CN114073544A - 柔性超声波换能器及其制造方法 - Google Patents

柔性超声波换能器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及柔性超声波换能器及其制造方法。本发明的一实施例所涉及的柔性超声波换能器包括：基板，其形状具有中心部以及从所述中心部延伸的长的多个延伸部；超声波探头，位于所述基板的中心部，且用于获得关心区域的超声波图像；以及聚焦超声波输出部，位于所述基板的延伸部，且构成为向所述关心区域输出聚焦超声波，位于所述基板的延伸部的聚焦超声波输出部具有柔性特性且能够变形。根据实施例的结构，能够同时执行超声波成像和刺激或去除病变之类的超声波治疗，能够通过柔软的移动来调整聚焦超声波的焦点位置或提高焦点灵敏度。

Description

柔性超声波换能器及其制造方法
技术领域
本发明涉及超声波换能器及其制造方法，更详细而言，涉及双重模式超声波换能器及其制造方法，该双重模式超声波换能器具备配置在基板的中心部的超声波探头、和配置在具有柔性特性的基板的延伸部的聚焦超声波输出部，能够同时执行超声波图像获得和聚焦超声波治疗。
国家支持的研发说明
本研究在韩国科学技术研究院的主管下进行，得到了科学技术信息通信部的生物和医疗技术开发项目(使用半导体技术的超声波探测器和附着型设备的开发，项目标识号：1711093060、1711105874)的支持。
背景技术
超声波探头构成为超声波换能器(transducer)的排列，各个超声波换能器能够同时发挥向关心区域输出超声波束的发射器(transmitter)以及接收从所述关心区域内的物体反射回来的超声波束的接收器(receiver)的作用。通过计算超声波束的收发时间点，就能够测量超声波的往返时间，并且能够基于此来生成关心区域内物体的图像信息。这样生成的超声波图像信息能够通过显示器来进行可视化。超声波探头由于能够以无创方式拍摄身体内部，因此在医疗领域得到了广泛应用。
而在现有技术中，为了执行缓解患者的疼痛或者对特定身体部位的神经细胞进行刺激的治疗方法，而采用对患者的身体插入电极等方法，但存在由于这种物理性创伤过程而导致身体受损的可能性。近年来，正广泛使用没有物理性创伤过程也能够刺激患部的超声波刺激治疗法。超声波可以根据其强度而分为高强度聚焦超声波(High-intensityFocused Ultrasound；HIFU)和低强度聚焦超声波(Low-intensity Focused Ultrasound；LIFU)，已知高强度聚焦超声波用于以物理方式去除癌细胞、肿瘤、病变等的活组织的直接性治疗，而低强度聚焦超声波能够在不导致身体组织坏死的情况下依然得到医学效果。例如，能够利用低强度聚焦超声波以无创方式治疗认知障碍、焦虑症、抑郁症等神经性疾病，或者利用高强度聚焦超声波以无创方式去除病变。
然而，现有的基于聚焦超声波的治疗方法并非是实时掌握病变的位置而直接去除的方式，而是需要医护人员一边观察提前通过CT或MRI拍摄的患者的身体内部照片一边进行手术，所以不可避免地导致精度降低，而且由于无法准确掌握病变与其他组织的边界，所以存在原本无需切开的在功能上重要的组织受损的风险。
发明内容
本发明的目的在于，提供双重模式柔性超声波换能器及其制造方法，能够同时执行超声波图像的获得和基于聚焦超声波的治疗，能够通过柔软的移动来调节焦点位置或提高焦点灵敏度。
一实施例所涉及的柔性超声波换能器包括：基板，其形状具有中心部以及从所述中心部延伸的长的多个延伸部；超声波探头，其位于所述基板的中心部，且用于获得关心区域的超声波图像；以及聚焦超声波输出部，其位于所述基板的延伸部，且构成为向所述关心区域输出聚焦超声波，位于所述基板的延伸部的聚焦超声波输出部具有柔性特性且能够变形。
根据一实施例，所述超声波探头可以包括以朝向所述关心区域输出成像超声波的方式构成的多个成像超声波输出元件的排列。
根据一实施例，所述超声波探头可以包括所述多个成像超声波输出元件配置成线形的一维排列或者所述多个超声波输出元件配置成圆形或四边形的二维排列。
根据一实施例，所述聚焦超声波输出部可以包括以向所述关心区域输出治疗用聚焦超声波的方式构成的多个聚焦超声波输出元件的排列。
根据一实施例，所述基板的延伸部可以具有隔开固定间隔而形成的多个沟槽结构，所述聚焦超声波输出部可以包括柔性物质层，所述柔性物质层覆盖所述多个沟槽结构以及所述多个聚焦超声波输出元件的排列。
根据一实施例，所述聚焦超声波输出部可以在所述基板的延伸部的下方还包括加强层，所述加强层由热膨胀系数大于所述柔性物质层的物质构成。
根据一实施例，所述治疗用聚焦超声波可以为用于以低强度刺激所述关心区域的低强度聚焦超声波(Low-intensity Focused Ultrasound；LIFU)或者用于以物理方式去除所述关心区域内的病变的高强度聚焦超声波(High-intensity Focused Ultrasound；HIFU)。
根据一实施例，所述成像超声波输出元件以及所述聚焦超声波输出元件可以为微加工超声波换能器(Micromachined Ultrasound Transducer；MUT)。
一实施例所涉及的柔性超声波换能器的制造方法包括：提供基板的步骤；在所述基板上以固定的间隔配置多个聚焦超声波输出元件的步骤；在所述多个聚焦超声波输出元件上形成光刻胶的步骤；对所述基板进行蚀刻而在所述多个聚焦超声波输出元件之间形成多个沟槽结构的步骤；以及形成对所述多个沟槽结构以及所述多个聚焦超声波输出元件进行覆盖的柔性物质层的步骤。
根据一实施例，所述超声波输出元件可以是微加工超声波换能器。
根据一实施例，所述柔性物质层可以由包括PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)、聚氨基甲酸酯(polyurethane)、聚酯纤维(polyester)以及它们的混合物中的至少一个的弹性聚合体构成。
根据一实施例，还可以包括在所述基板的下方形成加强层的步骤，所述加强层由热膨胀系数大于所述柔性物质层的物质构成。
根据一实施例，还可以包括对所述柔性物质层以及所述加强层加热而使所述柔性超声波换能器弯曲的步骤。
根据本发明的一实施例，提供具有如下结构的柔性超声波换能器，即，能够同时执行超声波成像和超声波治疗(例如利用LIFU或者HIFU来刺激或者去除病变)，通过柔软的移动，用户能够任意调整聚焦超声波的焦点位置或者提高超声波成像和治疗所需的焦点灵敏度。
附图说明
图1是示出一实施例所涉及的柔性超声波换能器的结构的图。
图2是示出利用一实施例所涉及的柔性超声波换能器的配置在基板中心部的超声波探头来检测病变的样子的图。
图3A以及图3B是示出另一实施例所涉及的柔性超声波换能器的结构的图。
图4是示出一实施例所涉及的柔性超声波换能器的配置在基板延伸部的聚焦超声波输出部的剖面的图。
图5是示出通过一实施例所涉及的柔性超声波换能器的基板延伸部的柔软的移动来调整焦点位置的样子的图。
图6A至图6F是示出一实施例所涉及的柔性超声波换能器的制造方法中的部分过程的图。
图7是拍摄一实施例所涉及的柔性超声波换能器的剖面结构得到的电子显微镜照片。
具体实施方式
下面，以本发明能够实施的特定实施例为示例且参照附图对本发明进行说明。对这些实施例进行充分说明，以使本领域技术人员能够实施本发明。本发明的多种实施例虽然不同，但应理解它们不需要相互排他。例如，这里记载的特定形状、结构和特性在不脱离本发明的构思和范围的情况下，能够变更为其他实施例来实现。另外，应理解，公开的各个实施例内的单个结构要素的位置或者配置能够在不脱离本发明的构思和范围的情况下进行变更。因此，下文中的详细说明并不是指限定性含义，若要对本发明的范围进行合理说明，则为仅被与权利请求范围所要求的所有等同范围以及随附的权利请求范围所限定。附图中，相似的附图标记表示在各个方面上具有相同或相似的功能。
下面，参照附图对实施例进行详细说明，但想要要求的的范围不会被实施例限制或限定。
图1是示出一实施例所涉及的柔性超声波换能器的结构的图。
参照图1，一实施例所涉及的柔性超声波换能器包括：基板，其形状具有中心部10以及从所述中心部10延伸的长的多个延伸部20；超声波探头100，位于所述基板的中心部10，且用于获得关心区域的超声波图像；以及聚焦超声波输出部200，位于所述基板的延伸部20，且构成为向关心区域输出聚焦超声波。位于延伸部20的聚焦超声波输出部200由于具有柔性(flexible)特性和弹性，因此能够容易发生变形或恢复。
图2是示出利用一实施例所涉及的柔性超声波换能器的位于基板中心部的超声波探头100来检测病变的样子的图。
参照图2，超声波探头100构成为多个成像超声波输出元件110的排列。各个成像超声波输出元件110朝向关心区域输出超声波，输出的超声波束被位于行进路径的物体(例如，病变、肿瘤、脏器等)反射而返回到超声波探头100。超声波探头100基于超声波的往返时间信息来检测物体的位置或形状。与超声波探头100连接的处理装置能够实时获得所述物体的位置以及形状信息并通过显示器来进行可视化。在基板的中心部，通过这种方式利用超声波探头来检测病变。
图1以及图2中示出的超声波探头100具有多个成像超声波输出元件以线形并排配置而成的一维排列结构。根据一实施例，一维排列结构的超声波探头在进行拍摄的同时进行360°旋转，由此能够获得针对关心区域的二维图像(平面图像)。
图3A以及3B是示出另一实施例所涉及的柔性超声波换能器的结构的图。
参照图3A，位于基板的中心部10的超声波探头100可以具有多个成像超声波输出元件以圆形配置而成的二维排列结构。该情况下，不同于图1、图2的一维排列结构，超声波探头在不旋转的情况下也能够获得关心区域的二维图像。
参照图3B，配置在基板的中心部10的超声波探头100可以具有多个成像超声波输出元件以四边形配置而成的二维排列结构。该情况下，与图3A的结构同样，也能够获得关心区域的二维图像。
图4是示出一实施例所涉及的柔性超声波换能器的在基板延伸部配置的聚焦超声波输出部的剖面的图。图4是将图1中位于基板延伸部20的聚焦超声波输出部200的一部分沿着虚线A-A’示出的剖视图。
参照图4，基板的延伸部20具有隔开固定间隔而形成的多个沟槽(trench)结构。沟槽结构在换能器的制造工序中被柔性物质、例如包括PDMS(polydimethylsiloxane：聚二甲基硅氧烷)、聚氨基甲酸酯(polyurethane)、聚酯纤维(polyester)以及它们的混合物中的至少一个的弹性聚合体填充，由此形成的柔性物质层220覆盖沟槽结构以及聚焦超声波输出元件210的排列。
根据一实施例，聚焦超声波输出部200可以在基板的延伸部20下方还具备加强层230，该加强层230由热膨胀系数大于上述柔性物质层220的物质构成。由此，能够调节元件基板弯曲的程度并进行加强。
由此，基板的延伸部20以及聚焦超声波输出部200具有柔软的结构，能够因外部压力而容易变形或恢复。基板的曲率或弹性力，可以根据构成各层的物质的种类、含量、制造工序中的加热温度等具体设计变量而不同。
如图4所示，聚焦超声波输出元件210在基板的延伸部20上隔开固定间隔而配置。各个聚焦超声波输出元件210作为将交流能量转变为具有相同频率的机械振动而产生超声波的元件，例如可以是CMUT或者PMUT之类的微加工超声波换能器(MicromachinedUltrasound Transducer)。通过根据所要治疗的部位和目的调整输出，从而可以输出用于以低强度刺激关心区域的低强度聚焦超声波(LIFU)，或输出用于以物理方式去除关心区域内的病变的高强度聚焦超声波(HIFU)。输出的超声波发生叠加而形成超声波束，且在身体组织内实现治疗效果。
根据一实施例，高强度聚焦超声波所具有的强度，足以对检测出的肿瘤等病变施加热(thermal)刺激或者机械(mechanical)刺激而以物理方式去除病变。例如，高强度聚焦超声波具有1MHz以上的中心频率，且具有3W/cm2(Ispta)以上的强度。与此相比，低强度聚焦超声波具有足以穿过头盖骨的频率，并且具有能够以物理方式刺激人体组织但不会对人体组织造成损伤的程度的恰当强度。例如，低强度聚焦超声波具有约200kHz至1MHz的中心频率和3W/cm2(Ispta)以下的强度。
用户通过与超声波换能器元件连接的控制装置和接口，能够任意控制从聚焦超声波输出部200输出的超声波的频率、强度、热/机械刺激类型的转换之类的细微设定。
图5是示出一实施例所涉及的柔性超声波换能器的通过柔软的移动来调整焦点距离(焦点位置)的样子的图。
如图5所示，位于基板的延伸部的聚焦超声波输出部200由于具有柔性特性，所以能够根据皮肤的曲折形状而实现紧贴。如图5的(a)所示，各个聚焦超声波输出元件210输出高强度或者低强度超声波束，聚焦在关心区域内焦点的超声波束去除或刺激例如肿瘤、癌细胞、病变、活组织等对象O。聚焦超声波输出部200由于具有柔性特性，所以用户能够使基板任意弯曲来调整聚焦超声波的焦点距离。例如，如图5的(b)所示，若大幅弯曲基板，则超声波束所聚焦的焦点位于更近的位置。
在现有的超声波换能器(具有刚性基板)中，需要以对排列的换能器各自的位置或相位进行控制的方式来修正焦点位置。根据本发明的实施例，通过基板的柔软的移动，能够按照期望来调整焦点距离或者根据皮肤的曲折变化使超声波输出部紧贴。
下面，参照图6A至图6F对一实施例所涉及的柔性超声波换能器的制造方法进行说明。
首先，如图6A所示，执行在所提供的基板600上将多个聚焦超声波输出元件610以固定的间隔配置的步骤。基板600可以由硅或者硅和其他物质的混合物构成，但并不限定于此。超声波输出元件610可以是CMUT或者PMUT之类的微加工超声波换能器(MicromachinedUltrasound Transducer)，可以根据所要治疗的部位和目的，输出用于以低强度刺激关心区域的低强度聚焦超声波(例如，具有200kHz至1MHz的中心频率以及3W/cm2(Ispta)以下的强度的超声波)，或者用于以物理方式去除关心区域内的病变的高强度聚焦超声波(具有1MHz以上的中心频率且具有3W/cm2(Ispta)以上的强度的超声波)。
接下来，如图6B所示，执行在各个聚焦超声波输出元件610上形成光刻胶615的步骤。光刻胶是指被曝光装置曝光时引起凝固变化的感光性树脂。光刻胶615由不被蚀刻溶液分解的成分构成，在后续过程中保护聚焦超声波输出元件610及其下方的基板600不被蚀刻。
接下来，如图6C所示，执行对基板600进行蚀刻(etching)而在所述多个聚焦超声波输出元件610之间形成多个薄的沟槽结构的步骤。根据实施例，可以应用利用与硅材料的基板发生反应的化学溶液的湿式蚀刻(wet etching)或者利用电离气体的干式蚀刻(dryetching)方式这两者。
接下来，如图6D所示，执行在去除光刻胶615之后形成覆盖沟槽结构以及聚焦超声波输出元件610的柔性物质层620的步骤。柔性物质层620例如由包括PDMS(polydimethylsiloxane：聚二甲基硅氧烷)、聚氨基甲酸酯(polyurethane)、聚酯纤维(polyester)以及它们的混合物中的至少一个的弹性聚合体构成。若这种柔性物质被填充到基板600的沟槽结构，则基板能够实现柔软的移动。
根据一实施例，如图6E所示，还可以执行如下步骤：在基板600下方形成加强层630的步骤，该加强层630由热膨胀系数比上述柔性物质层620大的物质构成；以及对柔性物质层620以及加强层630加热的步骤。加强层630可以由热膨胀系数比例如聚对二甲苯(通过对二甲苯聚合得到的塑料)这样的构成柔性物质层620的PDMS大的物质构成。
由此，由于热膨胀系数比柔性物质层620大的加强层630的体积增加率大，因此能够增加元件的曲率。如图6F所示，基板朝向与形成有加强层630的面对置的面弯曲。基板弯曲的程度或弹性力，可以根据构成柔性物质层620和/或加强层630的构成物质的种类、含量、制造工序中的加热程度而不同。
图7是拍摄一实施例所涉及的柔性超声波换能器的剖面结构而得到的电子显微镜照片。如图7所示，在基板上排列超声波换能器元件，并且在每两个超声波换能器元件之间均形成沟槽结构之后填充柔性物质，由此能够制造通过柔软的移动来紧贴于皮肤或变更焦点位置的柔性超声波换能器元件。
根据上述的实施例，提供能够在中心部通过超声波探头来获得超声波图像，同时能够以柔性延伸部紧贴于皮肤的状态利用聚焦超声波的超声波治疗(刺激病变或者去除病变)的双重模式超声波换能器。
现有的双重模式超声波换能器，由于采用了将用于超声波成像的高频输出部和用于超声波治疗的低频输出部独立制作后结合的方式，所以存在单价上升的同时体积大且重量重的缺点。根据本发明，无需另行组装转换件，能够通过在各个基板(中心部、延伸部)以不同方式排列换能器元件，从而设计成具有治疗所需的频率和成像所需的频率的不同响应特性。因此，能够缩减制造费用，且能够缩减元件的体积和重量。
另外，在现有技术中，通过将CMUT元件统一排列而解决了工序的复杂度，但根据本发明的实施例，其优点在于，不仅能够通过将CMUT的1D阵列和2D阵列排列在各个基板上而解决工序的复杂度，还能够将超声波换能器的作用最大化。
在现有技术中，为了调整焦点长度，包括了通过独立的时间延迟来允许换能器阵列的倾翻移动的机械式连接装置，而根本发明的实施例，通过换能器元件本身的柔性基板的柔软的移动，能够进一步提高超声波成像和治疗所需的焦点灵敏度。
由此，无需为了移动聚焦超声波的焦点而另行具备驱动单元，通过对现有的基板增加柔性物质层，作为CMUT传感器能够直接调节目标部位的焦点。因此，无需增加其他部件，便能够将换能器的功能最大化。
以上参照实施例进行了说明，但应当理解本领域技术人员在不脱离随附的权利请求范围中记载的本发明的构思和范围的范围内以多种方式修正及变更本发明。

Claims (13)

1.一种柔性超声波换能器，其特征在于，
包括：
基板，其形状具有中心部以及从所述中心部延伸的长的多个延伸部；
超声波探头，其位于所述基板的中心部，且用于获得关心区域的超声波图像；以及
多个聚焦超声波输出部，其位于所述多个延伸部，构成为向所述关心区域输出聚焦超声波，
所述基板的延伸部以及聚焦超声波输出部具有柔性特性且能够变形。
2.根据权利要求1所述的柔性超声波换能器，其特征在于，
所述超声波探头包括以朝向所述关心区域输出成像超声波的方式构成的多个成像超声波输出元件的排列。
3.根据权利要求2所述的柔性超声波换能器，其特征在于，
所述超声波探头包括所述多个成像超声波输出元件配置成线形的一维排列或者所述多个成像超声波输出元件配置成面的二维排列。
4.根据权利要求1所述的柔性超声波换能器，其特征在于，
所述聚焦超声波输出部包括以向所述关心区域输出治疗用聚焦超声波的方式构成的多个聚焦超声波输出元件的排列。
5.根据权利要求4所述的柔性超声波换能器，其特征在于，
所述基板的延伸部具有隔开固定间隔而形成的多个沟槽结构，
所述聚焦超声波输出部包括柔性物质层，所述柔性物质层覆盖所述多个沟槽结构以及所述多个聚焦超声波输出元件的排列。
6.根据权利要求5所述的柔性超声波换能器，其特征在于，
所述聚焦超声波输出部在所述基板的延伸部的下方还包括加强层，所述加强层由热膨胀系数大于所述柔性物质层的物质构成。
7.根据权利要求4所述的柔性超声波换能器，其特征在于，
所述治疗用聚焦超声波是用于以低强度刺激所述关心区域的低强度聚焦超声波或者用于去除所述关心区域内的病变的高强度聚焦超声波。
8.根据权利要求1所述的柔性超声波换能器，其特征在于，
所述超声波探头或者所述聚焦超声波输出部包括作为微加工超声波换能器的超声波输出元件。
9.一种柔性超声波换能器的制造方法，其特征在于，
包括：
提供基板的步骤；
在所述基板上以固定的间隔配置多个聚焦超声波输出元件的步骤；
在所述多个聚焦超声波输出元件上形成光刻胶的步骤；
对所述基板进行蚀刻而在所述多个聚焦超声波输出元件之间形成多个沟槽结构的步骤；以及
形成对所述多个沟槽结构以及所述多个聚焦超声波输出元件进行覆盖的柔性物质层的步骤。
10.根据权利要求9所述的柔性超声波换能器的制造方法，其特征在于，
所述聚焦超声波输出元件是微加工超声波换能器。
11.根据权利要求9所述的柔性超声波换能器的制造方法，其特征在于，
所述柔性物质层由包括聚二甲基硅氧烷、聚氨基甲酸酯、聚酯纤维以及它们的混合物中的至少一个的弹性聚合体构成。
12.根据权利要求9所述的柔性超声波换能器的制造方法，其特征在于，
还包括在所述基板的下方形成加强层的步骤，所述加强层由热膨胀系数大于所述柔性物质层的物质构成。
13.根据权利要求12所述的柔性超声波换能器的制造方法，其特征在于，
还包括对所述柔性物质层以及所述加强层加热而使所述柔性超声波换能器弯曲的步骤。
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