KR20230116960A - 핸드헬드 초음파 영상 장치 - Google Patents
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Abstract
휴대용의 핸드헬드 폼 팩터에서 고품질 초음파 이미지를 생성하기 위한 열 및 음향 관리 특징부를 포함하는 초음파 변환기 모듈 및 핸드헬드 초음파 영상 장치가 설명된다.
Description
교차 참조
본 PCT 출원은 2019 년 3 월 25 일에 출원된 미국 가출원 제 62/823,452 호의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 인용된다.
기술분야
본 발명은 핸드헬드 초음파 영상 장치에 관한 것이다.
의료 영상(medical imaging)은 의료 진단 및 치료 분야에서 생명을 구하는 도구이지만, 아직 전 세계 인구의 약 75%는 이용할 수 없다. 지난 수십 년 동안 다양한 방식을 사용하는 영상 장치가 시장에 출시되었다. X-선(XR), 컴퓨터 단층 촬영(CT), 자기 공명 영상(MRI) 및 초음파가 가장 일반적이다. 높은 비용과 급격한 학습 곡선이 영상 민주화를 방해하는 요인이 되어 왔다.
세계 보건 기구(WHO)는 초음파 영상 장치의 배치를 통해 글로벌 의료 영상 부족 문제를 해결할 것을 권장하고 있다. 미국 초음파 의학 연구소(AIUM)는 환자 진단을 위한 효과적인 영상 도구로서 초음파의 사용을 옹호하는 "초음파 우선(ultrasound first)" 계획을 만들었다. 게이츠(Gates) 재단은 초음파 영상 장치를 이용 가능할 수 있었다면 아프리카에서 유아 사망의 99%(연간 100만 명)를 예방할 수 있었을 것이라고 추정하고 있다(개인 통신).
현재의 각각의 영상 방식이 서로 다른 장점을 갖고 있긴 하지만, 초음파의 장점은 다음과 같다:
안전 : 방사선 및 이온화가 없다
비용 : 이용 가능한 가장 비용 효율적인 의료 영상 형식 중 하나이다
휴대성 : 환자에게로 가져갈 수 있다
속도 : 실시간 영상
영상 용례 : 광범위한 영상 용례
치료 용례 : 고강도 집속 초음파(HIFU) 및 저강도 집속 초음파(LIFU)와 같은 광범위한 치료 용례
진단 용례 : 최근 생겨난 광범위한 진단 용례
초음파 및 보완 영상 기술의 발전은, 예를 들어, 투과형 초음파(단층 촬영) 및 광과 초음파의 융합을 통해 이미지 품질과 해상도를 극적으로 향상시키고 영상 장치 비용을 낮추며 폼 팩터(form factor)(웨어러블)를 개선시켜, 이에 의해 가까운 미래에 XR, MRI 및 CT 영상 장치의 더 우수하고 비용이 저렴한 대체물을 생성할 것을 약속한다. 이러한 하드웨어 발전을 인공 지능(AI) 및 기계 학습(ML)과 결합하면 혁신적인 영상 혁명을 일으켜 휴대용 초음파를 더 용이하게 사용 및 해석할 수 있게 된다.
저비용과 고품질 영상을 결합하면 다음과 같은 여러 가지 문제가 발생한다:
1) 저비용 대용량 기능을 위해서는, 전통적인 초음파 산업 기술과 달리, 이동식 장치용으로 개발된 조립체 접근 방식을 채택하여야 하며;
2) 고성능 전자 장치는 상당한 전력을 소비하므로, 핸드헬드 장치의 온도를 상승시키며 따라서 발전된 열 관리 해결 방안이 요구된다.
본 명세서에 설명된 주제는 다음의 영역에 포함된 혁신과 함께 여러 가지 새로운 설계를 통해 2 가지 문제를 모두 해결한다:
ASIC가 통합되며 인체에 접속되는 초음파 변환기를 포함하는 변환기 헤드;
넓은 주파수 범위(예를 들어, 1 MHz 내지 12MHz)에 걸쳐 신체 내의 초음파 빔의 집속을 제어하는 변환기의 일측 상의 렌즈;
역음향 반사를 감소시키는 변환기의 타측 상의 흡음재;
탐침 내의 시스템 통합을 가능하게 하는 전체 영상 장치 조립체; 및
탐침 온도를 낮추는 동시에 고성능 영상을 가능하게 하는 열 관리.
맞춤형 탐침은 초음파 검사자에게 흔히 발생하는 반복적인 부상을 줄이기 위한 형상으로 형성된다.
일 양태에서, 압전 마이크로 가공 초음파 변환기(pMUT)의 어레이를 포함하는 변환기 요소를 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치용 초음파 변환기가 본 명세서에 개시된다. 일부 실시예에서, 어레이가 적어도 1 개의 변환기 픽셀을 포함한다. 추가 실시예에서, 어레이가 4096 개 이상의 변환기 픽셀을 포함한다. 일부 실시예에서, 변환기 요소는 변환기 타일을 형성하는 주문형 집적 회로(ASIC) 상에 통합된다. 추가 실시예에서, ASIC으로부터의 초음파 변환기 요소의 음향 격리를 제공하기 위해 변환기 요소 아래에 공동이 형성된다. 또 다른 실시예에서, 공동은 가스, 증기, 액체 또는 진공을 수용한다. 일부 실시예에서, 변환기 요소와 ASIC 사이의 통합은 변환기 칩 대 ASIC 웨이퍼(C2W), 변환기 칩 대 ASIC 칩(C2C) 또는 변환기 웨이퍼 대 ASIC 웨이퍼(W2W)의 플립 칩/직접 접합에 의해 구현된다. 일부 실시예에서, ASIC 모듈은 ASIC 상의 전용 패드로의 와이어 접합부 또는 바로 고밀도 인쇄 회로 기판(PCB)으로의 관통 실리콘 비아(TSV)를 통해 외부 신호 처리 전자 장치로의 연결을 가능하게 하는 커넥터를 포함한다. 일부 실시예에서, 변환기 타일이 변환기 기판 상에 장착된다. 다른 실시예에서, 변환기 타일이 높은 음향 감쇠 및 높은 열 전도율의 흡음재를 통해 변환기 기판 상에 장착된다. 다른 실시예에서, 변환기 타일이 다공성 금속 발포체 재료를 통해 변환기 기판 상에 장착된다. 또 다른 실시예에서, 다공성 금속 발포체가 고체 매트릭스로 충전되며, 고체 매트릭스는 선택적으로, 높은 음향 임피던스의 분말과 낮은 음향 임피던스의 분말의 혼합물을 함유하여 음향 산란을 제공한다. 일부 실시예에서, 변환기 기판이 방열판 상에 장착된다. 추가 실시예에서, 방열판은 변환기 타일로부터 열을 제거하며 다수의 독립적인 전력 연결부를 제공하는 전기 전도성 층과 절연 층을 교대로 갖는 다층 방열판 구조를 포함한다. 추가 실시예에서, 방열판은 충격 및 진동 동안 신뢰성을 개선하기 위해 가요성 고정을 제공한다. 일부 실시예에서, 변환기 기판은 외부 신호 처리 전자 장치로의 연결을 가능하게 하는 하나 이상의 고밀도의 50 마이크론 이하 피치의 가요성 회로에 부착된다. 일부 실시예에서, 초음파 변환기는 적어도 제 1 층 및 제 2 층을 포함하는 복수의 층을 포함하며, 제 1 층은 변환기 요소보다는 높고 제 2 층보다는 낮은 음향 임피던스를 가지며, 제 2 층은 제 1 층보다는 높고 영상 표적보다는 낮은 음향 임피던스를 갖는 것인 오버몰딩 다층 렌즈를 추가로 포함하며, 추가로, 오버몰딩 다층 렌즈는 영상 빔을 집속하도록 구성될 수도 있다. 추가 실시예에서, 복수의 층은 초음파 에너지의 음향 전달을 최대화하며 낮은 임피던스 내지 높은 임피던스의 재료의 효율을 개선하기 위해 목표 파장 또는 파장 세트의 1/4의 배수의 두께를 갖는다. 추가 실시예에서, 제 1 층은 실리콘계 재료를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 제 2 층은 실리콘계 재료 및 제 2 층의 음향 임피던스를 상승시키기 위해 추가된 더 높은 밀도의 재료를 포함한다. 특정 실시예에서, 더 높은 밀도의 재료는 비정질 희토류 도핑 산화 알루미늄을 포함한다.
다른 양태에서, 케이스; 케이스의 내부에 배치되며, 용량성 마이크로 가공 초음파 변환기(cMUT) 또는 압전 마이크로 가공 초음파 변환기(pMUT)의 어레이를 포함하며, 제 1 방열판과 접촉하며 제 1 열 구역과 연관된 초음파 변환기 모듈; 케이스의 내부에 배치되며 다층 적층체로 통합되며, 다층 적층체가 제 2 방열판과 접촉하며 제 2 열 구역과 연관되는 것인 복수의 수신기 서브시스템 및 송신기 서브시스템; 및 제 1 열 구역으로부터 제 2 열 구역으로 열을 이동시키도록 구성된 이방성 열 전도성 재료를 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치가 본 명세서에 개시된다. 일부 실시예에서, 이방성 열 전도성 재료가 하나 이상의 히트 파이프를 포함한다. 일부 실시예에서, 이방성 열 전도성 재료가 하나 이상의 열분해 흑연 시트(sheet)(PGS)를 포함한다. 일부 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 11W 피크 미만 및 7W 평균 미만의 전력 소비로, 2D 이미지, 3D 이미지, 4D 이미지, 도플러 이미지 중 하나 이상을 생성하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 제 1 방열판과 제 2 방열판 사이의 열 결합을 감소시키는 이방성 열 전도성 재료를 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 제 1 방열판이 상변화 재료를 포함한다. 추가 실시예에서, 상변화 재료는 파라핀, 금속 매트릭스, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 제 2 방열판이 상변화 재료를 포함한다. 추가 실시예에서, 상변화 재료는 파라핀, 금속 매트릭스, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일부 실시예에서, 제 2 방열판은 내부 강성 구조를 제공하는 1차 구조로서 작용한다. 일부 실시예에서, 케이스는 높은 열전도율의 재료 및 낮은 열전도율의 재료를 포함하는 다중 재료 케이스이며, 다중 재료 케이스는 제 1 열 구역으로부터 제 2 열 구역으로의 열 전달을 용이하게 한다. 일부 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 이용 가능한 사용자 전력을 조정하여 과열을 제한함으로써 일시적인 가열 한계 이내로 초음파 변환기 모듈 가열을 관리하기 위해 초음파 절차를 능동적으로 모니터링하는 로직(logic)을 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 케이스의 내부에 배치된 초음파 변환기 모듈을 고정하도록 구성된 베젤(bezel)을 추가로 포함한다. 추가 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 균일한 힘을 제공하기 위해 스프링 구조를 포함하는 베젤 시일 구조를 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 힘을 흡수하며 낙하 저항을 개선하기 위해 초음파 변환기 모듈과 케이스 사이의 유연한 조인트를 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 다층 적층체는 낙하 저항을 개선하기 위한 구조적 지지를 제공한다. 일부 실시예에서, 케이스는 배터리 교체 후 초음파 용접으로 재밀봉될 수 있는 비파괴 케이스 절개 창을 통한 배터리 교체 접근을 제공한다. 일부 실시예에서, 케이스의 내부 표면은 사용자 파지 지점에서 케이스의 외부 표면으로부터 내부 열원을 선택적으로 절연시키는 단열 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 케이스의 내부 표면은 케이스 내부에 배치된 전자 장치의 EMI 차폐를 제공하는 박막 금속화 차폐부를 포함한다. 일부 실시예에서, 케이스의 외부 표면은 소수성 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 탈착 가능한 조작자 핸들을 추가로 포함한다. 추가 실시예에서, 조작자 핸들은 개별 조작자의 손에 맞도록 맞춤형이다.
또 다른 양태에서, 음향 정합 층, 마이크로 가공 초음파 변환기, 및 중간 층을 포함하는 초음파 변환기 조립체가 본 명세서에 개시된다. 일부 실시예에서, 음향 정합 층은 제 1 컴플라이언스를 갖는다. 일부 실시예에서, 음향 정합 층은 대상의 피부에 맞대어 배치되도록 구성된다. 일부 실시예에서, 마이크로 가공 초음파 변환기는 제 2 컴플라이언스를 갖는다. 일부 실시예에서, 중간 렌즈는 음향 정합 층과 마이크로 가공 초음파 변환기 사이에 있다. 일부 실시예에서, 중간 렌즈는 제 1 컴플라이언스 및 제 2 컴플라이언스보다 큰 컴플라이언스를 갖는 제 1 재료를 포함한다. 추가 실시예에서, 제 1 재료는 100 메가파스칼(MPa) 미만의 영률을 갖는다. 추가 실시예에서, 제 1 재료는 제 1의 복수의 마이크론-크기 입자 및 제 2의 복수의 나노-크기 입자를 포함한다.
추가 실시예에서, 제 1 재료가 탄성 중합체성 재료를 포함한다. 추가 실시예에서, 제 1 재료가 PDMS-유형 실리콘을 포함한다. 추가 실시예에서, 제 1 재료가 실가드(Sylgard) 182, RTV 615, RTV 630, Med-6016, 및/또는 Med-6755 중 하나 또는 이들의 조합을 포함한다. 추가 실시예에서, 중간 렌즈는 제 1 재료의 음향 임피던스와 상이한 음향 임피던스를 갖는다.
일부 실시예에서, 마이크로 가공 초음파 변환기는 용량성 마이크로 가공 초음파 변환기(cMUT)이다. 일부 실시예에서, 마이크로 가공 초음파 변환기는 압전 마이크로 가공 초음파 변환기(pMUT)이다.
본 주제의 특징 및 장점에 대한 더 나은 이해가 예시적인 실시예를 설명하는 아래의 상세한 설명 및 첨부 도면을 참조하여 획득될 것이다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른, 초음파 변환기 헤드 조립체의 분해도의 비제한적인 예를 보여준다.
도 2는 본 개시의 실시예에 따른, 방열판 조립체의 비제한적인 예의 분해 사시도를 보여준다.
도 3은 본 개시의 실시예에 따른, 기판으로의 와이어 접합부 연결을 포함하는 초음파 변환기 모듈의 비제한적인 예의 사시도를 보여준다.
도 4a 내지 도 4c는 본 개시의 실시예에 따른, 가요성 회로 및 가요성 고정 특징부를 갖는 방열판을 포함하는 초음파 변환기 모듈의 비제한적인 예의 사시도(도 4a, 도 4b) 및 측면도(도 4c)를 보여준다.
도 5는 본 개시의 실시예에 따른, 다층 렌즈를 포함하는 초음파 변환기 모듈의 개략도의 비제한적인 제 1 예의 측단면도를 보여준다.
도 6a 및 도 6b는 본 개시의 실시예에 따른, 다층 렌즈를 포함하는 초음파 변환기 모듈의 개략도의 비제한적인 제 2 예의 측단면도를 보여준다.
도 7은 본 개시의 실시예에 따른, 공기 공동을 포함하는 초음파 변환기 모듈의 개략도의 비제한적인 예의 측단면도를 보여준다.
도 8은 본 개시의 실시예에 따른, 금속 발포체 흡수재를 포함하는 초음파 변환기 모듈의 개략도의 비제한적인 예의 측단면도를 보여준다.
도 9는 본 개시의 실시예에 따른, 핸드헬드 초음파 영상 장치 조립체의 분해도의 비제한적인 예를 보여준다.
도 10은 본 개시의 실시예에 따른, 베젤 및 베젤 시일 구조를 포함하는 초음파 변환기 조립체의 비제한적인 예의 사시도를 보여준다.
도 11은 본 개시의 실시예에 따른, 베젤 및 고정 스프링을 포함하는 초음파 변환기 조립체의 분해도의 비제한적인 예를 보여준다.
도 12는 본 개시의 실시예에 따른, 베젤 및 고정 스프링을 포함하는 초음파 변환기 조립체의 비제한적인 예의 측단면도를 보여준다.
도 13은 본 개시의 실시예에 따른, 충격 흡수 케이스 계면을 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치용의 케이스 및 베젤의 분해도의 비제한적인 예의 분해 사시도를 보여준다.
도 14는 본 개시의 실시예에 따른, 케이스와 베젤 사이의 충격 흡수 케이스 계면을 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치용 케이스(탐침 몸체) 및 베젤의 확대 조립도의 비제한적인 예를 보여준다.
도 15는 본 개시의 실시예에 따른, 방향성이 있는 열 흐름을 갖는 별개의 열 구역을 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치의 개략적인 절개도의 비제한적인 예를 보여준다.
도 16은 본 개시의 실시예에 따른, 개별 열 구역과 각각 연관된 이중 방열판을 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치의 개략적인 절개도의 비제한적인 예를 보여준다.
도 17은 본 개시의 실시예에 따른, 개별 열 구역과 각각 연관된 이중 방열판을 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치의 개략적인 분해도의 비제한적인 예를 보여준다.
도 18은 본 개시의 실시예에 따른, 열 흐름의 방향을 정하는 데 사용되는 열 재료를 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치의 개략적인 절개도의 비제한적인 예를 보여준다.
도 19는 본 개시의 실시예에 따른, 맞춤형 조작자 핸들을 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치의 개략적인 분해도의 비제한적인 예를 보여준다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른, 초음파 변환기 헤드 조립체의 분해도의 비제한적인 예를 보여준다.
도 2는 본 개시의 실시예에 따른, 방열판 조립체의 비제한적인 예의 분해 사시도를 보여준다.
도 3은 본 개시의 실시예에 따른, 기판으로의 와이어 접합부 연결을 포함하는 초음파 변환기 모듈의 비제한적인 예의 사시도를 보여준다.
도 4a 내지 도 4c는 본 개시의 실시예에 따른, 가요성 회로 및 가요성 고정 특징부를 갖는 방열판을 포함하는 초음파 변환기 모듈의 비제한적인 예의 사시도(도 4a, 도 4b) 및 측면도(도 4c)를 보여준다.
도 5는 본 개시의 실시예에 따른, 다층 렌즈를 포함하는 초음파 변환기 모듈의 개략도의 비제한적인 제 1 예의 측단면도를 보여준다.
도 6a 및 도 6b는 본 개시의 실시예에 따른, 다층 렌즈를 포함하는 초음파 변환기 모듈의 개략도의 비제한적인 제 2 예의 측단면도를 보여준다.
도 7은 본 개시의 실시예에 따른, 공기 공동을 포함하는 초음파 변환기 모듈의 개략도의 비제한적인 예의 측단면도를 보여준다.
도 8은 본 개시의 실시예에 따른, 금속 발포체 흡수재를 포함하는 초음파 변환기 모듈의 개략도의 비제한적인 예의 측단면도를 보여준다.
도 9는 본 개시의 실시예에 따른, 핸드헬드 초음파 영상 장치 조립체의 분해도의 비제한적인 예를 보여준다.
도 10은 본 개시의 실시예에 따른, 베젤 및 베젤 시일 구조를 포함하는 초음파 변환기 조립체의 비제한적인 예의 사시도를 보여준다.
도 11은 본 개시의 실시예에 따른, 베젤 및 고정 스프링을 포함하는 초음파 변환기 조립체의 분해도의 비제한적인 예를 보여준다.
도 12는 본 개시의 실시예에 따른, 베젤 및 고정 스프링을 포함하는 초음파 변환기 조립체의 비제한적인 예의 측단면도를 보여준다.
도 13은 본 개시의 실시예에 따른, 충격 흡수 케이스 계면을 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치용의 케이스 및 베젤의 분해도의 비제한적인 예의 분해 사시도를 보여준다.
도 14는 본 개시의 실시예에 따른, 케이스와 베젤 사이의 충격 흡수 케이스 계면을 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치용 케이스(탐침 몸체) 및 베젤의 확대 조립도의 비제한적인 예를 보여준다.
도 15는 본 개시의 실시예에 따른, 방향성이 있는 열 흐름을 갖는 별개의 열 구역을 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치의 개략적인 절개도의 비제한적인 예를 보여준다.
도 16은 본 개시의 실시예에 따른, 개별 열 구역과 각각 연관된 이중 방열판을 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치의 개략적인 절개도의 비제한적인 예를 보여준다.
도 17은 본 개시의 실시예에 따른, 개별 열 구역과 각각 연관된 이중 방열판을 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치의 개략적인 분해도의 비제한적인 예를 보여준다.
도 18은 본 개시의 실시예에 따른, 열 흐름의 방향을 정하는 데 사용되는 열 재료를 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치의 개략적인 절개도의 비제한적인 예를 보여준다.
도 19는 본 개시의 실시예에 따른, 맞춤형 조작자 핸들을 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치의 개략적인 분해도의 비제한적인 예를 보여준다.
특정 정의
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적인 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 단수 형태 표현 및 "상기"는 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 참조를 포함한다. 본 명세서에서 "또는"에 대한 모든 참조는 달리 언급되지 않는 한 "및/또는"을 포함하도록 의도된다.
초음파 변환기
일부 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 초음파 변환기 모듈을 포함한다. 추가 실시예에서, 초음파 변환기 모듈은 변환기 요소를 포함한다. 또 다른 실시예에서, 변환기 요소는 다수의 적절한 방법론 중 하나에 의해 변환기 타일(transducer tile)을 형성하기 위해 전자 회로에 통합된다. 특정 실시예에서, 초음파 변환기 모듈은 음향 및/또는 열 에너지 전달을 감쇠시키며, 충격 및/또는 진동을 감쇠시키며, 가요성 고정을 제공하기 위한 특징부를 포함한다.
도 1을 참조하면, 특정 실시예에서, 초음파 변환기 모듈은 핸드헬드 초음파 영상 장치의 하위 세트이다. 이 실시예에서, 초음파 변환기 모듈은 영상 탐침 모듈과 환자의 신체 사이에 접속된다. 변환기 요소(1)는 적절하게는, 복수의 용량성 마이크로 가공 초음파 변환기(cMUT) 또는 압전 마이크로 가공 초음파 변환기(pMUT)를 포함한다. 또한, 본 실시예에서, 변환기 타일은 높은 음향 감쇠 및 높은 열 전도율의 흡음재(5)를 통해 변환기 기판 상에 장착된다.
도 5를 참조하면, 특정 실시예에서, 변환기 요소(1)는 변환기 타일을 형성하는 전자 회로(ASIC)(2) 상에 통합된다. 이 실시예에서, 변환기와 ASIC 사이의 상호 연결은, 비제한적인 예로서, 변환기 칩 대 ASIC 웨이퍼(C2W), 변환기 칩 대 ASIC 칩(C2C), 및 변환기 웨이퍼 대 ASIC 웨이퍼(W2W)의 플립 칩/직접 접합을 포함하는 다수의 적절한 수단 중 하나에 의해 구현된다. 또한, 이 실시예에서, 공기 공동(10)은 ASIC으로부터의 변환기의 음향 격리를 제공하기 위해 변환기 다이(die)의 둘레 주위에 분배된 댐(dam)(9)을 사용하여 변환기(1)의 아래에 형성된다. ASIC 대 변환기 상호 연결 구조가 활용되어 상호 연결 구조의 형상, 치수 및 재료를 조정함으로써 변환기 구조의 주파수의 특정한 기계적 감쇠(damping) 또는 조정(tuning)을 제공할 수 있다.
도 2를 참조하면, 특정 실시예에서, 전기 절연 층(예를 들어, 유전 재료(210), 제 1 전압 공급부에 연결된 전기 및 열 전도체(220)를 포함한 전기적으로 및 열적으로 전도성의 층, 접지 또는 GND 연결부(제 1 및 제 2 전압 공급부용의 기준 전압 및 전류 복귀 경로)에 연결된 전기 및 열 전도체(221), 및 제 2 전압 공급부에 부착된 전기 및 열 전도체(222))을 갖는 다층 방열판 구조(8)가 타일 및 전력 연결부로부터 시스템으로의 열의 제거를 제공한다. 이 실시예에서, 변환기 기판은 충격 및 진동 동안 시스템의 신뢰성을 개선하기 위해 가요성 고정 특징부를 제공하는 방열판(8) 상에 장착된다(도 1, 도 2 및 도 4 참조).
도 3을 참조하면, 특정 실시예에서, ASIC는 ASIC 상의 전용 패드로의 와이어 접합부(6) 또는 바로 고밀도 PCB로의 관통 실리콘 비아를 통해 외부 전자 장치와 연결된다. 본 명세서에 설명된 설계 및 제조의 장점은 변환기 타일이 추가 조립 이전에 및 핸드헬드 초음파 영상 장치에 통합되기 이전에 완전히 시험될 수 있다는 것이다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 센서와 PCB(420)에 결합된 가요성 회로(410) 및 가요성 고정 특징부, 예를 들어, 간극 노치(440)를 갖는 방열판(430)을 포함하는 초음파 변환기 모듈의 비제한적인 예가 도시되어 있다. 특정 실시예에서, 변환기 기판은 신호 처리 전자 장치로의 연결을 가능하게 하는 하나 이상의 고밀도 가요성 회로(410)에 부착된다. 일 실시예에서, 다층 가요성 회로(410)는 인덕터 및 국부적인 전력 관리를 개선하기 위한 기타 구성 요소를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서는, 가요성 회로가 인덕터 및 변환기 대역폭을 개선하기 위한 기타 구성 요소를 포함할 수 있다.
렌즈
초음파 변환기는 일반적으로, 약 1.5 MRayl의 일반적인 임피던스를 갖는 유기체, 예를 들어, 인체와 접속된다. cMUT 및 pMUT는 일반적으로, 1.5 MRayl보다 낮은 임피던스를 갖는다. 초음파 변환기의 전력을 유기체에 효율적으로 결합하기 위해, 하나 이상의 음향 임피던스 정합 층이 유리하다. 추가로, 초음파 변환기가 신체의 특정 깊이에 음향 에너지를 집속하여야 할 수도 있다. 다중 요소(예를 들어, 어레이) 초음파 변환기의 경우, 신체의 특정 깊이에 모든 요소의 빔을 집속시켜야 할 수도 있다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 설명된 핸드헬드 초음파 영상 장치 및 초음파 변환기의 이러한 기능 및 기타 기능은 초음파 변환기의 표면 상에 형성된 렌즈에 의해 수행된다. 예를 들어, 1 MHz 내지 5 MHz와 같은 좁은 주파수 범위와 대조적으로, 예를 들어, 1 MHz 내지 12 MHz와 같은 넓은 주파수 범위에 걸쳐 작동하여야 하기 때문에 이러한 기능을 수행하는 데 있어 추가적인 문제가 발생한다.
도 6a를 참조하면, 특정 실시예에서, 변환기 모듈에는 선택된 임피던스 및 음속의 다중 층(도 6a의 층 1 및 층 2)을 포함하여 영상 객체에 대한 음향 정합을 형성하며 영상 빔을 집속하는 렌즈(12)가 오버몰딩된다. 이 실시예에서, 층 1은 렌즈를 형성하는 반면, 층 2는 정합 층을 형성하며 실질적인 렌즈 효과를 제공하지 않는다. 층 1과 층 2의 임피던스는 변환기 임피던스와 유기체 임피던스 사이에 있도록 선택되어, 하나에서 다른 하나로 점차 증가하거나 감소한다. 예를 들어, cMUT 또는 pMUT가 유기체에 비해 임피던스가 낮은 일반적인 경우에, 층 1은 변환기보다 큰 임피던스를 가질 것이며, 층 2는 층 1보다 크지만 유기체보다 작은 임피던스를 가질 것이다. 선택적으로, 이 실시예에서, 층 2는 초음파의 음향 전달을 최대화하며, 특히, 목표 파장에서 광대역 변환기용의 낮은 임피던스 내지 높은 임피던스의 재료의 효율을 개선하기 위해 목표 파장의 1/4의 배수의 두께를 가질 수도 있다. 또한, 변환기의 영상 주파수가 하나의 주파수의 홀수 정수의 배수로 선택될 수도 있어, 층 2의 1/4 파장 두께가 모든 영상 주파수에 적합하다. 예를 들어, 이러한 주파수 세트는 1.8 MHz, 5.4 MHz, 9.0 MHz, 12.6 MHz 등일 수 있다. 대안으로서, 두께가 모든 영상 주파수에서 1/4 파장의 홀수 배수(1/4, 3/4, 5/4, 7/4 등)로 선택될 수 있다.
다른 실시예에서, 변환기 모듈이 단일 층 렌즈를 구비할 수 있다(도 6a와 같이, 층 1만을 가지며 층 2는 없다). 이 렌즈는 렌즈와 정합 층 모두의 역할을 한다.
도 6a에 상세히 설명된 실시예에서, 층 1 및 층 2의 컴플라이언스는 일반적으로, 이들이 상주하는 cMUT 및/또는 pMUT보다 높다. 또한, 층 2는 유기체와의 빈번한 장기간의 접촉, 낙하로 인한 우발적 충격, 세척 유체를 포함한 많은 화학 물질에 대한 노출을 포함하여 세상에 노출되기 때문에 마모 및 찢김을 방지하도록 설계된다. 결과적으로, 이러한 마모 및 찢김으로부터 보호하기 위해, 외부 층이 층 1보다 컴플라이언스가 낮은 경우가 많을 것이다. 일부 실시예에서, 층 1의 영률은 0.1 MPa 내지 100 MPa이며; 층 2는 층 1보다 더 강성이며, 예를 들어, 0.1 MPa 내지 100 MPa의 영률을 가질 수도 있으며; 층 2 위의 추가 층이 더 강성일 수도 있으며, 예를 들어, 0.1 MPa 내지 100 MPa의 영률을 갖는다.
도 6a의 기본 실시예는, 예를 들어, 층 3 내지 층 n-2, 층 n-1, 및 층 n을 포함하는 도 6b에 도시된 바와 같은 복수의 층으로 확장될 수 있다. 각각의 층은 그 두께가 변환기 음향 출력(예를 들어, 도 6b의 층 1 및 층 n-1로 나타내어진 바와 같이 구형 또는 원통형 형상을 가짐)을 집속 또는 비집속하도록 표면을 가로질러 가변적인 경우 렌즈 및 정합 층으로서 작용할 수 있다. 층이 실질적으로 하나의 두께를 가지면(예를 들어, 층 2 및 층 n), 해당 층이 주로 임피던스 정합 기능(렌즈 기능과 반대)을 제공한다. 각각의 층은 LCP(액정 폴리머), 알루미나 비드(bead), 텅스텐 비드, 진공 나노비드 등과 같은 나노-크기의 입자를 선택적으로 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 오버몰딩 다층 렌즈는 제 1 층이 pMUT 주위에 댐을 생성하고 댐을 실리콘계 재료로 충전함으로써 형성되는 공정에 의해 생성된다. 추가 실시예에서, 층은 와이어 접합부 및 pMUT를 보호할뿐만 아니라 낮은 임피던스 pMUT(예를 들어, 약 1 MRayl)의 임피던스에 가까운 임피던스를 갖는 평평한 층으로서 형성된다. 렌즈는 또한, 변환기에 구조적 안정성을 제공하며 렌즈 재료가 프레임 구조에 분배될 수 있도록 하는 조립식 프레임을 사용하여 제조될 수 있다. 프레임 치수는 렌즈 두께를 설정하도록 선택되며, 충전 재료는 렌즈와 프레임 재료 사이의 표면 장력 변화를 사용하여 렌즈를 형상화하도록 선택될 수 있다. 그런 다음, 이 제 1 렌즈 구조는 이차 렌즈 구조와 형상을 제공하기 위해 주물로 오버몰딩될 수 있다.
추가 실시예에서, 추가의 층이 평평한 층에 부착되며, 임피던스가 인체의 임피던스로 단계적으로 증가하도록 선택되며, 광범위한 주파수 및 초점 깊이에 걸쳐 상전이(transition)를 최대화하도록 형상화된다. 오버몰딩 방법론은 비용을 절감하며 의료 영상에 대한 전 세계적인 요구를 해결하기 위한 대량 제조를 촉진한다. 어레이 내의 인접한 변환기가 음향 에너지를 전달하는 것을 방지하기 위해, 변환기 제조 공정 동안 형성되는 변환기 사이의 음향 격리 채널을 충전하는 데 렌즈 성형 공정이 사용될 수 있다.
다시 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 특정 실시예에서, 오버몰딩 다층 렌즈(12)는 pMUT의 낮은 임피던스에서 인체의 더 높은 임피던스까지 단계적인 임피던스를 갖는다. 추가 실시예에서, 제 1 층은 실리콘계 재료를 포함하는 반면, 제 2, 제 3 층 등은 임피던스를 인체의 임피던스에 더 가깝게 상승시키기 위해 추가된 하나 이상의 더 높은 밀도의 재료와 함께 동일한 실리콘계 재료를 포함하는 제 2 재료, 제 3 재료 등을 사용한다. 특정 실시예에서, 더 높은 밀도의 재료는 비정질 구조를 갖는 희토류 도핑 산화 알루미늄을 포함하며, 이것은 2 가지 재료의 구조가 유사하기 때문에 산란이 적다. 추가로, 재료의 기하학적 구조는 구형이며 유리와 유사하여, 응집을 감소시키므로 초음파 에너지의 산란으로 인한 감쇠 손실을 줄인다.
음향 관리
일반적으로, 초음파 변환기는 2 개의 방향으로, 즉, 환자의 몸을 향해 전방으로 그리고 패키지를 향해 후방으로 에너지를 방출한다. 환자 이미지가 전방으로 방출되는 에너지의 초음파 반사로부터 형성된다. 강력한 후방 반사가 있는 경우, 이러한 반사는 환자 이미지를 왜곡시킨다. 본 명세서에 설명된 핸드헬드 초음파 영상 장치 및 초음파 변환기 모듈은 선택적으로, 후방 반사를 감소시키는 다수의 특징부 중 하나 이상을 포함한다.
도 7을 참조하면, 일 실시예에서, 공기 공동 음향 미러(mirror)(15) 또는 진공 구조(15)가 변환기 타일(22)의 아래에 제조되어 균일한 음향 반사를 제공하여, 환자 이미지를 왜곡시키는 후방 반사를 감소시킨다.
다른 실시예에서, 도 7을 계속 참조하면, 기판 접합부 내부에 중앙 공기 공동 또는 진공 공동을 갖는 높은 열 전도율의 기판(21)이 변환기 타일(22)과 방열판(도 7에 도시하지 않음)의 사이에 배치되어, 공기 또는 진공 공동이 음향 에너지를 거의 또는 전혀 전달하지 않는 반면, 열은 기판(21)의 상부, 하부 및 가장자리를 통해 공기 또는 진공 공동의 둘레 주위로 전달될 수 있다. 일부 실시예에서, 높은 열 전도율의 기판(21)이 다이 부착 필름(들)(DAF) 사이에 끼워질 수도 있다.
일부 실시예에서, 후방 반사 감소가 ASIC의 배면 상의 에칭 포켓(pocket)으로 달성된다. 추가 실시예에서, ASIC가 음향 변환기 아래에 배치되며, ASIC의 전면이 변환기에 맞대어 장착되며 ASIC의 배면이 음향 흡수 재료를 포함할 수도 있는 방열판에 맞대어 장착된다. 또 다른 실시예에서, ASIC의 배면은 ASIC으로부터 방열판으로의 음향 에너지 전파를 감소시키기 위해 ASIC와 방열판 사이에 공기 공동을 생성하도록 표면에 에칭된 포켓을 포함한다. PMUT 배면 상의 코팅은 또한, 밀도가 상이한 재료로 형성된 다수의 층 상에서 이루어지는 음향 흡수를 제공하도록 제조될 수 있다.
일부 실시예에서, 후방 반사 감소가 ASIC 배면 상의 에칭 포켓과 음향 흡수재의 포켓에 의해 달성된다. 다른 실시예에서, ASIC가 음향 변환기 아래에 배치되며, ASIC의 전면이 변환기에 맞대어 장착되며 ASIC의 배면이 음향 흡수 재료를 포함하는 방열판에 맞대어 장착된다. 또 다른 실시예에서, ASIC의 배면은 ASIC와 방열판 사이에 공기 공동을 생성하도록 표면에 에칭된 포켓을 구비하며, 방열판은 음향 흡수 재료를 포함하는 포켓으로 구성된다. 이러한 실시예에서, 이들 2 개의 구조는 음향 흡수 재료의 포켓 사이의 리브(rib)가 ASIC에 에칭된 공동과 중첩되도록 정렬된다. 이것은 ASIC으로부터 흡음재 지지체로의 열 전달을 개선하는 동시에 이러한 기판 사이의 음향 에너지 전달을 줄이는 것을 목적으로 한다.
도 8을 참조하면, 특정 실시예에서, 변환기 타일(22)이 높은 열 전도율을 나타내면서 흡음재로서 기능하는 저밀도 및 고밀도 재료를 통합한 금속 발포체 구조(24)를 통해 PCB(23) 상에 장착된다. 이 실시예에서, 음향 변환기 후방에 배치된 다공성 금속 발포체(18)가 ASIC으로부터의 열이 ASIC 후방에 위치한 방열판으로 통과할 수 있도록 하는 열 전도성 경로를 제공한다. 또한, 이 실시예에서, 다공성 금속 발포체는 에폭시 또는 폴리우레탄 또는 실리콘과 같은 고체 매트릭스(19)로 충전되며, 매트릭스는 선택적으로 높은 음향 임피던스의 분말과 낮은 음향 임피던스의 분말 모두의 혼합물을 포함하여 음향 산란을 제공한다.
계속해서 도 8을 참조하면, 추가 실시예에서, 음향 흡수재(23)는 변환기 타일(22)과 PCB(23) 사이의 CTE 불일치 영향을 감소시킨다. 이 실시예에서, ASIC와 PCB 사이의 CTE 불일치는 흡음재가 ASIC에서 PCB로 이동하는 음향 에너지를 감소시키는 기능을 할뿐만 아니라 접속부에서 열 응력을 감소시키는 역할을 하도록 중간 CTE를 갖는 흡음재를 선택하여 해결된다. 흡음재는 또한, 특정 표적에 대한 변환기의 곡률을 관리하기 위해 특정 수준으로 응력을 조정하기 위한 CTE를 제공하도록 형성될 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 추가 실시예에서, 높은 음향 임피던스를 갖는 음향 재료(24)가 음향 반사재(도 7의 20)를 형성하는 PCB(23)와 ASIC(2)의 사이에 배치된다. 이 실시예에서, ASIC를 통과하는 음향 에너지는 반사재와 ASIC 사이의 접속부에서의 임피던스 불일치로 인해 환자를 향해 강하게 반사된다. 높은 임피던스 재료 후보에는 텅스텐 및 텅스텐 카바이드가 포함되지만, 이것으로 제한되지 않는다. 음향 반사재(20)가 음향 흡수재(도 8의 24) 대신 단독으로 사용될 수도 있으며, 또는 음향 흡수재와 함께 사용될 수도 있다.
핸드헬드 초음파 영상 장치
일부 실시예에서, 본 명세서에 설명된 핸드헬드 초음파 영상 장치는 변환기 모듈을 이용한 환자의 신체 스캐닝 및 탐침의 변환기 신호로부터의 이미지 재구성을 가능하게 하여, 표시 및 후처리를 위해 이미지를 스마트폰과 같은 모바일 컴퓨팅 장치로 전송한다. 고품질 2D/3D/4D/도플러 이미지를 생성하기 위해, 변환기 모듈이 상당수의 변환기 픽셀(예를 들어, 4096 개)과 송수신 채널(예를 들어, 128 개)을 포함하여야 한다. 이러한 실시예에서, 이러한 많은 수의 채널은 전력 소비를 증가시키며, 결국 탐침 온도를 증가시킨다. 또한, 3D/4D/도플러 이미지의 처리는 처리 전력 수요를 더욱 증가시킨다. 미국 FDA는 환자의 신체와 접촉하는 표면 온도를 42℃로 제한하며 조작자 핸들과 접촉하는 표면 온도를 48℃로 제한한다. 레거시(Legacy) 핸드헬드 2D 영상 장치는 2W 미만을 소비한다. 레거시 3D/4D/도플러 초음파 영상 장치는 1000W 정도의 전력을 소비한다. FDA의 온도 요구 사항을 충족하기 위해, 일부 실시예에서, 본 명세서에 설명된 2D/3D/4D/도플러 핸드헬드 초음파 영상 장치는 평균 전력 소비를 10W 미만으로 낮추기 위해 발전된 전자 장치를 사용하며, 일부 실시예에서는, 장치 온도를 상기 온도 한계 이내에 유지하기 위해 발전된 열 관리 및 패키징을 사용한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 설명된 핸드헬드 초음파 영상 장치의 평균 최대 전력 소비는 약 6W 내지 약 7W이다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 설명된 핸드헬드 초음파 영상 장치의 피크 전력 소비는 약 10 W이다.
도 9를 참조하면, 특정 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 케이스 형상(25)을 가지며 후면에서 USB-C 포트를 통해 접근하는 단일 체결구를 통해 함께 유지되는 다중 재료 케이스(28)를 포함한다. 이 실시예에서, 내부 방열판 구조(27)는 더 얇은 케이스 설계를 가능하게 하는 내부 강성 구조를 제공하기 위해 탐침용의 1차 구조로서 작용한다. 이 실시예에서, 수신기 및 송신기 서브시스템의 다층 적층체가 낙하 저항을 개선하기 위한 구조적 지지를 제공하는 다층 적층체(26)로 통합된다. 일부 실시예에서, 케이스(28) 설계는 파지 지점과 외부 케이스 사이의 케이스 내부 절연체로 사용자 파지 지점에서 케이스 표면으로부터 내부 열원을 선택적으로 절연한다. 일부 실시예에서, 케이스(28)의 형상은 케이스 목부 크기를 최소화하고 사용자가 환자에게 힘을 가하는 동안 중립 위치로부터의 손목 편향을 제한하기 위해 파지 지점의 배치를 최소화함으로써 반복적인 부상을 감소시킨다.
도 10 내지 도 12를 참조하면, 특정 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 스프링 구조 또는 고정 스프링(1110)으로 균일한 힘을 제공하는 베젤 시일 구조(30)를 포함하며, 스프링이 베젤 시일 구조(30)에 스프링력(1210)을 인가하며, 베젤 시일 구조가 이에 응답하여 방열판/센서 모듈 조립체에 수직력을 인가한다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 특정 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 낙하 테스트 동안 힘을 흡수하여 신뢰성을 개선하기 위해 센서 모듈 조립체(1310)와 탐침(1410) 본체 사이에 유연한 조인트(31, 32) 설계를 포함한다.
일부 실시예에서, 케이스는 내부 전자 장치의 EMI 차폐를 제공하는 내부 케이스 표면 상의 박막 금속화 차폐 구조를 포함한다. 일부 실시예에서, 케이스가 소수성 표면을 포함한다. 일부 실시예에서, 케이스는 배터리 교체 후 초음파 용접으로 재밀봉될 수 있는 비파괴 케이스 절개 창을 통한 배터리 교체 접근을 제공한다.
열 관리
핸드헬드 초음파 영상 장치는 미국 FDA에서 설정한 환자와 접촉하는 표면의 42℃ 및 조작자가 사용하는 핸들의 48℃의 최대 안전 온도 한계에 직면한다. 간단히 말해서, 더 높은 이미지 품질을 위해서는 전자 장치의 전력 소비가 증가되어야 하며, 결국 탐침 온도가 증가되어야 한다. 다양한 실시예에서, 본 명세서에 설명된 핸드헬드 초음파 영상 장치는 휴대용의 핸드헬드 폼 팩터에서 더 우수한 이미지 품질을 달성하기 위해 다수의 새로운 온도 저감 기술을 전개한다.
도 15를 참조하면, 특정 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 개별 열 구역(33) 사이의 방향성이 있는 열 흐름을 이용한다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 특정 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 개별 방열판을 갖는 2 개의 개별 열 구역을 포함한다. 이 실시예에서, 열 구역 1(34)은 변환기 헤드 회로 조립체를 포함한다. 그리고, 이 실시예에서, 열 구역 2(35)는 시스템 전자 장치를 포함한다. 방열판 1(36)이 열 구역 1(34)의 구성 요소에만 부착된다. 방열판 2(37)가 열 구역 2(35)의 구성 요소에만 부착된다. 열 구역 1 및 열 구역 2는 열 구역 1(34)로부터 열 구역 2(35)로의 모든 높은 열 전도성 링크를 절단함으로써 격리되어 있다. 몸체 1(38)의 낮은 열 전도율의 재료로부터 기계적 지지가 이루어지는 반면, 이방성 열 전도율을 갖는 높은 열 전도성 재료(40)에 의해 열 구역 1로부터 높은 열 전도율의 몸체 2(39)로 열이 전달된다. 일 방향의 열 흐름이 향상되는 반면, 다른 방향의 열 흐름은 억제된다. 이에 의해 열 구역 2(35)와의 결합이 제한되는 반면, 널리 이용 가능한 재료를 사용하여 효율적인 방식으로 열 구역 1(34)로부터 멀리 열이 보내지도록 할 수 있다. 열이 이방성 재료를 통해 특정 방향으로 이동되어, 열 구역의 이산화를 허용할 수 있다.
도 18을 참조하면, 특정 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 반도체 칩으로부터 열을 분산시켜 방열판 1(36)과 방열판 2(37) 사이의 열 결합을 감소시키 위해 칩(41)과 시스템 보드(42)의 사이에 접합되는(그리고 접착제(1810)로 함께 결합되는) 이방성 열 전도성 재료(40)를 포함한다. 일부 실시예에서, 이방성 열 전도성 재료(40)는 열분해 흑연 시트(PGS), 히트 파이프, 또는 이들의 조합을 포함한다.
일부 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 일시적인 열 제어를 위한 상변화 재료를 포함한다. 추가 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 잠열 현상의 사용에 의해 변환기 헤드의 일시적인 열 성능을 확장시키는 상변화 재료가 내장된 방열판을 포함한다. 방열판은 용융 온도가 40℃ 이하인 비용융 재료의 저장소로 인해 고체 구리 또는 알루미늄보다 더 긴 시간 상수를 제공한다. 방열판에 있는 상변화 재료의 체적이 방열판 기부 근처의 계면의 일시적인 거동을 결정한다. 추가 실시예에서, 적합한 상변화 재료는 다양한 융점 온도로 구성될 수 있는 파라핀(왁스) 및 비스무트, 인듐 및 낮은 융점을 갖는 기타 재료와 같은 금속 매트릭스를 포함한다.
일부 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 흡음재와 열 관리 솔루션의 조합을 포함한다. 추가 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 증기 챔버 또는 평평한 히트 파이프와 같은 잠열 현상을 사용하는 열 전달 장치를 포함한다. 장치는 선택적으로, 특정 온도에서 증기/응축을 촉진하기 위해 벽에 "심지(wick)" 구조가 있는 구리제의 외부 하우징을 포함한다. 장치는 관심 온도에서 끓게 만드는 데 필요한 일부 대기압에 소량의 액체를 유지하기 위해 밀봉된 내부 체적을 갖는다. 충돌 음파를 반사시키거나 감쇠하는 데 사용될 수도 있는 내부 공기 간극은 조립체 고유의 특성이다. 경우에 따라, 공기 간극을 포함하는 것이 조립체의 음향 특성의 핵심이 된다. 이러한 실시예에서, 증기 챔버 기능의 이점은 흡음 또는 음향 반사를 유지하면서 열 전달이 향상된다는 것이다. 증기 챔버를 사용한 열 전달은 고체 구리 블록보다 훨씬 높다. 이러한 선택적인 특징부에 의해 적용 장치 바로 아래에 공기 간극을 유지하면서 높은 열 전도성 조립체를 사용할 수 있다.
일부 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 통합된 방열판을 갖는 2 개 부분으로 된 탐침 몸체를 포함한다. 추가 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 2 개 이상의 개별 열원으로부터의 열 흐름을 분리하는 것을 돕기 위해 이용되는 혼합 재료를 갖는 핸드헬드 탐침 몸체를 포함한다. 이 실시예는 별도의 열원을 절연시키면서 열 전도성이 높은 부분으로 열이 전달될 수 있도록 하는 방식으로 높은 열 전도성 재료에 접합된 낮은 열 전도성 재료를 포함한다. 이것은 동일한 인클로저에 있는 2 개 이상의 열원의 열 흐름 경로를 분할하는 효과가 있다. 열 전도성이 높은 재료는 핀(fin) 또는 리브(rib)와 같은 기계적 특징부를 추가하여 대류 열 손실을 증가시킬 수 있다. 이 실시예는 분리된, 방향성이 있는 열 흐름을 허용하기 위해 본 명세서에 설명된 다른 열 관리 옵션과 함께 선택적으로 사용된다.
일부 실시예에서, 초음파 절차 동안의 온도가 능동적으로 모니터링되며, 이용 가능한 전력을 조정하여 과열을 제한하기 위해 일시적인 가열 제한이 적용된다.
일부 실시예에서, 방열판은 변환기 기판 아래의 리브형 섹션과 변환기 기판으로부터 열을 전도하는 연장 플레이트를 포함한다. 일부 실시예에서, 초음파 변환기 모듈과 접촉하는 방열판은 변환기 기판으로부터 멀리 열을 전달하기 위해 피라미드 형상을 갖는 리브를 포함한다.
배터리
핸드헬드 초음파 영상 장치에서는 배터리 작동이 문제가 된다. 핸드헬드 초음파 영상 장치는 조작자의 부상을 줄이고 예방할 수 있을 만큼 충분히 작고 가벼워야 하지만, 의학적으로 유용한 이미지와 치료 효과까지 생성하기에 적절한 전력을 공급하여야 한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 설명된 핸드헬드 초음파 영상 장치는 1차 배터리 및 백업 배터리를 포함하여, 이에 따라 불필요한 배터리 중복을 야기한다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 배터리는 USB-C 포털을 통해 접속되는 외부의 평평한 팩(pack)/등각 스타일을 포함한다. 이러한 실시예에서, 배터리가 새로운 외피가 되어 외부 치수를 증가시킨다. 추가 실시예에서, 배터리는 플라스틱 케이스의 특징부에 성형됨으로써 기계적 충격 흡수를 제공한다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 배터리가 120/240 볼트 콘센트용 내장 단자를 통한 빠른 재충전 기능을 포함한다. 추가 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 전하를 관리하기 위해 내부 회로망을 사용한다. 다양한 실시예에서, USB-C 포털은 충전을 위해 전원에 연결되는 것을 용이하게 하는 USB-C 블레이드 또는 USB-C 코드를 포함한다.
일부 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 내부의 나머지 부분과 분리되며 배터리 서비스를 위해 공장에서 접근 가능한 외부 개구를 갖는 상태로 밀봉된 내부 배터리 격실을 포함한다.
조작자 핸들
전통적인 의료 초음파 영상은 환자의 신체와 접속되기 위한 다양한 탐침을 사용한다. 탐침의 형상은 종종, 영상화되는 신체 부위에 최적화되며, 현재의 시스템은 다수의 탐침을 사용한다. 특정 신체 기관을 영상화하기 위한 탐침의 최적화에도 불구하고, 초음파 영상을 수행하는 초음파 검사자의 거의 85%는 업무 관련 통증을 경험하며, 이중 90%는 경력의 절반 이상 동안 업무 관련 통증을 경험하였다. 미국 및 캐나다에서 10,000명의 참가자로부터의 응답을 기반으로 한 2000년 SDMS의 획기적인 연구에 따르면, 초음파 검사자 5명 중 1명은 직업상 업무 관련 부상을 당하고 있으며 초음파 검사자가 통증을 경험하기까지의 평균 업무 종사 시간은 5년이다.
2017년에 13 개의 신체 기관을 영상화할 수 있는 범용 초음파 영상 장치인 새로운 유형의 탐침이 등장했다. 더 최신의 탐침은 단일 탐침으로 훨씬 더 많은 신체 기관을 대상으로 한다. 그러나, 이것은 하나의 탐침 형상이 광범위한 용례에 최적화될 수 없어 초음파 검사자의 손에 부담을 증가시키기 때문에 초음파 검사자에게 발생하는 문제를 증가시킬 것이다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 설명된 핸드헬드 초음파 영상 장치는 범용 영상 장치를 사용함으로써 초래되는 조작자의 건강 문제를 감소시킨다.
도 19를 참조하면, 특정 실시예에서, 핸드헬드 초음파 영상 장치는 초음파 변환기 모듈(43) 및 영상 장치 케이스(44)에 부착 가능한 맞춤형 조작자 핸들(45)을 포함하며, 부품은 전통적으로 초음파 검사자/조작자의 손과 접속된다. 맞춤형 조작자 핸들의 삽입(예를 들어, 영상 장치 케이스(44) 상으로의 조작자 핸들(45)의 슬라이딩 및 스냅 결합)을 가능하게 하도록 영상 장치 케이스(44)를 수정하여 특정 용례 및 특정 조작자에 대해 각각 최적화된 다수의 조작자 핸들 옵션이 제공된다. 이러한 실시예는 추가로, 조작자 손의 3D 이미지를 적절한 최적화 소프트웨어가 구비된 3D 핸들 인쇄소에 전송함으로써 조작자 핸들(45)을 조작자의 손에 최적화할 수 있다. 더욱이, 이러한 실시예는 조작자 핸들(45)의 개인화를 가능하게 한다.
이러한 실시예에서, 별도의 조작자 핸들의 추가적인 이점은, 더 높은 프레임 속도 및 3D 영상에 중요한, 허용 영상 장치 전력 소모 증가이다. 조작자 핸들은 선택적으로, 단열 및 열 반사 재료로 형성되어, 핸들 전자 장치 인클로저 온도가 조작자 손에 닿는 표면 온도보다 높아질 수 있게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예가 본 명세서에 도시 및 설명되었지만, 이러한 실시예는 단지 예로서 제공된다는 것이 당업자에게는 명백할 것이다. 이제 본 발명을 벗어나지 않고 다양한 변형, 변경 및 대체가 당업자에 의해 이루어질 것이다. 본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예에 대한 다양한 대안이 본 발명을 실시하는 데 사용될 수도 있음을 이해하여야 한다.
Claims (14)
- a) 케이스;
b) 상기 케이스의 내부에 배치되며, 용량성 마이크로 가공 초음파 변환기(cMUT) 또는 압전 마이크로 가공 초음파 변환기(pMUT)의 어레이를 포함하며, 제 1 방열판과 접촉하며 제 1 열 구역과 연관된 초음파 변환기 모듈;
c) 상기 케이스의 내부에 배치되며 다층 적층체로 통합되는 복수의 수신기 서브시스템 및 송신기 서브시스템으로서, 상기 다층 적층체는 제 2 방열판과 접촉하며 제 2 열 구역과 연관되는 것인 복수의 수신기 서브시스템 및 송신기 서브시스템;
d) 상기 제 1 열 구역으로부터 상기 제 2 열 구역으로 열을 이동시키도록 구성된 이방성 열 전도성 재료;
e) 이용 가능한 사용자 전력을 조정하여 과열을 제한함으로써 일시적인 가열 한계 이내로 초음파 변환기 모듈 가열을 관리하기 위해 초음파 절차를 능동적으로 모니터링하는 로직(logic)
을 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 이방성 열 전도성 재료는 하나 이상의 히트 파이프를 포함하거나, 또는
상기 이방성 열 전도성 재료는 하나 이상의 열분해 흑연 시트(PGS)를 포함하는 것인 핸드헬드 초음파 영상 장치. - 제 1 항에 있어서,
11W 피크 미만 및 7W 평균 미만의 전력 소비로, 2D 이미지, 3D 이미지, 4D 이미지, 도플러 이미지 중 하나 이상을 생성하도록 구성되는 핸드헬드 초음파 영상 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 방열판과 상기 제 2 방열판 사이의 열 결합(thermal coupling)을 감소시키는 이방성 열 전도성 재료
를 추가로 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 방열판 또는 상기 제 2 방열판 중 하나 이상은 상변화 재료를 포함하는 것인 핸드헬드 초음파 영상 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 상변화 재료는 파라핀, 금속 매트릭스, 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 핸드헬드 초음파 영상 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 방열판은 내부 강성 구조를 제공하는 1차 구조로서 작용하는 것인 핸드헬드 초음파 영상 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 케이스의 내부에 배치된 초음파 변환기 모듈을 고정하도록 구성된 베젤
을 추가로 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치. - 제 8 항에 있어서,
균일한 힘을 제공하기 위해 스프링 구조를 포함하는 베젤 시일 구조
를 추가로 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치. - 제 1 항에 있어서,
힘을 흡수하며 낙하 저항(drop resistance)을 개선하기 위한, 초음파 변환기 모듈과 케이스 사이의 유연한 조인트
를 추가로 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 다층 적층체는 낙하 저항을 개선하기 위한 구조적 지지를 제공하는 것인 핸드헬드 초음파 영상 장치. - 제 1 항에 있어서,
(a) 상기 케이스는 높은 열 전도율의 재료와 낮은 열 전도율의 재료를 포함하는 다중 재료 케이스이며, 다중 재료 케이스는 제 1 열 구역으로부터 제 2 열 구역으로의 열 전달을 용이하게 하거나, 또는
(b) 상기 케이스는 배터리 교체 후 초음파 용접으로 재밀봉될 수 있는 비파괴 케이스 절개 창을 통한 배터리 교체 접근을 제공하거나, 또는
(c) 상기 케이스의 내부 표면은 사용자 파지 지점에서 케이스의 외부 표면으로부터 내부 열원을 선택적으로 절연시키는 단열 재료를 포함하거나, 또는
(d) 상기 케이스의 내부 표면은 케이스의 내부에 배치된 전자 장치의 EMI 차폐를 제공하는 박막 금속화 차폐부를 포함하거나, 또는
(e) 상기 케이스의 외부 표면은 소수성 재료를 포함하는 것인 핸드헬드 초음파 영상 장치. - 제 1 항에 있어서,
탈착 가능한 조작자 핸들
을 추가로 포함하는 핸드헬드 초음파 영상 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 조작자 핸들은 개별 조작자의 손에 맞도록 맞춤형인 것인 핸드헬드 초음파 영상 장치.
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