CN109310882A - 可冷却的超声探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声探头(100)，其包括探头主体(120)，该探头主体具有安装区域(121)和柔性唇部(123)，该柔性唇部围绕所述安装区域以用于密封处于安装区域和超声探头接触的受试者(1)之间的空间(110)；和安装在安装区域中的多个超声波换能器元件(130)。探头主体还包括通向所述空间的入口(125)和离开所述空间的出口(127)，以利于在所述空间被密封时流体流动穿过所述空间。本发明还公开了一种超声系统(10)，其包括这种超声探头(100)，以及公开了一种使受试者经受利用这种超声探头(100)产生的超声波的方法(200)。

Description

可冷却的超声探头

技术领域

本发明涉及一种超声探头，其包括具有安装区域的探头主体和安装在安装区域中的多个超声换能器元件。

本发明还涉及一种包括这种超声探头的超声系统。

本发明还涉及一种使受试者经受利用这种超声探头产生的超声波的方法。

背景技术

超声波在医学中有很多应用。一种这样的应用是超声成像，其中由包括超声换能器阵列的超声装置将超声波发射到患者体内，且超声波的回波由超声换能器或专用超声接收器收集并处理以产生超声图像，例如1D、2D或3D超声图像。另一种应用是超声治疗，例如高强度聚焦超声(HIFU)治疗，其中超声波束由包括超声换能器元件拼片(tile)的超声装置产生并且聚焦在患病组织上。在焦点处显著的能量沉积产生处于约65℃至85℃的范围内的局部温度，这样通过凝固性坏死而破坏已死组织。

这种超声系统通常包括超声探头，以用于将超声波传递给受试者，例如，正在进行成像或治疗的患者。这种超声探头通常包括多个超声换能器，例如由诸如锆钛酸铅(PZT)或聚偏二氟乙烯(PVDF)的材料形成的压电换能器元件和电容性微机加工超声换能器(CMUT)元件，其中使用膜，该膜包括在空腔上的第一电极，该空腔包括与第一电极相对并且由空腔与第一电极分隔开的第二电极，且通过给第一电极和第二电极施加适当的刺激，例如，交流电流，以产生超声波(或以接收模式接收超声波)。逐渐地，将几个这样的超声换能器元件组合在所谓的拼片上，例如，超声换能器元件所在的半导体衬底形成的芯片，在一些应用中，该拼片可具有几平方厘米的尺寸。这允许超声探头覆盖待成像或治疗的受试者身体的较大区域。这种拼片的超声换能器元件可以一起组合在一起并且一致地操作，使得拼片表现为包括多个小平面的复合超声换能器元件，即组合成复合超声换能器元件的超声换能器单元，或者替代性地可以独立地操作。

对于这种超声探头，尤其是对于大面积超声探头，例如，包括多个这样的超声换能器拼片的超声探头，在超声探头和待成像的身体部分之间建立良好接触远非微不足道的。对于较小的超声探头，这通常通过使用改善超声换能器阵列与身体部分之间的接触的专用凝胶来实现。然而，这种方案的缺点是通常必须使用大量的凝胶，这可能包含干扰超声信号的传输或接收的气泡。而且，对于大面积超声探头，这种凝胶施用可能不再实际可行。

为此，可以设计超声探头，使得在与受试者的身体接触时，超声换能器元件抵靠着受试者身体被密封，例如，通过在超声换能器元件和受试者的身体之间形成密封的空间，在该密封的空间内相对于环境压力产生负压，例如，通过将超声探头按压到身体上，迫使一些空气从超声探头和受试者身体之间离开。这在超声探头和受试者身体之间产生吸力效应，促使超声探头保持在受试者身体上的期望位置。

这种方案的缺点是固定体积的流体(例如，空气)被困在超声波探头和受试者身体之间，在利用超声探头传输超声波期间，超声探头的温度将增加，因为该流体被发射的超声波加热。热量可传递到超声换能器元件，因此超声换能器元件可能易于过热。超声探头中的温度监测器可监测超声换能器元件的温度，并且可以将超声换能器元件切换到低功率模式持续一段时间以防止发生这种过热。然而，就超声图像质量而言，这种低功率模式可能是不期望的，超声图像质量在这种低功率模式中通常受到损害，但这种低功率模式可避免在待用HIFU超声治疗系统治疗的组织中产生足够的热量。

US 2012/223618 A1公开了一种弯曲的高强度聚焦超声(HIFU)换能器，其包括弯曲压电阵列和印刷电路板，该弯曲压电阵列具有相对的凸出和凹入的后表面，前表面包括声发射表面，且多个电极设置于凸出的后表面上以将电发射信号施加到阵列，该印刷电路板与弯曲压电阵列的后表面间隔开并与之相对，其将电信号耦合到阵列的电极，在印刷电路板和弯曲的压电阵列之间的空间包括压电阵列的声学空气支持通道以用于对弯曲压电阵列和印刷电路板进行空气冷却。然而，这种布置结构不太适合于通过困在弯曲压电阵列和受试者身体之间的空气来补偿弯曲压电阵列的加热。

发明内容

本发明旨在提供一种超声探头，其能够防止诸如在超声换能器元件和受试者身体之间困住的空气之类的流体过热。

本发明还旨在提供一种包括这种超声探头的超声系统。

本发明还旨在提供一种使用这种超声探头产生超声波的方法。

根据一方面，提供了一种超声探头，其包括探头主体，该探头主体具有安装区域和柔性唇部，该柔性唇部围绕所述安装区域以在超声探头接触受试者时密封在安装区域与受试者的和安装区域相对的一部分之间的空间，以利于在所述空间中产生减小的压力；和安装在安装区域中的多个超声换能器元件；其中探头主体还包括通向所述空间的入口和离开所述空间的出口，以在所述空间被密封时利于空气流穿过所述空间，其中，为了在出口流体地连接到流体移位装置时产生所述减小的压力，入口被设定尺寸以与通过出口的流体流相比调节所述流体流，或者入口包括用于调节所述空气流的流体流调节器，使得至少在环境压力下在所述空间中通过入口的空气流速小于通过出口的空气流速。

这种超声波探头利于在使用期间(例如在超声成像或受试者超声治疗期间)流体(例如，来自密封表面的空气)的输送，由此传递由超声换能器元件产生的热量并降低这些元件在使用期间过热的风险。这也使得对于流动限制的入口来说当与出口流体连接的空气移位装置具有更大的流体流动能力时，可以在密封的空间中产生负压，而将探头靠着受试者(身体)的部分固定。因此，出于双重目的，超声探头有利地使用入口和出口，即提供冷却空气流以及在安装区域和受试者之间的空间中建立减小的压力，这通过控制通过入口和出口的相应的空气流速来实现，从而不需要单独的入口和出口来冷却和产生减小的压力。还应注意的是，当使用液体作为冷却剂时，通常实际上不可能提供减小的压力，因为这种液体会干扰产生减小的压力的出口。

探头主体可以是柔性的，以利于在超声探头和受试者之间在探头主体的整个面积上有良好的适形接触。例如，探头主体可以由弹性体制成，例如聚硅氧烷橡胶等。柔性唇部可以形成探头主体的整体一部分，即可以与探头主体由同一材料制成。

入口和出口中的至少一个可以位于柔性唇部中，以在超声探头的使用期间提供进入密封的空间的路径。

在一个实施例中，多个超声换能器元件被分组在一个或多个超声换能器拼片上。在该实施方案中，超声探头可以是用于覆盖受试者的面积为至少10cm²，优选至少100cm²的大面积探头。这种大面积超声探头可以非常有效地对受试者身体的大面积区域进行成像或治疗。

根据另一方面，提供了一种超声系统，其包括任何前述实施例的超声探头和流体移位装置，该流体移位装置流体地连接到出口并且布置成在所述空间被密封时产生通过所述空间的流体流。这种系统可以长时间操作而没有使超声波换能器元件(例如，超声换能器拼片)过热的风险，由于这些元件产生的导致密封的空间中的流体加热的热量被流体移位装置移出并被通过入口吸入密封的空间的(环境)流体取代，使得密封的空间中的流体的温度得到更好的控制。这种流体移位装置可以是风扇或泵，例如真空泵。在真空泵的情况下，这种泵可以与其中布设超声探头的住所成为一体，例如，房屋真空(中央真空，housevacuum)等。

所提出的超声系统还可包括处于出口和流体移位装置之间的减压阀，以便在密封的空间中控制压力，例如相对于环境的负压。

在一个实施例中，超声系统还包括冷却装置，该冷却装置流体地联接在流体移位装置和入口之间。在这种封闭回路装置中，一定体积的流体可以循环通过封闭回路并利用冷却装置冷却以控制流体的温度。在该实施例中，流体可以是空气。替代性地，冷却装置或流体移位装置可以适于在该空间被密封时用流体填充该空间，例如惰性流体(比如氦气或氮气)。探头主体可以包括通向所述空间的另一出口，超声系统还包括另一流体移位装置，该流体移位装置流体地连接到该另一出口并适于在所述空间被密封时保持所述空间中的减小的压力。

根据又一方面，提供了一种使受试者经受利用任何前述实施例的超声探头产生的超声波的方法，该方法包括：将超声探头定位在受试者上，使得在安装区域和受试者之间的空间被柔性唇部密封；在密封的所述空间中产生减小的压力；产生超声波；在产生超声波的过程中，产生通过入口到达密封的所述空间且通过出口离开密封的所述空间的流体流。以这种方式，受试者可以长时间经受超声波而不会有超声探头的超声换能器元件过热的风险，从而避免需要周期性地将超声探头切换到低功率模式以补偿这种过热效应，同时利用减小的压力使探头靠着受试者固定。

该方法还可包括冷却通过出口从密封的空间接收的流体流；并且通过入口将冷却的流体流返回到密封的空间，以进一步改善对超声换能器元件的温度的温度控制。

该方法还可包括在冷却流体流之前将流体加入密封的空间，例如在密封的空间中产生惰性气氛和/或将具有所需传热特性的流体加入密封的空间中。

优选地，该方法还包括在产生超声波期间在密封的空间中保持减小的压力，以便在超声探头和受试者之间实现稳定的适形接触。

附图说明

通过参照附图的非限制性示例更详细地描述本发明的实施例，其中：

图1示意性地示出了根据一实施例的超声探头的剖视图；

图2示意性地示出了根据图1的超声探头的另一方面的透视图；

图3示意性地示出了根据图1的超声探头的又一方面的透视图；

图4是根据一实施例的布放在患者身上的超声波探头的图像；

图5示意性地示出了根据另一实施例的超声波探头的剖视图；

图6示意性地示出了根据一实施例的超声系统的一方面的剖视图；

图7示意性地示出了根据另一实施例的超声系统的一方面的剖视图；

图8示意性地示出了根据一示例性实施例的超声系统的框图；和

图9是根据一实施例的方法的流程图。

具体实施方式

应理解的是，附图仅仅是示意性的，且并未按比例绘制。还应理解的是，在整个附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部分。

在本申请的上下文中，超声换能器元件拼片是分立的元件，其可包括任何合适类型和数量的超声换能器元件；例如，超声换能器元件可以是电容性微机加工超声换能器元件(CMUT)。超声换能器元件拼片例如可以是半导体衬底形成的芯片等，诸如承载包括一个或多个超声换能器元件的电路的硅衬底。每个拼片可包括多个CMUT，例如，组织成子阵列。这些拼片可具有任何合适的尺寸，例如，拼片可以是具有几平方厘米的面积的方形拼片，例如，作为非限制性示例，可以具有2×2cm的尺寸。这样的尺寸允许简化波束成形处理，因为超声波束的规则有效孔径适合于一个拼片，并且在图像重建期间仅需要考虑(所述拼片的)一个取向位置。此外，该孔径可以在解剖学扫描期间改变其有效尺寸或“滑动”到另一拼片。

图1示出了具有换能器阵列的超声探头100的示例性实施例，该换能器阵列包括超声换能器元件拼片130，该超声换能器元件拼片130包括一个或多个超声换能器元件(未示出)。每个拼片130例如可以是切割的芯片等，其上已经形成或安装了一个或多个超声换能器元件。在本发明中，超声换能器元件可以按照任何合适的方式实现。例如，超声换能器元件可以由压电陶瓷材料(诸如基于锆钛酸铅(PZT)的材料、压电单晶体或复合材料)、电容性微机加工超声换能器(CMUT)等实现。超声换能器元件拼片130可具有任何合适的形状，例如，圆形或多边形。尤其提及的是多边形(诸如矩形，例如方形)形状，因为这样的形状有利于超声换能器元件拼片130在换能器阵列内的紧密封装，其中相邻超声换能器元件拼片130之间的间隙被最小化。避免相邻超声换能器元件拼片130之间有相对大的间隙确保了可以利用超声探头100生成基本上连续的图像，并且可以至少减少超声伪影(例如栅瓣)的形成。换能器阵列可具有任何合适的形状，例如，可以是1维或2维的换能器阵列。替代性地，换能器阵列可以由单个的超声换能器元件组成。在优选实施例中，超声探头100包括多个超声换能器拼片130，每个超声波换能器拼片130具有几平方厘米的换能器表面积，例如2-50平方厘米，以形成大面积的超声探头100。

在超声探头100形成超声诊断成像系统的一部分的情况下，超声探头100可以用于发射超声波，例如，超声脉冲，且接收(脉冲)回波信息。替代性地，超声探头100可适于在超声探头100形成超声治疗系统(例如HIFU治疗系统)的一部分的情况下产生聚焦超声波。

超声探头100通常包括探头主体120，探头主体120具有安装区域121，超声换能器元件拼片130安装在安装区域121上。在图2中示意性地示出这种探头主体120的细节。虽然未示出，但是超声换能器元件拼片130的换能器表面可以被声学层覆盖，有时被称为声学窗口，以便避免超声换能器阵列被直接接触，从而避免换能器阵列受到损坏，以及避免受试者1(例如，患者)的待暴露于由换能器阵列产生的超声波下的身体不被换能器阵列直接接触，例如，避免身体受到意外的电击。如众所周知的，这种声学窗口还可以提供换能器阵列和身体之间的阻抗匹配。声学层可以由技术人员已知的用于此目的的任何材料或材料组合制成。

探头主体120的安装区域121可以是刚性的，例如，可以是超声换能器元件拼片130的刚性载体。任何合适的刚性材料都可以用于此目的。替代性地，安装区域121可以是柔性的，这具有以下优点：承载超声换能器元件拼片130的安装区域121可以变形，例如，适形于非平面表面(例如患者的身体轮廓)，以改善超声换能器元件拼片130与患者身体之间的接触质量。这在大面积的超声探头100的情况下尤其相关，其中探头可能需要适形于患者身体的大面积，例如，几十或几百平方厘米的面积。例如，安装区域121可包括弹性体，即橡胶材料，以给安装区域121提供所需的柔性。这种弹性体的示例包括聚烯烃、二烯聚合物或诸如PDMS的聚硅氧烷、包括聚烯烃、二烯聚合物或聚硅氧烷或其混和物的共聚物或嵌段共聚物，但不限于这些实施例。特别提及的是聚丁二烯、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和通常用于导管的相对软的聚醚嵌段酰胺(PEBA)。医用级PDMS是尤其优选的。例如，超声探头100可以实施为柔性垫，以适形于受试者1的表面(身体)。

在一些实施例中，超声换能器元件拼片130可以直接安装到安装区域121上(未示出)。在替代性实施例中，例如图1中示意性地示出的实施例，安装区域121可包括用于接收支撑构件135的多个接收部分122，超声换能器元件拼片130可安装在支撑构件135上。在图3中示意性地示出了这种支撑构件135的细节。支撑构件135可各自包括支柱137，该支柱137装配到安装区域121的接收部分122中的一个中。每个支柱137承载一个安装部分139，超声换能器元件拼片130可以安装在安装部分130上。支撑构件135可以由柔性材料制成，例如，橡胶类材料，并且可以具有互连的安装部分139，例如，通过在相邻的安装部分139之间的互连区域138呈柔性垫的形式。

如图3所示，每个互连区域138组合四个象限的安装部分139，每个安装部分具有互连到互连区域138的拐角。以这种方式，每个拼片130将呈现出至少两个旋转自由度，使得当通过抽出一部分空气来减小空间110中的压力时，可以与受试者1的身体实现良好的适形接触，如下面更详细地描述的，且通过支柱137传递的、在安装部分139上产生的向下的力通过这些旋转自由度被转换成拼片130的预期的适形接触。在一个替代性实施例中，支撑构件135可以是刚性构件，其中安装区域139安装在柔性接头上，例如，万向接头、球窝接头等。

安装区域121通常由柔性唇部123界定，该柔性唇部123被布置成在将超声探头100放置在受试者1上时接触受试者1。唇部123是柔性的，使得在将超声探头100放置在受试者1上时，唇部123密封探头主体120的安装区域121与受试者身体的与安装区域121相对的一部分之间的空间110。安装区域121可以是皱褶状的，如图1中示意性地所示的，使得安装区域可以充当弹簧。因此，当空气被从空间110中排出以在空间110中产生负压时，探头100上方的大气压力迫使弹性的安装区域121抵靠在身体上。空间110中的压力降低仅仅10％就足以在安装区域121上实现1N/cm²的向下压力。探头100在身体上的密封可以通过耦合凝胶来进一步辅助，该耦合凝胶例如可以仅在唇部123周围施用。

唇部123可以形成探头主体120的整体一部分，或者可以附着或以其他方式附接到安装区域121。在本申请的上下文中，唇部123可以具有便于在将超声探头100放置在该身体上时在超声换能器元件拼片130与受试者1的身体之间形成密封的空间110的任何适合的形状。柔性唇部123可以由任何合适的材料制成，例如，如上所述的弹性体。在一个实施例中，安装区域121和柔性唇部123由相同的材料制成，且柔性唇部123优选地与安装区域121成为一体，即由单件柔性材料形成。在如图2所示的实施例中，唇部123可以包括边缘123'或者可以通过边缘123'与空间110分隔开，边缘123'与受试者1接合以加强安装区域121，以防空间110内的压力减小。边缘123'可以进一步帮助在超声探头100和受试者1之间形成密封，使得可以在空间110中建立负压，如上所述。探头主体120的安装区域121还可以包括位于接收部分122之间的支撑部分124，该支撑部分124对安装区域121进行加强，以防空间110内的压力减小。

探头主体120还包括延伸穿过探头主体120的入口125和出口127。例如，入口125和出口127中的至少一个可以延伸通过唇部123，但同样可行的是，入口125和出口127中的至少一个延伸穿过探头主体120的安装区域121。当超声探头100定位在受试者1的身体上时，入口125和出口127便于与密封的空间110流体连通，例如，通过将至少出口连接到诸如风扇或泵的空气移位装置，该空气移位装置将密封的空间110内的流体从密封的空间110抽出，该流体可以通过入口125补充，这将在下面更详细地描述。以这种方式，密封的空间110中的由超声换能器元件拼片130的操作而加热的流体周期性地或连续地与通过入口125的流体置换，通过入口125的流体通常具有比密封的空间110中的被加热的流体更低的温度。因此，在该过程中，超声换能器元件拼片130被更有效地冷却，这降低了超声换能器元件拼片130过热的风险。入口125和/或出口127可以可选地包括一个或多个凸缘、肋或类似物，以便于建立流体连接，例如，与管、管道等的连接。

图4是定位于患者或受试者1的身体上的柔性垫形式的超声探头100的示例性实施例的图像。在该实施例中，探头主体120由弹性体材料(聚氨酯)制成，并且包括唇部123，以用于不透气地密封超声换能器元件拼片130和患者身体之间的空间，如前所述。真空管140可附接到超声探头100的出口127，以在空间110中产生负压，使得超声探头100的超声换能器元件拼片130与受试者1的身体的不同部分在大面积上建立适形接触。

图5示意性地示出了超声探头100的另一个实施例。在该实施例中，入口125可以进一步包括流体流动调节结构126，以便限制进入密封的空间111的流体流速。这例如在利用空气移位装置将空气从密封的空间111中移出时，可利于在密封的空间111中相对于环境压力产生负压，这将在下面更详细地描述。流体流动调节结构126可以实施为附接到入口125的一段管道等，并且包括与管道的其余部分相比具有减小的直径的区段，以便实现预期的流体流动限制。替代性地，流体流动调节器，例如阀等，可以流体地连接到入口125。应理解的是，这种流体流动调节结构126形成入口125的整体一部分并不是必要的；同样可行的是，这种流体流动调节结构126整合在连接到入口125的一段管道或类似物中。替代性地或另外，出口127可以进一步包括或可以流体地附接到减压阀128，该减压阀被布置成控制密封的空间111中的压力，以在密封的空间111中相对于环境压力产生预期的负压。

尽管未具体示出，但应理解的是，超声探头100可包括对本发明来说不一定必要的附加部件。例如，超声探头100还可以包括一个或多个温度传感器，以用于感测超声换能器元件拼片130的温度，并向超声探头100的控制电子装置提供指示该温度的传感器信号，以利于在超声换能器元件拼片130万一过热的情况下将超声探头100切换到低功率模式。由于这些附加部件本身是完全常规的和公知的，因此仅为了简洁起见而不再对其进一步详细解释。

图6示意性地示出了超声系统10的一方面，具体而言是用于冷却超声探头100的超声换能器元件拼片130的冷却装置。在该实施例中，超声探头100的出口127流体地连接到空气移位装置150，该空气移位装置被布置成在超声探头100的操作期间(例如，在超声诊断成像或超声治疗期间)从密封的空间110抽吸空气。由空气移位装置150从密封的空间110抽出的空气可以用通过入口125吸入密封的空间110内的较冷空气代替，该入口125可选地包括流体流动调节结构126。空气移位装置150可布置成在密封的空间110中相对于环境压力产生负压。例如，这可以通过控制通过入口125的流体流入来实现，例如，使用流体流动调节结构126，使得至少在环境压力下在密封的空间110内，通过入口125进入密封的空间110的流体流入速率低于通过空气移位装置150经过出口127从密封的空间110抽出流体的速率。如本领域技术人员容易理解的，在这种情形下，一旦流入速率与从密封的空间110抽出流体的速率匹配，就会实现稳定的负压。

减压阀128可以流体地连接在出口127和空气移位装置150之间，以便调节该负压。例如，在空气移位装置150包括泵(诸如真空泵)的情况下，这可能是尤其有利的，在这种情况下，可能不希望根据泵的全部容量来降低密封的空间110中的压力。在一个实施例中，超声探头100的出口127可以连接到与使用超声系统10的住所(例如，医院等)成一体的真空泵，该住所可以包括遍及该住所的真空网络，以便于将多个装置连接到房屋真空，例如在住所的不同房间内的装置。替代性地，空气移位装置150可包括风扇等，其通常实现在风扇上游产生负压并在风扇下游产生过压的操作原理，从而利用风扇产生流体流动，例如空气流动。在这样的实施例中，空气移位装置150只能在密封的空间111中产生相对适度的负压，使得在该实施例中可以省略减压阀128。

在该实施例中，在图6中示意性地示出了利用空气移位装置150从密封的空间111中抽出的流体体积，例如，空气，通常被不同的流体体积置换，例如从周围环境经过入口125吸入密封的空间111内的流体体积，且置换的流体体积通常被丢弃，例如，通向环境。换句话说，图4中示意性示出的实施例是用于冷却超声探头100的超声换能器元件拼片130的开放式冷却系统。

图7示意性地示出了用于冷却超声探头100的超声换能器元件拼片130的封闭冷却系统的替代性实施例。在该实施例中，空气移位装置150的出口，例如，泵出口，流体地连接到冷却装置160、热交换装置、制冷器等，该冷却装置160具有流体地连接到空气移位装置150的出口的入口，并且具有流体地连接到超声探头100的入口125的出口。在操作中，空气移位装置150将由超声换能器元件拼片130加热的流体从密封的空间110经过出口127抽出，并将加热的流体输送到冷却装置160的入口。加热的流体由冷却装置160冷却，且被冷却的流体随后通过冷却装置经过入口125返回到密封的空间110。在该实施例中，流体可以包括空气，或者替代性地可以包括具有预期的传热特性的惰性气体，例如氦气或氮气。例如，空气移位装置150或冷却装置160被布置成，例如，可以包括容纳惰性气体的储存器，以将惰性气体加入上述的封闭冷却回路中。冷却设备160可以适于从空间110抽出一定体积的空气以在循环剩余的空气(或冷却剂)之前在空间110中产生负压。

在替代性实施例中，超声探头100还包括另一出口129，另一空气移位装置170(例如风扇或泵)可以连接该另一出口129，以便如前所述通过从密封的空间110抽出一定体积的空气而在密封的空间110内相对于环境压力产生负压，此后，该另一出口129可以手动地或通过自动阀扎住。压力传感器(未示出)可以布置在空间110内，例如，作为探头100的一部分，另一空气移位装置170响应于压力传感器，使得负压损失(例如，通过经由唇部123进入空间110的空气泄漏)可以通过另一空气移位装置170补偿，以在空间110中保持(或多或少)恒定的负压。

另一空气移位装置170可布置成将从密封的空间110提取的流体排出到环境中或者捕获所提取的流体，例如用于再循环到封闭冷却回路中。此时，应注意的是，尽管在该实施例中，由于另一出口129流体地连接到另一空气移位装置170，封闭冷却回路并未真正关闭，但是在超声探头100的操作期间，通过另一出口129的流体损失可以认为是可忽略地小，使得该布置结构仍然近似于封闭系统。

根据本发明实施例的超声系统10还可包括电子电路，该电子电路用于控制超声探头100并且用于在超声诊断成像系统10的情况下处理由超声探头100收集的超声(脉冲)回波。这种电子电路可以至少部分地容纳在用户控制台等中，这本身是公知的。图8示出了电子装置的示例性实施例，该电子装置可以被布设成与超声波探头100连接并控制超声波探头100，以产生超声波(例如，超声脉冲)和接收超声回波(例如，脉冲回波)，例如，用于诊断成像目的。换能器阵列可以联接到探头100中的微波束成形器12，其控制超声换能器单元100对信号的发送和接收。微波束成形器能够对由换能器元件拼片形成的组或“贴片(patch)”接收的信号进行至少部分波束成形，例如，如美国专利US 5,997,479(Savord等人)、US 6,013,032(Savord)和US 6,623,432(Powers等人)中所述的。

微波束成形器12可以通过探头线缆(例如同轴线)连接到终端，例如用户控制台设备等，该微波束成形器包括发送/接收(T/R)开关16，其在发送和接收模式之间切换，并且当不存在或不使用微波束成形器且换能器阵列由主系统波束成形器20直接操作时，避免主波束成形器20受高能量发射信号的影响。在微波束成形器12的控制下来自换能器阵列的超声波束的传输可以由通过T/R开关16联接到微波束成形器的换能器控制器18和主系统波束成形器20引导，该主系统波束成形器20接收来自用户界面或控制面板38的用户操作的输入。由换能器控制器18控制的功能之一是波束被操纵和聚焦的方向。波束可以被操纵成从(正交于)换能器阵列一直向前，或者以不同的角度操纵以获得更宽的视场。换能器控制器18可以被联接以控制用于超声换能器阵列110的上述电压源45。例如，电压源45设置施加到CMUT阵列的CMUT元件的DC和AC偏置电压，例如，以崩塌模式操作CMUT元件，这本身是众所周知的。换能器控制器18还可适于控制电压源45，以便将超声换能器元件拼片130切换到低功率模式，例如，响应于指示超声换能器元件拼片130达到临界温度的温度传感器信号。

通过微波束成形器12产生的部分波束成形的信号可以被转发到主波束成形器20，其中来自换能器元件形成的单独贴片的部分波束成形的信号被组合成完全波束成形的信号。例如，主波束成形器20可以具有128个通道，每个通道接收来自数十或数百个超声换能器单元100形成的贴片的部分波束成形的信号。以这种方式，由换能器阵列110的数千个换能器元件接收的信号可以有效地贡献于单个波束成形的信号。

波束成形的信号联接到信号处理器22。信号处理器22可以以各种方式处理接收的回波信号，例如，带通滤波、抽取、I和Q分量分离以及谐波信号分离，其用于分离线性和非线性信号，以便能够识别从组织和微泡返回的非线性(基频的高次谐波)回波信号。

信号处理器22可选地可以执行附加的信号增强，例如散斑减少、信号复合和噪声消除。信号处理器22中的带通滤波器可以是跟踪滤波器，其通带从较高频带滑动到较低频带，因为从逐渐增加的深度接收回波信号，从而拒绝来自较大深度处的较高频率的噪声，其中这些频率缺乏解剖学信息。

经处理的信号可以被转发到B模式处理器26并且可选地被转发到多普勒处理器28。B模式处理器26采用所接收的超声信号的幅度检测来对身体中的结构(例如体内器官的组织和血管)进行成像。可以以谐波图像模式或基本图像模式或两者的组合形成身体结构的B模式图像，例如，如美国专利US 6,283,919(Roundhill等人)和US 6,458,083(Jago等人)中所述。

多普勒处理器28(如果存在的话)处理来自组织移动和血液流动的时间上不同的信号，以检测物质的运动，例如图像场中的血细胞流动。多普勒处理器通常包括具有参数的壁滤波器，该参数可被设置为通过和/或拒绝从身体内所选类型的物质返回的回波。例如，壁滤波器可被设置为具有通带特性，该通带特性使来自较高速度物质的相对低振幅的信号通过，同时拒绝来自较低或零速度物质的相对较强的信号。

该通带特性将使来自流动血液的信号通过，同时拒绝来自附近的静止或缓慢移动的物体(例如心脏壁)的信号。逆特性将使来自心脏的移动组织的信号通过，同时拒绝血液流动信号，这被称为组织多普勒成像、检测和描绘组织的运动。多普勒处理器可以接收和处理来自图像场中的不同点的一系列时间上离散的回波信号，该回波序列来自被称为集合(ensemble)的特定点。在相对短的间隔内快速连续接收的回波集合可用于估计流动血液的多普勒频移，其中多普勒频率与表示血流速度的速度对应。在较长时间内接收的回声集合被用于估计较慢流动的血液或缓慢移动的组织的速度。

由B模式(和多普勒)处理器产生的结构和运动信号联接到扫描转换器32和多平面重定格式器44。扫描转换器32以它们按所需的图像格式被接收的空间关系排布回波信号。例如，扫描转换器可以将回波信号排布成二维(2D)扇形格式或金字塔形三维(3D)图像。

扫描转换器可用对应于图像场中的具有多普勒估计的速度的若干点处的运动的颜色覆盖B模式结构图像，以产生彩色多普勒图像，该彩色多普勒图像描绘了图像场中的组织的运动和血液流动。多平面重定格式器44将从身体的体积区域内的公共平面中的若干点接收的回波转换成该平面的超声图像，例如，如美国专利US 6,443,896(Detmer)中所述。当从给定参考点观察时，体积渲染器42将3D数据集的回波信号转换为投影的3D图像，如美国专利US6,530,885(Entrekin等人)中所述。

2D或3D图像从扫描转换器32、多平面重定格式器44和体积渲染器42联接到图像处理器30，以便进一步增强、缓冲和临时存储以在图像显示器40上显示。除了用于成像之外，由多普勒处理器28产生的血液流动值和由B模式处理器26产生的组织结构信息被联接到量化处理器34。量化处理器产生不同流动条件的量度，例如，血液流动的体积率，以及结构测量值，例如器官的大小和孕龄。量化处理器可以从用户控制面板38接收输入，诸如要进行测量的图像的解剖结构中的点。

来自量化处理器的输出数据被联接到图形处理器36，以用于利用在显示器40的图像再现测量图形和值。图形处理器36还可以产生用于与超声图像一起显示的图形叠加。这些图形叠加可以包含标准识别信息，例如患者姓名、图像的日期和时间、成像参数等。出于这些目的，图形处理器从用户界面38接收输入，例如患者姓名。

用户界面还联接到发射控制器18，以控制来自换能器阵列110的超声信号的产生，并因此控制由换能器阵列和超声系统产生的图像。用户界面还联接到多平面重定格式器44，以用于选择和控制多个多平面重定格式的(MPR)图像的平面，其可用于在MPR图像的图像场中执行量化测量。

如本领域技术人员将理解的，超声诊断成像系统10的上述实施例旨在给出这种超声诊断成像系统的非限制性示例。本领域技术人员将立即认识到，在不脱离本发明的教导的情况下，超声诊断成像系统的架构中的若干变型是可行的。例如，如上述实施例中所示，可以省略微波束成形器12和/或多普勒处理器28，超声探头100可以不具有3D成像能力等。其他变型对技术人员来说是明显的。

此外，应理解的是，本发明不限于超声诊断成像系统10。本发明的教导同样适用于超声治疗系统，例如，HIFU超声系统，其中探头100的超声换能器元件可以仅在不需要接收脉冲回波的情况下以发射模式操作。如对本领域技术人员来说将是直接明显的，在这样的治疗系统中，在不脱离本申请的教导的情况下，可以省略借助于图6描述并且需要接收、处理和显示脉冲回波的系统部件。

还应理解的是，超声系统10可以包括附加部件，例如用于空气移位装置150、170的控制器。这对于本领域技术人员来说是明显的，仅出于简洁起见，这没有进一步详细解释。

图9是使受试者1经受超声探头100产生的超声波的方法200的流程图。在201中启动方法200后，方法200进行到203，其中超声探头100定位在受试者1身上，例如在受试者1的身体的一部分上，使得承载超声换能器元件拼片130的探头主体120的安装区域121与受试者1之间的空间110由柔性唇部123不透气地密封。在一个实施例中，可以在205中使用空气移位装置150或另一空气移位装置170在密封的空间110中产生负压。

接下来，在207中控制超声探头100以利用超声换能器元件拼片130产生超声波并且使受试者1暴露于所产生的超声波，例如，如上所述的用于生成诊断图像的超声脉冲或用于超声治疗的高度聚焦的超声波。同时，如209中所示，在产生超声波期间至少利用空气移位装置150通过入口125和出口127在密封的空间110中产生流体流以从密封的空间110移除已经被超声换能器元件拼片130产生的热量加热的流体。在一个实施例中，这可以包括冷却通过出口127从密封的空间110接收的流体流，例如，利用冷却装置160；通过入口125将冷却的流体流返回到密封的空间110。该实施例可以进一步包括在冷却之前将流体加入密封的空间110中，例如，具有预期的传热特性的惰性流体(例如氦气或氮气)。优选地，在产生超声波期间保持密封的空间110中的负压，以确保超声探头100与受试者1的身体形成稳定的适形接触。随后在211中检查超声图像生成或超声波治疗是否已经完成。如果不是这种情况，则方法200可以返回到207；否则，方法200可以在213中终止。

应注意的是，上述实施例例示说明而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计许多替代性实施例。在权利要求中，在括号之间的任何附图标记都不应解释为限制权利要求。词语“包括”不排斥存在除了权利要求中列举的那些之外的元件或步骤。在元件前面的词语“一”或“一个”不排斥存在多个这种元件。在列举了几种装置的任何装置权利要求中，这些装置中的一些可以由同一个硬件来体现。事实上某些元件在彼此区别的从属权利要求中描述并不表示这些元件不能结合使用。

Claims (14)

1.一种超声探头(100)，包括：

探头主体(120)，所述探头主体具有安装区域(121)和柔性唇部(123)，所述柔性唇部围绕所述安装区域以在所述超声探头接触受试者时密封介于所述安装区域与所述受试者(1)的和所述安装区域相对的一部分之间的空间(110)，以利于在所述空间中产生减小的压力；和

安装在所述安装区域中的多个超声换能器元件(130)；

其中，所述探头主体还包括通向所述空间的入口(125)和离开所述空间的出口(127)，以利于在所述空间被密封时空气流动穿过所述空间，并且，为了在所述出口流体地连接到流体移位装置时产生所述减小的压力，所述入口(125)被设定尺寸以与通过所述出口的流体流相比调节所述流体流，或者所述入口包括流体流动调节器(126)，以用于调节所述空气流，使得至少在环境压力下在所述空间中通过所述入口的空气流速小于通过所述出口的空气流速。

2.根据权利要求1所述的超声探头(100)，其中，所述探头主体(120)是柔性的。

3.根据权利要求1或2所述的超声探头(100)，其中，所述入口(125)和所述出口(127)中的至少一个设置于所述柔性唇部(123)中。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的超声探头(100)，其中，所述多个超声换能器元件(130)被分组在一个或多个超声换能器拼片上。

5.一种超声系统(10)，包括根据权利要求1-4中的任一项所述的超声探头(100)和流体移位装置(150)，所述流体移位装置流体地连接所述出口(127)且布置成在所述空间被密封时产生通过所述空间(110)的气流。

6.根据权利要求5所述的超声系统(10)，其中，所述流体移位装置(150)是风扇或泵。

7.根据权利要求5或6所述的超声系统(10)，其中，所述超声系统还包括处于所述出口(127)和所述流体移位装置(150)之间的减压阀(128)。

8.根据权利要求5-7中的任一项所述的超声系统(10)，其中，所述超声系统还包括冷却装置(160)，所述冷却装置(160)流体地联接在所述流体移位装置(150)和所述入口(125)之间。

9.根据权利要求8所述的超声系统(10)，其中，所述冷却装置(160)或所述流体移位装置(150)适于在所述空间被密封时用流体填充所述空间(110)。

10.根据权利要求8或9所述的超声系统(10)，其中，所述探头主体(120)包括通向所述空间的另一出口(129)，所述超声系统还包括另一流体移位装置(170)，所述另一流体移位装置(170)流体地连接到所述另一出口并适于在所述空间被密封时保持所述空间(110)中的减小的压力。

11.一种使受试者经受由根据权利要求1-4中的任一项所述的超声探头(100)产生的超声波的方法(200)，所述方法包括：

将所述超声探头定位(203)在受试者(1)上，使得介于所述安装区域(121)与所述受试者之间的空间(110)由所述柔性唇部(123)密封；

在密封的所述空间中产生减小的压力；

产生(207)所述超声波；和

在产生所述超声波期间产生(209)通过所述入口(125)到密封的所述空间以及通过所述出口(127)离开密封的所述空间的流体流。

12.根据权利要求11所述的方法(200)，其中，所述方法还包括：

冷却从密封的所述空间(110)通过所述出口(127)接收的所述流体流；和

通过所述入口(125)使冷却的所述流体流返回到密封的所述空间。

13.根据权利要求12所述的方法(200)，其中，所述方法还包括在冷却所述流体流之前将流体加入密封的所述空间(111)中。

14.根据权利要求11-13中的任一项所述的方法(200)，其中，所述方法还包括在产生所述超声波期间保持(205)密封的所述空间(111)中的减小的压力。