基于電容式微加工超聲換能器面陣的診療一體化超聲系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及超聲診療器械領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于電容式微加工超聲換能器面陣 的診療一體化超聲系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲W其無(wú)損無(wú)福射、實(shí)時(shí)性好、操作便捷、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于臨床 診斷治療、工業(yè)無(wú)損探測(cè)、厚度流速流量監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域。目前在臨床診斷方面使用的超聲 探頭，多是基于壓電陶瓷(PZT)、壓電單晶（如PMN-PT，PWMT等)或壓電復(fù)合材料(包括1-3， 2-2壓電復(fù)合等)等具有壓電效應(yīng)的材料。運(yùn)是因?yàn)檫\(yùn)些材料具有比其它材料高得多的壓電 常數(shù)和機(jī)電禪合系數(shù)，能產(chǎn)生很強(qiáng)的超聲信號(hào)并進(jìn)行高靈敏的探測(cè)。
[0003] 而近年來(lái)隨著微機(jī)電系統(tǒng)MEMS工藝和大規(guī)模集成電路1C技術(shù)的發(fā)展，一種新型的 超聲換能器一一微加工超聲換能器(MUT)得到了愈來(lái)愈多地研究和發(fā)展。MUTW其不同的驅(qū) 動(dòng)原理主要可W分為：壓電式微加工超聲換能器（pMUT)和電容式微加工超聲換能器 (cMUT)。其中pMUT是采用MEMS工藝瓣射很薄的壓電薄膜(如so^gelPZT)或通過(guò)光刻、刻蝕 等MEMS方法制作壓電復(fù)合材料來(lái)制作高性能超聲換能器，尤其是高頻超聲換能器。因此其 本質(zhì)上還是基于壓電材料的超聲換能器。而cMUT則完全不同，其實(shí)質(zhì)是一種微型化的平板 電容，其工作原理是基于靜電力作用。cMUT制作方法主要包括BulkMicromaching和 SurfaceMicromaching兩種，其基本思路都是首先通過(guò)在娃基或玻璃基上通過(guò)光刻、RIE等 MEMS工藝形成一個(gè)個(gè)設(shè)計(jì)好的孔隙，然后通過(guò)化學(xué)氣相沉積化PVCD)或覆置薄塊等方式在 孔隙上表面形成一層很薄的膜，加上設(shè)計(jì)好的連接電極及引線等完成制作。cMUT工作過(guò)程 可分為發(fā)射和接收兩部分:發(fā)射時(shí)，在上下兩表面施加與其機(jī)械共振頻率相同的交流電壓， 上表面的薄膜就會(huì)發(fā)生位移進(jìn)而產(chǎn)生超聲波;接收時(shí)，在上下表面施加適當(dāng)?shù)闹绷髌秒?壓后，由于薄膜受回波超聲的作用產(chǎn)生變形，就會(huì)產(chǎn)生可測(cè)的電流/電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)回波超聲 波強(qiáng)度的探測(cè)?？梢?jiàn)，由于cMUT的制作工藝與CMOS等1C制作工藝兼容，因此可W將后續(xù)的驅(qū) 動(dòng)電路、前級(jí)放大電路及信號(hào)處理電路等整合到一起，從而有效降低電路間寄生電容影響 和干擾信號(hào)的引入可能，十分有利于制作高集成度的高性能陣列換能器和探頭。其次，因?yàn)?cMUT探頭尺寸小、材料便宜、加工精度高、十分利于規(guī)?；a(chǎn)和1C集成等優(yōu)點(diǎn)，可大大降 低超聲探頭的生產(chǎn)成本。此外，cMUT探頭還有寬帶寬、高靈敏度、小體積、低噪聲、易聲阻抗 匹配和工作溫度范圍大等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，從1996年，美國(guó)斯坦福大學(xué)B.T趾uri-Yakub教 授及其團(tuán)隊(duì)提出W薄膜沉積、犧牲層的制作方式大大改進(jìn)了cMUT性能及成品率W來(lái)，近年 來(lái)cMUT工藝和換能器的研制得到了迅猛的發(fā)展。cMUT的優(yōu)點(diǎn)使得將一個(gè)換能器探頭既用作 成像診斷有用作聚焦治療成為可能，但是，目前還沒(méi)有一種運(yùn)樣的超聲系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的沒(méi)有集超聲成像診斷和超 聲聚焦治療于一體的超聲系統(tǒng)的缺陷。
[0005] 為此，本發(fā)明的一種基于電容式微加工超聲換能器面陣的診療一體化超聲系統(tǒng)， 包括超聲成像診斷裝置、超聲聚焦治療裝置和探頭；
[0006] 所述探頭包括由電容式微加工超聲換能器作為陣元組成的面陣，每個(gè)所述陣元均 分別與所述超聲成像診斷裝置和超聲聚焦治療裝置連接，所述探頭用于工作在成像診斷模 式和/或聚焦治療模式下。
[0007] 優(yōu)選地，各個(gè)所述陣元具有相同或不同的中屯、頻率、帶寬和形狀結(jié)構(gòu)。
[0008] 優(yōu)選地，所述面陣包括至少一個(gè)區(qū)域，屬于一個(gè)區(qū)域的陣元具有相同的中屯、頻率 和帶寬，屬于不同區(qū)域的陣元具有不同的中屯、頻率、帶寬和形狀結(jié)構(gòu)。
[0009] 優(yōu)選地，一部分所述區(qū)域的陣元受所述超聲聚焦治療裝置的控制工作在聚焦治療 模式下，一部分所述區(qū)域的陣元受所述超聲成像診斷裝置的控制工作在成像診斷模式下。
[0010] 優(yōu)選地，所述成像診斷模式包括A模式、Μ模式、B模式、3D模式、多普勒模式和彈性 模式。
[0011] 優(yōu)選地，所述成像診斷模式為彈性模式時(shí)，探頭的陣元中的一部分用于發(fā)射聲福 射，另一部分用于接收橫向傳播的彈性波。
[0012] 優(yōu)選地，所述聚焦治療模式包括單點(diǎn)聚焦治療模式和多點(diǎn)聚焦治療模式。
[0013] 優(yōu)選地，所述多點(diǎn)聚焦治療模式中的各個(gè)焦點(diǎn)包含相同或不同的焦距、能量強(qiáng)度 和聚焦區(qū)域形狀。
[0014] 優(yōu)選地，所述超聲成像診斷裝置包括發(fā)射控制模塊、脈沖發(fā)射模塊、信號(hào)接收模塊 和顯示模塊；
[0015] 所述發(fā)射控制模塊與脈沖發(fā)射模塊連接，用于生成包含波束形成特點(diǎn)的第一信號(hào) 并將其傳輸給所述脈沖發(fā)射模塊；
[0016] 所述脈沖發(fā)射模塊與所述探頭連接，用于根據(jù)所述第一信號(hào)控制所述探頭的各個(gè) 陣元的激勵(lì)順序和時(shí)間延遲；
[0017] 所述信號(hào)接收模塊與所述探頭連接，用于接收所述探頭的各個(gè)陣元根據(jù)按序接收 到的反射回波超聲信號(hào)所生成的電信號(hào)，并將所述電信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理后輸出給所 述顯示模塊；
[0018] 所述顯示模塊用于將所述電信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像進(jìn)行顯示。
[0019] 優(yōu)選地，所述超聲聚焦治療裝置包括治療控制模塊和聚焦發(fā)射模塊；
[0020] 所述治療控制模塊與所述聚焦發(fā)射模塊連接，用于生成包含菲涅爾環(huán)分布特點(diǎn)的 第二信號(hào)并將其傳輸給所述聚焦發(fā)射模塊；
[0021 ]所述聚焦發(fā)射模塊與所述探頭連接，用于根據(jù)所述第二信號(hào)控制所述探頭的各個(gè) 所述陣元的工作狀態(tài)W獲得聚焦的焦距和強(qiáng)度。
[0022] 本發(fā)明技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0023] 1.本發(fā)明實(shí)施例提供的基于電容式微加工超聲換能器面陣的診療一體化超聲系 統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置由電容式微加工超聲換能器作為陣元組成的面陣形成探頭，利用cMUT工藝微 加工、高集成的特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)大面陣探頭的各個(gè)陣元獨(dú)立精確控制，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)超聲成像 診斷和超聲聚焦治療的功能，集超聲成像診斷和超聲聚焦治療于一體，具有寬帶寬、高靈敏 度、小體積、低噪聲、易聲阻抗匹配和工作溫度范圍大等諸多優(yōu)點(diǎn)。
[0024] 2.本發(fā)明實(shí)施例提供的基于電容式微加工超聲換能器面陣的診療一體化超聲系 統(tǒng)，區(qū)別于傳統(tǒng)的線陣、凸陣壓電陶瓷/單晶超聲成像系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置超聲成像診斷裝置可W使cMUT面陣工作于成像診斷模式，并且能夠?qū)崿F(xiàn)樣式靈活多樣的多模式超聲成像，如A模 式、Μ模式、B模式、3D模式、多普勒模式、彈性模式等。甚至可W在不移動(dòng)探頭的情況下實(shí)現(xiàn) 對(duì)探測(cè)區(qū)域而非單一切面的實(shí)時(shí)3D成像和多普勒成像，從而可W適應(yīng)多種應(yīng)用環(huán)境。
[0025] 3.本發(fā)明實(shí)施例提供的基于電容式微加工超聲換能器面陣的診療一體化超聲系 統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置超聲聚焦治療裝置可W使cMUT面陣探頭工作于聚焦治療模式，從而可W在使 用同一探頭的情況下，進(jìn)行高強(qiáng)度的超聲聚焦用于治療。且不同于W往球面或凹面聚焦的 超聲HIFU探頭，該探頭的聚焦方式和焦距是通過(guò)菲涅爾相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)的，因而可W通過(guò)需 要靈活設(shè)定調(diào)節(jié)，而且焦點(diǎn)也可W根據(jù)需要靈活設(shè)定調(diào)節(jié)，不再是唯一的，可W同時(shí)在各個(gè) 區(qū)域有多個(gè)焦點(diǎn)，甚至各焦點(diǎn)的聚焦、強(qiáng)度也可W是不同的，從而提高了聚焦精度，也可W 適應(yīng)多種應(yīng)用環(huán)境。
[0026] 4.本發(fā)明實(shí)施例提供的基于電容式微加工超聲換能器面陣的診療一體化超聲系 統(tǒng)，通過(guò)將探頭的cMUT面陣中的不同部分區(qū)域的陣元設(shè)置成工作在聚焦治療模式或超聲成 像模式的不同的工作模式下，從而能實(shí)現(xiàn)在聚焦治療時(shí)實(shí)時(shí)成像治療區(qū)域，觀測(cè)治療效果， 實(shí)現(xiàn)術(shù)中調(diào)整治療區(qū)域和超聲強(qiáng)度，從而可W改進(jìn)治療效果。
【附圖說(shuō)明】
[0027]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明【具體實(shí)施方式】中的技術(shù)方案，下面將對(duì)【具體實(shí)施方式】描 述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí) 施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可W根據(jù)運(yùn)些附 圖獲得其他的附圖。
[0028]圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的診療一體化超聲系統(tǒng)的原理框圖；
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