超声系统和方法技术方案

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超声系统和方法
本专利技术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。本专利技术还涉及使用这样的系统的超声成像方法。
技术介绍
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。因此，与基于PZT的系统相比，基于CMUT换能器的超声系统的制造更具成本效益。此外，归因于在这样的半导体工艺中使用的材料，CMUT换能器展现出对水和生物组织的大大改善的声阻抗匹配，这消除了对多个匹配层的需要并得到改进的有效带宽。然而，这种改进的有效带宽并不是没有并发问题的。例如，诸如信号衰减、声阻抗和声速的组织的声学特性是频率依赖的。信号衰减通常随着频率(线性地)增加。因此，信号的带宽在穿透组织时减小。此外，大带宽发射脉冲的各种频率分量的频率依赖的声速引起像差，其能够降低波前的质量，特别是在较大的深度处。另外，使用更大的带宽也意味着源自换能器元件和前端电子器件的信号噪声被整合在这个更大的带宽上，并且因此更加显著。除此之外，大带宽电子电路通常耗散更多的能量。此外，跨换能器探头互连体而接收到的回波信号的信号传输要求更多的带宽，并且因此更加昂贵。US2010/0217124A1公开了一种超声成像系统，其包括具有换能器元件的阵列的超声探头，所述换能器元件被分成多个邻接发射子孔。耦合到超声换能器的所述子孔的多个发射器将各自的发射信号以不同频率施加到所述子孔，并且具有使得从所述子孔发出的各自的发射波束在感兴趣区域中彼此交叠的延迟。耦合到所述换能器元件的多线波束形成器处理对应于超声回波的信号以输出图像信号。处理器接收来自所述多线波束形成器的图像信号并输出对应于所述图像信号的图像数据。然而，该现有技术的引用并不能解决与低噪声高带宽超声成像有关的任何上述问题。
技术实现思路
本专利技术寻求提供一种具有基于CMUT换能器的探头的超声系统，所述超声系统在大的带宽上展现出改善的噪声和成像特性。本专利技术还寻求提供一种在大的带宽上展现出改善的噪声和成像特性的超声成像方法。根据一个方面，提供了一种超声系统，包括：探头，其包括CMUT阵列(电容式微机械超声换能器)单元，每个单元包括承载电极布置的第一电极的基板，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；电压源，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具有不同频率的激励分量，以用于生成一系列在时间上不同的发射脉冲，每个发射脉冲具有不同频率，其中，每个发射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，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。通过配置所述超声系统以在时间上不同的发射模式中生成不同频率的一系列窄带脉冲，并且通过在时间上不同的接收模式中接收这种脉冲的回波，在所述在时间上不同的接收模式中，所述CMUT单元在所述接收模式中被调谐到这些回波的频率，通过对由CMUT单元在各种接收模式中接收到的回波进行叠加或求和能够生成有效的宽带脉冲回波。这具有以下优点：即，超声系统的发射通道和接收通道可以被配置为在发射模式和接收模式中的每个期间在窄带谱中操作，从而降低噪声和能量耗散，同时由于不同频率的窄带回波的叠加而维持宽带成像特性。在优选实施例中，所述驱动电压的所述偏置电压分量用于使所述第一集合中的所述CMUT单元的各自的柔性膜塌陷到所述单元的所述基板上；并且/或者所述偏置电压用于将所述第二集合中的所述CMUT单元的各自的柔性膜塌陷到所述单元的所述基板上。通过在发射和/或接收时段期间以塌陷模式操作所述CMUT单元，所述超声系统能够在特别宽的频率带宽中操作。此外，在塌陷模式中操作CMUT单元借助于施加到其电极布置的DC偏置电压而提供对CMUT单元的(中心)共振频率和敏感频率区域的改进的控制。在一个实施例中，每个电极布置还包括由所述基板承载的第三电极，其中，所述第三电极被定位在所述第一电极与所述第二电极之间，并且通过电介质层与所述第一电极电绝缘，其中，所述电压源本文档来自技高网...

【技术保护点】
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单元的第一集合的各自的电极布置提供驱动电压的序列，每个驱动电压包括偏置电压分量和具有不同频率的激励，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；为所述CMUT单元的第二集合的各自的电极布置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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.05 EP 15157767.31.一种超声系统(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单元的第一集合的各自的电极布置提供驱动电压的序列，每个驱动电压包括偏置电压分量和具有不同频率的激励，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；为所述CMUT单元的第二集合的各自的电极布置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。2.根据权利要求1所述的超声系统(1)，其中：所述驱动电压的所述偏置电压分量用于使所述第一集合中的所述CMUT单元(100)的各自的柔性膜(114)塌陷到所述单元的所述基板(112)上；并且/或者所述偏置电压用于将所述第二集合中的所述CMUT单元(100)的各自的柔性膜(114)塌陷到所述单元的所述基板(112)上。3.根据权利要求1或2所述的超声系统(1)，其中，每个电极布置还包括由所述基板(112)承载的第三电极(124)，其中，所述第三电极(124)被定位在所述第一电极(120)与所述第二电极(122)之间，并且通过电介质层(123)与所述第一电极电绝缘，其中，所述电压源(45)适于跨所述第一电极与所述第二电极来施加所述驱动电压的所述激励，并且适于将所述驱动电压的所述偏置电压分量施加到所述第三电极。4.根据权利要求1-3中的任一项所述的超声系统(1)，其中，CMUT单元(100)的所述第二集合包括CMUT单元的所述第一集合。5.根据权利要求1-4中的任一项所述的超声系统(1)，还包括处于所述阵列与所述信号处理单元之间的可编程带通滤波器，其中，所述可编程带通滤波器适于在每个接收模式期间将所述带通滤波器编程到一频率范围，所述频率范围包括源自在跟随有所述接收模式的所述发射模式中生成的脉冲的回波信号的所述脉冲频率，所述频率范围排除在所述系列的其他发射模式期间发射的脉冲的所述脉冲频率中的至少一些。6.根据权利要求5所述的超声系统(1)，还包括处于所述可编程带通滤波器与所述信号处理单元之间的可编程波束形成单元，其中，所述可编程波束形成单元根据源自在所述发射模式中生成的脉冲的回波信号的所述脉冲频率而被编程。7.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·C·范伦斯，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL