[发明专利]单片式超声成像装置、系统及方法

说明书

为了实现单芯片超声成像解决方案，可以在接收信号路径中采用片上信号处理以减小数据带宽，并且可以使用高速串行数据模块来将所有接收到的信道的数据作为数字数据流移动到片外。在片上对接收的信号进行数字化使得能够在片上进行先进的数字信号处理，从而允许将整个超声成像系统完整地集成在单个半导体衬底上。类似地公开了各种新颖的波形生成技术、换能器配置以及偏置方法等。可以附加地或替代地采用HIFU方法，作为本文中所公开的“片上超声”解决方案的组成部分。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年3月15日提交的题为“MONOLITHIC ULTRASONIC IMAGINGDEVICES,SYSTEMS AND METHODS(单片式超声成像装置、系统及方法)”的美国临时专利申请序列号61/798,851的权益，其全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本公开内容的各方面涉及用于成像和/或治疗(例如，超声成像和/或处理技术)的装置、系统及方法。例如，本文中所公开的架构和技术的特定方面使得能够将整个超声成像系统集成在单个半导体衬底上。因此，本文中描述的特征和方法中的许多特征和方法涉及单芯片超声成像解决方案，或者涉及超声成像系统的至少多个部分设置在单个芯片上的装置和系统。

背景技术

传统的超声扫描仪具有诸如使用波束成形来线性扫描以用于传送和接收操作的硬件配置，这会限制可以用于图像处理的成像算法的类型。

此外，超声扫描仪的成本和可扩展性(scalability)已经接近当前工业中主流的压电换能器技术的极限。仍使用“切割-填充(dice and fill)”制造工艺来制作压电换能器，在该处理中切割出单独的压电元件，然后将其单独地布置在衬底上以形成换能器。这样的处理容易有机械加工和布线的成本、不均匀性以及不可扩展的问题。

从压电换能器阵列将多个信道的模拟信号传输至超声扫描仪中的电子器件的问题极大地限制了要向前推进超声成像的分辨率以及使得能够进行高质量3D体积成像所需的更大和更密集的换能器阵列的实用。

电容式微机械超声换能器(CMUT)的制造技术的当前进展使得能够以当前驱动着电子器件工业的相同半导体铸造术来制造高质量的超声换能器。与压电换能器相比，CMUT装置还具有优良的带宽和声学阻抗匹配性能。此外，对于设计CMUT阵列可用的增大的灵活性使得能够实现先进的阵列设计技术，该技术可以抑制成像伪迹、提高信号质量以及减小信道计数。然而，目前为止提出的使用CMUT阵列的超声成像解决方案采用传统架构和信号处理范式(paradigm)，从而经受严重的限制和缺陷。

发明内容

本公开内容详述了基于微机械超声换能器的超声成像仪的设计的新范式的各方面。在一些实施方式中，可以在接收信号路径中采用片上信号处理，例如用于减小数据带宽，以及/或者可以使用高速串行数据模块来将所有接收到的信道的数据作为数字数据流移动到片外(off-chip)。根据本公开内容的一些实施方式在片上对接收的信号进行数字化使得能够在片上进行先进的数字信号处理，从而允许将整个超声成像系统完整地或基本完整地集成在单个半导体衬底上。在一些实施方式中，提供了完整的“片上超声系统”解决方案。

在一些实施方式中，本文中公开的装置和架构可以与一种或更多种复杂的方法(例如一种或更多种合成孔径技术)完全结合。合成孔径技术例如可以允许从多个接收孔径集(receive aperture collections)来形成高分辨率影像。