摘要：本文聚焦于脉冲波碎石术（Burst Wave Lithotripsy，BWL）中换能器的设计。阐述了 BWL 的基本原理及其对换能器设计的特殊要求，详细介绍了换能器的关键设计要素，包括压电材料的选择、结构设计与优化方法，以及相关的电学匹配和散热考量等方面。探讨

脉冲波碎石术（Burst Wave Lithotripsy，简称BWL）是一种新兴的非侵入性治疗肾结石的技术。与传统的冲击波碎石术（Shock Wave Lithotripsy，简称SWL）相比，BWL使用短时的正弦波超声脉冲而非冲击波来碎石。BWL与SWL在碎石原理上有所不同。SWL使用的是单一波的高幅度压缩脉冲后跟一个张力尾波，而BWL则应用的是低幅度、正弦波的压力脉冲。这种不同的脉冲输出方式导致对结石的影响也有所不同。BWL 换能器对高压输出、有限声窗、特定焦点深度和产生合格尺寸碎片的频率的要求限制了焦点波束宽度。然而，当光束比石头更宽时，BWL 最为有效。为了产生宽光束，使用迭代角谱方法来计算通过快速原型透镜实现的相位屏幕。

脉冲波碎石术在泌尿系统结石治疗领域具有重要地位。其核心部件换能器的设计直接影响碎石效果与设备性能。随着医疗技术的不断发展，对 BWL 换能器设计的优化与创新成为超声医疗研究的关键内容。

脉冲波碎石术利用聚焦的高强度超声脉冲在结石部位产生瞬间的高压，使结石内部结构因应力而破碎。这要求换能器能够产生足够高能量的超声脉冲，并精准聚焦于目标结石。同时，为避免对周围组织造成不必要的损伤，对超声脉冲的参数如频率、脉冲宽度、脉冲重复频率等需要精确控制，这也给换能器的设计带来了严格挑战。

波束宽度[ BW(−6 dB)] 由球形聚焦换能器产生的聚焦区域（由 -6 dB 轮廓定义的体积）仅由几个因素决定：(1) 焦距，(2) 换能器的孔径， (3) 波的频率或波长，可以近似为以下关系：

BW⁡(−6 dB)=1.44×𝜆⁢𝐹⁡/2⁢𝑎

其中a是孔径半径，F是焦距，λ是声波波长。在 BWL 中，所有这三个因素分别受到组织深度、声窗和焦点增益以及碎片大小的限制。

压电材料是换能器的核心部件，其性能直接决定了换能器的转换效率和超声特性。常用的压电材料如 PZT（锆钛酸铅）系列具有较高的压电常数，能够有效地将电能转换为机械能产生超声振动。然而，不同的应用场景可能需要考虑压电材料的其他特性，如居里温度、机械品质因数等。例如，对于长时间或高能量输出的 BWL 换能器，需要选择居里温度较高的压电材料以防止因发热导致的性能下降。

BWL换能器的设计需要满足高压力输出、有限的声窗、特定的焦距和频率，以产生可通过尿道排出的结石碎片。然而，BWL在焦点宽度大于结石时最为有效。为了产生宽束，研究者采用了迭代角谱方法来计算相位屏，并利用快速原型技术制造透镜。

3.换能器设计研究

3.1 宽束换能器设计

为了提高对大型肾结石的碎石效率，研究者设计了宽束换能器。通过添加非对称权重函数到目标轮廓，实现了适当的束宽。设计的透镜能够产生聚焦的窄束（6mm）和宽束（11mm），在350kHz的换能器和84mm的焦距下。

3.2 实验验证

在水槽中使用人工结石进行的实验表明，宽束和窄束透镜在相同持续时间和相同峰值负压下，分别破碎了44±9%和16±4%的结石重量。这表明宽束换能器能更有效地破碎大型结石。

3.3 3D打印技术的应用

3D打印技术被用于制造换能器上的全息透镜，以产生所需的焦点光束轮廓。这种方法不仅提高了焦点的精确度，还减少了结构差异，从而优化了换能器的性能。

为了使换能器能够高效地将电能转换为超声能，需要进行精确的电学匹配。这涉及到对换能器的等效电路参数进行分析，设计合适的匹配网络。匹配网络可以调整电源输出阻抗与换能器输入阻抗之间的关系，使电能能够最大限度地传输到换能器中，减少反射和损耗。例如，采用电感 - 电容（LC）匹配网络，通过调整电感和电容的值来实现阻抗匹配，提高换能器的工作效率。

在 BWL 过程中，换能器会因能量转换而产生热量，如果热量不能及时散发，会导致换能器性能下降甚至损坏。因此，散热设计是换能器设计的重要环节。常见的散热方法包括采用散热片、液体冷却等。散热片通过增加与空气的接触面积，利用热传导将热量散发到空气中。液体冷却则是通过循环冷却液带走换能器产生的热量，这种方法散热效率更高，适用于高能量输出的换能器系统，但需要考虑冷却液的密封和循环系统的可靠性。

球形聚焦换能器的焦点尺寸受焦距、孔径和波频影响。 高强度聚焦超声换能器为大孔径半球形设计，由32个PZT-8元件模块组成，几何焦点150毫米。结构通过SLA系统制造，PZT元件通过钨环氧树脂匹配层粘合。模块表现出电声一致性，电阻抗平均109 ± 10.2 Ω。聚焦光束FWHM尺寸为横向9mm、轴向4.0mm（模拟1.9 × 3.9 mm）。

然而，在体内实验中，声窗小（约80毫米），肾结石位置固定（50-60毫米深），限制了焦平面距离的变化。石头碎片大小与中心频率相关，高频率产生较小碎片。目前研究300-400 kHz频率，以产生足够小的碎片以自发通过并破碎结石。这些限制导致焦点宽度约6毫米，但97%需手术的结石大于5毫米。为克服这些限制，可以采用迭代角谱方法（IASA）在焦平面生成所需压力分布，并加权以增大聚焦区域至大于6毫米。制造了BWL传感器并与IASA设计的透镜耦合，表征结果确认焦宽为12毫米。体外实验中，破碎大型人造石膏石，并与传统球面透镜耦合的BWL传感器比较破碎率。

在 350 kHz 频率下可以实现焦宽为 12 mm 的环空压力分布，焦距为 84 mm 时焦增益为 5.5。

改良BWL 传感器用球形聚焦 350 kHz BWL 传感器，该传感器的孔径直径为 85 mm，焦距为 100 mm，焦点光束尺寸为 6 mm 横向宽度，50 毫米的轴向长度

The aperture diameter of the transducer was 80 mm, and it had a circular opening of a 40 mmdiameter at the center in which to place an imaging transducer to guide treatment. Porous piezoceramic PZ36 (Meggitt, Kvistgaard, Denmark) with a center frequency of350 kHzwas used to produce a surface pressure up to1.4 MPa (i.e., the pressure at the water interface with the transducer's lens), estimated from the transducer output power measured by the radiation force balance. The lens was coupled to the PZ36 elements with a quarter-wavelength matching layer made from a 70:30 mass ratio mixture of Al2O3 powder (grit #600, Abrasive Armory, Vancouver, WA) to epoxy resin (Pro Set INF-114 with its hardener Pro Set INF- 112, Gougeon Brothers Inc., Bay City, MI).

展望未来，BWL 换能器设计将朝着智能化、多功能化方向发展。借助人工智能和传感器技术，换能器能够实时监测结石的特性和治疗过程中的各种参数，自动调整超声输出，实现个性化的碎石治疗。多功能化方面，可能会将超声成像功能与碎石功能集成在同一换能器中，实现结石的精准定位与高效碎石一体化。同时，新型压电材料的研发有望进一步提高换能器的性能，如具有更高压电常数、更低损耗的复合材料。在制造工艺上，微纳加工技术的应用可能会使换能器的结构更加精细，提高超声的聚焦精度和能量转换效率。

用于脉冲波碎石术的换能器设计是一个多学科交叉的复杂领域，涉及到材料科学、声学、电子学等多个学科知识。通过深入研究其设计原理、关键要素、面临挑战和发展趋势，能够为不断优化换能器设计提供理论依据和技术支持，推动脉冲波碎石术在泌尿系统结石治疗领域的进一步发展，为患者带来更安全、高效的治疗方案。

来源：小太阳说科技