[发明专利]超声波换能器中的优化的温度测量

说明书

技术领域

本发明总体上涉及超声波医学换能器。本发明尤其涉及具有优化的温度测量的超声波换能器、超声波系统和这种超声波系统的超声波患者安全反馈方法。

背景技术

超声波医学换能器(“换能器”)用于观察患者的体内器官。换能器的超声波范围主要由其下限描述：20kHz，这个下限是人类大致可听到的最高频率。换能器发射超声波脉冲，这些超声波脉冲回射(即反射)、折射或由患者体内的结构所吸收。所反射的回声由换能器接收，且所接收的信号被转变成显示在射频设备上的图像。这种转变可以进行，因为来自体内器官的反射的强度根据邻近的结构之间的“声阻抗，，变化。组织的声阻抗与其强度有关；两个邻近的组织之间的声阻抗的差异越大，它们的界限的反射性就越大。

超声波束的频率对图像的分辨率和换能器的穿透能力均有影响。频率较高的超声波具有较长的近场(即声束路径中的区域，在这种区域中，射束的直径随着距换能器的距离的增加而降低)和在远场(即声束路径中的区域，在这种区域中，射束的直径随着距换能器的距离的增加而增加)中的较少发散。因此，频率较高的超声波允许小型结构的更大分辨率。不过，高频率超声波的穿透能力较低，因为它们的能量被患者体内的软组织吸收并散射。另一方面，频率较低的超声波具有较大的穿透深度，但接收到的图像不太清楚。用于人体内部器官的成像(利用声波)的常规频率范围通常在从约3MHz至约5MHz之间。

通常使用两种类型的分辨能力：侧向分辨能力和轴向分辨能力。侧向分辨能力是分辨并排物体的能力，正如前面所描述的那样，这种分辨能力受到频率的成比例影响(频率越高，侧向分辨能力越高)。频率较高的换能器用于婴儿和儿童，因为不太需要深的穿透，而且可用较大的侧向分辨能力观察较小的结构。较低的频率用于成人，成人的体内结构较大，并且更需要深度穿透。当然，在确定要使用的适当的频率时，要进行观察的结构、组织或器官(和成像的精确目的)比治疗对象的年龄更重要。例如，对成人进行的诊断性胸部成像可能要求约7MHz或更高的频率。轴向分辨能力是分辨叠放物体的能力。由于这与深度穿透有关，所以轴向分辨能力与换能器的频率成反比(取决于患者的大小)。在大的患者中，频率较高的射束由最接近于换能器的物体快速吸收，从而降低深度穿透和轴向分辨能力。

希望超声波系统以最高频率(出于前面所讨论的原因)和最大声强度运行。将声强度最大化通过增加深度穿透和将信噪比(SNR)最大化来提高成像性能。不过，较高的频率和较大的声强度致使换能器变热，而且对与患者相互作用的换能器的表面温度有规章限制(和实际限制)。特别地，通常认为对换能器的患者接触表面的温度上限为约41℃或高于环境温度16℃。

换能器表面的热由发生在换能器的压电元件中的电声能转换过程和穿过和/或邻近于换能器材料(和患者)的声能产生。现已开发出不同的方法和系统来应对这种发热问题，而且可将这些方法分成两种类型：主动类型和被动类型。被动方案利用冷却机理，即将散出的热尽可能多地散发到换能器表面区域。由换能器阵列所产生的热通常由固体热导体吸收，然后，所捕获的热通过热对流移动到换能器的外壳中，热在该外壳散发到周围的大气中。理想的是，这种外部热对流表面会包括换能器的这个外部表面区域。

被动热逸散系统的一个示例是美国专利No.5,213,103(’103专利)，该专利通过参考整体地结合在本发明之中。将换能器内部的散热装置置于换能器10内并位于压电元件之后，这些压电元件在面14(即患者接触表面)中，面14在换能器10的头部12上。这种散热装置延伸换能器的整个长度并将热穿过头部12传导离开面14而到达手柄16和电力电缆18的侧面。热导环氧树脂用于将这种散热装置附到换能器外壳并将热从散热装置传导至换能器外壳。

被动热逸散系统的另一个示例是美国专利No.5,555,887(’887专利)，该专利通过参考整体地结合在本发明之中。’887专利通过将铝箔嵌入换能器阵列前面的声透镜材料中来将热逸散用于内窥超声波换能器。热由铝箔传导至散热装置，这种散热装置位于离开探针的患者接触表面的位置。美国专利No.5,721,463(’463专利)描述了一种被动热逸散系统，这种被动热逸散系统利用同轴电缆束将热从探针的面排出，该专利通过参考整体地结合在本发明之中。