CN113167877A - 提高可靠性的mems开关超声波换能器阵列 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

提高可靠性的MEMS开关超声波换能器阵列
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-αn和相移
Figure BDA0003103484080000021
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。
因此，控制器110在任何时候确定哪些换能器元件是活动的，以及施加到它们的信号的相位和幅度。这需要开关矩阵116，其能够通过将选定的换能器元件106耦合到相应的驱动电路120或将它们接地来快速且可靠地给它们通电和断电。所述开关必须能够承受驱动电路120运行的高信号幅度(例如，图1的设置中的80V)，保持不受系统噪声的影响，并且以足够的可靠性运行以确保患者安全。此类应用的传统开关解决方案包括固态互补金属氧化物半导体(CMOS)开关和机电继电器。但是标准的硅基CMOS开关存在很大的寄生电容和电阻。另一方面，继电器的驱动寿命有限，通道数量有限且封装尺寸大。基于微机电系统(MEMS)技术的开关虽然已为人所知数十年，但直到最近才作为提供高性能的商业设备面世。MEMS开关具有非常小的外形尺寸和极细微的驱动运动，可以承受非常大量的开关循环。
特别是，MEMS开关通常使用静电驱动的微机械悬臂梁开关元件，该元件实际上作为微米级机械继电器工作，具有通过静电驱动的金属对金属触点。MEMS开关的端子可以被看作是源极、栅极和漏极。当对栅极施加直流电压时，开关梁上会产生静电下拉力。当栅极电压上升到足够高的值时，它会产生足够的吸引力来克服开关梁的弹性弹簧力，并且梁开始向下移动，直到触点接触到漏极，打开开关。当去除栅极电压时，静电吸引力消失，开关梁充当弹簧，具有足够的恢复力来打开源极和漏极之间的连接，从而闭合开关。
当在如上述这样的系统中大量部署时，根据医疗设备的可靠性要求，由MEMS开关组成的开关矩阵可能会出现某些限制。例如，当在传统系统中调整超声参数(例如，相移)时，通常，换能器元件106通过打开开关矩阵116中的对应波束形成开关而简单地与超声控制电路断开。断开连接时，开关上可能存在来自各种来源的电压，例如射频信号、反射，和/或热或机械应力；这可能会导致“热”开关，使开关过早失效。通常，MEMS开关对驱动期间开关触点上存在的开关电压敏感。例如，当开关电压低于1V时，MEMS开关的寿命可能会超过10亿次，而如果将开关电压提高到10V，开关寿命可能会下降到1亿次以下。因此，需要最小化MEMS开关中的开关电压。因此，需要一种在驱动期间最小化MEMS开关中的开关电压而不损害可靠性或开关速度的方法。
发明内容
本发明提供用于以限制开关矩阵中波束形成开关(beamforming switch)的开关电压的方式操作超声系统的系统和方法。如本文所用，改变波束形成开关的状态可包括例如将各条相传输线耦合到电接地或耦合到相同或不同的换能器元件，以用于在一个或多个期望目标位置处产生一个或多个具有目标焦点轮廓(target focal profile)(例如，目标焦点强度、焦点形状、焦点大小和/或焦点位置)的焦点。这种方法(有时被称为“冷切换(cold switching)”)提高了波束形成开关(特别是MEMS开关)的寿命，从而有利地提高了超声系统的可靠性和耐用性。
现发现不仅可以通过最小化特定开关上的绝对电压水平延长开关寿命，而且可以通过最小化连接到同一换能器元件的多个开关之间的电压差来延长开关寿命。即，即使在低总电压下，并联连接的开关之间的电压差也可能是有害的。
如上所述，以计算出的相位驱动超声换能器元件以在期望位置处产生焦点。在典型的系统中，不是为每个换能器生成具有正确相位的单独信号，而是通过一系列相传输线馈送由信号发生器产生的时变(例如，正弦)驱动信号，以产生一组具有不同的相位偏移的基础信号。这些相传输线选择性地耦合到换能器元件，以便以期望的相位驱动换能器元件，从而在期望的位置(例如，目标区域)处产生焦点。为了实现这一目的，每个换能器元件都由一组数量与基础信号的数量相等的专用波束形成开关提供服务。(因此，开关矩阵中的开关数量是基础信号的数量乘以换能器元件的数量。)其结果是，所有换能器元件都并联连接到多组波束形成开关；对于每个换能器元件，每组中只有一个波束形成开关被激活(或闭合)。闭合的波束形成开关将换能器元件连接到适当的基础信号，以便所有换能器元件的输出将实现所需的聚焦。根据本发明的实施例，针对每组内的开关采取预防措施。例如，当需要改变开关到换能器元件的连接模式以改变超声焦点时，可以首先降低信号发生器产生的电压(不一定降至零)。如果此时打开当前闭合的波束形成开关，则开关上可能存在电压，从而对其造成损坏。此外，对于每个换能器元件，稍后要打开而当前闭合的开关与稍后要闭合而当前打开的开关之间的电压差可能是有害的。因此，在各种实施例中，可以通过例如在当前闭合而稍后打开的开关改变状态之前逐个元件(根据新的开关模式)按顺序闭合稍后将闭合的波束形成开关来降低整个波束形成开关的电压。这样，接地或其他降压措施将具有统一的效果，因此与单个换能器元件相关联的所有波束形成开关在当前闭合的开关打开之前将处于基本相同的电压(即使该电压不是零伏)。由于该过程是按顺序的，如果每次都以相同的方式重复该过程，那么将随着时间的推移一些波束形成开关将比其他开关经受更大的累积电压。因此，可以采用放电策略来确保开关平均承受相似的电压负荷。
附加地或替代地，不同相传输线的输出可以一个接一个地逐步耦合，使得开关之间的电压不会受到相位差的影响。这种顺序耦合可以发生在相位发生器上或通过差分开关发生；每个差分开关可以与相传输线相关联并且可以将相传输线耦合到地、公共电压或另一传输线。因此，可以消除(或至少减少)耦合传输线(以及由此相关联的波束形成开关)之间的电压差。在一些实施例中，相传输线的顺序耦合可以在闭合稍后将根据新的开关模式闭合的波束形成开关之前发生。某些差分开关可以被指定为牺牲开关，所述策略将相反变成将电压负担集中在牺牲开关上，从而方便一起更换。
在一个实施方式中，在第一阶段，当信号发生器的输出电压降低时，超声系统可以在一持续时间(例如，1微秒-1毫秒)内保持其当前状态(例如，递送当前模式的超声)，直到大部分(例如，90％、80％或70％)反射能量已经消散。在一个实施例中，当所测量的电压比例如±0.5V更接近于零时，反射能量被确定为基本上消散。随后，根据新的开关模式要闭合的波束形成开关可以闭合。附加地或替代地，相传输线可以使用例如差分开关按顺序彼此耦合。如本文所用，差分开关指的是将相传输线彼此接地或耦合以便基本上均分耦合传输线上的电压的开关。差分开关可以是MEMS开关或CMOS开关。只有在所有当前激活的波束形成开关中的电压接近于零后，例如，±0.5V(或更小)或波束形成开关可以被假定已经稳定后，开关模式才会改变，以便不同的基础信号此时连接到换能器元件以在新位置产生焦点。然后，超声系统准备好根据治疗程序将能量传输到新的焦点。
因此，在一个方面，本发明涉及一种提高超声系统可靠性的方法，该超声系统包括：(i)多个换能器元件，(ii)连接到多条相传输线的相位发生器，以及(iii)包括多个波束形成开关的开关矩阵，用于将各条相传输线可开关控制地连接到换能器元件；每个换能器元件与一组波束形成开关相关联，每个波束形成开关连接到不同的相传输线，并且根据初始开关激活模式，一些波束形成开关打开，一些波束形成开关闭合。在各种实施例中，该方法包括(a)降低相位发生器处的相位之间的差分电压；(b)降低波束形成开关附近的相位之间的差分电压；(c)遵循步骤(a)和(b)，改变初始开关激活模式。在一个实施方式中，将步骤(a)中的差分电压降低到对应于比±0.5V更接近零的电压的第一预定阈值以下。此外，可以将步骤(b)中的差分电压降低到对应于比±0.5V更接近零的电压的第二预定阈值以下。
在一些实施例中，该方法还包括在执行步骤(a)和(b)之后且执行步骤(c)之前暂停的步骤。该暂停步骤可以具有由环境条件(例如，环境RF水平或来自换能器元件的反射)和/或超声参数(例如，从换能器元件之一发射的脉冲的幅度)确定的持续时间。如本文所用，术语“环境RF水平”意指可由位于超声换能器附近的RF检测装置检测的RF信号。此外，该方法可以包括监测闭合开关上的电压的步骤；环境条件是所监测的电压的大小。附加地或替代地，该方法还可包括在执行步骤(a)之后且执行步骤(b)之前暂停的步骤。
在各种实施例中，通过使用多个差分开关将相传输线逐步连接在一起来执行步骤(b)，每个差分开关与一条或多条相传输线相关联。此外，一个或多个波束形成开关和/或一个或多个差分开关可以是MEMS开关。或者，一个或多个波束形成开关和/或一个或多个差分开关可以是CMOS开关。在一个实施例中，每组中的差分开关和/或波束形成开关按预定顺序依次激活。所述预定顺序可以基于先前的开关顺序。例如，所述预定顺序按当将初始开关激活模式改变为新的开关激活模式时每个差分开关是将相关联的相传输线耦合到另一相传输线的第一差分开关的先前次数确定。附加地或替代地，所述预定顺序可以通过在将初始开关激活模式改变为新的开关激活模式时每个波束形成开关是被激活的第一波束形成开关的先前次数来确定。在一种实施方式中，所述预定顺序基于每个开关组中的每个差分开关作为牺牲开关的先前次数确定。
在一些实施例中，在第一波束形成开关闭合而第二波束形成开关打开的一组波束形成开关中，步骤(c)包括闭合第二波束形成开关，然后打开第一开关。此外，在第一组波束形成开关闭合而第二组波束形成开关打开的一组波束形成开关中，步骤(c)可以包括闭合第二组波束形成开关，然后打开第一组波束形成开关；第二组中的波束形成开关按预定顺序依次闭合。同样，所述预定顺序可以基于先前的开关顺序。例如，所述预定顺序可以按第二组中的每个波束形成开关首先被闭合的先前次数确定。附加地或替代地，所述预定顺序可以基于换能器元件的几何形状(例如，换能器元件在换能器阵列内的相对位置)确定。
在另一方面，本发明涉及一种超声系统，该超声系统包括超声换能器，该超声换能器具有可共同作为相控阵操作的多个换能器元件；相位发生器；连接到相位发生器的多条相传输线，每条相传输线具有预定的相移；波束形成开关矩阵，用于选择性地将各条相传输线耦合到换能器元件，每个换能器元件与一组波束形成开关相关联，每个波束形成开关都连接到不同的相传输线；和一控制器。在各种实施例中，所述控制器被配置为(a)降低相位发生器处的相位之间的差分电压(例如，将相位发生器的平均电压水平降低到低于第一预定阈值)；(b)对于每组波束形成开关，减小波束形成开关附近的相位之间的差分电压(例如，将波束形成开关之间的最大电压差降低到低于第二预定阈值)；以及(c)检测何时电压水平低于第一预定阈值以及电压差何时低于第二预定阈值，并因此改变开关中的打开和闭合开关的激活模式。在一个实施例中，所述第一预定阈值对应于比±0.5V更接近零的电压。另外，所述第二预定阈值对应于比±0.5V更接近零的电压。
在一些实施例中，所述控制器还被配置为在执行步骤(a)和(b)之后且执行步骤(c)之前暂停超声系统(例如，延迟改变波束形成开关状态)。所述控制器还可以被配置为在由环境条件(例如，环境RF水平或来自换能器元件的反射)和/或超声参数(例如，从换能器元件之一发射的脉冲的幅度)确定的持续时间内暂停超声系统。如本文所用，术语“环境RF等级”意指可由位于超声换能器附近的RF检测装置检测的RF信号。此外，所述控制器还可以被配置为监测闭合开关上的电压；所述环境条件是所监测的电压的大小。附加地或替代地，所述控制器还可以被配置为在执行步骤(a)之后且执行步骤(b)之前暂停超声系统。
在各种实施例中，所述控制器还被配置为通过使用多组差分开关将相传输线逐步连接在一起来执行步骤(b)，每个差分开关与相传输线中的至少一个相关联。此外，一个或多个波束形成开关和/或一个或多个差分开关可以是MEMS开关。或者，一个或多个波束形成开关和/或一个或多个差分开关可以是CMOS开关。在一个实施例中，每组中的差分开关和/或波束形成开关按预定顺序依次激活。所述预定顺序可以基于先前的开关顺序。例如，所述预定顺序按当将初始开关激活模式改变为新的开关激活模式时每个差分开关是将相关联的相传输线耦合到另一相传输线的第一差分开关的先前次数确定。附加地或替代地，所述预定顺序可以通过在将初始开关激活模式改变为新的开关激活模式时每个波束形成开关是被激活的第一波束形成开关的先前次数来确定。在一种实施方式中，所述预定顺序基于每个开关组中的每个差分开关作为牺牲开关的先前次数确定。
在一些实施例中，在第一波束形成开关闭合而第二波束形成开关打开的一组波束形成开关中，所述控制器还被配置为通过闭合第二波束形成开关并在之后打开第一开关来执行步骤(c)。此外，在第一组波束形成开关闭合而第二组波束形成开关打开的一组波束形成开关中，所述控制器还被配置为通过闭合第二组波束形成开关并在之后打开第一组波束形成开关来执行步骤(c)；第二组中的波束形成开关按预定顺序依次闭合。同样，所述预定顺序可以基于先前的开关顺序。例如，所述预定顺序可以按第二组中的每个波束形成开关首先被闭合的先前次数确定。附加地或替代地，所述预定顺序可以基于换能器元件的几何形状(例如，换能器元件在换能器阵列内的相对位置)确定。
如本文所用，术语“基本上”是指±10％，在一些实施例中，±5％。在整个说明书中，对“一个示例”、“一示例”、“一个实施例”或“一实施例”的引用是指结合该示例所描述的特定特征、结构或特性包括在本发明技术方案的至少一个示例中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个示例中”、“在一示例中”、“一个实施例”或“一实施例”不一定都指的是同一示例。此外，特定特征、结构、例程、步骤或特性可以在本发明技术方案的一个或多个示例中以任何合适方式组合。本文提供的标题仅是为了方便起见，并不旨在限制或解释所要求保护的技术的范围或含义。
附图说明
在附图中，相同的附图标记在不同视图中通常指代相同的部分。而且，附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。在下文描述中，参考以下附图描述本发明的各种实施例，其中：
图1示出了现有技术中描述的聚焦超声系统。
图2A和2B示意性地描绘了根据各种实施例的示例性聚焦超声系统。
图2C和2D示出了根据各种实施例的用于驱动具有各种相位值的换能器元件的代表性波束形成开关组和差分开关组。
图2E描绘了根据各种实施例的包括对目标区域处的声能做出不同贡献的换能器元件的聚焦超声系统。
图3A和3B是示出根据各种实施例的用于提高具有开关矩阵的超声系统可靠性的各种方法的流程图。
具体实施方式
根据本发明的各种实施例的相控阵超声换能器通常包括大量(例如，数百个和多达数千个)单独的换能器元件，其线性尺寸通常不大于在操作期间产生的声波的波长。使用小型换能器元件可提高声束在三个维度上的可操纵性，即在大体积范围内对聚焦深度和侧向焦点位置的操纵。例如换能器元件尺寸不超过半个波长，每个方向的偏转角度(steeringangle)(即相对于换能器表面法线所能达到的最大角度)为±π/2，便于在一个完整的半球上操作。在某些实施例中，换能器元件具有相同的尺寸和形状并且均匀布置(例如，以平铺方式)，从而形成各向同性阵列。在其他实施例中，根据临床应用和/或换能器元件紧邻其放置的患者身体的形状和位置，换能器元件具有各种尺寸和/或形状并且可以以任何合适的方式布置。
图2A示意性地示出了根据本发明的各种实施例的示例性聚焦超声系统200。与传统系统类似，系统200包括具有多个换能器元件206的相控阵列204、驱动相控阵列204的波束形成器208、与波束形成器208通信的控制器210，以及支持电路(如，频率发生器、相位发生器，和/或任何其他适合的部件)212。在一个实施例中，相位发生器212包括AC信号源214和一组相传输线216。所述相传输线接收AC信号并在不同的相对相位(或“基础”信号)输出信号；这些信号被提供给波束形成器208。此外，可以使用相位监测电路218来监测耦合到一个换能器元件206的每条传输线216的相位值。在典型的部署中，波束形成器208包括具有多个波束形成开关的开关矩阵220，用于基于从栅极驱动器222传输的信号选择性地将任何相传输线216与每个换能器元件206耦合和解耦。波束形成开关可以是例如电开关(例如晶体管)和/或机械开关。在一种实施方式中，所述波束形成开关是使用微机电系统(MEMS)技术(因此在本文中称为MEMS开关)制造的。或者，所述波束形成开关可以是CMOS开关。
为了确定在治疗期间的任何时刻所述开关模式对于每个换能器元件206都应该是活动的，所述控制器210可以从在控制器210本身上或在单独的计算机上运行的应用程序226接收数据。应用程序226可以提供实时数据和计划数据。例如，计划数据可以规定焦点的轨迹，包括期望的焦点路径及其在每个目标位置的停留时间，从而使控制器210能够计算要应用于各个换能器元件的相位，以便生成焦点并使其遍历计划的轨迹。因为没有计划是完美的，在治疗期间获得的实时数据(例如，成像数据)可以使控制器210能够修改计划的轨迹，以适应在应用治疗时遇到的实际情况。
在各种实施例中，每个波束形成开关在激活时(即当“闭合”时)将相传输线216电耦合到换能器元件206。MEMS栅极驱动器222设置驱动换能器元件206的信号的相对相位，使得当以相应设置驱动单独的换能器元件206时，在期望位置(例如，目标位置102)处共同产生聚焦超声波束。参考图2B，在一个实施例中，通过将元件206可用的相位值限制为多个离散值来简化相传输线216。例如，可能存在八相传输线216，其具有分别对应于
Figure BDA0003103484080000071
Figure BDA0003103484080000072
的相位值的八个“基础”信号；这八个相位值共同覆盖0到2π的范围。每个换能器元件206因此可以由八个相位值中的一个驱动。这种方法可以有利地降低电路复杂性和费用。此外，波束形成器208和/或控制器210可以使相位发生器212改变每条传输线216中的相位值。例如，八条相传输线216可以分别具有
Figure BDA0003103484080000073
的相位值。
可以采用各种方法来以期望的相位值驱动换能器元件206。例如，每个换能器元件206可以经由波束形成开关220仅耦合到相传输线216中的一条，即具有期望相位值的那条。通过经由波束形成开关将选定的相传输线选择性地耦合到换能器元件，可以沿着各种路径和/或在各种目标位置引导聚焦波束。
图2C示出了波束形成开关220的代表性组织方式和操作。为简单起见，两个换能器元件206被标记为E1和E2，并且被显示为由三个(而不是八个)相分离的基础信号
Figure BDA0003103484080000074
Figure BDA0003103484080000075
驱动。换能器元件E1和E2分别通过专用的波束形成开关组250、252选择性地耦合到信号，也就是说，每组开关250、252虽然位于开关矩阵220内，但专用于特定的换能器元件。在图2C中，开关2501和2521闭合而其他开关打开，因此E1和E2仅接收信号
Figure BDA0003103484080000076
根据与其相关联的开关组的状态，其他换能器元件可以接收不同的信号或其组合，或者根本不接收信号。开关250、252可以是电开关(例如，晶体管)和/或机械开关。在一种实施方式中，开关250、252是MEMS开关。在另一实施方式中，开关250、252是CMOS开关。或者，开关250、252可以包括MEMS开关和CMOS开关的组合。
换能器元件(包括元件E1、E2)可以形成换能器表面的单个连续区域，或者包括多个不连续的表面部分。专用于各种换能器元件的开关组是单独可控的，即每个换能器元件能够独立地发射具有独立于其他元件频率和/或相位的频率和/或相位的超声脉冲，从而实现在目标区域102处的治疗目的。
从换能器元件206(或换能器元件组)发射的声脉冲可以在在目标区域102处生成聚焦区之前穿过位于换能器阵列204和目标区域102之间的超声介质和/或介入组织。然而，超声介质和/或介入组织的不均匀性可能导致脉冲中的声像差，降低聚焦区的声能强度，扭曲聚焦轮廓，甚至可能移动聚焦区的位置。因此，在各种实施例中，调整换能器元件(或换能器元件组)的相移以解决声像差。此外，调整换能器元件的相移以将聚焦区转到不同的位置。当目标区域跨越较大体积使得多个子区域(每个对应于一个聚焦区域)的中断是必要的和/或当多个目标区域被识别进行治疗时，这种方法可能是必要的。
为了调整换能器元件的相移，与换能器元件相关联的波束形成开关可以被停用(或“打开”)以将换能器元件206与当前耦合的相传输线216断开并且随后被激活(或“闭合”)以将换能器元件206连接到具有对应于由控制器210确定的所需新值的相移的相传输线216。在这种情况下，开关上可能存在电压，使它们容易过早失效。参考图2C，假设开关模式将被反转，即当前闭合的开关2501、2521将被打开而其他处于打开的开关2502、2522都将被闭合。在一种方法中，AC信号源214(见图2A)的输出电压水平比例如±0.5V RMS更接近于零。此外，为了减轻电压引起的对波束形成开关的损害，可以应用一种称为“先通后断(makebefore break)”的方法。在该方法中，当前打开而稍后将根据新的开关模式闭合的波束形成开关(例如，开关2502、2522)在当前闭合而稍后将为打开的改变状态的波束形成开关(例如，开关2501、2521)之前闭合。以这种方式，与每个换能器元件相关联的波束形成开关在任何开关打开之前将处于基本相同的电压(即使该电压不是零伏)。这有利地避免了可能由于相位差而出现的波束形成开关之间的急剧峰值电压差。在一些实施例中，波束形成开关的闭合在逐个元件的基础上按顺序发生。例如，与换能器元件E2相关联的开关2522可以仅在与换能器元件E1相关联的开关2502闭合之后才闭合；并且与换能器元件E3(未示出)相关联的波束形成开关可以仅在与换能器元件E2相关联的开关2522闭合之后才闭合，等等。波束形成开关的闭合模式可根据如下进一步描述的开关耦合策略(switch-coupling strategies)由开关排序逻辑(switch-ordering logic)来确定，以避免(或至少减少)对较早闭合的开关的损坏。
附加地或替代地，不同相传输线216的输出可以一个接一个地逐步耦合，使得开关之间的电位不会受到相位差的影响。该顺序耦合可以在上述先通后断过程之前发生并且可以在相位发生器212处发生或(可选的)通过发生，所述差分开关255在开关矩阵220内实现，或者在一些实施例中与开关矩阵220分开，且与不同的波束形成开关的开关组相关联；每个差分开关255与相传输线216相关联并且可以将相传输线耦合到地、公共电压或另一传输线。因此，差分开关255的实施方式提供了用于最小化相传输线之间的电压差的至少两种方法——即，通过将相传输线彼此耦合或通过将相传输线耦合到公共电压或地(如图2D所示)。单独使用每种方法可能足以最小化电压差，但也可以将这两种方法结合起来。然而，如果AC源214的电压水平被驱动得足够低——例如，通过用一个或多个差分开关255将所有信号线216接地——并且波束形成开关之间的最大峰峰值电位不超过，例如±0.5V，则可能没有必要将相传输线连接在一起。
由于所有波束形成开关处的电压足够低，因此打开/闭合开关模式的变化不会使任何开关受到幅度大于±0.5V的电压的影响，开关模式可以改变(例如，参考上述示例，开关2501、2521打开而开关2502、2522闭合)。同样，控制器210可以将波束形成开关状态的改变延迟一小段时间以确保稳定和安全操作。所述间隔的必要性和间隔持续时间可由超声处理参数(例如，所施加的超声脉冲的幅度)和/或环境条件(例如，RF信号、来自换能器元件的反射，和/或热或机械应力)确定。通常，所述持续时间的范围从1微秒到1毫秒。在一种实施方式中，所述延迟一直持续到大部分(例如，90％、80％或70％)反射能量已经消散。
上文描述的闭合波束形成开关的顺序很重要，因为闭合的第一个波束形成开关将经历比后续波束形成开关更高的峰峰值电压。因此，如果开关矩阵220中的任何特定波束形成开关250/252相对于其他波束形成开关被首先闭合的过于频繁，则它会更快被用坏。此外，差分开关255的闭合模式是重要的，因为连接耦合的不同相传输线的第一差分开关255也可能经历比后续开关更高的峰峰值电压，因为随着每个新的开关耦合，更多的相位被添加，从而导致更多的幅度抵消(amplitude cancellation)。
因此，再次参考图2B，在一个实施例中，控制器210包括波束形成模块260或与波束形成模块260通信，波束形成模块260包括在计算机存储器或大容量存储设备中的电路或可执行程序代码实现的开关排序逻辑262以及激活表或数据库265。激活表265保持与在先通后断过程期间被闭合的差分开关255和/或波束形成开关相关联的开关激活模式的运行日志。例如，在一种实现方式中，激活表265为开关矩阵220的每个差分开关255和/或每个波束形成开关存储其在每个开关耦合序列中的序数位置。在另一实施方式中，激活表265仅存储对应于每个差分开关255已经成为将两条相传输线216连接在一起的第一开关的次数的更新值和/或对应于每个波束形成开关已经成为在先通后断过程中被闭合的第一个开关的次数的更新值。基于存储在激活表265中的记录，开关排序逻辑262为每个开关组确定耦合顺序，或者在更简单的实现方式中，哪个波束形成开关应该首先被闭合和/或哪对相传输线路216应该首先被耦合——即，每个组中的哪个差分开关255应该首先被闭合(假设第一开关耦合比后续耦合对开关更有害)。也就是说，开关排序逻辑262可以为每个开关模式转换布置闭合顺序，从而累积起来，没有波束形成开关和/或差分开关承受过大的电压负担；例如，每个波束形成开关250/252在开关闭合顺序中的排序位置可以在各开关之间被平均或平衡。或者，代替如先前描述的在波束形成开关250/252之间平衡电压负担，所述开关排序逻辑262可以故意使被指定为牺牲的某些差分开关255过载。当相传输线的耦合发生在要在新的开关模式中被闭合的波束形成开关被闭合之前时，这种方式尤其合适。这些牺牲开关可以位于易于更换的单独板或芯片上，并且实际上可以安排定期、预防性更换。
在一些实施例中，与换能器元件(或换能器元件组)相关联的相移基本上同时被调整——即，可以首先降低信号发生器212的输出电压，以降低连接到当前激活的换能器元件206的相传输线之间的差分电压。随后，与当前激活的换能器元件相关联并被指定为首先闭合的差分开关225基本上同时被激活，以将所有被激活的换能器元件的两条相传输线连接在一起。所述差分开关激活过程逐步执行，直到将所有传输线(或至少连接到被激活的换能器元件的传输线)连接在一起。使用这种方法，对应于当前被激活的换能器元件的各个第一闭合差分开关可以经历相同量的电压负荷。
然而，可能希望减少与对目标区域102处的声能有显著贡献的换能器元件相关联的开关上的电压负荷。在各种实施例中，波束形成开关的闭合顺序完全或部分地基于换能器元件的几何形状(例如，位置)来确定。例如，参考图2E，位于换能器的中心区域(如下定义)的换能器元件272可以在目标区域102处贡献更多的声能，而位于换能器外部区域的换能器元件274可以贡献更少，因为从其发射的声能大部分被位于换能器元件274和目标区域102之间的超声介质反射或吸收。因此，开关排序逻辑262可以将与换能器元件274相关联的波束形成开关250、252布置为在与换能器元件272相关联的波束形成开关之前闭合。同样，这种开关模式可以存储在激活表265中并在以后从中被检索到。如本文所使用的，“中心区域”可以包括除了形成换能器阵列204的外围的元件之外的所有换能器元件206。或者，“中心区域”可包括位于仅是径向范围的一小部分(例如，10％、20％、50％等)的区域内的元件。所述“外部区域”通常包括中心区域外的所有元件206。
图3A和3B是示出根据各种实施例的用于提高具有开关矩阵的超声系统可靠性的两个示例性方法的流程图。在第一步骤302中，将信号发生器212的输出电压降低到预定阈值(例如，±0.5V)以下。在第二步骤304中，超声系统可以可选地在保持其当前状态几微秒，直到大部分(例如，90％、80％或70％)反射能量已经消散。在第三步骤306中，连接到当前激活的换能器元件的相传输线(每条都与波束形成开关相关联)可以使用例如差分开关组按顺序接地或彼此耦合。替代地或附加地，将当前打开而根据新的开关模式将被闭合的波束形成开关闭合(在步骤308中)；随后，将当前闭合而将被打开的开关打开(在步骤310中)。(在执行步骤306、308、310的实施例中，步骤306可以在步骤308、310之前或之后执行。)同样，超声系统然后可以可选地保持在这种状态几微秒，直到所有并行波束形成开关组中的电压低于预定阈值(例如，比例如±0.5V(或更小)更接近零))或者可以假设开关在固定间隔时间之后已经稳定(在步骤312中)。与每个换能器元件相关联的波束形成开关然后根据改变的开关模式改变它们的状态，使得基础信号的不同组合现在连接到换能器，以在新的目标位置产生焦点(在步骤314中)。然后，超声系统准备好根据治疗程序将能量传输到新的焦点(在步骤316中)。
通常，用于执行开关耦合或闭合策略的功能，无论是集成在超声系统200的控制器210内还是由单独的外部控制器提供，都可以构建在一个或多个以硬件、软件或两者的结合实现的模块中。对于其中功能作为一个或多个软件程序提供的实施例，所述程序可以用许多高级语言中的任何一种来编写，例如FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、PYTHON、BASIC、各种脚本语言和/或HTML。另外，软件可以用指向驻留在目标计算机(例如，控制器)上的微处理器的汇编语言来实现；例如，如果软件配置为在IBM PC或PC克隆上运行，则可以用Intel80x86汇编语言实现。所述软件可以实施在制品上，包括但不限于软盘、闪存盘、硬盘、光盘、磁带、PROM、EPROM、EEPROM、现场可编程门阵列或CD-ROM。波束形成器模块260可以以任何适当的编程语言进行编程，包括但不限于高级语言，例如C、C++、C#、Ada、Basic、Cobra、Fortran、Java、Lisp、Perl、Python、Ruby或Object Pascal，或低级汇编语言。使用硬件电路的实施例可以使用例如一个或多个FPGA、CPLD或ASIC处理器来实施。在本文描述的系统组件或其部件可以在一个位置构建并且彼此直接连接，或者作为替换，借助PWB、连接器和/或电缆分布并彼此连接。
另外，这里使用的术语“控制器”广泛地包括用于执行如上所述的任何功能的所有必要的硬件组件和/或软件模块；所述控制器可以包括多个硬件组件和/或软件模块，并且功能可以在不同的组件和/或模块之间传播。
本文使用的术语和表达用作描述性的术语和表达而非限制性，并且在使用这些术语和表达时，无意排除所示出和所描述的特征或其一部分的任何等同体。另外，已经描述了本发明的某些实施例，对于本领域普通技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以使用结合本文公开的概念的其他实施例。因此，所描述的实施例被认为是仅在所有方面对本发明进行说明，而非限制。
权利要求为：

Claims (48)

1.一种提高超声系统可靠性的方法，该超声系统包括：(i)多个换能器元件，(ii)连接到多条相传输线的相位发生器，以及(iii)包括多个波束形成开关的开关矩阵，用于将各条相传输线可开关控制地连接到换能器元件；每个换能器元件与一组波束形成开关相关联，每个波束形成开关连接到不同的相传输线，其中根据初始开关激活模式，一些波束形成开关打开，一些波束形成开关闭合，所述方法包括：
(a)降低在相位发生器处各相位之间的差分电压；
(b)降低波束形成开关附近的各相位之间的差分电压；以及
(c)按照步骤(a)和(b)，改变初始开关激活模式。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将步骤(a)中的差分电压降低到对应于比±0.5V更接近零的电压的第一预定阈值以下。
3.根据权利要求1所述的方法，其中将步骤(b)中的差分电压降低到对应于比±0.5V更接近零的电压的第二预定阈值以下。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括在执行步骤(a)和(b)之后且执行步骤(c)之前暂停的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述暂停步骤的持续时间由环境条件或超声参数中的至少一个确定。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述环境条件为环境RF水平。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述环境条件是来自换能器元件的反射。
8.根据权利要求5所述的方法，还包括监测闭合开关上的电压的步骤，其中所述环境条件是所监测电压的大小。
9.根据权利要求5所述的方法，其中所述超声参数包括从所述换能器元件之一发射的脉冲的幅度。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括在执行步骤(a)之后且执行步骤(b)之前暂停的步骤。
11.根据权利要求1所述的方法，其中通过使用多组差分开关将所述相传输线逐步连接在一起来执行步骤(b)，每个差分开关与所述相传输线中的至少一条相关联。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述波束形成开关或差分开关中的至少一个是MEMS开关。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述波束形成开关或差分开关中的至少一个是CMOS开关。
14.权利要求11所述的方法，其中每组中的差分开关和/或波束形成开关按预定顺序依次被激活。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述预定顺序基于先前的开关顺序。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述预定顺序按当将初始开关激活模式改变为新的开关激活模式时每个差分开关是将相关联的相传输线耦合到另一相传输线的第一差分开关的先前次数确定。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述预定顺序基于每个开关组中的每个差分开关作为牺牲开关的先前次数确定。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述预定顺序通过在将初始开关激活模式改变为新的开关激活模式时每个波束形成开关是被激活的第一波束形成开关的先前次数来确定。
19.根据权利要求1所述的方法，其中在第一波束形成开关闭合而第二波束形成开关打开的一组波束形成开关中，步骤(c)包括闭合第二波束形成开关，然后打开第一开关。
20.根据权利要求1所述的方法，其中在第一组波束形成开关闭合而第二组波束形成开关打开的一组波束形成开关中，步骤(c)包括闭合第二组波束形成开关，然后打开第一组波束形成开关；第二组中的波束形成开关按预定顺序依次闭合。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述预定顺序基于先前的开关顺序。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述预定顺序由所述第二组中每个波束形成开关首先被闭合的先前次数确定。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述预定顺序基于换能器元件的几何形状。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述几何形状包括在所述超声系统中换能器元件的相对位置。
25.一种超声系统，包括：
超声换能器，其包括可共同作为相控阵操作的多个换能器元件；
相位发生器；
连接到相位发生器的多条相传输线，每条相传输线具有预定相移；
波束形成开关矩阵，用于选择性地将各条相传输线耦合到换能器元件，每个换能器元件与一组波束形成开关相关联，每个波束形成开关连接到不同的相传输线；以及
控制器，其被配置为：
(a)将相位发生器的平均电压水平降低到第一预定阈值以下；
(b)对于每组波束形成开关，将波束形成开关之间的最大电压差降低到第二预定阈值以下；以及
(c)检测何时电压水平低于第一预定阈值和何时电压差低于第二预定阈值，并据此改变打开和闭合开关的激活模式。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述第一预定阈值对应于比±0.5V更接近零的电压。
27.根据权利要求25所述的系统，其中所述第二预定阈值对应于比±0.5V更接近零的电压。
28.根据权利要求25所述的系统，其中所述控制器还被配置为在执行步骤(a)和(b)之后且执行步骤(c)之前暂停超声系统。
29.根据权利要求28所述的系统，其中所述控制器还被配置为在由环境条件或超声参数中的至少一个确定的持续时间内暂停所述超声系统。
30.根据权利要求29所述的系统，其中所述环境条件为环境RF水平。
31.根据权利要求29所述的系统，其中所述环境条件是来自换能器元件的反射。
32.根据权利要求29所述的系统，其中所述控制器还被配置为监测闭合开关上的电压，其中所述环境条件是所监测电压的大小。
33.根据权利要求29所述的系统，其中所述超声参数包括从所述换能器元件之一发射的脉冲的幅度。
34.根据权利要求25所述的系统，其中所述控制器还被配置为在执行步骤(a)之后且执行步骤(b)之前暂停超声系统。
35.根据权利要求25所述的系统，其中所述控制器还被配置为通过使用多组差分开关将相传输线逐步连接在一起来执行步骤(b)，每个差分开关与相传输线中的至少一个相关联。
36.根据权利要求35所述的系统，其中所述波束形成开关或差分开关中的至少一个是MEMS开关。
37.根据权利要求35所述的系统，其中所述波束形成开关或差分开关中的至少一个是CMOS开关。
38.权利要求35所述的系统，其中每组中的差分开关和/或波束形成开关按预定顺序依次被激活。
39.根据权利要求38所述的系统，其中所述预定顺序基于先前的开关顺序。
40.根据权利要求39所述的系统，其中所述预定顺序按当将初始开关激活模式改变为新的开关激活模式时每个差分开关是将相关联的相传输线耦合到另一相传输线的第一差分开关的先前次数确定。
41.根据权利要求39所述的系统，其中所述预定顺序基于每个开关组中的每个差分开关作为牺牲开关的先前次数确定。
42.根据权利要求39所述的系统，其中所述预定顺序通过在将初始开关激活模式改变为新的开关激活模式时每个波束形成开关是被激活的第一波束形成开关的先前次数来确定。
43.根据权利要求25所述的系统，其中在第一波束形成开关闭合而第二波束形成开关打开的一组波束形成开关中，所述控制器还被配置为通过闭合第二波束形成开关并在之后打开第一开关来执行步骤(c)。
44.根据权利要求25所述的系统，其中在第一组波束形成开关闭合而第二组波束形成开关打开的一组波束形成开关中，所述控制器还被配置为通过闭合第二组波束形成开关并在之后打开第一组波束形成开关执行步骤(c)；第二组中的波束形成开关按预定顺序依次闭合。
45.根据权利要求44所述的系统，其中所述预定顺序基于先前的开关顺序。
46.根据权利要求45所述的系统，其中所述预定顺序由所述第二组中每个波束形成开关首先被闭合的先前次数确定。
47.根据权利要求44所述的系统，其中所述预定顺序基于换能器元件的几何形状。
48.根据权利要求47所述的系统，其中所述几何形状包括在所述超声系统中换能器元件的相对位置。
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