[发明专利]一种随机分布三维相控阵探头的制备方法

说明书

本发明公开了一种随机分布三维相控阵探头的制备方法，首先使用随机点生成函数生成随机点位置坐标；然后根据随机分布位置坐标定义换能器单元，使每个独立阵元的中心坐标分别与随机点位置坐标重合；接着根据欧拉角控制每个阵元的偏转，使每个阵元的法线绕x、y、z轴旋转，最终确定每个独立阵元的中心轴与换能器整体的中心轴的夹角；最后根据最终生成的随机坐标位置和确立的对应的欧拉角建立结构模型，将各个独立的压电基元安装在中心开孔的壳体上，制备成最终的中心开孔式球型随机分布三维相控阵。本发明制备的随机分布阵列可很好的抑制栅瓣和轴向次极大值的叠加，大大提升相控焦点动态范围，提高了相控阵的可用性、安全性和可靠性。

技术领域

本发明涉及一种随机分布三维相控阵探头的制备方法，属于医疗器械技术领域。

背景技术

超声技术的飞速发展使其在各个领域中得到了广泛的应用。超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，能量也很大，因而产生了很多效应。比如说：机械效应、空化效应、热效应和生物化学效应等。利用强度较低的超声波的热效应、机械效应等对疾病部位进行“加热”和机械刺激称为超声理疗，主要包括超声按摩、超声针灸及超声热疗。利用较强的超声波的剧烈作用来切断、破坏某些组织称为超声手术，主要有超声碎石、超声手术刀。然而现有的超声治疗设备使用的换能器类型一般为球冠自聚焦单通道超声换能器，压电陶瓷是单个球冠状或者为多片拼接为球冠状达到自聚焦效果。单通道自聚焦换能器本身复杂度低，对于硬件系统要求相对简单，但单通道自聚焦换能器只能聚焦固定位置，实际应用中需要庞大的结构来实现三维空间的治疗，对于精度的保障带来了巨大的挑战。

通过使用相控阵换能器可以实现焦点三维空间的偏转，并且通过电子控制动态焦点，可以实现焦点精确快速扫描或动态多焦点，不仅可以减少结构的复杂性，提高位置精度；还可以大大缩短治疗时间。但是目前现有技术制备出来的相控阵换能器有一个明显的缺点，就是会产生不期望的栅瓣和轴向次极大能量点，虽然目前也采取了将阵元都分布在同心圆环的方式来抑制，但这些对于栅瓣的改善都很有限，只能在小的偏转范围能抑制栅瓣，而且也限制了相控阵的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种随机分布三维相控阵探头的制备方法，用于解决现有单基元换能器焦点固定，结构庞大导致的精度控制难度大问题；以及解决现有相控阵换能器焦点偏转能力范围小，偏转后栅瓣能量大、轴向次极大点能量高，使用中会造成非治疗区域损伤，影响相控阵的实际应用等问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种随机分布三维相控阵探头的制备方法，其包括如下步骤：

步骤一、首先使用随机点生成函数生成随机点位置坐标；

步骤二、根据随机分布位置坐标定义换能器单元，使每一个独立阵元的中心坐标分别与随机点位置坐标重合；

步骤三、根据欧拉角控制每个阵元的偏转，使每个阵元的法线分别绕x、y、z轴旋转，最终确定每个独立阵元的中心轴与换能器整体的中心轴的夹角；

步骤四、最后根据最终生成的随机坐标位置和确立的对应的欧拉角建立结构模型，将各个独立的压电基元安装在中心开孔的壳体上，制备成最终的中心开孔式球型随机分布三维相控阵。

进一步的，所述步骤一中，设置换能器外径、内径、曲率半径、最小中心距、阵元直径作为随机函数的边界条件。

进一步的，所述步骤一中，通过迭代算法，设置迭代求解次数和声场分布目标条件，在所有迭代求解生成的随机方案中，优选生成的随机点以获得较优的声场分布，满足较优的声场分布的目标函数条件如下：(1)优选的声压聚焦点大小X*Y*Z≤2*2*8mm；(2)优选的焦点动态偏转范围X*Y*Z≥40*40*80mm；(3)优选的旁瓣级＜-10.1dB；(4)优选的轴向次极大级＜-13.2dB；(5)优选的在球面上随机分布通道数≥190阵元。