具有优化的热管理的超声探头制造技术

超声探头(1)包括壳体(6)、可操作地将声能发送向探头适于声学耦合至目标物体或区域的区(801)的换能器组件(301)、包括布置为将由换能器组件产生的热传递至位于此换能器组件外的一个或多个区或区域(103,7)的热传递装置(2,5)的冷却系统。所述热传递装置包含石墨烯。

Ultrasonic probe with optimized thermal management

The ultrasonic probe (1) includes a housing (6), operational energy will be sent to the probe for acoustic coupling to the object or area of the region (801) of the transducer assembly (301), including the arrangement will be generated by the transducer assembly heat transfer to the outside of the transducer assembly is located in this area or one or more area (103,7) of the heat transfer device (2,5) cooling system. The heat transfer device comprises graphene.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有优化的热管理的超声探头
本专利技术涉及超声探头的
、特别地涉及医学领域，但是其也可在无损检测领域中得以应用。
技术介绍
超声诊断技术一般涉及使用超声换能器探头对生物组织进行成像。探头包括换能器，该换能器发送超声波和接收从组织反射的超声回波。换能器典型地在所选择的成像区域中被置于患者的身体表面或体腔内。超声换能器生成超声波并将超声波引导至成像区域。然后换能器接收从该区域反射的超声波并将接收的波转换成电信号，该电信号被处理以形成诊断图像。在超声治疗的情况中，施加高强度聚焦超声能以局部加热和破坏病变或受损的组织。实例是HIFU(高强度聚焦超声)，即，一类使用超声诱导的热疗来治疗疾病的临床治疗方法。另一应用是使用声能破坏结石(典型地，肾结石)的碎石术。在成像和治疗方法应用中，在发送期间因声损耗被转换为热而在探头中产生不用期望的热积累。由关于可被允许在探头表面上积累的热量的管理机构(governingagencies)来设置或规定所规定的限制，典型地将探头尖端的表面温度限制于预定的温度或限定于室温以上的预定增量，因而限制声输出。在不管声输出的情况下，当探头尖端的表面温度被维持在特定温度例如室温时，获得优化的换能器性能。推荐了各种方法以用于超声探头的热管理。传统方法规定了通过将来自源的热传递到探头的主体和手柄中而对换能器结构进行被动冷却。第5,545,942号美国专利建议使用围绕换能器包装的外围且在探头壳体内放置的导热器，所以热可被引离换热器正面并被引向探头的背面/内部。导热器用作用于排出在压电换能器元件的脉动期间在热灌封材料中积累的热的管道。导热器由导热性大于热灌封材料的导热性的金属箔(典型地为铝)形成，其中热灌封材料填充探头壳体内的空间并且围绕换能器包装。第5,721,463号美国专利教导如何将电缆部件用作导热器，其将热导出探头手柄。这些热管耦合至内部导热器，内部导热器与换能器托盘呈导热关系。因此，由换能器阵列生成的热可经由内部导热器板和电缆导热器传递而远离与患者接触的探头表面。或者，用于冷却流体的入口和返流路径被并入电缆中。电缆内的入口和返流路径分别连接至流动路径的入口和出口，流动路径与探头手柄中的内部导热器呈导热关系。在WO2012156886中，换能器堆中产生的热被耦合至探头手柄内的金属框架。金属散热器被热耦合至探头框架以将热传送至远离框架。散热器围绕探头手柄的内部并且具有与探头壳体的内表面热耦合的外表面。由此热从散热器被均匀地耦合到壳体中而不在壳体中产生热点，所述热点可能会使超声扫描师的手不适。第7,105,986号和第7,694,406号美国专利公开了在换能器中使用的具有增强的传导性的背衬材料的复合结构。复合结构包括多个背衬材料层，多个背衬材料层与多个导热元件交替地布置，其中多个导热元件被配置为将来自换能器中心的热传递至背衬材料的复合结构上的多个点。第5,560,362号美国专利教导通过使用开放环路冷却系统、封闭环路循环冷却系统、热电冷却系统和蒸发器/冷凝器系统进行主动冷却。第5,961,465号美国专利教导传递来自位于探头壳体内和接近换能器的集成电路的热，其中热传递由循环冷却系统提供。上面的方法传递热以远离换能器结构位于探头内部(由此远离成像的生物组织)的部分或冷却该部分。然而，主要的生热源是探头的最接近生物组织的区域(即换能器的朝向生物组织发送声能的区域)，以及与生物组织接触的相邻透镜，其中声能通过所述透镜被聚焦并被引向生物组织。第7,052,463号美国专利公开一种主动冷却系统，该系统包括用于循环冷却介质的管道以及与循环的冷却介质流体连通且具有用于从循环的冷却介质去除热的装置的换热器，其中所述管道的至少一部分接近或接触探头尖端的外表面。尽管高效，但是此系统要求位于换能器外部的有源装置，其中有源装置致使探头笨重且相当复杂，尤其相对于被动冷却方法而言。从探头尖端被动排热的首次尝试可在已经提及的第5,721,463号美国专利中找到。在各个实施方式中，此文献教导一种由金刚石或类金刚石碳基材料构成的热增强层，该热增强层是高度导热性的且形成于探头的远端的声部件上。在第5,402,793号美国专利和公开号为2010/016727的美国专利申请中设想了使用石墨。这些解决方案的方向是正确的，然而，金刚石的声属性差。因此可接受的声耦合要求极薄的膜，极薄的膜限制了其作为排热装置发挥作用的能力。此外，因致使此解决方案不可行的金刚石的典型三维结构，层的最小可实现的厚度存在限制。上述情况也适用于石墨，尽管在此材料中的碳具有导致更平坦结构的不同鳞状结构(ibridation)。因而，仍亟需从超声探头的尖端传递热以提供改进的声和热耦合。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是便利且高度机动的具有优化的热管理的探头。本专利技术由超声探头实现该目标，所述超声探头包括：a)壳体；b)换能器组件，其可操作地将声能发送向探头适于声学耦合至目标物体或区域的区；c)冷却系统，其包括布置为将由换能器组件产生的热传递至位于此换能器组件外的一个或多个区(regions)或区域(areas)的热传递装置，其中此热传递装置包括石墨烯基材料，特别是纯石墨烯或装填有用于获得复合物的其他组分如树脂的石墨烯。石墨烯是二维结晶碳基材料。其已经在1947年由P.R.Wallace-PhysicalReview71,476(1947)得以理论研究，但其仅于2004年10月在Science306,666(2004)中由K.S.Novoselov,A.K.Geim等人公开，即，这种引人注意的材料开始激发诸多科学关注。如在由ClassforPhysicsoftheRoyalSwedishAcademyofSciences编辑的出版物“ScientificBackgroundontheNobelPrizeinPhysics2010”(2010年10月5日)所泛泛地指出的，石墨烯具有多种属性，使其在多个不同的应用中变得引人关注。其是极薄的、机械上非常强的、光学透明的且柔韧的导体。其传导性可以通过化学掺杂或通过电场而在大范围内改变。石墨烯的迁移率是非常高的，这使得该材料对于电子高频应用而言是引人关注的。最近，已经可能制造大的石墨烯片。使用接近于工业化的方法，已经生产宽度为70cm的片。因为石墨烯是透明导体，所以其可以用于诸如触摸屏、光板和太阳能电池的应用中，其中其可以替代相当脆且昂贵的氧化铟锡(ITO)。柔性电子产品和气体传感器是其他潜在的应用。石墨烯中的量子霍尔效应也可以有助于在计量学方面更加精确的电阻标准。具有高强度和低重量的基于石墨烯的新类型的复合材料也可以对于在卫星和飞行器中的使用而言是引人关注的。知晓石墨烯在增强的导热性方面的属性的专利技术人开始考虑该材料，同时研究超声探头的热管理的问题的可能的解决方案。在首次测试之后，该材料不仅显示出非常好的导热性，而且也显示出非常低的声阻抗，这使得他们很惊讶。特别地，这样的声阻抗足以接近于常用作换能器组件的末级(其发挥与皮肤接触而放置的声透镜的作用)的硅酮橡胶的声阻抗。这会允许将石墨烯几乎放置在传能器组件的顶部上而不显著影响探头的整体声耦合。此外，由于其高强度，石墨烯似乎发挥对醇的良好化学屏障的作用，具有与卡普顿(Kapt本文档来自技高网...

【技术保护点】
超声探头，包括：a)壳体(6)；b)换能器组件(1)，其可操作地将声能发送向所述探头适于声耦合至关注物体或区域的区；c)冷却系统，其包括布置为将由所述换能器组件产生的热传递至位于所述换能器组件(1)外的一个或多个区或区域(103,7)的热传递装置(2,5)，特征在于所述热传递装置(2,5)包含石墨烯。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.02 EP 14183233.71.超声探头，包括：a)壳体(6)；b)换能器组件(1)，其可操作地将声能发送向所述探头适于声耦合至关注物体或区域的区；c)冷却系统，其包括布置为将由所述换能器组件产生的热传递至位于所述换能器组件(1)外的一个或多个区或区域(103,7)的热传递装置(2,5)，特征在于所述热传递装置(2,5)包含石墨烯。2.如权利要求1所述的探头，其中所述换能器装置(1)包括一个或多个可操作地产生超声波的换能器元件(301)，所述热传递装置(2,5)包括一层或多层石墨烯，所述石墨烯经布置而形成置于所述换能器元件(301)与所述探头的耦合区(801)之间的热传递层(5)。3.如权利要求2所述的探头，其中所述换能器组件(1)包括一个或多个声匹配层(601,701)，所述热传递层(5)是所述匹配层之一。4.如权利要求3所述的探头，其中所述层被布置成从所述换能器元件开始的堆，所述热传递层(5)是从所述换能器元件向所述探头的耦合区的最远的层。5.如权利要求3或4所述的探头，其中所述热传递层(5)的厚度不大于所述探头经配置而产生的超声波的波长的1/4。6.如前述权利要求中任一项所述的探头，其中所述热传递装置(2,5)包括由石墨烯和树脂获得的复合物，所述复合物的形式为与树脂条纹(205)交错的石墨烯条纹(105)或具有填充有树脂的孔(305)的石墨烯层。7.如前述权利要求中任一项所述的探头，其中所述冷却系统包括与所述热传递装置(2,5)热连通的散热装置和/或储热装置(3,103)。8.如权利要求7所述的探头，其中所述换能器装置(1)包括位于所述换能器元件的与发射表面相对的后侧上的背衬元件(2)，所述背衬元件(2)包含石墨烯，特别是装填有石墨烯的树脂，从而改进与所述散热装置和/或储热装置(3,103)的热交换。9.如前述权利要求中任一项所述的探头，其中所述换能器组件包括位于前发射表面与所述探头的耦合区之间的匹配/热传递层(5)，以及位于所述换能器元件的与所述发射表面相对的后侧上的背衬元件(2)，散热装置和/或储热装置(3,103)位于所述背衬元件(2)与同所述探头的耦合区相对的壳体(6)之间以接收来自所述热传递层(5)和/或背衬元件(2)的热。10.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：洛伦佐·斯派奇，保罗·帕彻奇，弗朗西斯卡·甘比尼瑞，
申请(专利权)人：百胜股份公司，
类型：发明
国别省市：意大利,IT