具有多级偏置控制的CMUT信号分离制造技术

本申请公开了具有多级偏置控制的CMUT信号分离。在一些示例中，电容式微加工超声换能器(CMUT)阵列可以包括布置成多行的多个CMUT元件，每行包括多个CMUT元件。偏置电压源可以被连接用于向多个行的第一行、第二行和第三行提供偏置电压。另外，处理器可由可执行指令配置以通过向第二行施加第一偏置电压并向第一和第三行施加第二不同偏置电压来控制偏置电压，以将第二行的CMUT元件配置成以与第一行和第三行的CMUT元件不同的效率进行发射或接收超声能量中的至少一个。在一些示例中，来自不同行的个体贡献可以根据仰角维度中的合成孔径波束成形的不同激发序列来计算。

Separation of CMUT Signals with Multistage Bias Control

This application discloses CMUT signal separation with multistage bias control. In some examples, capacitive micromachined ultrasonic transducer (CMUT) arrays may include multiple CMUT elements arranged in multiple rows, each of which includes multiple CMUT elements. Bias voltage sources can be connected to provide bias voltage to the first, second and third rows of multiple rows. In addition, the processor may be configured by an executable instruction to control the bias voltage by applying a first bias voltage to the second line and a second different bias voltage to the first and third lines to configure the CMUT elements of the second line to transmit or receive at least one of the ultrasonic energy at a different efficiency from the CMUT elements of the first and third lines. In some examples, individual contributions from different rows can be calculated based on different excitation sequences of synthetic aperture beamforming in the elevation dimension.

【技术实现步骤摘要】
具有多级偏置控制的CMUT信号分离
本文的一些示例涉及电容式微加工超声换能器(CMUT)，诸如可用于超声成像。
技术介绍
超声换能器广泛用于许多不同领域，包括超声成像。在许多常规医学成像应用中，超声换能器由诸如锆钛酸铅(PZT)的压电材料构成。已经针对包括超声成像的各种应用而开发的另一类型的超声换能器是电容式微加工超声换能器(CMUT)。类似于PZT换能器，CMUT换能器可由电脉冲来激活以生成在组织中传播的声学信号；然而，与PZT换能器不同的是，CMUT换能器可采用附加的偏置(bias)电压，诸如当发射和/或接收超声波信号时。传统上，偏置电压可以是在成像操作期间保持恒定的DC电压。此外，CMUT可以被布置成阵列。例如，1D换能器阵列可包括仅以一维(例如，方位维度)布置的多个CMUT元件。元件的这种布置允许形成聚焦波束来获得改善的成像分辨率。另外，对于由接收到的信号形成的波束，可以在成像期间动态地移动焦深以获得更均匀的分辨率。然而，在另一维度(即，仰角(elevation)维度)中，1D换能器阵列的焦点是固定的。由于固定的焦距，仰角切片厚度可能与深度不一致，并且1D换能器阵列的成像性能可能受到损害。对于该问题的一个解决方案是使用1.5D换能器阵列。例如，1.5D换能器阵列可包括在仰角维度上分开的至少两行元件。两个相邻行之间的间隔可能比波长大得多。而且，行的数量可随着穿透深度增加以获得从近场到远场的最佳成像性能。此外，1.5D阵列的元件数量通常明显大于各个成像系统的通道数量。因此，高压模拟开关可以用于选择用于发射和/或接收的1.5D阵列中的期望元件。专利技术内容本文的一些实现包括用于操作CMUT阵列的技术和布置。在一些示例中，CMUT阵列可以包括排列成多行的多个CMUT元件，每行包括多个CMUT元件。偏置电压源可以被连接用于向多个行的第一行、第二行和第三行提供偏置电压。另外，处理器可由可执行指令配置以通过向第二行施加第一偏置电压并向第一和第三行施加第二不同偏置电压来控制偏置电压，以将第二行的CMUT元件配置成以与第一行和第三行的CMUT元件不同的效率和/或灵敏度进行发射或接收超声能量中的至少一个。附图说明参考所附附图来说明具体实施方式。在附图中，附图标记最左边的数字标识该附图标记首次出现的附图。在不同附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项或特征。图1示出根据一些实现方式的包括一个或多个CMUT的超声系统的示例配置。图2A示出根据一些实现方式的CMUT阵列的示例结构。图2B示出根据一些实现方式的CMUT元件的结构的示例截面图。图3是示出根据一些实现方式的偏置电压可以从一个激发变化到另一个激发的示例曲线图。图4示出根据一些实现方式的在接收期间切换CMUT阵列的元件的偏置电压模式的示例。图5A-图5D示出根据一些实现方式的在发射和接收期间切换CMUT阵列的元件的偏置电压模式的示例。图6示出根据一些实现方式的CMUT阵列的示例构造的平面图。图7是示出根据一些实施方式的发射和接收超声能量的示例过程的流程图。图8是示出根据一些实施方式的通过发射和接收超声能量来确定图像的示例过程的流程图。具体实施方式本文中的一些实现方式包括能够用于包括超声成像的各种应用的电容式微加工超声换能器(CMUT)的技术和布置。例如，包括合成孔径成像的超声成像的许多应用使用开关来选择换能器的各种孔径。本文中的实现方式通过控制施加在孔径中的选定CMUT元件上的偏置电压来提供替代技术。此外，因为可能不可能完全关闭用于执行合成孔径成像的偏置电压，所以在本文的一些情况下，在多个不同的偏置电压电平下采集信号，这允许分离各个CMUT元件对公共信号的贡献。然后可以重新组合分离的信号以实现回顾性发射焦点和/或动态接收焦点的重构。另外，可以将分离的信号与不同的深度相关加权重新组合以实现深度依赖性切趾和恒定f数。在本文的一些示例中，可以通过回声测距技术来生成超声图像，在该回声测距技术中，声波脉冲被发射到介质中并且它们的反射被换能器转换为电信号。声波脉冲穿过换能器与反射结构之间的距离所需的时间决定了反射结构所处的深度。另外，为了将该结构定位在正交方向上，可以将超声能量限制在形成波束的狭窄空间中，所述波束可以用来以来回方式扫描介质，非常像探照灯。使用对应于特定方向和特定深度的电信号的强度来调制显示屏幕上的像素的亮度。所有像素的组合形成超声图像。脉冲越短，波束越窄，超声系统解析细节的能力就越高。本文中的示例包括系统通过使波束变窄来解析细节的能力。例如，在本文的超声系统中，超声波束可以由换能器元件的阵列生成。作为一个示例，可以通过以与施加到每个不同CMUT元件的脉冲略微不同的时序向CMUT元件施加电脉冲来产生波束。时序控制可以通过使用包含模拟或数字延迟组件的波束成形器来实现。除了控制信号时序之外，可以调整每个CMUT元件处的信号的强度以改善波束特征，例如用于最小化减小图像对比度的旁瓣。由电信号激励以生成声波束的一组CMUT元件在本文中被称为孔径。整个阵列或CMUT元件的子集可以用作单个波束的孔径。在本文称为“合成孔径”的技术中，孔径可以进一步细分为更小的子集，并且每个更小的子集可以用于生成部分波束。然后可以使用来自部分波束的接收信号通过用合适的延迟和加权重新组合接收到的信号来重新创建全波束。对于矩阵阵列，孔径子集可以由行和/或列或多行和/或多列的整个列和/或行或子集构成。本文中的CMUT(诸如CMUT阵列的元件)可以包括至少两个彼此接近布置的电极，其间具有换能空间。这两个电极中的一者可移向/离另一者以执行声学能量与电能量之间的能量转换。电极的移动将声学能量与毗邻介质相耦合。在本文中的一些示例中，相应各个CMUT的换能效率可以至少部分地基于在这两个电极之间施加的偏置电压，并且相应地，本文中的实现方式可使用该偏置电压来控制换能效率。另外，根据本文的一些实现方式的CMUT阵列可以在仰角维度中具有多于一行的元件，诸如1.25D、1.5D、1.75D和2DCMUT换能器阵列的情况。例如，在本文的示例中，1.5D阵列可以包括在仰角维度中具有多于一行的CMUT阵列，其中一些行中的CMUT元件通过第一电极电连接到其他行中的CMUT元件，并通过第二电极电连接到同一行中的CMUT元件。本文中的一些实现方式可适用于能够用于超声成像(诸如用于医学成像应用)的CMUT阵列。作为一个示例，具有多行的公开的CMUT阵列通过提供可变仰角孔径(elevationaperture)尺寸、切趾轮廓、接收动态波束成形和合成孔径，从而可用于广泛的临床应用。例如，可以通过改变施加到CMUT阵列的各个CMUT元件的偏置电压来实现可变切趾分布。在一些示例中，本文中的CMUT可被并入能够用于超声成像应用的超声探测器中。换能效率是CMUT的有用的性能参数。换能效率至少部分地由施加的偏置电压决定。CMUT可用于将声功率发射(TX)到介质中，或从介质接收(RX)声学信号，或以上两者。对于发射，换能效率可以被定义为在一个循环中输出声能与输入电能的比率。该比率越高，换能器将电能转换成机械能的效率越高。对于接收模式，换能效率被定义为在一个循环中接收的电能与撞击在换能器上的声波的输入声能之比。效率是无量纲的量，通常表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种系统，包括：电容式微加工超声换能器(CMUT)阵列，具有布置成多行的多个CMUT元件，每行包括多个CMUT元件；偏置电压源，被连接用于向多个行的第一行、第二行和第三行提供偏置电压；以及处理器，该处理器由可执行指令配置以通过向所述第二行施加第一偏置电压并向所述第一行和所述第三行施加第二不同偏置电压来控制所述偏置电压，以将所述第二行的CMUT元件配置成以与所述第一行和所述第三行的CMUT元件不同的效率进行发射或接收超声能量中的至少一个。

【技术特征摘要】
2017.06.27 US 15/633,8851.一种系统，包括：电容式微加工超声换能器(CMUT)阵列，具有布置成多行的多个CMUT元件，每行包括多个CMUT元件；偏置电压源，被连接用于向多个行的第一行、第二行和第三行提供偏置电压；以及处理器，该处理器由可执行指令配置以通过向所述第二行施加第一偏置电压并向所述第一行和所述第三行施加第二不同偏置电压来控制所述偏置电压，以将所述第二行的CMUT元件配置成以与所述第一行和所述第三行的CMUT元件不同的效率进行发射或接收超声能量中的至少一个。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二行位于所述第一行与所述第三行之间。3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述处理器还被配置为将用于所述第一行和所述第三行的偏置电压在高电压电平和低电压电平之间交替以用于扫描序列中所述CMUT阵列的连续激发。4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括与所述处理器耦合的计算机可读介质，其中所述处理器还被配置为：将来自所述CMUT阵列的个体激发的信号数据存储在所述计算机可读介质中；并且从所述信号数据确定多个CMUT元件的个体CMUT元件的个体信号贡献。5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括波束成形器，其中所述处理器进一步经配置以使所述波束成形器基于所述所确定的个体信号贡献而在所述CMUT阵列的仰角维度中形成经聚焦波束。6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述处理器进一步经配置以通过以下步骤确定所述个体CMUT元件的所述个体信号贡献：确定基于所述偏置电压预先计算的效率矩阵；反转并存储所述效率矩阵以用于确定所述个体信号贡献；以及至少部分地基于所述个体信号贡献来生成图像。7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，来自所述第一行的第一CMUT元件、来自所述第二行的第二CMUT元件和来自所述第三行的第三CMUT元件电连接到相同的发射和/或接收通道。8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：多路复用器，该多路复用器与所述处理器以及所述多个CMUT元件通信；其中所述CMUT元件被配置成多个列，所述处理器还被配置为：控制所述多路复用器，以使得在所述第一行、所述第二行和所述第三行上施加所述第一偏置电压的同时，使所选列中的至少所述CMUT元件发射超声能量；并且控制所述多路复用器，以在将所述第一偏置电压施加到所述第二行、并且将所述第二偏置电压施加到所述第一行和所述第三行的同时，使所选列或不同的所选列中的至少一个列中的所述CMUT元件接收超声能量。9.一种方法，包括：通过处理器向电容式微加工超声换能器(CMUT)阵列施加至少两个不同的偏置电压，所述CMUT阵列具有排列成多行的多个CMUT元件，所述多行包括至少第一行、第二行以及第三行，其中所述第二行位于所述第一行与所述第三行之间，其中施加所述至少两个不同的偏置电压包括向所述第二行施加第一偏置电压，并向所述第一行和所述第三行施加第二不同偏置电压；以及由所述处理器使来自每一行的至少一个CMUT元件进行发射或接收超声能量中的至少一个。10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，施加所述至少两个不同的偏置电压将所述第二行的所述CMUT元件配置成以与所述第一行和所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·赵，C·西莫普勒斯，
申请(专利权)人：珂纳医疗科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32