本發(fā)明涉及動(dòng)態(tài)可拓展成像視場(chǎng)的柔性換能器，尤其涉及一種基于3d打印的柔性變曲率相控陣探頭及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、超聲成像由于有無(wú)創(chuàng)性、優(yōu)異的實(shí)時(shí)性、多種生物效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)可以為醫(yī)生提供內(nèi)在的，無(wú)損的和高分辨的病理行為，指導(dǎo)疾病的治療及預(yù)后方案。換能器更寬的成像視場(chǎng)可以采集到更為完整的臟器。然而，傳統(tǒng)商用換能器都以剛性形式呈現(xiàn)，成像孔徑通過(guò)增加陣元數(shù)量拓展成像視場(chǎng)，增加的通道會(huì)產(chǎn)生更大的體積和使用成本；另一種方法是講換能器彎曲以拓展寬的成像視場(chǎng)，凸陣探頭的形狀在制造時(shí)被固定的形狀。盡管傳統(tǒng)商用換能器具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的換能性能，但其成像視場(chǎng)限制了可視化的范圍。

2、但上述方案在實(shí)施過(guò)程中，至少存在如下技術(shù)問(wèn)題：傳統(tǒng)剛性換能器由于其在制造時(shí)被固定的形狀和尺寸導(dǎo)致其成像視角固定的問(wèn)題，進(jìn)而影響在人體腎臟成像中的應(yīng)用效果。因此，一種拓展醫(yī)用超聲探頭成像視野的方法是通過(guò)3d打印裝置實(shí)現(xiàn)從線陣到凸陣變曲率形變和成像功能，動(dòng)態(tài)地拓展更寬的成像視場(chǎng)。在臨床使用中，這種柔性變曲率相控陣探頭（flexible?variable?curvature?phased?array?probe，fpap）可以通過(guò)改變探頭的曲率來(lái)適應(yīng)不同胖瘦的人，從而合適的成像視場(chǎng)和成像深度。此外，對(duì)于肥胖人群來(lái)說(shuō)，更寬的成像視場(chǎng)也是必要的，因?yàn)樗麄兊母骨豢臻g更大，脂肪層更厚。fpap的可拓展成像視場(chǎng)功能可以適用于不同bmi的患者，從而提高超聲成像的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于以上技術(shù)問(wèn)題，本公開(kāi)提供了一種基于3d打印的柔性變曲率相控陣探頭及其制備方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)剛性換能器由于其在制造時(shí)被固定的形狀和尺寸導(dǎo)致其成像視角固定的問(wèn)題，進(jìn)而影響在人體腎臟成像中的應(yīng)用效果的技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)制備柔性變曲率相控陣探頭有效解決視角問(wèn)題并顯著提升了在人體腎臟成像中的應(yīng)用效果。

2、根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，提供一種基于3d打印的柔性變曲率相控陣探頭，基于3d打印的柔性變曲率相控陣探頭制備方法，包括如下步驟：

3、（1）?壓電層制備，a.首先選擇基礎(chǔ)材料：使用pzt-5h鋯鈦酸鉛材料；b.復(fù)合材料制備：使用骰子-填充技術(shù)制備1-3型壓電復(fù)合材料，形成壓電層；c.在壓電層中填充樹(shù)脂，所述壓電層包括若干陣元；

4、（2）?制備雙層復(fù)合背襯，a.制備剛性背襯層：使用環(huán)氧樹(shù)脂與氧化鋁制備剛性背襯層；b.制備柔性背襯層：使用環(huán)氧樹(shù)脂制備柔性背襯層，以直接接觸皮膚；

5、（3）?探頭變曲率，使用對(duì)位雙切工藝分割步驟（1）中所述陣元，將eeo-flex?和rtvsealant?734密封膠水分別按6:4和5:5的比例混合成兩種不同的復(fù)合雙組份基底；a.首次切割并填充：使用鋸齒在陣元匹配面按照等距切割壓電層陣元；切割處使用6:4的粘彈性復(fù)合基底填充，防止陣列彎曲時(shí)相鄰陣元脫粘，并且為第二次完全切割提供機(jī)械支撐；b.二次對(duì)位切割并填充：采用對(duì)位切割工藝在陣元背襯面完全分割獨(dú)立陣元，切割處使用5:5的高彈性模量的粘彈性復(fù)合基底填充，陣元彎曲后底部可以完全回彈；

6、（4）?3d打印柔性印刷電路板：使用聚二甲基硅氧烷和氧化鋁混合物鑄造柔性電路板，并用pet薄膜封裝，將柔性背襯層與3d打印的壓電層陣元耦合，在pet薄膜上雙排對(duì)陣打孔并集成到3d打印的變曲率推桿上，通過(guò)推桿和回撤機(jī)械爪改變軟探頭曲率；

7、（5）?連接壓電層陣元與柔性電路板：將壓電層陣元的底電極與柔性電路板電極對(duì)應(yīng)連接；激勵(lì)柔性電路板，使得壓電陣元工作；通過(guò)形狀傳感光纖實(shí)現(xiàn)柔性陣元的精準(zhǔn)定位。

8、在本公開(kāi)的一些實(shí)施例中，所述步驟（1）中pzt-5h鋯鈦酸鉛材料為3203hd。

9、在本公開(kāi)的一些實(shí)施例中，所述步驟（1）中陣元寬度為75μm，相鄰陣元之間距離24μm。

10、在本公開(kāi)的一些實(shí)施例中，所述步驟（1）中樹(shù)脂為epo-tek?301環(huán)氧樹(shù)脂。所述步驟c中填充樹(shù)脂之后還包括雙面打磨的步驟，將使用樹(shù)脂填充后的鋯鈦酸鉛雙面打磨至厚度0.6mm。

11、在本公開(kāi)的一些實(shí)施例中，所述步驟（1）中陣元為128個(gè)。

12、在本公開(kāi)的一些實(shí)施例中，所述步驟（2）中剛性背襯層厚度為275μm，所述柔性背襯層厚度為200μm。

13、在本公開(kāi)的一些實(shí)施例中，所述步驟（2）與步驟（3）之間還包括使用e-solder材料鑄造0.4mm的導(dǎo)電背襯，在陣列彎曲方向即方位角方向切一個(gè)長(zhǎng)為46.08mm，深度為0.25mm凹槽。

14、在本公開(kāi)的一些實(shí)施例中，所述步驟（3）中使用鋸齒等距切割陣元，切割后陣元寬度為0.36mm、深度為0.6mm。

15、在本公開(kāi)的一些實(shí)施例中，所述步驟（4）中氧化鋁混合物的粒徑為6μm；所述pet薄膜的厚度為0.8mm。

16、一種基于3d打印的柔性變曲率相控陣探頭，由上述的基于3d打印的柔性變曲率相控陣探頭制備方法制得，包括雙層復(fù)合背襯，所述雙層復(fù)合背襯包括剛性背襯層和柔性背襯層，所述柔性背襯層耦合連接壓電層陣元，所述柔性背襯層內(nèi)裝設(shè)柔性印刷電路板，所述柔性印刷電路板外部封裝pet薄膜，所述pet薄膜上打設(shè)雙排對(duì)陣孔，所述柔性印刷電路板集成在變曲率推桿上，所述變曲率推桿包括伸縮式推桿，所述伸縮式推桿包括得以頂推所述柔性印刷電路板中部的圓形頂推部，以形成凸陣結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)拓展成像視場(chǎng)，所述圓形推動(dòng)部裝設(shè)在方形結(jié)構(gòu)內(nèi)，所述圓形推動(dòng)部遠(yuǎn)離柔性印刷電路板一端連接柱形推動(dòng)部，所述柱形推動(dòng)部?jī)啥私?jīng)拉繩連接拉繩固定件，所述拉繩兩端固定安裝在柔性印刷電路板的兩端，所述柔性印刷電路板的電極連接壓電層的陣元，所述陣元內(nèi)填充雙組份基底，所述雙組份基底包括粘彈性復(fù)合基底、和彈性膠，填充比例為7：3。

17、本發(fā)明的有益效果在于：

18、1.探頭通過(guò)3d打印裝置的推拉動(dòng)作實(shí)現(xiàn)從柔性探頭端的成像視場(chǎng)從線陣到凸陣變曲率形變和成像功能，動(dòng)態(tài)地拓展更寬的成像視場(chǎng)。低頻過(guò)厚的壓電堆疊創(chuàng)新性使用對(duì)位雙切工藝分割陣元實(shí)現(xiàn)0.7λ間距相控陣，首次填充預(yù)制的雙組份粘彈性基底用于實(shí)現(xiàn)形變中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力和擠壓應(yīng)力。低頻壓電超聲波長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，使用后的背襯層可以有效吸收聲波提高帶寬，以提高軸向分辨率和成像質(zhì)量。設(shè)計(jì)剛性-柔性雙背復(fù)合襯層，在保證機(jī)械靈活性同時(shí)拓展帶寬，結(jié)果實(shí)現(xiàn)-6db~78%高帶寬和低串?dāng)_-50db。

19、2.未使用推桿時(shí)，柔性換能器緊貼方形結(jié)構(gòu)，為腹部檢測(cè)提供足夠的機(jī)械支撐；圓形推桿頂出時(shí)，推動(dòng)柔性換能器均勻圓形形變成凸陣結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)拓展成像視場(chǎng)。在腹部動(dòng)態(tài)寬場(chǎng)成像中取得了良好的成像效果，為臨床診斷提供了有力的支持。

20、3.探頭通過(guò)3d打印裝置實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)變曲率成像，拓展了成像視場(chǎng)，從而滿足了超聲腹部成像臨床醫(yī)學(xué)的需求。采用相控陣柔性凸陣探頭和基于vantage多通道系統(tǒng)信號(hào)采集系統(tǒng)相結(jié)合的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率、高靈敏度的成像效果，并且具有較好的彎曲性能，以合適的成像視場(chǎng)和大的成像深度適用于不同胖瘦人體腹部主要臟器。

21、4.使用3d打印的變曲率裝置提高可靠性，并通過(guò)調(diào)制的雙組份粘彈性基底改變形變中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力和擠壓應(yīng)力。

22、5.有效的雙層復(fù)合背襯可以和皮膚外界面進(jìn)行完美的聲阻抗匹配，有效提高聲波傳輸效率使更多的聲波可以穿透進(jìn)人體皮膚里以提高成像質(zhì)量。使用e-solder材料鑄造0.4mm的導(dǎo)電背襯并在方位角方向制造一個(gè)槽，不僅可以有效降低減少振鈴效應(yīng)提高帶寬，還可以使oss形狀傳感光纖與任意陣元保形接觸提高空間定位精準(zhǔn)度。

23、6.使用對(duì)位雙切工藝分割128陣元，按照7:3的比例填充雙組份基底，一方面可以實(shí)現(xiàn)令人滿意的聲衰減降低陣元間串?dāng)_，另一方面可以為第二次切割完全劃分陣元提供可靠的機(jī)械支持。填充彈性膠這讓陣元彎曲后保持有效回彈。

24、7.背襯層可以提供足夠的聲波衰減，縮小振動(dòng)長(zhǎng)度，提高帶寬，并抑制振鈴效應(yīng)拓寬帶寬。背襯層與壓電層陣元耦合，為fpap任意曲率的生物成像提供足夠的機(jī)械支持，在陣列彎曲檢測(cè)時(shí)候能提供保形接觸。在pet膜上雙排對(duì)陣打孔并集成到3d打印的變曲率推桿上，通過(guò)推桿和回撤機(jī)械爪可以改變軟探頭曲率，成像視場(chǎng)被有效地?cái)U(kuò)展從90度到180度。