專利名稱：超聲波診斷系統(tǒng)中寬波束的發(fā)射方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)用超聲波診斷系統(tǒng)的成像技術(shù)，尤其涉及超聲波診斷系統(tǒng) 寬波束的發(fā)射方法和裝置。
背景技術(shù)：
超聲波診斷系統(tǒng)快速成像技術(shù)的研究有著重要意義，可以說實(shí)現(xiàn)快速成 像可以幫助我們?yōu)閷?shí)現(xiàn)一些高級(jí)技術(shù)提供一個(gè)基礎(chǔ)，這個(gè)基礎(chǔ)就是數(shù)據(jù)率， 單位時(shí)間獲得的信息量更大導(dǎo)致可以進(jìn)行更好更細(xì)致的圖像分析，從而更好 的實(shí)現(xiàn)各種技術(shù)。具體的可以包括以下幾點(diǎn)
1、 對(duì)3D/4D成像的幫助
不管是3D還是4D，都是以需要海量的數(shù)據(jù)為前提的，現(xiàn)在我們的3D成 像速度還與其它大公司有較大的距離，主要原因在于我們的幀率低，成像速 度的限制直接導(dǎo)致3D圖像速度的限制。
2、 對(duì)血流成像的幫助
血流成像的幀率與圖像質(zhì)量一樣直接影響到使用者對(duì)機(jī)器的影響，是重 要的機(jī)器等級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。我們現(xiàn)在的血流成像幀率低，還沒有辦法與高檔機(jī) 器的C模式幀率相比，因此快速成像就顯得很重要。簡(jiǎn)單的說，快速成像的 原理在于用一次發(fā)射的接收數(shù)據(jù)生成多條掃描線數(shù)據(jù)，這樣，實(shí)際上就幫助 我們并行獲得掃描線數(shù)據(jù)，這樣的直接結(jié)果是成倍地提高血流成像的幀率。
3、 對(duì)心臟成像的幫助
對(duì)于運(yùn)動(dòng)速度快的心臟，幀率在某些時(shí)候是比圖像質(zhì)量要重要的。
4、 對(duì)圖像質(zhì)量的幫助
在現(xiàn)有的許多技術(shù)中，都可以歸結(jié)為圖像質(zhì)量與幀率的平衡關(guān)系，例如:
i) 合成孔徑是使用兩次發(fā)射合成一條信噪比高的掃描線；
ii) 復(fù)合成像是多次從不同方向發(fā)射合成掃描線來減少斑點(diǎn)提高質(zhì)量；iii) 編碼激勵(lì)中的Golay碼發(fā)射需要多次發(fā)射以降低縱向旁瓣的影響；
iv) 心臟B成像通過使用低密度掃描來獲得高幀率。
其中i) iii)都是犧牲幀率提高質(zhì)量，而iv)是使用質(zhì)量換幀率。通過 快速成像，可以緩解這種矛盾，使這些技術(shù)得到更好的實(shí)現(xiàn)
4、對(duì)心臟相關(guān)技術(shù)的幫助
對(duì)于現(xiàn)有的高檔機(jī)器，許多都有關(guān)于心臟的臨床技術(shù)，比如解剖M型和 心臟運(yùn)動(dòng)的相關(guān)分析。這些都利用了心臟某個(gè)部位在圖像中位置的隨時(shí)間的 變化的信息來進(jìn)行臨床的評(píng)價(jià)以及指標(biāo)計(jì)算為了得到連續(xù)的圖像和精確的結(jié) 果，這就對(duì)心臟圖像的時(shí)間分辨率給出了嚴(yán)格的要求，而時(shí)間分辨率就是圖 像的幀率。
為了提高幀率，多波束接收技術(shù)是現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)，多波束接收即通過 一次發(fā)射接收多條掃描線來減少生成一幀圖像所需的時(shí)間，從而大大提高幀 率。這種技術(shù)的一個(gè)主要問題就是失真，如果發(fā)射的波束不足以覆蓋所有的 掃描線，那么獲得掃描線就會(huì)形成失真；因此，多波束技術(shù)的一個(gè)很重要的 問題就是如何使發(fā)射的波束能夠涵蓋接收掃描線的范圍，即發(fā)射寬波束技術(shù)。
名禾爾為"System method and machine readable program for performing ultrasonic fat beam transmission and multilane receive imaging，， 的 美國(guó)US6,585，64S號(hào)專利公開一種發(fā)射寬波束的方法，該方法是將多次發(fā)射 的發(fā)射波形加起來一起發(fā)射從而得到寬的發(fā)射波束。其思想是對(duì)于單波束， 每個(gè)波束的發(fā)射都對(duì)應(yīng)了多個(gè)陣元的不同延時(shí)發(fā)射波形，對(duì)于不同的掃描線， 這些發(fā)射波形延時(shí)不一樣，將多次發(fā)射集合到一次發(fā)射，將在同一個(gè)陣元的 多次發(fā)射波形相加，就得到了寬波束的該陣元的復(fù)合發(fā)射波形(composite waveform)，由于延時(shí)不同，從而每個(gè)陣元得到的發(fā)射波形也是不一致的，這 種波形的發(fā)射結(jié)果實(shí)際上也可以看作是多次單波束發(fā)射的聲場(chǎng)的疊加結(jié)果， 因此得到寬波束。
名稱為"Numerical optimization of ultrasound beam path " 的美國(guó) US6，2S2，963號(hào)專利公開一種優(yōu)化波束的方法，其主要思想是通過優(yōu)化發(fā)射變 跡曲線得到寬波束。通過建立發(fā)射波束的數(shù)學(xué)模型(主要考慮變跡曲線的影
響)，并且提出了評(píng)價(jià)寬波束的若干準(zhǔn)則，通過優(yōu)化方法優(yōu)化該數(shù)學(xué)方程，從 而得到最優(yōu)的發(fā)射變跡曲線。
上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)在于描述的方法主要是通過發(fā)射任意波形
(US6， 585， 648號(hào)專利)或者控制發(fā)射變跡曲線(US6，282，963號(hào)專利)從而獲得 寬波束，然而實(shí)際上這種方案實(shí)現(xiàn)的前提是超聲系統(tǒng)前端可以發(fā)射任意波形， 這對(duì)于許多只能發(fā)射單極電平或者雙極電平激勵(lì)波形的超聲機(jī)器而言是不可 行的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種在單極 或者雙極的超聲系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)寬波束發(fā)射的方法及其裝置。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案設(shè)計(jì)一種超聲波診斷系統(tǒng)中寬波束的發(fā)射方 法，其關(guān)鍵點(diǎn)在于將超聲探頭的發(fā)射孔徑分成N個(gè)子孔徑以及將焦點(diǎn)橫向
切分為N個(gè)子焦點(diǎn)，所述N個(gè)子孔徑與所述N個(gè)子焦點(diǎn)建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系， 每個(gè)子孔徑有M個(gè)陣元，全部都聚焦于與該孔徑對(duì)應(yīng)的子焦點(diǎn)，脈沖發(fā)生器 激勵(lì)超聲探頭的N個(gè)子孔徑獲得一個(gè)橫向拉伸的發(fā)射聲場(chǎng)，所述N個(gè)子孔徑 的發(fā)射聲場(chǎng)分別在其對(duì)應(yīng)的子焦點(diǎn)聚焦，各子孔徑的聲場(chǎng)相疊加，最后形成一 個(gè)能覆蓋所有接收線寬波束的聲場(chǎng)；所述N和M均為大于2的整數(shù)。
所述發(fā)射孔徑等距分成N個(gè)子孔徑，所述焦點(diǎn)被橫向切分為等距離分布 的N個(gè)子焦點(diǎn)，每個(gè)子孔徑的M個(gè)陣元相對(duì)于其子焦點(diǎn)呈對(duì)稱分布。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案還包括設(shè)計(jì)--種超聲波診斷系 統(tǒng)中寬波束的發(fā)射裝置，包括探頭、發(fā)射/接收轉(zhuǎn)換和脈沖發(fā)生器；所述脈沖 發(fā)生器根據(jù)發(fā)射波形與發(fā)射延時(shí)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)激勵(lì)探頭陣 元，陣元受激振蕩產(chǎn)生聲波穿透機(jī)體組織并且產(chǎn)生回波，探頭發(fā)射后進(jìn)入接 收模式；所述探頭的發(fā)射孔徑分成N個(gè)子孔徑，所述探頭的焦點(diǎn)橫向切分為 N個(gè)子焦點(diǎn)，所述N個(gè)子孔徑分別與所述N個(gè)子焦點(diǎn)建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，每 個(gè)子孔徑有M個(gè)陣元，全部都聚焦于與該孔徑對(duì)應(yīng)的子焦點(diǎn)，脈沖發(fā)生器激 勵(lì)超聲探頭的N個(gè)子孔徑獲得一個(gè)橫向拉伸的發(fā)射聲場(chǎng)，所述N個(gè)子孔徑的 發(fā)射聲場(chǎng)分別在其對(duì)應(yīng)的子焦點(diǎn)聚焦，各子孔徑的聲場(chǎng)相疊加，最后形成一 個(gè)能覆蓋所有接收線寬波束的聲場(chǎng)；所述N和M均為大于2的整數(shù)。
所述N個(gè)子孔徑和所述N個(gè)子焦點(diǎn)等距離分布，每個(gè)子孔徑的M個(gè)陣元 相對(duì)于其子焦點(diǎn)呈對(duì)稱分布。
所述N個(gè)子孔徑有多種排列方式，可以是依次按順序排布或是所述N個(gè) 子孔徑的N*M個(gè)陣元相間排布。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的超聲波診斷系統(tǒng)中寬波束的發(fā)射裝置具有 如下優(yōu)點(diǎn)通過對(duì)探頭劃分多子孔徑并使各子孔徑分別聚焦后疊加聲場(chǎng)的方 法，使得在發(fā)射單極性或者雙極性發(fā)射波形的超聲機(jī)器發(fā)射能覆蓋所有接收 線范圍的寬波束成為可能。


圖1是超聲成像系統(tǒng)的原理方框圖2是單波束情況下強(qiáng)聚焦在焦點(diǎn)處的聲場(chǎng)橫切面示意圖3是本發(fā)明發(fā)射孔徑分組方法舉例；
圖4是本發(fā)明子孔徑聚焦方法示意圖5是本發(fā)明子焦點(diǎn)設(shè)置示意圖6是具有四個(gè)子焦點(diǎn)位置的聲場(chǎng)橫切面；
圖7是與圖6對(duì)應(yīng)的有四個(gè)子焦點(diǎn)時(shí)最終形成寬波束的示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖及附圖所示之實(shí)施例對(duì)本發(fā)明裝置和方法作進(jìn)一步詳述。
圖l為醫(yī)用超聲成像系統(tǒng)的原理方框圖，對(duì)于超聲探頭的每個(gè)通道，在發(fā) 射時(shí)設(shè)置發(fā)射波形以及發(fā)射延時(shí)，脈沖發(fā)生器將發(fā)射波形的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為 模擬電信號(hào)激勵(lì)探頭陣元，陣元受激振蕩產(chǎn)生的聲波穿透機(jī)體組織并且產(chǎn)生 回波，探頭發(fā)射后進(jìn)入接收模式，若干個(gè)通道接收的回波數(shù)據(jù)經(jīng)過波束合成 器形成掃描線數(shù)據(jù)，當(dāng)前的掃描線數(shù)據(jù)仍然是高頻數(shù)據(jù).，因此需要經(jīng)過檢測(cè) 器進(jìn)行解調(diào)以及信號(hào)處理，經(jīng)過數(shù)字^1描轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就可以由顯示器進(jìn)行顯 示。
在常規(guī)的單波束發(fā)射情況下，為了提高圖像的橫向分辨率，常常希望聲 束在橫向上能量越集中越好，即聲束越細(xì)越好，因此，使用強(qiáng)聚焦從而盡可 能的將聲場(chǎng)的能量聚集在接收線的上。對(duì)于給定的發(fā)射孔徑，通過計(jì)算每個(gè)
陣元到焦點(diǎn)處的時(shí)間來計(jì)算延時(shí)，通過在不同時(shí)刻激勵(lì)陣元從而形成一束聚
焦的聲束，圖2是單波束情況下聲場(chǎng)在焦點(diǎn)處的橫切面，接收線的位置在橫向 距離的0點(diǎn)，該點(diǎn)的能量最集中，因此，接收線能有比較好的橫向分辨率。
為了接收多波束，我們需要的是聲場(chǎng)能量聚集于一個(gè)區(qū)域，該區(qū)域涵蓋 了所有接收線的范圍，并且在該范圍的聲場(chǎng)能量能夠平坦，最理想的聲場(chǎng)就 是一個(gè)長(zhǎng)方體狀的聲場(chǎng)，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是提出一種能夠發(fā)射寬 波束的方法及其裝置。本發(fā)明通過將發(fā)射孔徑分為子孔徑，這些子孔徑每一 個(gè)都聚焦到聲場(chǎng)中不同的點(diǎn)位置，通過這種發(fā)射方法，子孔徑的聲場(chǎng)相互疊 加，從而形成一個(gè)均勻?qū)挷ㄊ穆晥?chǎng)。
本發(fā)明將超聲探頭的發(fā)射孔徑分成N個(gè)子孔徑以及將焦點(diǎn)橫向切分為N 個(gè)子焦點(diǎn)，N個(gè)子孔徑分別與N個(gè)子焦點(diǎn)建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，每個(gè)子孔徑有M 個(gè)陣元，全部都聚焦于與該子孔徑對(duì)應(yīng)的子焦點(diǎn)，脈沖發(fā)生器激勵(lì)超聲探頭 的N個(gè)子孔徑獲得一個(gè)橫向拉伸的發(fā)射聲場(chǎng)，所述N個(gè)子孔徑的發(fā)射聲場(chǎng)分 別在其對(duì)應(yīng)的子焦點(diǎn)聚焦，各子孔徑的聲場(chǎng)相疊加，最后形成一個(gè)能覆蓋所 有接收線寬波束的聲場(chǎng)；所述N和M均為大于2的整數(shù)，因此，所述子孔徑 的分類數(shù)量和分類方法有各種實(shí)施方式。
圖3表示了將16個(gè)陣元的發(fā)射孔徑分為4個(gè)子孔徑的其中三種排布方 法，中間的一行表示4個(gè)子孔徑的陣元依次按順序排布,，第一行和最后一行 表示4個(gè)子孔徑的陣元按一定規(guī)律相間排布。所述子孔徑的分組方法所遵循 的限制準(zhǔn)則在于合理設(shè)定陣元的指向角、陣元間距以及焦區(qū)位置，劃分了子 孔徑后，子孔徑中陣元間距有可能會(huì)變大，陣元的間距過大，會(huì)引起旁瓣和 柵瓣的增大；陣元的指向角越小，則要求子孔徑的陣元間距要足夠小，否則 子孔徑形成的聲場(chǎng)無(wú)法聚焦或者聚焦不理想，如果隨著焦區(qū)的深度不同，可 以分組的數(shù)量也應(yīng)該有所限制，越淺的焦區(qū)的發(fā)射孔徑分組數(shù)量應(yīng)該越少。 因此，在分組過程中，分組的數(shù)量以及分組的方法都可以通過這些參數(shù)的綜 合考慮來獲得最優(yōu)的分組方案。
將焦點(diǎn)深度位置根據(jù)發(fā)射孔徑的中央兩邊等距設(shè)置與子孔徑相同數(shù)量的 子焦點(diǎn)，每個(gè)子焦點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)子孔徑，該子孔徑發(fā)射聚焦于該子焦點(diǎn)，如圖4
所示。假設(shè)FLen為焦區(qū)寬度，如果每次發(fā)射的接收掃描線數(shù)為RLmim，線間距 為RLdist，那么可以知道發(fā)射聲場(chǎng)的寬度D應(yīng)該大于接收線涵蓋的范圍，艮P:<formula>formula see original document page 9</formula>
假設(shè)發(fā)射孔徑分為K組，圖5是劃分子焦點(diǎn)的一個(gè)方法，焦區(qū)為發(fā)射孔徑對(duì) 應(yīng)發(fā)射孔徑中央?yún)^(qū)域，覆蓋接收掃描線的范圍，f,和fK分別設(shè)置于焦區(qū)兩旁， 其它點(diǎn)均勻分布于其中，艮卩<formula>formula see original document page 9</formula>
假設(shè)"} (i^…N)為發(fā)射孔徑的N個(gè)陣元，發(fā)射孔徑劃分為K個(gè)子孔徑， 《/^(k^…K)為子焦點(diǎn)，那么每個(gè)陣元的延時(shí)可以表示為
= & |力所屬的子孔徑組屬的子焦點(diǎn)}<formula>formula see original document page 9</formula>其中，G0O表示的是Xi對(duì)應(yīng)的子焦點(diǎn)，v，d為聲速，L&為陣元到對(duì)應(yīng)子焦點(diǎn) 聲音需要的時(shí)間，Td—為該陣元的發(fā)射延時(shí)。
當(dāng)每個(gè)陣元根據(jù)各自的延時(shí)發(fā)射后，得到的聲場(chǎng)是可以分解的，每個(gè)子 孔徑都有其各自的子焦點(diǎn)，如圖6所示，在每個(gè)子焦點(diǎn)的深度，得到的是子孔 徑發(fā)射聲束聚焦于子焦點(diǎn)的聲束，圖6中表示有四個(gè)子焦點(diǎn)的情況，四個(gè)子孔 徑的聲場(chǎng)互相疊加，得到一個(gè)寬波束聲場(chǎng)，如圖7所示，根據(jù)設(shè)計(jì)，該寬波束 覆蓋的區(qū)域覆蓋了所有接收線的范圍，因此，該區(qū)域的回波包括了所有接收 線的信息，通過并行的波束合成方法，可以獲得各條接收線的回波數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1、一種超聲波診斷系統(tǒng)中寬波束的發(fā)射方法，其特征在于將超聲探頭的發(fā)射孔徑分成N個(gè)子孔徑以及將焦點(diǎn)橫向切分為N個(gè)子焦點(diǎn)，所述N個(gè)子孔徑與所述N個(gè)子焦點(diǎn)建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，每個(gè)子孔徑有M個(gè)陣元，全部都聚焦于與該子孔徑對(duì)應(yīng)的子焦點(diǎn)，脈沖發(fā)生器激勵(lì)超聲探頭的N個(gè)子孔徑獲得一個(gè)橫向拉伸的發(fā)射聲場(chǎng)，所述N個(gè)子孔徑的發(fā)射聲場(chǎng)分別在其對(duì)應(yīng)的子焦點(diǎn)聚焦，各子孔徑的聲場(chǎng)相疊加，最后形成一個(gè)能覆蓋所有接收線寬波束的聲場(chǎng)；所述N和M均為大于2的整數(shù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的超聲波診斷系統(tǒng)中寬波束的發(fā)射方法，其特征 在于所述發(fā)射孔徑等距分成N個(gè)子孔徑，所述焦點(diǎn)被橫向切分為等距離分 布的N個(gè)子焦點(diǎn)，每個(gè)子孔徑的M個(gè)陣元相對(duì)于其子焦點(diǎn)呈對(duì)稱分布。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲波診斷系統(tǒng)中寬波束的發(fā)射方法，其 特征在于所述N個(gè)子孔徑依次按順序排布。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲波診斷系統(tǒng)中寬波束的發(fā)射方法，其 特征在于所述N個(gè)子孔徑的淋M個(gè)陣元相間排布。
5、 一種超聲波診斷系統(tǒng)中寬波束的發(fā)射裝置，包括探頭、發(fā)射/接收轉(zhuǎn) 換和脈沖發(fā)生器；所述脈沖發(fā)生器根據(jù)發(fā)射波形與發(fā)射延時(shí)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化 為模擬電信號(hào)激勵(lì)探頭陣元，陣元受激振蕩產(chǎn)生聲波穿透機(jī)體組織并且產(chǎn)生回波，探頭發(fā)射后進(jìn)入接收模式；其特征在于所述探頭的發(fā)射孔徑分成N個(gè)子孔徑，所述探頭的焦點(diǎn)橫向切分為N個(gè) 子焦點(diǎn)，所述N個(gè)子孔徑分別與所述N個(gè)子焦點(diǎn)建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，每個(gè)子 孔徑有M個(gè)陣元，全部都聚焦于與該子孔徑對(duì)應(yīng)的子焦點(diǎn)，脈沖發(fā)生器激勵(lì) 超聲探頭的N個(gè)子孔徑獲得一個(gè)橫向拉伸的發(fā)射聲場(chǎng)，所述N個(gè)子孔徑的發(fā) 射聲場(chǎng)分別在其對(duì)應(yīng)的子焦點(diǎn)聚焦，各子孔徑的聲場(chǎng)相疊加，最后形成一個(gè) 能覆蓋所有接收線寬波束的聲場(chǎng)；所述N和M均為大于2的整數(shù)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的超聲波診斷系統(tǒng)中寬波束的發(fā)射裝置，其特征 在于所述N個(gè)子孔徑和所述N個(gè)子焦點(diǎn)等距離分布，每個(gè)子孔徑的M個(gè)陣元相對(duì)于其子焦點(diǎn)呈對(duì)稱分布。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的超聲波診斷系統(tǒng)中寬波束的發(fā)射裝置，其特征在于所述N個(gè)子孔徑依次按順序排布。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的超聲波診斷系統(tǒng)中寬波束的發(fā)射裝置，其特征 在于所述所述N子個(gè)孔徑的附M個(gè)陣元相間排布。
全文摘要
一種超聲波診斷系統(tǒng)中寬波束的發(fā)射方法和裝置。所述方法將超聲探頭的發(fā)射孔徑分成N個(gè)子孔徑以及將焦點(diǎn)橫向切分為N個(gè)子焦點(diǎn)，所述N個(gè)子孔徑與所述N個(gè)子焦點(diǎn)建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，每個(gè)子孔徑有M個(gè)陣元，全部都聚焦于與該孔徑對(duì)應(yīng)的子焦點(diǎn)，脈沖發(fā)生器激勵(lì)超聲探頭的N個(gè)子孔徑獲得一個(gè)橫向拉伸的發(fā)射聲場(chǎng)，所述N個(gè)子孔徑的發(fā)射聲場(chǎng)分別在其對(duì)應(yīng)的子焦點(diǎn)聚焦后相疊加，最后形成一個(gè)能覆蓋所有接收線寬波束的聲場(chǎng)；所述N和M均為大于2的整數(shù)。本發(fā)明方法通過對(duì)探頭劃分子孔徑并使各子孔徑分別聚焦后疊加聲場(chǎng)的方法，使得在發(fā)射單極性或者雙極性發(fā)射波形的超聲機(jī)器發(fā)射能覆蓋所有接收線范圍的寬波束成為可能。
文檔編號(hào)A61B8/00GK101190133SQ20061015717
公開日2008年6月4日 申請(qǐng)日期2006年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月28日
發(fā)明者斌 姚, 波 楊, 胡勤軍 申請(qǐng)人:深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司