СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЛИНЗЫ ДЛЯ СИСТЕМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ Российский патент 2023 года по МПК G10K11/34 

Ссылка на родственную заявку

[0001] Данная заявка испрашивает приоритет на основании заявки на патент США №62/792,821, поданной 15 января 2019 года, содержание которой полностью включено в настоящий документ посредством ссылки.

Предшествующий уровень техники настоящего изобретения

[0002] Для ультразвуковой визуализации используются преобразователи, которые передают ультразвуковой луч в направлении мишени, подлежащей визуализации, после чего отраженная волна принимается преобразователем и преобразуется в электрический сигнал, подвергаемый дополнительной обработки для получения ультразвукового изображения. Традиционно для получения двухмерных (2D) изображений ультразвуковой преобразователь содержит одномерную (1D) приемопередающую решетку, испускающую ультразвуковой луч. Механическая линза, расположенная в верхней части решетки, фокусирует ультразвуковую волну в угломестной плоскости. После формирования конструкционных свойств и, таким образом, соответствующих функциональных свойств решетки и механической линзы эти свойства больше не могут быть изменены.

Сущность настоящего изобретения

[0003] В сфере медицины для диагностической визуализации уже два десятка лет используются пьезоэлектрические датчики. Обычно их конструкция предусматривает использование объемных пьезоэлектрических пленок. Эти пленки образуют пьезоэлектрические элементы, которые выстроены столбцами в азимутальном направлении. Каждый столбец может возбуждаться схемами возбуждения передачи. Используя разные временные задержки в столбцах, следующих друг за другом, можно фокусировать передаваемые лучи в азимутальном направлении.

[0004] Расположение матричной решетки пьезоэлектрических элементов по высоте дает возможность сфокусировать луч решетки электронными средствами в узкий луч в угломестной плоскости. Один ряд пьезоэлектрических элементов приемопередающей решетки не обеспечивает электронную фокусировку в угломестном направлении или по толщине двухмерного (2D) ультразвукового изображения. Стандартное ультразвуковое 2D изображение формируется в азимутальной плоскости с определенной толщиной в угломестном направлении (т.е. стандартная технология по ограничению луча тонким срезом изображения заключается в механической фокусировке луча в этом поперечном или угломестном направлении, или путем оконтуривания пьезоэлектрических элементов в этом направлении, или за счет линзового эффекта каждого элемента). В последнее время было установлено, что фокусировка в угломестном направлении может быть обеспечена за счет пьезоэлектрических свойств элементов в этом направлении. В этой методике, известной как поляризация с затенением, к каждому элементу равномерно прикладываются сильные упорядоченные электрические поля для сужения поляризации пьезоэлектрических элементов таким образом, чтобы они были максимально поляризованы по центру и поляризованы в меньшей степени ближе к каждому концу элемента в угломестном направлении. Эта методика позволяет сформировать акустическую проницаемость каждого пьезоэлектрического элемента таким образом, чтобы она была больше вдоль продольной осевой линии решетки, и чтобы она уменьшалась ближе к каждому концу в угломестном направлении. Существенный недостаток этой методики заключается в сложности точной регулировки величины и градиента поляризационного затенения. Для обеспечения фокусировки по углу места могут быть использованы другие известные методики с меньшим напряжением возбуждения, но и они имеют определенные недостатки. Например, в патенте США №2005/0075572 А1 для содействия фокусировке по углу места используется механическая линза.

[0005] В других способах может быть использован преобразователь, составленный из множества рядов. Например, 1,5-мерные (1.5D) и 1,75-мерные (1.75D) преобразователи могут обеспечить определенную регулировку фокуса по углу места с использованием множества операций по передаче и приему и путем формирования приемного луча с помощью, например, двухступенчатых формирователей луча. Однако эти способы обеспечивают лишь ограниченную степень фокусировки по углу места и уменьшенную частоту смены кадров изображения из-за необходимости выполнения множества операций по передаче и приему. Кроме того, могут потребоваться дополнительные вычисления, увеличивающие энергопотребление и расходы, что нежелательно для бюджетных портативных устройств, которые обычно записываются от аккумуляторных батарей.

[0006] Согласно одному из аспектов, описанных в настоящем документе, предложены системы ультразвуковой визуализации, содержащие: а) ультразвуковой преобразователь, содержащий множество пьезоэлектрических микромашинных ультразвуковых преобразовательных элементов (pMUT), причем каждый из множества преобразовательных элементов pMUT снабжен двумя или более выводами; и b) одну или более схем, соединенных с множеством преобразовательных элементов pMUT, причем одна или более схем сконфигурированы электронными средствами таким образом, чтобы обеспечивать возможность: i) передачи ультразвукового импульса с ультразвукового преобразователя; ii) приема отраженного ультразвукового сигнала ультразвуковым преобразователем; и iii) электронного управления с возможностью фокусировки ультразвукового импульса или отраженного ультразвукового сигнала в угломестном направлении. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения множество преобразовательных элементов содержит матричную решетку преобразовательных элементов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения эта решетка является двумерной. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения эта решетка характеризуется формой, выбранной из таких форм, как: прямоугольная, квадратная, круглая, овальная, параболическая, спиральная или произвольная форма. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения множество преобразовательных элементов выстроено в один или более рядов и в один или более столбцов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый преобразовательный элемент в столбце возбуждается многоуровневым импульсом, который генерируется одной или более схемами. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый преобразовательный элемент в столбце возбуждается последовательностью многоуровневых импульсов, генерируемых одной или более схемами. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения величина, ширина и форма импульса, частота следования импульсов или комбинации указанных параметров многоуровневого импульса являются электрически программируемыми. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрена электрически программируемая задержка подачи импульса. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения один или более импульсов в последовательности импульсов являются электрически программируемыми. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения многоуровневый импульс имеет форму синусоиды, цифрового квадрата или произвольную форму. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения первый вывод одного или более элементов из множества преобразовательных элементов pMUT соединен с одной или более схемами, а второй вывод и необязательный дополнительный вывод соединены с напряжением смещения. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения один или более элементов из множества преобразовательных элементов pMUT поляризованы в двух направлениях на своих разных участках, причем интенсивность поляризации варьируется в зависимости от местоположения одного или более элементов из множества преобразовательных элементов pMUT в ряду, и при этом каждый элемент из числа множества преобразовательных элементов pMUT снабжен, по меньшей мере, тремя выводами. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения один или более элементов из множества преобразовательных элементов pMUT поляризованы только в одном направлении, причем каждый элемент из числа множества преобразовательных элементов pMUT снабжен только двумя выводами. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения поляризация будет более сильной для центральных рядов и более слабой для внешних рядов, вследствие чего обеспечивается аподизация в угломестном направлении. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения одна или более схем включают в себя одну или более следующих схем: схему возбуждения передачи, схему усилителя приема и схему управления. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения схема возбуждения передачи выполнена с возможностью возбуждения одного или более преобразовательных элементов pMUT в столбце, и она приводится в действие сигналами канала передачи, причем сигналы канала передачи задерживаются электронными средствами относительно задержки, применяемой в отношении других каналов передачи, возбуждающих другие преобразовательные элементы pMUT в разных столбцах. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения один или более элементов из множества преобразовательных элементов pMUT в столбце срабатывают по существу с одинаковой задержкой или с разными задержками. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения управление осуществляется в режиме реального времени. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый элемент из множества преобразовательных элементов содержит первый концевой вывод и второй концевой вывод, причем первый концевой вывод соединен электронными средствами с одной или более схемами, а второй концевой вывод соединен с соответствующими концевыми выводами других элементов из числа множества преобразовательных элементов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения система ультразвуковой визуализации дополнительно включает в себя наружную линзу, установленную поверх множества преобразовательных элементов, причем наружная линза выполнена с возможностью обеспечения дополнительной фокусировки в угломестном направлении. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения схема управления выполнена с возможностью регулирования электрическими средствами относительных задержек между возбуждающими импульсами для преобразовательных элементов одного и того же столбца. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения канал передачи и дополнительные каналы передачи выполнены с возможностью регулирования относительных задержек между соседними столбцами электрическими средствами, причем схема управления выполнена с возможностью задания относительных задержек для первой группы преобразовательных элементов в столбце таким образом, чтобы первая группа преобразовательных элементов в одном и том же ряду демонстрировала относительную задержку, по существу аналогичную задержке второй группы преобразовательных элементов в начальном ряду. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения канал передачи и дополнительные каналы передачи выполнены с возможностью регулирования относительных задержек между соседними столбцами электронными средствами, причем схема управления выполнена с возможностью задания относительных задержек для преобразовательных элементов в столбце таким образом, чтобы первая группа преобразовательных элементов в одном и том же ряду характеризовалась независимыми задержками относительно второй группы преобразовательных элементов в том же ряду для других столбцов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения схема управления выполнена с возможностью регулирования электрическими средствами относительных задержек столбца таким образом, чтобы они были симметричны относительно преобразовательных элементов в центральном ряду столбца. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения схема управления выполнена с возможностью регулирования электрическими средствами относительных задержек таким образом, чтобы они линейно увеличивались в столбце, обеспечивая тем самым направление ультразвукового луча в угломестном направлении. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения схема управления выполнена с возможностью управления относительными задержками электрическими средствами, что позволяет регулировать толщину срезов в угломестном направлении. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения множество преобразовательных элементов содержит верхнюю секцию, центральную секцию и нижнюю секцию, каждая из которых содержит ряд (некоторое количество) рядов и ряд (некоторое количество) столбцов для импульсной передачи и приема отраженного ультразвукового сигнала, причем импульсная передача и прием отраженного ультразвукового сигнала с этих секций используются для фокусировки отраженного ультразвукового сигнала в азимутальном направлении с использованием первого формирователя луча, и причем фокусировка по углу места обеспечивается с использованием второго формирователя луча. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения строки развертки по указанным секциям синхронизируются для минимизации погрешностей в изображении, обусловленных движением визуализируемой мишени, путем завершения сканирования всего столбца перед переходом к сканированию последующих столбцов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения фокусное расстояние в угломестном направлении программируется электронными средствами. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения импульсная передача и прием отраженного сигнала верхней секции и нижней секции осуществляются одновременно. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения погрешности в формируемом изображении, обусловленные движением визуализируемой мишени, минимизируются путем формирования пучка параллельных лучей для построения строк развертки. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения фокусировка по углу места и аподизация по углу места выполняются электронными средствами для минимизации погрешностей, обусловленных указанным движением. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения для реализации аподизации электронными средствами используется многоуровневый импульс, причем для наружных рядов используется возбуждение с меньшей амплитудой, а для центральных рядов - возбуждение с большей амплитудой. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения верхняя секция, центральная секция или нижняя секция содержит более одной подсекции, каждая из которых содержит ряд (некоторое количество) рядов и столбцов для импульсной передачи и приема отраженного сигнала. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения множество преобразовательных элементов содержит пять секций, причем за двумя наружными секциями, передающими и принимающими азимутально сфокусированные лучи, следуют две внутренние секции, передающие и принимающие азимутально сфокусированные лучи, и центральная секция, передающая и принимающая азимутально сфокусированные лучи, формируя строки развертки с использованием формирователя луча первого уровня и обеспечивая фокусировку по углу места с использованием формирователя луча второго уровня. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения аподизация реализуется в угломестном направлении электронными средствами. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения ультразвуковой преобразователь характеризуется полосой пропускания, которая фактически не ограничена потерями сигнала вследствие потерь в механической линзе. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения обращение осуществляется одновременно к двум элементам из множества преобразовательных элементов pMUT, причем эти два элемента примыкают друг к другу в одном и том же ряду из числа одного или более рядов, при этом множество преобразовательных элементов содержит верхнюю секцию, центральную секцию и нижнюю секцию, каждая из которых содержит первое число рядов и второе число столбцов для передачи и приема ультразвуковых импульсов отраженного ультразвукового сигнала, причем передача и прием ультразвукового импульса отраженного ультразвукового сигнала этих секций используются для фокусировки отраженного ультразвукового сигнала в азимутальном направлении с использованием первого формирователя луча, при этом фокусировка по углу места обеспечивается за счет использования второго формирователя луча, причем для формирования изображения в режиме В назначается канал приема для двух преобразовательных элементов, эффективно объединенных в одном и том же ряду, где два элемента теперь действуют как единый эффективный элемент, а несколько рядов сверху и снизу, содержащие эти объединенные элементы, соединены друг с другом, а двум преобразовательным элементам центральной секции, состоящей из двух рядов, назначается другой канал. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения для обращения к N столбцам используются каналы приема числом 2N. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения все элементы из множества преобразовательных элементов приводятся в действие для создания давления с фокусировкой по углу места при выполнении операции передачи, а при выполнении операции приема все элементы из множества преобразовательных элементов используются для реконструкции изображения с фокусировкой в азимутальном направлении и в угломестной плоскости. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения используется аподизация на излучение в угломестной плоскости. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения фокус по углу места является динамическим и направляется в угломестной плоскости. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения механические линзы не используются. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения один или более преобразовательных элементов pMUT содержат множество субэлементов, выполненных с возможностью одновременного выполнения операций передачи и приема. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения один или более преобразовательных элементов pMUT содержат множество субэлементов, причем множество субэлементов характеризуются разным откликом резонансной частоты. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из множества преобразовательных элементов pMUT снабжен, по меньшей мере, двумя выводами. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения схема управления выполнена с возможностью определения относительных задержек срабатывания преобразовательных элементов в столбце, причем схема управления содержит схему грубой задержки, выполненную с возможностью задания грубой задержки, и схему точной задержки, выполненную с возможностью задания точной задержки. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения направление луча осуществляется с использованием схемы грубой задержки, а фокусировка по углу места осуществляется с использованием схемы точной задержки. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения точная задержка для одного столбца не зависит от точных задержек для других столбцов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения схема управления выполнена с возможностью регулирования электрическими средствами относительных задержек, которые должны кусочно-линейно увеличиваться или уменьшаться в столбце, причем количество кусочно-линейных сегментов задержки представляет собой целое число не менее 2. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения схема управления реализована на ASIC (специализированная заказная интегральная схема). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения схема управления выполнена с возможностью регулирования электрическими средствами относительных задержек вдоль столбца, суммируя линейную задержку и произвольную точную задержку. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения линейная задержка и произвольные точные задержки в одном столбце не зависят от другой линейной задержки и произвольных точных задержек в другом столбце ультразвукового преобразователя, что позволяет выполнять произвольное направление и фокусировку по трем направлениям. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый элемент из множества преобразовательных элементов pMUT выдает множество мод колебаний, где активируется одна или только одна мода колебаний, когда входное воздействие ограничено полосой частот таким образом, чтобы она была меньше полосы частот остальных мод из множества мод колебаний, граничащих с указанной одной или только одной модой колебаний. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из множества преобразовательных элементов pMUT выдает множество мод колебаний, где частоты, генерируемые по первому множеству мод колебаний, перекрываются частотами по второму множеству мод колебаний. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из множества преобразовательных элементов pMUT одновременно выдает множество мод колебаний при его возбуждении широкополосным частотным входным сигналом, который включает в себя центральные частоты множества мод колебаний. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения одна или более схем сконфигурированы электронными средствами с возможностью обеспечения электронного управления аподизацией в угломестном направлении. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из множества преобразовательных элементов pMUT собирается на одной подложке в виде полупроводниковой пластины и подключается к схемам считывания, возбуждения и управления в непосредственной близости от них.

[0007] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения одна или более схем сконфигурированы электронными средствами с возможностью осуществления визуализации в В-режиме в азимутальной плоскости за одну операцию, причем в отношении выбранных элементов применяются задержки формирователя луча передачи в азимутальном направлении, и с дополнительной возможностью осуществления визуализации в В-режиме в ортогональной плоскости с использованием формирователя луча передачи для коррекции задержек в угломестном направлении в ходе последующей операции по отображению двухпроекционных изображений, формируемых по двум ортогональным осям с использованием метода полученной синтезированной апертуры. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что при построении изображения в азимутальной плоскости фокусировка по углу места обеспечивается путем придания дополнительных задержек элементам в столбце, а при построении изображения в угломестной плоскости - путем придания дополнительных задержек элементам в рядах по азимутальной оси с целью обеспечения дополнительной фокусировки в азимутальной плоскости.

[0008] Согласно другому аспекту, описанному в настоящем документе, предложены способы получения трехмерных (3D) изображений с использованием системы ультразвуковой визуализации согласно настоящему изобретению, которые предусматривают выполнение следующих стадий: а) передачи ультразвукового импульса множеством преобразовательных элементов pMUT, что предусматривает: применение первого множества задержек в азимутальном направлении для серии передач с конкретным углом направления в угломестном направлении, регулируемым вторым множеством задержек, применяемых в отношении более одного элемента из множества преобразовательных элементов pMUT в одном и том же столбце; и повторение стадии а) заданное число раз с дополнительным углом направления в угломестном направлении для каждого повторения стадии а); b) приема отраженного ультразвукового сигнала множеством преобразовательных элементов pMUT; и с) реконструкции изображения с использованием отраженного ультразвукового сигнала, полученного от множества преобразовательных элементов pMUT. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения задержки в составе первого множества задержек равны по величине, и задержки в составе второго множества задержек равны по величине. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения применение первого множества задержек дополнительно предусматривает: а) фокусировку в азимутальной плоскости путем варьирования величины одной или более задержек в составе первого множества задержек по азимуту; и b) фокусировку или направление луча в угломестном направлении путем варьирования величины одной или более задержек в составе второго множества задержек для более чем одного элемента из множества преобразовательных элементов pMUT вдоль конкретного столбца. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения серия передач характеризуется конкретным фокусом. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения изображение является трехмерным и отображает объем. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения задержки в составе первого множества задержек не все равны по величине, и задержки в составе второго множества задержек не все равны по величине. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения заданное число меньше 100. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения заданное число превышает 1000.

Включение в описание путем ссылки

[0009] Содержание всех публикаций, патентов и патентных заявок, упомянутых в данной заявке, включено в настоящий документ посредством ссылки в такой же степени, как если бы содержание каждой отдельной публикации, патента или патентной заявки было конкретно и отдельно указано как подлежащее включению посредством ссылки.

Краткое описание фигур

[0010] Более глубокое понимание признаков и преимуществ предмета настоящего изобретения может быть обеспечено после ознакомления с последующим подробным описанием, которое раскрывает варианты осуществления настоящего изобретения, носящие иллюстративный характер, и прилагаемыми чертежами.

[0011] На фиг. 1 схематически показан пример реализации ультразвуковой системы согласно настоящему описанию, включающей в себя преобразователь с решеткой элементов pMUT для передачи и приема ультразвуковых лучей, электронику для управления решеткой элементов pMUT, другие электронные средства для вычислений, управления и связи, устройство отображения и регистрирующий блок, причем решетка элементов pMUT направлена на целевой объект, изображение которого должно быть построено.

[0012] На фиг. 2 схематически показан пример реализации ультразвукового преобразователя согласно настоящему описанию.

[0013] На фиг. 3А схематически показан пример реализации пьезоэлектрического микромашинного ультразвукового преобразовательного элемента (pMUT) с двумя проводниками.

[0014] На фиг. 3В схематически показан пример реализации элемента pMUT, содержащего два субэлемента, каждый из которых снабжен двумя или более электродами.

[0015] На фиг. 3С схематически показан пример реализации элемента pMUT с двумя субэлементами, каждый из которых снабжен двумя электродами, причем первый электрод первого субэлемента соединен с одним из электродов второго элемента, а второй электрод первого элемента соединен с другим электродом второго субэлемента.

[0016] На фиг. 4 приведен пример решетки pMUT системы ультразвукового преобразователя согласно настоящему описанию.

[0017] На фиг. 5А приведен пример поперечного сечения пьезоэлектрического элемента решетки pMUT согласно настоящему описанию.

[0018] На фиг. 5В приведен пример символического представления пьезоэлектрического элемента, показанного на фиг. 5А.

[0019] На фиг. 6 показана ориентация диполей в пьезоэлектрическом элементе согласно настоящему описанию в неполяризованном состоянии во время поляризации и после поляризации.

[0020] На фиг. 7 приведен пример подключения пьезоэлектрического элемента согласно настоящему описанию к малошумному усилителю (LNA) в режиме приема с символическим представлением схемы подключения.

[0021] На фиг. 8А показан иллюстративный вариант осуществления 2D-решетки элементов pMUT с одним общим заземляющим или смещающим электродом для электрической подстройки линейных преобразователей, в которых строки могут проходить в вертикальном или горизонтальном направлении, а размер строк (например, количество элементов pMUT в строке) может программироваться электрическими средствами.

[0022] На фиг. 8В представлен иллюстративный вариант осуществления 2D-решетки элементов pMUT с показанными точками соединения с напряжением смещения и/или активно управляемыми выводами.

[0023] На фиг. 9 представлен иллюстративный вариант осуществления линейного преобразователя, где показано множество заземляющих и смещающих электродов, обеспечивающих разные направления поляризации для каждого элемента pMUT.

[0024] На фиг. 10А приведен пример осуществления решетки pMUT с множеством мембран в каждом пьезоэлектрическом элементе и возможностью использования разных направлений поляризации для мембран, контролирующих пьезоматериал, и разной интенсивности поляризации в расчете на каждый ряд.

[0025] На фиг. 10В приведен пример практической реализации решетки, показанной на фиг. 10А, где показаны точки соединения выводов с напряжением смещения после поляризации.

[0026] На фиг. 11А приведен пример схемы межсоединения двух элементов pMUT с устройством ASIC, содержащим схемы возбуждения передачи и приема и другие функциональные элементы.

[0027] На фиг. 11В приведен пример принципиальной схемы устройства ASIC, показанного на фиг. 11А, где один столбец электронных средств напрямую сопрягается с одним столбцом элементов pMUT, образуя составной преобразовательный элемент большего размера.

[0028] На фиг. 12А и 12В схематически представлены примеры реализации ультразвуковых преобразователей с фокусировкой в угломестном направлении согласно описанию, представленному в настоящем документе.

[0029] На фиг. 13А показана иллюстративная схема ультразвукового преобразователя с преобразовательными элементами, выстроенными в ряды М и столбцы N, причем этот преобразователь включает в себя три полосы, которые состоят из рядов и и/или столбцов, где каждая из указанных полос может быть выбрана как приводимая в действие отдельно, и где столбцы в каждой полосе совместно используют один и тот же управляющий сигнал, генерируемый схемой/схемами возбуждения передачи.

[0030] На фиг. 13В показана иллюстративная схема ультразвукового преобразователя с преобразовательными элементами, выстроенными в ряды и столбцы; при этом два элемента в ряду эффективно сведены воедино для передачи и приема, а преобразователь содержит три блока преобразовательных элементов в рядах и/или столбцах, причем верхний и нижний блоки преобразовательных элементов могут приводиться в действие одним каналом для выполнения операций по передаче и/или приему, тогда как центральный блок может приводиться в действие другим каналом для выполнения операций по передаче и/или приему.

[0031] На фиг. 14 показана иллюстративная схема ряда строк развертки, которые составляют кадр ультразвукового изображения.

[0032] На фиг. 15 представлена иллюстративная схема получения строки развертки, показанной на фиг. 14.

[0033] На фиг. 16 представлена иллюстративная схема обеспечения фокусировки по углу места с использованием задержек, примененных в отношении разных полос.

[0034] На фиг. 17А схематически показан пример реализации схемы задержки согласно настоящему описанию с множеством двухпозиционных реле, обеспечивающей точную задержку/задержки для элементов в столбце.

[0035] На фиг. 17В схематически показан пример реализации схемы задержки согласно настоящему описанию, обеспечивающей грубую задержку/задержки для элементов в столбце.

[0036] На фиг. 17С схематически показан пример реализации схемы задержки, которая обеспечивает грубую и/или точную задержку/задержки для элементов в столбце.

[0037] На фиг. 17D представлены детали дополнительной схемы, показанной на фиг. 17С.

[0038] На фиг. 18А показана схема, иллюстрирующая направление луча или фокусировку луча в азимутальном направлении с использованием задержки в азимутальном направлении от каналов передачи.

[0039] На фиг. 18В приведена иллюстративная схема преобразовательных элементов и их задержек, причем задержки могут программироваться электронными средствами, и они могут быть по существу одинаковыми для более чем одного столбца преобразовательных элементов.

[0040] На фиг. 19 приведена иллюстративная схема импульсов возбуждения передачи с задержками для столбца преобразовательных элементов, где задержки симметричны относительно центрального элемента.

[0041] На фиг. 20 показана иллюстративная схема импульсов возбуждения передачи с задержками для преобразовательных элементов в разных столбцах.

[0042] На фиг. 21 представлена иллюстративная схема генерирования разных задержек с использованием сигналов внутреннего счетчика.

[0043] На фиг. 22 приведена иллюстративная схема импульсного генератора с двумя цифровыми входами, который генерирует выходной сигнал в виде импульса/импульсов возбуждения передачи.

[0044] На фиг. 23А показаны иллюстративные графики угломестных лучей смоделированной матричной решетки преобразовательных элементов числом 24 × 128 с боковым отклонением 0° (левый график) и боковым отклонением 45° (правый график), где показаны отличия множества способов осуществления фокусировки в угломестном направлении в сравнении с вариантом отсутствия фокусировки в угломестном направлении.

[0045] На фиг. 23В приведен пример реализации схемы рассеянной передачи, обеспечивающей фокусировку передачи в угломестном направлении с использованием 2D-решетки преобразовательных элементов числом 24 × 128, в которой затененными кружками обозначены активные преобразовательные элементы в каждом столбце, и где может быть использована симметрия в угломестном направлении (при условии, что фокусировка осуществляется в угломестной плоскости симметрии). Эта схема передачи может выдавать примерно на треть меньшее давление, чем при использовании всех активных элементов числом 24 х 128.

[0046] На фиг. 24А представлена схема сборки формирователя изображения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0047] На фиг. 24В приведен пример одного из вариантов осуществления преобразователя, расположенного на подложке, и устройства ASIC на другой подложке со средствами межсоединений.

[0048] На фиг. 25 представлена схема решетки пьезоэлектрических элементов, выполненных с возможностью осуществления двух- и трехмерной визуализации, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0049] На фиг. 26 представлен схематический чертеж, иллюстрирующий решетку пьезоэлектрических элементов согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0050] На фиг. 27 представлен схематический чертеж, иллюстрирующий решетку пьезоэлектрических элементов согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0051] На фиг. 28 представлен схематический чертеж, иллюстрирующий решетку пьезоэлектрических элементов согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0052] На фиг. 29 представлен схематический чертеж, иллюстрирующий решетку пьезоэлектрических элементов согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0053] На фиг. 30 представлен схематический чертеж, иллюстрирующий решетку пьезоэлектрических элементов согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0054] На фиг. 31 представлен схематический чертеж, иллюстрирующий решетку пьезоэлектрических элементов согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0055] На фиг. 32 представлен схематический чертеж, иллюстрирующий решетку пьезоэлектрических элементов согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0056] На фиг. 33А показана схема системы визуализации согласно вариантам осуществления настоящего изобретения с проводными соединениями пьезоэлектрических элементов в столбце.

[0057] На фиг. 33В показана схема системы визуализации согласно вариантам осуществления настоящего изобретения с пьезоэлектрическими элементами в столбце, обладающими возможностью программируемой передачи и приема.

[0058] На фиг. 34А показана схема системы визуализации согласно вариантам осуществления настоящего изобретения с пьезоэлектрическими элементами в столбце, подсоединенными с помощью проводных соединений.

[0059] На фиг. 34В показана схема системы визуализации согласно вариантам осуществления настоящего изобретения с пьезоэлектрическими элементами в столбце, обладающими возможностью программируемой передачи и приема.

[0060] На фиг. 35А показан один из вариантов осуществления пьезоэлектрического элемента, соединенного с элементом схемы согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0061] На фиг. 35В приведен пример одного из вариантов осуществления пьезоэлектрического элемента, соединенного с элементом схемы согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, причем пьезоэлектрический элемент обладает возможностью программируемой передачи и приема.

[0062] На фиг. 36 показана схема управления множеством пьезоэлектрических элементов согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0063] На фиг. 37 показана схема управления множеством пьезоэлектрических элементов согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0064] На фиг. 38 показана форма сигнала возбуждения передачи согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0065] На фиг. 39А показана форма сигнала возбуждения передачи согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0066] На фиг. 39В показана форма сигнала возбуждения передачи согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, где сокращение ТхВ CLK обозначает высокоскоростной генератор тактовых импульсов, который может быть использован для генерирования колебательного сигнала ТхА и ТхВ, который генерируется с целью выдачи импульсов для каналов передачи.

[0067] На фиг. 40 показана форма сигнала возбуждения передачи согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0068] На фиг. 41 показаны выходные/входные сигналы различных схем в составе сборки формирователя изображения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0069] На фиг. 42А показан график зависимости амплитуды упругой волны передачи от угла согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0070] На фиг. 42В показано окно для процесса аподизации согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0071] На фиг. 43 представлено схематическое изображение, иллюстрирующее сборку формирователя изображения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

[0072] На фиг. 44 показаны характерные углы отклонения преобразователей согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание настоящего изобретения

[0073] Традиционно ультразвуковое 2D-изображение может быть создано с использованием различных алгоритмов, аналогичных тем, которые описаны автором по имени Fredrik Lingvall (Lingvall, F., 2004, «Способы реконструкции во временной области при ультразвуковой визуализации с использованием матричной решетки: Статистический метод») [см. http://www.signal.uu.se/Publications/pdf/fredrik_thesis.pdf]. Одним из примеров такого решения является использование относительной задержки для возбуждения сигналов вдоль столбцов пьезоэлектрических элементов в азимутальном направлении. Лучи могут быть сфокусированы в азимутальном направлении электронными средствами путем изменения электронно программируемой задержки, применяемой в отношении сигнала для разных столбцов в азимутальном направлении. Однако фокусировка в направлении, перпендикулярном азимутальному направлению (например, в угломестном направлении), обычно обеспечивается с использованием механической линзы. Механическая линза позволяет единовременно выполнять только одну фокусировку, вследствие чего для разных фокусировок по углу места могут потребоваться линзы разных конструкций, Кроме того, неподвижная механическая линза не обеспечивает фокус, необходимый для трехмерной ультразвуковой визуализации.

[0074] Трехмерная ультразвуковая визуализация слишком сложна, дорого стоит и характеризуется высоким уровнем энергопотребления при реализации с использованием существующих портативных система ультразвуковой визуализации. Некоторыми вариантами осуществления заявленного изобретения, описанными в настоящем документе, предложены системы и способы, выполненные с возможностью использования недорогих, энергосберегающих, портативных ультразвуковых преобразователей и систем ультразвуковой визуализации с высоким разрешением, сконфигурированных для использования в сфере ультразвуковой 2D- и 3D-визуализации. Возможность реализации этих недорогих высокопроизводительных систем может зависеть от используемых элементов pMUT, которые могут собираться на полупроводниковой пластине в процессе крупносерийного и низкозатратного производства, аналогично крупносерийному производству полупроводников. В примерах осуществления настоящего изобретения такие элементы pMUT образуют 2D-решетку, где каждый элемент соединен с электронной схемой, причем решетка элементов pMUT и матрица схем выровнены относительно друг друга на разных полупроводниковых пластинах и объединены воедино, образуя ячейку, где каждый пьезоэлектрический элемент соединен с управляющим элементом схемы, причем каждый пьезоэлектрический элемент может быть снабжен двумя или более выводами, как это показано на фиг. 3В и 3С. Эти элементы pMUT могут также характеризоваться широкой полосой пропускания, что делает эти преобразователи пригодными для широкополосной визуализации в отличие от пьезоэлектрических объемных преобразователей предшествующего уровня техники. Преобразователи старого образца могут характеризоваться ограниченной полосой пропускания, что требует использования разных преобразователей для разных частотных диапазонов. Следовательно, наличие одного преобразователя, покрывающего широкий диапазон частот, например, 1-12 МГц или больше, может повысить удобство обследования пациентов пользователем, причем пользователь не обязательно должен переключаться на другой преобразователь при обследовании разных органов, где требуются совершенно иные частоты. Это может дать экономию средств. Широкополосные характеристики элементов pMUT согласно настоящему изобретению могут быть обеспечены, по меньшей мере, двумя разными способами. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения преобразовательный элемент содержит два субэлемента или больше, причем каждый субэлемент резонирует на отдельной центральной частоте. В такой комбинации составной элемент может покрывать более широкую полосу (см., например, фиг. 28). В других вариантах осуществления настоящего изобретения мембрана может быть спроектирована таким образом, чтобы она могла поддерживать множество резонансных мод в одной мембране. Резонанс может характеризоваться наличием основной моды, где резонанс происходит на определенной частоте. На мембране могут также иметь место и другие резонансы, например, второй и третий резонанс. Эти резонансы могут быть связаны или не связаны с гармониками. Полоса пропускания вокруг этих резонансов может перекрываться с полосой пропускания вокруг других резонансов, что обеспечивает в целом широкую полосу пропускания. Если входной сигнал, подаваемый на pMUT, имеет ограниченную полосу пропускания, например, ограничен одним резонансом, то другие резонансы могут не проявляться. Преобразовательный элемент может одновременно выдавать множество мод колебаний при его возбуждении широкополосным частотным входным сигналом, который включает в себя центральные частоты различных резонансов.

[0075] Кроме того, существующие преобразователи, использующие механическую линзу для фокусировки в угломестном направлении, могут также нести потери на затухание в линзе, что снижает качество изображения. При использовании примеров реализации синтетических линз согласно настоящему описанию необходимость в механической линзе отпадает. Иногда может использоваться слегка изогнутая слабая линза с глубоким фокусом, или же вместо нее может быть использован плоский тонкий слой согласования импедансов, располагающийся поверх преобразователя. Это может существенно уменьшить потери на затухание.

[0076] Вместо использования механических линз системы визуализации, описанные в настоящем документе, используют электронные линзы, обладающие определенным преимуществом, которое состоит в том, что устраняется потребность в построении механической линзы с фиксированным фокусным расстоянием. Кроме того, электронные линзы, описанные в настоящем документе, характеризуются высокой гибкостью, обеспечивающей возможность изменения фокусного расстояния в угломестной плоскости, и динамической фокусировкой в зависимости от глубины. Кроме того, с помощью аподизации могут подавляться боковые лепестки в угломестном направлении, что позволяет лучше регулировать толщину срезов в угломестной плоскости. Электронное управление аподизацией в угломестном направлении в режиме реального времени обеспечивает возможность эффективного подавления боковых лепестков в угломестном направлении электронными средствами.

[0077] Некоторыми вариантами осуществления заявленного изобретения, описанными в настоящем документе, предложены системы ультразвуковой визуализации, выполненные с возможностью обеспечения фокусировки в угломестном направлении. Некоторыми вариантами осуществления заявленного изобретения, описанными в настоящем документе, предложены системы ультразвуковой визуализации, выполненные с возможностью обеспечения электронного управления по углу места с программируемой задержкой вдоль столбцов и/или рядов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения электронное управление осуществляется при вводе программируемых задержек в схему возбуждения передачи, приводящую в действие отдельные элементы в столбцах.

[0078] Некоторыми вариантами осуществления заявленного изобретения, описанными в настоящем документе, предложены преобразовательные элементы (например, элементы pMUT), т.е. пьезоэлектрические элементы, которые выстроены в виде множества рядов (причем каждый из рядов проходит в азимутальном направлении) и столбцов (причем каждый из столбцов проходит в угломестном направлении) в двух измерениях. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения секция, содержащая один или множество рядов вокруг центральной секции рядов, может фокусироваться в азимутальном направлении. В ходе одной единственной передачи или приема данные, поступающие из этой секции, могут фокусироваться в азимутальном направлении, генерируя промежуточные данные. В ходе дополнительной передачи и приема данные, поступающие из множества секций, могут фокусироваться в угломестном направлении. Этот процесс может увеличить толщину срезов в угломестном направлении. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения такому процессу может способствовать применение аподизации в отношении ультразвукового импульса/импульсов.

Некоторые определения

[0079] Если не указано иное, то все технические термины, используемые в настоящем документе, имеют общераспространенное значение, понятное специалисту в данной области техники, на которого рассчитан описанный предмет настоящего изобретения.

[0080] В контексте настоящего документа формы единственного числа, выраженные неопределенными артиклями и определенным артиклем, включают в себя формы множественного числа, если только из контекста явным образом не вытекает иное. Любая ссылка на «или» в настоящем документе предполагает включение «и/или», если только не указанное иное.

[0081] В контексте настоящего документа термин «около» относится к величине, которая отклоняется от указанной величины примерно на 10%, 5% или 1%, включая ее приращения.

[0082] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения формирователи изображения (взаимозаменяемо именуемые в настоящем документе преобразователями) в контексте данного документа могут быть использованы, помимо прочего, для выполнения следующих операций: одномерной (1D) визуализации, также известной как А-сканирование; двумерной (2D) визуализации, также известной как В-сканирование; 1,5D-визуализации; 1,75D-визуализации, трехмерной (3D) визуализации и формирования изображения по доплеровскому сигналу (доплеровской визуализации). Кроме того, формирователь изображения в контексте настоящего документа может переключаться на различные режимы визуализации, которые программируются заранее. Кроме того, с использованием преобразователей согласно настоящему изобретению может быть реализован режим двухпроекционной визуализации.

[0083] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения преобразовательные элементы согласно настоящему изобретению (например, элементы pMUT) взаимозаменяемо именуются приемопередающими элементами, пьезоэлектрическими элементами и пьезоэлементами. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения преобразовательный элемент в контексте настоящего документа включает в себя один или более следующих элементов: подложку и мембрану, подвешенную к подложке; нижний электрод, располагающийся на мембране; пьезоэлектрический слой, располагающийся на нижнем электроде; и один или более верхних электродов, располагающихся на пьезоэлектрическом слое.

[0084] На фиг. 1 приведен пример одного из вариантов осуществления системы 100 ультразвуковой визуализации, описанной в настоящем документе. В этом варианте осуществления настоящего изобретения система визуализации включает в себя портативное устройство 101, причем устройство 101 содержит дисплей 112 и блок 114 записи данных, который снабжен соединением, активируемым интерфейсом связи для подключения к сети 120 и внешним базам 122 данных, таким как электронные медицинские карточки. Такое подключение к внешним источникам данных может облегчить формирование медицинских счетов, обмен данными, выполнение запросов или передачу иной информации медицинского характера. В этом варианте осуществления настоящего изобретения система 100 включает в себя ультразвуковой формирователь 126 изображения (взаимозаменяемо именуемый в настоящем документе «зондом), который включает в себя сборку 108 ультразвукового формирователя изображения (взаимозаменяемо именуемую в настоящем документе «ячейкой в сборе»), где ультразвуковая ячейка снабжена pMUT-решетками 102, собранными на подложке. Решетка/решетки 102 элементов pMUT выполнены с возможностью испускания и приема ультразвуковых волн под управлением электронного блока управления, например, специализированной заказной интегральной схемы (ASIC) 106, расположенной на формирователе изображений, и еще одного блока 110 управления.

[0085] В этом конкретном варианте осуществления настоящего изобретения дисплей 112 и/или, по меньшей мере, часть электронного блока 110 управления связью могут располагаться на сборке 108. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения дисплей или часть блока 110 управления может быть внешней по отношению к формирователю изображения, но соединенной со сборкой 108 ультразвукового формирователя изображений и его/ее элементов посредством проводного интерфейса связи и/или беспроводного интерфейса 124 связи. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения для упрощения взаимодействия с пользователем дисплей 112 может обладать устройством ввода, таким как, например, сенсорный экран и удобный для пользователя интерфейс, например, графический интерфейс пользователя (GUI).

[0086] В этом же варианте осуществления настоящего изобретения pMUT-решетка 102 соединена со специализированной заказной интегральной схемой (ASIC) 106, расположенной на другой подложке и в непосредственной близости от pMUT-решетки 102. Эта решетка может быть также соединена с материалом с другим полным сопротивлением (импедансом) и/или материалом 104 согласования импедансов, который может располагаться поверх pMUT-решетки. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения формирователь 126 изображения включает в себя подзаряжаемый источник 127 питания и/или интерфейс 128 подключения к внешнему источнику питания, например, с использованием USB-интерфейса (интерфейса универсальной последовательной шины) энергоснабжения, который совместим с протоколами сигнализации для USB других стандартов, таких как USB2 или USB 3. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрен беспроводной способ подзарядки. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения формирователь 126 изображения включает в себя входной интерфейс 129 для сигнала ЭКГ (электрокардиограммы) с целью синхронизации разверток с импульсами ЭКГ. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения формирователь 126 изображения снабжен инерциальным датчиком 130, помогающим руководить действиями пользователя.

[0087] Стрелка 114 указывает на ультразвуковые лучи передачи, испускаемые сборкой 108 формирователя изображения, которые направлены на часть 116 тела и формируют изображение объемного элемента 118. Лучи передачи отражаются от визуализируемой мишени и поступают в сборку 108 формирователя изображения так, как это обозначено стрелкой 114. Помимо схемы ASIC 106 система 100 визуализации может включать в себя другие схемы 110 управления, связи и вычислений. Следует понимать, что сборка 108 ультразвукового формирователя изображения может представлять собой один автономный блок, показанный на фиг. 1, или же она может включать в себя физически отдельные, но соединенные друг с другом электрическими средствами или беспроводным образом элементы, такие как часть электронного блока 110 управления. Один из примеров такого решения проиллюстрирован на фиг. 2.

[0088] На фиг. 2 представлена схема, иллюстрирующая формирователь 126 изображения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть на фиг. 2, формирователь 126 изображения может включать в себя следующие элементы: ячейку/ячейки 210а приемопередатчика для передачи и приема упругих волн; слой 212as покрытия, который выполняет функцию линзы, управляя направлением отклонения и/или фокусировкой упругих волн, а также функционирует в качестве границы импеданса между приемопередающей решеткой и человеческим телом, причем линза 212 может также способствовать затуханию сигнала, который возбуждает преобразователь и также поступает в преобразователь, и поэтому также целесообразно поддерживать его на минимальном уровне, причем при электронном управлении по углу места эта линза может не потребоваться, и она может быть заменена лишь тонким защитным слоем согласования импедансов, обеспечивающим совершенно незначительные потери; и блок 202а управления, такой как микросхема ASIC (или сокращенно ASIC), предназначенная для управления ячейкой/ячейками 210а приемопередатчика и соединенная с ячейкой/ячейками 210а приемопередатчика посредством выступающих контактов. Сочетание приемопередающей решетки с подключенной к ней схемой ASIC называется ячейкой. Также предусмотрены: программируемая логическая матрица 214а типа FPGA для управления компонентами формирователя 126 изображения и схема/схемы 215а, такие как аналоговый входной блок (AFE), для обработки/формирования сигналов; звукопоглощающий слой 203 для поглощения волн, генерируемых ячейкой/ячейками 210а приемопередатчика и распространяющихся в сторону схемы 215а, причем в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения звукопоглощающий слой располагается между преобразователем и ASIC, а в некоторых других вариантах осуществления настоящего изобретения эти звукопоглощающие слои не нужны; модуль 208а связи для обмена данными с внешним устройством, таким как устройство 101, посредством одного или более портов 216а; память 218а для хранения данных; аккумуляторная батарея 206а для подачи электропитания на компоненты формирователя изображения; и в необязательном варианте - дисплей 217а для отображения изображений органов-мишеней.

[0089] Во время работы пользователь может инициировать контакт поверхности pMUT-решетки 102, покрытой согласующим материалом 104, с участком части тела, через которую передаются ультразвуковые волны в направлении визуализируемой мишени 118. Формирователь изображения принимает ультразвуковые лучи, отраженные от мишени формирователя изображения, и обрабатывает или передает их внешнему процессору для обработки и/или реконструкции изображения, а затем на портативное устройство 101 для отображения изображения. На дисплее могут также собираться, рассчитываться, выводиться и отображаться пользователю другие данные.

[0090] На фиг. 1 приведен пример осуществления портативной системы 100 ультразвуковой визуализации, которая в данном случае включает в себя зонд 126 системы визуализации (взаимозаменяемо именуемый в настоящем документе «преобразователем»). Этот зонд может содержать сборку 108 pMUT-формирователя изображения, соединенную с электронными блоками, например, с блоком 202а управления, который показан на фиг. 2. Зонд 102 сообщается с внешним устройством 204 отображения с использованием интерфейса связи и средства 124.

[0091] Этим средством связи может служить кабель или беспроводные соединения. Для проводных соединений может быть использовано множество протоколов с целью обеспечения обмена данными, таких как USB2, Lightning и другие. Аналогичным образом для беспроводных соединений может быть использован общераспространенный протокол, такой как 802.11 или иные протоколы. Аналогичным образом блок записи 114 данных может быть внешним по отношению к зонду, и он также может сообщаться с зондом 126 с помощью беспроводного или проводного средства связи.

[0092] При использовании формирователя изображения, например, для визуализации частей тела человека или животного передаваемые ультразвуковые волны направляются в сторону мишени. Контакт с телом обеспечивается за счет удержания формирователя изображения в непосредственно близости от тела, обычно после нанесения на тело специального геля и наложения формирователя на этот гель с созданием эффективной зоны соприкосновения, позволяющей испускаемым ультразвуковым волнам проходить в тело и возвращаться в формирователь изображения, отражаясь от мишени, причем отраженный сигнал используется для создания изображения части тела и отображения полученных результатов на экране дисплея, включая графики, диаграммы и статистические данные, отображаемые вместе или отдельно от изображений части тела в самых разных форматах.

[0093] Следует отметить, что зонд 126 может быть спроектирован таким образом, что некоторые его части выполнены физически отдельными и соединенными друг с другом посредством кабеля или беспроводным способом. В этом конкретном варианте осуществления настоящего изобретения в качестве примера сборка pMUT и схема ASIC с некоторыми электронными средствами управления и связи могут располагаться в блоке, который часто называется зондом. Часть устройства или зонда, контактирующая с частью тела, содержит сборку pMUT.

[0094] На фиг. 3А показан стандартный пьезоэлектрический элемент 214 в поперечном разрезе. В этом варианте осуществления настоящего изобретения пьезоэлектрический элемент снабжен двумя электродами, причем первый электрод 216 соединен с проводником 215 сигналов, а второй электрод 218 соединен со вторым проводником 217 и может быть традиционно соединен с заземлением или другим потенциалом поля постоянного тока (DC).

[0095] Пьезоэлектрические элементы используются уже десятки лет для ультразвуковой визуализации в сфере медицины. Однако пьезоэлектрический элемент может быть толстослойным, достигая в толщину, например, около 100 мкм, и обычно он требует подачи на него переменного тока (АС) величиной от +100 В до -100 В для создания ультразвуковой упругой волны достаточной интенсивности, обеспечивающей возможность диагностической визуализации. Частота этого АС-сигнала возбуждения может варьироваться в пределах резонансной частоты пьезоэлектрических структур, и она может составлять свыше 1 МГц в сферах применения диагностической визуализации.

[0096] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения мощность, рассеиваемая при возбуждении пьезоэлектрического элемента, пропорциональна величине C*V², где С - это электрическая емкость пьезоэлемента, а V - это максимальное напряжение на пьезоэлектрическом слое. Во время передачи множество пьезоэлектрических элементов может возбуждаться одновременно с несколько отличающимися задержками для фокусировки или отклонения луча. Одновременное возбуждение множества элементов может привести к повышению температуры на поверхности элементов. Крайне желательно или необходимо, чтобы температура не превышала заданное пороговое значение, чтобы не повредить визуализируемый объект. Таким образом, эта пороговая температура ограничивает количество элементов, которые могут приводиться в действие, и период времени, в течение которого происходит их возбуждение.

[0097] В некоторых вариантах осуществления заявленного изобретения, раскрытых в настоящем документе, пьезоэлектрические элементы могут быть намного тоньше, (обычно около 5 мкм или меньше), чем объемные пьезоэлементы стандартного типа. Такое существенное уменьшение толщины позволяет использовать возбуждающие сигналы с более низким напряжением, обеспечивая сохранение пьезоэлектрическими элементами такой же напряженности электрического поля, что и элементы стандартного типа. Например, пьезоэлектрические элементы, раскрытые в настоящем документе, могут возбуждать напряжения, варьирующиеся в диапазоне около 5-40 В от пика к пику.

[0098] Электрическая емкость пьезоэлектрических элементов может быть также уменьшена за счет уменьшения толщины определенных пьезоэлектрических материалов. Таким образом, в качестве одного из примеров, когда возбуждающее напряжение уменьшается со 100 В до 10 В при возбуждении пленки в 10 раз меньшей толщины, электрическая емкость может увеличиться в 10 раз для более тонких пьезоэлектрических материалов, и рассеяние мощности может сократиться в 10 раз. Это уменьшение рассеяния мощности может также снизить выделение тепла и повышение температуры в зонде системы визуализации. Таким образом, за счет использования более низких возбуждающих напряжений можно снизить температуру поверхности pMUT.

[0099] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения при использовании низковольтных pMUT с заданной температурой может возбуждаться больше элементов pMUT, освещающих участок большей площади. Это позволяет быстрее сканировать мишень, особенно если для сканирования всей мишени с целью формирования ее изображения требуется множество эмиссий. Зачастую целевая область может сканироваться посредством множества эмиссий с использованием разных углов отклонения и данных об изображении, объединяемых для получения изображения более высокого качества.

[0100] Может быть также целесообразно осуществлять визуализацию с высокой частотой смены кадров. Частота смены кадров определяет, сколько раз в минуту визуализируется мишень. Визуализация с высокой частотой смены кадров целесообразна в тех случаях, когда обследуется подвижная ткань, чтобы можно было наблюдать за подвижными мишенями без размытия изображения. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения способность возбуждения большего количества пьезоэлектрических элементов обеспечивает возможность увеличения покрытия апертуры преобразователя в расчете на каждую эмиссию и минимизации числа эмиссий для покрытия всей апертуры, что повышает частоту смены кадров.

[0101] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения качество изображения может быть повышено путем сведения нескольких кадров изображений в один итоговый кадр с меньшим уровнем шума. Однако это может уменьшить частоту смены кадров. При использовании маломощной pMUT с частотой смены кадров, более высокой в сравнении с пьезопленками стандартного типа, для заданного роста температуры pMUT эта методика усреднения может быть использована благодаря тому, что низковольтные pMUT обладают меньшей мощностью, обеспечивая изначально более высокую начальную частоту смены кадров. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения для объединения изображений может быть использован способ визуализации ультразвуком с синтетической апертурой.

[0102] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения возможность единовременного возбуждения большего числа пьезоэлектрических элементов улучшает отношение «сигнал - шум» (SNR) и обеспечивает лучшее качество реконструированного изображения.

[0103] Кроме того, как это показано на фиг. 1, схема 106 ASIC соединена с pMUT 102. Схема ASIC может содержать малошумные усилители (LNA). В режиме приема элементы pMUT соединены с LNA посредством переключателей. Усилители LNA преобразуют электрический заряд в pMUT, генерируемый отраженным ультразвуковым лучом, оказывающим давление на pMUT, в усиленный сигнал напряжения с низким уровнем шума. Отношение «сигнал - шум» принятого сигнала может служить одним из ключевых факторов, определяющих качество реконструируемого изображения. Таким образом, целесообразно уменьшить собственный шум в самом LNA. Это можно обеспечить за счет повышения крутизны передаточной характеристики входного каскада усилителя LNA. Это можно сделать, например, используя ток большей величины на входном каскаде. Ток большей величины может способствовать повышению рассеяния мощности и нарастанию тепла. Однако в тех случаях, когда используются низковольтные pMUT с располагающимися в непосредственной близости ASIC, мощность, сэкономленная низковольтными pMUT, может быть использована для уменьшения уровня шума в LNA при заданном общем росте температуры, приемлемом в сравнении с преобразователями, работающими с высоким напряжением.

[0104] На фиг. 3В схематически показан элемент 220 pMUT, описываемый в настоящем документе. В этом варианте осуществления настоящего изобретения элемент 220 pMUT включает в себя два субэлемент 220а и 220b. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый элемент pMUT включает в себя один или более субэлементов. Каждый субэлемент в этом варианте осуществления настоящего изобретения характеризуется наличием пьезоэлектрического слоя 221, где первый электрод 223 соединен с первым проводником 222, второй электрод 225 соединен со вторым проводником 227, а третий электрод 224 соединен с третьим проводником 226, причем первые проводники всех субэлементов соединены друг с другом, вторые проводники всех субэлементов представляют собой взаимосвязанные соединители и третьи проводники всех субэлементов соединены друг с другом.

[0105] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения элемент 220 pMUT включает в себя два субэлемента 220а и 220b, при этом каждый элемент pMUT снабжен двумя выводами. Например, субэлемент 220а снабжен первым электродом 223, соединенным с первым проводником 222, и вторым электродом 225, соединенным со вторым выводом 227; и субэлемент 220b снабжен первым электродом 223, соединенным с первым проводником 222, и вторым электродом 225, соединенным со вторым выводом 227.

[0106] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения элемент 220 pMUT включает в себя один субэлемент 220а, причем каждый из элементов pMUT снабжен двумя выводами. Например, субэлемент 220а характеризоваться наличием первого электрода 223, соединенного с первым проводником 222, и второго электрода 225, соединенного со вторым выводом 227.

[0107] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения субэлемент 220а может характеризоваться наличием множества субэлементов, каждый из которых снабжен двумя электродами, причем все первые электроды соединены с первым проводником, а все вторые электроды соединены со вторым проводником.

[0108] На фиг. 3С представлено схематичное изображение, иллюстрирующее элемент 228 pMUT с двумя субэлементами 228а и 228b. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый элемент pMUT включает в себя один или более субэлементов. В этом варианте осуществления настоящего изобретения каждый субэлемент характеризуется наличием пьезоэлектрического слоя 231 с первым электродом 230, соединенным с первым проводником 229, и вторым электродом 232, соединенным со вторым проводником 233, причем первые проводники всех субэлементов соединены друг с другом, и вторые проводники всех субэлементов представляют собой взаимосвязанные соединители.

[0109] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения субэлемент 228а или 228b может включать в себя множество субэлементов, каждый из которых снабжен двумя электродами, причем в случае, когда в элементе предусмотрено два субэлемента, первый электрод первого субэлемента соединен с другим электродом второго субэлемента посредством проводника, а второй электрод первого субэлемента соединен с оставшимся электродом второго субэлемента.

[0110] На фиг. 4 показана подложка 238, на которой располагается множество пьезоэлектрических микромашинных ультразвуковых преобразовательных элементов 239 (pMUT). В этом варианте осуществления настоящего изобретения один или более элементов решетки образуют приемопередающую решетку 240, а на подложке 238 располагается более одной приемопередающей решетки.

[0111] В преобразовательных решетках стандартного типа используется пьезоэлектрический материал, например, цирконат-титанат свинца (PZT), образуемый путем разделения на пластины блока монолитного PZT с получением отдельных пьезоэлементов. Но в большинстве случаев это дорого стоит. Для сравнения pMUT-решетки, раскрытые в настоящем документе, располагаются на подложке (например, на полупроводниковой пластине). Полупроводниковая пластина может характеризоваться различными формами и/или размерами. К примеру, полупроводниковая пластина согласно данному описанию может иметь форму и размеры полупроводниковой пластины, используемой для создания интегральных схем по технологии производства полупроводниковых приборов. Такие полупроводниковые пластины могут производиться в больших объемах и с малыми затратами. Примерами могут служить полупроводниковые пластины размерами 6, 8 и 12 дюймов в диаметре.

[0112] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения множество pMUT-решеток может производиться партиями с низкой себестоимостью. Кроме того, для интегральных схем могут быть также предусмотрены такие размеры, чтобы соединения, необходимые для обеспечения обмена данными с элементами pMUT, совпадали друг с другом, а pMUT-решетка (позиция 102 на фиг. 1) могла быть соединена с сопрягаемой интегральной схемой (106), располагаясь в непосредственной близости от нее, обычно вертикально под указанной решеткой или проксимально по отношению к ней, на расстоянии, например, около 25-100 мкм. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения объединение элементов 102, 104 и 106 называется сборкой 108 или ячейкой формирователя изображения, как это показано на фиг. 1. Например, один из иллюстративных вариантов осуществления сборки 108 может характеризоваться наличием 1024 элементов, соединенных с сопрягаемой схемой ASIC, которая обладает соответствующим числом функциональных возможностей по передаче и приему сигналов для 1024 пьезоэлектрических элементов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения размер решетки не ограничен 1024 элементами. Он может быть больше или меньше. Большее количество элементов может быть обеспечено за счет использования множества pMUT-решеток 102 вместе с множеством сопрягаемых схем 106 ASIC и их сборки вплотную друг к другу с покрытием соответствующим объемом материала 104 согласования импедансов. В альтернативном варианте большим количеством элементов pMUT может также характеризоваться единая решетка, в которой указанные элементы выстроены в форме прямоугольника или в иной форме, а их количество варьируется от менее 1000 до 10000. Решетка pMUT и множество элементов pMUT могут быть соединены с сопрягаемыми схемами ASIC.

[0113] На фиг. 5А показано поперечное сечение одного из примеров осуществления пьезоэлектрического элемента 247. В этом варианте осуществления элемент 247 характеризуется наличием тонкой пьезоэлектрической пленки 241, располагающейся на подложке 252. Пьезоэлектрическая пленка снабжена первым электродом 244, который соединен с проводником 246 сигналов. Этот электрод обычно располагается на подложке, на которой выращен кристалл SiO₂. Далее предусмотрен слой TiO₂, покрытый платиной, на которую распылен PZT или нанесен золь-гель PZT для получения тонкого слоя PZT в качестве пьезоэлектрической пленки 241. Этот и первый металлический электрод структурированы методом травления для получения требуемой формы. С первым электродом соединен проводник 246 сигналов. Поверх тонкой пленки 241 выращен второй электрод 240, соединенный со вторым проводником 250. Вплотную ко второму электроду также выращен третий электрод 242, но он гальванически развязан по отношению к этому второму электроду. С третьим электродом соединен третий проводник 248. Показанная фактическая компоновка электродов может варьироваться по своей форме от квадратной до прямоугольной, с примыкающими друг к другу электродами эллиптической или иной формы или с кольцевыми электродами, где один электрод охватывает другой. Пьезоэлектрическая пленка может характеризоваться разной формой, и она может располагаться на определенных участках на поверхности подложки поверх полости.

[0114] На фиг. 5В представлено символическое изображение пьезоэлектрического элемента, показанного на фиг. 5А. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения первый проводник 246 электрически соединен с первым электродом 244. Такое соединение может быть выполнено с использованием металлов, перемычек и диэлектриков для внутренних изолирующих слоев (ILD), но для упрощения представления эти элементы не показаны. Первый электрод контактирует с пьезоэлектрическим слоем 241. На другой стороне пьезоэлектрического слоя относительно первого электрода располагается или выращен второй проводник. Со вторым проводником 242 соединен второй электрод 248. К электроду 248 примыкает третий электрод 240, и с ним соединен третий проводник 250. Первый электрод 244 также обозначается как электрод «О». Второй электрод обозначается как электрод «X», а третий электрод обозначается как электрод «Т». Следует понимать, что средства соединения, предназначенные для соединения проводников с электродами, такие как перемычки, диэлектрики для внутренних изолирующих слоев (ILD) и прочие металлизированные слои, в целях упрощения не показаны на всех фигурах или подробно не описаны. Эти детали хорошо известны специалистам в данной области техники. Кроме того, не показаны и другие детали, такие как нижележащие мембраны.

[0115] Вследствие асимметрии кристаллической структуры PZT возникает электрическая полярность, создающая электрические диполи. В макроскопической кристаллической структуре эти диполи по умолчанию могут быть ориентированы случайным образом, как это показано на фиг. 6 слева. Когда материал подвергается воздействию механической нагрузки, каждый диполь может повернуться, изменив свою первоначальную ориентацию на направление, которое минимизирует общее количество электрической и механической энергии, скрытой в диполе. Если изначально все диполи ориентированы случайным образом (т.е. суммарная поляризация является нулевой), то их поворот может существенно не изменить макроскопическую общую поляризацию материала, вследствие чего проявляемый пьезоэлектрический эффект может оказаться пренебрежимо слабым. Следовательно, важно обеспечить такое исходное состояние материала, чтобы большинство диполей могло быть в целом ориентировано в одном и том же направлении. Такое исходное состояние может быть придано материалу путем его поляризации. Направление, в котором выстраиваются диполи, известно как направление поляризации. Ориентация диполей во время и после поляризации показана на фиг. 6 (средняя и правая части).

[0116] Следовательно, изначально может потребоваться поляризация тонких пьезоэлектрических пленок перед их использованием. Это можно сделать путем подачи на пленку высокого напряжения, обычно при высокой температуре (например, 175°С), в течение определенного периода времени (например, в течение 1-2 минут или дольше). В пьезоэлементе, который показан на фиг. 3, элемент pMUT может характеризоваться наличием двух выводов, и высокое напряжение может быть подано, например, на выводы 216 и 218. Это высокое напряжение может составлять около 15 В для пьезоэлектрической пленки толщиной 1 мкм. Такое напряжение достаточно для поляризации.

[0117] Элементы pMUT предшествующего уровня техники или другие пьезоэлементы из монолитного PZT обычно снабжены двумя электродами. Как указано в настоящем документе, пьезоэлектрический элемент может характеризоваться наличием двух (см. фиг. 3) или более электродов, как это показано на фиг. 5А и 5В. На фиг. 5А и 5В показано, что во время поляризации первый проводник может быть соединен с потенциалом заземления, тогда как второй проводник соединен с отрицательным потенциалом под напряжением, скажем, -15 В для PZT-пленки толщиной 1 мкм, и на некоторое время при высокой температуре подключается третий электрод под напряжением +15 В. Это может создать два направления поляризации на PZT-пленке, противоположные для пленки между первым и вторым проводниками и пьезопленки между первым и третьим проводниками. По завершении поляризации во время выполнения операции по передаче или приему второй и третий проводники могут быть соединены с землей или напряжением смещения, тогда как первый проводник соединен со схемой ASIC, приводимой в действие схемой возбуждения передачи во время выполнения операции по передаче, или соединен с усилителем LNA посредством переключателей во время выполнения операции по приему. Второй и третий проводники могут быть также соединены с ненулевым DC-смещением, где значения смещения могут быть разными.

[0118] Пьезоэлектрический элемент в одном из примеров осуществления настоящего изобретения реализует деформацию в поперечном направлении, эффективно используя постоянную d31 деформации PZT в поперечном направлении, т.е. пьезоэлектрический коэффициент, для обеспечения смещения мембраны или преобразования смещения мембраны в заряд. Элемент PZT, показанный на фиг. 5А и 5В, с ортогональными направлениями поляризации относительно пленки в режиме передачи увеличивает смещение мембраны при заданном возбуждении в сравнении со структурой, показанной на фиг. 3А и 3С, где для пленки предусмотрено только одно направление поляризации. Таким образом, может быть повышена чувствительность передачи, что позволяет увеличить смещение мембраны в расчете на один вольт прикладываемого напряжения возбуждения передачи.

[0119] В режиме приема ортогональное направление поляризации может создавать больший заряд, подлежащий считыванию усилителем LNA. Соединения LNA схематически показаны на фиг. 7. Для упрощения представления показаны не все элементы в тракте соединения пьезоэлемента с LNA. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения пьезоэлектрический элемент 260 снабжен первым электродом, который последовательно соединен с переключателем с усилителем 268 LNA, соединенным посредством проводника 262. Второй электрод элемента 260 обозначен позицией 266, и он может быть соединен с DC-смещением, составляющим 0 В (земля). Позицией 270 обозначен отраженный ультразвуковой луч, падающий на pMUT-элемент 260 и создающий заряд на электродах 266 и 274. Следует отметить, что усилитель LNA может быть выполнен с возможностью функционирования в режиме напряжения или заряда. Элементы pMUT обычно характеризуются большой электрической емкостью, и при заданной величине заряда они создают более низкое напряжение на преобразователе в сравнении с объемными элементами PZT намного меньшей емкости, если используется контроль напряжения, причем напряжение на преобразователе усиливается. Поскольку напряжение на входе усилителя LNA низкое, будет выдаваться более зашумленный выходной сигнал. Усиление заряда может обеспечить лучшее отношение «сигнал - шум» на выходе LNA благодаря высокой электрической емкости элементов pMUT в сравнении с режимом напряжения, особенного в тех случаях, когда элементы pMUT генерируют выходной заряд большей величины при заданном давлении на входе в режиме приема. Это проиллюстрировано на фиг. 7, где любой заряд, принятый конденсатором Ct, передается через конденсатор Cf намного меньшей емкости, создавая более высокое напряжение на выходе LNA. Эти усилители LNA могут быть также выполнены с возможностью быстрой подачи питания или быстрого отключения питания (например, в течение менее 1 микросекунды).

[0120] Традиционная 2D-визуализация осуществляется с использованием столбцов элементов, которые сконфигурированы в виде высокого прямоугольника. В альтернативных вариантах это может быть обеспечено за счет использования множества элементов меньшего размера, выстроенных в столбцы. Отдельные элементы решетки могут быть объединены друг с другом, действуя в качестве единого элемента 1D-решетки, образующего столбец. Это достигается путем проводного соединения этих отдельных элементов с формированием одного элемента большего размера, который имеет один проводник сигналов и общий заземляющий проводник. Для этого одного составного элемента pMUT большего размера с двумя выводами реализуется возбуждение передачи, считывание на приеме и управление.

[0121] На фиг. 8А схематически показан один из примеров осуществления решетки 300 преобразователя системы ультразвуковой визуализации согласно настоящему изобретению. Показанная решетка характеризуется наличием девяти элементов pMUT, выстроенных для иллюстрации в три ряда и три столбца (т.е. 3 на 3). Следует понимать, что на практике размер решетки может быть большим или меньшим согласно требованиям. Примеры этих размеров, не носящие ограничительного характера, включают в себя: 32 на 32, 32 на 64, 32 на 194, 12 на 128, 24 на 128, 32 на 128, 64 на 128, 64 на 32 и 64 на 194 (число столбцов на число рядов или число рядов на число столбцов).

[0122] Для этой решетки элементов pMUT в данном случае используется схематическое представление, показанное на фиг. 5В. Проводник каждого пьезоэлектрического элемента соединен с электродом и обозначается величиной Оху, где значение х варьируется от 1 до 3, и значение у варьируется от 1 до 3, как это показано на фиг. 8В. Первый проводник каждого пьезоэлектрического элемента соединен с первым электродом и обозначен как О11. Кроме того, все элементы формирователя изображения, конфигурируемого электронными средствами, характеризуются наличием выводов О, соединенных с соответствующей электроникой, расположенной на другой полупроводниковой пластине. Все вторые электроды каждого элемента, обозначенные как электроды X, соединены с другими электродами X других элементов посредством проводника 302. Проводник О представляет собой проводник сигналов, тогда как X является линией заземления или управления. В этом варианте осуществления настоящего изобретения, который проиллюстрирован на фиг. 8В, электроды О соединены со схемой ASIC в непосредственно близости от подложки, на которой располагаются элементы pMUT. В любом иллюстративном примере, где предусмотрена pMUT-решетка размерами 32 × 32, имеется 1024 пьезоэлемента. В этом случае может быть предусмотрено 1024 соединений выводов «О» со схемой ASIC, которые обычно располагаются под кристаллом pMUT. Каждая из этих 1024 линий О соединена со схемой возбуждения передачи во время выполнения операции передачи и с входом усилителя LNA во время выполнения операции по приему, причем в режиме приема схема возбуждения передачи переходит в высокоимпедансное состояние.

[0123] На фиг. 9 показан один из примеров осуществления решетки преобразователя с элементами числом 3 × 3, причем каждый элемент снабжен тремя выводами/узлами, а именно О, X и Т. Узлы «О» обозначены величиной Оху, где значение х варьируется в диапазоне 1-3, и значение у варьируется в диапазоне 1-3. Эти узлы О могут быть соединены с электроникой возбуждения и считывания в схеме ASIC, где узлы X могут быть все вместе соединены с источником напряжения смещения или землей, а узлы Т могут быть соединены все вместе с другим источником напряжения смещения или землей.

[0124] На фиг. 10А показан один из примеров осуществления pMUT-решетки, в которой каждый элемент pMUT снабжен тремя выводами. В этом варианте осуществления настоящего изобретения данная решетка состоит из 24 рядов, а каждый ряд состоит из 128 элементов. Аналогичным образом в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый столбец может состоять из 24 элементов, причем все элементы могут быть снабжены тремя выводами, а именно выводами О, X и Т. Например, электрод О для элемента в нижнем левом углу обозначен как О_0,127. Этот элемент может включать в себя два других электрода, а именно X и Т. Следует отметить, что все элементы в ряду могут быть соединены с проводником Х0, а все выводы Т могут быть соединены с ТО. Во время выполнения операции поляризации все выводы О могут быть соединены с 0 В; все выводы X могут быть соединены с отрицательным потенциалом -0 В; а все выводы Т могут быть соединены с положительным потенциалом +0 В. Что касается следующих рядов, то потенциалы для ряда 1 могут быть выше -1 В для X1 и +1 В для Т1 вплоть до того момента, пока для ряда R11 не будут поданы максимальные напряжения 11 В и -11 В. Напряжения для верхней половины рядов могут быть симметричны напряжениям нижней половины. В таких условиях смещения схема может быть поляризована при высокой температуре, составляющей около 175°С. На фиг. 10В показано, что после поляризации с целью обеспечения возможности визуализации все выводы X могут быть соединены друг с другом, а также с напряжением смещения, что также относится и ко всем выводам Т. Следует отметить, что напряжение для выводов X и Т может быть разным. При такой схеме расположения вследствие разной поляризации вдоль столбца может быть обеспечена аподизация в угломестном направлении, где утечка боковых лепестков в угломестной плоскости может быть сведена к минимуму. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения решетка преобразователя может также включать в себя всего два вывода в расчете на каждый элемент, например, вывод X и вывод О, а вывод Т может не использоваться.

[0125] На фиг. 11А представлено схематическое изображение, иллюстрирующее межсоединение двух элементов преобразователя со схемой 500 ASIC. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения два элемента 502 преобразователя располагаются на одной подложке 504 и соединяются со схемой ASIC, обладающей функциями передачи и приема и иными функциями, которая располагается на другой подложке 512. Вход усилителя 516 LNA соединен посредством переключателя 514 с выводом 510, который соединяет его с проводником сигналов преобразователя, т.е. выводом О. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения проводники 506 смещения подключены к схеме ASIC и далее выходят из ASIC для подключения к земле или иным напряжениям смещения. Они представляют собой выводы X преобразователей, которые могут быть соединены воедино с другими выводами X в преобразователе и ASIC. Схема 518 возбуждения передачи может управляться средством связи, внешним по отношению к ASIC на подложке 512, которое обозначено позицией 520. Она может быть также соединена с переключателем 514, который срабатывает на соединение в режиме передачи. Выход усилителя LNA и вход схемы возбуждения передачи, показанные на фиг. 11А, могут требовать наличия двух разных выводов. Предусмотрена возможность использования одного вывода за счет использования многократного переключателя, аналогичного переключателю 514. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения может быть предусмотрено соединение с выходом LNA для связи с внешней электроникой в режиме приема, а для режима передачи может быть предусмотрен выход схемы возбуждения передачи.

[0126] На фиг. 11В представлено схематическое изображение, иллюстрирующее некоторые функциональные возможности схемы ASIC. Функционально один столбец электронных средств может быть напрямую соединен с одним столбцом элементов pMUT, образуя составные линейные элементы большего размера. Следует понимать, что ASIC может содержать схемы для других столбцов или рядов и включать в себя другие вспомогательные схемы, которые не показаны. Следует также понимать, что фактически необходимый функционал может быть обеспечен при разной топологии схем, что должно быть очевидным для специалистов в данной области техники. Представленное изображение предназначено исключительно для иллюстрации самой идеи.

[0127] На фиг. 11В схематически показан пример реализации одного столбца схемы 600 ASIC. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения проводник 608 соединен с соответствующих проводником сигналов одного из элементов в pMUT-решетке, показанной на фиг. 8А-8В, а именно O31. Аналогичным образом элемент O21, показанный на фиг. 8А-8В, соединен с проводником 628, показанным на фиг. 11В. Схема 606 возбуждения передачи может быть соединена с проводником 608, показанным на фиг. 11В. Эта схема 606 возбуждения передачи может характеризоваться наличием переключателя 602, соединенного с ее входом и соединяющегося с выводом 616 (проводником сигналов для линейного элемента), который соединяется с входом других схем возбуждения передачи в этом столбце посредством переключателей в этом столбце. Переключатели могут управляться блоком 624 управления, который путем осуществления связи с внешним контроллером может определять, какой переключатель/переключатели должны быть активированы. Проводник 616 сигналов может быть также соединен с электроникой, реализуя формирователи луча передачи. Проводник 608 может быть также соединен с переключателем 604, а другая сторона переключателя 604 может соединяться с аналогичными переключателями в этом столбце (например, 622). Линия 614 может быть также соединена с входом малошумного усилителя (LNA) 618. Для каждого линейного элемента (или столбца) может потребоваться всего один LNA. Усилитель LNA может быть активирован в режиме приема блоком 624 управления, который также активирует одни переключатели (например, 604), отключая при этом другие переключатели (например, 602). При этом к LNA может быть подключен сигнальный электрод элементов pMUT (через соединение 608) для усиления полученного сигнала и его преобразования в выходное напряжение 620 с низким уровнем аддитивного шума. Следует отметить, что в режиме приема контроллер может также обеспечить переход схем возбуждения передачи в режим отключения, в котором их выходное полное сопротивление становится слишком высоким, чтобы быть помехой сигналу приема. В режиме передачи, когда не предполагается осуществление передачи пьезоэлементом, может быть активирован переключатель 610, а переключатели 602 и 604 отключены, гарантируя суммарное нулевое напряжение возбуждения на сигнале pMUT и электроде смещения для элементов, которые в режиме передачи не должны передавать сигналы. Со схемой ASIC также соединены линии X. Обратите внимание, что на фиг. 8А-8В показан только один электрод X смещения, хотя может быть предусмотрено множество электродов смещения. Например, на фиг. 9 приведен прием реализации с двумя электродами смещения (X и Т). В принципе, для всей решетки необходимо всего два соединения для подключения электродов Т и X, но для визуализации с высоким качеством изображения желательно обеспечить наличие большего количества таких соединений. Увеличение числа соединений для электродов Т и X между схемой ASIC и pMUT уменьшает импеданс в проводниках Т и X, соединенных в параллель с землей или источниками смещения, что уменьшает перекрестные помехи. Перекрестные помехи представляют собой смешивание сигналов одного элемента формирования изображения с сигналами другого элемента, что создает помехи и приводит к снижению качества изображения. Когда из-за тока, протекающего в линиях Т и X, происходит падение напряжения на пьезоэлементе, который в оптимальном варианте не должен подвергаться воздействию такого напряжения, может возникнуть паразитная электрическая связь. Когда пьезоэлемент не осуществляет передачу или прием с электронным управлением, электроды X, Т и О локально закорачиваются.

[0128] Для упрощения на фиг. 11В показано только соединение всего с одним из двух проводников смещения (X на фиг. 8А и 8В). Но следует понимать, что также существуют средства для подключения обоих выводов X и Т, поддерживающие pMUT-решетки аналогично тому, как это показано на фиг. 9.

[0129] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения проводник 612, показанный на фиг. 11В, может быть соединен с X, 302, показанным на фиг. 8В. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения проводник 613, показанный на фиг. 11В, может быть также соединен с X, 302, но в точках, расположенных ближе к 613, и т.д. Обратите внимание, что эти дополнительные межсоединения 613 и 615 не являются критически важными, ведь необходимо, по меньшей мере, всего одно соединение (или 612, или 613, или 615). На фиг. 11В также не показаны схемы, необходимые для подключения электродов Т, показанных на фиг. 9. Необходимые схемы могут быть аналогичны схемам, используемым для подключения электрода X.

[0130] На фиг. 11В показано, что для приемного выхода 620 и передающего входа 616 могут потребоваться два вывода. Но за счет использования мультиплексора для этой цели может быть также использован всего один вывод.

[0131] Линейный формирователь изображения, описанный в настоящем документе, может включать в себя множество столбцов пьезоэлементов, причем каждый столбец подключается к контроллеру посредством, по меньшей мере, сигнального вывода и выводов смещения. Строка возбуждается импульсами соответствующей частоты. Остальные строки возбуждаются запаздывающими версиями импульса. Величина задержки для определенной строки такова, что она позволяет отклонить передаваемый результирующий луч на определенный угол или сфокусировать его на определенной глубине путем выполнения операций, известных как лучеформирование.

[0132] Линейный формирователь изображения, показанный на фиг. 8 и 9, представляет собой устройство, конфигурируемое электронными средствами. Используя пример реализации решетки пьезоэлементов, в которой 24 элемента выстроены в одном направлении, а 64 элемента выстроены в ортогональном направлении (азимутальном направлении в этом примере), может быть создан 64-строчный формирователь изображения, в котором каждая строка состоит из 24 элементов. Однако этот размер может корректироваться электронными средствами с изменением количества элементов в каждой строке от 0 до 24, причем по азимуту может быть активировано любое количество строк из числа 64 строк.

[0133] Желательно, чтобы в формирователе 2D- или 3D-изображения визуализировался тонкий срез угломестной плоскости, как это показано на фиг. 12А и 12В. В этом конкретном варианте осуществления настоящего изобретения угломестное направление представляет собой ось уа в левой части рисунка. Угломестная плоскость 1201 находится в пределах плоскости ya-za. В этом же варианте осуществления настоящего изобретения азимутальная плоскость 1202, т.е. плоскость сканирования в контексте настоящего документа, проходит перпендикулярно угломестной плоскости. Как показано на фиг. 12В, механическая линза фокусирует лучи в угломестной плоскости, предотвращая их отклонение в сторону с формированием намного более толстого среза в угломестной плоскости и способствуя их попаданию на другие объекты в этом более толстом срезе по углу места с нежелательными отражениями, становясь частью принимаемого сигнала, что вносит дополнительные помехи в сигнал и ухудшает качество изображения.

[0134] Если луч выходит далеко за пределы расчетной толщины среза, потенциально он может попадать на мишени за пределами требуемого диапазона, и отражения от них будут создавать местные помехи в реконструированном изображении. Механическая линза, сформированная на поверхности преобразователя, может фокусировать лучи в угломестной плоскости до фиксированной толщины среза по углу места, как это показано на фиг. 12В, где эта толщина является минимальной в фокальной точке по углу места, как это показано на фиг. 12В, а также обозначена на фиг. 12А как фокальная точка в угломестной плоскости. Фокусирование электронными средствами при 2D-визуализации обеспечит более точную фокусировку в угломестной плоскости за счет динамической фокусировки на прием в зависимости от времени. В данном случае фокусное расстояние в угломестном направлении варьируется по мере того, как луч проходит вниз в сторону мишени, что дает в итоге изображение превосходного качества. Для 3D-визуализации неподвижная механическая линза не подходит, поскольку этот конкретный срез в угломестной плоскости не может быть отклонен или развернут до требуемого объема. Следовательно, фокусировка по углу места, регулируемая электронными средствами, является предпочтительным вариантом.

[0135] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения это достигается за счет разбивки преобразователя на ряд разных полос. Как показано на фиг. 13А, в одном конкретном варианте осуществления настоящего изобретения преобразователь с множеством преобразовательных элементов организован в виде столбцов числом N, причем каждый столбец содержит М рядов преобразовательных элементов. Ряды элементов могут быть разбиты на полосу А, включающую в себя первое число рядов, причем полоса А содержит до N столбцов; полосу В, включающую в себя второе число рядов, которые образуют центральную секцию рядов, причем каждый ряд содержит до N столбцов; и полосу С, включающую в себя нижнюю секцию рядов с количеством столбцов, достигающим числа N. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждая из полос может выбираться для возбуждения по отдельности, причем столбцы в каждой полосе возбуждаются все вместе схемой/схемами возбуждения передачи. Полосы А, В и С могут не перекрываться с соседней полосой/полосами. В альтернативном варианте полосы могут перекрываться некоторыми своими рядами и столбцами с соседней полосой. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения все эти полосы охватывают все столбцы преобразовательных элементов числом N и их ряды числом М. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, где предусмотрено программирование электрическими средствами, указанные полосы все вместе могут охватывать лишь часть решетки преобразователей размерами М на N.

[0136] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения верхняя секция А организована таким образом, что все элементы в этой секции возбуждаются схемой/схемами возбуждения передачи, предназначенными для столбца, в котором располагается элемент/элементы. В этом варианте осуществления настоящего изобретения во время выполнения операции передачи N схем возбуждения передачи с уникальными задержками, возбуждающие N-oe число составных столбцов (каждый составной столбец может включать в себя элементы из рядов полосы/полос А, или В, или С), используются для фокусировки ультразвукового луча в азимутальной плоскости 1202. Во время операции приема отраженный сигнал, который попадает в секцию А, подвергается лучеформированию с получением строк развертки A1, А2, A3 и т.д., как это показано на фиг. 14. Как можно видеть на фиг. 14, три полосы элементов PMUT обозначены литерами А, В и С. Эти полосы включают в себя ряды элементов PMUT, которые при возбуждении элементов в столбце общей схемой возбуждения передачи содержат N схем возбуждения для N столбцов (т.е. отдельную схему возбуждения для каждого столбца из числа N столбцов). При передаче и приеме с использованием полосы А могут быть сформированы строки развертки A1, А2 и т.д. Из секции В могут быть сформированы строки развертки B1, В2 и т.д.; а из секции С могут быть сформированы строки развертки C1, С2 и т.д. Теперь, используя данные, считанные с трех секций, выполняется еще одна фокусировка, на этот раз в угломестном направлении с использованием уникальных задержек в отношении данных с секций А, В и С по аналогичной технологии, которая была использована ранее для фокусировки лучей в азимутальной плоскости с применением задержек вдоль схем возбуждения в столбце. Этот процесс может рассматриваться как двухступенчатое лучеформирование, где первая ступень предусматривает развертывание строк развертки из секций А, В и С, а вторая ступень использует эти данные для развертывания фокусировки в угломестной плоскости. Фокусировка по углу места обеспечивается в приемнике за счет применения задержек в цифровом формате. Эта технология не только обеспечивает фокусировку в угломестной плоскости, но также позволяет динамически изменять фокус. В этом случае фокусное расстояние может корректироваться в зависимости от времени, обеспечивая возможность перемещения фокуса в угломестной плоскости вместе с ультразвуковым лучом.

[0137] Хотя процесс, описанный в привязке к фиг. 13А и 14, может потребовать трех передач и приемов, первая и вторая передача и прием сигналов от секций А и С могут быть объединены в одну операцию. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения обеспечена возможность одновременной передачи, как из верхней части, так и из нижней части преобразователя, где задержки в верхней части и нижней части столбца являются идентичными. Вторая передача осуществляется из центральной части с задержками, отличающимися от задержек, которые используются при первой и/или второй передаче.

[0138] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения верхняя секция, центральная секция и/или нижняя секция могут быть разбиты на одну или более подсекций, каждая из которых содержит некоторое количество рядов для передачи импульсов и приема сигнала. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждая подсекция может быть использована для формирования множества строк развертки аналогично тому, как это описано в настоящем документе.

[0139] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения решетка элементов преобразователя может быть разделена на более чем три полосы, например, на 4, 5, 6, 7 и более полос. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения строки развертки в каждой полосе могут развертываться последовательно или одновременно. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения при одновременной передаче обеспечивается получение строк развертки из полос, симметричных центральной полосе. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения задержки для элементов в одном и том же столбце идентичны для секций, приводимых в действие одновременно.

[0140] Фокусировке по углу места может также способствовать дополнительное применение более низкой амплитуды напряжения для части двух внешних секций преобразователя относительно остальных частей преобразователя.

[0141] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения для каждого элемента всех столбцов реализуется уникальная программируемая задержка в угломестном направлении. Допустим, что все N столбцов принимают сигналы возбуждения, которые идут с задержкой относительно друг друга. При этом могут генерироваться дополнительные задержки, еще больше увеличивающие задержку вдоль столбца элементов, причем каждый элемент в столбце может характеризоваться задержкой, отличной от задержки для соседнего/соседних элементов в том же столбце. Один из примеров профиля задержки показан на фиг. 18В. Задержка для всех столбцов в угломестном направлении может быть одинаковой. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения задержка симметрична, причем ее максимум приходится на центральный элемент при фокусировке в угломестной плоскости. Величина, на которую отличается задержка для внешнего и центрального элементов, определяет фокусное расстояние.

[0142] Профиль задержки согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения показан на фиг. 18В, где относительная задержка на краевых элементах столбца может быть обозначена как 0 RD или составлять 0 нс. Для элементов в рядах от 1 до R22 эта задержка относительно задержки в ряду 0 может быть обозначена как α₁RD и так далее, как это показано на фиг. 18В, если желательно, чтобы задержки были симметричны относительно центрального элемента. Относительная задержка (RD) программируется как α₁, α₂ и т.д. Следовательно, профиль задержки может складываться вдоль столбца, где задержка может соотноситься с задержкой на краю столбцов. Следует отметить, что профиль относительной задержки может быть идентичен для других элементов столбца. В других вариантах осуществления настоящего изобретения профиль задержки может быть асимметричным относительно центрального элемента, и он может быть запрограммирован произвольным образом. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения задержка варьируется в пределах 25-1000 нс. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть запрограммированы разные диапазоны задержки в пределах 10-5000 нс. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения задержка лежит в пределах 50-500 нс.

[0143] Процедура получения строки развертки с использованием систем и способов согласно некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения, показана на фиг. 15. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения отраженный сигнал принимается преобразователем, после чего этот сигнал преобразуется в напряжение и усиливается, а затем оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя (ADC). Эти принимаемые сигналы также известны как RF-сигналы (сигналы радиочастотного диапазона). Эти RF-сигналы могут задерживаться на величину τ_n (например, τ₁, τ₂, τ₃, τ₄…) и суммироваться для формирования строк развертки, например, A1, А2 и т.д., как это показано на фиг 14. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения сигналы задерживаются и взвешиваются с коэффициентами, а затем суммируются, формируя строки развертки.

[0144] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения при фокусировке луча в направлении приема используется более одного RF-сигнала в азимутальном направлении (Y), например, S1, S2 и т.д., которые представляют собой оцифрованные выходные выборки, известные как RF-сигналы. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения RF-выборки задерживаются, например, с профилем задержки в направлении Y, а результирующий сигнал может быть взвешен и суммирован для получения строки развертки.

[0145] Как показано на фиг. 14, при последовательных операциях по передаче и приему могут быть получены строки развертки А1 и А2 и дополнительные строки развертки с использованием секции А. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения кадр изображения может включать в себя множество строк развертки, например, 100 или даже больше для получения точного скана визуализируемой целевой области. Аналогичная процедура может быть использована для получения строк развертки с использованием секции В и секции С. Строки развертки из секций А, В и С развертываются с использованием формирователя луча первого уровня, причем этот формирователь луча создает строки развертки с помощью определенного алгоритма, который в описываемом варианте осуществления настоящего изобретения использует способ задержки и суммирования сигналов, описанный выше. Затем используется синтетическая апертура, формирователь луча второго уровня, для обеспечения фокусировки в угломестной плоскости, как это показано на фиг. 16. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения эти передачи фокусируются по одному углу места (0 градусов, 10 градусов, 20 градусов, 30 градусов и т.д.), что уменьшает местные внеплоскостные помехи за пределами угломестной плоскости и способствует получению изображения более высокого качества.

[0146] В одном из конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения, который проиллюстрирован на фиг. 16, при фокусировке/лучеформировании второй ступени используются данные луча (т.е. данные строки развертки), полученные от: A1, В1 и С1; А2, В2 и С2; A3, В3 и С3; и т.д., которые задерживаются, взвешиваются и суммируются для получения итогового выходного луча, обеспечивая фокусировку в угломестной плоскости. В этом варианте осуществления настоящего изобретения ось X является осью наклона.

[0147] В отличие от механических линз, описанных в настоящем документе, при использовании синтетических линз фокусное расстояние может быть запрограммировано в формирователе луча электронными средствами. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения описываемый процесс может потребовать ряд передач и приемов (например, одну передачу и прием с N-ого числа строк для формирования строки развертки А1) для формирования строки развертки из любых секций преобразователя, например, секций А, В и С. Для формирования кадра требуется R строк развертки, сканирующих всю визуализируемую область. Кроме того, в этом случае необходимы три отдельных кадра А, В и С. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения желательна высокая частота смены кадров в изображении. Кадр может включать в себя множество строк развертки. При этом если количество передач и приемов может быть уменьшено, а количество строк развертки, которые могут быть развернуты, остается прежним, то частота смены кадров будет увеличена. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения увеличенная частота смены кадров может быть обеспечена путем объединения передачи и приема с двух секций (например, А и С). Поскольку эти области симметричны относительно центральной области, потребные задержки, как это показано на фиг. 15, могут быть идентичными для областей А и С. За счет объединения этих двух областей в единую комбинированную область для передачи и приема сигналов частота смены кадров может быть увеличена на 150%. Центральная область В может потребовать задержки, отличные от тех, которые используются при первой передаче для областей А и С. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения вдоль азимутальной плоскости формируются строки развертки, такие как А1, B1, С1 и прочие строки подобного рода. Во время выполнения второй операции лучеформирования могут быть использованы данные формирователя луча первого уровня, и за счет применения методик, аналогичных тем, которые проиллюстрированы на фиг. 15 и 16, может быть обеспечена фокусировка в угломестной плоскости. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения 2D-сканирование может начаться с одной стороны полосы, например, со столбца N, и завершиться на другом конце, например, на столбце 1. Таким образом, кадр А может быть получен путем развертывания лучом строк A1, А2, AN… по порядку. Следуя этой последовательности для кадра В, который представляет собой кадр, следующий по времени за кадром А, может двигаться и мишень. Для минимизации влияния двигательных артефактов лучеформирование может осуществляться путем чередования строк развертки для разных кадров, таких как A1, В1, С1, А2, В2, С2 и т.д. Когда А и С объединены таким образом, что операции по передаче и приему могут выполняться одновременно, объединенная область, включающая в себя области А и С, может называться областью D, а строки развертки D1, D2 и т.д. Примером последовательности развертки, не носящим ограничительного характера, может служить такая последовательность, как D1, B1, D2, В2 и т.д. Это может способствовать минимизации чувствительности к движению визуализируемой мишени.

[0148] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения количество рядов, используемых для формирования секций А, В и С, может быть запрограммировано. Количество рядов может корректироваться в зависимости от того, какие анатомические органы визуализируются, и оно может быть задано с использованием уставок в интерфейсе пользователя, например, на основании анатомических данных или информации о пациенте.

[0149] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения электронная синтетическая линза обеспечивает динамическую фокусировку и динамическую регулировку апертуры. Например, в ближней зоне весовые значения для А и С могут быть минимальными и постепенно увеличиваться с глубиной, что приводит к изменению апертуры.

[0150] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения во время передачи и приема секции (например, А и С) подвергаются аподизации. Аподизация может обеспечиваться за счет широтно-импульсной модуляции (PWM) колебательного сигнала возбуждения передачи (Тх). Неаподизированный импульс возбуждения характеризуется номинальной длительностью импульса. При изменении длительности импульса, например, при ее уменьшении, звуковое давление на выходе pMUT может быть уменьшено. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения аподизация представляет собой схождение на нет весовых значений элементов по мере их отхождения от центра преобразователя к его краям. Это может уменьшить боковые лепестки и обеспечить получение изображений более высокого качества. Применяя аподизацию к описанной процедуре, можно уменьшить потери сигналов за пределами угломестной плоскости. На фиг. 10A-10В показан иллюстративный вариант реализации аподизации в угломестном направлении с использованием pMUT-решетки. Каждый элемент pMUT в решетке снабжен тремя выводами. В этом варианте осуществления элементы pMUT могут быть запрограммированы с варьирующейся интенсивностью поляризации. Решетка pMUT, например, показанная на фиг. 10А, может быть поляризована с использованием разных направлений поляризации для мембран, контролирующих пьезоматериал, и разной интенсивности поляризации в расчете на каждый ряд. На фиг. 10В приведены примеры соединений смещения решетки после поляризации. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения этот же принцип применим к элементам pMUT, снабженных двумя выводами, например, выводом О и выводом X.

[0151] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения аподизация может быть обеспечена за счет использования многоуровневого возбуждения передачи, например, 3-, 5- или 7-уровневого возбуждения. Выбирая разные уровни сигнала возбуждения, можно обеспечить аподизацию за счет подачи сигналов возбуждения передачи с варьирующейся амплитудой, где амплитуда сигнала для элементов, располагающихся ближе к краю, будет меньше, чем для центральных элементов преобразователя. В этом примере все элементы во внешних рядах могут характеризоваться меньшим напряжением возбуждения в сравнении с элементами в центральных рядах, и благодаря цифровому декодированию и выбору могут быть доступны определенные уровни возбуждения для формирования многоуровневых выходных сигналов. Пример трехуровневого декодирования приведен на фиг. 22.

[0152] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения аподизация реализуется за счет использования по краям пьезоэлектрических элементов меньшего размера в сравнении элементами по центру апертуры преобразователя.

[0153] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения преобразовательные элементы располагаются, как это показано на фиг. 13А, в верхней секции А, нижней секции С и средней секции В. Как можно видеть на фиг. 13В, в каждой из этих секций, т.е. секций А, В и С, два соседних элемента в ряду электрически соединены друг с другом при выполнении операции передачи и/или приема, по существу преобразуя N-строчный (строки в данном случае эквиваленты столбцам) преобразователь в N/2-строчный преобразователь. Во время выполнения операции передачи верхняя и нижняя секции каждой строки могут быть подключены к одному каналу, а средняя секция - к другому каналу. Таким образом, для обслуживания N/2 строк необходимо N каналов. Во время выполнения операции передачи могут приводиться в действие все элементы, и за счет использования всех элементов преобразователя может создаваться максимальное давление передачи. Фокусировка в азимутальном направлении может обеспечиваться путем изменения каналами передачи относительной задержки между строками или столбцами. Во время выполнения операции приема элементы могут быть соединены так, как это показано на фиг. 13В, и они могут фокусироваться в азимутальном направлении. Фокусировка по углу места может осуществляться с использованием операции лучеформирования с использованием результатов формирователя луча первого уровня, как это было описано в привязке к фиг. 13А. Операции по передаче и приему с использованием преобразовательных элементов, подключенных так, как это показано на фиг. 13В, могут иметь преимущество перед одной операцией по передаче и приему с использованием всего преобразователя для обеспечения максимального отношения «сигнал - шум» и высокой частоты смены кадров. Отношение «сигнал - шум» может быть выше, чем в случае, который проиллюстрирован на фиг. 13А, причем каждая из полос может выбираться для возбуждения по отдельности, а столбцы в каждой полосе совместно используют одну и ту же схему/схемы возбуждения передачи, поскольку задействованы все элементы. Кроме того, двигательные артефакты могут быть уменьшены скорее с помощью преобразователя, показанного на фиг. 13В, чем с помощью преобразователя, показанного на фиг. 13А.

[0154] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения в угломестном направлении могут генерироваться программируемые задержки для одного или более столбцов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что если все столбцы числом N принимают сигналы возбуждения, которые идут с запаздыванием относительно друг друга, то могут генерироваться дополнительные задержки, еще больше увеличивающие запаздывание для элементов в том же столбце. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый элемент в столбце может характеризоваться задержкой, отличной от задержки соседнего элемента/элементов в этом же столбце. Пример профиля задержки приведен на фиг. 18В. Эффективная задержка для элемента τ_i,j решетки может представлять собой сумму групповой задержки столбца, τ_j, и задержки отдельного ряда, τ_i, что имеет следующий вид:

, где в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения задержка τ_j, τ_i, может быть определена следующим образом:

[0155] В уравнениях (1)-(3) фокальная точка на передачу находится в положении (х, у, z), и для элемента в положении x_j, y_i задержки могут быть рассчитаны независимо друг от друга. Переменная с обозначает принятую скорость звука в среде распространения. Следует отметить, что в случае идеальной нераздельной фокусировки задержка для преобразовательного элемента, τ_i,j, может быть рассчитана следующим образом:

Следует отметить, что в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения допущение о разделяемости задержек по азимуту и углу места не является безупречным, и самые большие погрешности в профиле задержки наблюдаются на внешних элементах апертуры фокусировки. Однако для вариантов осуществления с малыми углами отклонения и/или большим отношением «f/число» (где «f/число» представляет собой отношение фокусного расстояния к диаметру апертуры) это допущение о разделяемости может обеспечить удовлетворительные результаты и легкость реализации электронными средствами.

[0156] Задержка для всех элементов столбца в угломестном направлении (например, одного и того же ряда) может быть одинаковой. Эта задержка может быть симметричной, причем своего максимума она достигает по центру при фокусировке в угломестной плоскости. Величина задержки может определять фокусное расстояние.

[0157] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения может быть реализована программируемая задержка в угломестном направлении для всех столбцов. Допустим, что столбцы числом N принимают сигналы возбуждения, которые идут с запаздыванием относительно друг друга. При этом могут генерироваться дополнительные задержки, еще больше увеличивающие запаздывание вдоль элементов в столбце, где каждый элемент в столбце может характеризоваться задержкой, отличной от задержки соседнего элемента в том же столбце. Также могут быть обеспечены асимметричные задержки относительно центрального элемента в столбце. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения желательно обеспечить отклонение лучей в угломестной плоскости, причем задержки для элементов в столбце должны генерироваться таким образом, чтобы каждый элемент столбца характеризовался фиксированным шагом приращения задержки относительно соседнего элемента.

[0158] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы программируемые задержка в угломестном направлении, причем эти задержки могут представлять собой сумму двух задержек, например, грубой линейной задержки и точной произвольной задержки. Грубая линейная задержка для элементов в столбце может также оказаться полезной для отклонения лучей. Для отклонения луча элемент в нижней части столбца может характеризоваться запаздыванием в поперечном направлении относительно элемента в верхней части столбца, причем элементы, располагающиеся между указанными элементами, характеризуются линейно интерполируемыми задержками. Задержки увеличиваются при увеличении углов отклонения. Кроме того, точные задержки вдоль элементов в столбце могут быть полезны для фокусировки луча в угломестном направлении. Например, луч может быть сфокусирован, если для центрального элемента в строке значения задержек будут более высокими и симметрично уменьшающимися с обеих сторон центрального элемента. Небольшие значения задержек дают лучи с более длинным фокусным расстоянием (например, в десятки наносекунд), а большие значения задержек дают лучи с более коротким фокусным расстоянием (например, от сотен наносекунд до микросекунды). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что если все столбцы числом N принимают сигналы возбуждения, которые идут с запаздыванием относительно друг друга, то могут генерироваться задержки по углу места, еще больше увеличивающие запаздывание вдоль элементов в столбце, причем каждый элемент в столбце может запаздывать с двумя задержками, например, грубой и точной задержкой, причем грубая задержка может быть линейной между соседними элементами, а точная задержка может быть произвольной между соседними элементами. Линейная задержка вдоль элементов столбца может варьироваться от столбца к столбцу, равно как и точная задержка вдоль элементов столбца может варьироваться от столбца к столбцу. Следовательно, эффективная задержка для элемента τ_i,j решетки может представлять собой сумму групповой задержки столбца, τ_j, линейной грубой задержки ряда, τ_i,coarse, и точной задержки ряда, τ_i,fine, что имеет следующий вид:

где величины τ_j, τ_i,coarse и τ_i,fine могут быть рассчитаны следующим образом:

[0159] В уравнениях (5)-(7) фокальная точка на передачу находится в положении (х, у, z), и для элемента в положении x_j; y_i задержки могут быть рассчитаны независимо друг от друга. Переменная с обозначает принятую скорость звука в среде распространения. В уравнении (6) параметр y_min может быть рассчитан путем проецирования фокальной точки (х, у, z) на 20-плоскость преобразователя и расчета положения ряда преобразователя с минимальным расстоянием до спроецированной фокальной точки. Крутизна грубой задержки, Δτ, может быть рассчитана таким образом, чтобы точная задержка могла быть использована для точного приближения к идеальным 2D-задержкам.

[0160] Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что описанная выше методология для расчета задержек может обеспечивать еще более точное приближение к задержкам 2D-фокусировки уравнения (4) в сравнении с раздельными задержками по осям X-Y, указанными выше. Более точное вычисление задержек может происходить за счет того, что для него дополнительно требуются тактовые импульсы грубой задержки, тактовые импульсы точной задержки и несколько большее число битов регистра для реализации разных задержек по столбцам. Однако этот способ легче реализовать в интегральной схеме, чем полностью произвольную задержку в двух измерениях с точными тактовыми задержками и установлением межсоединений для каждого отдельного элемента.

[0161] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения расположенный каскадом ряд двухпозиционных реле коммутирует тактовые импульсы, поступающие в столбец от формирователя Тх луча с соответствующей задержкой. Эта задержка может быть затем распространена в столбце другим генератором тактовых импульсов, частота которого программируется, но синхронизирована с тактовым генератором Тх, который генерирует задержку для различных схем возбуждения в столбце. Что касается симметричной задержки относительно центрального элемента в столбце, цепь двухпозиционных реле, генерирующих задержки, заканчивается в центральном элементе столбца, причем профиль задержки может быть симметричным относительно центра, как это показано на фиг. 19. Задержки, генерируемые двухпозиционными реле, могут направляться в надлежащие точки так, что элемент в ряду 0 характеризуется такой же задержкой, что и элемент в последнем ряду, элемент во втором ряду характеризуется такой же задержкой, что и второй с конца элемент на верхней стороне, и т.д.

[0162] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения задержки между соседними элементами в столбце могут быть линейными. Результаты, представленные в Таблице 1, и графики угломестных лучей, представленные на фиг. 23А, демонстрируют эффект использования линейного профиля задержки по углу места в сравнении с параболическим профилем. Результаты, представленные в Таблице 1, дают количественную оценку углам раствора луча (при -3 дБ и -10 дБ) на однонаправленных графиках, показанных на фиг. 23А. Как показано на фиг. 23А, в одном из конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения рассматриваются пять разных вариантов реализации фокусировки по углу места для 2D-решетки преобразователя: 1) Без фокусировки по углу места; 2) Идеальная 2D-фокусировка; 3) С линейными задержками; 4) С кусочно-линейными задержками; и 5) Разреженная аподизация. В варианте с линейными задержками задержки между соседними элементами вдоль столбца могут быть фиксированными относительно друг друга, а профиль задержки по углу места может быть симметричным относительно центра решетки, хотя это условие не является обязательным. В варианте с кусочно-линейными задержками профиль задержки может быть разбит, по меньшей мере, на три сегмента, причем соседние элементы в заданном сегменте характеризуются фиксированной задержкой относительно друг друга. Этот способ позволяет улучшить аппроксимацию параболического профиля задержки за счет включения множества линейных сегментов задержки. Способ разреженной аподизации позволяет уменьшить число активных элементов в сравнении с другими способами за счет активации и деактивации элементов таким образом, чтобы решетка функционировала аналогично 1,5D-решетке на передачу. Один из примеров такого способа разреженной аподизации приведен на фиг. 23В. Следует отметить, что при таком подходе может быть уменьшено выходное давление в сравнении с вариантом полной апертуры. Примеры разных углов отклонения преобразователя представлены на фиг. 44.

[0163] Результаты, представленные в Таблице 1, иллюстрируют углы раствора луча -3 дБ и -10 дБ для графиков угломестных лучей с отклонением 0° по азимуту. Эти результаты говорят о том, что способ с линейными задержками более эффективен, чем без фокусировки по углу места, и он может обеспечивать характеристики, схожие с теми, которые были получены при использовании способа идеальной 2D-фокусировки. Способ с кусочно-линейными задержками ожидаемо оказался еще более эффективным в части получаемых углов раствора луча в сравнении с линейным способом, В части получаемых углов раствора луча способ разреженной аподизации более эффективен, чем без фокусировки по углу места, но он не так эффективен как линейные способы. Причина недостаточной эффективности способа разреженной аподизации, скорее всего, обусловлена тем фактом, что шаг вдоль «рядов» разреженной решетки уменьшен в сравнении с другими способами. Результаты по графикам угломестных лучей, показанным на фиг. 23А, говорят о том, что графики лучей при использовании способов с линейными задержками и кусочно-линейными задержками аналогичны графику при использовании способа 2D-фокусировки луча до -15 дБ. Способ разреженной аподизации дает асимметричный график лучей из-за боковых смещений рядов, причем при использовании этого способа образуются боковые лепестки самого большого размера из всех рассмотренных способов. Эти способы также обеспечивают стабильность при боковом отклонении от оси (правый рисунок на фиг. 23А). Эти результаты указывают на то, что описанные выше способы задержек по углу места электронными средствами являются подходящей альтернативой визуализации с использованием фазированной решетки и линейной решетки в бюджетных системах ультразвуковой визуализации с питанием от аккумуляторных батарей.

[0164] В Таблице 1 показаны результаты фокусировки по углу места при использовании различных профилей задержки или результаты без фокусировки по углу места. Эти результаты дают количественную оценку результатам, представленным на графиках лучей с отклонением в 0° в азимутальном направлении, которые показаны на фиг. 23А. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый элемент в столбце снабжен специально выделенной схемой возбуждения передачи. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый привод элемента включает в себя цепь задержки, приводимую в действие генератором тактовых импульсов, например, ТхВ Clk. Цепь задержки в одном из вариантов осуществления содержит множество двухпозиционных реле, показанных на фиг. 17А. Двухпозиционные реле (например, DFF1, DFF2, DFF3, DFF4 и т.д.) характеризуются цифровым вводом, начинающимся в нижней части столбца, например, в ряду 0. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения ТхА представляет собой цифровой бит, генерируемый формирователем луча на передачу. Формирователь луча на передачу может содержать схемы, которые обеспечивает множество цифровых битов в расчете на канал. Как показано на фиг. 17А, используются два бита на канал. Один цифровой бит обозначен как ТхА. Другой бит обозначен как ТхВ. Для ТхВ или любых дополнительных битов могут быть использованы схемы, идентичные тем, которые прикреплены к ТхА, например, показанные на фиг. 17А. Эти два бита могут быть закодированы для определения уровней напряжения возбуждения в схемах возбуждения передачи, как это показано на фиг. 39В. В данном случае ТхА и ТхВ представляют собой цифровые сигналы, которые могут быть закодированы для определения уровней сигнала на выходе схемы Тх возбуждения передачи. Например, если обе величины ТхА и ТхВ равны нулю, или выходной уровень является общим (Common), то сигнал заземляется; если ТхА=1, а ТхВ=0, то выходной сигнал будет высоким (HI). Это может быть положительное напряжение в 5 В или 10 В или, в случае необходимости, положительное напряжение с другим значением. Если ТхА=0, а ТхВ=1, то выходной сигнал становится низким (LO) или составляющим -5 В или -10 В, например, когда величина Common равна 0 В. Сигналы ТхА и ТхВ могут генерироваться в формирователе Тх луча с помощью высокоскоростного генератора тактовых импульсов, обозначенного как ТхВ CLK, который в одном из предпочтительных примеров реализации может представлять собой генератор 200 МГц. Выходные сигналы с задержкой на выходе импульсного генератора Тх могут быть использованы для отклонения или фокусировки ультразвуковых лучей так, как это показано на фиг. 18А. В данном случае предполагается, что в линейном формирователе изображения все элементы в строке характеризуются одинаковой задержкой. Каждый элемент строки может содержать два бита (например, ТхА и ТхВ), передаваемых формирователем Тх луча. Биты для следующих строк будут другими, и они могут задерживаться в зависимости от необходимости отклонения или фокусировки луча. Эти задержки, выдаваемые формирователем Тх луча, могут быть предусмотрены вдоль азимутальной оси, и они могут отклонять или фокусировать луч в аксиальном направлении. Однако задержки могут быть также необходимы и в угломестном направлении для отклонения или фокусировки луча в угломестной плоскости. Это может потребовать раздельных задержек для элементов в столбце. Один из примеров осуществления приведен на фиг. 17А. Биты ТхА и ТхВ поступают из формирователя Тх луча в столбце. В каждом ряду располагаются двухпозиционные реле DFF1-DFFN, где величина N составляет от 1 до 16 или 32 или еще больше, если это необходимо. Входной контакт 1 реле DFF1 может быть соединен с ТхА или ТхВ. Контакт 1 двухпозиционных реле может быть соединен с генератором тактовых импульсов, которые обозначены как clkhi, и которые генерируются цифровым делителем с генератором ТхВ тактовых импульсов в качестве его входа. Деление осуществляется путем деления на величину М, где для определения значения М может быть использована цифровая входная шина, обозначенная как Div Control и показанная в данном случае в виде 8-битной шины в качестве примера, не носящего ограничительного характера. Двухпозиционные реле DFF1-DFFN, создающие задержки для входных сигналов ТхА/ТхВ, показаны на фиг. 17А, где А, В и С представляют собой запаздывающие версии ТхА и ТхВ. Их выходы могут быть соединены с MUX, который выбирает один из этих входных сигналов в качестве своего выходного сигнала, причем этот выбор может выполняться с использованием декодера, управляемого SELO, SEL1 и т.д., которые могут включать в себя F битов. Например, для ряда 0 предусмотрено, что если все F биты равны нулю, то в качестве выхода для MUX выбирается вход порта, маркированный единицей. В случае, когда в качестве выходного сигнала выбирается ТхА, предусмотрено, что если значением F является двоичная единица, то будет выбран порт, маркированный единицей, и А будет соединен с выходом MUX. Эти цифровые выходные сигналы, по два в расчете на канал в данном случае, могут быть затем декодированы так, как это показано на фиг. 22, и использованы для возбуждения выходного сигнала импульсного генератора. Эта схема может обеспечивать точные задержки относительно входящих задержек по битам ТхА и ТхВ для элементов в столбце. Кроме того, эти задержки могут быть уникальными для элементов в столбце. На фиг. 17В приведен один из иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения, где для элементов в столбце могут быть также добавлены грубые задержки. В данном случае может быть предусмотрен другой делитель, который осуществляет деление на величину N. Может быть предусмотрен входной генератор ТхВ CLK тактовых импульсов, где величина М меньше или равна величине N, и эти величины представляют собой целые числа. Выход этого делителя, clklo, может быть соединен с входом реле DFF, как это показано на фиг. 17В. В данном случае ТхА или выходной сигнал реле DFF (представляющий собой запаздывающую версию ТхА) может быть соединен с MUX, а если выбрана не запаздывающая версия сигнала, подаваемого на элемент в ряду 0, то он может быть затем соединен с контактом 2 реле DFF в ряду 1. Если элемент в ряду 1 требует задержки, то MUX в ряду 1 может выбрать запаздывающую версию (выходной сигнал контакта 3 реле DFF). Эта может быть повторено для следующего элемента. В данном случае задержка может быть добавлена для всех элементов в столбце, за исключением элемента в ряду 0. Эта линейная задержка, применимая к элементам в столбце, может способствовать отклонению луча. Схемы, показанные на фиг. 17А и 17В, могут быть также объединены для придания точной задержки и грубой задержки всем элементам в столбце. Например, это может быть осуществлено путем добавления схем к INT_ТХА @ Ряд 0 и аналогичным узлам в других рядах, куда могут быть вставлены схемы точной задержки, показанные на фиг. 17А, для добавления точных задержек к этим выходным сигналам, которые уже идут с запаздыванием, которое задается генератором грубых задержек. На фиг. 17С представлен один из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения для реализации грубой и точной задержки для каждого элемента в столбце. Биты ТхА и ТхВ обозначены как подключения ТхА/В к контакту 1 для MUX 1. Если этот вход выбран элементом управления, обозначенным как UP, то на выходе MUX 1 появляется ТхА/В. Этому сигнала может быть затем придана задержка реле DFF а с использованием elk_lo. После этого выход двухпозиционного реле может стать доступным для MUX 2, и если этот вход выбран MUX 2 (с использованием такого элемента управления, как no_lin_delay), то выход MUX 2 соединяется с DFF1-N аналогично тому, как это показано на фиг. 17А. Такое схемное решение может обеспечить точную задержку. Если двигаться дальше вверх от выхода DFF а в сторону MUX, аналогичного MUX 1, но для следующего ряда, то этому сигналу может быть затем придана задержка, которая задается подключенным к нему двухпозиционным реле DFF. Этот же процесс может повторяться в вертикальном направлении для других рядов. Это может обеспечивать линейную задержку сигналов для элементов в восходящем направлении вдоль столбца, например, от ряда 0 к другим рядам. В каждом ряду реле DFF1-N может добавлять точную задержку для элементов в столбце. Второй вход MUX 1 и аналогичных MUX для всех рядов может быть использован для задержки сигналов по линейному закону, начиная с минимальной задержки в верхней части и заканчивая максимальной задержкой в нижней части (ряд 0). При этом ТхА/В также может соединяться с контактом 2 клона MUX 1 в последнем ряду. Таким образом, за счет использования элемента управления с маркировкой UP на MUX 1 (и его эквивалентов в других рядах) задержка может возрастать в направлении снизу вверх или наоборот.

[0165] На фиг. 21 показаны формы сигнала импульсного генератора, т.е. выходного сигнала схемы возбуждения передачи после задержки и декодирования для фокусировки по углу места, где величина Р1 обозначает выходной сигнал схемы возбуждения передачи для элемента 1 с одной задержкой; величина Р2 относится к варианту с двумя задержками, приданными элементу 2; а величина Р4 обозначает выходной сигнал схемы возбуждения передачи элемента 4 с четырьмя задержками. В этом случае показана только грубая задержка вверх по столбцу, а точная задержка не показана.

[0166] На фиг. 18В показана относительная задержка для элементов в столбце. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения величина задержки определяет фокусное расстояние. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения начальная задержка для всех столбцов может быть разной, и она задается в зависимости от потребной фокусировки вдоль азимутальной оси. Задержка вдоль угломестной оси может быть произвольной. Например, задержка может возрастать линейно в направлении от нижнего ряда к верхнему ряду преобразователя. В этом случае луч может отклоняться в угломестном направлении. Если задержка симметрична относительно центрального элемента, то фокусировка осуществляется в угломестной плоскости. Также возможны и многие другие профили задержки, которые обеспечивают возможность фокусировки и отклонения среза по углу места.

[0167] На фиг. 19 приведены неограничивающие примеры формы импульсов возбуждения передачи, подаваемых на пьезоэлектрические элементы вдоль столбца преобразователя. В этом варианте осуществления преобразователь содержит 24 пьезоэлектрических элемента в столбце. Элемент Р0 представляет собой пьезоэлектрический элемент в определенном столбце (например, в столбце 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 и т.д.) в ряду 0; элемент Р1 представляет собой пьезоэлектрический элемент в том же столбце, что и элемент Р0, но в ряду 1; элемент Р11 располагается в том же столбце, но в ряду 11; элемент Р22 располагается в ряду 22, а элемент Р23 - в ряду 23. В этом варианте осуществления на элемент Р0 подается один импульс с определенной частотой. Такой же импульс подается на элемент Р1, но с задержкой t01 относительно Р0. Аналогичным образом такой же импульс поступает на элемент Р11 с задержкой t₀₁₁, которая больше задержки t₀₁. В этом варианте осуществления задержки характеризуются симметрий относительно центрального элемента Р11. Это означает, что период повторения импульсов для Р23 и Р0 по существу одинаков, период повторения импульсов для Р1 и Р22 по существу одинаков и т.д., как это показано на фиг. 19. В некоторых вариантах осуществления заявленного изобретения импульс (его длительность, величина, форма и/или частота) в контексте настоящего документа одинаков для всех элементов в одном и том же столбце. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения относительная задержка и частота импульсов в контексте настоящего изобретения одинаковы для всех элементов в двух рядах столбца, или же начальная задержка для первого элемента в столбце может отличаться от задержки для аналогичного элемента в другом столбце. В некоторых вариантах осуществления заявленного изобретения импульс в контексте настоящего документа характеризуется разной формой, и колебательный сигнал может включать в себя множество импульсов. К примерам формы импульса, которые не носят ограничительного характера, относится одна или более таких форм, как прямоугольная, колоколообразная и синусоидальная. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения задержки, например, t₀₁, t₀₂, t₀₃, …, t₀₁₁ программируются и регулируются электронными средствами для всех элементов во всех выбранных столбцах.

[0168] На фиг. 20 показано соотношение между столбцами по задержкам. В этом конкретном варианте осуществления настоящего изобретения задержки определяются задержками канала формирователя луча на передачу. Например, задержка t₁₀ представляет собой задержку между элементом 0 в столбце 0 и элементом 0 в столбце 10. Эти задержки программируются в формирователе луча на передачу и электрически корректируются, содействуя фокусировке луча в азимутальной плоскости, которая показана на фиг. 12А как плоскость xa-za. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения задержки между элементами в столбце программируются по отдельности для фокусировки луча или отклонения луча в угломестной плоскости, которая показана на фиг. 12А как плоскость ya-za. Задержка t₀₁ представляет собой один из примеров задержки между элементами в одном и том же столбце (например, элементами 0 и 1 в столбце 0 и элементами 0 и 1 в столбце 10). В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения задержки для элементов в столбце соотносятся с начальной задержкой, которая устанавливается формирователем луча на передачу для этого канала. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения начальная задержка может задаваться заранее формирователем луча на передачу или регулироваться формирователем луча на передачу.

[0169] На фиг. 22 приведен пример функциональных возможностей импульсного генератора согласно конкретному варианту осуществления настоящего изобретения. В этом варианте осуществления уровень выходного напряжение импульсного генератора регулируется двумя цифровыми входами, а именно IN1 (например, ТхА на фиг. 17A-17D) и IN2 (например, ТхВ на фиг. 17A-17D). На основании логического уровня этих двух входов может быть сгенерирован результирующий трехуровневый выходной сигнал, где величина HVP0 обозначает положительное высокое напряжение, величина HVM0 обозначает отрицательное низкое напряжение, а величина XDCR обозначает эффективный нулевой уровень или 0В. В этом варианте осуществления настоящего изобретения в качестве результирующего выходного сигнала генерируется пять циклов импульсов идентичной формы. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения импульсная последовательность, частота и/или количество импульсов могут быть изменены путем изменения импульсной последовательности и/или частоты импульсной последовательности IN1 и IN2. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения логические уровни или логические кодировки в контексте настоящего документа могут включать в себя цифровые логические операции одного или более входов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения логические операции предусматривают использование одного или более логических операторов на одном или более входах, выбираемых из группы, которая включает в себя: AND, NOT, OR, NAND, XOR, NOR, XNOR или любые иные логические операции.

[0170] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каскадный ряд/цепь двухпозиционных реле коммутирует тактовые импульсы на передачу, поступающие в один или более столбцов из схемы возбуждения передачи для этого столбца с соответствующей предварительно заданной или запрограммированной задержкой. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения эта задержка затем распространяется в столбце другим генератором тактовых импульсов, частота которого программируется, но синхронизирована с тактовым генератором на передачу, который генерирует задержку для различных схем возбуждения в столбце. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения цепь двухпозиционных реле, генерирующая задержку/задержки, заканчивается в центральном элементе столбца, причем профиль задержки симметричен относительно центра, как это показано на фиг. 19. Задержки, генерируемые двухпозиционными реле, могут направляться в надлежащие точки в одном или более столбцах так, что элемент в ряду 0 характеризуется такой же задержкой, что и элемент в последнем ряду, элемент во втором ряду характеризуется такой же задержкой, что и второй с конца элемент на верхней стороне, и т.д.

[0171] В вариантах осуществления настоящего изобретения фокусировка по углу места обеспечивается с использованием различных профилей задержки. Использование линейного профиля задержки в угломестном направлении таким образом, чтобы задержка постепенно возрастала или уменьшалась в направлении от нижней части столбца к его верхней части, позволяет отклонять луч в угломестном направлении. Вдобавок ко всему, дополнительная кривизна, придаваемая лучам с сохранением нулевой кривизны на концах столбца, помимо возможности отклонения луча, обеспечивает возможность его фокусировки. Линеаризация теоретических задержек может быть достаточно точной для обеспечения отклонения и фокусировки, а также для обеспечения экономически выгодной реализации вариантов осуществления заявленного изобретения, описанных в настоящем документе.

[0172] На фиг. 24А представлена система 1800 ультразвуковой визуализации согласно настоящему изобретению. Как можно видеть, система визуализации может включать в себя: подложку 1802 приемопередатчика; и микросхему 1804 ASIC, электрически соединенную с подложкой приемопередатчика. В вариантах осуществления настоящего изобретения подложка 1802 приемопередатчика может включать в себя один или более пьезоэлектрических элементов 1806, причем каждый из пьезоэлектрических элементов может располагаться на одной или более мембранах. В вариантах осуществления настоящего изобретения на одной мембране может располагаться более одного пьезоэлектрического элемента.

[0173] В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из пьезоэлектрических элементов 1806а-1806n может быть снабжен двумя или более электродами, и эти электроды могут быть соединены с электроникой возбуждения/приема, размещенной в микросхеме 1804 ASIC. В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый пьезоэлектрический элемент (например, 1806а) может включать в себя верхний проводник, электрически соединенный с проводником (О) (например, 1814а), и два нижних электрода, электрически соединенных с проводниками (Х, Т) (например, 1810а и 1812а). В вариантах осуществления настоящего изобретения проводник 1810а может быть электрически соединен с DC-смещением (X) 1832а или землей, а проводник (Т) 1812а может быть соединен с DC-смещением (Т) 1834а или землей.

[0174] В вариантах осуществления настоящего изобретения микросхема 1804 ASIC может включать в себя одну или более схем 1842а-1842n, которые электрически соединены с одним или более пьезоэлектрическими элементами 1806а-1806n; и один блок 1840 управления, предназначенный для управления схемами 1842а-1842n. В вариантах осуществления настоящего изобретения каждая схема (например, 1842а) может включать в себя схему (1813а) возбуждения передачи; усилитель (например, 1811а) приемника; переключатель (например, 1816а) с одним выводом, электрически соединенным с проводником (О) (1814а), и другим выводом, который переключается между двух проводников, соединенных со схемой 1813а возбуждения передачи и усилителем 1811а. В режиме/процессе передачи (Тх) переключатель 1816а может соединять схему 1813а возбуждения передачи с пьезоэлектрическим элементом 1806а так, что сигнал передается на верхний электрод пьезоэлектрического элемента 1806а. В режиме/процессе приема (Rx) переключатель 1816а может соединять усилитель 1811а с пьезоэлектрическим элементом 1806а так, что сигнал передается с верхнего электрода пьезоэлектрического элемента 1806а на усилитель 1811а.

[0175] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения схема 1813а возбуждения передачи может включать в себя различные электрические компоненты. Однако для краткости изложения схема 1813а возбуждения передачи представлена лишь одной схемой. Впрочем, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что схема возбуждения передачи может представлять собой более сложную схему с множеством функций. Электрические компоненты для обработки принимаемых сигналов могут быть соединены с усилителем 1811а, хотя на фиг. 24А показан всего один усилитель 1811а. В вариантах осуществления настоящего изобретения усилитель 1811а может представлять собой малошумный усилитель (LNA). В вариантах осуществления настоящего изобретения схема 1842n может иметь структуру, аналогичную или схожую со структурой схемы 1842а.

[0176] В вариантах осуществления настоящего изобретения все DC-смещения (X) 1832а-1832n могут быть соединены с одним и тем же DC-смещением или землей, т.е. все проводники 1810a-1810n (X) могут быть соединены с единым DC-смещением или землей. Аналогичным образом все DC-смещения 1834a-1834n (X) могут быть соединены с одним и тем же или иным DC-смещением, т.е. все проводники 1812a-1812n (Т) могут быть соединены с единым DC-смещением или землей.

[0177] В вариантах осуществления настоящего изобретения проводники 1810, 1812 и 1814 (X, Т и О) могут быть соединены с микросхемой 1804 ASIC с использованием технологии межсоединения, например, соединительных конструкций в виде медных контактных столбиков или столбиковых контактов (таких как 1882 на фиг. 24В), обозначенных стрелкой 1880. В вариантах осуществления настоящего изобретения компоненты схем в микросхеме 1804 ASIC могут обмениваться данными за пределами микросхемы 1804 ASIC с использованием межсоединения 1830. В вариантах осуществления настоящего изобретения межсоединение 1830 может быть реализовано с использованием проволочных выводов, ведущих от контактных площадок на микросхеме 1804 ASIC к другой контактной площадке за пределами микросхемы ASIC. В вариантах осуществления настоящего изобретения помимо контактных площадок с проводным монтажом могут быть использованы другие типы межсоединений, такие как столбиковые выводы или перераспределяющие контакты на микросхеме 1804 ASIC.

[0178] В вариантах осуществления настоящего изобретения усилители 1811 LNA, входящие в состав схем 1842, могут быть реализованы за пределами микросхемы 1804 ASIC как часть аналогового входного блока (AFE), работающего на прием. В вариантах осуществления настоящего изобретения один усилитель LNA может располагаться в микросхеме 1804 ASIC, а другой усилитель LNA и усилитель с программируемым коэффициентом усиления (PGA) могут располагаться в блоке AFE. Усиление каждого LNA 1811 может программироваться в режиме реального времени, что позволяет LNA быть частью функции компенсации усиления по глубине (TGC), необходимой для формирователя изображения.

[0179] В вариантах осуществления настоящего изобретения усилители 1811 LNA могут быть созданы с использованием технологий низковольтных транзисторов, и поэтому они могут быть выведены из строя при подаче на них высокого напряжения передачи, которое необходимо для преобразователей стандартного типа. Следовательно, в традиционных системах используется высоковольтный переключатель передачи/приема для отделения высоких напряжений передачи от низковольтных схем приема. Такой переключатель может быть дорогим, иметь большие габариты, использовать технологию высоковольтных (HV) интегральных схем и ухудшать качество сигнала, передаваемого на усилитель LNA. Для сравнения в вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть использованы низкие напряжения, и поэтому высоковольтные компоненты системы стандартного типа могут больше не потребоваться. Кроме того, в вариантах осуществления настоящего изобретения можно избежать ухудшения рабочих характеристик, обусловленного использованием стандартного переключателя HV, за счет исключения из схемы этого стандартного переключателя HV.

[0180] В вариантах осуществления настоящего изобретения пьезоэлектрические элементы 1806 могут быть соединены с усилителями 1811 LNA в режиме приема посредством переключателей 1816. Усилители 1811 LNA могут преобразовывать электрический заряд в пьезоэлектрических элементах 1806, генерируемый 811 отраженными упругими волнами, оказывающими давление на пьезоэлектрические элементы, в усиленный сигнал напряжения с низким уровнем шума. Отношение «сигнал - шум» принятого сигнала может служить одним из ключевых факторов, определяющих качество реконструируемого изображения. Таким образом, желательно уменьшить собственные шумы в самом усилителе LNA. В вариантах осуществления настоящего изобретения уровень шума может быть уменьшен за счет увеличения крутизны передаточной характеристики входного каскада усилителей 1811 LNA, например, за счет использования более сильного тока во входном каскаде. Повышение силы тока может привести к увеличению рассеяния мощности и повышению выработки тепла. В вариантах осуществления настоящего изобретения элементы 1806 pMUT могут управляться низкими напряжениями и располагаться в непосредственной близости от микросхемы 1804 ASIC, и поэтому мощность, сэкономленная низковольтными элементами 1806 pMUT, может быть использована для снижения уровня шума в усилителях 1811 LNA при заданном общем росте температуры, допустимом в сравнении с традиционными преобразователями, управляемыми высоким напряжением.

[0181] На фиг. 24В представлено схематическое изображение сборки 1850 визуализации согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. В вариантах осуществления заявленного изобретения подложка 1852 приемопередатчика и микросхема 1854 ASIC могут быть схожи, соответственно, с подложкой 1802 приемопередатчика и микросхемой 1804. В традиционных системах электроника для возбуждения пьезоэлектрических преобразователей обычно располагается на удалении от пьезоэлектрических преобразователей и соединена с пьезоэлектрическими преобразователями посредством коаксиального кабеля. В общем, коаксиальный кабель увеличивает паразитную нагрузку, такую как дополнительная электрическая емкость, действующую на электронику, а дополнительная емкость приводит к ухудшению критических рабочих характеристик, например, к увеличению уровня шума и падению мощности сигнала. Для сравнения, как это показано на фиг. 24В, схема или схемы возбуждения передачи 1862а-1862n (или эквивалентные схемы) могут быть соединены напрямую с пьезоэлектрическими элементами 1856a-1856n+i (или эквивалентными пикселями) с использованием 3D (трехмерного) механизма межсоединений с низким импедансом (который обозначен стрелкой 1880), таким как медные контактные столбики или столбиковые контакты 1882 из припоя, или сращивание полупроводниковых пластин или иные методики, или сочетание таких технологий. В вариантах осуществления настоящего изобретения после объединения подложки 1852 приемопередатчика с микросхемой 1854 ASIC схемы 1862 могут располагаться на расстоянии менее 100 мкм по вертикали (или около того) от пьезоэлектрических элементов 1856. В вариантах осуществления настоящего изобретения какое-либо традиционное устройство для согласования импедансов между схемами 1862 возбуждения и пьезоэлектрическими элементами 1856 может оказаться ненужным, что еще больше упрощает конструкцию и повышает мощностной КПД (коэффициент полезного действия) сборки 1800 визуализации. Импеданс схем 1862 может быть рассчитан на удовлетворение требований пьезоэлектрических элементов 1856.

[0182] В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из пьезоэлектрических элементов 1806а-1806n, как это показано на фиг. 24А, может быть электрически соединен с соответствующей одной схемой из числа схем 1842а-1842n, располагающихся в микросхеме 1804 ASIC. Сигналы на входе схем 1813а-1813n возбуждения передачи могут генерироваться с использованием схем, например, показанных на фиг. 17A-D, но в явной форме не показанных на фиг. 24А и 24В. В вариантах осуществления настоящего изобретения такая компоновка обеспечивает возможность генерирования формирователем изображения трехмерных изображений. Аналогичным образом каждый из пьезоэлектрических элементов 1856а-1856m, как это показано на фиг. 24В, может быть снабжен тремя выводами, обозначенными литерами X, Т и О. Выводы с каждого из пьезоэлектрических элементов могут быть электрически соединены с соответствующей одной схемой из числа схем 1862а-1862m, располагающихся в микросхеме 1854 ASIC, с помощью средства 1882 межсоединения. Кроме того, в вариантах осуществления настоящего изобретения ряд пьезоэлектрических элементов, таких как 1856n-1856n+I, может быть электрически соединен с одной общей схемой 1862n. В вариантах осуществления настоящего изобретения схема 1862n возбуждения передачи может быть реализована в виде одной схемы возбуждения передачи. В альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения схема 1862n возбуждения передачи может быть реализована с многоуровневым возбуждением для облегчения реализации различных режимов визуализации.

[0183] Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что микросхема 1854 ASIC может характеризоваться наличием любого подходящего количества схем, аналогичных схеме 1862n. В вариантах осуществления настоящего изобретения блок 1892 управления может быть выполнен с возможностью конфигурирования пьезоэлектрических элементов, или по горизонтали, или по вертикали в двухмерной пиксельной решетке с конфигурированием их длины и переводом их в режим передачи или приема, или в режим поляризации, или в нерабочий режим. В вариантах осуществления настоящего изобретения схема 1813 возбуждения передачи может быть реализована с многоуровневым возбуждением, как это показано на фиг. 22 и 39, причем выходной сигнал схемы возбуждения передачи может характеризоваться более чем двумя выходными уровнями. На фиг. 39А показан один из вариантов осуществления, в котором выходной уровень может составлять 0 В, или 6 В, или 12 В. Следует понимать, что эти напряжения могут быть разными, например, они могут составлять -5 В, 0 В и +5 В. Схема возбуждения передачи может также представлять собой двухуровневую схему возбуждения с таким сигналом возбуждения, который показан на фиг. 38.

[0184] В вариантах осуществления настоящего изобретения выводные линии 1882а 1882n могут представлять собой проводники сигналов, которые используются для подачи импульсов на электроды (О) пьезоэлектрических элементов 1856. Аналогичным образом выводные линии 1884а-1884n, 1886а-1886n и 1888а-1888n могут быть использованы для передачи сигналов с помощью пьезоэлектрических элементов 1856а-1856n+i. Следует отметить, что для передачи сигналов/данных с помощью сборки 1800 формирователя изображения может быть использовано иное подходящее количество выводных линий.

[0185] В вариантах осуществления настоящего изобретения каждая из выводных линий (X) 1886 и выводных линий (Т) 1888 может быть соединена с землей или выводом DC-смещения. В вариантах осуществления настоящего изобретения цифровой управляющий вывод 1894 может представлять собой цифровую шину управления и включать в себя один или более выводов, которые необходимы для управления и обращения к различным функциям в сборке 1800 формирователя изображения. Эти выводы, например, обеспечивают программируемость микросхемы 1854 ASIC с использованием протоколов связи, таких как последовательный периферийный интерфейс (SPI) или иных протоколов.

[0186] В вариантах осуществления настоящего изобретения пьезоэлектрические элементы 1806 (или 1856) и электроника/схемы 1842 (или 1862) управления могут быть реализованы на одной полупроводниковой пластине. В альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения подложка 1802 (или 1852) приемопередатчика и микросхема 1804 (или 1854) ASIC могут быть изготовлены по отдельности и сведены воедино по технологии 3D-межсоединения, такой как технология металлизированного межсоединения, с использованием контактов 1882. В вариантах осуществления настоящего изобретения технология межсоединения может устранить эффект малопродуктивности умножения, благодаря чему снижается себестоимость, а выпуск компонентов независимо доводится до максимального уровня.

[0187] В вариантах осуществления настоящего изобретения выводные линии 1862а-1862n могут представлять собой проводники сигналов, которые используются для подачи импульсов на электроды (О) пьезоэлектрических элементов 1806. Аналогичным образом выводные линии 1864а-1864n, 1866а-1866n и 1868а-1868n могут быть использованы для передачи сигналов с помощью пьезоэлектрических элементов 1806а-1806n. Следует отметить, что для передачи сигналов/данных с помощью сборки 1800 визуализации может быть использовано иное подходящее количество выводных линий.

[0188] Как было указано выше, усилители 1811 LNA могут функционировать в режиме считывания заряда, и каждый из них характеризуется программируемым коэффициентом усиления, который может конфигурироваться в масштабе реального времени, обеспечивая коррекцию путем изменения коэффициента усиления.

[0189] На фиг. 25 приведена иллюстративная схема матричной решетки 2000 пьезоэлектрических элементов 2002-11 - 2002-mn размерами m × n согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть, каждый пьезоэлектрический элемент может представлять собой пьезоэлектрический элемент с двумя выводами (такой как пьезоэлектрический элемент 214 на фиг. 3А) и характеризоваться наличием электрода (О) (например, 2003-11), электрически соединенного с проводником (О) (например, 2004-11), и электрода (X), электрически соединенного с землей или напряжением смещения DC посредством общего проводника 2006 (X). В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый проводник (О) сигналов может управляться независимо элементом схемы). В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый проводник (О) (например, 2004-mn) может быть электрически соединен со схемой возбуждения передачи элемента схемы, тогда как все электроды X (2006-1 1-2006-mn) решетки пьезоэлектрических элементов могут быть соединены с общим проводником 2006 (X). В вариантах осуществления настоящего изобретения решетка 2000 может располагаться на подложке приемопередатчика, и она может быть электрически соединена с микросхемой ASIC посредством механизма межсоединения, такого как столбиковые контакты числом m × n+1. В частности, проводники 2004-11-2004-mn (О) числом m × n могут быть соединены с m × n схемами возбуждения передачи микросхемы ASIC посредством столбиковых контактов числом m × n, а общий проводник 2006 (X) может быть соединен с микросхемой ASIC посредством одного столбикового контакта. В вариантах осуществления настоящего изобретения такая иллюстративная компоновка согласно описанию, представленному в настоящем документе, используется для осуществления 3D-визуализации, при этом каждый пьезоэлектрический элемент, включающий в себя, по меньшей мере, один пьезоэлектрический субэлемент, может предоставлять уникальную информацию в решетке. В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый пьезоэлектрический элемент может характеризоваться наличием одной или более мембран, и он может осуществлять колебания во множестве режимов работы мембран и с разными частотами мембран. В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый пьезоэлектрический элемент 2002 может приводиться в действие импульсами, которые характеризуются профилями 3300 и 3400 напряжения, показанными на фиг. 38 и 39.

[0190] В вариантах осуществления настоящего изобретения электроды О в каждом столбце (например, 2003-11-2003-m1) могут быть электрически соединены с общим проводником. К примеру, элементы схемы в микросхеме ASIC могут управляться электронными средствами так, что электроды О в каждом столбце могут быть электрически соединены друг с другом. В такой конфигурации электроды О в каждом столбце могут принимать один и тот же электрический импульс через общую схему возбуждения передачи или посредством множества схем возбуждения с идентичными электрическими сигналами электрического возбуждения в режиме передачи. Аналогичным образом электроды О в каждом столбце могут одновременно передавать электрический заряд в общий усилитель в режиме приема. Иначе говоря, пьезоэлектрический элемент в каждом столбце срабатывает в качестве линейного блока (или, эквивалентно, линейного элемента).

[0191] На фиг. 26 приведена иллюстративная схема матричной решетки 2100 пьезоэлектрических элементов 2102-11 - 2012-mn размерами n × n согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть, каждый пьезоэлектрический элемент может быть представлять собой пьезоэлектрический элемент с тремя выводами и включать в себя электроды О, X и Т. В вариантах осуществления настоящего изобретения электроды X (например, X11, Х21, …, Xm1) могут быть постолбцово соединены последовательным образом, причем все электроды X (X11 - Xmn) могут быть электрически соединены с общим проводником 2106 (X). Электроды Т (например, Т11, Т21, …, Tm1) могут быть постолбцово соединены последовательным образом, причем все электроды Т (T11 - Tmn) могут быть электрически соединены с общим проводником 2108 (Т). Столбец элементов, например, 2102-11 и 2102-21 - 2102-m1 при их соединении воедино так, как это описано в вариантах осуществления настоящего изобретения, образует линейный элемент или столбец. В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из О-электродов 2103-11 - 2103-mn может быть электрически соединен со схемой возбуждения передачи соответствующего элемента схемы в микросхеме ASIC посредством одного из проводников O11-Omn. В вариантах осуществления настоящего изобретения решетка 2100 может располагаться на подложке приемопередатчика, и она может быть электрически соединена с микросхемой ASIC посредством механизма межсоединения, такого как столбиковые контакты числом m × n+2. В микросхеме ASIC схемы возбуждения передачи, соединенные с электродами О, могут принимать декодированные импульсы для формирования многоуровневого выходного сигнала, как это показано на фиг. 22. Эти импульсы могут идти с задержками для элементов в столбце (как можно видеть на фиг. 17A-17D). Кроме того, задержки могут создаваться вдоль столбцов (как это показано, например, на фиг. 19).

[0192] В вариантах осуществления настоящего изобретения электроды О в каждом столбце (например, 2103-11 - 2103-m1) могут быть электрически соединены с общим проводником. В такой конфигурации электроды О в каждом столбце могут принимать один и тот же электрический импульс через общую схему возбуждения передачи в режиме передачи. Аналогичным образом электроды О в каждом столбце могут одновременно передавать электрический заряд в общий усилитель в режиме приема. Иначе говоря, пьезоэлектрический элемент в каждом столбце срабатывает в качестве линейного блока. В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из электродов О в столбце может быть соединен со специально выделенной схемой возбуждения передачи, причем входные сигналы схем возбуждения передачи для всех элементов в столбце будут идентичными, что обеспечивает по существу идентичные выходные сигналы возбуждения передачи на всех пьезоэлектрических элементах во время выполнения операции передачи. Такой линейный элемент управляется электронными средствами на поэлементной основе, поскольку каждый элемент снабжен своей собственной схемой возбуждения передачи. Это обеспечивает преимущества в плане возбуждения емкостных линейных элементов большого размера, где каждый элемент характеризуется меньшей емкостью, и задержки по времени для элементов в столбце могут быть сведены к минимуму. В вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что в режиме приема заряд со всех элементов в столбце может быть считан путем его подключения к усилителю LNA, как это делается при 2D-визуализации. При 3D-визуализации заряд для каждого элементы считывается путем подключения электродов О к каждому элементу к усилителю LNA во время выполнения какой-либо операции в режиме приема.

[0193] На фиг. 27 приведена иллюстративная схема матричной решетки 2200 пьезоэлектрических элементов 2202-11 - 2202-mn размерами m × n согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть, решетка 2200 может быть аналогична решетке 2100 с единственными отличиями, которые заключаются в том, что электроды X (например, Х12-Xm2) в столбце могут быть соединены с общим проводником (например, 2206-1), и электроды Т (например, Т12-Tm2) в столбце могут быть соединены с общим проводником (например, 2208-1). Таким образом, электроды X (или электроды Т) в одном и том же столбце могут характеризоваться одинаковым потенциалом напряжения во время работы. В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из электродов О может быть электрически соединен со схемой возбуждения передачи соответствующего элемента схемы в микросхеме ASIC посредством одного из проводников O11-Omn. В вариантах осуществления настоящего изобретения решетка 2200 может располагаться на подложке приемопередатчика, и она может быть электрически соединена с микросхемой ASIC посредством механизма межсоединения, такого как столбиковые контакты числом m × n+2n.

[0194] В сравнении с решеткой 2100 решетка 2200 может содержать большее количество столбиковых контактов для соединения электродов Т и X с микросхемой ASIC. В общем, увеличение количества соединений для Т и X между микросхемой ASIC и пьезоэлектрической решеткой может уменьшить импеданс в проводниках X и Т, соединенных в параллель с землей или DC-смещением, а также уменьшить перекрестные помехи. Перекрестные помехи представляют собой смешивание сигналов одного элемента формирования изображения с сигналами другого элемента, что создает помехи и приводит к снижению качества изображения. Когда из-за тока, протекающего в линиях X и Т, происходит падение напряжения на пьезоэлементе, который в оптимальном варианте не должен подвергаться воздействию такого напряжения, может возникнуть паразитная электрическая связь. В вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что когда пьезоэлемент не осуществляет передачу или прием под управлением электронных средств, электроды X, Т и О могут локально закорачиваются. В альтернативном варианте нерабочие электроды включают в себя заземленные электроды О, причем электроды X остаются подключенными к другим электродам X в решетке, а электроды Т - подключенными к другим электродам Т в решетке.

[0195] На фиг. 28 приведена иллюстративная схема матричной решетки 2300 пьезоэлектрических элементов 2302-11 - 2302-mn размерами m × n согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть, решетка 2300 может быть аналогична решетке 2100 с одним отличием, которое заключается в том, что пьезоэлектрический элемент может представлять собой пьезоэлектрический элемент с пятью выводами, т.е. каждый пьезоэлектрический элемент может включать в себя нижний электрод (О) и четыре верхних электрода (два электрода X и два электрода Т). В вариантах осуществления настоящего изобретения два электрода X каждого пьезоэлектрического элемента могут быть постолбцово соединены последовательным образом, а все электроды X числом 2m × n могут быть электрически соединены с общим проводником 2306 (X). Аналогичным образом два электрода Т каждого пьезоэлектрического элемента быть постолбцово соединены последовательным образом, а все электроды Т числом 2m × n могут быть электрически соединены с общим проводником 2308 (Т). В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из электродов О может быть электрически соединен со схемой возбуждения передачи соответствующего элемента схемы в микросхеме ASIC посредством одного из проводников O11-Omn. Микросхема ASIC может содержать схемы возбуждения передачи, которые соединены с узлами О, а входные сигналы, подаваемые в схемы возбуждения передачи, могут идти с задержками с использованием методик и схем, описанных в настоящем документе, например, в привязке к фиг. 17A-D. В вариантах осуществления настоящего изобретения решетка 2300 может располагаться на подложке приемопередатчика, и она может быть электрически соединена с микросхемой ASIC посредством механизма межсоединения, такого как столбиковые контакты числом m × n+2.

[0196] В этом примере осуществления, который показан на фиг. 28, два субэлемента соединены с электродом X, а два других субэлемента соединены с электродом Т. Электроды X и Т могут представлять собой электроды смещения, которые соединены с источниками напряжения постоянного тока. Два элемента, соединенные с электродом X, могут обладать разными резонансными свойствами. Вместе эти два субэлемента могут характеризоваться более широкой полосой пропускания, чем каждый из этих субэлементов в отдельности. Два субэлемента с одним выводом, соединенные с электродом Т, оба могут проявлять резонансные свойства, аналогичные элементам, которые соединены с электродом X. Например, один субэлемент, соединенный с электродом X, и один субэлемент, соединенный с электродом Т, могут характеризоваться частотой резонанса или центральной частотой 2 МГц, а остальные субэлементы могут характеризоваться центральной частотой 4 МГц. За счет объединения этих двух субэлементов полоса пропускания составных элементов становится шире. Использование электродов X и Т также может обеспечить разное направление поляризации в субэлементе/субэлементах, что повышает чувствительность элемента/элементов. Однако, в принципе, широкополосный элемент может быть также выполнен с использованием только электрода X или Т, как это показано на фиг. 30.

[0197] В другом примере осуществления, который проиллюстрирован на фиг. 32, как и в предыдущем примере в элементе используется два субэлемента, но в этом случае каждый из субэлементов может быть снабжен двумя выводами «О». Каждый субэлемент может обладать разными динамическими характеристиками, и поскольку каждый субэлемент снабжен уникальным регулируемым выводом возбуждения, т.е. электродом О, они могут возбуждаться электронными средствами независимо друг от друга.

[0198] На фиг. 29 приведена иллюстративная схема матричной решетки 2400 пьезоэлектрических элементов 2402-11 - 2402-mn размерами m × n согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть, решетка 2400 может быть аналогична решетке 2200, но с некоторыми отличиями, которые заключаются в том, что каждый пьезоэлектрический элемент может представлять собой пьезоэлектрический элемент с пятью выводами: одним нижним электродом (О) и четырьмя верхними электродами (двумя электродами X и двумя электродами Т). В вариантах осуществления настоящего изобретения два электрода X каждого пьезоэлектрического элемента могут быть электрически соединены с проводником (например, 2406-1) в направлении вдоль столбца, а два электрода Т каждого пьезоэлектрического элемента могут быть электрически соединены с общим проводником (например, 2408-1) в направлении вдоль столбца. В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из электродов О может быть электрически соединен со схемой возбуждения передачи соответствующего элементе схемы в микросхеме ASIC посредством одного из проводников O11-Omn. В вариантах осуществления настоящего изобретения решетка 2400 может располагаться на подложке приемопередатчика, и она может быть электрически соединена с микросхемой ASIC посредством механизма межсоединения, такого как столбиковые контакты числом m х n+2n.

[0199] На фиг. 30 приведена иллюстративная схема матричной решетки 2500 пьезоэлектрических элементов 2502-11 - 2502-mn размерами m × n согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть, решетка 2500 может быть аналогична решетке 2100 в том плане, что каждый пьезоэлектрический элемент может быть снабжен одним нижним электродом (О) и двумя верхними электродами (Т), но с некоторыми отличиями, которые заключаются в том, что все электроды из числа двух верхних электродов (Т) пьезоэлектрических элементов вдоль столбца (например, 2502-11 - 2502-m1) могут быть электрически соединены с общим проводником (например, 2508-1). В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из электродов О может быть электрически соединен со схемой возбуждения передачи соответствующего элементе схемы в микросхеме ASIC посредством одного из проводников O11-Omn. В вариантах осуществления настоящего изобретения решетка 2500 может располагаться на подложке приемопередатчика, и она может быть электрически соединена с микросхемой ASIC посредством механизма межсоединения, такого как столбиковые контакты числом m × n+n.

[0200] На фиг. 31 приведена иллюстративная схема матричной решетки 2600 пьезоэлектрических элементов 2602-11 - 2602-mn размерами m × n согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть, решетка 2600 может характеризоваться наличием электрических соединений, аналогичным соединениям в решетке 2100, т.е. все электроды X в пьезоэлектрических элементах могут быть электрически соединены с общим проводником 2606, а все электроды Т в пьезоэлектрических элементах могут быть электрически соединены с общим проводником 2608. Решетка 2600 может отличаться от решетки 2100 тем, что верхние электроды (X, Т) одного пьезоэлектрического элемента (например, 2602-11) могут иметь такую же геометрическую форму, что и верхние электроды (X, Т) другого пьезоэлектрического элемента (например, 2602-21), или отличную от этих электродов геометрическую форму.

[0201] Для пьезоэлектрических решеток 2000-2500 пьезоэлектрические элементы в каждой из этих пьезоэлектрических решеток могут быть одинаковыми или отличаться друг от друга. К примеру, зоны проекции двух верхних электродов одного пьезоэлектрического элемента 2202-11 могут иметь такую же форму, что и зоны проекции двух верхних электродов другого пьезоэлектрического элемента 2202-n1, или отличную от этих электродов форму зон проекции.

[0202] На фиг. 32 приведена иллюстративная схема матричной решетки 2700 пьезоэлектрических элементов 2702-11 - 2702-mn размерами m × n согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть, каждый пьезоэлектрический элемент может включать в себя два сигнальных электрода (О) и один общий электрод (X). В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый сигнальный электрод (О) может быть электрически соединен со схемой возбуждения передачи соответствующего элемента схемы в микросхеме ASIC. К примеру, пьезоэлектрический элемент 2702-11 может включать в себя два проводника ОП1 и ОП2 сигналов, которые могут быть электрически соединены, соответственно, с двумя элементами схемы в микросхеме ASIC, причем каждый сигнальный электрод может создавать электрический заряд в режиме приема. В вариантах осуществления настоящего изобретения решетка 2700 может располагаться на подложке приемопередатчика, и она может быть электрически соединена с микросхемой ASIC посредством механизма межсоединения, такого как столбиковые контакты числом 2m × n+1. В вариантах осуществления настоящего изобретения все электроды Т в решетке 2700 могут быть электрически соединены с землей или напряжением смещения DC посредством общего проводника 2708 (Т).

[0203] В вариантах осуществления настоящего изобретения проводники (О) сигналов в решетках, например, как это показано на фиг. 25-32, могут быть электрически соединены с элементом схемы, причем элемент схемы может включать в себя транзисторный переключатель, аналогичный переключателю 1816, показанному на фиг. 24А, т.е. переключатель может осуществлять переключение между схемой возбуждения передачи и усилителем, соответственно, в режимах передачи и приема так, что электрод О может генерировать упругие волны в режиме передачи и создавать электрический заряд в режиме приема.

[0204] На фиг. 33А представлен иллюстративный вариант осуществления системы 2800 визуализации согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть, система 2800 визуализации может включать в себя матричную решетку пьезоэлектрических элементов 2802-11 - 2802-mn и элементов схемы для управления/связи с решеткой. В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из пьезоэлектрических элементов 2802-11 - 2802-mn может включать в себя три электрода: первый и второй сигнальные электроды (О) и электрод Т (для иллюстрации первый и второй сигнальные электроды (О) в каждом пьезоэлектрическом элементе показаны на фиг. 33 как левый и правый электроды О каждого пьезоэлектрического элемента). В вариантах осуществления настоящего изобретения все электроды Т в решетке 2800 могут быть электрически соединены с землей или напряжением смещения DC посредством проводника 2808 (Т). В вариантах осуществления настоящего изобретения первые электроды О пьезоэлектрических элементов в столбце могут быть электрически соединены с общим проводником (например, О11), а вторые электроды О пьезоэлектрических элементов в этом же столбце могут быть электрически соединены с другим общим проводником (например, O12). В этом варианте осуществления настоящего изобретения угломестное отклонение электронными средствами может быть невозможным, поскольку, например, все правые электроды О для элементов с 2802-11 по 2802-m1 могут быть соединены друг с другом с использованием проводника O12, а затем соединены с одной из схем Тх возбуждения или приемников (Rx) 2816-1 и 2814-1. Вместо жесткого соединения воедино узлов О для каждого элемента в столбце с использованием O12 каждый узел О в столбце может быть соединен с соответствующей схемой Тх возбуждения, после чего задержки сигналов, которые передаются в схему возбуждения передачи, могут регулироваться таким образом, чтобы элементы в столбце могли характеризоваться разной задержкой, за счет чего может быть обеспечена фокусировка по углу места вдоль угломестной оси для этого столбца. Для данного варианта осуществления это показано на фиг. 33В, где переключатель 2812-11 соединяется с элементом 2802-21 pMUT, а переключатель 2812-1m соединяется с О-выводом 2802-m1. Входы схем 2816 возбуждения Тх соединены со схемами, которые формируют требуемую задержку между элементами так, как это показано на фиг. 17A-17D. Для каждого электрода О элементов, где требуется электронная фокусировка, может потребоваться отдельная схема Тх возбуждения, усилитель приема и/или переключатель. В этом примере другие элементы pMUT, которые требуют синтетической фокусировки по углу места, также показаны с отдельными электронными средствами на передачу и прием. Они представлены в упрощенной форме на фиг. 33В, но отображают функциональную потребность в передаче и приеме сигналов. В этом примере предусмотрено, что если элементы на O11-On1 не требуют электронной фокусировки, то они могут быть подключены, как это проиллюстрировано, с использованием проводных соединений. В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый электрод из числа первого и второго сигнальных электродов О в режиме приема могут создавать электрический заряд, который может обрабатываться соответствующей схемой.

[0205] В вариантах осуществления настоящего изобретения, как это показано на фиг. 33А, первый набор проводников О11, O21, …, On1 может быть электрически соединен, соответственно, с усилителями 2810-1 - 2810-n, причем электрический заряд, созданный в столбце первых электродов О, может быть передан в соответствующий усилитель посредством одного из проводников О. В вариантах осуществления настоящего изобретения второй набор проводников O12, O22, …, On2 может быть электрически соединен, соответственно, с переключателями 2812-1 - 2812-n, из расчета, что не требуется электронная фокусировка вдоль угломестной оси. В противном случае каждый элемент на О11 и On2 может быть снабжен схемой Тх возбуждения и усилителем Rx, подключенным к нему через переключатель, как это показано на фиг. 33В. В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый переключатель может быть соединен со схемой возбуждения передачи в режиме/процессе передачи так, что импульс сигнала может быть передан в столбец вторых электродов О пьезоэлектрических элементов. В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый переключатель (например, 2812-1) может быть соединен с усилителем сигнала (например, 2814-1) в режиме/процессе приема так, что электрический заряд, создаваемый в столбце вторых электродов О пьезоэлектрических элементов (например, 2801-11 - 2802-m1), может быть передан в усилитель. В вариантах осуществления настоящего изобретения пьезоэлектрические элементы 2802-11 - 2802-mn могут располагаться на подложке приемопередатчика, тогда как переключатели 2812-1 - 2812-n, схемы 2816-1 - 2816-n возбуждения передачи и усилители 2810-1 - 2810-n и 2814-1 - 2814-n могут располагаться в микросхеме ASIC, причем подложка приемопередатчика может быть электрически соединена с микросхемой ASIC посредством столбиковых контактов числом 2n+1. Следует понимать, что хотя представленное разъяснение относится к фиг. 33А, для обеспечения фокусировки по углу места электронными средствами могут быть использованы перемычки, где каждый электрод О соединен с соответствующей схемой Тх возбуждения и усилителем Rx через переключатель, как это показано на фиг. 33В.

[0206] В вариантах осуществления настоящего изобретения схема возбуждения передачи (например, 2816-1) может передать сигнал в столбец пьезоэлектрических элементов (например, 2802-11 - 2802-m1) через проводник (O12), и одновременно с этим усилитель (например, 2810-1) может принять сигнал электрического заряда с этого же столбца пьезоэлектрических элементов (например, 2802-11 - 2802-m1). В таком случае каждый пьезоэлектрический элемент (например, 2802-11) в столбце может принять сигнал от схемы возбуждения передачи (например, 2816-1) через один проводник (например, O12) и одновременно передать сигнал электрического заряда на усилитель (например, 2810-1) через другой проводник (например, О11), т.е. система 2800 визуализации может одновременно работать в режимах передачи и приема. Такая одновременная работа в режимах передачи и приема может оказаться намного более эффективной для формирования изображения по доплеровскому сигналу в непрерывном режиме, где может визуализироваться высокая скорость кровотока, в сравнении с импульсной доплерографией.

[0207] В вариантах осуществления настоящего изобретения линейный блок, который относится к столбцу электродов О, электрически соединенных с общим проводником, может функционировать в качестве блока передачи или блока приема, или в качестве обоих этих блоков. К примеру, электрические сигналы могут последовательно передаваться на проводники O12, O22, …, On2 так, что в режиме передачи линейные элементы будут последовательно генерировать упругие волны, а в режиме приема отраженные упругие волны могут обрабатываться и объединяться для формирования двухмерного изображения органа-мишени. В другом примере сигналы электрического заряда в режиме передачи могут одновременно передаваться на проводники O12, O22, …, On2, и в это же время отраженные упругие волны могут обрабатываться с использованием заряда, генерируемого проводниками O11, O12-On1, для одновременной передачи и приема ультразвука с целью формирования двухмерного изображения. Проводники O12-On2 могут быть также использованы для приема заряда с пьезоэлектрических линейных элементов в режиме приема.

[0208] На фиг. 34А представлен иллюстративный вариант осуществления системы 2900 визуализации согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть, система 2900 визуализации включает в себя решетку пьезоэлектрических элементов 2902-11 - 2902-mn, а каждый пьезоэлектрический элемент может включать в себя первый и второй сигнальные (О) электроды и электрод Т. В вариантах осуществления настоящего изобретения все электроды Т в решетке могут быть электрически соединены с одним общим проводником (Т) 2908, а каждый ряд первых электродов О может быть электрически соединен с одним из проводников O1-Om. Если требуется линейный формирователь изображения без синтетической линзы, то достаточно будет механической линзы. Однако эта же функция может быть выполнена не путем закорачивания всех узлов О в столбце, как это показано на фиг. 34А. Вместо этого каждый узел О может приводиться в действие схемой возбуждения, и если все сигналы возбуждения для элементов в столбце характеризуются одинаковой задержкой, то может быть обеспечен такой же режим работы, как это показано на фиг. 34А. Однако при реализации этого электронными средствами, что можно видеть на фиг. 34В, для элементов в столбце могут генерироваться разные задержки и обеспечиваться более точная фокусировка в угломестной плоскости, а также динамическая фокусировка по углу места, при которой фокус меняет свое положение в зависимости от глубины по мере прохождения сигналов в направлении мишени. В вариантах осуществления настоящего изобретения, как это показано на фиг. 34А, каждый из переключателей 2912-1 - 2912-n может осуществлять переключение между схемой возбуждения передачи (например, 2916-1) и усилителем (например, 2914-1), который может представлять собой малошумный усилитель. В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из проводников O1-On может быть соединен с одним из усилителей 2910-1 - 2910-m, которые могут представлять собой малошумные усилители.

[0209] В вариантах осуществления настоящего изобретения в режиме передачи сигнал может передаваться из схемы возбуждения передачи (например, 2916-1) в столбец вторых электродов О через проводник (например, O12) так, что столбец пьезоэлектрических элементов может генерировать упругие волны в качестве линейного блока. В режиме передачи каждый переключатель (например, 2912-1) может переключаться на соответствующую схему возбуждения передачи (например, 2916-1).

[0210] В вариантах осуществления настоящего изобретения система 2900 визуализации может обрабатывать отраженные упругие волны двумя разными способами. В первом способе усилители 2910-1 - 2910-n могут принимать сигналы электрического заряда с первых электродов О, т.е. каждый усилитель может принимать сигналы с ряда первых электродов О. Этот способ обеспечивает двухпроекционную визуализацию/режим, где для двухмерного изображения двухпроекционная визуализация может обеспечивать ортогональные перспективы. Кроме того, этот способ может обеспечивать возможность визуализации более чем в двух измерениях. Двухпроекционная визуализация может быть полезной во многих сферах применения, таких как биопсия. Следует отметить, что в этом способе режимы передачи и приема могут реализовываться одновременно. Во втором способе переключатели 2912 могут переключаться на усилители 2914 так, что каждый усилитель может принимать и обрабатывать сигналы электрического заряда из соответствующего столбца вторых электродов О.

[0211] Двухпроекционная визуализация может выполняться путем первоначального создания изображения по азимутальной оси с приданием задержек выбранным элементам в столбце. Может быть также обеспечена фокусировка по углу места путем придания элементам в столбце дополнительных задержек. В ходе выполнения последующей операции по ортогональной оси создается второе изображение. В этот раз изображение развертывается в угломестной плоскости путем придания задержек выбранным элементам в рядах. Элементам в рядах могут быть приданы дополнительные задержки для обеспечения контроля толщины среза в азимутальном направлении. Затем синтетически добавляются два изображения для отображения изображений в двух ортогональных плоскостях.

[0212] В вариантах осуществления настоящего изобретения линейный блок, который относится к столбцу (или ряду) электродов О, электрически соединенных с проводником О, может выполнять как функцию блока передачи, так и функцию блока приема, или обе эти функции. В вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что хотя проводники O1-Om выстроены в перпендикулярных направлениях относительно проводников O12-On2, эти направления могут программироваться и корректироваться электронными средствами. К примеру, электронно корректироваться может коэффициент усиления в усилителях 2910 и 2914, в которых реализованы выводы регулировки усиления. В вариантах осуществления настоящего изобретения длина каждого линейного элемента (т.е. количество пьезоэлектрических элементов в каждом линейном элементе) может также корректироваться электронными средствами. В вариантах осуществления настоящего изобретения это может быть сделано путем соединения всех сигнальных электродов каждого пьезоэлектрического элемента с соответствующими узлами в микросхеме ASIC, причем микросхема ASIC программирует соединение между сигнальными электродами элементов, которые должны быть соединены друг с другом, со схемами возбуждения передачи или усилителями в зависимости от ситуации.

[0213] На фиг. 35А представлен вариант осуществления пьезоэлектрического элемента 3000, соединенного с элементом 3001 схемы, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть, пьезоэлектрический элемент 3000 может включать в себя: первый пьезоэлектрический субэлемент 3021-1 и второй пьезоэлектрический субэлемент 3021-2. Пьезоэлектрический элемент 3000 может включать в себя: нижний электрод (X) 3002, который совместно используется первым и вторым пьезоэлектрическими субэлементами и соединен с проводником (X) 3006. В вариантах осуществления настоящего изобретения первый пьезоэлектрический субэлемент 3021-1 может включать в себя сигнальный (О) электрод 3003, который электрически соединен с усилителем 3010 посредством проводника 3008. В вариантах осуществления настоящего изобретения второй пьезоэлектрический субэлемент 3021-2 может включать в себя сигнальный (О) электрод 3004, который электрически соединен с переключателем 3014 посредством проводника 3012.

[0214] В вариантах осуществления настоящего изобретения элемент 3001 схемы может быть электрически соединен с пьезоэлектрическим элементом 3000, и он может включать в себя два усилителя 3010 и 3016, таких как малошумные усилители, и схему 3018 возбуждения передачи. В вариантах осуществления настоящего изобретения переключатель 3014 может характеризоваться наличием одного конца, соединенного с электродом (О) 3004 посредством проводника 3012, и другого конца, который может переключаться между усилителем 3016 для перехода в режим приема и схемой 3018 возбуждения передачи для перехода в режим передачи. В вариантах осуществления настоящего изобретения усилитель 3016 может быть соединен с другой электроникой для дополнительного усиления, фильтрации и оцифровки принимаемого сигнала, даже если усилитель используется для символического представления электроники. Схема 3018 возбуждения передачи может представлять собой многоуровневую схему возбуждения и генерировать выходной сигнал с двумя и более уровнями сигнализации. Сигнализация может быть однополярной или биполярной. В вариантах осуществления настоящего изобретения схема 3018 возбуждения передачи может включать в себя переключатель, сопрягающий вход и выход схемы возбуждения под управлением электронных средств этой схемы возбуждения, что не в явной форме показано на фиг. 33А. Также не показан входной сигнал, поступающий в схему 3018 возбуждения, который может идти с запаздыванием относительно таких сигналов для другого элемента в том же столбце, как это показано на фиг. 17A-17D. Аналогичным образом могут быть также реализованы задержки относительно элементов, располагающихся в разных столбцах, что обеспечивает возможность электронной фокусировки по азимутальной оси и электронной фокусировки вдоль угломестной плоскости.

[0215] В вариантах осуществления настоящего изобретения сигнал схемы 3018 возбуждения передачи может представлять собой сигнал широтно-импульсной модуляции (PWM), причем путем регулирования длительности импульсов на поэлементной основе может быть реализована функция взвешивания в отношении передаваемого ультразвукового сигнала. Это может осуществляться, например, вырезающей функцией-окном, причем с помощью вырезающей функции-окна взвешивается сигнал передачи. В вариантах осуществления настоящего изобретения весовые коэффициенты могут быть получены путем изменения рабочего цикла сигнала передачи, как это происходит при передаче сигналов PWM. Операция такого рода обеспечивает возможность аподизации на излучение, где боковые лепестки излучаемого сигнала существенно ослабевают, что позволяет получить изображение более высокого качества.

[0216] В вариантах осуществления настоящего изобретения приемопередающая решетка может располагаться на подложке приемопередатчика и включать в себя решетку пьезоэлектрических элементов 3600 размерами n × n, а решетка элементов 3001 схемы размерами n х n может располагаться в микросхеме ASIC, причем каждый пьезоэлектрический элемент 3000 может быть электрически соединен с одной соответствующей решеткой n × n элементов 3001 схемы. В таком случае подложка приемопередатчика может быть сопряжена с микросхемой ASIC посредством столбиковых контактов 3n². В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый столбец (или ряд) решетки пьезоэлектрических элементов может управляться линейным элементом, как это было описано в привязке к фиг. 33А и 33В, а также к фиг. 34А и 33В. К примеру, один и тот же импульс может одновременно подаваться в столбец пьезоэлектрических элементов так, что этот столбец пьезоэлектрических элементов может одновременно генерировать упругие волны. Следует отметить, что каждый пьезоэлектрический элемент 3000 решетки пьезоэлектрических элементов размерами n х n может быть соединен с соответствующим одним элементом 3001 схемы решетки, состоящей из n × n элементов схемы. В альтернативном варианте каждый элемент в столбце может управляться по отдельности путем соединения узла О элемента со специально выделенной схемой Тх возбуждения, а также со специально выделенным усилителем. За счет регулирования задержек для схемы возбуждения передачи и сигнала, принимаемого с усилителя LNA, может быть обеспечена фокусировка по углу места, как в направлении передачи, так и в направлении приема.

[0217] В вариантах осуществления настоящего изобретения пьезоэлектрический субэлемент 3021-1 может находиться в режиме приема на протяжении всего периода работы, тогда как пьезоэлектрический субэлемент 3021-2 может находиться, или в режиме передачи, или в режиме приема. В вариантах осуществления настоящего изобретения одновременная реализация режимов передачи и приема обеспечивает возможность формирования изображения по доплеровскому сигналу в непрерывном режиме.

[0218] В вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что когда схема 3018 возбуждения передачи передает сигнал на электрод 3004, уровень мощности упругих волн, генерируемых пьезоэлектрическим субэлементом 3021-2, может быть изменен с использованием сигналов широтно-импульсной модуляции (PWM). Это важно, например, тогда, когда при переключении из режима В в режим формирования изображения по доплеровскому сигналу увеличивается мощность сигнала, передаваемого в тело человека, и если уровень мощности не уменьшить, это может привести к повреждению ткани. Обычно в системах стандартного типа для режима В и различных режимов формирования изображения по доплеровскому сигналу используются разные источники питания с быстрой стабилизацией, обеспечивающие разность напряжений для возбуждения передачи в этих двух случаях с тем, чтобы, например, не генерировать избыточную мощность в доплеровском режиме. В отличие от традиционных систем уровень мощности в вариантах осуществления настоящего изобретения может быть изменен с использованием сигналов PWM на передачу без использования стандартных источников питания с быстрой стабилизацией. В вариантах осуществления настоящего изобретения требуется быстрое переключение между режимом формирования изображения по доплеровскому сигналу и визуализацией в режиме В для формирования совместного изображения с использованием этих двух режимов. В вариантах осуществления настоящего изобретения электроды заземления пьезоэлектрических элементов также могут быть отделены друг от друга и соединены с землей по отдельности. В вариантах осуществления настоящего изобретения такое независимое заземление может уменьшить уровень шума и обеспечить в итоге более быстрое время стабилизации. В вариантах осуществления настоящего изобретения подаваемая мощность может быть также уменьшена путем уменьшения высоты передающих столбцов под управлением электронных средств. Это также облегчает использование одного и того же источника питания, как для доплеровского режима, так и для режима В, и удовлетворяет требованиям к передаче в каждом из этих режимов. Это также обеспечивает возможность формирования «соизображения».

[0219] На фиг. 36 показана схема 3100 для управления множеством пьезоэлектрических элементов согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. В вариантах осуществления настоящего изобретения схема 3100 может располагаться в микросхеме ASIC, причем решетка (структурированная по рядам и столбцам) пьезоэлектрических элементов, которая располагается на подложке приемопередатчика, и микросхема ASIC могут быть сопряжены с подложкой приемопередатчика посредством столбиковых контактов, причем каждый элемент pMUT может быть соединен с соответствующей схемой Тх возбуждения передачи и схемами приема посредством переключателя, как это показано на фиг. 35В, где электрод О соединен с переключателем 3014. Как можно видеть, схема 3100 может включать в себя решетку элементов 3140-1 - 3140-n схемы, причем каждый элемент схемы может передавать сигналы с помощью электродов О и X соответствующего пьезоэлектрического элемента.

[0220] Как показано на фиг. 36, каждый элемент схемы (например, 3140-1) может включать в себя первый переключатель (например, 3102-1), второй переключатель (например, 3104-1), третий переключатель (например, 3106-1) и схему возбуждения передачи (например, 3108-1). Выходной сигнал схемы возбуждения передачи (например, 3108-1) может передаваться на электрод О пьезоэлектрического элемента через проводник (например, 3110-1). В режиме передачи каждый элемент схемы может принимать (возбуждающий) сигнал 3124 схемы возбуждения передачи через проводник 3122. Каждый из вторых переключателей (например, 3104-1), который может представлять собой транзисторный переключатель, и который может управляться блоком 3150 управления, может быть включен на передачу сигнала 3124 в схему возбуждения передачи (например, 3108-1) (электрические соединения между блоком 3150 управления и другими компонентами в схеме 3100 на фиг. 36 не показаны). Схема возбуждения передачи (например, 3108-1) может выполнять логическое декодирование, смещение уровня, буферизацию входного сигнала и пересылку сигнала передачи на электрод О через проводник (например, 3110-1). В вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что в режиме передачи первый переключатель (например, 3102-1) может быть отключен.

[0221] В вариантах осуществления настоящего изобретения блок 3150 управления может определить, какие пьезоэлектрические элементы должны быть активированы в режиме передачи. Если блок 3150 управления принимает решение не активировать второй пьезоэлектрический элемент, то первый переключатель (например, 3102-2) и второй переключатель (например, 3104-2) могут быть отключены, тогда как третий переключатель (например, 3106-2) может быть включен, вследствие чего электроды О и X будут обладать одинаковым электрическим потенциалом (т.е. в пьезоэлектрическом слое наблюдается суммарное нулевое напряжение возбуждения). В вариантах осуществления настоящего изобретения могут быть необязательно предусмотрены третьи переключатели 3106.

[0222] В вариантах осуществления настоящего изобретения первый переключатель (например, 3102-1) может быть включен в режиме приема, вследствие чего электрический заряд, созданный электродом О, может быть передан посредством проводников 3110-1 и 3120 в усилитель 3128. После этого усилитель 3128 может принять сигнал 3126 электрического заряда (или, эквивалентно, сигнал датчика) и усилить сигнал датчика, причем усиленный сигнал может быть дополнительно обработан для формирования изображения. В режиме приема второй переключатель (например, 3104-1) и третий переключатель (например, 3106-1) могут быть отключены, вследствие чего не создаются помехи для принимаемого сигнала. Следует отметить, что вся решетка схемных элементов 3140-1 - 3140-n может использовать один общий усилитель 3128, что упрощает конструкцию схемы 3100. В вариантах осуществления настоящего изобретения электроды X пьезоэлектрических элементов могут быть электрически соединены с землей или напряжением смещения DC посредством проводников 3112-1 - 3112-n, причем проводники 3112-1 - 3112-n могут быть электрически соединены с общим проводником 3152.

[0223] В вариантах осуществления настоящего изобретения схема 3100 может быть соединена со столбцом пьезоэлектрических элементов (например, 2002-11 - 2002-n1), как это показано на фиг. 25. В вариантах осуществления настоящего изобретения множество схем, аналогичных схеме 3100, может быть соединено с множеством столбцов пьезоэлектрических элементов в решетке, показанной на фиг. 30, а проводники 3152 могут быть соединены с общим проводником (таким как проводник 2006, показанный на фиг. 25). В вариантах осуществления настоящего изобретения схема 3100 может управлять столбцом пьезоэлектрических элементов, показанных на фиг. 25-32.

[0224] На фиг. 37 показана схема 3200 для управления множеством пьезоэлектрических элементов согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. В вариантах осуществления настоящего изобретения схема 3200 может располагаться в микросхеме ASIC, причем строка (столбец или ряд) пьезоэлектрических элементов, располагающаяся на подложке приемопередатчика, и микросхема ASIC могут быть сопряжены с подложкой приемопередатчика посредством столбиковых контактов. Как можно видеть, схема 3200 может включать в себя решетку элементов 3240-1 - 3240-n схемы, причем каждый элемент схемы может передавать сигналы с помощью электродов О, X и Т соответствующего пьезоэлектрического элемента.

[0225] Как показано на фиг. 37, каждый элемент схемы (например, 3240-1) может включать в себя первый переключатель (например, 3202-1), второй переключатель (например, 3204-1), третий переключатель (например, 3206-1), четвертый переключатель (например, 3207-1) и схему возбуждения передачи (например, 3208-1). Выходной сигнал схемы возбуждения передачи (например, 3208-1) может передаваться на электрод О пьезоэлектрического элемента через проводник (например, 3210-1). В режиме передачи каждый элемент схемы может принимать сигнал 3224 схемы возбуждения передачи (или возбуждающий сигнал) через проводник 3222. Каждый из вторых переключателей (например, 3204-1), который может представлять собой транзисторный переключатель, и который может управляться блоком 3250 управления, может быть включен на передачу сигнала 3224 в схему возбуждения передачи (например, 3208-1) (электрическое соединение между блоком 3250 управления и другими компонентами в схеме 3200 на фиг. 37 не показаны). Схема возбуждения передачи (например, 3208-1) может выполнять логическое декодирование сигнала, смещение его уровня и буферизацию выходного сигнала и пересылку выходного сигнала передачи на электрод О через проводник (например, 3210-1). В вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что в режиме передачи первый переключатель (например, 3202-1) может быть отключен.

[0226] В вариантах осуществления настоящего изобретения блок 3250 управления может определить, какие пьезоэлектрические элементы должны быть активированы в режиме передачи. Если блок 3250 управления принимает решение не активировать второй пьезоэлектрический элемент, то первый переключатель (например, 3202-2) и второй переключатель (например, 3204-2) могут быть отключены, тогда как третий переключатель (например, 3206-2) и четвертый переключатель (например, 3207-1) могут быть включены, вследствие чего электроды О и X (и Т) будут обладать одинаковым электрическим потенциалом (т.е. в пьезоэлектрическом слое наблюдается суммарное нулевое напряжение возбуждения). В вариантах осуществления настоящего изобретения третий и четвертый переключатели (например, 3206-2 и 3207-2) могут быть необязательными. Следует понимать, что трехуровневая сигнализация и схема возбуждения передачи, осуществляющая такую сигнализацию, в явной форме не показаны. Аналогичным образом соединения с проводниками X и Т переключателями, такими как 3206-2 и 3207-2, показаны в упрощенном виде.

[0227] В вариантах осуществления настоящего изобретения первый переключатель (например, 3202-1) может быть включен в режиме приема, вследствие чего электрический заряд, созданный электродом О, может быть передан посредством проводников 3210-1 и 3220 в усилитель 3228. После этого усилитель 3228 может усилить сигнал 3226 электрического заряда (или датчика), причем усиленный сигнал может быть дополнительно обработан для формирования изображения. В режиме приема второй переключатель (например, 3204-1), третий переключатель (например, 3206-1) и четвертый переключатель (например, 3207-1) могут быть отключены, вследствие чего не создаются помехи для принимаемого сигнала.

[0228] Следует отметить, что вся решетка элементов 3240-1 - 3240-n схемы может использовать один общий усилитель 3228, что упрощает конструкцию схемы 3200. В вариантах осуществления настоящего изобретения электроды X пьезоэлектрических элементов могут быть электрически соединены с землей или напряжением смещения DC посредством проводников 3212-1 - 3212-n, причем проводники 3212-1 - 3212-n могут быть электрически соединены с общим проводником 3252. В вариантах осуществления настоящего изобретения электроды Т пьезоэлектрических элементов могут быть электрически соединены с землей или напряжением смещения DC посредством проводников 3213-1 - 3213-n, причем проводники 3213-1 - 3213-n могут быть электрически соединены с общим проводником 3254.

[0229] В вариантах осуществления настоящего изобретения схема 3200 может быть соединена со столбцом пьезоэлектрических элементов (например, 2102-11 - 2102-n1), как это показано на фиг. 25. В вариантах осуществления настоящего изобретения множество схем, аналогичных схеме 3200, может быть соединено с множеством столбцов пьезоэлектрических элементов в решетке, показанной на фиг. 26, а проводники 3252 могут быть соединены с общим проводником (таким как проводник 2106, показанный на фиг. 26). В вариантах осуществления настоящего изобретения схема 3200 может управлять столбцом пьезоэлектрических элементов, показанных на фиг. 25-32.

[0230] На фиг. 27-37 проводники используются для соединения одного из электродов с другим электродом электрическими средствами. Например, электроды 2006-11 - 2006-m1 электрически соединены с проводником 2006. В вариантах осуществления настоящего изобретения проводники, показанные на фиг. 27-37, могут быть реализованы самыми разными способами, например, с использованием металлизированного коммутационного слоя, нанесенного на подложку и структурированного, на которой располагаются пьезоэлектрические элементы, или на другую подложку, такую как ASIC, соединенную с указанной подложкой.

[0231] На фиг. 38 и 39 приведены примеры форм колебательных сигналов 3300 и 3400 возбуждения пьезоэлектрических элементов в режиме передачи согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. В общем, пьезоэлектрический материал может быть чувствительным к повреждениям, что обусловлено старением диэлектрика, но это старение может быть отсрочено или предотвращено за счет использования однополярных сигналов возбуждения. Колебательные сигналы 3300 и 3400 отображают потенциал напряжения между электродами О и X и/или между электродами О и Т. Как можно видеть, колебательные сигналы по своей сути могут быть однополярными, и могут представлять собой двухуровневые ступенчатые сигналы 3300 (т.е. схема возбуждения передачи, такая как 2812, 2912, 3018, 3108, 3208 и т.д., является однополярной схемой возбуждения передачи) или многоуровневые (например, трехуровневые) ступенчатые сигналы 3400. Фактическая амплитуда напряжения обычно варьируется в пределах от 1,8 В до 12,6 В. В вариантах осуществления настоящего изобретения многоступенчатый сигнал 3400 или сигнал с большим количеством ступеней может уменьшить тепловыделение в пьезоэлектрическом элементе, и он обладает определенными преимуществами при использовании в некоторых режимах визуализации, например, при формировании изображения по доплеровскому сигналу или гармонической визуализации.

[0232] В вариантах осуществления настоящего изобретения частота импульсов в колебательных сигналах 3300 и 3400 может варьироваться в зависимости от требуемого характера сигнала и потребности в частоте, на которую реагирует мембрана, образующая подложку для pMUT. В вариантах осуществления настоящего изобретения колебательные сигналы могут также представлять собой комплексные сигналы, такие как линейные или нелинейные сигналы с линейной частотной модуляцией или иные сигналы, кодированные с использованием кодов Голея.

[0233] В вариантах осуществления настоящего изобретения схемы возбуждения пьезоэлектрических элементов могут быть дополнительно сконфигурированы таким образом, что выходной сигнал передачи, генерируемый нижележащей мембраной, может быть симметричным по своей форме. В вариантах осуществления настоящего изобретения для каждого импульса колебательного сигнала 3300 (или 3400) нарастающий фронт импульса может быть по существу симметричен спадающему фронту импульса относительно центра импульса. Эта симметрия снижает содержание гармоник сигнала передачи, особенно сигнала второй гармоники и других гармоник четного порядка. В вариантах осуществления настоящего изобретения импульс в колебательном сигнале 3300 (или 3400) может представлять собой сигнал широтно-импульсной модуляции (PWM).

[0234] На фиг. 40 показана форма сигнала возбуждения передачи согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть, сигнал 3500, генерируемый схемой возбуждения передачи, может быть симметричным и однополярным, т.е. величина (H1) и ширина (W1) максимального пикового напряжения совпадают с величиной (Н2) и шириной (W2) минимального пикового напряжения. Кроме того, крутизна нарастающего фронта 3502 совпадает с крутизной спадающего фронта 3504. Кроме того, время W3 нарастания совпадает со временем W4 спада, причем время W4 спада обозначает интервал времени между начальной точкой спада и опорным напряжением. И, кроме того, нарастающий фронт 3506 характеризуется такой же крутизной, что и спадающий фронт 3502.

[0235] Во время операции передачи схема возбуждения передачи, например, схема 3018, показанная на фиг. 35, может возбуждаться электрическим колебательным сигналом, таким как сигнал, показанный на фиг. 38 и 39. На фиг. 41 показаны выходные сигналы различных схем в сборке формирователя изображения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. В вариантах осуществления настоящего изобретения колебательный сигнал 3602 может представлять собой выходной сигнал, генерируемый схемой возбуждения передачи, например, 3018, и подаваемый на пьезоэлектрический элемент, например, 3000. В вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что поскольку пьезоэлектрический элемент может обладать характерной полосой пропускания, он может выдавать синусоидальный выходной сигнал в качестве своей резонансной частоты. Если выходной сигнал схемы возбуждения передачи, соединенной с электродом О пьезоэлектрического элемента, нарастает слишком медленно, он может оказаться не в состоянии зарядить электрод до требуемого окончательного значения, что может обусловить низкий выходной уровень сигналов, как это показано на примере колебательного сигнала 3606, причем окончательная амплитуда будет меньше, чем в колебательном сигнале 3602. С другой стороны, если выходной сигнал схемы возбуждения передачи стабилизируется слишком быстро, полоса пропускания выходного сигнала, генерируемого схемой возбуждения передачи, будет шире, чем пропускная способность пьезоэлектрического элемента, и поэтому избыточная энергия может рассеиваться в виде тепла. Следовательно, в вариантах осуществления настоящего изобретения, как это видно на примере колебательного сигнала 3608, пьезоэлектрический элемент может заряжаться с такой скоростью, что он будет заряжен полностью, но не слишком быстро. В вариантах осуществления настоящего изобретения колебательный сигнал 3608, который отображает потенциал напряжения на верхнем и нижнем электродах в зависимости от времени, по своей форме ближе к выходному сигналу преобразователя, и поскольку разница в форме невелика, полоса пропускания входного сигнала и полоса пропускания выходного сигнала лучше согласуются друг с другом, а также возникает меньше потерь энергии в виде тепла. В вариантах осуществления настоящего изобретения импеданс возбуждения схемы возбуждения передачи оптимизирован для снижения потерь энергии. Иначе говоря, импеданс схемы возбуждения передачи рассчитан на возбуждение пьезоэлектрического элемента оптимальным образом в отношении рассеяния тепла и постоянных времени, необходимых для эффективной стабилизации напряжения в течение заданного периода времени.

[0236] В вариантах осуществления настоящего изобретения формирователь 126 изображения может использовать технологию гармонической визуализации, причем гармоническая визуализация обозначает передачу упругих волн на основной частоте мембраны и прием отраженных упругих волн на частоте второй гармоники или более высоких гармоник. В общем, изображения, основанные на отраженных волнах на частоте второй гармоники или более высоких гармоник, характеризуются более высоким качеством, чем изображения, основанные на отраженных волнах на основной частоте. Симметрия в колебательном сигнале передачи может подавлять вторую или более высокие гармонические составляющие волн передачи, и поэтому влияние этих составляющих на второе или более высокие гармонические колебания в отраженных волнах может быть уменьшено, что повышает качество изображения при использовании технологии гармонической визуализации. В вариантах осуществления настоящего изобретения для уменьшения второй или более высоких гармонических колебаний в волнах передачи колебательный сигнал 3300 может характеризоваться рабочим циклом 50%.

[0237] На фиг. 25-34 решетки могут включать в себя множество линейных блоков, причем каждый линейный блок включает в себя множество пьезоэлектрических элементов, которые электрически соединены друг с другом. В вариантах осуществления настоящего изобретения линейные блоки могут приводиться в действие множеством импульсов, которые характеризуются разностью фаз (или, эквивалентно, задержками). Путем коррекции фаз можно обеспечить отклонение результирующих упругих волн на определенный угол, что называется лучеформированием.

[0238] На фиг. 42А показан график зависимости амплитуды упругой волны передачи от пространственного положения по азимутальной оси преобразователя согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Если пьезоэлектрические элементы в решетке выстроены в двух измерениях так, что пьезоэлектрические элементы в столбце подключены в направлении Y и характеризуются наличием множества столбцов в направлении X, то направление X называется азимутальным направлением, а направление Y называется угломестным направлением. Как можно видеть на фиг. 37А, упругая волна передачи включает в себя главный лепесток и множество боковых лепестков. Главный лепесток может быть использован для сканирования тканей-мишеней, и он характеризуется более высокой амплитудой давления. Боковые лепестки характеризуются меньшей амплитудой давления, но они ухудшают качество изображения, и поэтому желательно уменьшить их амплитуду еще больше.

[0239] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения аподизация в контексте настоящего документа предусматривает использование регулируемого напряжения возбуждения, например, с более низким весом вблизи краев и более полным весом вблизи центральной части ультразвуковых импульсов. Аподизация может быть также реализована путем изменения количества элементов вдоль каждого столбца или ряда, или одним этим способом, или в сочетании с другими способами, описанными в настоящем документе.

[0240] На фиг. 42В показаны разные типы окон для процесса аподизации согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. На фиг. 42В ось X отображает положение пьезоэлектрического элемента относительно положения пьезоэлектрического элемента по центру активного окна, а ось Y отображает амплитуду (или весовое значение, приданное пьезоэлектрическому элементу). Как можно видеть, для прямоугольного окна 3720 не предусмотрено взвешивание для какой-либо из строк передачи, т.е. все они характеризуются равной амплитудой (т.е. символически обозначенной единицей). С другой стороны, если реализована функция взвешивания, что обозначено окном 3722 Хэмминга, то строки по центру имеют больший вес, чем строки по краям. Например, для применения окна 3722 Хэмминга к ячейке преобразователя пьезоэлектрические элементы в самом левом столбце (который обозначен на фиг. 42В как N) и пьезоэлектрические элементы в самом правом столбце (который обозначен на фиг. 42В как N) могут обладать самым низким весом, тогда как пьезоэлектрические элементы в середине столбца могут обладать максимальным весом. Этот процесс известен как аподизация. В вариантах осуществления настоящего изобретения для взвешивания могут применяться различные типы окон, хотя в качестве примера приведено лишь одно показанное окно 3722 Хэмминга. В вариантах осуществления настоящего изобретения аподизация может быть реализована множеством способов, например, разным масштабированием уровня возбуждения выходного сигнала, генерируемого схемой возбуждения передачи, для разных строк с применением цифро-аналогового преобразователя (DAC) или путем сохранения возбуждения на тот же уровне, но с сокращением количества пикселей в строке. Результирующим эффектом будет уменьшение уровня боковых лепестков за счет использования аподизации, причем вес возбуждения передачи варьируется в зависимости от того, в каком месте в возбуждаемой апертуре передачи располагается конкретная строка.

[0241] В вариантах осуществления настоящего изобретения уменьшение напряжения импульсов или колебательных сигналов может снизить температуру на поверхности преобразователя. В альтернативном варианте при заданной максимально приемлемой температуре на поверхности преобразователей эти преобразователи, работающие при пониженном напряжении, могут обеспечивать высокую эффективность зонда, что дает в итоге изображения лучшего качества. Например, что касается зонда со 192 пьезоэлектрическими элементами, для уменьшения энергопотребления упругие волны передачи могут генерироваться с использованием только части зонда (т.е. части пьезоэлектрических элементов) и сканированием остальных элементов последовательно по времени с использованием мультиплексора. Следовательно, в традиционных системах в любой момент времени может быть использована только часть преобразовательных элементов для ограничения роста температуры. Для сравнения в вариантах осуществления настоящего изобретения зонд с более низким напряжением позволяет одновременно обращаться к большему числу пьезоэлектрических элементов, что обеспечивает возможность повышения частоты смены кадров изображений, а также повышения качества изображения. Существенное количество энергии также потребляется в приемном тракте, где принимаемый сигнал усиливается с помощью усилителей LNA. В системе визуализации обычно используется ряд каналов приема с одним усилителем в расчете на каждый канал приема. В вариантах осуществления настоящего изобретения использование температурных данных позволяет отключить ряд каналов приема для экономии энергии и снижения температуры.

[0242] В вариантах осуществления настоящего изобретения аподизация может быть обеспечена за счет варьирования количества пьезоэлектрических элементов в каждом линейном блоке в соответствии с функцией-окном. В вариантах осуществления настоящего изобретения такая оконная аппроксимация может быть обеспечена за счет регулирования количества пьезоэлектрических элементов в строке электронными средствами или проводного монтажа решетки преобразователя с требуемым количеством элементов. Аподизация может быть также обеспечена с использованием фиксированного количества элементов, но с возбуждением этих элементов регулируемым напряжением возбуждения передачи. Например, для аподизации в угломестном направлении максимальное возбуждение подается на центральные элементы в столбце, а возбуждающие сигналы более низкого уровня подаются на внешние элементы с обеих сторон столбца вокруг центрального элемента столбца. Аподизация может быть также обеспечена путем варьирования интенсивности поляризации элементов, исходя из их местоположения в столбце.

[0243] В общем, тепло, выделяемое зондом, может зависеть от длительности импульса в импульсе/колебательном сигнале передачи. В общем, для обеспечения более глубокого проникновения упругих волн в сторону мишени с лучшим отношением «сигнал - шум» (SNR) пьезоэлектрический элемент может потребовать длительных серий импульсов. Однако это ухудшает разрешение в аксиальном направлении, а также способствует выделению большего количества тепла в пьезоэлектрических элементах. Таким образом, в традиционных системах количество излучаемых импульсов невелико, составляя иногда один или два. Поскольку более продолжительные импульсы могут создавать большее количество тепловой энергии, это делает их неприменимыми для использования в традиционных системах. Для сравнения в вариантах осуществления настоящего изобретения импульсы и колебательные сигналы 3300 и 3400 могут обладать значительно более низкими пиковыми значениями, что обеспечивает возможность использования длительных серий импульсов, линейно-частотно-модулированных импульсов или иных кодированных сигналов. В вариантах осуществления настоящего изобретения серии импульсов максимальной длительности не ухудшают разрешение в аксиальном направлении, поскольку в приемнике осуществляется согласованная фильтрация для сжатия колебательного сигнала с целью восстановления разрешения. Эта технология обеспечивает лучшее отношение «сигнал - шум», а также позволяет сигналам проникать глубже в тело и обеспечивает более качественную визуализацию мишеней глубоко в теле.

[0244] В вариантах осуществления настоящего изобретения поверх преобразовательных элементов может быть нанесен слой полидиметилсилоксана (PDMS) или иного материала согласования импедансов. Этот слой может улучшить согласование импедансов между преобразовательными элементами и телом человека, вследствие чего может быть уменьшено отражение или потеря упругих волн на границе между преобразовательными элементами и телом человека.

[0245] На фиг. 25-34 может быть получено более одного линейного блока путем подключения пикселей в направлении Y (или в направлении X), причем один линейный блок (или, эквивалентно, линейный элемент) обозначает множество пьезоэлектрических элементов, электрически соединенных друг с другом. В вариантах осуществления настоящего изобретения один или более линейных блоков могут быть также получены путем подсоединения пьезоэлектрических элементов в направлении X. В вариантах осуществления настоящего изобретения пьезоэлектрические элементы в составе линейного блока могут быть соединены методом проводного монтажа.

[0246] Как было описано в привязке к фиг. 24А, каждый пьезоэлектрический элемент 1806 может быть электрически соединен со схемой 1842, т.е. количество пьезоэлектрических элементов на подложке 1802 приемопередатчика соответствует количеству схем 1842 в микросхеме 1804 ASIC. В таком случае электрические соединения пьезоэлектрических элементов в каждом столбце (или ряду) могут быть реализованы электронными средствами, т.е. жесткие проводники (например, 2006), соединяющие электроды в столбце (или ряду), заменены электронными переключателями. Иначе говоря, пьезоэлектрические элементы в линейном формирователе изображения/блоке могут быть электрически соединены друг с другом. Что касается линейного формирователя изображения, регулируемого электронными средствами, то линейный формирователь изображения/блок может быть получен путем соединения каждого пьезоэлектрического элемента двухмерной матричной решетки с соответствующей схемой управления (такой как 1842) в двухмерной решетке схем управления, причем схемы управления пространственно располагаются близко к пикселям. Для получения линейного элемента может быть активировано множество схем возбуждения, управляющих столбцом (или рядом) пикселей, причем активация осуществляется электронными средствами. В вариантах осуществления настоящего изобретения ряд схем возбуждения в каждом линейном формирователе изображения/блоке может электрически модифицироваться с помощью управляющей программы и корректироваться с помощью электронных средств.

[0247] В вариантах осуществления настоящего изобретения пониженная электрическая емкость каждого пикселя может эффективно возбуждаться с помощью распределенных схем возбуждения без использования других выравнивающих элементов, располагающихся между схемой возбуждения и пикселем, что устраняет сложности, возникающие при возбуждении сверхвысокой емкости в линии. В вариантах осуществления настоящего изобретения оптимизация схем возбуждения обеспечивает симметрию нарастающего фронта и спадающего фронта, что улучшает линейность выходного напряжения, обеспечивая возможность гармонической визуализации (указанная симметрия описана в привязке к фиг. 38 и 39.) В вариантах осуществления настоящего изобретения электронное регулирование обеспечивает возможности программирования размеров апертуры, аподизации на излучение и регулирования отклонения по горизонтали или вертикали, причем все эти возможности могут улучшить качество изображения. В вариантах осуществления настоящего изобретения конфигурируемый линейный формирователь изображения/блок могут электрически модифицироваться с помощью управляющей программы. Например, если в направлении Y требуется меньшее количество подключенных элементов, то это количество может быть скорректировано средствами программного управления и без необходимости повторной сборки электронных схем управления или пьезоэлектрической решетки.

[0248] В вариантах осуществления настоящего изобретения конструкция каждого линейного блока может предусматривать наличие нескольких подблоков с раздельным управлением каждым подблоком. Преимущество этих подблоков заключается в том, что они могут способствовать снижению сложности возбуждения большой емкостной нагрузки для линейного блока с использованием одной единственной внешней схемы возбуждения передачи. Например, если вместо одного линейного блока, включающего в себя все пьезоэлектрические элементы в столбце, созданы два линейных блока, то могут быть использованы две разные схемы возбуждения передачи (такие как, 2816), и каждая схема возбуждения передачи может управлять половиной нагрузки всего линейного блока. Кроме того, даже если используется всего одна схема возбуждения, осуществляющая возбуждение первой половины линейного блока и второй половины линейного блока по отдельности, это может улучшить ситуацию с возбуждением благодаря соединению пониженного сопротивления с обоими концами линейного блока.

[0249] В вариантах осуществления настоящего изобретения может регулироваться как длина, так и ориентация линейных блоков. Например, как это показано на фиг. 25-34, линейные блоки могут располагаться, как по оси X, так и по оси Y. К примеру, как это показано на фиг. 35, электроды О, расположенные вдоль столбца (например, 2003-11 - 2003-n1), могут быть электрически соединены для формирования одного линейного блока, а электроды О в других столбцах могут быть электрически соединены для формирования n-ого числа линейных блоков, выстроенных по оси X. В частности, линейные блоки, которые выстроены вдоль оси X, включают в себя n-ое число электродов О (2003-12 - 2003-1n), …, (2003-n2 - 2003-nn). В вариантах осуществления настоящего изобретения линейные блоки могут быть выстроены в перпендикулярных направлениях путем регулирования электрических схем в микросхеме ASIC.

[0250] На фиг. 25-35 каждый пьезоэлектрический элемент может включать в себя два или большее число верхних электродов (X и Т). В вариантах осуществления настоящего изобретения пьезоэлектрический слой под этими верхними электродами может быть поляризован в одном и том же направлении или в противоположных направлениях. Множество направлений поляризации в сочетании с соответствующим приложенным электрическим полем сигналов может повысить чувствительность преобразователя при передаче и приеме, а также создать дополнительные резонансы, обеспечивающие более широкую полосу пропускания.

[0251] На фиг. 25-35 каждая решетка может содержать одну или более мембран, расположенных под пьезоэлектрическими элементами. В вариантах осуществления настоящего изобретения мембраны могут характеризоваться разными модами колебаний. В вариантах осуществления настоящего изобретения одна мембрана может совершать колебания на основной моде с определенной частотой, тогда как другая мембрана может совершать колебания с иной частотой, определяемой конструкцией мембраны и относительным расположением электродов с разными направлениями поляризации. В вариантах осуществления настоящего изобретения множество мембран может возбуждаться одним и тем же набором электродов, и каждая мембрана может характеризоваться основной частотой, отличной от других. В вариантах осуществления настоящего изобретения каждая мембрана может реагировать на широкий диапазон частот, что увеличивает ее полосу пропускания. Кроме того, преобразователь с разными направлениями поляризации может способствовать повышению чувствительности при передаче и приеме, а также получению широкополосного преобразователя.

[0252] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения электроды X (или Т) в столбце могут быть электрически соединены с проводником. В вариантах осуществления настоящего изобретения эти проводники могут быть электрически соединены с одним общим проводником. Например, проводники могут быть электрически соединены с одной общей токоведущей шиной так, что все электроды Т в решетке могут быть соединены с землей или общим напряжением смещения DC.

[0253] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждая решетка может включать в себя пьезоэлектрические элементы, выстроенные в виде двухмерной решетки (например, как это показано на фиг. 25-34), причем количество элементов по оси X может совпадать с количеством элементов по оси Y. Однако специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что количество элементов по оси X может отличаться от количества элементов по оси Y.

[0254] В вариантах осуществления настоящего изобретения микросхема ASIC (такая как 1804), соединенная с подложкой преобразователя (такой как 1802), может содержать датчики температуры, которые измеряют температуру на поверхности устройства 126 формирования изображения, обращенного во время работы в сторону тела человека. В вариантах осуществления настоящего изобретения максимально допустимая температура может регулироваться, и эта регулировка может ограничивать функциональные возможности устройства формирования изображения, поскольку температура не должна повышаться сверх допустимого верхнего уровня. В вариантах осуществления настоящего изобретения эта информация о температуре может быть использована для повышения качества изображения. Например, если температура ниже максимально допустимого лимита, то усилителями может потребляться дополнительная мощность для снижения уровня их шума и улучшения отношения «сигнал - шум» (SNR) для получения изображений более высокого качества.

[0255] В вариантах осуществления настоящего изобретения мощность, потребляемая устройством 126 формирования изображения, повышается по мере увеличения количества линейных блоков, приводимых в действие одновременно. Может возникнуть необходимость в возбуждении всех линейных блоков в устройстве 126 формирования изображения для завершения передачи упругих волн из полной апертуры. Если для единовременной передачи упругих волн, ожидания и приема отраженного эха возбуждаются лишь несколько линейных блоков, то потребуется больше времени для завершения одного цикла возбуждения всех линейных блоков для полной апертуры, что уменьшает скорость, с которой могут захватываться изображения в расчете на одну секунду (частоту смены кадров). Для повышения этой скорости единовременно должно возбуждаться большее число линейных блоков. В вариантах осуществления настоящего изобретения информация о температуре обеспечивает возможность возбуждения большего числа строк устройством 126 формирования изображения для повышения частоты смены кадров.

[0256] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения каждый пьезоэлектрический элемент может быть снабжен одним нижним электродом (О) и одним или более верхними электродами (X и Т), а также характеризоваться более одной частотой резонанса. Например, каждый пьезоэлектрический элемент 2502, показанный на фиг. 30, может быть снабжен одним нижним электродом (О) и двумя верхними электродами, причем первый верхний электрод и нижний электрод (О) могут реагировать на первую частоту f₁, тогда как второй верхний электрод и нижний электрод (О) могут реагировать на вторую частоту f₂ которая может отличаться от частоты f₁.

[0257] В вариантах осуществления настоящего изобретения электрический заряд, созданный в режиме приема, передается в усилитель, такой как 1811, 2810, 2814, 2910, 2914, 3010, 3016, 3128 и 3228. Затем усиленный сигнал может быть дополнительно обработан различными электронными компонентами. Таким образом, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что каждый из усилителей 1811, 2810, 2814, 2910, 2914, 3010, 3016, 3128 и 3228 совместно относится к одному или более электрическим компонентам/схемам, которые обрабатывают сигнал электрического заряда, т.е. каждый усилитель символически представляет один или более электрических компонентов/схем для обработки сигнала электрического заряда.

[0258] На фиг. 43 представлено схематическое изображение, иллюстрирующее сборку 3800 формирователя изображения согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Как можно видеть, сборка 3800 формирователя изображения может включать в себя: подложку 3801 приемопередатчика с пьезоэлектрическими элементами (на показаны на фиг. 38); микросхему 3802 ASIC, электрически соединенную с подложкой 3801 приемопередатчика; мультиплексор 3820 приема, электрически соединенный с микросхемой 3802 ASIC; приемник 3830 AFE (аналоговый входной блок); мультиплексор 3824 передачи, электрически соединенный с микросхемой 3802 ASIC; и формирователь 3834 луча передачи, электрически соединенный со вторым мультиплексором 3824. В вариантах осуществления настоящего изобретения микросхема 3802 ASIC может включать в себя множество схем 3804, которые соединены и выполнены с возможностью возбуждения множества пьезоэлектрических элементов на подложке 3801 преобразователя. В вариантах осуществления настоящего изобретения каждая схема 3804 может включает в себя усилитель 3806 приема (или просто усилитель), такой как LNA, и схему 3808 возбуждения передачи для передачи сигнала на пьезоэлектрический элемент, а также переключатель 3810, который переключается между усилителем 3806 и схемой 3808 возбуждения передачи. Усилители могут иметь программируемый коэффициент усиления и средства для его подключения к пьезоэлементам, которые подлежат считыванию. Схемы возбуждения передачи снабжены средствами для оптимизации их импеданса и средствами для подключения к пьезоэлектрическим элементам, подлежащим возбуждению.

[0259] В вариантах осуществления настоящего изобретения мультиплексор 3820 приема может включать в себя множество переключателей 3822, а приемник 3830 AFE может включать в себя множество усилителей 3832. В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из переключателей 3822 может электрически соединять схему 3804 с усилителем 3832/отключать схему 3804 от усилителя 3832. В вариантах осуществления настоящего изобретения мультиплексор 3824 передачи может включать в себя множество переключателей 3826, а формирователь 3834 луча передачи может включать в себя множество схем 3836 возбуждения передачи и прочие не показанные схемы для регулирования относительной задержки между колебательными сигналами различных схем возбуждения передачи, и другие не показанные схемы для регулирования частоты и количества импульсов для каждой их схем возбуждения передачи. В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый из переключателей 3826 активируется во время выполнения операции передачи и подключается к схеме 3804, тогда как переключатели 3822 отключаются, а переключатель 3810 подключается к схеме 3808 возбуждения передачи. Аналогичным образом во время выполнения операции приема переключатели 3826 отключаются, тогда как переключатели 3822 активируются, а переключатель 3810 подключается к усилителю 3806.

[0260] В вариантах осуществления настоящего изобретения переключатели 3810 могут переключаться на схемы 3808 возбуждения передачи в режиме передачи и на усилители 3806 в режиме приема. В вариантах осуществления настоящего изобретения часть переключателей 3822 может быть замкнута с тем, чтобы соответствующие схемы 3804 можно было перевести в режим приема. Аналогичным образом часть переключателей 3826 может быть замкнута с тем, чтобы соответствующие схемы 3804 можно было перевести в режим передачи. Поскольку часть переключателей 3822 и часть переключателей 3826 могут быть замкнуты одновременно, сборка формирователя изображения может одновременно функционировать как в режиме передачи, так и в режиме приема. Кроме того, мультиплексор 3820 приема и мультиплексор 3824 передачи уменьшают количество штырьковых контактов ASIC. В вариантах осуществления настоящего изобретения мультиплексор 3829 приема, приемник 3830 AFE, мультиплексор 3824 передачи и формирователь 3834 луча передачи могут быть включены в состав схем 202а или частично располагаться в схемах 215а, показанной на фиг. 1В.

[0261] В вариантах осуществления настоящего изобретения каждый пьезоэлектрический элемент может быть снабжен более чем двумя электродами, причем один электрод может работать в режиме передачи, генерируя упругие волны, тогда как другой электрод может одновременно работать в режиме приема, создавая электрический заряд. Такая одновременная реализация режимов передачи и приема улучшает формирование изображения по доплеровскому сигналу.

[0262] Движение визуализируемой мишени может обусловить погрешности в итоговом изображении, и может потребоваться уменьшение этих погрешностей. Примером такого движения служит движение сердечной мышечной ткани при визуализации сердца. Для уменьшения влияния указанного движения может оказаться желательным повышение частоты смены кадров. Следовательно, большое значение может иметь повышение частоты смены кадров с сохранением азимутальной и угломестной фокусировки и аподизация. Это может не только уменьшить зубцы в изображениях, но также и обеспечить получение изображений более высокого качества с использованием динамического фокуса в приемнике путем изменения азимута и фокуса электронными средствами в зависимости от глубины. Повышение частоты смены кадров может быть достигнуто в двухступенчатом формирователе луча, который показан на фиг. 16, путем одновременного задействования верхней и нижней секции, что уменьшает количество операций. Кроме того, развертка одного полного столбца, например, A1, В1 и С1, как это показано на фиг. 14, перед генерированием А2, В2 и С2 способствует минимизации влияния движения на строку. Кроме того, одна строка развертки может быть создана с использованием передачи и приема со всех рядов и столбцов в задействованной секции. Однако, использование метода формирования пучка параллельных лучей [работа под названием «Ультразвуковая визуализация с высокой частотой смены кадров, где используется параллельное формирование лучей», автор Tore Gruner Bjastad, защита диссертации на соискание ученой степени доктора философии, г. Тронхейм, январь 2009 года, Норвежский университет естественных и технических наук] позволяет создать множество лучей, например, четыре. Это может дополнительно способствовать повышению частоты смены кадров и уменьшению влияния движения мишени. Эти методы могут также создавать аберрации, но известны электронные способы их коррекции.

[0263] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что хотя электронные или электрические соединения между отдельными элементами, показанные на фигурах в настоящем документе, представляют собой проводные или физические соединения, для обеспечения возможности программируемой и более гибкой цифровой связи могут быть использованы разные цифровые соединения. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения такие цифровые соединения могут включать в себя, помимо прочего, переключатели, штекеры, шлюзы, соединители и т.п.

[0264] В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения 3D-визуализация может быть реализована с использованием 2D-решетки преобразовательных элементов согласно описанию, представленному в настоящем документе. Обращение к азимутальной плоскости может осуществляться путем регулирования задержек элементов в столбце. Эта регулировка задержек может быть аналогична той, которая используется при визуализации в режиме В. Трехмерная (3D) визуализация может создавать объемы в 3D-пространстве, и поэтому может потребоваться обращение к угломестной плоскости. В одном из примеров осуществления настоящего изобретения ультразвуковые лучи могут отклоняться в угломестной плоскости для осуществления передачи со всей решетки преобразователя. В этом случае луч фокусируется в азимутальной плоскости путем регулирования задержек в азимутальном направлении. Регулировка по углу места может быть обеспечена путем регулирования задержки для элементов в столбце в соответствии с отклонением луча в угломестной плоскости, например, всех столбцовых элементов для всех столбцов. В этом примере осуществления настоящего изобретения обеспечивается получение одной строки развертки в азимутальной плоскости путем осуществления передачи с множества столбцов, например, 128 столбцов, где нижний элемент каждого столбца варьируется относительно другого аналогичного столбца настолько, насколько это необходимо для фокусировки луча в азимутальной плоскости. В этом же варианте осуществления настоящего изобретения элемент в столбце может характеризоваться постоянной задержкой, которая увеличивается, начиная с элемента в ряду 0, в соответствии с отклонением луча в угломестной плоскости. Эти стадии могут повторяться множество раз, например, 100 раз, с выделением другой области для фокусировки луча в азимутальной плоскости, но с сохранением таких же угломестных задержек с целью сохранения такого же отклонения луча в угломестном направлении. После этого могут быть сгенерированы 100 строк развертки под углом места. Затем следуют другие 100 событий передачи с азимутальной фокусировкой, аналогичной той, что была описана выше, но отклонение по углу места осуществляется с использованием разных задержек для элементов в столбце, что дает в итоге разные углы отклонения. Для сканирования объема может быть предусмотрено множество разных углов отклонения. Разные углы отклонения показаны на фиг. 44. Преобразователем может быть принят результирующий эхосигнал, и изображение может быть реконструировано. Для увеличения числа кадров в секунду может выполняться формирование пучка параллельных лучей, и для получения изображения более высокого качества предусмотрена возможность коррекции фазовой аберрации. Хотя в предшествующем описании были представлены некоторые варианты и примеры осуществления настоящего изобретения, предмет заявленного изобретения выходит за пределы конкретных раскрытых вариантов осуществления и охватывает другие альтернативные варианты осуществления и/или применения, а также их модификации и эквиваленты. Таким образом, объем прилагаемой формулы не ограничен какими-либо конкретными вариантами осуществления настоящего изобретения, описанными выше. Например, в любом способе или процессе, описанном в настоящем документе, стадии или операции способа или процесса могут выполняться в любой подходящей последовательности, и они не обязательно ограничены какой-либо конкретной описанной последовательностью. Различные операции могут быть описаны как множество выполняемых поочередно отдельных операций таким образом, чтобы содействовать пониманию определенных вариантов осуществления настоящего изобретения; однако порядок описания не должен рассматриваться как предусматривающий, что эти операции зависят от порядка их выполнения. Кроме того, структуры, системы и/или устройства, описанные в настоящем документе, могут быть реализованы в виде интегрированных компонентов или в виде отдельных компонентов.

[0265] Определенные аспекты и преимущества различных вариантов осуществления настоящего изобретения описаны в целях сравнения этих вариантов осуществления. Не обязательно все такие аспекты или преимущества обеспечиваются любым конкретным вариантом осуществления настоящего изобретения. Соответственно, к примеру, различные варианты осуществления настоящего изобретения могут быть реализованы таким способом, который обеспечивает или оптимизирует одно из преимуществ или ряд преимуществ согласно описанию, представленному в настоящем документе, без необходимости обеспечения других аспектов или преимуществ, описанных или предложенных в настоящем документе.

[0266] В контексте настоящего изобретения А и/или В включает в себя один или более элементов А или В и их комбинации, такие как А и В. Следует понимать, что хотя термины «первый», «второй», «третий» и т.д. могут использоваться в настоящем документе для описания различных элементов, компонентов, областей и/или секций, эти элементы, компоненты, области и/или секции не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины используются лишь для того, чтобы можно было отличить один элемент, компонент, область или секцию от другого элемента, компонента, области или секции. Таким образом, первый элемент, компонент, область или секция, описанные выше, могут называться вторым элементом, компонентом, областью или секцией без отступления от идей настоящего изобретения.

[0267] Терминология, используемая в настоящем документе, используется лишь в целях описания конкретных вариантов осуществления заявленного изобретения и не предполагает его ограничение. В контексте настоящего документа предполагается, что формы единственного числа, обозначенные определенными и неопределенными артиклями, также включают в себя формы множественного числа, если из контекста явным образом не вытекает иное. Следует также понимать, что термины «содержит» и/или «содержащий» или «включает в себя» и/или «включающий в себя», используемые в настоящем документе, обозначают наличие указанных признаков, областей, целых чисел, стадий, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличие или добавление одного или более других признаков, областей, целых чисел, стадий, операций, элементов, компонентов и/или их сочетаний.

[0268] В контексте настоящего изобретения и ее формулы, если не указано иное, термины «около» и «примерно» или «по существу» обозначают отклонения, которые меньше или равны +/- 0.1%, +/- 1%, +/- 2%, +/- 3%, +/- 4%, +/- 5%, +/- 6%, +/- 7%, +/- 8%, +/- 9%, +/- 10%, +/- 11%, +/- 12%, +/- 14%, +/- 15% или +/- 20% численного значения в зависимости от варианта осуществления настоящего изобретения. В качестве неограничивающего примера фраза «около 100 метров» обозначает диапазон от 95 метров до 105 метров (т.е. +/- 5% от 100 метров), от 90 метров до 110 метров (т.е. +/- 10% от 100 метров) или от 85 метров до 115 метров (т.е. +/- 15% от 100 метров) в зависимости от вариантов осуществления настоящего изобретения.

[0269] Хотя в настоящем документе были проиллюстрированы и описаны предпочтительные варианты осуществления заявленного изобретения, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что такие варианты осуществления носят исключительно иллюстративный характер. Специалисты в данной области техники могут вносить в них многочисленные изменения, вариации и замены без отступления от объема настоящего изобретения. Следует понимать, что на практике могут быть реализованы различные варианты, альтернативные вариантам осуществления, описанным в настоящем документе. Возможны многочисленные различные комбинации вариантов осуществления настоящего изобретения, и такие комбинации считаются частью заявленного изобретения. Кроме того, все признаки, описанные в привязке к какому-либо одному из вариантов осуществления заявленного изобретения, представленному в настоящем документе, могут быть без труда приспособлены для использования в других вариантах осуществления, описанных в настоящем документе. Предполагается, что последующая формула изобретения задает его объем, и что она охватывает способы и структуры, входящие в объем этой формулы, и их эквиваленты.

Использование: для ультразвуковой визуализации. Сущность изобретения заключается в том, что система ультразвуковой визуализации содержит: a) ультразвуковой преобразователь, содержащий множество пьезоэлектрических микромашинных ультразвуковых преобразовательных элементов (pMUT), причем множество преобразовательных элементов выстроено в один или более рядов и в один или более столбцов, каждый из множества преобразовательных элементов pMUT снабжен двумя или более выводами, при этом к двум элементам из множества преобразовательных элементов pMUT обращение осуществляется одновременно, причем эти два элемента примыкают друг к другу в одном и том же ряду из числа одного или более рядов, и при этом множество преобразовательных элементов содержит верхнюю секцию, центральную секцию и нижнюю секцию, каждая из которых содержит первое число рядов и второе число столбцов для передачи и приема ультразвуковых импульсов отраженного ультразвукового сигнала, причем передача и прием ультразвуковых импульсов отраженного ультразвукового сигнала из этих секций используются для фокусировки отраженного ультразвукового сигнала в азимутальном направлении с использованием первого формирователя луча, и при этом фокусировка по углу места обеспечивается за счет использования второго формирователя луча; и b) одну или более схем, соединенных с множеством преобразовательных элементов pMUT, причем одна или более схем сконфигурированы электронными средствами таким образом, чтобы обеспечивать возможность: i) передачи ультразвукового импульса с ультразвукового преобразователя; ii) приема отраженного ультразвукового сигнала ультразвуковым преобразователем; и iii) электронного регулирования с возможностью фокусировки ультразвукового импульса или отраженного ультразвукового сигнала в угломестном направлении. Технический результат: повышение качества ультразвуковой визуализации и снижение энергопотребления при осуществлении ультразвуковой визуализации. 23 з.п. ф-лы, 63 ил.

1. Система ультразвуковой визуализации, содержащая:

a) ультразвуковой преобразователь, содержащий множество пьезоэлектрических микромашинных ультразвуковых преобразовательных элементов (pMUT), причем множество преобразовательных элементов выстроено в один или более рядов и в один или более столбцов, каждый из множества преобразовательных элементов pMUT снабжен двумя или более выводами, при этом к двум элементам из множества преобразовательных элементов pMUT обращение осуществляется одновременно, причем эти два элемента примыкают друг к другу в одном и том же ряду из числа одного или более рядов, и при этом множество преобразовательных элементов содержит верхнюю секцию, центральную секцию и нижнюю секцию, каждая из которых содержит первое число рядов и второе число столбцов для передачи и приема ультразвуковых импульсов отраженного ультразвукового сигнала, причем передача и прием ультразвуковых импульсов отраженного ультразвукового сигнала из этих секций используются для фокусировки отраженного ультразвукового сигнала в азимутальном направлении с использованием первого формирователя луча, и при этом фокусировка по углу места обеспечивается за счет использования второго формирователя луча; и

b) одну или более схем, соединенных с множеством преобразовательных элементов pMUT, причем одна или более схем сконфигурированы электронными средствами таким образом, чтобы обеспечивать возможность:

i) передачи ультразвукового импульса с ультразвукового преобразователя;

ii) приема отраженного ультразвукового сигнала ультразвуковым преобразователем; и

iii) электронного регулирования с возможностью фокусировки ультразвукового импульса или отраженного ультразвукового сигнала в угломестном направлении.

2. Система ультразвуковой визуализации по п. 1, в которой каждый преобразовательный элемент в столбце возбуждается по меньшей мере одним многоуровневым импульсом, который генерируется одной или более схемами.

3. Система ультразвуковой визуализации по п. 2, в которой величина, ширина и форма импульса, частота следования импульсов или комбинации указанных параметров по меньшей мере одного многоуровневого импульса являются электрически программируемыми.

4. Система ультразвуковой визуализации по п. 2, в которой одно или более из задержки подачи импульса или числа импульсов в по меньшей мере одной многоуровневой последовательности является электрически программируемым.

5. Система ультразвуковой визуализации по п. 1, в которой один или более элементов из множества преобразовательных элементов pMUT поляризованы в двух направлениях на своих разных участках, причем интенсивность поляризации варьируется в зависимости от местоположения одного или более элементов из множества преобразовательных элементов pMUT в ряду, и при этом каждый из одного или более элементов из множества преобразовательных элементов pMUT снабжен по меньшей мере тремя выводами.

6. Система ультразвуковой визуализации по п. 5, в которой сила поляризации является более сильной для центральных рядов и более слабой для внешних рядов, вследствие чего обеспечивается аподизация в угломестном направлении.

7. Система ультразвуковой визуализации по п. 1, в которой регулирование осуществляется в реальном масштабе времени.

8. Система ультразвуковой визуализации по п. 1, дополнительно содержащая наружную линзу, установленную поверх множества преобразовательных элементов, причем наружная линза выполнена с возможностью обеспечения дополнительной фокусировки в угломестном направлении.

9. Система ультразвуковой визуализации по п. 1, в которой одна или более схем включают в себя одну или более следующих схем: схему возбуждения передачи, схему усилителя приема и схему управления.

10. Система ультразвуковой визуализации по п. 9, в которой схема возбуждения передачи выполнена с возможностью возбуждения одного или более из множества преобразовательных элементов pMUT в столбце, и она приводится в действие сигналами канала передачи, причем сигналы канала передачи задерживаются электронными средствами относительно задержки, применяемой в отношении других каналов передачи, возбуждающих другие один или более из множества преобразовательных элементов pMUT в разных столбцах.

11. Система ультразвуковой визуализации по п. 10, в которой один или более элементов из множества преобразовательных элементов pMUT в столбце срабатывают по существу с одинаковой задержкой или с разными задержками.

12. Система ультразвуковой визуализации по п. 11, в которой схема управления выполнена с возможностью определения относительных задержек для одного или более элементов из множества преобразовательных элементов pMUT в столбце, причем схема управления содержит схему грубой задержки, выполненную с возможностью задания грубой задержки для относительных задержек, и схему точной задержки, выполненную с возможностью задания точной задержки для относительных задержек.

13. Система ультразвуковой визуализации по п. 10, в которой канал передачи и дополнительные каналы передачи выполнены с возможностью регулирования электрическими средствами относительных задержек между соседними столбцами, причем схема управления выполнена с возможностью задания относительных задержек для первой группы преобразовательных элементов в столбце таким образом, чтобы первая группа преобразовательных элементов в одном и том же ряду демонстрировала относительную задержку, по существу аналогичную задержке второй группы преобразовательных элементов в начальном ряду.

14. Система ультразвуковой визуализации по п. 10, в которой канал передачи и дополнительные каналы передачи выполнены с возможностью регулирования электронными средствами относительных задержек между соседними столбцами, причем схема управления выполнена с возможностью задания относительных задержек для преобразовательных элементов в столбце таким образом, чтобы первая группа преобразовательных элементов в одном и том же ряду характеризовалась независимыми задержками относительно второй группы преобразовательных элементов в том же ряду для других столбцов.

15. Система ультразвуковой визуализации по п. 14, в которой схема управления выполнена с возможностью регулирования электрическими средствами относительных задержек столбца таким образом, чтобы они были симметричны относительно преобразовательного элемента в центральном ряду столбца.

16. Система ультразвуковой визуализации по п. 9, в которой схема управления выполнена с возможностью регулирования электрическими средствами относительных задержек таким образом, чтобы они линейно увеличивались в столбце, обеспечивая тем самым направление ультразвукового луча в угломестном направлении.

17. Система ультразвуковой визуализации по п. 9, в которой схема управления выполнена с возможностью управления относительными задержками электрическими средствами, что позволяет регулировать толщину срезов в угломестном направлении.

18. Система ультразвуковой визуализации по п. 9, в которой схема управления выполнена с возможностью управления электрическими средствами относительными задержками между импульсами возбуждения для преобразовательных элементов, располагающихся в одном и том же столбце.

19. Система ультразвуковой визуализации по п. 9, в которой схема управления выполнена с возможностью управления электрическими средствами относительными задержками в столбце таким образом, чтобы они были симметричны относительно преобразовательного элемента в центральном ряду столбца.

20. Система ультразвуковой визуализации по п. 9, в которой схема управления выполнена с возможностью управления электрическими средствами относительными задержками таким образом, чтобы они кусочно-линейно увеличивались или уменьшались в столбце, причем количество кусочно-линейных сегментов задержки представляет собой целое число не менее 2.

21. Система ультразвуковой визуализации по п. 9, в которой схема управления выполнена с возможностью управления электрическими средствами относительными задержками вдоль столбца, суммируя линейную задержку и произвольную точную задержку.

22. Система ультразвуковой визуализации по п. 1, в которой фокусировка по углу места и аподизация по углу места выполняются электронными средствами для минимизации погрешностей, обусловленных движением.

23. Система ультразвуковой визуализации по п. 1, в которой ультразвуковой преобразователь характеризуется полосой пропускания, которая фактически не ограничена потерями сигнала вследствие потерь в механической линзе.

24. Система ультразвуковой визуализации по п. 1, в которой одна или более схем сконфигурированы электронными средствами с возможностью обеспечения электронного управления аподизацией в угломестном направлении.