CN100539949C - 高频、高帧率超声波成像系统 - Google Patents

Abstract

一种产生超声波图像的系统，包括扫描头和处理器，扫描头具有能以至少20兆赫兹(MHz)的频率产生超声波能量的换能器，处理器用于接收超声波能量和以至少15帧每秒(fps)的帧率产生超声波图像。

Description

高频、高帧率超声波成像系统

相关申请交互引用

本申请要求以下申请的优先权和利益：2002年10月10日提出申请的、标题为“RMV SCANHEAD SYSTEM(RMV扫描头系统)”、(代理人卷号NO.14157PRO)的美国临时申请NO.60/417,164；2003年5月9日提出申请的、标题为“SCAN HEAD FOR ULTRASOUNDIMAGING SYSTEM(用于超声波成像系统的扫描头)”、(代理人卷号NO.T00518-0005-USP2(190304-327786))的美国临时申请NO.60/468,958；2003年5月9日提出申请的、标题为“REMOVABLEACOUSTIC WINDOW(可拆卸式声窗)”、(代理人卷号NO.T00518-0014-PROV-US(190304-326186))的美国临时申请NO.60/468,956；以及2003年5月14日提出申请的、标题为“METHODAND APPRATUS FOR OBTAINING AN ULTRASOUND IMAGE(用于获取超声波图像的方法和装置)”、(代理人卷号NO.T00518-0011-USP1(190304-325200))的美国临时申请NO.60/470,234，所有这些专利申请在这里通过引用的方式纳入本文件中。

背景技术

20世纪70年代末80年代初发展起来的、用于对人体组织成像的扫描头仍然可用于许多超声波成像应用中。位于扫描头内的换能器包括由压电材料组成的圆盘，圆盘被电激励时以一定的频率振动，该频率通常被选择介于2MHz到10MHz之间。在这些频率下，换能器的振动能量是有方向性的，并且自一个薄圆盘的两面以合理的确定射束辐射。一般而言，自换能器背面辐射的能量被适合的材料吸收，而自换能器前面辐射的能量通过一种具有低损耗特征的、能发射超声波能量的流体耦合到患者。该能量通过薄的、低损耗罩射出，进一步借助施用于患者皮肤的透声(sonolucent)凝胶被耦合到患者。由超声波能量与身体组织的相互作用引起的回波以相同的路径逆路线传播，并且当这些回波到达换能器时它们产生一个电信号，该电信号的强度是患者体内目标的回音强度(echogenicity)和该目标在患者皮肤下面的深度的函数。在深度上的位置根据发射脉冲与接收回波之间的时间间隔来确定。扫描头利用该信息以及连接到换能器的位置编码器所提供的指向信息来生成位于患者体内扫描平面中的组织的灰度色标图像，该图像在换能器每次扫描图像平面时被更新和修正。换能器的两次扫描构成一个工作周期，该工作周期称作1Hz，相当于2帧每秒。

二维超声波图像(也称作B超)由大量邻近的、被称为A型扫描的超声波数据线组成，通过换能器的连续扫描自扫描头获得。当换能器发射超声波脉冲到正被研究的组织中、然后接收由该组织沿着该换能器的射束轴反射的超声波信号时，获得超声波数据线。超声波数据线位于同一平面内，并通常以恒定的间隔隔开。每根数据线通过在该平面内按已知的增量距离横向移动超声波射束轴来获得。超声波图像可以具有线性格式或扇形格式，在线性格式中线条互相平行且等距，在扇形格式中线之间的夹角相等并自一个顶点辐射。为了产生线性格式的图像，换能器被横向移动而不改变换能器与它所沿着移动的线之间的角度。为了产生扇形格式的图像，换能器被安装到一个工作夹具中，该夹具围绕一个顶点转动使换能器在一段弧上移动。当换能器移动时，扫描平面内的位置被跟踪以便相关联的超声波系统能在显示图像内的正确位置显示超声波线数据。

早期的临床诊断超声波系统利用摇摆扫描头来产生扇形格式的图像。这些系统利用2至5MHz范围内的低频超声波。摇摆扫描头通常由位于充满流体的腔内的换能器、马达、位置编码器和超声波所通过的声窗组成。马达驱动机构经常经由一段弧移动换能器来产生扇形扫描型图像格式，同时位置编码器跟踪换能器位置。充满流体的腔的一个壁面作为声窗，它面向正被成像的组织，通常由硬的塑性材料制成。该窗口允许超声波以极小的衰减通过。另外，一般而言，有一个不通过该窗口的反射超声波。这个波在消散之前能在换能器与该窗口之间来回反响几次。到达换能器的回响分量能在超声波图像中引起非期望的赝像。该反射波的大小由窗口所使用的材料与换能器腔中的流体之间的声阻抗不匹配程度决定。衰减量由窗口材料决定，在超声波能量通过该窗口时产生。窗口处的衰减和反射都是不期望的。

在80年代，这些机械扫描换能器开始被由多个窄的压电元件组成的固态器件代替，其中压电元件被顺序激励时可用来建立图像。这些“线性阵列”扫描头与机械扫描头是同时发展起来的，但提供的图像质量较差。在整个80年代到90年代期间，进一步的工作促成了“相控阵列”扫描头的发展，“相控阵列”扫描头能以允许电子射束控制方向和聚焦的方式来激励元件组，这总体上产生比任何机械扫描头好的、帧率为60帧每秒的图像。现在，相控阵列被广泛用于人体组织的超声波成像中。然而，一种利用工作在5MHz的频率下的换能器的典型相控阵列系统可以具有0.5mm的空间分辨率。

具有较高工作频率的一个缺点是：随着工作频率增加，制造困难使得建立相控阵列型成像系统具有一定难度。因此，目前的工作在30-40MHz范围内的系统一般使用机械扫描单元件换能器，该系统就扫描头而言在工作原理上与上述机械扫描系统类似。但是，高频通常导致高衰减，从而由声窗引起的衰减显著增加。因此，目前的高频换能器利用非封装换能器，非封装换能器与线性伺服马达和位置编码器系统一起来回运动。在更高频率(高于30MHz)，由于材料的理论性能和特性随着频率增加而下降，所以换能器封装是不切实际的。

对高频换能器，因为不能进行封装，所以移动的换能器是暴露在外的。到正被成像组织的声耦合通过在该组织表面形成一团超声波凝胶来实现，移动的换能器被放入凝胶中。好的成像依赖于换能器与组织之间存在的连续凝胶层。如果换能器与凝胶失去联系，或者如果在换能器表面形成空气泡，成像将受到损害或者甚至是不可能的。因为迅速移动的换能器会破坏凝胶层并很可能脱离接触，所以这种类型的成像被限制在较低的帧率。暴露的换能器的其它缺点在于，它们可能对脆弱的组织造成危险，并且可能使换能器容易受到因碰撞造成的可能的损坏。

机械超声波扫描头的另一个缺点是利用动磁式马达。动磁类型吸引人的地方在于，由于驱动线圈是固定的且永久磁铁被固定在移动部件或转子上，所以不需要软导线为驱动线圈供电。此外，电磁型马达效率低。通常的机械扫描头消耗高达3瓦特的电功率，这些功率转化成热，而热必须通过扫描头壳体的塑料壁来散逸。因为壳体一般是热的弱导体，所以扫描头的内部温度会升高，这使材料随着时间的推移而退化，改变器件的声性能，甚至会使对象感觉不舒适。电磁马达效率低的另一个原因是在力求使振荡质量小的过程中，移动磁体必须相对较小。为了获得一定的扭矩，马达电流相应地要高，这引起高的I^2R损耗。这些损耗大约按照扫描率的平方增加。

发明内容

在一个实施例中，高频、高帧率超声波成像系统包括一个扫描头和一个处理器，扫描头具有能以至少20兆赫兹(MHz)的频率产生超声波能量的换能器，处理器用于接收超声波能量和以至少15帧每秒(fps)的帧率产生超声波图像。

还提供了有关的操作方法。对本领域的普通技术人员来说，通过对以下附图和详述的分析，该高频、高帧率超声波成像系统的其它系统、方法、特征和优点将是明显的或者将会变得明显。目的在于，所有这样的附加系统、方法、特征和优点包含在该说明书中，包含在高频、高帧率超声波成像系统的范围以内，并通过附加权利要求得到保护。

附图简述

参照以下附图将能更好地理解该高频、高帧率超声波成像系统。图中的元件没有必要按比例绘制，而是要将重点放在清楚地说明该高频、高帧率超声波成像系统的原理上。此外，在图中，相同的参考标号表示所有不同视图中的对应部分。

图1A是扫描头系统的一个实施例的图解。

图1B是说明图1A的超声波成像系统的框图。

图2是图1中系统的扫描头的透视图。

图3A是图2的扫描头的侧视图。

图3B是图2的扫描头的俯视图。

图4是图3B中扫描头沿A-A线的剖视图。

图5是说明图3A、3B和4中扫描头的详细示意图。

图6提供了图4中扫描头的其它细节。

图7提供了图3A中扫描头的其它细节。

图8示范了枢轴管6的交替运动。

图9是图1A中系统的扫描头的另一实施例图解。

图10是图9中扫描头的纵向横截面。

图11是图9的扫描头中的电枢部件的透视图。

图12是图9中扫描头的一部分的透视图。

图13是图9中扫描头的释放部件的分解图。

图14是图13的快速释放部件的装配图。

图15是图9中扫描头的一个密封件的透视图。

图16是图9中扫描头在测试结构中的透视图。

图17A是图9的扫描头的镜轮的透视图。

图17B是同一个可选护套一起示出的图17中镜轮的透视图。

图18是在分离位置的图17的镜轮的另一视图。

图19A是图17的侧视图。

图19B是图19A的细节视图。

图20是图17的横截面。

图21是图17的剖视图。

图22是图17的镜轮的端视图。

图23是图17的声窗的端视图。

图24是描述显示器上的图像的屏幕抓图。

图25是说明高频、高帧率超声波成像系统的一个方面的操作的流程图。

详细描述

参照图1A，超声波扫描系统100具有一个电子电路102，电子线路102用于发射一连串超声波脉冲104给探头或扫描头106和从探头或扫描头106接收一连串超声波脉冲104。扫描头106可以放在对象108上面以记录扫描平面112的图像数据110，从而将目标114的横截面显示在显示器116上。目标114，例如，可以是一个诸如小鼠(mouse)、大鼠(rat)或另外的研究对象之类的小动物的器官。可以进行成像的器官的例子包括但不限于：肺、心脏、脑、肾、肝或在对象体内流动的血液。另外，超声波成像系统可以用来对瘤的状态成像。电路102具有用于产生脉冲104的发射子系统118，和用于接收对应的回波脉冲104的接收子系统120，回波脉冲104被送至计算机122中供处理并最终显示为图像扫描数据110。扫描头106在126连接到电路102。扫描头106具有换能器部件124，换能器部件124具有隔膜125并连同力矩马达130一起连接到位置编码器128。编码器128和马达130监视扫描头106内换能器部件124的位置。相应的位置数据132随着代表图像数据110的脉冲104被传送给计算机122。扫描头106可以用作封装实时探头，用于以诸如，但不限于，高于20MHz并且包括25MHz、30MHz、35MHz、40MHz、45MHz、50MHz、55MHz、60MHz以及更高频率的高频率记录和显示实时获得的图像数据110。另外，还预期远大于上面提到的那些频率的换能器工作频率。

再参照图1A，系统100还包括系统处理器134。处理器134连接到显示器或监视器116和诸如键盘、鼠标或其它合适设备之类的人机接口136。如果监视器116是触敏型的，则监视器116可以用作人机接口136的输入元件。计算机可读储存媒介138连接到处理器134，用于提供指令给处理器134以指示和/或配置监视器116的操作，从而在监视器116上记录和显示数据110和132。计算机可读媒介138可以包括硬件和/或软件，仅举例，如磁盘、磁带、诸如CD-ROM之类的光可读媒介以及诸如PCMCIA卡之类的半导体存储器等。在所有情况下，媒介138可以采用诸如小磁盘、软盘、磁带之类的便携式产品的形式，或者它可以采用诸如硬盘驱动器、固态存储器卡或连接到处理器134的RAM之类的较大的或固定的产品的形式。应该注意到，上面列举的媒介138的例子可以单独使用或结合使用。

图1B是说明图1A中的超声波成像系统100的框图。系统100对对象114进行操作。超声波探头106可以放在接近对象114的位置以获取图像信息。

超声波系统131包括控制子系统127、扫描转换器129、发射子系统118、接收子系统120和用户输入设备136。处理器134连接到控制子系统127，显示器116连接到处理器134。存储器121连接到处理器134。存储器121可以是任何类型的计算机存储器，并且一般被称为随机存储器“RAM”，高频、高帧率超声波成像系统的软件123在存储器121中执行。

高频、高帧率超声波成像系统可以利用硬件与软件的组合来实现。高频、高帧率超声波成像系统的硬件实现可以包括以下技术中的任何一种或一个组合：分立电子元件、具有用于对数据信号执行逻辑功能的逻辑门的分立逻辑电路、具有合适的逻辑门的专用集成电路、可编程门阵列(PGA)、现场可编程门阵列(FPGA)等，它们都是本领域的公知技术。

高频、高帧率超声波成像系统的软件包括用于实现逻辑功能的可执行指令的顺序清单，它可以被包含在任何计算机可读媒介中供通过或连同，诸如基于计算机的系统、包含处理器的系统或者可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的其它系统之类的，指令执行系统、装置或设备来使用。

在该文件的上下文中，“计算机可读媒介”可以是任何能容纳、存储、通讯、传播或传输程序的装置，其中程序通过或连同指令执行系统、装置或设备来使用。计算机可读媒介可以是，例如，但不限于：电子或磁或光或电磁或红外或半导体系统、装置、设备或者传播媒介。计算机可读媒介的更特定的例子(非穷举)包括下列各项：具有一个或多个线路的电连接机构(电子)、便携式计算机磁盘(磁)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM或闪存)(磁)、光纤(光)和便携式只读光碟存储器(CDROM)(光)。应该注意的是，由于程序能用电子方式捕捉，例如，通过对纸张或另外的媒介进行光扫描，然后被编译、解释或者如果必要可以以合适的方式另外进行处理，然后被存储在计算机存储器中，所以计算机可读媒介甚至可以是纸张或别的可以在上面印刷程序的合适媒介。

存储器121还包括由超声波系统100获取的图像数据。计算机可读存储媒介138连接到处理器，用于提供指令给处理器以指示和/或配置处理器，进而执行与超声波系统131的操作有关的步骤或算法，下面将进一步解释。计算机可读媒介138可以包括硬件和/或软件，仅举例，如磁盘、磁带、诸如CD-ROM之类的光可读媒介以及诸如PCMCIA卡之类的半导体存储器等。在所有情况下，该媒介可以采用诸如小磁盘、软盘、磁带之类的便携式产品的形式，或者它可以采用诸如硬盘驱动器、固态存储器卡或支持系统中提供的RAM之类的较大的或固定的产品的形式。应该注意的是，上面列举的该媒介的例子可以单独使用或结合使用。

超声波系统131包括控制子系统127，以控制超声波系统131中各种元件的操作。控制子系统127和相关的元件可以是用于指示通用处理器的软件或者是硬件实现中的专用电子设备。超声波系统131包括扫描转换器129，转换器用于将由接收的超声波回波生成的电信号转换成可以由处理器134操作、并能被转化成显示器116上的图像的数据。控制子系统127连接到发射子系统118以提供超声波发射信号给超声波探头106。超声波探头106又提供超声波接收信号给接收子系统120。接收子系统120也提供代表接收信号的信号给扫描转换器129。接收子系统120还连接到控制子系统127。扫描转换器32由控制子系统127控制以对接收的数据进行操作进而利用图像数据110再现供显示的图像。

超声波系统131经由超声波探头106发射和接收超声波数据，提供接口给用户以控制成像系统100的工作参数，并处理适于表达表征解剖学和/或生理学的静止和移动图像的数据。图像通过接口显示器116呈现给用户。

超声波系统131的人机接口136获取来自用户的输入，并转化该输入以控制超声波探头106的操作。人机接口136还通过显示器116将经处理的图像和数据呈现给用户。

参照图2，扫描头106的框架140由两个侧板1a和1b组成，它们的近端安装在位置编码器128上，远端安装到枢轴架3上。位置编码器128可以是，例如，一个诸如Renishaw RGB25之类的光编码器。鼻轮20可以以可释放的方式安装到扫描头106的远端。侧板1a和1b提供了一个外壳以允许用扫描头106进行手持扫描和固定扫描。此外，该外壳为电缆142提供了进/出扫描头106的应变减小入口/出口点。外壳可以包括一个射频(RF)屏蔽元件。

参照图3A、3B、4和5，一对球轴承4位于枢轴架3中以定位转子部件5，其允许换能器部件124自由地在枢轴上来回转动通过约20度的角。转子部件5包括连接到轭7的枢轴管6。通过枢轴轴承4的螺钉将它们固定到轭7。部件124的换能器8连接到枢轴管6的远端，它的同轴信号电缆8a延伸穿过枢轴管6，并伸出穿过一个狭槽6a，被固定到电路102的电路板23(见图1A)上。在转子部件5的近端，轻质而高强度的叶片9支撑转子线圈10a和10b、编码器代码轨道12和霍尔传感器磁体13。柔性同轴电缆14从转子部件5通向对着换能器同轴电缆8a的侧。这些电缆都被布置成当换能器部件124在扫描头106内往返振荡时，它们可以自由弯曲而不约束或接触其他结构。塑胶外壳31和31a整体安装。组装时，装配螺母32固定在两个外壳半部31与31a之间。装配螺母32具有螺纹孔，若有必要，可以通过该螺纹孔将扫描头106固定在支撑臂(未示出)上。

再参照图3A、3B和4，鼻轮20充满声耦合流体15。扫描头106的远端通过声窗125密封，声窗包括声透明塑胶膜，这将在下面作进一步详细描述。O形环17在鼻轮20与枢轴架3的鼻状物18之间建立一个密封。橡胶密封横膈膜19位于鼻状物18和枢轴架3之间，形成一个流体紧密密封。另一流体紧密密封建立在该密封横膈膜和枢轴管6之间，这是因为密封横隔膜19中用于枢轴管6的孔比枢轴管6小，从而在装配过程中，当密封横膈膜19被放在枢轴管6上时建立一个紧密密封。在运行过程中，密封横膈膜19弯曲以允许枢轴管6来回振荡，同时保持它们之间的流体密封。为了减小密封横膈膜19的弯曲角度，它大致在枢轴管6的枢轴点处与枢轴管6接触。轭7跨在这个点上以越过密封横膈膜19。一个包括，例如卡接式锁定机构的锁板34位于紧靠鼻轮20的后面的位置。当鼻轮20被放在鼻状物18上时，两个螺钉34a的头部通过锁板34中的孔。在一个方向上约10度的扭动使螺钉34a的柄在锁板34的短曲槽中行进，如所示限制螺杆34a的头部并将鼻轮20锁定在扫描头枢轴架3上。应该注意的是，通过将这一动作简单地颠倒就可以将鼻轮20拆除。注入口35可以用来在最开始将鼻轮20中的空腔15充满声流体以及周期性地访问腔15以消除任何可能出现的泡沫。

再参照图3A、3B和4，换能器部件124固定在枢轴管6的远端，形成一个流体紧密密封。当运动时，换能器8的末端面与声窗125保持一个固定的距离(例如在0.5mm到1mm之间，但并不限于此范围)。同轴电缆8a，用于传送信号给换能器8并传送来自换能器8的信号，沿着枢轴管6的中心向前，在枢轴附近的狭槽6a伸出，从而将同轴电缆8a的运动减到最小。在运行过程中，同轴电缆8a的松弛长度吸收相对运动，该松弛长度位于狭槽6a和同轴电缆8a在近端的终点，即小印刷线路板(PWB)23之间。为此，同轴电缆8a和同轴电缆14被构造成具有长的弯曲寿命。例如，电缆8a和14可以利用小直径(约1mm)的优良导体制造，从而提高柔韧性。PWB23包含用于放大来自换能器8的信号的前置放大器，并充当来自两个霍耳传感器13的信号线、电源线和地线的终端。PWB23还接收通过电缆盖33进入扫描头106的线21、以及编码器电缆25a。

参考图3A、3B和图4，还在图6中用数字10联合示出的转子绕组10a和10b、编码器代码轨道12和霍耳传感器激励磁体13都固定在枢轴管6的近端。中间支撑结构27用夹在如(0.1mm)的薄环氧-玻璃板之间的刚性聚乙烯泡沫塑料组成，形成轻质但刚性的型芯以支撑转子绕组24，尤其是编码器代码轨道12。

参照图3B和图4，支撑铁板2和2a固定在侧板1a和1b的内面。场磁体28和28a分别焊接到支撑铁板2和2a上。场磁体28和28a通过垂直于它们的相对面的变薄(thin)方向被磁化。每个磁体28和28a都有4个磁极；每一面的一半是北极，另一半是南极。转子部件5在两个磁体28和28a之间的缝隙中往返运动。磁体28的南极隔着缝隙与磁体28a的北极相对。磁体28的北极与磁体28a的南极相对。两个相对的磁体28和28a之间有两个极间空隙，它们以相反的方向被极化。转子线圈10的一部分10a被限制在一个极间空隙范围内振荡，另一部分10b在另一个极间空隙内振荡。

参照图5，所示意的是包含转子部件5的扫描头106的分解图。

参照图6，力矩马达130在一个有限角内，即约10-14度，往返转动枢轴上的管或支撑臂6。换能器部件124连接到支撑臂6的一端，位置编码器代码轨道12连接在支撑臂6的另一端。部件124的换能器8被对准使得聚焦的超声波射束朝向沿着枢轴管6的纵轴并且远离枢轴点的方向。壳体和鼻轮20包围力矩马达130、位置编码器128和换能器8使得换能器8位于鼻轮部件20内。鼻轮部件20可以充满水(或别的适于传导超声波的介质)；由于密封件19的存在，力矩马达130和位置编码器128是干燥的。枢轴管6穿过柔性密封件19，从而使枢轴管6能往返运动。声窗125可放在鼻轮20的末端。

用于扫描头106中的位置编码器128可以是，例如一个分辨率为1微米(μm)的光编码器。位置编码器128与一个在这里被称为编码器代码轨道12的网状磁带条一起协同工作。当编码器代码轨道12上的一段标线(reticule)通过一个与位置编码器128相关联的光传感器时，位置编码器128利用该光传感器对标线计数。该传感器可以检测枢轴管6的近端150的两个运行方向，并跟踪枢轴管6的远端152的运行位置，跟踪精度在1微米内。

再参考图6，编码器代码轨道12可以连接到扫描头106的枢轴管6的尾部，与枢轴管6的枢轴点154保持一个已知的径向距离。编码器代码轨道12被装配到具有一个半径的精确曲面，以致编码器代码轨道12处处与枢轴管6所描绘出的弦(chord)相切。当枢轴管6在枢轴上转动时，编码器代码轨道12在位置编码器128中的光传感器之下往返通过。结果是枢轴管6的远端152在以其为半径固定了编码器代码轨道12的半径上的位置的数字化信息。该位置信息可以用来确定位于枢轴管6另一端的、离枢轴点相同的径向距离的换能器8的位置。如果需要，还可以使用所测量的近端150和远端152到枢轴点154的不同距离。位置编码器128和枢轴管6的近端150之间的光耦合可以减少位置编码器128和电路102所产生的电子噪音自换能器8的发射。

换能器8可以是一个具有大于30MHz的频率的高频率单元件聚焦压电超声波换能器，该频率可以在40兆赫兹左右。在电路102(见图1A和图1B)的操作的发射阶段，换能器8接收RF电脉冲104作为输入，并产生超声波声脉冲104作为输出。在接收阶段，执行相反的过程以致换能器8的输入是超声波声脉冲104，脉冲104由换能器8转化为数据110所代表的射频电信号。用于扫描头106中的换能器8可以是一个以这种方式制造的宽带换能器8，即保证与腔15内的声介质具有良好的声匹配。

枢轴管6可以是一个超轻重量的不锈钢管，由轴承部件4以这种方式固定以致它围绕其中点154在枢轴上转动。换能器8与枢轴管6的一端连接，同时编码器代码轨道12与枢轴管6的另一端连接。枢轴管6包含位于轴承部件4和编码器代码轨道12之间的力矩马达130的线圈，因而构成了力矩马达130的一个完整部分。由管形材料制成的枢轴管6还充当换能器同轴电缆8a的管道。

参照图7，枢轴轴承4包含一对球轴承和一个离轴或偏置夹具146，夹具146夹持枢轴管6。偏置夹具146允许枢轴管6的枢轴点始终是电缆8a的路线可到达的，并提供到枢轴管6的机械连接和去连接。轴承4可由精密轴承和精确机加工的元件构成，以保证围绕枢轴点154进行高度可重复的单轴旋转。偏置夹具146一端连接到枢轴管6，另一端用销钉148以可转动的方式固定在枢轴点154。

柔性密封件19安装在枢轴管6的中点和卡入包括锁板34和两个螺钉34a的快速释放部件的鼻轮20的尾部。密封件19可由弹性体膜制成，该弹性体膜被扣紧以在枢轴管6和鼻轮20之间形成流体紧密密封。密封件19将充满流体的鼻轮20与外壳中保持干燥的其余部分隔开。

两个霍耳传感器13被放在扫描头106的外壳中，以便它们检测枢轴管6通过它们各个传感器13的行程。传感器13被这样放置以使它们在力矩马达130的最大安全行程产生一个信号。限位开关13也关于枢轴点154对称放置，以便它们可以用来让系统回到零偏转位置、初始(homed)位置或者正常位置。

鼻轮20中的空腔15可充满流体。鼻轮20提供一个安装结构，声窗125可以连接到此安装结构。鼻轮20的特征是将一个排出/注入螺孔用作注入孔35，通过该注入孔可以向腔15内添加流体或从腔15中移走流体。鼻轮20可以包括一个卡接式快速释放部件，该部件允许鼻轮20被快速拆卸或更换而不需要工具并且同时保证流体紧密密封。

声窗125包括一个由与腔15内的流体声匹配良好的材料制成的薄的隔膜。声窗125被放在这样一个位置以致它在换能器的整个行程范围(例如0.5mm到1mm)内始终保持接近并垂直于换能器8的表面。可以基于已知的整体声特性来最初选择或否决用来形成声窗的材料。可以选择表现出在1.3到1.7兆雷耳(MRayl)范围内，例如1.5兆雷耳的声阻抗的膜。诸如膜的连接方式之类的机械约束影响声阻抗和用作声窗125的总体适当性。可以用来制造声窗的材料包括：厚度从大约0.9μm到4.5μm范围内的聚酯膜；厚度为5μm、10μm、15μm和25μm的聚四氟乙烯(PTFE)；厚度为15μm、25μm和50μm的低密度聚乙烯(LDPE)；厚度为2μm的聚碳酸酯；厚度为4μm的聚丙烯；厚度为60μm的乳胶弹性体和厚度为25μm的硅氧烷弹性体，在多种配置下对材料进行试验，其中配置包括将超声波射束到形成声窗125的膜的入射角从90度变到110度。换能器频率为30-40MHz时，使用这些材料和厚度。当频率增加时可能用更薄的膜。此外，可以改变封装耦合流体以改善与声窗125的隔膜的声匹配。例如，可以用1，2-亚乙基二醇、三甘醇、水、轻石蜡油和各种乙二醇水溶液。作为耦合流体的水和25μm厚的LDPE膜可用作声窗125的隔膜。另外，提供用5μm厚或者15μm厚的PTFE组成的声窗125。此外，还可以提供硅氧烷弹性体作为组成声窗125的隔膜。声窗125在鼻轮20和扫描头106的外部环境之间保持一个流体紧密密封。因此，同高频超声波换能器8一起使用的声窗125是薄的，并可以由具有与腔15内流体的声抗阻十分接近的声阻抗的材料组成。

电子电路102为扫描头106提供一个低噪声RF前置放大器和一个专利高保真度保护电路。该电子电路102保护接收子系统120内的敏感接收装置不受用来驱动换能器8的高能量脉冲104影响。低噪声前置放大器以最小限度的失真来增大换能器8的信号。

再参照图3A、3B和图4，在扫描头106的运行过程中，当通过同轴电缆14将直流(DC)电压信号施加到转子线圈10时，由转子线圈部分10a与转子线圈部分10b中的电流产生的洛伦兹力在相同的方向上起作用，从而使转子部件5围绕枢轴轴承4顺时针旋转或者逆时针旋转，旋转方向取决于所施加电压的极性。当启动扫描头106时，一个直流电压信号被施加到转子线圈10以驱动转子部件5向其运动范围的一端运动。在转子部件5到达行程的该端之前，霍耳传感器13触发两个霍耳传感器磁体26和26a中的一个，每个行程端的一个霍耳传感器磁体固定在侧板1a和1b上。控制子系统127通过将提供给转子的电压极性反向来进行响应，从而驱动转子部件5向相反的方向运动直至另一个霍耳传感器13被触发。这期间位置编码器128始终读取编码器代码轨道12的信息并确定换能器8关于霍耳传感器13所指示的两个行程端冲程的位置。现在控制系统可以驱动换能器8经过任何路径往返运动，利用来自用于位置反馈的位置编码器128的信号将速度分布图用程序写入控制器中。

例如，M模式和多普勒模式是适合于扫描头106的两种操作模式。对于这些模式中的每一种，转子部件5被电驱动到一个固定位置，通常由操作员利用与用于输入命令的人机接口136相关联的操纵柄来进行控制。操作员(未示出)可以观察在时间上固定在显示器116上的一个图像或观察一系列周期性更新的图像，并操纵换能器8所指的方向。换能器8所指方向的电子表示形式144(图1)可以显示在显示器116上的超声波图像之上，并可以用作可见反馈。对于组织的诊断成像，超声波的传播路径应该完全在水中或具有非常接近组织的声阻抗的声阻抗的别的流体中。气隙或位于该路径内的、造成声阻抗不匹配的材料能导致非期望的反射，该反射表现为显示器116上的图像中的赝像。通常在扫描头106与被成像的组织之间应用一种其声学特性与水很相似的耦合凝胶。

此外，力矩马达130连同位置编码器29和编码器代码轨道12一起在一个闭环中运行。它们充当伺服马达，并且受与处理器134相关联的马达控制系统控制以便可以由枢轴轴承4固定在适当位置的枢轴管6以一种受控方式围绕枢轴154往复旋转。换能器8可以固定于枢轴管6的与编码器代码轨道12相对的那一端。枢轴管6移动换能器8，换能器8在充满流体的鼻轮20中来回被扫描。换能器8的位置一直是已知的，精度在1微米内。换能器8发射和接收超声波信息，其中超声波信息通过电路102接收并放大、然后被发送给处理器134。由于该设计的轻质且精确的特性，考虑到在显示器116上生成图像数据110的实时显示图像，此过程可以以15Hz的频率来实现。以15Hz的频率操作换能器8相当于30帧每秒的帧率，因为换能器8两次扫描通过它的运动范围相当于1Hz。另外，可以增加换能器8的振荡频率以增加帧率。此外，根据换能器所发射的超声波能量的频率，超声波系统131提供具有小于30微米的空间分辨率的图像。例如，在大约25兆赫兹的频率，空间分辨率大约为75-100微米。随着换能器频率的增加，空间分辨率也会提高。在40兆赫兹到60兆赫兹范围内的高换能器频率，空间分辨率有可能超过30微米。换能器的高工作频率以及具有约1μm的精度的换能器精确机械定位允许超声波系统131提供具有超过30μm的空间分辨率的实时超声波图像。

再者，扫描头106可以设计成手持使用的或者在工作夹具上使用的。扫描头106还可以在水槽中当作浸入式扫描器来使用，或者可以用凝胶连接到待扫描的组织。在这些场合中，可将声窗125的隔膜除去。

总之，扫描头106是一个电驱动手持成像装置，该装置在一个扇形弧范围内振荡超声波换能器8，同时保持换能器8和被成像对象108之间良好的声耦合。位置编码器128将实时位置信息传递给控制系统处理器134。当换能器8运动时，来自位置编码器128的信号触发发射脉冲104并将这样一个位置传递给系统处理器134，即，在那些脉冲104之间采集的结果数据流110应该在电子图像中在该位置被显示，该电子图像包括显示器116上的可见输出。扫描头106可以以高达和超过15Hz的频率，这相当于30帧每秒的帧率，以一种受控方式在一种流体环境内在大约10毫米的距离上连续往返移动换能器8。扫描头106内的位置编码器128能以1微米的精度实时记录换能器8的位置，并能在扫描区域内的任意位置对换能器8进行定位，定位精度达到1微米。扫描头106包含声窗125，超声波能量可以通过声窗125对准被成像的对象108。声窗125允许以最小限度的衰减和/或反射发射高频超声波。扫描头106可以小巧得足以容易地手持，并且当用15赫兹的机械旋转扫描和定位系统时能实现达1微米的定位精度。声窗125可以与频率超过60兆赫兹的高频超声波能量的发射兼容。扫描头106可以具有小于30微米的图像分辨率，同时扫描平面112(见图1A)的成像区域大约为8毫米*8毫米。

扫描头106使用单个运动部件即枢轴管6和动圈式有限角力矩马达130。力矩马达130用很小的电流提取产生很大的扭力，这是因为非运动场磁体28和28a较大并且由诸如，但不限于，钕铁硼之类的高能量积材料制成，这在转子绕组24上保持很高的B场。使用动圈式马达的另外一个优点是转子质量和转动惯量可以减到最小，这有助于减小功率消耗和振动。对象108内的、被以40兆赫兹或更高频率成像的小结构通常与快速运动联系在一起。因此，这样的设计考虑了30赫兹或者更高的工作速度，相当于60帧每秒。

挠曲密封件19(见图4)将腔15内的流体与位于挠曲密封件19对侧的元件隔离开。可以通过利用一个偏置夹具146将挠曲密封件19放在转子部件5的枢轴点154附近以允许枢轴轴承4跨在可以在其所在位置将挠曲密封件19固定到枢轴管6上的点之上，这有助于将挠曲密封件19上的应力减至最小。借助挠曲密封件19中的孔与枢轴管6之间的简单摩擦配合可以实现挠曲密封件19的固定。挠曲密封件19可由具有高疲劳寿命的聚氨酯弹性体制成。

枢轴管6的浸入声流体中的部分和可以全部浸入声流体中的换能器8均可被设计成悬浮的。运动时，悬浮有助于消除振动，该振动在其它情况下可能是由换能器8和枢轴管6的运动造成的结果。事实上，在本发明的另一个实施例中，在枢轴点154任何一侧的整个振荡机构可以被这样调节成悬浮的，并完全浸入声流体中工作。这样实际上能有助于消除所有在其它情况下可能会被发射给操作员和对象108的振动。

此外，鼻轮20可以由操作员容易地拆除和更换。鼻轮20的简化拆除和更换使得更换被损坏的声窗125或者被污染的声流体变得容易。注入孔可以被安装在鼻轮20的侧面上以在最初安装鼻轮20时将腔15内注满声流体以及当由于经常使用着而形成气泡时借助附加流体排出所有气泡。可以用一个简单的卡接式扭锁将鼻轮20固定到扫描头106的机体上。如果镜鼻20是无菌的，如对某些用途可能会出现的情形，它可以是一次性的。这样一个可更换鼻轮20的一个整体部件可以是一个由薄塑料制成的、被热封或用其它方式连接到鼻轮20的机体上的一个无菌帘或护套，它可以是注射成型的塑料零件。如果需要，在拆除声窗125的情况下也可以操作扫描头106。

参照图8，如果需要，扫描头106可被设计以便臂6同一个合适的挠曲密封件19一起进行往复运动。如果需要，挠曲密封件19可设计成折叠式的。

扫描头106的另一个实施例在图9和图10中示出。利用参考数字206表示的扫描头的这个实施例具有许多在功能上与前一个实施例中元件相似的元件，这可从以前的描述中得以理解。扫描头206包含一个能支撑扫描头206的所有元件的底座215。一个电路板224被结合到扫描头206中。底座215支撑一个应变释放夹具基座225a、一个应变释放夹具225b和一个应变释放226a，它们用于在底座215的近端安全夹住电缆部件226b。电缆部件226b连接到电路板224上的电连接器229a和229b。电路板224包含一个马达控制单元和位置监视电路，并在换能器和超声波系统131(见图1B)的处理单元之间传递射频信号。

底座215支撑枢轴架208，枢轴架208又支撑轭212，轭212与底座215远端的电枢240(图11)连接在一起。电枢240将在下面参照图11作进一步详述。

卡接式锁盘205a与安装在枢轴架208上的鼻形物205上的工作夹具接口。锁盘205a连接到一个可拆除的鼻轮201a上。鼻轮201a具有一个包括安装到它的一端的隔膜201b的声窗。鼻轮201a围绕耦合流体腔201c。包括鼻轮201a和锁盘205a的部件通过卡接式锁定系统安装到扫描头206上。

耦合流体腔201c围绕连接到支撑臂203的换能器202a。换能器202a与同轴电缆202b相连接，同轴电缆202b的另一端连接到电路板224。鼻轮201a包括一个注入孔以将耦合流体腔201c充满耦合流体。注入孔用注入孔螺钉204密封。模制橡胶密封圈207被安装到支撑臂203上并被布置在流体腔201c和枢轴架208之间。

包含一个轴承预装螺钉209、精确径向球轴承208a和一个固定螺钉210a的轴承部件将电枢部件240固定于枢轴架208上，同时具有小的径向牵引且事实上没有径向或轴向余隙。轭212跨在支撑臂203上，并用转子粘结销钉214固定于转子218上。

图12所示为扫描头206的一个局部组件250，包括一个后护铁216a、一对后护铁柱227a和227b、和后场磁体217a。电磁线圈218b围绕转子218缠绕以形成力矩马达的电枢。光编码器代码轨道219固定到转子218的一端使得它在所有点都与力矩马达的运动相切。光编码器读取头220固定于如图12所示的编码器调节滑块223a上。编码器调节滑块223a被装配到底座215上以便它可以滑动从而允许相对于编码器代码轨道219调节光读取头220，编码器代码轨道219固定于电枢240上。运动是精确的并且是受控制的，当编码器读取头220处于最佳位置以致在编码器读取头220得到最大信号强度时，用读取头锁定螺钉223c使读取头调节滑块223a被锁在适当位置。因为光编码器是聚焦的，所以它可以被放在距反射式编码器代码轨道219一个已知距离的位置。这个距离应与最大编码器信号相符。连接到读取头调节螺钉223b的螺旋弹簧223d有助于防止松动。与编码器代码轨道219结合的光读取头220允许以1微米的精度记录电枢240的位置。在电路板224上安装一对光限位开关221a，用于确定电枢240相对底座215的绝对位置并防止电枢240的过冲。固定到转子218上的反射表面221b反射来自光限位开关221a的信号。

如图9和图10所示，底座215包含一个快速释放硬安装架插座222a。该机械装置是快速释放部件的一部分，下面将参照图13和图14对之作更详细的描述。

包括壳体顶部233、壳体底部234和壳体垫圈228的壳体提供一个围绕扫描头206的内部元件的流体紧密密封。壳体顶部233和壳体底部234以及壳体垫圈228都涂上一层导电性涂料251以改善射频屏蔽性能。

参照图11，更详细地显示了电枢240、支撑臂203、换能器202a和模制密封圈207。电枢240可由精密机加工的元件构造，这与上面所述的实施例中使用的复合结构相比促进了可制造性、降低了成本并提高了性能。支撑臂203可拆除，并可以通过支撑臂托架213和两个肩螺栓231a和231b来安装，两个肩螺栓固定入轭212和转子218中的精密孔中。因此将认识到，可以更换被损坏的换能器202a和/或模制密封圈207，而不必更换整个电枢240。

编码器代码轨道219由弹簧钢基底制成。编码器代码轨道219可以用一种防止它预弯曲的方法来安装。预弯曲可能损坏编码器代码轨道219。两个编码器代码轨道保持架230a在编码器代码轨道219的两端夹持它，强迫弹簧钢产生转子218的恰切曲率。编码器轨道保持架230a用螺钉230b固定在适当位置。替换地，可以用一根轻绳系住螺钉230b，并用例如胶水将绳子粘在编码器代码轨道219的端部。

这个实施例中的扫描头206提供大于22度并包括22度的扫描角。扫描角指由霍耳传感器13、两个霍耳传感器磁体26和26a以及限位开关221a限定的换能器202a的运动范围。除了由可拆除的支撑臂203引起的增加的扫描角之外，还可以在制造过程中或制造之后，比如在野外使用过程中，改变支撑臂203的长度以适应不同的成像需求。支撑臂203的长度可以是这样一个长度，即使得换能器202a距离枢轴点154比编码器代码轨道219(见图9)远约20％。该设置提供在换能器202a处测得的、15毫米以上的扫描宽度。

在这个实施例中，扫描头206装配在刚性底座215上。扫描头206被这样装配以在底座215上完成功能性，使得壳体233和234不在合适位置时也可以进行测试。因此底座215的这一设计允许检验线路布置和应变释放、进行电检查、调整光编码器读取头220和对限位开关221a进行功能验证。

参照图13和图14，更详细地显示了快速释放硬安装架。快速释放机构用一个装有弹簧的卡口锁来快速安装或拆除扫描头206。快速释放硬安装架插头222b包括位于离快速释放硬安装架插座222a最近的端的定位销222c。硬安装架插头222b包括一个邻近定位销222c的快速释放上零件222d和一个邻近定位销222c的螺旋弹簧222f。定位销222c使扫描头106能被安装并能以精确的90度角增量被重新安装。如图14所示，护圈222e靠在被安装到硬安装架插座222a上时的硬安装架插头222b上。

参考图15，更详细地显示了鼻形物205。鼻形物205包含垫圈毂206b，当垫圈毂206b将模制密封圈207(图11)夹在鼻形物205和枢轴架208之间时，垫圈毂206b防止对模制密封圈207造成损坏。密封圈207可以由软且有柔韧性的弹性体制成。模制形状提供一个中心平衡位置，并消除操作过程中密封圈207的拉伸模式变形。通过比较，扁平密封圈在操作过程中同时承受弯曲和拉伸两种变形，因而在马达上产生两种截然不同的载荷，很难进行补偿。模制密封圈207可被设计成与汽车变速杆上的排档套相似。它仅承受弯曲变形，这在马达上产生更小、更一致的载荷。

扫描头206包括一个集成电路板224，它集成了马达控制功能、位置监视功能、以及发射和接收RF信号的功能。另外，电路板224包含光限位开关221a。电路板224可以预制和测试。电路板224允许通过将连接点放在接近枢轴点上方的位置来使换能器同轴电缆202b和马达线232的布置路线在马达上具有最小限度的拖曳量。

壳体233和234可以是无负载轴承，并可以纯粹是扫描头206的一个保护部分。它用来防水和使扫描头206的内部元件免受污染。可以用螺钉将壳体233和234固定在底座215上。替换地，也可以选择将壳体的两个半部233和234胶合或用其它方式粘结在一起以使扫描头206抗损害且耐水。

鼻轮201a可以包括一次性声窗。参照图17A、17B、18、19A、19B和20-23，示出了鼻轮320和声窗330的结构。声窗330与上面所描述的声窗125相似。鼻轮320包括一个用于接收流体的注入孔322。鼻轮320具有位于接近被安装时的声窗330的端的肩324。凹槽326和凸缘328位于邻近肩324的位置，与声窗330形成扣紧配合。

图17B示出了附上一个可选护套340的鼻轮320。护套340安装在声窗330上以保护鼻轮320和扫描头206不受流体或生物材料的污染。

如图21所示，声窗330包括一个槽332，槽332具有与鼻轮320中的凸缘328互补的形状。

声窗330可以被设计以克服在多种苛刻环境中封装高频高分辨率超声波探头所面临的特定困难。声窗330提供一种用于在不过度损害声性能的情况下保护换能器和允许在无菌环境中成像的便宜装置。声窗330可由包括流体紧密密封机械快速连接结构的模制塑料框架构成。声窗330可以是模制的一次性元件，它“扣”在永久机加工鼻轮上，形成探头的充满流体的封装前端(nose)。将声窗连接到鼻轮或从鼻轮拆除声窗都不需要工具。例如，声窗的形状允许用一个简单的旋转运动连接到换能器的鼻轮。依据要覆盖的鼻轮，声窗可以是任意形状。透声材料的薄膜组成可以安装在框架350的前面的隔膜352。框架350和隔膜352构成声窗330。

选择用来形成声窗的隔膜的材料特性和厚度以适合于待密封的特定探头的特性。透声材料，例如通过引用的方式被全部纳入的美国专利NO.5,479,927、NO.5,983,123和NO.6,574,499中所公开的那些材料，可以用来制造声窗330的隔膜352。在一个方面，透声材料可以是聚酯、聚碳酸酯、丙烯酸、热塑弹性体或者硅氧烷弹性体。透声材料的例子包括，但不限于，

离子交联聚合物，例如可从美国特拉华州Wilmington的E.I.Du Pont de Nemours and Company获得的

8940和

聚甲基戊烯，例如可从日本东京的Mitsui & Co.获得的

MX-002、95和MX-004；

诸如低密度聚乙烯之类的聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯和各种聚氨基甲酸酯膜。在一个实施例中，透声材料可以被挤压成一定的厚度并被热焊接到声窗330的框架350上以形成一个流体紧密密封。隔膜352的厚度将根据所选的透声材料而不同。一方面，隔膜352具有小于或等于25微米的厚度。在另外一个实施例中，隔膜352的厚度可以从1微米到25微米的范围内变化。用于将隔膜352封接到框架350的工艺根据所选择的透声材料而变化。将隔膜352封接到框架350的方法例子包括，但不限于，粘合剂、焊接方法(例如，射频，超声波和热)和机械密封。

参照图20和图21，扣紧结构包括框架350上的沟槽332。声窗330将要被安装到其上的鼻轮320包括凸缘328。凸缘328相对于框架330上的沟槽332可以稍微过大(oversized negative)。声窗330可以被压到鼻轮320上，这样当完全处于适当位置时，由于在凸缘328和沟槽332之间形成密封的缘故因而获得一个可靠的配合。由于沟槽332和凸缘328的压型配合的存在，该配合也是流体密封的。将声窗330安装到鼻轮320之前，鼻轮可以部分充满耦合流体。耦合流体的例子包括，但不限于，水、1，2-亚乙基二醇、三甘醇、轻石蜡油和各种乙二醇水溶液。装配声窗330之后，可以除去气泡，并可以经由位于鼻轮320一侧的注入孔322将鼻轮/声窗部件完全注满耦合流体。

对于需要将探头与外界完全隔离的环境而言，屏蔽型声窗330包括由聚乙烯膜构成的热密封护套340，护套340可以被设计逆着电缆的方向、向后安装在探头上。护套可以被形成作为一次性声窗330的一部分，以便当想要消毒时整个窗口和护套可以被拆卸和丢弃。

在一个替换实施例中，高频、高帧率超声波成像系统可以用来对注射器、导液管或插入对象的其它入侵元件成像。图24是说明显示器116上的图像360的屏幕抓图。该图像包括胚胎368。胚胎368包括头366和子宫362。当针364进入胚胎368的子宫362时，超声波系统131可以用来观察和引导针364。

图25是用图解说明高频、高帧率超声波成像系统的一个方面的操作的流程图400。该流程图中的块可以按照示出的顺序执行、不按照示出的顺序执行或者并行执行。在块402，换能器8以至少20MHz的频率产生超声波能量。

在块404，超声波能量由发射子系统118发射到对象114(图1)中。在块406，接收子系统120接收返回的超声波回波脉冲104，并将接收的超声波传递给控制子系统127供处理器134和扫描转换器129处理。

在块408，接收的超声波在软件123的控制下由处理器134和扫描转换器129处理，以在显示器116上生成图像。该图像具有至少15帧每秒(fps)的帧率。

尽管参照某些特定实施例描述了该高频、高帧率超声波成像系统，但该系统的各种不同改型对本领域的技术人员来说将是显然的，并不脱离附加在这里的权利要求所概述的高频、高帧率超声波成像系统的范围。

Claims (74)

1.一种产生超声波图像的系统，包括：

扫描头，具有用于以至少20兆赫兹的频率产生超声波的单元件超声波换能器，其中所述换能器被密封在一个部分由声透隔膜限定的封闭腔体内，以及其中所述声透隔膜被定位为所产生的超声波的至少一部分在被发射到对象中之前穿过所述隔膜；

用于以至少7.5赫兹的频率沿扇形弧路径往返振荡所述换能器的力矩马达，其中所述换能器被配置为发射超声波能量穿过所述声透隔膜进入所述对象并且接收来自所述对象穿过所述声透隔膜的超声波回波；

位置编码器，用于确定所述换能器沿扇形弧路径的位置；和

处理器，用于处理接收到的超声波以提供具有至少15帧每秒的帧率的图像，以及其中所述处理器被配置为生成具有高于30微米的空间分辨率的所述超声波图像。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换能器被配置绕一枢轴振荡，其中所述枢轴与所述换能器隔开一预定距离，以便所述换能器沿扇形弧路径移动。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述封闭腔体填充流体。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述声透隔膜密封安装到一框架构件上，其中所述框架构件被安装到所述扫描头的鼻轮上。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述声透隔膜包括聚乙烯。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述聚乙烯是低密度聚乙烯。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述换能器沿扇形弧路径振荡期间，所述换能器的一部分被配置为接触所述隔膜的内表面的一部分。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换能器被配置为沿扇形弧路径在一段10毫米的距离上振荡。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换能器被配置为沿扇形弧路径在一个20度的角度范围内振荡。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换能器被配置为以至少15赫兹的频率沿扇形弧路径振荡，其中所述处理器被配置提供具有至少30帧每秒的帧率的图像。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换能器被配置为以至少30赫兹的频率沿扇形弧路径振荡，其中所述处理器被配置提供具有至少60帧每秒的帧率的图像。

12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述位置编码器包括一个光编码器。

13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，配置所述位置编码器以与实际换能器位置的误差不超过1.0微米的精度精确跟踪所述换能器沿扇形弧路径的位置。

14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理器被配置以产生空间分辨率在75-100微米之间的超声波图像。

15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括用于将所述换能器定位在相对于沿扇形弧路径的预定位置不超过1微米的范围内的装置。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述处理器被进一步配置提供多普勒图像。

17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述处理器被进一步配置提供M模式图像。

18.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述力矩马达是一个动圈式有限角力矩马达。

19.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述力矩马达被配置为以至少15赫兹的频率沿扇形弧路径振荡所述换能器。

20.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述力矩马达被配置为以至少30赫兹的频率沿扇形弧路径振荡所述换能器。

21.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扫描头还包括枢轴架和枢轴地安装在所述枢轴架上的转子部件，其中所述转子部件包括具有远端的枢轴管。

22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述换能器安装到所述枢轴管的远端，其中所述枢轴管的至少一部分和所述换能器位于填充流体的所述封闭腔体内。

23.根据权利要求22所述的系统，其特征在于，还包括密封隔膜，其中所述密封隔膜接触所述枢轴管的一部分，并接触所述枢轴架的一部分，以限定所述封闭腔体，其中所述密封隔膜限定所述封闭腔体的一部分。

24.根据权利要求23所述的系统，其特征在于，所述密封隔膜在所述枢轴管的枢轴处接触所述枢轴管。

25.根据权利要求23所述的系统，其特征在于，所述密封隔膜被配置成减少所述枢轴管在所述封闭腔体内振荡时所述密封隔膜的拉伸变形。

26.根据权利要求25所述的系统，其特征在于，所述密封隔膜由有柔韧性的弹性体构成。

27.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括可密封安装于所述框架构件上的护套构件。

28.根据权利要求27所述的系统，其特征在于，所述护套构件覆盖所述扫描头的一部分。

29.根据权利要求27所述的系统，其特征在于，所述护套构件保护所述鼻轮和扫描头不受流体或生物材料的污染。

30.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换能器被配置以介于25兆赫兹和60兆赫兹之间的频率产生超声波。

31.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述换能器被配置以至少25兆赫兹的频率产生超声波。

32.一种产生超声波图像的系统，包括：

枢轴管，被配置绕一枢轴转动；

单元件超声波换能器，用于以至少20兆赫兹的频率产生超声波，将所产生的超声波发射到对象中，并接收来自所述对象的超声波能量，其中所述换能器安装在所述枢轴管的远端；

用于在枢轴上方振荡所述换能器以便所述换能器以至少7.5赫兹的频率沿扇形弧路径往返移动的装置；和

处理器，用于处理接收到的超声波以提供具有至少15帧每秒的帧率的图像。

33.一种产生超声波图像的系统，包括：

具有枢轴管的转子部件，所述枢轴管的远端被配置连接一换能器部件，所述换能器部件包括单元件超声波换能器，该单元件超声波换能器被配置以至少20兆赫兹的频率产生超声波，将所产生的超声波发射到对象中，并接收来自所述对象的超声波能量；

用于振荡转子部件使得枢轴管的远端被配置为以至少7.5赫兹的频率沿扇形弧路径往返振荡的装置；和

处理器，被配置处理接收到的超声波以提供具有至少15帧每秒的帧率的图像。

34.一种扫描头，包括：

换能器部件，包括用于以至少20兆赫兹的频率产生超声波的单元件换能器，所述换能器具有末端面；

具有远端的枢轴架；

转子部件，包括具有远端的枢轴管，所述换能器部件安装到所述枢轴管的远端；

用于将所述转子部件安装到所述枢轴架上的装置；

用于在一个操作平面内振荡所述转子部件以便以至少7.5赫兹的频率沿扇形弧路径往返移动所述换能器的装置；

鼻轮，包括近端、限定一个窗开口的远端和安装到窗开口中以密封鼻轮的远端的声窗，所述鼻轮还限定一个内腔，所述鼻轮的近端可安装到所述枢轴架的远端以限定一个封闭腔体，其中所述枢轴管的一部分和所述换能器位于所述封闭腔体内，其中所述封闭腔体填充流体。

35.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，所述换能器被定位以便在一枢轴上方振荡，其中所述枢轴与所述换能器隔开一预定距离，以便所述换能器沿扇形弧路径移动。

36.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，所述声窗具有沿窗轴延伸的伸长尺寸，其中使用时，所述声窗的窗轴位于所述操作平面内。

37.根据权利要求36所述的扫描头，其特征在于，所述窗轴具有弓形剖面形状，使得当所述转子部件振荡时，所述换能器接近于所述声窗内表面的一部分在枢轴上转动。

38.根据权利要求36所述的扫描头，其特征在于，所述换能器的末端面离所述声窗的内表面0.5至1毫米。

39.根据权利要求36所述的扫描头，其特征在于，在所述换能器沿扇形弧路径振荡期间，所述换能器的末端面接触所述声窗内表面。

40.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，所述枢轴架具有一枢轴，转子部件绕该枢轴旋转，其中所述枢轴架具有将所述声窗的窗轴和所述枢轴架的枢轴平分的操作轴，其中用于振荡所述转子部件的装置将所述换能器相对于所述操作轴移过一个锐角。

41.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，所述换能器被配置为沿扇形弧路径在一段10毫米的距离上振荡。

42.根据权利要求40所述的扫描头，其特征在于，所述锐角为20度。

43.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，还包括一个密封隔膜，其中所述密封隔膜接触所述枢轴管的一部分，并接触所述枢轴架的一部分，以限定所述封闭腔体，其中所述密封隔膜限定所述封闭腔体的一部分。

44.根据权利要求43所述的扫描头，其特征在于，所述密封隔膜在所述枢轴管的枢轴处接触所述枢轴管。

45.根据权利要求43所述的扫描头，其特征在于，所述密封隔膜被配置成减少所述枢轴管在所述封闭腔体内振荡时所述密封隔膜的拉伸变形。

46.根据权利要求45所述的扫描头，其特征在于，所述密封隔膜由具有柔韧性的弹性体构成。

47.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，所述流体的阻抗基本上与组织的阻抗相同。

48.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，所述流体是乙二醇。

49.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，所述流体是水。

50.根据权利要求34或47所述的扫描头，其特征在于，所述流体从以下各项中选择：水、1，2-亚乙基二醇、三甘醇和轻石蜡油。

51.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，所述声窗的声阻抗基本上和所述流体的声阻抗相同。

52.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，所述声窗的阻抗是在1.3至1.7兆雷耳的范围中。

53.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，所述声窗由选自以下各项的材料构成：聚脂、聚碳酸酯、丙烯酸、热塑弹性体、硅氧烷弹性体、乳胶弹性体、Surlyn

离子交联聚合物、聚甲基戊烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯和聚氨基甲酸酯膜。

54.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，所述声窗包括选自以下各项的材料：Surlyn

8940、Kapton

TPX

MX-002、TPX

95、MX-004；Teflon

Mylar

55.根据权利要求53所述的扫描头，其特征在于，所述聚乙烯包括低密度聚乙烯。

56.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，所述声窗包括框架部分和隔膜部分，其中所述隔膜部分位于所述框架部分内。

57.根据权利要求56所述的扫描头，其特征在于，所述隔膜部分包括聚乙烯。

58.根据权利要求57所述的扫描头，其特征在于，所述聚乙烯是低密度聚乙烯。

59.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，所述声窗的厚度在0.9微米到60.0微米之间。

60.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，所述换能器是宽带换能器。

61.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，所述换能器被配置以介于25兆赫兹和60兆赫兹之间的频率产生超声波。

62.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，所述换能器被配置以至少25兆赫兹的频率产生超声波。

63.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，用于振荡所述转子部件的装置被配置为以至少15赫兹的频率沿扇形弧路径移动所述换能器。

64.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，用于振荡所述转子部件的装置被配置为以至少30赫兹的频率沿扇形弧路径移动所述换能器。

65.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，用于移动所述换能器的装置包括力矩马达。

66.根据权利要求65所述的扫描头，其特征在于，所述力矩马达是动圈式有限角力矩马达。

67.根据权利要求65所述的扫描头，其特征在于，所述力矩马达被配置以至少15赫兹的频率沿扇形弧路径移动所述换能器。

68.根据权利要求65所述的扫描头，其特征在于，所述力矩马达被配置以至少30赫兹的频率沿扇形弧路径移动所述换能器。

69.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，所述转子部件还包括用于确定所述换能器沿其预定路径的位置的位置编码器。

70.根据权利要求69所述的扫描头，其特征在于，所述位置编码器被配置以不超过1.0微米的精度确定所述换能器的位置。

71.根据权利要求34所述的扫描头，其特征在于，还包括用于将所述换能器定位在相对于沿扇形弧路径的预定位置不超过1微米的范围内的装置。

72.根据权利要求56所述的扫描头，其特征在于，还包括护套构件，其中护套构件可密封安装于所述声窗的框架构件上。

73.根据权利要求72所述的扫描头，其特征在于，所述护套构件覆盖所述扫描头的一部分。

74.根据权利要求72所述的扫描头，其特征在于，所述护套构件保护所述鼻轮和扫描头不受流体或生物材料的污染。

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