RU2756022C2

RU2756022C2 - Ультразвуковое устройство и акустический компонент для использования в таком устройстве

Info

Publication number: RU2756022C2
Application number: RU2019119396A
Authority: RU
Inventors: Марк Томас ДЖОНСОН; Франсискус Йоханнес Герардус ХАККЕНС; Роланд Александер ВАН ДЕ МОЛЕНГРАФ; Дан Антон ВАН ДЕН ЭНДЕ
Original assignee: Конинклейке Филипс Н.В.
Priority date: 2016-11-22
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2021-09-24
Also published as: RU2019119396A3; CN109996497B; EP3544515B1; WO2018095833A1; EP3544515A1; RU2019119396A; CN109996497A; US20190357882A1; JP2020501640A; JP6853357B2

Abstract

Группа изобретений относится к медицине. Акустический связующий компонент для позиционирования между компоновкой ультразвуковых преобразователей и материалом, подлежащим обработке или визуализации, содержит: исполнительный механизм на основе электроактивного материала, содержащий слоистую резонансную структуру на основе электроактивного материала из слоя электроактивного материала с настраиваемой толщиной и дополнительного слоя материала с другим акустическим полным сопротивлением, причем исполнительный механизм на основе электроактивного материала выполнен с возможностью принимать ультразвуковой сигнал, имеющий некоторую частоту, от компоновки ультразвуковых преобразователей и передавать этот ультразвуковой сигнал к материалу, подлежащему обработке или визуализации; и контроллер, выполненный с возможностью электрически управлять исполнительным механизмом на основе электроактивного материала, имеющего настраиваемую толщину, для реализации настройки резонансной частоты путем изменения для реализации посредством этого сдвига резонансной частоты. Ультразвуковое устройство для обработки или визуализации материала содержит: компоновку преобразователей; акустический связующий компонент, выполненный с возможностью быть расположенным между компоновкой преобразователей и материалом, подлежащим обработке или визуализации. Применение данной группы изобретений позволит оптимизировать акустическую связь для разных частот работы. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к ультразвуковому устройству, содержащему компоновку преобразователей для внешней или внутренней ультразвуковой обработки или визуализации. Оно также относится к акустическому компоненту для использования в таком устройстве.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Ультразвуковые волны имеют несколько применений в медицине. Одним таким применением является ультразвуковая визуализация, при которой ультразвуковые волны испускаются ультразвуковым устройством, содержащим массив ультразвуковых преобразователей, в тело пациента, и эха ультразвуковых волн собираются ультразвуковыми преобразователями или специальными ультразвуковыми приемниками и обрабатываются для генерирования ультразвукового изображения, например, одномерного (1D), двумерного (2D) или трехмерного (3D) ультразвукового изображения. Другим применением является ультразвуковая терапия, такая как терапия высокоинтенсивным фокусированным ультразвуком (high intensity focused ultrasound - HIFU), при которой ультразвуковые лучи генерируются ультразвуковым устройством, содержащим мозаичные элементы ультразвуковых преобразующих элементов, и фокусируются на пораженной ткани. Значительное выделение энергии в фокусе создает локальные температуры в диапазоне около 65°С - 85°С, что приводит к разрушению пораженной ткани в результате коагуляционного некроза.

Для обеспечения качественной передачи сигнала между ультразвуковым преобразователем и визуализируемой или обрабатываемой тканью тела, требуется качественная акустическая связь. Например, могут быть использованы специальные гели, которые улучшают контакт между массивом ультразвуковых преобразователей и тканью тела. Это позволяет устранить граничные поверхности преобразователь - воздух и воздух - тело.

Выходное окно ультразвукового преобразователя обычно имеет некоторое акустическое полное сопротивление, которое рассчитывается на основе характера ткани тела и используемой частоты ультразвука.

Такое выходное окно, таким образом, рассчитывается для конкретной модальности визуализации или обработки. Однако некоторые обработки и процедуры визуализации включают в себя множественные процессы, например, на разных частотах. Например, резонансная визуализации и гармоническая визуализация могут выполняться на разных частотах, и могут требоваться разные частоты обработки.

Желательно обеспечить возможность установления акустического полного сопротивления согласующего акустического компонента и обеспечить возможность срабатывания этого компонента таким образом, чтобы ультразвуковая система могла быть оптимизирована для разных случаев применения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение определено формулой изобретения.

Примеры согласно одному аспекту настоящего изобретения обеспечивают акустический связующий компонент для позиционирования между компоновкой ультразвуковых преобразователей и материалом (таким как ткань), подлежащим обработке или визуализации, содержащий:

исполнительный механизм на основе электроактивного материала, содержащий слоистую структуру на основе электроактивного материала из по меньшей мере одного слоя электроактивного материала и дополнительного слоя материала с другим акустическим полным сопротивлением,

причем исполнительный механизм на основе электроактивного материала выполнен с возможностью принимать ультразвуковой сигнал, имеющий некоторую частоту, от компоновки ультразвуковых преобразователей и передавать этот ультразвуковой сигнал к материалу, подлежащему обработке или визуализации; и

контроллер, причем контроллер предназначен для электрического управления исполнительным механизмом на основе электроактивного материала для реализации сдвига частоты после ее передачи.

Этот компонент позволяет устанавливать акустическое полное сопротивление таким образом, чтобы упомянутое устройство могло обеспечить улучшенную акустическую характеристику, состоящую в том, что оно сможет обеспечивать сдвиг или настройку частоты передаваемого ультразвука посредством срабатывания исполнительного механизма. Упомянутый сдвиг или настройка могут быть выполнены динамическим образом. Это может, например, выполняться для резонансной частоты ультразвука, передаваемой исполнительным механизмом.

Акустический связующий компонент, например, обеспечивает требуемое акустическое полное сопротивление, которое может быть установлено посредством конструкции. Установленное акустическое полное сопротивление может быть получено посредством заполнения или ламинирования электроактивным материалом, в частности, с использованием слоев или частиц с размером до длины волны. Функция срабатывания обеспечивает управление формой. В частности, срабатывание устройства может быть использовано для управления частотно-зависимыми свойствами посредством изменения толщины слоя посредством срабатывания. Частота ультразвука может зависеть от используемого режима визуализации или режима обработки, и срабатывание компонента может тогда позволить устанавливать компонент в оптимальное состояние для конкретного используемого режима.

Упомянутый компонент выполнен с возможностью вводить преднамеренно вызванные отражения. Некоторые частоты попадают в резонанс и, следовательно, выходное давление для этих частот увеличивается. Другие частоты, имеют отрицательную интерференцию, и, следовательно, имеют пониженное выходное давление. Таким образом, создается узкополосный выходной сигнал с более высоким выходным давлением. На частоты влияет толщина слоев компонента, и по меньшей мере один из слоев, посредством того, что он является электроактивным исполнительным механизмом, имеет настраиваемую толщину для изменения и сдвига посредством этого частот ультразвука. Сдвинутая частота может быть резонансной частотой. Структура исполнительного механизма может называться резонансной структурой.

Примеры согласно другому аспекту настоящего изобретения обеспечивают ультразвуковое устройство, содержащее:

компоновку преобразователей;

акустический связующий компонент, определенный выше, выполненный с возможностью быть расположенным между компоновкой преобразователей и материалом, подлежащим обработке или визуализации.

Это устройство использует настраиваемый ультразвуковой связующий компонент таким образом, что полное устройство может быть настроено обеспечивать оптимальную характеристику в зависимости от частоты ультразвука. Эта частота ультразвука может зависеть от используемого режима визуализации или режима обработки.

Для установления акустического полного сопротивления, акустический связующий компонент может содержать слоистую структуру по меньшей мере из двух разных материалов с разными акустическими полными сопротивлениями. Общий вклад материалов каждого типа в общую толщину обеспечивает объединенное эффективное акустическое полное сопротивление.

В этой структуре, толщина слоев может выбираться таким образом, чтобы она была малой долей длины волны ультразвука, например, меньшей, чем 1/5 или 1/10, для уменьшения отражений в этой структуре.

Эта структура устанавливает акустическое полное сопротивление равным требуемому значению. Толщины слоев до длины волны (субволновые) в упомянутой структуре предназначены для предотвращения отражений.

В качестве примера, первый из упомянутых по меньшей мере двух материалов структуры содержит релаксорный электроактивный полимерный материал на основе PVDF, а второй из упомянутых по меньшей мере двух разных материалов содержит диэлектрический электроактивный полимерный материал на основе силоксана. Этот материал включает в себя VDF-звенья в главной цепи полимера. Также могут существовать другие звенья, такие как трифторэтилен. Материал на основе PVDF, например, имеет акустическое полное сопротивление около 4 МРейл, и силоксановый материал, например, имеет акустическое полное сопротивление около 1 МРейл.

Акустический связующий компонент содержит резонансную структуру. Она может служить для усиления акустического сигнала, в результате чего улучшается отношение сигнал-шум для применений в визуализации и увеличивается уровень сигнала или уменьшается ослабление для применений в обработке ткани.

Для этой цели, акустический связующий компонент может иметь единственный слой электроактивного материала (или единственный тип многослойной структуры, которая обеспечивает общее акустическое полное сопротивление), или он может содержать слоевую компоновку по меньшей мере из двух разных материалов с разными акустическими полными сопротивлениями (или два разных типа многослойных структур). Слои «компоновки» (или многослойных структур) толще, чем слои «структуры», для образования отражающих граничных поверхностей.

В первом примере, акустический связующий компонент содержит слоевую компоновку по меньшей мере из двух разных материалов с разными акустическими полными сопротивлениями. Таким образом, обеспечиваются отражения на границах . Толщина срабатывающих слоев изменяется в зависимости от срабатывания, и это затем предсказуемо влияет на частотные характеристики слоевой компоновки.

В одной реализации, первый из упомянутых по меньшей мере двух материалов является электроактивным материалом и имеет соответствующие электроды исполнительного механизма, а второй из упомянутых по меньшей мере двух разных материалов является пассивным слоем. Таким образом, может быть единственный тип срабатывающего слоя.

В другой реализации как первый, так и второй из упомянутых по меньшей мере двух разных материалов являются электроактивными материалами, причем каждый из них имеет соответствующие электроды исполнительного механизма. Таким образом, может быть два или более разных типов срабатывающего слоя. Они могут расширяться или сжиматься вместе для уменьшения механических напряжений в слоевой компоновке, но они имеют разные акустические полные сопротивления.

Слоевая система может содержать верхний и нижний слой с первым акустическим полным сопротивлением и средний слой со вторым, более высоким или более низким акустическим полным сопротивлением. Это определяет трехслойную компоновку. Средний слой может срабатывать, а верхний и нижний слои могут быть пассивными, или верхний и нижний слои могут срабатывать, а средний слой может быть пассивным, или они все могут срабатывать. Отражения возникают на обеих поверхностях среднего слоя, и устанавливается резонансная частота. Резонанс может также возникать в верхнем и/или нижнем слоях.

Во всех вышеупомянутых примерах, композиционный материал на основе электроактивного материала может содержать слой электроактивного материала, имеющий частицы наполнителя, для установления акустического полного сопротивления.

Когда компоновка преобразователей выполнена с возможностью генерировать ультразвуковые волны, имеющие минимальную длину волны в ткани, частицы наполнителя имеют максимальный линейный размер, составляющий менее чем 20% упомянутой минимальной длины волны. Это предотвращает рассеяние ультразвукового луча и позволяет управлять акустическим полным сопротивлением.

Частицы наполнителя, например, содержат керамические частицы.

Альтернативно, частицы наполнителя могут содержать металлические частицы, покрытые непроводящим покрытием. Они могут иметь более высокую плотность, и поэтому может потребоваться меньшая их концентрация для обеспечения требуемого сдвига акустического полного сопротивления.

Может существовать сегментированная электродная компоновка, ассоциативно связанная со слоем электроактивного материала. Частицы наполнителя могут иметь неоднородную плотность по площади слоя электроактивного материала в результате процесса изготовления. Это обусловливает установление неоднородного профиля деформации. Для компенсации этого, в процессе калибровки может быть использована сегментированная электродная компоновка.

Акустический связующий компонент, использующий частицы наполнителя, может содержать слоевую компоновку из двух разных материалов с разными общими акустическими полными сопротивлениями (как объяснено выше). Один из материалов может содержать слой электроактивного материала с частицами, а другой может содержать слой электроактивного материала без частиц.

В качестве примера, исполнительный механизм на основе электроактивного материала обычно содержит слой релаксорного электроактивного полимера на основе PVDF.

В одном наборе примеров, согласующий акустический компонент содержит акустически пропускающее окно поверх компоновки преобразователей. Установление акустического полного сопротивления используют для обеспечения согласования полного сопротивления между окном и материалом или для обеспечения акустического резонанса.

В другом наборе примеров, согласующий акустический компонент находится на расстоянии от компоновки преобразователей. Это важно в отношении резонансного компонента, который обеспечивает усиление сигналов между компоновкой преобразователей и тканью.

Использование акустического резонанса означает, что сигнал с частотой около резонансной частоты усиливается. При половинной и полуторной частоте относительно этой частоты амплитуда уменьшается, поскольку усиление основано на схеме конструктивной и деструктивной интерференции. Общее выходное давление остается одним и тем же, если не учитывать потери.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Примеры настоящего изобретения будут теперь подробно описаны со ссылкой на сопутствующие чертежи, в которых:

Фиг. 1 показывает устройство на основе электроактивного материала, которое не прикреплено к несущему слою;

Фиг. 2 показывает устройство на основе электроактивного материала, которое выполнено таким образом, что расширение возникает только в одном направлении;

Фиг. 3 схематично показывает ультразвуковое устройство, использующее настраиваемое согласование полного сопротивления;

Фиг. 4 показывает пример слоистой структуры для использования в ультразвуковом устройстве фиг. 3;

Фиг. 5 показывает первый пример слоевой компоновки для использования в ультразвуковом устройстве фиг. 3;

Фиг. 6 показывает второй пример слоевой компоновки для использования в ультразвуковом устройстве фиг. 3;

Фиг. 7 показывает, как акустический связующий компонент может быть отдален от компоновки преобразователей; и

Фиг. 8 показывает ультразвуковую систему, использующую упомянутое устройство.

Следует понимать, что фигуры являются схематичными и приведены не в масштабе. Следует также понимать, что одинаковые ссылочные позиции используются во всех фигурах для указания на одинаковые или подобные части.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Настоящее изобретение обеспечивает ультразвуковое устройство для обработки или визуализации материала, такого как ткань, содержащее компоновку преобразователей и акустический связующий компонент, расположенный между компоновкой преобразователей и материалом. Акустический связующий компонент содержит исполнительный механизм на основе электроактивного материала, который использует композиционный материал на основе слоистой структуры на основе электроактивного материала. Им управляют для реализации настройки частоты акустического связующего компонента. Таким образом, акустическая связь может быть оптимизирована для разных частот работы. Настоящее изобретение также относится к самому акустическому связующему компоненту.

В частности, срабатывание исполнительного механизма на основе электроактивного материала вызывает изменение толщины слоя, что позволяет изменять свойства резонансного компонента с использованием этого слоя.

Настоящее изобретение использует исполнительный механизм, использующий электроактивный материал (electroactive material - EAM). Эти материалы являются классом материалов в области электрически управляемых материалов. При реализации в исполнительном устройстве, воздействие на EAM электрическим возбуждающим сигналом может заставить его изменить размер и/или форму. Этот эффект может быть использован в целях обеспечения срабатывания и восприятия.

Существуют неорганические и органические EAM.

Специальным видом органических EAM являются электроактивные полимеры (electroactive polymer - EAP). Электроактивные полимеры (EAP) являются новым классом электрически управляемых материалов. EAP, подобно EAM, могут работать в качестве датчиков или исполнительных механизмов и легко могут быть изготовлены в различных формах, допускающих легкую интеграцию в целый ряд систем. Другие преимущества EAP включают в себя низкую мощность, малый формфактор, гибкость, бесшумную работу, и точность, возможность высокого разрешения, малое время срабатывания, и циклическое срабатывание. Устройство на основе EAP может быть использовано в любом применении, в котором требуется малая величина перемещения компонента или элемента на основе электрического срабатывания. Подобным образом, эта технология может быть использована для восприятия малых перемещений. Использование EAP обеспечивает функции, которые были невозможны прежде, или обеспечивает большое преимущество перед обычными решениями датчиков/ исполнительных механизмов, вследствие комбинации относительно большой деформации и усилия в малом объеме или тонком формфакторе, по сравнению с обычными исполнительными механизмами. EAP также обеспечивают бесшумную работу, точное электронное управление, быстрое срабатывание, и большой диапазон возможных частот срабатывания, например, 0-20 кГц.

В качестве примера того, как устройство на основе EAM может быть сконструировано и может работать, фиг. 1 и 2 показывают два возможных режима работы устройства на основе EAP, которое содержит слой 14 электроактивного полимера, расположенный между электродами 10, 12, расположенными на противоположных сторонах слоя 14 электроактивного полимера.

Фиг. 1 показывает устройство, которое не прикреплено к несущему слою. Чтобы вызвать показанное расширение слоя электроактивного полимера во всех направлениях, используют напряжение.

Фиг. 2 показывает устройство, которое выполнено таким образом, что расширение возникает только в одном направлении. Для этой цели, структура фиг. 1 прикреплена или присоединена к несущему слою 16. Чтобы вызвать изгиб или выгиб слоя электроактивного полимера, используют напряжение. Характер этого перемещения следует из взаимодействия между активным слоем, который расширяется при срабатывании, и пассивным несущим слоем, который не расширяется при срабатывании.

Фиг. 3 показывает ультразвуковое устройство для обработки или визуализации ткани в двух возможных конфигурациях. Оно содержит компоновка 30 ультразвуковых преобразователей и акустический связующий компонент 32, расположенный между компоновкой 30 преобразователей и тканью 34, подлежащей обработке или визуализации. Акустический связующий компонент 32 содержит исполнительный механизм на основе электроактивного материала, который, в частности, использует композиционный материал на основе электроактивного материала. Это обеспечивает возможность согласования полного сопротивления и затем срабатывания для управления лучом или для его формирования, или для настройки резонансной частоты, во всех случаях, для изменения свойств акустического пути между преобразователем и тканью.

Композиционный материал на основе электроактивного материала использует по меньшей мере два разных материала. Одним из них является электроактивный материал, а другим является дополнительный материал для установления акустического полного сопротивления. Это установление может быть обеспечено с использованием тонкой слоистой структуры или с использованием частиц наполнителя. Эти варианты дополнительно описаны ниже. По меньшей мере один слой может срабатывать, т.е. способен обеспечивать изменение формы в ответ на возбуждающий сигнал.

Контроллер 26 обеспечен для управления исполнительным механизмом на основе электроактивного материала для реализации посредством этого управления формой акустического связующего компонента 32. Управление формой обеспечивает в результате настройку частоты.

Левая часть фиг. 3 показывает акустический связующий компонент 32, находящийся напротив выходного окна компоновки 30 преобразователей. Правая часть фиг. 3 показывает акустический связующий компонент 32, находящийся на расстоянии от компоновки преобразователей, но на пути между тканью 34 и компоновкой 30 преобразователей.

Это устройство позволяет обеспечить настройку ультразвукового связующего компонента 32 таким образом, чтобы это устройство было настроено на обеспечение оптимальной характеристики в зависимости от частоты ультразвука. Эта частота ультразвука может зависеть от используемого режима визуализации или режима обработки.

Акустический связующий компонент имеет требуемое акустическое полное сопротивление. Посредством объединения подслоев электроактивного материала разных типов в многослойной структуре, полное сопротивление может быть установлено равным требуемому значению.

После установки, посредством выбора слоев и их размеров, общая структура может срабатывать для изменения толщины слоя. Как будет объяснено ниже, это срабатывание используют для изменения частоты ультразвука, которая может быть резонансной частотой.

Фиг. 4 показывает электроактивную многослойную структуру, содержащую первый тип 40 электроактивного материала с акустическим полным сопротивлением Z1 и второй тип 42 электроактивного материала с акустическим полным сопротивлением Z2, расположенные в перемежающемся пакете. Например, одним типом материала является силоксан (диэлектрический электроактивный материал), а другим типом является релаксорный терполимер, такой как поли(винилиденфторид-трифторэтилен-хлорфторэтилен) [P(VDF-TrFE-CFE)]).

Если количества и толщины (под)слоев равны, то полное сопротивление равно (Z1+Z2)/2. В этом примере, силоксан имеет акустическое полное сопротивление около Z1=1 МРейл, и PVDF имеет акустическое полное сопротивление около Z2=4 МРейл, что обеспечивает результат 2,5 МРейл.

Посредством изменения толщины или количества слоев, полное сопротивление может быть рассчитано таким образом, чтобы оно составляло где-то от Z1 до Z2.

В частности:

Z_{среднее}=(d1Z1+d2Z2)/(d1+d2), и d1 является суммой толщин слоев с акустическим полным сопротивлением Z1, и d2 является суммой толщин слоев с акустическим полным сопротивлением Z2.

Эта структура предназначена только для установления фиксированного акустического полного сопротивления.

Она описана как «слоистая структура», но слои могут быть также в форме композитной структуры, например, посредством использования частиц наполнителя. Слоистая структура имеет общее полное акустическое полное сопротивление и не обеспечивает никаких значительных внутренних акустических отражений. Таким образом, можно считать, что она эквивалентна единственному объемному слою материала с единственным эффективным акустическим полным сопротивлением.

Для предотвращения отражений от граничной поверхности между слоями, толщина этих слоев предпочтительно является меньшей, чем 1/5 длины волны, и более предпочтительно меньшей, чем 1/10 длины волны. Разница в полном сопротивлении между полной многослойной структурой и окружающей средой определяет уровень отражения.

В качестве примера, в силоксанах скорость звука близка к 1000 м/с. При частоте 10 МГц длина волны составляет 100 микрометров. Отдельный слой силоксана должен быть, таким образом, более тонким, чем 10 микрон. В слое терполимера скорость звука буде выше приблизительно в 4 раза. В этом случае, длина волны длина волны также является меньшей с таким же коэффициентом, и эти слои должны быть тогда тоньше, чем 2,5 микрон для использования на частоте 10 МГц.

Каждый подслой может иметь свою собственную электродную компоновку. Может потребоваться, чтобы напряжения, прикладываемые к разным подслоям, были одинаковыми или разными, для получения одной и той же деформации всех слоев. В частности, разные слои, вероятно, имеют разный деформационный отклик на прикладываемые напряжения.

Слоистая структура может иметь только один тип срабатывающего материала, а другой материал может быть пассивным (что означает, что им нельзя управлять электрически). Это все же позволяет настраивать толщину, но максимальный уровень деформации будет меньшим.

Материал, например, акустически согласуется с акустическим полным сопротивлением массива преобразователей, т.е. имеет акустическое полное сопротивление, которое приблизительно согласуется с акустическим полным сопротивлением массива преобразователей. Например, в случае массива преобразователей, содержащего пьезоэлектрические преобразователи, слой электроактивного материала может иметь акустическое полное сопротивление в диапазоне от 1,3 до 3,0 МРейл, в то время как в случае массива преобразователей, содержащего CMUT-элементы, этот слой может иметь акустическое полное сопротивление в диапазоне от 1,3 до 1,9 МРейл, что обеспечивает дополнительное преимущество, состоящее в том, что акустическое полное сопротивление хорошо согласуется с акустическим полным сопротивлением ткани тела, которая обычно имеет акустическое полное сопротивление около 1,6 МРейл.

«Слоистая структура» фиг. 4, таким образом, устанавливает требуемое полное сопротивление посредством наличия комбинации очень тонких слоев. Срабатывание устройства не изменяет акустическое полное сопротивление. Разница между установленным полным сопротивлением и окружающими средами определяет уровень отражения.

Как будет описано ниже, одним применением структуры фиг. 4 является создание резонансной структуры. Толщина слоя, в котором происходят отражения, определяет тогда частоту резонанса.

Акустический связующий компонент содержит резонансную структуру. Эта резонансная структура может иметь один или несколько слоев с отражениями на границах слоев. Каждый слой может быть слоем единственного материала или он может быть «слоистой структурой» описанного выше типа. Можно считать, что множественные слои вместе образуют «слоевую компоновку». Таким образом, термин «слоистая структура» используется для обозначения структуры, в которой слои просто предназначены для установления общего эффективного акустического полного сопротивления, в то время как термин «слоевая компоновка» используется для обозначения слоя с большей толщиной, и этой толщиной управляют для воздействия на управление резонансной частотой. Любой из «слоев» «слоевой компоновки» может фактически содержать полную «слоистую структуру», но он может быть обработан как единственный слой с единственным эффективным акустическим полным сопротивлением.

Слой электроактивного материала выбирают таким образом, чтобы его полное сопротивление было отличным от полных сопротивлений окружающих его сред. Он имеет большую толщину, так что отражения не подавляются. Эти окружающие среды могут быть другими материалами, которые являются частью упомянутого устройства, или может быть тканью, кожей, или кровью, и т.д. Несоответствия полных сопротивлений создают отражения.

Отражения приводят к резонансу с частотой, зависящей от толщины слоя. Резонанс возникает при 2d=λ, где d является толщиной слоя, и λ является длиной волны.

Когда f=v/λ (f является частотой, а v является скоростью звука), резонансная частота равна f= v/2d [в единицах 1/с].

Исполнительный механизм на основе электроактивного материала, например, имеет электроды в форме тонких проводящих пленок на каждой стороне. После срабатывания, толщина пленки материала уменьшается, что сдвигает акустический резонанс к более высокой частоте. Посредством управления прикладываемым напряжением, резонансная частота может быть выбрана между резонансной частотой для ситуации несрабатывания и резонансной частотой для ситуации максимального срабатывания. Также возможны качания резонансной частоты.

Электроды являются акустически прозрачными, поскольку они являются очень тонкими, например, субмикронными слоями металла. Также можно применять (более толстые) электроды с полным сопротивлением, близким к полному сопротивлению электроактивного материала, например, посредством использования проводящих полимеров.

Уровнем отражения на граничных поверхностях между слоем электроактивного материала и окружающими его средами можно управлять посредством выбора требуемого полного сопротивления слоя электроактивного материала.

Одна возможность состоит в образовании слоя из подслоев толщиной до длины волны, как объяснено выше, для создания слоистой структуры, которая устанавливает общее акустическое полное сопротивление. Таким образом, резонансная структура может содержать один или несколько слоев или одну или несколько слоистых структур такого же типа, как на фиг. 4. Другая возможность для установления акустического полного сопротивления состоит в обеспечении частиц наполнителя. Это дополнительно описано ниже.

Уровень резонанса определяется коэффициентом R отражения, который прямо связан с разницей в полном сопротивлении между слоем (Z2) электроактивного материала и окружающими его средами (Z1):

Фиг. 5 показывает устройство, имеющее единственный слой 44 электроактивного материала с акустическим полным сопротивлением Z2 (или слоистую структуру с эффективным акустическим полным сопротивлением Z2), окруженный электродами 45. Слой 44 может быть единственным слоем или слоистой структурой того типа, который был описан выше. Этот слой 44 связан с ультразвуковым преобразователем 30 вязким связующим слоем 46, причем допускается относительное скольжение между двумя упомянутыми слоями на каждой стороне. Акустическое полное сопротивление за пределами структуры равно акустическому полному сопротивлению Z1.

Верхнее изображение показывает состояние несрабатывания с напряжением V1 (например, V1=0) и первой резонансной частотой F1. Нижнее изображение показывает состояние срабатывания с напряжением V2 и второй резонансной частотой F2. Срабатывание обеспечивает большую резонансную частоту.

Фиг. 6 показывает многослойную резонансную «слоевую компоновку».

Имеется верхний слой 47 материала, нижний слой 48 материала и средний слой 49. Средний слой 49 является слоем первого материала и, таким образом, расположен между двумя слоями 47, 48 второго материала с более высоким полным сопротивлением, и снова имеется вязкий связующий слой 46, который связывает пакет электроактивных материалов с ультразвуковым преобразователем 30. Три разных возбуждающих напряжения показаны в виде V1, V2 и V3. Они могут быть одинаковыми или разными.

Отражения возникают на обеих граничных поверхностях среднего слоя 49. Толщина слоя 49 с низким полным сопротивлением определяет резонансную частоту согласно выражениям 2d=λ, f_res=v/2d, как объяснено выше.

Также отражения возникают в нижнем слое 48 с более высоким полным сопротивлением, что приводит к резонансу с частотой, определяемой толщиной и скоростью звука.

То, будет ли отражение также и в верхнем слое 47, зависит от несоответствия его полного сопротивления полному сопротивлению окружающего материала. Разные слои могут быть установлены таким образом, чтобы резонансные частоты были равны, т.е. чтобы v/2d было постоянным.

Три упомянутых слоя могут срабатывать параллельно, что приводит к очень однородной деформации промежуточного слоя 49 и, таким образом, к очень отчетливому резонансу, и слой 49 сохраняет свою прямоугольную форму. Средний слой в этом примере имеет меньшее полное сопротивление Z2, а верхний и нижний слои имеют более высокое полное сопротивление Z1.

Как объяснено выше, один или несколько слоев фиг. 6 могут быть слоистыми структурами того типа, который объяснен со ссылкой на фиг. 4.

Фиг. 7 показывает резонансную структуру 50 компоновки слоев фиг. 6, отдельную от ультразвукового преобразователя 30. В принципе, все примеры могут быть физически присоединены к преобразователю или отсоединены от него.

Отдаленная резонансная структура 50 преобразует падающую акустическую волну с относительно плоской зависимостью звукового давления от частоты в акустическую волну с более отчетливой зависимостью звукового давления от частоты у резонансной частоты, как показано на фиг. 7.

Полное сопротивление Z1 верхнего и нижнего слоев может быть в этом примере установлено равным полному сопротивлению среды и, таким образом, эти слои не будут иметь резонанс со средой. Средний слой имеет полное сопротивление Z2, которое является меньшим или большим, и, таким образом, этот слой будет вызывать резонанс на некоторых частотах.

Напряжения, прикладываемые ко всем трем слоям, могут быть выбраны таким образом, чтобы они обеспечивали однородную деформацию среднего слоя посредством обеспечения одинакового уровня деформации во всех трех слоях. Например, слои электроактивного материала с одним конкретным полным сопротивлением могут демонстрировать различия в характеристиках срабатывания по сравнению с подобными слоями, в которых установлено другое полное сопротивление. Для компенсации этого могут быть использованы разные уровни возбуждающего напряжения (V1, V2, V3).

Однако также можно обеспечить срабатывание только среднего слоя (при наличии пассивных слоев за его пределами), или обеспечить срабатывание только внешних слоев (при наличии пассивного среднего слоя), при этом срабатывание будет вызывать деформацию несрабатывающих слоев на основе механической или химической связи между этими слоями. Может быть обеспечен только один слой электроактивного материала и один пассивный слой. Множественные такие пары слоев могут быть пакетированы для получения более отчетливого резонанса (меньшая ширина полосы частот и большее давление на резонансной частоте).

Другая возможность для установления/настройки акустического полного сопротивления (т.е. вместо многослойной структуры фиг. 4) состоит в использовании частиц наполнителя в матрице, образованной слоем электроактивного материала. Наполнитель содержит частицы, имеющие выбранную плотность материала и частиц, для обеспечения требуемого изменения акустического полного сопротивления. Наполнитель предназначен для увеличения акустического полного сопротивления слоя электроактивного материала без значительного уменьшения его реакции срабатывания.

Частицы наполнителя, тогда, функционируют в качестве дополнительного материала для установления акустического полного сопротивления. Можно считать, что результирующая структура является композитной структурой.

Любые пригодные непроводящие частицы или смесь непроводящих частиц могут быть использованы для этой цели. В качестве неограничивающего примера, непроводящие частицы могут быть керамическими частицами, например, оксидами металлов переходной группы, нитридами, частицами карбидов, или оксидом тяжелых металлов, таким как оксид вольфрама или оксид висмута. Альтернативно, частицы наполнителя могут содержать частицы металла, такого как вольфрам, покрытые непроводящим покрытием. Они могут иметь большую плотность и, таким образом, меньшая их концентрация может потребоваться для обеспечения требуемого сдвига акустического полного сопротивления. Наконец, может быть использована низкая концентрация непокрытых проводящих частиц.

Частицы увеличивают вес и, таким образом, акустическое полное сопротивление (Z=ρ.v [MRayls]), так что отражения на границах с окружающими материалами можно настраивать, как объяснено выше.

Настройка резонансной частоты имеет место с использованием того же самого объясненного выше механизма.

Частицы наполнителя, которые имеют высокую плотность, являются предпочтительными, поскольку меньшие их концентрации потребуются для того же самого увеличения акустического полного сопротивления. Полное сопротивление композитного слоя равно плотности композиционного материала, умноженной на скорость звука в композитном материале.

Использование слоя электроактивного материала, имеющего полное сопротивление, устанавливаемое с использованием наполнителя, может быть применимым ко всем примерам резонансной структуры, приведенным выше. Например, такой композиционный материал может образовывать:

слой 44 электроактивного материала фиг. 5;

слои 60 и/или 62 и/или 64 электроактивного материала фиг. 6.

Для трехслойной компоновки фиг. 6, внешние слои могут иметь полное сопротивление, устанавливаемое с использованием частиц наполнителя. Например, каждый из этих двух слоев может иметь полное сопротивление, установленное равным полному сопротивлению среды, находящей на стороне этого компонента. Толщиной среднего слоя, тогда, управляют, чтобы повлиять на резонансную частоту.

Альтернативно, средний слой может иметь полное сопротивление, устанавливаемое с использованием частиц наполнителя.

Также и в примерах, приведенных выше, в пакетированной структуре могут срабатывать некоторые или все слои. Таким образом, некоторые слои могут быть пассивными слоями.

Компоновка преобразователей, например, может быть выполнена с возможностью генерировать ультразвуковые волны, имеющие минимальную длину волны в ткани. Частицы наполнителя имеют максимальный линейный размер, меньший 20% упомянутой минимальной длины волны, например, меньший чем 10%. Например, ультразвуковые волны в диапазоне 7-12 МГц соответствуют длине волны в теле, равной около 0,1-0,2 мм. Максимальный размер частиц в слое электроактивного материала будет тогда предпочтительно меньшим, чем 0,02 мм или даже 0,01 мм. Это предотвращает рассеяние ультразвукового луча и позволяет управлять акустическим полным сопротивлением.

Может существовать сегментированная электродная компоновка, ассоциативно связанная со слоем электроактивного материала, имеющим частицы наполнителя. Частицы наполнителя могут иметь неоднородную плотность по площади слоя электроактивного материала в результате процесса изготовления. Это обусловливает установление неоднородного профиля деформации. Для компенсации этого в процессе калибровки может быть использована сегментированная электродная компоновка. Отличный потенциал тогда прикладывают к каждому сегменту до тех пор, пока толщина EAP не станет как можно более однородной. На этапе калибровки могут, например, использоваться переменные резисторы или конденсаторы, присоединенные последовательно, которые затем остаются постоянными во время использования. Пространственное разнесение разных электродных областей может быть, например, меньшим толщины слоя или сравнимым с ней.

Настоящее изобретение относится к использованию для передачи ультразвуковых сигналов структуры, способной изменять частоту, такую как резонансная частота. Однако, та же самая концепция установления полного сопротивления срабатывающего слоя может быть использована в других применениях. Например, посредством обеспечения изменения формы, например, изменения угла по меньшей мере одной граничной поверхности, может быть реализовано управление лучом или функция фокусировки или дефокусировки. Общий интерес для таких срабатывающих компонентов представляет устанавливаемое полное сопротивление. Угол отклонения на граничной поверхности определяется разницей скоростей звука в материалах на граничной поверхности. Посредством добавления частиц наполнителя, скорость звука может быть изменена до некоторой степени, но посредством объединения слоев толщиной до длины волны, как описано выше, может быть обеспечено большее влияние на скорость звука.

Возможность устанавливать акустическое полное сопротивление посредством использования композитной структуры представляет, таким образом, интерес для любого срабатывающего компонента, используемого в ультразвуковой среде.

Во всех примерах, исполнительный механизм на основе электроактивного материала обычно основан на электроактивном полимерном материале, хотя настоящее изобретение может быть фактически использовано для устройств, основанных на других видах материала на основе EAM. Такие другие материалы на основе EAM известны в данной области техники, и специалистам в данной области техники известно, где их найти и как их применять. Некоторые возможности будут описаны ниже в настоящем документе.

Устройства на основе EAM, в общем, подразделяются на устройства на основе EAM с полевым управлением и устройства на основе EAM с зарядовым (ионным) управлением. EAM с полевым управлением приводятся в действие электрическим полем посредством прямой электромеханической связи, в то время как механизм срабатывания для EAM с токовым или зарядовым управлением включает в себя диффузию ионов. Последний механизм можно более часто обнаружить в соответствующих органических EAM, таких как EAP. В то время как EAM с полевым управлением обычно управляются сигналами напряжения и требуют соответствующих драйверов/контроллеров напряжения, EAM с токовым управлением обычно управляются токовыми или зарядовыми сигналами и иногда нуждаются в драйверах тока. Оба класса материалов имеют множество членов семейства, каждый из которых имеет свои собственные преимущества и недостатки.

EAM с полевым управлением могут быть органическими или неорганическими материалами, и, в случае, когда они являются органическими, они могут быть одномолекулярными, олигомерными или полимерными материалами. Для настоящего изобретения они предпочтительно являются органическими, а также олигомерными или даже полимерными материалами. Эти органические материалы и, в частности, полимеры, являются новым интересным классом материалов, поскольку они объединяют в себе свойства срабатывания и свойства материалов, такие как малый вес, дешевизна изготовления и легкость обработки.

EAM с полевым управлением, а также, таким образом, EAP, являются, в общем, пьезоэлектриками и, возможно, сегнетоэлектриками и, таким образом, содержат спонтанную постоянную поляризацию (дипольный момент). Альтернативно, они являются электрострикционными и, таким образом, содержат поляризацию (дипольный момент) только при возбуждении, но не в отсутствие возбуждения. Альтернативно, они являются диэлектрическими релаксорными материалами. Такие полимеры включают в себя, но не ограничены этим, подклассы: пьезоэлектрических полимеров, сегнетоэлектрических полимеров, электрострикционных полимеров, релаксорных сегнетоэлектрических полимеров (таких как релаксорные полимеры на основе PVDF или полиуретаны), диэлектрических эластомеров, жидкокристаллических эластомеров. Другие примеры включают в себя электрострикционные графт-полимеры, электрострикционную бумагу, электреты, электро-вязкоупругие эластомеры и жидкокристаллические эластомеры.

Отсутствие спонтанной поляризации означает, что электрострикционные полимеры демонстрируют малые гистерезисные потери или не имеют никаких гистерезисных потерь на очень высоких частотах работы. Эти преимущества, однако, достигаются за счет температурной стабильности. Релаксоры лучше всего работают в ситуациях, когда температура может быть стабилизирована в диапазоне, приблизительно, 10°С. Это может показаться на первый взгляд сильным ограничением, но при условии, что электрострикторы имеют преимущество на высоких частотах и очень слабых управляющих полях, эти применения, как правило, имеют место в специализированных микро-исполнительных механизмах. Температурная стабилизация таких малых устройств является относительно простой и часто не является значительной проблемой в общем процессе конструирования и разработки.

Релаксорные сегнетоэлектрические материалы могут иметь константу электрострикции, которая достаточно велика для хорошего практического применения, т.е. они могут быть предпочтительными одновременно для функций восприятия и срабатывания. Релаксорные сегнетоэлектрические материалы не являются сегнетоэлектриками, когда к ним приложено нулевое возбуждающее поле (т.е. напряжение), но становятся сегнетоэлектриками при возбуждении. Следовательно, в отсутствие возбуждения в материале не существует электромеханической связи. Электромеханическая связь становится ненулевой, когда подается возбуждающий сигнал, и может быть измерена посредством подачи высокочастотного сигнала с малой амплитудой поверх возбуждающего сигнала. Кроме того, релаксорные сегнетоэлектрические материалы имеют преимущество вследствие уникальной комбинации большой электромеханической связи при ненулевом возбуждающем сигнале и хороших характеристик срабатывания.

Наиболее часто используемыми примерами неорганических релаксорных сегнетоэлектрических материалов являются: ниобат свинца - магния (lead magnesium niobate - PMN), ниобат свинца - магния - титанат свинца (lead magnesium niobate-lead titanate - PMN-PT) и цирконат - титанат свинца - лантана (lead lanthanum zirconate titanate - PLZT). Но в данной области техники известны и другие неорганические релаксорные сегнетоэлектрические материалы.

Полимеры на основе релаксорных сегнетоэлектриков на основе PVDF демонстрируют спонтанную электрическую поляризацию, и они могут быть предварительно деформированы для улучшения характеристик в направлении деформации. Они могут быть любыми материалами, выбранными из группы материалов, приведенных ниже.

Поливинилиденфторид (Polyvinylidene fluoride - PVDF), поливинилиденфторид - трифторэтилен (Polyvinylidene fluoride - trifluoroethylene - PVDF-TrFE), поливинилиденфторид - трифторэтилен - хлорфторэтилен (Polyvinylidene fluoride - trifluoroethylene - chlorofluoroethylene - PVDF-TrFE-CFE), поливинилиденфторид - трифторэтилен - хлортрифторэтилен (Polyvinylidene fluoride - trifluoroethylene - chlorotrifluoroethylene - PVDF-TrFE-CTFE), поливинилиденфторид - гексафторпропилен (Polyvinylidene fluoride - hexafluoropropylene - PVDF - HFP), полиуретаны или их смеси.

Подкласс диэлектрических эластомеров включает в себя, но не ограничен этим:

акрилаты, полиуретаны, силоксаны.

Примерами EAP с ионным управлением являются сопряженные полимеры, полимерные композиционные материалы на основе углеродных нанотрубок (carbon nanotube - CNT) и ионные полимерно-металлические композиционные материалы (Ionic Polymer Metal Composites - IPMC).

Подкласс сопряженных полимеров включает в себя, но не ограничен этим:

полипиррол, поли-3,4-этилендиокситиофен, поли(п-фениленсульфид), полианилины.

Материалы, упомянутые выше, могут быть внедрены в виде чистых материалов или в виде материалов, суспендированных в матричных материалах. Матричные материалы могут содержать полимеры.

Для любой срабатывающей структуры, содержащей материал на основе EAM, могут быть обеспечены дополнительные пассивные слои, влияющие на поведение EAM-слоя в ответ на подаваемый возбуждающий сигнал.

Срабатывающая компоновка или структура устройства на основе EAM может иметь один или несколько электродов для обеспечения управляющего сигнала или возбуждающего сигнала по меньшей мере для части электроактивного материала. Предпочтительно, компоновка содержит два электрода. EAM-слой может быть расположен между двумя или более электродами. Это промежуточное расположение необходимо для срабатывающей компоновки, которая содержит эластомерный диэлектрический материал, поскольку ее срабатывание происходит, среди прочего, вследствие сжимающего усилия, оказываемого электродами, притягивающимися друг к другу вследствие подачи возбуждающего сигнала. Упомянутые два или более электродов могут быть также встроены в эластомерный диэлектрический материал. Электроды могут быть структурированными или неструктурированными.

Также можно обеспечить электродный слой только на одной стороне, например, с использованием встречно-гребенчатых электродов.

Подложка может быть частью срабатывающей компоновки. Она может быть прикреплена к набору из EAP и электродов между электродами или к одному из электродов снаружи.

Электроды могут быть растяжимыми, чтобы они следовали за деформацией слоя материала на основе EAM. Это особенно предпочтительно для материалов на основе EAP. Материалы, пригодные для электродов, также являются общеизвестными и могут быть, например, выбраны из группы, состоящей из тонких металлических пленок, таких как золотые, медные, или алюминиевые пленки, или органических проводников, таких как углеродная сажа, углеродные нанотрубки, графен, полианилин (PANI), поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), например, поли(3,4-этилендиокситиофен)-поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS). Также могут быть использованы металлизированные полиэфирные пленки, такие как металлизированный полиэтилентерефталат (polyethylene terephthalate - PET), например, с использованием алюминиевого покрытия.

Материалы для разных слоев могут выбираться, например, с учетом модулей упругости (модулей Юнга) разных слоев.

Для адаптации электрических или механических свойств устройства могут быть использованы слои, дополнительные к слоям, описанным выше, например, дополнительные полимерные слои.

Устройство, описанное выше, может быть использовано в широком спектре медицинских ультразвуковых применений, например, (но не только) на теле, в пищеводе (чреспищеводная эхокардиограмма (transesophageal echocardiogram - TEE)), в носимом ультразвуковом устройстве, в ультразвуковом устройстве для большой площади. Могут быть использованы разные типы преобразователей, например, PZT, однокристальный преобразователь, CMUT.

Некоторые примеры, приведенные выше, используют композиционные материалы, которые объединяют электроактивный материал (в частности, полимер) и другие частицы (которые были названы, в общем, «наполнителем») для изменения акустического полного сопротивления.

Теперь будет описан метод изготовления таких композиционных материалов, а также эффекты на основе физических и электрических свойств электроактивного материала.

Сначала будет представлен пример электроактивных материалов на основе диэлектрических эластомеров. Эти материалы располагают между двумя электродами для создания исполнительных механизмов на основе диэлектрических электроактивных полимеров. Силоксановые каучуки являются основной применяемой группой эластомеров. Деформация является результатом сил притяжения между положительно и отрицательно заряженными электродами.

Введение частиц в силоксаны широко используется в промышленном масштабе. В качестве примера, линзы ультразвуковых преобразователей изготавливаются из силоксана (полидиметилсилоксана - PDMS), заполненного частицами железа и оксида кремния для увеличения акустического полного сопротивления и износостойкости. Соединения на основе PDMS (силоксана), содержащие рутил (TiO₂), широко используются для увеличения показателя преломления или для создания белых отражающих материалов.

В отношении характеристик диэлектрического электроактивного полимера, смешивание с электрически непроводящими твердыми частицами, такими как керамические частицы, обеспечивает два основных значительных эффекта. Во-первых, жесткость материала увеличивается, в результате чего требуются большие усилия для получения тех же самых уровней деформации. Другой эффект состоит в том, что диэлектрическая проницаемость композиционного материала изменяется (в общем, диэлектрическая проницаемость наполнителя будет большей, чем диэлектрическая проницаемость силоксанов, которая близка к 3). То, будет ли эффект деформации, зависящий от напряжения, положительным или отрицательным, зависит от диэлектрической проницаемости частиц и размера частиц, поскольку меньшие частицы оказывают большее влияние на жесткость.

Это описано в работе: S. Somiya, "Handbook of Advanced Ceramics: Materials, Applications, Processing, and Properties," in Nonlinear Dielectricity of MLCCs, Waltham, Academic Press, 2013, стр. 415. В качестве примера, добавление частиц увеличивает диэлектрическую проницаемость, а также увеличивает жесткость.

Таким образом, введение наполнителей в эластомеры, чтобы повлиять на свойства диэлектрического электроактивного полимера, является общеизвестным. Добавление частиц с высокой диэлектрической проницаемостью для увеличения диэлектрической проницаемости эластомера и, таким образом, потенциально, эффективности, хорошо изучено.

Силоксановые эластомеры, в общем, изготавливаются посредством смешивания двух компонентов. Один из них содержит платиновый (Pt) или пероксидный отверждающий катализатор. Разные компоненты могут быть смешаны в высокоскоростном смесителе. В том же процессе может быть добавлен наполнитель, или наполнитель может быть уже предварительно смешан с одним или обоими компонентами. Материал наполнителя, в общем, подается в растворителе, который испаряется во время процесса. После или во время смешивания в высокоскоростном смесителе, в общем, вакуум применяют для удаления включений воздуха (и/или растворителей). После этого смесь можно формовать литьем и отверждать. Температура и время отверждения зависят от сорта полимера, но обычно составляют около 80°С для 10 минут. Большинство частиц совместимы с силоксанами, поскольку они не дезактивируют катализатор (например, серосодержащие материалы). Пероксидные отверждающие силоксаны являются менее чувствительными.

Силоксаны могут формоваться литьем под давлением (жидкие силоксановые каучуки (liquid silicone rubbers - LSR)). Упомянутые два компонента после прохождения (статического) смесителя впрыскивают на шнек машины для литья LSR под давлением. Частицы наполнителя могут предварительно смешиваться с одним или обоими компонентами. Материал транспортируется холодным шнеком и впрыскивается в горячую пресс-форму, где он быстро отверждается в зависимости от температуры. Поскольку LSR имеет очень низкую вязкость, могут быть реализованы очень тонкие секции. Типичные температуры отверждения близки к 180°С, и времена отверждения составляют от около 30 секунд до около одной минуты.

Кроме литья и литья под давлением доступно некоторое количество других технологий формования для изготовления компонентов смесей на основе силоксановых каучуков, также и в форме тонких пленок. Примерами являются экструзия (фольга и профили), прокатывание фольги, ламинирование и прокатывание множественных слоев, литье пленки с использованием ножевого устройства, нанесение покрытия методом центрифугирования и трафаретная печать.

Объединение разных типов материала может быть выполнено локально на месте изготовления, например, с использованием литья под давлением с множественными циклами (литья с двумя или более циклами), розлива силоксана с дозированием и послойного литья силоксана или аддитивной технологии изготовления силоксана (т.е. трехмерной (3D) печати).

Далее будет представлен пример композиционных материалов на основе пьезоэлектрических полимеров.

Были изучены композиционные материалы на основе пьезоэлектрических полимеров, содержащие смесь PVDF (матричного полимера) и керамических частиц, таких как PZT. Пригодны технологии изготовления, такие как формование окунанием а раствор и нанесение покрытия методом центрифугирования. Также пригодны технологии холодного и горячего прессования. После растворения PVDF, испаряют растворитель до тех пор, пока не будет получена вязкая смесь, и затем может быть выполнено смешивание с частицами наполнителя. Могут быть реализованы композиционные материалы на основе PVDF-полимера с хорошо диспергированным гранулометрическим составом и неповрежденной полимерной матрицей.

Далее будет представлен пример исполнительных механизмов на основе релаксорных электрострикционных полимеров.

Эти полимеры являются классом полукристаллических терполимеров, которые могут обеспечивать относительно большое усилие со средней деформацией. Таким образом, эти исполнительные механизмы имеют широкий диапазон возможных применений. Релаксорные электрострикционные полимеры были созданы на основе «нормальных» PVDF-полимеров посредством использования надлежащих модификаций дефектов. Они содержат: винилиденфторид (vinylidene fluoride - VDF), трифторэтилен (trifluoroethylene - TrFE), и 1, 1-хлорфторэтилен (1, 1-chlorofluoroethylene - CFE) или хлортрифторэтилен (Chlorotrifluoro ethylene - CTFE).

Добавление дефектов в форме химических мономеров, таких как 1, 1-хлорфторэтилен (CFE), которые сополимеризуются с VDF-TrFE, устраняет нормальную сегнетоэлектрическую фазу, что обеспечивает в результате релаксорный сегнетоэлектрик с электромеханической деформацией, большей, чем 7%, и плотностью упругой энергии, равной 0,7 Дж/см³ при 150 МВ/м. Дополнительно было описано, что посредством введения дефектов посредством высокоинтенсивного облучения электронами сополимеров P(VDF-TrFE), сополимер может быть также преобразован из «нормального» сегнетоэлектрического P(VDFTrFE) в сегнетоэлектрический релаксор.

Эти материалы могут быть образованы посредством синтеза полимеров, описанного в работе F. Carpi и др., "Dielectric Elastomers as Electromechanical Transducers: Fundamentals, Materials, Devices, Models and Applications of an Emerging Electroactive Polymer Technology," Oxford, Elsevier, 2011, стр. 53. Эта работа раскрывает комбинацию процесса суспензионной полимеризации и активируемого кислородом инициатора. Эти пленки могут быть образованы посредством наливания раствора на стеклянную подложку и затем испарения растворителя.

Необходимый наполнитель может быть добавлен в растворитель перед литьем пленки. После литья, композиционный материал может быть затем отожжен для удаления растворителя и увеличения степени кристалличности. Скорость кристаллизации может уменьшаться в зависимости от концентрации наполнителя и распределения частиц по размерам. Растяжение будет выравнивать молекулярные цепи и будет становиться более сложным, поскольку частицы могут прокалывать молекулярные цепи. Диэлектрическая проницаемость будет увеличиваться для большинства добавок, что будет уменьшать напряжение срабатывания, требуемое для достижения некоторой деформации. Жесткость материала будет увеличиваться, что будет уменьшать деформацию.

Процесс изготовления, таким образом, включает в себя образование раствора полимера, добавление частиц, смешивание, после чего следует литье (например, пленочное литье), потенциально, объединенное с ламинированием. Альтернативами являются нанесение покрытия методом центрифугирования, прессование и т.д.

Локальные изменения концентрации могут быть реализованы с использованием розлива с дозированием или трехмерной печати с растворителем. С использованием процессов трехмерной печати, возможны, например, толщины слоев между 10 и 20 мкм.

Во всех примерах, добавление наполнителя, в общем, оказывает влияние на напряжение пробоя. Максимальная деформация, которая может быть обеспечена с использованием электроактивного полимера, определяется максимальным напряжением, которое может быть приложено, которое является напряжением пробоя (или электрической прочностью диэлектрика).

Напряжение пробоя полимеров связано с диссоциацией молекул полимера под действием приложенного внешнего поля. Добавление частиц наполнителя в полимерную матрицу может оказывать значительное влияние на напряжение пробоя. В частности, большие частицы могут локально увеличивать поля. Таким образом, смешивание полимеров с частицами субмикронного диапазона оказывает меньшее отрицательное влияние на напряжение пробоя. Кроме того, структура граничной поверхности полимер - наполнитель может сильно влиять на напряжение пробоя.

Агломерация частиц является другим эффектом, который уменьшает напряжение пробоя. Однако, посредством модификации поверхностей частиц, предотвращающей агломерацию и улучшающей структуру граничной поверхности, может быть уменьшено негативное влияние на уровни напряжения пробоя. Однако полимеры с наполнителем будут иметь меньшую электрическую прочность диэлектрика, чем полимеры без наполнителя, что будет приводить к меньшей деформации срабатывания.

В заключение, для диэлектрических электроактивных полимеров, смешение с частицами может быть обеспечено с использованием большого множества промышленных технологий смешения и формования. Для сохранения ограниченного влияния на жесткость и, таким образом, на уменьшение величины перемещения исполнительного механизма, предпочтительны меньшие концентрации. Для данной объемной концентрации, не слишком малые частицы также предпочтительны для сохранения ограниченного влияния на жесткость. Мягкий базовый полимер может быть выбран для компенсации увеличения жесткости. Увеличенная диэлектрическая проницаемость может обеспечить возможность срабатывания при уменьшенных напряжениях. Для сохранения электрической прочности диэлектрика, размер и концентрация частиц должны быть ограничены, и могут быть предприняты меры для улучшения граничной поверхности полимер - наполнитель, а также диспергирования частиц. Локальные изменения концентрации могут быть обеспечены посредством печати.

Для электроактивных полимеров релаксорного типа смешение с частицами также возможно. Подобные тенденции в отношении влияния концентрации и размера частиц на жесткость и электрическую прочность диэлектрика сравнимы с эффектами, описанными выше. Частицы могут быть добавлены после полимеризации. Растворенные полимеры могут формоваться с использованием различных технологий, таких как пленочное литье и нанесение покрытия методом центрифугирования. Также возможны локальные изменения концентрации.

Ультразвуковое устройство настоящего изобретения может быть ультразвуковым зондом и т.п. для использования в ультразвуковой системе визуализации или ультразвуковой терапевтической системе. Ультразвуковой зонд может образовывать часть катетера для инвазивной визуализации или обработки, может образовывать часть ручного устройства для неинвазивной визуализации или обработки или может образовывать часть носимого устройства, например, для длительной обработки конкретной области тела пациента.

Ультразвуковое устройство может образовывать часть ультразвуковой системы, такой как ультразвуковая система диагностической визуализации или ультразвуковая терапевтическая система.

Иллюстративный вариант осуществления ультразвуковой диагностической системы визуализации схематично показан в форме блок-схемы на фиг. 8.

Массив 56 преобразователей, содержащий мозаичные элементы 58 ультразвуковых преобразователей, обеспечен в ультразвуковом устройстве 60 в форме зонда для передачи ультразвуковых волн и приема эхо-информации. Массив 56 преобразователей может быть одномерным или двумерным массивом преобразующих элементов, например, мозаичных элементов 58, способным сканировать в двумерной плоскости или в трех измерениях для трехмерной визуализации.

Массив 56 преобразователей связан с формирователем 62 микролучей в зонде 60, который управляет передачей и приемом сигналов ячейками массива, например, CMUT-ячейками. Формирователи микролучей способны обеспечивать по меньшей мере частичное формирование луча из сигналов, принимаемых группами или «заплатами» преобразующих элементов, например, как описано в патентах США № 5,997,479 (Savord и др.), № 6,013,032 (Savord), и № 6,623,432 (Powers и др.)

Формирователь 62 микролучей связан посредством кабеля зонда, например, коаксиального кабеля, с переключателем 66 передачи/приема (transmit/receive - T/R), который переключается между режимами передачи и приема и защищает основной формирователь 70 луча от высокоэнергетических сигналов передачи, когда формирователь микролучей отсутствует или не используется, и массив 56 преобразователей функционирует прямо посредством основного формирователя 70 луча. Передача ультразвуковых лучей от массива 56 преобразователей под управлением формирователя 62 микролучей управляется контроллером 68 преобразователей, связанным с формирователем микролучей посредством переключателя 66 T/R, и основным формирователем 70 луча, который принимает входные данные на основании пользовательской операции пользовательского интерфейса или панели 88 управления. Одной из функций, управляемых контроллером 68 преобразователей, является обеспечение направления, в котором лучи направляются и фокусируются. Лучи могут быть направлены прямо вперед (ортогонально) от массива 56 преобразователей или под разными углами для обеспечения более широкого поля наблюдения. Контроллер 68 преобразователей выполнен с возможностью управлять источником 63 напряжения для массива 56 преобразователей. Например, источник 63 напряжения устанавливает постоянное (DC) и переменное (AC) напряжение (напряжения) смещения, которые прикладываются к CMUT-ячейкам 58 CMUT-массива 56, например, для возбуждения CMUT-ячеек в режиме разрушения.

Сигналы частично сформированных лучей, создаваемые формирователем 62 микролучей, передаются к основному формирователю 70 луча, где сигналы частично сформированных лучей от отдельных «заплат» преобразующих элементов объединяются в сигнал полностью сформированного луча. Например, основной формирователь 70 луча может иметь 128 каналов, каждый из которых принимает сигнал частично сформированного луча от «заплаты» из дюжин или сотен преобразующих ячеек, например, от мозаичных элементов 58. Таким образом, сигналы, принимаемые от тысяч преобразующих элементов массива 56 преобразователей, могут эффективно образовывать единственный сигнал сформированного луча.

Сигналы сформированных лучей передаются к сигнальному процессору 72. Сигнальный процессор 72 может обрабатывать принимаемые эхо-сигналы различными способами, например, посредством полосовой фильтрации, прореживания, разделения компонентов по I и Q, и гармонического разделения сигналов, которое обеспечивает разделение линейных и нелинейных сигналов с тем, чтобы обеспечить возможность идентификации нелинейных эхо-сигналов (более высоких гармоник основной частоты), возвращающихся от ткани и микропузырьков.

Сигнальный процессор 72 может, но не обязательно, выполнять дополнительное увеличение отношения сигнал-шум, например, посредством уменьшения спеклов, смешения сигналов, и устранения шумов. Полосовой фильтр в сигнальном процессоре 72 может быть следящим фильтром, причем его полоса пропускания скользит от полосы более высоких частот к полосе меньших частот, когда эхо-сигналы принимаются с больших глубин, посредством чего устраняются шумы на более высоких частотах с больших глубин, причем эти частоты не имеют анатомической информации.

Обработанные сигналы передаются к процессору 76 В-режима и, необязательно, к доплеровскому процессору 78. Процессор 76 В-режима использует детектирование амплитуды принимаемого ультразвукового сигнала для визуализации структур в теле, например, в ткани органов и сосудов в теле. Изображения В-режима структуры тела могут быть образованы либо в гармоническом режиме изображения, либо в основном режиме изображения, либо в комбинации обоих этих режимов, например, как описано в патентах США № 6,283,919 (Roundhill и др.) и № 6,458,083 (Jago и др.)

Доплеровский процессор 78, при наличии, обрабатывает отличные по времени сигналы от перемещения ткани и потока крови для детектирования движения веществ, например, потока клеток крови в поле изображения. Доплеровский процессор обычно включает в себя фильтр стенок с параметрами, которые могут быть установлены таким образом, чтобы пропускать и/или подавлять эха, возвращающиеся от материалов выбранных типов, находящихся в теле. Например, фильтр стенок может быть установлен таким образом, чтобы он имел характеристику полосы пропускания, которая пропускает сигнал с относительно малой амплитудой от материалов с более высокой скоростью и при этом подавляет относительно сильные сигналы от материала с меньшей или нулевой скоростью.

Эта характеристика полосы пропускания будет пропускать сигналы от текущей крови и при этом подавлять сигналы от близких стационарных или медленно движущихся объектов, таких как стенка сердца. Обратная характеристика будет пропускать сигналы от движущейся ткани сердца и при этом подавлять сигналы потока крови для обеспечения так называемой доплеровской визуализации ткани, которая обеспечивает детектирование и описание движения ткани. Доплеровский процессор принимает и обрабатывает последовательность дискретных во времени эхо-сигналов от разных точек в поле изображения, причем упомянутая последовательность эх от конкретной точки называется ансамблем. Ансамбль эх, принимаемых в быстрой последовательности в течение относительно короткого интервала, может быть использован для оценивания доплеровского сдвига частоты текущей крови, причем соответствие доплеровской частоты скорости указывает на скорость потока крови. Ансамбль эх, принимаемых в течение более длительного периода времени, используется для оценивания скорости более медленно текущей крови или медленно движущейся ткани. Структурные сигналы и сигналы движения, создаваемые процессором (процессорами) В-режима (и доплеровским процессором), передаются к преобразователю 82 сканирования и устройству 94 многоплоскостного переформатирования. Преобразователь 82 сканирования обеспечивает эхо-сигналы из пространственного расположения, из которого они были приняты, в требуемом формате изображения. Например, преобразователь сканирования может обеспечить эхо-сигнал в двумерном (2D) формате в форме сектора или в пирамидальном трехмерном (3D) изображении.

Преобразователь сканирования может накладывать на структурное изображение В-режима цвета, соответствующие движению, в точках поля изображения, которые имеют свои оцененные доплеровские скорости, для создания цветного доплеровского изображения, которое показывает движение ткани и потока крови в поле изображения. Устройство 94 многоплоскостного переформатирования будет преобразовать эха, которые принимаются от точек в общей плоскости в объемной области тела, в ультразвуковое изображение этой плоскости, например, как описано в патенте США № US 6,443,896 (Detmer). Рендерер 92 объема преобразует эхо-сигналы из набора трехмерных данных в проецируемое трехмерное изображение, видимое из заданной точки отсчета, как описано в патенте США № 6,530,885 (Entrekin и др.)

Двумерные или трехмерные изображения связываются от преобразователя 82 сканирования, устройства 94 многоплоскостного переформатирования, и рендерера 92 объема к процессору 80 изображения для дальнейшего улучшения, буферизации и временного сохранения для отображения на устройстве 90 отображения изображений. Дополнительно к использованию для визуализации, значения потока крови, обеспечиваемые допплеровским процессором 78, и информация о структуре ткани, обеспечиваемая процессором 76 В-режима, передаются к процессору 84 квантификации. Процессор 84 квантификации обеспечивает меры разных состояний потока, такие как объемный расход потока крови, а также структурные измерения, такие как измерения размеров органов и внутриутробного возраста. Процессор квантификации может принимать входные данные от пользовательской панели 88 управления, например, анатомическую точку изображения, где должно быть выполнено измерение.

Выходные данные процессора квантификации передаются к графическому процессору 86 для воспроизведения графических данных измерений и значений вместе с изображением на устройстве 90 отображения. Графический процессор 86 может также генерировать графические оверлеи для отображения вместе с ультразвуковыми изображениями. Эти графические оверлеи могут содержать стандартную идентифицирующую информацию, такую как имя пациента, дата и время получения изображения, параметры визуализации и т.п. Для этих целей, графический процессор принимает входные данные от пользовательского интерфейса 88, например, имя пациента.

Пользовательский интерфейс также связан с контроллером 68 передачи для управления генерированием ультразвуковых сигналов массива 56 преобразователей и, следовательно, изображениями, создаваемыми массивом преобразователей и ультразвуковой системой. Пользовательский интерфейс также связан с устройством 94 многоплоскостного переформатирования для выбора и управления плоскостями множественных многоплоскостных переформатированных (multiplanar reformatted - MPR) изображений, которые могут быть использованы для получения количественно оцененных мер в поле изображения MPR-изображений.

Как будет понятно специалистам в данной области техники, предполагается, что вышеупомянутый вариант осуществления ультразвуковой диагностической системы визуализации является неограничивающим примером такой ультразвуковой диагностической системы визуализации. Специалисты в данной области техники сразу поймут, что некоторые изменения в архитектуре ультразвуковой диагностической системы визуализации можно реализовать, не выходя за рамки идей настоящего изобретения. Например, как также указано в вышеупомянутом варианте осуществления, формирователь 62 микролучей и/или допплеровский процессор 78 могут быть опущены, ультразвуковой зонд 60 может не иметь возможностей трехмерной визуализации, и т.д. Другие изменения будут понятны специалисту в данной области техники.

Кроме того, в случае ультразвуковой терапевтической системы очевидно, что этой системе не нужна способность принимать и обрабатывать импульсные эха, так что специалистам в данной области техники будет сразу понятно, что вышеупомянутый вариант осуществления ультразвуковой диагностической системы визуализации может быть адаптирован для образования ультразвуковой терапевтической системы посредством опущения тех системных компонентов, которые требуются для приема или обработки таких импульсных эх.

Настоящее изобретение обеспечивает функцию настраиваемого резонанса. Настраиваемый резонанс имеет значительные преимущества в некоторых применениях. При высокоинтенсивной фокусированной ультразвуковой обработке (такой как удаление рака предстательной железы), резонансная частота может быть адаптирована в зависимости от оптимального поглощения пораженной ткани. Резонансная частота может быть также адаптирована на месте для чередования визуализации и обработки при оптимальной частоте.

При ультразвуковом лизисе клеток, выходным давлением ультразвука можно управлять в зависимости от частоты, настраиваемой на характеристику поглощения ультразвука (клеточный резонанс) конкретных клеток, для обеспечения разрушения.

При визуализации, частотно-зависимое выходное давление может быть адаптировано в зависимости от применяемого режима визуализации, требуемого разрешения или глубины проникновения.

Примеры, приведенные выше, основаны на обработке или визуализации живой ткани, такой как ткань млекопитающих, например, человеческая ткань. Упомянутое устройство может быть использовано для обработки или визуализации неживой ткани, и, подобным образом, настоящее изобретение может быть применено к устройству для визуализации не-биологического материала.

Ультразвук используется, например, для дефектоскопии материалов. Меньшая частота может быть использована для большей глубины проникновения, в то время как большая частота может быть использована для улучшения разрешения. Управление резонансом, описанное выше, таким образом, явно представляет интерес для таких применений.

Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают настоящее изобретение, и что специалисты в данной области техники смогут разработать многие альтернативные варианты осуществления, не выходя за рамки объема прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения, никакие ссылочные позиции, помещенные в скобки, не следует толковать как ограничение формулы изобретения. Слово «содержащий» не исключает наличия элементов или этапов, отличных от элементов или этапов, приведенных в формуле изобретения. Элемент в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов. Настоящее изобретение может быть реализовано посредством аппаратного средства, содержащего несколько отдельных элементов. В пункте формулы изобретения на устройство, в котором перечислено несколько средств, некоторые из этих средств могут быть реализованы одним и тем же аппаратным элементом. Тот факт, что некоторые меры приведены во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована с преимуществом.

Claims

1. Акустический связующий компонент (32) для позиционирования между компоновкой (30) ультразвуковых преобразователей и материалом (34), подлежащим обработке или визуализации, содержащий:

исполнительный механизм на основе электроактивного материала, содержащий слоистую резонансную структуру на основе электроактивного материала из по меньшей мере одного слоя электроактивного материала с настраиваемой толщиной и дополнительного слоя материала с другим акустическим полным сопротивлением, причем исполнительный механизм на основе электроактивного материала выполнен с возможностью принимать ультразвуковой сигнал, имеющий некоторую частоту, от компоновки ультразвуковых преобразователей и передавать этот ультразвуковой сигнал к материалу, подлежащему обработке или визуализации; и

контроллер (36), причем контроллер выполнен с возможностью электрически управлять исполнительным механизмом на основе электроактивного материала, имеющего настраиваемую толщину, для реализации настройки резонансной частоты путем изменения толщины по меньшей мере для реализации посредством этого сдвига резонансной частоты.

2. Компонент по п. 1, в котором слоистая структура имеет по меньшей мере два разных материала (40, 42) с разными акустическими полными сопротивлениями.

3. Компонент по п. 2, в котором первый (40) из материалов слоистой структуры содержит электроактивный полимерный материал на основе PVDF и второй (42) из материалов слоистой структуры содержит диэлектрический электроактивный полимерный материал на основе силоксана.

4. Компонент по любому из предшествующих пунктов, в котором:

электроактивный материал имеет ассоциативно связанные электроды исполнительного механизма и дополнительный слой материала является пассивным слоем или

как слой электроактивного материала, так и дополнительный слой материала являются электроактивными материалами, каждый из которых имеет ассоциативно связанные электроды исполнительного механизма.

5. Компонент по п. 4, в котором слоистая структура содержит верхний (47) и нижний (48) слои с первым акустическим полным сопротивлением и средний слой (49) со вторым, меньшим, акустическим полным сопротивлением.

6. Компонент по любому из предшествующих пунктов, в котором слой электроактивного материала и/или дополнительный слой материала содержат частицы наполнителя для настройки акустического полного сопротивления.

7. Компонент по п. 6, в котором частицы наполнителя содержат керамические частицы или металлические частицы, покрытые непроводящим покрытием.

8. Компонент по п. 6 или 7, содержащий сегментированную электродную компоновку, ассоциативно связанную с исполнительным механизмом на основе слоя электроактивного материала.

9. Компонент по любому из пп. 6-8, причем исполнительный механизм на основе электроактивного материала содержит слой электроактивного материала с частицами и слой электроактивного материала без частиц.

10. Компонент по любому из предшествующих пунктов, в котором слой электроактивного материала содержит слой электроактивного полимера на основе PVDF.

11. Ультразвуковое устройство для обработки или визуализации материала, содержащее:

компоновку (30) преобразователей;

акустический связующий компонент по любому из предшествующих пунктов, выполненный с возможностью быть расположенным между компоновкой преобразователей и материалом, подлежащим обработке или визуализации.

12. Ультразвуковое устройство по п. 11, в котором акустический связующий компонент является акустически пропускающим окном поверх компоновки преобразователей.

13. Ультразвуковое устройство по п. 12, в котором акустический связующий компонент находится на расстоянии от компоновки преобразователей.

14. Ультразвуковое устройство по пп. 11, 12 или 13, в котором компоновка преобразователей выполнена с возможностью генерировать ультразвуковые волны, имеющие минимальную длину волны в материале, слой электроактивного материала содержит частицы наполнителя, имеющие максимальный линейный размер, составляющий менее чем 20% упомянутой минимальной длины волны.