[发明专利]超声系统和方法

说明书

公开了一种超声系统(1)，包括：探头(10)，其包括CMUT(电容式微机械超声换能器)单元(100)的阵列(110)，每个单元包括承载电极布置的第一电极(122)的基板(112)，所述基板在空间上与柔性膜(114)隔开一间隙(118)，所述柔性膜包括所述电极布置的第二电极(120)；电压源(45)，其被耦合到所述探头并且适于为所述CMUT单元的第一集合提供驱动电压的序列，每个驱动电压包括偏置电压分量和不同频率的激励分量，以用于生成一系列在时间上不同的脉冲，每个脉冲具有不同频率，其中，每个脉冲是在单独的发射模式中生成的，并且所述电压源适于为所述CMUT单元的第二集合提供在时间上不同的偏置电压的序列，其中，每个在时间上不同的偏置电压是在所述发射模式中的一个之后的接收模式中被提供的，并且用于将CMUT单元的所述第二集合设置到对应于所述发射模式的脉冲频率的共振频率；以及信号处理单元(22)，其以通信方式被耦合到所述阵列并且适于对在各自的接收模式期间由CMUT单元的所述第二集合接收到的回波信号进行叠加。还公开了一种使用这种系统的超声成像方法。

技术领域

本发明涉及诸如超声诊断成像系统或超声治疗系统的超声系统，所述超声系统包括：包括CMUT(电容式微机械超声换能器)单元的阵列的探头，每个单元包括基板，所述基板承载电极布置的第一电极，所述基板在空间上与柔性膜隔开一间隙，所述柔性膜包括所述电极布置的第二电极；以及耦合到所述电极布置的电压源。

本发明还涉及使用这样的系统的超声成像方法。

背景技术

用于医学成像的超声换能器具有使得产生高质量诊断图像的众多特性。在这些特性中包括宽带宽，其影响分辨率和高灵敏度，所述宽带宽结合压力输出影响超声频率下声信号的景深。常规地，具有这些特性的压电材料由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遭受一些显著的缺点。首先，陶瓷PZT材料要求包括以下的制造工艺：切割、匹配层结合、填充剂、电镀和互连，它们显著不同并且复杂并且要求大量的处理，所有这些都能够导致低于预期的换能器堆叠单元产量。这种制造复杂性增加了最终换能器探头的成本，并且对元件之间的最小间距以及个体元件的大小施加了设计限制。此外，PZT材料对水或生物组织具有差的阻抗匹配，使得需要将匹配层添加到PZT材料中以获得与感兴趣介质相匹配的所期望的声阻抗。

随着超声系统主机变得越来越小，并且针对大部分信号处理功能由现场可编程门阵列(FPGA)和软件来主导，系统主机的成本己经随着系统的大小而下降。超声系统现在可用于廉价的便携式、台式和手持式形式，例如，用于用作超声诊断成像系统或用作超声治疗系统，其中，使用高能量超声脉冲来消融特定(组织)异常。结果，传感器探头的成本在系统总体成本中的百分比不断增长，在超声诊断成像的情况下，用于3D成像的更高元件数量阵列的出现加速了该增长。用于利用电子转向的超声3D成像的探头依赖于专用半导体器件专用集成电路(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，期望能够以改进的产量和低成本来制造换能器阵列，以促进对低成本超声系统的需要，并且优选地通过与半导体生产兼容的制造工艺来制造换能器阵列。

最近的发展己经带来了以下前景：医学超声换能器能够通过半导体工艺来批量生产。可期望地，这些工艺应当与诸如CMOS工艺的用于生产超声探头所需的ASIC电路相同。这些发展已经产生出微机械超声换能器或MUT，优选形式是电容式MUT(CMUT)。CMUT换能器是微小的隔膜状器件，其具有将接收到的超声信号的声音振动转换成经调制的电容的电极。针对发射，施加到电极的电容性电荷针对器件的隔膜的振动/移动而被调制，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，因此这些器件的尺寸通常能够在10-500微米范围内，例如，隔膜直径被选择为使隔膜直径与隔膜的期望的共振频率(范围)相匹配，其中，个体隔膜之间的间隔小于几微米。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而一致地操作。例如，四到十六个CMUT能够被耦合在一起以作为单个换能器元件而一致地工作。通过范例的方式，典型的2D换能器阵列能够具有2000-10000个CMUT换能器元件。