医学超声单晶探头的进展及新技术

.16中国医疗器械信息|ChinaMedicalDeviceInformation专题·超声ThematicForum·Ultrasound医学超声换能器，工作于医学超声系统与患者接触的最前端，是拥有最高技术密集度的核心关键部件。最近十多年来，医学超声换能器领域涌现出许多新的技术，例如多压电层结构、压电复合材料、压电单晶材料、细声束多维换能器、微机械加工的电容式超声换能器cMUT（CapacitiveMicromachinedUltrasonicTransducers）和微机械加工的压电式超声换能器pMUT（PiezoelectricMicromachinedUltrasoundTransducers）等等。压电单晶换能器的研制，是其中的一个重要研究领域，而铅基压电单晶由于其卓越的性能，文章编号：1006-6586(2014)04-0016-07中图分类号：R445.1文献标识码：A收稿日期：2014-01-20作者简介：彭珏，博士，深圳大学副教授医学超声单晶探头的进展及新技术唐浒彭珏陈思平医学超声关键技术国家地方联合工程实验室，广东省生物医学信息检测与超声成像重点实验室，深圳大学（深圳518060）内容提要：现代医学的发展，使得临床医生对医学超声影像系统不断提出新的要求和需求。医学超声换能器，是工作于医学超声系统与患者接触的最前端，是拥有最高技术密集度的核心关键部件。探头的性能，直接影响到图像的质量和产品的功能应用。各种性能优异的压电单晶的成功生长及制备，对探头的核心压电材料做出了重要而丰富的补充，探头的性能和应用范围得到极大地延伸。本文对医学单晶材料超声换能器的应用及国内外相关研究进展，做简要介绍。关键词：压电单晶超声医学影像超声换能器DevelopmentofSingleCrystalUltrasoundTransducerforMedicalImagingTANGHuPENGJueCHENSi-pingNational-RegionalKeyTechnologyEngineeringLaboratoryforMedicalUltrasound;GuangdongKeyLaboratoryforBiomedicalMeasurementsandUltrasoundImaging;ShenzhenUniversity(Shenzhen518060)Abstract:Withthedevelopmentofmodernmedicalscience,moreandmoreimperativedemandsarecomingupfortheultrasoundimagingsystem.Ultrasoundtransducer,oneofthemostimportantandtechnology-intensivecomponentsinultrasoundsystem,isthefrontendofsystemcontactingwithpatients.Performanceoftheultrasoundtransducerhasasignificanteffectontheimagequalityandproductapplication.Thesuccessfulgrowthandproduceofpiezoelectricsinglecrystalshasmadegreatsupplementforthepiezoelectricmaterialsoftransducers,whichledanextremelyextensionfortheperformanceandapplicationoftransducers.Inthispaper,abriefreviewisconductedontheapplicationsandrecentresearchprogressesofsinglecrystalultrasoundtransducer.Keywords:piezoelectricsinglecrystal,ultrasonicmedicalimaging,ultrasoundtransducer1.引言.17ChinaMedicalDeviceInformation|中国医疗器械信息超声·专题Ultrasound·ThematicForum仍然是高性能探头研发者的主攻方向。国际上已有多家公司成功的将铅基压电单晶探头产业化。各种性能优异的压电单晶成功的量产及制备，对医学超声换能器的核心压电材料做出了重要而丰富的补充，探头的性能和应用范围得到极大延伸。2.压电单晶的发展现状1997年，Park和Shrout等人成功生长出尺寸达20mm×20mm的PZN–PT和PMN–PT单晶，其压电性能（d332000pC/N）远高于压电陶瓷，高品质大尺寸单晶材料的成功制备，真正将这类高性能压电材料推向了实用化[1]。在压电单晶探头的整个发展阶段中，生产出尺寸满足换能器应用的晶体一直是科学家们最为重要的任务之一。包括美国H.C.Materials公司、TRSTech-nologies公司、英国MorganElectroCeramics公司、日本JFE公司、中国中科院上海硅酸盐研究所、西安交通大学电子材料所、韩国Ceracomp公司、iBluePhotonics等多家国内外研究机构，为了获得性能一致性更好、尺寸更大、高的矫顽场、高机械品质因子、温度稳定性更佳的弛豫压电单晶材料，对单晶的成分进行不断地完善，到现阶段已经开发了三代单晶产品，具体性能参数列于下表1。其中，第一代压电单晶PMN-PT已经满足了医疗超声探头商业化的需求。H.C.Materials和TRSTechnologies公司等都采用改良的Bridgeman法生长出直径3~4英寸（约75~100mm），长度达150mm的PMN-PT晶体，如图1所示，大尺寸PMN-PT晶体生长工艺已较为成熟，可满足绝大多数换能器的应用要求[2,3]。图1.PMN-PT和PIN-PMN-PT单晶表1.三代铅基压电单晶的性能d33(pC/N)ε33TTanδ(%)k33Ec(kV/cm)Trt(˚C)QmPMN-PT1500-20004000-75000.060.891.9-2.585-10080PIN-PMN-PT1300-18004000-60000.060.894.5-6115-130150Mn-dopedPIN-PMN-PT1200-17003000-40000.020.894.5-6115-130500-10003.商业化医用单晶超声换能器由于铅基压电单晶材料的优异性能，众多知名跨国公司如Philips,GE,Siemens,Hitachi,Toshiba,TRSTechnologies,Humanscan,BostonScientific,H.C.Materials等都开展了压电单晶医学超声探头产品的研发。20世纪90年代，东芝公司就率先开始了PZN-PT单晶相控阵的研究，其研制的3.7MHz单晶相控阵，比PZT陶瓷探头的带宽和灵敏度分别高出25%和5dB[4]。2004年11月，Philips推出了第一款面向市场的低频PureWave(SingleCrystal)单晶换能器。Philips的S5-1型探头，运用了PureWave单晶技术，并采用了独特的匹配层和背衬材料设计，在二维图像.18中国医疗器械信息|ChinaMedicalDeviceInformation专题·超声ThematicForum·Ultrasound质量和彩超多普勒信号灵敏度上树立了一个新的标杆。S5-1单晶换能器的优势体现在：1）可实现高质量二维图像的快速径向推进，大大提高了观察部位血流的分辨率；2）高质量的超声图像，使得可以精确地观察血液和组织的界面；3）提高了穿透能力；4）有效克服了心脏内膜和细微组织结构所形成的假象；5）带宽足以覆盖回波的二次谐波，增强了图像的分辨率，极大地丰富了医学诊断信息。随后，GE、Siemens和Hitachi公司也分别于2008和2009年相继推出单晶换能器。Philips公司的新型X7-2探头，如图2所示，整体外形尺寸为3.7cm×2.84cm×8.53cm，包含2500个独立工作单元，支持多种成像模式。该探头首次整合了PureWave单晶技术和xMATRIX技术，利用单晶材料的性能优势，使得三维解剖结构的显示图像更加清晰，同时探头的尺寸进一步缩小，结构更加紧凑，可应用于先天性心脏疾病的经胸影像评测以及心外膜成像介导等应用。表2列举了一些医疗影像设备厂商的主要单晶探头型号、类型及工作频率。从表中分析的结果可知，尽管铅基压电单晶探头已经在国外成功产业化，探头的带宽、灵敏度得到大幅提高，图像质量更清晰，医学影像信息更丰富，但是，单晶探头的工作频率基本上集中在中低频，而基于压电单晶材料的高频换能器阵列以及各种专业探头尚未广泛应用于临床诊疗，因此成为新的研究方向和热点。表2.医疗影像设备厂商的主要单晶探头型号及参数品牌型号换能器类型频率PhilipsC5-1凸阵1.0–5.0MHzS5-1一维相控阵1.0–5.0MHzS5-2一维相控阵1.0–5.0MHzX5-1二维相控阵1.0–5.0MHzX6-1二维相控阵1.0–6.0MHzX7-2t二维相控阵2.0–7.0MHzX7-2二维相控阵2.0–7.0MHzC10-3v凸阵3.0–10.0MHzGEM5S-D一维相控阵1.5–4.6MHzM5Sc-D一维相控阵1.5–4.6MHzSiemensP5-1一维相控阵1.0–5.0MHzHitachiEUP-S70一维相控阵1.0–5.0MHzSamsungSC1-6凸阵3.2MHz图2.Philips公司X7-2探头[5]4.单晶探头的新研究方向及技术进展4.1单晶复合材料换能器复合材料既可以用来做单波束超声换能器，也可以做多波束超声换能器，压电单晶复合材料的探头研制，同样有这两种发展方向。用单晶复合材料来设计单波束换能器的优势是非常明显的，且单晶复合材料，也多是采用1-3型或2-2型复合方式，改变了压电材料中压电相的振动模式，从而有效提高了单晶的机电耦合系数k33，如图3所示。切割-填充法仍然是目前比较通用的单晶复合材料制备方法。相比PZT，单晶材料脆而硬，内应力更大，在划槽时更易崩边并产生内部微小裂纹，所以在切割过程中需要选择合适的刀片，同时对切割速度、深度以及支撑材料进行调整优化[2]。当探头的工作频率设计高图3.1-3型和2-2型复合材料结构示意图.19ChinaMedicalDeviceInformation|中国医疗器械信息超声·专题Ultrasound·ThematicForum于20MHz时，单晶柱的宽度将小于50μm，传统的机械切割工艺将难以实现。TRS公司采用了光刻及干法刻蚀等微加工技术，可实现批量加工，获得更小的加工精度，但同时也存在刻蚀速度慢、耗时过长，对加工设备及场地要求高而导致的生产成本增高等问题[6]。Oakley和Zipparo2000年报道了中心频率为4MHz和6MHz的单晶1-3复合材料单波束超声换能器，其-6dB带宽分别达到100%和114%[7]。Ritter等报道了PZN-PT单晶复合材料研制的单波束探头系列，工作频率为3.5~4.5MHz，-6dB带宽为75~141%[8]。Hackenberger报道了PMN-PT单晶1-3复合的单阵元多普勒探头，带宽范围覆盖到1.75MHz到7.0MHz[9]。有不少文献报道用复合材料设计医学超声线阵或是其他多波束换能器，也有公司采用复合材料生产某些种类的线阵换能器，但是复合材料的使用会影响压电材料的有效面积，从而影响换能器的阻抗，并不适用于所有的多波束探头。2010年，ChanggengLIU等人利用微加工制作流程，结合光刻以及干法刻蚀技术，制备了基于PMN-PT单晶1-3复合材料的平面环形相控阵，如图4所示。PMN-PT微柱体的尺寸为9μm×9μm，干法刻蚀的速度~160nm/min