基于3D打印的柔性变曲率相控阵探头及其制备方法

本发明涉及动态可拓展成像视场的柔性换能器，尤其涉及一种基于3d打印的柔性变曲率相控阵探头及其制备方法。

背景技术：

1、超声成像由于有无创性、优异的实时性、多种生物效应等优点可以为医生提供内在的，无损的和高分辨的病理行为，指导疾病的治疗及预后方案。换能器更宽的成像视场可以采集到更为完整的脏器。然而，传统商用换能器都以刚性形式呈现，成像孔径通过增加阵元数量拓展成像视场，增加的通道会产生更大的体积和使用成本；另一种方法是讲换能器弯曲以拓展宽的成像视场，凸阵探头的形状在制造时被固定的形状。尽管传统商用换能器具有较高的机械强度和稳定的换能性能，但其成像视场限制了可视化的范围。

2、但上述方案在实施过程中，至少存在如下技术问题：传统刚性换能器由于其在制造时被固定的形状和尺寸导致其成像视角固定的问题，进而影响在人体肾脏成像中的应用效果。因此，一种拓展医用超声探头成像视野的方法是通过3d打印装置实现从线阵到凸阵变曲率形变和成像功能，动态地拓展更宽的成像视场。在临床使用中，这种柔性变曲率相控阵探头（flexible variable curvature phased array probe，fpap）可以通过改变探头的曲率来适应不同胖瘦的人，从而合适的成像视场和成像深度。此外，对于肥胖人群来说，更宽的成像视场也是必要的，因为他们的腹腔空间更大，脂肪层更厚。fpap的可拓展成像视场功能可以适用于不同bmi的患者，从而提高超声成像的质量和准确性。

技术实现思路

1、鉴于以上技术问题，本公开提供了一种基于3d打印的柔性变曲率相控阵探头及其制备方法，解决了现有技术中传统刚性换能器由于其在制造时被固定的形状和尺寸导致其成像视角固定的问题，进而影响在人体肾脏成像中的应用效果的技术问题。通过制备柔性变曲率相控阵探头有效解决视角问题并显著提升了在人体肾脏成像中的应用效果。

2、根据本公开的一个方面，提供一种基于3d打印的柔性变曲率相控阵探头，基于3d打印的柔性变曲率相控阵探头制备方法，包括如下步骤：

3、（1） 压电层制备，a.首先选择基础材料：使用pzt-5h锆钛酸铅材料；b.复合材料制备：使用骰子-填充技术制备1-3型压电复合材料，形成压电层；c.在压电层中填充树脂，所述压电层包括若干阵元；

4、（2） 制备双层复合背衬，a.制备刚性背衬层：使用环氧树脂与氧化铝制备刚性背衬层；b.制备柔性背衬层：使用环氧树脂制备柔性背衬层，以直接接触皮肤；

5、（3） 探头变曲率，使用对位双切工艺分割步骤（1）中所述阵元，将eeo-flex 和rtvsealant 734密封胶水分别按6:4和5:5的比例混合成两种不同的复合双组份基底；a.首次切割并填充：使用锯齿在阵元匹配面按照等距切割压电层阵元；切割处使用6:4的粘弹性复合基底填充，防止阵列弯曲时相邻阵元脱粘，并且为第二次完全切割提供机械支撑；b.二次对位切割并填充：采用对位切割工艺在阵元背衬面完全分割独立阵元，切割处使用5:5的高弹性模量的粘弹性复合基底填充，阵元弯曲后底部可以完全回弹；

6、（4） 3d打印柔性印刷电路板：使用聚二甲基硅氧烷和氧化铝混合物铸造柔性电路板，并用pet薄膜封装，将柔性背衬层与3d打印的压电层阵元耦合，在pet薄膜上双排对阵打孔并集成到3d打印的变曲率推杆上，通过推杆和回撤机械爪改变软探头曲率；

7、（5） 连接压电层阵元与柔性电路板：将压电层阵元的底电极与柔性电路板电极对应连接；激励柔性电路板，使得压电阵元工作；通过形状传感光纤实现柔性阵元的精准定位。

8、在本公开的一些实施例中，所述步骤（1）中pzt-5h锆钛酸铅材料为3203hd。

9、在本公开的一些实施例中，所述步骤（1）中阵元宽度为75μm，相邻阵元之间距离24μm。

10、在本公开的一些实施例中，所述步骤（1）中树脂为epo-tek 301环氧树脂。所述步骤c中填充树脂之后还包括双面打磨的步骤，将使用树脂填充后的锆钛酸铅双面打磨至厚度0.6mm。

11、在本公开的一些实施例中，所述步骤（1）中阵元为128个。

12、在本公开的一些实施例中，所述步骤（2）中刚性背衬层厚度为275μm，所述柔性背衬层厚度为200μm。

13、在本公开的一些实施例中，所述步骤（2）与步骤（3）之间还包括使用e-solder材料铸造0.4mm的导电背衬，在阵列弯曲方向即方位角方向切一个长为46.08mm，深度为0.25mm凹槽。

14、在本公开的一些实施例中，所述步骤（3）中使用锯齿等距切割阵元，切割后阵元宽度为0.36mm、深度为0.6mm。

15、在本公开的一些实施例中，所述步骤（4）中氧化铝混合物的粒径为6μm；所述pet薄膜的厚度为0.8mm。

16、一种基于3d打印的柔性变曲率相控阵探头，由上述的基于3d打印的柔性变曲率相控阵探头制备方法制得，包括双层复合背衬，所述双层复合背衬包括刚性背衬层和柔性背衬层，所述柔性背衬层耦合连接压电层阵元，所述柔性背衬层内装设柔性印刷电路板，所述柔性印刷电路板外部封装pet薄膜，所述pet薄膜上打设双排对阵孔，所述柔性印刷电路板集成在变曲率推杆上，所述变曲率推杆包括伸缩式推杆，所述伸缩式推杆包括得以顶推所述柔性印刷电路板中部的圆形顶推部，以形成凸阵结构，实现动态拓展成像视场，所述圆形推动部装设在方形结构内，所述圆形推动部远离柔性印刷电路板一端连接柱形推动部，所述柱形推动部两端经拉绳连接拉绳固定件，所述拉绳两端固定安装在柔性印刷电路板的两端，所述柔性印刷电路板的电极连接压电层的阵元，所述阵元内填充双组份基底，所述双组份基底包括粘弹性复合基底、和弹性胶，填充比例为7：3。

17、本发明的有益效果在于：

18、1.探头通过3d打印装置的推拉动作实现从柔性探头端的成像视场从线阵到凸阵变曲率形变和成像功能，动态地拓展更宽的成像视场。低频过厚的压电堆叠创新性使用对位双切工艺分割阵元实现0.7λ间距相控阵，首次填充预制的双组份粘弹性基底用于实现形变中产生拉伸应力和挤压应力。低频压电超声波长过长，使用后的背衬层可以有效吸收声波提高带宽，以提高轴向分辨率和成像质量。设计刚性-柔性双背复合衬层，在保证机械灵活性同时拓展带宽，结果实现-6db~78%高带宽和低串扰-50db。

19、2.未使用推杆时，柔性换能器紧贴方形结构，为腹部检测提供足够的机械支撑；圆形推杆顶出时，推动柔性换能器均匀圆形形变成凸阵结构，以实现动态拓展成像视场。在腹部动态宽场成像中取得了良好的成像效果，为临床诊断提供了有力的支持。

20、3.探头通过3d打印装置实现了动态变曲率成像，拓展了成像视场，从而满足了超声腹部成像临床医学的需求。采用相控阵柔性凸阵探头和基于vantage多通道系统信号采集系统相结合的方式，能够实现高分辨率、高灵敏度的成像效果，并且具有较好的弯曲性能，以合适的成像视场和大的成像深度适用于不同胖瘦人体腹部主要脏器。

21、4.使用3d打印的变曲率装置提高可靠性，并通过调制的双组份粘弹性基底改变形变中产生拉伸应力和挤压应力。

22、5.有效的双层复合背衬可以和皮肤外界面进行完美的声阻抗匹配，有效提高声波传输效率使更多的声波可以穿透进人体皮肤里以提高成像质量。使用e-solder材料铸造0.4mm的导电背衬并在方位角方向制造一个槽，不仅可以有效降低减少振铃效应提高带宽，还可以使oss形状传感光纤与任意阵元保形接触提高空间定位精准度。

23、6.使用对位双切工艺分割128阵元，按照7:3的比例填充双组份基底，一方面可以实现令人满意的声衰减降低阵元间串扰，另一方面可以为第二次切割完全划分阵元提供可靠的机械支持。填充弹性胶这让阵元弯曲后保持有效回弹。

24、7.背衬层可以提供足够的声波衰减，缩小振动长度，提高带宽，并抑制振铃效应拓宽带宽。背衬层与压电层阵元耦合，为fpap任意曲率的生物成像提供足够的机械支持，在阵列弯曲检测时候能提供保形接触。在pet膜上双排对阵打孔并集成到3d打印的变曲率推杆上，通过推杆和回撤机械爪可以改变软探头曲率，成像视场被有效地扩展从90度到180度。