CN112353419B - 多阵元扫描式超声波探头及超声成像系统和超声成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多阵元扫描式超声波探头及超声成像系统和超声成像方法，该超声波探头包括探头本体、形成在探头本体端面的声透镜、以及换能器，其中在探头本体内部设有沿着声透镜长度方向延伸的直线导轨，换能器沿着声透镜宽度方向延伸，且有多个，每个换能器都有独立的连接线缆，超声波探头还包括与直线导轨配合且能够往复滑动地设置在直线导轨上的滑座、以及驱动件，其中多个换能器沿着声透镜长度方向并排设置在的滑座上。本发明的多阵元探头，探测范围广，而且实现对目标不同频率、分辨率、深度的超声扫描，进而对血流和血液进行多普勒成像，扩展其应用场景，同时结构简单，实施方便，而且能够对目标快速和高性能成像。

Description

多阵元扫描式超声波探头及超声成像系统和超声成像方法

技术领域

本发明属于超声成像技术领域，具体涉及一种多阵元扫描式超声波探头，同时还涉及一种多阵元机械扫描式超声成像系统和一种多阵元机械扫描式超声成像方法。

背景技术

现有的超声波探头按照其阵元个数多分为：单阵元探头和多阵元探头，其中多阵元探头又包含了线阵、凸阵、相控阵、面阵等多种形式。

而随着高频超声成像技术的发展，高频探头得到了越来越多的发展，如眼科超声、皮肤超声、超声内窥镜和血管内超声等。但由于受AD采样等核心芯片技术的制约，暂时还未有多通道高频AD芯片销售，导致目前高频超声系统多为单阵元系统。

为了在现有条件下实现高频成像，多采用机械扫描如机械环扫、摆扫或线性扫描的方式来完成对目标的成像。但随着临床的需要，很多时候，不仅需要浅组织的高分辨超声图像，也需要深度组织的轮廓影像，以便进行穿刺路径规划、术中导航等。此外，现有的单阵元机械扫描系统，受限于成像方法，无法显示目标中血管的分布和血流情况，也限制了相关高频超声成像产品在临床的应用。

也就是说，目前高频机械超声波探头和系统的主要技术问题：

1）、只有单阵元换能器，探测范围有限；

2）、没有多普勒功能，无法进行血流测试和血液成像等，导致应用场景受限；

3）、加工工艺复杂，价格高昂，多通道高频超声成像系统核心器件受限等不足，无法实现对目标快速高性能成像。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的多阵元扫描式超声波探头。

同时本发明还涉及一种多阵元机械扫描式超声成像系统和一种多阵元机械扫描式超声成像方法。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种多阵元扫描式超声波探头，其包括探头本体、形成在探头本体端面的声透镜、以及换能器，其中在探头本体内部设有沿着声透镜长度方向延伸的直线导轨，换能器沿着声透镜宽度方向延伸，且有多个，每个换能器都有独立的连接线缆，且每个换能器的尺寸范围为0.05 mm～3 mm，频率范围为0.1 MHz～100 MHz；超声波探头还包括与直线导轨配合且能够往复滑动地设置在直线导轨上的滑座、以及驱动件，其中多个换能器沿着声透镜长度方向并排设置在的滑座上。

优选地，换能器为压电陶瓷换能器、复合换能器、电容式换能器或者微换能器。

根据本发明的一个具体实施和优选方面，多个换能器按频率划分成10 MHz～100MHz的高频换能器、1 MHz～10 MHz的中频率换能器、0.05 MHz～1 MHz的低频换能器，其中高频换能器、中频率换能器、低频换能器所形成的焦距大小由小到大变化。

优选地，直线导轨为与滑座相配合的丝杆，驱动件包括电机、以及将电机与直线导轨相传动连接的传动部件，其中在所述直线导轨的转动下，所述的滑座横运动，且横移的速度为0.1 mm/s～100 mm/s。

本发明的另一技术方案：一种多阵元机械扫描式超声成像系统，其包括显示单元和主机、及多阵元扫描式超声波探头。

优选地，主机包括图像处理器、与图像处理器连通的控制模块、分别将每个换能器与控制模块相连通的回波收集器，其中控制模块还与驱动件相连通。

进一步的，回波收集器包括依次设置在换能器与控制模块之间的收/发开关、低噪放大单元、时间增益补偿单元、以及采样单元。

优选地，控制模块还与时间增益补偿单元相连通。

根据本发明的又一个具体实施和优选方面，主机还包括与每个所述收/发开关相连通的高压电源激励器。

此外，每一个换能器所发射超声波和接收回波形成该扫描点超声成像数据，由多个超声成像数据形成一帧图像，图像处理器将多个一帧图像进行拼接融合形成一幅完整的图像。

本发明的又一技术方案：一种多阵元机械扫描式超声成像方法，该成像方法采用了上述的多阵元机械扫描式超声成像系统，且包括如下步骤：

1）、在初始位置，每个换能器都会发射超声波，接收回波，作为其在初始位置点的指超声射频回波信号数据，随后向左或向右移动扫描，控制换能器移动到下一个扫描点，换能器再次发射超声波和接收回波，作为下一个扫描点的超声射频回波信号数据；

2）、直至换能器实现从声透镜的最左到最右，或者最右到最左，实现对一个切面的一帧图像扫描，然后，换能器的扫描移动速度，确定每个数据对应的成像空间位置，并将多个所述一帧图像进行拼接融合形成一幅完整的图像。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的多阵元探头，探测范围广，而且实现对目标不同频率、分辨率、深度的超声扫描，进而对血流和血液进行多普勒成像，扩展其应用场景，同时结构简单，实施方便，而且能够对目标快速和高性能成像。

附图说明

图1为本发明的超声波探头的主视示意图；

图2为图1的俯视示意图；

图3为本发明的成像系统的结构示意图；

图4为图3中成像系统的模块示意图；

其中：A、显示单元；q、显示器。

B、主机；b1、图像处理器；b2、控制模块；b3、回波收集器；b30、收/发开关；b31、低噪放大单元；b32、时间增益补偿单元；b33、采样单元；b34、高压电源激励器；

T、多阵元扫描式超声波探头；1、探头本体；2、声透镜；3、直线导轨；4、滑座；5、换能器；6、驱动件；60、电机。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图与具体实施方式对本发明做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1所示，本实施例的多阵元扫描式超声波探头T，其包括探头本体1、形成在探头本体1端面的声透镜2、设置在探头本体1内部设有沿着声透镜2长度方向延伸的直线导轨3、滑座4、并排设置在滑座4的三个换能器5、以及驱动滑座4沿着直线导轨3长度方向运动的驱动件6。

具体的，每个换能器5都有独立的连接线缆，且每个换能器5的宽度范围为0.05 mm～3 mm，频率范围为0.1 MHz～100 MHz。

本例中，换能器5为压电陶瓷换能器，且三个换能器5的长度相等，宽度也相等，其中每个换能器5长度为4 mm，宽度为0.5mm。

结合图2所示，三个换能器5按频率划分成10 MHz～100MHz的高频换能器、1 MHz～10 MHz的中频率换能器、0.05 MHz～1 MHz的低频换能器，其中高频换能器、中频率换能器、低频换能器所形成的焦距大小由小到大变化。

具体的，高频换能器、中频率换能器、低频换能器自左向右并排设置在滑座4上。

直线导轨3为与滑座4相配合的丝杆，驱动件6包括电机60、以及将电机60与直线导轨3相传动连接的传动部件，其中在直线导轨3的转动下，滑座4横运动，且横移的速度为10mm/s。

也就是说，上述三个换能器5的尺寸可以一致，也可以不同。

同时，根据每个换能器2工作频率的高低，其焦距大小不同。按照高频近场聚焦，低频远场聚焦，中频成像中间区域聚焦的原则，选取合适焦距的换能器。

本例中，换能器5固定在滑座4上，整体浸润于超声成像耦合液中，耦合液的前端则为成像和保护作用的声透镜。

电机60可以为有刷电机、无刷电机或者交直流电机，且电机60和直线导轨3之间可以采用常规的齿轮传动。

本例中，多阵元扫描式超声波探头T工作时，每个探头都有独立的发射接收控制，具备独立工作成像的能力，根据每个探头不同的探测频率和探测灵敏度、尺寸等参数，可以确定其各自的探测深度和成像范围，通过左右移动扫描，从而实现对同一组织同一切面的不同频率、不同分辨率和深度的探测。

结合图3所示，多阵元机械扫描式超声成像系统，其包括显示单元A和主机B、及多阵元扫描式超声波探头T。

本例中，显示单元A包括常规的显示器q。

结合图4所示，主机B包括图像处理器b1、与图像处理器b1连通的控制模块b2、分别将每个换能器5与控制模块b2相连通的回波收集器b3，其中控制模块b2还与电机60相连通。

回波收集器b3包括依次设置在换能器5与控制模块b2之间的收/发开关b30、低噪放大单元b31、时间增益补偿单元b32、以及采样单元b33。

控制模块b2还与时间增益补偿单元b32相连通。

同时，上述的主机B还包括与每个收/发开关b30相连通的高压电源激励器b34。

此外，每一个换能器所发射超声波和接收回波形成该扫描点超声成像数据，由多个超声成像数据形成一帧图像，图像处理器将多个一帧图像进行拼接融合形成一幅完整的图像。

具体来说，就是在初始位置，三个换能器5都会发射超声波，接收回波，作为其在该点的指超声射频回波信号数据，随后随着电机转动，控制换能器5移动到下一个扫描点，三个换能器5再次发射超声波和接收回波，作为该点的指超声射频回波信号数据。如此循环，直至换能器实现从成像窗的最左到最右，或者最右到最左，实现对一个切面的一帧图像扫描。然后，结合电机的转速和转动系统，计算出换能器的扫描移动速度，再根据编码发射器的数据，确定每个数据对应的成像空间位置，进而拼出切面的完整图像。

然而，由于每个探头具有不同的频率，因此其除了常规的B超成像之外，还可以进行多频率图像的融合。

具体来说，就是按上述步骤，获取目标同一切面的不同频率的B超图像后，根据其频率的特点，高频衰减快，近场分辨率高，探测深度浅，只选取其近场的图像；低频探头分辨率低，但是成像深度深，因此低频探头就选取远场的图像；而中间频率的则显示其中间区域，然后，将三幅或多幅图像融合拼接成一幅图像，实现对目标全深度区域的高性能成像。

需要进一步说明的是：由于各个探头分辨率不同，不是根据图像像素直接拼接，而要根据目标的实际物理尺寸和结构进行拼接融合，拼接边界区域，为了避免图像跳变，可以进行一定的渐变式变换，以获取更平滑连续的图像。

此外，利用探头具有多个换能器的特点，当其中两个换能器中心频率一样时，就可以实现多普勒成像。

综上，本实施例具有以下优势：

1、本实施例通过提出新型的多阵元扫描超声波探头，可有效解决现有阵列高频超声波探头加工工艺复杂，价格高昂，多通道高频超声成像系统核心器件受限等不足，实现对目标快速高性能成像；

2、利用多阵元扫描超声波探头，还可以解决现有单阵元超声波探头无法多普勒彩色成像的不足；

3、利用多阵元探头，不同的中心频率，可以实现对目标不同分辨率、深度的成像；

4、多阵元探头，探测范围广，而且实现对目标不同频率、分辨率、深度的超声扫描，再利用图像融合技术，还可以实现目标全区域的高性能超声图像，进而对血流和血液进行多普勒成像，扩展其应用场景。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种多阵元扫描式超声波探头，其包括探头本体、形成在所述探头本体端面的声透镜、以及换能器，其特征在于：

在所述的探头本体内部设有沿着所述声透镜长度方向延伸的直线导轨，所述的换能器沿着所述声透镜宽度方向延伸，且有多个，每个所述换能器都有独立的连接线缆，且每个所述换能器的宽度范围为0.05 mm～3 mm，频率范围为0.1 MHz～100 MHz；所述的超声波探头还包括与所述直线导轨配合且能够往复滑动地设置在所述直线导轨上的滑座、以及驱动件，其中多个所述换能器沿着所述声透镜长度方向并排设置在所述的滑座上；

多个所述换能器按频率划分成10 MHz～100MHz的高频换能器、1 MHz～10 MHz的中频率换能器、0.05MHz～1 MHz的低频换能器，其中所述高频换能器、中频率换能器、低频换能器所形成的焦距大小由小到大变化；

所述的直线导轨为与所述滑座相配合的丝杆，所述的驱动件包括电机、以及将电机与所述直线导轨相传动连接的传动部件，其中在所述直线导轨的转动下，所述的滑座横运动，且横移的速度为0.1 mm/s～100 mm/s。

2.一种多阵元机械扫描式超声成像系统，其包括显示单元和主机，其特征在于：所述的成像系统还包括权利要求1所述的超声波探头。

3.根据权利要求2所述的多阵元机械扫描式超声成像系统，其特征在于：所述主机包括图像处理器、与所述图像处理器连通的控制模块、分别将每个所述换能器与所述控制模块相连通的回波收集器，其中所述的控制模块还与所述驱动件相连通。

4.根据权利要求3所述的多阵元机械扫描式超声成像系统，其特征在于：所述回波收集器包括依次设置在所述换能器与所述控制模块之间的收/发开关、低噪放大单元、时间增益补偿单元、以及采样单元。

5.根据权利要求4所述的多阵元机械扫描式超声成像系统，其特征在于：所述的控制模块还与所述时间增益补偿单元相连通。

6.根据权利要求4所述的多阵元机械扫描式超声成像系统，其特征在于：所述的主机还包括与每个所述收/发开关相连通的高压电源激励器。

7.根据权利要求2所述的多阵元机械扫描式超声成像系统，其特征在于：每一个所述换能器所发射超声波和接收回波形成该扫描点超声成像数据，由多个所述超声成像数据形成一帧图像，所述图像处理器将多个所述一帧图像进行拼接融合形成一幅完整的图像。

8.一种多阵元机械扫描式超声成像方法，其特征在于：所述成像方法采用了权利要求2至7中任一项权利要求所述的多阵元机械扫描式超声成像系统，且包括如下步骤：

1）、在初始位置，每个换能器都会发射超声波，接收回波，作为其在初始位置点的指超声射频回波信号数据，随后向左或向右移动扫描，控制换能器移动到下一个扫描点，换能器再次发射超声波和接收回波，作为下一个扫描点的超声射频回波信号数据；

2）、直至换能器实现从声透镜的最左到最右，或者最右到最左，实现对一个切面的一帧图像扫描，然后，换能器的扫描移动速度，确定每个数据对应的成像空间位置，并将多个所述一帧图像进行拼接融合形成一幅完整的图像。