自聚焦PVDF超聲換能器制作與研究

金文韜+胡川+沈博

摘 要：針對目前常用的壓電陶瓷換能器加工難度大、制作周期長、成本高等問題，文章設(shè)計制作了一種基于PVDF壓電薄膜的自聚焦超聲換能器，充分利用PVDF薄膜成本低、易加工、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。文章進(jìn)行的聲場測試表明，制得的自聚焦PVDF超聲換能器尺寸達(dá)到了7mm，中心頻率為5MHz，縱向分辨率為0.38mm，橫向分辨率為1mm，和模擬值相符。相比于常用的壓電陶瓷換能器，文章極大程度上降低了制作成本，并有改造成內(nèi)窺用超聲換能器的潛力。

關(guān)鍵詞：光聲成像；超聲換能器；PVDF；自聚焦

1 概述

光聲成像技術(shù)是一種新型的無損成像技術(shù)，結(jié)合了普通光學(xué)成像和超聲成像的優(yōu)點(diǎn)，具有穿透深度大、成像分辨率高、安全無損等眾多優(yōu)點(diǎn)，在血管生物學(xué)[1]、腫瘤學(xué)[2]等方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。光聲成像技術(shù)的主要原理是目標(biāo)物體接受短脈沖激光照射迅速吸收激光照射產(chǎn)生的能量，之后產(chǎn)生熱能而振動對外發(fā)出超聲信號，光聲成像的結(jié)果實際反映的是目標(biāo)物體各位置的光吸收系數(shù)，光聲成像技術(shù)所產(chǎn)生的超聲信號可以用超聲換能器來接收。

壓電原理是超聲換能器設(shè)計制作中常用的原理，壓電原理指的對某種材料施加電場會引起材料本身的形變，而材料本身如果發(fā)生形變又會使材料產(chǎn)生電場，這種材料就叫做壓電材料。PVDF壓電薄膜是壓電換能器制作中常用的壓電材料，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)檢測中，雖然PVDF壓電薄膜的中心頻率通常不如另外一種常用的壓電材料-壓電陶瓷，但PVDF壓電薄膜的加工難度與加工成本遠(yuǎn)低于壓電陶瓷，其本身易彎曲的特性也使它能適用于多種形狀的壓電換能器，而且其本身的聲阻抗值和人體組織更加匹配，所以本文選擇適用PVDF壓電薄膜來作為壓電材料。

聚焦超聲換能器又是超聲換能器的一大重要分支，實現(xiàn)聚焦的方式主要有主動式聚焦、被動式聚焦和相控陣聚焦。主動式聚焦是指通過改變換能器本身形狀來實現(xiàn)聚焦，一般是將換能器的壓電單元制成球面或柱面；被動式聚焦主要實現(xiàn)方式是使用一些輔助手段聚集超聲能量來實現(xiàn)聚焦，目前國內(nèi)外的主要手段是在換能器前部添加一個聲透鏡；相控陣聚焦是指通過電子控制排列超聲換能器陣列來實現(xiàn)聚焦，它可以調(diào)節(jié)換能器的焦距、焦斑大小等。本文所設(shè)計的自聚焦超聲換能器屬于主動聚焦的方法，根據(jù)PVDF薄膜本身有易彎曲的特性，將PVDF薄膜彎曲成球面從而實現(xiàn)聚焦。

本文將充分利用PVDF薄膜易彎曲、聲阻抗低、耐腐蝕、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，嘗試以PVDF薄膜為壓電材料、以自聚焦為聚焦方式的超聲換能器制作，對制得的自聚焦PVDF超聲換能器進(jìn)行聲場測試，并將實驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證其各性能指標(biāo)是否達(dá)到預(yù)期值。本文所設(shè)計的自聚焦超聲換能器主要包括三個單元，分別為壓電單元、背襯單元以及屏蔽單元。

2 換能器制作

本文采用52μm的PVDF壓電薄膜，其電極材料為銀，首先將PVDF壓電薄膜剪成一個半徑為3mm的圓，在圓的一側(cè)留有一個長約5mm的長條，留作連接正極用；之后使用丙酮將PVDF壓電薄膜邊緣的電極擦去，再將PVDF壓電薄膜的長條部分負(fù)極的電極全部擦去；下一步將PVDF壓電薄膜的圓形部分的正極貼在3D打印的樹脂支撐件的凹面上，用相應(yīng)曲率的亞克力圓球?qū)VDF壓電薄膜壓緊在支撐件上；然后通過導(dǎo)電銀膠將屏蔽線正極固定在PVDF壓電薄膜長條部分的正極，待銀膠完全凝固后（約24小時）將PVDF壓電薄膜與支撐件整體裝入屏蔽銅殼；最后一步使用導(dǎo)電銀膠將屏蔽銅殼與PVDF薄膜負(fù)極聯(lián)通、屏蔽銅殼與屏蔽線負(fù)極聯(lián)通，之后在屏蔽銅殼后端灌入環(huán)氧樹脂膠即完成所有步驟，自聚焦PVDF換能器結(jié)構(gòu)示意圖與其實物圖如圖1所示。

制得的自聚焦PVDF超聲換能器外徑為7mm，PVDF壓電薄膜半徑為3mm，曲率半徑為16mm，接下來將對超聲換能器進(jìn)行聲場測試。

3 聲場測試

本文將利用光聲掃描系統(tǒng)對制得的自聚焦PVDF超聲換能器進(jìn)行聲場測試，實驗裝置如圖2所示，Q-Swiched Nd：YAG激光器發(fā)出頻率為10MHz、波長為532nm、光強(qiáng)為320V的脈沖激光，激光記過光反射鏡反射后照射在頭發(fā)上，頭發(fā)埋在瓊脂仿體中，仿體中混入了脂肪粉和墨汁，散射和吸收系數(shù)分別為1mm-1、0.07mm-1[3]，換能器由步進(jìn)電機(jī)帶動可以進(jìn)行二維掃描，步進(jìn)電機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)控制器最終由pc控制。以垂直換能器軸線以及頭發(fā)的方向為X軸，以平行換能器軸線的方向為Y軸，X軸方向掃描步長為0.1mm，掃描范圍8mm，Z軸方向掃描步長為1mm，掃描范圍8mm。

對每一個X軸方向的掃描結(jié)果進(jìn)行圖像重建，將圖像重建結(jié)果拼接在同一幅圖中，成像結(jié)果如圖3（a）所示，可以看到，從Z軸13mm處開始，X方向的半高寬尺寸逐漸減小，到Z軸16mm附近時達(dá)到最小，之后又逐漸增大，說明本文所制得的自聚焦PVDF超聲換能器焦距約為16mm。

確定焦點(diǎn)位置后，提取焦點(diǎn)處信號數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換可得圖3（b），可以看到換能器中心頻率約為5MHz；圖3（c）實線為焦點(diǎn)處的原始信號，虛線為希爾伯特變換后的包絡(luò)曲線，可以算出換能器縱向分辨率約為0.38mm；圖3（d）中星號為聲場測試中得到的實驗值，實線為同樣參數(shù)下的模擬值，可以看到實驗值與模擬值非常接近，算得的橫向分辨率約為1mm。

4 結(jié)束語

相對于現(xiàn)有的自聚焦換能器多數(shù)采用壓電陶瓷或其它復(fù)合壓電材料，本文采用的PVDF壓電薄膜在很大程度上節(jié)約了成本，實驗結(jié)果也證明了PVDF壓電薄膜制得的換能器性能指標(biāo)符合預(yù)期值。本文所制得的超聲換能器外徑僅有7mm，在尺寸上有潛力改造為內(nèi)窺用的超聲換能器，有望在宮頸管、腸道等內(nèi)窺系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[2]ERPELDING T N， KIM C， PRAMANIK M et al. Sentinel Lymph Nodes in the Rat： Noninvasive photoacoustic and US Imaging with a clinical US system[J].Radiology，2010，256（1）：102-110.

[3]Peng K， He L， Wang B， et al. Detection of cervical cancer based on photoacoustic imaging-the in-vitro results[J].Biomedical Optical Express，2015，6（1）：135-143.