KR20210053296A - 초음파 이미징 및 에너지 전달 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

초음파 장치는 구동 파워를 제공하는 구동 회로, 초음파를 생성하고 상기 구동 회로로부터 파워를 수신하도록 연결되는 제 1 변환기 어레이, 및 상기 타겟으로부터 초음파 장치에 입사되는 반사 또는 유도된 초음파를 검출하고 이들 초음파에 기초하여 신호를 생성하는 제 2 변환기 어레이를 포함하며, 상기 제 2 변환기 어레이는 음향 투과성을 가지며 생성된 초음파가 제 2 변환기 어레이를 통과하도록 상기 제 1 변환기 어레이에 걸쳐 배치된다. 상기 제 2 어레이는 상기 제 1 어레이의 상부에서 동작하도록 조정된다. 2개의 어레이의 기능은 역전될 수 있고, 상기 어레이는 제 1 어레이 수신 및 제 2 어레이 전송과 함께 동작하도록 조정될 수 있다.

Description

초음파 이미징 및 에너지 전달 장치 및 방법
본 발명은 초음파 이미징 및 에너지 전달 장치 및 방법에 관한 것이다.
기존의 초음파 이미징 및 에너지 전달 장치는 통상적으로 음향 파(간단히 '음파'라고도 함)를 생성하는 N개의 변환 요소들("요소들")의 집합을 포함하여 구성되며, 이미징 장치의 경우, 상기 요소들의 기능을 수신 모드로 변경하여 입사 파의 수신을 허용하는 스위치(switch) 메커니즘을 포함하도록 구성된다. 상기 요소들은 전기 신호를 초음파 주파수로 전파되는 압력(음)파로 변환한다. 통상적으로, 개별 요소(및 대응하는 제어 스위치)들은 어레이 형식으로 배열된다. 상기 어레이 구조는 1차원 또는 2차원 어레이로 디자인될 수 있다. 상기 어레이의 요소들은 동기화되어 타겟 대상을 통해 사운드를 투사할 수 있다. 상기 이미징의 경우, 사운드를 투사한 후, 요소들이 수신 모드에서 동작하도록 스위칭되어 입사 음향 에너지를 아날로그 회로 또는 이미지를 생성하기 위해 프로세서(예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, GPU, FPGA, ASIC 또는 등가의 칩/하드웨어 또는 회로)에 의해 수행된 알고리즘을 사용하여 처리될 수 있는 전기 신호로 변환할 수 있다.
본 발명은 초음파 이미징 및 에너지 전달 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
개시된 대상의 일 구현 예에 따르면, 초음파 장치는 구동 파워를 제공하는 구동 회로, 타겟을 향해 초음파를 생성하고 상기 구동 회로로부터 파워를 수신하도록 연결되는 제 1 변환기 어레이, 및 상기 타겟으로부터 초음파 장치를 향해 이동하는 반사 또는 유도된 초음파를 검출하고 검출된 초음파에 기초하여 신호를 생성하는 제 2 변환기 어레이를 포함하며, 상기 제 2 변환기 어레이는 음향 투과성을 가지며 생성된 초음파가 상기 제 2 변환기 어레이를 통과하도록 상기 제 1 변환기 어레이에 걸쳐 배치된다.
상기 초음파 장치는 상기 제 1 변환기 어레이와 제 2 변환기 어레이 사이에 배치된 매칭/비-매칭 층을 포함할 수 있다. 상기 매칭/비-매칭 층은 상기 생성된 초음파가 통과되게 하고, 상기 반사 또는 유도된 초음파가 상기 제 1 변환기 어레이에 도달하는 것을 방해하는 재료 및 두께를 가질 수 있다.
상기 매칭/비-매칭 층은 상기 제 1 변환기 어레이 및 제 2 변환기 어레이보다 크거나 동일한 열전도율을 갖는 재료로 구성될 수 있다.
상기 매칭/비-매칭 층은 상기 제 1 변환기 어레이 및 제 2 변환기 어레이보다 작은 열전도율을 갖는 재료로 구성될 수 있다.
상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과는 다른 주파수 응답을 가질 수 있다.
상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과는 다른 스티어링 응답을 가질 수 있다.
상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과 다른 감도 응답을 가질 수 있다.
상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과 하나 이상의 축에서 다른 크기 및/또는 피치를 가질 수 있다.
상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들의 대략 1/4 크기일 수 있다.
상기 제 2 변환기 어레이의 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이의 단일 변환기 요소에 걸쳐 실질적으로 배치된 상기 제 2 변환기 어레이의 4개의 변환기 요소를 포함하는 반복 패턴으로 배열될 수 있다.
상기 생성된 초음파는 초음파 이미징 파를 영역에 전달하기 위해 제 1 펄스보다 낮은 에너지 레벨을 갖는 제 2 펄스가 뒤 따르거나 및/또는 선행되는 타겟의 영역에 치료 에너지를 전달하는 제 1 펄스를 포함할 수 있다. 상기 검출된 초음파는 타겟 영역으로부터 반사 또는 유도된 초음파 이미징 파로부터의 파를 포함할 수 있다. 상기 제 2 변환기 어레이는 검출된 파에 기초하여 신호를 생성하고, 상기 신호는 타겟 영역의 이미지를 생성하기 위해 데이터를 전달할 수 있다.
상기 제 1 변환기 어레이로부터 생성된 초음파는 치료 에너지를 타겟의 영역으로 전달하고, 상기 제 2 변환기 어레이는 상기 영역으로부터 반사되거나 유도된 입사 파를 검출하고 상기 입사 파에 기초하여 신호를 생성하며, 상기 신호는 타겟 영역의 디지털 이미지 또는 상기 타겟 영역의 재료 특성을 나타내는 데이터를 생성하기 위해 데이터를 전달한다.
상기 제 1 변환기 어레이는 초음파를 생성하여 히스토트립시 또는 보일링 히스토트립시(boiling histotripsy)를 유도할 수 있다.
상기 제 1 변환기 어레이는 제 1 주파수 대역 내에서 초음파를 생성할 수 있고, 상기 제 2 변환기 어레이의 변환기 요소들은 상기 제 2 변환기 어레이가 상기 제 1 주파수 대역과 다른 제 2 주파수 대역 내에서 입사 초음파를 검출하도록 상기 제 1 변환기 어레이의 변환기 요소들보다 상기 제 1 주파수 대역 내의 초음파에 실질적으로 덜 민감할 수 있다.
상기 제 1 주파수 대역은 약 1 MHz의 중심 주파수를 가질 수 있고 상기 제 2 주파수 대역은 약 2 MHz의 중심 주파수를 가질 수 있다.
상기 제 1 변환기 어레이는 위상 어레이일 수 있다.
상기 구동 회로는 상기 제 1 변환기 어레이의 제 1 측면에 배치될 수 있고, 상기 제 2 변환기 어레이는 상기 제 1 측면에 대향하는 변환기 어레이의 제 2 측면에 배치될 수 있다.
상기 구동 회로는 실질적으로 음향적으로 투명하고 상기 제 1 변환기 어레이와 제 2 변환기 어레이 사이에 배치될 수 있다.
개시된 대상의 다른 구현 예에 따르면, 초음파 장치를 사용하여 초음파 치료 또는 초음파 이미징을 수행하는 방법은 제 1 변환기 어레이에 의해 생성된 초음파가 실질적으로 제 2 변환기 어레이를 통과하도록 상기 제 1 변환기 어레이에 걸쳐 음향 투과성의 제 2 변환기 어레이를 배치하는 단계; 상기 제 1 변환기 어레이에 상기 제 1 변환기 어레이가 타겟을 향해 초음파를 생성하게 하는 파워를 제공하는 단계; 상기 제 2 변환기 어레이에 의해, 타겟으로부터 반사 또는 유도된 초음파를 검출하는 단계; 상기 검출에 기초하여, 제 2 변환기 어레이에 의해 신호를 생성하는 단계; 및 상기 신호에 기초하여 타겟 영역의 디지털 이미지를 생성하거나 신호에 기초하여 타겟의 재료 특성을 결정하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 상기 제 1 변환기 어레이와 제 2 변환기 어레이 사이에 매칭/비-매칭 층을 배치함으로써 반사 또는 유도된 초음파가 상기 제 1 변환기 어레이에 도달하는 것을 방해하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 제 1 및 제 2 변환기 어레이 중 적어도 하나와 접촉하여 열전도성 층을 사이에 배치함으로써 어레이들의 내부 영역으로부터 어레이들의 에지 영역으로 제 1 및 제 2 변환기 어레이에 의해 생성된 열을 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 생성된 초음파를 통해 상기 제 1 변환기 어레이로부터 대상의 타겟 영역으로 치료 에너지를 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 변환기 어레이가 대상의 타겟 영역에 초음파 에너지를 전달하게 하기 위해 상기 제 1 변환기 어레이에 제 1 신호를 제공하고, 상기 제 1 변환기 어레이가 타겟 영역에 초음파 이미징 파를 전달하게 하도록 상기 제 1 변환기 어레이에 상기 제 1 신호보다 낮은 에너지 레벨을 갖는 제 2 신호를 제공함으로써 적어도 부분적으로 상기 제 1 변환기 어레이에 파워를 제공하는 단계를 더 포함한다.
상기 방법은 상기 제 2 변환기 어레이에 의해, 타겟 영역으로부터 반사 또는 유도되는 초음파 이미징 파로부터 입사 파를 검출하는 단계; 및 상기 제 2 변환기 어레이에 의해, 입사 파에 기초하여 신호를 생성하는 단계를 포함하며, 상기 신호는 타겟 영역의 이미지 또는 상기 타겟 영역의 재료 특성을 나타내는 데이터를 생성하기 위해 데이터를 전달한다.
상기 방법은 상기 생성된 초음파를 제 1 변환기 어레이로부터 제 1 주파수 대역 내에서 전송하는 단계; 및 상기 제 2 변환기 어레이에 의해, 상기 제 1 주파수 대역과 다른 제 2 주파수 대역 내에서 반사된 초음파를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법에서, 상기 제 1 주파수 대역은 약 1 MHz의 중심 주파수를 가질 수 있고 상기 제 2 주파수 대역은 약 2 MHz의 중심 주파수를 가질 수 있다.
개시된 대상의 다른 구현 예에 따르면, 초음파 장치는 구동 파워를 제공하는 구동 회로; 타겟을 향해 초음파를 생성하고, 상기 구동 회로로부터 파워를 수신하도록 연결되는 제 1 변환기 어레이; 및 상기 타겟으로부터 초음파 장치를 향해 반사 또는 유도된 초음파를 검출하고, 상기 검출된 초음파에 기초하여 신호를 생성하는 제 2 변환기 어레이를 포함한다. 상기 제 1 변환기 어레이는 음향 투과성을 가지며 검출된 초음파가 제 1 변환기 어레이를 통과하도록 상기 제 2 변환기 어레이에 걸쳐 배치될 수 있다.
상기 초음파 장치는 상기 제 1 변환기 어레이와 제 2 변환기 어레이 사이에 배치된 매칭/비-매칭 층을 더 포함할 수 있으며, 상기 매칭/비-매칭 층은 반사 또는 유도된 초음파가 통과되게 하고, 생성된 초음파가 상기 제 2 변환기 어레이에 도달하는 것을 방해하는 재료 및 두께를 갖는다.
상기 매칭/비-매칭 층은 제 1 변환기 어레이 및 제 2 변환기 어레이보다 크거나 동일한 열전도율를 갖는 재료로 구성될 수 있다.
상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과 다른 주파수 응답을 가질 수 있다.
상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과 다른 스티어링 응답을 가질 수 있다.
상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소와 다른 감도 응답을 가질 수 있다.
상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과 하나 이상의 축에서 다른 크기를 갖는다.
상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들의 대략 1/4의 크기이다.
상기 제 2 변환기 어레이의 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이의 단일 변환기 요소에 걸쳐 실질적으로 배치된 제 2 변환기 어레이의 4개의 변환기 요소를 포함하는 반복 패턴으로 배열될 수 있다.
상기 생성된 초음파는 초음파 이미징 파를 영역에 전달하기 위해 제 1 펄스보다 낮은 에너지 레벨을 갖는 제 2 펄스가 뒤 따르거나 선행되는 타겟의 영역에 치료 에너지를 전달하는 제 1 펄스를 포함하고; 상기 검출된 초음파는 타겟 영역으로부터 반사 또는 유도된 초음파 이미징 파로부터의 파를 포함하며; 상기 제 2 변환기 어레이는 검출된 파에 기초하여 신호를 생성하고, 상기 신호는 타겟 영역의 이미지 또는 상기 타겟 영역의 재료 특성을 나타내는 데이터를 생성하기 위해 데이터를 전달한다.
상기 제 1 변환기 어레이로부터 생성된 초음파는 타겟의 영역에 치료 에너지를 전달할 수 있고, 상기 제 2 변환기 어레이는 상기 영역으로부터 반사 또는 유도된 입사 파를 검출하고 상기 입사 파에 기초하여 신호를 생성하며, 상기 신호는 타겟 영역의 디지털 이미지 또는 상기 타겟 영역의 재료 특성을 나타내는 데이터를 생성하기 위해 데이터를 전달한다.
상기 제 1 변환기 어레이는 제 1 주파수 대역 내에서 초음파를 생성할 수 있고, 상기 제 2 변환기 어레이의 변환기 요소들은 상기 제 2 변환기 어레이가 상기 제 1 주파수 대역과 다른 제 2 주파수 대역 내에서 입사 초음파를 검출하도록 상기 제 1 변환기 어레이의 변환기 요소들보다 상기 제 1 주파수 대역 내의 초음파에 실질적으로 덜 민감하다.
상기 제 1 주파수 대역은 약 1 MHz의 중심 주파수를 가질 수 있고, 상기 제 2 주파수 대역은 약 2 MHz의 중심 주파수를 가질 수 있다.
상기 제 1 변환기 어레이는 위상 어레이일 수 있다.
상기 구동 회로는 제 1 변환기 어레이의 제 1 측면에 배치될 수 있고, 상기 제 2 변환기 어레이는 제 1 측면에 대향하는 변환기 어레이의 제 2 측면에 배치될 수 있다.
상기 구동 회로는 실질적으로 음향적으로 투명할 수 있고 상기 제 1 변환기 어레이와 제 2 변환기 어레이 사이에 배치될 수 있다.
개시된 대상의 다른 구현 예에 따르면, 초음파 장치는 구동 파워를 제공하는 구동 회로; 타겟을 향해 초음파를 생성하고, 상기 구동 회로에 연결되는 제 1 변환기 어레이; 및 상기 타겟으로부터 초음파 장치를 향해 다시 반사 또는 유도된 초음파를 검출하고, 상기 제 1 변환기 어레이와 인터리빙되고, 상기 제 1 변환기 어레이의 변환기 요소들과 다른 변환기 요소들을 포함하는 제 2 변환기 어레이를 포함한다.
상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과 다른 주파수 응답을 가질 수 있다.
상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과 다른 스티어링 응답을 가질 수 있다.
상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과 다른 감도 응답을 가질 수 있다.
상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과 하나 이상의 축에서 다른 크기를 가질 수 있다.
상기 생성된 초음파는 초음파 이미징 파를 영역에 전달하기 위해 제 1 펄스보다 낮은 에너지 레벨을 갖는 제 2 펄스가 뒤 따르는 타겟의 영역에 치료 에너지를 전달하는 제 1 펄스를 포함할 수 있다. 상기 검출된 초음파는 타겟 영역으로부터 반사 또는 유도된 초음파 이미징 파로부터의 파를 포함하며; 상기 제 2 변환기 어레이는 검출된 파에 기초하여 신호를 생성하고, 상기 신호는 타겟 영역의 이미지를 생성하기 위해 데이터를 전달한다.
상기 제 1 변환기 어레이로부터 생성된 초음파는 치료 에너지를 타겟의 영역으로 전달할 수 있고; 상기 제 2 변환기 어레이는 영역으로부터 반사 또는 유도된 입사 파를 검출하고 상기 입사 파에 기초하여 신호를 생성하며, 상기 신호는 타겟 영역의 디지털 이미지를 생성하기 위해 데이터를 전달한다.
상기 제 1 변환기 어레이는 제 1 주파수 대역 내에서 초음파를 생성하고, 상기 제 2 변환기 어레이의 변환기 요소들은 상기 제 2 변환기 어레이가 상기 제 1 주파수 대역과 다른 제 2 주파수 대역 내에서 입사 초음파를 검출하도록 상기 제 1 변환기 어레이의 변환기 요소들보다 상기 제 1 주파수 대역 내의 초음파에 실질적으로 덜 민감할 수 있다.
상기 제 1 주파수 대역은 약 1 MHz의 중심 주파수를 가질 수 있고, 상기 제 2 주파수 대역은 약 2 MHz의 중심 주파수를 가질 수 있다.
개시된 대상의 추가 특징, 이점, 및 구현 예들은 다음의 상세한 설명, 도면 및 청구 범위를 고려하여 설명되거나 명백해질 수 있다. 더욱이, 상술한 요약 및 다음의 상세한 설명은 모두 예시적이며 청구항의 범위를 제한하지 않고 추가 설명을 제공하기 위한 것임을 이해해야 한다.
본 발명에 따르면, 초음파 이미징 및 에너지 전달 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
개시된 대상의 추가 이해를 제공하기 위해 포함된 첨부 도면은 본 명세서에 포함되고 그 일부를 구성한다. 도면은 또한 개시된 대상의 구현 예를 예시하고 상세한 설명과 함께 그 개시된 대상의 구현 예의 원리를 설명하는 역할을 한다. 개시된 대상 및 그것이 실행될 수 있는 다양한 방식의 근본적인 이해에 필요한 것보다 더 상세하게 구조적 세부 사항을 보여 주려는 시도는 이루어지지 않는다.
도 1a는 개시된 대상의 일 구현 예에 따른 초음파 장치를 도시한다.
도 1b는 개시된 대상의 일 구현 예에 따른 초음파 장치의 측면도를 도시한다.
도 2a는 개시된 대상의 다른 구현 예에 따른 초음파 장치를 도시한다.
도 2b는 개시된 대상의 다른 구현 예에 따른 초음파 장치의 측면도를 도시한다.
도 3은 개시된 대상의 또 다른 구현 예에 따른 초음파 장치를 도시한다.
도 4는 개시된 대상의 일 구현 예에 따른 초음파 장치의 동작 방법의 흐름도를 도시한다.
본 개시의 다양한 관점 또는 특징이 도면을 참조하여 설명되며, 여기서 유사한 참조 번호는 전체에 걸쳐 유사한 요소를 지칭하기 위해 사용된다. 본 명세서에서, 본 개시의 완전한 이해를 제공하기 위해 많은 세부 사항이 설명된다. 그러나, 개시의 특정 관점은 이러한 특정 세부 사항없이 또는 다른 방법, 구성 요소, 재료 등으로 실행될 수 있음을 이해해야 한다. 다른 예에서, 잘 알려진 구조 및 장치들은 본 개시의 대상의 설명을 용이하게 하기 위해 블록도 형태로 도시된다.
설명의 단순화를 위해, 방법은 다양한 흐름도의 맥락에서 일련의 동작으로 도시되고 설명되지만, 본 개시의 구현 예들에서 일부의 동작은 상이한 순서로 발생할 수 있으며 그리고/또 본 명세서에 도시되고 설명된 다른 동작들과 동시에 발생할 수 있음을 이해하고 인식해야 한다. 더욱이, 개시된 대상에 따른 방법을 구현하기 위해 예시된 모든 동작이 요구되는 것은 아니다.
하나 이상의 예시적인 구현 예에 따르면, 다양한 에너지 레벨(예를 들어, 저강도 포커싱 초음파, 고강도 포커싱 초음파, 히스토트립시 등)에서 치료 에너지를 대상의 타겟 영역에 적용하면서 거의 동시에 타겟 영역을 이미징하기 위한 장치 및 방법이 개시된다. 이는 수신 변환기 어레이와는 별개로, 그러나 상기 수신 변환기 어레이와 함께 투사 변환기 어레이로 동작하는 구조를 활용하여 달성된다. 다른 개시된 특징들 중에서, 어레이의 구성 및 개시된 동작 모드는 종래의 장치 배열에 비해 많은 개선 및 향상된 성능 능력을 제공한다.
종래의 초음파 이미징 장치는 일반적으로 전송 모드와 수신 모드 사이에서 변환기 어레이의 기능을 스위칭하는 펄스-에코 모드를 실행한다. 이러한 기술을 사용하여, 상기 변환기 어레이는 타겟 영역으로 이동하는 음향 파를 생성한 다음 모드를 스위칭하고 반사 또는 유도된 파를 수신하여 이미징을 위한 신호로 변환한다. 그러나, 이러한 구성은 변환기 어레이 요소들의 디자인에 있어 절충을 필요로 한다. 예를 들어, 전송된 파에서 생성될 수 있는 파워의 양과 그렇게 하기 위한 구동 전자 장치는 부분적으로 변환기 요소들 자체의 물리적 제약으로 인해 제한된다.
초음파 변환기 어레이는 일반적으로 변환 요소로서 납 지르코네이트 티타네이트(PZT) 또는 단결정과 같은 압전 재료를 사용한다. 일반적으로 10에서 100 볼트(V) 정도의 음향 신호를 생성하는 데 필요한 기계적 응력을 유발하려면 상당한 전압이 필요하다. 그러나, 입사 파를 수신하면, 상기 변환기는 일반적으로 mV 범위의 전압으로 대응하는 신호를 생성한다. 개별 변환기 요소에서 이러한 광범위한 파워 비-매칭를 수용하는 것은 어렵고 시스템을 위한 제어 전자 장치를 디자인하기 위한 옵션을 제한한다. 비용 및 유연성의 고려 사항으로 인해, 맞춤형 ASIC는 일반적으로 2차원 변환기 어레이와 같은 고밀도 시스템에 필요한 제어 전자 장치를 구현하는 데 선호되는 선택이다. 그러나, 그러한 변환기 요소를 활성화하기 위해 고전압을 전달해야 한다는 요구 사항은 ASIC를 제조하는 데 사용될 수 있는 이용 가능한 프로세스 노드를 제한한다. 따라서, ASICS용 저전압, 고속 디지털 디자인의 이점을 활용할 수 없으므로, 시스템 및 디자인 비용이 증가하는 특수 디자인이 가능하다.
펄스-에코 동작 모드는 또한 고유한 동작 제한에 의해 억제된다. 수신에 필요한 저잡음 증폭기를 스위칭 온(switching on)하기 전에 제어 전자 장치 및 변환기 어레이가 조용한 상태로 안정되도록 하려면 중간-동작 시간 지연(즉, "정지 기간")이 필요하다. 그러한 시간 지연은 일반적으로 다음과 같이 발생한다: 1) 제어 회로(예컨대, h-브리지)는 구동 회로를 제어하여 높은 파워 신호를 생성하여 수신 회로가 분리된 동안 초음파를 생성한다; 2) 파가 생성된 후, 제어 회로는 변환기 요소들에서 구동 회로를 분리한다; 3) 장치는 시스템의 공진 전압이 소멸될 수 있도록 정지 기간 동안 대기한다; 4) 제어 회로는 생성된 신호를 수신하기 위해 변환기 요소들을 수신 회로에 연결한다. 이러한 스위칭 지연은 지연 중에 변환기에 도달하는 파의 잠재적인 캡처(potential capture)를 제거하여, 대상이 식별될 수 있는 거리, 즉 변환기 어레이가 해결할 수 있는 최소 깊이에 부정적인 영향을 미친다. 또한, 데이터가 수집될 수 있는 비율, 즉 프레임 비율에 부정적인 영향을 미친다.
펄스-에코 모드 및 종래의 이미징 장치의 단일 어레이 구성에 의해 부과된 많은 제한은 개시된 장치의 예시적인 구현 예에서 극복되거나 감소된다. 도 1a는 개시된 대상에 따른 적층 배열을 갖는 초음파 치료 및/또는 이미징 장치(100)의 구현 예의 분해도를 예시적이고 비-제한적인 예로서 도시한다. 도 1b는 장치(100)의 측면도를 도시한다. 다양한 기능의 추가적인 층들이 장치 주변 또는 그 내부에 배치될 수 있다.
상기 개시된 장치(100)는 초음파를 생성하기 위한 제 1 변환기 어레이(110; "원위(distal) 어레이" 또는 "전송 어레이"), 초음파의 편향/반사와 같은 입사 이벤트를 검출하기 위해, 상기 제 1 어레이(110)로부터 전기적으로 분리된 제 2 변환기 어레이(120; "근위(proximal) 어레이" 또는 "수신 어레이"), 상기 원위 어레이(110)에 파워를 공급하기 위한 제 1 구동 회로(130; "원위 전자 장치" 또는 "전송 전자 장치"), 상기 근위 어레이(120)로부터의 신호를 처리하고 또한 일부의 구현 예에서 파워를 제공하기 위한 제 2 구동 회로(150; "근위 전자 장치" 또는 "수신 전자 장치")를 포함한다. 상기 전자 장치(130, 150)는 또한 제어 신호를 전송하고, 출력 타이밍 알고리즘을 실행하고, 수신된 신호를 처리하는 등의 프로세서, 마이크로프로세서 등을 포함할 수 있다. 상기 장치(100)는 원위 어레이(110)와 근위 어레이(120) 사이에 배치된 매칭/비-매칭 층(140)을 포함할 수 있다. 상기 매칭/비-매칭 층(140)은 별도의 층일 수 있거나, 또는 수신 또는 구동 전자 장치와 같은 다른 목적을 위해 층과 결합될 수 있다.
상기 원위 어레이(110)는 상기 원위 전자 장치(130)로부터 구동 신호 및 파워를 수신하고, 이는 상기 원위 어레이(110)의 요소들이 화살표(105)로 표시된 방향으로, 예컨대 대상의 타겟을 향해 주로 전파하는 파를 생성하게 한다. 다른 구현 예들에서, 화살표 방향으로 이동하는 에너지의 양은 다른 방향으로 향하는 에너지의 증가에 의해 감소될 수 있다. 개시된 구현 예들의 구현에 있어서, 상기 근위 어레이(120) 및 근위 전자 장치(150)는 모두 음향 투과성을 가지며 생성된 파를 실질적으로 통과하게 한다. 상기 근위 어레이(120) 및 근위 전자 장치(150)는 또한 다른 것들을 차단하면서 특정 주파수 범위의 파를 통과하게 하도록 주파수 선택적일 수 있다.
상기 근위 어레이(120)의 요소들은 상기 원위 어레이(110)로부터 생성된 파에 의해 야기되는 입사 이벤트를 검출한다. 예를 들어, 하나의 개시된 구현 예에서, 상기 근위 어레이(120) 요소들은 타겟 영역으로부터 반사된 파를 대응하는 전기 신호로 변환한다. 반사 및/또는 유도된 파는 타겟 영역으로부터 상기 근위 어레이(120) 요소들로 직접 경로를 이동할 수 있는 반면, 다른 파들은 상기 근위 어레이(120) 요소들로 다시 반사되는 비-매칭 층으로 이동할 수 있다.
상기 근위 어레이(120)는 상기 원위 어레이(110)에 의해 투사되는 초음파의 주파수와 다른 주파수 또는 주파수 범위에서 유도된 초음파를 검출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 근위 어레이(120)는 투사된 파의 하나 이상의 고조파 주파수에서 유도/반사된 파를 검출하고 처리하도록 디자인될 수 있다.
상기 어레이(110, 120)는 2차원 어레이로 도시되지만, 아래에서 더 논의되는 바와 같이, 1차원 구성 또는 다른 구성으로 구현될 수도 있다. 상기 어레이 요소들은 압전, 정전기, 전기 변형, 자기 변형, 자기-전기, 광 음향을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 변환 메커니즘 요소, 또는 기계/압력으로 또는 그로부터의 변환을 위한 다른 메커니즘 요소로 구성될 수 있다. 상기 어레이 요소들은 또한 용량성 미세 가공 초음파 변환기(CMUT) 또는 압전 미세 가공 초음파 변환기(PMUT) 또는 이들의 조합 형태로 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 장치로 구성될 수 있다.
상기 원위 전자 장치(130)는, 도 1b에 도시된 적층된 구성과 같이, 상기 원위 어레이(110)의 요소들에 파워 및/또는 제어 신호를 전달하기 위해 상기 원위 어레이(110)에 직접 연결될 수 있다. 상기 원위 어레이(110) 요소들에 대한 전자적 연결은 상기 원위 어레이(110)에 대한 후면 표면을 통해 및/또는 상기 원위 어레이(110)의 전면 표면 상의 공통 평면 또는 상기 원위 어레이(110)에 후면 표면을 통해 이루어질 수 있다.
도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 매칭/비-매칭 층(140)은 선택적으로 상기 원위 어레이(110)와 근위 어레이(120) 사이에 배치되어 전파 효과를 감소시키고 상기 원위 어레이(110)로부터 상기 근위 어레이(120)를 격리시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 매칭/비-매칭 층(140)은 상기 원위 어레이(110)에 의해 제 1 주파수에서 생성된 초음파는 통과시키지만 상이한 주파수에서 유도 및/또는 반사된 초음파가 상기 원위 어레이(110)에 도달하는 것을 방해하는 가변 주파수 필터로서 역할할 수 있게 하는 재료 및 두께로 구성될 수 있다. 실제로, 상기 매칭/비-매칭 층(140)은 반사된 파의 적어도 일부를 반사할 수 있으며, 이들 중 적어도 일부는 상기 근위 어레이(120)에 의해 검출될 수 있다.
하나 이상의 개시된 구현 예에서, 상기 매칭/비-매칭 층(140)은 다이아몬드, 폴리머, 또는 세라믹과 같은 전기 절연 재료로 구성될 수 있다. 개시된 구현 예들의 구현에서, 상기 매칭/비-매칭 층(140)은 전기 경로가 형성되는 것을 방지하기 위해 전기적으로 절연된 하나 이상의 흑연 시트로 구성된다. 상기 매칭/비-매칭 층(140)은 상기 장치(100)의 열 관리를 용이하게 하기 위해 열전도성 재료로 더 구성될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 개시된 구현 예에서, 상기 매칭/비-매칭 층(140)이 상기 원위 어레이(110) 및 근위 어레이(120)보다 더 큰 열전도율(이방성 열전도율)를 갖는 재료로 구성되어, 상기 어레이(110, 120)의 중앙 영역에서 생성된 열이 소멸되고 상기 장치(100)를 빠져 나갈 수 있는 외부 에지로 전도된다. 열은 또한 상기 장치(100)의 전면 및 후면으로부터 제거될 수 있다.
상기 매칭/비-매칭 층(140)의 두께는 상기 원위 어레이(110)로부터 생성된 초음파의 투과를 최대화하고 상기 근위 어레이(120)에 의해 검출될 입사 초음파의 투과를 최소화하도록 선택될 수 있다. 상기 매칭/비-매칭 층(140)의 두께는 상기 근위 어레이(120)에 의해 검출될 입사 초음파의 반사를 최대화하도록 추가로 선택될 수 있다.
상기 매칭/비-매칭 층(140) 재료를 통한 초음파의 주파수 및 알려진 속도가 주어지면, 상기 매칭/비-매칭 층(140)의 두께는 4로 나눈 정수의 파장 또는 그 부근에서 설정될 수 있다. 그와 같은 두께는 생성된 파를 투과하고 반사된 파를 차단/반사한다. 상기 비-매칭 층에서 반사된 반사 파 에너지는 상기 근위 어레이(120)에서 입사 파에 의해 생성된 신호를 증가시킬 수 있다.
도 2a는 개시된 대상에 따른 적층 배열을 갖는 초음파 장치(200)의 다른 구현 예의 분해도를 예시적이고 비-제한적인 예로서 도시한다. 그러한 개시된 장치(200)는 초음파를 생성하기 위한 제 1 변환기 어레이(210; "원위 어레이"), 반사된 초음파와 같은 반응 이벤트를 검출하기 위해 상기 원위 어레이(210)로부터 전기적으로 격리된 제 2 변환기 어레이(220; "근위 어레이"), 및 파워를 공급하기 위한 구동 회로(230)를 포함한다. 상기 구동 회로(230)는 또한 제어 신호를 전송하고, 출력 타이밍 알고리즘을 실행하는 등의 프로세서, 마이크로프로세서 등을 포함할 수 있다. 상기 장치(200)는 상기 원위 어레이(210)와 상기 근위 어레이(220) 사이에 배치된 매칭/비-매칭 층(240)을 포함할 수 있다. 상기 매칭/비-매칭 층(240)은 근위 어레이(120)에 대한 관통-연결을 용이하게 하는 전기 전도체 또는 도관을 포함할 수 있다. 도 2b는 장치(200)의 측면도를 도시한다.
상기 근위 어레이(220)의 요소들은 전면 표면의 액티브 변환 요소와 후면 표면의 액티브 전자 장치를 포함하도록 디자인될 수 있다. 그와 같은 장치의 제조는 액티브 요소(예컨대, 용량성 미세 가공 초음파 변환기 또는 압전 미세 가공 초음파 변환기)들에 연결하기 위해 실리콘 관통 비아를 포함하는 실리콘 파운드리(silicon foundry) 기술을 사용하여 달성될 수 있다. 상기 구동 전자 장치는 평평한 표면(예컨대, 후면 또는 전면)에 제공되고 종래 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 상기 변환기와 전자 장치의 이러한 통합은 상기 장치(200)의 크기를 감소시키고 더 큰 밀도의 변환기 요소들이 웨이퍼(예를 들어, 실리콘, 세라믹 또는 다른 반도체)에 통합되게 한다. 일 구현 예에서, 상기 근위 어레이(220)에 대한 전자 연결은 요소 단위로 직접 또는 행 열 어드레싱에 의해 이루어지고 구동 회로(230)에 연결하기 위해 근위 어레이(220)의 에지로 라우팅될 수 있다. 다른 구현 예에서, 상기 근위 어레이(220)에 대한 전자 연결은 상기 근위 어레이(220)의 에지 상의 더 적은 수의 커넥터에 대한 직렬 디지털 스트림으로 결합될 수 있다. 실리콘 관통 비아(TSV), 다른 비아, 또는 실리콘(또는 기타 반도체 재료 또는 기판 재료), 또는 플렉스 회로 재료, 또는 회로 보드 재료의 전면 표면과 후면 표면 간 전기적 연결을 전달하는 다른 방법 또한 상기 장치에서 커넥터의 라우팅을 용이하게 하는 데 사용된다.
도 3은 개시된 대상에 따른 초음파 장치(300)의 다른 구현 예의 분해도를 예시적이고 비-제한적인 예로서 도시한다. 상기 개시된 장치(300)는 초음파를 생성하기 위한 전송 변환기 요소들(312) 및 반사된 초음파와 같은 입사 이벤트를 검출하기 위한 수신 변환기 요소들(314)의 인터리빙된 혼합을 포함하는 변환기 어레이(310; 결합된 어레이), 파워 및 제어 신호를 공급하고 수신 기능을 구현하는 회로(320)를 포함한다. 상기 전송 요소들(312)은 정규, 랜덤 또는 의사 랜덤 분포 패턴에 따라 배치될 수 있다. 이러한 구현 예에서, 변환기 요소들(312, 314)의 밀도는 적층된 구성 구현 예들에 비해 더 감소된다. 이러한 구현 예들은 또한 비교적 적은 고 에너지 전송 요소(312) 및 더 적은 수신 요소들(314)을 포함하여, 더 낮은 생산 비용 및 더 빠른 제조를 가져온다.
도 1 내지 3에 예시된 예와 같은 개시된 대상의 구현 예들은, 치료 초음파를 동시에 생성하여 타겟 영역으로 전송할 수 있으며 동시에 낮은 파워 입사 초음파를 검출하여 타겟 영역을 이미징할 수 있다. 이는 본질적으로 치료 에너지를 타겟으로 전송하는 것을 중지하고 전송 어레이가 정지할 때까지 기다린 다음, 리턴하는 입사 파를 검출하게 하는 종래의 디자인을 개선한다. 그러한 개시된 구현 예는 또한 투사된 신호로부터 간섭이 감소되거나 전혀 없도록 더 높은 고조파를 검출할 수 있다. 따라서, 상기 개시된 구현 예들은 치료 초음파를 타겟 영역에 적용하고 동시에 그 타겟 영역을 이미징하는 능력을 도입한다.
음향 변환기 요소들은 종종 설정된 주파수 대역 내에서 동작하도록 디자인된다. 어레이에 사용되는 경우, 음향 변환기 요소들을 제어하여 에너지 파의 빔을 집합적으로 공간의 특정 지점(예컨대 어레이의 전면)에 투사하는 패턴으로 활성화할 수 있다. 그와 같은 빔을 형성하고 제어하기 위해, 프로세서는 주어진 방향으로 파에 의해 생성된 사운드 빔을 전자적으로 스티어링하기 위해 어레이 요소들에 걸쳐 출력 신호의 위상, 진폭, 타이밍 또는 주파수 범위를 변경하도록 구동 회로를 제어한다. 이러한 타입의 동작을 일반적으로 "위상 어레이" 동작이라고 한다.
치료 어레이에서, 상기 프로세서 및 구동 회로는 초음파 빔 프로파일을 제어하고 대상의 정확한 타겟 영역으로 에너지를 안내하기 위해 다양한 타이밍 알고리즘을 사용한다. 위상 어레이를 사용하는 종래의 초음파 치료 장치는 대상 내의 타겟 영역을 식별하고 모니터링하는 데 사용되는 이미징 장치와 함께 동작될 수 있다. 상기 이미징 장치("이미저(imager)")는 전송 위상 어레이로부터 약간 떨어져 위치하고 시스템 사용자의 요구에 따라 결과의 이미지에 나타난 보기 영역을 조정하도록 이동될 수 있다. 치료 어레이와 이미저 사이에 필요한 협력은 양 장치가 동일한 지점에 초점을 맞추도록 지시하기 위해 실행해야 하는 변환 계산의 복잡성을 증가시키고, 중간 차이, 예컨대 각각의 개별 어레이 경로(치료 및 이미저)와 의도된 초점 간 조직 밀도의 차이로 인해 오프셋 에러가 여전히 발생할 수 있다. 개시된 결합된 치료 및/또는 이미징 장치는 유리하게는 조정된 추적 동작의 복잡성을 감소시키고 이미징 신호를 생성하기 위해 치료 파 자체를 사용하는 정적 적층 구성으로 인해 초점을 통과하는 신호 경로의 불균일성을 설명한다. 필요한 계산의 감소는 종래의 장치에 비해 에러를 감소시키고 동작 속도를 증가시킨다.
개시된 초음파 장치에서 전송 및 수신 기능을 각각의 개별 어레이(예를 들어,도 2a의 210, 220)로 분할하면, 유리하게는 종래의 이미징 장치에 의해 요구되는 정지 기간에 대한 필요성이 제거된다. 상기 수신 변환기 요소들로부터 전송 변환기 요소들의 물리적 격리로 인해(일부의 구현 예에서 격리는 매칭/비-매칭 층의 포함에 의해 더욱 강화됨), 수신 전자 장치 또는 수신 변환기 요소들에 영향을 미치지 않고, 상대적으로 높은 전압이 전송 변환기 요소들에 적용될 수 있다.
결과적으로, 각 어레이의 요소들은 수신 또는 전송과 관련된 특정 기능에 최적화될 수 있다. 그러한 개시된 구현 예들에서, 수신 어레이 요소들로부터 분리되고 격리된 전송 어레이 요소들은 더 높은 파워 사용이 수신 어레이 요소들에 영향을 미치지 않기 때문에 종래의 단일 어레이 장치보다 비교적 더 큰 음향 파워를 출력하도록 최적화될 수 있다. 따라서, 상기 개시된 초음파 장치는 종래의 복합 전송/수신 이미징 장치에 비해 타겟 영역에 더 넓은 범위의 에너지를 집중시킬 수 있다.
마찬가지로, 상기 개시된 구현 예들에서, 수신 어레이는 수신 기능을 위해 최적화될 수 있다. 예를 들어, 피에조 변환기들은 크기, 형태, 피치, 커프(kerf), 너비 및 두께 및/또는 재료를 조정하여 최적화될 수 있다. 피에조 변환기들을 사용하여 구성된 수신 어레이 요소들은, 전송 어레이의 등가 특성들과 다른 엔지니어링된 특성(예컨대, 주파수 응답, 스티어링 응답, 감도 응답 및 크로스토크(crosstalk))을 사용하여, 선택한 주파수에서 동작하도록 최적화될 수 있다. 따라서, 전송 어레이의 응답 밖에서 동작하도록 수신 어레이의 응답을 조정할 수 있어, 장치의 신호-대-잡음비가 크게 향상된다.
이미징에서 잡음을 더 감소시키기 위해, 전송 어레이의 요소들은 제 1 주파수 대역 내에서 또는 제 1 주파수(예컨대, 1 MHz)에서 초음파를 생성하도록 최적화될 수 있고, 수신 어레이의 요소들은 제 2 주파수 대역 내에서 또는 2:1 비율의 제 2 주파수(예컨대, 2 MHz) 또는 다른 고조파에서 초음파를 초음파를 검출하도록 최적화될 수 있다. 이러한 구현에서, 수신 어레이는 1 MHz 음향 파에 응답하지 않도록 최적화될 수 있다.
주파수 조정 및 최적화의 일부로서, 수신 어레이 요소들은 전송 어레이 요소들보다 작게, 예컨대 비율 크기가 더 작게, 1:2, 1:4, 1:8 등으로 형성될 수 있으며, 여기서 "작은"은 하나 이상의 치수(예컨대, 직경, 단면적, 면적, 두께)의 감소를 의미한다. 일반적으로, 더 얇은 요소들은 더 높은 주파수(f~k*1/두께)를 검출할 수 있으며, 여기서 면적이나 피치가 감소하면 스티어링이 증가하고 격자 로브(grating lobe) 생성이 감소한다. 변환기 요소들의 형태에 따라, 크기의 비율 감소는 두 어레이 사이의 변환기 요소 경계 정렬을 실질적으로 유지하면서 반복되는 패턴으로 변환기 요소를 배열하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 정사각형 형태를 갖는 변환기 요소들을 사용하여 구성된 구현 예들에서, 수신 어레이 요소들은 전송 어레이 요소들의 대략 1/4의 크기일 수 있고 전송 어레이의 단일 요소에 걸쳐 실질적으로 배치된 수신 어레이의 4개의 요소를 포함하는 반복 패턴으로 배열될 수 있다.
전송 어레이 요소들에 대한 수신 어레이 요소들의 배치는 신호 잡음을 감소시키기 위해 최적화될 수 있다. 그러한 개시된 구현 예들의 구현에서, 수신 어레이 요소들은 전송 어레이 요소들에 대해 배치되어 2개의 어레이 내의 요소들의 경계가 정렬되어 원하지 않는 전파 효과를 더욱 감소시킬 수 있다.
상술한 구현 예들은 수신 어레이 아래에 있는 전송 어레이로 구현되지만, 개시된 대상은 이러한 구성으로 제한되지 않는다. 다른 구현에서, 상기 수신 어레이는 전송 어레이 아래에 배치되고, 상기 전송 어레이는 반사 및/또는 유도된 파가 상기 수신 어레이에 의한 검출을 위해 통과할 수 있게 하도록 음향 투과성을 갖도록 구성된다.
도 4는 개시된 초음파 장치에 대한 동작의 예시적인 흐름도(400)를 도시한다. 동작 410에서, 프로세서는, 예를 들어 위상 어레이 타이밍 패턴에 따라 상기 전송 어레이의 요소들에 전압 신호를 전송하도록 구동 회로를 제어한다. 상기 프로세서는, 예를 들어 치료 초음파 빔 또는 이미징 초음파 빔을 생성하는 데 필요한 전압 레벨을 전송하도록 구동 회로를 제어할 수 있다. 일반적으로, 결합된 전송/수신 어레이에서, 시스템은 50% 치료, 50% 이미징 또는 75% 치료, 25% 이미징과 같은 두 가지 타입의 빔의 교대 패턴으로 두 가지 양상 사이를 스위칭해야 한다. 각각의 상대적인 지속 시간은 이미징 요구 사항에 따라 다르다(예컨대, 타겟의 깊이에 따라 이미저가 활성화되어야 하는 시간). 대조적으로, 그러한 개시된 구현 예의 시스템들은 양상을 번갈아 가며 변경할 필요가 없다. 상기 개시된 구현 예들의 시스템에서, 변환기에 전달되는 전압 레벨들은 종래의 초음파 이미징 장치에서 사용되는 전압 레벨보다 높을 수 있다. 예를 들어, 개시된 시스템의 구현 예들에서 ±120 V만큼 높은 전압 레벨이 일반적이다(더 높은 것이 가능하더라도).
상기 개시된 구현 예들에서 번갈아 가는 양상이 요구되지는 않지만, 일부의 구현에서, 상기 프로세서는 변환기 어레이가 순차적 패턴으로 초음파 펄스를 생성하도록 구동 회로를 제어할 수 있다. 이러한 동작 모드에서, 이미징 파는 치료 파가 이미징 파가 유도 반사된 파에서만 생성되는 조직에서 물리적 변화를 야기하도록 생성되고 조직에는 변화를 야기시키키지 않는다는 점에서 치료 파와 구별된다. 예를 들어, 조직 손상을 방지하기 위해, 이미징 파는 720 mW/cm2 미만의 파워 레벨 또는 1.9 미만의 기계적 지수에서 전송될 수 있다. 이러한 동작 모드에서, 상기 프로세서는 이미징 파-치료 파, 치료 파-이미징 파, N 이미징 파-치료 파, N 치료 파-이미징 파 등과 같은 순차적 패턴의 생성을 유발할 수 있다.
이미징 파는 720 mW/cm2의 파워 레벨 또는 1.9의 기계적 지수를 초과할 수 있지만, 그러한 적용에서는 조직이 변경될 수 있다. 이러한 타입의 동작은 더 나은 신호-대-잡음비를 생성하거나 조직을 변경하면서 동시에 이미징 데이터를 유도하는 데 적합할 수 있다.
동작 420에서, 상기 변환기 요소들은 전압을 음향 에너지로 변환하고 초음파 빔을 타겟 영역으로 전송한다. 상기 빔은 주어진 주파수(예컨대, 1~5 MHz) 또는 다른 주파수에서 짧은 파 펄스(한 자리 수에서 100's까지)에 의해 형성될 수 있거나, 또는 상기 빔은 처프(chirp) 또는 가우스 분포와 같이 스윕되거나, 또는 히스토트립시 또는 보일링 히스토트립시를 유도하도록 구성될 수 있다. 상기 빔은 또한 연속적인 파 방출(CW)로 형성될 수 있다. 그러한 주파수는 수신 어레이 변환기들의 동작 주파수에 기초하여 선택될 수 있는데, 즉 상기 주파수는 검출 에러를 감소시키기 위해 수신 어레이 요소들 동작 범위(또는 1차 공진)를 벗어날 수 있다. 상술한 바와 같이, 그러한 생성된 초음파는, 예를 들어, 초음파 이미징 파를 타겟 영역에 전달하기 위해 제 1 펄스보다 낮은 에너지 또는 더 높은 파워 레벨을 갖는 제 2 펄스가 뒤 따르는 대상의 타겟 영역에 치료 에너지를 전달하기 위한 제 1 펄스를 패턴으로 전파할 수 있다. 더 높은 에너지 펄스는 이미징에 사용될 수 있는 고조파를 유도할 수 있다.
동작 430에서, 생성된 초음파는 타겟 영역에 도달하여 반응 이벤트를 야기시킨다. 그러한 반응 이벤트는, 예를 들어 초음파 이미징 파가 타겟 영역의 대상에 부딪히는 것, 상기 타겟 영역의 대상에 부딪히는 초음파 치료 파를 다시 반사하는 것, 온도의 증가가 초음파에 의해 조직에서 생성된 고조파를 야기하는 것, 초음파로 인한 버블의 붕괴 또는 복사력에 의해 생성된 전단파와 같은 다른 이벤트일 수 있다.
동작 440에서, 상기 반응 이벤트는 수신 어레이의 변환기 요소들에 의해 검출된다. 그 요소들은 주어진 이벤트를 검출하도록 최적화될 수 있다. 예를 들어, 요소들은 미리 결정된 주파수 또는 전송 주파수로부터 파생된 고조파 범위에서 후방 산란 파를 검출하는 동작 주파수를 갖도록 디자인될 수 있다. 반응 이벤트로부터의 에너지 중 일부는 타겟으로부터 직접 경로에서 수신될 수 있으며, 반응 이벤트로부터의 다른 에너지는 비-매칭 층로부터의 반사로부터 수신될 수 있다.
동작 450에서, 수신 어레이의 요소들은 반응 이벤트에 대응하는 전기 신호를 생성한다. 예를 들어, 반응 이벤트가 생성된 파의 후방 산란 파인 경우, 요소들은 반사 파로부터의 에너지를 전압 신호로 변환하여 신호를 생성한다. 이러한 신호는 직접 수신된 후방 산란 파 및 비-매칭 층에서 반사된 후방 산란 파에 기초할 수 있다.
동작 460에서, 생성된 신호가 처리되고, 예를 들어 프로세서는 계산 및 알고리즘을 적용하여 신호를 판독 가능한 값 또는 스크린 상에 표시하기 위한 이미지로 해석하거나 알고리즘을 사용하여 타겟 영역의 재료 특성을 나타내는 신호로부터 데이터를 결정할 수 있다.
동작 470에서, 프로세서 또는 사용자는 프로세스 결과가 수용 가능하다고 결정한다. 예를 들어, 상기 프로세서는 미리 결정된 임계 값이 충족되는지의 여부를 판단하거나 또는 사용자가 이미지의 초점이 맞는지의 여부를 판단할 수 있다. 그 결과가 만족스러우면, 조정이 필요치 않고, 이미지를 캡처하거나 설정을 유지하여 초음파 빔을 계속 투사할 수 있다. 그 결과가 수용할 수 없는 경우(예컨대, 초점이 명확하지 않거나 검출된 이벤트의 위치가 타겟될 위치에 있지 않은 경우), 동작 480에서 프로세서 또는 사용자는 요소들에 대한 치료 설정을 조정, 예컨대 파워 레벨, 초점, 주파수 등을 조정하고, 동작 420에서 그 변경된 치료 설정으로 정제된 빔이 생성된다.
개시된 초음파 장치의 동작 모드는 전송 어레이로 전달되는 파워를 조정함으로써 수정될 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 전송 어레이는 상이한 타입의 빔, 예를 들어 이미징 양상을 위한 포커싱된 음향 펄스 또는 고분해능 평면 파 이미징을 가능하게 하는 보정이 있는 평면 파 펄스를 생성할 수 있다. 종래의 방법들에 비해 개시된 구현 예들의 또 다른 이점에서, 어레이-투-타겟(array-to-target) 인터페이스에서 그리고 또한 타겟 바디 내에서 수차(aberration)를 보정하기 위해 보정이 전송 어레이에 적용될 수 있으며, 이에 따라 획득된 이미지의 품질이 개선된다. 상기 개시된 구현 예들의 추가 이점은 종래의 전송/수신 시스템에서 정지 기간, 스위칭 및 안정화 시간의 제거로 인해 변환기 프레임 비율(데이터가 수집될 수 있는 비율)의 증가이다.
개시된 구현 예들은 자기 공명 영상(MRI) 시스템과 호환될 수 있다. MR-유도 고강도 포커싱 초음파(HIFU) 치료의 경우, 어레이가 자기 구멍(magnet bore) 내에서 사용될 수 있어 동작 중에 MR 이미징을 수행할 수 있는 것이 중요하다. 이러한 호환성을 달성하기 위해, 철 및 니켈과 같은 자성 재료를 그러한 디자인에서 제외할 수 있으며, MR 감지와의 간섭을 방지하기 위해 전류를 전달하는 전도체 루프를 최소화하거나 제거하는 구성을 활용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 전송 기능과 수신 기능을 각각의 개별 어레이로 분리하면 각 어레이의 요소들이 단일 결합 어레이 장치의 변환기에 비해 더 큰 융통성으로 주어진 애플리케이션의 요구 사항에 맞게 조정될 수 있다. 개시된 구현 예들의 장점은, 다양한 초음파 이미징 양상, 예를 들어 연속파(CW), 도플러, 음향 방사력 이미징(ARFI)과 같은 엘라스토그래피(elastography), B-모드, 콘트라스트, 고조파 이미징 및 평면 파 이미징(PWI)에 적용 가능하다. 그러한 개시된 구현 예들은 또한 양쪽 방향으로부터 단층 촬영을 가능하게 하기 위해 대상을 가로 질러 함께 쌍을 이룰 수도 있다. 상기 구현 예들은 또한 열 절제(thermal ablation)를 위한 고강도 포커싱 초음파 치료 및 히스토트립시/보일링 히스토트립시 또는 다른 비-선형 치료, 구조물의 침투 및 국소 워밍(warming) 적용을 위한 저강도 초음파 치료 모두에서 사용될 수 있다.
상기 개시된 구현 예들은 타겟되어 발견된 구조에 필요한 다른 치료 양상을 열적으로 절제하거나 적용할 수도 있는 어레이를 사용하여 고분해능 초음파 이미지를 획득할 수 있다. 예를 들어, 상기 수신 어레이는 상기 전송 어레이로 절제될 구조를 이미지화하고 국소화할 수 있다. 그러한 2개의 어레이는 접착성 화합물로 기계적으로 결합되거나 또는 그 2개의 어레이, 매칭/비-매칭 층 및 전기 층 사이의 공극을 방지하기 위해 결합 매체를 적용하여 기계적 수단으로 부착될 수 있다. 상기 2개의 어레이는 원하는 겹침 또는 겹치지 않는 주파수 범위에서 동작하도록 조정될 수 있다. 상기 전송 어레이는 이미징을 위한 음향 장을 생성하는 데 사용될 수 있어, 어레이들 간 좌표계의 오프셋이 필요치 않다.
다른 적용 가능한 치료는 치료제의 활성 또는 활성화를 증가시키기 위한 국소 워밍, 타겟 부위에서 치료제를 전달하는 구조의 파괴 또는 파열, 신경 및 기타 신경 구조의 활성화, 기계적 응력 또는 그 외의 것을 통한 정맥 구조에서의 유체 흐름의 증가, 물리적 치료 효과를 위한 심부 조직의 국소화 워밍, 세포 용해, 또는 조영제의 진동을 포함할 수 있다. 히스토트립시 또는 보일링 히스토트립시에 대한 동작의 모드에서 기능할 때, 개시된 구현 예들은 치료 부위를 적용하기 위한 압력 파형의 적용 뿐만 아니라 치료의 국소화 및 모니터링을 위한 이미징을 수행할 수 있다.
상기 개시된 변환기 요소 배열은 의학 분야 뿐만 아니라 비파괴 검사, 산업 및 생물 사업 및 화학 공정 분야에서도 응용이 가능하다. 수신 및 전송을 위한 어레이들의 분리 및 최적화는 더 적은 파워를 소비하고 더 다양한 기능을 제공하는 고해상도 비파괴 이미징 시스템에 대한 구성을 구현할 수 있다. 상기 개시된 구현 예들은 또한 대규모 미세 제어, 산업, 화학적, 생물학적 처리에 유용하다. 제조 가변성, 결합 불균일성 또는 기본 구조 폐색을 수정하기 위해 각 요소에 대한 파워를 변경, 변조 또는 턴 오프시킬 수 있다.
상술한 설명은, 설명의 목적을 위해, 특정 구현 예들을 참조하여 설명되었다. 그러나, 상기 예시적인 논의는 개시된 대상의 구현 예들을 개시된 정확한 형태로 제한하거나 포괄적인 것으로 의도하지 않는다. 상기 교시를 고려하여 많은 수정 및 변형이 가능하다. 상기 구현 예들은 개시된 대상의 구현 예들의 원리 및 그것들의 실제 적용을 설명하기 위해 선택되고 설명되었으며, 이에 따라 당업자가 이들 구현 예 뿐만 아니라 고려되는 특정 사용에 적합하도록 다양하게 수정되는 다양한 구현 예를 사용할 수 있게 한다.

Claims (37)

  1. 초음파 장치로서,
    구동 파워를 제공하는 구동 회로;
    타겟을 향해 초음파를 생성하고, 상기 구동 회로로부터 파워를 수신하도록 연결되는 제 1 변환기 어레이; 및
    상기 타겟으로부터 초음파 장치를 향해 이동하는 반사 또는 유도된 초음파를 검출하고, 상기 검출된 초음파에 기초하여 신호를 생성하는 제 2 변환기 어레이를 포함하며,
    상기 제 2 변환기 어레이는 음향 투과성을 가지며 생성된 초음파가 상기 제 2 변환기 어레이를 통과하도록 상기 제 1 변환기 어레이에 걸쳐 배치되는, 초음파 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 변환기 어레이와 제 2 변환기 어레이 사이에 배치된 매칭/비-매칭 층을 더 포함하고,
    상기 매칭/비-매칭 층은 상기 생성된 초음파가 통과되게 하고, 상기 반사 또는 유도된 초음파가 상기 제 1 변환기 어레이에 도달하는 것을 방해하는 재료 및 두께를 갖는, 초음파 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 매칭/비-매칭 층은 상기 제 1 변환기 어레이 및 상기 제 2 변환기 어레이보다 크거나 동일한 열전도율을 갖는 재료로 구성되는, 초음파 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 매칭/비-매칭 층은 상기 제 1 변환기 어레이 및 상기 제 2 변환기 어레이보다 작은 열전도율을 갖는 재료로 구성되는, 초음파 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과 다른 주파수 응답을 갖는, 초음파 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과 다른 스티어링 응답(steering response)을 갖는, 초음파 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과 다른 감도 응답을 갖는, 초음파 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과 하나 이상의 축에서 다른 크기 및/또는 피치를 갖는, 초음파 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들의 크기의 대략 1/4인, 초음파 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제 2 변환기 어레이의 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이의 단일 변환기 요소에 걸쳐 실질적으로 배치된 상기 제 2 변환기 어레이의 4개의 변환기 요소를 포함하는 반복 패턴으로 배열되는, 초음파 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    생성된 초음파는 초음파 이미징 파를 영역에 전달하기 위해 제 1 펄스보다 낮은 에너지 레벨을 갖는 제 2 펄스가 뒤 따르거나 및/또는 선행되는 타겟의 영역에 치료 에너지를 전달하는 제 1 펄스를 포함하고;
    검출된 초음파는 타겟 영역으로부터 반사 또는 유도된 초음파 이미징 파로부터의 파를 포함하며;
    제 2 변환기 어레이는 검출된 파에 기초하여 신호를 생성하고, 상기 신호는 타겟 영역의 이미지를 생성하기 위해 데이터를 전달하는, 초음파 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    제 1 변환기 어레이로부터 생성된 초음파는 치료 에너지를 타겟의 영역으로 전달하고;
    제 2 변환기 어레이는 상기 영역으로부터 반사되거나 유도된 입사 파를 검출하고 상기 입사 파에 기초하여 신호를 생성하며, 상기 신호는 타겟 영역의 디지털 이미지 또는 상기 타겟 영역의 재료 특성을 나타내는 데이터를 생성하기 위해 데이터를 전달하는, 초음파 장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 변환기 어레이는 히스토트립시 또는 보일링 히스토트립시를 유도하기 위해 초음파를 생성하는, 초음파 장치.
  14. 청구항 1에 있어서,
    제 1 변환기 어레이는 제 1 주파수 대역 내에서 초음파를 생성하고,
    제 2 변환기 어레이의 변환기 요소들은 상기 제 2 변환기 어레이가 상기 제 1 주파수 대역과 다른 제 2 주파수 대역 내에서 입사 초음파를 검출하도록 상기 제 1 변환기 어레이의 변환기 요소들보다 상기 제 1 주파수 대역 내의 초음파에 실질적으로 덜 민감한, 초음파 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제 1 주파수 대역은 약 1 MHz의 중심 주파수를 갖고, 상기 제 2 주파수 대역은 약 2 MHz의 중심 주파수를 갖는, 초음파 장치.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 변환기 어레이는 위상 어레이인, 초음파 장치.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동 회로는 제 1 변환기 어레이의 제 1 측면에 배치되고,
    상기 제 2 변환기 어레이는 제 1 측면에 대향하는 변환기 어레이의 제 2 측면에 배치되는, 초음파 장치.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 변환기 어레이에 의해 생성된 신호를 처리하도록 구성된 수신 전자 장치를 더 포함하고, 상기 수신 전자 장치는 실질적으로 음향적으로 투명하고 상기 제 1 변환기 어레이와 상기 제 2 변환기 어레이 사이에 배치되는, 초음파 장치.
  19. 초음파 장치를 사용하여 초음파 치료 또는 초음파 이미징을 수행하는 방법으로서,
    제 1 변환기 어레이에 의해 생성된 초음파가 실질적으로 제 2 변환기 어레이를 통과하도록 상기 제 1 변환기 어레이에 걸쳐 음향 투과성의 제 2 변환기 어레이를 배치하는 단계;
    상기 제 1 변환기 어레이에 상기 제 1 변환기 어레이가 타겟을 향해 초음파를 생성하게 하는 파워를 제공하는 단계;
    상기 제 2 변환기 어레이에 의해, 타겟으로부터 반사 또는 유도된 초음파를 검출하는 단계;
    상기 검출에 기초하여, 제 2 변환기 어레이에 의해 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 신호에 기초하여 타겟 영역의 디지털 이미지를 생성하거나 신호에 기초하여 타겟의 재료 특성을 결정하는 단계를 포함하는, 초음파 장치를 사용하여 초음파 치료 또는 초음파 이미징을 수행하는 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제 1 변환기 어레이와 제 2 변환기 어레이 사이에 매칭/비-매칭 층을 배치함으로써 반사 또는 유도된 초음파가 제 1 변환기 어레이에 도달하는 것을 방해하는 단계를 더 포함하는, 초음파 장치를 사용하여 초음파 치료 또는 초음파 이미징을 수행하는 방법.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 변환기 어레이 중 적어도 하나와 접촉하여 열전도성 층을 사이에 배치함으로써 어레이들의 내부 영역으로부터 어레이들의 에지 영역으로 제 1 및 제 2 변환기 어레이에 의해 생성된 열을 전달하는 단계를 더 포함하는, 초음파 장치를 사용하여 초음파 치료 또는 초음파 이미징을 수행하는 방법.
  22. 청구항 19에 있어서,
    상기 생성된 초음파를 통해 상기 제 1 변환기 어레이로부터 대상의 타겟 영역으로 치료 에너지를 전달하는 단계를 더 포함하는, 초음파 장치를 사용하여 초음파 치료 또는 초음파 이미징을 수행하는 방법.
  23. 청구항 19에 있어서,
    상기 제 1 변환기 어레이에 파워를 제공하는 단계는:
    상기 제 1 변환기 어레이가 대상의 타겟 영역에 치료 초음파 에너지를 전달하게 하기 위해 상기 제 1 변환기 어레이에 제 1 신호를 제공하는 단계; 및
    상기 제 1 변환기 어레이가 타겟 영역에 초음파 이미징 파를 전달하게 하도록 상기 제 1 변환기 어레이에 상기 제 1 신호보다 낮은 에너지 레벨을 갖는 제 2 신호를 제공하는 단계를 포함하는, 초음파 장치를 사용하여 초음파 치료 또는 초음파 이미징을 수행하는 방법.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 제 1 신호는 상기 제 2 신호 이전에 순차적으로 제공되는, 초음파 장치를 사용하여 초음파 치료 또는 초음파 이미징을 수행하는 방법.
  25. 청구항 23에 있어서,
    상기 제 2 신호는 상기 제 1 신호 이전에 순차적으로 제공되는, 초음파 장치를 사용하여 초음파 치료 또는 초음파 이미징을 수행하는 방법.
  26. 청구항 23에 있어서,
    상기 제 2 변환기 어레이에 의해, 타겟 영역으로부터 반사 또는 유도되는 초음파 이미징 파로부터 입사 파를 검출하는 단계; 및
    상기 제 2 변환기 어레이에 의해, 입사 파에 기초하여 신호를 생성하는 단계를 포함하며,
    상기 신호는 타겟 영역의 이미지 또는 상기 타겟 영역의 재료 특성을 나타내는 데이터를 생성하기 위해 데이터를 전달하는, 초음파 장치를 사용하여 초음파 치료 또는 초음파 이미징을 수행하는 방법.
  27. 청구항 19에 있어서,
    상기 생성된 초음파를 제 1 변환기 어레이로부터 제 1 주파수 대역 내에서 전송하는 단계; 및
    상기 제 2 변환기 어레이에 의해, 상기 제 1 주파수 대역과 다른 제 2 주파수 대역 내에서 반사된 초음파를 검출하는 단계를 포함하는, 초음파 장치를 사용하여 초음파 치료 또는 초음파 이미징을 수행하는 방법.
  28. 청구항 19에 있어서,
    제 1 주파수 대역은 대략 1 MHz의 중심 주파수를 갖고, 제 2 주파수 대역은 대략 2 MHz의 중심 주파수를 갖는, 초음파 장치를 사용하여 초음파 치료 또는 초음파 이미징을 수행하는 방법.
  29. 초음파 장치로서,
    구동 파워를 제공하는 구동 회로;
    타겟을 향해 초음파를 생성하고, 상기 구동 회로에 연결되는 제 1 변환기 어레이; 및
    상기 타겟으로부터 초음파 장치를 향해 다시 반사 또는 유도된 초음파를 검출하고, 상기 제 1 변환기 어레이와 인터리빙되고, 상기 제 1 변환기 어레이의 변환기 요소들과 다른 변환기 요소들을 포함하는 제 2 변환기 어레이를 포함하는, 초음파 장치.
  30. 청구항 29에 있어서,
    상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과 다른 주파수 응답을 갖는, 초음파 장치.
  31. 청구항 29에 있어서,
    상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과 다른 스티어링 응답을 갖는, 초음파 장치.
  32. 청구항 29에 있어서,
    상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과 다른 감도 응답을 갖는, 초음파 장치.
  33. 청구항 29에 있어서,
    상기 제 2 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들은 상기 제 1 변환기 어레이를 형성하는 변환기 요소들과 하나 이상의 축에서 다른 크기를 갖는, 초음파 장치.
  34. 청구항 29에 있어서,
    생성된 초음파는 초음파 이미징 파를 영역에 전달하기 위해 제 1 펄스보다 낮은 에너지 레벨을 갖는 제 2 펄스가 뒤 따르거나 선행되는 타겟의 영역에 치료 에너지를 전달하는 제 1 펄스를 포함하고;
    검출된 초음파는 타겟 영역으로부터 반사 또는 유도된 초음파 이미징 파로부터의 파를 포함하며;
    제 2 변환기 어레이는 검출된 파에 기초하여 신호를 생성하고, 상기 신호는 타겟 영역의 이미지 또는 상기 타겟 영역의 재료 특성을 나타내는 데이터를 생성하기 위해 데이터를 전달하는, 초음파 장치.
  35. 청구항 29에 있어서,
    제 1 변환기 어레이로부터 생성된 초음파는 치료 에너지를 타겟의 영역으로 전달하고;
    제 2 변환기 어레이는 영역으로부터 반사 또는 유도된 입사 파를 검출하고 상기 입사 파에 기초하여 신호를 생성하며, 상기 신호는 타겟 영역의 디지털 이미지 또는 상기 타겟 영역의 재료 특성을 나타내는 데이터를 생성하기 위해 데이터를 전달하는, 초음파 장치.
  36. 청구항 29에 있어서,
    제 1 변환기 어레이는 제 1 주파수 대역 내에서 초음파를 생성하고,
    제 2 변환기 어레이의 변환기 요소들은 상기 제 2 변환기 어레이가 상기 제 1 주파수 대역과 다른 제 2 주파수 대역 내에서 입사 초음파를 검출하도록 상기 제 1 변환기 어레이의 변환기 요소들보다 상기 제 1 주파수 대역 내의 초음파에 실질적으로 덜 민감한, 초음파 장치.
  37. 청구항 29에 있어서,
    제 1 주파수 대역은 약 1 MHz의 중심 주파수를 갖고, 상기 제 2 주파수 대역은 약 2 MHz의 중심 주파수를 갖는, 초음파 장치.
KR1020217007369A 2018-08-17 2019-08-16 초음파 이미징 및 에너지 전달 장치 및 방법 KR20210053296A (ko)

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