УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ПРЕОБРАЗУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ
ULTRASONIC CONVERTER AND METHOD OF CONTROLLING IT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к ультразвуковому преобразующему устройству и способу управления им.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Емкостные микрообработанные ультразвуковые преобразователи (capacitive micromachined ultrasonic transducer - CMUT) нуждаются в обеспечении, для защиты, акустического окна, покрывающего их акустическую выходную поверхность.
Известные материалы, которые могут функционировать для обеспечения такого окна, включают в себя, например, полупроводники, каучук, полиметилпентен («TPX»). В общем, требуется двухслойная структура, объединяющая мягкий деформируемый слой, расположенный в контакте с CMUT-мембраной, и более твердый защитный материал, расположенный сверху.
Однако все известные расположения и материалы для окон оказывают отрицательное влияние на общие акустические характеристики CMUT-преобразователя, в частности, посредством акустического ослабления ультразвуковых колебаний и посредством отражений (ревербераций), вызванных рассогласованием акустического полного сопротивления на границе раздела между подслоями окна и на границе раздела между окном и смежной тканью.
Также известны ультразвуковые преобразователи на основе поливинилиденфторида (Polyvinylidene fluoride - PVDF). Эти преобразователи обычно применяются на очень высоких рабочих частотах (например, выше 30 МГц). На низких частотах, выходное давление, достижимое с использованием этих преобразователей (и, следовательно, достижимая мощность генерируемых ультразвуковых колебаний), является значительно меньшим по сравнению с выходным давлением, достижимым посредством преобразователей на основе керамики (таких как CMUT).
Таким образом, существует потребность в улучшенном ультразвуковом устройстве на основе CMUT, в котором будут решены проблемы акустического ослабления и рассогласования полного сопротивления, но не в ущерб защитной функциональности акустического окна.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно примерам в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, обеспечено ультразвуковое преобразующее устройство, содержащее: элемент на основе емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя, CMUT; элемент на основе электроактивного полимера, соединенный с поверхностью CMUT-элемента и по меньшей мере частично покрывающий ее; и контроллер, выполненный с возможностью управлять ультразвуковым устройством для генерирования ультразвуковых колебаний посредством возбуждения CMUT-элемента и элемента на основе электроактивного полимера для одновременных колебаний, посредством подачи на каждый из них возбуждающего сигнала с одной и той же частотой переменного тока.
Настоящее изобретение основано на замене пассивного акустического окна, которое просто пассивно переносит и передает акустические колебания, генерируемые элементом на основе CMUT-преобразователя, активным акустическим окном, которое само выполнено с возможностью колебаться с той же самой частотой, что и CMUT-элемент, и согласованно с ним. Упомянутые два элемента эффективно соединяются для образования единой акустической системы, причем их соответствующие колебательные действия объединяются в единое эффективное ударное действие, которое затем передается верхней поверхностью окна прямо на смежную поверхность.
Это обеспечивает три основных преимущества.
Во-первых, акустические колебания CMUT-преобразователя больше не передаются пассивно через материал оконного элемента для достижения поверхности смежной ткани. Вместо этого, они эффективно и синфазно накладываются на колебания, одновременно генерируемые EAP-элементом, причем затем и те, и другие все вместе передаются на смежную ткань. Следовательно, по существу или полностью устраняется проблема акустического ослабления, вызванного передачей через материал акустического окна.
Во-вторых, поскольку колебания CMUT не передаются через оконный элемент, а вместо этого механически объединяются с колебаниями EAP-элемента и передаются прямо на смежную ткань, также устраняется проблема рассогласования полного сопротивления, вызванного колебаниями, проходящими через границы оконного элемента. Колебания CMUT больше не перемещаются ни через границу между оконным элементом и CMUT, ни между окном и поверхностью смежной ткани. Следовательно, по существу устраняется проблема отражений на границах, в результате чего повышается качество изображения (посредством уменьшения реверберации и увеличения ширины полосы частот).
В-третьих, дополнительное колебательное действие EAP-элемента (возбуждаемого синфазно с колебательным действием CMUT-элемента) обеспечивает дополнительное выходное давление и, следовательно, увеличенную мощность ультразвуковых волн при генерировании ультразвуковых волн. Если устройство выполнено с возможностью воспринимать ультразвуковые волны, то обеспечивается дополнительная чувствительность, поскольку звуковые волны стимулируют не только CMUT-преобразователь, но и EAP-элемент. EAP-элемент обычно является более чувствительным к маломощным колебаниям.
Во избежание сомнений, ссылки на «CMUT-преобразователь» или «преобразующий элемент» или CMUT-элемент могут быть использованы взаимозаменяемо в этом раскрытии и все могут восприниматься в качестве ссылки на элемент на основе емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя (CMUT).
Посредством обеспечения EAP-элемента, по меньшей мере частично покрывающего поверхность CMUT-элемента, EAP-элемент обеспечивает функцию оконного элемента, защищая и обеспечивая внешнюю связующую границу раздела для акустической выходной поверхности CMUT-элемента.
Настоящее изобретение основано на замене пассивного оконного элемента активным EAP-элементом. Для краткости, в нижеследующем описании термин «EAP-элемент» или «элемент на основе электроактивного полимера» может быть использован взаимозаменяемо с термином «оконный элемент» или «активный оконный элемент».
EAP-элемент и CMUT-элемент колеблются независимо, но при этом их соответствующими колебаниями управляют таким образом, чтобы они имели одну и ту же частоту и предпочтительно были синфазными друг с другом. Следовательно, независимые колебания упомянутых двух элементов соединяются вместе в единой акустической системе. Преимущество независимых колебаний упомянутых двух элементов состоит в том, что EAP-слой действует в качестве активного колебательного связующего слоя между CMUT и поверхностью ткани вместо того, чтобы действовать просто в качестве материальной надставки для CMUT.
EAP-элемент и CMUT-элемент могут возбуждаться одним и тем же возбуждающим сигналом или могут возбуждаться отдельными возбуждающими сигналами, но с одной и той же частотой и синфазно друг с другом.
Как будет понятно специалистам в данной области техники, электроактивные полимеры (electroactive polymer - EAP) являются новым классом материалов в области электрически управляемых материалов. EAP являются одним примером более широкого класса электроактивных материалов (electroactive material - EAM). В частности, EAP являются одним примером органических EAM.
Преимущества EAP включают в себя низкую мощность, малый формфактор, гибкость, бесшумную работу, точность, возможность высокого разрешения, малое время срабатывания, и циклическое срабатывание.
Улучшенные характеристики и конкретные преимущества EAP-материалов обуславливают их пригодность к новым применениям.
Электроактивные полимеры имеют свойство деформироваться в ответ на приложение электрического стимула. Существуют EAP с полевым управлением и EAP с ионным (т.е. токовым) управлением.
В настоящем изобретении, посредством возбуждения EAP-элемента переменным (т.е. синусоидальным) электрическим стимулом, EAP-элемент выполнен с возможностью сжиматься (или расширяться) и релаксировать в циклическом режиме и с частотой, соответствующей прикладываемому стимулу. Если стимул будет прикладываться с ультразвуковыми частотами, то результирующее колебательное деформирующее действие EAP-элемента обеспечит источник ультразвуковых колебаний.
Для настоящего применения, пригодные EAP включают в себя любые EAP, которые пригодны для возбуждения на ультразвуковых частотах, т.е. частотах > ~20 кГц.
Особенно предпочтительной группой EAP, которая, как известно, является пригодной для возбуждения на таких частотах, являются релаксорные полимеры на основе PVDF. Релаксорные полимеры на основе PVDF демонстрируют спонтанную электрическую поляризацию (выравнивание с полевым управлением). Эти материалы могут быть предварительно деформированы для улучшения характеристик в направлении деформации (предварительная деформация приводит к лучшему молекулярному выравниванию).
Согласно любому варианту осуществления предпочтительно, чтобы EAP-элемент и CMUT-элемент могли возбуждаться электрическим сигналом (или сигналами), имеющим единственную частотную составляющую (т.е. одночастотным сигналом переменного тока), для обеспечения того, чтобы их соответствующие колебания могли наиболее эффективно накладываться в конструктивном режиме. Именно благодаря этой конструктивной интерференции могут быть преодолены проблемы, связанные с известными CMUT-устройствами. Многочастотный сигнал может обеспечивать сильную конструктивную интерференцию, более сложную или менее эффективную при обеспечении единой объединенной колебательной системы.
Термин «возбуждающий сигнал» означает электрический сигнал, например, электрическое напряжение или ток. Возбуждающий сигнал может иметь форму электрического поля, генерируемого на рассматриваемом элементе, в частности, переменного или колебательного поля, например, синусоидального поля. Переменное поле может быть сгенерировано посредством подачи переменного тока на электроды. Альтернативно, возбуждающий сигнал может иметь форму тока, подаваемого на рассматриваемый элемент, в частности, переменного тока.
Элемент на основе электроактивного полимера содержит по меньшей мере часть на основе электроактивного полимера, например, слой EAP-материала. EAP-элемент может дополнительно содержать один или несколько электродов выше и/или ниже EAP-материала для подачи возбуждающих напряжений.
Согласно одному или нескольким вариантам осуществления, каждый из элемента на основе электроактивного полимера и CMUT-элемента может содержать или быть связанным с соответствующей электродной системой для подачи возбуждающих сигналов на соответствующий элемент, и причем контроллер выполнен с возможностью подавать соответствующие возбуждающие сигналы на упомянутые два элемента посредством упомянутых соответствующих электродных систем.
В примерах, элемент на основе электроактивного полимера может быть прямо соединен с CMUT-элементом. Более конкретно, элемент на основе электроактивного полимера может быть прямо соединен с мембраной CMUT-элемента. Как будет понятно специалистам в данной области техники, CMUT-преобразователи обычно содержат мембрану, расположенную таким образом, что она продолжается поверх полости, причем приложение электрического стимула стимулирует колебания мембраны на ультразвуковых частотах для генерирования посредством этого ультразвуковых колебаний.
Термин «прямо соединенный» означает «без промежуточного слоя материала». Однако согласно этим примерам между упомянутыми двумя элементами может быть в некоторых случаях расположен электрод. Электрод может быть обеспечен в виде части элемента на основе электроактивного полимера, причем в этом случае элемент на основе электроактивного полимера прямо соединяется с CMUT через электродную часть EAP-элемента.
Прямое соединение может улучшить выходную мощность устройства, поскольку между CMUT-элементом и EAP-элементом не будет существовать никакого промежуточного слоя материала, который иначе мог бы накапливать, поглощать или ослаблять некоторую часть генерируемой колебательной мощности.
Контроллер может быть выполнен с возможностью, согласно по меньшей мере одному режиму управления, управлять устройством для восприятия ультразвуковых колебаний посредством восприятия электрических сигналов, генерируемых CMUT-элементом и элементом на основе электроактивного полимера. В этом случае, контроллер имеет два режима управления, активный режим срабатывания или вывода, в котором EAP- и CMUT-элементами управляют для генерирования ультразвуковых волн, и режим восприятия или пассивный режим, в котором EAP- и CMUT-элементы используются для восприятия колебаний, принимаемых на устройстве. Колебания, принимаемые либо на CMUT-элементе, либо на EAP-элементе, будут вызывать генерирование соответствующим элементом электрического выходного сигнала, имеющего амплитуду или величину, соответствующую амплитуде или мощности принимаемых колебаний.
Двухслойная структура увеличивает чувствительность устройства по сравнению с примерами, содержащими пассивный оконный слой. Сам EAP-элемент обеспечивает дополнительные возможности восприятия. Дополнительно, воспринимаемые сигналы EAP-элемента и CMUT-элемента могут быть развязаны и проанализированы отдельно для обеспечения дополнительной информации о принятом сигнале.
В частности, CMUT-элемент и элемент на основе электроактивного полимера могут быть отдельно соединены с контроллером, так что независимые электрические сигналы могут восприниматься на каждом из CMUT-элемента и элемента на основе электроактивного полимера.
EAP-элемент обычно может быть более чувствительным или восприимчивым к сигналам, которые находятся далеко от частоты механического резонанса структуры. Отдельное соединение позволяет независимо контролировать воспринимаемый EAP сигнал (или сигнал преобразователя), и сигналы, имеющие частоту, значительно удаленную от резонанса, могут, таким образом, восприниматься более надежно. Для сигналов, более точно выровненных с резонансной частотой, элемент на основе CMUT-преобразователя сохраняет полезный сигнал для контроля в комбинации с EAP-элементом.
В одном или нескольких вариантах осуществления, контроллер может быть выполнен с возможностью, согласно по меньшей мере одному режиму управления, подавать как на CMUT-элемент, так и на элемент на основе электроактивного полимера один и тот же возбуждающий сигнал, причем упомянутые элементы электрически соединены параллельно или последовательно по меньшей мере одной обеспеченной соединительной системой.
В этом случае, оба элемента возбуждаются (для независимых колебаний) одним и тем же возбуждающим сигналом. Это может упростить управление.
Могут быть обеспечены дополнительные соединительные системы, в которых упомянутые элементы электрически изолированы друг от друга, что позволяет, согласно другому режиму управления, возбуждать упомянутые элементы независимыми возбуждающими сигналами (хотя все же одновременными и имеющими одинаковую частоту). Таким образом может быть обеспечена гибкость.
Согласно одному или нескольким вариантам осуществления, контроллер может быть выполнен с возможностью, согласно по меньшей мере одному режиму управления, возбуждать CMUT-элемент и элемент на основе электроактивного полимера независимыми возбуждающими сигналами. Независимые электрические соединения могут быть обеспечены для этой цели между каждым элементом и контроллером, в результате чего упомянутые элементы будут управляться изолированно друг от друга (как упомянуто выше). Подаваемые возбуждающие сигналы могут быть отличными друг от друга в отношении одного или нескольких их сигнальных свойств (например, амплитуды), или могут быть одинаковыми в этом отношении, но управляемыми и получаемыми независимо.
Устройство может содержать электродную систему, имеющую электрическую связь с элементом на основе электроактивного полимера и CMUT-элементом, для подачи возбуждающих сигналов на упомянутые элементы, и причем электродная система включает в себя электрод, расположенный на выставленной поверхности элемента на основе электроактивного полимера. Электродная система может включать в себя электроды, окружающие каждый из EAP-элемента и CMUT-элемента независимо, так что каждый из них может быть возбужден независимым возбуждающим сигналом. Альтернативно, может быть обеспечена единственная пара электродов, окружающих объединенный пакет из обоих элементов, так что единственный сигнал может подаваться для стимуляции обоих элементов. Хотя последнее может требовать того, чтобы упомянутые два элемента были электрически соединены друг с другом.
Как отмечено выше, обычно CMUT-элемент содержит мембрану, расположенную таким образом, что она продолжается поверх полости и является возбуждаемой для колебания для генерирования посредством этого ультразвуковых колебаний. Элемент на основе электроактивного полимера может быть соединен с мембраной. Согласно конкретным примерам, упомянутый электрод, расположенный на выставленной поверхности EAP-элемента, может быть расположен таким образом, чтобы он покрывал от 50% до 75% мембраны, и предпочтительно от 60% до 70% мембраны, и даже более предпочтительно от 60% до 65% мембраны.
Термин «покрывать», в общем, означает просто «продолжаться поверх». Термин «покрывать» или «продолжаться поверх», в общем, означает, что проекция электрода на мембрану (например, ее верхнюю поверхность) продолжается по поверхности мембраны (на заданную величину). Например, если электрод покрывает или продолжается поверх x% мембраны, то проекция электрода на мембрану покрывает или охватывает x% поверхности мембраны.
Авторами изобретения в экспериментах было обнаружено, что покрытие электродом поверх CMUT-мембраны в пределах определенных выше диапазонов обеспечивает максимальное увеличение выходной мощности или давления CMUT-элемента. Оптимальное покрытие составляет около 65%, и при этом уровне обеспечиваемое увеличение выходного давления CMUT-мембраны составляет более 10%.
Согласно одному или нескольким вариантам осуществления, согласно по меньшей мере одному режиму управления, контроллер может быть выполнен с возможностью возбуждать CMUT-элемент и элемент на основе электроактивного полимера возбуждающими сигналами с разными соответствующими амплитудами. Это позволяет возбуждать EAP-элемент и CMUT-элемент разными колебательными амплитудами или мощностями, поскольку обеспечиваемая колебательная мощность или амплитуда связана с амплитудой возбуждения. Амплитуда возбуждающего сигнала может быть, например, амплитудой напряжения. Однако, возбуждающие сигналы сохраняют одну и ту же частоту.
В конкретных примерах, согласно по меньшей мере одному режиму управления, контроллер может быть выполнен с возможностью возбуждать элемент на основе электроактивного полимера возбуждающим сигналом с меньшей амплитудой, чем у возбуждающего сигнала, используемого для возбуждения CMUT-элемента.
Согласно одному или нескольким вариантам осуществления, каждый из элемента на основе электроактивного полимера и CMUT-элемента может иметь форму слоя.
Необязательно, слой элемента на основе электроактивного полимера и слой CMUT-элемента могут быть соединены для образования двухслойной структуры. Двухслойная структура, в изоляции, например, от других слоев, может увеличить конкретные преимущества настоящего изобретения. В частности, колебательное соединение между упомянутыми двумя слоями может быть улучшено в отсутствие других слоев, что приводит к лучшим выходным характеристикам, и также к большему смягчению известных проблем, связанных с ослаблением и отражениями. Двухслойная структура в отсутствие дополнительных слоев может также повышать выходную мощность, поскольку устраняются эффекты ослабления таких других слоев. Это расположение также позволяет настраивать жесткость и, таким образом, механический резонанс всей структуры более прямо.
Как отмечено выше, обычно CMUT-преобразователь содержит мембрану, расположенную таким образом, что она продолжается поверх полости и является возбуждаемой для колебания для генерирования посредством этого ультразвуковых колебаний. Согласно примерам, может быть обеспечен элемент на основе электроактивного полимера, имеющий толщину, которая является от 8 до 12 раз большей, чем толщина мембраны CMUT-элемента, и/или мембрана CMUT-элемента может иметь толщину от 1 до 1,5 микрон.
Преимущество настоящего изобретения состоит в том, что вследствие выходной мощности, добавляемой активным EAP-элементом, толщина CMUT-элемента (мембраны) может быть уменьшена. В частности, обычно эта толщина может быть уменьшена на две трети, например, с приблизительно 3 микрон до приблизительно 1 микрона. EAP-слой в этом случае может быть изготовлен с толщиной около 10 микрон. Эта возможность уменьшить толщину позволяет сохранить жесткость всей структуры на том же самом уровне, как если бы оконный элемент совсем отсутствовал.
Настоящее изобретение использует электроактивный полимерный материал.
В конкретных примерах, элемент на основе электроактивного полимера может содержать электроактивный полимерный материал на основе поливинилиденфторида (Polyvinylidene fluoride - PVDF). В более конкретных примерах, это может быть, например, только PVDF, сополимеры PVDF P(VDF-TrFE), или композиционные материалы PVDF/(PZT).
Примеры согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения обеспечивают способ управления ультразвуковым преобразующим устройством, причем устройство содержит: элемент на основе емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя, CMUT, и элемент на основе электроактивного полимера, EAP, содержащий электроактивный полимерный материал, причем EAP-элемент соединен с поверхностью CMUT-элемента и по меньшей мере частично покрывает ее,
и причем способ содержит этап, на котором:
генерируют ультразвуковые колебания посредством возбуждения как CMUT-элемента, так и элемента на основе электроактивного полимера для одновременных колебаний, посредством подачи на каждый из них возбуждающего сигнала с одной и той же частотой переменного тока.
Согласно одному или нескольким вариантам осуществления, способ может дополнительно содержать, согласно по меньшей мере одному режиму управления, этап, на котором воспринимают ультразвуковые колебания посредством восприятия электрических сигналов, генерируемых CMUT-элементом и элементом на основе электроактивного полимера, и, необязательно, при этом независимые электрические сигналы воспринимают на каждом из CMUT-элемента и элемента на основе электроактивного полимера.
Примеры согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения обеспечивают ультразвуковую диагностическую систему визуализации, содержащую ультразвуковое преобразующее устройство, описанное в любых вариантах осуществления или примерах, описанных выше или ниже, или определенное в любом пункте формулы изобретения настоящей заявки.
Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут понятны из варианта (вариантов) осуществления, описанного ниже, и будут разъясняться со ссылкой на него (на них).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры настоящего изобретения будут теперь подробно описаны со ссылкой на сопутствующие чертежи, в которых:
Фиг. 1 и 2 показывают два возможных режима работы для устройства на основе EAP;
Фиг. 3 показывает иллюстративное ультразвуковое преобразующее устройство согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 4 показывает достигнутое увеличение выходного давления в зависимости от площадного покрытия верхнего электрода относительно мембраны CMUT-элемента; и
Фиг. 5 показывает блок-схему иллюстративной ультразвуковой диагностической системы визуализации.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Настоящее изобретение обеспечивает ультразвуковое преобразующее устройство, содержащее элемент на основе электроактивного полимера (EAP), присоединенный поверх элемента на основе емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя (CMUT), причем упомянутые два элемента выполнены с возможностью одновременно колебаться с общей частотой посредством подачи на каждый из них возбуждающего сигнала с одной и той же частотой переменного тока.
Колебания EAP-элемента конструктивно объединяются с колебаниями CMUT-элемента для обеспечения усиленного общего колебательного выхода. Активное колебательное действие EAP-элемента также обеспечивает смягчение проблем, связанных с ослаблением и граничным отражением, поскольку колебания CMUT больше не передаются пассивно через статический оконный слой, а вместо этого конструктивно накладываются на эквивалентные колебания оконного слоя для применения всех их в качестве части единого ударного действия общей слоевой структуры.
Настоящее изобретение использует электроактивные полимеры (EAP).
Преимущества EAP включают в себя низкую мощность, малый формфактор, гибкость, бесшумную работу, точность, возможность высокого разрешения, малое время срабатывания, и циклическое срабатывание.
Улучшенные характеристики и конкретные преимущества материалов на основе EAP обуславливают их пригодность к новым применениям.
Электроактивные полимеры имеют свойство деформироваться в ответ на приложение электрического стимула. Существуют EAP с полевым управлением и EAP с ионным (т.е. токовым) управлением.
В настоящем изобретении, посредством возбуждения EAP-элемента переменным (т.е. синусоидальным) электрическим стимулом, EAP-элемент выполнен с возможностью сжиматься (или расширяться) и релаксировать в циклическом режиме и с частотой, соответствующей прикладываемому стимулу. Если стимул будет прикладываться с ультразвуковыми частотами, то результирующее колебательное деформирующее действие EAP-элемента обеспечит источник ультразвуковых колебаний.
Для настоящего применения, пригодные EAP включают в себя любые EAP, которые пригодны для возбуждения на ультразвуковых частотах, т.е. частотах > ~20 кГц. В частности, минимальное «время переключения» EAP-элемента - время, затрачиваемое EAP-элементом на перемещение из одного состояния срабатывания (например, состояния несрабатывания) в другое (например, состояние срабатывания) - является обычно достаточно коротким, чтобы допускать циклическое переключение с ультразвуковыми частотами, т.е. время переключения составляет меньше чем ~50 микросекунд. Это обеспечивает то, что EAP-элемент способен реагировать достаточно быстро для того, чтобы сигнал ультразвуковой частоты генерировал ультразвуковые колебания.
Особенно предпочтительной группой EAP, которая, как известно, является пригодной для возбуждения на таких частотах, являются релаксорные полимеры на основе PVDF. Релаксорные полимеры на основе PVDF демонстрируют спонтанную электрическую поляризацию (выравнивание с полевым управлением). Эти материалы могут быть предварительно деформированы для улучшения характеристик в направлении деформации (предварительная деформация приводит к лучшему молекулярному выравниванию).
В PVDF, а также в сополимере PVDF, необходимое короткое время срабатывания возникает, в частности, вследствие собственной малой деформационной реакции, демонстрируемой этими материалами при электрической стимуляции (по сравнению, например, с некоторыми другими EAP-материалами). Малая деформационная реакция просто занимает меньше времени для завершения каждого цикла, чем большая деформационная реакция, что означает, что минимальное время для перемещения между состояниями срабатывания (частота переключения) является достаточно малым для того, чтобы этот материал колебался с ультразвуковыми частотами. Этот эффект возникает в этом материале, в частности, вследствие того факта, что этот материал является стабильным под влиянием электрической стимуляции, что означает, что он не изменяет фазу, что иначе могло бы привести к большим деформационным реакциям, занимающим большее время для завершения каждого цикла. Однако материал с большими деформационными реакциями может быть все же пригодным при обеспечении того, чтобы время, затрачиваемое на переключение из одного состояния срабатывания в другое, было достаточно малым.
Применимость настоящего изобретения не ограничена никаким конкретным EAP-материалом. Любой EAP-материал, способный реагировать на электрическую стимуляцию таким образом, чтобы это позволяло ему колебаться с ультразвуковыми частотами, может быть использован согласно настоящему изобретению, в том числе EAP-материалы, либо известные в данной области техники, либо те, которые станут известными с развитием данной области техники. Например, такие материалы могут демонстрировать собственное минимальное время переключения между состояниями срабатывания, меньшее или равное периоду единственного цикла ультразвуковой частоты, т.е. около 50 микросекунд. Способность материала реагировать на стимуляцию ультразвуковой частоты колебаниями ультразвуковой частоты является свойством, легко и прямо проверяемым посредством простого приложения стимула с пригодной частотой и контроля колебательной реакции.
Настоящее изобретение использует электроактивный полимерный материал для обеспечения активного акустического оконного элемента для покрытия керамического (CMUT) преобразователя для обеспечения защиты преобразователя. EAP-оконный элемент возбуждают для колебаний параллельно с CMUT-преобразователем, причем упомянутые два элемента возбуждают одновременно и с одной и той же частотой. Таким образом, упомянутые два элемента соединяются для образования единой акустической системы, при помощи которой ультразвуковые колебания подаются прямо на смежную поверхность посредством перемещения верхней части оконного элемента, а не передаются пассивно через статический оконный элемент. Таким образом, предотвращаются вредные акустические эффекты, ранее вызываемые такой передачей, в том числе ослабление и отражения на границах раздела.
Толщина керамической мембраны может быть уменьшена таким образом, чтобы общая жесткость устройства оставалась по существу такой же, как в конструкции без активного оконного элемента. Между CMUT-элементом и EAP-окном может быть обеспечен материал, чья жесткость может быть выбрана таким образом, чтобы оптимизировать выходное давление устройства. В примерах, жесткость такого материала может быть увеличена для увеличения коэффициента усиления по давлению устройства.
Фиг. 3 показывает иллюстративное ультразвуковое преобразующее устройство 20 согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
Ультразвуковое преобразующее устройство 20 содержит элемент 22 на основе емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя (CMUT), соединенный с элементом 26 на основе электроактивного полимера (EAP), который расположен таким образом, что он покрывает по меньшей мере часть (верхней) главной поверхности CMUT-элемента. В этом случае, EAP-элемент полностью покрывает CMUT-элемент, но в дополнительных примерах также возможно неполное покрытие.
Во избежание сомнений, термины «CMUT-преобразователь» или «преобразующий элемент» или «элемент на основе CMUT-преобразователя» могут быть использованы взаимозаменяемо в настоящем раскрытии и все должны восприниматься в качестве ссылки на элемент на основе емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя.
CMUT-элемент имеет стандартную CMUT-структуру. Упомянутый элемент содержит кремниевую подложку 32, имеющую полость 30, образованную в ней, причем тонкая мембрана 24 подвешена поверх полости. Смежно с мембраной и в соединении с ней находится электрод 34, который служит, в комбинации с нижним электродом 36, расположенным ниже полости, для электрического возбуждения CMUT-элемента.
В отличие от более типичных ультразвуковых преобразователей, которые работают на пьезоэлектрическом принципе, элементы на основе CMUT-преобразователя работают на принципе емкостного преобразования. Тонкую мембрану 24, подвешенную поверх полости 30, возбуждают для колебания посредством подачи сигнала переменного тока между двумя электродами 34, 36. Таким образом, между электродами индуцируется переменная электростатическая сила, толкающая электроды друг к другу или в разные стороны в синусоидальном режиме, в результате чего возбуждаются колебания механически соединенного мембранного слоя 24.
Также обеспечены первый электрод 38 и второй электрод 42, расположенные около элемента 26 на основе электроактивного полимера, для стимуляции колебательной деформации слоя. В частности, сигнал переменного тока может быть подан между электродами, в результате чего обеспечивается переменное электрическое поле на EAP-элементе. Переменное поле вызывает переменную деформацию сжатия элемента, приводящую к переменному результирующему смещению верхней поверхности элемента. Таким образом, создается колебательное действие срабатывания.
Первый электрод 38 и второй электрод 42 EAP-элемента 26 и верхний электрод 34 и нижний электрод 36 CMUT-элемента 22 образуют электродную систему ультразвукового преобразующего устройства 20.
Обеспечен контроллер 46, расположенный таким образом, что он электрически и оперативно соединен с электродной системой для возбуждения EAP-элемента 26 и CMUT-элемента 22. В конкретном примере фиг. 3, контроллер снабжен электрическим соединением с первым электродом 38 EAP-элемента и с верхним электродом 34 CMUT-элемента. Каждый из нижнего электрода 36 CMUT-элемента и второго электрода 42 EAP-элемента соединен с заземлением.
При эксплуатации, для генерирования ультразвуковых волн контроллер выполнен с возможностью возбуждать два элемента 22, 26 одновременно с одной и той же частотой переменного тока и предпочтительно синфазно друг с другом. В результате, оба элемента демонстрируют одно и то же колебательное действие срабатывания. Если упомянутые два элемента возбуждаются синфазно, то их соответствующие колебания накладываются конструктивно, и упомянутые два элемента эффективно образуют единую колебательную систему с объединенным ударным действием, которое может быть передано верхней поверхностью 50 EAP-элемента прямо на смежную поверхность или объект.
Контроллер 46 предпочтительно выполнен с возможностью быть управляемым во множестве разных режимов, в каждом из которых контроллер выполнен с возможностью возбуждать ультразвуковой элемент с обеспечением отличного поведения. По меньшей мере в первом режиме, контроллер выполнен с возможностью возбуждать элемент, описанный выше, для генерирования ультразвуковых волн. В дополнительном возможном режиме, контроллер может быть выполнен с возможностью управлять устройством 20 таким образом, чтобы оно работало в режиме восприятия для восприятия ультразвуковых волн. В режиме восприятия, контроллер выполнен с возможностью воспринимать электрические сигналы, генерируемые электродами 34, 38 EAP-элемента и ультразвукового элемента, для получения указания на ультразвуковые стимулы, принимаемые на устройстве. Работа в режиме восприятия будет описана более подробно ниже.
Элемент 26 на основе электроактивного полимера (EAP) по меньшей мере частично покрывает поверхность CMUT-элемента 22 и предпочтительно покрывает всю поверхность CMUT-элемента. EAP-элемент, следовательно, функционирует в качестве активного акустического окна и обеспечивает защиту CMUT-элемента от попадания загрязняющих веществ и коррозии. Активная функциональность окна смягчает проблемы, связанные со статическими окнами и состоящие в ослаблении колебаний и отражениях, когда колебания от керамического элемента 22 распространяются через пассивное окно, а также улучшает характеристики преобразования ультразвукового устройства 20.
В частности, как описано выше, во время срабатывания верхний электрод 34 CMUT-элемента 22 притягивается к нижнему электроду 36 с той же силой, что и в случае CMUT с общепринятым (статическим) окном. Однако, когда активное окно (EAP-элемент) возбуждается параллельным сигналом, EAP-элемент сжимается в толщину и расширяется в ширину в синусоидальном режиме, синфазно с CMUT-элементом. Комбинация этих двух эффектов обеспечивает дополнительное выходное давление. При работе в режиме «приема», чувствительность устройства 20 увеличивается, поскольку звуковые волны деформируют оба элемента устройства, что приводит к емкостному сигналу от CMUT 22, а также к накоплению заряда в EAP-элементе 26, которое также может быть воспринято.
По сравнению с ультразвуковым устройством на основе CMUT предшествующего уровня техники со статическим акустическим окном, толщина мембраны 24 CMUT-элемента может быть уменьшена таким образом, чтобы общая жесткость двухэлементной структуры (CMUT-мембрана плюс EAP-элемент) соответствовала требуемой жесткости структуры для обеспечения конкретной частоты механического резонанса. Настройка резонансной частоты является важной, поскольку она позволяет максимизировать колебательный выход устройства посредством резонансного усиления генерируемых колебаний. Посредством выбора жесткости таким образом, чтобы резонансная частота структуры по существу соответствовала предпочтительному переменному напряжению возбуждения, получают максимизированное выходное давление.
В качестве примера для настоящего устройства, мембрана 24 CMUT-элемента толщиной приблизительно 3 микрона, используемая в стандартном устройстве (со статическим окном), может быть заменена мембраной 24 CMUT-элемента толщиной приблизительно 1 микрон и активным EAP-окном толщиной 10 микрон.
В предпочтительных примерах, CMUT-элемент 22 и EAP-элемент 26 обеспечены в форме слоев таким образом, что упомянутые два элемента образуют тонкую двухслойную ламинарную структуру. EAP-элемент 26 может быть прямо соединен с мембраной 24 CMUT-элемента.
Покрытие верхнего электрода 42 относительно CMUT-мембраны 24, расположенной ниже, может быть также оптимизировано для улучшенного изгибающего действия структуры. Это будет более подробно описано ниже. В конкретном примере, показанном на фиг. 3, обеспечен верхний (или «высший») электрод 42, покрывающий 70% площади CMUT-мембраны, расположенной ниже. Возможно также полное покрытие.
В конкретных примерах, элемент на основе электроактивного полимера содержит или состоит из поливинилиденфторида (Polyvinylidene fluoride - PVDF) или сополимера PVDF. В конкретных примерах, EAP-элемент может содержать тело из PVDF или из сополимера PVDF, такого как PVDF-TrFE, или из композиционного материала PVDF/(PZT) или из композиционного материала на основе PVDF/пьезо-керамики.
Использование электроактивного полимера для активного оконного элемента обеспечивает многочисленные преимущества. Преимущества EAP включают в себя низкую мощность, малый формфактор, гибкость, бесшумную работу, точность, возможность высокого разрешения, малое время срабатывания, и (что важно для ультразвуковых применений) циклическое срабатывание.
Как отмечено выше, электроактивные полимеры на основе PVDF являются особенно эффективными EAP-материалами для использования в настоящем изобретении, поскольку они позволяют работать на высоких частотах, пригодных для генерирования колебаний ультразвуковых частот. Однако, как будет понятно специалистам в данной области техники, конкретные преимущества EAP как класса материалов, например, большая обеспечиваемая деформация и сила в малом объеме или тонком формфакторе, не ограничены никаким одним конкретным материалом в пределах этого класса. Может быть использован любой EAP, который является пригодным для возбуждения на приблизительно ультразвуковых частотах (т.е. > ~20 кГц), либо EAP, известные в данной области техники EAP-материалов, либо EAP, которые станут известными с развитием данной области техники.
Материал на основе PVDF (полимер на основе фтора) обеспечивает особенно эффективный барьер против проникания, так что CMUT-элемент 22, расположенный ниже (включающий в себя электрические соединения), очень хорошо защищен, например, от коррозии. В случае если CMUT-элемент 22 получит повреждение, например, растрескается или расколется до или во время процедуры срабатывания, верхний электрод 34 элемента будет все же покрыт прочной PVDF-мембраной. В результате пользователь (например, пациент), к которому прикладывается ультразвуковое устройство, будет защищен от рабочих напряжений, приложенных к электроду.
В примерах, CMUT-элемент 22 и EAP-элемент 26 (или их электроды 34, 38 возбуждения) могут быть соединены вместе, либо параллельно, либо последовательно, и могут возбуждаться одним и тем же единственным возбуждающим сигналом. Таким образом, может быть обеспечена соединительная система, посредством которой упомянутые два элемента соединяются (предпочтительно параллельно) для их возбуждения, таким образом, одним и тем же сигналом. Преимущество возбуждения обоих элементов одним и тем же единственным сигналом состоит в том, что синфазное возбуждение упомянутых двух элементов на одной и той же частоте может быть обеспечено прямо уже без необходимости сложной обработки сигналов.
В альтернативных примерах, CMUT-элемент 22 и EAP-элемент 26 (или их электроды 34, 38 возбуждения) могут быть снабжены отдельными соединениями с контроллером 46, что позволяет возбуждать их независимыми возбуждающими сигналами. При работе в режиме генерирования волн, два возбуждающих сигнала переменного тока генерируются контроллером 46 и подаются одновременно и синфазно на электроды 34, 38 возбуждения каждого из CMUT-элемента 22 и EAP-элемента 26.
В примерах, возбуждающий сигнал, обеспечиваемый для EAP-элемента 26, может быть одной частью сигнала, обеспечиваемого для CMUT-элемента 22, или может быть обеспечено смещение (по постоянному току) относительно сигнала, подаваемого на CMUT-элемент 22.
Как отмечено выше, при эксплуатации, EAP-материал EAP-элемента 26 колеблется вместе с мембраной 24 CMUT-элемента 22, так что акустические волны генерируются в среде посредством приложения верхней поверхностью 50 EAP-элемента 26 ударной силы. Это означает, что в отличие от устройств предшествующего уровня техники, акустическим волнам не нужно перемещаться через границу EAP-элемента 26 и поверхности смежной среды (например, поверхности ткани) для приема в среде. Волны генерируются прямо посредством приложения верхней частью EAP-элемента силы к среде. Таким образом, рассогласование полного сопротивления между материалом акустического окна и приемной средой (например, кровью или тканью или гелем) не вызывает отражения.
В ультразвуковых устройствах на основе CMUT предшествующего уровня техники, рассогласование полного сопротивления на границах с акустическим окном является серьезной проблемой, приводящей к уменьшению качества изображения (вследствие увеличения граничных отражений или реверберации и уменьшения ширины полосы частот). Напротив, расположение настоящего изобретения, предотвращающее передачу акустических волн через границы с окном, устраняет эту проблему. Таким образом, CMUT с расположением с активным окном настоящего изобретения уменьшает реверберацию и увеличивает ширину полосы частот.
Это улучшение является особенно значимым, например, для располагаемых внутри тела устранимых катетеров, в которых часто акустический оконный элемент может находиться в прямом контакте с кровью (например, для внутрисосудистых ультразвуковых исследований (intravascular ultrasound - IVUS) или внутрисердечной эхокардиографии (intracardiac echocardiography (ICE)). В конкретных примерах может быть предпочтительным обеспечивать зонды, в которые может быть встроено устройство настоящего изобретения, с покрывающим слоем, который согласован по полному сопротивлению с тканью, для долговременной защиты. Однако в таких зондах очень полезными также являются дополнительное выходное давление и чувствительность приема. В качестве примера, полимерные материалы на основе фтора (например, PVDF) являются очень стабильными и биосовместимыми, и, следовательно, являются эффективными материалами для таких применений.
CMUT-элемент может быть изготовлен согласно стандартным технологиям для таких элементов, и эти технологии хорошо известны специалистам в данной области техники.
В качестве неограничивающего примера, PVDF-фольга (для использования в качестве EAP-элемента 26) может быть изготовлена посредством процесса нанесения покрытия методом центрифугирования, в котором CMUT-элемент покрывают методом центрифугирования (на уровне подложки) раствором PVDF. Эта технология известна и описана, например, в работе V. F. Cardoso и др., «Micro and nanofilms of poly(vinylidene fluoride) with controlled thickness, morphology and electroactive crystalline phase for sensor and actuator applications», 2011 Smart Mater. Struct. 20 087002.
Альтернативно для EAP-элемента могут быть использованы другие EAP-материалы, описанные более подробно ниже.
Верхний электрод 42, расположенный на выставленной верхней поверхности 50 EAP-элемента 26, может быть, в качестве неограничивающего примера, образован посредством локального распыления или испарения поверх маски, нанесенной поверх упомянутой выставленной поверхности EAP-элемента 26.
В экспериментах, проведенных авторами изобретения, было обнаружено, что при оптимизации покрытия верхнего электрода 42 относительно мембраны 24 CMUT-элемента (т.е. процента поверхности мембраны, который покрывает или поверх которого продолжается верхний электрод 42), изгибающее отклонение CMUT-элемента может быть увеличено в результате изгиба EAP, что приводит к увеличенному выходному давлению устройства.
Активация верхнего электрода 42 стимулирует деформацию EAP-элемента 26. Однако, посредством оптимизации площади поверхности электрода, может быть настроен конкретный участок и размер стимулируемого EAP-элемента. В частности, было обнаружено, что посредством обеспечения верхнего электрода 42, имеющего площадь поверхности, покрывающую или продолжающуюся поверх только конкретного размера CMUT-мембраны, расположенной ниже EAP-элемента, результирующая структура деформации EAP-элемента может быть такой, чтобы увеличивалось колебательное действие CMUT-мембраны.
В экспериментальных вычислениях выбрали CMUT-элемент, имеющий мембрану 24 с диаметром 120 микрон (причем «диаметр» относится к размеру, параллельному верхней поверхности мембраны 24 CMUT-элемента, с которой соединен EAP-элемент 26). Для определения увеличения изгибающего отклонения, создаваемого EAP-элементом, вычисляли и рассматривали изгиб самого EAP-элемента. Поскольку это отклонение будет добавляться к любому отклонению, создаваемому CMUT-элементом, можно определить увеличивающий эффект EAP-элемента.
Использовали EAP-элемент 26, содержащий PVDF и имеющий такую толщину, чтобы EAP-элемент имел собственную частоту, которая по существу соответствует собственной частоте CMUT-элемента (для соответствия резонансов этих двух структур), т.е. около 8-10 МГц для исследуемого сценария.
Для разных покрытий верхнего электрода 42 поверх CMUT-мембраны 24 определяли амплитуду статического смещения всей двухэлементной структуры в результате приложения постоянного напряжения к самому EAP-элементу. На этой основе можно было определить для разных покрытий электрода мембраны 24 CMUT-элемента, как EAP-элемент может усиливать изгиб CMUT-элемента и, таким образом, увеличивать выходное давление и чувствительность приема устройства 20.
Полное 100% покрытие электрода CMUT-мембраны 24 не приведет к дополнительному изгибающему моменту и будет только расширять PVDF-пленку в плоскости (и, таким образом, не будет влиять на изгиб CMUT-мембраны). Таким образом, рассматривалось частичное покрытие верхнего электрода (и его влияние на усиление изгиба).
Результаты исследования показаны на фиг. 4, которая показывает увеличение выходного давления, создаваемого EAP-элементом 22 (ось y, единицы: %) в зависимости от покрытия электрода мембраны 24 CMUT-элемента (ось х: единицы: %).
Из графика фиг. 4 можно увидеть, что обеспечиваемое увеличение выходного давления увеличивается, когда покрытие электрода мембраны 24 увеличивается, и имеет максимум при покрытии около 65%, при котором обеспечивается увеличение выходного давления, чуть большее 10%. При покрытии, большем 65%, увеличение выходной характеристики начинает уменьшаться, поскольку увеличенное покрытие начинает приводить к большей деформации в плоскости, что уменьшает эффект внеплоскостной деформации, который обеспечивает увеличение изгиба устройства.
Таким образом, было обнаружено, что оптимальное покрытие электрода составляет около 65%, причем покрытие 60-65% является предпочтительным диапазоном, и 60-70% является целесообразным диапазоном.
Проведенный эксперимент был очень простым экспериментом, и результаты являются консервативными по сравнению с теми результатами, которые, как ожидается, должны обеспечиваться во многих практических системах, например, где CMUT-преобразователь может работать в так-называемом режиме коллапса, который увеличивает выходные характеристики. В режиме коллапса CMUT возбуждается напряжением смещения, которое возбуждает центральный участок гибкой мембраны 24 на полости 30 по направлению к противоположному электроду 36, и на него подается стимул, имеющий установленную частоту, который заставляет диафрагму или гибкую мембрану резонировать на установленной частоте.
С учетом коллапса ожидается, что обеспечиваемое EAP-элементом выходное увеличение, при оптимальном покрытии электрода, может составлять около 25% в каждом из режимов генерирования ультразвука и восприятия ультразвука.
Следовательно, дополнительно к увеличенной выходной мощности, EAP-элемент также обеспечивает увеличенную чувствительность при детектировании ультразвуковых волн. Например, в литературе было предположено, в частности, в Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California at Berkeley, Technical Report No. UCB/EECS-2015-154, May 26, 2015, что выходной сигнал EAP-элемента 26 на основе PVDF, в частности, может быть вплоть до 2-3 раз большим, чем выходной сигнал CMUT-элемента 22.
В итоге было обнаружено, что с использованием конфигурации с активным EAP-окном настоящего изобретения может быть обеспечена на 10 дБ большая чувствительность по сравнению с расположением, в котором только CMUT-элемент используется для детектирования ультразвуковых волн.
Как описано выше, контроллер 46 может быть выполнен с возможностью, согласно по меньшей мере одному режиму управления, управлять устройством 20 для восприятия ультразвуковых колебаний посредством восприятия электрических сигналов, генерируемых CMUT-элементом 22 и элементом 26 на основе электроактивного полимера (EAP).
При работе в режиме передачи (или режиме генерирования ультразвука) CMUT-элемент 22 и EAP-элемент 26 возбуждаются одновременно синфазными сигналами переменного тока с одной и той же частотой. Напротив, при работе в режиме восприятия может быть предпочтительным воспринимать принимаемые сигналы полностью независимо от каждого из EAP-элемента и CMUT-элемента. Следовательно, может быть предпочтительным развязать CMUT-элемент и EAP-элемент во время приема.
Для этой цели, CMUT-элемент 22 и элемент 26 на основе электроактивного полимера могут быть соединены отдельно с контроллером 46 таким образом, чтобы независимые электрические сигналы воспринимались на каждом из CMUT-элемента и элемента на основе электроактивного полимера.
Это развязывание CMUT-элемента и EAP-элемента обеспечивает два основных преимущества.
Во-первых, часто случается, что сигнал приема, выводимый EAP-элементом 26, имеет меньшее отношение сигнал-шум (signal to noise ratio - SNR), чем отношение сигнал-шум объединенного сигнала EAP-элемента 26 и CMUT-элемента 22. Посредством обеспечения отдельных соединений для каждого элемента, сигналы могут быть разделены, и может быть сохранен меньший SNR EAP-элемента.
Во-вторых, (потенциально разные амплитудно-частотные) характеристики CMUT 22 и EAP-элемента 26, соответственно, могут быть измерены отдельно и независимо и сравнены в последующем вычислении. Это может быть полезным, например, для нахождения артефактов в одном или другом сигнале, причем сравнение позволит идентифицировать их или же увеличит точность.
Это, в частности, имеет место в случае принимаемых ультразвуковых сигналов, которые находятся далеко от частоты (механического) резонанса системы CMUT/PVDF. В таких случаях реакция CMUT-элемента 22 будет пренебрежимо малой, в то время как сигнал EAP-элемента обычно является существенно более сильным, поскольку на него меньше влияет неравенство частот, вследствие вклада колебаний по толщине (вызываемых колебаниями в толщине EAP-элемента 26), который становится более существенным вдали от резонанса.
Контроллер 46 может быть выполнен с возможностью, согласно одному или нескольким примерам, выбирать только наиболее чувствительный элемент из CMUT 22 и EAP-элемента 26 для использования в восприятии ультразвуковых сигналов, когда, например, известно, что требуется высокая чувствительность. Это может предотвратить уменьшение общей амплитуды воспринимаемого сигнала вследствие уменьшенного выходного сигнала другого элемента. Например, для входных сигналов очень малого акустического давления, чувствительность EAP-элемент остается измеримой вследствие деформации толщины EAP-элемента, даже если существенно уменьшилась внеплоскостная деформация общей двухслойной структуры (CMUT и EAP-элемент), и уменьшился воспринимаемый сигнал CMUT 22.
Варианты осуществления настоящего изобретения, таким образом, по сравнению с устройством предшествующего уровня техники обеспечивают многочисленные преимущества, обобщенные ниже.
Активное акустическое окно, обеспечиваемое EAP-элементом, обеспечивает для устройства дополнительную выходную мощность (по сравнению со стандартными устройствами, имеющими статический оконный элемент) при работе в режиме активной передачи. Это улучшает качество изображения.
Также обеспечивается дополнительная чувствительность при приеме ультразвуковых сигналов (по сравнению с устройствами, имеющими статическое окно), которая улучшает качество изображения CMUT.
В итоге, выходная мощность и входная чувствительность могут быть увеличены вплоть до трех раз по сравнению со стандартными расположениями с пассивным окном, что эквивалентно увеличению приблизительно на 10 дБ мощности сигнала (2 дБ в генерируемой мощности сигнала и 8 дБ в чувствительности приема).
Дополнительно, помимо активного увеличения выходной мощности и чувствительности приема, настоящее устройство смягчает или устраняет известные причины ухудшения выходной мощности и входной чувствительности. В частности, вследствие одновременных, параллельных колебаний активного окна, никакие отражения не генерируются на границе между оконным элементом (EAP-элементом в настоящем изобретении) и тканью, причем обычно это вызвано передачей волн от CMUT через статическое окно и через рассогласованную по полному сопротивлению границу. Общепринятые устройства для смягчения этого эффекта требуют идеального согласования акустического полного сопротивления для предотвращения отражений, что означает, что должны обеспечиваться разные элементы для сопряжения с разными материалами приемной поверхности.
При обеспечении вышеупомянутых улучшений, расположение с активным окном настоящего изобретения обеспечивает эффективную механическую и электрическую защиту, а также защиту от проникания воды.
В устранимых применениях, таких как ультразвуковые исследования внутри тела с использованием катетера, или внутрисосудистые ультразвуковые исследования (IVUS) или внутрисердечная эхокардиография (ICE), на CMUT-преобразователях может быть использован единственный оконный слой (в форме EAP-элемента 24). Это отличается от неактивных оконных структур предшествующего уровня техники, в которых обычно для защиты обеспечивается первый мягкий оконный слой в комбинации со вторым более твердым слоем. Последнее является более сложным в изготовлении и может приводить к акустическим отражениям на границе между твердым и мягким слоями.
Варианты осуществления настоящего изобретения пригодны для использования в любом применении, в котором используются ультразвуковые преобразователи. Конкретные преимущества могут быть обеспечены в использовании для ультразвуковых применений внутри тела, таких как внутрисосудистые ультразвуковые исследования (IVUS).
Предполагается, что варианты осуществления настоящего ультразвукового устройства могут быть использованы в ультразвуковой диагностической системе визуализации.
Теперь со ссылкой на фиг. 5 будет описана обычная работа иллюстративной ультразвуковой диагностической системы визуализации.
Иллюстративная система содержит матричный преобразующий зонд 60, который имеет массив 100 CMUT-преобразователей для передачи ультразвуковых волн и приема эхо-информации. Каждый из CMUT-преобразователей массива может быть снабжен активным EAP-оконным элементом согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Массив 100 преобразователей может дополнительно содержать некоторые пьезоэлектрические преобразователи, изготовленные из материалов, таких как PZT или PVDF. Массив 100 преобразователей является двумерным массивом преобразователей 110, способных сканировать двумерную (2D) плоскость или в трех измерениях для трехмерной (3D) визуализации. В другом примере, массив преобразователей может быть одномерным (1D) массивом.
Массив 100 преобразователей соединен с микроформирователем 62 лучей в зонде, который управляет приемом ячейками CMUT-массива или пьезоэлектрическими элементами сигналов. Микроформирователи лучей способны по меньшей мере частично формировать лучи сигналов, принимаемых подмассивами (или «группами» или «фрагментами») преобразователей, как описано в патентах США № 5,997,479 (Savord и др.), № 6,013,032 (Savord), и № 6,623,432 (Powers и др.).
Следует отметить, что микроформирователь лучей является совершенно необязательным. Примеры, приведенные ниже, не предполагают никакого аналогового формирования лучей.
Микроформирователь 62 лучей соединен кабелем зонда с переключателем 66 передачи/приема (transmit/receive - T/R), который переключается между передачей и приемом и защищает основной формирователь 70 лучей от высокоэнергетических сигналов передачи, когда формирователь лучей не используется, и массив преобразователей управляется прямо основным системным формирователем лучей. Передача ультразвуковых лучей от массива 60 преобразователей управляется контроллером 68 преобразователей, соединенным с микроформирователем лучей посредством переключателя 66 T/R и основного формирователя лучей передачи (не показан), который принимает входные данные от операции пользователя на пользовательском интерфейсе или панели 88 управления.
Одной из функций, управляемых контроллером 68 преобразователей, является обеспечение направления, в котором лучи направляются и фокусируются. Лучи могут направляться из массива преобразователей прямо вперед (ортогонально) или под разными углами для обеспечения более широкого поля зрения. Контроллер 68 преобразователей может быть выполнен с возможностью управлять средством 95 управления постоянным смещением для CMUT-массива. Средство 95 управления постоянным смещением устанавливает постоянное напряжение (напряжения) смещения, которое подается на CMUT-ячейки.
В канале приема, частично сформированные по лучам сигналы генерируются микроформирователем 62 лучей и передаются в основной формирователь 70 лучей приема, где частично сформированные по лучам сигналы от отдельных фрагментов преобразователей объединяются в полностью сформированный по лучам сигнал. Например, основной формирователь 70 лучей может иметь 128 каналов, каждый из которых принимает частично сформированный по лучам сигнал от фрагмента из дюжин или сотен ячеек CMUT-преобразователей или пьезоэлектрических элементов. Таким образом, сигналы, принимаемые тысячами преобразователей массива преобразователей, могут эффективно вносить вклад в единственный сформированный по лучам сигнал.
Сформированные по лучам сигналы приема передаются в сигнальный процессор 72. Сигнальный процессор 72 может обрабатывать принятые эхо-сигналы различными способами, например, посредством полосовой фильтрации, прореживания, разделения компонентов I и Q, и разделения гармонического сигнала, которые могут разделять линейные и нелинейные сигналы для обеспечения идентификации нелинейных (высших гармоник основной частоты) эхо-сигналов, возвращающихся от ткани и микропузырьков. Сигнальный процессор может также осуществлять дополнительное улучшение сигналов, например, уменьшение спеклов, смешение сигналов, и устранение шума. Полосовой фильтр в сигнальном процессоре может быть следящим фильтром, причем его полоса пропускания скользит от более высокой полосы частот к низкой полосе частот, когда эхо-сигналы принимаются с увеличивающихся глубин, в результате чего подавляется шум на более высоких частотах с больших глубин, когда эти частоты лишены анатомической информации.
Формирователи лучей для передачи и для приема реализованы в разных аппаратных средствах и могут иметь разные функции. Конечно, формирователь лучей приемника выполнен с возможностью учитывать характеристики формирователя лучей передачи. На фиг. 5 для простоты показаны только формирователи 62, 70 лучей приемника. В полной системе также будет цепочка передачи с микроформирователем лучей передачи и основным формирователем лучей передачи.
Функция микроформирователя 62 лучей состоит в обеспечении начальной комбинации сигналов для уменьшения числа путей аналоговых сигналов. Это обычно выполняется в области аналоговых данных.
Конечное формирование лучей выполняется в основном формирователе 70 лучей и происходит обычно после преобразования в цифровую форму.
Каналы передачи и приема используют один и тот же массив 60' преобразователей, который имеет фиксированную полосу частот. Однако ширина полосы частот, которую занимают импульсы передачи, может изменяться в зависимости от используемого формирования лучей передачи. Канал приема может захватывать всю ширину полосы частот преобразователя (что является классическим подходом), или с использованием полосовой обработки он может извлекать только ширину полосы частот, которая содержит полезную информацию (например, гармоники основной гармоники).
Обработанные сигналы передаются в процессор 76 В-режима (т.е. режима яркости или режима двумерной визуализации) и допплеровский процессор 78. Процессор 76 В-режима использует детектирование амплитуды принимаемого ультразвукового сигнала для визуализации структур в теле, таких как ткань органов и сосудов в теле. Изображения В-режима структуры тела могут быть образованы либо в режиме гармонического изображения, либо в режиме фундаментального изображения, или в виде комбинации обоих режимов, как описано в патенте США № 6,283,919 (Roundhill и др.) и патенте США № 6,458,083 (Jago и др.). Допплеровский процессор 78 обрабатывает отличные по времени сигналы от перемещения ткани и кровотока для детектирования движения веществ, такого как ток клеток крови, в поле изображения. Допплеровский процессор 78 обычно включает в себя стеновой фильтр с параметрами, которые могут быть установлены для пропускания и/или подавления эхо-сигналов, возвращающихся от выбранных типов материалов в теле.
Структурные сигналы и сигналы движения, создаваемые процессором В-режима и допплеровским процессором, передаются в преобразователь 82 сканирования и устройство 94 многоплоскостного переформатирования. Преобразователь 82 сканирования помещает эхо-сигналы из пространственного расположения, из которого они были приняты, в требуемый формат изображения. Например, преобразователь сканирования может поместить эхо-сигнал в двумерный (2D) секторообразный формат или пирамидальное трехмерное (3D) изображение. Преобразователь сканирования может накладывать на структурное изображение В-режима цвета, соответствующие движению, в точках в поле изображения с их оцененными по методу Допплера скоростями для создания цветного допплеровского изображения, которое показывает движение ткани и кровоток в поле изображения. Устройство многоплоскостного переформатирования будет преобразовывать эхо-сигналы, которые принимаются от точек в общей плоскости в объемной области тела, в ультразвуковое изображение этой плоскости, как описано в патенте США № 6,443,896 (Detmer). Устройство 92 воспроизведения объема преобразует эхо-сигналы трехмерного набора данных в проецируемое трехмерное изображение, видимое с данной точки отсчета, как описано в патенте США № 6,530,885 (Entrekin и др.).
Двумерные или трехмерные изображения передаются от преобразователя 82 сканирования, устройства 94 многоплоскостного переформатирования, и устройства 92 воспроизведения объема в процессор 80 изображений для дополнительного улучшения, буферизации и временного хранения для отображения на дисплее 90 изображений. Дополнительно к использованию для визуализации, величины кровотока, создаваемые допплеровским процессором 78, и информация о структуре ткани, создаваемая процессором 76 В-режима, передаются в процессор 84 квантификации. Процессор квантификации создает меры разных потоковых условий, такие как объемный расход кровотока, а также структурные меры, такие как размеры органов и внутриутробный возраст. Процессор квантификации может принимать входные данные от панели 88 управления пользователя, такие как точка в анатомии изображения, где должно быть проведено измерение. Выходные данные процессора квантификации передаются в графический процессор 86 для воспроизведения графики и значений измерений вместе с изображением на дисплее 90 и для вывода звуковой информации из устройства 90 отображения. Графический процессор 86 может также генерировать графические наложения для отображения вместе с ультразвуковыми изображениями. Эти графические наложения могут содержать стандартную идентифицирующую информацию, такую как имя пациента, дата и время изображения, параметры визуализации, и т.п. Для этих целей графический процессор принимает от пользовательского интерфейса 88 входные данные, такие как имя пациента. Пользовательский интерфейс также соединен с контроллером 68 передачи для управления генерированием ультразвуковых сигналов от массива 60’ преобразователей и, следовательно, изображениями, создаваемыми массивом преобразователей и ультразвуковой системой. Функция управления передачей контроллера 68 является только одной из выполняемых функций. Контроллер 68 также учитывает режим работы (заданный пользователем) и соответствующую требуемую конфигурацию передатчика и конфигурацию полосового фильтра в аналого-цифровом преобразователе приемника. Контроллер 68 может быть конечным автоматом с фиксированными состояниями.
Пользовательский интерфейс также соединен с устройством 94 многоплоскостного переформатирования для выбора и управления плоскостями множественных многоплоскостных переформатированных (multiple multi-planar reformatted - MPR) изображений, которые могут быть использованы для выполнения количественных измерений в поле изображения MPR-изображений.
Как описано выше, варианты осуществления настоящего изобретения используют контроллер. Контроллер может быть реализован многими путями, программными и/или аппаратными средствами, для выполнения различных требуемых функций. Процессор является одним примером контроллера, который использует один или несколько микропроцессоров, которые могут быть запрограммированы с использованием программного средства (например, микрокода) выполнять требуемые функции. Контроллер может быть, однако, реализован с использованием или без использования процессора, а также может быть реализован в виде комбинации специального аппаратного средства для выполнения некоторых функций и процессора (например, одного или нескольких программируемых микропроцессоров и соответствующих схем) для выполнения других функций.
Примеры компонентов контроллера, которые могут быть использованы в различных вариантах осуществления настоящего раскрытия, включают в себя, но не ограничены этим: общепринятые микропроцессоры, специализированные интегральные схемы (application specific integrated circuit - ASIC) и матрицы программируемых логических вентилей (field-programmable gate array - FPGA).
В различных реализациях, процессор или контроллер могут быть связаны с одним или несколькими носителями данных, такими как энергозависимая и энергонезависимая компьютерная память, такая как RAM, PROM, EPROM, и EEPROM. Носители данных могут быть закодированы одной или несколькими программами, которые, при выполнении на одном или нескольких процессорах и/или контроллерах, выполняют требуемые функции. Различные носители данных могут быть установлены внутри процессора или контроллера или могут быть переносными, чтобы одна или несколько программ, запоминаемых на них, могли быть загружены в процессор или контроллер.
Другие изменения раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при применении на практике заявленного изобретения, на основе изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а форма единственного числа не исключает множественного числа. Тот факт, что некоторые меры перечислены во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована с преимуществом. Никакие ссылочные позиции в формуле изобретения не следует толковать как ограничение ее объема.