CN113924045A - 手持式超声波成像器 - Google Patents

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CN113924045A CN202080038573.7A CN202080038573A CN113924045A CN 113924045 A CN113924045 A CN 113924045A CN 202080038573 A CN202080038573 A CN 202080038573A CN 113924045 A CN113924045 A CN 113924045A
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乔恩·亨利·勒福斯
查尔斯·爱德华·鲍姆加特纳
托马斯·斯蒂芬·塔特
丹妮拉·玛莉莎·弗雷德里克
詹姆斯·艾伦·埃瓦尼什
布莱恩·李·毕考肖
约瑟夫·迈克尔·亚当
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Abstract

描述了超声波换能器模块和手持式超声波成像器，包括用于以便携式、手持式的形状因子产生高质量超声波图像的热和声管理特征。

Description

手持式超声波成像器
交叉引用
本PCT申请要求2019年3月25日提交的美国临时申请第62/823,452号的优先权，其内容通过引用并入本文。
背景技术
医学成像是医学诊断和治疗中拯救生命的工具，但全球约75％的人口无法获得。在过去的几十年里，使用不同模式的成像器已经进入市场。最常见的有x射线(XR)、计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)和超声波。高昂的成本和陡峭的学习曲线阻碍了成像平易化。
发明内容
世界卫生组织(WHO)建议通过部署超声波成像器来解决全球医学成像不足的问题。美国医学超声学会(AIUM)发起了“超声波第一”倡议，倡导将超声波作为患者诊断的有效成像工具。盖茨基金会估计，如果有超声波成像器(个人通信)，非洲99％的婴儿死亡(100万/年)是可以避免的。
尽管当前的每种成像模式都具有不同的强度，但超声波的优势包含：
安全性：无辐射、无电离；
成本：这是可用的最具成本效益的医学成像形式中的一个；
便携性：可以带给患者；
速度：实时成像；
成像应用：广泛的成像应用；
治疗应用：广泛的治疗应用，如高强度聚焦超声波(HIFU)和低强度聚焦超声波(LIFU)；以及
诊断应用：广泛的新兴诊断应用。
超声波和互补成像技术两者的进步有望大幅提高图像质量和分辨率，降低成像器成本，并且改善形状因子(可穿戴装置)，例如，通过透射超声波(断层扫描)和超声波与光的融合，从而在不久的将来为XR、MRI和CT成像器创造更好、更低成本的替代品。将这些硬件进步与人工智能(AI)和机器学习(ML)相结合，将导致一场变革性的成像革命，使便携式超声波更易于使用和解译。
将低成本与高质量成像相结合会带来多重挑战，包含：
1)与传统的超声波工业技术相反，低成本高容量能力要求采用为移动装置开发的组装方法；以及
2)高性能电子装置消耗大量电力，这增加了手持装置的温度，因此需要先进的热管理解决方案。
本文所描述的主题通过多种新颖的设计解决了这两个挑战，其中包含以下领域的创新：
换能器头部包含与ASIC集成并且与人体介接的超声波换能器；
换能器的一侧上的透镜控制超声波束在宽频率(例如，1MHz至12MHz)范围内在体内的聚焦；
换能器另一侧上的吸声器可减少回声反射；
整个成像器组件，使系统能够集成在探头中；以及
热管理使能够降低探头温度，同时使能够高性能成像。
可定制的探头形状，以减少声谱仪操作员常见的重复性伤害。
在一个方面，本文公开了一种用于手持式超声波成像器装置的超声波换能器，其包括换能器元件，所述换能器元件包括压电微机械超声波换能器(pMUT)的阵列。在一些实施方式中，阵列包括至少1个换能器像素。在进一步实施方式中，阵列包括4096个或更多换能器像素。在一些实施方式中，换能器元件被集成到形成换能器瓦片(transducer tile)的专用集成电路(ASIC)上。在进一步实施方式中，在换能器元件下方形成空腔，以提供超声波换能器元件与ASIC的声隔离。在更进一步实施方式中，空腔容纳气体、蒸汽、液体或真空。在一些实施方式中，换能器元件和ASIC之间的集成是通过换能器芯片到ASIC晶片(C2W)、换能器芯片到ASIC芯片(C2C)或换能器晶片到ASIC晶片(W2W)的倒装芯片(flip chip)/直接键合(direct bonding)来实现的。在一些实施方式中，ASIC模块包括连接器，所述连接器使能够通过到ASIC上的专用焊盘的引线键合或通过直接到高密度印刷电路板(PCB)的硅通孔(TSV)连接到外部信号处理电子装置。在一些实施方式中，换能器瓦片安装在换能器基板上。在进一步实施方式中，换能器瓦片通过高声衰减和高热导率吸声器安装在换能器基板上。在进一步实施方式中，换能器瓦片通过多孔金属泡沫材料安装在换能器基板上。在更进一步实施方式中，多孔金属泡沫填充有固体基质，并且其中固体基质可选地含有高声阻抗和低声阻抗粉末的混合物，以提供声散射。在一些实施方式中，换能器基板安装在散热器上。在进一步实施方式中，散热器包括多层散热器结构，所述多层散热器结构具有交替的导电层和绝缘层，所述交替的导电层和绝缘层两者都从换能器瓦片移除热量并且提供多个独立的电源连接。在进一步实施方式中，散热器提供柔性保持以提高冲击和振动期间的可靠性。在一些实施方式中，换能器基板附接到一个或多个高密度亚50微米间距柔性电路，使能够附接到外部信号处理电子装置。在一些实施方式中，超声波换能器还包括包覆成型的多层透镜，所述多层透镜包括多个层，所述多个层包括至少第一层和第二层，第一层具有高于换能器元件且低于第二层的声阻抗，第二层具有高于第一层且低于成像目标的声阻抗；此外，包覆成型的多层透镜可以被配置为聚焦成像光束。在进一步实施方式中，多个层具有目标波长或一组波长的1/4的倍数的厚度，以最大化超声波能量的声传递并且提高低阻抗材料到高阻抗材料的效率。在进一步实施方式中，第一层包括硅基材料。在更进一步实施方式中，第二层包括硅基材料和被添加以提高所述第二层的声阻抗的较高密度的材料。在特定实施方式中，较高密度的材料包括无定形稀土掺杂的氧化铝。
另一方面，本文公开了一种手持式超声波成像器，其包括：壳体；超声波换能器模块，其设置在所述壳体内，并且包括电容性微机械超声波换能器(cMUT)或压电微机械超声波换能器(pMUT)的阵列，所述超声波换能器模块与第一散热器接触并且与第一加热区相关联；多个接收器子系统和发射器子系统，其设置在壳体内并且集成到多层堆叠中，所述多层堆叠与第二散热器接触并且与第二加热区相关联；以及各向异性导热材料，其被配置为将热量从第一加热区移动到第二加热区。在一些实施方式中，各向异性导热材料包括一个或多个热管。在一些实施方式中，各向异性导热材料包括一个或多个热解石墨片(PGS)。在一些实施方式中，手持式超声波成像器被配置为生成具有的功耗低于11W峰值和低于7W平均值的2D、3D、4D、多普勒图像中的一个或多个。在一些实施方式中，手持式超声波成像器还包括各向异性导热材料，以减少第一散热器和第二散热器之间的热耦合。在一些实施方式中，第一散热器包括相变材料。在进一步实施方式中，相变材料包括石蜡、金属基质或其组合。在一些实施方式中，第二散热器包括相变材料。在进一步实施方式中，相变材料包括石蜡、金属基质或其组合。在一些实施方式中，第二散热器充当提供内部刚性结构的主要结构。在一些实施方式中，壳体是包括高热导率材料和低热导率材料的多材料壳体，其中多材料壳体便于从第一加热区到第二加热区的热传递。在一些实施方式中，手持式超声波成像器还包括通过调整可用用户电力以限制过热来主动监测超声波过程以在瞬态加热限制内管理超声波换能器模块加热的逻辑。在一些实施方式中，手持式超声波成像器还包括边框，所述边框被配置为固定设置在壳体内的超声波换能器模块。在进一步实施方式中，手持式超声波成像器还包括边框密封结构，所述边框密封结构包括弹簧结构以提供均匀的力。在一些实施方式中，手持式超声波成像器还包括超声波换能器模块和壳体之间的柔性接头，以吸收力并且提高抗跌落性。在一些实施方式中，多层堆叠提供结构支撑以提高抗跌落性。在一些实施方式中，壳体通过无损壳体切割窗口提供电池更换通道，所述无损壳体切割窗口可在电池更换后通过超声波焊接重新密封。在一些实施方式中，壳体的内表面包括隔热材料，所述隔热材料在用户抓握点处选择性地将内部热源与壳体的外表面隔离。在一些实施方式中，壳体的内表面包括薄膜金属化屏蔽，为设置在壳体内的电子装置提供EMI屏蔽。在一些实施方式中，壳体的外表面包括疏水材料。在一些实施方式中，手持式超声波成像器还包括可移除的操作员手柄。在进一步实施方式中，操作员手柄被定制成适合单个操作员的手。
在另一方面，本文公开了超声波换能器组件，其包括：声匹配层、微机械超声波换能器和中间层。在一些实施方式中，声匹配层具有第一顺应性。在一些实施方式中，声匹配层被配置为抵靠受试者的皮肤放置。在一些实施方式中，微机械超声波换能器具有第二顺应性。在一些实施方式中，中间透镜位于声匹配层和微机械超声波换能器之间。在一些实施方式中，中间透镜包括顺应性大于第一顺应性和第二顺应性的第一材料。在进一步实施方式中，第一材料具有小于100兆帕(MPa)的杨氏模量。在进一步实施方式中，第一材料包含第一多个微米尺寸的颗粒和第二多个纳米尺寸的颗粒。
在进一步实施方式中，第一材料包括弹性材料。在进一步实施方式中，第一材料包括PDMS型硅树脂。在进一步实施方式中，第一材料包括Sylgard 182、RTV 615、RTV 630、Med-6016和/或Med-6755中的一种或组合。在进一步实施方式中，中间透镜具有的声阻抗不同于第一材料的声阻抗。
在一些实施方式中，微机械超声波换能器是电容性微机械超声波换能器(cMUT)。在一些实施方式中，微机械超声波换能器是压电微机械超声波换能器(pMUT)。
附图说明
将通过参考以下阐述了说明性实施方式和附图的详细描述来获得对本主题的特征和优点的更好地理解，在附图中：
图1示出了根据本公开的实施方式的超声波换能器头部组件的分解图的非限制性示例；
图2示出了根据本公开的实施方式的散热器组件的非限制性示例的分解透视图；
图3示出了根据本公开的实施方式的包含到基板的引线键合连接的超声波换能器模块的非限制性示例的透视图；
图4A至图4C示出了根据本公开的实施方式的包含柔性电路和具有柔性保持特征的散热器的超声波换能器模块的非限制性示例的透视图(图4A、图4B)和侧视图(图4C)；
图5示出了根据本公开的实施方式的包含多层透镜的超声波换能器模块的示意图的第一非限制性示例的侧视横截面视图；
图6A和图6B示出了根据本公开的实施方式的包含多层透镜的超声波换能器模块的示意图的第二非限制性示例的侧视横截面视图；
图7示出了根据本公开的实施方式的包含空气空腔的超声波换能器模块的示意图的非限制性示例的侧视横截面视图；
图8示出了根据本公开的实施方式的包含金属泡沫吸收器的超声波换能器模块的示意图的非限制性示例的侧视横截面视图；
图9示出了根据本公开的实施方式的手持式超声波成像器组件的分解图的非限制性示例；
图10示出了根据本公开的实施方式的包含边框和边框密封结构的超声波换能器组件的非限制性示例的透视图；
图11示出了根据本公开的实施方式的包含边框和保持弹簧的超声波换能器组件的分解图的非限制性示例；
图12示出了根据本公开的实施方式的包含边框和保持弹簧的超声波换能器组件的非限制性示例的侧视横截面视图；
图13示出了根据本公开的实施方式的用于包含减震壳体接口的手持式超声波成像器的壳体和边框的分解图的非限制性示例的分解透视图；
图14示出了根据本公开的实施方式的用于包含壳体和边框之间的减震壳体接口的手持式超声波成像器的壳体(探头主体)和边框的放大的组装视图的非限制性示例；
图15示出了根据本公开的实施方式的包含具有定向热流的离散加热区的手持式超声波成像器的示意性横截面视图的非限制性示例；
图16示出了根据本公开的实施方式的手持式超声波成像器的示意性横截面视图的非限制性示例，所述手持式超声波成像器包含双散热器，每个散热器与离散加热区相关联；
图17示出了根据本公开的实施方式的手持式超声波成像器的示意性分解图的非限制性示例，所述手持式超声波成像器包含双散热器，每个散热器与离散加热区相关联；
图18示出了根据本公开的实施方式的包含用于引导热流的热材料的手持式超声波成像器的示意性横截面视图的非限制性示例；以及
图19示出了根据本公开的实施方式的包含可定制操作员手柄的手持式超声波成像器的示意分解图的非限制性示例。
具体实施方式
某些定义
除非另外定义，否则本文中使用的所有技术术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。如本说明书及所属权利要求中所使用的，单数形式的“一个”、“一种”和“所述”包括复数形式，除非上下文另外明确指出。除非另有说明，否则本文中对“或”的任何引用旨在涵盖“和/或”。
超声波换能器
在一些实施方式中，手持式超声波成像器包括超声波换能器模块。在进一步实施方式中，超声波换能器模块包括换能器元件。在更进一步实施方式中，换能器元件被集成到电子电路上，以通过多种合适的方法中的一个形成换能器瓦片。在特定实施方式中，超声波换能器模块包括用于衰减声能和/或热能传递、衰减冲击和/或振动以及提供柔性保持的特征。
参考图1，在特定实施方式中，超声波换能器模块是手持式超声波成像器的子集。在此实施方式中，超声波换能器模块介接在成像探头模块和患者身体之间。换能器元件1适当地包括多个电容性微机械超声波换能器(cMUT)或压电微机械超声波换能器(pMUT)。此外，在此实施方式中，换能器瓦片通过高声衰减和高热导率吸声器5安装在换能器基板上。
参考图5，在特定实施方式中，换能器元件1被集成到电子电路(ASIC)2上，形成换能器瓦片。在此实施方式中，换能器和ASIC之间的互连通过多种合适的方式中的一种来实现，作为非限制性示例，包含换能器芯片到ASIC晶片(C2W)、换能器芯片到ASIC芯片(C2C)以及换能器晶片到ASIC晶片(W2W)的倒装芯片/直接键合。此外，在此实施方式中，使用围绕换能器管芯周边的分配坝9在换能器1下方形成空气空腔10，以提供换能器与ASIC的声隔离。通过调整互连结构的形状、尺寸和材料，可以利用ASIC到换能器的互连结构来提供换能器结构的特定机械阻尼或频率调谐。
参考图2，在特定实施方式中，具有电绝缘层(例如，介电材料210、连接到第一电压源的包含电和热导体220的导电导热层、连接到地或GND连接(第一电压源和第二电压源的参考电压和电流返回路径)的电和热导体221，以及附接到第二电压源的电和热导体222)的多层散热器结构8提供了从瓦片的热移除和到系统的电源连接。在此实施方式中，换能器基板安装在散热器8上，所述散热器8提供柔性保持特征，以提高冲击和振动期间的系统可靠性，参见图1、图2和图4。
参考图3，在特定实施方式中，ASIC通过到ASIC上的专用焊盘的引线键合6，或通过直接到高密度PCB的硅通孔与外部电子装置连接。本文所描述的设计和制造的优点在于，换能器瓦片可在进一步组装之前和集成到手持式超声波成像器之前得到完全测试。
参考图4A至图4C，示出了超声波换能器模块的非限制性示例，所述超声波换能器模块包含耦合到传感器和PCB 420的柔性电路410以及具有柔性保持特征(例如间隙凹口440)的散热器430。在特定实施方式中，换能器基板附接到一个或多个高密度柔性电路410，使能够连接到信号处理电子装置。在一个实施方式中，多层柔性件410可以包含电感器和其他部件，以改善局部电力管理。在另一个实施方式中，柔性件可以包含电感器和其他部件以提高换能器带宽。
透镜
超声波换能器通常与生物体(例如人体)相接，所述生物体的典型阻抗约为1.5MRayl。cMUT和pMUT的阻抗通常小于1.5MRayl。为了将电力从超声波换能器高效地耦合到生物体中，一个或多个声阻抗匹配层是有益的。此外，超声波换能器可能需要将其声能聚焦在身体的某个深度。对于多元件(例如阵列)超声波换能器，我们可能需要将所有元件的波束聚焦在身体的某个深度。在本文所描述的手持式超声波成像器和超声波换能器的一些实施方式中，这些功能和其他功能由制造在超声波换能器表面上的透镜执行。执行这些功能的另外的挑战是需要在较宽的频率范围(例如1-12MHz)上工作，而不是在较窄的频率范围(例如1-5MHz)上工作。
参考图6a，在特定实施方式中，换能器模块用透镜12包覆成型，透镜12包括选定阻抗和声速的多层(图6a中的第1层和第2层)，形成与成像受试者的声匹配并且聚焦成像光束。在此实施方式中，第1层形成透镜，而第2层形成匹配层，并且不提供显著的透镜效应。第1层和第2层的阻抗选择在换能器和生物体阻抗之间，从一个到另一个逐渐增加或减少。例如，在cMUT或pMUT与生物体相比具有低阻抗的典型情况下，第1层的阻抗将大于换能器，第2层的阻抗将大于第1层，但小于生物体的阻抗。可选地，在此实施方式中，第2层可以具有目标波长的1/4的倍数的厚度，以最大化超声波的声传递，并且提高宽带换能器的低阻抗到高阻抗材料的效率，特别是在目标波长处。此外，换能器的成像频率可以选择为一个频率的奇数整数倍，使得第2层的1/4波长厚度适合所有成像频率。例如，这样一组频率可以是：1.8MHz、5.4MHz、9.0MHz、12.6MHz等等。替代地，厚度可以选择为所有成像频率下的1/4波长的奇数倍(1/4、3/4、5/4、7/4等)。
在另一个实施方式中，换能器模块可以具有单层透镜(类似于图6a，仅第1层，并且没有第2层)。此透镜将充当透镜和匹配层两者。
在图6a详细描述的实施方式中，第1层和第2层的顺应性通常高于它们所在的cMUT和/或pMUT。此外，第2层设计成抗磨损和撕裂，因为它暴露于外界环境，包含频繁和长时间接触生物体，意外跌落冲击，以及暴露于许多化学物质(包含清洗液)。因此，为了防止此类磨损和撕裂，外层的顺应性通常低于第1层。在一些实施方式中，第1层的杨氏模量在0.1和100兆帕之间；第2层比第1层更硬，并且可以具有例如0.1MPa至100MPa之间的杨氏模量；并且，第2层上的另外的层甚至可以更硬，例如，具有0.1MPa至100MPa之间的杨氏模量。
图6a的基本实施方式可以扩展到如图6b中所示的多个层，例如第3层到第n-2层、第n-1层和第n层。如果每层的厚度在整个表面上是可变的，则每层可以充当透镜和匹配层，以聚焦或散焦换能器声输出(例如，具有球形或圆柱形形状，如由图6b中的第1层和第n-1层所描绘的)。如果所述层基本上是一个厚度(诸如第2层和第n层)，则所述层主要提供阻抗匹配功能(与透镜功能相反)。每层可以可选地含有纳米尺寸的颗粒，诸如LCP(液晶聚合物)、氧化铝珠、钨珠、真空纳米珠等。
在一些实施方式中，包覆成型的多层透镜是通过这样一种过程生产的，其中第一层是通过在pMUT周围形成堤坝并且用硅基材料填充所述堤坝来形成的。在进一步实施方式中，所述层被形成为平坦层，所述平坦层不仅保护引线键合和pMUT，而且具有的阻抗接近低阻抗pMUT的阻抗(例如，约1MRayl)。还可以使用预制框架来制造透镜，所述预制框架为换能器提供结构稳定性，并且使透镜材料能够分配到框架结构中。选择框架尺寸来设置透镜厚度，并且可以选择填充材料来通过利用透镜和框架材料之间的表面张力的变化来提供透镜的成形。此第一透镜结构然后可由铸件包覆成型以提供第二透镜结构和形状。
在进一步实施方式中，另外的层被粘附到平坦层，并且被选择为具有朝着人体阻抗逐步增加的阻抗，并且被成形为在宽范围的频率和聚焦深度上最大化转变。包覆成型方法降低了成本，并且便于高容量制造，以满足全球对医学成像的需求。为了隔离阵列中的相邻换能器传输声能，透镜模制过程可以用于填充在换能器制造过程期间形成的换能器之间的声隔离通道。
再次参考图6a和图6b，在特定实施方式中，包覆成型的多层透镜12具有从低阻抗pMUT到人体的较高阻抗的阻抗阶跃。在其他实施方式中，第一层包括硅基材料，而第二层、第三层等使用包括相同硅基材料(其中添加了一种或多种较高密度的材料以将阻抗提高到更接近人体的阻抗)的第二、第三材料等。在特定实施方式中，较高密度的材料包括具有无定形结构的稀土掺杂的氧化铝，由于两种材料的结构相似，这导致较少的散射。此外，所述材料的几何结构是球形和玻璃状的，这减少了团聚，因此减少了由超声波能量散射引起的衰减损失。
声管理
通常，超声波换能器在两个方向上辐射能量：朝向患者身体的前部，以及朝向包装的后部。患者图像是由向前方辐射的能量的超声波反射形成的。如果存在强烈的背反射，它们会使患者图像失真。本文所描述的手持式超声波成像器和超声波换能器模块可选地包含减少背反射的多个特征中的一个或多个。
参考图7，在一个实施方式中，空气空腔声反射镜15或真空结构15被制造在换能器瓦片22下方，以提供均匀的声反射，减少使患者图像失真的背反射。
继续参考图7，在进一步实施方式中，在基板结合部内具有中心空气空腔或真空空腔的高热导率基板21位于换能器瓦片22和散热器(图7中未示出)之间，使得空气空腔或真空空腔传输很少或不传输声能，而热量可以通过基板21的顶部、底部和边缘围绕空气空腔或真空空腔的周边传输。在一些实施方式中，高热导率基板21可以夹在管芯附接膜DAF之间。
在一些实施方式中，通过在ASIC的后表面上蚀刻的凹穴来实现背反射的减少。在进一步实施方式中，ASIC位于声换能器下方，其中ASIC的前表面抵靠换能器安装，并且ASIC的后表面抵靠可以含有吸声材料的散热器安装。在更进一步实施方式中，ASIC的后表面包括蚀刻到表面中的凹穴，以在ASIC和散热器之间形成空气空腔来减少从ASIC到散热器的声能传播。还可在PMUT后表面上制造涂层，以提供在不同密度的材料的多层上制成的吸声。
在一些实施方式中，通过在ASIC的后表面上的蚀刻凹穴加上吸声器中的凹穴来实现背反射的减少。在进一步实施方式中，ASIC位于声换能器下方，并且ASIC的前表面抵靠换能器安装，并且ASIC的后表面抵靠含有吸声材料的散热器安装。在更进一步实施方式中，ASIC的后表面具有蚀刻到表面中的凹穴，以在ASIC和散热器之间形成空气空腔，并且散热器由含有吸声材料的凹穴构成。在此类实施方式中，两个结构对准，使得吸声材料凹穴之间的肋覆盖蚀刻到ASIC中的空腔。目标是改善从ASIC到吸声器背衬的热传输，同时减少声能在这些基板之间的传输。
参考图8，在特定实施方式中，换能器瓦片22通过金属泡沫结构24安装在PCB 23上，所述金属泡沫结构24集成了用作吸声器的低密度和高密度的材料，同时表现出高热导率。在此实施方式中，多孔金属泡沫18放置在声换能器的后面以提供导热路径，从而允许热量从ASIC传送到位于ASIC后面的散热器中。此外，在此实施方式中，多孔金属泡沫填充有固体基质19(诸如环氧树脂或聚氨酯或硅树脂)，并且所述基质可选地含有高声阻抗和低声阻抗粉末的混合物，以便提供声散射。
继续参考图8，在进一步实施方式中，吸声器23减少了换能器瓦片22和PCB 23之间的CTE失配的影响。在此实施方式中，通过选择具有中间CTE的吸声器来解决ASIC和PCB之间的CTE失配，使得吸声器不仅用于减少从ASIC移动到PCB的声能，还用于减少接口处的热应力。吸收器也可以被调配为提供CTE，从而将应力调节到特定水平，以管理换能器相对于特定目标的曲率。
参考图7和图8，在进一步实施方式中，高声阻抗声材料24被放置在ASIC 2和PCB23之间，形成声反射器(图7、图20)。在此实施方式中，由于反射器和ASIC之间的接口处的阻抗不匹配，穿过ASIC的声能被强烈地反射回患者。候选的高阻抗材料包含但不限于钨和碳化钨。声反射器20可以单独使用来代替吸声器(图8、图24)，或可以与吸声器结合使用。
手持式超声波成像器
在一些实施方式中，本文所描述的手持式超声波成像器能够利用换能器模块扫描患者身体，并且根据探头中的换能器信号进行图像重建，将图像发送到移动计算装置(诸如，智能电话)进行显示和后处理。为了生成高质量的2D/3D/4D/多普勒图像，换能器模块必须包含大量换能器像素(例如，4096个)以及发射和接收通道(例如，128个)。在此类实施方式中，大量的通道增加了功耗，这又增加了探头温度。此外，3D/4D/多普勒图像的处理进一步增加了处理能力需求。美国FDA将接触患者身体的表面温度限制为42℃，并且将接触操作员手柄的表面温度限制为48℃。传统手持式2D成像器耗能2W以下。传统的3D/4D/多普勒超声波成像器耗能1000W级别。为了满足FDA温度要求，在一些实施方式中，本文所描述的2D/3D/4D/多普勒手持式超声波成像器使用先进的电子装置将平均功耗降低到10W以下，并且在一些实施方式中，使用先进的热管理和封装来将装置温度保持在所述温度限制。在一些实施方式中，本文所描述的手持式超声波成像器具有约6W到约7W的平均最大功耗。在一些实施方式中，本文所描述的手持式超声波成像器具有约10W的峰值功耗。
参考图9，在特定实施方式中，手持式超声波成像器包括具有壳体形状25的多材料壳体28，并且通过经由后部的USB-C端口触及的单个紧固件保持在一起。在此实施方式中，内部散热器结构27充当探头的主要结构以提供使能更薄壳体设计的内部刚性结构。在此实施方式中，接收器和发射器子系统的多层堆叠被集成到多层堆叠26中，多层堆叠26提供结构支撑以提高抗跌落性。在一些实施方式中，壳体28的设计在用户抓握点处选择性地将内部热源与壳体表面隔离，其中在抓握点和壳体之间的壳体内部进行隔离。在一些实施方式中，壳体28的形状通过最小化壳体颈部尺寸和抓握点的放置来减少重复性伤害，从而在用户向患者施加力的期间限制手腕偏离中立位置。
参考图10至图12，在特定实施方式中，手持式超声波成像器包括边框密封结构30，所述边框密封结构30利用弹簧结构或保持弹簧1110提供均匀的力，所述弹簧结构或保持弹簧1110向边框密封结构30施加弹簧力1210，作为响应，所述边框密封结构30在散热器/传感器模块组件上施加法向力。
参考图13和14，在特定实施方式中，手持式超声波成像器包括在传感器模块组件1310和主探头1410主体之间设计的柔性接头31、32，以在跌落测试期间吸收力，从而提高可靠性。
在一些实施方式中，壳体包括在内壳体表面上的薄膜金属化屏蔽结构，所述内壳体表面上的薄膜金属化屏蔽结构为内部电子装置提供EMI屏蔽。在一些实施方式中，壳体包括疏水表面。在一些实施方式中，壳体通过无损壳体切割窗口提供电池更换通道，所述无损壳体切割窗口可在电池更换后通过超声波焊接重新密封。
热管理
手持式超声波成像器面临由美国FDA设定的最高安全温度限制，在接触患者的表面上为42℃，并且在操作员使用的手柄上为48℃。简单来说，更高的图像质量需要增加电子装置的功耗，这继而增加探头温度。在各种实施方式中，本文所描述的手持式超声波成像器采用多种新的降温技术，以在便携式、手持式形状因子中实现更好的图像质量。
参考图15，在特定实施方式中，手持式超声波成像器利用离散加热区33之间的定向热流。
参考图16和图17，在特定实施方式中，手持式超声波成像器包括具有独立散热器的两个独立加热区。在此实施方式中，加热区1 34包含换能器头部电路组件。并且，在此实施方式中，加热区2 35包含系统电子装置。散热器1 36仅附接到加热区1 34中的部件。散热器2 37仅附接到加热区2 35中的部件。通过切断从加热区1 34到加热区2 35的任何高导热链接来隔离加热区1和加热区2。机械支撑由主体1 38中的低热导率材料制成，而热量借助于具有各向异性热导率的高导热材料40从加热区1被引导到高热导率主体2 39。一个方向的热流被增强，而另一个方向的热流被抑制。这使能够使用广泛可用的材料以高效的方式远离加热区1 34引导热量，同时进出加热区2 35的耦合受到限制。热量可以沿着特定方向穿过各向异性材料，从而使加热区离散化。
参考图18，在特定实施方式中，手持式超声波成像器包括结合在芯片41和系统板42之间的各向异性导热材料40(并且用粘合剂1810耦合在一起)，以将热量从半导体芯片扩散开，减少散热器1 36和散热器2 37之间的热耦合。在一些实施方式中，各向异性导热材料40包括热解石墨片(PGS)、热管或其组合。
在一些实施方式中，手持式超声波成像器包括用于瞬态热控制的相变材料。在进一步实施方式中，手持式超声波成像器包括具有嵌入相变材料的散热器，所述具有嵌入相变材料的散热器通过使用潜热现象来扩展换能器头部的瞬态热性能。由于具有约40℃的熔化温度的未熔化材料的贮存器，散热器提供比固体铜或铝更长的时间常数。散热器中相变材料的体积决定了散热器基座附近接口的瞬态行为。在进一步实施方式中，合适的相变材料包含可以被配置为各种熔点温度的石蜡(蜡)，以及具有低熔点温度的金属基质，诸如铋、铟和其他材料。
在一些实施方式中，手持式超声波成像器包括组合式吸声器和热管理解决方案。在进一步实施方式中，手持式超声波成像器包括利用潜热现象的传热装置，诸如蒸汽室或扁平热管。所述设备可选地包括在壁上具有“芯”结构的铜外部壳体，以便于特定温度下的蒸发/冷凝。所述设备具有密封的内部容积，以在一定的大气压力下可以保持少量的液体，这是在感兴趣的温度下产生沸腾所必需的。所述组件固有的内部气隙可以用于反射或衰减撞击声波。在一些情况下，包含气隙是组件声特性的关键。在此类实施方式中，蒸汽室功能的好处是在维持声吸收或反射的同时增强了热传递。使用蒸汽室的热传递比固体铜块高得多。此可选特征允许使用高导热组件，同时维持应用装置正下方的气隙。
在一些实施方式中，手持式超声波成像器包括具有集成散热器的两部分式探头主体。在进一步实施方式中，手持式超声波成像器包括具有混合材料的手持式探头主体，所述混合材料用于辅助将热流与两个或更多个离散的热源分离。此实施方式包含低热导率材料，所述低热导率材料以允许热量传递到高热导率部件同时隔离单独的热源的方式结合到高热导率材料。这具有将同一外壳中的两个或更多个源的热流路径分开的效果。高热导率材料可以增加机械特征(诸如翅片或肋)，以增加对流热损失。此实施方式可选地与本文所描述的其他热管理选项结合使用，以允许分离的且定向的热流。
在一些实施方式中，主动监测超声波程序期间的温度，并且应用瞬态加热限制来调整可用电力以限制过热。
在一些实施方式中，散热器包括在换能器基板下方的肋状部段和将热量远离换能器基板传导的延伸板。在一些实施方式中，与超声波换能器模块接触的散热器包括具有棱锥形状的肋，以将热量远离换能器基板引导。
电池
在手持式超声波成像器中，电池操作具有挑战性。手持式超声波成像器应足够小和足够轻，以减少和防止操作员受伤，但必须供应足够的电力，以生成医学上有用的图像，以及甚至治疗效果。在一些实施方式中，本文所描述的手持式超声波成像器包括主电池和备用电池，从而提供电池冗余。
在一些实施方式中，一个或多个电池包括经由USB-C端口介接的外部扁平封装/共形样式。在此类实施方式中，电池变成新的外皮并且增加外部尺寸。在进一步实施方式中，电池经由塑料壳体中的模制特征提供机械吸震。
在一些实施方式中，一个或多个电池包含经由用于120/240伏插座的内置插脚的快速再充电能力。在进一步实施方式中，手持式超声波成像器使用内部电路来管理电荷。在各种实施方式中，USB-C端口包括便于插入电源进行充电的USB-C刀片或USB-C软线。
在一些实施方式中，手持式超声波成像器包括内部电池室，所述内部电池室与内部的其余部分分开并且密封，具有用于电池维修的工厂可触及的外部开口。
操作员手柄
传统的医学超声波成像使用多种探头与患者的身体相接。探头的形状通常针对被成像的身体部位进行优化，并且当前的系统使用多个探头。尽管优化了用于对特定身体器官进行成像的探头，但近85％进行超声波成像的声谱仪操作员经历了与工作相关的疼痛；他们中的90％在职业生涯的一半以上都经历过与工作相关的疼痛。根据SDMS在2000年的一项里程碑式的研究，每五个声谱仪操作员中就有一个遭受与职业生涯终结相关的伤害，声谱仪操作员在经历疼痛之前的平均职业时间是五年，所述研究基于美国和加拿大的10,000名参与者的反应。
2017年出现了一种新型探头，一种能够对13个身体器官进行成像的通用超声波成像器。较新的探头可以用单个探头瞄准更多的身体器官。然而，这将增加声谱仪操作员的问题，因为一个探头形状不能针对广泛的应用进行优化，增加了声谱仪操作员的手的压力。在一些实施方式中，本文所描述的手持式超声波成像器减少了由于使用通用成像器而导致的操作员健康问题。
参考图19，在特定实施方式中，手持式超声波成像器包括超声波换能器模块43和可附接到成像器壳体44的可定制操作员手柄45，该部分传统上与声谱仪操作员/操作员的手相接。修改成像器壳体44以使能够插入可定制的操作员手柄(例如，将操作员手柄45滑动并且扣合到成像器壳体44上)，提供多个操作员手柄的选项，每个操作员手柄针对特定应用和特定操作员进行了优化。此类实施方式通过将3D操作员手图像发送到配备有合适优化软件的3D手柄打印店，进一步使到操作员手的操作员手柄45能够优化。此外，此类实施方式使操作员手柄45能够个性化。
在此类实施方式中，单独的操作员手柄的另外的好处是允许的成像器功耗的增加，这对于更高的帧速率和3D成像很重要。操作员手柄可选地由隔热和反射材料制成，允许手柄电子装置外壳温度高于接触操作员手的表面温度。
尽管已经在本文中示出和描述了本发明的优选实施方式，但是对于本领域技术人员而言容易理解的是，这些实施方式仅以示例的方式提供。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员现在将想到许多变化、改变和替换。应理解，本文所述的本发明的实施方式的各种可替选方案可以用于实施本发明。

Claims (53)

1.一种用于手持式超声波成像器装置的超声波换能器，包括换能器元件，所述换能器元件包括压电微机械超声波换能器(pMUT)的阵列。
2.根据权利要求1所述的超声波换能器，其中所述阵列包括多个换能器像素。
3.根据权利要求1所述的超声波换能器，其中所述阵列包括4096个或更多个换能器像素。
4.根据权利要求1所述的超声波换能器，其中所述换能器元件被集成到形成换能器瓦片的专用集成电路(ASIC)上。
5.根据权利要求4所述的超声波换能器，其中在所述换能器元件下方形成空腔，以提供所述超声波换能器元件与所述ASIC的声隔离。
6.根据权利要求5所述的超声波换能器，其中所述空腔容纳气体、蒸汽、液体或真空。
7.根据权利要求4所述的超声波换能器，其中所述换能器元件和所述ASIC之间的所述集成是通过换能器芯片到ASIC晶片(C2W)、换能器芯片到ASIC芯片(C2C)或换能器晶片到ASIC晶片(W2W)的倒装芯片/直接键合来实现的。
8.根据权利要求4所述的超声波换能器，其中所述ASIC被集成到包括连接器的模块中，所述连接器使能够通过到所述ASIC上的专用焊盘的引线键合或通过直接到高密度印刷电路板(PCB)的硅通孔(TSV)连接到外部信号处理电子装置。
9.根据权利要求4所述的超声波换能器，其中所述换能器瓦片安装在换能器基板上。
10.根据权利要求9所述的超声波换能器，其中所述换能器瓦片通过高声衰减和高热导率吸声器安装在所述换能器基板上。
11.根据权利要求9所述的超声波换能器，其中所述换能器瓦片通过多孔金属泡沫材料安装在所述换能器基板上。
12.根据权利要求11所述的超声波换能器，其中所述多孔金属泡沫填充有固体基质。
13.根据权利要求12所述的超声波换能器，其中所述固体基质含有高声阻抗和低声阻抗粉末的混合物以提供声散射。
14.根据权利要求9所述的超声波换能器，其中所述换能器基板安装在散热器上。
15.根据权利要求14所述的超声波换能器，其中所述散热器包括多层散热器结构，所述多层散热器结构具有交替的导电层和绝缘层，所述导电层和绝缘层两者从所述换能器瓦片移除热量并且提供多个独立的电源连接。
16.根据权利要求14所述的超声波换能器，其中所述散热器提供柔性保持以提高冲击和振动期间的可靠性。
17.根据权利要求9所述的超声波换能器，其中所述换能器基板附接到一个或多个高密度亚50微米间距柔性电路，使能够附接到外部信号处理电子装置。
18.根据权利要求1所述的超声波换能器，还包括包覆成型的多层透镜，所述多层透镜包括多个层，所述多个层包括至少第一层和第二层，所述第一层具有高于所述换能器元件且低于所述第二层的声阻抗，所述第二层具有高于所述第一层且低于成像目标的声阻抗，其中所述包覆成型的多层透镜可选地被配置为聚焦成像光束。
19.根据权利要求18所述的超声波换能器，其中所述多个层具有目标波长或波长组的1/4的倍数的厚度，以最大化超声波能量的声传递并且提高所述低阻抗材料到所述高阻抗材料的效率。
20.根据权利要求18所述的超声波换能器，其中所述第一层包括硅基材料。
21.根据权利要求20所述的超声波换能器，其中所述第二层包括所述硅基材料和被添加以提高所述第二层的所述声阻抗的较高密度的材料。
22.根据权利要求21所述的超声波换能器，其中所述较高密度的材料包括无定形稀土掺杂的氧化铝。
23.一种手持式超声波成像器，包括：
a)壳体；
b)超声波换能器模块，所述超声波换能器模块设置在所述壳体内并且包括电容性微机械超声波换能器(cMUT)或压电微机械超声波换能器(pMUT)的阵列，所述超声波换能器模块与第一散热器接触并且与第一加热区相关联；
c)多个接收器子系统和发射器子系统，所述多个接收器子系统和发射器子系统设置在所述壳体内并且集成到多层堆叠中，所述多层堆叠与第二散热器接触并且与第二加热区相关联；以及
d)各向异性导热材料，所述各向异性导热材料被配置为将热量从所述第一加热区移动到所述第二加热区。
24.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，其中所述各向异性导热材料包括一个或多个热管。
25.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，其中所述各向异性导热材料包括一个或多个热解石墨片(PGS)。
26.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，被配置为生成具有的功耗低于11W峰值和低于7W平均值的2D、3D、4D、多普勒图像中的一个或多个。
27.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，还包括各向异性导热材料以减少所述第一散热器和所述第二散热器之间的热耦合。
28.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，其中所述第一散热器包括相变材料。
29.根据权利要求28所述的手持式超声波成像器，其中所述相变材料包括石蜡、金属基质或其组合。
30.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，其中所述第二散热器充当提供内部刚性结构的主要结构。
31.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，其中所述壳体是包括高热导率材料和低热导率材料的多材料壳体，其中所述多材料壳体便于从所述第一加热区到所述第二加热区的热传递。
32.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，还包括通过调整可用用户电力以限制过热来主动监测超声波过程以在瞬态加热限制内管理超声波换能器模块加热的逻辑。
33.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，还包括边框，所述边框被配置为固定设置在所述壳体内的所述超声波换能器模块。
34.根据权利要求33所述的手持式超声波成像器，还包括边框密封结构，所述边框密封结构包括弹簧结构以提供均匀的力。
35.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，还包括超声波换能器模块和壳体之间的柔性接头，以吸收力并且提高抗跌落性。
36.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，其中所述多层堆叠提供结构支撑以提高抗跌落性。
37.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，其中所述壳体通过无损壳体切割窗口提供电池更换通道，所述无损壳体切割窗口能够在电池更换后通过超声波焊接重新密封。
38.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，其中所述壳体的内表面包括隔热材料，所述隔热材料在用户抓握点处选择性地将内部热源与所述壳体的外表面隔离。
39.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，其中所述壳体的内表面包括薄膜金属化屏蔽，所述薄膜金属化屏蔽为设置在所述壳体内的电子装置提供EMI屏蔽。
40.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，其中所述壳体的外表面包括疏水材料。
41.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，还包括可移除的操作员手柄。
42.根据权利要求41所述的手持式超声波成像器，其中所述操作员手柄被定制成适合单个操作员的手。
43.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，其中所述第二散热器包括相变材料。
44.根据权利要求43所述的手持式超声波成像器，其中所述相变材料包括石蜡、金属基质或其组合。
45.一种超声波换能器组件，包括：声匹配层，所述声匹配层包括具有第一顺应性的材料，其中所述声匹配层被配置为抵靠受试者的皮肤放置；微机械超声波换能器，所述微机械超声波换能器具有第二顺应性；以及中间透镜，所述中间透镜在所述声匹配层和所述微机械超声波换能器之间，其中所述中间透镜包括第一材料，该第一材料顺应性大于所述第一顺应性和所述第二顺应性。
46.根据权利要求45所述的超声波换能器组件，其中所述第一材料包括弹性材料。
47.根据权利要求45所述的超声波换能器组件，其中所述第一材料包括PDMS型硅树脂。
48.根据权利要求45所述的超声波换能器组件，其中所述第一材料包括Sylgard 182、RTV 615、RTV 630、Med-6016和/或Med-6755中的一种或组合。
49.根据权利要求45所述的超声波换能器组件，其中所述微机械超声波换能器是电容性微机械超声波换能器(cMUT)。
50.根据权利要求45所述的超声波换能器组件，其中所述微机械超声波换能器是压电微机械超声波换能器(pMUT)。
51.根据权利要求45所述的超声波换能器组件，其中所述第一材料具有小于100兆帕(MPa)的杨氏模量。
52.根据权利要求45所述的超声波换能器组件，其中所述第一材料包含第一多个微米尺寸的颗粒和第二多个纳米尺寸的颗粒。
53.根据权利要求45所述的超声波换能器组件，其中所述中间透镜具有的声阻抗不同于所述第一材料的声阻抗。
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