РУЧНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРИБОР ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ Российский патент 2023 года по МПК A61B8/00 

Ссылка на родственную заявку

[001] Согласно настоящей заявке испрашивается приоритет в соответствии с предварительной заявкой на выдачу патента США №62/823,452, поданной 25 марта 2019 г., которая ссылкой полностью включена в настоящий документ.

Предшествующий уровень техники настоящего изобретения

[002] Медицинская визуализация является спасающей жизни технологией для медицинской диагностики и терапии, и все же она еще не доступна для примерно 75% населения Земли. За последние несколько десятилетий на рынок были выпущены приборы для визуализации, использующие различные принципы. Самыми распространенными являются рентгеновская томография (XR), компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ) и ультразвуковая визуализация. Высокая стоимость и большой объем обучения препятствовали широкому распространению томографии.

Сущность настоящего изобретения

[003] Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) рекомендует бороться с проблемой нехватки медицинской визуализации в мировом масштабе с помощью внедрения ультразвуковых приборов для визуализации. Американский институт ультразвука в медицине (AIUM) разработал программу «сначала ультразвук», которая поощряет использование ультразвука как эффективного инструмента визуализации для диагностики пациентов. Фонд Билла и Мелинды Гейтс оценивает, что 99% случаев детской смертности в возрасте до одного года (1 миллион/год) в Африке можно было бы предотвратить, если бы были доступны ультразвуковые приборы для визуализации (частное сообщение).

[004] Хотя каждый из применяющихся методов визуализации/томографии имеет различные преимущества, к достоинствам ультразвуковой томографии относятся:

[005] Безопасность: нет никакого излучения и нет ионизации;

[006] Стоимость: это один из самых малозатратных способов среди доступных медицинских томографий;

[007] Переносимость: аппарат можно принести к пациенту;

[008] Скорость: визуализация в режиме реального времени;

[009] Применения визуализации: широкий диапазон применений визуализации;

[010] Применения в терапевтических целях: широкий диапазон применения в терапевтических целях, например, фокусированный ультразвук высокой интенсивности (HIFU) и фокусированный ультразвук низкой интенсивности (LIFU); и

[011] Применения в диагностических целях: широкий диапазон развивающихся диагностических применений.

[012] Достижения в технологиях, как ультразвука, так и дополнительной визуализации обещают существенно улучшить качество и разрешение изображения, снизить стоимость прибора для визуализации и улучшить типоразмеры (носибельность), например, с помощью передаваемого ультразвука (томография) и объединения ультразвука с излучением, что позволяет создать лучшие и более дешевые замены для рентгеновских, МРТ и КТ приборов для визуализации в ближайшем будущем. Соединение таких достижений в аппаратуре с технологиями искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (МО) ведет к инновационной революции в области визуализации, что позволит проще использовать ультразвуковые портативные аппараты и интерпретировать полученные результаты.

[013] Объединение низкой стоимости с высоким качеством визуализации создает многочисленные проблемы, включая следующие:

[014] 1) Возможность дешевого серийного производства требует применения методов сборки, разработанных для мобильных устройств, в противоположность традиционным технологиям ультразвуковой отрасли; и

[015] 2) Высококачественная электроника потребляет значительную мощность, что повышает температуру ручного устройства, поэтому нужны передовые решения для теплового менеджмента.

[016] Описанный в настоящем документе объект изобретения решает обе проблемам с помощью многочисленных новых конструктивных приемов, причем инновации введены в следующие области:

[017] Головка преобразователя, включая ультразвуковой преобразователь, встроенный в ASIC и контактирующий с телом человека;

[018] Линза с одной стороны преобразователя, управляющая фокусированием ультразвуковых пучков в теле в широком диапазоне частот, например, от 1 до 12 МГц;

[019] Акустические поглотители с другой стороны преобразователя, снижающие обратные акустические отражения;

[020] Полный узел прибора для визуализации, позволяющий встроить систему в зонд; и

[021] Тепловой менеджмент, позволяющий снизить температуру зонда при сохранении визуализации высокого качества.

[022] Приспосабливаемая к индивидуальным потребностям оператора форма зонда для снижения повторных травм, обычных для сонографистов.

[023] Согласно одному аспекту, в настоящем документе раскрыты ультразвуковые преобразователи для ручного ультразвукового прибора для визуализации, содержащие элемент преобразователя, в состав которого входит решетка пьезоэлектрических микрообработанных ультразвуковых преобразователей (pMUT). Согласно некоторым вариантам осуществления, решетка содержит, по меньшей мере, 1 пиксель преобразователя. Согласно другим вариантам осуществления, решетка содержит 4096 или больше пикселей преобразователя. Согласно некоторым вариантам осуществления, элемент преобразователя входит в состав интегральной схемы специального назначения (ASIC), образуя плитку преобразователя. Согласно другим вариантам осуществления, под элементом преобразователя образована полость для обеспечения акустической изоляции элемента ультразвукового преобразователя от ASIC. Согласно другим дополнительным вариантам осуществления, внутри полости находится газ, пар, жидкость или вакуум. Согласно некоторым вариантам осуществления, объединение элемента преобразователя и ASIC реализовано с помощью перевернутого чипа/непосредственного соединения чипа преобразователя с пластиной ASIC (C2W), чипа преобразователя с чипом ASIC (С2С) или пластины преобразователя с пластиной ASIC (W2W). Согласно некоторым вариантам осуществления, модуль ASIC содержит соединители, позволяющие выполнить подключение к внешней электронике обработки сигнала с помощью проводных соединений, подсоединенных к специальным площадкам на ASIC, или с помощью сквозных отверстий в кремнии (TSV) непосредственно на печатную плату (ПП) с высокой плотностью монтажа. Согласно некоторым вариантам осуществления, плитка преобразователя смонтирована на подложке преобразователя. Согласно другим вариантам осуществления, плитка преобразователя смонтирована на подложке преобразователя через акустический поглотитель с высоким ослаблением акустического сигнала и с высокой теплопроводностью. Согласно другим вариантам осуществления, плитка преобразователя смонтирована на подложке преобразователя через вспененный пористый металлический материал. Согласно другим дополнительным вариантам осуществления, вспененный пористый металлический материал заполнен твердым веществом, причем твердое вещество необязательно содержит смесь порошков с высоким акустическим импедансом и низким акустическим импедансом для обеспечения акустического рассеяния. Согласно некоторым вариантам осуществления, подложка преобразователя смонтирована на радиаторе. Согласно другим вариантам осуществления, радиатор содержит многослойную структуру радиатора с чередующимися электрически проводящими и изолирующими слоями, которые как отводят тепло от плитки преобразователя, так и обеспечивают множество независимых подключений электрического питания. Согласно другим вариантам осуществления, радиатор обеспечивает упругое крепление для улучшения надежности при воздействии ударов и вибрации. Согласно некоторым вариантам осуществления, подложка преобразователя прикреплена к одной или более гибким схемам с высокой плотностью с шагом монтажа менее 50 микрон, позволяющим выполнить подключение к внешней электронике обработки сигнала. Согласно некоторым вариантам осуществления, ультразвуковой преобразователь дополнительно содержит сформованную сверху многослойную линзу, причем многослойная линза состоит из множества слоев, содержащих, по меньшей мере, первый слой и второй слой, причем акустический импеданс первого слоя выше, чем у элемента преобразователя, и ниже, чем у второго слоя, а акустический импеданс второго слоя выше, чем у первого слоя, и ниже, чем у визуализируемой мишени; дополнительно, сформованная сверху многослойная линза может быть выполнена с возможностью фокусировки визуализирующих пучков. Согласно другим вариантам осуществления, множество слоев имеет толщины, кратные 1/4 целевой длины волны или набора длин волн для достижения максимальной акустической передачи ультразвуковой энергии и улучшения эффективности за счет применения материалов с импедансом от низкого до высокого. Согласно другим вариантам осуществления, первый слой содержит материал на основе силикона. Согласно другим дополнительным вариантам осуществления, второй слой содержит материал на основе силикона и добавленный материал более высокой плотности для повышения акустического импеданса второго слоя. Согласно конкретному варианту осуществления, материал с более высокой плотностью содержит аморфный оксид алюминия, легированный редкоземельными элементами.

[024] Согласно другому аспекту в настоящем документе раскрыты ручные ультразвуковые приборы для визуализации, содержащие: корпус; модуль ультразвукового преобразователя, расположенный внутри корпуса и содержащий решетку емкостных микрообработанных ультразвуковых преобразователей (cMUT) или пьезоэлектрических микрообработанных ультразвуковых преобразователей (pMUT), причем модуль ультразвукового преобразователя находится в контакте с первым радиатором и ассоциирован с первой тепловой зоной; множество подсистем приемника и подсистем передатчика, расположенных внутри корпуса и объединенных в многослойную стопку, причем многослойная стопка находится в контакте со вторым радиатором и ассоциирована со второй тепловой зоной; и анизотропный теплопроводящий материал, выполненный с возможностью передавать тепло из первой тепловой зоны во вторую тепловую зону. Согласно некоторым вариантам осуществления, анизотропный теплопроводящий материал содержит одну или более тепловых труб. Согласно некоторым вариантам осуществления, анизотропный теплопроводящий материал содержит один или более пирографитовых листов (ПГЛ). Согласно некоторым вариантам осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации может быть выполнен с возможностью создания одного или более 2D, 3D, 4D, доплеровских изображений с потреблением мощности ниже 11 Вт в пике и ниже 7 Вт в среднем. Согласно некоторым вариантам осуществления, ручной ультразвуковой прибора для визуализации дополнительно содержит анизотропный теплопроводящий материал, снижающий тепловую связь между первым радиатором и вторым радиатором. Согласно некоторым вариантам осуществления, первый радиатор содержит материал с изменяемым фазовым состоянием. Согласно другим вариантам осуществления, материал с изменяемым фазовым состоянием содержит парафин, металлическую матрицу или их комбинацию. Согласно некоторым вариантам осуществления, второй радиатор содержит материал с изменяемым фазовым состоянием. Согласно другим вариантам осуществления, материал с изменяемым фазовым состоянием содержит парафин, металлическую матрицу или их комбинацию. Согласно некоторым вариантам осуществления, второй радиатор действует в качестве основной структуры, создающей внутреннюю жесткую конструкцию. Согласно некоторым вариантам осуществления, корпус является корпусом из нескольких материалов, содержащий материал с высокой теплопроводностью и материал с низкой теплопроводностью, причем корпус из нескольких материалов способствует передаче тепла из первой тепловой зоны во вторую тепловую зону. Согласно некоторым вариантам осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации дополнительно содержит логику для активного отслеживания ультразвуковой процедуры с целью управления нагревом модуля ультразвукового преобразователя в пределах переходного нагрева посредством регулировки доступной пользователю мощности для ограничения перегрева. Согласно некоторым вариантам осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации дополнительно содержит рамку, выполненную с возможностью закрепить модуль ультразвукового преобразователя, расположенный внутри корпуса. Согласно другим вариантам осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации дополнительно содержит конструкцию уплотнения рамки, содержащую пружинную конструкцию для создания равномерной силы. Согласно некоторым вариантам осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации дополнительно содержит гибкую прокладку между модулем ультразвукового преобразователя и корпусом для поглощения силы и улучшения стойкости к падению. Согласно некоторым вариантам осуществления, многослойная стопка действует в качестве опорной конструкции для улучшения стойкости к падению. Согласно некоторым вариантам осуществления, корпус обеспечивает доступ для замены элемента питания через неразрушающееся прорезанное в корпусе окошко, которое можно снова герметизировать ультразвуковой сваркой после замены элемента питания. Согласно некоторым вариантам осуществления, внутренняя поверхность корпуса содержит теплоизолирующий материал, который выборочно теплоизолирует внутренние источники тепла от внешней поверхности корпуса в местах его захвата пользователем. Согласно некоторым вариантам осуществления, внутренняя поверхность корпуса содержит экран из металлизированной тонкой пленки, обеспечивающий экранирование расположенной внутри корпуса электроники от электромагнитных помех (ЭМП). Согласно некоторым вариантам осуществления, внешняя поверхность корпуса содержит гидрофобный материал. Согласно некоторым вариантам осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации дополнительно содержит съемную ручку оператора. Согласно другим вариантам осуществления, ручка оператора выполнена с возможностью соответствовать кисти руки отдельного оператора.

[025] Согласно другому аспекту в настоящем документе раскрыты узлы ультразвукового преобразователя, содержащие: акустический согласующий слой, микрообработанный ультразвуковой преобразователь и промежуточный слой. Согласно некоторым вариантам осуществления, акустический согласующий слой имеет первое значение податливости. Согласно некоторым вариантам осуществления, акустический согласующий слой выполнен с возможностью быть расположенным вплотную к коже субъекта. Согласно некоторым вариантам осуществления, микрообработанный ультразвуковой преобразователь имеет второе значение податливости. Согласно некоторым вариантам осуществления, промежуточная линза расположена между акустическим согласующим слоем и микрообработанным ультразвуковым преобразователем. Согласно некоторым вариантам осуществления, промежуточная линза содержит первый материал, податливость которого больше, чем первое и второе значения податливости. Согласно другим вариантам осуществления, модуль Юнга первого материала меньше, чем 100 мегапаскалей (МПа). Согласно другим вариантам осуществления, первый материал содержит первое множество частиц с микрометровыми размерами и второе множество частиц с нанометровыми размерами

[026] Согласно другим вариантам осуществления, первый материал содержит эластомерный материал. Согласно другим вариантам осуществления, первый материал содержит силикон типа полидиметилсилоксана (ПДМС). Согласно другим вариантам осуществления, первый материал содержит один из материалов Sylgard 182, RTV 615, RTV 630, Med-6016 и/или Med-6755 или их комбинацию. Согласно другим вариантам осуществления, акустический импеданс промежуточной линзы отличается от акустического импеданса первого материала.

[027] Согласно некоторым вариантам осуществления, микрообработанный ультразвуковой преобразователь является емкостным микрообработанным ультразвуковым преобразователем (cMUT). Согласно некоторым вариантам осуществления, микрообработанный ультразвуковой преобразователь является пьезоэлектрическим микрообработанным ультразвуковым преобразователем (pMUT).

Краткое описание фигур

[028] Лучшего понимания признаков и преимуществ настоящего изобретения можно добиться при изучении следующих подробных описаний, в которых изложены пояснительные варианты осуществления, и прилагаемых фигур, причем:

[029] На фиг. 1 показан не имеющий ограничительного характера пример вида в разобранном состоянии узла головки ультразвукового преобразователя, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

[030] На фиг. 2 показан не имеющий ограничительного характера пример вида в перспективе узла радиатора в разобранном состоянии, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

[031] На фиг. 3 показан не имеющий ограничительного характера пример вида в перспективе модуля ультразвукового преобразователя, включая соединение с подложкой микропроводами, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

[032] На фиг. 4А-4С показаны не имеющие ограничительного характера примеры видов в перспективе (фиг. 4А, 4В) и вида сбоку (фиг. 4С) модуля ультразвукового преобразователя, включая гибкую схему и радиатор с функциями упругого крепления, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

[033] На фиг. 5 показан не имеющий ограничительного характера первый пример вида сбоку в разрезе схемы модуля ультразвукового преобразователя, включая многослойную линзу, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

[034] На фиг. 6А и 6В показан не имеющий ограничительного характера второй пример видов сбоку в разрезе схемы модуля ультразвукового преобразователя, включая многослойную линзу, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

[035] На фиг. 7 показан не имеющий ограничительного характера пример вида сбоку в разрезе схемы модуля ультразвукового преобразователя, включая воздушную полость, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

[036] На фиг. 8 показан не имеющий ограничительного характера пример вида сбоку в разрезе схемы модуля ультразвукового преобразователя, включая поглотитель из вспененного металла, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

[037] На фиг. 9 показан не имеющий ограничительного характера пример вида в разобранном состоянии узла ручного ультразвукового прибора для визуализации, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

[038] На фиг. 10 показан не имеющий ограничительного характера пример вида в перспективе узла ультразвукового преобразователя, включая рамку и конструкцию уплотнения рамки, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

[039] На фиг. 11 показан не имеющий ограничительного характера пример вида в разобранном состоянии узла ультразвукового преобразователя, включая рамку и фиксирующие пружины, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

[040] На фиг. 12 показан не имеющий ограничительного характера пример вида сбоку в разрезе узла ультразвукового преобразователя, включая рамку и фиксирующие пружины, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

[041] На фиг. 13 показан не имеющий ограничительного характера пример вида в разобранном состоянии корпуса и рамки ручного ультразвукового прибора для визуализации, включая поглощающий удары интерфейс корпуса, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

[042] На фиг. 14 показан не имеющий ограничительного характера пример увеличенного вида в собранном состоянии корпуса (корпуса зонда) и рамки ручного ультразвукового прибора для визуализации, включая поглощающий удары интерфейс корпуса между корпусом и рамкой, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

[043] На фиг. 15 показан не имеющий ограничительного характера пример схематичного частичного внутреннего вида ручного ультразвукового прибора для визуализации, включая дискретные тепловые зоны с направленным тепловым потоком, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

[044] На фиг. 16 показан не имеющий ограничительного характера пример схематичного частичного внутреннего вида ручного ультразвукового прибора для визуализации, включая сдвоенные радиаторы, каждый из которых ассоциирован с дискретной тепловой зоной, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

[045] На фиг. 17 показан не имеющий ограничительного характера пример схематичного вида в разобранном состоянии ручного ультразвукового прибора для визуализации, включая сдвоенные радиаторы, каждый из которых ассоциирован с дискретной тепловой зоной, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

[046] На фиг. 18 показан не имеющий ограничительного характера пример схематичного частичного внутреннего вида ручного ультразвукового прибора для визуализации, включая тепловые материалы, используемые для направления теплового потока, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения;

[047] На фиг. 19 показан не имеющий ограничительного характера пример схематичного вида в разобранном состоянии ручного ультразвукового прибора для визуализации, включая приспосабливаемую к индивидуальным потребностям оператора ручку, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание настоящего изобретения

Некоторые определения

[048] Если не определено иное, все используемые в этом документе технические термины имеют такие значения, которые обычно понимаются специалистом обычной квалификации в области техники, к которой относится настоящее изобретение. Как используется в этом описании и в приложенной формуле изобретения, все формы единственного числа включают в себя ссылки на множественное число, кроме случаев, когда контекст явно указывает иное. Любое использование союза «или» в этом документе считается включающим в себя и сочетание союзов «и/или», если не указано иное.

Ультразвуковой преобразователь

[049] Согласно некоторым вариантам осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации содержит модуль ультразвукового преобразователя. Согласно другим вариантам осуществления, модуль ультразвукового преобразователя содержит элемент преобразователя. Согласно другим дополнительным вариантам осуществления, элемент преобразователя входит в состав электронной схемы для образования плитки преобразователя посредством одного из многих пригодных методов. Согласно конкретным вариантам осуществления, модуль ультразвукового преобразователя содержит функции для ослабления передачи акустической и/или тепловой энергии, ослабления удара и/или вибраций и для обеспечения упругого крепления.

[050] Как показано на фиг. 1, согласно конкретному варианту осуществления, модуль ультразвукового преобразователя является частью ручного ультразвукового прибора для визуализации. Согласно этому варианту осуществления, модуль ультразвукового преобразователя расположен между модулем зонда системы визуализации и телом пациента. Элемент 1 преобразователя соответственно содержит множество емкостных микрообработанных ультразвуковых преобразователей (cMUT) или пьезоэлектрических микрообработанных ультразвуковых преобразователей (pMUT). Более того, согласно этому варианту осуществления, плитка преобразователя смонтирована на подложке преобразователя через акустический поглотитель 5 с высоким ослаблением акустического сигнала и высокой теплопроводностью.

[051] Как показано на фиг.5, согласно конкретному варианту осуществления, элемент 1 преобразователя входит в состав электронной схемы (ASIC) 2, образуя плитку преобразователя. Согласно этому варианту осуществления, взаимное соединение между преобразователем и ASIC реализовано с помощью одного из многих подходящих средств, включая, в качестве не имеющих ограничительного характера примеров, перевернутый чип/непосредственное соединение чипа преобразователя с пластиной ASIC (C2W), чипа преобразователя с чипом ASIC (С2С) или пластины преобразователи с пластиной ASIC (W2W). Более того, согласно этому варианту осуществления, воздушная полость 10 выполнена под преобразователем 1 с помощью распределенной перегородки 9 вокруг периметра кристалла преобразователя для создания акустической изоляции преобразователя от ASIC. Можно использовать соединительную конструкцию между ASIC и преобразователем для достижения конкретного механического демпфирования или настройки частоты конструкции преобразователя посредством регулировки формы, размеров и материалов соединительной конструкции.

[052] Как показано на фиг.2, согласно конкретному варианту осуществления, многослойная конструкция 8 радиатора со слоями электрической изоляции (например, диэлектрические материалы 210, электропроводящий и теплопроводящий слой, включая электрический и тепловой проводник 220, подсоединенный к первому источнику напряжения, электрический и тепловой проводник 221, подсоединенный к земле или к соединению GND (опорное напряжение и путь возврата тока для первого и второго источников напряжения), и электрический и тепловой проводник 222, подсоединенный ко второму источнику напряжения) обеспечивает отвод тепла от плитки и подключение электрического питания к системе. Согласно этому варианту осуществления, подложка преобразователя смонтирована на радиаторе 8, который обладает функциями упругого крепления для улучшения надежности системы во время удара и вибрации, см. фиг. 1, 2 и 4.

[053] Как показано на фиг. 3, согласно конкретному варианту осуществления, ASIC подсоединяет внешнюю электронику с помощью проводных соединений 6, подсоединенных к специальным площадкам на ASIC, или с помощью сквозных проводящих отверстий в кремнии непосредственно на печатную плату (ПП). Преимущество описанных в настоящем документе конструкции и метода изготовления заключается в том, что плитку преобразователя можно полностью проверить перед дальнейшей сборкой и перед ее встраиванием в ручной ультразвуковой прибор для визуализации.

[054] На фиг. 4А-4С показан не имеющий ограничительного характера пример модуля ультразвукового преобразователя, включая гибкую схему 410, подключенную к датчикам и к ПП 420, и радиатор 430 с функциями упругого крепления, например, канавка выемки 440, как показано. Согласно конкретному варианту осуществления, подложка преобразователя прикреплена к одной или более гибким схемам 410 с высокой плотностью, позволяющим выполнить подключение к внешней электронике обработки сигнала. Согласно одному варианту осуществления, многослойная гибкая схема 410 может содержать индуктивности и другие компоненты для улучшения местного менеджмента мощностью. Согласно другому варианту осуществления, гибкая схема может содержать индуктивности и другие компоненты для улучшения полосы частот преобразователя.

Линза

[055] Ультразвуковые преобразователи обычно находятся в контакте с организмами, например, с телом человека, которое имеют типичный импеданс приблизительно 1,5 Мрейл. Преобразователи cMUTs и pMUTs обычно имеют импеданс меньше 1,5 Мрейл. Для эффективного ввода мощности из ультразвуковых преобразователей в организмы полезно использовать один или более слоев согласования акустического импеданса. Дополнительно, ультразвуковому преобразователю может потребоваться сфокусировать его акустическую энергию на определенной глубине в теле. Для многоэлементных (например, решетки) ультразвуковых преобразователи нам может понадобиться сфокусировать пучки всех элементов на определенной глубине в теле. Согласно некоторым вариантам осуществления ручного ультразвукового прибора для визуализации и ультразвукового преобразователя, описанных в настоящем документе, эти функции вместе с другими выполняются линзами, изготовленными на поверхности ультразвуковых преобразователей. Дополнительная проблема при выполнении таких функций возникает из-за необходимости работать в широком диапазоне частот, например, 1-12 МГц, в противоположность узкому диапазона частот, например, 1-5 МГц.

[056] Как показано на фиг. 6а, согласно конкретному варианту осуществления, сверху модуля преобразователя сформована линза 12, содержащая несколько слоев (слой 1 и слой 2 на фиг. 6а) с выбранными импедансами и скоростями звука, которые выполняют акустическое согласование с визуализируемым объектом, и фокусируют визуализирующие пучки. Согласно этому варианту осуществления, слой 1 образует линзу, в то время как слой 2 образует согласующий слой и не обеспечивает значительных эффектов фокусировки Значения импедансов слоя 1 и слоя 2 выбраны между значениями импедансов преобразователя и организма, постепенно увеличиваясь или уменьшаясь от одного до другого. Например, в типичном случае, когда у преобразователя cMUT или pMUT низкий импеданс в сравнении с организмом, слой 1 будет иметь импеданс больше, чем у преобразователя, а слой 2 будет иметь импеданс больше, чем у слоя 1, но меньше, чем у организма. Необязательно в этом варианте осуществления толщина слоя 2 может быть кратной 1/4 целевой длины волны для достижения максимальной передачи акустической энергии ультразвуковыми волнами и улучшения эффективности за счет применения материалов с импедансом от низкого до высокого для широкополосного преобразователя, в частности, на целевых длинах волн. Более того, частоты визуализации преобразователя могут быть выбраны равными нечетному целому кратному одной частоты, так как толщина слоя 2 в Va длины волны является подходящей для всех частот визуализации. Например, таким набором частот могут быть частоты: 1,8 МГц, 5,4 МГц, 9,0 МГц, 12,6 МГц и так далее. Альтернативно, толщина может быть выбрана равной нечетному целому кратному Vi длин волн (1/4, 3/4, 5/4, 7/4 и т.д.) на всех частотах визуализации.

[057] Согласно другому варианту осуществления, модуль преобразователя может иметь линзу из одного слоя (как на фиг. 6а, но только со слоем 1, без слоя 2). Такая линза может действовать и как линза, и как согласующий слой.

[058] В показанном на фиг. 6а варианте осуществления податливости слоя 1 и слоя 2 обычно выше, чем у преобразователей cMUT и/или pMUT, на которых они располагаются. Более того, слой 2 разработан для стойкости к обычному износу, поскольку он открыт для воздействия внешнего мира, включая частые и долгие контакты с организмами, случайные удары от падения и воздействие многих химикатов, включай моющие жидкости. В результате для защиты от такого обычного износа наружный слой часто будет иметь податливость ниже, чем у слоя 1. Согласно некоторым вариантам осуществления, модуль Юнга слоя 1 лежит между 0,1 и 100 МПа; слой 2 более жесткий, чем слой 1, и может иметь, например, значение модуля Юнга между 0,1 и 100 МПа; и дополнительные слои выше слоя 2 могут быть еще более жесткими, например, иметь значение модуля Юнга между 0,1 и 100 МПа.

[059] Показанный на фиг. 6а базовый вариант осуществления можно расширить на множество слоев, как показано на фиг. 6b, со слоями 3 до n-2, слоем n-1 и слоем n, например. Каждый слой может действовать как линза и как согласующий слой, если его толщина меняется по поверхности для фокусировки или дефокусировки акустической волны с преобразователя (например, иметь сферическую или цилиндрическую форму, как показано слоем 1 и слоем n-1 на фиг. 6b). Если слой имеет по существу одно значение толщины (в частности, слой 2 и слой n), то такой слой выполняет в основном функцию согласования импеданса (в противоположность к функции фокусировки). Каждый слой может необязательно содержать частицы с нанометровыми размерами, в частности, ЖКП (жидкокристаллический полимер), бусинки корунда, бусинки вольфрама, вакуумные нанобусинки и т.п.

[060] Согласно некоторым вариантом осуществления расположенная сверху многослойная линза создается в процессе, в котором первый слой образуется созданием перегородки вокруг преобразователя pMUT и заполнения внутренней части перегородки материалом на основе силикона. Согласно другим вариантам осуществления, слой формируется как плоский слой, который не только защищает микропровода с площадками и преобразователь pMUT, но также имеет импеданс, близким к низкому импедансу pMUT (например, примерно 1 Мрейл). Линза также может быть изготовлена с использованием заранее изготовленной рамы, которая обеспечивает устойчивость конструкции преобразователя и позволяет наносить материалы линзы в конструкцию рамы. Размеры рамы выбираются таким образом, чтобы можно было выбрать толщину линзы и заполняющих материалов и обеспечить формирование линзы с помощью разных поверхностных натяжений между материалами линзы и рамы. На такой первой конструкции линзы затем может быть сформована сверху отливка для создания конструкции и форм вторичной линзы.

[061] Согласно другим вариантам осуществления, дополнительные слои приклеиваются к плоскому слою и выбираются такими, чтобы значения их импедансов ступенчато увеличивались до импеданса человеческого тела, и им придается такая форма, чтобы добиться максимальной передачи в широком диапазоне частот и глубин фокусировки. Метод формовки сверху снижает затраты и способствует серийному производству для удовлетворения всемирной потребности в медицинской визуализации. Для изоляции соседних преобразователей в решетке от передаваемой акустической энергии процесс формовки можно использовать для заполнения каналов акустической изоляции между преобразователями, которые создаются во время процесса изготовления преобразователя.

[062] Как показано на фиг. 6а и 6b, согласно конкретным вариантам осуществления, сформованная сверху многослойная линза 12 обладает импедансом, ступенчато возрастающим от низкого импеданса pMUT до высокого импеданса человеческого тела. Согласно другим вариантам осуществления, первый слой содержит материал на основе силикона, в то время как во втором, третьем и т.д. слоях используются второй, третий и т.д. материалы, содержащие тот же самый материал на основе силикона с добавкой одного или более материалов более высокой плотности для повышения импеданса ближе к импедансу человеческого тела. Согласно конкретным вариантам осуществления, материалы с более высокой плотностью содержат оксид алюминия, легированный аморфными редкоземельными элементами, что приводит к меньшему рассеиванию, так как структуры двух материалов похожи друг на друга. Дополнительно, геометрическая структура материала является сферической и стеклоподобной, что снижает агломерацию и, следовательно, снижает потери ослабления, связанные с рассеянием ультразвуковой энергии.

Акустический менеджмент

[063] В общем случае ультразвуковой преобразователь излучает энергию в двух направлениях - вперед в сторону тела пациента и назад в сторону прибора. Изображение пациента получается из ультразвуковых отражений из потока энергии, излучаемой вперед. Если присутствуют сильные обратные отражения, они искажают изображение пациента. Ручные ультразвуковые приборы для визуализации и модули ультразвуковых преобразователей, описанные в настоящем документе, необязательно содержат одну или более из многочисленных функций, снижающих обратные отражения.

[064] Как показано на фиг. 7, согласно одному варианту осуществления, под плиткой 22 преобразователя выполнена воздушная полость акустического зеркала 15 или вакуумная конструкция 15 для получения однородного акустического отражения, снижающего обратные отражения, которые искажают изображение пациента.

[065] Как показано на фиг. 7, согласно другому варианту осуществления, подложка 21 с высокой теплопроводностью с центральной воздушной полостью или вакуумной полостью внутри подложки закреплена между плиткой 22 преобразователя и радиатором (не показан на фиг. 7), так что воздушная или вакуумная полость пропускает мало акустической энергии или вообще не пропускает ее, в то время как тепло может передаваться по периметру вокруг воздушной или вакуумной полости через верх, низ и кромки подложки 21. Согласно некоторым вариантам осуществления, подложка 21 с высокой теплопроводностью может быть помещена между прикрепленной к кристаллу пленкой из диаллилфумарата (ДАФ).

[066] Согласно некоторым вариантам осуществления, снижение обратных отражений достигается с помощью вытравленных карманов на задней поверхности ASIC. Согласно другим вариантам осуществления, микросхема ASIC расположена под акустическим преобразователем, причем передняя поверхность ASIC смонтирована вплотную к преобразователю, а задняя поверхность ASIC смонтирована вплотную к радиатору, который может содержать звукопоглощающий материал. Согласно другим дополнительным вариантам осуществления, задняя поверхность микросхемы ASIC содержит карманы, вытравленные на поверхности для создания воздушной полости между ASIC и радиатором для снижения распространения акустической энергии от ASIC к радиатору. Также может быть изготовлено покрытие на задней поверхности преобразователя PMUT для создания акустического поглощения, вызванного многими слоями материала с различной плотностью.

[067] Согласно некоторым вариантам осуществления, снижение обратных отражений достигается с помощью вытравленных карманов на задней поверхности ASIC и карманов в акустическом поглотителе. Согласно другим вариантам осуществления, микросхема ASIC расположена под акустическим преобразователем и передняя поверхность ASIC смонтирована вплотную к преобразователю, а задняя поверхность ASIC смонтирована вплотную к радиатору, содержащему звукопоглощающий материал. Согласно другим дополнительным вариантам осуществления, задняя поверхность микросхемы ASIC содержит вытравленные на поверхности карманы для создания воздушной полости между ASIC и радиатором, а в конструкции радиатора имеются карманы, содержащие звукопоглощающий материал. Согласно таким вариантам осуществления, две структуры выровнены таким образом, что ребра между карманами со звукопоглощающим материалом перекрываются с полостями, вытравленными в ASIC. Цель заключается в улучшении передачи тепла от ASIC в опорный акустический поглотитель, и одновременно в снижении передачи акустической энергии между этими подложками.

[068] Как показано на фиг. 8, согласно конкретному варианту осуществления, плитка 22 преобразователя установлена на печатной плате 23 с помощью металлической вспененной конструкции 24, в которой объединены материалы с низкой и высокой плотностью, работающие в качестве акустического поглотителя, и при этом обеспечивающие высокую теплопроводность. Согласно этому варианту осуществления, вспененный пористый металлический элемент 18 расположен позади акустического преобразователя для создания теплопроводящего пути, позволяющего теплу из ASIC поступать в радиатор, расположенный позади ASIC. Более того, согласно этому варианту осуществления, вспененный пористый металлический элемент заполнен твердым веществом 19, например, эпоксидом или полиуретаном или силиконом, и твердое вещество необязательно содержит смесь порошков с высоким акустическим импедансом и низким акустическим импедансом для обеспечения акустического рассеяния.

[069] Как показано на фиг. 8, согласно другому варианту осуществления, акустический поглотитель 23 снижает последствия рассогласования температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) между плиткой 22 преобразователя и ПП 23. Согласно этому варианту осуществления, рассогласование ТКЛР между ASIC и ПП компенсируется выбором акустического поглотителя с промежуточным значением ТКЛР, так что акустический поглотитель выполняет не только снижение акустической энергии, передаваемой из ASIC на ПП, но также снижает тепловые механические напряжения на интерфейсе. Поглотитель также может быть выполнен для получения определенного ТКЛР для настройки напряжений на конкретный уровень с целью достижения кривизны преобразователя с конкретным целевым значением.

[070] Как показано на фиг. 7 и 8, согласно другому варианту осуществления, акустический материал 24 с высоким акустическим импедансом помещен между ASIC 2 и ПП 23 для образования акустического отражателя (фиг. 7, поз. 20). Согласно этому варианту осуществления, проходящая через ASIC акустическая энергия в значительной степени отражается назад в направлении пациента благодаря согласованию импеданса на границе между отражателем и ASIC. Кандидаты в материалы с высоким импедансом включают в себя, помимо прочего, вольфрам и карбид вольфрама. Акустический отражатель 20 может использоваться один вместо акустического поглотителя (фиг. 8, поз. 24) или может использоваться совместно с акустическим поглотителем.

Ручной ультразвуковой прибор для визуализации

[071] Согласно некоторым вариантам осуществления, описанные в настоящем документе ручные ультразвуковые приборы для визуализации позволяют сканировать тело пациента с помощью модуля преобразователя и реконструировать изображение, полученное из сигналов с преобразователя в зонде, и отправлять это изображение для просмотра и постобработки на мобильное устройство, в частности, на смартфон. Для создания высококачественного 2D/3D/4D/доплеровского изображения модуль преобразователя должен содержать большое число пикселей преобразователя (например, 4096) и много каналов передачи и приема (например, 128). В таких ситуациях большое число каналов повышает потребляемую мощность, что, в свою очередь, увеличивает температуру зонда. Более того, обработка 2D/3D/4D/доплеровского изображений дополнительно увеличивает требования к потребляемой мощности. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) США ограничивает температуру поверхности, касающейся тела пациента, величиной 42°С, а поверхности ручки оператора - величиной 48°С. Устаревшие ручные 2D приборы для визуализации потребляют мощность меньше 2 Вт. Устаревшие ультразвуковые 3D/4D/доплеровские приборы для визуализации потребляют мощность порядка 1000 Вт. Для соблюдения требований FDA к температуре в описанном в настоящем документе 2D/3D/4D/доплеровском ручном ультразвуковом приборе для визуализации, согласно некоторым вариантам осуществления, используется передовая электроника для снижения потребляемой мощности до величины меньше 10 Вт, и используется, согласно некоторым вариантам осуществления, улучшенный тепловой менеджмент и конструктивная компоновка для удержания температуры устройства в указанных пределах температуры. Согласно некоторым вариантам осуществления, описанные в настоящем документе ручные ультразвуковые приборы для визуализации имеют среднюю максимальную потребляемую мощность от примерно 6 Вт до примерно 7 Вт. Согласно некоторым вариантам осуществления, описанные в настоящем документе ручные ультразвуковые приборы для визуализации имеют пиковую потребляемую мощность примерно 10 Вт.

[072] Как показано на фиг. 9, согласно конкретному варианту осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации содержит изготовленный из многих материалов корпус 28, имеющий крышку 25 корпуса с некоторой формой, удерживаемый вместе с помощью единственного крепежного элемента, доступ к которому имеется через расположенный сзади порт USB-C. Согласно этому варианту осуществления, внутренняя конструкция 27 радиатора действует как первичная конструкция для зонда для обеспечения внутренней жесткой конструкции, которая позволяет сделать корпус более тонким. Согласно этому варианту осуществления, многослойные стопки подсистем приемника и передатчика объединены в многослойную стопку 26, которая является опорной конструкцией для улучшения стойкости к падению. Конструкция корпуса 28, согласно некоторым вариантам осуществления, селективно теплоизолирует внутренние источники тепла от поверхности корпуса в местах захвата пользователем с помощью теплоизоляции внутри корпуса между местами захвата и наружным корпусом. Форма корпуса 28, согласно некоторым вариантам осуществления, снижает повторные травмы посредством использования минимального размера шейки корпуса и расположения мест захвата для ограничения отклонения кисти руки от нейтрального положения во время приложения пользователем силы к пациенту.

[073] Как показано на фиг. 10-12, согласно конкретному варианту осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации содержит конструкцию 30 уплотнения рамки, которая с помощью конструкции пружины или фиксирующих пружин 1110 создает однородную силу, так что сила 1210 пружины действует на конструкцию уплотнения рамки 30, которая в ответ действует с перпендикулярной силой на узел радиатора / модуля датчика.

[074] Как показано на фиг. 13 и 14, согласно конкретному варианту осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации содержит конструкцию из упругой прокладки 31, 32 между узлом 1310 модуля датчика и корпусом главного зонда 1410 для поглощения силы во время испытаний на падение, что повышает надежность.

[075] Согласно некоторым вариантам осуществления, корпус содержит экранирующую конструкцию из металлизированной тонкой пленки на внутренней поверхности корпуса, которая обеспечивает экранирование внутренней электроники от электромагнитных помех (ЭМП). Согласно некоторым вариантам осуществления, корпус содержит гидрофобную поверхность. Согласно некоторым вариантам осуществления, корпус обеспечивает доступ для замены элемента питания через неразрушающееся прорезанное в корпусе окошко, которое можно снова герметизировать ультразвуковой сваркой после замены элемента питания.

Тепловой менеджмент

[076] Ручные ультразвуковые приборы для визуализации должны работать в пределах максимальной безопасной температуры, установленной FDA США равной 42°С для касающейся пациента поверхности и 48°С для используемой оператором ручки. Говоря простыми словами, высокое качество изображения требует повышенного потребления мощности электроникой, что в свою очередь повышает температуру зонда. В описанных в настоящем документе ручных ультразвуковых приборах для визуализации, согласно различным вариантам осуществления, применены многочисленные новые технологии снижения температуры для достижения лучшего качества изображения в переносном ручном типоразмере корпуса.

[077] Как показано на фиг. 15, согласно конкретному варианту осуществления, в ручном ультразвуковом приборе для визуализации используется направленный поток тепла между дискретными тепловыми зонами 33.

[078] Как показано на фиг. 16 и 17, согласно конкретному варианту осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации содержит две отдельные тепловые зоны с отдельными радиаторами. Согласно этому варианту осуществления, тепловая зона 1 34 включает в себя узел схемы головки преобразователя. И, согласно этому варианту осуществления, тепловая зона 2 35 включает в себя электронику системы. Радиатор 1 36 прикреплен к компонентам только в тепловой зоне 1 34. Радиатор 2 37 прикреплен к компонентам только в тепловой зоне 2 35. Тепловые зоны 1 и 2 теплоизолированы посредством прерывания любой перемычки с высокой теплопроводностью из тепловой зоны 1 34 в тепловую зону 2 35. Механическая опора изготовлена из материалов с низкой теплопроводностью в корпусе 1 38, в то время как тепло отводится из тепловой зоны 1 к корпусу 2 39 с помощью материалов 40 с высокой анизотропной теплопроводностью. Передача тепла в одном направлении улучшена, в то время как передача тепла в другом направлении снижена. Это позволяет эффективным образом отводить тепло из тепловой зоны 1 34 с использованием общедоступных материалов, в то время как передача тепла из тепловой зоны 2 35 и в нее ограничена. Тепло может распространяться через анизотропные материалы в конкретном направлении, что позволяет организовать дискретные тепловые зоны.

[079] Как показано на фиг. 18, согласно конкретному варианту осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации содержит анизотропный теплопроводящий материал 40, закрепленный между чипом 41 и системной платой 42 (которые соединены вместе с помощью клея 1810) для отвода тепла от полупроводникового чипа и снижения тепловой связи между радиатором 1 36 и радиатором 2 37. Согласно некоторым вариантам осуществления, анизотропный теплопроводящий материал 40 содержит пирографитовый лист (ПГЛ), тепловые трубы или их комбинации.

[080] Согласно некоторым вариантам осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации содержит материалы с изменяемым фазовым состоянием для управления передачей тепла в переходном процессе. Согласно другим вариантам осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации содержит радиатор со встроенным материалом с изменяемым фазовым состоянием, который расширяет тепловые характеристики преобразователя в переходном режиме посредством использования явления скрытой теплоты. Радиатор обеспечивает более долгую постоянную времени, чем сплошной медный или алюминиевый радиатор благодаря резервуару с застывшим материалом с температурой плавления ~40°С. Объем материала с изменяемым фазовым состоянием внутри радиатора определяет переходное поведение интерфейса вблизи основания радиатора. Согласно другим вариантам осуществления, подходящие материалы с изменяемым фазовым состоянием включают в себя парафин (воск), который можно выполнить с возможностью иметь различные температуры плавления, и металлическую матрицу, в частности, висмут, индий и другие материалы с низкими температурами плавления.

[081] Согласно некоторым вариантам осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации содержит комбинацию акустического поглотителя и решения для теплового менеджмента. Согласно другим вариантам осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации содержит устройство передачи тепла, использующее явление скрытой теплоты, в частности, паровую камеру или плоскую тепловую трубу. Необязательно аппарат содержит наружный медный корпус с элементами «фитилей» на стенках для способствования испарению/конденсации при конкретной температуре. Аппарат имеет герметичный внутренний объем для удержания небольшого количества жидкости при некотором барометрическом давлении, необходимом для получения кипения при нужных температурах. Существенной особенностью конструкции является внутренний воздушный зазор, который можно использовать для отражения или ослабления приходящих акустических волн. Включение воздушного промежутка в некоторых случаях является ключевым для получения нужных акустических свойств конструкции. Согласно таким вариантам осуществления, выгодами использования паровой камеры являются улучшение теплопередачи с одновременным обеспечением поглощения или отражения акустических волн. Передача тепла при использовании паровой камеры намного выше, чем у сплошного медного блока. Такая необязательная функция позволяет использовать конструкцию с высокой теплопроводностью и при этом иметь воздушный зазор непосредственно под описанным устройством.

[082] Согласно некоторым вариантам осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации содержит корпус зонда из двух частей со встроенным радиатором. Согласно другим вариантам осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации содержит корпус ручного зонда из разных материалов, используемых для улучшения разделения потоков тепла от двух или более дискретных источников тепла. В такой вариант осуществления включен материал с низкой теплопроводностью, соединенный с материалом с высокой теплопроводностью таким образом, что тепло можно передавать на часть с высокой теплопроводностью и при этом теплоизолировать отдельный источник тепла. В результате можно разделить потоки передачи тепла двух или большего числа источников в той же самой оболочке. Материал с высокой теплопроводностью может добавить механические особенности, например ребра или шипы для достижения увеличенного конвекционного теплоотвода. Такой вариант осуществления необязательно используется совместно с описанными в настоящем документе другими вариантами теплового менеджмента для получения отдельного и направленного теплового потока.

[083] Согласно некоторым вариантам осуществления, температура во время выполнения ультразвуковых процедур активно отслеживается, и для регулировки доступной мощности применяются пределы переходного нагрева с целью ограничения перегрева.

[084] Согласно некоторым вариантам осуществления, радиатор содержит ребристую секцию под подложкой преобразователя и удлинительную пластину, отводящую тепло от подложки преобразователя. Согласно некоторым вариантам осуществления, радиатор, находящийся в контакте с модулем ультразвукового преобразователя, содержит ребра пирамидальной формы для отвода тепла от подложки преобразователя.

Элемент питания

[085] Обеспечение работы от элемента питания является сложной задачей в ручном ультразвуковом приборе для визуализации. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации должен быть достаточно небольшим и легким, чтобы уменьшить и предотвратить травмирование оператора, но должен выдавать достаточную мощность для создания полезных для медицинских целей изображений и даже терапевтических эффектов. Согласно некоторым вариантам осуществления, описанные в настоящем документе ручные ультразвуковые приборы для визуализации содержат первичный элемент питания и запасной элемент питания, что обеспечивает резервируемость элемента питания.

[086] Согласно некоторым вариантам осуществления, один или более элементов питания содержат внешнюю плоскую упаковку / согласованный стиль, позволяющий подключиться с помощью порта USB-C. Согласно таким вариантам осуществления, элемент питания становится новой наружной оболочкой и увеличивает габаритные размеры. Согласно другим вариантам осуществления, элемент питания обеспечивает поглощение механического удара с помощью элементов, отлитых в пластиковом корпусе.

[087] Согласно некоторым вариантам осуществления, один или более элементов питания содержат возможность быстрой зарядки с помощью встроенных штырей для розетки на 120/240 В. Согласно другим вариантам осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации использует внутреннюю схему для осуществления зарядки. Согласно различным вариантам осуществления, порт USB-C содержит вилку или розетку USB-C, обеспечивающую подключение к источнику питания для зарядки.

[088] Согласно некоторым вариантам осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации содержит внутренний отсек для элемента питания, который отделен от остальной внутренней части и герметизирован, для обслуживания элемента питания имеется выполненный на заводе доступный внешний проем.

Ручка оператора

[089] В традиционной медицинской ультразвуковой визуализации используется множество зондов для контакта с телом пациента. Форма зонда часто оптимизируется для визуализируемых частей тела и в современных системах используются несколько зондов. Несмотря на оптимизацию зондов для визуализации конкретных органов тела, почти 85% сонографистов, выполняющих ультразвуковую визуализацию, испытывают связанную с работой боль, 90% из них испытывают связанную с работой боль на протяжении более половины их карьеры. Один из каждых пяти сонографистов получил связанную с работой травму, закончившую его карьеру, а среднее время работы в этой профессии до того, как сонографист начнет испытывать боль, составляет пять лет, согласно основному исследованию, приведенному Обществом специалистов по ультразвуковой диагностике (SDMS) в 2000 г. на основе ответов от 10000 участников из США и Канады.

[090] В 2017 г. появился новый тип зонда, универсальное средство ультразвуковой визуализации, позволяющее визуализировать 13 органов тела. Новые зонды позволяют исследовать еще большее число органов с единственным зондом. Однако это увеличивает проблемы для сонографистов, так как форма одного зонда не может быть оптимизирована для широкого набора задач, что увеличивает напряжение в кистях рук сонографистов. Описанные в настоящем документе ручные ультразвуковые приборы для визуализации согласно некоторым вариантом осуществления снижают проблемы со здоровьем оператора, возникающие из-за использования универсальных приборов для визуализации.

[091] Как показано на фиг. 19, согласно конкретному варианту осуществления, ручной ультразвуковой прибор для визуализации содержит модуль 43 ультразвукового преобразователя и приспосабливаемую к индивидуальным потребностям оператора ручку 45, прикрепляемую к корпусу 44 прибора для визуализации, эта часть традиционно взаимодействует с кистью руки сонографиста/оператора. Изменение корпуса 44 прибора для визуализации, чтобы обеспечить возможность вставления приспосабливаемой к индивидуальным потребностям оператора ручки (например, посредством скольжения и защелкивания ручки 45 оператора на корпусе 44 прибора для визуализации) создает возможность использования множества ручек оператора, каждая из которых оптимизирована для конкретной задачи и конкретного оператора. Согласно таким вариантам осуществления, возможна дальнейшая оптимизация ручки 45 оператора к кисти руки оператора, для этого 3D изображение кисти руки оператора пересылается в цех 3D печати, оснащенный надлежащим оптимизирующим программным обеспечением. Более того, согласно таким вариантам осуществления, возможна персонализация ручки 45 оператора.

[092] Согласно таким вариантам осуществления, дополнительной выгодой отдельной ручки оператора является увеличение разрешенной рассеиваемой мощности в приборе для визуализации, это важно для повышения частоты кадров и 3D визуализации. Ручка оператора необязательно изготавливается из теплоизолирующих и теплоотражающих материалов, что позволяет работать с температурой электроники внутри оболочки, большей температуры поверхности, которую касается кисть руки оператора.

[093] Хотя в этом документе показаны и описаны предпочтительные осуществления настоящего изобретения, специалистам в этой области техники очевидно, что такие осуществления приведены только в качестве примеров. Специалисты в этой области техники теперь могут вносить различные варианты, изменения и замены без отклонения от сущности изобретения. Следует понимать, что при практическом осуществлении изобретения могут применяться различные альтернативы к описанным в этом документе вариантам осуществления изобретения.

Группа изобретений относится к медицинской технике. Ультразвуковой преобразователь для ручного прибора для ультразвуковой визуализации для терапевтических и диагностических целей содержит элемент преобразователя, в состав которого входит решетка пьезоэлектрических микрообработанных ультразвуковых преобразователей (pMUT), при этом элемент преобразователя интегрирован на интегральную схему специального назначения (ASIC), образуя плитку преобразователя, и под элементом преобразователя образована полость для обеспечения акустической изоляции элемента преобразователя от ASIC. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации содержит: a) корпус; b) модуль ультразвукового преобразователя, расположенный внутри корпуса и находящийся в контакте с первым радиатором и ассоциированный с первой тепловой зоной; c) множество подсистем приемника и подсистем передатчика, расположенных внутри корпуса и интегрированных в многослойную стопку, причем многослойная стопка находится в контакте со вторым радиатором и ассоциирована со второй тепловой зоной, при этом второй радиатор соединен с корпусом, многослойной стопкой и первым радиатором так, чтобы служить в качестве основной структуры, обеспечивающей внутреннюю жесткую структуру для ручного ультразвукового прибора для визуализации; d) анизотропный теплопроводящий материал, выполненный с возможностью передавать тепло из первой тепловой зоны во вторую тепловую зону, при этом анизотропный теплопроводящий материал снижает тепловую связь между первым радиатором и вторым радиатором; и e) логику для активного отслеживания ультразвуковой процедуры с целью управления нагревом модуля ультразвукового преобразователя в пределах переходного нагрева посредством регулировки доступной пользователю мощности для ограничения перегрева. Изобретения позволяют получить высококачественные ультразвуковые изображения в приборе переносного ручного типоразмера. 2 н. и 38 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Ультразвуковой преобразователь для ручного прибора для ультразвуковой визуализации для терапевтических и диагностических целей, причем ультразвуковой преобразователь содержит элемент преобразователя, в состав которого входит решетка пьезоэлектрических микрообработанных ультразвуковых преобразователей (pMUT), при этом элемент преобразователя интегрирован на интегральную схему специального назначения (ASIC), образуя плитку преобразователя, и при этом под элементом преобразователя образована полость для обеспечения акустической изоляции элемента преобразователя от ASIC.

2. Ультразвуковой преобразователь по п. 1, в котором решетка содержит множество пикселей преобразователя.

3. Ультразвуковой преобразователь по п. 1, в котором решетка содержит 4096 или больше пикселей преобразователя.

4. Ультразвуковой преобразователь по п. 1, в котором внутри полости находится газ, пар, жидкость или вакуум.

5. Ультразвуковой преобразователь по п. 1, в котором интегрирование элемента преобразователя и ASIC реализовано с помощью перевернутого чипа/непосредственного соединения чипа преобразователя с пластиной ASIC (C2W), чипа преобразователя с чипом ASIC (C2C) или пластины преобразователя с пластиной ASIC (W2W).

6. Ультразвуковой преобразователь по п. 1, в котором ASIC интегрирован в модуль, содержащий соединители, позволяющие выполнить подключение к внешней электронике обработки сигнала с помощью проводных подсоединений к площадкам на ASIC, или с помощью сквозных отверстий в кремнии (TSV) непосредственно к печатной плате (ПП) с высокой плотностью монтажа.

7. Ультразвуковой преобразователь по п. 1, в котором плитка преобразователя смонтирована на подложке преобразователя.

8. Ультразвуковой преобразователь по п. 7, в котором плитка преобразователя смонтирована на подложке преобразователя через акустический поглотитель.

9. Ультразвуковой преобразователь по п. 7, в котором плитка преобразователя смонтирована на подложке преобразователя через вспененный пористый металлический материал.

10. Ультразвуковой преобразователь по п. 9, в котором вспененный пористый металлический материал заполнен твердым веществом.

11. Ультразвуковой преобразователь по п. 10, в котором твердое вещество содержит смесь порошков с высоким акустическим импедансом и низким акустическим импедансом для обеспечения акустического рассеяния.

12. Ультразвуковой преобразователь по п. 7, в котором подложка преобразователя смонтирована на радиаторе.

13. Ультразвуковой преобразователь по п. 12, в котором радиатор содержит многослойную структуру радиатора с чередующимися электрически проводящими и изолирующими слоями, которые как отводят тепло от плитки преобразователя, так и обеспечивают множество независимых подключений электрического питания.

14. Ультразвуковой преобразователь по п. 12, в котором радиатор обеспечивает упругое крепление для улучшения надежности при воздействии ударов и вибрации.

15. Ультразвуковой преобразователь по п. 7, в котором подложка преобразователя прикреплена к одной или более гибким схемам с высокой плотностью с шагом монтажа менее 50 микрон, позволяющим выполнить подключение к внешней электронике обработки сигнала.

16. Ультразвуковой преобразователь по п. 1, который дополнительно содержит сформованную сверху многослойную линзу, причем многослойная линза содержит множество слоев, содержащих по меньшей мере первый слой и второй слой, причем акустический импеданс первого слоя выше, чем у элемента преобразователя, и ниже, чем у второго слоя, а акустический импеданс второго слоя выше, чем у первого слоя, и ниже, чем у визуализируемой мишени; причем сформованная сверху многослойная линза необязательно выполнена с возможностью фокусировки визуализирующих пучков.

17. Ультразвуковой преобразователь по п. 16, в котором множество слоев имеет толщины, кратные 1/4 целевой длины волны или набора длин волн.

18. Ультразвуковой преобразователь по п. 16, в котором первый слой содержит материал на основе силикона.

19. Ультразвуковой преобразователь по п. 18, в котором второй слой содержит материал на основе силикона и материал более высокой плотности, добавленный для повышения акустического импеданса второго слоя.

20. Ультразвуковой преобразователь по п. 19, в котором материал с более высокой плотностью содержит аморфный оксид алюминия, легированный редкоземельными элементами.

21. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации для терапевтических и диагностических целей, причем ручной ультразвуковой прибор для визуализации содержит:

a) корпус;

b) модуль ультразвукового преобразователя, расположенный внутри корпуса и содержащий решетку емкостных микрообработанных ультразвуковых преобразователей (cMUT) или пьезоэлектрических микрообработанных ультразвуковых преобразователей (pMUT), причем модуль ультразвукового преобразователя находится в контакте с первым радиатором и ассоциирован с первой тепловой зоной;

c) множество подсистем приемника и подсистем передатчика, расположенных внутри корпуса и интегрированных в многослойную стопку, причем многослойная стопка находится в контакте со вторым радиатором и ассоциирована со второй тепловой зоной, при этом второй радиатор соединен с корпусом, многослойной стопкой и первым радиатором так, чтобы служить в качестве основной структуры, обеспечивающей внутреннюю жесткую структуру для ручного ультразвукового прибора для визуализации;

d) анизотропный теплопроводящий материал, выполненный с возможностью передавать тепло из первой тепловой зоны во вторую тепловую зону, при этом анизотропный теплопроводящий материал снижает тепловую связь между первым радиатором и вторым радиатором; и

e) логику для активного отслеживания ультразвуковой процедуры с целью управления нагревом модуля ультразвукового преобразователя в пределах переходного нагрева посредством регулировки доступной пользователю мощности для ограничения перегрева.

22. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 21, в котором анизотропный теплопроводящий материал содержит одну или несколько тепловых труб.

23. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 21, в котором анизотропный теплопроводящий материал содержит один или более пирографитовых листов (ПГЛ).

24. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 21, выполненный с возможностью создавать одно или более из 2D, 3D, 4D, доплеровских изображений с потреблением мощности ниже 11 Вт в пике и ниже 7 Вт в среднем.

25. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 21, дополнительно содержащий анизотропный теплопроводящий материал, снижающий тепловую связь между первым радиатором и вторым радиатором.

26. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 21, в котором первый радиатор содержит материал с изменяемым фазовым состоянием.

27. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 26, в котором материал с изменяемым фазовым состоянием содержит парафин, металлическую матрицу или их комбинацию.

28. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 21, в котором корпус содержит первый материал, имеющий высокую теплопроводность, и второй материал, имеющий низкую теплопроводность, причем корпус способствует передаче тепла из первой тепловой зоны во вторую тепловую зону.

29. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 21, который дополнительно содержит рамку, выполненную с возможностью закрепить расположенный внутри корпуса модуль ультразвукового преобразователя.

30. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 29, который дополнительно содержит конструкцию уплотнения рамки, содержащую пружинную конструкцию для создания равномерной силы.

31. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 21, который дополнительно содержит гибкую прокладку между модулем ультразвукового преобразователя и корпусом для поглощения силы и улучшения стойкости к падению.

32. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 21, в котором многослойная стопка действует в качестве опорной конструкции для улучшения стойкости к падению.

33. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 21, в котором корпус обеспечивает доступ для замены элемента питания через неразрушающееся прорезанное в корпусе окошко, которое можно снова герметизировать ультразвуковой сваркой после замены элемента питания.

34. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 21, в котором внутренняя поверхность корпуса содержит теплоизолирующий материал, который выборочно изолирует внутренние источники тепла от внешней поверхности корпуса в местах его захвата пользователем.

35. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 21, в котором внутренняя поверхность корпуса содержит экран из металлизированной тонкой пленки, обеспечивающий экранирование расположенной внутри корпуса электроники от электромагнитных помех (ЭМП).

36. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 21, в котором внешняя поверхность корпуса содержит гидрофобный материал.

37. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 21, который дополнительно содержит съемную ручку оператора.

38. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 37, в котором ручка оператора приспособлена под руку конкретного оператора.

39. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 21, в котором второй радиатор содержит материал с изменяемым фазовым состоянием.

40. Ручной ультразвуковой прибор для визуализации по п. 39, в котором материал с изменяемым фазовым состоянием содержит парафин, металлическую матрицу или их комбинацию.