薄且可穿戴超声相控阵设备制造技术

超声相控阵装置(包括系统和设备)以及用于制造和使用它们的方法。这些装置可以是薄且轻量的，使得它们可以以声通信穿戴在受试者的头上或其他身体区域，以便传递超声用于对组织的刺激并且特别用于神经刺激。超声相控阵装置可以被用作可穿戴且轻量的神经刺激装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】薄且可穿戴超声相控阵设备相关申请的交叉引用本专利申请要求于2014年3月15日提交的美国临时专利申请号61/953,746(题目为“RADIALMODEULTRASOUNDARRAYAPPARATUSESANDMETHODSFORUSINGTHEM”)的优先权，其整体通过引用以其整体并入本文。通过引用合并在本说明书中提到的所有出版物和专利申请在相同的程度上以全文引用方式并入本文中，好像每个单独的出版物或专利申请被具体且单独指示以引用方式并入。领域用于超声的传递的方法和装置。具体地，本文所描述的是可穿戴(薄且轻量)超声传递装置和使用它们的方法，以及用于制造这样的设备的方法和装置。本文描述的可穿戴装置可以是超声相控阵装置，该超声相控阵装置主要在径向模式中操作。背景超声系统用于医疗应用、清洗系统、腐蚀检测、发电、石油化工应用、管道建设与维护、航空航天应用以及各种其他应用和领域。已经将在各种模式中传递超声波的设备和系统小型化到手持尺寸的平台的规模。与传统的车式系统相比，手持且可穿戴超声系统和设备可以增加超声在广泛的领域中的适用性和使用，考虑到它们相对低的成本和可携带性。尽管至今研究了超声阵列，但现有的系统和方法至少在某些情况下缺乏关于小型化、重量、能源效率和/或可穿戴性的研究。此外，现有的超声阵列通常是笨重的、昂贵的并且难以制造。用于超声阵列的布线和连接器可以技术上特别具有挑战性并且制造昂贵。更小、便携式且更简单的系统对于超声波技术的生物、工业和医疗应用将是有利的。例如，传统的超声阵列对于可穿戴和/或便携式相控阵太大并且太重。传统的超声阵列中单独的超声元件具有约3mm至5mm的厚度和大约30克至40克的重量，具有约1英寸至2英寸的总直径。重量将随着直径的平方而按比例变化，以及因此，对于适用于生物组织中的聚焦的更大数值孔径，重量将迅速增加。另外，由于构建过程的本质，这些元件必须保持在一起，其防止具有覆盖大的表面积的间隙的较稀疏阵列的简单构造。稀疏阵列具有许多优点，其包括降低电子控制电路的成本和复杂性，降低热安全考虑，减少的重量或平展的形状因数，由于与被附接在顶部上相反，电子器件和布线安装在元件之间，同时所有的元件保持较大的孔径。另外，对于传统的超声阵列，厚度不可避免地通过透镜、包装以及对电源和波形控制硬件的布线增加，因为它们必须被附接在阵列的顶部，而不是在阵列元件之间中。最后的超声换能器阵列探头的重量可以超过半磅，具有延伸到电源和聚焦电子器件的高压电缆，其在探头本身上施加附加的力。传统的超声阵列通常通过将大的压电复合板灌注到背衬材料或匹配层中然后将陶瓷板切割成较小的元件来制造。一旦定义了元件，手动或半自动地进行对元件的连接。匹配层、透镜、背衬、前板、电磁干扰(EMI)屏蔽、电连接、防潮层以及其他机械结构被连续地接合到阵列上，以制成成品。由于切割步骤的机械冲击，传统阵列的成品率难以控制和预测。即使少量的机械损坏的元件可以破坏整个阵列。由于低的成品率，传统的阵列是非常昂贵的。一维阵列成本高达几千美元以上，而二维阵列更加昂贵。此外，由于手工将各种组件附接、粘附、用环氧树脂粘合、绑定并且封装到阵列的许多步骤，传统的阵列需要几天来制造。对于阵列的每个模型的每个步骤，需要专用的固定装置和夹具。另外，由于所需的许多定制固定装置，新的阵列设计可能需要几个月来计划和执行。新的阵列所需的新的胶和化学品通常规定详细的鉴定步骤，以验证新的胶和化学品将适合于大批量生产。此外，超声相控阵的某些应用(例如，生物应用)对于超声阵列需要大孔径。如果使用传统的构造方法，阵列的元件的尺寸、重量和数目与阵列的孔径成正比。因此，扩展阵列元件的数量通常需要也增加阵列尺寸和孔径。然而，增加阵列的尺寸以容纳更多阵列元件与将超声相控阵进行小型化和提高超声相控阵的效率不兼容。超声阵列的一个生物应用是具有低频、低功率超声的经颅神经调节。超声可以被聚焦到相当小的区域，其有利地诱导一个或多个空间限制的神经靶区中的神经调节。提供用于治疗和消费应用中的神经调节应用的相对低功率的超声装置将是有益的且有用的，该超声装置具体包括可穿戴设备。经颅超声神经调节是脑刺激的有利形式，由于它的非侵入性、安全、聚焦特性以及针对神经调节的特异性，改变经颅超声神经调节波形协议的能力。用于脑、脊髓或周围神经系统中的神经组织的神经调节的植入超声阵列还可以是有利的，而无需能够将能量有效地通过颅骨进行传递的系统或能够补偿由颅骨引起的偏差的系统。因此，需要轻量、薄且成本效益的超声相控阵装置以及操作和制造它们的方法。本文所述的是可以解决上面讨论的问题和需要的方法和装置。专利技术概述本文所描述的是薄且轻量、可穿戴超声敷贴器，其包括可以被配置用于相控操作的换能器元件的阵列。例如，本文所描述的是超声相控阵敷贴器设备，该设备包括：超声换能器元件的阵列，其中，每个换能器元件具有宽度和厚度，并且宽度大于厚度的两倍，使得相较于在厚度模式中，它更多在径向模式中操作；以及控制电路，该控制电路被配置为将超声换能器元件的阵列操作为允许对发射的超声信号进行波束赋形的相控阵。超声相控阵敷贴器设备可以被配置为在100kHz和1MHz之间操作，并且可以包括：超声换能器元件的阵列，其中，每个超声换能器元件具有厚度和约0.5mm和2mm之间的宽度，以及其中，宽度大于厚度的两倍，使得相较于在厚度模式中，它更多在径向模式中操作；控制电路，其被配置为将超声换能器元件的阵列操作为允许对发射的超声信号进行波束赋形的相控阵；以及印刷电路板(PCB)基板，其被配置为匹配层，超声换能器元件的阵列的每个超声换能器元件的正面安装到该匹配层上，用于穿过PCB基板传输发射的超声信号的，另外其中，超声换能器的阵列在每个超声换能器元件的背面上是空气背衬的。配置为在100kHz和1MHz之间操作的超声相控阵敷贴器设备的另一个示例包括：超声换能器元件的阵列，其中，每个超声换能器元件具有厚度和约0.5mm和2mm之间的宽度，以及其中，宽度大于厚度的两倍，另外其中，超声元件的阵列的超声换能器元件之间的间距是在约0.01mm和2mm之间；控制电路，其被配置为将超声换能器元件的阵列操作为允许对发射的超声信号进行波束赋形的相控阵；以及印刷电路板(PCB)基板，其被配置为匹配层，超声换能器元件的阵列的每个超声换能器元件的正面安装到该匹配层上，用于穿过PCB基板传输发射的超声信号，另外其中，超声换能器的阵列在每个超声换能器元件的背面上是空气背衬的；其中，控制电路是在PCB基板上。在这些变型的任一个中，控制电路可以被配置为在100kHz和1MHz之间操作超声换能器元件的阵列。例如，控制电路可以被配置为在100kHz和0.8MHz之间操作超声换能器元件的阵列。超声换能器元件可以具有约0.02mm和5mm之间(例如，约0.3mm、0.4mm、0.5mm等和5mm、4mm、3mm、2mm、1mm等之间)的宽度。对于一些或所有的换能器元件，该宽度可以是厚度的约2倍和10倍之间。该宽度可以是由该设备发射的超声信号的波长的大约一半。该厚度可以是由该设备发射的超声信号的波长的25％或更少。超声元件的阵列的超声换能器元件之间的间距可以是在约0.2mm和2mm之间。通常，包括控制电路的敷贴器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声相控阵敷贴器设备，所述设备包括：超声换能器元件的阵列，其中，每个换能器元件具有宽度和厚度，并且所述宽度大于所述厚度的两倍，使得相较于在厚度模式中，所述每个换能器元件更多在径向模式中操作；以及控制电路，其被配置为将所述超声换能器元件的阵列操作为允许对发射的超声信号进行波束赋形的相控阵。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.15 US 61/953,7461.一种超声相控阵敷贴器设备，所述设备包括：超声换能器元件的阵列，其中，每个换能器元件具有宽度和厚度，并且所述宽度大于所述厚度的两倍，使得相较于在厚度模式中，所述每个换能器元件更多在径向模式中操作；以及控制电路，其被配置为将所述超声换能器元件的阵列操作为允许对发射的超声信号进行波束赋形的相控阵。2.一种配置为在100kHz和1MHz之间操作的超声相控阵敷贴器设备，所述设备包括：超声换能器元件的阵列，其中，每个超声换能器元件具有厚度和约0.5mm和2mm之间的宽度，以及其中，所述宽度大于所述厚度的两倍，使得相较于在厚度模式中，所述每个超声换能器元件更多在径向模式中操作；控制电路，其被配置为将所述超声换能器元件的阵列操作为允许对发射的超声信号进行波束赋形的相控阵；以及印刷电路板(PCB)基板，其被配置为匹配层，所述超声换能器元件的阵列中的每个超声换能器元件的正面安装到所述匹配层上，用于穿过所述PCB基板传输所述发射的超声信号，另外其中，所述超声换能器的阵列在每个超声换能器元件的背面上是空气背衬的。3.一种配置为在100kHz和1MHz之间操作的超声相控阵敷贴器设备，所述设备包括：超声换能器元件的阵列，其中，每个超声换能器元件具有厚度和约0.5mm和2mm之间的宽度，以及其中，所述宽度大于所述厚度的两倍，另外其中，所述超声元件的阵列中的所述超声换能器元件之间的间距在约0.01mm和2mm之间；控制电路，其被配置为将所述超声换能器元件的阵列操作为允许对发射的超声信号进行波束赋形的相控阵；以及印刷电路板(PCB)基板，其被配置为匹配层，所述超声换能器元件的阵列中的每个超声换能器元件的正面安装到所述匹配层上，用于穿过所述PCB基板传输所述发射的超声信号，另外其中，所述超声换能器的阵列在每个超声换能器元件的背面上是空气背衬的；其中，所述控制电路在所述PCB基板上。4.根据权利要求1、2或3所述的设备，其中，所述控制电路被配置为在100kHz和1MHz之间操作所述超声换能器元件的阵列。5.根据权利要求1、2或3所述的设备，其中，所述控制电路被配置为在100kHz和0.8MHz之间操作所述超声换能器元件的阵列。6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述超声换能器元件中的一些或所有所述超声换能器元件具有约0.5mm和2mm之间的宽度。7.根据权利要求1、2或3所述的设备，其中，对于每个换能器元件，所述宽度在所述厚度的约2倍和10倍之间。8.根据权利要求1、2或3所述的设备，其中，所述宽度是由所述设备发射的超声信号的波长的大约一半。9.根据权利要求1、2或3所述的设备，其中，所述厚度是由所述设备发射的超声信号的波长的25％或更少。10.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述超声元件的阵列中的所述超声换能器元件之间的间距在约0.2mm和2mm之间。11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制电路被印刷到印刷电路板(PCB)基板上，所述印刷电路板基板被配置为匹配层，所述超声换能器元件的阵列中的每个超声换能器元件的正面安装到所述匹配层上，用于穿过所述PCB基板传输所述发射的超声信号。12.根据权利要求2所述的设备，其中，所述控制电路被印刷到配置为所述匹配层的印刷电路板(PCB)基板上。13.根据权利要求2或3所述的设备，其中，所述PCB是柔性PCB。14.根据权利要求1所述的设备，另外其中，所述超声换能器的阵列在每个超声换能器元件的背面上是空气背衬的。15.一种可穿戴相控阵超声神经刺激器装置，所述装置包括：超声换能器元件的阵列，其中，每个换能器元件具有宽度和厚度，并且所述宽度大于所述厚度的两倍，使得相较于在厚度模式中，所述每个换能器元件更多在径向模式中操作；控制电路，其被配置为在100kHz和1MHz之间将所述超声换能器元件的阵列操作为允许对发射的超声信号进行波束赋形的相控阵；以及所述装置的外表面，其被配置为粘附到受试者的皮肤。16.一种可穿戴相控阵超声神经刺激器装置，所述装置包括：超声换能器元件的阵列，其中，每个超声换能器元件具有厚度和约0.5mm和2mm之间的宽度，以及其中，所述宽度大于所述厚度的两倍，另外其中，所述超声元件的阵列中的所述超声换能器元件之间的间距在约0.01mm和2mm之间；控制电路，其被配置为在100kHz和1MHz之间将所述超声换...

【专利技术属性】
技术研发人员：温·劳，佐藤友和，威廉姆·J·泰勒，
申请(专利权)人：赛威医疗公司，
类型：发明
国别省市：美国,US