УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЗОНД С ФОРМИРОВАТЕЛЕМ МИКРОЛУЧЕЙ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ
ULTRASOUND CONVERTING PROBE WITH HIGH-POWER MICROBEAM GENERATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к ультразвуковым диагностическим системам визуализации, а частности, к преобразовательным зондам с формирователем микролучей для диагностической визуализации.
Уровень техники
Системы ультразвуковой диагностической визуализации проектируют для работы с различными видами ультразвуковых зондов, рассчитанных для конкретных процедур визуализации. Например, в акушерских зондах для глубокого абдоминального сканирования, как правило, используются сравнительно низкочастотные преобразователи, поскольку низкочастотный ультразвук проникает глубже в тело, в то время как зависящее от глубины ослабление более высоких частот дает изображения непригодные для диагностики. Но когда глубина проникновения ультразвука не является значимым фактором, как при поверхностной визуализации неглубокой анатомии, высокочастотные преобразователи в общем более предпочтительны, так как высокочастотные эхо-сигналы будут давать лучшее, более детальное разрешение анатомии.
Ультразвуковые лучи, испускаемые и принимаемые матричными зондами, управляются и фокусируются формирователем лучей, который во время передачи возбуждает различные элементы в немного разные моменты времени, а также задерживает и суммирует сигналы, принимаемые элементами матрицы в ответ на передачу. Традиционно формирователь лучей размещен в ультразвуковой системе, с которой соединен зонд, при этом каждый канал формирователя лучей соединен с элементом матрицы. Однако многие современные ультразвуковые преобразовательные зонды содержат элементы, количество которых превышает количество каналов формирователя лучей системы. Подход, который используют для разрешения данной дилеммы, заключается в использовании в зонде формирователя микролучей в виде интегральной микросхемы, которая способна возбуждать все элементы матрицы сигналами передачи, и выполнять по меньшей мере частичное формирование лучей, при этом окончательное формирование лучей по частичным суммам сигналов выполняется формирователем лучей системы. Хотя данный подход преодолевает ограничение, связанное с количеством каналов, он имеет свое собственное ограничение, которое заключается в ограничении со стороны микросхемотехники формирователя лучей в отношении напряжения передачи. На более высоких частотах передачи это, как правило, не является проблемой, поскольку в высокочастотных зондах используются более тонкие пьезоэлектрические элементы, которые требуют более низкого напряжения, а более высокие частоты используются при более поверхностных обследованиях, когда глубина проникновения ультразвука требует более низкого напряжения передачи. Но, более низкочастотные пьезоэлектрические элементы имеют большую толщину, которая требует более высокого напряжения передачи, при этом такие элементы часто используются при больших глубинах проникновения ультразвука -таких, какие имеют место при акушерской визуализации. Традиционный способ получения достаточной мощности возбуждения для более глубокой визуализации при помощи элементов пьезоэлектрического преобразователя заключается в увеличении возбуждающего напряжения. Но интегральная микросхема, работающая при более высоких напряжениях, должна быть внутри сформирована из участков полупроводника большей площади, чтобы получить заданный уровень возбуждающего тока. Таким образом, при масштабировании схемы возбуждения для более высоких напряжений, схема формирователя микролучей быстро становится слишком большой, чтобы поместиться внутрь ручного преобразовательного зонда. Соответственно, желательно иметь возможность обеспечить более высокую мощность передачи в преобразовательном зонде с формирователем микролучей, но без неприемлемого увеличения размера элементов интегральной схемы формирователя микролучей внутри зонда.
Раскрытие сущности изобретения
В соответствии с принципами настоящего изобретения, ультразвуковое устройство для формирования изображений со схемой формирователя микролучей обеспечивает более высокую мощность передачи без чрезмерного увеличения размера формирователя микролучей. Это делается за счет повышения тока возбуждения, поступающего от полупроводниковых компонентов высокой мощности, а не за счет повышения напряжения возбуждения. Хотя увеличение максимального тока возбуждения, выдаваемого полупроводниковым прибором, будет приводить к увеличению его площади, это будет происходить медленнее, чем если увеличение мощности получать за счет напряжения. Чтобы построить элементы преобразователя, которые будут потреблять повышенный ток, указанные элементы формируют из двух или более двух тонких слоев пьезоэлектрического материала, которые электрически возбуждаются параллельно, а механически работают последовательно в отличие от традиционного одиночного более толстого слоя. Поскольку каждый тонкий слой имеет более низкий импеданс по сравнению с импедансом одиночного толстого слоя пьезоэлектрического материала, для схемы формирования тока возбуждения преобразовательный элемент будет демонстрировать более низкий рабочий электрический импеданс, и таким образом, обусловит увеличение тока возбуждения (а, следовательно и мощности) для данного рабочего напряжения. Именно такое увеличение мощности, благодаря сочетанию увеличения тока и использования элементов преобразователя с низким импедансом, позволяет создать интегральную схему формирователя микролучей, размер которой останется подходящим для размещения внутри устройства визуализации.
Устройство визуализации в типичном случае представляет собой ультразвуковой зонд. Ультразвуковые зонды обычно выполняют в ручном формате, но они могут быть сконструированы с возможностью крепления непосредственно к пациенту. Ультразвуковые зонды, как правило, рассчитаны на то, чтобы преобразователь можно было помещать с примыканием к тканям пациента, например, прижимать к коже, передавать и принимать ультразвуковые данные внутри пациента. Следует понимать, что рассмотренные в данном описании идеи могут быть также адаптированы к ультразвуковым зондам или устройствам, выполненным с возможностью введения внутрь пациента, например, катетерам (для внутрисосудистых ультразвуковых исследований (IVUS), внутрисердечной эхокардиографии (ICE) и т.п.), зондам чреспищеводной эхокардиографии (TEE) или датчикам, рассчитанным для полостной визуализации (трансректальные или акушерские зонды).
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 изображает одиночный преобразовательный элемент из пьезоэлектрического материала, питаемый схемой формирования тока возбуждения;
Фиг. 2 представляет электрическую схему преобразовательного элемента, образованного двумя более тонкими слоями пьезоэлектрического материала, которые электрически возбуждаются параллельно, а механически работают последовательно;
Фиг. 3 иллюстрирует предпочтительную конструкцию преобразовательного элемента, образованного двумя тонкими слоями пьезоэлектрического материала, которые механически работают последовательно, а электрически возбуждаются параллельно от полупроводникового компонента, формирующего ток возбуждения;
Фиг. 4 иллюстрирует вариант осуществления двумерной матрицы в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг. 5 иллюстрирует преобразовательный блок для матричного зонда, построенный в соответствии с принципами настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 изображен пьезоэлектрический преобразовательный элемент 10. Преобразовательный элемент имеет толщину Z. Известно, что толщину и форму преобразовательного элемента выбирают так, чтобы обеспечить работу на определенной частоте или в диапазоне частот для того или иного пьезоэлектрического материала. Преобразовательный элемент возбуждают путем подачи импульса передачи или сигнала определенной формы от усилителя 16 передачи формирователя микролучей в зонде, содержащем преобразовательный элемент. Импульс передачи подается на электрод 14 на одну сторону преобразовательного элемента. Другой электрод 14, наверху указанного элемента, в данной схеме возбуждения заземлен. Когда на нижний электрод 14 подается импульс передачи, преобразовательный элемент излучает ультразвуковую волну в направлении, показанном стрелкой 18.
Предположим, что требуется послать ультразвуковую волну с более высоким звуковым давлением для более глубокого проникновения в тело обследуемого пациента. При этом должно быть использовано такое же напряжение передачи. Волна с более высоким звуковым давлением будет передаваться при том же напряжении, если будет увеличен ток возбуждения элемента. В соответствии с настоящим изобретением, предпочтительный способ увеличения указанного тока заключается в уменьшении импеданса на выходе усилителя 18 передачи формирователя микролучей. Предпочтительный способ уменьшения электрического импеданса преобразовательного элемента заключается в применении нескольких более тонких преобразовательных элементов, соединенных электрически параллельно, как показано на фиг.2. В данном примере каждый элемент 12 имеет толщину Z/2, и, если величину импеданса также обозначить Z, то результирующий импеданс двух параллельно соединенных элементов будет равен Z/4. При параллельном электрическом соединении, усилитель 18 тока возбуждения для подачи сигналов передачи присоединен к нижним электродам 14 каждого преобразовательного элемента 12, а верхний электрод каждого элемента заземлен. Указанные два элемента 12 механически для совместной работы соединены последовательно, при этом излучаемая ультразвуковая волна следует в направлении 18.
Предпочтительный способ механической организации указанных двух слоев 12 элементов для их совместной работы по последовательной схеме изображен на фиг.3. На четыре стороны каждого слоя 12 элементов наносят металлический материал электрода, например, сплав золота. Затем в указанном материале создают карманы 15 на верхней и нижней поверхности каждого элемента, как показано на фиг.3. Карманы 15 могут быть получены за счет изолирующих разрезов, выполненных посредством травления или скрайбирования материала электрода, как показано на фиг. 3. За счет этой операции оставляют два электрических пути, которые наполовину охватывают элемент от карманов 15, один от верхнего левого кармана и через нижнюю поверхность элемента к нижнему карману, а другой через верхнюю поверхность элемента и вокруг правой стороны элемента к нижнему карману. Указанные два слоя 12 элементов затем скрепляют вместе, например, при помощи клея, так чтобы на соприкасающихся сторонах элементов карманы были совмещены, как показано на фиг. 3. Тем самым создаются два электрода: один (14а) на левой стороне преобразовательного элемента, покрывающий большую часть пути между пьезоэлектрическими слоями, и другой (14b), покрывающий большую часть верхней и нижней поверхностей элемента и на правой стороне. Усилитель 18 тока возбуждения подает сигнал возбуждения на электрод 14а, при этом электрод 14 заземлен. Видно, что питание двух слоев 12 преобразовательных элементов электрически осуществляется параллельно, при этом слои механически связаны так, чтобы работать последовательно, как единый преобразовательный элемент. Для полноты схемы в левой части чертежа показана приемная цепь формирователя микролучей для данного элемента, а именно переключатель 20 передачи/приема, и предусилитель 22 приема.
В типичной преобразовательной матрице слои 12 указанных двух элементов при соединении, как на фиг. 3, образуют один элемент преобразовательной матрицы. Азимутальное направление одномерной (1 D) матрицы - это направление «в плоскость чертежа» и «из плоскости чертежа», при этом соответствующие элементы в азимутальном направлении расположены «бок о бок» рядом друг с другом, и разделены границами резки полупроводниковой пластины. Элементы также могут быть расположены в виде двумерной (2D) матрицы, как показано на фиг. 4, которая представляет вид сверху двумерной (2D) матрицы 30. Центральный ряд 33 элементов, проходящий в азимутальном направлении (Az), по высоте (Е1) с боковых сторон окаймлен двумя рядами 32 и 34 элементов. Элементы центрального ряда 33 индивидуально приводятся в действие для передачи направленных и сфокусированных ультразвуковых лучей вверх (в направлении «из чертежа на читателя»). Боковые вертикальные ряды 32 и 34 в данном примере приводятся в действие вместе, при этом пары противоположных элементов возбуждаются усилителями 18 тока возбуждения. Путем управления моментами времени возбуждения рядов 32, 34 передаваемый луч может быть сфокусирован по высоте на требуемой глубине фокусирования. Двумерная (2D) матрица 30 может содержать десятки или сотни преобразовательных элементов, которые возбуждаются усилителями 18 тока возбуждения формирователя микролучей, расположенного в преобразовательном зонде вместе с двумерной (2D) матрицей 30.
Фиг. 5 иллюстрирует преобразовательный блок 100, содержащий преобразовательную матрицу и формирователь микролучей, соответствующий настоящему изобретению, которые могут быть заключены в корпус, который вместе с присоединенным кабелем образует законченный преобразовательный зонд. Каждый преобразовательный элемент, входящий в матрицу, содержит два пьезоэлектрических слоя 12, скрепленных вместе с электродами 14а и 14b, как показано на фиг. 3. Азимутальное направление данной матрицы - это направление «в плоскость чертежа» и «из плоскости чертежа». Как известно в данной области техники, один или более акустических согласующих слоев (не показаны) располагают сверху преобразовательной матрицы. Акустическая линза 50 покрывает преобразовательную матрицу и ее согласующие слои. Ниже преобразовательной матрицы расположен акустический опорный блок 48. Преобразовательная матрица смонтирована на гибкой печатной плате 42, причем электроды 14а, 14b каждого преобразовательного элемента связаны с проводящими дорожками указанной гибкой печатной платы. В данном примере электрическая связь электродов с дорожками гибкой печатной платы осуществляется шариковыми выводами 40, выполненными из припоя. Концы гибкой печатной платы 42 электрически связаны с печатными платами 44а и 44b. На печатных платах 44а, 44b установлены и посредством гибкой печатной платы электрически связаны с преобразовательной матрицей специализированные интегральные схемы (ASIC, от англ. Application Specific Integrated Circuit) 46a, 46b формирователя микролучей, которые содержат усилители токов возбуждения и приемные схемы для каждого элемента преобразовательной матрицы. Поскольку для увеличения мощности передачи матрицы применено увеличение тока, а не увеличение напряжения, то увеличены площади кристалла специализированных ИС 46a, 46b, которые заняты элементами формирования тока возбуждения, но не в такой степени, как в случае с увеличением напряжения, что позволяет специализированные ИС 46а, 46b формирователя микролучей и преобразовательный блок разместить в габаритах типового корпуса зонда.
На фиг. 5 не показан кабель зонда, один конец которого связан с печатными платами 44а, 44b, и который проходит из корпуса зонда к соединителю ультразвуковой системы на другом конце.
Следует отметить, что ультразвуковая система, подходящая для использования с конструкцией ультразвукового зонда, соответствующего настоящему изобретению, может быть реализована в аппаратной, программной или комбинированной форме. Различные варианты и/или компоненты ультразвуковой системы могут быть реализованы, как часть одного или более компьютеров или микропроцессоров. Компьютер или процессор могут содержать вычислительное устройство, устройство ввода, блок отображения и интерфейс, например, для доступа в Интернет. Компьютер или процессор могут содержать микропроцессор. Микропроцессор может быть соединен с шиной обмена данными, например, для доступа к системе архивации и передачи изображений (PACS, от англ. Picture Archiving and Communications System) или к сети передачи данных для импортирования изображений высокого и низкого разрешения. Компьютер или процессор могут также содержать память. Устройства памяти могут включать в себя оперативное запоминающее устройство (оперативную память) и постоянное запоминающее устройство. Компьютер или процессор могут дополнительно содержать устройство хранения данных, которым может служить жесткий диск или съемное устройство хранения данных, такое как флоппи-диск, оптический диск, флеш-накопитель и т.п. В качестве устройств хранения данных могут также выступать другие аналогичные средства для загрузки компьютерных программ или иных инструкций в компьютер или процессор.
Термины «компьютер» или «модуль» или «процессор» или «рабочая станция» в том смысле, в каком они использованы в настоящем описании, могут заключать в себе любую процессорную или микропроцессорную систему, включая системы, где используются микроконтроллеры, компьютеры с архитектурой сокращенного набора команд (RISC-компьютеры), специализированные интегральные схемы (ASIC), логические схемы и любую другую схему или процессор, способные выполнять рассмотренные в настоящем описании функции.
В целях обработки входных данных компьютер или процессор исполняет набор инструкций, которые хранятся в одном или более элементах хранения информации. Элементы хранения могут также сохранять данные или иную информацию, которая требуется или необходима. Элемент хранения может существовать в виде источника информации или элемента физической памяти внутри обрабатывающего устройства.
Набор инструкций ультразвуковой системы, включая инструкции управления сбором данных, обработкой и передачей ультразвуковых изображений, о которых шла речь выше, могут включать в себя различные команды, которые дают инструкции компьютеру или процессору, как обрабатывающей машине, для выполнения определенных операций, например, выполнения способов и процессов различных вариантов осуществления изобретения. Указанный набор инструкций может существовать в форме программного обеспечения. Программное обеспечение может быть в различных формах, например, в виде системного программного обеспечения или прикладных программ, которые могут быть реализованы в виде материального и энергонезависимого машиночитаемого носителя. Кроме того, программное обеспечение может быть реализовано в виде набора отдельных программ или модулей, таких как модуль модели нейронной сети, программный модуль внутри более крупной программы или часть программного модуля. Программное обеспечение может также содержать модульное программирование в форме объектно-ориентированного программирования. Обработка входных данных обрабатывающей машиной может происходить в ответ на команды оператора или в ответ на результаты предыдущей обработки, или в ответ на запрос, сделанный другой обрабатывающей машиной.
Кроме того, ограничения пунктов прилагаемой формулы изобретения изложены не в формате «предназначен плюс функция», и не предполагается их интерпретация на основе шестого абзаца статьи 35 параграфа 112 Свода законов США (35 U. S. С.112), кроме случаев, когда и до тех пор пока в ограничениях такого пункта явным образом не будет использована фраза «предназначен для», за которой следует указание функции, лишенной дополнительной структуры.