一种超声背衬块的制作方法、超声背衬块以及超声探头

摘要

本发明公开了一种超声背衬块的制作方法、超声背衬块以及超声探头。本发明涉及医疗器械领域，提供了一种超声背衬块的制作方法，包括：取环氧树脂、含有至少两种成分的固态粉末待用；将二者混合均匀并去除气泡；将混合溶液置入离心装置进行首次离心；向离心装置中加入橡胶，将环氧树脂、固态粉末以及橡胶的混合溶液进行再次离心，得到分层结构的超声背衬块样块；将超声背衬块样块进行切割获得独立的超声背衬块。本发明通过将环氧树脂、固态粉末、橡胶等物质通过离心装置有效混合并分层，获得预设厚度和声阻抗的多层结构超声背衬块，进而通过改变背衬层声阻抗和厚度达到改善超声换能器带宽和灵敏度的效果。该方法较多匹配层制作方法更容易实施，避免了因为匹配层层数增加而带来的材料的选择、加工、制备的困难。

说明书

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，特别涉及一种超声背衬块的制作方法、超 声背衬块结构以及超声探头。

背景技术

超声成像是目前广泛应用的检测和诊断手段，具有无损、便捷、可靠等优 点，通过超声波探头产生超声波信号在不透光介质内传播，并由探头接收不透 光物体内所反射超声波信号的强度、频率、时间、相位等信息，通过对该信息 进行处理，可以获得反映所探测对象内部结构声学特性分布的直观图像，进而 获得检测或诊断结果。

如图1，超声成像设备包括探头1，探头1中的核心结构为发射和接收超声 波的换能器2，探头1在与检测对象3保持接触的同时向检测对象3发射超声 信号，并且同时接收由检测对象3体内的检测目标反射回来的信号。如图2， 换能器2包括：压电元件21，用于发射和接收超声波；匹配层22，设置在压电 元件21的前表面，用于减小检测对象和压电元件21之间的阻抗失配；背衬层 23，设置在压电元件21的后表面，用于吸收压电元件21的向后传播的超声波。

超声换能器的性能好坏主要有两个表征参数，即频带宽度和灵敏度。一直 以来，研发人员在匹配层方面做着不断的探索，来不断的提升超声换能器的频 带宽度和灵敏度，匹配层的结构从最初的单层匹配层发展到现在的双层、三层 匹配层甚至更多层的匹配层。但是，随着匹配层层数的增加，无论是从原材料 的选择、匹配层的制备以及匹配层后续的磨削、切割等方面都增加了许多难度， 相继也为超声探头的制作增加了困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声背衬块的制作方法，旨在通过比制作匹配 层更容易实施的工艺制作超声背衬块，以提高超声换能器的频带宽度和灵敏度。

本发明是这样实现的，一种超声背衬块的制作方法，包括下述步骤：

取环氧树脂、微米量级的含有至少两种成分的固态粉末待用；

将所述环氧树脂与所述固态粉末混合均匀并去除气泡；

将所述环氧树脂和固态粉末的混合溶液置入离心装置进行首次离心；

向所述离心装置中加入橡胶，将所述环氧树脂、固态粉末以及橡胶的混合 溶液进行再次离心，得到分层结构的超声背衬块样块；

将所述超声背衬块样块进行切割，获得独立的超声背衬块。

本发明的另一目的在于提供一种超声背衬块，包括依次层叠的声阻抗不同 的第一背衬层、第二背衬层及第三背衬层，所述第一背衬层包括第一微粒和环 氧树脂，所述第二背衬层包括第二微粒和环氧树脂，所述第三背衬层包括第三 微粒和环氧树脂，所述第一微粒、第二微粒和第三微粒的粒径均小于40微米， 所述第一背衬层的密度小于所述第二背衬层的密度，所述第二背衬层的密度小 于第三背衬层的密度，所述第一背衬层、第二背衬层和第三背衬层的厚度均小 于超声波在其中传输时的波长的二分之一。

本发明的另一目的在于提供一种超声探头，包括换能器，所述换能器包括 所述的超声背衬块。

本发明主要通过将环氧树脂、固态粉末、橡胶等物质通过离心装置有效混 合并分层，获得预设厚度和声阻抗的多层结构超声背衬块，进而通过改变每层 背衬层的声阻抗、厚度以达到改善超声换能器的带宽、灵敏度的效果。该制作 方法相比于多匹配层结构的选材、加工、制作、切割等较容易实施，进而有效 的避免了因为匹配层层数增加而带来的材料的选择、加工、制备的困难。采用 该背衬块的超声换能器的频带宽度和灵敏度明显优于采用单层背衬层的换能器 的带宽和灵敏度，适合广泛应用于超声成像设备领域。

附图说明

图1是现有技术中超声成像设备的工作原理示意图；

图2是现有技术中超声换能器的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的超声换能器的工作原理示意图；

图4是本发明实施例提供的超声背衬块的制作方法流程图；

图5是本发明实施例提供的超声背衬块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例首先说明超声换能器的性能参数。如图3所示的超声换能器， 包括了匹配层01、背衬块03和位于二者之间的压电阵子02，背衬块03包括三 层背衬层，即第一背衬层031、第二背衬层032和第三背衬层033。当压电阵子 02产生的向后超声波传播至与第一背衬层031的分界面时，一部分超声波T4 因为两者之间的声阻抗差返回至压电阵子，一部分超声波T1进入第一背衬层 031；同理当T1传播至第一背衬层031与第二背衬层032的分界面时，一部分 超声波T5因为声阻抗差返回至压电阵子02，一部分超声波T2进入第二背衬层 032；相应的也会产生超声波T6和T3。如果反射波T4、T5、T6强，灵敏度就 高，如果透射波T1、T2、T3强，带宽就比较宽，因此根据对于探头的不同需 求，可以设计多背衬层结构的背衬块，进而通过变化每层背衬层的声阻抗与厚 度，达到改善超声换能器的特性(带宽、灵敏度)的目的。本发明实施例即提供 一种制作多层结构背衬块的方法。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

请参考图4，本发明实施例提供一种超声背衬块的制作方法，包括下述步 骤：

在步骤S101中，取环氧树脂、含有至少两种成分的固态粉末待用；

在步骤S102中，将环氧树脂与固态粉末混合均匀并去除气泡；

在步骤S103中，将环氧树脂和固态粉末的混合溶液置入离心装置进行首次 离心；

在步骤S104中，向离心装置中加入橡胶，将环氧树脂、固态粉末以及橡胶 的混合溶液进行再次离心，得到分层结构的超声背衬块样块；

在步骤S105中，将超声背衬块样块进行切割，获得独立的超声背衬块。

经过上述步骤后，可获得含有多层背衬层的背衬块，不同背衬层具有预定 厚度和声阻抗，每层背衬层的声阻抗不同。通过设计该背衬层厚度和声阻抗来 调节超声换能器的频带宽度和灵敏度。

在上述步骤S101中，选择了粒径为微米量级的金属或非金属微粉状固体粉 末，可以将从外部购买的固体粉末颗粒经球磨机充分研磨后，用相应目数的分 样筛将其过筛，选取筛选出的粒径均匀的颗粒待用。经过数次试验选取粒径小 于40μm为佳，以利于后续混合均匀和离心分层进而获得较佳的带宽和灵敏度。 环氧树脂则选择黏度系数较低的以利于真空除气，并且选择操作时间较长的以 防止其过快固化。在上述步骤S104中使用的橡胶也可以一并备齐，橡胶则选择 衰减系数较大的种类，以利于增大背衬层带宽。另外，固态粉末含有的成分可 以是两种、三种或更多种。

在上述步骤S102中，将环氧树脂与固态粉末混合均匀并去除气泡的步骤具 体为：将环氧树脂充分搅拌使其中各组分混合均匀，再将其放入除气机中去除 气泡；然后将微米量级的固态粉末加入环氧树脂中，搅拌至混合均匀，再将固 态粉末和环氧树脂的混合物真空除气以去除其中的气泡。

更具体地，将适量环氧树脂的各组分(其中包含利于固化的组分)倒入玻 璃烧杯中，充分搅拌至各组分混合均匀，将其放入除气机中抽气一段时间去除 其中的气泡。然后将已经筛过的微米量级的固态粉末加入环氧树脂中，搅拌一 段时间至其混合均匀，将该混合物真空除气一段时间去除其中的气泡。经过上 述两次去除气泡的过程，可以使混合物除气效果更好，更均匀。

在上述步骤S103中，具体可以将已经混合均匀、除气完成后的混合溶液倒 入相应大小的离心管中，将离心管放入离心机中的相应位置，经过数次试验， 选定离心机参数为：转速—3000～6000r/min，时间—100～300s。如果离心时间 过短，转速过慢，将会导致几种不同物质没有完全分离，以致达不到分层的目 的；离心时间过长，转速过大，会导致不同物质间的分界面趋于模糊，同样也 会影响分层结构。通过控制上述转速和离心时间，结合上述材料及质量比选择， 可以获得预定厚度和声阻抗的分层背衬块，每层背衬层的声阻抗不同。

在本实施例的步骤S102和S103中，如果固态粉末成分太多，一次性的将 全部物质加入至离心管中会加大各物质分层的难度从而影响离心效果，因此， 当固态粉末所含的成分大于两种时，可以先将其中的两种粉末和环氧树脂混合， 然后经过离心处理。然后再将其他成分的粉末与环氧树脂的混合物加入离心装 置进行离心处理，从而降低离心难度，加大样块制备的成功率。

本发明实施例中的首次离心和再次离心所选用的离心方法为密度梯度离 心，即样品在密度梯度介质中进行离心，这是密度不同的组分得以分离的一种 区带分离方法，离心后不同密度的颗粒在密度梯度溶液中形成数条界面清楚的 不连续带，进而获得层次清晰的多层结构背衬块。

在本发明实施例中，经过多次试验选择了以下成分和质量比例的材料：作 为一个具体实施例，固态粉末含有钨粉末、氧化铝粉末和硅粉末，粒径均小于 40微米，钨粉末与环氧树脂的质量比为8.0:1.0～12:1.0，氧化铝粉末与环氧树脂 的质量比为0.8:1.0～2.0:1.0，硅粉末与环氧树脂的质量比为0.15:1.0～0.5:1.0。更 具体地，钨粉末与环氧树脂的质量比可以为8.0:1.0，可以为12:1.0，也可以为 10:1.0；氧化铝粉末与环氧树脂的质量比可以为0.8:1.0，可以为2.0:1.0，也可 以为1.5:1.0；硅粉末与环氧树脂的质量比可以为0.15:1.0，也可以为0.5:1.0， 也可以为0.3:1.0。制作的背衬块含有三层不同声阻抗的背衬层，依次为第一背 衬层：钨-环氧树脂层、第二背衬层：氧化铝-环氧树脂层和第三背衬层：硅-环 氧树脂层。各层厚度均小于超声波在其中传输时的波长的二分之一。上述质量 比为本实施例较佳范围，若质量比大于或小于上述范围，则会造成各组分混合 不均匀，影响背衬块的制备效果。

表1是采用上述背衬块的超声换能器的性能参数：

表1

作为另一具体实施例，固态粉末含有氧化镐粉末、氧化铝粉末和玻璃粉末， 粒径均小于40微米，氧化镐粉末与环氧树脂的质量比为0.8:1.0～1.5:1.0，氧化 铝粉末与环氧树脂的质量比为0.8:1.0～2.0:1.0，玻璃粉末与环氧树脂的质量比为 0.2:1.0～1.0:1.0。更具体地，氧化镐粉末与环氧树脂的质量比可以为0.8:1.0，可 以为1.5:1.0，也可以为1.2:1.0；氧化铝粉末与环氧树脂的质量比可以为0.8:1.0， 可以为2.0:1.0，也可以为1.5:1.0；玻璃粉末与环氧树脂的质量比为0.2:1.0，可 以为1.0:1.0，也可以为0.6:1.0。制作的背衬块含有三层背衬层，依次为第一背 衬层：氧化镐-环氧树脂层、第二背衬层：氧化铝-环氧树脂层和第三背衬层： 玻璃-环氧树脂层。各层厚度均小于超声波在其中传输时的波长的二分之一。同 样的，上述质量比为本实施例较佳范围，若质量比大于或小于上述范围，则会 造成各组分混合不均匀，影响背衬块的制备效果。

表2是采用上述背衬块的超声换能器的性能参数：

表2

下面的表3示出了单层背衬层结构的超声换能器的性能，单背衬层选用的 原材料为钨粉同环氧树脂的混合物，固态粉末同环氧树脂的质量比例分别为： 8.0:1.0～15:1.0(g)，厚度为1-2cm。

表3

单背衬层 声阻抗 14MRayl 灵敏度dB，1V/V -57.8 带宽，6dB％ 77 脉冲长度，20dBμs 0.64

在表4中，单背衬层选用的原材料为氧化铝同环氧树脂的混合物，固态粉 末同环氧树脂的质量比例分别为：0.8:1.0～2.0:1.0(g)，厚度为1-2cm。

表4

单背衬层 声阻抗 3.5MRayl 灵敏度dB，1V/V -52.4 带宽，6dB％ 67 脉冲长度，20dBμs 1.07

从以上四个表格中，我们可以清晰的看到：

1)、表1的14.0-5.0-3.5MRayl渐变多背衬层结构同表4的3.5MRayl单背衬 层结构相比，在灵敏度损失1.7dB的基础上，带宽提升了13％；

2)、表2的5.0-4.0-2.5MRayl渐变多背衬层结构同表4的3.5MRayl单背衬 层结构相比，在灵敏度损失1dB的基础上，带宽提升了14％；

3)、表1的14.0-5.0-3.5MRayl渐变多背衬层结构同表3的14.0MRayl单背 衬层结构相比，在灵敏度和带宽上面都有所提升。

本发明实施例主要通过将环氧树脂、固态粉末、橡胶等物质通过离心装置 有效混合并分层，获得预设厚度和声阻抗的多层结构超声背衬块。具体通过上 述材料选择与质量配比，结合离心转速和离心时间的合理设计，改变每层背衬 层的声阻抗、厚度以达到改善超声换能器的带宽、灵敏度的效果。该制作方法 相比于多匹配层结构的选材、加工、制作、切割等较容易实施，进而有效的避 免了因为匹配层层数增加而带来的材料的选择、加工、制备的困难。

进一步参考图5，本发明进一步提供一种超声背衬块03，该超声背衬块03 可以通过上述方法制备，具体包括：依次层叠的声阻抗不同的第一背衬层031、 第二背衬层032及第三背衬层033，第一背衬层031包括第一微粒和环氧树脂， 第二背衬层032包括第二微粒和环氧树脂，第三背衬层033包括第三微粒和环 氧树脂，第一微粒、第二微粒和第三微粒的粒径均小于40微米，第一背衬层 031的密度大于第二背衬层032的密度，第二背衬层032的密度大于第三背衬 层033的密度，第一背衬层031、第二背衬层032和第三背衬层033的厚度均 小于超声波在其中传输时的波长的二分之一。该超声背衬块03的每层背衬层具 有预定厚度和声阻抗，且每层声阻抗不同，通过改变每层背衬层的厚度和声阻 抗来改变超声换能器的频带宽度和灵敏度。

在该背衬块中，第一微粒、第二微粒和第三微粒分别对应上述方法中的固 态粉末的三种不同组分，其粒径优选小于40微米。三种组分和环氧树脂的混合 物通过离心方法分层，形成上述第一背衬层031、第二背衬层032和第三背衬 层033。当然，该背衬块不限于三层背衬层，还可是四层、五层甚至更多层。

作为一个具体实施例，该背衬块的第一背衬层031包括质量比为 8.0:1.0～12:1.0的钨与环氧树脂；第二背衬层032包括质量比为0.8:1.0～2.0:1.0 的氧化铝与环氧树脂；第三背衬层033包括质量比为0.15:1.0～0.5:1.0的硅与环 氧树脂。更具体地，钨与环氧树脂的质量比可以为8.0:1.0，可以为12:1.0，也 可以为10:1.0；氧化铝与环氧树脂的质量比可以为0.8:1.0，可以为2.0:1.0，也 可以为1.5:1.0；硅与环氧树脂的质量比可以为0.15:1.0，也可以为0.5:1.0，也 可以为0.3:1.0。

作为另一个具体实施例，该背衬块03的第一背衬层031包括质量比为 0.8:1.0～1.5:1.0的氧化镐与环氧树脂；第二背衬层032包括质量比为 0.8:1.0～2.0:1.0的氧化铝与环氧树脂；第三背衬层033包括质量比为 0.2:1.0～1.0:1.0的玻璃与环氧树脂。更具体地，氧化镐与环氧树脂的质量比可以 为0.8:1.0，可以为1.5:1.0，也可以为1.2:1.0；氧化铝与环氧树脂的质量比可以 为0.8:1.0，可以为2.0:1.0，也可以为1.5:1.0；玻璃与环氧树脂的质量比为0.2:1.0， 可以为1.0:1.0，也可以为0.6:1.0。

采用该背衬块的超声换能器具有上述表1和表2所述的性能参数，性能明 显优于采用传统单层背衬层的超声换能器的性能，提升了超声成像效果。可以 理解，包括了该超声换能器的超声探头也属于本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。