專利名稱：超聲波三維成像系統(tǒng)的制作方法
超聲波三維成像系統(tǒng)相關(guān)申請(qǐng)這份申請(qǐng)是2008年9月30日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)第12Λ86，555號(hào)的部分繼續(xù)申請(qǐng)并且要求給予2008年9月15日Chiang等人以“Ultrasound 3D Imaging System(超聲波三維成像系統(tǒng))”為題申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)第61/192，063號(hào)的優(yōu)先權(quán)。這份申請(qǐng)還要求給予2006年6月23日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)第11/474，098號(hào)和2007年6月22日申請(qǐng)的國(guó)際專利申請(qǐng)第PCT/US2007/0145^號(hào)的優(yōu)先權(quán)。上述申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容在此通過(guò)引證并入本文。
背景技術(shù)：
醫(yī)用超聲波成像已經(jīng)成為許多醫(yī)用成像應(yīng)用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)是為使用二維QD) 換能器陣列提供內(nèi)臟和瘤的三維(3D)圖像而研發(fā)的。這些系統(tǒng)需要數(shù)以千計(jì)的波束生成信道。操作這樣的系統(tǒng)所需要的功率已經(jīng)造成模擬相移技術(shù)與數(shù)字式延遲波束生成器一起使用造成圖像質(zhì)量的折中。在促成改進(jìn)的實(shí)時(shí)三維成像能力的超聲波成像技術(shù)中繼續(xù)存在對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)的需求。除此之外，這個(gè)改進(jìn)的能力應(yīng)該支持對(duì)第四維4D功能的連續(xù)的實(shí)時(shí)顯示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及用于醫(yī)學(xué)超聲波成像的系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用探頭殼體中的換能器元件的二維QD)陣列提供三維(3D)成像。本發(fā)明的實(shí)施方案提供用于醫(yī)學(xué)成像的有高分辨率和很多成像樣式的系統(tǒng)和方法。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，探頭殼體包含第一波束生成電路，該電路把波束生成數(shù)據(jù)傳送給有第二波束生成電路的第二殼體。第一波束生成電路提供遠(yuǎn)場(chǎng)子陣波束生成操作。 由此產(chǎn)生的波束生成數(shù)據(jù)從掃描頭傳送到有第二波束生成電路的第二殼體，其中第二波束生成電路提供近場(chǎng)的波束控制和波束聚焦。優(yōu)選的實(shí)施方案提供能與傳統(tǒng)的超聲波系統(tǒng)連接的掃描頭，其中掃描頭把輸入提供給傳統(tǒng)的波束生成處理功能。掃描頭波束生成器能利用至少有32個(gè)波束生成信道的低功率電荷域處理器。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案在只有一小部分換能器元件需要被激活的地方使用稀疏陣列。通過(guò)選擇陣列的四個(gè)角落元件提供適當(dāng)?shù)钠骄ò陰?，將平均的旁瓣能量和雜波減到最少，消除周期性和將峰值旁瓣比最大化，產(chǎn)生高品質(zhì)圖像。為了控制波束穿越感興趣的體積或區(qū)域，不同的換能器元件必須按適當(dāng)?shù)捻樞騿?dòng)以維持該峰值旁瓣比。系統(tǒng)處理器能通過(guò)編程提供所需要的換能器激活順序以便將波束指向不同的角度。作為替代，離散控制器能用來(lái)控制稀疏陣列激活。優(yōu)選的實(shí)施方案提供帶集成開關(guān)電路的掃描頭，其中集成開關(guān)電路用來(lái)為連續(xù)的多重波束生成連續(xù)地選擇稀疏陣列激活元件。掃描頭能與傳統(tǒng)的超聲波系統(tǒng)連接，其中掃描頭提供輸入給傳統(tǒng)的波束生成處理功能。在另一個(gè)實(shí)施方案中， 發(fā)射陣列元件和接收陣列元件能獨(dú)立地操作，其中傳送元件包含稀疏陣列，而接收元件是幾乎填滿的陣列。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，多路轉(zhuǎn)接器和波束生成器電路能集成到接口系統(tǒng)之中，或作為替代，集成到主處理系統(tǒng)之中，留下2D換能器陣列安裝在探頭殼體中。本發(fā)明利用波束生成器中延遲元件的每級(jí)的非破壞性測(cè)知。所以，在65級(jí)延遲線的情況下，舉例來(lái)說(shuō)，有64個(gè)可使用的輸出，每級(jí)一個(gè)。時(shí)間分辨率可能在1/8λ到1/16λ 的范圍內(nèi)。使用探頭中的高壓多路轉(zhuǎn)接器和非破壞性測(cè)知允許有分時(shí)多路復(fù)用的連續(xù)波束生成。連續(xù)地改變每條延遲線的抽頭選擇形成多個(gè)波束現(xiàn)在是可能的。除了三維(3D)顯示能力之外，舉例來(lái)說(shuō)，第四維或時(shí)間分辨圖像顯示能用來(lái)記錄和顯示以每秒10幀以上的速度記錄的圖像序列。這允許以每秒30幀的電視幀速觀察快速改變的特征，例如，血液或流體的流動(dòng)、心臟壁的運(yùn)動(dòng)，等等。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案利用三級(jí)波束生成器系統(tǒng)，其中第一級(jí)完成對(duì)從換能器陣列收到的數(shù)據(jù)的第一波束生成操作，其中換能器陣列產(chǎn)生第一波束生成數(shù)據(jù)，跟在第一級(jí)后面的是第二級(jí)，第二級(jí)完成第二波束生成操作提供第二級(jí)波束生成數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)隨后被遞送給完成第三波束生成操作的第三波束生成級(jí)。各級(jí)都能使用電荷域處理器實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)也能在第一級(jí)或第二級(jí)之前，在第三級(jí)或其后從模擬形式轉(zhuǎn)換到數(shù)字形式。一個(gè)級(jí)能利用平行的波束生成操作，而且第二級(jí)提供連續(xù)的波束生成。


圖1依照本發(fā)明舉例說(shuō)明用于超聲波成像的二維平鋪陣列的使用。圖2依照本發(fā)明舉例說(shuō)明可操縱的二維陣列。圖3Α舉例說(shuō)明用于遠(yuǎn)場(chǎng)波束控制和聚焦的第一波束生成器裝置和用于近場(chǎng)波束生成的第二時(shí)間延遲波束生成器的使用。圖;3Β舉例說(shuō)明把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)字式波束生成器的第一模擬子陣波束生成器。圖3C舉例說(shuō)明用于二維換能器探頭的掃描頭。圖3D舉例說(shuō)明利用柔性電路板和電纜組件的優(yōu)選實(shí)施方案。圖4依照集成子陣掃描頭發(fā)明舉例說(shuō)明三維成像系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方案。圖5舉例說(shuō)明把電荷域處理器用于第二時(shí)間延遲波束生成的集成子陣掃描頭發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。圖6Α舉例說(shuō)明本發(fā)明的帶第二級(jí)波束生成超聲波處理器的集成子陣掃描頭探頭的使用。圖6Β舉例說(shuō)明帶數(shù)字式波束生成處理器的集成子陣掃描頭的使用。圖7舉例說(shuō)明依照本發(fā)明的超聲波系統(tǒng)。圖8Α舉例說(shuō)明依照本發(fā)明使用的稀疏陣列。圖8Β圖解式地舉例說(shuō)明稀疏陣列性能。圖9Α舉例說(shuō)明與帶電荷域波束生成處理的主系統(tǒng)連接的本發(fā)明的集成稀疏陣列掃描頭探頭的使用。圖9Β舉例說(shuō)明與帶m個(gè)平行的波束生成元器件的傳統(tǒng)的數(shù)字式超聲波系統(tǒng)連接的本發(fā)明的集成稀疏陣列掃描頭探頭的使用。
圖10舉例說(shuō)明依照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案與便攜式計(jì)算機(jī)連接的掃描頭。圖11舉例說(shuō)明幾乎填滿的接收陣列，其中接收元件是獨(dú)立的而且不與發(fā)射陣列交疊。圖12圖解式地舉例說(shuō)明接收陣列波束方向圖的方位和仰角橫截面。圖13是圖12所示方位角波束方向圖的放大部分，展示主瓣和旁瓣結(jié)構(gòu)。圖14舉例說(shuō)明幾乎被完全填充的接收陣列波束方向圖。圖15展示依照本發(fā)明為稀疏陣列選定的發(fā)射位置。圖16舉例說(shuō)明圖15所示實(shí)施方案的發(fā)射稀疏陣列波束方向圖的截面圖。圖17舉例說(shuō)明稀疏發(fā)射陣列波束方向圖。圖18舉例說(shuō)明限制平均旁瓣能量到相對(duì)于波束方向圖的中央峰值小于-35分貝是可能的。圖19舉例說(shuō)明2D延遲微分方程。圖20舉例說(shuō)明微分顯示輪廓。圖21舉例說(shuō)明微分延遲誤差。圖22A-22C舉例說(shuō)明四聯(lián)波束生成系統(tǒng)的系統(tǒng)處理器的實(shí)施方案。圖23A和圖2 舉例說(shuō)明用于擴(kuò)頻超聲波傳輸?shù)姆蔷幋a的和編碼的傳輸波形。圖24A-24C舉例說(shuō)明用來(lái)形成傳輸信號(hào)的程序。圖25A-25D舉例說(shuō)明包括匹配濾波器的優(yōu)選實(shí)施方案。具體實(shí)施方法波束生成系統(tǒng)的目的是將從圖像點(diǎn)收到的信號(hào)聚焦到換能器陣列上。通過(guò)在波束生成器中把適當(dāng)?shù)难舆t插到正在沿著特定的方向傳播的波前，從感興趣的方向到達(dá)的信號(hào)被相干地相加，而來(lái)自其它方向的那些不相干地相加或被刪除。對(duì)于實(shí)時(shí)的三維應(yīng)用，獨(dú)立的電子電路對(duì)于每個(gè)換能器元件都是必需的。因此，使用傳統(tǒng)的實(shí)施方式，電子元器件隨著元件數(shù)目逐漸增加快速地變得既龐大又昂貴。傳統(tǒng)上，高分辨率的波束生成器的費(fèi)用、大小、復(fù)雜性和功率需求已經(jīng)借助“規(guī)避措施”系統(tǒng)方法得以避免。對(duì)于實(shí)時(shí)的三維高分辨率超聲波成像應(yīng)用，選擇基于延遲和求和計(jì)算機(jī)算法的可用電子學(xué)方法控制的二維波束生成處理器。可用電子學(xué)方法控制的聲學(xué)保角透鏡的概念是把2D換能器陣列的表面分成相對(duì)較小的子陣的平面“磚瓦”。如同在此通過(guò)引證將其全部?jī)?nèi)容并入的美國(guó)專利第6，292, 433 號(hào)所描述和圖1舉例說(shuō)明的那樣，磚瓦/子陣120被做得足夠小，以致當(dāng)物體被放在成像系統(tǒng)的視場(chǎng)中的時(shí)候，從物體向每塊“磚瓦”入射的輻射122能使用遠(yuǎn)場(chǎng)近似處理。附加的延遲元件被合并，因?yàn)榈诙?jí)處理允許所有的子陣相干地相加(即，全球近場(chǎng)波束生成能通過(guò)簡(jiǎn)單地延遲和隨后計(jì)算自所有子陣的輸出的總和來(lái)實(shí)現(xiàn))。延遲與求和波束生成器允許每個(gè)子陣“尋找”從特定的方向發(fā)射的信號(hào)。通過(guò)調(diào)整與每個(gè)陣列元件相關(guān)聯(lián)的延遲，陣列的注視方向能用電子學(xué)方法操控朝向輻射來(lái)源。因此，不是如同在12 見到的那樣搜索一個(gè)方向，而是可以沿著不同的方向124b操控磚瓦120的方向。子陣中每個(gè)元件的延遲線需求可能少于百級(jí)。只有用于總計(jì)的長(zhǎng)延遲是最后的近場(chǎng)聚焦所需要的。為了使用可操控的波束生成器系統(tǒng)掃描象平面，可以使用如圖2所示的那種程序。光柵掃描260能用來(lái)使用2D可操控的換能器陣列264掃描象平面沈2。
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依照本發(fā)明的用電子學(xué)方法控制的波束生成系統(tǒng)的詳圖展示在圖3A中。這個(gè)系統(tǒng)由一群平行的時(shí)間延遲波束生成處理器33(^-33(^組成。每個(gè)處理器330有兩個(gè)組成部分用于遠(yuǎn)場(chǎng)波束生成/聚焦的2D子陣波束生成器332和允許對(duì)來(lái)自每個(gè)對(duì)應(yīng)子陣的輸出進(jìn)行分層近場(chǎng)波束生成的附加時(shí)間延遲處理器334。子陣332包括m個(gè)帶支線選擇器342 的可編程延遲線340、多路轉(zhuǎn)接器344和加法器346輸出。如同在圖3A中見到的那樣，對(duì)于有η個(gè)子陣的系統(tǒng)，η個(gè)平行的可編程的第二級(jí)近場(chǎng)時(shí)間延遲是以A/D轉(zhuǎn)換器352轉(zhuǎn)換的個(gè)別延遲調(diào)整允許所有的η個(gè)平行的輸出被相干地相加3Μ所需要的，依次，這個(gè)相加后的輸出經(jīng)濾波338后提供目標(biāo)物體的3D圖像。處理器336控制子陣操作。掃描頭與第二級(jí)數(shù)字式波束生成器一起使用是在圖:3Β中展示的。在這個(gè)實(shí)施方案中，眾多在優(yōu)選實(shí)施方案中能作為近場(chǎng)波束生成器的N子陣波束生成器400，每一個(gè)都接收來(lái)自m個(gè)有獨(dú)立延遲線的換能器元件的信號(hào)，其輸出被求和并且被提供給波束生成器 420，以致這個(gè)波束生成器可能是用傳統(tǒng)處理器480的傳統(tǒng)系統(tǒng)。獨(dú)立的子陣處理器460控制波束生成器400。在不使用這種分層子陣先遠(yuǎn)場(chǎng)后近場(chǎng)的波束生成方法的情況下，對(duì)于80X80元件的2D陣列，把換能器陣列與傳統(tǒng)的波束生成系統(tǒng)連接起來(lái)需要由六千四百條線組成的電纜。如圖3A所示，對(duì)每個(gè)子陣處理器來(lái)說(shuō)輸入的數(shù)目等于子陣中延遲元件的總數(shù)，每個(gè)子陣只有單一的輸出。對(duì)子陣群來(lái)說(shuō)輸入的數(shù)目等于2D陣列元件的數(shù)目，而且來(lái)自該子陣群的輸出的數(shù)目等于換能器陣列元件總數(shù)除以子陣元件數(shù)，即，來(lái)自子陣群的輸出的數(shù)目參考輸入的數(shù)目被減少等于子陣大小的倍數(shù)。舉例來(lái)說(shuō)，如果選擇使用5X5子陣實(shí)現(xiàn)來(lái)這個(gè)分層的波束生成概念，那么在第一級(jí)子陣波束生成之后，與第二級(jí)近場(chǎng)波束生成連接所需要的電線總數(shù)被減少25倍。更明確地說(shuō)，如上所述，在不使用這種2D子陣波束生成的情況下，把80X80個(gè)元件的2D換能器陣列與傳統(tǒng)的后端波束生成系統(tǒng)連接起來(lái)需要6400條電線。使用5X5子陣處理群，與后端波束生成系統(tǒng)連接所需的電線數(shù)目被減少到256?；诒景l(fā)明，256個(gè)5X5元件子陣的波束生成器群能與80X80元件2D陣列一起集成在掃描頭中，所以，有256條線的電纜適合把集成的掃描頭與后端近場(chǎng)波束生成系統(tǒng)連接起來(lái)。重要的是注意到5X5子陣遠(yuǎn)場(chǎng)波束生成處理器可能很容易集成在小尺寸的硅(Si)集成電路中，八個(gè)這樣的5X5子陣波束生成器能被集成在一個(gè)芯片上。在這個(gè)實(shí)施方案中，只有32 個(gè)或更少的芯片被集成到掃描頭之中，借此把電纜規(guī)格從6400條線減少到256條線。波束生成器的處理系統(tǒng)是時(shí)間域處理器，該處理器能同時(shí)處理大2D陣列的返回信號(hào)，提供能夠?qū)崟r(shí)處理便攜式系統(tǒng)中整個(gè)陣列的低功率、高集成度的波束生成器系統(tǒng)。當(dāng)有192個(gè)平行的接收信道的系統(tǒng)支持用于實(shí)時(shí)的3D/4D成像應(yīng)用的點(diǎn)陣式2D陣列探頭的時(shí)候，分層的多級(jí)波束生成能與低功率的小型超聲波系統(tǒng)一起使用。圖IBB展示分層的波束生成體系結(jié)構(gòu)，其中一群鄰近的接收元件的波束生成是在兩級(jí)中實(shí)現(xiàn)的，即，并非用每個(gè)接收元件代替一個(gè)長(zhǎng)延遲，公用的長(zhǎng)延遲被該群體里面所有元件分享，但是每個(gè)有它自己的在長(zhǎng)延遲前面的較短的可編程的延遲。在每個(gè)群體里面，來(lái)自每個(gè)短延遲的輸出相加在一起，然后應(yīng)用于公用的長(zhǎng)延遲。一小群有這個(gè)公用長(zhǎng)延遲特性的相鄰接收元件被定義為換能器陣列的“子陣”。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于把2D點(diǎn)陣式陣列用于實(shí)時(shí)的3D成像的應(yīng)用，子陣可能是有4X4或5X5毗連元件的小陣列。在這個(gè)子陣?yán)锩婷總€(gè)元件的第一級(jí)可編程延遲被集成在換能器探頭里面；然后，來(lái)自每個(gè)子陣的總輸出被接到后端處理器。所以，對(duì)于64X48元件2D陣列(3072個(gè)或更多的換能器元件)，如果4X4子陣被用于第一級(jí)波束生成，那么把前探頭與后端處理器連接起來(lái)只需要192個(gè)輸入/輸出電纜元件。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，分層的波束生成也能適用于用于實(shí)時(shí)的2D成像應(yīng)用的一維(ID)陣列。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于1 元件的一維陣列，一群8個(gè)相鄰元件能聚在一起作為子陣。在每個(gè)子陣?yán)锩妫?個(gè)元件每個(gè)都有它自己的可編程的短延遲，然后，八個(gè)延遲的輸出被先加在一起，而后被應(yīng)用于公用的長(zhǎng)延遲。重要的是注意到兩種不同的方法能用于這個(gè)兩級(jí)實(shí)施方式。在第一實(shí)施方式中，所有包括短延遲和長(zhǎng)延遲的波束生成電路都被放在后端處理器中，所以，對(duì)于1 元件一維陣列，1 條連接電纜被用作換能器探頭和后端處理器之間的輸入/輸出電纜。替代實(shí)施方式是將所有的子陣處理器集成在換能器探頭里面，即， 對(duì)于1 元件的陣列，16個(gè)子陣處理器(每個(gè)都有8個(gè)可編程的延遲)全部被集成在換能器探頭里面，所以，把前置集成探頭與后端處理器連接起來(lái)只需要16個(gè)電纜元件。在后端內(nèi)，完成波束生成功能只需要16個(gè)長(zhǎng)延遲波束生成電路。同樣，對(duì)于在探頭中集成了八個(gè) 8元件子陣處理器的64元件陣列，后端處理器能被簡(jiǎn)化化到只有8個(gè)波束生成電路，為了把前置集成探頭與后端處理器連接起來(lái)只需要8個(gè)電纜元件。此外，低功率發(fā)射電路和A/ D轉(zhuǎn)換器能被集成到前置探頭之中，所以，無(wú)線通信能用來(lái)連接前置探頭和后端處理器?？梢允褂脽o(wú)線的USB連接或無(wú)線的FireWire連接。帶集成的4X4子陣處理器的64X48元件2D換能器探頭485的構(gòu)造是在圖3C中舉例說(shuō)明的。64X48元件2D陣列487能包括堆垛的48排ID陣列，每排64個(gè)元件。與每個(gè)64元件一維換能器陣列的元件的連接是通過(guò)柔性電纜，所以，換能器頭組件可以包括2D 換能器陣列和48條柔性電纜486。如圖3C所示，每子陣能包括4X4個(gè)元件(或者其它的矩形或2D幾何形狀，優(yōu)選每個(gè)子陣有至少16個(gè)元件，直到256個(gè)元件)，48條柔性電纜被分成12組，每組毗鄰的四條柔性電纜與一塊印刷電路板連接，即，與排1到排4的一維換能器相對(duì)應(yīng)的柔性電纜與第一印刷電路板488連接，排5到排8的柔性電纜與第二印刷電路板487連接，依此類推，直到排45到排48的柔性電纜與第十二印刷電路板連接。每條柔性電纜的一端與諸換能器元件連接，而柔性電纜的另一端與安裝在印刷電路板上的64元件柔性接插件連接。在每個(gè)印刷電路板里面，有16個(gè)4X4元件子陣處理器489和一枚高電壓多路轉(zhuǎn)接器芯片491。子陣處理器由16條平行的可編程延遲線組成，每條延遲線有在其輸入端的低噪聲前置放大器和分開的可編程乘法器作為變跡器而16個(gè)乘法器的輸出相加形成單一的輸出。在每個(gè)板里面，也有高電壓多路轉(zhuǎn)接芯片，所以允許4X64元件換能器要么按發(fā)射模式操作要么按接收模式操作。存儲(chǔ)器芯片490也安裝在每個(gè)印刷電路板上用來(lái)儲(chǔ)存每條延遲線的編程延遲。另外，有電源線和數(shù)字式輸入492通過(guò)接口 495與每個(gè)印刷電路板連接。帶集成的第一級(jí)子陣處理器的64元件一維陣列的實(shí)施方式也能使用圖3C的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但64元件換能器陣列491與柔性電纜497連接，該柔性電纜的一端與每個(gè)換能器元件連接，該電纜的另一端與64針柔性接插件連接。接插件安裝在印刷電路板上。在印刷電路內(nèi)，有八個(gè)8元件子陣處理器。每個(gè)子陣處理器有八條可編程的延遲線，每條延遲線有其分開的低噪聲前置放大器，而在延遲線的輸出，有變跡器，即，用于波束整形功能的乘法器。八個(gè)乘法器的輸出相加形成模擬輸出。高電壓多路轉(zhuǎn)接器電路芯片也被包括在印刷的電路板上，因此允許64元件換能器要么按發(fā)射模式操作要么按接收模式操作。存儲(chǔ)器芯片也安裝在印刷電路板上用來(lái)儲(chǔ)存每條延遲線的編程延遲。另外，有電源線和數(shù)字式輸入與每個(gè)印刷電路板連接。帶集成的子陣處理器的64元件(或更多，例如，1 或256元件)一維陣列496的優(yōu)選實(shí)施方案展示在圖3D中。在這個(gè)實(shí)施方式中，不是使用印刷電路板，而是將子陣處理芯片499a、高電壓多路轉(zhuǎn)接器電路芯片449b和存儲(chǔ)器芯片449c都直接安裝在柔性印刷電路或電纜(497、498)上。在此描述的系統(tǒng)能與插在體腔內(nèi)用于心臟成像GD)或內(nèi)臟的導(dǎo)管或探頭一起使用。探頭或?qū)Ч芙M件可以包括有在此描述的第一組眾多波束生成器的電路殼體。本發(fā)明用于2D陣列波束生成的優(yōu)選實(shí)施方案(每個(gè)都以改進(jìn)的S/N性能將噪聲和電纜損失減到最少)是在圖4、圖5和圖6中描述的。在所有的三個(gè)實(shí)施方式中，m個(gè)平行的子陣波束生成處理器520和多路轉(zhuǎn)接器5 與2D換能器陣列525被集成在一起，形成緊湊的低噪聲掃描頭500。圖4描繪緊湊的掃描頭與專用的處理模塊連接在一起的系統(tǒng)， 在該系統(tǒng)中收容了 m個(gè)平行的前置放大器/TGC522、發(fā)射/接收芯片5M和第二級(jí)時(shí)間延遲處理單元526。這個(gè)專用的處理模塊借助FireWire IEEE 1394或USB或PCI總線542 與主機(jī)540通信。控制和同步是由位于處理模塊或殼體M6中的系統(tǒng)控制器544完成的。 圖5描繪與圖4陳述的相同的體系結(jié)構(gòu)，但是在專用處理模塊內(nèi)第二級(jí)時(shí)間延遲處理單元是明確地通過(guò)在與手持式探頭660和計(jì)算機(jī)殼體648連接的殼體620中使用電荷域可編程的(⑶P)時(shí)間延遲線600實(shí)現(xiàn)的。圖6B描述一種用η個(gè)平行的波束生成信道760把緊湊的稀疏陣列掃描頭700與傳統(tǒng)的、市場(chǎng)上買得到的時(shí)間域數(shù)字式超聲波成像系統(tǒng)700連接起來(lái)的系統(tǒng)。很容易看到，在圖6Α中，時(shí)間延遲處理器720也能通過(guò)使用CDP時(shí)間延遲線 740來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這些實(shí)施方案中，近場(chǎng)波束生成被收容在與其它的圖像處理功能相同的殼體720、780中。這些系統(tǒng)是在指派給美國(guó)的2007年6月22日申請(qǐng)的國(guó)際專利申請(qǐng)第PCT/ US2007/014526號(hào)和2006年6月23日申請(qǐng)的美國(guó)專利申請(qǐng)第11/474，098號(hào)中描述的，在此通過(guò)弓I證將這兩份申請(qǐng)全部并入。通過(guò)系統(tǒng)地改變波束生成器延遲和沿著2D換能器陣列的視角留下陰影，沿著代表3D輻射來(lái)源的視線返回的回聲能用來(lái)按掃描角度產(chǎn)生掃描圖像。該系統(tǒng)能以20幀/秒或更高的速率提供遍及大視野的連續(xù)的實(shí)時(shí)的大區(qū)域掃描圖像。在這個(gè)幀速下，該系統(tǒng)能用來(lái)顯示連續(xù)的3D圖像隨時(shí)間的變化，因此提供被掃描物體的4D信息。如圖7所示，CDP 波束生成芯片810、分時(shí)多路復(fù)用計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)能用來(lái)產(chǎn)生多個(gè)波束，即，對(duì)于每個(gè)發(fā)射脈沖， 2D子陣波束生成器818及其對(duì)應(yīng)的第二級(jí)近場(chǎng)時(shí)間延遲線的群體能夠連續(xù)地提供多個(gè)波束。計(jì)算電路連續(xù)地產(chǎn)生用來(lái)形成K個(gè)波束所需的延遲。該裝置操作如下。一旦一組被采樣的返回的回聲在時(shí)間tl被采樣電路814在延遲線中加載，對(duì)于形成波束1所需的延遲在每個(gè)模塊822中被計(jì)算出來(lái)812而后被平行地加給所有的延遲線。被采樣的返回回聲以適當(dāng)?shù)难舆t被相干地相加802和濾波804形成第一波束。在時(shí)間t2，用來(lái)形成波束2所需的延遲在每個(gè)模塊內(nèi)被計(jì)算出來(lái)并且被平行地加給所有的延遲線。被采樣的回返回聲以適當(dāng)?shù)难舆t被相干地相加形成第二波束。重復(fù)該程序，直到第K個(gè)波束被相干地形成。舉例來(lái)說(shuō)，如果帶16個(gè)連續(xù)的可尋址輸出的計(jì)算電路是與CDP子陣和第二級(jí)時(shí)間延遲線一起建造的，對(duì)于每個(gè)發(fā)射脈沖，能沿著不同的掃描角度產(chǎn)生16個(gè)波束或掃描線。
9對(duì)于向下深度范圍為15cm的256個(gè)脈沖，該系統(tǒng)能在20幀/秒的幀速下以64X64象素分辨率產(chǎn)生4096個(gè)波束。該系統(tǒng)完全是可編程的；波束生成電子器件能被調(diào)整以便對(duì)于高分辨率或較高幀速的圖像放大到較小的視野。舉例來(lái)說(shuō)，使用向下深度范圍同樣為15cm的 192個(gè)發(fā)射脈沖，該系統(tǒng)能在30幀/秒幀速下以64X48象素分辨率產(chǎn)生3072個(gè)波束。所描述的陣列在3MHz的頻率下使用二維的2cmX 2cm陣列處理超聲波成像應(yīng)用。 對(duì)小于大約半個(gè)波長(zhǎng)的分辨率的需要規(guī)定能收容在緊湊包裝內(nèi)的盡可能大的孔。為了詢問 90度掃描體積以及為了將光柵波瓣的影響減到最小，小于0. 25毫米的元件斜度或透鏡分離是令人想要的，從而導(dǎo)致80X80元件陣列。使用上述的子陣處理技術(shù)，掃描頭連同后面跟著第二級(jí)近場(chǎng)波束操控/波束聚焦系統(tǒng)的集成的子陣波束生成電路一起提供實(shí)際的實(shí)施方式。然而，該實(shí)施方式仍然需要至少32個(gè)子陣芯片集成在掃描頭上。替代的假隨機(jī)陣列設(shè)計(jì)方法能用來(lái)在掃描頭中以數(shù)量少得多的處理元器件實(shí)現(xiàn)這個(gè)分辨率。為了使稀疏陣列變成實(shí)際的，低插入損失和寬帶寬性能的組合對(duì)于在低的照明水平下實(shí)現(xiàn)可接受的成像性能是重要的。聲學(xué)阻抗低但物理上為堅(jiān)硬背襯的四分之一波長(zhǎng)匹配層導(dǎo)致在收到的信號(hào)能量轉(zhuǎn)換為電能方面損失只有3-4分貝的強(qiáng)健陣列。75%以上的陣列帶寬是這種設(shè)計(jì)和構(gòu)造過(guò)程的典型。另外，換能器陣列使用適合于波束生成器電路的元件定位和互連系統(tǒng)。電子器件安裝在印刷電路板上，后者經(jīng)由柔性電纜附著到換能器元件上。在實(shí)踐中，大部分陣列元件使用柔性電纜與輸出連接。然而，只有總數(shù)一小部分的元件以金屬線接到電路板上。然而，大量的陣列元件連接足以保證在最終的陣列中有源元件位置的獨(dú)特式樣。作為稀疏陣列的范例，假定2X2cm陣列有256個(gè)有源元件，由此產(chǎn)生的充填系數(shù)是4%。該陣列的輸出信號(hào)與噪聲之比與有源元件的數(shù)目成比例，因此，在與同樣尺寸的填充陣列相相比的時(shí)候，這個(gè)充填系數(shù)對(duì)應(yīng)于符合-13分貝的靈敏度損失。為了補(bǔ)償這個(gè)損失，選擇帶寬較寬的傳輸信號(hào)以增加陣列靈敏度。以這里提出的方法，靈敏度被增加大約10 分貝。關(guān)于稀疏陣列裝置的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)能在美國(guó)專利第6，721，235號(hào)中找到，該專利的內(nèi)容在此通過(guò)弓I證被全部并入。陣列中元件的定位遵從某種方法，在該方法中必須注意消除任何將會(huì)產(chǎn)生與主波瓣競(jìng)爭(zhēng)的光柵波瓣的周期性。可以使用假隨機(jī)的或隨機(jī)的陣列(圖8A)。為了在將柵瓣和旁瓣的雜亂回波減到最少的同時(shí)使波束生成器的效率達(dá)到最大值，已經(jīng)研發(fā)了激活元件布置幾何學(xué)。在眾多不同的陣列圖之間的切換用來(lái)相對(duì)于感興趣的被掃描區(qū)域或體積以不同的波束角度提供最有效的波束方向圖。因此，第一圖案能利用圖8A舉例說(shuō)明的圖案，該圖案被切換到適合某個(gè)不同掃描角度的第二圖案。這可能包括在給定元件周圍的鄰近區(qū)域 880里面選擇以第二角度掃描的換能器元件。優(yōu)化方法的主要目的是將平均旁瓣能量減到最少。明確地說(shuō)，這是通過(guò)交互式評(píng)估優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)完成的
[006權(quán)利要求
1.一種醫(yī)用超聲波成像系統(tǒng)，其中包括探頭殼體中的二維換能器陣列和探頭殼體中的第一組眾多子陣波束生成器； 第二殼體中的第二組眾多波束生成器，第二組眾多波束生成器與探頭殼體溝通，第二波束生成器接受來(lái)自第一組眾多有眾多接受第一圖像數(shù)據(jù)的第二延遲線的子陣波束生成器的第一圖像數(shù)據(jù)，子陣波束生成器平行地運(yùn)行提供三維圖像數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括探頭殼體中的眾多多路轉(zhuǎn)接器電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中換能器元件的陣列是作為稀疏陣列工作的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中波束生成器裝置包括粗糙的和精細(xì)的延遲元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中第二波束生成器包括第二級(jí)波束生成器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括第三級(jí)波束生成器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)重量不足15磅。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包含在與處理器殼體連接的探頭殼體中的換能器陣列。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)稀疏陣列傳輸系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括稀疏陣列接收器系統(tǒng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括匹配濾波器。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括完成超采樣的傳輸波形的程序。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中探頭殼體進(jìn)一步包含眾多柔性電纜，每條電纜把換能器子陣與電路板連接起來(lái)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中探頭殼體封裝眾多電路板，每個(gè)電路板至少有第一組眾多子陣波束生成器之一、儲(chǔ)存波束生成器控制數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器和多路轉(zhuǎn)接器電路。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括柔性電路。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中柔性電路包括柔性電纜。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中柔性電路包括柔性印刷電路。
18.根據(jù)權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中匹配濾波器包括與各延遲線的級(jí)相關(guān)聯(lián)的眾多壓重。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中眾多子陣波束生成器中的每個(gè)波束都是壓縮的。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中第二組眾多波束生成器包括眾多數(shù)字式波束生成器。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中第一組眾多波束生成器包括電荷域處理器。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用來(lái)儲(chǔ)存擴(kuò)頻激勵(lì)波形的程序。
23.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用來(lái)完成掃描轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)處理器。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用來(lái)完成多普勒處理的系統(tǒng)處理器。
25.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中探頭殼體進(jìn)一步包括將換能器陣列安裝在末梢區(qū)域上的導(dǎo)管或探頭本體。
26.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括心臟成像系統(tǒng)。
27.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中第二殼體包括處理器殼體、顯示器和重量少于15磅的控制面板。
28.一種醫(yī)用超聲波成像系統(tǒng)，其中包括探頭殼體中的換能器元件陣列，該探頭殼體包括第一個(gè)波束生成器裝置；第二殼體中的第二波束生成器裝置，第二波束生成器裝置與探頭殼體溝通，第二波束生成器裝置接受來(lái)自第一子陣的第一波束生成成像數(shù)據(jù)，第二波束生成器裝置有眾多第二波束生成器，第一子陣平行地工作提供圖像數(shù)據(jù)。
29.根據(jù)權(quán)利要求觀的系統(tǒng)，其中換能器元件陣列包含單一的直線陣列。
30.根據(jù)權(quán)利要求觀的系統(tǒng)，其中換能器元件的陣列與上面安裝第一波束生成器裝置的柔性電路連接。
31.根據(jù)權(quán)利要求觀的系統(tǒng)，其中波束生成器裝置包括粗糙的和精細(xì)的延遲元件。
32.根據(jù)權(quán)利要求觀的系統(tǒng)，其中第二波束生成器包含第二級(jí)波束生成器。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括第三級(jí)波束生成器。
34.根據(jù)權(quán)利要求觀的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括系統(tǒng)處理器、顯示器和重量不足15磅的控制面板。
35.根據(jù)權(quán)利要求觀的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括與處理器殼體連接的探頭殼體。
36.根據(jù)權(quán)利要求觀的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括探頭殼體中的柔性電路板。
37.根據(jù)權(quán)利要求觀的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在探頭殼體中把換能器陣列與電路板組件連接起來(lái)的柔性電纜。
38.根據(jù)權(quán)利要求觀的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括匹配濾波器。
39.根據(jù)權(quán)利要求觀的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括完成超采樣的傳輸波形的程序。
40.根據(jù)權(quán)利要求34的系統(tǒng)，其中系統(tǒng)處理器是編程的，以便完成掃描轉(zhuǎn)換和多普勒處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及超聲波成像系統(tǒng)，其中掃描頭或者包括完成遠(yuǎn)場(chǎng)子陣波束生成的波束生成器電路，或者包括激勵(lì)選定的元件的稀疏陣列選擇電路。當(dāng)與第二級(jí)波束生成系統(tǒng)一起使用的時(shí)候，能產(chǎn)生三維超聲波圖像。
文檔編號(hào)A61B8/00GK102215755SQ200980145436
公開日2011年10月12日 申請(qǐng)日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月15日
發(fā)明者A·羌, N·伯杰, W·翁, 賀興柏 申請(qǐng)人:垓技術(shù)公司