非聚焦声透镜材料、声透镜及其制备方法、超声探头与流程

1.本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种非聚焦声透镜材料、声透镜及其制备方法、超声探头。


背景技术：

2.目前，超声相控阵列聚焦技术在医学超声应用广泛，主要应用在超声诊断及超声治疗方面。超声诊断主要通过1.25d、1.5d、1.75d阵列结构在仰角方向改变孔径，实现在仰角方向的声束聚焦而得到高分辨率图像。超声治疗主要应用于高强度聚焦超声技术(high intensity focused ultrasound，简称hifu)，在治疗肿瘤及医美行业中应用广泛。相控阵列聚焦技术相比传统声透镜聚焦具有更探测方式灵活、深度更深及穿透力更高的优点。但是，传统的声透镜材料与人体组织的声阻抗存在一定的差异，导致超声波能量经过声透镜时发生一定衰减。同时，传统的声透镜因为起着聚焦作用，故形状受一定的限制。而相控阵列聚焦技术为了避免声透镜对能量衰减的影响，通常舍去声透镜或采用其他材料代替，使得超声相控阵列聚焦技术应用在诊断、治疗过程中，与人体不同部位皮肤的接触间隙过大，导致操作难度大。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种非聚焦声透镜材料、声透镜及其制备方法、超声探头，以解决现有技术中的问题。
4.为解决上述技术问题，本发明提供一种非聚焦声透镜材料，以重量份计，包括100份的丁基橡胶，1～3份的硫磺分散液和0.5～2份tmtd促进剂。
5.在一些实施例中，所述丁基橡胶的密度为1050～1150kg/m3，声速为1800m/s，阻抗为2.0mrayl。
6.在一些实施例中，还包括以重量份计5～15份的石蜡油。
7.在一些实施例中，所述硫磺分散液的固含量为30％～50％，所述硫磺分散液中硫磺的粒径为1～5μm。
8.在一些实施例中，还包括以重量份计1～3份的金属氧化物促进剂，
9.所述金属氧化物促进剂包括氧化锌和氧化镁中的至少一种；
10.所述金属氧化物促进剂的粒径为1～10μm。
11.本发明还提供一种声透镜，所述声透镜的材质为如上所述的非聚焦声透镜材料。
12.本发明还提供一种声透镜的制备方法，包括以下步骤：
13.称取以重量份计的100份的丁基橡胶，1～3份的硫磺分散液和0.5～2份的tmtd促进剂；
14.将所述丁基橡胶加入高速抽真空搅拌机中，保持转速3000～5000rpm，加入所述硫磺分散液和所述tmtd促进剂，充分搅拌1～3小时，得到混合物；
15.将所述混合物倒入声透镜模具中，将所述声透镜模具以及所述混合物置于烘箱中
在120℃～150℃硫化80～120分钟，冷却至室温后由模具中取出并得到所述声透镜。
16.在一些实施例中，称取以重量份计5～15份的石蜡油，加至含有所述丁基橡胶、所述硫磺分散液和所述tmtd促进剂的高速抽真空搅拌机，搅拌均匀得到混合物；
17.称取以重量份计1～3份的金属氧化物促进剂，加至含有所述丁基橡胶、所述硫磺分散液和所述tmtd促进剂的高速抽真空搅拌机，搅拌均匀得到混合物。
18.本发明还提供一种超声探头，包括如上所述的声透镜。
19.由上述技术方案可知，本发明的优点和积极效果在于：
20.本发明以丁基橡胶作为主体，硫磺作为硫化剂，并采用tmtd促进剂加快两者之间的硫化反应，而最终得到非聚焦声透镜材料，该非聚焦声透镜材料与人体组织的声学参数接近，应用在超声相控阵列聚焦技术中能够提高精准定位，同时不会降低超声能量的传播。且该非聚焦声透镜材料在制作声透镜时，声透镜的形状可根据诊疗需求而定，使声透镜的形状可以随意变化，解决了因声透镜尺寸问题导致诊疗过程操作难度大的问题。
附图说明
21.图1是本发明声透镜的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
22.体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
23.为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
24.目前，传统声透镜材料声速、密度等与人体组织声速存在较大的差异，声波传播过程会发生反射和折射，造成能量的损失。同时，传统的声透镜因为需要起聚焦作用，故形状受一定的限制。因此，传统的声透镜无法应用于超声相控阵列聚焦技术中。
25.因此，本发明提供一种声学参数与人体组织非常接近的非聚焦声透镜材料，以及采用该非聚焦声透镜材料制备的声透镜，该声透镜的制备方法，以及具有该声透镜的超声探头。
26.以下具体介绍该非聚焦声透镜材料。
27.具体地，以重量份计，非聚焦声透镜材料包括100份的丁基橡胶，1～3份的硫磺分散液和0.5～2份tmtd促进剂。
28.其中，丁基橡胶(isobutylene isoprene rubber，简称iir)作为非聚焦声透镜材料的主体材料，其具有良好的化学稳定性、气密性、耐磨性、耐热性及水密性，蒸汽透过率只有天然橡胶的1/200。
29.具体地，本技术选用丁基橡胶的密度为1050～1150kg/m3，声速为1800m/s左右，阻抗为2.0mrayl，较接近人体组织的声阻抗。
30.硫磺分散液的固含量为30％～50％，即含有硫磺30％～50％。本实施例中，以重量份计，硫磺分散液具体包括30～50份的硫磺，0.5～2份的非离子表面活性剂(扩散剂nno)，0.2～0.5份的稳定剂(气相二氧化硅、羟甲基纤维素)，50～70份的纯水。
31.硫磺分散液中硫磺的粒径为1～5μm。
32.硫磺作为硫化剂，使丁基橡胶的橡胶分子通过硫磺的作用从原本的聚合物链形成桥状分子结构，提高机械性能。
33.tmtd促进剂的化学名称为n,n-四甲基二硫双硫羰胺，分子式为c6h
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n2s4。tmtd促进剂作为丁基橡胶硫化过程中的促进剂，加快硫化反应的发生，提高硫化速度，降低硫化温度，使丁基橡胶在短时间内达到完全硫化的状态。
34.本技术的发明人选用丁基橡胶作为主体，选用硫磺作为硫化剂，并采用tmtd促进剂加快两者之间的硫化反应，而最终得到非聚焦声透镜材料，该非聚焦声透镜材料与人体组织的声学参数接近。
35.进一步地，非聚焦声透镜材料还包括以重量份计5～15份的石蜡油。石蜡油在声透镜材料体系中能够调整丁基橡胶的硬度，使其与人体皮肤接触更友好。同时加入橡胶用石蜡油能够影响声透镜材料的密度及声速，因此能改变非聚焦声透镜材料的声阻抗。加入合适量的石蜡油能制备出与人体皮肤组织声学参数更为接近的非聚焦声透镜材料。
36.非聚焦声透镜材料还包括以重量份计1～3份的金属氧化物促进剂。金属氧化物促进剂的粒径为1～10μm。
37.其中，金属氧化物促进剂包括氧化锌和氧化镁中的至少一种。
38.氧化锌、氧化镁等金属氧化物促进剂使桥状分子结构的丁基橡胶通过金属离子键形成稳定的网状结构，大大提升了的抗撕裂性能、耐腐蚀性、耐磨性等。
39.该非聚焦声透镜材料与人体组织的声学参数接近，应用在超声相控阵列聚焦技术中能够提高精准定位，同时不会降低超声能量的传播。
40.该非聚焦声透镜材料在制备声透镜时，声透镜的形状可根据诊疗需求而定，使声透镜的形状可以随意变化，解决了因声透镜尺寸问题导致诊疗过程操作难度大的问题。
41.本发明还提供一种声透镜，其材质为如上的非聚焦声透镜材料。
42.由于该声透镜采用非聚焦声透镜材料，不起聚焦作用，能够随意定制形状，因此，可根据诊疗部位的形状而随意制作与之匹配形状的声透镜，使其与人体组织更贴合，使诊疗过程变得更简单，同时加大贴合程度，降低缝隙对超声传播的影响。
43.图1示出了声透镜的制备方法，参阅图1，包括以下步骤：
44.s1、称取以重量份计100份的丁基橡胶，1～3份的硫磺分散液和0.5～2份tmtd促进剂。
45.s2、将丁基橡胶加入高速抽真空搅拌机中，保持转速3000～5000rpm，加入硫磺分散液和tmtd促进剂，充分搅拌1～3小时，得到混合物。
46.在还包括石蜡油时，称取以重量份计5～15份的石蜡油，加至含有丁基橡胶、硫磺分散液和tmtd促进剂的高速抽真空搅拌机，搅拌均匀得到混合物。
47.在还包括金属氧化物促进剂时，称取以重量份计1～3份的金属氧化物促进剂，加至含有丁基橡胶、硫磺分散液和tmtd促进剂的高速抽真空搅拌机，搅拌均匀得到混合物。
48.s3、将混合物倒入声透镜模具中，将声透镜模具以及混合物置于烘箱中在120℃～150℃硫化80～120分钟，冷却至室温后由模具中取出并得到声透镜。
49.该声透镜的制备方法简单，根据需求选择合适的模具，加入丁基橡胶、硫磺分散液、tmtd促进剂、石蜡油和金属氧化物促进剂，加温硫化即可得到声透镜。
50.本技术的发明人严格设计各组分的含量，以下通过各实施例介绍。
51.实施例一
52.以重量份计，非聚焦声透镜材料包括100份的丁基橡胶，2份的硫磺分散液和0.5份tmtd促进剂，硫磺分散液的固含量为40％。
53.声透镜采用上述非聚焦声透镜材料制备得到，制备方法如下：
54.s11、称取以重量份计100份的丁基橡胶，2份的硫磺分散液和0.5份tmtd促进剂。
55.s12、将丁基橡胶加入高速抽真空搅拌机中，保持转速3000rpm，加入硫磺分散液和tmtd促进剂，充分搅拌2小时，得到混合物。
56.s13、将混合物倒入声透镜模具中，将声透镜模具以及混合物置于烘箱中在150℃硫化80分钟，冷却至室温后由模具中取出并得到声透镜。
57.实施例二
58.以重量份计，非聚焦声透镜材料包括100份的丁基橡胶，2份的硫磺分散液、2份金属氧化物促进剂和0.5份tmtd促进剂，硫磺分散液的固含量为40％。
59.声透镜采用上述非聚焦声透镜材料制备得到，制备方法如下：
60.s21、称取以重量份计100份的丁基橡胶，2份的硫磺分散液和0.5份tmtd促进剂。
61.s22、将丁基橡胶加入高速抽真空搅拌机中，保持转速5000rpm，加入硫磺分散液和tmtd促进剂，充分搅拌2小时，得到混合物。
62.还称取以重量份计2份的金属氧化物促进剂，加至含有丁基橡胶、硫磺分散液和tmtd促进剂的高速抽真空搅拌机，搅拌均匀得到混合物。
63.s23、将混合物倒入声透镜模具中，将声透镜模具以及混合物置于烘箱中在120℃硫化120分钟，冷却至室温后由模具中取出并得到声透镜。
64.实施例三
65.以重量份计，非聚焦声透镜材料包括100份的丁基橡胶，2份的硫磺分散液、2份金属氧化物促进剂、0.5份tmtd促进剂和5份石蜡油，硫磺分散液的固含量为40％。
66.声透镜采用上述非聚焦声透镜材料制备得到，制备方法如下：
67.s31、称取以重量份计100份的丁基橡胶，2份的硫磺分散液和0.5份tmtd促进剂。
68.s32、将丁基橡胶加入高速抽真空搅拌机中，保持转速5000rpm，加入硫磺分散液和tmtd促进剂，充分搅拌2小时，得到混合物。
69.还称取以重量份计2份的金属氧化物促进剂，加至含有丁基橡胶、硫磺分散液和tmtd促进剂的高速抽真空搅拌机，搅拌均匀得到混合物。
70.还称取以重量份计5份的石蜡油，加至含有丁基橡胶、硫磺分散液、tmtd促进剂和金属氧化物促进剂的高速抽真空搅拌机，搅拌均匀得到混合物。
71.s33、将混合物倒入声透镜模具中，将声透镜模具以及混合物置于烘箱中在120℃硫化100分钟，冷却至室温后由模具中取出并得到声透镜。
72.实施例四
73.以重量份计，非聚焦声透镜材料包括100份的丁基橡胶，1份的硫磺分散液、1份金属氧化物促进剂、1份tmtd促进剂和8份石蜡油，硫磺分散液的固含量为40％。
74.声透镜采用上述非聚焦声透镜材料制备得到，制备方法如下：
75.s41、称取以重量份计100份的丁基橡胶，1份的硫磺分散液和1份tmtd促进剂。
76.s42、将丁基橡胶加入高速抽真空搅拌机中，保持转速4000rpm，加入硫磺分散液和tmtd促进剂，充分搅拌3小时，得到混合物。
77.还称取以重量份计1份的金属氧化物促进剂，加至含有丁基橡胶、硫磺分散液和tmtd促进剂的高速抽真空搅拌机，搅拌均匀得到混合物。
78.还称取以重量份计8份的石蜡油，加至含有丁基橡胶、硫磺分散液、tmtd促进剂和金属氧化物促进剂的高速抽真空搅拌机，搅拌均匀得到混合物。
79.s43、将混合物倒入声透镜模具中，将声透镜模具以及混合物置于烘箱中在130℃硫化90分钟，冷却至室温后由模具中取出并得到声透镜。
80.实施例五
81.以重量份计，非聚焦声透镜材料包括100份的丁基橡胶，3份的硫磺分散液、3份金属氧化物促进剂、2份tmtd促进剂和10份石蜡油，硫磺分散液的固含量为40％。
82.声透镜采用上述非聚焦声透镜材料制备得到，制备方法如下：
83.s51、称取以重量份计100份的丁基橡胶，3份的硫磺分散液和2份tmtd促进剂。
84.s52、将丁基橡胶加入高速抽真空搅拌机中，保持转速4000rpm，加入硫磺分散液和tmtd促进剂，充分搅拌3小时，得到混合物。
85.还称取以重量份计1份的金属氧化物促进剂，加至含有丁基橡胶、硫磺分散液和tmtd促进剂的高速抽真空搅拌机，搅拌均匀得到混合物。
86.还称取以重量份计8份的石蜡油，加至含有丁基橡胶、硫磺分散液、tmtd促进剂和金属氧化物促进剂的高速抽真空搅拌机，搅拌均匀得到混合物。
87.s53、将混合物倒入声透镜模具中，将声透镜模具以及混合物置于烘箱中在130℃硫化110分钟，冷却至室温后由模具中取出并得到声透镜。
88.实施例六
89.以重量份计，非聚焦声透镜材料包括100份的丁基橡胶，2.5份的硫磺分散液、2.5份金属氧化物促进剂、1.5份tmtd促进剂和15份石蜡油，硫磺分散液的固含量为40％。
90.声透镜采用上述非聚焦声透镜材料制备得到，制备方法如下：
91.s61、称取以重量份计100份的丁基橡胶，2.5份的硫磺分散液和2.5份tmtd促进剂。
92.s62、将丁基橡胶加入高速抽真空搅拌机中，保持转速5000rpm，加入硫磺分散液和tmtd促进剂，充分搅拌1小时，得到混合物。
93.还称取以重量份计2.5份的金属氧化物促进剂，加至含有丁基橡胶、硫磺分散液和tmtd促进剂的高速抽真空搅拌机，搅拌均匀得到混合物。
94.还称取以重量份计15份的石蜡油，加至含有丁基橡胶、硫磺分散液、tmtd促进剂和金属氧化物促进剂的高速抽真空搅拌机，搅拌均匀得到混合物。
95.s63、将混合物倒入声透镜模具中，将声透镜模具以及混合物置于烘箱中在140℃硫化90分钟，冷却至室温后由模具中取出并得到声透镜。
96.对比例一
97.以重量份计，声透镜材料包括100份rtv-630a组分和10份的rtv-630b组分。
98.声透镜采用上述声透镜材料制备得到，制备方法如下：
99.s71、称取以重量份计100份的rtv-630a组分和10份的rtv-630b组分。
100.s72、将rtv-630a组分加入高速抽真空搅拌机中，保持转速5000rpm，加入rtv-630b
组分，充分搅拌20min，得到混合物。
101.s73、将混合物倒入声透镜模具中，将声透镜模具以及混合物置于烘箱中在60℃硫化2小时，冷却至室温后由模具中取出并得到声透镜。
102.对比例二
103.以重量份计，非聚焦声透镜材料包括100份的丁基橡胶和2份的硫磺分散液。
104.声透镜采用上述非聚焦声透镜材料制备得到，制备方法如下：
105.s81、称取以重量份计100份的丁基橡胶和2份的硫磺分散液。
106.s82、将丁基橡胶加入高速抽真空搅拌机中，保持转速5000rpm，加入硫磺分散液，充分搅拌1小时，得到混合物。
107.s83、将混合物倒入声透镜模具中，将声透镜模具以及混合物置于烘箱中在140℃硫化5小时，冷却至室温后由模具中取出并得到声透镜。
108.需要说明的是，对比例二中的非聚焦声透镜材料在硫化2小时的情况下硫化不完全，无法成型。且对比例二中至少需要硫化4小时才能硫化完全。因此，本技术的实施例一至六相较于对比例二，硫化时间较短，成型效率较高。
109.对上述实施例以及对比例的声透镜进行抗撕裂性能和声学性能测试，分别进行对比。
110.其中，抗撕裂性能测试采用下述方法：根据gb/t 529-2008中直角形试样要求，制备2mm厚的测试块，采用专业的裁刀制备测试样品，设置拉力机速度为500mm/min，通恒定速度测试其撕裂过程的最大力值及距离，计算撕裂强度。
111.声学性能测试采用下述方法：通过合适的模具制备10mm厚度测试块，由脉冲发射/接收仪连接2.5mhz的换能器，在水中固定测试块，通过脉冲发射/接收仪和示波器，测试声波第一次在测试块表面的反射信号及声波透过测试块的第二次反射信号的时间及能量差，计算声速及衰减系数。
112.表一声透镜测试结果
[0113][0114]
其中，v为声速，在1500～1650m/s内更接近人体组织的声速，减少超声能量的反射。z为阻抗，在1.5～1.6mrayl内更优，更接近人体组织的阻抗，减小了衰减。α为声衰系数，其数值越低越好，即衰减程度越小。shore为邵氏硬度，其值在65-80较佳，因为人体对该硬度范围的探头的体验感较好。
[0115]
依据上述表格可知，相较于对比例一和对比例二，实施例一至实施例六中的声透镜的密度、声速、声阻抗以及声衰减的性能均优于对比例，且实施例的声阻抗更接近于人体组织的声阻抗，同时声衰减没有呈上升的趋势，均处于合适范围内。
[0116]
声透镜的抗撕裂强度的提升能够有效解决因声透镜摩擦损坏影响医用探头的性能，且在探头性能保持的前提下，延长探头的使用期限。
[0117]
虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种非聚焦声透镜材料，其特征在于，以重量份计，包括100份的丁基橡胶，1～3份的硫磺分散液和0.5～2份tmtd促进剂。2.根据权利要求1所述的非聚焦声透镜材料，其特征在于，所述丁基橡胶的密度为1050～1150kg/m3，声速为1800m/s，阻抗为2.0mrayl。3.根据权利要求1所述的非聚焦声透镜材料，其特征在于，还包括以重量份计5～15份的石蜡油。4.根据权利要求1所述的非聚焦声透镜材料，其特征在于，所述硫磺分散液的固含量为30％～50％，所述硫磺分散液中硫磺的粒径为1～5μm。5.根据权利要求1所述的非聚焦声透镜材料，其特征在于，还包括以重量份计1～3份的金属氧化物促进剂，所述金属氧化物促进剂包括氧化锌和氧化镁中的至少一种；所述金属氧化物促进剂的粒径为1～10μm。6.一种声透镜，其特征在于，所述声透镜的材质为如权利要求1～5任意一项所述的非聚焦声透镜材料。7.一种声透镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：称取以重量份计的100份的丁基橡胶，1～3份的硫磺分散液和0.5～2份的tmtd促进剂；将所述丁基橡胶加入高速抽真空搅拌机中，保持转速3000～5000rpm，加入所述硫磺分散液和所述tmtd促进剂，充分搅拌1～3小时，得到混合物；将所述混合物倒入声透镜模具中，将所述声透镜模具以及所述混合物置于烘箱中在120℃～150℃硫化80～120分钟，冷却至室温后由模具中取出并得到所述声透镜。8.根据权利要求7所述的声透镜的制备方法，其特征在于，称取以重量份计5～15份的石蜡油，加至含有所述丁基橡胶、所述硫磺分散液和所述tmtd促进剂的高速抽真空搅拌机，搅拌均匀得到混合物；称取以重量份计1～3份的金属氧化物促进剂，加至含有所述丁基橡胶、所述硫磺分散液和所述tmtd促进剂的高速抽真空搅拌机，搅拌均匀得到混合物。9.一种超声探头，其特征在于，包括如权利要求6所述的声透镜。

技术总结
本发明提供一种非聚焦声透镜材料、声透镜及其制备方法、超声探头。非聚焦声透镜材料，以重量份计，包括100份的丁基橡胶，1～3份的硫磺分散液和0.5～2份TMTD促进剂。本发明以丁基橡胶作为主体，硫磺作为硫化剂，并采用TMTD促进剂加快两者之间的硫化反应，而最终得到非聚焦声透镜材料，该非聚焦声透镜材料与人体组织的声学参数接近，应用在超声相控阵列聚焦技术中能够提高精准定位，同时不会降低超声能量的传播。且该非聚焦声透镜材料在制备声透镜时，声透镜的形状可根据诊疗需求而定，实现透镜随意形状，解决了因声透镜尺寸问题导致诊疗过程操作难度大的问题。作难度大的问题。作难度大的问题。


技术研发人员：何晓俊
受保护的技术使用者：深圳鲲为科技有限公司
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/7/27