[发明专利]超声系统和方法

说明书

公开了一种超声系统(1)，其包括：探头(10)，其包括CMUT(电容性微机械超声换能器)单元(100)的阵列(110)，每个单元包括承载第一电极(122)的衬底(112)，所述衬底通过间隙(118)与包括第二电极(120)的柔性膜(114)空间地分离；以及偏置电压源(45)，其被耦合到所述探头，并且适于在所述探头的传输模式中为所述CMUT单元中的至少一些CMUT单元的相应的第一电极和第二电极提供单调变化的偏置电压，所述单调变化的偏置电压包括单调变化的频率调制，使得所述CMUT单元在塌陷状态中操作并且在所述传输模式期间发射至少一个啁啾脉冲。这样的系统例如可以是超声成像系统或者是超声治疗系统。还公开了一种使用这样的系统的超声脉冲生成方法。

技术领域

本发明涉及超声系统，诸如超声诊断成像系统或者包括探头和耦合到所述探头的电压源的超声治疗系统，所述探头包括CMUT(电容性微机械超声换能器)单元的阵列，每个单元包括承载第一电极的衬底，所述衬底通过间隙与包括第二电极的柔性薄膜空间地分离。

本发明还涉及使用这样的系统的超声成像方法。

背景技术

被用于医学成像的超声换能器具有导致产生高质量诊断图像的许多特性。在这些特征之中有宽带宽、影响分辨率以及高灵敏度，其与压力输出相组合影响对于超声频率处的低水平声学信号的景深。常规地，拥有这些特性的压电材料已经由PZT和PVDF材料制成，其中，PZT作为选择的材料是特别受欢迎的。然而，PZT存在若干显著缺点。首先，陶瓷PZT材料要求的制造过程包括：切刻、匹配层结合、填充、电镀和显然不同并且复杂的相互连接并且要求大量的处理，其全部能够导致比期望更低的换能器堆栈单元产量。该制造复杂性增加了最终的换能器探头的成本并且对各元件之间的最小间隔以及个体元件的大小设置了设计限制。此外，PZT材料具有对水或生物组织的不良匹配的阻抗，使得匹配层需要被添加到PZT材料，以便获得与感兴趣介质相匹配的期望的声学阻抗。

随着超声系统大型机已经变得更小并且由针对许多信号处理功能的现场可编程门阵列(FPGA)和软件来主控，系统大型机的成本已经随着系统的大小下降。现在可用的超声系统是便宜的便携式、台式、和手持式的形式，例如用作超声诊断成像系统或者用作在其中使用高能量超声脉冲来消融特定(组织)异常的超声治疗系统。因此，换能器探头的成本是系统的总体成本的不断增加的百分比，已经由在超声诊断成像系统的情况被用于3D成像的更高元件计数阵列的出现而使增加加速。被用于超声3D成像的具有电子转向的探头依赖于专用半导体设备专用集成电路(ASIC)，其执行针对换能器元件的二维(2D)阵列的微波束形成。因此，期望能够利用经改善的产量并且以较低的成本、并且优选通过与半导体生产相兼容的制造工艺，来制造换能器阵列，以促进对于低成本超声系统的需求。

最近的发展已经带来了医学超声换能器能够通过半导体工艺批量制造的前景。期望的是，这些工艺应当是与生产超声探头所需要的ASIC电路所使用的那些工艺相同的工艺，诸如CMOS工艺。这些发展已经产生微机械超声换能器或MUT，优选的形式是电容性MUT(CMUT)。CMUT换能器是具有将接收到的超声信号的声振动转换为经调制的电容的电极的微型隔膜状设备。对于传输而言，施加到电极的电容性电荷被调制以使所述设备的膈膜振动/移动并且由此发射超声波。由于这些隔膜是通过半导体工艺制造的，所述设备一般具有10-500微米范围中的尺度，其中，在个体隔膜之间的间隔小于数微米。许多这样的个体CMUT能够被连接在一起并且作为单个换能器元件协同地操作。例如，四到十六个CMUT能够被耦合在一起以协同地用作单个换能器元件。典型的2D换能器阵列能够具有2000-3000个CMUT换能器元件。

因此，基于CMUT换能器的超声系统的制造是与基于PZT的系统相比更具有成本效益的。此外，由于在这样的半导体工艺中所使用的材料，CMUT换能器展示了匹配到水和生物组织的大为改进的声学阻抗，其减轻了对于匹配层的需求并且产生了经改善的有效带宽。