[发明专利]提高可靠性的MEMS开关超声波换能器阵列

说明书

用于提高超声系统可靠性的各种方法，所述超声系统具有换能器元件、相传输线和用于将相传输线连接到换能器元件的波束形成开关的开关矩阵，所述方法涉及操作波束形成开关以避免随换能器激活模式发生变化而出现的“热”切换。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年10月5日提交的美国专利申请第16/153,024号的优先权和权益，通过引用将其全部内容并入本文。

技术领域

本发明的领域主要涉及超声系统，更具体地，涉及关于超声换能器相控阵列实现的使用微机电系统(MEMS)技术制造的开关系统和方法。

背景技术

聚焦超声(即，频率大于约20kHz的声波)可用于对患者体内身体组织进行成像或治疗性处理。例如，超声波可用于涉及切除肿瘤的应用中，从而消除了对侵入式手术、靶向给药、血脑屏障控制、凝块溶解和其他外科手术的需要。在治疗期间，压电陶瓷换能器或者放置在患者身体内部，或者，更常见的，放置在患者体外但紧邻待切除的组织(即，目标)。换能器将电子驱动信号转换成机械振动，从而产生声波的发射。换能器可以设置几何形状并与其他这样的换能器一起定位，使得它们发射的超声能量共同在对应于目标组织区域(或在目标组织区域内)的“聚焦区”处形成聚焦波束。可选地或另外地，单个换能器可以由多个单独驱动的换能器元件形成，换能器元件的相位可以各自独立地控制。这种“相控阵列”换能器有助于通过调节换能器之间的相对相位将聚焦区引导到不同的位置。如本文所用，术语“元件”表示阵列中的单个换能器或单个换能器的可独立驱动的部分。

通过图示方式，图1是用于生成聚焦声能束并将其递送到目标区域102的示例性聚焦超声系统100的简化示意图。系统100包括具有大量换能器元件106的相控阵104、驱动相控阵104中的元件106的波束形成器108、与波束形成器108通信的控制器110和支持电路(例如，频率发生器)112。在一些实施例中，所述系统还包括成像器114，例如磁共振成像(MRI)设备、计算机断层摄影(CT)设备、正电子发射断层摄影(PET)设备、单光子发射计算机断层摄影(SPECT)设备或超声波扫描设备，用于确定聚焦超声的目标区域102的解剖学特征和/或监测治疗效果。

阵列104可以具有弯曲(例如，球形或抛物线形)形状，但是可以包括一个或多个平面或者其他形状的部分。其尺寸可根据应用在毫米和数十厘米之间变化。阵列104的换能器元件可以是压电陶瓷元件(在附图中以PZT表示)，并且可以安装在硅橡胶中或安装在适合于衰减元件之间的机械耦合的任何其他材料中。也可以使用压电复合材料或通常能够将电能转换为声能的任何材料。

换能器阵列104连接到波束形成器108，其驱动各个换能器元件106，使得它们在目标区域102处共同产生聚焦的超声波束或场。对于n个换能器元件，波束形成器108可以包含n个驱动器电路，每个驱动器电路包括具有驱动换能器阵列104中的换能器元件之一的相对幅度和相位的驱动信号。波束形成器108从支持电路(如，频率发生器)112接收射频(RF)输入信号，通常在0.1MHz至10MHz的范围内。在一些实施例中，频率发生器112与波束形成器108集成在一起。射频发生器112和波束形成器108配置为以相同的频率但是不同的相位和/或不同的幅度来驱动换能器阵列104的各个换能器元件106。

所述波束形成器108施加的放大或衰减因子α₁-α_n和相移用于将超声能量传输和聚焦到选定的解剖区域。使用控制器110计算放大因子和相移，控制器110可以通过软件、硬件、固件、硬接线或其任何组合来提供计算功能。例如，控制器110可以以常规方式并且在没有过度实验的情况下利用用软件编程的通用或专用数字数据处理器，以确定要获得所期望的焦点或任何其他所期望的空间场模式所需的相移和放大因子。