专利名称：具有集成式超声换能器和流动传感器的装置的制作方法外科手术程序正变得更加地微创。结果，外科医生以及放射科医师或心脏病专家看不到他们需要对其进行处理的目标区。为了在正确的地方导航并执行手术，典型地，对于微创程序仪器，例如外科工具、导管、针和观测仪器，使用手术中成像技术，例如回波检查、X 射线以及利用CT和MRI扫描的手术前成像。此外，神经外科手术要求将针精确地导航到大脑中，同时避免损伤大脑内部的血管。手术前图像常常不够用，因为在开颅时大脑会偏移其位置。当前，在例如导管或引导线上使用基于陶瓷或单晶压电元件的传统超声换能器以进行成像。这些换能器由线性阵列构成，以生成2D图像。利用回波检查，通过图像识别、多普勒频移和/或散斑跟踪，利用这些超声装置识别血液流动。集成微机械超声换能器(MUT)，例如电容式微机械超声换能器(cMUT)和压电微机械超声换能器(PMUT)是在基于Si的技术中实现超声换能器的新技术。它们被认为是现有压电陶瓷换能器的廉价替代。
本发明的目的是提供一种介入系统和控制其的计算机软件，利用该系统能够更好地检测到流体运动。这一目的是通过相应独立权利要求的主题解决的。在相应从属权利要求中描述了其他示范性实施例。总体上，根据本发明的介入系统包括微型化装置和处理模块。该装置包括位于诸如针的仪器的顶端部分的超声换能器阵列。处理模块与所述超声换能器阵列连接，并适于测量由所述超声换能器发送和接收的数据之间的频移和时间延迟。换言之，本发明提出为针或导管的顶端装备超声换能器阵列，以利用发送和接收的脉冲之间的时间和频率差异测量恰在顶端前方的流动。由于不需要图像，所以仅需要几个换能器元件。换能器元件生成超声脉冲并接收其回波而无需使用成像技术和复杂的驱动电子设备。因此，需要有限量的角度。利用所接收信号的频移和时间延迟，可以检测到血流的邻近性和横向方向，从而识别出血管。要认识到，超声换能器可以是基于陶瓷或单晶压电元件的传统换能器，或可以是在Si技术中生产的MUT，例如cMUT或pMUT。此外，超声换能器可以发射一个脉冲或一系列脉冲，即脉冲串(burst)。超声脉冲串可以由几个脉冲构成，即1和10个脉冲之间，或介于诸如10个或更多的几个脉冲和诸如 40个的多个脉冲之间。这些脉冲可以是沿所有方向或沿预定义方向发射的，或者可以仅仅主要在一个方向，即具有小角度。根据本发明的实施例，处理模块可以至少部分集成在装置中。可以将处理模块分成几个处理子单元，每个子单元可以专用于执行特定的数据处理步骤，或者可以根据希望的发射特性专门驱动超声换能器。因此，处理子单元可以彼此串联或并联连接或是所述方式的组合。作为范例，所述处理子单元之一可以集成在装置中，即，可以施加在独立芯片中， 芯片接下来又可以位于装置中或装置上，尤其是在装置顶端部分中或上。那样的优点是缩短了每个超声换能器和处理模块之间的线缆。由于长线缆对发射的信号质量具有不利影响，这样的缩短将使得处理模块接收到更精确的数据。例如，可以更精确地测量换能器向处理模块发送的几次观测的高度和距离。此外，处理模块可以与换能器阵列一体地形成。例如，在换能器形成于Si衬底中的情况下，也可以在这个Si衬底中实现驱动电子设备或处理电路，从而超声换能器阵列与处理子单元一起可以共同位于装置的顶端部分上。因此，可以在独立载体上处理超声换能器阵列，独立载体也可以包括处理子单元，并可以安装在装置顶端部分。为了避免对周围组织造成不希望效果，可以用生物相容保护层，例如来自聚对二甲苯基，或任何其他有机或无机涂层覆盖超声换能器阵列。另一方面，可以在Si衬底中实现完整的顶端部分，或者，甚至完整的装置，包括超声换能器阵列以及处理子单元。因此，针对根据本发明的装置的制造过程可以具有更少步骤，可能获得更廉价的产品。此外，信号通路的长度可以尽可能短。在另一个实施例中，处理子单元可以对从超声换能器接收的信号进行放大。这也将获得已处理数据的更高精度。为了影响将要发送超声脉冲串的方向，可以将超声换能器阵列布置成圆形或线的形式，或者它们可以位于装置斜面的表面上或可以位于装置的周边表面，其中根据希望的应用，斜面和圆周表面两者的组合也可能是有利的。假设清楚地知道顶端部分上阵列的位置，基于发送和接收的数据之间的频移和时间延迟的测量，处理模块可以能够确定流体流动相对于装置顶端部分之间的空间取向和距1 O这种信息可以帮助用户(例如医生)首先检测或识别装置顶端部分附近的流体流动，从而避免损伤流体流动的血管。要指出的是，一方面，该装置可以是活检针、套管或套管针，或者另一方面，也可以是导管、引线、观测仪器或适于容纳该装置的任何其他手术仪器。根据本发明的另一实施例，该介入系统可以包括监视器，还可以包括成像装置。成像装置可用于在研究或治疗区域上进行无创概览。这样的成像装置可以是X射线装置，像固定或移动C型臂、包括扫描架的计算机断层摄影装置、磁共振断层摄影装置或超声装置。 由于有时难以在没有任何造影剂的情况下通过上述成像装置之一检测血管，所以超声换能器与处理模块一起可以提供针对这种血管的额外信息。可以是成像装置一部分的监视器可用于对来自处理模块的数据以及来自成像装置的图像数据进行可视化。在本发明的另一实施例中，还可以实现更大数量的MUT阵列作为线性阵列或2D阵列。可以在微创外科手术程序，例如神经外科手术程序中使用导管上或针上安装的阵列以实现沿正向或侧向观察的超声图像，从而支持针或导管的定位。也可以使用相同的超声换能器阵列确定随着发射和接收信号的飞行时间以及由于多普勒效应导致的频移，血管中的血流和流向。例如，可以使用检测到的流动来检测针或导管前方或旁边的血管。除成像之外，使用这种信息以弓I导针或导管，并防止损伤血管。本发明还涉及一种用于处理装置的计算机程序，使得可以在适当系统上执行这种方法。优选将该计算机程序加载到数据处理器的工作存储器中。这样装备数据处理器以执行根据本发明的步骤。此外，本发明涉及一种计算机可读介质，例如CD-ROM，可以在其上存储计算机程序。不过，也可以在诸如万维网的网络上提供计算机程序，并可以从这样的网络向数据处理器的工作存储器中下载程序。根据本发明，计算机软件可以令根据本发明的介入系统利用超声换能器发送超声脉冲，记录由超声换能器接收的数据，并测量发送的脉冲和接收的数据之间的频移和时间延迟。此外，软件可以令介入系统基于所测量的频移和时间延迟确定流体流动和超声换能器之间的空间取向和距离。最后，计算机软件可以令介入系统在监视器上对已处理数据进行可视化，其中也可以在所述监视器上图示从成像装置接收的图像数据。必须要指出，本发明的实施例是参考不同主题描述的。具体而言，一些实施例是参考方法型权利要求描述的，而其他实施例是参考设备型权利要求描述的。不过，本领域的技术人员从以上和以下描述将认识到，除非另行指出，除了属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征间的任何组合也被视为被本申请公开。本发明的上述方面和其他方面、特征和优点还可以从下文要描述的实施例范例导出并参考实施例范例加以解释。在下文中将参考实施例的范例更详细地描述本发明，但本发明不限于它们。图1示出了根据本发明的介入系统；图加示出了超声换能器阵列的第一示范性实施例，其中图2b还示出了相对于血管中流体流动的这种阵列；图3示出了根据本发明的装置的顶端部分，其包括超声换能器阵列的第二示范性实施例；图4示出了根据本发明的装置的顶端部分，其包括超声换能器阵列的第三示范性实施例；图5示出了根据本发明的装置的顶端部分，其包括超声换能器阵列的第四示范性实施例；图6图示了频移和时间延迟的范例；图7是根据本发明的介入系统的图示，还包括成像装置和监视器；图8是根据本发明由计算机软件令介入系统执行的步骤的流程图。附图中的图示仅是示意性的而并非按比例绘制。要指出的是在不同图中，为类似元件提供相同附图标记。附图标记列表CN 102469986 A说明书4/7 页100装置120超声换能器阵列122，124超声换能器圆形阵列126，128超声换能器线性阵列130导线132结合焊盘140，142处理单元160顶端部分180车由200控制台220处理单元240监视器260线缆500成像装置510辐射源520检测器阵列
8收的反射的超声振动。在步骤S3中，由介入系统的处理单元测量发送和接收的超声信号之间的频移和时间延迟。在步骤S4中，可以确定流体流动和装置顶端之间的特殊取向和距离。最后，在步骤S5中，对前面步骤获得的信息进行可视化。例如，如果不直接向装置顶端部分的前方，而是还向装置顶端部分的侧面发出超声脉冲串，可能有利的是，将装置旋转几度，并重复发送和接收步骤。这样可以改善确定所检测的流体流动，即血管空间取向的质量。尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但这样的图示和描述被认为是图示性或示范性的而非限制性的；本发明不限于公开的实施例。通过研究附图、公开和所附权利要求，本领域的技术人员在实践请求保护的本发明时能够理解和实现所公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括” 一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”不排除多个。单个处理器或其他单元可以完成权利要求中列举的几项的功能。在互不相同的从属权利要求中列举某些手段的简单事实并不表示不能有利地使用这些手段的组合。可以在适当的介质上存储和/或分布计算机程序，介质例如是与其他硬件一起供应或作为其他硬件一部分供应的光学存储介质或固态介质，但也可以以其他形式分布，例如通过互联网或其他有线或无线电信系统。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。


本发明提出为手术仪器，例如针或导管或任何其他仪器的顶端装备超声换能器阵列，以利用发送和接收的脉冲之间的时间和频率差异测量恰在顶端前方的流动。由于不需要图像，所以仅需要几个换能器元件。换能器元件在特定方向上生成压力脉冲并接收其回波，而无需利用成像技术和复杂的驱动电子设备。利用所接收信号的频移和时间延迟，可以检测到血流的邻近性和横向方向，从而识别出血管。