手持式超声波成像器制造技术

描述了超声波换能器模块和手持式超声波成像器，包括用于以便携式、手持式的形状因子产生高质量超声波图像的热和声管理特征。产生高质量超声波图像的热和声管理特征。产生高质量超声波图像的热和声管理特征。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】手持式超声波成像器
交叉引用
[0001]本PCT申请要求2019年3月25日提交的美国临时申请第62/823,452号的优先权，其内容通过引用并入本文。

技术介绍

[0002]医学成像是医学诊断和治疗中拯救生命的工具，但全球约75％的人口无法获得。在过去的几十年里，使用不同模式的成像器已经进入市场。最常见的有x射线(XR)、计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)和超声波。高昂的成本和陡峭的学习曲线阻碍了成像平易化。

技术实现思路

[0003]世界卫生组织(WHO)建议通过部署超声波成像器来解决全球医学成像不足的问题。美国医学超声学会(AIUM)发起了“超声波第一”倡议，倡导将超声波作为患者诊断的有效成像工具。盖茨基金会估计，如果有超声波成像器(个人通信)，非洲99％的婴儿死亡(100万/年)是可以避免的。
[0004]尽管当前的每种成像模式都具有不同的强度，但超声波的优势包含：
[0005]安全性：无辐射、无电离；
[0006]成本：这是可用的最具成本效益的医学成像形式中的一个；
[0007]便携性：可以带给患者；
[0008]速度：实时成像；
[0009]成像应用：广泛的成像应用；
[0010]治疗应用：广泛的治疗应用，如高强度聚焦超声波(HIFU)和低强度聚焦超声波(LIFU)；以及
[0011]诊断应用：广泛的新兴诊断应用。
[0012]超声波和互补成像技术两者的进步有望大幅提高图像质量和分辨率，降低成像器成本，并且改善形状因子(可穿戴装置)，例如，通过透射超声波(断层扫描)和超声波与光的融合，从而在不久的将来为XR、MRI和CT成像器创造更好、更低成本的替代品。将这些硬件进步与人工智能(AI)和机器学习(ML)相结合，将导致一场变革性的成像革命，使便携式超声波更易于使用和解译。
[0013]将低成本与高质量成像相结合会带来多重挑战，包含：
[0014]1)与传统的超声波工业技术相反，低成本高容量能力要求采用为移动装置开发的组装方法；以及
[0015]2)高性能电子装置消耗大量电力，这增加了手持装置的温度，因此需要先进的热管理解决方案。
[0016]本文所描述的主题通过多种新颖的设计解决了这两个挑战，其中包含以下领域的创新：
[0017]换能器头部包含与ASIC集成并且与人体介接的超声波换能器；
[0018]换能器的一侧上的透镜控制超声波束在宽频率(例如，1MHz至12MHz)范围内在体内的聚焦；
[0019]换能器另一侧上的吸声器可减少回声反射；
[0020]整个成像器组件，使系统能够集成在探头中；以及
[0021]热管理使能够降低探头温度，同时使能够高性能成像。
[0022]可定制的探头形状，以减少声谱仪操作员常见的重复性伤害。
[0023]在一个方面，本文公开了一种用于手持式超声波成像器装置的超声波换能器，其包括换能器元件，所述换能器元件包括压电微机械超声波换能器(pMUT)的阵列。在一些实施方式中，阵列包括至少1个换能器像素。在进一步实施方式中，阵列包括4096个或更多换能器像素。在一些实施方式中，换能器元件被集成到形成换能器瓦片(transducer tile)的专用集成电路(ASIC)上。在进一步实施方式中，在换能器元件下方形成空腔，以提供超声波换能器元件与ASIC的声隔离。在更进一步实施方式中，空腔容纳气体、蒸汽、液体或真空。在一些实施方式中，换能器元件和ASIC之间的集成是通过换能器芯片到ASIC晶片(C2W)、换能器芯片到ASIC芯片(C2C)或换能器晶片到ASIC晶片(W2W)的倒装芯片(flip chip)/直接键合(direct bonding)来实现的。在一些实施方式中，ASIC模块包括连接器，所述连接器使能够通过到ASIC上的专用焊盘的引线键合或通过直接到高密度印刷电路板(PCB)的硅通孔(TSV)连接到外部信号处理电子装置。在一些实施方式中，换能器瓦片安装在换能器基板上。在进一步实施方式中，换能器瓦片通过高声衰减和高热导率吸声器安装在换能器基板上。在进一步实施方式中，换能器瓦片通过多孔金属泡沫材料安装在换能器基板上。在更进一步实施方式中，多孔金属泡沫填充有固体基质，并且其中固体基质可选地含有高声阻抗和低声阻抗粉末的混合物，以提供声散射。在一些实施方式中，换能器基板安装在散热器上。在进一步实施方式中，散热器包括多层散热器结构，所述多层散热器结构具有交替的导电层和绝缘层，所述交替的导电层和绝缘层两者都从换能器瓦片移除热量并且提供多个独立的电源连接。在进一步实施方式中，散热器提供柔性保持以提高冲击和振动期间的可靠性。在一些实施方式中，换能器基板附接到一个或多个高密度亚50微米间距柔性电路，使能够附接到外部信号处理电子装置。在一些实施方式中，超声波换能器还包括包覆成型的多层透镜，所述多层透镜包括多个层，所述多个层包括至少第一层和第二层，第一层具有高于换能器元件且低于第二层的声阻抗，第二层具有高于第一层且低于成像目标的声阻抗；此外，包覆成型的多层透镜可以被配置为聚焦成像光束。在进一步实施方式中，多个层具有目标波长或一组波长的1/4的倍数的厚度，以最大化超声波能量的声传递并且提高低阻抗材料到高阻抗材料的效率。在进一步实施方式中，第一层包括硅基材料。在更进一步实施方式中，第二层包括硅基材料和被添加以提高所述第二层的声阻抗的较高密度的材料。在特定实施方式中，较高密度的材料包括无定形稀土掺杂的氧化铝。
[0024]另一方面，本文公开了一种手持式超声波成像器，其包括：壳体；超声波换能器模块，其设置在所述壳体内，并且包括电容性微机械超声波换能器(cMUT)或压电微机械超声波换能器(pMUT)的阵列，所述超声波换能器模块与第一散热器接触并且与第一加热区相关联；多个接收器子系统和发射器子系统，其设置在壳体内并且集成到多层堆叠中，所述多层堆叠与第二散热器接触并且与第二加热区相关联；以及各向异性导热材料，其被配置为将
热量从第一加热区移动到第二加热区。在一些实施方式中，各向异性导热材料包括一个或多个热管。在一些实施方式中，各向异性导热材料包括一个或多个热解石墨片(PGS)。在一些实施方式中，手持式超声波成像器被配置为生成具有的功耗低于11W峰值和低于7W平均值的2D、3D、4D、多普勒图像中的一个或多个。在一些实施方式中，手持式超声波成像器还包括各向异性导热材料，以减少第一散热器和第二散热器之间的热耦合。在一些实施方式中，第一散热器包括相变材料。在进一步实施方式中，相变材料包括石蜡、金属基质或其组合。在一些实施方式中，第二散热器包括相变材料。在进一步实施方式中，相变材料包括石蜡、金属基质或其组合。在一些实施方式中，第二散热器充当提供内部刚性结构的主要结构。在一些实施方式中，壳体是包括高热导率材料和低热导率材料的多材料壳体，其中多材料壳体便于从第一加热区到第二加热区的热传递。在一些实施方式中，手持式超声波成像器还包括通过调整可用用户电力以限制过热来主动监测超本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于手持式超声波成像器装置的超声波换能器，包括换能器元件，所述换能器元件包括压电微机械超声波换能器(pMUT)的阵列。2.根据权利要求1所述的超声波换能器，其中所述阵列包括多个换能器像素。3.根据权利要求1所述的超声波换能器，其中所述阵列包括4096个或更多个换能器像素。4.根据权利要求1所述的超声波换能器，其中所述换能器元件被集成到形成换能器瓦片的专用集成电路(ASIC)上。5.根据权利要求4所述的超声波换能器，其中在所述换能器元件下方形成空腔，以提供所述超声波换能器元件与所述ASIC的声隔离。6.根据权利要求5所述的超声波换能器，其中所述空腔容纳气体、蒸汽、液体或真空。7.根据权利要求4所述的超声波换能器，其中所述换能器元件和所述ASIC之间的所述集成是通过换能器芯片到ASIC晶片(C2W)、换能器芯片到ASIC芯片(C2C)或换能器晶片到ASIC晶片(W2W)的倒装芯片/直接键合来实现的。8.根据权利要求4所述的超声波换能器，其中所述ASIC被集成到包括连接器的模块中，所述连接器使能够通过到所述ASIC上的专用焊盘的引线键合或通过直接到高密度印刷电路板(PCB)的硅通孔(TSV)连接到外部信号处理电子装置。9.根据权利要求4所述的超声波换能器，其中所述换能器瓦片安装在换能器基板上。10.根据权利要求9所述的超声波换能器，其中所述换能器瓦片通过高声衰减和高热导率吸声器安装在所述换能器基板上。11.根据权利要求9所述的超声波换能器，其中所述换能器瓦片通过多孔金属泡沫材料安装在所述换能器基板上。12.根据权利要求11所述的超声波换能器，其中所述多孔金属泡沫填充有固体基质。13.根据权利要求12所述的超声波换能器，其中所述固体基质含有高声阻抗和低声阻抗粉末的混合物以提供声散射。14.根据权利要求9所述的超声波换能器，其中所述换能器基板安装在散热器上。15.根据权利要求14所述的超声波换能器，其中所述散热器包括多层散热器结构，所述多层散热器结构具有交替的导电层和绝缘层，所述导电层和绝缘层两者从所述换能器瓦片移除热量并且提供多个独立的电源连接。16.根据权利要求14所述的超声波换能器，其中所述散热器提供柔性保持以提高冲击和振动期间的可靠性。17.根据权利要求9所述的超声波换能器，其中所述换能器基板附接到一个或多个高密度亚50微米间距柔性电路，使能够附接到外部信号处理电子装置。18.根据权利要求1所述的超声波换能器，还包括包覆成型的多层透镜，所述多层透镜包括多个层，所述多个层包括至少第一层和第二层，所述第一层具有高于所述换能器元件且低于所述第二层的声阻抗，所述第二层具有高于所述第一层且低于成像目标的声阻抗，其中所述包覆成型的多层透镜可选地被配置为聚焦成像光束。19.根据权利要求18所述的超声波换能器，其中所述多个层具有目标波长或波长组的1/4的倍数的厚度，以最大化超声波能量的声传递并且提高所述低阻抗材料到所述高阻抗材料的效率。
20.根据权利要求18所述的超声波换能器，其中所述第一层包括硅基材料。21.根据权利要求20所述的超声波换能器，其中所述第二层包括所述硅基材料和被添加以提高所述第二层的所述声阻抗的较高密度的材料。22.根据权利要求21所述的超声波换能器，其中所述较高密度的材料包括无定形稀土掺杂的氧化铝。23.一种手持式超声波成像器，包括：a)壳体；b)超声波换能器模块，所述超声波换能器模块设置在所述壳体内并且包括电容性微机械超声波换能器(cMUT)或压电微机械超声波换能器(pMUT)的阵列，所述超声波换能器模块与第一散热器接触并且与第一加热区相关联；c)多个接收器子系统和发射器子系统，所述多个接收器子系统和发射器子系统设置在所述壳体内并且集成到多层堆叠中，所述多层堆叠与第二散热器接触并且与第二加热区相关联；以及d)各向异性导热材料，所述各向异性导热材料被配置为将热量从所述第一加热区移动到所述第二加热区。24.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，其中所述各向异性导热材料包括一个或多个热管。25.根据权利要求23所述的手持式超声波成像器，其中所述各向异性导热材料包括一个或多个热解石墨片(PGS)...

【专利技术属性】
技术研发人员：雅努什，
申请(专利权)人：艾科索成像公司，
类型：发明
国别省市：