高性能(K0.5Na0.5)NbO3陶瓷無(wú)鉛醫(yī)用超聲換能器及其成像

陳興飛,黃 堯,李曉兵*,孫豐龍,楊釗萍,李 堯,羅來(lái)慧*,周長(zhǎng)江

(1. 上海理工大學(xué) 健康科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200093;2. 寧波大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,浙江 寧波 315211;3.山東第一醫(yī)科大學(xué) 附屬人民醫(yī)院超聲科,山東 濟(jì)南 271100)

0 引言

醫(yī)用超聲成像技術(shù)因其高效、安全、無(wú)創(chuàng)而廣泛應(yīng)用于人體的心臟、腹部、甲狀腺等組織的臨床診斷[1]中。壓電材料作為超聲換能器的核心,將影響換能器的成像質(zhì)量。以Pb(Zr1-xTix)O3(PZT)陶瓷為代表的傳統(tǒng)鉛基壓電材料,因其性能穩(wěn)定,易制備,仍占據(jù)國(guó)際醫(yī)用超聲換能器的主要市場(chǎng),但其原料中的高含鉛量對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境都有較大危害[2]。近年來(lái),超聲換能器技術(shù)的無(wú)鉛化、高頻化成為國(guó)際研究熱點(diǎn)。此外,PZT陶瓷較高的聲阻抗限制了匹配層、背襯等換能器部件的制備,而無(wú)鉛壓電陶瓷因其相對(duì)較低的聲阻抗而使各部分更易匹配,特別是在高頻超聲波段,采用無(wú)鉛壓電材料有助于換能器同時(shí)獲得高分辨率和高穿透深度。

為了替代商用含鉛材料PZT陶瓷,實(shí)現(xiàn)高性能壓電材料的無(wú)鉛化,目前國(guó)際上主要針對(duì)(Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)和(K0.5Na0.5)NbO3(KNN)兩個(gè)體系進(jìn)行制備,并對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行研究。Taghaddos等[3]利用閃燒法燒結(jié)制備出BNT基陶瓷,其壓電常數(shù)d33≈92 pC/N,機(jī)電耦合系數(shù)kp≈21.2%。LI等[4]通過(guò)摻雜的方法提升了其壓電性能,制備出d33≈205 pC/N的BNT基陶瓷。Jiang等[5]通過(guò)構(gòu)建R-O-T相邊界的方法制備了d33≈306 pC/N、kp≈48%的KNN基壓電陶瓷。LIU等[6]制備出d33≈408 pC/N、kp≈51%的高性能KNN基壓電陶瓷。與BNT基陶瓷相比,KNN基陶瓷普遍具有更高的壓電性能和機(jī)電耦合性能。

醫(yī)用超聲換能器在無(wú)鉛化基礎(chǔ)上的高頻化是國(guó)內(nèi)外的另一個(gè)研究熱點(diǎn)。KNN基陶瓷因其高的壓電性而更適用于制備大帶寬、高靈敏度的高頻超聲換能器。BAH等[7]利用未摻雜的KNN陶瓷制備了中心頻率為2.2 MHz、-6 dB帶寬為78%的換能器。Zhao等[8]使用錳摻雜的KNN基壓電單晶制備了中心頻率為20.9 MHz、-6 dB帶寬為65.3%的高頻超聲換能器。Zhu等[9]利用新型KNN基壓電陶瓷制備了高靈敏度的高頻超聲針式換能器,其中心頻率為37 MHz,-6 dB帶寬為56.8%,插入損耗為-16 dB。CHEN等[10]研究了一種新型KNN基陶瓷,用于開發(fā)醫(yī)用高頻超聲換能器,其中心頻率高達(dá)52.6 MHz,-6 dB帶寬為64.4%,插入損耗為-16 dB。

在醫(yī)用超聲成像技術(shù)應(yīng)用中,KNN基陶瓷具有優(yōu)異的壓電、聲學(xué)等綜合性能,可替代PZT陶瓷應(yīng)用于制備超聲換能器[11-12]。一方面,其最高壓電常數(shù)d33接近PZT陶瓷,居里溫度為232 ℃;另一方面,其具有更低的聲阻抗(PZT的聲特性阻抗約為34 MRayl(1 MRayl=106Pa·S/m),KNN 的聲特性阻抗約為23 MRayl),易與人體實(shí)現(xiàn)聲阻抗匹配。在低聲阻抗條件下,換能器的匹配層、背襯等易制備,從而獲得更高的靈敏度以提升換能器的成像質(zhì)量。因此,將KNN陶瓷用于醫(yī)用超聲換能器具有較大的商業(yè)化意義。

本文結(jié)合高性能壓電材料的無(wú)鉛化和高頻醫(yī)用超聲應(yīng)用,用摻雜改性的方法優(yōu)化KNN陶瓷的綜合性能,并基于KLM等效電路模型對(duì)高頻超聲換能器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),再制備KNN陶瓷超聲換能器,最后對(duì)人體管道組織模型進(jìn)行B模式超聲成像,以評(píng)估無(wú)鉛換能器的成像能力。從理論和實(shí)踐上證明了KNN基壓電陶瓷的商業(yè)化應(yīng)用可行性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 摻雜KNN基陶瓷的制備及性能測(cè)試

本文采用固相反應(yīng)法制備了BaZrO3摻雜的KNN陶瓷[13]。以K2CO3(99%)、Na2CO3(99.8%)、Nb2O5(99.5%)、BaCO3(99%)、ZrO2(99%)為原料,丙醇為介質(zhì),充分混合后得到KNN陶瓷粉末。將混合均勻的KNN陶瓷粉末放入60 ℃的干燥箱中進(jìn)行干燥處理,再將其與作為粘合劑的聚乙烯醇(PVA)混合,對(duì)其施加20 MPa的壓力,得到直徑?10 mm、厚1 mm的圓片;再在1 100 ℃下進(jìn)行燒結(jié),將燒結(jié)后樣品進(jìn)行拋光,并覆蓋銀漿作為電極,室溫下在硅油中以4 kV/mm的直流電壓進(jìn)行極化。

利用X線衍射儀(Bruker D8 Advanced,XRD)獲得KNN陶瓷的XRD衍射圖,對(duì)陶瓷片進(jìn)行物相分析。使用鐵電測(cè)試儀(TF Analyzer 2000)測(cè)得陶瓷片的電滯回線。利用準(zhǔn)靜態(tài)d33測(cè)量?jī)x(Sinocera YE2730)測(cè)得陶瓷樣品的壓電常數(shù)。在25～300 ℃內(nèi),用精密LCR測(cè)試儀(Keysight E4980A)測(cè)量了介電常數(shù)的溫度依賴性,以確定相變溫度和擴(kuò)散行為。此外,將陶瓷片制成壓電振子后用阻抗分析儀(Agilent 4294A)測(cè)量其壓電性能。

1.2 換能器的設(shè)計(jì)與制備

采用KLM理論構(gòu)建換能器的結(jié)構(gòu)模型?；贙NN壓電陶瓷的電學(xué)、力學(xué)參數(shù),對(duì)目標(biāo)頻率(20 MHz)的換能器進(jìn)行性能計(jì)算。通過(guò)傳輸矩陣的形式充分考慮了影響換能器性能的因素,對(duì)壓電材料、匹配層材料和背襯材料組成的換能器進(jìn)行理論計(jì)算。聲學(xué)匹配層的聲阻抗[14]為

(1)

(2)

式中:Z1為第一層匹配層的聲阻抗;Z2為第二層匹配層的聲阻抗;Z0,ZL分別為壓電材料和工作介質(zhì)的聲阻抗。以KLM模型及λ/4(λ為波長(zhǎng))理論為基礎(chǔ)計(jì)算出換能器的聲學(xué)特性參數(shù)如表1所示。

表1 換能器的聲學(xué)特性參數(shù)

基于設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)模型制備出KNN基陶瓷換能器,首先將燒結(jié)所得陶瓷片經(jīng)過(guò)磨薄、拋光等處理后切割成尺寸為1.0 mm×1.0 mm×0.1 mm的薄片,再經(jīng)濺射電極、極化等處理后制成壓電振子。將環(huán)氧樹脂(EPOTEK 301)與鎢粉按質(zhì)量比1∶3混合均勻作為換能器的背襯吸聲材料。將ZrO2粉與環(huán)氧樹脂按一定比例混合,待其固化48 h后磨薄至29 μm作為內(nèi)匹配層,再以同樣方法制備出厚34 μm的環(huán)氧樹脂作為外匹配層。制備完成后,將換能器在室溫下以4 kV/mm的直流電壓極化15 min,并進(jìn)行性能測(cè)試。

1.3 換能器的性能測(cè)試及成像

采用脈沖回波法對(duì)KNN換能器進(jìn)行性能測(cè)試。利用升降臺(tái)和2個(gè)平面平移裝置搭建了脈沖回波測(cè)試裝置,使換能器可實(shí)現(xiàn)X,Y,Z3個(gè)方向的移動(dòng)。首先,在注滿去離子水的容器中放置一塊鋼板作為反射靶,用以反射超聲波,調(diào)整容器高度使換能器浸入水中與鋼板的距離為3 mm。然后,使用超聲波脈沖發(fā)射接收儀(DPR300)激勵(lì)壓電振子,激勵(lì)電壓為10 V。由示波器(DSOX1102A)獲得回波信號(hào),再對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換得到帶寬頻譜。通過(guò)脈沖回波響應(yīng)曲線來(lái)評(píng)估換能器的性能。

利用鋼針測(cè)試換能器的成像分辨率。首先將5根直徑?0.25 mm的鋼針插入橡膠中,保持鋼針間橫向和軸向方向平行,且間距幾乎相等。然后將換能器平行放置于模型上方約1 mm處,在X方向上每隔0.1 mm采集1次信號(hào),共采集148條回波信號(hào)。

通過(guò)對(duì)管道模型進(jìn)行B模式超聲成像來(lái)評(píng)估制備換能器的成像能力。首先,利用聚二甲基硅氧烷和橡膠管制備出人體組織模型,在其上表面覆蓋一層超聲耦合劑。然后將換能器放置于距模型上表面3 mm處,沿著垂直于橡膠管方向每隔0.1 mm采集1次信號(hào),共采集47條回波信號(hào)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 KNN壓電陶瓷的性能

圖1為KNN基陶瓷粉末在室溫下的XRD圖及電滯(P-E)回線圖譜。由圖1(a)可看出,陶瓷樣品屬于標(biāo)準(zhǔn)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),無(wú)明顯的二次峰,說(shuō)明在進(jìn)行球磨時(shí),原料得到充分混合,在45°時(shí)峰值的差異表明陶瓷此刻相結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變[15]。室溫下測(cè)得燒結(jié)陶瓷的電滯回線如圖1(b)所示。由圖1(b)可知,樣品在低于擊穿強(qiáng)度的電場(chǎng)下呈現(xiàn)出完整的P-E回線,表明燒結(jié)的陶瓷為鐵電體。

圖1 KNN基陶瓷樣品的XRD及電滯回線圖譜

圖2為25～300 ℃、10 kHz～1 MHz下KNN陶瓷的介電常數(shù)εr隨溫度的變化關(guān)系。由圖可看出,εr隨溫度的升高而升高,在70 ℃和232 ℃時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)變,分別對(duì)應(yīng)KNN基陶瓷正交相向四方相的轉(zhuǎn)變和四方相向立方相的轉(zhuǎn)變。232 ℃時(shí),εr達(dá)到最高值,隨后又隨溫度的升高迅速減小,介電峰在不同頻率下都是尖峰單峰,表明在低于232 ℃下KNN陶瓷的εr很穩(wěn)定,具有良好的溫度穩(wěn)定性。圖中,TC為居里溫度,TO-T為相變溫度。

圖2 KNN基陶瓷樣品的介電溫譜

圖3為實(shí)驗(yàn)與理論模擬的KNN基陶瓷的阻抗相位譜。根據(jù)其諧振頻率和反諧振頻率可計(jì)算出壓電材料的機(jī)電耦合系數(shù)[16]為

圖3 KNN陶瓷阻抗譜理論與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比

(3)

式中:fr為諧振頻率;fa為反諧振頻率。

圖3(a) 為相同尺寸下有限元模擬與實(shí)驗(yàn)所用KNN基陶瓷的阻抗譜。由圖可知,有限元模擬的fa、fr、kt均與實(shí)驗(yàn)制備出的陶瓷一致,進(jìn)而驗(yàn)證了模擬所選用的陶瓷參數(shù)的正確性。該陶瓷的密度(ρ)、居里溫度(TC)、矯頑場(chǎng)(Ec)及kt等性能參數(shù)如表2所示。

2.2 高頻超聲換能器的設(shè)計(jì)與制備

換能器結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。基于KLM模型設(shè)計(jì)了雙層匹配層結(jié)構(gòu),以提升換能器的性能。圖4(b)為制備的單振元換能器實(shí)物圖。制備換能器所用壓電振子尺寸為1.0 mm×1.0 mm×0.1 mm,結(jié)合KNN基陶瓷的相關(guān)參數(shù)和換能器的目標(biāo)頻率確定。

圖4 設(shè)計(jì)制備的醫(yī)用超聲換能器

2.3 高頻超聲換能器的性能

采用脈沖回波法測(cè)試換能器的性能。使用超聲脈沖發(fā)射儀對(duì)換能器中壓電振子進(jìn)行激勵(lì),發(fā)射并接收鋼板的回波信號(hào),再由示波器快速傅里葉變換(FFT)獲得頻譜。由頻譜確定換能器的中心頻率(fc)和-6 dB帶寬(BW-6 dB),通過(guò)脈沖發(fā)射儀的激發(fā)電壓Vi和脈沖回波電壓Vo可得插入損耗[7]為

IL=20log (Vo/Vi)

(4)

根據(jù)測(cè)量的頻譜[8]可得:

(5)

(6)

式中f1,f2分別為-6 dB時(shí)頻譜的下頻率和上頻率。

圖5為有限元模擬和實(shí)驗(yàn)制備的KNN陶瓷換能器脈沖回波響應(yīng)頻譜圖。由圖可清晰看出脈沖回波及頻譜波形。制備的換能器回波測(cè)試中噪聲信號(hào)較大,信噪比[17]為

圖5 計(jì)算與實(shí)驗(yàn)獲得的超聲換能器脈沖回波與頻譜圖

(7)

式中:Vecho為回波的電壓幅值;Vnoise為噪聲的電壓幅值。由式(7)可計(jì)算得到換能器的信噪比為24 dB。

在確保KNN基陶瓷參數(shù)正確的情況下,設(shè)計(jì)的雙層匹配層可提升換能器的帶寬等性能。其相關(guān)性能參數(shù)如表3所示。

表3 KNN陶瓷換能器的性能參數(shù)

表4為不同材料制備換能器的性能參數(shù)。由表可知,本文采用KNN基陶瓷制備的超聲換能器帶寬較大,這主要是因?yàn)楸疚闹苽涞玫降腒NN基陶瓷具有更高的d33和kt,且KNN基陶瓷的聲阻抗比鉛基陶瓷的聲阻抗低,所以更易制備出與生物組織匹配度更高的匹配層。

表4 不同材料制備的換能器性能

2.4 B模式超聲成像

圖6為換能器的探測(cè)深度測(cè)試模型及其結(jié)果。該模型為一個(gè)布滿5根鋼針的橡膠,其尺寸為10 mm×10 mm×16 mm。通過(guò)脈沖回波裝置移動(dòng)換能器,使其在模型上方平行掃過(guò)一條線,記錄下其回波信號(hào),得到圖像如圖6(a)所示。

圖6 換能器的探測(cè)深度測(cè)試模型及結(jié)果

由圖6(a)可清晰看到每根鋼針的分布情況,圖像由上向下超聲信號(hào)逐漸減弱,說(shuō)明超聲在傳播過(guò)程中存在衰減,且該換能器的探測(cè)深度為16 mm。

對(duì)于超聲換能器的軸向分辨率和橫向分辨率分別[10]為

(8)

(9)

式中:c為聲速;λ為介質(zhì)中超聲波波長(zhǎng);l為換能器表面到鋼針的距離;d為壓電振子的邊長(zhǎng)。由式(8)計(jì)算得到換能器的縱向分辨率為47 μm。圖6中第二根鋼針在4.5 mm處的橫向分辨率為375 μm。

圖7為人體管道組織模型及B模式成像結(jié)果。因?yàn)榫鄱谆柩跬榕c人體的生物組織性質(zhì)相似,所以將一根橡膠管固定在聚二甲基硅氧烷中制備出人體組織模型,如圖7(a)所示。圖7(b)為模型中間橡膠管的截面圖。由圖可知,橡膠管內(nèi)直徑為?2 mm,外直徑為?4 mm。圖7(c)為換能器掃描所得B模式成像圖。由圖可清晰看出橡膠管上下表面的內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu),說(shuō)明該換能器具備良好的成像能力。

圖7 人體管道組織模型及B模式超聲成像圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用優(yōu)化的固相燒結(jié)法成功制備出高性能摻雜改性的KNN基壓電陶瓷,對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的性能表征,其機(jī)電耦合系數(shù)約為55%,壓電常數(shù)約為400 pC/N,聲阻抗約為23 MRayl,說(shuō)明該材料具有優(yōu)異的綜合性能,且較低的聲阻抗使其在換能器制備方面具有更好的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制備了醫(yī)用高頻超聲換能器,其中心頻率為18.0 MHz時(shí),-6 dB帶寬高達(dá)93%,縱向分辨率達(dá)47 μm。通過(guò)對(duì)管道模型進(jìn)行B模式成像,展示了該換能器同時(shí)具有較高的分辨率和較高的穿透深度。研究表明,KNN基陶瓷具有優(yōu)異的綜合性能,有望成為一種可商業(yè)化應(yīng)用的高頻超聲成像用無(wú)鉛壓電材料。