CN105769249A - 光声成像内窥镜 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光声成像内窥镜。本发明的实施例涉及一种光声成像装置，包括：光源，用于提供光束；反射镜，用于将所述光源提供的光束反射到被成像对象上，所述反射镜被设置成能转动以将所述光束反射到所述被成像对象上的不同位置；以及超声传感器，用于接收来自所述被成像对象的通过光声转换形成的超声波。本发明充分利用电容式微机电超声传感器优良的信噪比及其制造和封装工艺的优势来实现高功能小型化或微型化的光声成像内窥镜，并进一步引入可转动反射镜来增加内窥镜的成像范围。更进一步，本发明还可以同时实现光声成像和纯超声成像。

Description

光声成像内窥镜

技术领域

本发明涉及光声成像领域，尤其涉及超声传感器和微机电超声传感器以及包含超声传感器和微机电超声传感器的光声成像装置。

背景技术

电容式微机电超声传感器(CMUT)是一种有着广泛用途的静电超声传感器。超声传感器可以在液体、固体和气体等多种介质中工作。超声传感器已经应用在医药诊断和治疗、无损伤材料测试、声纳、通讯、接近传感器、流量测量、实时工艺控制、超声显微镜等领域中。

与广泛应用的利用压电陶瓷(PZT)技术制造的传感器比较，电容式微机电超声传感器在制造工艺、频谱带宽以及工作温度等方面都有很大的优势。例如，用传统的制造工艺做传感器阵列，需要分别切割每个阵元，所以传统的制造工艺耗时耗力并且成本高。此外，切割方法精度有限，所以制造高频、二维和一些特殊几何形状的传感器阵列尤其困难。电容式微机电超声传感器是用半导体工艺制成的器件，所以很多传感器可以在一起成批制造。半导体制造工艺的精度足够满足电容式微机电超声传感器的需求。电容式微机电超声传感器阵列可以实现高精度和低成本。电容式微机电超声传感器在所设计的工作频率范围里的阻抗比压电陶瓷传感器的阻抗低很多。所以电容式微机电超声传感器在医疗成像应用中不需要匹配层和较宽的带宽。电容式微机电超声传感器是由半导体材料制成，所以它比压电陶瓷传感器耐高温。

电容式微机电超声传感器的基本结构是具有固定下电极和活动上电极的平行板电容。活动上电极依附在一个可变形的薄膜上，用来传送超声波到临近的介质和从临近的介质中接收超声波。可将直流偏置电压加在传感器两电极之间，用来将薄膜设置于优化位置以得到最佳的灵敏度和带宽。发射超声波时，将交流电压加在传感器上，相应的静电力移动薄膜以传送超声能量到临近的介质。接收超声波时，介质中的超声波引起传感器薄膜震动从而改变传感器的电容，并用相应的接收电路探测电容变化。

两种代表性的电容式微机电超声传感器分别是可变形薄膜电容式微机电超声传感器(flexiblemembraneCMUT)和最近发明的弹簧嵌入式电容式微机电超声传感器(emdedded-springCMUT,ESCMUT)。图1是一个传统的可变形薄膜电容式微机电超声传感器的截面示意图以及一个传感器基元100的放大图。传感器100具有固定的包括下电极160的衬底120，以及通过薄膜支撑件130和衬底120相连的可变形薄膜110，可移动的上电极150附着在薄膜110之上或之中。薄膜110本身也可以作为上电极。薄膜支撑件130在可变形薄膜110和下电极160之间形成传感器空间170，该传感器空间可以是封闭的。介电绝缘层140可以选择性地设置在两电极之间。

图2是弹簧嵌入式电容式微机电超声传感器的截面示意图以及一个传感器基元200的放大图。在两个PCT国际专利申请(No.PCT/IB2006/051568和No.PCT/IB2006/051569,申请日均为2006年5月18号，两个申请的标题均为“MICRO-ELECTRO-MECHANICALTRANSDUCERS(微机电传感器)”)中详细描述了弹簧嵌入式电容式微机电超声传感器。此传感器200包括衬底230、弹簧固定件231、以及弹簧层220，该弹簧层220被弹簧固定件231支撑在衬底230上。表面薄板210通过弹簧薄板连接件240和弹簧层220相连。上电极250依附在表面薄板210上。表面薄板210本身也可以是上电极的一部分。在上电极和下电极260之间是传感空间270。传感器可以由一个或多个基元200组成。传感器200可以有一个或多个被弹簧层支撑的薄板。介电绝缘层280可以选择性地设置在两电极之间。

电容式微机电超声传感器由于使用微机电制造工艺制成，并能够直接使用半导体集成封装技术，使得其在多阵元、小型化或微型化的器件上有传统PZT压电陶瓷传感器无法比拟的优势。从而，电容式微机电超声传感器在内窥镜等应用中有很大的优势。更进一步，电容式微机电超声传感器比PZT压电陶瓷传感器有更好的接收信噪比,从而也可以提高成像质量。使用电容式微机电超声传感器，可以制造质量高、价格便宜的内窥镜，使更多的患者受益。此外，结合光声成像技术，可以得到更多的人体组织结构的信息，帮助医生更准确地诊断。

发明内容

本发明涉及一种基于光声成像技术的内窥镜。此发明充分利用电容式微机电超声传感器优良的信噪比及其制造和封装工艺的优势来实现高功能小型化或微型化的光声成像内窥镜，并进一步引入可转动反射镜来增加内窥镜的成像范围。而且，此可转动反射镜也可以用微机电工艺制成。如果需要，可转动反射镜、光源和/或电容式微机电超声传感器可以用微机电工艺集成在一起。高度集成化可以更进一步地保证内窥镜的高可靠性和低制造成本。更进一步，通过本发明还可以同时实现光声成像和纯超声成像。

根据本申请的第一方面，提供了一种光声成像装置，包括:光源，用于提供光束；反射镜，用于将所述光源提供的光束反射到被成像对象上，所述反射镜被设置成能转动以将所述光束反射到所述被成像对象上的不同位置；以及超声传感器，用于接收来自所述被成像对象的通过光声转换形成的超声波。

根据本申请的第二方面，超声传感器包括电容式微机电超声传感器或电容式微机电超声传感器阵列。

根据本申请的第三方面，超声传感器进一步用于向所述被成像对象发射超声波。

根据本申请的第四方面，该光声成像装置还包括微机电衬底，所述反射镜被直接形成在所述微机电衬底上。

根据本申请的第五方面，该光声成像装置还包括在所述微机电衬底上直接形成的固定装置，所述光源通过所述固定装置被固定于所述微机电衬底上。

根据本申请的第六方面，所述固定装置包括至少一个沟槽和至少一个夹具，所述光源通过所述至少一个夹具被限制在所述至少一个沟槽中。

根据本申请的第七方面，超声传感器也被装配于所述微机电衬底上。

根据本申请的第八方面，超声传感器与所述反射镜装配在一起，使得所述超声传感器与所述反射镜能同步地转动。

根据本申请的第九方面，该光声成像装置还包括致动器，所述反射镜与所述致动器耦合以实现所述反射镜的转动。

根据本申请的第十方面，致动器包括双晶致动器，所述反射镜经由所述双晶致动器连接在固定物上，所述双晶致动器具有两种不同性质的材料以构成悬臂梁结构，所述两种不同性质的材料在相应的物理参数发生变化时产生不同的应力，从而使悬臂梁结构弯曲而改变所述反射镜的方向。

根据本申请的第十一方面，致动器包括压电致动器，其中所述反射镜经由悬臂梁连接在固定物上，所述压电致动器附连在所述悬臂梁上，通过控制对所述压电致动器施加的电信号，所述压电致动器内的应力使所述悬臂梁弯曲来实现所述反射镜的转动。

根据本申请的第十二方面，提供了一种光声成像内窥镜，包括：微机电衬底；光源，用于提供光束，所述光源通过固定装置被固定于所述微机电衬底上；反射镜，用于将所述光源提供的光束反射到被成像对象上，所述反射镜被直接形成在所述微机电衬底上；致动器，所述致动器与所述反射镜耦合以实现所述反射镜的转动，以使所述反射镜将所述光束反射到所述被成像对象上的不同位置；电容式微机电超声传感器，用于接收来自所述被成像对象的通过光声转换形成的超声波；密封罩，所述微机电衬底、所述光源、所述反射镜、所述致动器、所述电容式微机电超声传感器被组装在所述密封罩内，所述密封罩具有光学窗口和声学窗口，所述光学窗口允许所述光源提供的光束穿透所述光学窗口，所述声学窗口允许所述电容式微机电超声传感器发送和接收超声波；其中，所述固定装置包括至少一个沟槽和至少一个夹具，所述光源通过所述至少一个夹具被限制在所述至少一个沟槽中；以及其中，所述电容式微机电超声传感器也被装配于所述微机电衬底上，从而使得所述电容式微机电超声传感器、所述光源以及所述反射镜之间的相对位置被固定。

根据本申请的第十三方面，提供了一种光声成像内窥镜，包括：微机电衬底；光源，用于提供光束，所述光源通过固定装置被固定于所述微机电衬底上；反射镜，用于将所述光源提供的光束反射到被成像对象上，所述反射镜被直接形成在所述微机电衬底上；致动器，所述致动器与所述反射镜耦合以实现所述反射镜的转动，以使所述反射镜将所述光束反射到所述被成像对象上的不同位置；电容式微机电超声传感器，用于接收来自所述被成像对象的通过光声转换形成的超声波；密封罩，所述微机电衬底、所述光源、所述反射镜、所述致动器、所述电容式微机电超声传感器被组装在所述密封罩内，所述密封罩具有光学窗口和声学窗口，所述光学窗口允许所述光源提供的光束穿透所述光学窗口，所述声学窗口允许所述电容式微机电超声传感器发送和接收超声波；其中，所述固定装置包括至少一个沟槽和至少一个夹具，所述光源通过所述至少一个夹具被限制在所述至少一个沟槽中；以及其中，所述电容式微机电超声传感器与所述反射镜装配在一起，从而使得所述电容式微机电超声传感器与所述反射镜能同步地转动。

在本文中，术语“连接”或“耦合”被定义为两个主体之间的连接，不过不一定是直接的连接，也可包括通过其他中间节点或设备而实现的间接连接关系。

本文中所使用的术语“包括”、“具有”、“包含”、以及“含有”是开放式的连接动词。因此，一种装置“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或一个以上组件指的是：该装置具有那些一个或一个以上组件，但并不是仅仅具有那些一个或一个以上组件，也可包括其他的本文中未提及的一个或一个以上组件。

应当理解，本申请以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如所附权利要求所记载的本申请提供进一步的解释。

附图说明

提供附图是为了帮助对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，在附图中示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本申请原理的作用。在结合附图并阅读了下面的对特定的非限制性本申请的实施例之后，本申请的其他特征以及优点将变得易于理解。其中：

图1是传统的可变形薄膜电容式微机电超声传感器的截面示意图以及传感器基元的放大图；

图2是弹簧嵌入式电容式微机电超声传感器的截面示意图以及传感器基元的放大图；

图3是根据本发明的实施例的光声成像内窥镜的结构和构件的示意图；

图4是根据本发明的另一实施例的光声成像内窥镜的结构和构件的示意图；

图5是示出图4中的固定装置的一个实例的示意图；

图6是根据本发明的另一实施例的光声成像内窥镜的结构和构件的示意图；

图7是根据本发明的另一实施例的光声成像内窥镜的结构和构件的示意图；

图8是根据本发明的实施例的与双晶致动器耦合的可转动反射镜的实例图；

图9是根据本发明的另一实施例的与压电致动器耦合的可转动反射镜的实例图。

具体实施方式

参考在附图中示出和在以下描述中详述的非限制性实施例，更完整地说明本申请的多个技术特征和有利细节。并且，以下描述忽略了对公知的原始材料、处理技术、组件以及设备的描述，以免不必要地混淆本申请的技术要点。然而，本领域技术人员会理解到，在下文中描述本申请的实施例时，描述和特定示例仅作为说明而非限制的方式来给出。

在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。

图3是根据本发明的实施例的光声成像内窥镜的结构和构件的示意图。该光声成像内窥镜的基本构件包括电容式微机电超声传感器(或电容式微机电超声传感器阵列)310、光源320、可转动反射镜330。电容式微机电超声传感器(或电容式微机电超声传感器阵列)310可以是1D阵列、1.25D阵列、1.5D阵列、1.75D阵列或2D阵列。电容式微机电超声传感器阵列310也可以是环状阵列或其他几何形状的阵列。光源320可以是通过光纤引入的外部光源，也可以本身就是发光源，例如半导体激光源等。可转动反射镜330可将光源320发射的光束321反射到被成像的物体390上，并且，通过可转动反射镜330的转动，可转动反射镜330可将光源320发射的光束321反射到被成像的物体390上不同的位置。可转动反射镜330可以沿一个轴线转动使光源在一个平面扫描，也可以沿两个轴线转动从而使光源的扫描覆盖其前面的整个体积。在物体390上通过光声转换形成的超声波391被电容式微机电超声传感器(或电容式微机电超声传感器阵列)310接收后用于成像或诊断物体390的性质。

此可转动反射镜330可以用常用的机械方法制造，也可以通过微机电工艺制成。可以用机械方法通过外界联动控制可转动反射镜330转动，也可以用与可转动反射镜330耦合的微机电致动器(actuator)就地控制其转动。如果可转动反射镜330是由微机电工艺制成，则可转动反射镜330也可以通过微机电致动器(actuator)实现转动。本领域普通技术人员应当理解，以上描述的可转动反射镜的转动扫描方式及其致动机制仅仅是示例性而不是限制性的，根据实际应用和需要，本领域普通技术人员可以采用任何已知的转动扫描方式和致动机制。

除了光声成像以外，此内窥镜中的电容式微机电超声传感器(或电容式微机电超声传感器阵列)310也可以同时用来向被成像的物体发射和接收超声波，以得到常规的超声成像。光声成像和常规超声成像可以结合起来，以更好地得到物体390的结构和材料信息。

在很多情况下，特别是在应用于人体或动物体的场合，图3中的光声成像内窥镜的结构应该组装在一个密封罩(未示出)内，此密封罩至少有一个光学窗口，光源所提供的光束321能穿透该光学窗口。如果需要，也可以为此密封罩制造一个声学窗口，以供电容式微机电超声传感器(或电容式微机电超声传感器阵列)310发送和接收超声波。

图4是根据本发明的另一实施例的光声成像内窥镜的结构和构件的示意图。可以通过微机电工艺将可转动反射镜330直接制造在微机电衬底(例如硅片，石英片，玻璃片等)450上。在此衬底上还可以同时制造固定装置460，用于将光源320精确固定在此衬底上。利用微机电工艺的精确性，这种设计可以将可转动反射镜330和光源320的相对位置的精度控制在微米数量级。此固定装置460一般包括至少一个沟槽和/或至少一个夹具。夹具一般具有一定弹性。

图5是图4中的固定装置460的一个实例的示意图。光源320被限制在沟槽461中，夹具462用于将光源320固定在沟槽中。沟槽461可以设计成各种利于限制光源移动的形状。夹具462可以设计成像图5那样的桥式(bridge)结构，也可以设计为悬臂梁(cantilever)结构和其他类似功能的结构。沟槽461和夹具462都可以在衬底450上用微机电工艺(例如刻蚀)直接制造出来。这种情况下，夹具462的材料和衬底450相同。用微机电工艺方法制造可以实现精度高且大规模的生产。如果需要，在光源320固定之后，还可以在沟槽461中加填充材料(例如各种胶水或环氧树脂等)以加强固定效果。

图6是根据本发明的另一实施例的光声成像内窥镜的结构和构件的示意图。除了可以将光源固定在微机电衬底上，也可以将电容式微机电超声传感器(或电容式微机电超声传感器阵列)310装配在衬底450上。将电容式微机电超声传感器(或电容式微机电超声传感器阵列)固定在衬底上的方法可以与将光源固定在衬底上的方法相同，在此不再赘述。这样，电容式微机电超声传感器、光源以及可转动反射镜之间的相对位置就能很精确地固定，从而可以很准确地将光声成像和常规超声成像的结果进行对照，以得到更可靠的成像信息。

图7是根据本发明的另一实施例的光声成像内窥镜的结构和构件的示意图。更进一步地，如图7所示的电容式微机电超声传感器(或电容式微机电超声传感器阵列)310也可以与可转动反射镜330装配在一起，从而能与可转动反射镜一起同步转动。这样不但能够提高光声成像质量，而且还有潜力用一维电容式微机电超声传感器阵列实现三维成像。

微机电方法制成的可转动反射镜330可以通过静电致动器、压电致动器、双晶致动器(bimorphactuator)或本领域普通技术人员基于本公开内容的教导能够想到的任何其他微机电致动器来驱动。

图8是根据本发明的实施例的与双晶致动器耦合的可转动反射镜330的实例图。可转动反射镜330经由双晶致动器连接在固定物833上。双晶致动器具有两种不同性质的材料831和832以构成悬臂梁(cantilever)结构，这二种材料在相应的物理参量(例如温度、速度、电流、电压等)发生变化时产生不同的应力，从而使悬臂梁弯曲而改变反射镜330的方向。

图9是根据本发明的另一实施例的与压电致动器耦合的可转动反射镜330的实例图。可转动反射镜330经由悬臂梁931连接在固定物833上。悬臂梁931上附连有压电致动器932，压电致动器932内的应力由对其施加的电信号来控制。由此，通过控制对该压电致动器施加的电信号，可通过压电致动器内的应力使悬臂梁931弯曲来实现可转动反射镜330的转动。

虽然已经按照优选实施例来描述了本申请的结构或装置，但本领域普通技术人员可理解，可对本申请中描述的装置的组件或组件排列应用多种变型，而不背离本申请的概念、精神和范围。此外，可对所公开的结构或装置做出修改，且可从本申请描述的组件中排除或替代多个组件，并实现相同或相似的结果。对本领域普通技术人员显而易见的所有这些相似的替代和修改被视为在由所附权利要求所限定的本申请的精神、范围以及概念以内。

Claims (13)

1.一种光声成像装置，包括:

光源，用于提供光束；

反射镜，用于将所述光源提供的光束反射到被成像对象上，所述反射镜被设置成能转动以将所述光束反射到所述被成像对象上的不同位置；以及

超声传感器，用于接收来自所述被成像对象的通过光声转换形成的超声波。

2.如权利要求1所述的光声成像装置，其特征在于，所述超声传感器包括电容式微机电超声传感器或电容式微机电超声传感器阵列。

3.如权利要求1-2中的任一项所述的光声成像装置，其特征在于，所述超声传感器进一步用于向所述被成像对象发射超声波。

4.如权利要求1-2中的任一项所述的光声成像装置，其特征在于，还包括微机电衬底，所述反射镜被直接形成在所述微机电衬底上。

5.如权利要求4所述的光声成像装置，其特征在于，还包括在所述微机电衬底上直接形成的固定装置，所述光源通过所述固定装置被固定于所述微机电衬底上。

6.如权利要求5中所述的光声成像装置，其特征在于，所述固定装置包括至少一个沟槽和至少一个夹具，所述光源通过所述至少一个夹具被限制在所述至少一个沟槽中。

7.如权利要求5所述的光声成像装置，其特征在于，所述超声传感器也被装配于所述微机电衬底上。

8.如权利要求5所述的光声成像装置，其特征在于，所述超声传感器与所述反射镜装配在一起，使得所述超声传感器与所述反射镜能同步地转动。

9.如权利要求1-2中任一项所述的光声成像装置，其特征在于，还包括致动器，所述致动器与所述反射镜耦合以实现所述反射镜的转动。

10.如权利要求9所述的光声成像装置，其特征在于，所述致动器包括双晶致动器，所述反射镜经由所述双晶致动器连接在固定物上，所述双晶致动器具有两种不同性质的材料以构成悬臂梁结构，所述两种不同性质的材料在相应的物理参数发生变化时产生不同的应力，从而使悬臂梁结构弯曲而改变所述反射镜的方向。

11.如权利要求9所述的光声成像装置，其特征在于，所述致动器包括压电致动器，其中所述反射镜经由悬臂梁连接在固定物上，所述压电致动器附连在所述悬臂梁上，通过控制对所述压电致动器施加的电信号，所述压电致动器内的应力使所述悬臂梁弯曲来实现所述反射镜的转动。

12.一种光声成像内窥镜，包括：

微机电衬底；

光源，用于提供光束，所述光源通过固定装置被固定于所述微机电衬底上；

反射镜，用于将所述光源提供的光束反射到被成像对象上，所述反射镜被直接形成在所述微机电衬底上；

致动器，所述致动器与所述反射镜耦合以实现所述反射镜的转动，以使所述反射镜将所述光束反射到所述被成像对象上的不同位置；

电容式微机电超声传感器，用于接收来自所述被成像对象的通过光声转换形成的超声波；

密封罩，所述微机电衬底、所述光源、所述反射镜、所述致动器、所述电容式微机电超声传感器被组装在所述密封罩内，所述密封罩具有光学窗口和声学窗口，所述光学窗口允许所述光源提供的光束穿透所述光学窗口，所述声学窗口允许所述电容式微机电超声传感器发送和接收超声波；

其中，所述固定装置包括至少一个沟槽和至少一个夹具，所述光源通过所述至少一个夹具被限制在所述至少一个沟槽中；以及

其中，所述电容式微机电超声传感器也被装配于所述微机电衬底上，从而使得所述电容式微机电超声传感器、所述光源以及所述反射镜之间的相对位置被固定。

13.一种光声成像内窥镜，包括：

微机电衬底；

光源，用于提供光束，所述光源通过固定装置被固定于所述微机电衬底上；

反射镜，用于将所述光源提供的光束反射到被成像对象上，所述反射镜被直接形成在所述微机电衬底上；

致动器，所述致动器与所述反射镜耦合以实现所述反射镜的转动，以使所述反射镜将所述光束反射到所述被成像对象上的不同位置；

电容式微机电超声传感器，用于接收来自所述被成像对象的通过光声转换形成的超声波；

密封罩，所述微机电衬底、所述光源、所述反射镜、所述致动器、所述电容式微机电超声传感器被组装在所述密封罩内，所述密封罩具有光学窗口和声学窗口，所述光学窗口允许所述光源提供的光束穿透所述光学窗口，所述声学窗口允许所述电容式微机电超声传感器发送和接收超声波；

其中，所述固定装置包括至少一个沟槽和至少一个夹具，所述光源通过所述至少一个夹具被限制在所述至少一个沟槽中；以及

其中，所述电容式微机电超声传感器与所述反射镜装配在一起，从而使得所述电容式微机电超声传感器与所述反射镜能同步地转动。