Visualizzazione ecografica tridimensionale mediante l'uso di sonde matriciali in tecnologia cMUT

Abstract

Per progettare un array di trasduttori ad ultrasuoni per applicazioni ecocardiografiche o di ostetricia/ginecologia per visualizzazioni tridimensionali, c’è la necessità di utilizzare un array bidimensionale con un elevato numero di elementi (circa 4000). Tale matrice non è di facile realizzazione a causa delle migliaia di elementi da connettere tra la sonda e la macchina ecografica. Inoltre, l’integrazione su un unico componente del trasduttore e della sua elettronica di pilotaggio insieme all’utilizzo di geometrie irregolari dell’elemento, possono complicare ulteriormente la progettazione. Tuttavia, la nuova tecnologia cMUT (capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer) sembra aver aperto nuovi e differenti scenari per la progettazione di array lineari e bidimensionali di trasduttori ad ultrasuoni. Essendo questi nuovi dispositivi fabbricati con la stessa tecnologia MEMS (Micro‐Electro‐Mechanical Systems ) dei circuiti integrati al silicio, si pensa a questi trasduttori come alternativa ai classici piezoelettrici, ad oggi scelta obbligata per questo tipo di diagnostica medica. A tale proposito, in questo lavoro di tesi è stato generato un software di calcolo in grado di valutare le prestazioni di un array uni‐ e bi‐dimensionale che permetta di realizzare tutte quelle tecniche hardware/software implementate nei moderni sistemi ecografici. Introdotto il principio di funzionamento dell’ecografia, è stata presentata una classificazione degli array in base alla loro geometria e ad alcune tecniche di trasmissione e ricezione normalmente utilizzate. Attraverso una spiegazione dei microfoni a condensatore sono stati presentati i trasduttori cMUT. Per mezzo di un circuito equivalente ed un modello a parametri concentrati, sono state spiegate le caratteristiche di tale dispositivo ed il loro impiego nell’imaging diagnostico. Il suddetto software calcola il campo di pressione generato dagli array, in base al principio della risposta impulsiva spaziale. Sono state realizzate inoltre delle immagini di un phantom virtuale realizzato appositamente. Per produrre tali immagini si è utilizzata una particolare architettura di calcolo parallela. Dei primi test su modelli di array unidimensionali, hanno permesso di valutare le potenzialità di tale software. Sono state implementate particolari tecniche di ricezione e trasmissione che permettono di aumentare il frame‐rate delle immagini generate. Inoltre, si è analizzata una serie di metodi di correzione per artefatti tipici dell’ecografia tridimensionale. Infine, basandosi sullo studio dei brevetti di un noto sistema commerciale, si è generato un modello di array bidimensionale dalla geometria innovativa. La matrice con più di 3000 elementi, ha dato modo di analizzare tecniche di trasmissione e ricezione usate nella diagnostica per immagini volumetriche. E’ stato calcolato il campo di pressione generato da tale array e sono state prodotte delle immagini planari del phantom realizzato. In conclusione è stata presentata un’immagine 3D.