КАТЕТЕР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С РАСПОЛОЖЕННЫМИ В ШАХМАТНОМ ПОРЯДКЕ РЯДАМИ МИКРОМАШИННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
CATHETER-CONVERTER WITH ROWS OF MICROMACHINE ULTRASONIC TRANSDUCERS ARRANGED IN STAGGERED ORDER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к медицинской диагностической ультразвуковой визуализации и, в частности, к катетерам ультразвуковой визуализации, которые используют емкостные микромашинные ультразвуковые преобразователи (CMUT).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Внутрисосудистые катетеры, т.е. катетеры для введения в полость сердца для ультразвуковой визуализации используются для исследования сосудистой сети тела, сердца и окружающей ткани, и органов. Когда исследуются сосудистая сеть и ее структуры, целевая анатомия как правило находится очень близко к акустической апертуре и требуется лишь ограниченное проникновение акустических волн. Для этих применений требуется высокочастотный преобразователь для максимального разрешения при требованиях ослабевающего проникновения. Для матричного преобразователя это означает, что элементы матричного преобразователя должны иметь малый шаг, расстояние между центрами соседних элементов, для того, чтобы уменьшить лепестки решетки и возникшие в результате мешающие отражения изображения. В случае пьезокерамических преобразователей шаг часто ограничивается в процессе разделения пластины на кристаллы. Однако решетки микромашинных ультразвуковых преобразователей (MUT) могут быть очень маленькими, так как они изготовлены с помощью процессов полупроводникового производства. Следовательно, меньшие значения шага могут быть как правило получены, когда для решетки преобразователей используются CMUT и другие устройства MUT. Небольшие размеры устройств MUT преимущественны в катетерах для введения в полость сердца, когда решетка должна быть изготовлена на наконечнике катетера, который имеет размер, необходимый для прохождения через сердечно-сосудистую систему. Но другие применения катетера требуют визуализации более отдаленных органов и структур. При этих применениях требуется большее проникновение и частоты могут быть ниже, чем для объектов ближней зоны. Большее проникновение требует более высоких передаваемых акустических давлений, чему лучше всего удовлетворяют решетки с высокой плотностью. Элементы решетки с более высокой плотностью повышают производительность как в ближней, так и дальней зоне. Таким образом, желательно иметь возможность очень близко размещать соседние элементы MUT, чтобы эффективнее выполнять требования к шагу, требования к энергии, чувствительности и, таким образом, к осуществлению визуализации. Катетеры для введения в полость сердца порождают другую проблему, кроме требований небольшого размера, а именно ту, что решетки преобразователей должны быть, как правило, изогнуты для обертывания вокруг цилиндрического наконечника катетера. Такие решетки преобразователей иногда называют решетками с боковым обзором.
Заявка EP 2455133 A1 раскрывает на ФИГ. 7 катетер, содержащий такую компоновку с боковым обзором из решеток CMUT, где каждая решетка отделена от соседнего массива полоской электрических соединений, которая облегчает обертывание компоновки вокруг катетера. Хотя такие компоновки могут эффективно использоваться при применениях высокоинтенсивного фокусированного ультразвука, в которых окружающая ткань может обрабатываться ультразвуком, такие компоновки меньше подходят для применений визуализации, при которых разрыв между соседними решетками отрицательно влияет на качество изображения и разрешение. Кроме того, решетки CMUT обычно монтируются на прямоугольных жестких кремниевых островках.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение ориентировано на то, чтобы предоставить решетку преобразователей CMUT, которая может быть обернута вокруг катетера, и которая обеспечивает улучшенную визуализацию с помощью решетки.
Настоящее изобретение также ориентировано на то, чтобы предоставить катетер, содержащий такую решетку преобразователей CMUT.
Настоящее изобретение при этом также ориентировано на то, чтобы предоставить систему ультразвуковой визуализации, содержащую такой катетер.
В соответствии с одним из аспектов предлагается решетка преобразователей CMUT, содержащая первую колонку расположенных с интервалами ячеек CMUT, по меньшей мере, на одном кремниевом островке; вторую колонку расположенных с интервалами ячеек CMUT, по меньшей мере, на еще одном кремниевом островке, причем вторая колонка расположена в шахматном порядке в отношении первой колонки так, что ячейки второй колонки частично расположены в зазорах между последовательными ячейками первой колонки, причем первая колонка и вторая колонка разделены зазором; и гибкую фольгу, удерживающую соответствующие кремниевые островки, причем гибкая фольга содержит проводящие межсоединения.
В соответствии с принципами настоящего изобретения такая решетка ячеек CMUT ультразвукового преобразователя для сосудистого катетера или катетера для введения в полость сердца формируется из расположенных в шахматном порядке рядов элементов CMUT. При расположении колонок в шахматном порядке, ячейки одной колонки могут перемежаться с ячейками смежной колонки, обеспечивая меньший шаг решетки в обоих направлениях наведения, без необходимости увеличения шага в направлении наведения. Чтобы иметь возможность изгибать решетку для обеспечения криволинейной решетки и применений катетера элементы решетки изготавливаются на кремниевых островках, имеющих только лишь одну или несколько ячеек на один островок, и островки соединяются посредством цельной гибкой накладки из фольги, которая обеспечивает непрерывную решетку с боковым обзором из ячеек CMUT, которая полностью обертывает 3-мерный корпус, например цилиндрический корпус такой, как трубчатая оболочка катетера, без разрывов между доменами решетки. Таким образом, это способствует генерации ультразвуковых изображений с улучшенным качеством изображения и уменьшенными артефактами изображения такими как лепестки решетки, за счет уменьшенного шага между ячейками CMUT.
В особенно выгодном варианте осуществления, первая колонка расположенных с интервалами ячеек CMUT располагается на первом кремниевом островке, имеющем противоположные изгибистые края, причем каждый край изгибается наружу вокруг одной из ячеек CMUT и изгибается внутрь в пространстве между ячейками CMUT; вторая колонка расположенных с интервалами ячеек CMUT располагается на втором кремниевом островке, имеющем противоположные изгибистые края, причем каждый край изгибается наружу вокруг одной из ячеек CMUT и изгибается внутрь в пространстве между ячейками CMUT; и первый кремниевый островок располагается рядом со вторым кремниевым островком таким образом, что наружный изгибистый краевой участок первого кремниевого островка входит в паз изгибающегося внутрь краевого участка второго кремниевого островка.
Такая решетка выигрывает от структурной целостности, обеспечиваемой каждым кремниевым островком, несущим множество (то есть колонку) ячеек CMUT, причем форма кремниевых островков обеспечивает исключительную плотную упаковку кремниевых островков с тем, чтобы образовать решетку из расположенных в шахматном порядке ячеек CMUT. Кроме того, благодаря тому, что кремниевые островки могут располагаться вдоль длины катетера, получающаяся в результате решетка преобразователей сочетает хорошую структурную целостность с отличной гибкостью решетки.
В одном из вариантов осуществления каждый первый кремниевый островок и второй кремниевый островок содержит пару указанных колонок из расположенных с интервалами ячеек CMUT, причем колонки в указанной паре расположены в шахматном порядке. Это ограничивает количество отдельных кремниевых островков в решетке, сохраняя при этом отличную гибкость решетки благодаря ограниченной ширине соответствующих кремниевых островков.
Гибкая фольга может быть расположена по всей решетке, тем самым, удерживая отдельные кремниевые островки вместе, обеспечивая при этом требуемую гибкость решетки. Альтернативно, для дальнейшего повышения гибкости отдельных кремниевых островков относительно друг друга, гибкая фольга может представлять собой структурированную фольгу, содержащую множество гибких мостиков, причем каждый гибкий мостик проходит по зазору между соседними кремниевыми островками. Это, например, облегчает изгибание решетки в нескольких направлениях, например, чтобы образовать выпуклую или вогнутую решетку преобразователей.
Каждый гибкий мостик может содержать проводящее межсоединение с тем, чтобы электрически соединять соседние кремниевые островки друг с другом, то есть соединять ячейки CMUT соседних кремниевых островков.
Каждое проводящее межсоединение может содержать слой металла, встроенный в полимерный слой или полимерное многослойное покрытие для того, чтобы обеспечить электрическую изоляцию металлического слоя.
По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления металлический слой содержит алюминий. Это имеет то преимущество, что металлический слой может быть изготовлен без необходимости существенной переделки существующих процессов производства полупроводников, например, процессов производства КМОП, поскольку обычно в этих процессах используется алюминий.
По другому аспекту, предлагается катетер, содержащий внешнюю трубчатую оболочку и решетку преобразователей CMUT по любому из указанных выше вариантов осуществления, обернутую вокруг внешней трубчатой оболочки, так что соответствующие ряды решетки проходят в направлении длины катетера. Такой катетер обладает улучшенными возможностями визуализации благодаря сплошному характеру решетки преобразователей CMUT, обернутой вокруг его внешней трубчатой оболочки.
Катетер может дополнительно содержать еще одну решетку преобразователей CMUT на дистальном конце катетера, например, на дистальном наконечнике катетера, для дальнейшего улучшения разрешающей способности катетера. Такой катетер, например, может генерировать прогнозные изображения с помощью дополнительной решетки преобразователей CMUT, а также вращение изображений на 360° с помощью решетки преобразователей CMUT.
В некоторых вариантах осуществления катетер может быть катетером для введения в полость сердца или сосудистым катетером.
Согласно другому аспекту, предлагается система ультразвуковой визуализации, содержащая интерфейсный модуль пациента и катетер в соответствии с любым из вышеуказанных вариантов осуществления. Такая система ультразвуковой визуализации способна генерировать особенно высококачественные ультразвуковые изображения.
Система ультразвуковой визуализации может дополнительно содержать формирователь тонко-сфокусированных пучков, соединенный с ячейками CMUT и выполненный с возможностью направлять ультразвуковые пучки в направлении ряда; и схему смещения постоянного тока, причем, по меньшей мере, либо формирователь тонко-сфокусированных пучков, либо схема смещения постоянного тока размещается в интерфейсном модуле пациента. Схема смещения постоянного тока может быть выполнена с возможностью управления ячейками CMUT в сжатом режиме. Посредством управления ячейками CMUT в сжатом режиме, улучшенное выходное давление и, следовательно, глубина изображения могут быть сгенерированы с помощью решетки ультразвуковых преобразователей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На чертежах:
На ФИГУРЕ 1 представлен вид в поперечном разрезе типичной преобразовательной ячейки CMUT с подвесной мембраной.
На ФИГУРЕ 2 представлен вид в поперечном разрезе ячейки CMUT, которая используется в сжатом режиме.
На ФИГУРЕ 3 представлен вид сверху симметрично расположенной решетки MUT из рядов и колонок ячеек MUT.
На ФИГУРЕ 4 представлен вид сверху решетки MUT, имеющей схему с расположенными в шахматном порядке рядами ячеек с ячейками смежных рядов и столбцов, перемежающимися друг с другом.
На ФИГУРЕ 5 показаны этапы изготовления гибкого межсоединения смежных кремниевых островков ячейки.
На ФИГУРЕ 6 показана работа смежных расположенных в шахматном порядке рядов CMUT в качестве одного ряда преобразовательных элементов.
На ФИГУРЕ 7 показана решетка CMUT, показанная на ФИГУРЕ 6, когда обернута для цилиндрической конфигурации.
На ФИГУРЕ 8 представлена блок-схема системы ультразвуковой визуализации, пригодной для использования, с решеткой расположенных в шахматном порядке ячеек CMUT согласно настоящему изобретению.
На ФИГУРЕ 9 представлен вид сверху решетки MUT согласно настоящему изобретению с каждой ячейкой, расположенной на собственном кремниевом острове и с гибкой накладкой из фольги, соединенной гибкими металлическими мостиками.
На ФИГУРЕ 10 представлен вид сверху решетки MUT согласно настоящему изобретению с несколькими ячейками, расположенными на каждом кремниевом острове и с гибкой накладкой из фольги, соединенной гибкими металлическими мостиками.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Преобразователи CMUT первоначально были сконструированы для работы в режиме, который, в настоящее время, известен как подвешенный «несжатый». Обратимся к ФИГУРЕ 1, типичная несжатая преобразовательная ячейка 10 CMUT показана в поперечном сечении. Типичную несжатую преобразовательную ячейку 10 CMUT изготавливают вместе с множеством аналогичных соседних ячеек на подложке 12, например, из кремния. Перегородка или мембрана 14, которая может быть изготовлена из нитрида кремния, опирается поверх подложки на изолирующую опору, которая может быть изготовлена из оксида кремния или нитрида кремния. Полость 18 между мембраной и подложкой может быть заполнена воздухом или газом или полностью или частично вакуумирована. Проводящая пленка или слой 20, например, из золота, формирует электрод на перегородке, и аналогичная пленка или слой 22 формирует электрод на подложке. Эти два электрода, разделенные диэлектрической полостью 18, формируют емкость. Когда акустический сигнал вынуждает мембрану 14 колебаться, то можно обнаружить изменение емкости, и, тем самым акустическая волна преобразуется в соответствующий электрический сигнал. И, наоборот, сигнал переменного тока, подаваемый на электроды 20,22, может модулировать емкость и, тем самым, вынуждать мембрану перемещаться и, следовательно, излучать акустический сигнал.
На ФИГУРЕ 2 представлено схематическое поперечное сечение ячейки CMUT, которая используется в сжатом режиме. Ячейка CMUT включает в себя слой 12 подложки, например, из кремния, электрод 22 подложки, мембранный слой 14 и кольцо 28 мембранных электродов. В этом примере электрод 22 имеет круговую конфигурацию и внедрен в слой 12 подложки. Кроме того, мембранный слой 14 закреплен относительно верхней поверхности слоя 12 подложки и сконфигурирован/выполнен по размеру так, чтобы образовывать сферическую или цилиндрическую полость 18 между мембранным слоем 14 и слоем 12 подложки. Ячейка и ее полость 18 могут иметь альтернативную геометрию. Например, полость 18 может иметь прямоугольное и/или квадратное поперечное сечение, шестиугольное поперечное сечение, эллиптическое поперечное сечение или искривленное поперечное сечение.
et al
Нижний электрод 22 обычно изолирован на своей поверхности, обращенной к полости, с помощью дополнительного слоя (не изображен). Предпочтительным изолирующим слоем является диэлектрический слой оксида-нитрида-оксида (ONO), сформированный над электродом подложки и ниже мембранного электрода. Диэлектрический слой ONO преимущественно уменьшает накопление заряда на электродах, которое приводит к нестабильности устройства и дрейфу и уменьшению акустического выходного давления. Изготовление диэлектрических слоев ONO на CMUT подробно обсуждается в Европейской патентной заявке № 08305553.3 Klootwijk ., поданной 16 сентября 2008 г. и озаглавленной «Емкостной микромашинный ультразвуковой преобразователь». Использовать диэлектрический слой ONO желательно с CMUT в сжатом режиме, который более восприимчив к удерживанию заряда, чем несжатое устройство. Альтернативно, диэлектрический слой может содержать диэлектрик с высоким k, такой как оксид алюминия или оксид гафния. Описанные компоненты могут быть изготовлены из материалов, совместимых с КМОП, например Al, Ti, нитридов (например, нитрида кремния), оксидов (различных видов), тетраэтилоксисилана (TEOS), поли-кремния и т.п. При производстве КМОП, например, слои оксида и нитрида могут быть образованы химическим осаждением из газовой фазы, а слой металлизации (электрод) наносится методом напыления. Подходящими технологиями КМОП являются атомно-слоевое осаждение (ALD), LPCVD и PECVD, причем последнее имеет относительно низкую рабочую температуру менее чем 400°C.
Примерные способы создания раскрытой полости 18 включают в себя образование полости в начальном участке мембранного слоя 14 перед добавлением верхней поверхности мембранного слоя 14. Другие детали изготовления можно найти в патенте США № 6328697 (Fraser). В примерном варианте осуществления, изображенном на ФИГУРЕ 2, диаметр цилиндрической полости 18 больше диаметра электродной пластины 22, имеющей круглую конфигурацию. Электродное кольцо 28 может иметь тот же внешний диаметр, что и электродная пластина 22 круглой конфигурации, хотя такое соответствие не требуется. Таким образом в примерном варианте осуществления настоящего изобретения электродное кольцо 28 фиксируется относительно верхней поверхности мембранного слоя 14 с тем, чтобы соответствовать электродной пластине 22 ниже.
На ФИГУРЕ 2 мембранный слой ячеек CMUT смещен в сжатое состояние, в котором мембрана 14 находится в контакте с основанием полости 18. Это достигается путем приложения напряжения смещения постоянного тока к двум электродам, как указано приложенным напряжением VB к электродному кольцу 28 и опорному потенциалу (заземление), приложенному к электроду подложки 22. Хотя электродное кольцо 28 также может быть сформировано в виде цельного диска без отверстия в центре, ФИГУРА 2 иллюстрирует, почему это необязательно. Когда мембрана 14 смещается в свое предварительно сжатое состояние, как показано на этом чертеже, центр мембраны контактирует с дном полости 18. По этой причине центр мембраны 14 не перемещается во время работы CMUT. Скорее, именно периферийная область мембраны 14, которая перемещается, находится над остальным открытым пространтсвом полости 18 и ниже кольцевого электрода. Путем формирования мембранного электрода 28 в виде кольца заряд верхней пластины емкости устройства расположен над областью CMUT, которая демонстрирует движение и колебания емкости, когда CMUT работает как преобразователь. Таким образом, коэффициент связи преобразователя CMUT улучшается.
На ФИГУРЕ 3 представлен вид сверху двумерной решетки круглых ячеек 50 CMUT. Решетка конфигурируется обычным образом из симметрично расположенных по одной линии рядов 56 и колонок 58 ячеек CMUT. В этом примере каждая колонка 58 покрыта сплошной гибкой фольгой, содержащей внедренные металлические дорожки, которые позволяют колонкам быть согнутыми в цилиндрическую форму. Гибкая фольга будет описана более подробно ниже. В этом примере решетка имеет такие размеры, чтобы иметь одинаковый шаг как в направлении рядов, так колонок, как указано стрелкой 52, которая обозначает шаг в направлении колонок, и стрелку 54, которая обозначает шаг в направлении рядов.
На ФИГУРЕ 4 представлен вид сверху двумерной решетки, сконфигурированной в соответствии с принципами настоящего изобретения. Как показано на ФИГУРЕ 4, ряды 56 и колонки 58 ячеек CMUT расположены в шахматном порядке, что само по себе хорошо известно. Расположение в шахматном порядке в этом примере выполняется путем увеличения интервала 55 между ячейками CMUT в направлении колонок, что позволяет соседним колонкам и рядам еще и перемежаться друг с другом. В одном из вариантов осуществления интервал 55 равен, по меньшей мере, диаметру D ячейки 50 CMUT. В иллюстрируемом примере ячейки настолько плотно перемежаются, что касательная линия от ячейки к ячейке в направлении колонок или рядов будет фактически пересекать ячейку смежного шахматного ряда или колонки. Распределение ячеек CMUT 50 позволяет увеличить плотность ячеек CMUT внутри решетки преобразователей без необходимости увеличения вертикального интервала (т.е. в направлении колонок) между ячейками 50 CMUT, по меньшей мере, до того момента, когда достигается самая плотная упаковка ячеек 50 CMUT. Помимо этого, шаг между последовательными элементами CMUT в направлении колонок может быть увеличен, как показано стрелкой 55, для того, чтобы облегчить дальнейшее уменьшение горизонтального интервала, как указано стрелками 57 и 59, но это уменьшит общую плотность CMUT решетки преобразователей, По меньшей мере, в своей самой плотной упаковке решетка CMUT, показанная на ФИГУРЕ 4 имеет большую плотность ячеек, чем решетка CMUT, показанная на ФИГУРЕ 3.
На ФИГУРЕ 4 каждая колонка 58 ячеек 50 CMUT расположена на отдельном кремниевом островке, т.е. отдельном фрагменте кремниевого кристалла. Соответствующие кремниевые островки характеризуются наличием изгибистой краевой структуры в направлении длины, т.е. вдоль колонок 58, с краевыми участками 58А, изгибающимися наружу вокруг ячеек 50 CMUT и краевыми участками 58B, изгибающимися внутрь в пространство между смежными ячейками 50 CMUT в колонке 58. Другими словами, колонки 58 имеют волнообразные противоположные края в направлении колонок, в котором волновые пики совпадают с ячейками 50 CMUT, и волновые впадины совпадают с интервалами 55 между ячейками 50 CMUT.
Смежная колонка 58 расположена таким образом, что наружный изгибистый краевой участок ее кремниевого островка выравнивается с, т.е. закрепляет в пазе, изгибающимся внутрь краевым участком соседнего кремниевого островка, тем самым формируя расположенные в шахматном порядке ряды ячеек 50 CMUT через расположенные в шахматном порядке ячейки 50 CMUT между соседними колонками 58. Соседние кремниевые островки обычно разделены зазором 57 для того, чтобы обеспечить не лежащее в плоскости изгибание кремниевых островков относительно друг друга, например, при обертывании решетки преобразователей CMUT вокруг трубчатой оболочки катетера.
Для того, чтобы сохранить относительные положения кремниевых островков по отношению друг к другу, решетка преобразователей CMUT дополнительно содержит гибкую фольгу 60, на которую крепятся кремниевые островки. Гибкая фольга 60, например, может содержать так называемую гибко-жесткую фольгу, в которой металлический слой или металлическое многослойное покрытие, например, металлические дорожки, встраивается в или покрывается полимерным слоем слоя или полимерным многослойным покрытием, полимер которого, как правило, является электроизоляционным, для того, чтобы защитить металлический слой от случайных коротких замыканий. Неограничивающим примером подходящего полимера для такой гибкой фольги 60 является полиимид, поскольку само по себе хорошо известно, что полиимид совместим со многими процессами производства полупроводников, такими как процесс производства КМОП. Другие подходящие полимеры, например, парилен, будут сразу очевидны для специалиста в данной области техники. Неограничивающим примером подходящего металла является алюминий или любой другой металл, широко используемый в процессах производства полупроводников. Совместимость таких материалов с существующими процессами производства полупроводников способствует производству решетки преобразователей CMUT, использующему существующие процессы производства полупроводников, вместо того, чтобы перепроектировать или перестраивать такие производственные процессы, что увеличило бы стоимость решетки преобразователей CMUT.
Предоставление ячеек 50 CMUT на множестве соседних изгибающихся кремниевых островках, соединенных между собой посредством гибкой фольги 60, делает возможным не лежащее в плоскости изгибание решетки преобразователей CMUT в направлении рядов решетки и в то же время обеспечивая структурную целостность в направлении колонок решетки, что особенно выгодно, например, при обертывании решетки вокруг катетера, такого как сосудистого катетера или катетера для введения в полость сердца. Например, решетка преобразователей CMUT может быть обернута вокруг катетера вокруг внешней трубчатой оболочки такого катетера, причем колонки 58 кремниевых островков выравниваются в направлении длины катетера, т.е. решетка преобразователей CMUT изгибается вне плоскости и обертывается вокруг трубчатой оболочки катетера в направлении ее рядов. Из-за наличия большого количества сравнительно узких кремниевых островков почти цилиндрическая конфигурация решетки преобразователей CMUT может быть достигнута при обертывании решетки преобразователей CMUT вокруг цилиндрического корпуса, такого как трубчатая оболочка катетера, с дополнительным преимуществом, состоящим в том, что такая решетка преобразователей CMUT является непрерывной по всей поверхности такого корпуса, например, не содержит разрывов между соседними прямоугольными кремниевыми островками, образующими участок решетки преобразователей CMUT, как, например, в ЕР 2 455 133 А1.
th
th
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения преимущество извлекается из этого уменьшенного зазора 57 и 59 при работе решетки, показанной на ФИГУРЕ 4, так что рабочий ряд преобразовательных элементов является не горизонтальным рядом 56 элементов, а перемежающейся комбинацией из двух (или более) смежных расположенных в шахматном порядке рядов. Это противоречит общепринятой концепции разграфленных в клетку пьезокерамических преобразовательных элементов, в которой рабочий ряд элементов представляет собой идеально линейный ряд элементов. В примере, показанном на ФИГУРЕ 4, рабочий ряд элементов формируется из расположенных в шахматном порядке рядов элементов. Например, один рабочий ряд, показанный на ФИГУРЕ 4, включает в себя ячейки 621, 622, 623, 624, … 62N двух смежных расположенных в шахматном порядке рядов, т.е. M рабочий ряд содержит M ячеек 50 CMUT каждой колонки 58 ячеек 50 CMUT, где M - положительное целое число, причем каждый ряд типично образует изгибистый кольцевой ряд при обертывании вокруг катетера. Меньший интервал расположенных в шахматном порядке рядов позволяет предоставить рабочий ряд из 96 ячеек, где стандартное симметричное выравнивание, например, вмещало бы только 64 ячейки, а рабочий ряд, имеющий шахматную конфигурацию, по-прежнему способен предоставлять акустические сигналы для изображений с высоким разрешением и с меньшими помехами благодаря уменьшенным лепесткам решетки в диаграмме направленности антенны. К такому шахматному ряду, например, можно обращаться путем последовательной активации соответствующих ячеек 50 CMUT смежных колонок 58, например последовательной активации ячеек 621, 622, 623, 624, … 62N из N колонок 58.
В варианте осуществления, показанном на ФИГУРЕ 4, соответствующие кремниевые островки удерживаются цельной гибкой фольгой 60. В альтернативном варианте осуществления гибкая фольга 63 может быть структурирована таким образом, что гибкая фольга 60 будет содержать множество выемок, выровненных с пропусками 57, с соответствующими участками мостиков или мостиками, проходящими через пропуски 57 для соединения разных областей гибкой фольги 60, например, разных областей, удерживающих различные кремниевые островки. Это дополнительно повышает гибкость преобразователя CMUT, но может быть менее надежным.
На ФИГУРЕ 5 показано несколько этапов процесса формирования гибкого мостика из фольги, соединяющего два кремниевых островка, на которых размещены ячейки CMUT. На ФИГУРЕ 5а) показана кремниевая пластина 70 с термическими слоями диоксида кремния 72, выращенными на верхней и нижней сторонах. Структурированные алюминиевые области 81 напыляются на верхнюю сторону с использованием стандартной литографии. Структурированная область из полиимида 74 покрывается одной из алюминиевых областей на верхней стороне, чья структура определяет мостики на гибкой фольге. В случае цельной гибкой фольги полиимид 74 может быть цельным тонким листом. На полиимид 74 наносят алюминиевый слой 80, а второй полиамидный слой 76 укладывают поверх алюминия. Другой слой алюминия 82 структурируется поверх алюминиевого слоя 80 для использования в качестве маски во время травления, как показано на ФИГУРЕ 5b). Наконец, как показано на ФИГУРЕ 5c, кремниевую пластину 70 стравливают с обратной стороны в областях, находящихся за пределами маскируемых оказывающими сопротивление толстыми областями 84, как под местоположением 88 CMUT, так и под гибким мостиком 74, 80, 76. Полиамидный слой 76 по обе стороны гибкого мостка 90 на верхней стороне убирается прочь по обе стороны слоя 82 маски травления, которая затем сама вытравливается. В результате образуются два отдельных кремниевых островка 92 и 94, соединенных гибким мостиком 90. Гибкий мостик 90 и другие подобные ему позволяют решетке из таких островков, заполненных CMUT, сворачиваться в цилиндрическую форму, подходя под требования катетера-преобразователя для введения в полость сердца.
Как упоминалось ранее, рабочий ряд 200 акустических преобразовательных элементов формируется не как прямая линия преобразовательных элементов, как в обычно, а двумя или более смежными, расположенными в шахматном порядке рядами 202 и 204 ячеек CMUT. На ФИГУРЕ 6 схематически показан альтернативный вариант осуществления решетки ультразвуковых преобразователей, в котором каждая колонка 58 кремниевых островков содержит пару колонок ячеек 50 CMUT, расположенных в шахматном порядке, т.е. область ячеек 50 CMUT в первой колонке простирается в пространство между соседним ячейками 50 CMUT в соседнюю колонку, предпочтительно так, что прямой участок между этими соседними ячейками 50 CMUT пересекает область ячейки 50 CMUT, проходя в пространство между этими соседними ячейками 50 CMUT.
Как и ранее, колонки 58 кремниевых островков имеют изгибающуюся краевую структуру в направлении длины, т.е. вдоль колонок 58, с краевыми участками, изгибающимися наружу вокруг ячеек 50 CMUT и краевыми участками, изгибающимися внутрь в пространство между смежными ячейками 50 CMUT в колонке 58. Смежная колонка 58 расположена таким образом, что наружный изгибистый краевой участок ее кремниевого островка выравнивается с, т.е. закрепляет в пазе, изгибающимся внутрь краевым участком соседнего кремниевого островка, тем самым формируя расположенные в шахматном порядке ряды ячеек 50 CMUT через расположенные в шахматном порядке ячейки 50 CMUT между соседними колонками 58. Соседние кремниевые островки из обычно разделены зазором 57 для того, чтобы обеспечить не лежащее в плоскости изгибание кремниевых островков, относительно друг друга, например, при обертывании решетки преобразователей CMUT вокруг трубчатой оболочки катетера, как объяснялось ранее.
Этот вариант осуществления имеет то преимущество, что предоставляет боле крупные, т.е. более широкие, кремниевые островки, что улучшает структурную жесткость таких островков, в то же время предоставляя решетку ультразвуковых преобразователей отличной гибкости в направлении рядов. Этот вариант осуществления особенно выгоден, когда окружность корпуса, например, трубчатая оболочка катетера, вокруг которой должны быть обернута решетка преобразователей, во много раз больше ширины одного кремниевого островка так, так что многие кремниевые островки должны быть обернуты вокруг корпуса, и таким образом, что по существу сплошные ряды преобразователя предоставляются вокруг корпуса.
Как и прежде, пока направление рабочего ряда 200 находится в плоскости, направление главного лепестка, т.е. направление пучка, как правило, является перпендикулярным колонкам 58. Отдельные кремниевые островки покрываются гибкой фольгой 60, например цельной фольгой, как показано на чертеже, или структурированной фольгой, содержащей участки 90 мостиков через зазоры между соседними кремниевыми островками, для сохранения соответствующей ориентации кремниевых островков и для обеспечения возможности сгиба двумерной решетки в цилиндрическую форму вокруг дистального наконечника 210 сосудистого катетера или катетера для введения в полость сердца, как показано на ФИГУРЕ 7. Следует иметь в виду, что решетка обернута вокруг дистального наконечника 210 только в качестве неограничивающего примера; например, в равной степени допустимо, обернуть решетку вокруг любой другой части катетера, хотя предпочтительно, чтобы решетка располагался ближе к дистальному наконечнику. В некоторых вариантах осуществления катетер может содержать дополнительную решетку ультразвуковых преобразователей на дистальном наконечнике 210, например, плоскую решетку ультразвуковых преобразователей, имеющую круглую периферию в дополнение к обернутой решетке ультразвуковых преобразователей в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, так что катетер может генерировать изображения части тела перед катетером, а также вокруг катетера, что, например, особенно выгодно при визуализации в полости сердца. Поэтому в некоторых вариантах осуществления катетер может быть сосудистым катетером или катетером для введения в полость сердца.
На ФИГУРЕ 8 показана в виде блок-схемы ультразвуковая диагностическая система визуализации, включающая в себя решетку CMUT с расположенными в шахматном порядке рядами на катетере в соответствии с вариантом движения настоящего изобретения. Решетка 100 CMUT может быть расположена, например, обернута вокруг наконечника (или в непосредственной близости от него) катетера или ультразвукового зонда 100' вместе с формирователем 112 тонко-сфокусированных пучков. Решетка 100 CMUT может быть одно- или двумерной решеткой преобразовательных элементов MUT, способных сканировать в 2D плоскости или в трех измерениях для 3D-визуализации. Формирователь 112 тонко-сфокусированных пучков управляет передачей и приемом сигналов ячейками решетки CMUT. Формирователи тонко-сфокусированных пучков способны, по меньшей мере, частично формировать пучок из сигналов, принятых группой или «участками» преобразовательных элементов, как описывается в патентах США 5997479 (Savord et al.), 6013032 (Savord) и 6623432 (Powers et al.). Формирователь тонко-сфокусированных пучков соединен кабелем катетера или датчика с переключателем 16 излучения/приема (T/R), который переключается между излучением и приемом и защищает основной формирователь 120 пучка от высокоэнергетических излучаемых сигналов, когда формирователь тонко-сфокусированных пучков не используется, и решеткой преобразователей управляет непосредственно основной формирователь пучка системы. Излучение ультразвуковых пучков решеткой 100 преобразователей под управлением формирователя 112 тонко-сфокусированных пучков направляется контроллером 118 излучения, соединенным с переключателем T/R и основным формирователем 120 пучка системы, который принимает данные ввода от пользователя, работающего на пользовательском интерфейсе или панели 38 управления. Одной из функций, управляемых контроллером преобразователя, является направление, в котором направляют пучки. Пучки могут быть направлены прямо вперед (ортогонально) от решетки преобразователей или под разными углами для расширения поля обзора. Контроллер 118 преобразователя также управляет смещением постоянного тока, подаваемого на ячейки CMUT, который смещает мембраны 14 ячеек в сжатое состояние для работы CMUT в режиме сжатия.
Сигналы, полученные методом формирования частичных пучков в формирователе 112 тонко-сфокусированных пучков, при получении подаются в основной формирователь 120 пучка, в котором сигналы, обработанные методом формирования частичных пучков, из отдельных участков элементов преобразователя объединяются в сигнал, обработанный методом формирования полного пучка. Например, основной формирователь 120 пучка может содержать 128 каналов, каждый из которых принимает сигнал, обработанный методом формирования частичных пучков, от участка из десятков или сотен преобразовательных ячеек CMUT. При этом сигналы, принятые тысячами преобразовательных элементов решетки преобразователей CMUT, могут обеспечивать эффективный вклад в один сигнал, обработанный методом формирования пучка. В базовой реализации акустические сигналы, полученные из двух расположенных в шахматном порядке рядов ячеек CMUT, обрабатываются в пучки из плоскости изображения перед рядами ячеек для формирования сканированного двумерного изображения.
Сигналы, обработанные методом формирования пучка, подаются в сигнальный процессор 122. Сигнальный процессор 122 может обрабатывать полученные эхо-сигналы различным образом, например, полосовой фильтрацией, прореживанием, разделением на I и Q составляющие, а также выделением гармонических сигналов, которое выполняет функцию разделения линейных и нелинейных сигналов, чтобы допускать идентификацию нелинейных эхо-сигналов, отраженных от ткани и микропузырьков. Сигнальный процессор может также выполнять дополнительное повышение отношение сигнала к шуму, например, удаление спеклов, смешение сигналов и подавление шумов. Полосовой фильтр в сигнальном процессоре может быть фильтром слежения, с его полосой пропускания, перемещающейся из более высокочастотного диапазона в более низкий диапазон частот, поскольку эхо-сигналы принимаются с возрастающих глубин, тем самым отклоняя шум на более высоких частотах с больших глубин, где эти частоты лишены анатомической информации.
Обработанные сигналы подаются в процессор 126 B-режима и доплеровский процессор 128. Процессор 126 B-режима использует амплитудное детектирование для формирования изображений таких структур в организме, как ткани органов и сосудов в организме. Изображения структуры тела в B-режиме могут быть сформированы либо в режиме гармоники, либо в основном режиме, либо в режиме, сочетающем оба упомянутых режима, как описано в патенте США 6283919 (Roundhill et al.) и патенте США 6458083 (Jago et al.). Доплеровский процессор 128 обрабатывает различные по времени сигналы от движения ткани и кровотока для обнаружения движения веществ, например, потока клеток крови в поле изображения. Доплеровский процессор обычно содержит фильтр выделения стенок с параметрами, которые могут быть установлены для пропускания и/или подавления эхо-сигналов, отраженных от материалов выбранных типов в организме. Например, фильтр выделения стенок может быть настроен на такую характеристику полосы пропускания данного фильтра, чтобы пропускать сигнал с относительно низкой амплитудой от материалов с более высокой скоростью, при подавлении относительно сильных сигналов от материала с меньшей или нулевой скоростью. Данная характеристика полосы пропускания будет пропускать сигналы от протекающей крови, при подавлении сигналов от соседних неподвижных или медленно двигающихся объектов, например, стенки сердца. Обратная характеристика будет пропускать сигналы от движущейся ткани сердца, при подавлении сигналов кровотока, что применяется для так называемого доплеровского формирования изображений тканей, обнаружения и описания движения ткани. Доплеровский процессор принимает и обрабатывает последовательность различные по времени эхо-сигналы из разных точек в поле изображения, при этом последовательность эхо-сигналов от конкретной точки называется набором. Набор эхо-сигналов, принятых в быстрой последовательности в течение относительно короткого интервала, можно использовать для оценки частоты доплеровского сдвига протекающей крови, при соответствии доплеровской частоты скорости, указывающей скорость кровотока. Набор эхо-сигналов, принятых в течение более длительного периода времени, используют для оценки скорости медленнее протекающей крови или медленно движущейся ткани.
Сигналы структур и движения, формируемые процессором B-режима и доплеровским процессором, подаются в сканирующий преобразователь 132 и устройство 144 мультипланарного переформатирования. Сканирующий преобразователь упорядочивает эхо-сигналы в пространственном соотношении из того, в котором они были приняты, в требуемый формат изображения. Например, сканирующий преобразователь может упорядочивать эхо-сигнал в двумерный (2-мерный) секторный формат или пирамидальное трехмерное (3-мерное) изображение. Сканирующий преобразователь может покрывать изображение структур в B-режиме цветами, соответствующими движению в точках в поле изображения, соответствующему их скоростям, рассчитанным доплеровским методом, для получения цветовой доплеровской карты потока, которое описывает движение ткани и кровоток в поле изображения. Устройство мультипланарного переформатирования будет преобразовывать эхо-сигналы, которые приняты из точек в общей плоскости в объемной области тела, в ультразвуковое изображение данной плоскости, как поясняется в патенте США 6443896 (Detmer). Блок 142 объемного рендеринга преобразует эхо-сигналы набора 3-мерных данных в проектируемое 3-мерное изображение, наблюдаемое из данной начальной точки, как поясняется в патенте США № 6,530,885 (Entrekin et al.). Двумерные или трехмерные изображения выводятся из сканирующего преобразователя 32, устройства 44 мультипланарного переформатирования и блока 142 объемного рендеринга в процессор 130 изображений для дальнейшего улучшения, буферизации и временного хранения для отображения на дисплее 40 изображений. В дополнение к использованию для визуализации значения скорости кровотока, полученные доплеровским процессором 128, подаются в процессор 134 для вычисления потоков. Процессор для вычисления потоков производит измерение различных параметров потока, таких как объемный расход крови. Процессор для вычисления потоков может принимать данные ввода с панели 38 пользовательского управления, такие как точка в анатомии изображения, где необходимо произвести измерение. Выходные данные из процессора для вычисления потоков подаются в графический процессор 36 для воспроизведения выходных данных из процессора вместе с изображением на дисплее 40. Графический процессор 136 может также формировать графические оверлеи для отображения с ультразвуковыми изображениями. Упомянутые графические оверлеи могут содержать стандартную идентификационную информацию, например, имя пациента, дату и время изображения, параметры формирования изображений и т.п. С данной целью, графический процессор принимает данные ввода из пользовательского интерфейса 38, например, введенное на клавиатуре имя пациента. Пользовательский интерфейс соединен также с контроллером 18 излучения для управления генерацией ультразвуковых сигналов из решетки 100 преобразователей и, следовательно, формированием изображения, получаемого решеткой преобразователей и ультразвуковой системой. Пользовательский интерфейс соединен также с устройством 144 мультипланарного переформатирования для выбора и управления отображением нескольких мультипланарно переформатированных (MPR) изображений, которые можно использовать для выполнения количественных измерений в поле изображения MPR изображений. Ультразвуковая диагностическая система визуализации может содержать интерфейсный модуль пациента, который может быть соединен с катетером или датчиком 100', причем интерфейсный модуль пациента может содержать, по меньшей мере, некоторые из компонентов ультразвуковой диагностической системы визуализации. Поскольку это само по себе хорошо известно, это не будет объясняться более подробно только ради краткости.
На ФИГУРАХ 9 и 10 представлен вид сверху двух решеток в соответствии с дополнительными вариантами осуществления настоящего изобретения. На ФИГУРЕ 9 каждая ячейка 50 CMUT изготовлена на собственном кремниевом островке 92 (смотри ФИГ. 5). Каждая колонка 58 ячеек CMUT покрывается полоской 60 гибкой фольги, и полоски фольги соседних колонок соединяются посредством гибких мостиков 90, которые сформированы, как показано на ФИГУРЕ 5. Гибкая полоска 60 фольги может содержать проводящий материал, такой как алюминий, который позволяет либо обращаться одновременно к ультразвуковым элементам в колонке, либо удерживать элементы на одинаковом потенциале, таком как земля. Индивидуальная адресация элементов в решетке может быть реализована через интегральную схему. Гибкие мостики таким образом помогают поддерживать ориентацию ячеек решетки, в то же время позволяя решетке гнуться и изгибаться в изогнутую конфигурацию. В частности, в этом варианте осуществления решетка преобразователей CMUT может быть согнута в направлении рядов, а также в направлении колонок, поскольку каждая колонка 58 образована множеством кремниевых островков, соединенных между собой мостиковыми структурами 90 в гибкой полоске 60 фольги.
На ФИГУРЕ 10 показана аналогичная решетка CMUT, за исключением того, что на каждом кремниевом островке 92 расположены две ячейки CMUT. Например, ячейки 50 CMUT и 50' из смежных колонок элементов расположены на одном и том же кремниевом островке. Две смежные колонки покрываются гибкой полоской 60 фольги, и смежные полоски фольги соединены между собой гибкими мостиками 90, которые делают возможным изгиб решетки в изогнутую или цилиндрическую форму.
Как и ранее, следует иметь в виду, что вместо гибкой полоски 60 фольги, имеющей отдельные участки, соединенные между собой мостиковыми структурами 90, для удержания соответствующих кремниевых островов может использоваться сплошная гибкая фольга. Такой альтернативный вариант осуществления более надежный, но может иметь более ограниченную гибкость. Это, однако, не может быть проблематичным, если кривизна корпуса, на который устанавливается решетка преобразователей CMUT, относительно ограничена.