ES2829822T3

ES2829822T3 - Transductor de ultrasonidos

Info

Publication number: ES2829822T3
Application number: ES12834082T
Authority: ES
Inventors: Kullervo Hynynen; Junho Song
Original assignee: Sunnybrook Research Institute
Current assignee: Sunnybrook Research Institute
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2032-09-20
Also published as: US20240165666A1; WO2013043906A1; CN103946996B; US20130069484A1; US10471471B2; CN107398415A; EP2759003A1; JP6124897B2; CN107398415B; US20160288168A1; JP2014528219A; US20200061671A1; CN103946996A; US9327317B2; HK1245715A1; CA2849493A1; CA2849493C; EP2759003B1; EP2759003A4

Abstract

Elemento transductor acustico para formar un arreglo multielemento (310) de elementos transductores acusticos que comprende: una pila piezoelectrica formada a partir de una pluralidad de capas piezoelectricas (200), donde la pila piezoelectrica comprende una pluralidad de electrodos; donde cada capa piezoelectrica es mecanicamente sensible, a lo largo de un primer eje, a una senal de accionamiento electrica recibida, para vibrar a lo largo de dicho primer eje tras la aplicacion de la senal de accionamiento electrica recibida por un par de electrodos respectivos de los electrodos, donde el respectivo par de electrodos esta electricamente acoplado a caras opuestas correspondientes de cada una de las dichas capas piezoelectricas a lo largo de un segundo eje, donde dicho segundo eje es perpendicular a dicho primer eje; y donde dicha pluralidad de capas piezoelectricas y dichos electrodos estan dispuestos unos con respecto a los otros en dicha pila piezoelectrica de modo que, para cada par de capas piezoelectricas adyacentes, un electrodo comun esta dispuesto y compartido entre las mismas; donde dichos electrodos incluyen un primer conjunto de electrodos no adyacentes y un segundo conjunto de electrodos no adyacentes, y donde el primer conjunto de electrodos no adyacentes estan conectados en paralelo para formar un electrodo de senal comun, y donde el segundo conjunto de electrodos no adyacentes estan conectados en paralelo para formar un electrodo de tierra comun, de manera que el primer conjunto de electrodos no adyacentes estan intercalados espacialmente con el segundo conjunto de electrodos no adyacentes; caracterizado por el hecho de que dicho primer conjunto de electrodos no adyacentes se extiende desde un extremo distal de dicha pila piezoelectrica en una direccion paralela a una direccion de emision acustica y estan configurados para ser puestos en comunicacion electrica mas alla del extremo distal de dicha pila piezoelectrica.

Description

DESCRIPCIÓN

Transductor de ultrasonidos

Campo técnico

[0001] La presente descripción se refiere al diseño y la construcción de transductores de ultrasonido y arreglos de múltiples transductores.

Antecedentes

[0002] Los ultrasonidos ofrecen una modalidad para la obtención de imágenes y para el tratamiento rápida, no invasiva y rentable en las prácticas médicas modernas. Sus aplicaciones han ido creciendo rápidamente con los avances de la fabricación de arreglos de fases y las tecnologías de sistemas electrónicos. Las ondas de ultrasonidos y los campos de energía de ultrasonidos se proyectan desde un transductor de ultrasonidos en un volumen que está siendo sometido a una obtención de imágenes o a terapia. Un transductor funciona basándose en el principio de la conversión de energía de una señal de accionamiento eléctrica de entrada en energía de ultrasonidos de salida porque el material del cual está hecho el transductor sufre cambios dimensionales mecánicos correspondientes con la señal eléctrica de accionamiento de entrada. También, dependiendo de la aplicación, un transductor puede convertir la energía de ultrasonidos incidente en energía eléctrica que se puede medir, a través de un proceso de transducción mecánica a eléctrica inverso por el cual la compresión dimensional por las ondas acústicas incidentes excita o induce una respuesta eléctrica en el material del transductor. Los materiales típicos usados para producir elementos transductores de ultrasonidos son materiales de cristal piezoeléctrico tal como el titanato circonato de plomo (PZT) y materiales similares.

[0003] En el modo de transmisión, la energía de ultrasonidos se emite desde una cara de un transductor de transmisión y se propaga según las leyes conocidas de propagación de energía acústica en el medio de elección, típicamente un medio fluido o viscoelástico o de otro tipo que permita la propagación de ondas de sonido ultrasónico. El tejido de un paciente que está siendo sometido a una obtención de imágenes o a terapia con un dispositivo o arreglo de transductores se aproxima a veces a un fluido viscoelástico y tiene parámetros acústicos tales como velocidad del sonido y coeficientes de absorción que se pueden determinar y que afectan a la manera en que las ondas de ultrasonidos se mueven a través del cuerpo del paciente.

[0004] Una pluralidad de fuentes o elementos transductores de ultrasonidos se pueden agrupar en arreglos, que se han producido en una y dos dimensiones. Controlando las señales de accionamiento eléctricas a cada uno de los elementos de ultrasonidos (o grupos de los mismos) del arreglo, los campos de sonido emitidos resultantes del arreglo como conjunto se pueden controlar y dirigir en el espacio y el tiempo. Tanto la amplitud como la fase de la señal de accionamiento eléctrica aplicada a los elementos de un arreglo se controlan, en el nivel del elemento individual, usando un circuito de transmisión controlado por ordenador.

[0005] Cuando el tamaño de un elemento transductor es suficientemente pequeño, actúa como una fuente puntual de ultrasonidos cuando se observa desde una distancia relativa del transductor. El denominado comportamiento de campo lejano de un arreglo de ultrasonidos se aproxima a menudo considerando el efecto acumulativo de cada miembro transductor del arreglo. Para arreglos de muchos elementos transductores, el principio de superposición se aplica generalmente, al menos como una primera aproximación, en sistemas lineales, por lo cual el campo de ultrasonidos total se deriva sumando aditivamente el efecto de los elementos individuales del arreglo para obtener un campo neto del arreglo total en cualquier caso en el espacio y el tiempo. Por lo tanto, los arreglos de fases permiten crear un haz de ultrasonidos (con una distribución espacial dada) y permiten dirigir electrónicamente y enfocar el haz en un volumen objetivo sin la necesidad de medios mecánicos para dirigir o reposicionar el transductor. Se puede controlar de manera precisa y rápida la deposición de potencia acústica en múltiples ubicaciones usando algoritmos de corrección de aberraciones de fase para dirigir y enfocar el haz a través de diferentes capas de tejido, tal como grasa y músculos. Aprovechando estas capacidades únicas, se puede realizar fácilmente una obtención de imágenes volumétrica rápida y la coagulación de tejido canceroso instalado a más profundidad en el cuerpo.

[0006] La construcción de arreglos de fases que permiten la formación y dirección de haces flexible y precisa puede implicar pasos de diseño y fabricación complejos y sofisticados. Un criterio de diseño que se usa a veces en el diseño de arreglos de ultrasonidos es que el espaciado de centro a centro (o paso) entre los elementos del arreglo debería ser igual o menor que la mitad de la longitud de onda para evitar picos secundarios no deseados, tales como los lóbulos secundarios (grating lobes). Sin embargo, con una frecuencia aumentada (es decir, una longitud de onda reducida) y un cambio en la configuración del arreglo de una dimensión a dos, el arreglo de fases tendrá un número aumentado de elementos pequeños. Una consecuencia del pequeño tamaño de los elementos no es solo la complejidad aumentada de las conexiones eléctricas con los elementos individuales sino también una impedancia eléctrica aumentada de los elementos.

[0007] La gran impedancia eléctrica de los elementos pequeños del arreglo puede dar lugar a una desadaptación de impedancias eléctricas entre un sistema de accionamiento de RF (fuente), generalmente 50 W, y los elementos del arreglo. En los arreglos de fases para diagnóstico, esta desadaptación de impedancias causa una baja potencia acústica de salida en el modo de transmisión y, en consecuencia, una mala sensibilidad y proporción de señal a ruido (SNR) en el modo de recepción. De forma similar, para los arreglos terapéuticos de alta potencia, puede dar lugar a una mala conversión de potencia eléctrica a acústica. La solución tradicional para el problema es emplear un circuito de adaptación de impedancias eléctricas para cada elemento. Debido a que esto va acompañado por un alto coste de fabricación, el método tradicional no es generalmente ideal o eficiente para un arreglo de fases con un gran número de elementos. Por esta razón, los elementos se diseñan normalmente con el fin de que tengan impedancias eléctricas cercanas a la impedancia de la fuente para maximizar la potencia transmitida a los elementos sin usar circuitos de adaptación.

[0008] Se han realizado intentos para reducir la impedancia eléctrica de los elementos del arreglo en vez de usar circuitos de adaptación eléctrica. Algunos métodos buscan apilar múltiples capas (N capas) de material piezoeléctrico usando el proceso de película gruesa de fundición laminar para reducir la impedancia eléctrica total del elemento por un factor de N2. Sin embargo, el proceso de fabricación para este método es complicado y costoso. De forma similar, las cerámicas y los compuestos multicapa unidos usando un método de corte en dados y relleno pueden mejorar a veces la potencia eléctrica transmitida a los elementos del arreglo. Aunque la complejidad del proceso de fabricación puede mejorarse, ahí surgen otros problemas con el alineamiento y la delaminación de las capas de unión.

[0009] JUNHO SONG et al: "Fabrication of one-dimensional linear diagnostic and therapeutic high intensity focused ultrasound (HIFU) phased arrays using lateral mode coupling method", ULTRASONICS SYMPOSIUM (iUs ), 2010 IEEE, IEEE, 11 de octubre de 2010, páginas 1104-1107, divulga el método de acoplamiento de modo lateral para reducir la impedancia eléctrica en la fabricación de un arreglo de fases. La técnica de acoplamiento de modo lateral se introduce en la fabricación de arreglos de fases diagnósticos y terapéuticos. Con la técnica, se muestra que se puede conseguir reducir sustancialmente la alta impedancia eléctrica de los elementos del arreglo accionándolos a una frecuencia de resonancia de su modo lateral en vez de la del modo de espesor. Se describe un procedimiento de fabricación, y se demuestra el rendimiento de un arreglo para diagnóstico lineal de una dimensión y arreglos de ultrasonidos enfocados de alta intensidad (HIFU) que se van a accionar en el modo de acoplamiento lateral.

[0010] La WO2006/083539 A1 (Lu et al.) divulga un diseño de arreglo en el que cada elemento del arreglo se configura con electrodos formados perpendiculares a la cara del arreglo, tal como a lo largo de los lados de los elementos, de manera que en el modo k31, una vibración se produce a lo largo de un eje u ortogonal a la orientación de polarización o campo eléctrico, y donde la dirección de vibración se produce hacia una cara de un arreglo de transductores de ultrasonidos. El material piezoeléctrico está polarizado a lo largo de una dimensión paralela a la cara del transductor y perpendicular a la dirección de propagación de la energía acústica. Lu et al. divulgan que el uso de elementos diseñados para la operación de modo de resonancia k31 puede proporcionar una mejor adaptación de impedancias eléctricas, tal como cuando se proporcionan tamaños pequeños de elementos para unos arreglos de transductores multidimensionales, y que, para la adaptación adicional de las impedancias, los elementos pueden estar hechos de múltiples capas de cerámica piezoeléctrica. Ya que los elementos operan desde un modo k31, las capas se apilan a lo largo de la dirección de polarización o perpendicular a una cara del arreglo de transductores para transmitir o recibir energía acústica.

[0011] La US 2002/0073781 A1 (Hashimoto et al.) divulga una sonda ultrasónica de arreglo bidimensional que comprende placas de circuito impreso, donde cada una lleva vibradores piezoeléctricos dispuestos en forma de una matriz y adaptados para extraer guías de señal y cables de conexión a tierra de los vibradores a través de los espacios que separan las columnas de la matriz. Una fila de vibradores está dispuesta en un arreglo en cada una de las placas de circuito impreso y luego las placas de circuito impreso que llevan vibradores se disponen en la columna para producir un transductor de arreglo bidimensional.

[0012] La US 2007/0167764 A1 (Hynynen et al.) divulga un sistema que incluye un transductor configurado para emitir ultrasonidos en respuesta a la recepción de una señal eléctrica desde un circuito de transmisión. El transductor incluye una primera dimensión que determina una frecuencia de los ultrasonidos y una segunda dimensión que determina una impedancia del transductor, donde la frecuencia es independiente de la segunda dimensión.

[0013] Se necesitan un diseño de transductor mejorado y un método de fabricación de tales transductores y arreglos de los mismos, y son útiles al menos en los campos de los ultrasonidos, la obtención de imágenes médicas, la terapia de ultrasonidos y otras aplicaciones médicas e industriales de la tecnología de transductores acústicos.

Resumen de la invención

[0014] La presente invención se refiere a un elemento transductor acústico según la reivindicación 1. Se definen formas de realización preferidas en las reivindicaciones dependientes.

Breve descripción de los dibujos

[0015] Para una comprensión más completa de la naturaleza y las ventajas de los presentes conceptos, se hace referencia a la siguiente descripción detallada de formas de realización preferidas y ejemplos comparativos en relación con los dibujos anexos, donde:

La figura 1 ilustra diagramas esquemáticos ejemplares de PZT de cerámica piezoeléctrica accionados en el modo de espesor y modo de acoplamiento lateral;

La figura 2 ilustra un diagrama esquemático ejemplar de un PZT de doble capa único con una construcción de electrodos compartidos;

La figura 3 ilustra una forma de realización ejemplar donde (a) una disposición experimental para probar un arreglo lineal HIFU de 42 elementos o para la obtención de imágenes de 32 elementos, y (b) un sistema de coordenadas cartesianas con su origen en el centro del arreglo;

La figura 4 ilustra un fantoma ejemplar y cables dispuestos en el fantoma;

La figura 5 ilustra un gráfico ejemplar que compara las mediciones de la impedancia eléctrica entre (a) un transductor de capa única accionado en el modo de espesor y (b) un transductor de doble capa accionado en el modo lateral;

La figura 6 ilustra algunos ejemplos de mediciones de (a) la amplitud y (b) la fase de la impedancia eléctrica de los elementos de un arreglo de fases de 32 elementos en agua; (1): modo lateral, (2): modo de espesor que corresponde a un elemento de arreglo de doble capa, (3): modo de espesor que corresponde a un transductor de capa única;

La figura 7 ilustra una respuesta de impulso de pulso-eco ejemplar desde el elemento central del arreglo para la obtención de imágenes de 32 elementos: (a-b) pulso transmitido medido y su FFT normalizada correspondiente, y (c-d) medición de pulso-eco y la FFT normalizada correspondiente de la forma de onda; La figura 8 ilustra mediciones de amplitud de presión irradiada normalizada ejemplar en los planos XY e YZ cuando el arreglo está enfocando: (a-b) a (0, 0, 30) mm, y (c-d) a (0, 10, 30) mm;

La figura 9 ilustra una imagen escaneada de los cuatro cables de nailon en un fantoma;

La figura 10 ilustra un diagrama esquemático ejemplar de un transductor de PZT de 4 capas con modo de vibración lateral;

La figura 11 ilustra un espectro de frecuencias del transductor de PZT de 4 capas con modo de vibración lateral;

La figura 12 ilustra un ejemplo de un transductor de PZT de 2 capas de doble frecuencia con modo de vibración lateral. (a) Construcción de un elemento individual en el transductor de frecuencia doble y (b) transductor de frecuencia doble completamente ensamblado.

La figura 13 ilustra una forma de realización de un elemento transductor de seis capas para un arreglo bidimensional, y muestra un elemento de 6 capas real; y

La figura 14 ilustra (a) un boceto de un arreglo 2D 8x8 hecho usando elementos de seis capas; (b) una vista desde abajo del arreglo que muestra los conectores eléctricos usando bolas de soldadura a baja temperatura; y (c) una fotografía de un arreglo 2D 8x8.

Descripción detallada

[0016] Como se ha mencionado anteriormente, resulta útil reducir la impedancia eléctrica de un arreglo de fases y controlar dicha impedancia eléctrica para que esté próxima a la impedancia fuente de modo que dicho arreglo se pueda accionar sin usar circuitos de adaptación eléctrica. También se desea facilitar la eliminación de calor de una región de un transductor o arreglo de transductores para mantener al mismo dentro de los límites de temperatura operativa aceptables durante la operación, especialmente con potencias relativamente altas o durante tiempos operativos relativamente largos. Esto es de ayuda especialmente en situaciones donde las características físicas del transductor o arreglo u otros componentes puedan verse afectados o alterados o desintonizados negativamente por una subida no deseada o sin explicación de la temperatura durante la operación.

[0017] Algunos o todos los presentes inventores y/o solicitantes han presentado solicitudes para diseños mejorados de dispositivos transductores y la producción de los mismos. Por ejemplo, véanse la publicación de patente de EE.UU. N.° 2007/0167764 A1, la solicitud de patente de EE.UU. N.° 11/600,301 y la solicitud provisional N.° 60/736,713.

[0018] La presente descripción proporciona conceptos para un diseño, la fabricación y el método de uso y el accionamiento de un elemento (y/o arreglo) transductor de modo lateral multicapa que se puede usar en la construcción de un arreglo de fases HIFU y para diagnóstico. Los presentes sistemas y método proporcionan una manera altamente eficiente y fácil de reducir la gran impedancia eléctrica de un elemento de arreglo con una pequeña proporción ancho respecto a espesor junto con una reducción de temperatura para aplicaciones de alta potencia.

[0019] Para validar el método de acoplamiento lateral, describimos debajo, a modo de ilustración, la extensión a la cual será evidente, para las personas expertas en la técnica, la fabricación y el rendimiento de un arreglo de fases lineal de una dimensión de 32 elementos (770 kHz) arreglo para la obtención de imágenes y uno de 42 elementos (1,45 MHz) de ultrasonidos enfocados de alta intensidad (HIFU). La presente discusión y ejemplos muestran el beneficio de la presente técnica de acoplamiento de modo lateral. Ambos arreglos en el presente ejemplo han sido evaluados por los presentes inventores y fueron accionados sin circuitos de adaptación eléctrica. Esto redujo la cantidad de tiempo para fabricar los arreglos al igual que el coste de fabricación y la complejidad. Una reducción adicional de la impedancia eléctrica puede ser fácil de lograr mediante la adición de más capas en el diseño.

[0020] El presente elemento transductor multicapa se acciona en modo lateral de una placa de cerámica piezoeléctrica. Para maximizar su rendimiento, construimos los arreglos a partir de una placa de cerámica de PZT-5 blando, y aprovechamos su constante dieléctrica (£T), factor de acoplamiento (k³¹) y constante electromecánica (d³¹) mayores que para las placas de cerámica de PZT duro (por ejemplo PZT-4). La tabla 1 muestra las propiedades materiales de una cerámica de PZT-4 duro y de PZT-5 blando. Por supuesto, estas propiedades son meramente ejemplares y están destinadas a ilustrar el presente ejemplo, y no se destinan a ser limitantes o exhaustivas del posible rango de propiedades que se pueden emplear en el alcance de la presente invención, tal y como se define por las reivindicaciones.

Tabla 1.

Parámetro PZT-4 PZT-5

Constante dieléctrica relativa 1550 3900

Factor de disipación dieléctrica, tan 5 0,004 0,018

Temperatura de Curie (°C) 250 210

Constante de carga, d³³ (pC/N) 250 690

Constante de carga, d³i (pC/N) -125 -340

Factor de acoplamiento, k³³ 0,7 0,80

Factor de acoplamiento, k³i 0,35 -0,46

Densidad (g/m3) n/a 7,95

Factor de calidad, Qm 400 46

[0021] Ya que el PZT-5 tiene mayores k³¹y d³¹que el PZT-4, ofrece mayor potencia acústica de transmisión de salida y sensibilidad de recepción en la dirección lateral. Su alta constante dieléctrica ofrece una impedancia eléctrica más baja, de modo que requiere menos esfuerzo reducir la impedancia eléctrica que fabricar los transductores con un PZT duro. Los presentes resultados demostraron que se consiguieron salidas de potencia adecuadas incluso para usos de HIFU con el material más blando, aunque no se usa comúnmente para aplicaciones de alta potencia.

[0022] En algunos aspectos, la presente técnica de acoplamiento de modo lateral favorece la facilidad de fabricación y la reducción de la impedancia eléctrica de los presentes dispositivos. Ya que empezamos con placas de cerámica grandes y las unimos bajo el microscopio al principio de la fabricación, no experimentamos ningún problema de desalineamiento. En algunas formas de realización, controlamos el espesor de las capas de unión para que fuera igual o menor a aproximadamente 25 |_im usando láminas de plata de 20 |_im de grosor disminuyendo así las pérdidas de adaptabilidad mecánica y acoplamiento causadas por capas de unión gruesas. El espesor de las capas de unión se puede reducir más usando una lámina conductora intermedia más delgada. Adicionalmente, ya que las dos capas transductoras siempre vibraban de la misma manera, o comprimiéndose o expandiéndose, no se observó ningún problema de delaminación para los transductores de modo lateral de doble capa.

[0023] Para un elemento de arreglo de cerámica multicapa piezoeléctrica accionado en el modo lateral, es posible minimizar la impedancia eléctrica del elemento conectando eléctricamente múltiples capas transductoras en paralelo y accionándolas en el modo de vibración mecánica no convencional, el modo lateral.

[0024] La figura 1 muestra un ejemplo de tres configuraciones diferentes de los elementos del arreglo; (a) un transductor de capa única, (b) un transductor de doble capa y (c) un transductor de modo lateral de doble capa. Específicamente, la figura 1(a) muestra un PZT de capa única 100 accionado en el modo de espesor (indicado por las flechas de dirección de vibración 102). La figura 1(b) muestra un PZT de doble capa 110 accionado en el modo de espesor. La figura 1(c) muestra un PZT de modo lateral de doble capa 120. Las dimensiones totales son las mismas para los tres PZT. La polaridad de los cristales de PZT está indicada por las flechas de dirección de polarización dibujadas en las caras de los elementos de PZT. Los transductores mostrados en las figuras 1 (a-b) serán accionados en el modo de espesor mientras que el transductor de modo lateral de doble capa (figura 1(c)) se usará para vibrar en el modo lateral. Los elementos del arreglo, incluidas las capas transductoras, se polarizan en la dirección del espesor indicada por las flechas pequeñas. Para un análisis más simple, se supone que no hay pérdidas mecánicas ni eléctricas en el cable y el transductor piezoeléctrico. El transductor de capa única (figura 1 (a)) con espesor t, ancho w y longitud l tiene la capacitancia fijada Co, dada por

Co - £ ^o£^tA ^o/ t ,

donde Ao (= l * w) es el área del electrodo, £o es la permitividad del espacio libre (8,854 x 10-12 F/m) y eT es la constante dieléctrica fijada relativa del transductor de cerámica piezoeléctrica. La impedancia eléctrica, Z0, es inversamente proporcional a la capacitancia. La frecuencia de resonancia del transductor de capa única está determinada por el espesor t. El ancho w es inferior o igual a la mitad de la longitud de onda.

[0025] La figura 1(b) muestra un transductor de doble capa accionado en el modo de espesor con un espesor de capa de t/2. Las dimensiones totales son las mismas que el transductor de capa única. Con el mismo espesor del transductor t, la frecuencia de resonancia sería sustancialmente la misma que la del transductor de capa única. El electrodo interno entre las capas transductoras se conecta a tierra y el electrodo externo se conecta a la línea de señal. La capacitancia fijada total, C ^t, y la impedancia eléctrica, Z ^t, del transductor de doble capa son

Ct = £o£T At / tr= 2 ^eo£^t(/ x w) / [t/2]

= ^eo£^t(2 Ao) / [t/2]

= 4 Co

donde el área de superficie total de los electrodos, A t, es el doble y el grosor del elemento, T, se reduce por la mitad en comparación con el transductor de capa única. Como resultado, la impedancia eléctrica total se reduce por un factor de cuatro.

[0026] En un transductor de modo lateral de doble capa (figura 1 (c)), el transductor se acciona a una frecuencia de resonancia del modo lateral en vez del modo de espesor. Cuando se aplica un campo eléctrico al transductor, las dos capas vibran simultáneamente en la dirección lateral con la misma fase, expandiéndose y contrayéndose. De forma similar al transductor de doble capa mostrado en la figura 1(b), los electrodos internos de las capas se conectan a tierra, y los electrodos externos se conectan a la señal para que la conexión eléctrica de las capas sea en paralelo. En comparación con el elemento de arreglo único accionado en el modo de espesor, la diferencia fundamental en la construcción del elemento de modo lateral de doble capa es que el grosor de cada capa es la mitad del ancho del elemento de capa única mientras que el ancho de la capa es el mismo que el grosor del elemento único. Por lo tanto, el área del electrodo total, AL, y el espesor de la capa, tL, del transductor de modo lateral de doble capa son

[0027] La capacitancia fijada total, C^l, y la impedancia eléctrica, ZL, son

[0028] donde la proporción ancho respecto a espesor, w/t, es siempre menor que 1 cuando se usa la regla de diseño de espaciado de centro a centro A/2 en la fabricación del arreglo de fases. Por lo tanto, la impedancia eléctrica del transductor de modo lateral de doble capa será inferior tanto al transductor de capa única como al de doble capa accionados en el modo de espesor. La frecuencia de resonancia del transductor será la misma o estará próxima a la del transductor de capa única, ya que tienen el mismo espesor del transductor t.

[0029] Los presentes ejemplos ilustrativos se proporcionan como guías para las personas expertas en la técnica y no son limitantes en su descripción expresada o implicada de las formas de realización cubiertas por las reivindicaciones. También se pueden usar otras geometrías, dimensiones y propiedades de los materiales y señales de accionamiento en el presente contexto dentro del alcance definido por las reivindicaciones.

[0030] La tabla 2 muestra comparaciones generales de la impedancia eléctrica entre transductores de n capas accionados en los modos de espesor y lateral.

Tabla 2.

[0031] La comparación directa muestra que la impedancia eléctrica total de un transductor de modo lateral de n capas es (nt/w)2 veces menor que para un transductor de capa única accionado en el modo de espesor.

[0032] Para comparar el rendimiento de transductores de modo de espesor y lateral se fabricó un elemento con dimensiones idénticas con cada método. Las dimensiones totales fueron las mismas para ambos transductores: el espesor t es 2,4 mm, el ancho w fue 0,83 mm y la longitud l fue 20 mm. Un espesor de capa única del transductor de PZT-5 de doble capa fue 0,4 mm, de modo que la proporción ancho respecto a espesor resultante fue 0,33. La capa de unión con la lámina de plata y resina epoxi conductora fue aproximadamente 0,05 mm de grosor.

[0033] También construimos dos prototipos de arreglo de fases lineales de una dimensión para aplicaciones de obtención de imágenes y terapéuticas de placas de cerámica piezoeléctrica. La tabla 3 muestra los parámetros de diseño de los dos arreglos de fases.

Tabla 3.

Arreglo de fases para la

obtención de imágenes Arreglo de fases HIFU Material del transductor PZT-5 PZT-5 Frecuencia 750 = 50 kHz 1,5 ± 0,1 MHz Modo de acoplamiento Modo lateral Modo lateral N.° de elementos del arreglo 32 42

N.° de capas 2 2 Espesor de la capa única (mm) 0,4 0,2

Capa de unión (mm) 0,025 0,025

Tamaño de los elementos del arreglo ensamblado (mm) 20 (I) x 0,83 (w) x 2,4 (t) 14 (I) x 0,43 Proporción de ancho respecto a espesor (w/t)

0,33 0,33

(excluyendo la capa de unión)

[0034] Ambos arreglos se fabricaron con elementos transductores de modo lateral de doble capa. El arreglo de

fases para la obtención de imágenes consiste en 32 elementos con una frecuencia central de 750 kHz. Está

diseñado para aplicaciones de obtención de imágenes transcraneales. Cada elemento tiene 2,4 mm de grosor,

20 mm de largo y 0,83 mm de ancho. El arreglo de fases de 42 elementos de ultrasonidos enfocados de alta

intensidad (HIFU) se construyó para aplicaciones endocavitarias, tal como para la ablación de tumores de próstata.

Los elementos tienen una frecuencia central de 1,5 MHz y dimensiones de 14 mm (I) x 0,43 mm (w) x 1,2 mm (t).

[0035] La figura 2 ilustra la colocación de una pluralidad de capas (se muestran dos) de elementos de PZT 200

que tienen puntos de terminación epoxídicos conductores (por ejemplo, de plata) 202 y separados por un medio

epoxídico blando 204. Un par de electrodos conductores (por ejemplo, de plata) 206, 208 están dispuestos en

extremos opuestos del ensamblaje para proporcionar señales de accionamiento a los mismos. Los elementos de

PZT 200 están dispuestos en un par de placas sustancialmente planas paralelas como se muestra, intercaladas

entre hojas finas de láminas altamente conductoras 210 (por ejemplo, de oro, Au). Los PZT 200 accionados en su

modo lateral. El espesor total del PZT de doble capa 200, w, es inferior a la mitad de la longitud de onda con una frecuencia de accionamiento operativa (centro) dada según algunas formas de realización.

[0036] Se pueden formar ensamblajes apilados (filas) de tales elementos adyacentes entre sí o ensamblajes empaquetados (filas y columnas, cuadrículas, elementos colocados de forma aleatoria, elementos colocados radialmente, etc.) para hacer un ensamblaje de arreglo de transductores bidimensional o tridimensional general.

Algunas formas de realización emplean conjuntos accionados eléctricamente de elementos transductores como

se describe en este caso para formar un campo ultrasónico controlable para usar en sistemas terapéuticos de hipertermia o ultrasonidos enfocados o ultrasonidos de alta intensidad. Se usa un arreglo de tales elementos accionados juntos, que presenta un campo de sonido en el rango ultrasónico capaz de afectar a un tratamiento

térmico deseado de un paciente que sufre una enfermedad.

[0037] También existen aplicaciones para diagnóstico de los presentes sistemas de PZT. Por ejemplo, un sistema

puede incluir un arreglo de 32 elementos o más para el uso como un arreglo para la obtención de imágenes. Otras aplicaciones incluyen una pluralidad (por ejemplo, docenas o cientos) de elementos accionados para usar en un

arreglo endocavitario de ultrasonidos enfocados de alta intensidad (HIFU), construidos usando el método de acoplamiento de modo lateral anteriormente descrito que muestra un diagrama esquemático de un elemento transductor de modo lateral de doble capa único según una forma de realización.

[0038] El proceso de fabricación básico es el mismo para los arreglos de fases para la obtención de imágenes e

HIFU. Por ejemplo, en el primer paso de la fabricación de un arreglo de fases para la obtención de imágenes, dos

placas de PZT-5 de 70 mm x 20 mm (por ejemplo, TRS610HD, TRS Ceramics, State College, PA, EE.UU.) con un

espesor de 0,2 mm se unieron con resina epoxi blanda (301, Epoxy Technology®, Billerica, MA, EE.UU.). Antes

de unir los dos transductores de PZT-5, pequeñas piezas de láminas de plata de 20 mm de grosor (por ejemplo, GoodFellow, Oakdale, PA, EE.UU.) se intercalan entre los dos transductores a cada lado y se conectan eléctricamente a los electrodos internos de los dos transductores usando plata epoxi (por ejemplo, GPC 251, CreativeMaterials, Tyngsboro, MA, EE.UU.). En el presente ejemplo, secciones relativamente pequeñas de las

láminas entre los transductores se usaron para realizar la conexión eléctrica para reducir o eliminar problemas causados por la adición de las láminas de plata, tal como cambios en la adaptabilidad mecánica. Las láminas se

usan también para puentear la conexión eléctrica entre los elementos y el conector. En los procesos de unión, una abrazadera mecánica se usó para comprimir los dos transductores para minimizar el exceso de material de unión

y para controlar el espesor total de la capa de unión para que sea el mismo que el de la lámina de plata. En una

forma de realización, aproximadamente 2 mm de lámina de plata se intercalan entre los transductores con un 1 mm

adicional dejado expuesto para la conexión de los cables.

[0039] El electrodo interno se puede conectar a la línea de señal (+), y otro conjunto de electrodos en la parte

superior e inferior a tierra (-). El conductor epoxi (por ejemplo plata epoxi) se puede aplicar a solo una de las

láminas de plata y conectar a los electrodos de la parte superior e inferior para la conexión a tierra. Luego, como

se muestra en la figura, la lámina de plata conectada a tierra se desconecta de los electrodos internos por corte

en dados a través de los transductores unidos con la suficiente profundidad para cortar la lámina de plata intercalada a 1 mm del borde del transductor. El corte se puede rellenar con la resina epoxi blanda y se evaporó

oro de 300 nm de grosor sobre la superficie del transductor. Los elementos individuales se cortan en dados a

2,4 mm de largo de las placas de PZT-5 de doble capa de 70 mm de largo y 20 mm de ancho fabricadas. Se

pueden usar cables coaxiales de 1 m de largo diseñados a medida (por ejemplo, Precision Interconnect, Berwyn,

PA, EE.UU.) para realizar la conexión eléctrica entre el elemento y un conector ZIF (por ejemplo, ITT Cannon, Shakopee, MN, EE.UU.).

[0040] Antes del proceso de ensamblaje final, las láminas de plata se recubren con aproximadamente parileno de 20 mm de grosor y una capa fina de la resina epoxi blanda para evitar cortocircuitos entre elementos adyacentes del arreglo. Entonces, los elementos individuales se pueden unir usando silicona para minimizar el acoplamiento mecánico entre los elementos. Después de acabar el ensamblaje, el espaciado de centro a centro total se midió bajo un microscopio y era igual o más pequeño que la mitad de la longitud de onda en el agua. Un material de refuerzo de 5 cm de grosor (por ejemplo, PZT-4 en polvo/resina epoxi blanda = 2:1) se aplica en la parte posterior del arreglo de fases. Una capa de parileno de 10 mm de grosor puede ser recubierta sobre la superficie del arreglo para proteger los elementos de la corrosión y el daño mecánico.

[0041] De forma similar, se pueden fabricar elementos transductores de un arreglo HIFU que tengan, por ejemplo, 14 mm (I) x 1,2 mm (t) x 0,43 mm (w) usando dos cerámicas de PZT-5 de 0,20 mm de grosor (por ejemplo, TRS610HD, TRS Ceramics, State College, PA, EE.UU.). El proceso de fabricación general puede ser el mismo que para el arreglo para la obtención de imágenes. En vez de usar cables coaxiales largos, los elementos se montan sobre una placa de circuito impreso (PCB) y se hacen conexiones eléctricas individuales de las láminas de plata a la placa PCB usando cables de cobre de 50 mm de grosor (por ejemplo, California Fine Wire, Grover Beach, CA, EE.UU.). No se requiere material de refuerzo para el arreglo. Estos y otros arreglos se construyen usando el presente método de acoplamiento de modo lateral.

[0042] Para validar el rendimiento del presente método de acoplamiento de modo lateral, la impedancia eléctrica de los elementos de modo lateral de doble capa se puede medir usando un analizador de red. Una simple comparación de la impedancia eléctrica entre un modo de espesor único y transductores de modo lateral de doble capa se puede realizar evaluando la medición en el aire. Se pueden realizar mediciones de la impedancia eléctrica total para los arreglos para la obtención de imágenes e HIFU en agua desgasificada y desionizada.

[0043] La figura 3(a) muestra la disposición experimental general 300 para la medición del campo de presión irradiado de los arreglos 310. Un tanque sostiene el experimento y está revestido con caucho de 1 cm de grosor para minimizar cualquier reflexión acústica de las paredes del tanque, y está relleno con agua desionizada desgasificada (resistividad > 16 MQ-cm), con un nivel de oxígeno disuelto mantenido por debajo de 1 ppm. El sistema de coordenadas cartesianas 320 usado en el estudio se muestra en la figura 3(b). El origen del sistema de coordenadas 320 está localizado en el centro del arreglo 310 como se muestra, y el eje acústico es paralelo al eje z. Los campos de presión de ultrasonidos que irradian de los arreglos para la obtención de imágenes e HIFU se miden con un hidrófono de fibra óptica plano de 40 mm de largo y 125 mm de diámetro (por ejemplo, Precision Acoustics, Dorchester, Reino Unido). Un hidrófono 312 se mueve con un sistema de escaneado 3-D 314 (por ejemplo, Velmax Inc, Broomfield, NY, EE.UU.). Un arreglo HIFU de 42 elementos 310 se acciona entonces por un sistema amplificador 340 con una pluralidad (por ejemplo, cientos, docenas) de canales según sea necesario. Por supuesto, la presente descripción solo es ejemplar, y aquellas personas expertas en la técnica aprecian otras maneras de hacer los mismos o sustancialmente los mismos pasos o pasos equivalentes usando varios dispositivos adecuados para el fin.

[0044] Una señal de ráfaga de tono (por ejemplo, PRF = 330 kHz, ciclo de funcionamiento = 1%) se utiliza para accionar cada elemento del arreglo 310. Se puede usar una potencia eléctrica de un 1 W/canal para medir los campos irradiados desde el arreglo en un ejemplo. La eficiencia de conversión de potencia eléctrica a acústica y la potencia acústica de superficie máxima de un único elemento del arreglo de fases HIFU se miden usando un vibrómetro de escaneado láser (por ejemplo, PSV-400-M2-2020MHz, Polytec, Tustin, CA, EE.UU.).

[0045] Para experimentos de elemento único del arreglo para la obtención de imágenes se usa un pulsador/receptor (por ejemplo, Panametric 5072PR, Olympus, Waltham, MA) para transmitir y recibir la señal de RF. En estos casos la forma de onda recibida se registra usando un osciloscopio digital. Se usa un escáner para la obtención de imágenes comercial de 32 canales (por ejemplo, OPEN system, Lecoeur Electronique, Cheulles, Francia) en los experimentos con el arreglo entero. Se controla a través de un USB con un software C++ construido a medida ejecutado en un ordenador de escritorio. El sistema pulsador/receptor OPEN excita el arreglo con un pulso de 50 Vpico y 12,5 ns de largo, y recibió señales de eco. Las señales de eco recibidas se filtran usando un filtro digital de paso de banda de fase de cero en MATLAB (por ejemplo, Mathworks, Natick, MA, EE.UU.). Luego, se realiza una transformada de Hilbert para obtener la envoltura de las señales. Las imágenes se adquieren con un escaneado en serie a ± 30° del foco de transmisión y recepción con incrementos de medio grado en el ángulo de altura. El haz se enfoca a 60 mm de la superficie del transductor. A cada línea de escaneado se le aplica un retraso de 50 ps y 65 dB de ganancia en todos los canales. La posibilidad de obtención de imágenes puede determinarse, por ejemplo, usando un fantoma de agua 420 con cuatro cables de nailon de 300 pm de grosor, como se muestra en la figura 4. Los tres primeros cables están separados entre sí por aproximadamente 5 mm axialmente, 7 mm en elevación (8,6 mm sobre la diagonal). El cuarto cable 420 está a 10 mm axialmente, 13 mm de elevación alejándose del tercer cable.

[0046] La figura 5 ilustra una comparación de las mediciones de la impedancia eléctrica de un transductor de capa única accionado en el modo de espesor en una forma de realización ejemplar (figura 5(a)) y un transductor de modo lateral de doble capa (figura 5(b)). La amplitud de la impedancia 500 en el aire en la fase máxima para el transductor de modo de espesor de capa única fue aproximadamente 3000 Q a 840 kHz. El transductor de modo lateral de doble capa tenía una amplitud de la impedancia de 73,3 ± 1,2 Q a 770 kHz en el aire, que es 41 veces menor que la de la capa única con las mismas dimensiones. Esto demuestra la reducción de la impedancia eléctrica sin usar un método tradicional, como por ejemplo utilizando un circuito de adaptación eléctrica. Además, puede hacerse que la gran impedancia eléctrica del elemento del arreglo pequeño esté próxima a la impedancia de la fuente controlando el número de capas y su espesor.

[0047] La figura 6 muestra un ejemplo de las gráficas de impedancia eléctrica de un arreglo de fases de 32 elementos completamente ensamblado lateral de doble capa, medido en agua desionizada. Las gráficas muestran las frecuencias de resonancia a 770 kHz, 1,5 MHz y 3,4 MHz, respectivamente. Los modos fuertes se muestran a 770 kHz para el modo lateral del elemento (600) y a 3,4 MHz para el modo de espesor del transductor de capa única (610). Aquí, el modo de espesor del elemento de doble capa a 1,5 MHz, no fue tan fuerte como los otro dos modos. La amplitud de la impedancia eléctrica a 770 kHz es 58 ± 3 Q en el ángulo de fase máximo de -1,2°.

[0048] La figura 7 muestra una respuesta de impulso de pulso-eco típica del elemento central del arreglo de fases para la obtención de imágenes de 32 elementos, reflejado desde una placa acrílica de 5 cm de grosor del arreglo. La figura 7(a) y (b) muestran una medición de pulso transmitido y su FFT normalizada correspondiente. En la presente forma de realización, no hubo ningún circuito de adaptación usado para compensar la desadaptación de impedancias eléctricas. Las longitudes de pulso a -6 dB y -40 dB de la forma de onda son 1,6 ps y 3 ps, respectivamente, que corresponden a aproximadamente 1,2 y 2,3 ciclos a 770 kHz. La FFT normalizada correspondiente (figura 7(d)) muestra que el arreglo tiene una frecuencia central de 770 kHz con un ancho de banda a -6 dB de aproximadamente un 52%, medido a las frecuencias inferiores y superiores de 612 kHz y 1,02 MHz. Se debe apreciar que se puede emplear un circuito de adaptación eléctrica en algunas aplicaciones, según se considere apropiado, pero que los presentes diseños y técnicas pueden aliviar o eliminar la necesidad de tales circuitos en algunos o muchos o todos los casos.

[0049] La figura 8 ilustra mediciones de campo de amplitud de presión irradiado en los planos XY e YZ cuando el arreglo estaba enfocando a (0, 0, 30) mm y (0, 10, 30) mm. La medición de campo muestra una buena capacidad de dirección del arreglo lineal 1D.

[0050] La figura 9 muestra una imagen escaneada de un baño que contiene cuatro cables de nailon de 300 mm de grosor como se ha descrito anteriormente. Se demostró que los tres primeros cables estaban aproximadamente alejados entre sí 5 mm axialmente, 7 mm en elevación, y el cuarto cable 900 se vio a 10 mm axialmente, 13 mm de elevación alejándose del tercer cable 910.

[0051] Se pueden usar transductores lateralmente acoplados similares para aumentar el ancho de banda de los elementos haciendo las placas transductoras de diferentes longitudes de manera que resuenen a frecuencias diferentes de modo que se consiga una operación de banda ancha combinada.

[0052] Un ejemplo de tal transductor de PZT de 4 capas con un elemento de modo de vibración lateral se muestra en la figura 10, con su espectro de frecuencias asociado en la figura 11. En algunos aspectos, se pueden formar arreglos de 1, 1,5 o 2 dimensiones de tales elementos según las presentes instrucciones.

[0053] Se pueden formar arreglos de doble frecuencia o multifrecuencia 1200 haciendo los elementos transductores a partir de placas de dos longitudes diferentes (por ejemplo, 1202, 1204) de modo que resuenen a las frecuencias deseadas correspondientes a las longitudes (o en el contexto de un arreglo a los respectivos espesores de los elementos del arreglo de transductores). Esto se representa para un par de elementos con diferentes dimensiones en la figura 12(a).

[0054] La figura 12(b) muestra un arreglo de transductores de frecuencia doble completamente ensamblado 1210. En otras formas de realización, esto se puede extender a cualquier número de frecuencias y todas las configuraciones y geometrías de transductores y arreglos. También es posible el apilamiento, el empaquetamiento y la distribución de los elementos del arreglo en la cara o el cuerpo del arreglo de transductores.

[0055] El mismo método para hacer los sistemas anteriores puede, nuevamente, extenderse a los arreglos de 1,5 o 2 dimensiones como se muestra en las figuras 13 y 14, respectivamente.

[0056] La figura 14(a) ilustra una vista en perspectiva de un arreglo 2D ejemplar que muestra su cara frontal (lado transductor/emisor) que tiene una pluralidad de filas y columnas dispuestas sobre la misma. La energía acústica irradia hacia el exterior de cada elemento accionado del transductor por lo general normalmente alejándose de la cara activa del transductor. La figura 14(b) ilustra el arreglo 2D desde su lado frontal (transductor/emisor). Para los arreglos 2D 1400, se pueden seleccionar los anchos de los elementos transductores de manera que el elemento multicapa completo sea más o menos cuadrado. Por lo tanto, se puede usar un mayor número de placas y más finas para alcanzar la impedancia deseada.

[0057] Para un arreglo para la obtención de imágenes, su ancho de banda estrecho podría mejorarse añadiendo capas de adaptación de impedancia acústica sobre la superficie frontal del arreglo o usando un material de refuerzo diferente. La eficiencia de conversión de potencia eléctrica a acústica del arreglo HIFU puede aumentarse fácilmente usando más capas transductoras en el diseño del elemento. Esta estructura de transductores es completamente escalable y, por lo tanto, se espera que se puedan construir incluso los arreglos para la obtención de imágenes de alta frecuencia hasta y más allá de 100 MHz.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Elemento transductor acústico para formar un arreglo multielemento (310) de elementos transductores acústicos que comprende:

una pila piezoeléctrica formada a partir de una pluralidad de capas piezoeléctricas (200), donde la pila piezoeléctrica comprende una pluralidad de electrodos;

donde cada capa piezoeléctrica es mecánicamente sensible, a lo largo de un primer eje, a una señal de accionamiento eléctrica recibida, para vibrar a lo largo de dicho primer eje tras la aplicación de la señal de accionamiento eléctrica recibida por un par de electrodos respectivos de los electrodos, donde el respectivo par de electrodos está eléctricamente acoplado a caras opuestas correspondientes de cada una de las dichas capas piezoeléctricas a lo largo de un segundo eje, donde dicho segundo eje es perpendicular a dicho primer eje; y

donde dicha pluralidad de capas piezoeléctricas y dichos electrodos están dispuestos unos con respecto a los otros en dicha pila piezoeléctrica de modo que, para cada par de capas piezoeléctricas adyacentes, un electrodo común está dispuesto y compartido entre las mismas;

donde dichos electrodos incluyen un primer conjunto de electrodos no adyacentes y un segundo conjunto de electrodos no adyacentes, y donde el primer conjunto de electrodos no adyacentes están conectados en paralelo para formar un electrodo de señal común, y donde el segundo conjunto de electrodos no adyacentes están conectados en paralelo para formar un electrodo de tierra común, de manera que el primer conjunto de electrodos no adyacentes están intercalados espacialmente con el segundo conjunto de electrodos no adyacentes;

caracterizado por el hecho de que

dicho primer conjunto de electrodos no adyacentes se extiende desde un extremo distal de dicha pila piezoeléctrica en una dirección paralela a una dirección de emisión acústica y están configurados para ser puestos en comunicación eléctrica más allá del extremo distal de dicha pila piezoeléctrica.

2. Elemento transductor acústico según la reivindicación 1, que comprende además una bola de soldadura a baja temperatura que conecta dicho primer conjunto de electrodos no adyacentes para formar el electrodo de señal común.

3. Dispositivo acústico que comprende un arreglo de elementos transductores acústicos según la reivindicación 1.

4. Dispositivo acústico según la reivindicación 3, donde dichos elementos transductores acústicos se apilan a lo largo de dicho segundo eje para formar un arreglo de elementos lineal, uno al lado del otro, a lo largo de dicho segundo eje y están configurados para transmitir energía acústica desde dicho arreglo a partir de una cara activa del mismo perpendicular a dicho segundo eje.

5. Dispositivo acústico según la reivindicación 3, donde dicha pluralidad de elementos transductores acústicos dispuestos en el arreglo para formar dicho arreglo se extiende a lo largo de dicho segundo eje y a lo largo de un tercer eje perpendicular tanto a dicho primer eje como a dicho segundo eje.

6. Dispositivo acústico según la reivindicación 3, donde una primera capa piezoeléctrica (1202) de dicha pila piezoeléctrica tiene una primera dimensión física a lo largo de dicho primer eje para tener una primera frecuencia de resonancia correspondiente definida por dicha primera dimensión física, y una segunda capa piezoeléctrica (1204) de dicha pila piezoeléctrica tiene una segunda dimensión física a lo largo de dicho primer eje, donde dicha segunda dimensión física es diferente de la primera dimensión física y tiene una segunda frecuencia de resonancia correspondiente definida por dicha segunda dimensión física, donde dicha segunda frecuencia de resonancia correspondiente es diferente de dicha primera frecuencia de resonancia correspondiente.