CN114010222A - 一种双频阵列式超声内窥探头及其成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频阵列式超声内窥探头及其成像方法，所述双频阵列式超声内窥探头包括：承载件；高频超声换能器阵列，所述高频超声换能器固定在所述承载件上；低频超声换能器阵列，所述低频超声换能器固定在所述承载件上。所述探头的成像方法包括：根据相控阵聚焦法则，分别依次控制所述高频超声换能器阵列和所述低频超声换能器阵列中的各超声换能器发射超声波，使各超声换能器的超声波同时到达声束焦点，实现声束聚焦；控制声束焦点在深度方向移动，进行深度方向的线性扫描；将所述承载件转动预定角度，进行以上步骤的操作；重复此步骤直至所述承载件转动360°。

Description

一种双频阵列式超声内窥探头及其成像方法
技术领域
本申请涉及超声内窥领域，尤其涉及一种双频阵列式超声内窥探头及其成像方法。
背景技术
超声内窥技术是将微型超声扫描探头通过导管送入人体，通过360°旋转、移动探头，可获取血管、消化道等部位的深层次结构，对消化道肿瘤的浸润深度，淋巴结侵犯评估以及消化道粘膜下病变的探查具有重要作用，是目前诊断人体内脏器官、组织病变的最有效方法之一。超声内窥技术除了可以对病变进行定性诊断，还可以直接测量病灶对人体器官、组织的侵犯深度，对治疗方案的选择具有重要意义，目前在消化系统疾病、心血管疾病等领域应用广泛。
超声探头是超声内窥成像技术的核心敏感元件，超声探头的频率越高，成像分辨率越高，但穿透深度越浅。在临床应用中，希望成像分辨率足够高，对病灶进行高精度的测量，也希望穿透深度足够大，对更深处的病灶进行探测。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
成像分辨率高和穿透深度大这两个要求难以用一个单一频率的超声探头实现，一般只能选择更换探头，这样会增加诊断时间，也会给病人带来更多痛苦。另外，目前的超声探头一般不聚焦，导致实际成像的分辨率进一步降低，无法对病变部位进行更加准确的测量。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种双频阵列式超声内窥探头及其成像方法，以解决相关技术中存在的无法满足超声内窥成像对分辨率和穿透深度的双重需求的技术问题。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种双频阵列式超声内窥探头，包括：
承载件；
高频超声换能器阵列，所述高频超声换能器阵列固定在所述承载件上；
低频超声换能器阵列，所述低频超声换能器阵列固定在所述承载件上。
进一步地，所述高频超声换能器阵列由若干高频超声换能器以M行×N列方阵的形式组成。
进一步地，所述低频超声换能器阵列由若干低频超声换能器以P行×Q列方阵的形式组成。
进一步地，所述高频超声换能器阵列和所述低频超声换能器阵列设置在所述承载件上相对的两侧。
进一步地，所述高频超声换能器阵列中的每个高频超声换能器和所述低频超声换能器阵列中的每个低频超声换能器均单独接受电控制。
进一步地，所述高频超声换能器阵列中的高频超声换能器的频率范围在40-150MHz。
进一步地，所述低频超声换能器阵列中的低频超声换能器的频率范围在10-40MHz。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种第一方面所述的双频阵列式超声内窥探头的成像方法，包括：
聚焦步骤：根据相控阵聚焦法则，分别依次控制所述高频超声换能器阵列和所述低频超声换能器阵列中的各超声换能器发射超声波，使各超声换能器的超声波同时到达声束焦点，实现声束聚焦；
线性扫描步骤：控制所述声束焦点在深度方向移动，进行深度方向的线性扫描；
转动步骤：将所述承载件转动预定角度，进行聚焦步骤和线性扫描步骤的操作，重复此步骤直至所述承载件转动360°。
进一步地，根据相控阵聚焦法则，分别依次控制所述高频超声换能器阵列和所述低频超声换能器阵列中的各超声换能器发射超声波，使各超声换能器的超声波同时到达声束焦点，实现声束聚焦，包括：
分别计算各超声换能器至预设焦点的声程；
根据所述声程，计算得到声束由超声换能器传播至该焦点处所需的时间；
根据所述时间以及其中的最大值进行差值计算，得到各超声换能器的延迟值；
控制距离焦点最远的超声换能器先发射超声波，其余超声换能器根据计算得到的延迟时间，依次发射超声波，使各超声换能器的超声波同时到达声束焦点，实现声束聚焦并接收人体组织反射回来的回波信号。
进一步地，控制所述声束焦点在深度方向移动，进行深度方向的线性扫描，包括：
控制声束焦点在深度方向按照一定间距逐步移动；
每一步移动后，重复第一计算子步骤、第二计算子步骤、第三计算子步骤和发射子步骤，实现在每一步的声束聚焦。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由上述实施例可知，本申请由于采用了低频和高频两种不同频率的超声换能器，可以兼顾超声内窥成像的分辨率和穿透深度，无需更换探头也减少了病人在诊断时的痛苦。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种双频阵列式超声内窥探头的示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种双频阵列式超声内窥探头的成像方法的流程图。
图3是根据一示例性实施例示出的步骤S101的流程图。
图4是根据一示例性实施例示出的步骤S102的流程图。
图5是根据一示例性实施例示出的一种双频阵列式超声内窥探头的侧视图。
图6是根据一示例性实施例示出的步骤S103的流程图。
图中的附图标记有：10、承载件；20、高频超声换能器阵列；21、高频超声换能器；30、低频超声换能器阵列；31、低频超声换能器。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
图1是根据一示例性实施例示出的一种双频阵列式超声内窥探头的示意图，如图1所示，该探头可以包括：承载件10、高频超声换能器阵列20以及低频超声换能器阵列30，所述高频超声换能器阵列20固定在所述承载件10上；所述低频超声换能器阵列30固定在所述承载件10上。
由上述实施例可知，本申请由于采用了低频和高频两种不同频率的超声换能器，可以兼顾超声内窥成像的分辨率和穿透深度，无需更换探头也减少了病人在诊断时的痛苦。
在本实施例中，所述承载件10一般为圆柱形，所述圆柱形承载件10的圆柱面设置数个安装孔，供超声换能器安装。
具体地，所述高频超声换能器阵列20由若干高频超声换能器21以M行×N列方阵的形式组成，所述低频超声换能器阵列30由若干低频超声换能器31以P行×Q列方阵的形式组成，其中M为大于2的正整数，N为正整数，其中P为大于2的正整数，Q为正整数。
具体地，所述高频超声换能器阵列20和所述低频超声换能器阵列30设置在所述承载件10上相对的两侧，防止高频超声波和低频超声波互相干扰。
具体地，每个超声换能器单独接受电控制，可以单独进行激发和接收，以使得所述高频超声换能器阵列20和所述低频超声换能器阵列30能够根据相控阵聚焦法则实现声束聚焦。
具体地，所述高频超声换能器阵列20中的高频超声换能器21的频率范围在40-150MHz，高频40-150MHz的超声换能器可实现1-4mm的穿透深度和10-40μm的轴向分辨率，以提升浅层次病变组织的探测分辨率。
具体地，所述低频超声换能器阵列30中的低频超声换能器31的频率范围在10-40MHz，10-40MHz的超声换能器可实现4-16mm的穿透深度和40-160μm的轴向分辨率，以对较深层次的组织病变进行大范围检测。
本申请还提供了一种双频阵列式超声内窥探头的成像方法的实施例，图2是根据一示例性实施例示出的一种双频阵列式超声内窥探头的成像方法的流程图。参照图2，该方法包括：
聚焦步骤S101：根据相控阵聚焦法则，分别依次控制所述高频超声换能器阵列20和所述低频超声换能器阵列30中的各超声换能器发射超声波，使各超声换能器的超声波同时到达声束焦点，实现声束聚焦；
具体地，如图3所示，此步骤包括以下子步骤：
步骤S201：分别计算各超声换能器至预设焦点的声程；
具体地，所述声程即为超声换能器发射面的中心点至预设焦点的直线距离。
步骤S202：根据所述声程，计算得到声束由超声换能器传播至该焦点处所需的时间；
具体地，声束由超声换能器传播至该焦点处所需的传播时间等于所述声程除以声速。
步骤S203：根据所述时间以及其中的最大值进行差值计算，得到各超声换能器的延迟时间；
具体地，各超声换能器的延迟时间等于所述传播时间的最大值减去各超声换能器的声束传播时间。
步骤S204：控制距离焦点最远的超声换能器先发射超声波，其余超声换能器根据计算得到的延迟时间，依次发射超声波，使各超声换能器的超声波同时到达声束焦点，实现声束聚焦并接收人体组织反射回来的回波信号。
具体地，分别控制所述高频超声换能器阵列20和低频超声换能器阵列30中距离焦点最远的超声换能器先发射超声波，其余超声换能器根据计算得到的延迟时间，依次发射超声波，使各超声换能器的超声波同时到达焦点，实现声束聚焦。随后，人体组织发射回来的超声波信号被所述高频超声换能器阵列20和低频超声换能器阵列30中各超声换能器接收。
线性扫描步骤S102：控制所述声束焦点在深度方向移动，进行深度方向的线性扫描；
具体地，如图4和图5所示，此步骤包括以下子步骤：
步骤S301：控制声束焦点在深度方向按照一定间距逐步移动；
具体地，按照预先设定的声束焦点的移动步距和移动路线，控制声束焦点逐步移动。
步骤S302：每一步移动后，重复步骤S201-S204，实现在每一步的声束聚焦。
具体地，所述声束焦点每移动一步，重复步骤S201-S204，直至完成移动路线上所有预设点。每移动一步，在最终的超声内窥图像中会形成一个像素点。完成移动路线上所有预设点后，在最终的超声内窥图像中会得到一条线段上的所有像素点。
转动步骤S103：将所述承载件10转动预定角度，进行步骤S101-S102的操作，重复此步骤直至所述承载件10转动360°；
具体地，如图6所示，此步骤包括以下子步骤：
步骤S401：将所述承载件10转动预定角度；
具体地，将所述承载件10绕着所述圆柱形承载件10的轴向转动预定角度，所述预定角度通常是将360°等分的角度，预定角度与最终成像的像素密度有关，预定角度越大，像素密度越小，本实施例中的预定角度为1°。
步骤S402：每转动一个预定角度，重复步骤S301-S302，实现线性扫描。
具体地，所述承载件10每转动一个预定角度，进行步骤S301-S302的操作，控制聚焦声束进行深度方向的线性扫描，即可在最终的超声图像中形成一条径向线段上的所有像素点。
步骤S403：重复步骤S401-S402直至所述承载件10转动360°。
具体地，重复步骤S401-S402直至所述承载件10转动360°以后，高频超声换能器阵列20和低频超声换能器阵列30会分别得到一幅探测截面的内窥图像。其中高频图像的分辨率更高，但穿透深度较浅，可以对浅层病变组织进行清晰的诊断；低频图像的分辨率较低，但穿透深度较深，可以用于诊断深层病变组织。
由上述实施例可知，本申请根据相控阵聚焦法则，分别实现所述高频超声换能器阵列20和所述低频超声换能器阵列30中的各超声换能器在声束焦点的聚焦，线性移动焦点后聚焦，得到超声内窥图像中一条线段上的所有像素点，将所述承载件10旋转360°，其中每旋转预定角度时都进行聚焦及线性扫描操作，以形成完整的超声内窥图像，兼顾了超声内窥成像的分辨率和穿透深度的同时还通过相控阵聚焦法则进一步提升了成像分辨率和信噪比。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种双频阵列式超声内窥探头，其特征在于，包括：
承载件；
高频超声换能器阵列，所述高频超声换能器阵列固定在所述承载件上；及
低频超声换能器阵列，所述低频超声换能器阵列固定在所述承载件上。
2.根据权利要求1所述的双频阵列式超声内窥探头，其特征在于，所述高频超声换能器阵列由若干高频超声换能器以M行×N列方阵的形式组成。
3.根据权利要求1所述的双频阵列式超声内窥探头，其特征在于，所述低频超声换能器阵列由若干低频超声换能器以P行×Q列方阵的形式组成。
4.根据权利要求1所述的双频阵列式超声内窥探头，其特征在于，所述高频超声换能器阵列和所述低频超声换能器阵列设置在所述承载件上相对的两侧。
5.根据权利要求1所述的双频阵列式超声内窥探头，其特征在于，所述高频超声换能器阵列中的每个高频超声换能器和所述低频超声换能器阵列中的每个低频超声换能器均单独接受电控制。
6.根据权利要求1所述的双频阵列式超声内窥探头，其特征在于，所述高频超声换能器阵列中的高频超声换能器的频率范围在40-150MHz。
7.根据权利要求1所述的双频阵列式超声内窥探头，其特征在于，所述低频超声换能器阵列中的低频超声换能器的频率范围在10-40MHz。
8.一种权利要求1-7任一项所述的双频阵列式超声内窥探头的成像方法，其特征在于，包括：
聚焦步骤：根据相控阵聚焦法则，分别依次控制所述高频超声换能器阵列和所述低频超声换能器阵列中的各超声换能器发射超声波，使各超声换能器的超声波同时到达声束焦点，实现声束聚焦；
线性扫描步骤：控制所述声束焦点在深度方向移动，进行深度方向的线性扫描；
转动步骤：将所述承载件转动预定角度，进行聚焦步骤和线性扫描步骤的操作，重复此步骤直至所述承载件转动360°。
9.根据权利要求8所述的成像方法，其特征在于，根据相控阵聚焦法则，分别依次控制所述高频超声换能器阵列和所述低频超声换能器阵列中的各超声换能器发射超声波，使各超声换能器的超声波同时到达声束焦点，实现声束聚焦，包括：
分别计算各超声换能器至预设焦点的声程；
根据所述声程，计算得到声束由超声换能器传播至该焦点处所需的时间；
根据所述时间以及其中的最大值进行差值计算，得到各超声换能器的延迟值；
控制距离焦点最远的超声换能器先发射超声波，其余超声换能器根据计算得到的延迟时间，依次发射超声波，使各超声换能器的超声波同时到达声束焦点，实现声束聚焦并接收人体组织反射回来的回波信号。
10.根据权利要求8所述的成像方法，其特征在于，控制所述声束焦点在深度方向移动，进行深度方向的线性扫描，包括：
控制声束焦点在深度方向按照一定间距逐步移动；
每一步移动后，重复聚焦步骤，实现在每一步的声束聚焦。
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