基于高密度CMUT柱面阵的乳腺三维超声CT成像系统技术方案

本发明专利技术为一种基于高密度CMUT柱面阵的乳腺三维超声CT成像系统，涉及MEMS传感器领域。该系统包括CMUT柱面阵探测器、配置电路、计算机控制系统和检测床，CMUT柱面阵探测器由512排环形阵列装配完成，每排环形阵列上等间距地分布着2048个CMUT阵元，CMUT阵元采用以硅

【技术实现步骤摘要】
基于高密度CMUT柱面阵的乳腺三维超声CT成像系统


[0001]本专利技术涉及MEMS传感器
，具体是一种基于高密度CMUT柱面阵的乳腺三维超声CT成像系统。

技术介绍

[0002]近年来，超声计算机断层扫描成像（USCT）作为一种新型的乳腺癌影像技术得到快速发展，以乳腺横断面体层成像为主，具有CT技术的不受层面上下组织干扰的优势，成像分辨率高；同时利用了超声波穿透性好的特点，对乳腺内不同组织密度的衰减系数差异大，因此具有高的密度分辨率特性，其远远优于X射线，能够分辨微小钙化点。依托计算机的快速数据处理技术，USCT能够实现三维动态高分辨率成像，同时超声波安全可靠，可短期内多次测量。
[0003]高密度的超声换能器阵列、全自动电子扫描控制方法和快速有效的图像重建算法是乳腺USCT系统实现的基础，但是已见报道的乳腺USCT系统的图像分辨率不高，图像重建时间较长，主要有以下两个原因：第一，现有的USCT系统中全部采用压电超声换能器，压电陶瓷是当前超声换能器中最常用的材料，但是制作数千个高一致性阵元的压电换能器阵列存在工艺难度大、成本高、功耗大的问题，更难以制作高密度压电换能器面阵，而且随着器件工作频率的增加，阵元间距不断减小，对于压电材料而言，这种小尺寸面积限制了发射能量并减小了接收灵敏度，很难达到较大的工作动态范围；第二，现有的USCT系统数据采集方式一般为平行束扫描和扇束扫描，获得多个角度下的切片数据仍需要旋转或沿Z轴方向平移，这样就会引入不必要的机械干扰。另外，乳房直径一般为10~15cm，在这个传播距离下，单一阵元发射超声信号能量有限，导致接收信号幅值很小，甚至检测不到信号，进而导致图像分辨率低。
[0004]
技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决当前乳腺USCT系统图像分辨率低，图像重建时间长等问题，而提供一种低成本、高灵敏度、高特异性的基于高密度CMUT柱面阵的乳腺三维超声CT成像系统。
[0006]本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种基于高密度CMUT柱面阵的乳腺三维超声CT成像系统，包括CMUT柱面阵探测器、配置电路、计算机控制系统和检测床；CMUT柱面阵探测器包括CMUT柱面阵和安装座，CMUT柱面阵安装在安装座内；CMUT柱面阵由512排环形阵列装配完成，每排环形阵列上等间距地分布着2048个CMUT阵元；CMUT阵元采用以硅-硅键合为核心的微机械加工技术制作而成，具体制备方法包括步骤：1）取SOI片和氧化硅片，在氧化硅片的顶部氧化层上刻蚀得到SiO2空腔；2）将SOI片与氧化硅片键合在一起，得到SOI-硅键合片；3）去除SOI片的衬底硅层和氧化层，去除氧化硅片的底部氧化层，
得到硅薄膜；4）在硅薄膜上刻蚀隔离槽，然后氧化绝缘整个器件，接着在顶部氧化层上制备上金属电极，将底部氧化层去除后再制备下金属电极，形成欧姆接触，最后即得到CMUT阵元；安装座包括底座，底座上固定有圆桶型基底，CMUT柱面阵插装在圆桶型基底内并紧贴圆桶型基底的内筒壁设置，CMUT柱面阵的内壁上设置有透声水密封层，底座上围绕圆桶型基底外围一圈均布有若干个支架，配置电路安装在相邻支架之间，配置电路与CMUT柱面阵连接；配置电路包括超声信号发射/接收电路系统、数据采集电路系统、数据储存电路系统和FPGA芯片，超声信号发射/接收电路系统与CMUT柱面阵连接，CMUT柱面阵再与数据采集电路系统连接，数据采集电路系统再与数据储存电路系统连接，数据储存电路系统再与FPGA芯片连接FPGA芯片再分别与超声信号发射/接收电路系统和数据采集电路系统连接；计算机控制系统与配置电路连接；CMUT柱面阵探测器安装在检测床上，检测床内注有水，CMUT柱面阵探测器浸没在水中。
[0007]作为优选的技术方案，CMUT阵元封装在封装结构内，封装结构包括PVC外壳，PVC外壳内的底部设置有环氧树脂基座，环氧树脂基座与PVC外壳内壁之间设置有铝箔，CMUT阵元安装在PVC外壳内的环氧树脂基座上，CMUT阵元上的电缆密封穿出，PVC外壳的顶部壳口密封设置有聚氨酯橡胶帽，PVC外壳内位于环氧树脂基座与聚氨酯橡胶帽之间的空间内注有硅油。
[0008]作为优选的技术方案，CMUT柱面阵的检测孔径为20cm。
[0009]本专利技术系统创造性地采用了基于MEMS技术的高密度CMUT柱面阵列技术、全自动电子扫描技术和多模态融合图像重建技术，同步实时采集乳腺组织的声阻抗、衰减、声速等参数，实现亚毫米级高分辨率的乳腺超声图像。对于基于MEMS技术的高密度CMUT柱面阵列技术：CMUT阵元是采用基于柔性衬底的高密度TSV互联集成制造方法制作而成的，该制作方法利用了SOI器件层均匀性好的优点，保证了器件振动薄膜结构的一致性，CMUT阵元的灵敏度比压电换能器高一倍，带宽提高50%。对于全自动电子扫描技术：面向乳腺超声CT的四象N元自适应相控波束合成方法，对乳腺组织进行快速扫描与ROI聚焦扫描，包括对乳腺组织进行线性扫描和环形扫描，既可以通过对线阵512阵元的自动扫描控制来获取多个垂直超声断层成像序列，也可以对环阵2048阵元的自动扫描控制来获取多个水平超声断层成像序列，实现对乳腺亚毫米病灶的快速精准定位，解决微小病变组织精准定位难题。对于多模态融合图像重建技术：声阻抗、声速、衰减多模态图像特征增强与三维重构方法，实现高分辨率图像重构，将乳腺病变组织成像分辨率比目前美国超声CT系统提高一倍以上。
[0010]本专利技术系统中的CMUT柱面阵由512排环形阵列装配完成，每排环形阵列上等间距地分布着2048个CMUT阵元；为获得更好的指向性和透射性能，采用多通道电路实现信号的聚焦发射和接收，通过4次电子旋转扫描，实现2048通道的模拟同步采集。既可以采集到反射信号也可以采集到透射信号，采集到的超声信号中包含声阻抗、衰减、声速和频率等参数，通过多模态融合超声断层成像算法处理，获得平面内高分辨率乳腺组织图像。采用相同的扫描方式，依次完成乳房的512排扫描，运用数据处理技术和三维重建技术，最终得到乳腺组织在三维方向上的尺寸、位置、密度等图像。
[0011]本专利技术系统中的CMUT阵元很好地克服了传统压电换能器的一些缺点，具有高灵敏度、宽频带、一致性好、微型化集成度高、易于制作二维面阵等众多优点。利用MEMS工艺制作
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512阵元的CMUT柱面阵作为乳腺超声CT成像设备的核心器件，CMUT柱面阵包围在乳房四周进行三维全自动电子扫查，在超声成像领域将具有很好的成本和性能优势。
[0012]本专利技术设计合理，能够有效提高乳腺超声断层成像的分辨率，缩短检测时间，具有高灵敏度、高特异性以及成本低的特点，具有很好的实际应用及推广价值。
附图说明
[0013]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，此处的附图用来提供对本专利技术的进一步说明，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用来解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[001本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高密度CMUT柱面阵的乳腺三维超声CT成像系统，其特征在于：包括CMUT柱面阵探测器、配置电路、计算机控制系统和检测床；CMUT柱面阵探测器包括CMUT柱面阵和安装座，CMUT柱面阵安装在安装座内；CMUT柱面阵由512排环形阵列装配完成，每排环形阵列上等间距地分布着2048个CMUT阵元；CMUT阵元采用以硅-硅键合为核心的微机械加工技术制作而成，具体制备方法包括步骤：1）取SOI片和氧化硅片，在氧化硅片的顶部氧化层上刻蚀得到SiO2空腔；2）将SOI片与氧化硅片键合在一起，得到SOI-硅键合片；3）去除SOI片的衬底硅层和氧化层，去除氧化硅片的底部氧化层，得到硅薄膜；4）在硅薄膜上刻蚀隔离槽，然后氧化绝缘整个器件，接着在顶部氧化层上制备上金属电极，将底部氧化层去除后再制备下金属电极，形成欧姆接触，最后即得到CMUT阵元；安装座包括底座，底座上固定有圆桶型基底，CMUT柱面阵插装在圆桶型基底内并紧贴圆桶型基底的内筒壁设置，CMUT柱面阵的内壁上设置有透声水密封层，底座上围绕圆桶型基底外围一圈均布有若干个支架，配置电路安装在相邻支架之间，配置电路与CMUT柱面阵连接；...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文栋，裴毓，张国军，何常德，王任鑫，王智豪，张甜，张玉，李一凡，尚珍珍，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：