专利名称：超声换能器探头的前端电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超声换能器探头(扫描头)，其具有用于发射超声发射脉冲并接收响应于这些发射脉冲的回声信号的换能器元件的阵列。更确切地说，本发明涉及一种预先连接到这种超声换能器探头的前端电路，其中所述前端电路可以例如被实现为具有规定受限供应电压的给定输入电压限制的专用集成电路(ASIC)，所述前端电路包括发射级，所述发射级包括分支的电压控制线或多根线，其中两个发射支路分别被连接到每个换能器元件的不同终端以便向这些换能器元件中的每一个提供差分激励或脉冲电压，该差分激励或脉冲电压的幅值水平高达由所述电压控制线供应的单端前端电路的电压水平的两倍。在此背景下，提出一种桥接放大器拓扑，其包括集成在两个发射支路中的每一个中的至少一个发射放大器或脉冲发生器，其中这些发射支路中的第一个中的发射放大器提供对应于非反相输入信号的输出信号，并且所述发射支路中的第二个中的发射放大器提供对应于反相形式的所述输入信号的输出信号，从而高达超声换能器的前端供应电压的电压幅值的两倍的电压水平被置于每个换能器元件两端，而不需要在专用集成电路的电压供应输入处提供这一双倍的电压水平，从而能够利用相同的IC加工工艺来使得换能器元件上的电压摆幅加倍。
背景技术：
超声医学诊断系统被用于通过用超声信号扫描目标区域来生成患者体内的解剖结构的超声检查图像。典型地，大致在2. OMHz与IOMHz之间的超声信号经由超声换能器探头被发射到患者体内。所发射的超声能量被患者的身体部分地吸收、分散、折射和反射，并且所反射的超声能量在换能器探头处被接收，在此它被转换成能够被评估并进一步处理的电子回声信号。在很多常规超声系统中，例如可以假设所接收的回声信号经历波束形成。随后，经波束形成的信号可以被处理以分析回声、Doppler效应和流动信息并且获得患者体内的感兴趣的目标解剖结构或组织区域的超声检查图像。
发明内容
在现今市场上可获得的小型便携超声机的常规设计中，前端电路可能装配有通过具有规定受限供应电压的给定输入电压限制的集成电路实现的发射器单元，并且可能的情况是用于加工这一集成电路的工艺不能够处理常规超声探头为得到足够的声学发射功率通常所需要和期望的那些高电压水平。对于其他应用，例如导管和内部探头，如用于经食道超声心动图(TEE)的内窥镜超声探头，可能必须使用具有低电压的探头以便降低对患者的任何潜在风险并且通过提供更薄的绝缘层来使探头的尺寸最小化。因此本发明的一个目的是寻找一种方式来将前端电路的发射部分(以及接收部分)集成到超声机内，且同时考虑到关于前端电路的输出功率和集成电路的输入电压的上述限制。在这一背景下，本发明特别致力于解决在不需要改变用于加工前端的集成电路的工艺的情况下获得较高发射电压的问题。
鉴于这一目的，本发明的第一示例性实施例涉及一种超声换能器探头的前端电路，该超声换能器探头包括用于发射超声发射脉冲并接收响应于这些发射脉冲的回声信号的差分连接换能器元件的阵列，其中，所述前端电路包括具有两个分离的发射支路的发射级，这两个发射支路分别连接到每个换能器元件的不同终端以便向这些换能器元件中的每一个提供差分激励或脉冲电压，该差分激励或脉冲电压的幅值水平由经由两个发射支路馈送到相应换能器元件的前端电路的输入控制信号的差值给出。根据这一实施例的第一方面，所提出的前端电路可以还包括具有集成到所述两个发射支路中每一个中的至少一个发射放大器的桥接放大器拓扑，所述两个发射支路被用于向每个换能器元件提供所述差分激励或脉冲电压，其中，这些发射支路中第一个中的发射放大器提供第一输出信号，该第一输出信号由被放大了增益因子倍后的非反相形式的所述前端电路的输入控制信号之一给出，且其中，这些发射支路中第二个中的发射放大器提供第二输出信号，该第二输出信号由被放大了相同增益因子倍后的反相形式的相同输入控制信号给出。例如，如果所述输入控制信号是由输入电压给出的，则可以假设差分激励或脉冲电压的幅值水平高达这一输入电压的电压水平的两倍。这些发射放大器由此可以被实现为由线性输入控制信号控制的两个线性放大器。 在这种情况下(其代表本发明的一个优选实施例)，非反相输入控制信号被供应给一个放大器，且反相输入控制信号被馈送给另一放大器。可以通过使两个放大器之一为反相放大器来实现相同的效果，在该情况下可以向两个放大器供应相同的输入控制信号。作为替代，根据这一实施例的第二方面，所提出的前端电路可以包括具有集成到两个发射支路中每一个中的至少一个发射脉冲发生器的桥接放大器拓扑，所述两个发射支路被用于向每个换能器元件提供差分激励或脉冲电压，其中，这些发射支路中第一个中的发射脉冲发生器提供第一输出信号，该第一输出信号的幅值水平由馈送到该第一发射支路中的发射脉冲发生器的输入端的第一组数字控制信号设定，且其中，这些发射支路中第二个中的发射脉冲发生器提供第二输出信号，该第二输出信号的幅值水平由馈送到该第二发射支路中的发射脉冲发生器的输入端的第二组数字控制信号设定。该特殊的放大器(或脉冲发生器)由此以桥接模式进行操作。每个换能器元件因此横跨两个相关联的放大器的输出端口连接并且被供应高达馈送到所述放大器的电压供应端的输入电压的电压水平的两倍的电压水平。使用这一电路拓扑意味着在效果上使所使用的放大器的数量加倍。所提出的电路使得有可能用相同的IC工艺使前端电路的供应端口处的单端供应电压的幅值水平加倍，并且进一步暗示存在以下优点获得较高的发射功率并因此增加穿透力或信噪比而不需要改变现有扫描头声学设计且不需要增加前端电路的供应电压相对于接地电位的幅值水平。此外，万一意欲维持发射功率而不是增加该功率或者在发射功率、穿透力、信噪比和声学堆叠设计及成本之间进行折中，则所提出的前端电路还允许使用较不昂贵的扫描头设计。根据本发明的特定方面，还可以假设所述发射放大器或发射脉冲发生器的输出端口通过倒装芯片、柔性电路或其他类型的互连连接到换能器阵列的相关联的换能器元件。 亦即，前端放大器与扫描头中的换能器元件处于同一封装体内，因此使得放大器与扫描头之间的长线缆连接变得不必要。优选地，根据本发明的特定方面，可以预见到所述发射放大器或发射脉冲发生器被集成到所述超声换能器探头中，并且所提出的前端电路被实现为所述超声换能器探头的专用集成电路。根据本发明，所提出的前端电路可以还包括提供表示所述回声信号的输出信号的差分接收级。该接收级由此可以将所述至少一个换能器元件的每个终端连接到相关联的低噪声放大器。除此之外，本发明还涉及一种新型的超声换能器探头。尽管常规扫描头装配有具有公共接地电位的单端换能器元件，但是所述的换能器元件被供应用于接地和信号的两根电线，可以假设所提出的超声换能器探头装配有差分连接的换能器元件，即装配有不具有任何接地电极的换能器元件。因此，本申请的第二示例性实施例涉及一种超声诊断成像系统，其包括具有差分连接的换能器元件的阵列的超声换能器探头，用于发射超声发射脉冲并接收响应于这些发射脉冲的回声信号。根据本发明，由此可以假设所述系统装配有如上面参考所述第一示例性实施例所述的集成前端电路。根据该第二示例性实施例的优选方面，要求保护的超声诊断成像系统可以有利地装配有集成微波束形成器系统。
下面将以示例方式相对于下文描述的实施例和相对于附图阐述本发明的这些和其他有利特征和方面。其中，图1示出根据现有技术的常规超声成像系统的大尺度的部件；图加示出根据现有技术的超声成像系统中的多线波束形成的常规实现方式；图2b示出根据现有技术的另一超声成像系统中的子阵列多线波束形成的常规实现方式；以及图3a示出根据本发明的超声换能器探头的前端电路；图北示出图3a所示的超声换能器探头的前端电路的模拟实现方式；图3c示出图3a所示的超声换能器探头的前端电路的数字实现方式；图如示出根据图北所示的模拟实现方式的超声换能器探头的前端电路的第一发射支路中的发射放大器级的输出端处的第一模拟电压的波形；图4b示出根据图北所示的模拟实现方式的超声换能器探头的前端电路的第二发射支路中的发射放大器级的输出端处的第二模拟电压的波形；以及图如示出用于操作超声换能器探头的换能器阵列的至少一个差分连接的换能器元件的激励或脉冲电压的波形，所述激励或脉冲电压由所述第一和第二模拟电压的差值给
出ο附图标记列表
权利要求
1.一种超声换能器探头(100)，其包括-差分连接的换能器元件(110)的阵列，其用于发射超声发射脉冲并接收响应于这些发射脉冲的回声信号，-前端电路(300，300，或300”)，其包括具有两个分离的发射支路(302a，302b)的发射级(301)，这两个发射支路分别连接到每个换能器元件(110)的不同终端以便向这些换能器元件(110)中的每一个提供差分激励或脉冲电压Q。P)，该差分激励或脉冲电压的幅值水平由差值(Π。ρ1-Π。ρ2)给出，其中Π。Ρ1和Π。Ρ2由经由所述两个发射支路(30h，302b)馈送到相应换能器元件(110)的所述前端电路的输入控制信号(Hinl，nin2)给出。
2.如权利要求1所述的超声换能器探头，其包括具有集成到所述两个发射支路(302a，302b)中每一个中的至少一个发射放大器(304a，304b)的桥接放大器拓扑，所述两个发射支路被用于向每个换能器元件(110)提供所述差分激励或脉冲电压(Π。Ρ)，其中，这些发射支路中第一个(302a)中的发射放大器 (304a)提供第一输出信号(Π。Ρ1)，该第一输出信号由被放大了增益因子(k)倍后的非反相形式的所述前端电路的输入控制信号之一(+k*ninl)给出，且其中，这些发射支路中第二个 (302b)中的发射放大器(304b)提供第二输出信号(Π。Ρ2)，该第二输出信号由被放大了相同增益因子(k)倍后的反相形式的相同输入控制信号(-k Minl)给出。
3.如权利要求1或2所述的超声换能器探头，其包括具有集成到所述两个发射支路(302a，302b)中每一个中的至少一个发射脉冲发生器(304a’，304b’ )的桥接放大器拓扑，所述两个发射支路被用于向每个换能器元件 (110)提供所述差分激励或脉冲电压Q。P)，其中，这些发射支路中第一个(302a)中的发射脉冲发生器(304a’ )提供第一输出信号(Π。Ρ1)，该第一输出信号的幅值水平由馈送到该第一发射支路(302a)中的发射脉冲发生器(304a’)的输入端的第一组数字控制信号(S1)设定，且其中，这些发射支路中第二个(302b)中的发射脉冲发生器(304b’ )提供第二输出信号(Π。Ρ2)，该第二输出信号的幅值水平由馈送到该第二发射支路(302b)中的发射脉冲发生器(304b’ )的输入端的第二组数字控制信号(S2)设定。
4.如权利要求2或3中的任一项所述的超声换能器探头，其中，所述发射放大器(30 ，304b)或发射脉冲发生器(304a，，304b，)的输出端口通过倒装芯片、柔性电路或其他类型的互连连接到所述阵列的相关联的换能器元件(110)。
5.如权利要求4所述的超声换能器探头，其中，所述发射放大器(30 ，304b)或发射脉冲发生器(304a，，304b，)被集成到所述超声换能器探头(100)中。
6.如权利要求5所述的超声换能器探头，其被实现为所述超声换能器探头(100)的专用集成电路。
7 如权利要求6所述的超声换能器探头，其包括提供表示所述回声信号的输出信号Q。ut)的差分接收级(306)。
8.如权利要求7所述的超声换能器探头，其中，所述接收级将所述至少一个换能器元件(110)的每个终端连接到相关联的低噪声放大器。
9.如权利要求8所述的超声换能器探头，其中，每个换能器元件(110)被实现为压电元件(305)。
10.—种超声诊断成像系统，所述系统包括如权利要求1-9中的任一项所述的超声换能器探头(100)。
11.如权利要求10所述的超声诊断成像系统，其装配有集成微波束形成器系统。
全文摘要
本发明涉及一种超声换能器探头100，其具有用于发射超声发射脉冲和接收响应于这些发射脉冲的回声信号的换能器元件110的阵列。更确切地说，本发明涉及预先连接到这种超声换能器探头的前端电路300、300’或300”，其中所述前端电路可以例如被实现为具有规定受限供应电压Uin1的给定输入电压限制的专用集成电路(ASIC)，所述前端电路包括发射级301，所述发射级包括分支的电压控制线302或多根线，其中两个发射支路302a和302b分别被连接到每个换能器元件110的不同终端以便向这些换能器元件中的每一个提供差分激励或脉冲电压Uop，该差分激励或脉冲电压的幅值水平高达由电压控制线302供应的单端前端电路300、300’或300”的电压水平Uin1的两倍。
文档编号B06B1/02GK102245316SQ200980149433
公开日2011年11月16日 申请日期2009年12月1日 优先权日2008年12月10日
发明者A·鲁滨逊, L·J·奥尔森, R·贝茨 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司