超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头及其装配方法与流程

1.本技术涉及医疗器械技术领域，具体为一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头及其装配方法。


背景技术：

2.目前的恶性肿瘤治疗方法都有一定的局限性。
3.研究表明，超声(ultrasound)作为一种非侵入性的无创手段，可在机体内产生热效应以及非热效应，可明显减轻患者炎性疼痛症状，并有效消融实质性肿瘤组织。例如，申请号为2022113537052，发明名称为智能超声肿瘤温控热疗仪及使用方法的专利介绍了封装整机的设计及操作方法，而申请号为2021208272090，发明名称为超声肿瘤治疗仪用多频超声换能器探头则公开了低频和高频超声换能器的结构。
4.但在实际装配和送检过程中发现，高频超声换能器探头同时存在以下两个问题：一、装配工艺复杂，成品率和效率均较低。该高频超声换能器探头是将压电元件卡入聚四氟乙烯套管，整体装入金属外壳后倒置灌胶。待胶水完全固化后，将每一只高频超声换能器放入专用工装夹具上车床将胶水沿金属外壳前辐射端面磨平。以此来控制胶层的厚度，保证水密透声，费时费力。透声胶也不可避免的带来或多或少的透射损失。同时要求压电元件为折返电极，灌胶后进一步影响了换能器的输出功率容量，同时压电元件的成本也较高。检验时如发现不合格则整个换能器直接报废无法返修；二、不利于通过生物相容性检测和医用电气设备电磁兼容emc检测。该高频超声换能器前辐射端面为环氧树脂胶层，实际使用为直接接触患者皮肤，不利于通过生物相容性检测。电缆的正负极线直接焊接在压电元件的折返电极面上，与金属外壳不通，容易辐射噪声漏磁等，不利于通过医用电气设备电磁兼容emc检测。因此，急需要设计一款新的高频超声换能器探头，简化装配工艺，提高成品率和装配效率，选用材料更加友好，能顺利通过医疗设备生物相容性检测和电磁兼容emc检测。
5.申请内容
6.本技术的目的在于提供一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头及其装配方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头，包括弯曲圆盘式复合振子、螺纹环盖、金属外壳以及堵头；所述螺纹环盖与金属外壳底端螺纹连接，弯曲圆盘式复合振子卡设在两者连接处，弯曲圆盘式复合振子底端与螺纹环盖底端平齐；弯曲圆盘式复合振子由一片压电陶瓷圆片和一片金属圆片依次粘结而成；堵头与金属外壳顶端螺纹连接，堵头与金属外壳均为中空结构，bnc电缆穿过堵头和金属外壳的中空结构进入金属外壳内部，bnc电缆的正极导线焊接在弯曲圆盘式复合振子的压电陶瓷圆片上，bnc电缆的负极导线连接金属外壳的内壁。
8.装配本超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头时，仅需要先将弯曲圆盘式复合振子预装好，然后将螺纹环盖和堵头分别和金属外壳拧紧即可，预装弯曲圆盘式复合振子时，在压电陶瓷圆片和金属圆片接触面涂刷一层胶水使两者粘结，胶水固化后可剔除不合格
品，不再需要将每一只换能器用专用工装夹具固定在车床上，将胶水沿外壳前辐射端面磨平，利于规模化自动化批量化生产，有力的实现了降本增效，送检或实际使用时，不再是胶水直接接触患者皮肤组织，易于通过生物相容性检测，且金属外壳与压电元件的负极面相贴合，连上bnc电缆的负极导线作为负极，起到了很好的屏蔽作用，防止辐射和传导骚扰，易于通过医用电气设备电磁兼容emc检测，因此，本超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头结构简单，易于装配，一致性好，成品率高，利于规模化自动化量产，易于通过医疗电气设备生物相容性检测和电磁兼容emc检测，实现了降本增效。
9.优选的，为了保证弯曲圆盘式复合振子组装后的密封效果，所述金属圆片外侧设有外台阶和内台阶，外台阶套设有第一o型密封圈，内台阶套设有第二o型密封圈，第一o型密封圈和第二o型密封圈一方面起到水密的作用，另一方面，通过变形不会阻碍弯曲圆盘式复合振子高频低振幅振动，向前辐射声波。
10.优选的，所述螺纹环盖内侧设有密封圈槽，第一o型密封圈位于密封圈槽内，弯曲圆盘式复合振子卡设在螺纹环盖内后，第一o型密封圈被挤压在密封圈槽内，保证弯曲圆盘式复合振子组装后的密封效果。
11.优选的，为了保证金属外壳上端的的密封效果，金属外壳内部位于堵头的下方设有中空的橡胶塞，橡胶塞一端为锥型结构，金属外壳内部对应橡胶塞的锥型结构设有台阶，当堵头与金属外壳装配好后，橡胶塞的锥型结构的锥形面被台阶挤压变形起到水密作用，金属外壳内部的橡胶塞和弯曲圆盘式复合振子之间形成空气腔，可以作为良好的空气背衬，使声能更多的向前辐射。
12.优选的，超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头的高度为51mm，外径为35mm，谐振频率fr为1mhz
±
200khz，谐振阻抗为≤100ω，谐振电容10-12nf，功率容量为1-6w，导线选用rg174 50-1.5同轴射频线屏蔽96网编织款，为防止螺牙咬死，螺纹环盖采用铝材质制成，金属外壳、垫片和堵头均为304不锈钢材质。
13.优选的，所述弯曲圆盘式复合振子的直径为27.4mm，厚度为7.45mm。
14.优选的，所述压电陶瓷圆片采用p44配方压电材料制成，压电陶瓷圆片的厚度为1.5mm，直径为25mm。
15.优选的，所述压电陶瓷圆片采用双面电极，既不牺牲输出功率，又降低了元件成本，压电陶瓷圆片的负极面粘结金属圆片，bnc电缆的正极导线焊接在压电陶瓷圆片的正极面上。
16.优选的，压电陶瓷圆片和金属圆片通过环氧树脂胶粘结。
17.本技术还提供了一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头的装配方法，包括以下步骤：
18.步骤一：在压电陶瓷圆片和金属圆片接触面分别涂刷胶水，挤压排出气泡后保温保压至完全固化将两者粘结形成弯曲圆盘式复合振子；
19.步骤二：将金属外壳与堵头拧紧；
20.步骤三：将bnc电缆置入金属外壳，bnc电缆的正极导线焊接在弯曲圆盘式复合振子的压电陶瓷圆片上，bnc电缆的负极导线连接金属外壳的内壁；
21.步骤四：将弯曲圆盘式复合振子与金属外壳拧紧。
22.与现有技术相比，本技术的有益效果是：
23.(1)本超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头结构简单，易于装配，一致性好，成品率高，利于规模化自动化量产，实际使用时，不再是胶水直接接触患者皮肤组织，金属外壳与压电元件的负极面相贴合，连上bnc电缆的负极导线作为负极，起到了很好的屏蔽作用，防止辐射和传导骚扰，易于通过医用电气设备电磁兼容emc检测，实现了降本增效；
24.(2)本超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头的第一o型密封圈和第二o型密封圈一方面起到水密的作用，另一方面，通过变形不会阻碍弯曲圆盘式复合振子高频低振幅振动，向前辐射声波；
25.(3)本超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头的堵头与金属外壳装配好后，橡胶塞的锥型结构的锥形面被台阶挤压变形起到水密作用，金属外壳内部的橡胶塞和弯曲圆盘式复合振子之间形成空气腔，可以作为良好的空气背衬，使声能更多的向前辐射。
附图说明
26.图1为本技术提出的一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头的剖视图；
27.图2为本技术提出的一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头的立体图；
28.图3为本技术提出的一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头的堵头立体图；
29.图4为本技术提出的一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头的弯曲圆盘式复合振子立体图；
30.图5为本技术提出的一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头的第一o型密封圈和第二o型密封圈安装示意图；
31.图6为本技术提出的一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头的螺纹环盖剖视图；
32.图7为本技术提出的一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头的橡胶塞立体图；
33.图8为本技术提出的一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头的金属外壳剖视图；
34.图9为本技术提出的一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头的爆炸图。
35.图中：1、弯曲圆盘式复合振子；2、第一o型密封圈；3、第二o型密封圈；4、螺纹环盖；5、金属外壳；51、台阶；6、bnc电缆；7、堵头；8、垫片；9、橡胶塞；10、正极导线；11、负极导线；12、空气腔；13、压电陶瓷圆片；14、金属圆片；141、外台阶；142、内台阶。
具体实施方式
36.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
37.实施例一
38.请参阅图1-图3，一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头，包括弯曲圆盘式复合振子1、螺纹环盖4、金属外壳5以及堵头7；所述螺纹环盖4与金属外壳5底端螺纹连接，弯曲圆盘式复合振子1卡设在两者连接处，弯曲圆盘式复合振子1底端与螺纹环盖4底端平齐；
弯曲圆盘式复合振子1由一片压电陶瓷圆片13和一片金属圆片14依次粘结而成；堵头7与金属外壳5顶端螺纹连接，堵头7与金属外壳5均为中空结构，bnc电缆6穿过堵头7和金属外壳5的中空结构进入金属外壳5内部，bnc电缆6的正极导线10焊接在弯曲圆盘式复合振子1的压电陶瓷圆片13上，bnc电缆6的负极导线11连接金属外壳5的内壁，金属外壳5内部和弯曲圆盘式复合振子1之间形成空气腔12，可以作为良好的空气背衬，使声能更多的向前辐射，本超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头结构简单，易于装配，一致性好，成品率高，利于规模化自动化量产，实际使用时，不再是胶水直接接触患者皮肤组织，金属外壳5与压电元件的负极面相贴合，连上bnc电缆6的负极导线11作为负极，起到了很好的屏蔽作用，防止辐射和传导骚扰，易于通过医用电气设备电磁兼容emc检测，实现了降本增效。
39.实施例二
40.一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头的装配方法，包括以下步骤：
41.步骤一：在压电陶瓷圆片13和金属圆片14接触面分别涂刷胶水，挤压排出气泡后保温保压至完全固化将两者粘结形成弯曲圆盘式复合振子1；
42.步骤二：将金属外壳5与堵头7拧紧；
43.步骤三：将bnc电缆6置入金属外壳5，bnc电缆6的正极导线10焊接在弯曲圆盘式复合振子1的压电陶瓷圆片13上，bnc电缆6的负极导线11连接金属外壳5的内壁；
44.步骤四：将弯曲圆盘式复合振子1与金属外壳5拧紧压。
45.装配本超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头时，仅需要先将弯曲圆盘式复合振子1预装好，将bnc电缆6连接好，然后拧紧金属外壳5和堵头7即可，不再需要将每一只换能器用专用工装夹具固定在车床上，将胶水沿外壳前辐射端面磨平，利于规模化自动化批量化生产，有力的实现了降本增效。
46.实施例三
47.请参阅图9，一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头，包括弯曲圆盘式复合振子1、螺纹环盖4、金属外壳5以及堵头7；所述螺纹环盖4与金属外壳5底端螺纹连接，弯曲圆盘式复合振子1卡设在两者连接处，弯曲圆盘式复合振子1由一片压电陶瓷圆片13和一片金属圆片14依次粘结而成，如图4和5所示，为了保证弯曲圆盘式复合振子1组装后的密封效果，金属圆片14外侧设有外台阶141和内台阶142，外台阶141套设有第一o型密封圈2，内台阶142套设有第二o型密封圈3，如图6所示，螺纹环盖4内侧设有密封圈槽41，第一o型密封圈2位于密封圈槽41内，弯曲圆盘式复合振子1卡设在螺纹环盖4内后，第一o型密封圈2被挤压在密封圈槽41内，金属圆片14底端与螺纹环盖4底端平齐；堵头7与金属外壳5顶端螺纹连接，堵头7与金属外壳5均为中空结构，如图7所示，为了保证金属外壳5上端的的密封效果，金属外壳5内部位于堵头7的下方设有中空的橡胶塞9，橡胶塞9与堵头7之间设有垫环8，橡胶塞9一端为锥型结构，如图8所示，金属外壳5内部对应橡胶塞9的锥型结构设有台阶51，当堵头7与金属外壳5装配好后，橡胶塞9的锥型结构的锥形面被台阶51挤压变形起到水密作用，金属外壳5内部的橡胶塞9和弯曲圆盘式复合振子1之间形成空气腔12，可以作为良好的空气背衬，使声能更多的向前辐射，bnc电缆6穿过堵头7、橡胶塞9和金属外壳5的中空结构进入金属外壳5内部，bnc电缆6的正极导线10焊接在弯曲圆盘式复合振子1的压电陶瓷圆片13上，bnc电缆6的负极导线11连接金属外壳5的内壁，压电陶瓷圆片13采用双面电极，既不牺牲输出功率，又降低了元件成本，压电陶瓷圆片13的负极面粘结金属圆片14，bnc电缆6的
正极导线10焊接在压电陶瓷圆片13的正极面上；
48.由于电陶瓷圆片13和金属圆片14必须足够平整才能粘结牢靠，弯曲振动频率fr取决于弯曲圆盘式复合振子1的径厚比、材料性质以及边界支撑条件。
[0049][0050]
式中a为边界支撑条件决定的常数：波节固定时a＝0.467；周边固定时a＝0.233。本文采用周边固定法，故a取0.233。t为复合振子厚度m，r为复合振子的半径m，压电陶瓷片的半径r1与金属片的半径r2之比x＝r1/r2＞0.7，才能使振子的阻抗比较低，当x＝1时最佳。y为两片材质的合成杨氏模量pa，ρ为两片材质的合成密度kg/m3，σ为两片材质的合成泊松比。
[0051]
压电陶瓷材料的自由相对介电常数为
[0052][0053]
式中，ε0为真空(或自由空间)的介电常数，ε0＝8.85
×
10-12
(f/m)，ε为绝对介电常数，其中，f表示电容c
t
的单位法拉。
[0054]
绝对介电常数ε与元件的电容c
t
，电极面积s和电极间距t1之间的关系为
[0055][0056]
式中s为电极面积m2，t1为电极间距m，c
t
为谐振电容单位f。
[0057]
现估算换能器的输出参数，假设高频发射超声换能器辐射的声压为f，单位为n，则
[0058][0059]
对于本发明的弯曲圆盘式复合振子采用的是单片压电元件，则
[0060][0061]
式3代入，得
[0062][0063]
式2代入，并假设本发明的弯曲圆盘式复合振子的压电元件是双面电极且是全电极，则
[0064][0065]
由式1可知，在边界条件固定的情况下，谐振频率fr的变化与t/r2成正比。设计要求的谐振频率fr为1mhz
±
200khz，而式7表明，弯曲圆盘式复合振子的辐射声压f的变化在尺寸上与t1/r
12
成反比，在材料的固有属性上与成正比。该振子沿厚度方向振动，要求压电
元件圆形薄片直径2r1接近厚度的10倍，保证振动的方向性。
[0066]
综合考虑，压电陶瓷圆片13选用p44配方压电材料，该型材料的压电应变常数d
33
＝3.1
×
10-10c/n，自由相对介电常数为进一步的，压电陶瓷圆片13的厚度t1＝1.5mm，直径2r1为φ25mm。
[0067]
要想达到所需的设计频率，只需要用金属圆片14的厚度补足即可。则弯曲圆盘式复合振子的直径2r为φ27.4mm，即r＝13.7mm，复合振子总厚度为t＝7.45mm。
[0068]
以上已知代入式7，得
[0069]
f≈12.61u(n)(式8)
[0070]
即理论上不考虑损耗的情况下，高频超声换能器每收到1v的电激励，即可对负载辐射12.61n的声压，满足消融浅表肿瘤组织的设计要求。动物实验的病理切片结果也表明，经超声处理后，小白鼠的肿瘤组织具有明显的坏死和坍塌，不再继续生长，疗效较好。解剖后也表明，对小白鼠的其他正常组织器官没有实质损害。
[0071]
最终，本超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头的总长为51mm，外径为φ35mm，谐振频率fr为1mhz
±
200khz，谐振阻抗为≤100ω，谐振电容10-12nf，功率容量为1-6w。导线选用rg174 50-1.5同轴射频线屏蔽96网编织款。
[0072]
实施例四
[0073]
一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头的装配方法，包括以下步骤：
[0074]
步骤一：在压电陶瓷圆片13和金属圆片14接触面分别涂刷胶水，挤压排出气泡后保温保压至完全固化初测剔除不合格品，得到弯曲圆盘式复合振子1；
[0075]
步骤二：将第一o型密封圈2和第二o型密封圈3装配在金属圆片14上；
[0076]
步骤三：将橡胶塞9置入金属外壳5内，然后将金属外壳5与堵头7拧紧；
[0077]
步骤四：将bnc电缆6置入金属外壳5，bnc电缆6的正极导线10焊接在弯曲圆盘式复合振子1的压电陶瓷圆片13上，bnc电缆6的负极导线11连接金属外壳5的内壁；
[0078]
步骤五：将弯曲圆盘式复合振子1与金属外壳5拧紧。
[0079]
采用本装配方法，胶层经过挤压排出气泡，保证了胶水涂抹的均匀性和一致性，提高了成品率，不再需要将每一只换能器用专用工装夹具固定在车床上，将胶水沿外壳前辐射端面磨平，利于规模化自动化批量化生产，有力的实现了降本增效。送检或实际使用时，不再是胶水直接接触患者皮肤组织，易于通过生物相容性检测。
[0080]
对于本领域技术人员而言，显然本技术不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本技术的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本技术。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本技术的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本技术内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

技术特征：
1.一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头，其特征在于：包括弯曲圆盘式复合振子(1)、螺纹环盖(4)、金属外壳(5)以及堵头(7)；所述螺纹环盖(4)与金属外壳(5)底端螺纹连接，弯曲圆盘式复合振子(1)卡设在两者连接处，弯曲圆盘式复合振子(1)底端与螺纹环盖(4)底端平齐；弯曲圆盘式复合振子(1)由一片压电陶瓷圆片(13)和一片金属圆片(14)依次粘结而成；堵头(7)与金属外壳(5)顶端螺纹连接，堵头(7)与金属外壳(5)均为中空结构，bnc电缆(6)穿过堵头(7)和金属外壳(5)的中空结构进入金属外壳(5)内部，bnc电缆(6)的正极导线(10)焊接在弯曲圆盘式复合振子(1)的压电陶瓷圆片(13)上，bnc电缆(6)的负极导线(11)连接金属外壳(5)的内壁。2.根据权利要求1所述的一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头，其特征在于：所述金属圆片(14)外侧设有外台阶(141)和内台阶(142)，外台阶(141)套设有第一o型密封圈(2)，内台阶(142)套设有第二o型密封圈(3)。3.根据权利要求2所述的一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头，其特征在于：所述螺纹环盖(4)内侧设有密封圈槽(41)，第一o型密封圈(2)位于密封圈槽(41)内。4.根据权利要求1-3任一所述的一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头，其特征在于：金属外壳(5)内部位于堵头(7)的下方设有中空的橡胶塞(9)，橡胶塞(9)一端为锥型结构，金属外壳(5)内部对应橡胶塞(9)的锥型结构设有台阶(51)。5.根据权利要求1所述的一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头，其特征在于：超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头的高度为51mm，外径为35mm，谐振频率f
r
为1mhz
±
200khz，谐振阻抗为≤100ω，谐振电容10-12nf，功率容量为1-6w。6.根据权利要求5所述的一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头，其特征在于：所述弯曲圆盘式复合振子(1)的直径为27.4mm，厚度为7.45mm。7.根据权利要求6所述的一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头，其特征在于：所述压电陶瓷圆片(13)采用p44配方压电材料制成，压电陶瓷圆片(13)的厚度为1.5mm，直径为25mm。8.根据权利要求1所述的一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头，其特征在于：所述压电陶瓷圆片(13)采用双面电极，压电陶瓷圆片(13)的负极面粘结金属圆片(14)，bnc电缆(6)的正极导线(10)焊接在压电陶瓷圆片(13)的正极面上。9.根据权利要求1所述的一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头，其特征在于：压电陶瓷圆片(13)和金属圆片(14)通过环氧树脂胶粘结。10.一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头的装配方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：在压电陶瓷圆片(13)和金属圆片(14)接触面分别涂刷胶水，挤压排出气泡后保温保压至完全固化将两者粘结形成弯曲圆盘式复合振子(1)；步骤二：将金属外壳(5)与堵头(7)拧紧；步骤三：将bnc电缆(6)置入金属外壳(5)，bnc电缆(6)的正极导线(10)焊接在弯曲圆盘式复合振子(1)的压电陶瓷圆片(13)上，bnc电缆(6)的负极导线(11)连接金属外壳(5)的内壁；步骤四：将弯曲圆盘式复合振子(1)与金属外壳(5)拧紧。

技术总结
本申请公开了一种超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头，包括弯曲圆盘式复合振子、螺纹环盖、金属外壳以及堵头；所述螺纹环盖与金属外壳底端螺纹连接，弯曲圆盘式复合振子卡设在两者连接处，弯曲圆盘式复合振子底端与螺纹环盖底端平齐；弯曲圆盘式复合振子由一片压电陶瓷圆片和一片金属圆片依次粘结而成；堵头与金属外壳顶端螺纹连接，堵头与金属外壳均为中空结构，BNC电缆穿过堵头和金属外壳的中空结构进入金属外壳内部，BNC电缆的正极导线焊接在弯曲圆盘式复合振子的压电陶瓷圆片上，BNC电缆的负极导线连接金属外壳的内壁，本超声肿瘤治疗仪用高频超声换能器探头结构简单，易于装配，一致性好，成品率高，利于规模化自动化量产。产。产。


技术研发人员：刘细宝 王钊利 陈立新 邱俭军 楼成淦 邱潇渊 张学鑫 王泽民 陈迪锋 齐强 李琦 李庆华 付玉奎
受保护的技术使用者：杭州瑞利超声科技有限公司
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/21