一种基于液体透镜的超声传感器阵列 |
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| 申请号 | CN201610180083.6 | 申请日 | 2016-03-24 | 公开(公告)号 | CN105606210A | 公开(公告)日 | 2016-05-25 |
| 申请人 | 成都世恩医疗科技有限责任公司; | 发明人 | 杨伯屏; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于液体透镜的超声 传感器 阵列，其可应用于光声、 微波 热声和超声成像等系统中对 超 声波 信号 进行探测。本发明加工简单，成本低廉，非常适合于批量生产。液体透镜的超声传感器阵列中的单个液体透镜的超声传感器是由液体透镜和超声传感单元构成，通过对液体透镜腔体中液体体积的控制来调节液体透镜的弧面，进而达到对超声 探头 的聚焦或扩束目的。与传统的超声传感器相比，本发明的超声传感器能在工作过程中对超声探头的聚焦和扩束性能进行实时地调节，以使系统达到最佳的工作效果。该超声传感器阵列可以根据实际的应用需求将其制作成环形，球形等阵列，同时加工成本低廉，非常适合产业化。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于液体透镜的超声传感器阵列，其特征在于，包括一个以上液体透镜超声传感器和固定液体透镜超声传感器的阵列支架，每个所述液体透镜超声传感器包括液体透镜、超声传感单元，液体透镜与超声传感单元的超声探头连接；所述液体透镜包括由底层、侧壁形成的腔体和由键合在侧壁开口处的薄膜形成的弧面，并设有针管将腔体与外部连通后导入/导出液体。 |
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| 说明书全文 | 一种基于液体透镜的超声传感器阵列技术领域背景技术[0002] 超声波传感器是一种应用非常广泛的信号探测器件，它在超声成像中可用于超声的发射和接收，也可用于光声成像和热声成像领域中用于对高频超声波信号的探测。超声波传感器从技术手段上可以分为压电式超声传感器和电容式超声传感器两种。压电式超声传感器是利用传感器中的压电材料的压电性能将超声信号转换为电信号。一般压电材料主要有压电陶瓷、PVDF、压电薄膜等，压电材料压电系数的大小决定了超声传感器的灵敏度。电容式超声传感器是利用超声波作用下器件电容值的振动变化将声信号转换为电信号。但是目前在医学成像领域压电式超声传感器的应用更加普遍和成熟，这些超声传感器有非聚焦和聚焦探头之分；非聚焦探头有一定的孔径值，可以对一定区域内的超声波信号进行探测或发射，而聚焦探头通过在探头前端加超声透镜等方法将超声波进行聚焦，可以对焦点上的超声信号进行探测，或者发射的超声波会在焦点位置进行聚焦。 [0003] 不管是聚焦探头或非聚焦探头，一旦加工完成后其性能参数如焦距、孔径角等参数一般也都相对固定了，因此同一个探头的应用领域受其固定参数影响而相对受到限制。市场上有聚焦探头通过在其前端设计可装载更换的超声透镜来达到对探头性能参数转换的目的，进而实现同一个探头能在更多的领域得到应用。但是这种经常性的更换极容易对探头造成损坏，降低探头的使用寿命；同时，对于阵列探测器来说，这种更换也非常的繁琐，增加了探测系统使用的复杂度。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种基于液体透镜技术的传感器阵列，解决了现有传感器技术存在的参数固定、不能灵活调节的缺点。本发明能够快速有效地对超声传感器接收和发射性能进行调节，并在此基础上提高超声成像、光声成像、热声成像等系统的成像性能；超声传感器阵列通过在每个传感单元的前端设计液体透镜，并通过注射泵向其体腔注射液体来对透镜的弧面进行调节，以此达到对超声阵列探测器的孔径角或聚焦性能进行优化的目的，不需要更换探头结构就能够灵活地对超声阵列探头的孔径角或焦斑进行调节控制。 [0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于液体透镜的超声传感器阵列，包括一个以上液体透镜超声传感器和固定液体透镜超声传感器的阵列支架，每个所述液体透镜超声传感器包括液体透镜、超声传感单元，一个液体透镜对应着一个超声传感单元，液体透镜与超声传感单元的超声探头连接；所述液体透镜包括由底层、侧壁形成的腔体和由键合在侧壁开口处的薄膜形成的弧面，并设有针管将腔体与外部连通后导入/导出液体。通过导入/导出液体使液体透镜的弧面产生形变来实现对超声波进行聚焦或扩束的功能，然后由超声传感单元接收超声波或向外部发射超声波。当向液体透镜腔体中导入足量液体时，薄膜会凸起进而提高超声探头的孔径角，增大单个超声探头对超声波的探测范围；当向透镜腔体中导入液体有限时，薄膜会凹陷进而会对超声探头产生聚焦效果，形成聚焦超声传感器阵列。 [0006] 具体地，所述超声探头和液体透镜的底层外部连接，超声探头用于接收或发射超声波信号，并将声信号转换为电信号或将电信号转换为超声信号，且液体透镜腔体底部的尺寸大小与超声探头的探测区域尺寸大小一致。 [0007] 作为优选，所述薄膜的厚度为10μm-500μm。 [0009] 更进一步地，所述超声探头是探测超声波信号的传感器件，为压电式的超声传感探头，或电容式的超声传感探头。 [0010] 为了保证超声波信号的有效传输，所述超声传感单元的超声探头通过超声耦合剂与液体透镜连接实现密封接触。 [0011] 再进一步地，每个所述液体透镜侧壁上设置两根针管，一根针管通过软管连接有注射泵，另一根针管通过软管连接有液体回收容器。注射泵用于对液体透镜的腔体内液体体积进行控制，进而达到对液体透镜的弧面进行调节的目的；软管用于将注射泵内的液体导入到针管中或将针管中的液体导出到液体回收容器中。 [0013] 另外，所述阵列支架包括一个以上的支架，每个支架包括凹槽和与凹槽底部连通的圆形孔槽，该凹槽用于固定液体透镜，圆形孔槽用于固定超声传感单元。所述阵列为线型或环形或球形，当为线型时，每个支架的端部与另一支架的端部连接组成线型的阵列支架；当为环形时，所有支架的两端部首尾顺次连接组成环形的阵列支架，每个支架的凹槽的开口指向阵列支架的中心；当为球形时，所有支架连接在一起组成球形的阵列支架，且每个支架的凹槽的开口均指向球形阵列支架的中心。 [0014] 本发明的有益效果为：本发明提供了一种基于液体透镜技术的超声传感器阵列系统，该系统在每个超声传感单元的前端设置液体透镜，通过注射泵对液体透镜腔体中液体总量的控制达到对薄膜的弧面的调节，进而实现对超声探头声学参数的优化目的。本发明能够方便地优化并提高超声探头的孔径角，增加了超声探头的探测范围；对于聚焦超声探头，本发明能够对焦斑的尺寸进行有效的优化调节，提高系统的信号探测能力。本发明解决了现有传感器技术存在的参数固定、不能灵活调节的缺点，在信号探测、超声成像、光声成像及热声成像等领域有巨大的应用前景。 附图说明 [0015] 图1为本发明-实施例1的整体结构示意图。 [0016] 图2为本发明-实施例1制作液体透镜的磨具的结构示意图。 [0017] 图3为本发明-实施例1聚二甲基硅氧烷在磨具中固化后的结构示意图。 [0018] 图4为本发明-实施例1液体透镜的结构示意图。 [0019] 图5为本发明-实施例1液体透镜注射液体后弧面的结构示意图。 [0020] 图6为本发明-实施例1液体透镜超声传感单元的结构示意图。 [0021] 图7为本发明-实施例2四阵列液体透镜超声传感器的阵列支架的俯视图。 [0022] 图8为本发明-实施例2四阵列液体透镜超声传感器的阵列支架的侧视图。 [0023] 图9为本发明-实施例2四阵列液体透镜超声传感器的结构示意图。 [0024] 其中，图中附图标记对应的零部件名称为：1-液体透镜，2-超声探头，3-液体回收容器，4-注射泵，5-阵列支架，6-针管，7-软管，8-阀门，9-磨具，10-圆形孔槽。 具体实施方式[0025] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。 [0026] 本发明提供一种基于液体透镜技术的超声传感器阵列系统，能够根据系统实际应用场景，快速有效地对超声传感单元的声学参数进行优化调节，使整个系统达到最佳的工作状态。本发明首先通过注射泵向液体透镜腔体中注射液体，液体的注射量决定着透镜表面聚合物薄膜的弧面形状，因而就改变了探头的声学传输参数。本发明可以针对不同的应用场景对探头的孔径角、聚焦性能等参数进行优化调节，使传感器阵列系统达到最佳的工作效果。 [0027] 实施例1如图1所示，一种基于液体透镜的超声传感器阵列，包含线型超声传感器阵列，每个阵列均包括液体透镜1、超声探头2、液体回收容器3、注射泵4、支架、针管6、软管7、阀门8；其中，液体透镜1包括底层和与底层四周连接并与底层固一体的侧壁，在底层和侧壁之间则形成一个具有开口的腔体，在开口处键合薄膜形成一个密封的腔体。超声探头2的前端端部则与液体透镜1的底层外部连接，相应地，支架包含一个凹槽和与凹槽底部连通的圆形孔槽 10，凹槽用于放置液体透镜1，圆形孔槽用于通过超声探头2，每个支架的端部与另一支架的端部连接组成线型的阵列支架5，在液体透镜侧面的对称位置上分别设置一根针管6，该针管连通腔体的内部和外部，一根针管通过软管7连接注射泵4，另一根针管通过软管7连接液体回收容器3，支架上则设有穿过针管6的孔，在液体回收容器3的出口处设置阀门8。 [0028] 本实施例各部件的具体制作过程如下：液体透镜1采用聚合物材料聚二甲基硅氧烷来制作，具体制作方法如下： 基于3D打印技术制作液体透镜1的磨具9，磨具9所使用的材料为树脂，制作完成的磨具结构如图2所示；本实施例磨具的槽体结构尺寸为20mm（长）×15mm（宽）×6mm（深），中心凸起的部分高度为5mm用于形成液体透镜的腔体，1mm的高度差用于形成液体透镜的底层厚度。 [0029] 将有机硅弹性体基及固化剂按照10:1的比例混合制作聚二甲基硅氧烷；静置一段时间待其脱气后，将其注入图2中的槽中，并加热到80℃持续40分钟；等到聚二甲基硅氧烷在磨具中固化后，如图3所示。 [0030] 将其从磨具中剥落出来，并将一层厚度为100μm的聚二甲基硅氧烷薄膜键合到其开口位置，这样就形成了液体透镜的腔体结构；最后在液体透镜侧面的对称位置上固定有直径为0.5mm的针管，用于向液体透镜腔体中注射和排放液体，如图4所示。 [0031] 本实施例中液体透镜腔体中的液体为甘油（75%）和水（25%）的混合物，该混合物的密度为1.19g/cm3，超声在其中的传播速度为1.78mm/μs，声阻抗为2.11MRay，总之，液体透镜所使用液体的超声传播速度比外界液体环境超声传播速度要大；系统中使用注射泵（KDS210，KD Scientific）将液体经软管和针管注入到液体透镜腔体中；在液体注射的过程中，将液体回收容器阀门打开，以利于在输入端注入液体的时候将腔体内的空气排出；待腔体、针管和软管内空气排放完毕后，把阀门关闭，输入端口继续注入液体，这时液体透镜的聚二甲基硅氧烷薄膜会因液体的体积的增加而开始膨胀，形成液体透镜的弧面，如图5所示。 [0032] 将制作完成的每个液体透镜置于超声传感单元的超声探头的前端形成液体透镜超声传感单元，如图6所示，液体透镜的腔体和超声探头的断面直径均为9mm，液体透镜和超声探头之间加有超声耦合剂，保证两者之间的密封接触以及超声波信号的有效传输。 [0033] 实施例2一种基于液体透镜的超声传感器阵列，与实施例1不同的是，本实施例是环形超声传感器阵列，具体为四阵列液体透镜的超声传感器，基于3D打印技术制作环形超声传感器阵列的阵列支架，如图7、8所示，分别为俯视图和侧视图，该阵列支架包括4个支架，每个阵列支架的两端部顺次连接在一起形成一个方形的阵列支架，每个支架均包含一个凹槽和与凹槽底部连通的圆形孔槽10，凹槽的开口指向阵列支架的中心，圆形孔槽10横向均匀分布在阵列支架的四边上，圆形孔槽10用于固定超声探头。 [0034] 本实施例可固定4个图6中的液体透镜超声传感单元，且每个液体透镜在对称位置上都设有同样的针管，如图9所示，四个液体透镜的针管输入端分别采用A、B、C、D来表示，相应地，本实施例的注射泵和液体回收容器分别包括4个输入/输出端口，四个针管输入端连接同等长度的软管（为简洁起见，图中省略部分软管的图形）并分别连接到注射泵对应的a、b、c、d四个输入/输出端口用于注射液体；四个针管输出端E、F、G、H通过同等长度的软管（为简洁起见，图中省略部分软管的图形）分别连接到液体回收容器对应的e、f、g、h四个输入/输出端口，阀门设在液体回收容器端口附近，用于对液体回收进行控制。 [0035] 液体透镜大小相等；输入端液体在软管中行走的距离分别相等；输出端液体在软管中行走的距离分别相等。基于上述3点，每个液体透镜从输入端到输出端总的距离也相等，是为了确保每个液体透镜内部有同等的压强和一致的弧面结构。 [0036] 按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围。 |
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