用于超声成像设备的声学阻尼

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2018年9月21日提交的代理人卷号为B1348.70102US00并且题为“ACOUSTIC DAMPING FOR ULTRASOUND IMAGING DEVICES”的美国临时专利申请序列第62/734,497号的权益，该美国临时专利申请的全部内容在此通过引用并入本文。

技术领域

本公开内容总体上涉及超声成像设备，并且更具体地，涉及用于超声成像设备的声学阻尼的结构和技术。

背景技术

超声设备可以使用具有比人类可听到的频率高的频率的声波来执行诊断成像和/或治疗。超声成像可以用于观察内部软组织体结构，例如用于查找疾病的来源或排除任何病理。当超声脉冲(例如通过使用探头)被传送至组织中时，声波被组织反射出来，其中不同的组织反射不同程度的声。然后，这些反射的声波可以被记录并且作为超声图像显示给操作者。声信号的强度(幅度)以及波行进穿过身体所花费的时间提供用于产生超声图像的信息。

一些超声成像设备可以使用微机械超声换能器制造，微机械超声换能器包括悬挂在基板上方的柔性膜。腔位于基板的一部分与膜之间，使得基板、腔和膜的组合形成可变电容器。当由适当的电信号致动时，膜通过振动生成超声信号。响应于接收到超声信号，使膜振动，并且因此生成输出电信号。

发明内容

本申请的一些方面提供了对包括声学阻尼材料的超声设备的封装。在一些实施方式中，声学阻尼材料可以是凝胶。

在一方面，一种超声成像设备，包括：超声换能器模块，所述超声换能器模块被设置在壳体内；以及可流动声学阻尼材料，所述可流动声学阻尼材料被设置在位于壳体的内部内的至少一个表面上。

在另一方面，一种制造超声成像设备的方法，包括：将可流动声学阻尼材料施加至位于壳体的内部内的至少一个表面上，该壳体具有设置在该壳体中的超声换能器模块。

附图说明

将参照以下附图来描述本申请的各个方面和实施方式。应当理解的是，附图不一定按比例绘制。出现在多个附图中的项在其出现的所有附图中由相同的附图标记指示。

图1是可以根据本公开内容的实施方式使用的示例性超声成像设备的透视图。

图2A是可以包括图1的超声成像设备的一部分的超声换能器模块组件的分解透视图。

图2B示出了根据实施方式的图2A的用于可流动声学阻尼材料的超声换能器模块组件上的示例性位置。

图3是图2的超声换能器模块组件的分解端视图。

图4是图3的沿箭头4-4观察的超声换能器模块组件的分解截面图。

图5示出了图2至图4的超声换能器模块组件的示例性护罩。

图6和图7示出了图2至图4的超声换能器模块组件的示例性散热器元件。

图8是示出根据实施方式的示出了可流动声学阻尼材料的示例性放置位置的部分完成的超声换能器模块组件。

图9是完成的超声换能器模块组件的顶视图。

图10是图9的沿箭头10-10观察的完成的超声换能器模块组件的截面图。

图11是图9的沿箭头11-11观察的完成的超声换能器模块组件的截面图。

具体实施方式

医学超声成像换能器用于传送声学脉冲，所述声学脉冲通过一个或更多个声学匹配层耦接至患者中。在发送每个脉冲之后，换能器然后检测进入的身体回波。回波由患者体内的不同组织(或不同类型)的声学阻抗失配来产生，这使得能够进行声能的部分透射和部分反射两者。示例性类型的超声换能器包括：由压电材料形成的超声换能器；或者近年来可以使用半导体基板形成的微机械超声换能器(MUT)。电容式微机械超声换能器(CMUT)是其中柔性膜通过间隙悬挂在导电电极上方的MUT的一个具体示例。当在膜与电极之间施加电压时，库仑力将柔性膜吸引至电极。当所施加的电压随时间变化时，膜位置也随之变化，从而在膜移动时生成从换能器面辐射的声能。然而，除了沿朝正被成像的身体的前向方向传送声能之外，换能器同时还可以沿离开正被成像的患者的后向方向传送声能。也就是说，声能的一些部分例如也通过CMUT支承结构例如硅晶片传播回。

当入射超声脉冲遇到具有不同声学阻抗的两个身体组织的大的光滑的界面时，声能被反射回换能器。这种类型的反射被称为镜面反射，并且所生成的回波强度与两种介质之间的声学阻抗梯度成比例。对于位于离开正被成像的患者的方向的结构例如半导体芯片或金属散热器界面也是如此。

通常，针对压电式换能器设备和电容式换能器设备两者，声学背衬材料被定位在超声换能器阵列的背侧上，以尽可能多地吸收和/或散射后向传送的声能，并且防止这样的能量被任何支承结构反射回换能器并且防止由于产生干扰而降低从患者获得的声学图像信号的质量。然而，通常，具有良好的声学衰减和散射特性的材料还会具有差的热导率和/或相对于换能器基板材料失配的热膨胀系数(CTE)。相反地，具有良好的热导率的材料会具有差的声学衰减能力。

在集成电路上的换能器超声设备(例如，诸如由本申请受让人生产的那些)的情况下，其中计算资源位于超声探头的本体内，并且可能位于探头本体的换能端附近，在探头本体本身的制造中可以使用导热材料(例如铝或其他金属)，以帮助设备散热。在这种情况下，这种散热探头本体在结构上可以比更常规的探头本体(例如塑料)更具刚性。因此，可以期望能够向利用一种或更多种导热的刚性壳体材料的超声成像设备提供声学阻尼能力。

因此，本文公开的示例性实施方式引入超声成像设备，该超声成像设备并入了与成像设备的至少一个内表面接触的可流动声学阻尼材料例如含聚四氟乙烯的凝胶材料，以提供声学阻尼。可以用作用于声学阻尼的含聚四氟乙烯的凝胶材料的一种这样合适的物质由超安全系统公司(Ultra Safety Systems,Inc.)以商标Tef-Gel

现在参照图1，示出了可以根据本公开内容的实施方式使用的示例性超声成像设备100的透视图。首先，应当理解的是，设备100仅是超声成像设备的示例，本公开内容的实施方式可以与该超声成像设备一起使用，并且还设想了其他这样的设备。如所示出的，超声成像设备100包括探头本体102，该探头本体102可以是一体式部件或者替选地可以包括如由虚线所指示的多个壳体部件104a、104b。例如，提供具有多个部件104a、104b的探头本体可以允许更容易地组装该成像设备的包括例如电路板、电池、电缆连接器等的各种内部部件。设置在探头本体102的第一(换能)端处的是容纳超声换能器模块组件(下面进一步详细描述)的护罩106。在一个实施方式中，探头本体102和护罩106两者例如由相同的材料例如阳极氧化铝或阳极氧化铝合金制成。如上所指示的，探头本体102和护罩106可以提供散热能力，并且因此在结构上可以比更常规的探头本体(例如塑料)更具刚性。

图1还示出了设置在护罩106的换能端处的声学透镜108，其中声学透镜108被配置成与待成像的对象物理接触。声透镜108可以例如由室温硫化(RTV)硅橡胶通过下述形成：通过将硅橡胶材料与固化剂或硫化剂混合，随后脱气以从混合的硅橡胶和催化剂中去除任何夹带的空气气泡以提供期望的拉伸强度。

设置在探头本体102的第二端处的是电缆110，电缆110可以被配置成在超声成像设备100与主机设备(未示出)之间提供通信路径，所述主机设备为例如智能电话、平板电脑、计算机终端、显示屏等。在其中探头本体102不包含内部电力供应的实施方式中，可以设想电缆110还可以从外部电源(未示出)向超声成像设备提供电力。可选地，在探头本体102的第二端处可以设置应变消除套筒112，所述探头本体102的第二端与其中电缆110与超声成像设备100的内部部件机械和电连接的位置对应。应变消除套筒112例如可以是柔性材料，例如，橡胶。

现在参照图2A，示出了可以包括图1的超声成像设备100的一部分的超声换能器模块组件200的分解透视图。除了外部设置的护罩106和声学透镜108之外，图2还示出了被配置成驻留在护罩106内部区域的封装的超声换能器组件202和散热器元件204。在所示的实施方式中，封装的超声换能器组件202包括：集成电路上的换能器芯片堆叠206(为了方便起见，在下文中称为“超声芯片”)、电路板/中介层208以及导热区域210。散热器元件204例如由导热材料例如铝形成，并且在散热器元件204的外周设置有开口212，开口212与护罩106上的相应柱214对齐并配合。附加硬件诸如例如螺钉216和固定螺钉218可以用于帮助将散热器元件204固定在护罩106的内部界限内。

在超声成像设备100的完全组装和操作状态下，可以经由封装的超声换能器组件202的导热区域210将由超声芯片206的处理能力生成的热传递至护罩106。例如，导热区域210可以被放置成与护罩106的突耳219热接触，可选地，在导热区域210与突耳219之间具有一定量的热粘合剂、油脂或膏(未示出)。然后，护罩106可以经由散热器元件204将热引导离开超声成像设备100的换能端至探头本体102(图1)。

如上所指出的，相对良好的热导体的结构可能具有不太期望的声学阻尼能力，并且因此，申请人已经确定，在超声换能器模块组件200内的一个或更多个位置处布置可流动声学阻尼材料220在提供由超声芯片206的超声换能器的操作引起的声学阻尼方面是有效的。在图2B中，实线箭头222示出了用于布置可流动声学阻尼材料220的一个适合位置，该可流动声学阻尼材料220与护罩106内周接触。然而，还设想针对可流动声学阻尼材料220的替选和/或附件位置，如由图2中的虚线箭头所指示的。针对材料222的这种其他位置包括但不限于封装的超声换能器组件202(包括芯片206、电路板208、导热区域210)和散热器元件204。此外，如果期望，还可以在探头本体102的内表面上设置可流动声学阻尼材料220。除了含聚四氟乙烯的凝胶之外，还设想了也可以利用其他可流动声学阻尼材料，包括，例如道康宁

图3和图4提供了超声换能器模块组件200的附加视图。更具体地，图3是图2的超声换能器模块组件的分解端视图，并且图4是图3的沿箭头4-4观察的超声换能器模块组件的分解截面图。除了图2中示出和描述的各种特征之外，图3和图4两者都示出了封装的超声换能器组件202的背侧，其中可以并入一个或更多个底板连接器302。连接器302可以与还包括在作为超声成像设备100的一部分的壳体102内的相应电路板(例如，电力板、现场可编程门阵列(FPGA)，未示出)配合。如图4所示，护罩106的内表面上指示的水平线对应于用于施加可流动声学阻尼材料220的期望位置。

通常参照图5至图8，示出了图示上述超声换能器模块组件200的一些组装步骤的各种视图。图5示出了护罩106及其内表面，包括突耳219，而图6和图7示出了与护罩106配合的散热器元件204。图6示出了散热器元件204的顶视图，其是用于插入至图5所示的护罩中取向，而图7示出了散热器元件204的底视图。同样，护罩106的柱214被配置成接纳散热器元件204的开口212。

现在参照图8，封装的超声换能器组件202被示出为插入至护罩106中。在图8所示的组装点处，可能已经完成各种步骤，仅作为示例包括：护罩106的清洁(例如，通过等离子体清洁来活化表面)、护罩106的内表面的涂底漆、将导热膏施加到护罩106的突耳219、以及声学透镜108的形成。

在图8的图像中特别可见的是封装的超声换能器组件202的电路板/中介层208和底板连接器302。用于声学透镜108的RTV材料的一部分围绕电路板/中介层208的周边也是可见的。如图8进一步所示，在在护罩106的内周周围施加了可流动声学阻尼材料220。可以可选地在护罩的顶部边缘周围施加导热膏802(例如，诸如由北极银(Arctic Silver)公司制造的导热膏)的层，以准备一旦插入就与散热器元件204(图8未示出)接触。

图9至图11示出了基本上完全组装配置的超声换能器模块组件200。在施加了可流动声学阻尼材料220和可选的导热膏802之后，散热器元件204被插入至护罩106中。螺钉216和固定螺钉218被扭转至期望的固定点，并且此后被拧紧。虽然图9至图11未具体示出，但是在超声换能器模块组件200与超声成像设备100的壳体102完全集成之前，还可以在护罩的外周、柱214的外侧提供护罩垫。图10和图11中的箭头指示在散热器元件204插入至护罩106中之后所施加的可流动声学阻尼材料220的一般位置的示例。设想了当散热器元件204插入至护罩106时，声学阻尼材料的一些可以被进一步向下推至护罩106的内壁。

本申请的各个方面可以单独使用、结合使用或者在前述描述的实施方式中未具体讨论的各种布置中使用，并且因此在本申请中不限于在前述描述中阐述或在附图中示出的部件的细节和布置。例如，一个实施方式中描述的特征可以与其他实施方式中描述的特征以任何方式组合。

此外，某些方面可以被实施为提供示例的方法。作为方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造其中以所示出的顺序不同的顺序执行动作的实施方式，即使在说明性实施方式中被示出为顺序动作，所述实施方式也可以包括同时执行一些动作。

在权利要求书中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等的序数术语来修饰权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一权利要求要素的任何优先级、优先顺序和次序或者其中执行方法的动作的时间顺序，而是仅仅被用作用于区分具有某个名称的一个权利要求要素和具有相同名称(除了使用序数术语之外)的另一权利要求要素的标记，以区分权利要求要素。

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