[发明专利]有源冷却超声探头的系统和方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于人类解剖学超声成像的超声探头，且更特别地，涉及有源冷却超声探头的技术。

背景技术

超声成像系统在医学成像和诊断领域中已变得无处不在。典型地，超声成像系统包括保持抵在患者身体上的声学探头(超声探头)。该探头包括探头壳体内的声学换能器。每个换能器由发射和接收超声波的压电材料或静电元件制成，所述超声波进而有利于患者内部组织的成像。在发射和接收期间交替释放和吸收的声学能量在探头内形成由于声学损失转换成热而产生的热量积聚。

为从超声系统获得最佳性能，需要以最大许可的声学强度，如由美国食品及药物管理局允许的，来操作探头及其相关的换能器。这将能够通过增加声波穿透性来提高超声图像的质量，从而使给定系统和换能器的信噪比最大化，并确保成像性能不会受到发射全部允许声学强度的能力的限制。然而，以较高声学强度操作声学探头及其相关的换能器可不利地导致在换能器组件内过量热的生成。可允许在超声探头外部上积聚的热量必须在规定限度内。在执行成像过程期间，针对声学探头在与患者和技术人员接触的点处的最大允许外部/表面温度存在实际和规定的限制。满足这些目标最终取决于探头散热或从探头上提取热量的能力。

此外，超声探头的表面温度必须足够低以避免伤害患者和使操作者不舒服。在成像期间，患者和技术人员通常更愿意与舒适的凉爽探头接触。而且，增加的内部温度会影响换能器部件的操作特性，从而降低它们的效率和/或工作能力。例如，可用作探头控制电路一部分的CMOS集成电路在低温下工作得更快速和更有效。

另外，如本领域技术人员将意识到的，制造换能器元件典型采用的材料主要基于它们的声学性能进行选择，且通常已知具有相对较低的固有导热性。换能器组件的低导热性可导致探头过热。而且，由探头操作产生的大部分热趋向于立即积聚在换能器元件的周围，这些换能器元件在探头内必须位于非常靠近被检查的患者身体的位置处。此外，换能器元件通常通过方形槽而彼此隔离，所述方形槽为换能器元件提供额外的热绝缘。因此，换能器元件内产生的热被封堵在致使探头表面温度升至环境温度以上的声学组件内。使可能被封堵在换能器元件阵列内的热散出，以避免超声探头的接触表面过热通常是有利的。

按常规，超声探头内的热处理是由较简单的设备完成的，如导体，其包埋在换能器结构内，从而将热尽可能快地从热源传递到探头结构本体内。例如，包围换能器阵列的探头壳体的内部容积可充入导热陶瓷材料，例如包埋在环氧树脂内的导热陶瓷颗粒。陶瓷材料使结构稳定并有助于使在换能器元件阵列振动期间产生的热从探头表面/面向内部的换能器/探头背面散出。以这种方式，热从探头的临界前表面传导到手柄，手柄处增加的质量有助于通过自然对流均匀散热。

由于常规超声探头内的电子数量典型足够小，自然对流足以将探头的温度保持在规定限度内。为避免探头过热，普通的作法是在探头内靠近患者接触表面处设置热敏电阻或其它温度感测设备，从而在发生过热事件时减少或终止电源和对探头的激励。

然而，超声换能器技术快速向具有更高元件数的探头的方向发展。这进而需要更多布线和更轻的材料，并且对各元件的相互连接及超声成像系统的可制造性发出挑战。在封装技术上对此增加的压力是高水平的半导体电路集成的可用性。由于换能器内的小元件与系统内感测电子器件之间的电阻抗不匹配，已开发出各种手段来提供探头手柄内的有源电子器件。随着电子技术的发展，期望尽可能将更多的有源电路放置在检测到的信号源附近。

半导体技术在诊断超声换能器中的应用已建立起这些设备的设计和制造的新方向。尽管这些产品在传统上是由无源电子电路和压电陶瓷传感器构成的，换能器现在担当有源前置放大器、发射器、激光器，和最终地，A/D转换器和也许是数字信号处理器的宿主。这极大地增加了探头内工作电源的需要。这种工作电源的增加必然导致工作温度的增加。将该技术添加到传统的“手持式”超声探头对机械设计者处理由有源设备产生的热的能力造成严重的压力，从而加剧探头内热量处理的难度。为生成最高质量的图像，探头的功率输出被处理成接近规定限度，产生处理探头热输出的需要。