能與不同的超聲系統(tǒng)一起操作的二維超聲換能器陣列的制作方法
【專利摘要】一種矩陣陣列換能器探頭具有換能器元件的二維陣列，所述換能器元件被耦合到能針對(duì)每個(gè)元件來調(diào)節(jié)的延遲。可控開關(guān)矩陣將多個(gè)經(jīng)不同延遲的元件信號(hào)組合以形成片組信號(hào)并且以這種方式來產(chǎn)生多個(gè)片組信號(hào)。所述開關(guān)矩陣考慮完成波束形成的系統(tǒng)波束形成器的通道的數(shù)量來確定片組配置，并且考慮將要在每個(gè)片組中使用的元件的配置來設(shè)定元件延遲?？梢砸詢蓚€(gè)階段來完成片組信號(hào)的形成，包括具有硬線連接的信號(hào)組合器的階段。所述矩陣陣列探頭可以與不同大小的系統(tǒng)波束形成器或者與針對(duì)具體的波束形成器配置而被配置的不同探頭中使用的相同換能器堆疊一起操作。
【專利說明】能與不同的超聲系統(tǒng)一起操作的二維超聲換能器陣列

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)診斷超聲系統(tǒng)，并且具體而言涉及能與不同的超聲系統(tǒng)波束形成器操作的矩陣陣列換能器探頭。

【背景技術(shù)】
[0002]超聲陣列換能器可以被配置為換能器元件的單一的行、用于對(duì)二維(2D)圖像平面進(jìn)行成像的一維(ID)陣列、或者用于對(duì)三維區(qū)域進(jìn)行成像的換能器元件的二維(2D)陣列。2D陣列包括沿方位角方向和高度方向兩者延伸的元件，所述元件可以被完全獨(dú)立地操作以沿任何方位角方向或高度方向聚焦和操縱波束。這些陣列可以被以平的或彎曲的取向來配置。本發(fā)明涉及2D陣列換能器，所述2D陣列換能器可以沿方位角和高度操縱并且聚焦以掃描2D圖像平面和三維體積感興趣區(qū)域兩者。
[0003]具有大量的元件的二維陣列換能器并且甚至ID陣列由于它們的大量換能器元件而帶來問題。由于這些元件中的每個(gè)必須是獨(dú)立受控來發(fā)射和接收的，所以必須為每個(gè)元件提供單獨(dú)的信號(hào)線。ID陣列可以包括具有100-200個(gè)元件的行，需要100-200條信號(hào)線，所述信號(hào)線可以被安置在相對(duì)較小且較輕的探頭線纜中，但是可能需要與具有相對(duì)較少的通道的系統(tǒng)波束形成器一起操作。2D陣列可以在具有一個(gè)維度中的100-200行元件以及另一個(gè)維度中的100-200列元件，總計(jì)幾千個(gè)獨(dú)立的元件。對(duì)于手持并且必須由聲譜儀操縱的探頭，幾千條信號(hào)線的線纜是不實(shí)際的。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法通過使用微型波束形成器集成電路克服了這些問題，所述微型波束形成器集成電路被附接到執(zhí)行對(duì)被稱為片組(patch)的元件組的部分波束形成的2D陣列。被獨(dú)立地延遲并且加和的來自每個(gè)片組的元件的信號(hào)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)大小的線纜被傳導(dǎo)到超聲系統(tǒng)波束形成器，在所述超聲系統(tǒng)波束形成器中來自每個(gè)片組的加和信號(hào)被應(yīng)用到系統(tǒng)波束形成器的通道，所述系統(tǒng)波束形成器完成波束形成操作。比如在 US 專利 5229933 (Larson, III)、US 專利 5997479 (Savord 等)、US 專利6013032 (Savord)和US專利6126602 (Savord等)中說明的，在探頭中的微型波束形成器與系統(tǒng)波束形成器的通道之間對(duì)全部波束形成操作的劃分使得能夠在探頭和超聲系統(tǒng)之間使用具有相對(duì)較少數(shù)量的信號(hào)線的線纜。
[0004]超聲探頭大體上被設(shè)計(jì)有預(yù)定的配置，所述配置與對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)波束形成器配置一起操作。比如，64元件ID陣列探頭將與64通道系統(tǒng)波束形成器一起操作，并且128元件陣列探頭將與128通道系統(tǒng)波束形成器一起操作。期望有能夠與不同的系統(tǒng)波束形成器一起操作的具有可變配置的探頭。US專利7517317 (Lazenby等)中示出了得到可變2D陣列探頭的一種方法。在該專利中，2D陣列的元件能被分成元件的塊，所述元件的塊可以由開關(guān)選擇性地連接在一起，以使得來自多個(gè)元件的信號(hào)被組合到單個(gè)輸出上。較大數(shù)量的元件在針對(duì)較低數(shù)量的波束形成器通道的較小數(shù)量的輸出上被連接在一起，并且較小數(shù)量的元件在針對(duì)較高數(shù)量的波束形成器通道的較大數(shù)量的輸出上被連接在一起。陣列的間距受被連接在一起的元件的數(shù)量影響。當(dāng)間距增大時(shí)，波束的旁瓣增大，進(jìn)而增大雜波并且減小最終圖像的清晰度和分辨率。波束可以被操縱和聚焦的程度也是受限制的。因此期望能夠?qū)?D矩陣陣列配置為與不同的系統(tǒng)波束形成器一起操作而不存在這些有害的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的原理，一種超聲矩陣陣列換能器探頭與微型波束形成器一起操作，以處理來自換能器元件的可變片組(patch)的信號(hào)，所述換能器元件的可變片組對(duì)應(yīng)系統(tǒng)波束形成器而變化，所述探頭與所述系統(tǒng)波束形成器一起操作。來自每個(gè)元件的所述信號(hào)被選擇性地延遲，其中，來自將被用在同一片組中的元件的信號(hào)被相對(duì)于所述片組的公共時(shí)間或相位基準(zhǔn)而不同地延遲。經(jīng)不同地延遲的信號(hào)被組合以產(chǎn)生微型波束形成的片組信號(hào)。以這種方式形成的片組信號(hào)的數(shù)量也被選擇性地控制以與用來完成所述波束形成過程的所述系統(tǒng)波束形成器的通道的數(shù)量相對(duì)應(yīng)。本發(fā)明的一種實(shí)現(xiàn)方式使得同樣的矩陣陣列堆疊的微型波束形成器能夠與不同的超聲系統(tǒng)或與所述系統(tǒng)的性價(jià)比最大的探頭線纜一起使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]在附圖中:
[0007]圖1以方框圖的形式圖示了本發(fā)明的2D彎曲陣列換能器和微型波束形成器探頭。
[0008]圖2是圖示了部分波束加和(beamsum)微型波束形成器的概念的方框圖。
[0009]圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的微型波束形成器矩陣陣列探頭和超聲系統(tǒng)。
[0010]圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明的原理的、用于將具有不同大小的2D陣列的微型波束形成的片組耦合到系統(tǒng)波束形成器通道的交叉點(diǎn)開關(guān)矩陣。
[0011]圖5圖示了具有用于與48導(dǎo)體線纜或48通道系統(tǒng)波束形成器一起使用的不同大小的片組2D矩陣陣列換能器。
[0012]圖6圖示了具有用于與12導(dǎo)體線纜或12通道系統(tǒng)波束形成器一起使用的不同大小的片組2D矩陣陣列換能器。
[0013]圖7圖示了具有用于與8導(dǎo)體線纜或8通道系統(tǒng)波束形成器一起使用的統(tǒng)一大小的片組2D矩陣陣列換能器。
[0014]圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的微型波束形成器矩陣陣列探頭和超聲系統(tǒng)的第二范例，該第二范例針對(duì)預(yù)定數(shù)量的線纜導(dǎo)體或系統(tǒng)波束形成器通道而被硬線連接。
[0015]圖9a圖示了具有八個(gè)統(tǒng)一大小的片組的第一孔徑的2D矩陣陣列換能器。
[0016]圖9b圖示了將圖9a的孔徑平移到陣列上的不同位置之后的圖9a的2D矩陣陣列換能器。

【具體實(shí)施方式】
[0017]首先參考圖1，以方框圖的形式示出了根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)建的超聲系統(tǒng)。探頭10具有二維陣列換能器12，在該范例中，二維陣列換能器12在高度維度中是彎曲的，例如US專利7927280 (Davidsen)所示。陣列的元件被耦合到被定位在探頭中換能器陣列后面的微型波束形成器14。該微型波束形成器將計(jì)時(shí)發(fā)射脈沖施加到陣列的元件以沿期望的方向發(fā)射波束，并且將波束發(fā)射到陣列前面的三維圖像場中的期望的焦點(diǎn)。來自發(fā)射出的波束的回波由陣列元件來接受并且被耦合到微型波束形成器14的延遲，其中，所述回波被分別地延遲。包括片組的一組換能器元件的被延遲信號(hào)被組合以形成片組的部分加和信號(hào)。如在本文中使用的，術(shù)語“片組”指一組換能器元件，所述一組換能器元件被一起操作并且使它們的信號(hào)相對(duì)于基準(zhǔn)而分別地被延遲，并且所述信號(hào)接著由微型波束形成器組合以形成針對(duì)探頭導(dǎo)體或超聲系統(tǒng)波束形成器通道的一個(gè)信號(hào)。在典型的實(shí)現(xiàn)方式中，通過將來自片組的元件的被延遲信號(hào)耦合到公共總線來完成組合，消除了對(duì)于加法電路或其他復(fù)雜電路的需要。每個(gè)片組的總線被耦合到線纜16的導(dǎo)體，所述線纜16的導(dǎo)體將片組信號(hào)傳導(dǎo)到系統(tǒng)主幀。在所述系統(tǒng)主幀中，片組信號(hào)被數(shù)字化并且被耦合到系統(tǒng)波束形成器22的通道，系統(tǒng)波束形成器22將每個(gè)片組信號(hào)適當(dāng)?shù)匮舆t。被延遲的片組信號(hào)接著被組合以形成相干操縱并聚焦的接收波束。由信號(hào)和圖像處理器24來處理來自3D圖像場的波束信號(hào)，以產(chǎn)生用于在圖像顯示器30上顯示的2D或3D圖像。對(duì)超聲系統(tǒng)參數(shù)的控制(例如探頭選擇、波束操縱和聚焦、以及信號(hào)和圖像處理)是在被耦合到系統(tǒng)的多個(gè)模塊的控制器26的控制下完成的。在探頭10的情況下，在如下面更充分地描述的線纜16的數(shù)據(jù)線上從系統(tǒng)主幀來提供這種控制信息中的一些。用戶借助于控制面板20來控制這些操作參數(shù)中的許多。
[0018]圖2圖示了部分加和微型波束形成器的概念。圖2的附圖由虛線32和34切成三個(gè)區(qū)域。探頭10的部件在線32的左邊被示出，系統(tǒng)主幀的部件在線34的右邊被示出，并且線纜16在兩條線之間被示出。探頭的二維矩陣陣列12被分成連續(xù)的換能器元件。附圖中示出了陣列12的片組中的五個(gè)，每個(gè)包括九個(gè)鄰近的元件。附圖中示出了針對(duì)片組12a、12c和12e的微波波束形成器通道。片組12a的九個(gè)元件被耦合到在DLl處被指示的微波波束形成器的九條延遲線。類似地，片組12c和片組12e的九個(gè)元件被耦合到在DL2和DL3處被指示的延遲線。由這些延遲線賦予的延遲是多個(gè)變量(例如陣列的大小、元件間距、片組的間隔和維度、波束操縱范圍以及其他)的函數(shù)。延遲線分組為DL1、DL2和DL3，每個(gè)將來自他們的各自片組的元件的信號(hào)延遲到針對(duì)片組的公共時(shí)間或相位基準(zhǔn)。接著來自每組延遲線的九個(gè)被延遲的信號(hào)由各自的加法器Σ組合以形成來自片組元件的陣列部分加和信號(hào)。每個(gè)部分加和信號(hào)被施加在單獨(dú)的總線15a、15b和15c上，所述總線中的每條被耦合到線纜16的導(dǎo)體，所述導(dǎo)體將部分加和信號(hào)傳導(dǎo)到系統(tǒng)主幀。在系統(tǒng)主幀中，每個(gè)部分加和信號(hào)被施加到系統(tǒng)波束形成器22的延遲線22a、22b、22c。這些延遲線將部分加和信號(hào)聚焦成在系統(tǒng)波束形成器加法器22s的輸出處的公共波束。接著完全形成的波束被轉(zhuǎn)發(fā)到信號(hào)和圖像處理器以用于進(jìn)一步處理和顯示。盡管利用9元件片組示出了圖2的范例，但是應(yīng)當(dāng)意識(shí)到構(gòu)造的微型波束形成器系統(tǒng)大體將擁有具有更大數(shù)量(例如12、20、48或70個(gè)元件或者更多)的元件的片組。片組的元件可以互相鄰近、隔開或者甚至以棋盤圖樣混合，其中，“奇數(shù)”計(jì)數(shù)的元件被組合在一個(gè)片組中并且“偶數(shù)”計(jì)數(shù)的元件被組合在另一個(gè)片組中。片組可以是正方形、長方形、鉆石形、六邊形或任何其他期望的形狀。
[0019]圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的矩陣陣列探頭10和主幀超聲系統(tǒng)00。二維矩陣陣列12使它的獨(dú)立換能器元件耦合到微型波束形成器14的可控延遲線DL。探頭中的微型波束形成器控制器40通過一條或多條線42來接收控制信號(hào)。微型波束形成器控制器通過線44來施加控制信號(hào)，線44針對(duì)換能器元件信號(hào)來設(shè)定延遲線DL的延遲。這些延遲對(duì)于期望的片組大小和形狀是適當(dāng)?shù)?。被延遲的換能器元件信號(hào)被耦合到開關(guān)矩陣32，開關(guān)矩陣32將來自同一片組的元件的信號(hào)引導(dǎo)到一個(gè)輸出34。例如，如下面圖所示，期望組合192個(gè)元件的被延遲信號(hào)以形成單個(gè)片組信號(hào)。開關(guān)矩陣2的開關(guān)閉合以將期望的192個(gè)元件的被延遲信號(hào)連接到公共總線上。通過由微型波束形成器控制器40提供的線46上的片組開關(guān)控制信號(hào)來控制開關(guān)閉合以及片組配置。圖4中示出了使得任何被延遲元件信號(hào)能夠被用在任何片組中的非常靈活的開關(guān)矩陣。圖4圖示了交叉點(diǎn)開關(guān)矩陣，所述交叉點(diǎn)開關(guān)矩陣適合于選擇性地將來自探頭微型波束形成器14的被延遲信號(hào)耦合到線纜16的導(dǎo)體和系統(tǒng)波束形成器22的通道。2D矩陣陣列換能器的每個(gè)元件(例如元件0、元件1、……元件M)被耦合到對(duì)每個(gè)接收到的信號(hào)賦予適當(dāng)?shù)难舆t的微型波束形成器14的延遲電路14’。每個(gè)被延遲元件信號(hào)被通過線112、114、……120傳導(dǎo)到電子開關(guān)的臂，例如122、124、……126和132、134、……136。線上的電子開關(guān)中的一個(gè)閉合以將來自該元件的信號(hào)耦合到選定的系統(tǒng)波束形成器通道，例如系統(tǒng)通道0、系統(tǒng)通道1、……系統(tǒng)通道N。通過選擇性地閉合交叉點(diǎn)開關(guān)矩陣中的期望的開關(guān)，任何被延遲元件信號(hào)可以被施加在總線102、104、……110上，以與總線上的其他信號(hào)加和；并且任何被延遲元件信號(hào)可以被施加到線纜導(dǎo)體并且因此被施加到系統(tǒng)波束形成器22的通道以用于完成波束形成操作。因此開關(guān)矩陣32能夠?qū)個(gè)換能器元件的被延遲信號(hào)引導(dǎo)到N個(gè)片組信號(hào)輸出32，由線纜16將N個(gè)片組信號(hào)輸出32耦合到系統(tǒng)波束形成器22。
[0020]可以是一米長或更長的探頭的線纜16在探針連接器36處終止。線纜的片組信號(hào)傳導(dǎo)體在探頭連接器36的連接器塊38的管腳處終止。被定位在探頭連接器中的是含有為超聲系統(tǒng)識(shí)別探頭和它的具體特性的數(shù)據(jù)(探頭ID)的EPROM 50，探頭被連接到所述超聲系統(tǒng)。EPROM 50還被耦合到連接器塊38的管腳。當(dāng)探頭連接器36被插入到超聲系統(tǒng)100的配合連接器中時(shí)，連接器塊38被耦合到系統(tǒng)的配合塊138，并且片組信號(hào)由此被連接到系統(tǒng)波束形成器22。系統(tǒng)波束形成器控制器28被耦合到系統(tǒng)波束形成器以控制系統(tǒng)波束形成器的操作。系統(tǒng)波束形成器控制器還被耦合以從探頭的EPROM 50接收探頭ID數(shù)據(jù)，所述探頭ID數(shù)據(jù)為控制器識(shí)別探頭并且使得波束形成器22能夠被建立以用于與具體探頭一起操作。在該范例中，系統(tǒng)波束形成器控制器進(jìn)一步地被耦合到探頭線纜的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體，以向矩陣陣列探頭提供關(guān)于系統(tǒng)波束形成器的信息。如在42處指示的，該系統(tǒng)信息被耦合到微型波束形成器控制器40以使得微型波束形成器控制器能夠建立矩陣陣列探頭以用于與它被連接到的超聲系統(tǒng)一起操作。
[0021]圖3的矩陣陣列探頭和超聲系統(tǒng)的操作如下。當(dāng)探頭連接器36被插入到超聲系統(tǒng)100中時(shí)，來自超聲系統(tǒng)的能量為矩陣陣列探頭部件供能。EPROM向超聲系統(tǒng)提供探頭ID信息，并且系統(tǒng)現(xiàn)在知曉已經(jīng)被連接的探頭的類型。設(shè)想作為范例，系統(tǒng)波束形成器22具有128通道，并且矩陣陣列探頭10具有被由線纜16中的128個(gè)片組信號(hào)傳導(dǎo)體耦合到連接器塊38的128個(gè)片組輸出34。由于在該范例中微型波束形成器具有最大128個(gè)輸出34，在輸出34處可以產(chǎn)生128個(gè)被延遲并且加和的片組信號(hào)，所以該微型波束形成器可以向系統(tǒng)波束形成器提供最大128個(gè)部分加和片組信號(hào)以用于完成波束形成過程。該部分加和片組信號(hào)的最大數(shù)量可以由具有128個(gè)或更多個(gè)波束形成器通道的系統(tǒng)波束形成器來處理。在該范例中，系統(tǒng)波束形成器控制器建立系統(tǒng)波束形成器以針對(duì)由探頭提供的128個(gè)部分加和片組信號(hào)來進(jìn)行最終的波束形成。系統(tǒng)波束形成器控制器28通過線纜16和線42來通知探頭系統(tǒng)波束形成器具有128通道，并且微型波束形成器控制器40通過建立微型波束形成器延遲DL和開關(guān)矩陣32的開關(guān)來做出響應(yīng)，以向系統(tǒng)波束形成器22提供來自128個(gè)輸出34中的全部的128個(gè)部分加和片組信號(hào)。接著利用128個(gè)探頭片組和片組輸出信號(hào)以及128通道系統(tǒng)波束形成來進(jìn)行成像。
[0022]設(shè)想作為另一個(gè)范例，超聲系統(tǒng)100具有48通道系統(tǒng)波束形成器。矩陣陣列探頭現(xiàn)在必須被配置為與具有比微型波束形成器能夠提供的最大128個(gè)片組輸出信號(hào)更少的通道的該波束形成器一起操作。微型波束形成器控制器40通過線42來獲知48通道系統(tǒng)波波束形成器，并且通過這樣來做出響應(yīng)，即設(shè)定開關(guān)矩陣32的開關(guān)以使得在128個(gè)輸出34中的48個(gè)上產(chǎn)生48個(gè)片組的部分加和片組信號(hào)。對(duì)于片組信號(hào)不需要剩余的輸出。通過由微型波束形成器控制器提供的線44上的延遲控制信號(hào)來設(shè)定延遲線DL的延遲。該延遲對(duì)于2D矩陣陣列的元件分組而成的48個(gè)片組中的那些是適當(dāng)?shù)?。圖5中示出了一個(gè)這樣的48個(gè)片組元件配置，該配置說明了對(duì)具有不同大小的48個(gè)片組的使用。較小的片組被定位在陣列換能器的中心，并且較大的片組在沿方位方向的側(cè)邊上。附圖的垂直維度是高度方向。開關(guān)矩陣32的開關(guān)將來自每個(gè)片組的元件的獨(dú)立延遲的信號(hào)組合，并且將輸出34中的48個(gè)上的最終部分加和信號(hào)耦合。承載這48個(gè)片組信號(hào)線纜的導(dǎo)體被由探頭連接器塊38和138耦合到系統(tǒng)波束形成器22的48個(gè)通道的輸入。接著利用48通道系統(tǒng)波束形成進(jìn)行成像。
[0023]因此可以看出當(dāng)本發(fā)明的矩陣陣列探頭與具有大于或等于矩陣陣列探頭可以產(chǎn)生的片組信號(hào)的最大數(shù)量的通道計(jì)數(shù)的系統(tǒng)波束形成器一起操作時(shí)，微型波束形成器控制器設(shè)定被延遲信號(hào)的延遲和加和以產(chǎn)生它的片組信號(hào)的最大數(shù)量，所述片組信號(hào)被耦合到系統(tǒng)波束形成器以完成波束形成。當(dāng)矩陣陣列探頭與具有小于最大值的通道計(jì)數(shù)的系統(tǒng)波束形成器一起操作時(shí)，微型波束形成器控制器設(shè)定被延遲信號(hào)的延遲和加和以產(chǎn)生小于最大值的若干部分波束形成的片組信號(hào)。
[0024]圖6圖示了當(dāng)對(duì)于12通道系統(tǒng)波束形成器只需要十二個(gè)片組時(shí)的矩陣陣列換能器12的片組配置。在該情況下，延遲和開關(guān)矩陣被設(shè)定為提供在開關(guān)矩陣輸出34中的十二個(gè)上的十二個(gè)部分加和片組信號(hào)。十二個(gè)片組信號(hào)被通過線纜16傳導(dǎo)并且被施加到12通道系統(tǒng)波束形成器的通道輸入。圖7圖示了另一矩陣陣列片組配置，在所述配置中2D陣列12的元件中的全部被分組為八個(gè)均一大小的片組。接著延遲線DL和開關(guān)矩陣32在128 ( “N”)個(gè)開關(guān)矩陣輸出中的八個(gè)上并且在被應(yīng)用到8通道系統(tǒng)波束形成器的八個(gè)通道輸入的線纜導(dǎo)體上產(chǎn)生八個(gè)片組信號(hào)。
[0025]盡管圖3的矩陣陣列探頭被視為能夠與各個(gè)不同的系統(tǒng)波束形成器一起操作，但是備選地期望將矩陣陣列探頭配置為僅與一個(gè)系統(tǒng)波束形成器一起使用。這可以利用圖3中示出的相同的探頭部件中的多數(shù)來完成，具體利用相同的矩陣換能器陣列和微型波束形成器堆疊來完成。因此，相同的換能器堆疊可以被用于針對(duì)不同超聲系統(tǒng)的不同探頭。專用探頭配置還可以提供低成本矩陣陣列探頭。常見的情況是探頭線纜是探頭的最貴的部件，其中，成本隨線纜中的導(dǎo)體的數(shù)量而成比例變化。例如，如果矩陣陣列探頭旨在嚴(yán)格地與8通道系統(tǒng)波束形成器一起使用，那么對(duì)于片組信號(hào)在線纜中只需要八個(gè)信號(hào)傳導(dǎo)體而不是128個(gè)信號(hào)傳導(dǎo)體。通過使用僅具有八個(gè)片組信號(hào)傳導(dǎo)體而不是全部128個(gè)導(dǎo)體的線纜來減少整個(gè)矩陣陣列探頭成本。
[0026]具有諸如圖3的開關(guān)矩陣32的開關(guān)矩陣的換能器堆疊可以通過這樣來與各個(gè)不同的系統(tǒng)波束形成器一起使用，即配置矩陣32的開關(guān)以使得從矩陣陣列的M個(gè)元件到N個(gè)片組輸出信號(hào)的被延遲信號(hào)的M:N組合造成最終期望的數(shù)量的片組信號(hào)輸出。比如，N可以是與系統(tǒng)波束形成器的通道數(shù)量相匹配的8個(gè)、16個(gè)、48個(gè)或者任何其他數(shù)量的片組輸出。也可能通過將信號(hào)組合劃分為兩個(gè)階段來使用同一 128輸出開關(guān)矩陣，其中，開關(guān)矩陣32產(chǎn)生128個(gè)片組信號(hào)，接著由第二信號(hào)組合器將所述128個(gè)片組信號(hào)進(jìn)一步組合為最終的較少數(shù)量的期望片組信號(hào)。當(dāng)矩陣陣列探頭僅與一個(gè)系統(tǒng)波束形成器配置一起操作時(shí)，該第二信號(hào)組合器可以是如圖8所示的硬線連接的信號(hào)組合器60。比如，硬線連接的信號(hào)組合器60可以是印刷電路板或者柔性電路，在其中由p.c.b或柔性電路的經(jīng)連接的布線62來將信號(hào)組合。經(jīng)連接的布線62的數(shù)量產(chǎn)生在輸出64處的期望的片組信號(hào)的最終數(shù)量。在圖8的矩陣陣列探頭中，開關(guān)矩陣32對(duì)開關(guān)矩陣32的128個(gè)輸出34進(jìn)行M:128信號(hào)組合，并且第二信號(hào)組合器60通過組合128個(gè)片組信號(hào)來進(jìn)一步地減少片組信號(hào)的數(shù)量，以產(chǎn)生片組信號(hào)的最終期望的固定數(shù)量N。比如，如果圖8的矩陣陣列探頭僅與8通道系統(tǒng)波束形成器一起操作，那么第二信號(hào)組合器60將具有產(chǎn)生八個(gè)片組輸出64的八組經(jīng)連接的布線62。八個(gè)片組輸出64被耦合到線纜16的N個(gè)片組信號(hào)傳導(dǎo)體，其中，N是八。當(dāng)探頭連接器36被插入到具有8通道系統(tǒng)波束形成器的超聲系統(tǒng)中時(shí)，通過線纜傳導(dǎo)的八個(gè)片組信號(hào)被連接到系統(tǒng)波束形成器的八個(gè)通道。因此可以使用每個(gè)探頭中的同一矩陣陣列換能器12、延遲線DL、開關(guān)矩陣32和微型波束形成器控制器40，而利用不同的硬線連接的第二信號(hào)組合器60和針對(duì)每個(gè)不同的系統(tǒng)波束形成器的通道數(shù)量的探頭線纜，來構(gòu)造針對(duì)不同通道計(jì)數(shù)系統(tǒng)波束形成器的一系列探頭。因此，同一換能器堆疊可以被用在具有廉價(jià)硬線連接的組合器和與系統(tǒng)波束形成器通道配置相匹配的減少的導(dǎo)體線纜中。如果期望，則不同的探頭連接器36和減少的管腳計(jì)數(shù)連接器塊38還可以被用于進(jìn)一步地減少成本。
[0027]圖9a和圖9b圖示了針對(duì)如圖8所示構(gòu)造的矩陣陣列探頭的片組配置。這些配置說明了使用矩陣陣列12上的八個(gè)片組以用于與8通道系統(tǒng)波束形成器一起使用。在該范例中，八個(gè)片組中的每個(gè)包括48個(gè)換能器元件，1536個(gè)元件的矩陣陣列12的八個(gè)片組的有效孔徑中總共有384個(gè)元件。延遲線DL的延遲被針對(duì)片組大小和位置來調(diào)節(jié)，并且開關(guān)矩陣32的開關(guān)被設(shè)定為將來自開關(guān)矩陣的128個(gè)輸出中的每個(gè)上的三個(gè)換能器元件的被延遲信號(hào)組合。因此開關(guān)矩陣提供M:128被延遲信號(hào)組合，其中，M是八個(gè)片組的384個(gè)元件。接著硬線連接的第二組合器60執(zhí)行128:N組合，其中，N是八，將開關(guān)矩陣輸出34中的十六個(gè)組合為在輸出64處的一個(gè)最終片組信號(hào)。接著八個(gè)片組信號(hào)被通過線纜16的八個(gè)片組信號(hào)傳導(dǎo)體(N = 8)傳導(dǎo)，以用于完成8通道系統(tǒng)波束形成器中的波束形成。
[0028]圖9b示出了相同的具有八個(gè)片組的孔徑，但是其中，所述孔徑向右偏移兩個(gè)元件。有效孔徑被以這種方式沿高度方向在陣列上平移以進(jìn)行線性陣列掃描。為了利用該經(jīng)重新定位的孔徑來掃描，必須針對(duì)新的經(jīng)平移的片組位置來設(shè)定延遲DL和開關(guān)矩陣的開關(guān)。一旦矩陣32的延遲和開關(guān)已經(jīng)被針對(duì)新的片組位置來設(shè)定，則從新的孔徑位置來發(fā)射并接收另一個(gè)波束，并且第二組合器60如之前那樣進(jìn)行128:8組合以向系統(tǒng)波束形成器提供八個(gè)新的片組信號(hào)。不僅可以如圖9a和圖9b所示逐波束地改變孔徑，如2012年5月9日提交的US專利申請序號(hào)61/644524中描述的，還可以在接收波束期間改變孔徑從而根據(jù)增大的波束深度隨著接收信號(hào)來使孔徑增長；在此通過引用將該申請內(nèi)容并入。
【權(quán)利要求】
1.一種超聲矩陣陣列探頭，包括: 換能器元件的矩陣陣列； 微型波束形成器，其被耦合到所述矩陣陣列的所述換能器元件，所述微型波束形成器包括: 多個(gè)可控延遲，其被耦合到所述矩陣陣列的元件以產(chǎn)生被不同地延遲換能器信號(hào)； 多個(gè)可控開關(guān)，其被耦合以將被不同地延遲的換能器信號(hào)組合以形成多個(gè)片組信號(hào)， 其中，所述微型波束形成器能夠產(chǎn)生最大數(shù)量的片組信號(hào)； 微型波束形成器控制器，其被耦合以控制所述可控延遲和所述可控開關(guān)； 探頭連接器，其將所述矩陣陣列探頭連接到超聲系統(tǒng)的系統(tǒng)波束形成器，所述系統(tǒng)波束形成器具有給定數(shù)量的波束形成器通道；以及 探頭線纜，其被耦合到所述微型波束形成器和所述探頭連接器，所述探頭線纜將所述多個(gè)片組信號(hào)耦合到所述系統(tǒng)波束形成器， 其中，所述微型波束形成器控制器控制所述延遲和所述開關(guān)以在系統(tǒng)波束形成器的所述給定數(shù)量通道等于或超出所述最大數(shù)量時(shí)產(chǎn)生所述最大數(shù)量的片組信號(hào)，并且在系統(tǒng)波束形成器的所述給定數(shù)量通道小于所述最大數(shù)量時(shí)產(chǎn)生小于所述最大數(shù)量的若干片組信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲矩陣陣列探頭，其中，所述微型波束形成器控制器還被耦合以借助于所述探頭線纜來接收信號(hào)，所述信號(hào)識(shí)別要由所述微型波束形成器產(chǎn)生的片組信號(hào)的數(shù)量。
3.如權(quán)利要求2所述的超聲矩陣陣列探頭，其中，識(shí)別片組信號(hào)的所述數(shù)量的信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)波束形成器通道的數(shù)量。
4.如權(quán)利要求3所述的超聲矩陣陣列探頭，其中，識(shí)別系統(tǒng)波束形成器通道的所述數(shù)量的所述信號(hào)是由系統(tǒng)波束形成器控制器產(chǎn)生的，并且經(jīng)由所述探頭連接器和所述探頭線纜被耦合到所述微型波束形成器控制器。
5.如權(quán)利要求1所述的超聲矩陣陣列探頭，還包括存儲(chǔ)關(guān)于所述超聲矩陣陣列探頭的信息的存儲(chǔ)器設(shè)備，其中，當(dāng)所述探頭連接器將所述矩陣陣列探頭連接到系統(tǒng)波束形成器時(shí)，關(guān)于所述超聲矩陣陣列探頭的所述信息被耦合到所述超聲系統(tǒng)。
6.如權(quán)利要求1所述的超聲矩陣陣列探頭，其中，所述探頭線纜還包括多個(gè)片組信號(hào)傳導(dǎo)體，所述多個(gè)片組信號(hào)傳導(dǎo)體等于由所述微型波束形成器在所述微型波束形成器控制器的控制下產(chǎn)生的片組信號(hào)的數(shù)量。
7.如權(quán)利要求1所述的超聲矩陣陣列探頭，其中，能夠由所述微型波束形成器產(chǎn)生的片組信號(hào)的所述最大數(shù)量是128。
8.如權(quán)利要求7所述的超聲矩陣陣列探頭，其中，系統(tǒng)波束形成器通道的所述給定數(shù)量是48或更少。
9.一種超聲矩陣陣列探頭，包括: 換能器元件的矩陣陣列； 微型波束形成器，其被耦合到所述矩陣陣列的所述換能器元件，所述微型波束形成器包括: 多個(gè)可控延遲，其被耦合到所述矩陣陣列的元件以產(chǎn)生被不同地延遲換能器信號(hào)； 多個(gè)可控開關(guān)，其被耦合以將被不同地延遲的換能器信號(hào)組合從而形成給定數(shù)量的片組信號(hào)；以及 信號(hào)組合器，其被耦合以接收所述給定數(shù)量的片組信號(hào)，并且將所述片組信號(hào)組合以產(chǎn)生固定的、更少數(shù)量的片組輸出信號(hào)； 微型波束形成器控制器，其被耦合以控制所述可控延遲和所述可控開關(guān)； 探頭連接器，其將所述矩陣陣列探頭連接到超聲系統(tǒng)的系統(tǒng)波束形成器，所述系統(tǒng)波束形成器具有等于所述固定的、更少的數(shù)量的若干波束形成器通道；以及 探頭線纜，其被耦合到所述微型波束形成器和所述探頭連接器，所述探頭線纜將所述片組輸出信號(hào)耦合到所述系統(tǒng)波束形成器。
10.如權(quán)利要求9所述的超聲矩陣陣列探頭，還包括存儲(chǔ)關(guān)于所述超聲矩陣陣列探頭的信息的存儲(chǔ)器設(shè)備，其中，當(dāng)所述探頭連接器將所述矩陣陣列探頭連接到系統(tǒng)波束形成器時(shí)，關(guān)于所述超聲矩陣陣列探頭的所述信息被耦合到所述超聲系統(tǒng)。
11.如權(quán)利要求9所述的超聲矩陣陣列探頭，其中，所述探頭線纜還包括多個(gè)片組信號(hào)傳導(dǎo)體，所述多個(gè)片組信號(hào)傳導(dǎo)體等于由所述微型波束形成器產(chǎn)生的片組輸出信號(hào)的所述固定數(shù)量。
12.如權(quán)利要求9所述的超聲矩陣陣列探頭，其中，能夠由所述微型波束形成器產(chǎn)生的片組信號(hào)的所述給定數(shù)量是128，其中，系統(tǒng)波束形成器通道的所述數(shù)量是48或更少。
13.如權(quán)利要求9所述的多個(gè)超聲矩陣陣列探頭，包括: 如權(quán)利要求9所述的超聲矩陣陣列探頭；以及 第二超聲矩陣陣列探頭，其包括: 換能器元件的矩陣陣列，其與如權(quán)利要求9所述的矩陣陣列探頭的換能器元件的矩陣陣列相同； 微型波束形成器，其與如權(quán)利要求9所述的矩陣陣列探頭的微型波束形成器相同，除了所述信號(hào)組合器包括被耦合以接收所述給定數(shù)量的片組信號(hào)并且將所述片組信號(hào)組合從而產(chǎn)生第二固定的、更少數(shù)量的片組輸出信號(hào)的信號(hào)組合器； 微型波束形成器控制器，其與如權(quán)利要求9所述的矩陣陣列探頭的微型波束形成器控制器相同； 探頭連接器，其將所述矩陣陣列探頭連接到第二超聲系統(tǒng)的系統(tǒng)波束形成器，所述第二超聲系統(tǒng)的所述系統(tǒng)波束形成器具有等于所述第二固定的、更少的數(shù)量的若干波束形成器通道；以及 探頭線纜，其被耦合到所述微型波束形成器和所述探頭連接器，所述探頭線纜將所述片組輸出信號(hào)耦合到所述第二超聲系統(tǒng)的所述系統(tǒng)波束形成器。
14.如權(quán)利要求13所述的多個(gè)超聲矩陣陣列探頭，其中，所述第二超聲矩陣陣列探頭的所述探頭連接器與所述第一超聲矩陣陣列探頭的所述探頭連接器不同。
15.如權(quán)利要求13所述的多個(gè)超聲矩陣陣列探頭，其中，所述第一超聲矩陣陣列探頭的所述探頭線纜具有若干片組信號(hào)傳導(dǎo)體，并且 其中，所述第二超聲矩陣陣列探頭的所述探頭線纜具有與所述第一超聲矩陣陣列探頭的所述片組信號(hào)傳導(dǎo)體的數(shù)量不同的若干片組信號(hào)傳導(dǎo)體。
【文檔編號(hào)】A61B8/00GK104471437SQ201380034330
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月28日
【發(fā)明者】B·J·薩沃德 申請人:皇家飛利浦有限公司