KR20210138790A - 프로그래밍 가능한 해부 및 흐름 이미징을 가지는 초음파 이미징 장치 - Google Patents

프로그래밍 가능한 해부 및 흐름 이미징을 가지는 초음파 이미징 장치 Download PDF

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KR20210138790A
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샌딥 아카라주
야누스 브라이젝
야누스 브라이젝
브라이언 비로쿰쇼
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엑소 이미징, 인크.
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Abstract

이미징 장치가 기판에 형성된 압전 요소들의 어레이를 포함하는 변환기를 포함한다. 각각의 압전 요소는 기판에 매달린 적어도 하나의 멤브레인, 상기 멤브레인 상에 배치된 적어도 하나의 하부 전극, 상기 하부 전극 상에 배치된 적어도 하나의 압전층, 및 적어도 하나의 압전층 상에 배치된 적어도 하나의 상부 전극을 포함한다. 인접한 압전 요소들은 음향적으로 서로 분리되도록 구성된다. 상기 장치는 흐름 또는 이미징 해부와 흐름을 함께 측정하는 데 이용된다.

Description

프로그래밍 가능한 해부 및 흐름 이미징을 가지는 초음파 이미징 장치
초음파 이미저(imager)들 내의 변환기(transducer)들은 이미징(이미지화)할 타겟을 향해 초음파 빔을 송신하고 반사된 파형으로부터의 신호는 이미지를 생성하는데 사용된다. 조직(tissue)에서 반사된 파형은 보이는 해부의 이미지를 형성하는 데 사용되고, 혈류, 속도 및 흐름(flow)의 방향은 전자적 제어 하에 도플러 시프트 원리들(principles)을 이용하여 측정된다.
첨부 도면들은 여기(본 명세서)에 기술된 원리들의 다양한 예들을 예시하며 본 명세서의 일부이다. 예시된 예들은 단지 예시를 위해 제공된 것이며, 청구범위를 제한하지는 않는다.
도 1은 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 해부 및 흐름 이미징을 위한 이미징 장치의 블록도를 예시한다.
도 2는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 해부 및 흐름 이미징을 위한 휴대용 이미징 시스템의 다이어그램을 예시한다.
도 3은 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 이미징 능력을 갖는 이미징 장치의 개략도를 예시한다.
도 4는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 만곡된(curved) 변환기 어레이의 측면도를 예시한다.
도 5는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 변환기의 평면도(top view)를 예시한다.
도 6a는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 프레임의 스캔 라인들 및 이미징 장치의 등축도(isometric view )를 예시한다.
도 6b는 방위각(xa), 고도(ya) 및 축/깊이(za) 방향을 예시한다.
도 6c는 열(column) 상의 요소들(elements)에 대한 지연의 변화에 따른 빔 초점 및 조향(steering)을 예시한다.
도 6d는 열들 상에서 상대적 지연들이 변경되는, 요소들의 2차원 매트릭스를 예시한다.
도 7은 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 스캔 라인의 형성을 예시한다.
도 8은 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 이미징 장치의 채널의 수를 선택적으로 변경하기 위한 방법의 흐름도를 예시한다.
도 9는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 수신 채널을 예시한다.
도 10은 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 수신 채널의 저잡음 증폭기(low-noise amplifier, LNA)의 단순화된 개략도를 예시한다.
도 11은 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 고속 파워업 바이어싱 회로의 회로도를 예시한다.
도 12는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 압전 요소(압전 소자)의 제조를 예시한다.
도 13은 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 압전 요소의 제조를 예시한다.
도 14는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 압전 요소의 제조를 예시한다.
도 15는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 압전 요소의 제조를 예시한다.
도 16은 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 압전 요소의 제조를 예시한다.
도 17a는 이웃하는 요소들 사이의 누화(cross talk)를 감소시키기 위한 분리(격리, isolation)를 위한 요소 구조를 예시한다.
도 17b는 이웃하는 요소들 사이의 누화를 감소시키기 위한 분리를 위한 요소 구조를 예시한다.
도 17c는 ASIC(application-specific integrated circuit)에서 적어도 송신 드라이버 및 수신 증폭기 전자 장치(electronics)를 갖는 대응하는 ASIC에 연결된 변환기 요소의 단면도를 예시한다.
도 18은 여기에 기재된 원리들의 일례에 따른, 기판층(substrate layer) 상에 배치되고 멤브레인(membrane) 위에 배열된 하부 전극(bottom electrode)의 평면도를 예시한다.
도 19a는 여기에 기술된 원리들의 다른 예에 따른, 압전 요소의 개략도를 예시한다.
도 19b는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 도 19a의 압전 요소의 상징적 묘사(representation)를 예시한다.
도 19c는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 압전 요소의 단면도를 예시한다.
도 19d는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 기판 상에 배치된 2개의 하위-요소들(sub-elements)의 단면도를 예시한다.
도 19e는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 압층들(piezo layers), 전도체들 및 분리 수단의 세부사항(details)을 보여주는 2개의 인접한 요소의 단면도를 예시한다.
도 19f는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 누화를 최소화하기 위한 분리 세부사항을 보여주는 2개의 인접한 요소의 단면도를 예시한다.
도 19g는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 누화를 최소화하기 위한 분리 세부사항을 갖는 2개의 인접한 요소의 단면도를 예시한다.
도 19h는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 누화를 최소화하기 위한 분리 세부사항을 갖는 2개의 인접한 요소의 단면도를 예시한다.
도 19i는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 굴곡(flexural) 모드 동작을 이용하는 압전 요소를 예시한다.
도 20a는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 펄스의 앙상블(ensemble)을 보여주는 스캔 라인을 예시한다.
도 20b는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 각각의 라인이 다수의 샘플을 나타내는 다수의 스캔 라인을 갖는 이미징 프레임을 예시한다.
도 21은 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 이미지를 획득하기 위해 서브-요소 및 서브세트(subset)를 이용하는 송신 및 수신 동작을 예시한다.
도 22는 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 기울어지고(tilted) 초점이 맞춰진(focused) 앙각면(elevation plane)을 예시한다.
도 23은 여기에 기술된 원리들의 일례에 따른, 전자적으로 변경되는 방위각 초점을 예시한다.
도 24는 도플러 샘플 볼륨에서의 유동 민감 영역을 예시한다.
도면 전체에 걸쳐, 동일한 참조 번호는 유사한 요소를 나타내지만, 반드시 동일한 요소인 것은 아니다. 상기 도면들이 반드시 축척과 일치하지는 않으며, 일부분의 크기는 표시된 예를 보다 명확하게 설명하기 위해 과장될 수 있다. 또한, 상기 도면들은 본 명세서와 일치하는 예시들 및/또는 구현들을 제공한다; 그러나, 본 명세서가 도면들에 제공된 예시들 및/또는 구현들로 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 이미징 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 흐름(flow) 및 해부(anatomy) 이미징을 수행하는 능력을 갖는 휴대용 소형(handheld) 초음파 이미징 장치들에 관한 것이다.
초음파 이미징(초음파 검사, sonography)는 신체 내부를 관찰하기 위해 고주파수 음파를 이용한다. 초음파 이미징은 실시간으로 캡처되기 때문에, 혈관들을 통해 흐르는 혈액은 물론 신체 내부 장기들(organs)의 움직임도 보여줄 수 있다. 음파들은 힘줄, 근육, 관절, 혈관 및 내부 장기와 같은 내부 신체 구조의 이미지를 생성하고 표시하는 데 이용된다.
이미징을 수행하기 위해, 이미징 장치는 신호를 신체 안으로 전송하고 이미징되는 신체 부위로부터 반사된 신호를 수신한다. 이미징 장치의 유형에는 트랜시버 또는 이미저라고도 하는 변환기(transducer)가 포함되며, 광음향(photo-acoustic) 또는 초음파 효과(ultrasonic effects)를 기반으로 할 수 있다. 이러한 변환기는 다른 응용 분야에도 이미징에 사용될 수 있다. 예를 들어, 변환기는 신체의 조직 또는 다른 기관들의 해부를 보기 위한 의료 이미징에 사용될 수 있다. 변환기는 재료 시험과 같은 산업 응용 또는 HIFU 기반 수술의 국소 조직 가열과 같은 치료 응용 분야에서도 이용될 수 있다. 타겟을 이미징하고, 유속 및 혈액 방향과 같은 상기 타겟의 움직임을 측정할 때, 도플러 측정 기술이 사용된다. 도플러 기술은 파이프들의 유체 또는 가스 흐름과 같은 유량(흐름률, flow rates)을 측정하는 산업 응용 분야에도 적용될 수 있다.
소스(source)와 대상(object) 사이의 상대적인 운동(motion)으로 인한 전달파와 반사파 주파수의 차이를 도플러 효과(Doppler effect)라고 한다. 주파수 시프트는 변환기와 물체 사이의 이동 속도에 비례한다. 이 효과는 혈류 속도와 방향을 결정하기 위한 초음파 이미징에서 이용된다.
도플러 이미저는 연속파(continuous wave, CW) 또는 펄스파(pulsed wave, PW) 초음파 빔을 생성할 수 있다. CW 도플러에서, 신호들이 계속적으로 전송 및 수신되므로, 두 개의 요소 변환기가 요구되며, 하나는 전송용이고 다른 하나는 수신용이다. PW 동작에서는, 단일-요소 변환기가 초음파 신호를 송신 및 수신하는 데 이용된다.
초음파 이미징에서, 변환기들은 이미징될 타겟을 향해 초음파 빔을 송신하는 데 이용된다. 반사된 파형은 변환기에 의해 수신되어, 전기 신호로 변환되고 추가적인 신호 처리에 의해, 이미지가 생성된다. 흐름의 속도와 방향은 미세 가공된(micro-machined) 초음파 변환기들(MUTs)의 어레이를 이용하여 측정될 수 있다.
해부를 위한 B-모드 이미징은 초음파 에코들(echoes)을 나타내는 점(dot)들로 구성된 2차원 초음파 이미지 디스플레이이다. 각 점의 밝기는 되돌아오는 에코 신호의 진폭에 의해 결정된다. 이를 통해 해부적 구조를 시각화 및 정량화할 수 있을 뿐만 아니라, 진단 및 치료 절차를 시각화할 수 있다. 일반적으로, B 모드 이미지는 동일한 평면내의 컷아웃 뷰(cutout view)의 실제 해부와 매우 유사하다(bears a close resemblance). B 모드 이미징에서, 변환기는 먼저 송신 모드로 배치(설정)된 다음, 타겟으로부터 에코들을 수신하는 수신 모드로 배치된다. 상기 에코들은 해부적 이미지들로 신호 처리된다. 변환기 요소들은 송신 모드 또는 수신 모드에 있을 수 있지만 동시에는 불가능하도록 프로그래밍될 수 있다.
컬러 플로우 도플러, 컬러 도플러 이미징, 또는 단순한 컬러 도플러의 사용은 사용자 정의 영역 내의 동맥 또는 정맥에서 혈액에 대한 흐름 방향 및 속도의 시각화를 가능하게 한다. 관심 영역이 정의되고, 평균 속도와 방향을 기초로 되돌아오는 초음파들의 도플러 시프트들이 색상 구분된다(color-coded). 때로는 이들 이미지들이 B-모드 스캔의 해부 이미지들과 중첩(공동 이미지화)되어, 관찰되는 해부에 비해 더 직관적인 흐름의 느낌을 나타낸다. 도플러 이미징은 PW 도플러일 수도 있어서 흐름의 범위와 속도가 결정되지만, 최대 유속은 사용된 펄스 반복 주파수에 따르며(dependent on). 그렇지 않으면 이미지들이 앨리어싱되어(aliased) 높은 속도(velocities)가 낮은 속도처럼 보이게 된다. 도플러 시프트는 도플러 이미징의 PW 모드를 사용하여 유속을 측정하기 위해 수신된 파동들(waves)의 앙상블로부터 측정할 수 있다. CW 도플러는 다른 변환기 요소로부터의 에코들을 수신하는 동안 하나의 변환기 요소에서 계속적(연속적)으로 전송하는 것을 통해 앨리어싱이 방지되는 연속적인 이미징 기술이다. 이 기술에서, 범위는 모호하다(the range is ambiguous). 프로그래밍 가능한 기기(programmable instrument)에서, 나중에 논의되는 것과 같이 펄스 기술과 계속적 기술이 둘 다 구현될 수 있다. PW 및 컬러 도플러는 어레이에서 선택된 개수의 요소들을 이용할 수 있다. 먼저, 요소들은 송신 모드로 설정되고 에코가 되돌아온 후, 요소들이 수신 모드로 설정되어 도플러 신호 이미징을 위해 수신된 신호가 처리된다. CW 도플러에서, 적어도 두 개의 서로 다른 요소들이 이용되고, 각 요소가 송신 모드에 있는 동안 다른 요소가 계속적으로 수신 모드에 있다.
움직이는 대상로부터의 도플러 신호는 흐름에 대한 정보뿐만 아니라, 주변 조직이나 천천히 움직이는 혈관에서 비롯되는(originated) 불요반사파(clutter, 클러터)를 포함하는 후방 산란(backscatter) 신호들도 포함한다. 이 클러터 신호는 일반적으로 혈액에서 비롯되는 도플러 시프트 신호보다 40에서 80dB 더 강할 수 있다. 따라서, 흐름을 정확하게 추정하기 위해 클러터 제거(rejection)가 필요하다. 클러터 억제(suppression)는 도플러 신호 처리의 한 단계이다. 도플러 시프트 신호에서 클러터 신호를 제거하기 위해 고역 통과 필터(high pass filter, HPF)가 사용될 수 있다. 고역 통과 필터는 정지하거나 또는 느리게 움직이는 조직 또는 기타 기관들로부터의 신호를 억제하는 데 사용될 수 있다. 느리게 움직이는 대상으로부터의 신호들은 저주파이지만, 더 빠른 혈류에서 생성되는 고주파 신호보다 진폭이 훨씬 더 클 수 있다. 따라서, 혈액과 조직으로부터의 신호들을 분리(separating)하기 위해, 날카로운 천이(transition) 대역을 가진 고역 통과 필터가 사용된다. 이 필터들은 수신기에서 디지털 방식으로 나타날(developed) 수 있다. 때로는 월 필터(wall filter)라고도 하는 이 필터는, 신호들의 위상이 정렬된 상태에서, 서로 다른 전송들으로부터의 신호들의 차이를 고려한다(look at). 도플러 시프트로 인한 모든 편차(deviation)는 요구되는(desired) 출력이다. 그러나, 저주파 클러터에 의해 이 편차 중의 일부가 발생하면, 흐름 감지 알고리즘의 감도가 저하된다. 스위칭 모드 dc 대 dc 컨버터-기반 전원 공급 장치(파워 서플라이, power supply)들로부터의 영향으로 인해 전원 공급 장치에 클록 주파수와 고조파(harmonics)가 나타날 수 있다. 또한, 이 주파수들은, 예를 들어 도플러 시퀀스의 펄스 반복률과 같은, 다른 스위칭 현상의 상호 작용으로 인해 다른 주파수들을 생성할 수 있다.
이러한 종류들의 행동(behaviour) 또는 상호 변조(intermodulation) 행동이 비선형성(nonlinearities)에 의해 야기되는 정도까지, 흐름 이미징에 대한 관심 주파수들에 스퓨리어스(spurious) 신호가 나타나고 흐름 이미징의 감도가 감소된다. 클러터의 또 다른 예는 송신 펄서(pulsar)에 사용되는 펄스들의 진폭 지터(amplitude jitter)이다. 클러터의 소스 중 하나는 펄스마다 다른 전원 공급 장치의 진폭들이며, 이는 전원 공급 장치 커패시터들에서 펄스 동안 전류를 전달하기 위해 전하(charge)가 소모되고(drained) 다음 펄스에서 동일한 수준으로 재충전되지 않기 때문이다.
디지털 월 필터를 사용하는 것 외에, 디지털 필터에 앞서 고역 통과 필터를 사용함으로써 클러터를 유발하는 저주파 콘텐츠를 최소화할 수 있다. 필터들은 아날로그 도메인에 있을 수 있고 또한 디지털 도메인에 있을 수도 있다. 이러한 필터들의 일부는 변환기 인터페이스에서 바로 수행될 수도 있으며, 여기서 고주파 통과 주파수의 실시간 제어는 무선 주파수(Rf) 및 반송파(carrier) 주파수(CHF) 네트워크를 제어하여 이루어진다. 무선 주파수(Rf)는 무선 신호를 전달하는 교류 전류뿐만 아니라 3kHz 내지 300GHz 범위의 전자기 전파의 진동률(rate of oscillaltion)를 나타낸다. 반송파 주파수(CHF)는 변경되었거나(altered) 데이터를 전송하기 위해 변조된 고정 주파수의 전송으로 정의된다. 이는 20dB/Dec의 고역 통과 경사(slope)를 달성한다.
추가적으로, 저잡음 증폭기(low noise amplifier, LNA)의 사용을 넘어서, 다른 디지털 제어되는 고역 통과 필터(HPF)가 전력 및 처리 시간을 절약하여 수신기에서의 동작을 단순화하기 위해 활용될 수 있다. 시간 이득 보상(TGC) 이전에 불필요한 클러터를 제거함으로써, LNA는 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 제공되는(presented) 신호의 동적 범위를 증가시킨다. 디지털화된 비트들은 이제 추가적인 도플러 작업(동작)을 위해 처리될 수 있다.
도플러의 획득은 특정 관심 영역으로부터 데이터를 획득하기 위해 펄스들의 반복 전송에 의존한다. 이러한 획득은 그 주기(periodicity) 내에서 정확하여 추가적인 스펙트로그램(spectrogram) 처리를 위해 도플러 신호가 균일하게 샘플링되도록 보장한다. 이는 B-모드 또는 컬러 흐름 신호들이 동시에 획득되는 이중(duplex) 또는 삼중(triplex) 이미징과 같은 모드에서 도플러 신호 획득이 수행될 때 초음파 이미징 시스템들에 대한 주요 제약이 될 수 있다. 이 제약은 다른 모드들의 프레임 레이트(frame rates)를 감소시키므로 초음파 검사자(sonographer)가 실시간으로 이벤트들을 따라갈(follow) 수 있는 능력을 제한한다. 또한, 동일한 위치에 대한 초음파 펄스들의 빠른 주기적 전송은 단위 면적당 평균 전력이 특정 안전 표준을 넘도록 증가시킬 수 있으므로 생성된 음향 전력에 대한 제한은 이를 안전 영역내에 유지하기 위해 세심한 주의를 기울이도록 한다.
도플러 시프트 원리들은 혈류 속도를 계산하는 데 이용된다. 체액, 산업용 유체, 가스 등과 같은 다른 유형의 속도도 계산될 수 있다. 관찰자(observer)가 소스를 향해 이동할 때, 초당 더 많은 파동 주기를 통과함에 의해 증가된 주파수 fr은, 다음과 같이 주어진다:
Figure pct00001
상기에서, ft는 전송 주파수, c는 조직 내에서의 음속, v는 관찰자(예를 들어, 혈액)의 속도이다.
관찰자의 속도가 파동 전파 방향에 대해 각도 ø에 있는 경우, 속도는 파동 방향의 속도 성분 vcosø로 대체된다.
Figure pct00002
관찰자가 정지하고 소스가 파동 이동 방향의 속도로 이동하면, 파장(wavelength)들이 압축된다. 결과적으로 관찰된 주파수는 다음과 같다:
Figure pct00003
각도를 고려하면:
Figure pct00004
초음파의 응용에서, 초음파 빔은 움직이는 혈구 및 조직으로부터 후방 산란된다. 위의 두 효과가 결합되어 전송된 도플러 시프트를 주파수에서 제공한다. 관찰된 주파수는 다음과 같이 주어진다:
Figure pct00005
언급한 바와 같이, 도플러 시프트 주파수는 입사 주파수 ft와 반사 주파수 fr의 차이이며, 따라서 다음과 같이 주어진다:
Figure pct00006
c >> v 이므로
Figure pct00007
마지막 관계식에서, 도플러 시프트는 전파 방향에 대한 각도 ø 및 전송되는 주파수에 따른다.
최적의 도플러 신호 검출을 달성하기 위해 방위각 및 앙각면에서 전자적으로 조향된(steered) 90도에서 측정할 때 최상의 반사가 발생한다. 이 고도 조정은 임의의 원하는(요구되는) 방위각과 더불어 고도 지연 제어의 조합에 의해 제어된다.
지속파(continuous wave) 도플러 시스템은 동일한 프로브(probe) 내에 수용된(housed) 두 개의 별개의 변환기 요소를 이용하여 연속적인 초음파를 송수신하는 시스템이다. 송신 및 수신이 연속적이기 때문에, 변환기 가까이에서 발생하는 신호가 멀리 있는 타겟에서 발생하는 신호보다 감쇠를 덜 겪는다는 점을 제외하고, 시스템에는 깊이 분해능(depth resolution)이 없다. 전송되는(2112) 및 수신되는 빔(2114)이 도 24의 도플러 샘플 볼륨에 도시되어 있다. 도플러 정보를 획득할 수 있는(샘플 부피) 흐름 민감(flow sensitive) 영역(2116)은 변환기 표면에서 일정 거리에서 발생하는 크로스 해치된 선들에 의해 표시된 송신 및 수신 빔의 중첩 영역이다.
예를 들어, 하나는 송신 모드에 있고 다른 하나는 수신 모드에 있을 수 있는, 두 개의 하위-요소를 포함하는 요소를 구성하는 것이 가능하다. 변환기 내에서 단일 요소 대신에 내장된(embedded) 듀얼 하위-요소들을 사용함으로써, 전체 변환기 영역 또는 거기서 선택된 부분이 송신 또는 수신에 사용될 수 있다. 또한, 듀얼 하위-요소의 이용에 의해 교차 영역이 증가한다.
의료 이미징(medical imaging)에 이용되는 초음파 이미저와 같은 이미징 장치들은 압전(piezoelectric, PZT) 재료 또는 다른 압 세라믹(piezo ceramic) 및 폴리머 합성물들을 이용한다. 변환기용 대량(bulk) PZT 요소를 제작하기 위해, 두꺼운 압전 재료 조각(slab)이 큰 직사각형 모양의 PZT 요소들로 절단될 수 있다. 직사각형 모양의 PZT 요소들은, 제조 공정에서 직사각형 모양의 두꺼운 PZT 또는 세라믹 재료의 정밀한 절단 및 정확한 간격에 의한 기판 장착을 포함하기 때문에, 제작 비용이 비싸다. 또한, 변환기들의 임피던스는 조직의 음향 임피던스보다 훨씬 높고, 이는 신호의 실제 송신 및 수신을 가능하도록 하기 위해 임피던스 매칭된 레이어들의 사용을 요구한다.
더욱이, 이러한 두꺼운 대량 PZT 요소들은 비교적 높은 전압 펄스들을 요구할 수 있다. 예를 들어, 전송 신호들을 생성하기 위해 100볼트(V) 이상이 필요할 수 있다. 변환기내의 전력 소실(dissipation)은 구동 전압의 제곱에 비례하므로 높은 구동 전압은 높은 전력 소실을 야기한다. 높은 전력 소실은 이미징 장치 내에서 열을 생성하므로 냉각 장치(cooling arrangements)가 필요하게 만든다. 냉각 시스템의 사용은 이미징 장치의 제조 비용과 무게를 증가시켜 이미징 장치를 작동하는 데 더 부담이 되게 한다. 높은 전압은 또한 전자 장치의 비용도 증가시킨다.
더 나아가, 변환기용 송신/수신 전자 장치는 변환기들 자체로부터 멀리 떨어져 위치할 수 있고, 따라서 변환기와 송신/수신 전자 장치 사이에 극세 동축(micro-coaxial) 케이블들이 요구된다. 일반적으로, 케이블들은 지연 및 임피던스 정합을 위한 정확한 길이를 가지며, 꽤 자주, 변환기들을 케이블을 통해 전자 장치에 효율적으로 연결하기 위해 추가 임피던스 정합 네트워크들이 이용된다.
따라서, 본 명세서는 다양한 반도체 웨이퍼 제조 작업을 이용하여 기판 상에 효율적으로 형성될 수 있는 압전 미세가공 초음파 변환기들(piezoelectric micromachined ultrasound transducers, pMUTs)의 이용에 대해 설명한다. 반도체 웨이퍼들은 6인치, 8인치 및 12인치 크기로 제공될 수 있으며 수백 개의 변환기 어레이들을 수용할 수 있다. 이 반도체 웨이퍼들은 다양한 처리 단계들이 수행되는 실리콘 기판으로 시작한다. 이러한 작업의 예는, 절연 산화물로도 알려진 SiO2층의 형성이다. 상호 연결(interconnects) 및 본드 패드(bond pads) 또는 구리 기둥(copper pillars) 역할을 하는 금속층들을 추가하는 것과 같은 다양한 다른 단계들이 사용되어 pMUT가 다른 전자 장치에 연결되도록 할 수 있다. 또한, 에칭 기술을 사용하여 실리콘 구조에 공동(cavities)을 생성하는 것은 전기 제어에 따라 또는 외부 압력 입력들로 인해 이동할 수 있는 멤브레인들을 형성하도록 할 수 있다. 부피가 큰(bulky) 압전 재료를 가지는 기존 변환기에 비해, 반도체 기판들에 구축되는 pMUT들은 부피가 작고, 제조 비용이 저렴하며, 전자 장치와 변환기 간의 상호 연결이 더 간단하고 고성능을 가진다. 그러므로, 그들은 작동 주파수의 유연성, 및 상호 연결내에서 더 낮은 기생(parasitics)으로 인해 더 높은 품질의 이미지를 생성할 수 있는 가능성을 제공한다.
일례에서, 이미징 장치는 송신 드라이버들, 수신된 에코 신호를 위한 감지 회로, 및 다양한 동작을 제어하기 위한 제어 회로를 포함하는 주문형 집적 회로(application specific integrated circuit, ASIC)에 연결된다. ASIC은 별도의 반도체 웨이퍼에 형성될 수 있고 pMUT는 다른 웨이퍼에 형성될 수 있다. 또한, ASIC은 기생 손실(parasitic losses)을 줄이기 위해 pMUT 요소들에 가깝게 배치될 수 있다. 일례에서, ASIC은 변환기 어레이로부터 50마이크로미터(㎛) 이하만큼 떨어져 있을 수 있다. 2개의 웨이퍼 또는 2개의 다이(die) 사이에 100pm 미만의 간격이 있을 수 있으며, 여기서 각 웨이퍼는 많은 다이를 포함하고 다이는 변환기 웨이퍼 내의 변환기와 ASIC 웨이퍼 내의 ASIC을 포함한다. ASIC은 웨이퍼 대 웨이퍼 상호 연결 또는 ASIC 웨이퍼 상의 변환기 다이 또는 변환기 다이 대 ASIC 다이 상호 연결을 위해 장치들이 적층될(stacked) 수 있도록 pMUT에 대해 매칭되는 치수(dimensions)를 가질 수 있다. 그 대신에, 변환기가 저온 압 재료(piezo material) 스퍼터링(sputter) 및 ASIC 처리와 호환되는 다른 저온 처리를 사용하여 ASIC 웨이퍼 상에 나타날(developed) 수 있다.
pMUT들은 고급(advanced) 초음파 이미징에 대한 가능성(potential)을 가지고 있지만, 일부 제한들이 고성능 이미징 구현에서의 그들의 활용을 방해해왔다. 예를 들어, 질화알루미늄을 사용하는 pMUT들은 송신 및 수신 동작과 관련된 낮은 감도를 나타내므로 이들은 덜 요구하는(less demanding) 애플리케이션들에 적합하다. PZT를 사용하는 다른 pMUT들은 상대적으로 높은 전압을 필요로 하고 상대적으로 낮은 대역폭과 낮은 효율을 나타낸다.
따라서, 본 명세서는 1) 향상된 감도를 갖고, 2) 저전압에서 동작할 수 있고, 3) 고대역폭 동작을 나타내고, 4) 양호한 선형성을 나타내는 pMUT들을 설명한다. 특히, 본 명세서는 연관된 제어 회로에 매우 근접한 pMUT들을 설명한다. 이것은 소형 휴대용 장치에서 제어 회로의 제어 하에 2D(2차원) 및 3D(3차원) 이미징을 가능하게 한다.
다른 유형의 변환기는 용량성 미세가공 초음파 변환기(capacitive micromachine ultrasonic transducer, cMUT)이다. 하지만, cMUT 센서들은 PZT 기반 장치들에 비해 낮은 주파수(여기서 대량의 심층 의료 이미징이 발생)에서 충분한 음압을 생성하는 데 어려움이 있으며 본질적으로 비선형이다. 게다가, cMUT들은 고전압 작동을 요구한다.
일반적으로, 본 명세서의 이미징 장치는 다수의 송신 채널과 다수의 수신 채널을 포함한다. 송신 채널은 요소들이 즉각 응답하는(responsive to) 주파수에서 전압 펄스로 압전 요소들을 구동한다. 이것은 초음파 파형이 압전 요소들로부터 방출되도록 하여 파형이 이미징될 물체를 향하도록 한다. 일부 예에서, 압전 요소들의 변환기 어레이를 갖는 이미징 장치는 상기 이미징 장치와 신체 사이에서 젤(gel)을 사용하여 신체와 기계적으로 접촉한다. 상기 초음파 파형은 대상, 즉 장기(organ)를 향해 이동하고(travel) 파형의 일부는 압전 요소들로 다시 반사되고, 수신된 초음파 에너지는 전기 에너지로 변환된 후, 여러 수신 채널들 및 다른 회로에 의해 처리되어 물체의 이미지를 나타낸다(develop).
이들 송신 및 수신 채널은 전력을 소비하고 많은 채널(고품질 이미지 생성)이 있는 기기(instruments)에서, 전력은 이미징 장치에 과도한 열 축적을 유발할 수 있다. 온도가 특정 값 이상으로 상승하면 이미징 장치의 작동에 영향을 줄 수 있고, 작업자(operator)에게 위험을 초래할 수 있고, 환자에게 위험을 초래할 수 있으며, 온도 상승 범위를 제한하는 규정 사양(regulatory specifications)을 벗어날 수 있다. 초음파 이미징 장치는 변환기 어레이, ASIC, 송신 및 수신 빔포밍 회로, 제어 전자 장치를 포함한다. 사양은 허용할 수 있는 최대 온도를 제한하며, 이는 차례로, 어떤 전자 회로들이 이미징 장치에 수용될 수 있는지 및 어떻게 이미징 장치가 작동하는지를 심하게 제한한다. 이러한 제한들은 달성되는 이미지 품질과 이미지들의 프레임 레이트에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 게다가, 이미징 장치들은 배터리로 구동될 수 있으며, 각 채널이 에너지를 끌어들이므로 많은 채널이 있는 기기에서 빠르게 소모될 수 있다.
본 개시의 이미징 장치는 이러한 문제 및 다른 문제들을 해결한다. 특히, 이미징 장치는 필요한 이미지 품질을 유지하면서 이미징 장치의 온도 제한을 모두 초과하지 않고 전력 소실을 제어한다. 특히, 이미지를 형성하는 데 사용되는 수신 채널 및/또는 송신 채널의 수는 전력을 절약하기 위해 전자적으로 조정 가능하며, 예를 들어, 더 적은 수의 채널이 허용될 수 있다. 구체적인 예로서, 채널의 수 각각은 전력을 감소시키거나, 또는 완전히 전력이 차단되도록 동적으로 제어될 수 있다. 추가적으로, 각 채널의 다른 특성들도 전력을 줄이기 위해 구성될 수 있다. 이러한 고급 제어를 통해 이미징 장치가 안전한 온도 임계값 내에서 작동할 수 있도록 하며, 필요한 이미지 품질을 크게(materially) 희생하지 않고 그렇게 할 수 있다. 전력 소비가 낮아지면 배터리 수명도 늘어난다.
또한, 이미징 장치는 변환기 및 관련 전자 장치가 수용되는 휴대용 케이스(handheld casing)를 포함한다. 이미징 장치는 또한 전자 장치에 전원을 공급하는 배터리를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 이미징 장치에 의해 소모되는 전력량은 이미징 장치의 온도를 상승시킨다. 이미징 장치의 만족스러운 사용과 이미징 장치 성능을 보장하기 위해서는, 이미징 장치의 본체의 온도가 임계 온도 아래로 유지되어야 한다. 본 명세서의 이미징 장치는 상당한 전력을 소모하고, 배터리 수명을 단축시키며, 프로브 내에서 온도를 높이는 고품질 이미지들의 획득에도 불구하고 전력 및 온도를 감소시키도록 전자적으로 구성된다.
일례에서, 본 개시는 실리콘 웨이퍼 상에 구축된 2D 어레이에서 pMUT를 이용하여 2D 및 3D 이미징이 가능한 고성능, 저전력 및 저비용 휴대용 이미징 장치를 설명한다. 특정 매개변수들의 전자적 구성으로 ASIC에 연결되는 이러한 어레이는 이전에 가능했던 것보다 더 낮은 비용으로 더 높은 품질의 이미지 처리를 가능하게 한다. 사용된 채널의 개수 또는 채널당 사용 전력량과 같은 특정 매개변수를 제어하여, 소비 전력이 바뀔 수 있고 온도가 변경될 수 있다.
본 개시는 픽셀 단위로 전자 장치를 제어하기 위해 연결되고 휴대용 하우징에 수용된 pMUT 기반 변환기들에 의존하는 이미징 장치를 설명한다. 이미징 장치는 시스템 구성 가능성(configurability) 및 적응성(adaptability)을 실시간으로 가능하게 하여 이미징 장치의 전력 소비 및 온도를 능동적으로 제어한다. 특히, 흐름 이미징은 해부 이미징 모드들보다 더 많은 전력을 소비할 수 있다. 1) 조리개(aperture) 크기의 변경 및/또는 2) 이 채널들의 전력 손실의 능동적 제어에 의하여 이미징 장치 내의 온도가 사양 제한을 초과하지 않도록 함에 의해 이미징 장치 내의 전력 소실을 최소화함으로써 전력이 감소된다. 이 모든 것은 다른 가능한 것보다 우수한 성능을 달성하면서 수행된다. 게다가, 도플러 모드들에서는 다른 해부 모드들에 비해 음향 전력 출력이 증가할 수 있다. 이러한 전력 출력 레벨을 제어하기 위해 전자적 수단이 제공된다.
여기에 기술된 pMUT의 제조 비용은 최신의(modern) 반도체 및 웨이퍼 처리 기술을 적용함으로써 감소될 수 있다. 예를 들어, 박막 압전층은 반도체 웨이퍼 상에서 회전되거나(spun) 또는 스퍼터링될 수 있고, 나중에 각각이 2개 이상의 전극을 갖는 압전 센서를 생성하기 위해 패터닝될(patterned) 수 있다. 일례에서, 각각의 압전 요소는 제2 및/또는 추가 주파수들 뿐만 아니라 중심 주파수로 알려진 특정 주파수에서도 신호를 방출하거나 수신하는 능력을 갖도록 설계될 수 있다. 압전 요소, pMUT, 트랜시버 및 픽셀이라는 용어는 여기에서 상호호환적으로 사용됨을 유의한다.
일례에서, 이미징 장치는 기판 상에 형성된 압전 요소들의 어레이를 갖는 변환기를 포함한다. 각각의 압전 요소는 기판에 매달린 적어도 하나의 멤브레인, 상기 멤브레인 상에 배치된 적어도 하나의 하부 전극(bottom electrode), 상기 하부 전극 상에 배치된 적어도 하나의 압전층, 및 적어도 하나의 압전층 상에 배치된 적어도 하나의 상부 전극(top electrode)을 포함한다. 인접한 압전 요소들은 음향적으로 서로 분리되도록 구성된다.
다른 예에서, 이미징 장치는 변환기 상의 행 및 열로 배열된 압전 요소들의 2차원(2D) 어레이를 갖는 변환기를 포함한다. 각각의 압전 요소는 적어도 2개의 단자를 가지며, 누화(혼선, cross talk)을 최소화하기 위해 인접한 각각의 압전 요소로부터 물리적으로 분리된다. 어레이의 압전 요소들의 제1 세트는 각각의 압전 요소가 각각의 수신 증폭기에 연결된 제1 상부 전극을 갖고 마치 제1 열을 형성하기 위해 함께 연결된 것처럼 전자적으로 프로그래밍되는 것을 포함한다. 어레이의 압전 요소들의 제2 세트는 각각의 압전 요소가 각각의 송신 드라이버에 연결된 제2 상부 전극을 갖고 마치 제2 열을 형성하기 위해 함께 연결된 것처럼 전자적으로 프로그래밍되는 것을 포함한다.
다른 예에서, 이미징 장치는 변환기 및 상기 변환기 상에서 행 및 열로 배열된 압전 요소들의 2D 어레이를 포함한다. 각 압전 요소는 적어도 두 개의 단자를 가진다. 압전 요소들의 적어도 제1 열은 각각의 압전 요소가 프로그램된 제어 하에서 각각의 수신 증폭기 또는 송신 드라이버에 연결된 제1 상부 전극을 갖는 것을 포함한다. 압전 요소들의 적어도 제2 열은 각각의 압전 요소가 프로그래밍된 제어 하에서 각각의 수신 증폭기 또는 송신 드라이버에 연결된 제1 상부 전극을 갖는 것을 포함한다. 압전 요소들은 송신 후 수신하거나 또는 동시에 송신 및 수신하도록 프로그래밍된다.
이제 도면들을 참조하면, 도 1은 여기에 기술된 원리들에 따라 송신(106) 및 수신 채널(108)을 갖고, 제어 회로(109)에 의해 제어되고, 컴퓨팅 장치(110) 상에서 수행되는 이미징 계산을 갖는 이미징 장치(100)의 블록도를 예시한다. 도 1은 이미징 장치(100)의 다양한 구성요소들(components)들에 전력을 공급하기 위한 전원 공급 장치(power supply)(111)을 더 포함한다.
상술한 바와 같이, 이미징 장치(100)는 인간 또는 동물의 신체 내부 조직, 뼈, 혈류 또는 장기의 이미지를 생성하는데 사용될 수 있다. 이에 따라, 이미징 장치(100)는 신체 내부에 신호를 송신하고, 이미지화되는 신체 부위로부터 반사된 신호를 수신한다. 이러한 이미징 장치(100)는 광음향 또는 초음파 효과에 기초할 수 있고 트랜시버 또는 이미저로 지칭될 수 있는, 압전 변환기들(102)을 포함한다. 이미징 장치(100)는 다른 대상들을 이미징하는데도 이용될 수 있다. 예를 들어, 이미징 장치(100)는 의료 이미징, 파이프 내의 유체 또는 가스에 대한 유량 측정, 쇄석술(lithotripsy), 치료 및 고강도 집중 초음파(highly intensive focused ultrasound, HIFU) 수술을 위한 국소 조직 가열에 사용될 수 있다.
인간 환자들에 사용하는 것 외에도, 이미징 장치(100)는 동물의 내부 장기들의 이미지를 얻는 데에도 사용될 수 있다. 더욱이, 내부 장기들을 이미징하는 것 외에도, 이미징 장치(100)는 도플러 모드 이미징을 이용하여, 조직 강성(stiffness)뿐만 아니라, 동맥 및 정맥 내에서 혈류의 방향 및 속도를 결정하는 데에도 이용될 수 있다.
이미징 장치(100)는 상이한 유형들의 이미징을 수행하는 데 이용될 수 있다. 예를 들어, 이미징 장치(100)는 A-Scan으로도 알려진 1차원 이미징, B scan(B-mode)으로도 알려진 2D 이미징, C scan으로도 알려진 3차원(3D) 이미징 및 도플러 이미징을 수행하는 데 사용될 수 있다. 이미징 장치(100)는 상이한 이미징 모드들로 전환될 수 있고 프로그램 제어하에 전자적으로 구성될 수 있다.
이러한 이미징을 용이하게 하기 위해, 이미징 장치(100)는 압전 변환기들(102)의 어레이를 포함하고, 각 압전 변환기(102)는 압전 요소들(104)의 어레이를 포함한다. 압전 요소(104)는 또한 2개 이상의 하위 요소를 포함할 수 있으며, 이들 각각은 송신 또는 수신 동작에서 구성될 수 있다. 압전 요소(104)는 1) 신체 또는 다른 질량체(mass)를 통과하는 압력파(pressure waves)를 생성하고 2) 이미지화될 신체 또는 다른 질량체 내의 대상으로부터 반사파를 수신하도록 작동한다.
일부 예들에서, 이미징 장치(100)는 초음파 파형을 동시에 송신 및 수신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 특정 압전 요소(104)가 이미징되는 타겟 대상을 향해 압력파를 보내는 동안 다른 압전 요소(104)가 상기 타겟 대상으로부터 반사된 압력파를 수신하고 수신된 파형들에 응답하여 전하(electrical charges)를 생성할(develop) 수 있다.
일부 예들에서, 각각의 압전 요소(104)는 제2 및/또는 추가 주파수들뿐만 아니라, 중심 주파수로 알려진 특정 주파수에서 신호를 방출하거나 수신할 수 있다. 이러한 다중 주파수 압전 요소들(104)은 다중 모드 압전 요소들(multi-modal piezoelectric elements)(104)로 지칭될 수 있고 이미징 장치(100)의 대역폭을 확장할 수 있다.
압전 요소들(104)를 형성하는 압전 재료는 특정 주파수에서 서로 다른 전압 값이 인가될 때 수축 및 팽창한다. 따라서, 전압이 인가된 상이한 값들 사이에서 오감(alternate)에 따라, 압전 요소(104)는 전기 에너지(즉, 전압)를 기계적 움직임으로 변환하여 원하는 주파수에서 파동들로 방출되는 음향 에너지를 발생시킨다. 이 파동들은 이미징되는 타겟에서 반사되고 동일한 압전 요소들(104)에서 수신되어 타겟의 이미지를 형성하는 데 이용되는 전기 신호로 변환된다.
압력파를 생성하기 위해, 이미징 장치(100)는 다수의 송신 채널(106) 및 다수의 수신 채널(108)을 포함한다. 송신 채널(106)은 즉각 응답하는 주파수에서 전압 펄스로 변환기(102)(즉, 압전 요소들(104)의 어레이)를 구동하는 다수의 구성요소를 포함한다. 이것은 초음파 파형이 압전 요소들(104)로부터 이미징될 물체를 향하여 방출되도록 한다. 초음파 파형은 이미지화할 물체를 향해 이동하며 상기 파형의 일부는 변환기(102)로 다시 반사되고, 여기서 수신 채널(108)은 반사된 파형을 수집하고, 이를 전기 에너지로 변환하고, 이를 처리하며, 예를 들어, 컴퓨팅 장치(110)에서, 디스플레이될 수 있는 이미지를 생성할(develop) 수 있다.
일부 예들에서, 이미징 장치(100) 내의 송신 채널들(106) 및 수신 채널들(108)의 개수가 일정하게 유지되는 동안에도, 이들이 연결되는 압전 요소들(104)의 개수는 변할 수 있다. 이 연결은 제어 회로(109)에 의해 제어된다. 일부 예들에서, 제어 회로(109)의 일부가 송신 채널들(106) 및 수신 채널들(108)에 분포될 수 있다. 예를 들어, 변환기(102)의 압전 요소들(104)은 N개의 열과 M개의 행을 갖는 2D 어레이로 형성될 수 있다.
일례에서, 압전 요소들(104)의 2D 어레이는 128개의 열 및 32개의 행과 같이, 다수의 열 및 행을 갖는다. 이미징 장치(100)는 최대 128개의 송신 채널(106) 및 최대 128개의 수신 채널(108)을 가질 수 있다. 각각의 송신 채널(106) 및 수신 채널(108)은 다중 또는 단일 압전 요소 또는 하위 요소(104)에 연결된다. 이미징 모드에 따라, 압전 요소(104)의 각 열은 단일 송신 채널(106) 및 단일 수신 채널(108)에 연결될 수 있다. 송신 채널(106) 및 수신 채널(108)은 합성 신호(composite signals)를 수신하며, 합성 신호는 각 열 내의 각 압전 요소(104)에서 수신된 신호들을 결합한다.
다른 예에서, (즉, 상이한 이미징 모드 동안), 각각의 압전 요소들(104)은 그들 자신의 송신 채널(106) 및 그들 자신의 수신 채널(108)에 연결된다.
다른 예들에서, 컴퓨팅 장치(110) 또는 전원 공급 장치 및 배터리(111)는 외부에 있다(external).
도 2는 여기에 기술된 원리들의 예에 따른, 해부 이미징 능력과 함께 흐름 이미징 능력을 갖는 이미징 시스템의 다이어그램이다. 묘사된 바와 같이, 이미징 시스템은 압력파들(210)을 생성하고 송신 모드/프로세스에서 송신 채널들(도 1, 106)을 통해 심장(214)과 같은 내부 장기를 향해 전송하는 이미징 장치(100)를 포함한다. 내부 장기, 또는 이미징되는 다른 대상은, 수신 모드/프로세스에서, 변환기(도 1,102), 수신 채널들(도 1, 108), 제어 회로(도 1, 109), 컴퓨팅 장치(도 1, 110) 및 반사된 압력파를 통해 캡처하고, 전기 신호를 생성하는 이미징 장치(100) 쪽으로, 압력파(210)의 일부를 반사할 수 있다. 시스템은 또한 통신 채널(218)을 통해 이미징 장치(100)와 통신하는 다른 컴퓨팅 장치(216)를 포함한다. 이미징 장치(100)는 물체의 이미지 형성을 완료하기 위해 수신된 신호를 처리하는 컴퓨팅 장치(216)에 전기적 신호를 전달할 수 있다. 그 후에 시스템의 디스플레이 장치(220)는 타겟 영역내에서 혈류 관련 이미지들을 보여주는 이미지들을 포함하는 장기 또는 타겟의 이미지들을 표시할 수 있다.
도 2에 예시된 바와 같이, 이미징 장치(100)는 컴퓨팅 장치(216)와 통신 채널(218)을 통해 무선으로(802.11 프로토콜 등의 프로토콜을 사용) 또는 케이블을 통해(예를 들어 범용 직렬 버스 2(USB2), USB 3, USB 3.1 및 USB-C) 신호를 전달하는 휴대용 소형 장치일 수 있다. 테더(tethered) 연결의 경우에, 이미징 장치(100)는 컴퓨팅 장치(216)와 통신할 케이블을 수신하기 위해 도 3에 예시된 바와 같은 포트를 포함할 수 있다. 무선 연결의 경우, 이미징 장치(100)는 컴퓨팅 장치(216)와 통신하기 위한 무선 송신기를 포함한다.
디스플레이 장치(220) 및 컴퓨팅 장치(216)는 도시된 바와 같이 이미징 장치(100)로부터 분리될 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 장치(216) 및 디스플레이 장치(220)는, 사용자에게 이미지를 표시할 수 있는 별도의 장치(예를 들어, 휴대폰 또는 iPad와 같은 모바일 장치, 또는 고정(stationary) 컴퓨팅 장치) 내에 배치될 수 있다. 다른 예에서, 디스플레이 장치(220) 및 컴퓨팅 장치(220)는 이미징 장치(100) 내에 포함된다. 즉, 이미징 장치(100), 컴퓨팅 장치(216) 및 디스플레이 장치(220)가 단일 하우징 내에 배치된다.
도 3은 여기에 기술된 원리들의 예시에 따른, 흐름 및 해부적 측정 능력을 갖는 이미징 장치(100)의 개략도이다. 전술한 바와 같이, 영상 장치(100)는 초음파 의료용 프로브일 수 있다. 도 3은 이미징 장치(100)의 변환기(들)(102)을 묘사한다. 전술한 바와 같이, 변환기(들)(102)는 압력파들(도 2, 210)를 송신 및 수신하는 압전 요소들의 어레이(도 1, 104)를 포함한다. 일부 예에서, 이미징 장치(100)는 변환기(102)와 인체, 또는 압력파(도 2, 210)가 통과하는 다른 질량체(other mass through which the pressure waves are transmitted) 사이에서 임피던스 매칭 인터페이스 역할을 하는 코팅층(322)을 포함한다. 일부 경우들에서, 코팅층(322)은 임피던스 매칭 역할을 하고 또한 원하는 초점 거리와 일치하는 곡률(curvature)로 설계될 때 렌즈의 역할도 할 수 있다. 코팅층(322)은 여러 재료(물질)들의 층들로 구성될 수 있으며, 그 중 일부는 변환기를 조직 음향 임피던스에 매칭하는 임피던스에 사용되고 그 중 일부는 음향 신호를 고도 방향(elevation direction)으로 집중시키기 위해 기계적 렌즈로 형성된다.
실시예들에서, 사용자는 코팅층(322)과 인체 사이의 인터페이스에서 임피던스 매칭이 향상되도록 하기 위해 코팅층(322)과 직접 접촉하기 전에 인체의 피부에 젤을 도포할 수 있다. 임피던스 매칭은 인터페이스에서 압력파들(도 2, 210)의 손실과 인터페이스에서 이미징 장치(100)를 향해 이동하는 반사파의 손실을 줄인다.
일부 예들에서, 코팅층(322)은 변환기(들)(102)에서 신체로 또는 그 반대로의 음향 신호의 전송을 최대화하기 위한 평평한 층일 수 있다. 코팅층(322)의 특정 부분은 변환기(들)(102)에 의해 생성되거나 수신된 압력파(도 2, 210)의 특정 주파수에서 두께가 1/4 파장일 수 있다.
이미징 장치는 또한 변환기(102)를 제어하기 위한, ASIC과 같은 제어 회로(109)를 포함한다. 제어 회로(109)는 변환기(102)를 ASIC에 연결하는 범프(bumps)에 의해 변환기(102)에 연결되는 다른 회로와 함께 ASIC에 수용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 송신 채널(106) 및 수신 채널(108)은 선택적으로 변경할 수 있으며, 이는 주어진 시간에서 활성인(active) 송신 채널(106) 및 수신 채널(108)의 양이 변경될 수 있도록 송신 채널(106) 및 수신 채널(108)의 전력 소비 특성 및 기능이 변경될 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 흐름 이미징 모드들 동안 음향 출력을 변경하려는 경우, 라인 또는 사용될 조리개에 사용되는 요소들의 개수와 관련하여 송신 채널을 전자적으로 제어함으로써 달성된다.
송신 구동 신호는 예를 들어 5V, 0V 및 -5V와 같은 다중 레벨(multilevel) 신호일 수 있다. 다른 예로는 15V, 0V 및 -15V를 포함한다. 다른 값들도 또한 가능하다. 신호는 원하는 주파수(desired frequency)에서 많은 펄스를 포함하거나 연속적일 수 있다. 송신기의 드라이버는, 초기에는 디지털 이진 비트들로 인코딩되는 이 다중 레벨 신호들을, 15V와 같은 최종 출력 레벨로 변환한다. 이러한 많은 채널을 사용하여, 초음파 송신 빔들이 생성된다. 채널 내에서의 지연들을 제어하여, 빔들을 2차원 또는 3차원 영역에서 조향할 수 있다. 여기에 설명된 다양한 빔포밍 동작들로, 3D 빔포밍이 가능하다. 이것은 X 및 Y 축내에서 주소 지정이 가능한(addressable) 2D 어레이를 사용하여 가능해진다. 이중 평면(biplane) 이미징도 또한 가능하다.
이미징 장치(100)는 이미징 장치(100)의 구성요소들(components)을 제어하기 위한 FPGAs(Field Programmable Gate Arrays) 또는 GPUs(Graphical Processing Units)(326)들; 신호의 처리/조절을 위한, AFE(Analog Front End)와 같은 회로(들)(328) 및 변환기(102)에 의해 생성되고 회로(328)를 향해 전파되는 파동을 흡수하기 위한 흡음층(acoustic absorber layer)(330)을 더 포함할 수 있다. 흡음층(330)과 함께 사용하기 위해, 변환기(들)(102)는 기판 상에 장착될 수 있고 흡음층(330)에 부착될 수 있다. 이 층(layer)은 반대 방향으로 방출되는 모든 초음파 신호를 흡수하며, 그렇지 않으면 반사되어 이미지 품질을 방해할 수 있다. 도 3에서 흡음층(330)을 묘사하지만, 다른 구성요소들이 역방향, 즉 변환기(102)로부터 멀어지는 초음파의 물질 투과(material transmission)를 방지하는 경우에 이 구성요소는 생략될 수 있다. 102와 109 사이에 흡음재(acoustic absorber)가 내장될(embedded) 수도 있다.
이미징 장치(100)는 스마트폰 또는 태블릿(도 2, 216)과 같은 컴퓨팅 및 디스플레이 장치와 같은, 외부 장치와 데이터를 통신하기 위한 통신 유닛(332)을 포함할 수 있다. 통신은, 예를 들어, 포트(334) 또는 무선 송신기를 통할 수 있다. 이미징 장치(100)는 데이터를 저장하기 위한 메모리(336)를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 이미징 장치(100)는 이미징 장치(100)의 구성요소들에 전력을 제공하기 위한 배터리(338)를 포함한다. 채널 및 관련 회로의 전자 제어는 이미징 장치(100)가 배터리(338)를 포함할 때 특히 관련 영향(relevant impact)을 미칠 수 있다. 예를 들어, 수신 채널들(도 1, 108) 및 송신 채널들(도 1, 106)이 전력을 소비하는 구성 요소들을 포함하므로, 배터리는 시간이 지남에 따라 고갈된다. 일부 예에서 이러한 구성요소들에 의한 전력 소비는 배터리(338)가 짧은 시간에 소모될 정도로 다소 클 수 있다. 이것은 상당한 양의 전력을 소비하는 고품질 이미지를 획득할 때 특히 관련이 있다. 배터리(338)는 또한 무선 또는 유선 충전 회로들일 수 있는 배터리 충전 회로들을 포함할 수 있다. 이미징 장치(100)는 소모된 배터리 충전을 나타내는 게이지(gauge)를 포함할 수 있고, 이는 개선된 배터리 수명을 위해 전력 관리를 최적화하도록 이미징 장치(100)를 구성하는 데 이용된다.
전력 소비를 줄이거나, 아니면 일부 예시들에서, 다른 채널(도 1, 106, 108)의 전원을 완전히 차단함으로써, 배터리(338) 수명이 연장되어 이미징 장치(100)의 사용 용이성이 향상된다. 이는 전력 소비가 더욱 증가하는, 흐름 이미징을 지원하는 이미저들에 특히 적용된다.
도 4는 여기에 기술된 원리들의 예시에 따른, 변환기(102) 어레이의 측면도이다. 전술한 바와 같이, 이미징 장치(도 1, 100)는, 각각 자신의 고유한 압전 요소들(도 1, 104)의 어레이를 갖는, 변환기들(102-1, 102-2, 102-3)의 어레이를 포함할 수 있다. 일부 예시들에서, 변환기들(102)은 이미징될 대상(도 2, 214)의 더 넓은 각도를 제공하도록 만곡될 수 있다. 다른 예시들에서, 변환기(102) 및 어레이들은 평평한 표면에 배치된다. 도 5는 변환기(102) 어레이의 평면도를 묘사한다. 도 5에 예시된 바와 같이, 변환기(102)는 트랜시버 기판(540) 및 그 위에 배열된 하나 이상의 압전 요소(104)를 포함할 수 있다. 대규모(bulk) 압전 요소들을 사용하는 종래의 시스템들과 달리, 압전 요소(104)는 웨이퍼 상에 형성될 수 있다. 웨이퍼는 이미징 장치들을 구축하는 데 이용되는 다중(multiple) 변환기(102) 어레이를 형성하도록 다이싱될(diced) 수 있다. 이 과정은 다이스 형태의 다중 변환기(102) 어레이들이 대량으로 저비용으로 제조될(fabricated) 수 있기 때문에 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
일부 예들에서, 웨이퍼의 직경은 6 ~ 12인치 범위일 수 있고 많은 변환기(102) 어레이들이 그 위에 배치 제조될(batch manufactured) 수 있다. 게다가, 일부 예시들에서, 압전 요소들(104)를 제어하기 위한 제어 회로(도 1, 109)는 각각의 압전 요소(104)가 매칭 집적 회로, (예를 들어, 수신 채널들(도 1, 108) 및 송신 채널들(도 1, 106)) 에 아주 근접하게, 바람직하게는 25㎛ - 100㎛ 이내에서 연결되도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 변환기(102)는 1,024개의 압전 요소들(104)을 가질 수 있고 상기 1,024개의 압전 요소들(104)에 대한 적절한 개수의 송신 및 수신 회로들을 갖는 정합(matching) 제어 회로에 연결될 수 있다.
각각의 압전 요소(104)는 정사각형, 직사각형 및 원형과 같은 임의의 적절한 형상을 가질 수 있다. 도 5에 묘사된 바와 같이, 일부 예시들에서, 압전 요소(104)는 직교 방향들로 배열된 2차원 어레이로 배열될 수 있다. 즉, 압전 요소(104) 어레이는 N개의 열(542) 및 M개의 행(544)을 갖는 M x N 어레이일 수 있다.
라인 요소를 생성하기 위해, N개의 압전 요소들(104)의 열(542)이 효율적으로 전자적 연결될 수 있다. 그런 다음, 이 라인 요소는 단일 대량 압전 요소에 의해 달성되는 것과 비슷한 초음파 신호의 송신 및 수신을 제공할 수 있으며, 여기서 각 압전 요소(104)의 두 전극은 각각 전기적으로 연결되어 각 압전 요소(104)보다 N배 더 큰 열을 구현한다. 이 라인 요소는 열, 라인 또는 라인 요소라고 상호호환되게 호칭될 수 있다. 압전 요소들(104)의 열의 예시가 도 5에서 참조 번호(542)로 나타난다. 압전 요소(104)는 이 예시에서 열(542)에 배열되고 관련 송신 드라이버 회로들(송신 채널의 일부) 및 수신 채널 회로의 일부인 저잡음 증폭기들(low noise amplifiers, LNAs)를 갖는다. 명시적으로 도시하지는 않았지만, 송신 및 수신 회로는 특정 요소들 및 요소 집합들을 사용할 수 있도록 하는 다중화 및 주소 제어 회로를 포함한다. 변환기들(102)은 원 등의 다른 모양으로 배열될 수 있다는 것으로 이해된다. 일부 예시들에서, 압전 요소들(104)은, 중심에서 중심까지 서로 250㎛ 이격될 수 있다. 압전 요소들(104)은 프로그래밍된 제어하에 연결되기 때문에, 예를 들어, 열에 연결된 압전 요소들(104)의 수가 프로그래밍 가능하다는 점에 유의해야 한다.
변환기(102)에서, 라인 요소는 복수의 동일한 압전 요소들(104)을 이용하여 설계될 수 있으며, 여기서 각각의 압전 요소(104)는 고유한 중심 주파수를 가질 수 있다. 복수의 압전 요소들(104)이 함께 연결될 때, 합성 구조(즉, 라인 요소)는 모든 요소 픽셀들의 중심 주파수들로 구성된 중심 주파수를 갖는 라인 요소로서 작동할 수 있다. 트랜지스터들을 매칭시키는 데 이용되는 최신 반도체 공정들을 이용하여, 이들 중심 주파수들은 서로 잘 매칭되고 라인 요소의 중심 주파수에서 매우 작은 편차를 갖는다. 또한 중심 주파수들이 약간 다른 여러 픽셀을 혼합하여 하나의 중심 주파수만 사용하는 라인에 비해 넓은 대역폭 라인을 생성할 수도 있다.
일부 예들에서, 변환기(102)에 연결된 ASIC은 하나 이상의 온도 센서들(546-1, 546-2, 546-3, 546-4)를 포함하여 ASIC 및 변환기의 해당 영역의 온도를 측정한다. 도 5에서는 특정 위치에 배치된 온도 센서들(546)을 묘사하지만, 온도 센서들(546)이 다른 위치에 배치될 수 있고 추가 센서들이 이미징 장치(도 1, 100)의 다른 위치들에 배치될 수 있다.
온도 센서(546)는 채널들(도 1, 106, 108)의 선택적인 조정에 대한 트리거일 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이, 소형 휴대용 이미징 장치(도 1, 100) 내의 온도가 미리 정해진 온도보다 높게 상승할 수 있다. 변환기들(102)은 변환기와 환자 접촉 표면 사이의 인터페이스로서 작용하는 재료로 코팅될 수 있다. 일례에서, 상기 재료는 ASIC을 향하는 변환기의 표면에 배치된 백킹(backing)층의 역할을 한다. 상기 재료는 관심 주파수들에 대하여 변환기와 조직 음향 임피던스 레벨들 사이에 있는 음향 임피던스를 갖는, PDMS(폴리디메틸실록산) 또는 다른 유사한 재료일 수 있다. 온도 센서들(546)은 해당 영역에 대한 근접성으로 인해 환자와 접촉하는 이미저의 표면에서 장치의 온도를 검출한다. 온도 센서들(546)이 임계값, 예를 들어, 사용자가 설정한 온도 또는 규제 기관(regulatory authority)에서 설정한 온도, 보다 큰 온도를 감지하면, 송신 채널(도 1, 106) 및/또는 수신 채널(도 1, 108)의 전체 또는 일부의 전원을 차단하거나 또는 송신 채널(도 1, 106) 및/또는 수신 채널(도 1, 108)의 전체 또는 일부를 저전력 상태로 설정하기 위하여 신호가 제어기(도 3, 324)를 통과할 수 있다.
도 5도 압전 요소들(104)의 단자들을 묘사한다. 특히, 각 압전요소(104)는 2개의 단자를 갖는다. 제1 단자는 어레이 내의 모든 압전 요소들(104)이 공유하는 공통 단자이다. 제2 단자는 압전 요소들(104)을 송신 채널(도 1, 106) 및 수신 채널(도 1, 108)에 연결하고, 여기서 송신 및 수신 채널은 상이한 기판 상에 있을 수 있다. 제2 단자는 제1 열 내의 압전 요소들(104)에 대해 상징적으로 나타낸 바와 같이 모든 압전 요소(104)에 대해 구동되고 감지되는 단자이다. 단순화를 위해 송신 채널들(106)과 수신 채널들(도 1, 108)dl 함께 연결된 것처럼 나타낸다. 그러나, 일부 예들에서는, 송신 모드, 수신 모드 또는 두 가지 동작 모두에서 활성화되도록 개별적으로 제어될 수 있으며, 단순화하여 여기에 나타낸 것보다 배선이 더 복잡하다. 또한, 단순화를 위해, 제2 단자는 제1 열 내의 압전 요소들(104)에 대해서만 표시된다. 그러나, 연관된 송신 채널들(106) 및 수신 채널들(108)을 갖는 유사한 단자들이 어레이 내의 다른 압전 요소들(104)을 채운다(populate). 제어 회로(도 1, 109)는, 제어 신호를 사용하여, 각각의 송신 채널(도 1, 106) 및 수신 채널(도 1, 108)을 켜고(turn on) 다른 열들(542) 내의 채널들(도 1, 106, 108)을 끔(turn off)에 의해 압전 요소들(104)의 하나의 열(542)을 선택할 수 있다. 유사한 방식으로, 특정 열들(54), 또는 개별 압전 요소들(104)을 끄는 것도 가능하다.
도 6a는 본 명세서에 기술된 원리들의 예에 따른, 프레임(648)의 스캔 라인(650) 및 이미징 장치(100)의 등축도이다. 프레임(648)은 장기, 또는 이미징될 다른 물체의 정지 이미지(still image)를 일컫는다. 프레임(648)은 물체를 관통하는 단면(cross-sectional) 라인일 수 있다. 프레임(648)은 개별적인 스캔 라인들(650)로 구성된다. 즉, 프레임(648)은 이미지로 볼 수 있고, 스캔 라인(650)은 해당 이미지를 나타내는 프레임(648)의 일부를 나타낸다. 해상도에 따라, 특정 프레임(648)은 100개 미만에서 수백 개에 이르는 다양한 수의 스캔 라인(650)을 포함할 수 있다.
프레임(648)을 형성하기 위해, 변환기(102)는, 빔 형성 회로를 이용하여, 서로 다른 압전 요소들(도 1, 104), 예를 들어, 특정 열 또는 열들(도 5, 542) 내의 그것들로부터의 압력파들을 송신하고 특정 초점에 집중시킨다. 이들 압전 요소들(도 1, 104)에 의해 수집된 반사 신호는 수신되고, 지연되고, 가중되고, 합산되어 스캔 라인(650)을 형성한다. 그 후 관심 초점이 프레임의 다른 부분으로 변경되며, 예를 들어 100-200개의 스캔 라인들(650)로 구성되는 전체 프레임(648)이 생성될 때까지 프로세스가 반복된다.
특정 전송 기술에 대한 자세한 참조(particular reference)가 이루어지지만, 다중 채널들로부터의 단일 전송으로 다중 초점을 구현하는 것을 포함하여, 많은 상이한 전송 기술들이 이용될 수 있다. 게다가, 본 명세서에서 설명하는 동작들은 이들 다초점 송신 시그널링 기술들에도 적용 가능하다. 예를 들어, 처프 시그널링(chirp signaling)를 사용하여 동시 다중 영역(multi-zone) 포커싱을 구현할 수 있으며, 깊이 함수로 더 나은 해상도를 구현하는 데 도움이 될 수 있다. 특정 예로서, 처프 시그널링은 많은 사이클의 주파수 또는 위상 변조 코딩된 신호가 전송되는 전송 동안 코딩된 신호를 전송한다. 그러면 수신된 에코가 수신된 신호를 압축하기 위해 정합 필터로 처리된다. 이 방법은 1 또는 2개의 펄스만 전송되는 상황에 비해 타겟 내에 더 큰 에너지를 결합시키는 이점이 있다. 여러 신호들을 전송할 때 축 방향 분해능(axial resolution)이 더 나빠질 수 있지만, 처프 신호를 사용하면, 수신기 내의 매칭된 필터 덕분에, 축 방향 분해능이 크게 복원된다(restored).
처프 시그널링의 문제는 모든 시그널링 케이스들에 대한 유사 진폭의 송신 펄스들에 대한 전력 출력을 증가시킬 수 있는 송신 펄스들의 많은 사이클을 사용한다는 것이다. 그러나, 고도(elevation)에서 조리개를 전자적으로 조정함에 의해, 더 많은 펄스들이 사용되는, B 모드 및 도플러 이미징에 사용되는 다양한 유형의 시그널링을 허용하도록 전력 출력을 조정할 수 있다.
도 6b는 xa 방향으로 표시된, 방위각 축을 예시한다. 이것은 도 6a의 방향 AA와 동일하며, 도 6a의 라인(650)은 도 6b에 나타난 바와 같이 축 방향이고 도 6b에서 za 또는 깊이로 표시되어 있다. 도 6b는 고도 방향 ya 도 표시한다. 고도 방향은 특히 2D 이미징에 적합할 수 있다. 나타낸 초음파 빔은 앙각면(1201) 내에 집속되어(focused) 좁은 방향 내로 빔을 집중시키고 축 방향의 특정 지점에서 그 평면 내의 압력을 증가시킨다. 상기 빔은 또한 방위각 방향 내에서 방위각면(azimuth plane)(1202) 내에 집속된다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 방위각 초점과 고도(각) 초점이 상대적으로 동일한 위치에 있으면, 타겟 초점에서의 압력이 증가한다. 고도 및 방위각 초점을 둘다 전자적으로 제어할 수 있는 기능은 작업자가 고도 및 축 차원의 아무 지점을 타겟으로 하여 해당 지점에서 증가된 압력으로 3D 포커싱을 생성하는 것을 제공한다. 압력의 증가는 변환기에 대한 신호 가용성을 증가시키고 감도도 향상된다. 게다가, 고도 방향에 초점을 맞추지 않으면, 전송되는 파형이 앙각면(1201)에서 떨어진 다른 물체들에 부딪힐 수 있고 이러한 원치 않는 타겟들로부터의 반사 신호는 수신되는 이미지에 클러터를 생성할 수 있다. 도 6b는 축 방향에서 깊이에서 이동하는 음향 빔을 나타낸다는 점에 유의한다.
도 6c는 열 상의 각 요소에 적용되는 상이한 지연들을 갖는 상기 열 상에 배열된 다양한 유형의 빔 반사 요소들을 예시한다. 예를 들어, 제1 빔(4101)은 파형들이 지연되도록 하는 모든 요소들에 대해 동일한 지연을 가지며, 결과적으로 동기 빔(synchronous beam)이라고 하는 평면파가 생성된다. 다른 예시들은 한 지점에 빔을 집중시키기 위해 열 상의 요소들에 적용되는 다양한 지연들을 포함한다. 앙각면의 한 지점에 집중된 빔의 경우, 이를 빔 조향 또는 빔의 포커싱 및 조향이라고 한다. 제2 빔(4102)은 포커싱된 빔을 예시한다. 제3 빔(4103)은 빔 조향이 있는 빔을 예시하고 제4 빔(4104)은 빔의 조향 및 포커싱이 있는 빔을 예시한다.
도 6d는 24개의 행과 128개의 열을 갖는 변환기의 예를 예시하며, 여기서 각 열은 24개의 요소를 포함한다. 열들 내에서 원들(circles)로 표시된 요소들은 동일한 지연을 공유하고 음영 처리되었으며, 다른 요소들은 상이한 지연들을 가지며 음영 처리되지 않았다. 각 열은 다른 열들의 요소들과 동일한 상대적 지연을 갖거나 또는 각 열이 다른 상대적 지연들을 가질 수 있다. 모든 요소의 실제 지연은 방위각 축과 고도 축에서의 지연의 합(summation)이다. 요소들에 대하여 송신 모드와 수신 모드에서 적절한 지연을 생성하도록 하는 펄스를 생성하는 ASIC 내에서 제어들이 구현된다.
일례에서, 이미징 장치는 전자적으로 구현되는 송신 고도 초점(elevation focus)을 포함한다. 예를 들어, 전자적 초점은 ASIC에 의해 열의 요소에 의해 전송되는 빔의 상대적 지연을 변경함에 의해 구현된다. ASIC의 디지털 레지스터는 외부 컨트롤러에 의해 제어되며, 원하는(desired) 전송 고도 초점 깊이가 ASIC으로 전송된다. 원하는 방위각 초점 깊이는 외부 컨트롤러에 의해 ASIC으로 전송되며 여기서 ASIC은 요소들의 상대적 지연을 설정한다. 원하는 방위각 초점 깊이는 변환기, ASIC 또는 보드 내의 곡률에 맞게 조정된다. 고도 초점은 변환기 내의 곡률을 보상하기 위한 지연 조정들을 포함하도록 전자적으로 조정된다. 다른 예에서, 고도 포커스는 송신 고도 포커스이다. 고도 초점은 수신 고도 초점을 조정하는 것도 포함한다. 고정된 전송 및 고도 초점을 제공하는 기계식 렌즈가 포함될 수 있으며, 여기서 전자 고도 초점은 고도 초점 내에서 추가적인 전자적 변경이 가능하게 한다. 도플러 이미징 감도를 향상시키는 데에 변환기들의 초점 거리의 유닛 특정 전자적 조정(unit specific electronic adjustments)이 사용될 수 있다. 전자적 조정은 변환기들 내의 곡률에서 단위 대 단위 변화들(unit to unit variations)에 대한 조정을 포함할 수 있다.
도 7은 여기에 기술된 원리들의 예시에 따른, 스캔 라인(650)의 형성을 예시한다. 도 6a의 라인 AA를 따라 하나의 변환기(102)의 단면도가 취해지며 변환기(102)를 구성하는 압전 요소들(104)을 포함한다. 도 7에서, 단순화를 위해 변환기(102)의 하나의 압전 요소(104)만 참조 번호로 표시된다. 더욱이, 도 7에 묘사된 압전 요소들(104)은 페이지 내로 연장되는 다른 압전 요소들(104)과 함께 열(도 5, 542)의 상부(top) 압전 요소(104)를 나타낼 수 있다는 점에 유의한다. 도 7은 또한 스캔 라인(650)을 형성하기 위해 제어기(324) 내에서 찾을 수 있는 회로를 묘사한다.
단순화를 위해, 도 7은 7개의 압전 요소(104) 및 7개의 각 열(도 5, 542)만을 묘사한다. 하지만, 위에서 설명된 바와 같이, 변환기(102)는 임의의 수의 압전 요소(104), 예를 들어 128개의 열(도 5, 542)을 포함할 수 있으며, 각 열(도 5, 542)은 그 안에 배치되는 32개의 압전 요소(104)를 가진다.
스캔 라인(650)을 형성하기 위해, 열(도 5, 542) 내의 각 압전 요소(104)와 같은, 다수의 압전 요소들(104)로부터 신호들(752)이 수신된다. 일부 예들에서, 열(도 5, 542) 내의 압전 요소들(104)에 대한 신호들은 제어기(324)에 전달되는 합성 신호(754)로 결합될 수 있다. 각각의 합성 신호(754)가 상이한 전송 길이로 인해 상이한 시간에 수신되므로, 제어기(324)는 위상이 같아지도록 각 합성 신호(754)를 지연시킨다. 그 후 제어기(324)는 조정된 신호들을 결합하여 스캔 라인(650)을 형성한다. 제어기(324)에 의한 수신 신호들(754)의 처리에 관한 추가적 세부사항이 이후 도면들에 제시된다.
위에서 설명된 바와 같이, 이미지의 프레임(도 6a, 648)은, 종종 128개 이상인, 많은 스캔 라인(650)으로 형성된다. 이들 스캔 라인(650)은 이미지화될 영역을 커버한다. 프레임 레이트 측면에서, 스캔 라인(650)을 수집하여 프레임(도 6A, 648)으로 결합하는 시간은, 이미지화될 대상의 비디오의 품질을 정의한다. 예를 들어, 심장을 스캔하는 예를 가정하고, 심장이 변환기(102) 표면 아래 20cm라고 가정하면, 초음파 파형이 심장으로 이동하는 데 약 130 마이크로초(us)가 걸리고, 이는 소리가 조직 내에서 1540m/s로 이동하는 것을 가정한 것이다. 그 후 신호가 심장에서 반사되어 변환기(102)에 도달하는 데에도 130 마이크로초가 걸려서 총 시간은 260 마이크로초가 된다. 도 7에 나타난 바와 같이, N개의 수신 채널(도 1, 108)을 사용하고, 압전 요소들(도 1, 104)의 N개의 열(도 5, 544)을 구동하는 N개의 송신 채널(도 1, 108)로부터의 송신 및 N개의 모든 열(도 5, 544)로부터의 수신에 의해 하나의 스캔 라인(650)이 형성되고 신호들을 처리한다. 일례에서는, 128개 채널을 사용하고, 128개 채널에서 전송하고 압전 요소들의 128개 열을 구동하고 128개 열 모두로부터 수신하여 하나의 스캔 라인이 형성되고 신호를 처리한다. 프레임당 128개의 스캔 라인(650)을 가정하면(도 6A, 648), 최대 프레임 레이트는 약 30 fps(frames per second, 초당 프레임)이다.
일부 예들에서, 30 fps이면 충분할 수 있으며, 예를 들어, 간 및 신장의 경우이다. 하지만, 심장과 같이, 움직이는 기관을 이미지화하려면, 더 높은 프레임 레이트가 요구될 수 있다. 이에 따라, 이미징 장치(도 1, 100)는 다중 스캔 라인들(650)이 동시에 형성될 수 있는 병렬(parallel) 빔포밍을 구현할 수 있다. 다중 스캔 라인들(650)이 한 번에 형성될 수 있으므로, 실효(effective) 프레임 레이트가 증가할 수 있다. 예를 들어, 4개의 스캔 라인들(650)이 동시에 형성될 수 있으면, 실효 프레임 레이트가 120 fps까지 올라갈 수 있다. 병렬 빔포밍은 이미징 장치(도 1, 100)의 FPGA(field programmable gate array) 또는 GPU(graphical processing unit)(도 3, 326)에서 구현될 수 있다.
일부 예들에서, 병렬 빔 형성은, 프레임 레이트가 필요보다 높더라도, 초기에 프레임 레이트를 증가시키기 위해 사용된다. 예를 들어, 병렬 빔 형성으로, 120 fps의 프레임 레이트를 구현할 수 있다. 하지만, 30 fps가 적절한 것이라면, 전송 및 수신 채널들과 같은 하드웨어를 시간의 일부, 예를 들어 시간의 4분의 1동안 활성화하여, 전력 소비를 4배 이하로 줄일 수 있다. 시간 절약은, 완전히 끄도록(shut down) 처리할 수는 없지만, 실질적으로 더 낮은 전력 상태로 전환할 수 있는 몇 가지 요구 사항들을 고려한다. 예를 들어, 4개의 스캔 라인의 세트가 동시에 수집된 후, 송신(도 1, 106), 수신 채널(도 1, 108) 및 제어 회로(도 1, 109)의 일부가 잠시 동안 꺼질 수 있으며, 그 후 다른 4개의 스캔 라인을 동시에 수집하기 위해 다시 켜질 수 있다.
이러한 기술들은 상기 인용된 예에서 시작 전력 소비 값보다 약 3.3배 더 작은 것과 같은, 더 큰 요인들에 의해 전력 소비를 감소시킬 수 있다. 다시 말하면, 프레임 레이트를 증가시키기 위해 병렬 빔 형성이 사용된다. 이는 목표 프레임 레이트들이 여전히 달성되도록, 셧다운 시간(times)에 의해, 전력을 줄이기 위한 스캔 라인 생성과 관련된 회로를 선택적으로 셧다운하는 것이 뒤따른다. 이 기술은 상기 회로를 사용하지 않는 병렬 빔 형성에 비해 전력 소비를 줄일 수 있다. 이러한 작업은 이미지 품질에 영향을 미치지 않으며, 이미지 아티팩트(image artifacts)는 전력을 많이 사용하지 않는 작업에 의해 디지털 보정될 수 있고 프로브에 위치하지 않은 디스플레이 프로세서에서 실행될 수 있기 때문이다. 특히, 스캔 라인(650) 형태의 이미징 장치(도 1, 100)로부터의 데이터는 USB 인터페이스를 사용하여 컴퓨팅 장치(도 2, 216) 유닛으로 전송될 수 있고 이미지 프로세싱은 이미징 장치(도 1, 100)의 외부에서 수행될 수 있고 이는 온도 상승에 대한 제한이 적다. 스케일링의 양은 송신 및 수신되는 병렬 빔들(parallel beams)의 수에 따른다. 예를 들어, 스케일링은 두 개의 병렬 빔을 사용할 때 더 작을 수 있고 8개의 평행한 빔을 사용할 때 더 클 수 있다.
도 8은, 여기에 기술된 원리들의 예시에 따른, 이미징 장치(도 1, 100)의 채널 수 또는 채널(도 1, 106, 108) 당 요소 수를 선택적으로 변경하는 방법(800)의 흐름도이다. 상기 방법(800)에 따르면, 전력 소비 또는 음향 전력 출력이 이미징 장치(도 1, 100) 내에서 조정되어야 한다는 지시가 수신된다(블록 801). 상기 지시는 다양한 형태로 나타날 수 있다. 예를 들어, 온도 센서가 온도가 너무 높다고 지시하기 때문에 전력 소비를 줄여야 하는 경우, 전력을 감소하라는 지시가 제어 회로로 전송될 수 있다. 다른 예에서, 음향 전력 출력이 변경되어야 하는 경우, 전송하는 요소의 수 또는 요소 당 전력을 변경하라는 지시가 제어 회로에 의해 수신될 수 있다.
일례에서, 이미징 장치(도 1, 100)는 이미징 장치(도 1, 100)를 올바르게 방향 맞추는(orient) 것을 도움으로써 의료 관련 이미지를 획득하도록 조작자(operator)를 안내하는 데 먼저 사용된다. 이는 이미지화되는 장기(도 2, 214)의 원하는 뷰(view)에 대한 적절한 방향으로 사용자가 이미지의 방향을 맞추도록 안내하는 알고리즘과 함께 기계 학습을 활용하는 인공 지능 기술을 사용하여 수행될 수 있다. 적절한 방향을 획득한 후, 실제 이미징 세션은 관련 해상도에서 시작할 수 있다. 하지만, 오리엔테이션 및 안내 세션 동안은, 고해상도가 필요하지 않으므로 이미징 장치(도 1, 100)를 더 낮은 전력 및 더 낮은 해상도 모드로 설정하여, 전체 이미징 세션에 대한 전력을 절약할 수 있다.
도 9는, 여기에 기술된 원리들의 예에 따른, 수신 채널(108)을 묘사한다. 수신 채널(108)은 압전 요소(도 1, 104)에 연결되어 반사된 압력파(도 2, 210)를 수신한다. 도 9는 압전 요소(도 1, 104)와 송신 채널(도 1, 106) 사이의 연결도 묘사한다. 송신 동작 동안, 송신/수신 스위치가 꺼져서, 노드 A 상의 구동 신호로부터 LNA(1056)를 분리한다(isolate). 일례에서, 전송이 완료된 후에, 송신 채널(도 1, 106) 펄스 드라이버가 높은 임피던스 상태로 설정되어 노드(도 9의 A)에서의 수신 작업 동안 변환기가 압력 신호를 수신할 수 있도록 하며 수신된 압력 신호는 현재 켜져 있는 송신/수신 스위치에 의해 LNA에 연결된다. 송신 작업 동안, 송신 펄스 드라이버는, 노드 A에서도, 전송 신호를 전달하며, 변환기는 이를 초음파 압력파(ultrasonic pressure wave)로 변환하여 이미지화되는 타겟에 전송한다.
다시 말해서, 수신 채널(108)은 반사된 압력 파형을 이미지화될 타겟으로부터 수신하고 수신 채널(108)은 상기 압력을 전기 전압으로 변환한다. 특히, 반사된 압력파는 변환기에서 전하(electrical charge)로 변환되고, 이는 LNA에 의해 전압으로 변환된다. LNA는 전하가 출력 전압으로 변환되는, 전하 증폭기이다. 일부 예에서, LNA는 프로그래밍 가능한 이득을 가지며, 여기서 이득은 실시간으로 변경될 수 있고 Cf 및 Rf에 의해 제어되며, 여기서 Cf 및 Rf는 도 11에 표시된 것처럼 프로그래밍 가능한 구성 요소의 뱅크(bank)이다. 프로그래밍 가능한 이득을 가지는 LNA의 예시가 도 10에 묘사되어 있다.
LNA(1056)는 변환기 내의 전하를 전압 출력으로 변환하고 또한 수신된 에코 신호를 증폭한다. 송신/수신 스위치는 LNA(1056)를 수신 모드 작동중인 변환기에 연결한다.
그 후 LNA(1056)의 출력은 신호를 조절하기 위해 다른 구성요소들(components)에 연결된다. 예를 들어, 프로그래밍 가능한 이득 증폭기(programmable gain amplifier, PGA)(1058)는 전압의 크기를 추가로 조정하고 시간의 함수로서 이득을 변경하는 방법을 제공하며 시간 이득 증폭기로 알려져 있을 수 있다. 신호는 조직 속으로 깊이 이동함에 따라, 감쇠된다. 따라서, 보상을 위해 더 큰 이득이 사용되며, 더 큰 이득은 시간 이득 보상(time gain compensation, TGC)에 의해 구현된다. 대역 통과 필터(1060)는 대역 신호에서 잡음을 필터링하도록 동작한다. 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter, ADC)(1062)는 아날로그 신호를 디지털화하여 신호를 디지털 도메인으로 변환하여 추가 처리가 디지털로 수행될 수 있도록 한다. 그 후 ADC(1062)로부터의 데이터는 복조 유닛(1064)에서 디지털 방식으로 처리되고 도 7에 묘사된 바와 같이 스캔 라인(도 6A, 650)을 생성하기 위해 FPGA(326)로 전달된다. 일부 구현에서, 복조 유닛(1064)은 다른 곳, 예를 들어 FPGA(326)에서 구현될 수 있다. 복조 유닛(1064)은 추가적인 디지털 처리를 위해 2개의 쿼드러처(I 및 Q) 구성요소를 갖는 기저대역으로 반송(carrier) 신호를 주파수 시프트시킨다. 일부 예들에서, ADC(1062)는 ADC(1062)의 레이턴시(지연)를 감소시키기 위해 SAR(successive-approximation-register) 아키텍처를 구현할 수 있다. 즉, ADC(1062)가 꺼졌다 켜졌다를 반복하므로, 켜진 후 신호 처리가 지연되지 않도록 레이턴시가 거의 또는 전혀 없어야 한다.
도 10은, 여기에 기술된 원리들의 예시에 따른, 수신 채널(도 1, 108)의 저잡음 증폭기(LNA)(1056)를 묘사한다. 커패시터들의 뱅크 Cfi - Cfn은 스위치들 Mi-Mn을 켬에 의해 전자적으로 선택되고 연산 증폭기(1166)를 걸쳐서 연결된다. Rfi-RfN 도 또한 스위치들 Si-SN 를 켬에 의해 전자적으로 선택되는 저항들의 뱅크이다. 신호 이득은 변환기 커패시턴스 Cp를 피드백 커패시턴스 Cf로 나눈 비율이며, 요구되는 대로 뱅크의 Cf 및 Rf 값들을 연결하기 위해 적절한 스위치들이 켜진다. 바이어스 전압(VBIAS)은 신호가 변환기의 반대쪽 전극 상에서 양의 또는 음의 방식으로 스윙(swing)할 때 변환기를 가로지르는 필드의 극성이 변경되지 않도록 바이어스 전압을 제공하는 데 사용된다.
도 10은 바이어스 전류 입력(IBIAS)도 묘사한다. IBIAS는 도 11에 묘사된 회로에 의해 생성될 수 있다. IBIAS는 LNA(1056)의 트랜스컨덕턴스(transconductance)를 변경하는 데 이용되며, 여기서 더 높은 전류 레벨은 노이즈 레벨을 감소시킨다. 추가적으로, 전원 차단을 지시하는 디지털 입력이 LNA(1056)를 종료(shut down)하는 데 사용된다. 빠른 전원 공급을 달성하려면, 도 11에 나타난 구현 예를 통해 IBIAS가 신속하게 설정될 필요가 있다.
도 11은 여기에 기술된 원리들의 예에 따른, 고속 파워업 바이어싱 회로(1268)의 회로도를 예시한다. 위에서 설명한 바와 같이, 수신 채널(도 1, 108)이 작동 중에 여러 번 켜졌다 꺼지면, 열의 적절한 방출과 이미징 장치(도 1, 108)의 적절한 작동을 보장하기 위해 구성 요소들이 빠르게 켜지고 꺼질 수 있다. 이 예에서, IOUT 단자는 LNA(도 10, 1056)의 전원이 빠르게 켜지는 것을 보장하도록 LNA(도 10, 1056)의 IBIAS에 연결된다. 이미징 장치(도 1, 100)를 효율적으로 구현하기 위해, 각 수신 채널(도 1, 108) 내의 LNA(도 10, 1056) 및 ADC(도 10, 1064)와 같은 신호 경로의 구성 요소들은 약 수백 나노초 내에 셧다운될 수 있으며 또한 약 1 us 내에 전원이 켜질(power up) 수도 있다. 도 11에 예시된 빠른 파워업 바이어싱 회로(1268)는 그러한 빠른 파워업 및 셧다운을 제공하는 일례이다. 도 11에 묘사된 바이어싱 회로(1268)는 빠른 턴온 및 턴오프 시간을 보여준다. 만약 Power Down 신호가 높으면(high), Power Up 부트스트랩이 낮고, 스위치 S1-S3을 꺼서, 그들이 전류를 전도하지 않고 IOUT 값을 줄여 효율적으로 그것을 끈다. Power Down이 낮으면(low), (즉, LNA(1056)의 전원을 켜는 것이 요구됨), NOR 게이트의 두 입력이 모두 low에 있으며 이는 Power Up 부트스트랩에서 높은 논리 신호를 생성한다. 이는 스위치 S1-S3을 켜고 전류를 IOUT으로 빠르게 복원한다. IOUT은 전류 출력의 값을 제공하며, 이 전류 출력의 값은 LNA(도 10, 1056)와 같은 다른 회로들에도 복사되어 이들 회로에 전력이 공급되도록 한다. IOUT 값은 전원이 꺼진 동안 0에 가깝고 전원이 켜진 동안 일반적으로 수십 또는 수백 ㎂의 높은 값을 갖는다.
도 12 내지 도 16은, 여기에 기술된 원리들의 예에 따른, 압전 요소(도 1, 104)의 제조를 예시한다. 도 12는 기판층들 (1370) 및 (1372) 상에 배치된 멤브레인(1374)의 평면도를 나타낸다. 도 13은 도 12의 B-B 라인을 따라 취한(taken along) 멤브레인(1374) 및 기판(1372)의 단면도를 나타낸다.
도 14는 여기에 기술된 원리들의 예에 따라 기판층(1370) 상에 배치되고 멤브레인(1374) 위에 배열된 하부 전극(1578)의 평면도를 예시한다. 도 15는 여기서 기술된 원리들의 예에 따른 하부 전극(도 14, 1578) 상에 배치된 압전층(1680)의 평면도를 예시한다. 일부 예에서, 압전층(1680)은 압전층(1680)이 하부 전극(1578)의 전체 부분을 커버할 수 있도록 하부 전극(1578)과 유사한 투영 영역(projection area)을 가질 수 있다.
도 16은 여기에 기술된 원리들의 예에 따른, 압전 요소의 평면도를 예시한다. 묘사된 바와 같이, 상부 전극(1782)은 압전층(1680) 상에 배치되고 멤브레인(도 13, 1374) 위에 배열된다. 일부 예에서, 상부 전극 전도체(1783)는 상부 전극(1782) 상에 배치되고 이에 전기적으로 연결될 수 있으며, 하부 전극 전도체들(1784-1) 및 (1784-2)는 하나 이상의 비아(vias)(1790-1, 1790-2)를 통해 하부 전극(1578)에 도달할 수 있다. 이 예에서, 상부 전극(1782), 압전층(1680) 및 하부 전극(1578)은 2단자 압전 요소를 형성하고 전기 전압이 상부 및 하부 전극(1782, 1578)을 가로질러 인가될 때 멤브레인(1374)이 진동한다. 멤브레인(1374)이 수신 모드/프로세스 동안 압력파(도 2, 210)에 의해 변형될 때 상부 및 하부 전극(1782, 1578)을 가로질러 전기 전하가 발생될(developed) 수 있다.
기판(1372)은 인접한 압전 요소들 간의 누화(cross talk)를 방해하기 위하여 얇아질 수 있으며, 얇아진 물질은 활성화된 요소들 간 또는 하위-요소들 간의 기판(1372) 내에서의 초음파의 이동을 지원하지 않는다. 도 17a 내지 도 17b는 분리를 구현하고 이웃하는 요소들 간의 누화를 감소시키기 위한 요소 구조(element construction)을 예시한다. 기판(1372)은 도 5의 트랜시버 기판(540)에 대응할 수 있다. 묘사된 바와 같이, 멤브레인(1374)이 기판(1372)의 일부분을 제거하여 형성된 공동(cavity)(1376)(도 13 참조)과 함께 기판(1372)에 형성될 수 있으며, 이에 의해 수직 방향으로 기판(1372)에 대해 진동할 수 있는 멤브레인(1374)을 형성한다. 캐비티(1376)는 에칭, 예를 들어 딥 반응성 이온 에칭(deep reactive ion etching, DRIE)와 같은, 웨이퍼 처리 기술들에 의해 형성될 수 있다. 기판(1372)은 멤브레인(1374)과 동일한 재료(물질)로 형성될 수 있다. 다른 예에서, 기판(1372)은 멤브레인(1374)과 상이한 재료로 형성될 수 있다. 캐비티(1376)(도 13 참조)는, 압전 요소(도 1, 104)의, 다른 구성요소들이 형성된 후에 형성될 수 있다. 여기서 도 13 및 다른 것들은 멤브레인(1374)가 원형의 투영 영역을 갖는 것으로 묘사하지만, 멤브레인(1374)은 다른 적절한 기하학적 형상들을 가질 수 있다.
특히, 도 17a는 캐비티(1376)가 멤브레인(1374) 아래에 있는(reside below), 기판(1372) 상에 형성된 멤브레인(1374)을 예시한다. 멤브레인(1374)은 모든 면이 기판(1372) 재료로 둘러싸여 있다. 도 17b는 기판(1372)에 의해 분리되는 4개의 멤브레인(1374)을 예시한다. 누화를 최소화하기 위해 압전 요소(도 1, 104)를 서로 분리하는 것이 바람직할 수 있다. 누화는 압전 요소(도 1, 104)가 음향 또는 기계적 또는 전기적 연결을 통해 다른 압전 요소(도 1, 104)에 미칠 수 있는 영향이다. 이러한 연결은, 각 멤브레인(1374)을 덜 독립적으로 만들기 때문에, 일반적으로는 바람직하지 않다. 일부 예시들에서, 압전 요소(도 1, 104)는 기판(1372)에서 절단된 홈(groove) 또는 트렌치(trench)(1373)에 의해 분리되고 이는 도 17b에 예시된 바와 같이 이웃을 향해 이동하는 신호들을 감쇠시킨다. 트렌치(1373)는 공기로 채워지거나 진공일 수 있다. 이는 인접 영역들 간의 임피던스의 불연속성을 나타내고 압전 요소(도 1, 104)에서 이웃하는 압전 요소(도 1, 104) 쪽으로 흐르는 에너지를 감쇠시킨다. 일부 다이어그램이 이 트렌치를 나타내지 않았지만, 이 설명에 따라 참조로 포함되는(incorporated) 것으로 이해된다.
도 17c는 X 및 O로 표시된(labeled) 2개의 연결 지점을 사용하여 전자 장치에 연결된 변환기 요소들을 묘사한다. 변환기(1420)는 기판(1411), 멤브레인(1406), 압전 재료(1409), 변환기 표면(1403)에 부착된 다른 재료 또는 코팅, 및 전극들 (1407) 및 (1410)을 포함한다. 제1 전극(1407)은 와이어(1408)로 기둥(pillar)(1402)에 연결된다. 압전 재료(1409)는 전극(1407) 상에 배치된다. 제2 전극(1410)은 압전 재료(1409)의 상부(top)에 배치되고 와이어(1405)로 기둥(1414)에 연결된다. ASIC(1417)은 변환기(1420) 아래에 표시되며 변환기(1420)의 모든 요소에 대해 두 개의 기둥 (1401) 및 (1415)에 의해 변환기(1420)에 연결된다. 기둥 (1401)과 (1402)는 DC 바이어스 전압에 연결된 X 노드로 알려진 요소들의 공통 단자에 연결된다. 요소의 송신 또는 수신 터미널은 O 노드로 알려져 있다. 기둥 (1414) 및 (1415)는 변환기(1420)를 ASIC O 노드에 연결하기 위해 부착된다. 기둥 (1401) 및 (1402)는 변환기(1420)의 요소를 ASIC(1417) 내의 관련 전자 장치에 통합하기(integrate) 위해 함께 연결된다.
마찬가지로, 기둥 (1414) 및 (1415)은 변환기(1420)의 요소를 ASIC(1417) 내의 관련 전자 장치에 통합하기 위해 함께 연결된다. 변환기(1420)와 ASIC(1417) 사이의 공간은 공기로 채워지거나 진공일 수 있다. ASIC(1417)에 대면하는 변환기(1420)의 표면은 변환기(1420)로부터 ASIC(1417) 방향으로 이동하는 음향 에너지를 흡수하거나 감쇠하기 위한 코팅층(1403)을 가질 수 있다. 추가적으로, 음향 흡수층(1404)은 도시된 바와 같이 ASIC(1417) 아래에 부착되어 변환기(1420)로부터 ASIC(1417)을 통해 이동하는 음향 에너지를 흡수할 수 있다. 기판(1411) 및 멤브레인(1406)을 커버하는 영역(즉, 기판(1411)의 캐비티 영역 및 전체 표면)은 변환기(1420)와 이미징될 타겟 사이의 인터페이스를 구성하는 임피던스 매칭 재료로 채워진다. 일부 경우들에서, 멤브레인(1406) 아래의 재료(material)는 기판(1411)의 나머지 부분에 있는 재료와 비교하여 다른 음향 임피던스로 만들어진다. 임피던스의 이러한 부정합(mismatch)은 또한 음향 에너지가 임피던스 매칭 레이어(층)를 통해 이동할 때 인접 요소들 또는 하위 요소들 간에 가능한 음향 연결을 방해할 수 있다.
일부 예들에서, 압전 요소들은(도 1, 104)는 그들과 관련된 매달린(suspended) 멤브레인을 가지고 있으며 이는 해당 주파수에서 자극에 노출될 때 중심 주파수와 여러 다른 주파수에서 진동하고 그 자체로 공진기처럼 행동한다. 이들 공진기들과 관련된, Q 팩터(Q factor)로 알려진, 선택성(selectivity)이 있다. 초음파 이미징 장치(도 1, 102)의 경우, Q는 일반적으로 낮게(1에 가깝도록) 설계될 수 있고 실제 사용에서 픽셀에 적용되는 로딩(loading)과 픽셀의 설계의 조합에 의해 달성될 수 있다. 로딩은 압전 요소(도 1, 104)의 표면에 대한 RTV 또는 다른 재료층의 적용(application)에 의해 제공될 수 있으며, 로딩은 또한 압력파를 방출하고 수신하는 변환기 표면과 이미지화되는 인체의 일부 사이의 가까운 임피던스 매칭을 용이하게 한다(facilitate). 낮은 Q 및 잘 매칭된 중심 주파수는 라인 요소가 실질적으로 하나의 중심 주파수를 갖는 라인 이미징 요소처럼 기본적으로 동작하도록 할 수 있다. 로딩은 변환기들 아래의 매칭 레이어도 포함할 수 있으며, 방출된 파형은 흡음기에 의해 흡수된다.
도 18은 여기에 기술된 원리들의 예에 따른, 압전 요소(1800)의 개략도를 예시한다. 압전층(1880)은 제1 전극(1882)과 제2 전극(1878) 사이에 배치된다. 제1 전극(1882)은 제1 전도체(1886)를 통해 접지 또는 DC 바이어스에 연결될 수 있고 제2 전극(1878)은 제2 전도체(1890)를 통해 전기 회로(도 18에 도시되지 않음)에 연결될 수 있다.
기존의 압전 요소들에서, 압전층은 약 100㎛에 근접할 정도로 두껍고 의료 이미징을 가능하게 하기에 충분한 강도의 초음파 압력파를 생성하기 위하여 압전층을 가로지르는 +100 ~ -100V의 AC 전압이 일반적으로 요구된다. AC 구동 신호의 주파수는 일반적으로 압전 구조의 공진 주파수 주변에 있으며, 의료 이미징 애플리케이션의 경우 일반적으로 1MHz보다 크다. 기존 시스템들에서, 압전 요소를 구동할 때 소비되는 전력은 f*C*V2에 비례하며, 여기서 C는 압전 요소의 커패시턴스, V는 압전층 양단에 걸리는 최대 전압, f는 구동이 수행되는 주파수이다. 일반적으로, 압력파들을 전송할 때, 압력파들을 집중시키거나(focus) 또는 압력파들의 전파 방향을 조정하기 위해 여러 압전선들이 약간 다른 위상 지연을 가지고 함께 구동된다.
본 명세서의 압전 요소(1800)에서, 압전층(1880)은 훨씬 더 얇을 수 있고, 예를 들어 1-5㎛ 두께일 수 있다. 두께의 이러한 큰 감소는 압전 요소(1800)에 대해 더 낮은 전압 구동 신호의 사용을 가능하게 하며, 전압은 유사한 전계 강도를 유지하기 위해 압전층(1880)의 두께가 낮아지는 정도만큼 낮아진다. 예를 들어, 두 전극 (1882) 및 (1878) 에 걸쳐지는 전압 전위(voltage potential)는 피크 대 피크에서 약 1.8V에서 40V 범위일 수 있다. 압전 요소(1800)의 정전 용량(capacitance)은 유사한 압전 재료에 대한 압전층(1880)의 두께 감소로 인해 증가할 수 있다. 예를 들어, 구동 전압이 10배 감소하고 압전층(1880)의 두께도 10배 감소하면, 정전 용량은 10배 증가하고 전력 손실은 10배 감소한다. 이러한 전력소모 감소는 압전요소(1800)의 발열 및 온도상승도 감소시킨다. 따라서, 기존의 압전요소들에 비해, 낮은 구동전압과 얇은 압전층을 사용하여, 동작시 전력소모를 낮추고 또한 압전요소(1800)의 온도를 낮춘다.
도 19a는 여기에 기술된 원리의 다른 예에 따른, 압전 요소(1900)의 개략도이다. 도 19b는 도 19a의 압전 요소(1900)의 상징적 표현을 나타낸다. 묘사된 바와 같이, 압전 요소(1900)는 압전 요소(1800)와 유사하며, 압전 요소(1900)가 2개보다 많은 전극을 갖는다는 차이점이 있다. 보다 구체적으로, 압전 요소(1900)는: 상부 전극(1982), 제1 하부 전극(1978-1); 제2 하부 전극(1978-2); 상부와 하부 전극 사이에 배치된 압전층(1980); 및 상부 및 하부 전극 (1982), (1978-1), (1978-2)에 각각 전기적으로 연결된 3개의 도체 (1984-1), (1984-2), (1984-3). 이하, 상부 및 하부라는 용어는 압전층의 서로 마주보는 2개의 면을 지칭할 뿐이며, 즉 상부 전극이 반드시 하부 전극 위에 배치되는 것은 아니다.
도 19a에 묘사된 압전 요소(1900)는 송신 및 수신 동작의 감도를 증가시키는 데 특히 유용하다. 예를 들어, 압전 재료가 제조될 때, 압전 재료의 쌍극자(dipoles)가 정렬되지 않고 최적의 압전 성능을 위해, 고온(예를 들어 175 °C)에서 압전 필름에 걸쳐서 강한 전기장이 인가되는 폴링(poling) 프로세스가 구현된다. 이것은 이후 동작들을 위한 전기장의 방향을 설정한다. 하지만, 기본적인 송신 및 수신 동작에 사용되는 압(piezo) 하위 요소(sub-element)가 직교 방향으로 수행된 폴링을 가지는 경우, 그것의 감도가 향상될 수 있다. 수신 압력 파동의 경우, 압 하위 요소는 수신 작업에서 더 많은 전하 신호를 형성하고 주어진 송신 전압 구동에 대해, 더 많은 압력이 생성된다.
도 19a의 압전 요소(1900)는 3개의 리드(lead)를 포함하며, 여기서 제1 리드(1984-1)는 폴링 동작동안 접지될(grounded) 수 있고, 제2 리드(1984-2)는 양의 15V와 같은 고전압에 있을 수 있고, 제3 리드(1984-3)는 -15V일 수 있다. 따라서, 이 폴링 동작동안 압전 요소(1900)의 하위 요소들에 직교 전계(orthogonal electric field)가 설정된다. 실제 사용 중에, 제1 리드(1984-1)가 송신 및 수신 동작들에 사용되는 동안 제2 리드(1984-2)와 제3 리드(1984-3)가 DC 바이어스 전압들에 묶여서(tied) 가상 접지 역할을 할 수 있다.
유니모프(unimorph) 압전 요소가 순전히 예시의 목적으로 도 19a에 나타나 있으며, 실시예들에서, 복수의 압전 서브층 및 전극으로 구성된 다층 압전 요소가 이용될 수 있다. 실시예들에서, 압전층(1980)은 PZT, PZT-N, PMN-Pt, AlN, Sc-AlN, ZnO, PVDF 및 LiNiO3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 19b는 여기에 기술된 원리들의 예에 따른, 도 19a의 압전 요소의 상징적 표현을 예시한다.
도 19c는 여기에 기술된 원리들의 예에 따른, 압전 요소(1900)의 개략적인 단면도를 예시한다. 압전 요소(1900)는 기판층(1970) 상에 배치될 수 있다. 기판층(1972)은 기판층(1970)과 함께 기판을 구성한다. 캐비티(1976)가 멤브레인(1374)을 정의하기 위해 기판층(1972)에 형성될 수 있다. 멤브레인(1374)은 캐비티(1976)와 유사한 모양으로 캐비티(1976)와 중첩되는 기재층(1970)의 부분이다. 기판층(1972) 및 (1970)은 동일한 재료로 만들어질 수 있고 게다가 단일 연속 재료로 형성될 수도 있다.
압전 요소(1900)는 압전층(1980) 및 상부 전극 도체(1984-1)에 전기적으로 연결된 제1 전극(1982)을 포함할 수 있다. 상부 전극 전도체(1984-1)는 멤브레인(1374) 상에 TiO 및 금속층을 증착함(depositing)으로써 형성될 수 있다.
제1 하부 전극(1978-1)은 압전층(1980) 위에 확대되고(grown) 제1 하부 전도체(1984-2)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 하부 전극(1978-2)은 또한 압전층(1980) 위에서 확대되고 제2 하부 전도체(1984-3)에 인접하게 배치될 수 있지만 제1 하부 전도체(1984-2)로부터는 전기적으로 절연된다. 제2 하부 전극(1978-2) 및 제2 하부 도전체(1984-3)는 압전층(1980) 상에 하나의 금속층을 증착하고 금속층을 패터닝(patterning)함에 의해 형성될 수 있다. 일부 예에서, 전극(1984)의 투영 영역들은 정사각형, 직사각형, 원형, 타원 등과 같은 임의의 적절한 모양을 가질 수 있다.
제1 전극(1982)은 금속, 비아 및 층간 유전체를 이용하여 전도체(1984-1)에 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 예에서, 제1 전극(1982)은 압전층(1980)과 직접 접촉할 수 있다. 제2 하부 도체(1978-2)는 제1 전극(1982)에 대해 압전층(1980)의 다른 면에 증착 또는 확장될 수 있다.
도 19d는 여기에 기술된 원리들의 다른 예에 따른, 압전 요소(1992)의 개략도를 예시한다. 묘사된 바와 같이, 압전 요소(1992)는 2개의 서브 압전 요소(하위 요소라고도 함) (1996-1) 및 (1996-2)를 포함한다. 하위-요소(1996-1) 및 (1996-2)가 인접하여(contiguous), 공간을 효율적으로 만든다.
각각의 하위-요소(1996-1) 및 (1996-2)는 2개의 단말 장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 나타낸 하위-요소(1996-1)는 하나의 하부 전극(1982-1), 하나의 상부 전극(1978-1), 하나의 멤브레인(1374-1) 및 하나의 압전층(1980-1)을 포함한다. 상부(상단, top) 또는 하부(하단, bottom)의 지정은 물리적으로 하나가 다른 것 위에 있다는 것을 지정하는 것이 아니라, 전극들이 서로 다른 수직 위치에 있고 상부과 하부가 상호 교환적으로(interchangeably) 사용됨을 나타내는 데 사용된다. 다른 하위-요소(1996-2)는 하나의 하단 전극(1982-2), 하나의 상단 전극(1978-2) 및 하나의 압전층(1980-2)을 가진다(Id. 참조). 각 하위-요소 (1996-1) 및 (1996-2)는 각각의 개별 멤브레인 (1374-1) 및 (1374-2)에 배치될 수 있다. 멤브레인 (1374-1) 및 (1374-2)는 이산화규소와 같은 고체 물질로 이루어진 고체 영역(1399)에 의해 분리된다. 하위-요소들 (1996-1) 및 (1996-2)가 활성화되면, 그들은 서로 또는 인접한 하위-요소의 동작에 영향을 줄 수 있다. 이는 한 하위-요소에서 다른 하위-요소로 또는 한 요소에서 다른 요소로 에너지를 전달함으로써 발생할 수 있다. 이러한 전달은, 예를 들어, 고체 영역(solid area)(1399)을 통해 하위-요소(1996-1)에서 하위-요소(1996-2)로 또는 그 반대로 이동하는 초음파들에 의해 발생할 수 있다. 누화를 최소화하기 위해 그러한 상호작용을 최소화하는 것이 유리하다.
누화를 감소시키는 한 가지 예는 도 19e에 예시된 트렌치(1997)와 같은 트렌치들을 통하는(via trenches) 것이다. 트렌치(1997)는 공기로 채워지거나 진공일 수 있다(예를 들어 트렌치 위에 덮개를 결합함(incorporating)에 의해). 트렌치가 도 19d의 하위-요소 (1996-1) 및 (1996-2)에 대하여 트렌치가 사용되어 파두(wavefront)가 돌아가도록(return) 하는 누화를 반사할 수 있다. 추가적인 누화 최소화 기술이 또한 구현될 수 있다. 예를 들어, 임피던스 매칭 레이어(도시되지 않음)가 변환기 표면 및 고체 영역(1399) 위에 적용되어 멤브레인 영역(1374) 위의 재료와 비교하여 상이한 음향 임피던스를 갖도록 할 수 있다. 이는 임피던스 매칭 레이어의 음향 매체를 통해 한 하위 요소에서 다른 하위 요소로 이동하는 음파를 방해한다.
고체들내에서 이동하는 초음파 파형은 트렌치 영역들에서 반사되어 트렌치 영역 내에서 파형의 순방향 전파를 방지하거나 줄일 수 있다. 도 12 내지 16에 예시된 압전 요소와 유사한 방식으로, 도체(1984-1, 1984-2, 1984-3 등)가 층간 유전체(interlayer dielectrics, ILD)를 통한 금속들 등을 사용하여, 각 전극 (1978-1) 및 (1978-2)에 연결될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 단순화를 위해, 모든 도체 연결이 도시되지는 않는다.
하위-요소들 (1996-1) 및 (1996-2)는 CW 도플러에 대해 추가로 이용될 수 있으며, 여기서 송신 요소가 연속적으로(continuously) 송신하는 동안 다른 요소가 연속적으로 수신한다. 연속적인 송신 및 수신 동작은 이미징 기술이 PW 또는 컬러 도플러와 같은 샘플링된 도플러 방법에 수반되는 앨리어싱(aliasing) 문제를 겪지 않도록 도와준다. 앨리어싱은 신뢰할 수 있게 측정될 수 있는 흐름의 최대 속도를, 펄스 반복 주파수의 절반으로 제한한다. 변환기들의 다른 영역들은 일반적으로 연속적인 송신 및 연속적인 수신에 사용되므로 요소들이 넓게 분리되어, 누화가 최소화된다.
일부 예들에서, 도 19d에 도시된 바와 같은 하위-요소들 (1996-1) 및 (1996-2)는 서로 다른 중심 주파수를 가질 수 있고 단일 합성 요소로서 함께 작동될 때, 더 넓은 대역폭을 나타낼 수 있다. 하위-요소들 (1996-1) 및 (1996-2)는 하위-요소 (1996-1) 및 (1996-2)의 상단 단자와 하단 단자가 함께 연결될 때도 여전히 2 단자 장치로 작동한다. 이 넓은 대역폭 성능은 도 19c에 도시된 구조를 이용하여 달성될 수도 있다. 이 구조의 감도는 이중 편광 기술들을 사용하여 더욱 증가될 수 있다.
도 19e는 하나의 하위-요소(2997-1)가 연속적으로 송신 모드로 구성되고 다른 하위-요소(2997-2)가 연속적으로 수신 모드로 구성되는 이미징 장치의 대표적인 예를 예시한다. 이미징 장치는 제1 상부 전극(1982-1) 및 제2 상부 전극(1982-2), 제1 하부 전극(1978-1) 및 제2 하부 전극(1978-2); 상부 전극(1982-1)과 하부 전극(1978-1) 사이에 배치된 압전층(1980-1); 상부 전극(1982-2)과 하부 전극(1978-2) 사이에 배치된 압전층(1980-2); 및 각각의 상부 및 하부 전극들 (1982-1), (1978-1) 및 (1982-2), (1978-2)에 전기적으로 연결된 2개의 도체들 (1984-1) 및 (1984-2)를 포함한다. 이하, 상부, 하부라는 용어는 단지(merely) 압전층의 마주보는 두 면을 지칭한다.
하위-요소(2997-1)의 멤브레인(1374-1)과 하위-요소(2997-2)의 멤브레인(1374-2) 사이에 트렌치(1998)가 제공되어 하위-요소들 (2997-1) 및 (2997-2)간의 누화를 최소화한다. 일례에서, CW 도플러 이미징은 송신을 위한 하위-요소(2997-1) 중 하나와 수신을 위한 다른 하위-요소(2997-2)를 사용하여 수행될 수 있다. 이것은 송신 및 수신 요소들이 인접할 수 있는, 조리개 크기(도 21, 3412)의 효율적인 활용을 가능하게 한다. 어떤 요소가 연속적으로 동작의 송신 모드에 있도록 프로그래밍된 동안 이미저의 다른 부분에 있는 다른 요소가 연속적으로 수신 모드에 있도록 프로그래밍함에 의해 CW 도플러 이미징이 수행될 때, 두 요소들로부터의 누화는 다른 유형의 노이즈에 비해 상대적으로 작으며, 이들은 변환기의 면적(dimensions)과 관련하여 상대적으로 큰 거리만큼 공간적으로 분리되어 있기 때문이다. PW 동작에서, 동일한 하위-요소가 전송에 이용된 후 수신 모드로 전환될 수 있다.
도 19f는 이웃 요소들 사이의 누화를 감소시키는 예를 도시한다. 이 예에서, 멤브레인(2905-1, -2)은 전극(도 19e, 1982-1, -2 및 1978-1, -2)에 의해 전기적으로 시뮬레이션되며, 이는 초음파 파형이 영역(2902-1 및 2902-2)의 방향으로 송신되도록 한다. 옆길(sideways)로 진행하는(traveling) 파두들(2901-1, -2)은 트렌치들 (2998-1, -2, -3)에 의해 반사되고 감쇠된다. 영역들 (2903-1, -2, -3)은 변환기들의 임피던스를 조직에 정합시키는 목적의(intended to match) 재료들을 나타낸다. 영역들 (2903-1, -2, -3)은 영역들 (2902-1, -2)과 다른 임피던스를 갖는다. 따라서, 옆길로 진행하는 파두 (2901-1, -2)은 부정합에 의해 반사되어 감쇠되고, 이는 누화를 감소시킨다. 하나 이상의 영역 (2903-1, -2, -3 및 2902-1, -2)의 하부 표면 위에, 예를 들어, 음향 렌즈층(lensing layer)을 적용함으로써 재료들이 부정합될 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 영역(2903-1, -2, -3) 및 영역(2902-1, -2)의 재료들은 동일하게 유지된다.
도 19g는 인접 요소들 사이의 누화를 감소시키는 일례를 도시한다. 이 예에서, 다수의 트렌치들 (3998-1, -2, -3, 및 3999-1, -2, -3)이 인접 요소들 또는 서브-요소들 간의 연결을 분리하고(isolate) 그렇게 함으로써 누화 분리를 제공한다. 트렌치들 (3998-1, -2, -3)은 기판(3002) 상에 있는 트렌치들 (3999-1, -2, -3)의 반대 측면들에서 시작한다. 제1 트렌치(3998-1)는 상부 표면에서 시작하고, 제2 트렌치(3999-1)는 하부 표면에서 시작한다. 마찬가지로, 다른 트렌치들(3998-2, 3999-3)은 상부 표면들에서 시작하고 여전히 더 많은 트렌치들(3999-2, 3993-3)은 하부 표면에서 시작한다. 연결들(3000-1, 3000-2는, 3000-3)은 ASIC 등의 컨트롤러와 진동 멤브레인을 포함하는 구조 사이에 전기적 연결을 설정하며, 이 구조는 미세-전자-기계(micro-electro-mechanical) 시스템 구조일 수 있다. 더블 트렌치 배열은 연결들(3000-1, 3000-2, 3000-3)을 통해 컨트롤러(3200)로부터 송신된 다음 인접한 요소로 전달된 모든 진동 에너지를 분리하며, (3001)로 도시한 것처럼, 이는 공동들 (3901-1, 3901-3)을 가지는 요소들에 대한 진동 연결의 감소를 나타낸다. 일반적으로, 두 개의 트렌치는, 하나의 트렌치에 비해, 향상된 분리(isolation)를 제공한다. 이러한 토폴로지는 전면 발사(front firing)으로 일컬어지며, 여기서 공동들(3901-1, 3901-3)이 ASIC 제어기 (3200)에 대향한다. 일부 실시 예에서 연결(3000-2)은 멤브레인(3905-2)을 지원한다. 상기 다이어그램은 축척에 맞게 도시되지 않았으며 이는 동작의 원리를 예시하려는 것임에 유의한다.
일례에서, ASIC이 기판에 부착되고 전기적으로 연결되어 해부 및 도플러 흐름 이미징을 가능하게 한다. 여기서 각 압전 요소는 복수의 진동 모드를 나타낸다. 이미징은 복부 또는 심장 이미징과 같은 낮은 주파수에서 또는 근골격(musculoskeletal, MSK) 또는 혈관 이미징의 경우 더 높은 주파수에서 변환기에 의해 수행될 수 있다.
일례에서, 멤브레인은 공동이 이미징 타겟을 향하는 역 발사(back firing) 방향으로 ASIC에 연결된다. 다른 예에서, 멤브레인은, 캐비티가 ASIC을 향하고 멤브레인이 전면에서 방출 및 수신하는, 전면 발사 방향으로 ASIC에 연결된다.
다른 예에서, 이미징 장치는 넓은 대역폭을 갖는 MEMS 기반 요소들을 포함한다. 변환기에 의해 수행되는 이미징은, 복부 또는 심장 이미징과 같은 저주파 이미징, 또는 근골격(MSK) 또는 혈관 이미징과 같은 고주파 이미징일 수 있다.
다른 예에서, 이미징 장치는 넓은 대역폭을 갖는 MEMS 기반 요소를 더 포함한다. 이미징이 복부 또는 심장 영상을 위한 저주파 영상 또는 고주파 이미징(MSK) 또는 혈관 이미징에 대하여 변환기에 의해 수행될 수 있다.
도 19h는 이웃 요소들 간의 누화를 감소시키는 예를 도시한다. 도 19g와 비교하면, 진동 멤브레인의 방향이 뒤집힌다(flip). 도 19g의 방향은 전면 발사로 지칭되는 반면, 도 19h의 방향은 역 발사로 지칭된다. 이 예에서, 공동(3901-1, 3901-2)은 ASIC 컨트롤러(3200)와 반대 방향을 향하고 그 대신에 이미징될 대상을 향한다. 이 예에서, MEMS 구조(3300)의 금속화 및 연결이 상호간에 및 금속 비아(metal vias) 및 TSVs를 요구하지 않는 다른 연결들로부터 수 마이크로미터 이내에 있으므로 ASIC 컨트롤러(3200)에 연결하는 연결들(3000-1, 3000-2, 3000-3)이 만들어질 수 있다. TSV는 제조하기 어렵고 제조 공정에서 증가된 비용 및 복잡성을 도입한다. 도 19h에 묘사된 역 발사 토폴로지에서, 트렌치들(3999-1, 3999-2 및 3999-3)는 MEMS 구조(3300)의 바닥 표면에서 시작하고, 다른 트렌치들(3998-1, 3998-2 및 3998-3)는 연결들(3000-1, 3000-2 및 3000-3)에의 상단 표면에서 시작한다. 위에서 설명한 것처럼, 두 개의 트렌치(3998-2 및 3999-2)의 사용 및 연결(3000-2)의 반대쪽의 유사한 구조는 커플링(3001)으로 표시된 것처럼 멤브레인들(3905-1 및 3905-2) 사이에 추가적인 분리를 제공하는 데 도움이 된다. 커플링(3001)은 이미지화될 타겟을 향하는 측면에서 보여진다. 그러나, 더블 트렌치가 MEMS 구조(3300)의 전면 또는 후면으로부터 인접한 멤브레인 간의 커플링을 분리하는 것을 돕기 때문에, 도 19g에 예시된 바와 같은 ASIC 컨트롤러(3200) 측으로부터의 커플링이 도 19h에도 적용된다.
2개의 트렌치(3998-2 및 3999-2)가 도시되지만, 단일 트렌치가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 트렌치(3998-2)와 같이 상부(상단) 표면과 연관된 트렌치 또는 트렌치(3999-2)와 같이 하부(하단) 표면과 연관된 트렌치가 단독으로 사용될 수 있다. 상단으로부터 또는 하단으로부터의 단일 트렌치도 여기에 설명된 다른 애플리케이션에 대한 분리를 제공하기에 충분할 수 있다.
도 19i는 여기에 기술된 원리들의 예에 따른 압전 요소(1923)의 단면도를 예시한다. 예시된 바와 같이, 압전 요소(1923)는 횡방향 작동 모드(transverse mode of operation)를 사용할 수 있으며 기판들(1925-1, -2), 한쪽 끝에서 기판에 고정된(secured) 멤브레인(1927), 전기적으로 전도체(1931)에 연결된 하부 전극(1929), 압전층(1933), 및 전도체(1937)에 전기적으로 연결된 상부 전극(1935)을 포함한다. 멤브레인(1927)은 횡단 모드에서 진동하도록 한쪽 끝에서 기판(1925-1, -2)에 고정될 수 있다. 멤브레인(1927)은 기판(1925-1, -2)으로 양측에서 지지될 수 있다. 압전 요소들의 모든 이전 예시들이 횡방향 작동 모드에서 작동될 수 있으며 멤브레인(1927)의 모든 측면이 기판 상에서 지지될 수 있다는 점에 유의한다. 횡방향 작동 모드와 그 원리는 여기에서 논의된 모든 예들에 적용된다.
압전 요소(1923)는 임의의 적절한 수의 상부 전극들을 가질 수 있음에 유의한다. 또한, 하나 이상의 압전 요소가 멤브레인(1927) 상에 설치될 수 있음에 유의한다. 기판들(1925-1, -2) 및 멤브레인(1927)은 하나의 모놀리식 본체(monolithic body)로 형성될 수 있고 멤브레인(1927)은 기판들(1925-1, -2)을 에칭함으로써 형성될 수 있음에 추가적으로 유의한다.
컬러 도플러 흐름 매핑은 변환기가 응답하는 캐리어 주파수에서 파형의 여러 사이클의 버스트(bursts)를 사용하여 많은 스캔 라인의 멀티 게이트 샘플링(multi-gated sampling)을 사용한다. 도 20a는 앙상블을 구성하는 여러 펄스들(2102-1, 2102-2, 2102-3, 2102-4)을 예시한다. 각 펄스는 일반적으로 2-10MHz 사이의 캐리어 주파수에서 적어도 하나 또는 여러 사이클로 구성된다.
도 20b는 변환기(2100)의 프레임(2108) 내부의 컬러 윈도우(2110)를 도시한다. 여러 스캔 라인(2104)이 도시되어 있으며, 각각은 멀티 게이트 펄스들을 갖는다. 스캔 라인(2104)에 따른 신호의 연속적인 샘플링은 샘플링 위치의 깊이에 따라 타이밍된다(timed). 각 반환 에코(returning echo)는 그것의 범위 게이트(range gate)가 참조되며(referenced), 이는 그것을 그것의 기원(origin)의 공간적 위치로 식별하고 적절한 지연과 함께 전자적으로 처리된다. 첫 번째 펄스로부터의 모든 에코가 수신된 후, 두 번째 펄스는 동일한 스캔 라인(2104)에서 첫 번째 펄스와 같은 위상으로 시작된다. 다른 펄스가 나가기 전에 펄스가 반환되어야 하며, 그렇지 않으면 범위 모호성이 생기는 점에서, 펄스 반복 주파수의 적절한 타이밍이 중요하다. 스캔 라인의 샘플링이 완료되면, 동일한 방식으로 다음 스캔 라인이 수행되고 사용된 색상 창(color window)를 가로질러 스위핑(sweeping)하는 여러 스캔 라인에 의해 컬러 플로우 맵이 완성된다.
평균(mean) 도플러 시프트를 결정하기 위해, 특정 범위 게이트로부터의 각 펄스로부터의 각각의 에코가 동일한 범위 게이트에서 이전에 샘플링된 펄스와 비교된다. 평균 도플러 위상 시프트를 얻기 위해 자기 상관(auto correlation) 기술이 사용된다. 자기 상관은 동일한 라인으로부터의 이전의 유사한 에코들과 관련하여 에코 샘플들을 적절하게 지연시키고, 결과를 곱하고 적분하여 달성된다. 자기 상관기(auto correlators)는 두 개의 연속되는 에코에서 위상차를 측정한다. 타겟의 정적 부분(즉, 흐름과 관련되지 않음)은 위상 차이를 나타내지 않지만, 혈액과 같이, 움직이는 항목의 위상은 차이를 보여준다.
도플러 이미징은 노이즈에 민감하다(sensitive). 이득 제어가 신호 증폭에 사용될 수 있다. 펄스 에코 이미징과 컬러 도플러 기능을 위해 별도의 제어가 설계될 수 있다. 컬러 도플러의 이득이 클수록 이미징이 더 민감해진다. 그러나, 게인의 증가는 이미저 내의 물리적 구성 요소로부터의 노이즈도 증가시킨다. 이 노이즈의 핵심 구성 요소는 수신기의 LNA에서 오므로 이러한 LNA에 대해 매우 낮은 노이즈 플로어(noise floor)를 구현하는 것이 바람직할 수 있다. 낮은 노이즈 플로어는 변환기에서 높은 전력 소비와 열 가열을 유발하기 때문에, 이미저 내의 LNA는 활성화된 컬러 흐름 창에서만 활성화되고, 이미저의 다른 LNA들은 저전력 상태에 놓이도록 설계될 수 있다. 또한, 활성 LNA들은 필요한 전력 대 잡음 레벨 성능에 따라 최적화하도록 전자적으로 조정될 수 있다.
혈관벽들의 움직임, 움직이는 조직, 및 심장 움직임들에 의해 생성된 고진폭 저주파 도플러 시프트 신호를 제거하는 데 고역 통과 필터가 사용될 수 있다. 이들 신호는, 예를 들어, 혈류로부터의 낮은 레벨의 신호들을 손상시킬(corrupt) 수 있는 고전력 콘텐츠를 가지고 있다. 고역 통과 필터는 이들 스퓨리어스 이동 구조들로부터의 저주파 정보를 차단한다. 하지만, 특정 타겟 유형에는 존재하지만 다른 유형에는 존재하지 않는 저속 혈류 신호들을 차단할 수도 있다. 따라서, 차단 주파수(cutoff frequency)와 관련하여 하드웨어 기반 필터도 프로그래밍할 수 있어야 한다. 그 후 이 최소 수준의 필터링은 소프트웨어에서 구현되는 벽 필터들로 보강된다. 벽 필터들은 고역 통과 기능에서 조절 가능한 임계값의 레벨과 저속 혈류와 벽 운동을 구별하는 정교한 기능을 가지고 있다. 그들은 또한 서로 다른 애플리케이션, 사용 주파수, 및 펄스 반복률에 반응한다. 일 실시예에서, 프로그래밍 가능한 고역 통과 기능이 LNA 주변의 이미징 헤드에 내장된다. 이는 고역 통과 필터 기능과 나머지 고역 통과 기능을 신호 체인 내에서 나중에 벽 필터에서 구현하는 것을 가능하게 한다.
도플러 시프트는 흐름 축 및 초음파 빔의 초음파입사(insonation)의 각도에 민감하다(위의 방정식 참조). 각도가 0이면 신호가 완전히 사라질 수도 있다(위의 방정식 참조). 가능하다면 프로브를 물리적으로 움직여 각도를 개선할 수 있다. 그러나, 일 실시예에서, 스캔 라인들은 또한 2D 또는 3D로 전자적으로 조정될 수 있으며, 요소들의 2D 행렬이 사용될 때, 각 요소는 시간 지연을 포함하여, Tx 및 Rx 기능에 대한 독립적인 제어를 갖는다. 따라서, 빔을 원하는 위치로 조향함에 의해 원하는 각도를 전자적으로 달성할 수 있다. 이러한 배열에서, 각각의 요소는 이웃하는, 또는 인접한 요소들과 전자적으로 독립적으로 선택될 수 있고 Tx 또는 Rx 모드에서 독립적으로 배치될 수 있고 Tx 또는 Rx 모드에 있든 적절한 타이밍 지연이 요소들에 적용될 수 있다.
언급된 바와 같이, 도플러 이미징은 잡음 및 신호 대 잡음비에 민감하다. 따라서 여기에 설명된 경우들에서 신호를 증가시키는 것이 바람직하다. 전통적으로, 2D 이미저는 앙각면에 에너지를 집중시키기 위해 고도 방향으로 곡률이 있는 기계식 렌즈를 사용했다. 이로 인해 고도 초점에 압력이 가해지고 감도가 향상되었다. 그러나, 이러한 구성은 조정할 수가 없는 고정된 초점 거리를 초래한다. 본 개시의 일례에서, 2D 요소들의 어레이를 사용하여 2D 이미징에 대하여 전자적 포커싱이 구현된다. 추가적으로, 기계식 렌즈가 유지된다(retained). 2D 어레이를 사용하는 전자적 능력은 초점 내에서의 전자적 변경을 가능하게 하고 3차원 공간에서의 포커싱도 가능하게 한다. 도 6c에 묘사된 조향 능력은 앞서 언급된 바와 같이 도플러 감도를 더욱 개선하도록 빔이 조향될 수 있게 한다. 앙각면의 전자적 초점은 또한 열의 요소들에 대해 서로 다른 상대적 지연을 적용함에 의해 구현될 수도 있다. 예를 들어, 도 5에서, 요소들(104)은 행 및 열로 배열되며, 여기서 참조 번호(542)는 열을 나타낸다. 도 6c에 예시된 바와 같이 서로에 대한 이들 요소 각각에 대한 구동 신호 전송의 지연은 초점 패턴 또는 빔 조향을 생성한다.
더욱이, 변환기 요소들은 도 4에 도시한 것과 같이 곡선 평면(curved plane)에 있을 수 있다. 이 곡률은 의도적으로 생성될 수도 있고, 또는 변환기와 ASIC이 장착된 보드의 응력(stresses) 또는 변환기의 ASIC와의 통합에 따른 응력으로 인해 의도치않게 생성될 수 있다. 이것은 유닛에 따라 다를 수 있다. 모든 장치에 대해 동일한 미리 결정된 초점은 곡률로 인해, 달성되는 실제 초점에 오류를 생성할 수 있다. 그러나, 생산 라인에서 각 유닛의 곡률을 측정하는 것이 가능하다. 그 후 이 정보는 이들 지연을 보상하는 요소들에 상대적 지연을 적용하는 데 사용된다. 외부 컨트롤러는 요구되는 지연 정보를 ASIC에 전송한다. ASIC은 각 요소에 보상된 지연을 적용하고 변환기 요소들의 보상되지 않은 곡률로 인해 저하된 높은 신호 압력 출력을 복원한다.
일례에서, 변환기는 광대역 다중 모드 장치(wide bandwidth multimodal device)일 수 있으며, 여기서 멤브레인들은 광대역에 걸쳐 동시에 펼쳐진 다수의 서로 다른 주파수에서 진동할 수 있고, 따라서 광대역 변환기를 생성할 수 있다. 이 동작은 송신 모드와 수신 모드 모두에서 유효하다. 이는 광대역에 걸쳐 가능한 도플러 이미징 기반 흐름뿐만 아니라 B 모드 해부도 광대역에 걸쳐 가능하게 하고, 많은 애플리케이션들(일반적으로 제한된 대역폭 범위를 커버하는 별도의 이미저가 필요함)이 동일한 이미저를 사용하는 것을 가능하게 한다.
압전 요소는 다수의 진동 모드를 보일(exhibit) 수 있지만, 일부 예에서는, 입력 자극이 인접 모드들의 주파수보다 작도록 대역 제한될 때 하나의 진동 모드만이 트리거된다. 게다가, 제1 진동 모드로부터 생성된 주파수들은 제2 진동 모드로부터의 주파수와 중첩되도록 설계될 수 있다. 더 나아가, 일부 예들에서는, 중심 주파수들을 포함하는 광대역 주파수 입력에 의해 구동될 때 다수의 진동 모드가 동시에 발생한다.
요약하면, 이미징 장치는 요소 단위로(on a per element basis) 제어 전자 장치에 연결되고 휴대용 하우징에 수용되는 PMUT 기반 변환기의 어레이를 이용하는 것으로 설명된다. 이미징 장치는 시스템 구성 가능성(configurability) 및 적응성(adaptability)을 실시간으로 가능하게 하여 이미징 장치의 전력 소비, 온도 및 음향 전력을 능동적으로 제어한다. 3D 공간에서의 빔 조향도 달성된다. 수신 또는 송신 모드에 있도록 요소들이 프로그래밍될 수 있다. B-모드 해부 이미징 및 도플러 모드 흐름 이미징을 가능하게 하는 전자 장치는, 일반적으로 종래의 대규모 압(piezo) 이미징을 사용하는 여러 변환기들에 의존하는, 큰 대역폭에 걸쳐 활성화된다.
다른 예시적인 이미징 장치는 적어도 하나의 압전 변환기를 포함한다. 변환기 이미징 장치는 적어도 하나의 압전 요소를 포함한다. 압전 요소들의 2차원(2D) 어레이는 압전 변환기 상에서 행과 열로 배열된다. 각각의 압전 요소는 적어도 2개의 단자를 포함한다. 각각의 압전 요소는 누화를 감소시키기 위해 각각의 인접한 압전 요소로부터 물리적으로 분리될 수 있다. 압전 요소들의 제1 열은 각각의 수신 증폭기에 연결되도록 프로그래밍된 제1 상부 전극을 갖는 각각의 압전 요소를 포함한다. 압전 요소들의 제2 열은 각각의 송신 드라이버에 연결되도록 프로그래밍된 각각의 압전 요소를 포함한다. 제1 열에 있는 각각의 압전 요소들 각각은 마치 열(column)을 형성하기 위해 함께 연결되는 것처럼 전자적으로 프로그래밍될 수 있다. 제2 세트의 각각의 압전 요소들 각각은 마치 열을 형성하기 위해 함께 연결되는 것처럼 전자적으로 프로그래밍될 수 있다. 더욱이, 임의의 수의 인접한 열들이 수신 모드에서 동작하도록 프로그래밍될 수 있으며, 다른 곳에 위치한 다른 수의 열들이 송신 모드에 있도록 프로그래밍될 수 있다. 일부 예들에서, 각각의 압전 요소에서 다수의 진동 모드가 나타날 수 있다. 단일 수신 증폭기가 사용될 수 있으며, 여기서 제1 열의 적어도 하나의 압전 요소는 수신 증폭기에 연결된다. 또한, 단일 송신 드라이버가 존재할 수 있으며 여기서 제2 열의 압전 요소들 중 적어도 하나가 송신 드라이버에 연결된다. 압전 요소의 전자적으로 프로그래밍된 연결은 열에서 임의의 수의 압전 요소의 연결을 가능하게 할 수 있다.
일부 예들에서, 적어도 하나의 하위-조리개(sub-aperture)는 압전 요소들의 적어도 하나의 열을 포함할 수 있고, 각각의 압전 요소는 2개의 하위-요소를 포함할 수 있다. 각 하위-요소는 프로그래밍 가능한 전송 및 수신 기능으로 작동하도록 선택될 수 있으므로 제1 하위-요소는 제2 하위-요소가 수신하는 동안 동시에 송신할 수 있고, 각 하위-요소는 송신 모드와 수신 모드 사이를 전환할 수 있다. 적어도 하나의 압전 요소는 2개의 하위-요소와 2개의 단자를 포함할 수 있으며, 각 하위-요소는 서로 다른 중심 주파수 및 대역폭을 가지므로 이들이 병렬로 사용될 때, 압전 요소는 임의의 하나의 하위-요소 자체보다 더 넓은 대역폭을 나타낸다. 일례에서, B-모드 및 도플러 흐름 측정을 위해 적어도 하나의 압전 요소가 사용된다. 일례에서, 각각의 압전 요소는 CW 도플러 이미징에 사용되는 2개의 하위 요소를 포함하고, 적어도 제1 압전 요소는 송신 모드에 배치되고 제2 압전 요소가 동시에 수신 모드에 배치된다.
열 및 행 중 적어도 하나의 압전 요소들의 연결들은 열 및 행 내의 임의의 수의 압전 요소들의 연결을 가능하게 하도록 전자적으로 프로그래밍 가능하다.
어레이의 제1 압전 요소가 연속적으로 송신 모드에 있는 동안 어레이의 제2 압전 요소는 연속적으로 수신 모드에 있어서 연속파(CW) 도플러 이미징을 가능하게 할 수 있다. 열들의 집합은 연속적으로 전송할 수 있는 동안 다른 열들의 집합이 수신 모드에 있도록 프로그래밍되어 CW 도플러 이미징을 가능하게 할 수 있다. 변환기 어레이의 송신 및 수신 부분 사이의 누화를 최소화하기 위해 영역이 분리될 수 있다. 그 중에서도, 열의 높이, 특히 열을 구성하는 압전 요소들의 개수는, 음향 출력을 조정하기 위해 전자적으로 조정된다. 따라서, 전송에 참여하는 요소의 수를 전자적으로 조정함에 의해 음향 출력이 조정된다. 전원 공급 장치는 도플러 기반 흐름 이미징 및 해부 이미징에 대해 동일할 수 있다. 그러나, 도플러 이미징은 B 모드 이미징보다 더 많은 펄스들을 포함한다. 따라서, 규제 제한을 초과할 수 있는 B-모드와 비교하여, 유사한 조건에서 흐름 이미징 동안 더 많은 음향 출력이 발생한다. 음향 출력에 기여하는 요소들의 개수를 전자적으로 조정함에 의해, 흐름 이미징에 대한 음향 출력을 최적화시킬 수 있다. 또한, 모든 이미징 모드들에 동일한 전원 공급 장치를 사용하면서, 각 요소에서 발생한 펄스 진폭을 전자적으로 선택할 수 있다. 이는 흐름 및 해부적 이미징에 대한 회로에 전력을 공급하는 저비용, 작은 사이즈 전력 관리 회로뿐만 아니라 필요에 따라 음향 전력 조정을 가능하게 한다. 이는 저가의 휴대용 이미저들에 유용하다. 일례에서, 압전 요소들의 어레이의 적어도 일부로부터 송신되는 음향 전력을 전자적으로 조정함에 의해 도플러 모드들 및 B-모드에 대해 동일한 개수의 전원 공급 장치가 사용된다. 일례에서, 각 압전 요소의 전력은 다중 레벨 송신 펄서 출력 중에 적절한 레벨들을 사용하여 조정된다. 일례에서, B-모드 및 도플러 모드는 이미징 모드에 대해 동일한 전원 공급 장치를 사용하는 동안 음향 전력 레벨과 같은 특정 전력 레벨 및 특정 기계적 지수(mechanical index)를 유지한다.
각각의 예들에서, 각각의 압전 요소는 마치 그것이 송신 및 수신 채널에 연결되어 본 명세서에 설명된 동작들을 수행하는 것처럼 사용된다. 채널들은 송신, 수신 또는 송신 및 수신 채널 모두로 유지되는 일정한 상태에 있을 수 있다. 대안적으로, 채널들이 송신, 수신 및 송신 및 수신 모두의 상태 유형들 중 하나 사이에서 변경되는 변경 상태가 있을 수 있다.
또한, 개별 독립 어레이 내의 각 압전 요소는 하나 이상의 진동 모드를 나타낼 수 있다. 일례에서, 멤브레인은 다수의 진동 모드를 지원하여, 이미징 장치에 더 큰 대역폭을 가능하게 한다. 일례는 적어도 하나의 압전 요소가 두 개의 하위 요소와 두 개의 단자를 포함하는 것을 포함한다. 각 하위-요소는 서로 다른 중심 주파수와 대역폭을 가져서 병렬로 사용될 때 하나의 하위-요소 자체보다 더 넓은 대역폭을 나타낸다. 감도를 향상시키기 위한 앙각면의 전자적 조정 및 초점 제어와 함께 해부 및 도플러 이미징이 넓은 대역폭에 걸쳐 수행된다.
일례는 각 압전 요소가 여러 진동 모드를 나타내는 것을 더 포함하며, 따라서 앙각면의 전자적 조정 및 초점 제어와 함께 넓은 대역폭에서 해부 및 도플러 이미징을 가능하게 한다. 이미징은 복부 또는 심장 이미징에 대한 저주파 이미징에 대하여 변환기에 의해 수행될 수 있다. 또한, 근골격(MSK) 또는 혈관 이미징에 대한 고주파 영상에 대하여 변환기에 의해 이미징이 수행될 수 있다.
앞서 설명한 것처럼, 변환기들은 큰 이미징 표면, 또는 조리개를 가질 수 있으며, 전체 조리개에서 작동하는 것이 바람직할 수 있다. 전체 조리개는 요소들 또는 하위-요소들의 전체 어레이에 의존한다. 전자적 제어 하에서, 조리개 크기는 더 적은 수의 요소들 또는 하위-요소들, 가능하면 단일 하위-요소를 포함하도록 변경될 수 있다. 더 작은 조리개는 더 작은 이미징 표면, 또는 하위 조리개이며, 압전층에 압전 요소들의 하위 집합을 포함한다.
도 21로 넘어가면, 이미징 장치(3408)가 화살표로 표시된 송신 동작(3409) 및 수신 동작(3410)과 함께 도시된다. 송신 동작(3409) 및 수신 동작(3410)에서 실선 화살표들은 하위 요소들 및 압전 요소들(도 1, 104)의 부분 집합이 상기 화살표들의 영역의 동작들에 사용됨을 나타낸다. 점선 화살표들은 하위 요소들 및 압전 요소들(도 1, 104)의 부분 집합이 사용되지 않음을 나타낸다. 조리개 크기(3412)는 하위-요소들 및 부분 집합의 사용 결과로 이미지화되는 이미징 대상(3415)의 부분을 나타낸다. 하위-요소 및 부분 집합의 선택 및 구성은 전자적으로 변경되어 조리개 크기(3412)를 정의할 수 있다.
특정 하위-요소가 하나의 작업(예를 들어, 송신, 수신)에 사용되는 동안 다른 하위-요소가 다른 작업(예를 들어, 송신, 수신)에 사용될 수 있다. 각 작업에 사용되는 하위-요소들은 일부 중복될 수 있다. 하위-요소들은 각 작업에 대해 동일할 수 있다. 하위-요소들은 동시 송신 및 수신 기능을 추가로 가질 수 있다.
2개의 하위-요소들은 또한 대역폭을 더 넓히는데 사용될 수 있으며, 여기서 동시에 함께 사용되는 경우 하위-요소들의 중심 주파수는 서로 다르며, 송신 또는 수신 동작에 사용될 때 대역폭을 넓힌다. 이미징 장치는 결합된 여러 하위-요소들의 대역폭이 각 하위-요소보다 더 크도록 여러 하위-요소로 구현될 수 있다.
다양한 유형의 이미징이 압전 요소들의 어레이를 사용하여 수행될 수 있다(도 1, 104). 예를 들어, A 스캔, B 스캔, C 스캔, 및 도플러 모드가 수행될 수 있다. 수행될 수 있는 추가 유형의 이미징에는 펄스 도플러(pulsed Doppler) 및 컬러 도플러(color Doppler)가 포함된다. 또한, 프로그래밍 가능한 고역 통과 필터링과 같은, 일부 클러터 제거 필터링이 디지털화 전에 발생하는 도플러 처리를 수행하며, 따라서 높은 수준의 클러터로 도플러 신호의 동적 범위를 증가시킨다. 일례에서, 적어도 하나의 압전 요소로부터 수신된 도플러 신호에 대해 도플러 처리가 수행되고 저잡음 증폭기는 디지털화 이전에, 수신된 도플러 신호에 대해 프로그래밍 가능한 고역 통과 필터링을 수행하고, 추가적인 디지털 신호 처리 및, 빔 형성을 수행한다.
일부 예들에서, 앙각면은 더 나은 신호 시각화(signal visualization)를 위해 최적의 도플러 각도에 더 가까워지도록 전자적으로 기울어지고 초점이 맞춰질(tilted and focused) 수 있다. 도 22는 수평면(3608)과 수직면에서 측정된 가시선(line of sight) 사이의 앙각면(3602)에 의해 정의되는 앙각(elevation angle)(3604)을 묘사한다. 이미징 대상(3606)은 원하는 시각화를 얻기 위해 수정될 수 있는 앙각(3604)에 따라 더 나은 시각화를 가질 수 있다.
고품질 도플러 이미징은 높은 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 가질 수 있다. SNR은 도 22에 도시된 앙각(3604)의 함수이다. 일례에서, 앙각(3604)은 흐름 이미징을 위해 전자적으로 조정될 수 있다. 고도 초점은 열 상의 요소들에 대한 지연을 조정함에 의해 앙각면(3602)에서 조정할 수 있다. 축 방향의 초점 빔은 방위각 방향의 요소들에 대한 지연을 조정하여 제어된다. 고도 및 방위각에서의 독립적인 지연 제어를 통해, 3D 빔 조향이 가능하여 도플러 신호 진폭을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 3D 공간에서 빔 조향 기능에 조향 구조(steering structure)가 사용된다. 다른 예에서, 조향 구조는 더 나은 신호 시각화를 위한 최적의 도플러 각도에 더 가깝도록 3D 공간에서 전자적으로 빔 조향하는데 사용된다. 다른 예에서, 이미징 장치의 방위각 초점, 고도(앙각) 초점, 및 조리개의 크기는 전자적으로 변경되어야 한다.
도 23에 도시된 바와 같이, 이미징 장치(3610)의 방위각(3605)은 방위각에서 90도만큼 확장되는(span) 원형 섹터 필드의 시야(circular sector field of view)를 생성하도록 변할 수 있다. 이것은 조리개 크기(도 21, 3412)의 변경과 동시에 또는 독립적으로 수행될 수 있다. 따라서 3D 공간에서 송신 빔을 조향하는 것이 가능하고 3D 공간에서 해부 및 흐름 이미징을 수행할 수 있다.
열들의 요소들 및 하위-요소들은 별도의 독립한 열들로 취급될 수 있다. 행들의 요소들 및 하위-요소들은 별도의 독립한 행들로 취급될 수 있다. 일부 변형에서, 열들과 행들, 또는 그중 일부는, 각각 행들과 열들로 취급되도록 역할을 바꾼다.
각각의 수신 증폭기 또는 단일 수신 증폭기가 수신 모드에서 활성화되고 송신 모드에서 비활성화되는 추가적인 구성을 포함할 수 있고, 예를 들어, B-모드 해부 이미징, 컬러 도플러, 또는 PW 흐름 이미징에서 사용된다. 마찬가지로, 구성들은 수신 증폭기에 대해 언급된 이미징 모드들에 대해 각 송신 드라이버 또는 단일 송신 드라이버가 송신 모드에서 활성화되고 수신모드에서 비활성화되는 것을 포함한다. 일례는 각각의 압전 요소가 먼저 송신 모드로 배치되고 이어서 송신 모드로부터 에코를 수신하기 위해 수신 모드로 배치되는 것을 포함하며, 여기서 송신 전력 레벨, 방위각 초점, 고도 초점, 2D 또는 3D 공간에서의 빔 조향, 및 이미징 장치의 조리개 크기는 전자적으로 변경된다.
본 발명의 다양한 실시예에 대한 설명이 예시의 목적으로 제시되었으나, 개시된 실시예들에 대해 모든 것을 망라하거나 제한하려는 의도는 아니다. 기술된 실시예들의 범위 및 의미(spirit)을 벗어나지 않는 많은 수정 및 변형이 해당 분야 에서 통상의 기술을 가진 자에게 명백할 것이다. 여기서 사용된 용어는 실시예들의 원리, 시장에서 발견되는 기술들에 대한 실질적인 응용 또는 기술적 개선을 가장 잘 설명하거나, 또는 해당 분야에서 통상의 기술을 가진 다른 자들이 여기에 개시된 실시예들을 이해할 수 있도록 하기 위해 선택된 것이다.
설명의 목적으로, 여기에 기술된 특정 세부 사항들은 본 개시의 이해를 제공하기 위한 것이다. 그러나, 본 개시가 이들 세부 사항 없이 실시될 수 있다는 것이 해당 분야에서 통상의 기술을 가진 자에게 명백할 것이다. 또한, 해당 분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 개시의 예들이, 프로세스, 장치, 시스템, 디바이스, 또는 유형의(tangible) 컴퓨터 판독 가능한 매체 상에서의 방법과 같은 다양한 방식으로 구현될 수 있음을 인식할 것이다.
해당 분야에서 통상의 기술을 가진 자는: (1) 특정 제조 단계들이 선택적으로 수행될 수 있고; (2) 단계들이 여기에 명시된 특정 순서로 제한되지 않으며; (3) 특정 단계들이 동시에 수행되는 것을 포함하여 다른 순서로 수행될 수 있음을 인식할 것이다.
도표들에 도시된 요소들/구성요소들은 본 개시의 예시적인 실시예를 예시하고 본 개시를 모호하게 하는 것을 방지하기 위한 것이다. 본 명세서에서 "일례", "바람직한 예", "예" 또는 "예시들"에 대한 언급은 예와 관련하여 설명된 특정한 특징, 구조, 특성, 또는 기능이 본 명세서의 적어도 하나의 예에 포함된다는 것을 의미하며 하나보다 많은 예일 수 있다. 명세서의 다양한 위치에서 "일례에서", "예에서" 또는 "예들에서"라는 문구의 출현은 반드시 모두 동일한 예 또는 예들을 지칭하는 것은 아니다. "포함하다", "포함하는", "가진다" 및 "가지는"이라는 용어들은 공개 용어(open terms)로 이해되며 모든 목록은 예시이며 나열된 항목으로 제한하려는 것이 아니다. 여기에 사용된 모든 제목은 구조적(organizational) 목적으로만 사용되며 명세서 또는 청구항들의 범위를 제한하는 데 사용되지 않을 것이다. 또한, 본 명세서의 여러 곳에서 특정 용어의 사용은 예시를 위한 것이며 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (20)

  1. 이미징 장치에 있어서:
    기판 상에 형성된 압전 요소들의 어레이를 포함하는 변환기를 포함하고, 각각의 압전 요소는:
    상기 기판에 매달린 적어도 하나의 멤브레인;
    상기 멤브레인 상에 배치된 적어도 하나의 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 배치된 적어도 하나의 압전층; 및
    상기 적어도 하나의 압전층 상에 배치된 적어도 하나의 상부 전극을 포함하고, 인접한 압전 요소들은 서로 음향적으로 분리된, 이미징 장치.
  2. 제1항에 있어서, 압전 요소들 사이의 분리는, 압전 요소들 사이에 위치한 트렌치에 의해 달성되어 요소들 또는 하위 요소들 간의 상호작용을 분리하는, 이미징 장치.
  3. 제2항에 있어서, 압전 요소들 사이의 분리는, 다른 영역들과 비교하여 상이한 음향 임피던스를 갖는 멤브레인 영역을 갖는 임피던스 매칭 물질을 사용함에 의해 달성되는, 이미징 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기판은 인접한 압전 요소들 사이의 누화(cross talk)를 차단하도록 얇아지는, 이미징 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    주문형 집적 회로(application-specific integrated circuit, ASIC), 및
    상기 ASIC과 대향하는 상기 변환기의 표면 상에 배치된 백킹층(backing layer)을 더 포함하는, 이미징 장치.
  6. 제1항에 있어서, 각각의 압전 요소는 복수의 진동 모드를 보이는(exhibit), 이미징 장치.
  7. 제1항에 있어서, 각각의 압전 요소는 먼저 송신 모드로 배치되고 그 다음에 수신 모드로 배치되어 상기 송신 모드로부터의 에코들을 수신하는, 이미징 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 어레이의 제1 압전 요소가 연속적으로 송신 모드에 있는 동안 상기 어레이의 제2 압전 요소가 연속적으로 수신 모드에 있어서 지속파(continuous wave, CW) 도플러 이미징이 가능하도록 하는, 이미징 장치.
  9. 제1항에 있어서, B-모드들, 도플러 모드들, 및 컬러 도플러 이미징 중 적어도 하나를 수행하기 위한 회로를 더 포함하는, 이미징 장치.
  10. 제9항에 있어서, 압전 요소들의 상기 어레이의 적어도 일부로부터 송신되는 음향 전력을 전자적으로 조정함에 의해 상기 도플러 모드들 및 B-모드들에 대해 동일한 개수의 파워 서플라이가 사용되는, 이미징 장치.
  11. 제10항에 있어서, 각 압전 요소로부터의 전력이 멀티 레벨 송신 펄서 출력의 적절한 레벨들을 사용하여 조정되는, 이미징 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 송신에 참여하는 요소들의 개수를 전자적으로 조정함으로써 음향 출력 전력이 조정되는, 이미징 장치.
  13. 제9항에 있어서, 이미징 모드들에 대해 동일한 파워 서플라이들을 사용하는 동안 상기 B-모드들 및 도플러 모드들은 특정 음향 전력 레벨 및 특정 기계적 지수를 유지하는, 이미징 장치.
  14. 제1항에 있어서, 3D 공간에서 빔 조향 능력(beam steering capability)을 위한 조향 구조를 더 포함하는, 이미징 장치.
  15. 제1항에 있어서, 더 나은 신호 시각화를 위해 도플러 각도를 최적화하기 위해 3D 공간에서 빔 조향을 위한 조향 구조를 더 포함하는, 이미징 장치.
  16. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 압전 요소는 제1 하위-요소가 송신하는 동안 제2 하위-요소가 수신할 수 있도록 인에이블되는 적어도 2개의 하위-요소를 포함하는, 이미징 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 이미징 장치의 방위각 초점, 고도 초점, 또는 조리개 크기 중 하나 이상을 변경하기 위한 회로를 더 포함하는, 이미징 장치.
  18. 이미징 장치로서:
    변환기;
    상기 변환기 상에서 행과 열로 배열된 압전 요소들의 2차원(2D) 어레이로서, 각각의 압전 요소는 적어도 2개의 단자를 갖고, 각 압전 요소는 누화를 줄이기 위해 인접한 각각의 압전 요소로부터 물리적으로 분리되는, 2D 어레이,
    상기 어레이의 압전 요소들의 제1 열로서, 각각의 압전 요소는 각각의 수신 증폭기에 연결된 제1 상부 전극을 갖고, 상기 압전 요소들 각각은 마치 함께 연결되어 제1 열을 형성하는 것처럼 전자적으로 프로그래밍되는, 제1 열, 및
    상기 어레이의 압전 요소들의 제2 열로서, 각각의 압전 요소는 각각의 송신 드라이버에 연결된 제2 상부 전극을 갖고, 상기 압전 요소들 각각은 마치 함께 연결되어 제2 열을 형성하는 것처럼 전자적으로 프로그래밍되는, 제2 열을 포함하는, 이미징 장치.
  19. 이미징 장치로서:
    변환기;
    상기 변환기 상에서 행과 열로 배열된 압전 요소들의 2D 어레이로서, 각각의 압전 요소는 적어도 2개의 단자를 갖는, 2D 어레이,
    적어도 상기 압전 요소들의 제1 열로서, 각각의 압전 요소는 프로그래밍된 제어 하에 있는 각각의 수신 증폭기 또는 송신 드라이버에 연결된 제1 상부 전극을 갖는, 제1 열, 및
    적어도 상기 압전 요소들의 제2 열로서, 각각의 압전 요소는 프로그래밍된 제어 하에 있는 각각의 수신 증폭기 또는 송신 드라이버에 연결된 제1 상부 전극을 갖고, 상기 압전 요소들은 송신한 다음에 수신하도록 프로그래밍되거나 또는 동시에 송신 및 수신하도록 프로그래밍되는, 제2 열을 포함하는, 이미징 장치.
  20. 제2항에 있어서, 상기 기판의 한 쪽 상에 있는 적어도 하나의 트렌치, 또는 각각의 트렌치가 누화 분리를 제공하도록 구성된 기판의 반대쪽에 위치하는 적어도 2개의 트렌치들을 더 포함하는, 이미징 장치.
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