基于电容式微加工超声换能器面阵的诊疗一体化超声系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于电容式微加工超声换能器面阵的诊疗一体化超声系统，包括超声成像诊断装置、超声聚焦治疗装置和探头；所述探头包括由电容式微加工超声换能器作为阵元组成的面阵，每个所述阵元均分别与所述超声成像诊断装置和超声聚焦治疗装置连接，所述探头用于工作在成像诊断模式和/或聚焦治疗模式下。本实用新型专利技术的诊疗一体化超声系统集超声成像诊断和超声聚焦治疗于一体，宽带宽、高灵敏度、小体积、低噪声、易声阻抗匹配和工作温度范围大等诸多优点。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及超声诊疗器械领域，具体涉及一种基于电容式微加工超声换能器面阵的诊疗一体化超声系统。
技术介绍
超声以其无损无辐射、实时性好、操作便捷、价格便宜等优点，被广泛应用于临床诊断治疗、工业无损探测、厚度流速流量监测等各个领域。目前在临床诊断方面使用的超声探头，多是基于压电陶瓷(PZT)、压电单晶(如PMN-PT，PINMT等)或压电复合材料(包括1-3，2-2压电复合等)等具有压电效应的材料。这是因为这些材料具有比其它材料高得多的压电常数和机电耦合系数，能产生很强的超声信号并进行高灵敏的探测。而近年来随着微机电系统MEMS工艺和大规模集成电路IC技术的发展，一种新型的超声换能器——微加工超声换能器(MUT)得到了愈来愈多地研究和发展。MUT以其不同的驱动原理主要可以分为：压电式微加工超声换能器(pMUT)和电容式微加工超声换能器(cMUT)。其中pMUT是采用MEMS工艺溅射很薄的压电薄膜(如sol-gelPZT)或通过光刻、刻蚀等MEMS方法制作压电复合材料来制作高性能超声换能器，尤其是高频超声换能器。因此其本质上还是基于压电材料的超声换能器。而cMUT则完全不同，其实质是一种微型化的平板电容，其工作原理是基于静电力作用。cMUT制作方法主要包括BulkMicromaching和SurfaceMicromaching两种，其基本思路都是首先通过在硅基或玻璃基上通过光刻、RIE等MEMS工艺形成一个个设计好的孔隙，然后通过化学气相沉积(LPVCD)或覆置薄块等方式在孔隙上表面形成一层很薄的膜，加上设计好的连接电极及引线等完成制作。cMUT工作过程可分为发射和接收两部分：发射时，在上下两表面施加与其机械共振频率相同的交流电压，上表面的薄膜就会发生位移进而产生超声波；接收时，在上下表面施加适当的直流偏置电压后，由于薄膜受回波超声的作用产生变形，就会产生可测的电流/电压，实现对回波超声波强度的探测。可见，由于cMUT的制作工艺与CMOS等IC制作工艺兼容，因此可以将后续的驱动电路、前级放大电路及信号处理电路等整合到一起，从而有效降低电路间寄生电容影响和干扰信号的引入可能，十分有利于制作高集成度的高性能阵列换能器和探头。其次，因为cMUT探头尺寸小、材料便宜、加工精度高、十分利于规模化生产和IC集成等优点，可大大降低超声探头的生产成本。此外，cMUT探头还有宽带宽、高灵敏度、小体积、低噪声、易声阻抗匹配和工作温度范围大等诸多优点。因此，从1996年，美国斯坦福大学B.TKhuri-Yakub教授及其团队提出以薄膜沉积、牺牲层的制作方式大大改进了cMUT性能及成品率以来，近年来cMUT工艺和换能器的研制得到了迅猛的发展。cMUT的优点使得将一个换能器探头既用作成像诊断有用作聚焦治疗成为可能，但是，目前还没有一种这样的超声系统。
技术实现思路
因此，本技术要解决的技术问题在于克服现有技术中的没有集超声成像诊断和超声聚焦治疗于一体的超声系统的缺陷。为此，本技术的一种基于电容式微加工超声换能器面阵的诊疗一体化超声系统，包括超声成像诊断装置、超声聚焦治疗装置和探头；所述探头包括由电容式微加工超声换能器作为阵元组成的面阵，每个所述阵元均分别与所述超声成像诊断装置和超声聚焦治疗装置连接，所述探头用于工作在成像诊断模式和/或聚焦治疗模式下。优选地，各个所述阵元具有相同或不同的中心频率、带宽和形状结构。优选地，所述面阵包括至少一个区域，属于一个区域的阵元具有相同的中心频率和带宽，属于不同区域的阵元具有不同的中心频率、带宽和形状结构。优选地，一部分所述区域的阵元受所述超声聚焦治疗装置的控制工作在聚焦治疗模式下，一部分所述区域的阵元受所述超声成像诊断装置的控制工作在成像诊断模式下。优选地，所述成像诊断模式包括A模式、M模式、B模式、3D模式、多普勒模式和弹性模式。优选地，所述成像诊断模式为弹性模式时，探头的阵元中的一部分用于发射声辐射，另一部分用于接收横向传播的弹性波。优选地，所述聚焦治疗模式包括单点聚焦治疗模式和多点聚焦治疗模式。优选地，所述多点聚焦治疗模式中的各个焦点包含相同或不同的焦距、能量强度和聚焦区域形状。优选地，所述超声成像诊断装置包括发射控制模块、脉冲发射模块、信号接收模块和显示模块；所述发射控制模块与脉冲发射模块连接，用于生成包含波束形成特点的第一信号并将其传输给所述脉冲发射模块；所述脉冲发射模块与所述探头连接，用于根据所述第一信号控制所述探头的各个阵元的激励顺序和时间延迟；所述信号接收模块与所述探头连接，用于接收所述探头的各个阵元根据按序接收到的反射回波超声信号所生成的电信号，并将所述电信号进行放大和滤波处理后输出给所述显示模块；所述显示模块用于将所述电信号转换成图像进行显示。优选地，所述超声聚焦治疗装置包括治疗控制模块和聚焦发射模块；所述治疗控制模块与所述聚焦发射模块连接，用于生成包含菲涅尔环分布特点的第二信号并将其传输给所述聚焦发射模块；所述聚焦发射模块与所述探头连接，用于根据所述第二信号控制所述探头的各个所述阵元的工作状态以获得聚焦的焦距和强度。本技术技术方案，具有如下优点：1.本技术实施例提供的基于电容式微加工超声换能器面阵的诊疗一体化超声系统，通过设置由电容式微加工超声换能器作为阵元组成的面阵形成探头，利用cMUT工艺微加工、高集成的特点，能实现对大面阵探头的各个阵元独立精确控制，进而可实现超声成像诊断和超声聚焦治疗的功能，集超声成像诊断和超声聚焦治疗于一体，具有宽带宽、高灵敏度、小体积、低噪声、易声阻抗匹配和工作温度范围大等诸多优点。2.本技术实施例提供的基于电容式微加工超声换能器面阵的诊疗一体化超声系统，区别于传统的线阵、凸阵压电陶瓷/单晶超声成像系统，通过设置超声成像诊断装置可以使cMUT面阵工作于成像诊断模式，并且能够实现样式灵活多样的多模式超声成像，如A模式、M模式、B模式、3D模式、多普勒模式、弹性模式等。甚至可以在不移动探头的情况下实现对探测区域而非单一切面的实时3D成像和多普勒成像，从而可以适应多种应用环境。3.本技术实施例提供的基于电容式微加工超声换能器面阵的诊疗一体化超声系统，通过设置超声聚焦治疗装置可以使cMUT面阵探头工作于聚焦治疗模式，从而可以在使用同一探头的情况下，进行高强度的超本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电容式微加工超声换能器面阵的诊疗一体化超声系统，其特征在于，包括超声成像诊断装置(1)、超声聚焦治疗装置(2)和探头(3)；所述探头(3)包括由电容式微加工超声换能器作为阵元组成的面阵(31)，每个所述阵元均分别与所述超声成像诊断装置(1)和超声聚焦治疗装置(2)连接，所述探头(3)用于工作在成像诊断模式和/或聚焦治疗模式下。

【技术特征摘要】
1.一种基于电容式微加工超声换能器面阵的诊疗一体化超声系统，其
特征在于，包括超声成像诊断装置(1)、超声聚焦治疗装置(2)和探头(3)；
所述探头(3)包括由电容式微加工超声换能器作为阵元组成的面阵
(31)，每个所述阵元均分别与所述超声成像诊断装置(1)和超声聚焦治
疗装置(2)连接，所述探头(3)用于工作在成像诊断模式和/或聚焦治疗
模式下。
2.根据权利要求1所述的诊疗一体化超声系统，其特征在于，各个所
述阵元具有相同或不同的中心频率、带宽、和形状结构。
3.根据权利要求1所述的诊疗一体化超声系统，其特征在于，所述面
阵(31)包括至少一个区域，属于一个区域的阵元具有相同的中心频率和
带宽，属于不同区域的阵元具有不同的中心频率、带宽和形状结构。
4.根据权利要求3所述的诊疗一体化超声系统，其特征在于，一部分
所述区域的阵元受所述超声聚焦治疗装置(2)的控制工作在聚焦治疗模式
下，一部分所述区域的阵元受所述超声成像诊断装置(1)的控制工作在成
像诊断模式下。
5.根据权利要求1所述的诊疗一体化超声系统，其特征在于，所述成
像诊断模式包括A模式、M模式、B模式、3D模式、多普勒模式和弹性模式。
6.根据权利要求5所述的诊疗一体化超声系统，其特征在于，所述成
像诊断模式为弹性模式时，探头(3)的阵元中的一部分用于发射声辐射，
另一部分用于接收横向传播的弹性波。
7.根据权利要求1所述的诊疗一体化超声系统，其特征在于，所述聚
焦治疗模式包括单点聚焦治...

【专利技术属性】
技术研发人员：简小华，崔崤峣，韩志乐，邵维维，
申请(专利权)人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，
类型：新型
国别省市：江苏;32