高强度聚焦超声换能器的宽带阻抗匹配_谭坚文

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011272775.6(22)申请日 2020.11.12(71)申请人 吉林省中聚超医疗科技有限公司地址 130022 吉林省长春市净月开发区望月山庄4栋102室(72)发明人 邓侃如　莫磊　(51)Int.Cl.A61N 7/00(2006.01)(54)发明名称一种高强度聚焦超声换能器性能检测系统及方法(57)摘要本申请涉及一种高强度聚焦超声换能器性能检测系统及方法，包括温显模型和高强度聚焦超声换能器；所述温显模型包括无色透明的温显介质和布置在温显介质内的温感粉；所述高强度聚焦超声换能器用于向所述温显介质的指定位置发送聚焦超声波。

本申请能够对高强度聚焦超声换能器的性能进行检测，使得高强度聚焦超声换能器的性能检测更加简单、直观，并提高了检测效率。

权利要求书1页 说明书9页 附图8页CN 112402818 A 2021.02.26C N 112402818A1.一种高强度聚焦超声换能器性能检测系统，其特征在于：包括温显模型(4)和高强度聚焦超声换能器(2)；所述温显模型(4)包括无色透明的温显介质和布置在温显介质内的温感粉；所述高强度聚焦超声换能器(2)用于向所述温显模型(4)的指定位置发送聚焦超声波。

2.根据权利要求1所述的一种高强度聚焦超声换能器性能检测系统，其特征在于：所述温显模型(4)具有供所述高强度聚焦超声换能器(2)放置的检测平面。

3.根据权利要求1所述的一种高强度聚焦超声换能器性能检测系统，其特征在于：还包括检测水箱(6)；所述检测水箱(6)内布置有无色透明的传导介质；所述温显模型(4)布置在所述检测水箱(6)内。

4.根据权利要求2或3所述的一种高强度聚焦超声换能器性能检测系统，其特征在于：还包括安装支架(1)，所述安装支架(1)包括供所述高强度聚焦超声换能器(2)安装的换能支架(13)、驱动所述换能支架(13)水平滑移的滑移组件和驱动所述换能支架(13)升降的升降组件。

第40卷第2期Vol.40,No.2 2021年3月Journal of Applied Acoustics March,2021⋄研究报告⋄磁致伸缩超声换能器阻抗匹配网络的设计∗冉超1,2黄文美1,2†翁玲1,2(1河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室天津300130)(2河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室天津300130)摘要：根据磁致伸缩超声换能器的等效电路模型和阻抗匹配理论，该文设计了一种优化的π型匹配网络。

该网络具有调谐、变阻和滤波的功能，适用于工作在中低频超声频率范围内的磁致伸缩超声换能器系统的阻抗匹配。

仿真和实验结果表明：接入该π型阻抗匹配网络后，驱动电源与换能器之间实现了最大功率传输，换能器两端电信号的波形质量得到优化，换能器激励电流提升了40%。

该研究可为大功率磁致伸缩超声换能器的应用提供技术支持。

关键词：电磁超声；磁致伸缩换能器；阻抗匹配；阻抗频率特性中图法分类号:TB552文献标识码:A文章编号:1000-310X(2021)02-0249-06DOI:10.11684/j.issn.1000-310X.2021.02.011Design of impedance matching network for magnetostrictiveultrasonic transducerRAN Chao1,2HUANG Wenmei1,2WENG Ling1,2(1State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment(Province and Ministry Jointly Set Up),Hebei University of Technology,Tianjin300130,China)(2Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability of Hebei Province,Hebei University of Technology,Tianjin300130,China)Abstract:According to the equivalent circuit model and impedance matching theory of magnetostrictive ultrasonic transducers,an optimizedπ-type matching network is designed in this paper.The network has the functions of tuning,variable resistance andfiltering,and is suitable for impedance matching of magnetostrictive ultrasonic transducer systems operating in the mid-and low-frequency ultrasonic frequency ranges.Simulation and experimental results show that:after accessing theπ-type impedance matching network,the maximum power transmission between the driving power supply and the transducer is realized,the waveform quality of the electrical signal at both ends of the transducer is optimized,and the excitation current of the transducer is increased by40%.The paper provides a technical support for the application of high-power magnetostrictive ultrasonic transducers.Keywords:Electromagnetic ultrasound;Magnetostrictive transducer;Impedance matching;Impedance frequency characteristics2020-04-17收稿;2020-06-28定稿∗国家自然科学基金项目(51777053)作者简介:冉超(1995–),男,重庆人,硕士研究生,研究方向:磁致伸缩超声换能器。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810888955.3(22)申请日 2018.08.06(71)申请人 东南大学地址 210096 江苏省南京市玄武区四牌楼2号(72)发明人 张辉　殷国栋　倪中华　(74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限公司 32200代理人 徐尔东(51)Int.Cl.B06B 1/06(2006.01)(54)发明名称一种医疗超声换能器阻抗匹配方法(57)摘要本发明涉及一种医疗超声换能器阻抗匹配方法，包括以下步骤：构建四分之一波长声阻抗匹配结构；构建声学干涉增强透射结构；将构建成的四分之一波长声阻抗匹配结构和声学干涉增强透射结构进行耦合，对压电层进行激发，激发出的超声波透过传导至硬质壳层包裹的生物软组织中；本发明利用四分之一波长阻抗匹配结构和声干涉增强透射结构进行耦合，使压电层激发的声波有效穿透硬质壳层进入生物组织中，实现了声能量向硬质壳层内的软物质透射；而且结构简单，易于实现。

权利要求书2页 说明书4页 附图2页CN 109201439 A 2019.01.15C N 109201439A1.一种医疗超声换能器阻抗匹配方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：构建四分之一波长声阻抗匹配结构；第二步：构建声学干涉增强透射结构；第三步：将构建成的四分之一波长声阻抗匹配结构和声学干涉增强透射结构进行耦合，对压电层进行激发，激发出的超声波透过传导至硬质壳层包裹的生物软组织中。

2.根据权利要求1所述的医疗超声换能器阻抗匹配方法，其特征在于：阻抗匹配层、硬质壳层和生物软组织构建形成四分之一波长声阻抗匹配结构；压电层、阻抗匹配层和硬质壳层构建形成声学干涉增强透射结构。

3.根据权利要求2所述的医疗超声换能器阻抗匹配方法，其特征在于：硬质壳层的厚度为四分之一波长的奇数倍，通过得出压电层的激发频率f，其中n＝1,2,3……,l h为硬质壳层的厚度，v h为硬质壳层的声速度；再通过得出压电层的厚度，其中，v p为压电层的声速度，l p为压电层的厚度；利用Chebyshev公式或者利用Souquet公式或者利用Desilets公式获得阻抗匹配层的声阻抗，其中Z in为阻抗匹配层声阻抗，Z h为硬质壳层声阻抗，Z t为生物软组织声阻抗，由得出的阻抗匹配层声阻抗可以确定阻抗匹配层材料，由此可知阻抗匹配层的声速度；设计压电层/阻抗匹配层的界面反射声波和阻抗匹配层/硬质壳层的界面反射声波在压电层中干涉相消，即两界面反射声波在压电层某处的相位相差为180度，此时，阻抗匹配层的厚度为二分之一波长的整倍数，通过得出阻抗匹配层的厚度，其中n＝1,2, 3……,l in为阻抗匹配层的厚度，v in为阻抗匹配层的声速度。

超声波换能器的匹配设计一、匹配概述超声波发生器与换能器匹配包括两个方面,一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率,这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致,把换能器的阻抗变换成最佳负载,也即阻抗变换作用;二是通过匹配使发生器输出效率最高,这是由于换能器有静电抗的原因,造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差,从而使输出功率得不到期望的最大输出,使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。

由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。

二、阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大;在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。

一般在Ｄ类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rｌ＇上的输出功率表达式为：式中,VＡm为等效负载上的基波幅度;vcc为电源电压；ｖces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量（因输出变压器,末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，ｐo＇需要乘上一个约等于1．4—1。

5的系数。

即输出功率p ｏ为1.5Ｐo’；从上式可知,在电源电压给定之后,输出功率的大小取决于等效负载RＬ＇。

目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器,其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换.由高阻抗变换为低阻抗.一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。

变压器次初级匝数比为n/m,则输出功率PO时的初级电阻举例:要求一发生器输出在换能器上的功率为１００0Ｗ，设直流电VCC为2２0V,VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1。

５PＯ’=15０0W。

则变压器初级的若换能器谐振时等效电阻RＬ=200Ω,则输出变压器次级/初级圈数比以上称谓阻抗变换,是通过输出变压器实行的。

输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。

基于声异常透射效应的高强度聚焦超声换能器章东;李成海;林洲【摘要】高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound ,HIFU )作为一种新型无创的外科技术已在临床上应用于各种良恶性实体肿瘤治疗.为了实现安全高效的肿瘤治疗,HIFU换能器的聚焦效率仍然有待提高.本文综述了声异常透射效应的基本原理,以及近期利用声异常透射效应的 HIFU聚焦超声换能器的研究.主要涉及两个方面的工作:(1)将声人工结构引入凹面型声透镜的设计,设计并制作了声超常透镜,对声透镜式聚焦换能器进行改进,达到了降低旁瓣的效果,从而提高了 HIFU治疗的安全性;(2)基于球弧周期槽阵列设计并制作了超构聚焦换能器,以增强 HIFU换能器聚焦效率.从理论及实验两方面研究了超构聚焦换能器与传统凹面换能器的声压分布和在组织中产生的温升.本文研究结果可进一步促进HIFU在临床治疗的广泛应用.【期刊名称】《数据采集与处理》【年(卷),期】2018(033)004【总页数】11页(P575-585)【关键词】高强度聚焦超声;声异常透射;声人工结构;聚焦增强【作者】章东;李成海;林洲【作者单位】南京大学声学研究所,南京,210093;南京大学声学研究所,南京,210093;南京大学声学研究所,南京,210093【正文语种】中文【中图分类】O426.9;O426.2引言高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound，HIFU)作为一种新型无创的外科技术得到人们广泛关注，并已在临床上应用于各种良恶性实体肿瘤的治疗[1]。

在HIFU治疗过程中，超声换能器以一定的聚焦方式将体外低能量的超声聚焦到体内形成一个高能量的靶点，使组织温度迅速上升，超过56 ℃，致使蛋白质变性，靶区组织发生不可逆凝固性坏死，但却不会损伤焦域外的正常组织[2]。

随着HIFU技术的发展，人们对聚焦换能器的性能提出了更高的要求。

超声波聚能换能器的特点超声波聚能换能器是一种特殊设计的换能器，它利用聚焦原理将超声波能量聚集到一个较小的区域，以提高超声波的强度和效率。

这种换能器在许多领域都有广泛的应用，如医学成像、无损检测、清洗和加工等。

以下是超声波聚能换能器的特点：1. 高能量密度：通过聚焦技术，超声波聚能换能器可以将超声波能量聚集到一个较小的区域，从而实现高能量密度的输出。

这使得它在需要局部高强度超声波的场合具有很大的优势。

2. 高效传输：超声波聚能换能器通常具有较好的声学性能，能够高效地将输入的电信号转换为超声波信号，并传输到所需的区域。

这有助于减少能量损失，提高超声波应用的效率。

3. 定向性：通过特定的设计，超声波聚能换能器可以实现超声波的定向传输。

这使得它能够在特定的方向上集中超声波能量，提高超声波的强度和穿透能力。

这种定向性在某些应用中是必要的，例如在医学成像中需要将超声波聚焦到特定的组织或器官上。

4. 可定制性：超声波聚能换能器的形状和尺寸可以根据具体需求进行定制。

不同的应用场景可能需要不同形状和尺寸的换能器，以满足特定的声学和机械要求。

5. 可靠性：与其他类型的换能器相比，超声波聚能换能器通常具有较高的可靠性和稳定性。

它的结构相对简单，没有过多的机械运动部件，因此在使用寿命和稳定性方面表现较好。

6. 环境适应性：超声波聚能换能器具有较强的环境适应性，能够在不同的温度、湿度和压力条件下工作。

这种适应性使得它在各种复杂环境中都能保持稳定的性能。

总之，超声波聚能换能器具有高能量密度、高效传输、定向性、可定制性、可靠性和环境适应性等特点。

这些特点使得它在许多领域中成为一种高效、可靠的超声波应用解决方案。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920450180.1(22)申请日 2019.04.03(73)专利权人 淄博宇声计量科技有限公司地址 255200 山东省淄博市博山开发区创业大道57号(72)发明人 迟瑞东　历宝忠　迟瑞娟　(74)专利代理机构 济南竹森知识产权代理事务所(普通合伙) 37270代理人 吕利敏(51)Int.Cl.B06B 1/02(2006.01)(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利(54)实用新型名称一种超声波换能器的阻抗匹配与收发功能切换电路(57)摘要本实用新型涉及一种超声波换能器的阻抗匹配与收发功能切换电路，其特征在于，包括信号发射回路、信号接收回路和收发切换电路。

本实用新型满足了超声波换能器作为发射器和接收器高质量高效率工作的要求，收发电路之间切换灵活方便，便于微处理器控制，同时避免了收发电路之间的干扰，保证了作为发射器时的高效率和作为接收器时的良好的信噪比。

本实用新型的整体电路设计基于系统高精度低成本和复杂工作环境的核心要求，实现信号低失真度、低杂散信号辐射、低功耗的设计目标，满足换能器的阻抗匹配要求和系统功能的高效灵活切换。

权利要求书1页 说明书4页 附图2页CN 209715626 U 2019.12.03C N 209715626U1.一种超声波换能器的阻抗匹配与收发功能切换电路，其特征在于，包括信号发射回路、信号接收回路和收发切换电路；其中，所述信号发射回路包括信号调制器SM、变压器T1、信号调制输入电路阻抗Xp、阻尼电阻R1、谐振电容C1、保护电阻R2和换能器Td；其中，所述信号接收回路包括换能器Td、谐振电容C1、保护电阻R2、阻尼电阻R1、变压器T1的副边电感以及系统后端的信号放大整形电路Amp、模数转换器ADC、数字信号处理器DSP；所述换能器Td、谐振电容C1、保护电阻R2、阻尼电阻R1和变压器T1的副边电感与信号发射回路共用；其中，所述收发切换电路包括微处理器控制的单刀双掷开关SW实现:当开关SW切换到Tx端时，信号接收回路后端的放大整形电路Amp、模数转换器ADC、数字信号处理器DSP与信号发射回路隔离，电路进入发射状态；当开关SW切换到Rx端时，变压器T1原边一侧的电路与系统隔离，电路进入信号接收状态。

基于虚拟仪器技术的聚焦超声换能器电声转换效率自动测试系统刘阳;谭坚文;曾德平;钟志明;陈志聪【摘要】聚焦超声换能器是超声治疗设备的核心部件,电声转换效率是衡量其性能重要指标之一,实际工作中常以电声转换特性来确定治疗系统的工作频率和驱动参数,这对其测试系统的准确性、效率和便捷性提出很高的要求.为此,构建一套自动测试系统,采用基于定向耦合器的电功率计来测量换能器的输入电功率;运用辐射力天平测量换能器输出声功率;基于虚拟仪器技术开发上位机自动测试软件,实时采集和处理测量数据.基于所开发的自动测试系统,测试换能器在不同频率和驱动功率下的电声转换效率,采用变异系数对系统的稳定性进行分析,并与人工测试方法作对照.结果表明,测试系统具有较好的准确性,且单次测试时间可缩短5倍以上,在驱动功率分别为10、20和30 W情况下,自动测试系统(变异系数分别为4.06％、4.31％、4.65％)比人工测试(变异系数分别为4.14％、4.69％、5.83％)更稳定,满足测试系统应用需求.%Focused ultrasound transducer is the core of ultrasound therapy device,and the electro-acoustic conversion efficiency is one of the most important indexes to evaluate the performance of the transducer.In practical working conditions,the electro-acoustic conversion characteristic is often used to determine the operating frequency and driving parameters of therapy system.Therefore,the high accuracy,efficiency and convenience of the.electro-acoustic conversion characteristics test system are needed.To solve this problem,an automatic test system was constructed in this work.The electrical power meter based on directional couplers was used to measure the input electrical power of the transducer.The acousticoutput power of the transducer was measured by radiation force balance.The automatic test software on master computer was developed based on virtual instrumentation technology.It can collect and process the measured data in real time.Based on the developed automatic test system,the electro-acoustic conversion efficiency of a transducer was tested at different frequencies and driving power.The stability of the system was analyzed by the coefficient of variation and compared with the manual test.The results showed that the test system had good accuracy,the single test time was shortened more than 5 times.Under the driving power of 10 W,20 W and 30 W,the automatic test system (the variable coefficient were 4.06％,4.31％,4.65％) was more stable than that manual test (the variable coefficient were 4.14％,4.69％,5.83％,respectively),which met the application requirements of the test system.【期刊名称】《中国生物医学工程学报》【年(卷),期】2017(036)003【总页数】7页(P322-328)【关键词】聚焦超声换能器;自动测试;电声转换效率;虚拟仪器技术【作者】刘阳;谭坚文;曾德平;钟志明;陈志聪【作者单位】重庆医科大学生物医学工程学院,省部共建国家重点实验室培育基地-重庆市超声医学工程重点实验室,重庆市生物医学工程学重点实验室,重庆市微无创医学协同创新中心,重庆400016;重庆医科大学生物医学工程学院,省部共建国家重点实验室培育基地-重庆市超声医学工程重点实验室,重庆市生物医学工程学重点实验室,重庆市微无创医学协同创新中心,重庆400016;重庆通信学院,重庆400035;重庆医科大学生物医学工程学院,省部共建国家重点实验室培育基地-重庆市超声医学工程重点实验室,重庆市生物医学工程学重点实验室,重庆市微无创医学协同创新中心,重庆400016;超声医疗国家工程研究中心,重庆401121;重庆医科大学生物医学工程学院,省部共建国家重点实验室培育基地-重庆市超声医学工程重点实验室,重庆市生物医学工程学重点实验室,重庆市微无创医学协同创新中心,重庆400016;超声医疗国家工程研究中心,重庆401121【正文语种】中文【中图分类】R318高强度聚焦超声(HIFU)治疗是近年来在国内外备受关注的非侵入性治疗新技术[1]，目前在子宫肌瘤、肝脏肿瘤和肾脏肿瘤等适应症中得到了越来越广泛的应用[2-4]，并日益突显出其靶向性、无创性和无电离辐射等优势。

高强度聚焦超声肿瘤治疗系统的换能器研究和生物效应分
析的开题报告
一、研究背景
肿瘤是严重危害人类健康的疾病，目前治疗手段主要包括手术、放疗、化疗等。

近年来，高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound，HIFU）治疗作为一种新型的非侵入性肿瘤治疗方法逐渐被临床应用。

HIFU能够通过将超高频声波集中到人体深部，将能量准确地聚焦在目标组织内，达到破坏肿瘤组织的目的，具有操作简便、无创伤、恢复快等优点。

HIFU系统由换能器、控制系统和图像引导系统等组成，其中换能器是HIFU系统的核心部件。

HIFU换能器需要将电能转换成高频的机械振动，产生声波，并将其聚焦到肿瘤组织转化为热能，从而破坏肿瘤组织。

因此，换能器的性能直接影响到治疗的
效果。

二、研究内容
本研究将从以下两个方面展开：
1. HIFU换能器设计与制备
本研究将设计一种新型的HIFU换能器，并利用3D打印技术进行制备。

该换能
器将独特的材料和结构设计与制备技术相结合，以达到更好的治疗效果。

2. 生物效应评价
本研究将利用动物模型，对不同强度及频率的HIFU治疗下的生物学效应进行评价，同时研究HIFU治疗对动物体内肿瘤组织的热学、机械学及生物学效应，并对其副作用进行评估。

三、研究意义
本研究的成果将有助于提高HIFU治疗的治疗效果和安全性，同时促进该技术的进一步发展和应用。

特别是针对肿瘤治疗中特殊位置的肿瘤难以直接治疗等问题，HIFU技术具有独特的优势，可以为现有的治疗手段提供补充。

因此本研究将为该领域的研究提供新方法和新思路。

高强度聚焦超声换能器的宽带阻抗匹配谭坚文;廖瑞金;邓思建;曾德平【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2014(029)011【摘要】高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统为实现从功率源到超声换能器的最大电功率传输,需在功率源与超声换能器之间设计阻抗匹配网络.无源器件匹配可实现超声换能器电阻抗的精确匹配,但其宽带匹配的解析设计理论较复杂.本文利用简化实频法对HIFU换能器进行了宽带匹配网络设计,采用Levenberg-Marquardt法对传输功率增益进行了优化,优化后的功率传输增益在200kHz的通带内为0.9左右,且较为平滑;针对HIFU换能器进行的宽带阻抗匹配和声功率测试表明,采用传输功率增益优化设计出的宽带匹配网络能有效拓宽换能器的工作频带.【总页数】6页(P141-146)【作者】谭坚文;廖瑞金;邓思建;曾德平【作者单位】重庆通信学院特种电源重点实验室重庆 400035;重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室重庆 400030;重庆医科大学生物医学工程学院重庆 400016;重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室重庆400030;重庆医科大学生物医学工程学院重庆 400016;重庆医科大学生物医学工程学院重庆 400016【正文语种】中文【中图分类】TM133【相关文献】1.水声宽带换能器阻抗匹配电路设计 [J], 李路路;王振宇;郭庆2.采用声阻抗匹配技术的宽带聚合物超声换能器 [J], Kuniko Kimura;宫继祥3.AOTF-NIR宽带功率超声换能器阻抗匹配网络的设计与优化 [J], 王玉江;王志斌;陈媛媛;宋雁鹏;王芳;薛鹏;薛锐4.具有阻抗匹配层的宽带纵向振动压电换能器设计 [J], 陈航;张允孟;李志舜5.超声换能器的宽带阻抗匹配器研究 [J], 朱昌平;陈兆华;冯若;黄金兰;魏立升因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。