CN100515342C - 多图形变换器阵列和使用方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种具有不同阵列配置的变换器和使用该变换器的方法。变换器装置一侧上的电极层限定元件的一维阵列。变换器装置相对侧上的电极层限定多维阵列。例如，响应于一维阵列和多维阵列电极配置，一个变换器装置可被用于二维成像和三维成像两者。实时三维成像和二维成像可被提供单个变换器。作为另一个实例，由一个电极配置限定的元件具有与由另一个电极配置限定的元件不同的表面面积。在变换器装置的相对侧上的不同配置可以是相同类型(例如，均为一维阵列)或不同类型。
Description
背景
本发明涉及用于超声成像的变换器。具体而言，提供了通用变换器阵列配置。
为了超声扫描病人体内的二维平面，变换器元件的一维阵列被使用。对于一维阵列，沿水平方向(azimuth direction)隔开了多个元件。所述元件由电极来限定。例如，上部接地平面电极覆盖整个阵列，而在变换器材料的底部沿水平隔开的电极限定特定的元件。每个元件与另一个元件隔开近似用于在与变换器阵列的角度上扫描的波长的一半。对于线性扫描或其它扫描，可使用元件中心之间的不同间隔，如全波长间隔。其它变换器提供元件的多维阵列。例如，提供了元件的1.5维或二维阵列。类似于一维阵列，变换器材料的底侧上的电极限定在变换器材料的顶侧上有接地平面的特定元件。
正交阵列可被提供单个变换器。例如，在变换器材料的顶侧上，提供了由沿第一维隔开的电极限定的元件的一维阵列。在变换器材料的相对侧上，电极的一维阵列沿正交方向被隔开。变换器可工作以扫描两个不同、正交的二维平面。电极的一层被接地，而电极的另一层被用于产生声能，作为第一一维阵列。对第一一维阵列有源的电极被接地，而先前接地的电极被连接于系统通道以便于用第二、正交的一维阵列来扫描。
概述
本发明由随后的权利要求来限定，而本部分中的一切不应被看作对那些权利要求的限制。为了介绍，以下描述的优选实施例包括具有不同阵列配置的变换器和使用该变换器的方法。变换器装置一侧上的电极层限定元件的一维阵列。变换器装置相对侧上的电极层限定多维阵列。例如，响应于一维阵列和多维阵列电极配置，一个变换器装置可被用于二维成像和三维成像两者。实时三维成像和二维成像可被提供单个变换器。作为另一个实例，由一个电极配置限定的元件具有与由另一个电极配置限定的元件不同的表面面积。在变换器装置的相对侧上的不同配置可以是相同类型(例如，均为一维阵列)或不同类型。通常，具有单独限定的一维和二维阵列的目的是为了高程(elevation)上的聚焦和操纵(steer)能力而折中2D阵列中的分辨率。
以下结合优选实施例来讨论本发明另外的方面和优点。
附图简述
部件和图没有必要按比例缩放，相反，重点是说明本发明的原理。而且，在图中，在所有不同的附图中，相同的参考数字表示对应的部分。
图1是变换器的一个实施例的侧视图。
图2和3分别是图1的变换器实施例的顶视图和底视图。
图4是使用变换器任何各种实施例的系统的一个实施例的方块图。
图5是有多个配置的变换器的使用方法的一个实施例的流程图。
优选实施例详述
有不同元件配置的变换器阵列为成像提供了不同的特征。例如，一维元件的变换器阵列由变换器装置一侧上的电极层来限定。变换器装置相对侧上的电极层限定不同的配置，如元件的二维或多维阵列。在可替换的实施例中，一侧上的电极层沿与相对侧相同或不同的维数的阵列但以不同的间隔或元件区域形状来限定阵列。
图1示出变换器10的一个实施例。变换器10包括变换器装置12和两个电极层14和16。可提供附加或不同的部件，如包括匹配层、垫层、透镜材料或其它超声变换器材料或部件。
变换器装置12包括陶瓷材料、压电材料、挠性膜、静电装置、电容性膜超声变换器(CMUT)或用于在声和电能之间变换的其它现今已知或以后开发的装置。在变换器装置12是压电或陶瓷材料的情况下，多个切口18或切割通道将变换器装置分为多个子元件20。在可替换的实施例中，变换器装置12包括环氧或其它材料和压电的合成物(composite)。切口18可被提供，但环氧可被用于分离声学上有源的陶瓷材料。对于膜或CMUT变换器装置，切口18可被或可不被提供给子元件20的声学隔离。例如，任何给定元件包括不在元件之间共享的多个膜以使支持膜的基片提供子元件20之间的声学隔离。
电极层14和16包括淀积的导体，如淀积的金属层。胶合(glued)或粘接(bonded)的传导性材料亦可被使用。在一个实施例中，电极层14和16之一或两者包括具有传导性条或涂层的挠性电路材料。在可替换的实施例中，电极层14和16包括用于变换器装置12的现今已知或以后开发的导线或其它传导性材料。
一个电极层14与另一个电极层16相比位于变换器的相对侧上。例如，电极层14包括相邻于病人皮肤而放置的顶部电极层，声能通过它发送给病人或从病人发送。另一个电极层16是底部电极层，如邻接衬垫材料(backing material)以便于限制声能的进一步传输。在膜或CMUT变换器10中，电极层14和16位于膜间隙或基片和挠性膜之间的间隙的相对侧上。例如，电极层14和16一个或二者位于膜和基片内或其之间。如在此所使用的，变换器装置的相对侧上的电极包括在基片和膜之间的间隙内的电极，一个或多个电极在膜的上表面上，或者一个电极在基片底部上。对于陶瓷或压电材料，一个或多个电极层14、16可部分地位于陶瓷材料内。电极层14和16之间的电压差导致变换器装置的压缩或膨胀，如陶瓷的压缩或膨胀或者膜向着基片或离开基片的运动。
电极层14、16被图形化以限定不同配置的阵列。图形化是通过切割、淀积、掩模或用于限定电极阵列的其它现今已知或以后开发的过程。两个电极层14、16的不同图形被相关于相同维度(dimensionalextent)的阵列如不同的一维阵列，或不同维度的阵列如一维阵列和多维阵列。图2示出变换器10的顶视图和第一电极层14的相关的图形(实线)。电极层14的图形化提供了元件22的一维阵列。每个元件22被相关于变换器装置12的一个或多个子元件20。例如，在一维阵列的任一端的元件22包括单个子元件20。每个电极和相关的元件22由凹口18分隔。在该实例中，一维阵列的中心部分中的每个元件22包括沿高程维(elevation dimension)隔开的多个子元件20。例如，中心的元件24包括沿高程维的六个子元件20。另外，与电极安排相比不同或较少的子元件可被提供，如为一维阵列的每个元件或不同元件22提供多个子元件。尽管为电极层14示出了二十九个元件22，亦可提供较多或较少的元件。
在一个实施例中，每个元件22都与每个元件的中心之间的近似半波长间距相关。所述波长是变换器10的想使用的频率和带宽的函数。元件22的一维阵列沿水平维(azimuthal dimension)限定了扫描平面以便于沿垂直于阵列或与之成角度的扫描线进行扫描。在可替换的实施例中，元件22之间的一波长或其它间隔被提供用于在用与变换器10成垂直角的扫描线进行扫描。
图3示出变换器10的底视图和电极层16。电极层16被图形化(实线)以提供元件22的二维配置或阵列。可提供元件的其它多维阵列，如1.25、1.5、1.75或N对M个元件的任何各种组合，其中N和M均大于1。可在N和M之一或两者均为1的情况下使用阵列。在可替换的实施例中，对于阵列范围的至少一部分，多维电极图形可包括沿两个不同维有多于一个元件的电极的任何图形。任何现今已知或以后开发的多维阵列配置和相关的电极图形可被使用。
每个元件22包括变换器装置12的两个子元件20。凹口18限定图形并分离子元件20。在可替换的实施例中，不同的元件22包括与其它元件22不同的子元件20的数量。一维阵列图形被示出为虚线，并在由电极层16的图形限定的孔径(aperture)上延伸。在可替换的实施例中，电极层16包括整个变换器装置12或与电极层12的范围相同。在又一个实施例中，电极层16延伸在电极层12的范围之外。
由于来自多维阵列的元件趋向于具有比一维阵列小的表面面积，可使用高电压来驱动元件，这是因为有较高的阻抗。在一个实施例中，被配置为多维阵列的电极层-16被置于远离病人的变换器装置12的底部。在被置于底部的情况下，变换器装置16起到病人和电极层16之间的电绝缘体的作用。在可替换的实施例中，多维变换器阵列电极层16被置于变换器装置12的顶部。
一侧的电极层图形可具有与另一侧不同的电极尺寸。例如，第一层14的电极22的表面面积不同于相对的电极层16的电极22的表面面积。在图2和3的实施例中，第一层14的一维阵列的电极22的表面面积是相对的电极层16的多维阵列的电极22的表面面积的三倍。其它的相对表面面积可被提供。
作为另一个示例差异，不同层14、16的电极22具有相同或不同的表面面积，同时有每个元件22的高程范围或长度的差。例如，图2的第一层电极14的一维阵列的元件22提供比由另一个电极层16限定的一维或多维阵列的元件大的高度长度(elevational length)。电极层16可沿与层14的一维阵列的元件22相同的水平维提供一维阵列，但仅延伸高程距离的一半或其它分数。较短高程长度的元件的两个或三个高程上隔开的行可使用电极层16提供为1.25、1.5或1.75维阵列。作为另一个可替换的实施例，正交一维阵列由有非正方形变换器装置12的电极层16的图形来限定，或者阵列的高程范围沿电极层12的一维阵列的水平方向延伸。在延伸于变换器装置12的整个面上时，顶部层14的元件22的高程范围比由底部电极层16提供的一维阵列的高程范围小。可提供具有不同长度的多维阵列、一维阵列元件的各种组合。
电极和相关元件22的水平维对不同的电极层14、16是相同或不同的。例如，如图2和3中所示，与多维阵列电极层16的电极22的间隔相比，一维阵列电极层14的元件22是中心对中心间隔或采样(sampling)的一半的长度。由于元件22的数量可由发送或接收波束形成器通道的数量或线缆的数量来限定，有较大尺寸或较大间隔的元件可被用于多维成像以减小所需的通道数量。多维成像可使用有限的波束控制以避免光栅瓣。对于较高分辨率的二维成像，由电极层14限定的一维阵列使用元件22的一半波长间隔。一半或其它的波长间隔可被用于一维或多维阵列。作为不同水平长度(azimuth length)的另一个实例，由第一层14限定的多维或一维阵列以与另一个电极层16所限定的元件22的一维或多维阵列不同的中心频率工作。层14、16两者的元件22被相关于一半或一个波长采样，但旨在以不同频率使用。
一个电极层14的图形的电极22具有与另一个电极层16的电极22相同或不同的形状。例如，图2示出有矩形形状的元件和相关的电极22，而图3示出有基本上正方形形状的元件和相关的电极22。其它实例包括有矩形、正方形、三角形、六边形的不同形状或其不同组合的每个电极层14、16的电极22。例如，正方形或矩形元件和电极22的多维阵列被提供于第一层14中，而三角形或六边形元件和相关的电极22被提供于另一层16中。作为又一个实例，与二维阵列相关的元件和相关的电极22在一个电极层14上基本上是正方形，而基本上为矩形的元件和相关的电极22的1.5维配置由另一个电极层16来限定。电极22和相关的元件或者子元件20的组合的形状、尺寸、表面面积和其它特征为所需的成像而被最优化，如以各种频率和相关带宽的任何一个用垂直或非垂直扫描线进行的二维或三维成像。
每个层14和16的电极22之间的间距被相关于变换器装置12中的凹口18或其它声学隔离，如用于CMUT的基片上的膜之间的空间。用于其它声学隔离的凹口使用与形成电极22相同的过程在与之相同的时间形成，或者使用相同或不同的过程在不同的时间形成。通过对准变换器装置12内的声学隔离和电极22的电学间距，为每个电极图形提供了声学和电学上隔离的元件。用于一个电极图形的声学隔离可导致多个子元件20被附着于另一个电极图形的相同电极22上。
在一个实施例中，透镜被置于顶部电极层14，如邻接被接合于电极层14的匹配层而被放置。该透镜提供了一个或多个维上的机械聚焦。例如，透镜提供与由图2中所示的电极层14限定的一维阵列相关的高程上的聚焦。对于用由图3中所示的另一个电极层16限定的不同阵列进行的成像，由波束形成器通道应用的延迟被调节以解决机械聚焦。例如，由发送或接收波束形成器应用的延迟解决机械聚焦。在可替换的实施例中，透镜是凹或凸的，从而提供了多个维上的机械聚焦。作为被用于发送或接收的电极22的配置或图形的函数，波束形成器延迟解决在任何各维上的机械聚焦。
在此讨论的任何各个实施例的变换器10是在如图4中所示的超声系统30中使用的。变换器10可被用于不同的超声系统。超声系统30包括变换器10、一个或多个开关32和任选的发送和接收开关32、发送波束形成器36和接收波束形成器38。另外，可提供不同的或较少的部件。
开关32包括模拟或数字、单极或多极开关。在一个实施例中，开关32包括开关的网络，如复用器。开关32可连接于电极层14、16的电极22。开关32可工作以使一层14、16的电极22接地并将另一层16、14的电极22连接于系统通道，如发送和接收波束形成器通道或线缆。开关32允许一层14、16选择性地连接于系统通道，而另一层16、14被接地。开关32亦可允许选择一层的比全部少的电极22的子孔径以与系统通道连接。例如，提供了比可用线缆或系统通道数量多的一层14、16上的电极。元件的子集被选择用于与线缆或系统通道连接。对于二维阵列，稀疏阵列或其它孔径配置可被使用。在可替换的实施例中，一层14、16的所有元件被与对应的单独系统通道连接。
在一个实施例中，受限的波束形成部件如模拟延迟和求和器被提供于容纳有变换器10的探测器中。波束形成器部件起作用以从元件和相关电极22的子组部分地进行波束信号形成。作为结果，可使用比一层14、16的元件和相关电极22少的线缆和相关的系统通道。这种结构被公开于U.S.专利No.6,126,602中，其公开内容在此引入作为参考。通过在变换器10的探测器外壳内提供模拟波束形成，用于多维阵列的较大数量的阵列元件和相关电极22可被提供有限数量的系统通道和线缆。在另一种途径中，时分复用允许使用比线缆大的数量的元件。
发送接收开关34包括模拟或数字开关，用于在变换器10与发送波束形成器36或与接收波束形成器38的连接之间选择。发送接收开关34包括多个开关，如在所选孔径中每个通道或相关元件和电极22一个开关。发送和接收开关是任选的。例如，发送波束形成器36连接于与接收波束形成器38不同的元件22，或者接收波束形成器和发送波束形成器36和38被组合为一个装置。
发送波束形成器36包括一个或多个晶体管、波形发生器、存储器、数字到模拟转换器、或用于产生单极、双极或更多复杂发送波形的现今已知或以后开发的其它模拟或数字装置。发送波束形成器36亦可包括多个延迟、放大器和其它部件，用于相对于另一个波形处理一个波形以在不同位置并以相同或不同的焦深沿声学扫描线发送。在一个实施例中，发送波束形成器36可工作以将所连接的元件驱动到地。例如，开关32将发送波束形成器36连接于一层14、16的元件22，而接收波束形成器38通过开关32连接于另一层16、14。发送波束形成器36然后将所连接的电极22驱动到接地电势。例如，发送波束形成器36包括一个或多个晶体管，其将发送波束形成器通道连接于地。在又一个可替换的实施例中，发送波束形成器36被允许浮动。开关32将电极22连接于地并将发送波束形成器36与接收波束形成器38隔离。在又一个可替换的实施例中，发送和接收开关34将发送波束形成器36与接收波束形成器38隔离。在容纳变换器10的探测器中或用容纳发送波束形成器36和接收波束形成器38的超声系统可提供开关32。
接收波束形成器38包括多个模拟或数字延迟、放大器和其它部件，用于多个接收波束形成器通道动态地聚焦和操纵。接收波束形成器38亦包括求和器，如模拟求和点或数字加法器，用于组合来自多个接收通道的经延迟和切趾(apodized)的信号。接收波束形成器38输出射频、同相和正交或其它信息以便于超声处理、检测和成像。
图5示出使用有不同阵列配置的变换器10的一个实施例的流程图。在步骤50，阵列配置被选择。待用于成像的电极层14、16和相关的电极22被选择。来自不同层14、16的非重叠元件和相关电极可被选择，但优选的是来自一个电极层14、16的电极22被选择以用于声学扫描。发送波束形成器36、接收波束形成器38的工作频率和其它系统参数是基于层14、16的选择而配置的。
在步骤52，非选择的电极22，与被选择用于成像的电极相对的电极层16、14的电极22，或者电极22的子集被接地。开关32将这些电极或电极层14、16连接于地。可替换的是，发送波束形成器36将电极22驱动到接地电势。在可替换的实施例中，非接地或非零的DC电压被连接于非选择的元件22。
在步骤54中，所选择的元件22或电极层16、14被连接于波束形成器。例如，一个电极层16、14的电极22通过开关32和发送和接收开关34连接于发送波束形成器36、接收波束形成器38或其组合。与系统通道的连接允许使用所选的电极22和相关的元件来扫描病人。
在步骤56，变换器装置12的接地电极22结合所选电极被用于在发送工作、接收工作或其组合中扫描病人。例如，发送波形被提供给所选电极22。响应于接收发送波形的电极22和接地电极22之间的电势差，变换器装置12产生被发送到病人体内的声能。为了接收信息，变换器装置12产生所选电极22和接地电极22之间的电势差。电势差被提供给接收波束形成器38。在一个实施例中，相同的所选电极22被用于发送和接收工作两者。在可替换的实施例中，相同或不同电极层14、16上的不同电极22被用于发送工作而不是接收工作。
所选电极22可被用于在二维平面或三维体积内扫描。在可替换的实施例中，不同的电极22被选择用于不同的扫描线或提供给作为扫描线、焦深、所需波束特征或另一个变量的函数的不同孔径。
在一个实施例中，所选电极22和对应的电极层14、16被用于一种类型的扫描，如使用一维阵列的二维成像。在步骤52、54和56中，不同的电极层14、16和相关的电极22被选择并用于不同类型的扫描，如在二维或三维体积内用多维阵列进行的扫描。
尽管在以上已参照各种实施例描述了本发明，应理解可在本发明的范围内实施各种变化和修改。例如，不同的一维阵列可被提供于使用不同电极层14、16的变换器装置12的相对侧上。作为又一个实例，具有在以上讨论的至少一个特征上不同的图形的不同多维阵列可被用于不同的电极层14、16。
因此，想要的是，以上详述被理解为对本发明当前优选实施例的说明，而不是对本发明的限定。只有随后的权利要求，包括所有的等效内容，旨在限定本发明的范围。
Claims (20)
1.一种用于不同元件图形的超声变换器，该变换器包括：
变换器装置；
变换器装置第一侧上的第一电极层，第一电极层的第一图形限定一维阵列；以及
变换器装置第二侧上的第二电极层，第二侧与第一侧相对，第二电极层的第二图形限定多维阵列，
其中，第一和第二电极层都可工作来选择性地被耦合到地，使得第一和第二电极层中未被连接到地的未被选择的电极层限定要被用于扫描的阵列。
2.权利要求1的变换器，其中第一图形限定第一多个元件，而第二图形限定不同的、第二多个元件，第一多个元件的每个具有与第二多个元件的每个不同的表面面积。
3.权利要求1的变换器，其中第二图形限定二维阵列。
4.权利要求1的变换器，其中第二图形限定1.25、1.5和1.75维阵列中的一个。
5.权利要求1的变换器，其中第一图形的元件的高程长度与第二图形的元件的高程长度不同。
6.权利要求1的变换器，其中第一图形对应于元件之间的半个波长间隔，而第二图形对应于元件之间的一个波长间隔。
7.权利要求1的变换器，进一步包括可与第一和第二电极层连接的多个开关，该多个开关可工作以使第一和第二电极层之一接地并可工作以将第一和第二电极层的另一个连接于波束形成器通道。
8.权利要求7的变换器，其中所述多个开关可工作以将第一和第二电极层的另一个的元件的子集连接于波束形成器通道。
9.权利要求1的变换器，其中第二电极层包括多个电极，进一步包括与该多个电极的子集连接的至少一个求和器，该至少一个求和器在容纳有变换器装置的探测器中。
10.一种用于不同元件图形的超声变换器，该变换器包括：
变换器装置；
变换器装置第一侧上的第一电极层，第一电极层的第一图形限定第一元件，每个都有第一表面面积；以及
变换器装置第二侧上的第二电极层，第二侧与第一侧相对，第二电极层的第二图形限定第二元件，每个都有与第一元件不同的表面面积，
其中，第一和第二电极层都可工作来选择性地被耦合到地，使得第一和第二电极层中未被连接到地的未被选择的电极层限定要被用于扫描的阵列。
11.权利要求10的变换器，其中第一图形包括一维阵列，而第二图形包括多维阵列。
12.权利要求10的变换器，其中第一图形包括第一多维阵列，而第二图形包括第二多维阵列。
13.权利要求10的变换器，其中第一图形包括第一一维阵列，而第二图形包括第二一维阵列。
14.权利要求10的变换器，其中第一图形的元件的高程长度与第二图形的元件的高程长度不同。
15.权利要求10的变换器，其中第一图形对应于元件之间的半个波长间隔，而第二图形对应于元件之间的一个波长间隔。
16.权利要求10的变换器，进一步包括可与第一和第二电极层连接的多个开关，该多个开关可工作以使第一和第二电极层之一接地并可工作以将第一和第二电极层的另一个连接于波束形成器通道。
17.一种用于使用有不同电极配置的变换器阵列的方法，该方法包括：
(a)选择性地将分别在变换器装置的第一和第二相对侧上的第一和第二电极之一连接于地，第一电极被图形化为一维阵列，而第二电极被图形化为多维阵列；以及
(b)选择性地将第一和第二电极的另一个连接于波束形成器通道。
18.权利要求17的方法，其中(a)包括使一维阵列的第一电极接地，并且(b)包括将多维阵列的第二电极连接于波束形成器通道。
19.权利要求17的方法，其中(a)包括使多维阵列的第二电极接地，并且(b)包括将一维阵列的第一电极连接于波束形成器通道。
20.一种用于不同元件图形的超声变换器，该变换器包括：
变换器装置；
变换器装置第一侧上的第一电极层，第一电极层的第一图形限定第一多维阵列；以及
变换器装置第二侧上的第二电极层，第二侧与第一侧相对，第二电极层的第二图形限定第二多维阵列，第一多维阵列具有与第二多维阵列不同的电极配置，
其中，第一和第二电极层都可工作来选择性地被耦合到地，使得第一和第二电极层中未被连接到地的未被选择的电极层限定要被用于扫描的阵列。
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