1．5 研究意义

1．6 研究内容

1．7 研究技术路线

第2章 COMSOL仿真分析

2．1 有限元及COMSOL介绍

2．1．1 有限元法概述

2．1．2 COMSOL简介

2．2 压电复合材料的仿真分析

2．2．1 压电复合材料有限元分析的理论基础

2．2．2 2-2型压电复合材料的有限元仿真参数确定

2．2．3 2-2型压电复合材料的有限元仿真步骤

2．3 仿真结果分析

第3章 2-2型压电复合材料及其表面电极的制备

3．1 2-2型压电复合材料的制备方法

3．2 采用改进的切割-填充法制备2-2型压电复合材料

3．2．1 实验设备

3．2．2 实验原料

3．2．3 2-2型压电复合材料的制备工艺

3．2．4 2-2型压电复合材料制备中需考虑的问题

3．2．5 显微结构分析

3．2．6 密度分析

3．3 2-2压电复合材料表面电极的制备

3．3．1 磁控溅射法特点

3．3．2 2-2型压电复合材料表面电极制备工艺

3．4 2-2型压电复合材料的性能表征及分析

3．5 仿真结果和实验结果对比

第4章 环形阵列超声探头的设计

4．1 环形阵列探头的制备方法

4．2 采用实用型灌注法制备环形阵列超声探头

4．2．1 实验设备

4．2．2 实验原料

4．2．3 环形阵列超声探头的制备工艺

4．3 环形阵列超声探头的性能测试

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

附录