CN101416070B - 具有可变面片边界的线性阵列超声换能器 - Google Patents

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Abstract

超声诊断成像系统具有布置成由多个换能器元件组成的多个面片上的二维阵列。将由各换能器元件组成的每个面片耦合至一组微型波束形成器延迟线，所述延迟线具有可耦合至系统波束形成器的选定通道的输出，所述系统波束形成器将每个面片的各部分求和波束形成波束以形成最终的波束形成信号。将延迟信号从换能器元件指向选定波束形成器通道的能力能够使各面片边界将在所述孔径在整个阵列上平移时发生改变。

Description

具有可变面片边界的线性阵列超声换能器
本发明涉及医学诊断超声系统，具体而言涉及用可变阵列面片(patch)边界进行线性阵列扫描的二维阵列超声换能器。
超声阵列换能器使用波束形成器来接收并适当延迟从换能器阵列的各元件所接收的超声回波信号。在考虑将要由波束形成器所形成的波束的方向(转向)和聚焦的情况下选择所述延迟。在已经通过波束形成器的通道对来自每个元件的信号进行适当延迟之后，将延迟信号进行合并以形成经适当转向和聚焦的相干回波信号的波束。延迟的选择被认为可根据阵列各元件的几何形状和各波束所询查的图像场的几何形状进行确定。在常规超声系统中，阵列换能器位于探头内，该探头在成像期间抵靠在患者身体上，并含有一些电子组件，例如调谐元件、开关和放大设备。由通过导线与探头连接的包含在超声系统主机内的波束形成器来执行延迟操作和信号合并操作。
用于阵列换能器和波束形成器的前述系统体系结构完全满足一维(1D)换能器阵列，其中换能器元件的数量和波束形成器通道的数量近似相等。当换能器元件的数量超过波束形成器通道的数量时，一般采用多路复用技术并可在任意时间点上仅将换能器总元件数量中的子集连接到波束形成器。1D阵列中的元件数量可从小于一百到几百的范围内变动，而典型的波束形成器具有128个波束形成器通道。该系统体系结构的解决方案随着用于三维(3D)成像的二维(2D)阵列换能器的出现而变得无法适应。这是因为2D阵列换能器在整个体积区域上以方位角和仰角对各波束进行转向和聚焦。这种波束形成所需的换能器元件数量通常在数千个。该问题的症结然后变成将探头与波束形成器所处系统主机相连接的导线。由数千个即使是最细导电丝的导体所构成的导线变得笨重而难以使用，即使可能的话也会使探头的操作不方便。
该问题的解决方法是在探头自身内部至少进行一些波束形成，如美国专利5,229,993(Larson，III)中所述。在该专利所示的超声系统中，波束形成操作被划分在探头和系统主机之间。在探头内进行各组元件的初始波束形成操作，其中产生部分波束形成和。在数量上小于换能器元件数量的这些部分波束形成和通过合理尺寸的导线耦合到系统主机，在此完成波束形成过程并产生最终的波束。由Larson，III称之为组内处理器，或以连附于阵列换能器的微电子电路的形式构建的微型波束形成器来完成探头内的部分波束形成。同样参见美国专利5,997,479(Savord等人)；美国专利6,013,032(Savord)；美国专利6,126,602(Savord等人)；和美国专利6,375,617(Fraser)。在微小尺寸的微型电路和阵列面片上可实现2D换能器阵列和微型波束形成器之间的上千种连接，同时通过更多的常规导线技术可实现微型波束形成器与系统主机的波束形成器之间的各种导线连接。各种平坦和曲面阵列形式可与诸如美国专利申请60/706,190(Kunkel)和60/706,208(Davidsen)中所示的曲面阵列的微型波束形成器一同使用。
上述各专利中所示的各种微型波束形成器通过从被称为“面片”的毗邻元件组中形成各部分延迟和信号进行操作。将面片的所有元件所接收的各信号进行适当、单独地延迟，然后合并成部分和信号。面片法的分支是孔径设计要以各阵列面片的数量、大小和形状为基础。这对2D相控阵列换能器效果很好，其中在回波接收期间使用整个阵列孔径。但是对于线性阵列操作(其中将有效阵列空间平移通过2D阵列)而言，面片的大小和尺寸可对孔径平移产生约束。有效孔径的步进通常要求以面片大小的增量进行，例如，如前面提到的美国专利6,013,02(Savord)中所示。因此理想的是2D阵列将可以小于整个面片大小的增量进行孔径平移。进一步理想的是能够为线性阵列或相控阵列的操作而操作相同的微型波束形成器。
根据本发明的各项原理，操作二维阵列和微型波束形成器以对体积区域进行线性阵列扫描。将有效阵列孔径以小于元件面片尺寸的增量在整个阵列上进行步进，所述增量可以与单个换能器元件一样小。通过使用不会在同一时间同一导体上使各信号发生冲突的面片和孔径配置，可将来自不止一个面片的各部分和信号经同一导体耦合至到系统主机上。这样，即使对于各非镜像(不对称)孔径而言，面片的数量可超过导线导体和主机波束形成器通道的数量。另外，各面片边界是可变的，从而能够使每个部分和信号保持相等数量的信号分量。本发明的实施例可将具有很大数量元件的阵列与常规大小的主机波束形成器一同使用。本发明的实施例可配置成用于线性或相控阵列模式的操作。
在附图中：
图1以方块图的形式示出了本发明2D曲面阵列换能器和微型波束形成器探头；
图2是示出了部分波束和微型波束形成器的概念的方块图；
图3是根据本发明原理构造的2D阵列换能器和微型波束形成器的一个示例的方块图；
图4、5和6示出了微型波束形成器延迟线的各详细示例；
图7是根据本发明原理构造的2D阵列换能器和微型波束形成器的第二示例；
图8是根据本发明原理构造的2D阵列换能器和微型波束形成器的第三示例；
图9、12、13和14示出了本发明的另一示例，其中随意制作面片的边界；
图10和11示出了适于用在图9、12、13和14各示例中的各开关配置。
首先参照图1，以方块图的形式示出了根据本发明原理构造的超声系统。探头10具有二维阵列换能器12，其在如前述Davidsen专利申请中所示的仰角方向中为曲面。将该阵列的各元件与位于换能器阵列后面的探头内的微型波束形成器14相耦合。微型波束形成器向阵列的各元件施加定时的发射脉冲，以便在期望方向上并朝该阵列前方的三维图像场内的期望焦点发射波束。来自所发射的各波束的回波由阵列各元件进行接收，并将其耦合至微型波束形成器14的各通道中，在此将它们单独延迟。将来自毗邻面片的各换能器元件的延迟信号进行合并以形成该面片的部分和信号。在下面各示例中，通过将来自面片各元件的延迟信号耦合至共同总线、而无需求和电路或其它复杂电路来完成所述合并操作。将每个面片的总线耦合至导线16的导体，其将各部分和面片信号传导给系统主机。在系统主机中，将各部分和信号数字化并耦合至系统波束形成器22的各通道，该系统波束形成器22将每个部分和信号进行适当的延迟。然后将经延迟的各部分和信号进行合并以形成相干的经转向并聚焦的接收波束。来自3D图像场的各波束信号由信号和图像处理器24进行处理以产生用于在图像显示器30上显示的2D或3D图像。在耦合至系统各个模块的控制器26的控制下完成对超声系统各参数的控制，例如探头选择、波束转向和聚焦、以及信号和图像处理。在探头10的情形中，从系统主机经导线16的各数据线提供一些这样的控制信息。用户借助于控制面板20来控制这些操作参数。
图2示出了部分求和微型波束形成器的概念。通过虚线32和34将附图2分割成三个区域。线32的左侧示出了探头10的组件，线34的右侧示出了系统主机的组件，而两条线之间示出了导线16。将探头的二维阵列12分成由毗邻换能器元件组成的各面片。在附图中示出了阵列12的五个面片，每个面片包括九个相邻的元件。在附图中示出了面片12a、12c和12e的各微型波束形成器通道。面片12a的九个元件耦合至用DL1指示的微型波束形成器的九条延迟线。类似地，面片12c和12e的九个元件耦合至用DL2和DL3指示的延迟线。由这些延迟线带来的各种延迟是众多变量的函数，这些函数例如阵列的大小、元件面片、面片的间隔和尺寸、波束转向的范围以及其它。延迟线组DL1、DL2和DL3的每一个将来自其各自面片的各元件的信号对于该面片而言延迟共同的参考时间。然后，通过各自的求和器∑，对来自每组延迟线的九个延迟信号进行合并，以形成来自由各元件组成面片的阵列部分和信号。将每个部分和信号放置在分离的总线15a、15b和15c上，它们中的每一条耦合至导线16的导体，该导体将各部分和信号传导给系统主机。在系统主机中，将每个部分和信号施加给系统波束形成器22的延迟线22a、22b、22c。这些延迟线在系统波束形成器的求和器22s的输出处将各部分和信号会聚到共同的波束中。然后使完全形成的波束前向发送给信号和图像处理器，用于进一步的处理和显示。虽然图2示出了具有9元件面片的示例，但是应当领会到的是，构造的微型波束形成器系统将通常具有更大数量元件的面片，例如12、20、48或70个元件或者更多。面片的各元件可以彼此前后紧接、间隔开、或者甚至以棋盘的模式进行混合，将“奇”数编号的元件合并到一个面片中，并将“偶”数编号的元件合并到另一面片中。这些面片可以是正方形、矩形、菱形、六边形或任意其它期望形状。
图3示出了本发明的二维阵列换能器和微型波束形成器的另一示例。该幅附图示出了二维阵列换能器12的三行R1、R2和R3。在该示例中，元件面片由四个元件组成：元件e1-e4形成一个面片，元件e5-e8形成另一个面片，元件e9-e12形成又一个面片等等。每个面片的各元件耦合至一组微型波束形成器延迟线的各延迟线。例如，元件e1-e4耦合至延迟线组DL1的四条延迟线，元件e5-e8耦合至延迟线组DL2的各延迟线等等。将来自延迟线组的各延迟信号合并到输出总线上，该总线将各延迟线输出连接在一起。例如，DL1组的四条延迟线输出都系于总线b1上，DL2组的四条延迟线输出耦合至总线b2等等。每条总线耦合至导线16的单个导体。总线b1耦合至导线的导体16a，而总线b2耦合至导线导体16b等等。每条导线导体通向系统主机波束形成器的通道。
在发射期间，启动阵列中的一组元件以在期望方向上发射期望波束。选为发射的组通常对近场聚焦波束而言是小的，而对于远场波束而言可以与整个阵列一样大。为发射波束所启动的各元件(称之为发射孔径)可占用阵列上任何形状或模式的元件。在逐渐加深的聚焦区域内进行聚焦的区域聚焦方案例如可为每个加深的区域使用逐渐增大的发射孔径。发射波束可(垂直于阵列的表面)进行直前转向，或者与阵列表面以一定角度进行转向。在Davidsen专利申请所示的探头中，各波束在阵列内部和在阵列外围附近以朝外斜置的角度进行直前转向以生成更宽的视野。
图3的换能器阵列和微型波束形成器可作为线性阵列或作为相控阵列进行操作。通过从沿阵列表面平移的各孔径发射波束并在同样沿阵列表面平移的接收孔径处接收来自这些波束的回波来完成线性阵列操作。在附图所示的示例中，接收孔径的大小置于该幅附图顶部的括号内，并且在该示例中能见到三个面片(十二个元件)的宽度。在该示例中，该接收孔径被示成单行(R1)高，但它或者可以是多行高。在该示例中，由元件e1-e12接收第一接收波束。由于该接收孔径包括阵列R1行中的前三个面片，因此对于该波束能够使用微型波束形成器中这前三组的延迟线DL1、DL2和DL3(未示出)。在该示例中通过如42、44和46指示的连接至每条延迟线的使能线En来使各延迟线能够工作。来自元件e1-e4和延迟线组DL1的四个延迟信号连接至总线b1，在此将它们合并以形成来自第一面片的部件和信号。类似地，来自元件e5-e8和延迟线组DL2的四个延迟信号在总线b2上合并，而来自元件e9-e12和延迟线组DL3的四个延迟信号在总线b3上合并(未示出)。在该示例中，这些总线用作形成各部分和信号的求和节点。三条总线和各导线导体将这些部分波束形成的信号传导给主波束形成器的三个通道，在此完成波束的波束形成。
在该示例中，通过将接收孔径向右步进来采集下一个波束。所述波束可使用例如导线导体或超声系统主机中的各复用器以整个面片进行步进，从而导致由元件e5-e16组成的接收孔径对下一个波束进行采集。然而，整个面片宽度的这种平移会导致在图像场上较粗的波束间隔。在该示例中，通过将接收孔径以小于完整面片尺寸，并优选以单个元件宽度进行步进来采集精细间隔的各波束。这样由元件e2-e13采集下一波束。由于来自元件e1的信号不能对该波束起作用，因此对于该元件的微型波束形成器延迟线的使能线使该延迟线不能对此下一个波束起作用。仅有来自元件e2-e4的延迟信号在总线b1上合并。由于来自元件e1的信号正对该波束起作用，因此将该元件的微型波束形成器延迟线使能，并将延迟信号置于该延迟线组的总线b4(未示出)之上。将四条总线上的部分和信号耦合至主波束形成器，用于完成波束形成处理：来自元件e2-e4的总线b1上的三个合并信号，总线b2和b3上的四个合并信号，以及总线b4上的来自元件e13的信号。在主波束形成器中应用变迹加权以说明对不同总线的不等信号加权。
连续以这种方式使接收孔径在整个阵列上进行步进。下一波束使用元件e3-e14作为接收孔径，接下来的波束使用元件e4-e15，而后继的波束使用元件e5-e16用于接收。当发生该步进时，可以看到第一面片DL1的各延迟线逐渐禁止，而耦合至元件e13-e16的第四面片的各延迟线逐渐使能。可看到这些波束的最后一个不使用来自第一面片的各元件。在下一波束步进到元件e6-e17的孔径的情况下，可以看到延迟线组DL5的第一延迟线使能。在该示例中，第五延迟线组的各个输出连接至总线b1，因为可以看到孔径在任何时候对同一波束都不使用来自第一和第五面片的各元件。因而，当第一面片的各延迟线变得全部禁止时，第五延迟线组DL5的各延迟线开始使用先前由延迟线组DL1使用的同一总线b1。这两组不能在同一时间使用同一总线，因为它们的部分和信号对于主波束形成器内的波束形成需要不同的延迟。如果这些部分和信号在共同总线上合并，则它们在其处理中可能不会经受必要的延迟差。因而，通过考虑所述阵列使用的各孔径，可将多个面片连接至到同一导线导体再到主波束形成器，这意味着面片的数量可超过导线中导体的数量。因此由给定的导线和系统波束形成器可容纳大量的阵列面片。具有对于给定阵列增加面片数量的能力，可减小各面片的大小，从而降低微型波束形成器中所需的延迟长度。
在该示例中，可以看到位于阵列右侧面片的延迟线组DL9同样可连接至总线b1。延迟线组DL5随着元件e29-e32的延迟线组逐渐使能而逐渐禁止。在延迟线组DL5全部禁止之后，孔径随DL6组的各延迟线逐渐禁止及DL9组的各延迟线逐渐使能而向右前进。由于DL1组和DL5组在孔径的该后一步进期间都禁止，因此延迟线组DL9此时可连接至并自由使用总线b1。
接收孔径将以这种方式持续在整个阵列上步进，在该示例中其将在孔径到达阵列的右侧之前，在二十五个不同的波束位置处采集二十五个不同的波束。然后在阵列的整个第二行R2并且然后在第三行R3上重复这一步进过程。以这种方式扫描阵列前方的体积区域以供进行3D成像。本领域的技术人员易于想到所述孔径的各种变形。例如，孔径可以不止单行高度。孔径可以从第一行R1的元件e1-e12以及R2行的前十二个元件开始。这二十四个元件孔径可在整个阵列上步进，然后增加为进行一行的步进。作为有效孔径下一平移将从R2和R3每一行的前十二个元件开始，然后再在整个阵列上步进。也可采用各种孔径平移模式。例如，有效孔径可从阵列的底部开始并步进到顶部，然后以这种方式横跨并退回所述阵列等等。同样可采用使孔径沿大致对角线方向上跨越并向上步进的平移序列。可选择孔径平移模式，例如以使图像场区域中的平移伪影最小。
根据各延迟线之前是否的对各信号进行数字化，本发明系统的各延迟线可以是数字延迟线或模拟延迟线。图4示出了优选的模拟延迟线。该延迟线通过将来自换能器元件的各连续信号耦合至电容器组的各电容器而形成。图4中示出了这种电容器组的三个电容器52、54、56。考虑所需的最大延迟长度和所用的采样率来选择电容器组中电容器的数量。更长的延迟和/或更细的分辨率(例如，为满足奈奎斯特准则)需要更大数量的电容器。通过在初期将来自换能器元件en的电压采样写到电容器上，然后在稍后的时间从所述电容器上读取所述电压采样，来实现延迟线的时间延迟，写入和读取之间的时间增量提供了所述延迟时间。电容器组可设置成如图4所示的并联构型，或设置成以如美国专利6,126,602(Savord等人)中讨论的CCD电荷斗链(bucket brigade)方式的串联构型。
在图4的配置中，将来自换能器元件en的各回波信号经由缓冲放大器68施加给输入开关组64的各个输入。每个开关的闭合由来自写指示器60的控制信号进行控制。例如，通过电容器52输入开关的瞬间闭合可将第一信号采样存储在电容器52上，第二采样存储在电容器54上，第三采样存储在电容器56上等等。在由期望延迟时间所确定的稍后时间处，以来自读指示器62的控制信号所确定的序列从各电容器中读取各采样，所述控制信号对输出开关组66进行控制。在所示的示例中，将回波信号采样写入到电容器52中，同时从电容器54中读取回波信号采样。当输出开关闭合时，将电容器上的信号采样施加给输出总线bn，其将该信号传导到导线导体16n。当来自图4延迟线的各采样施加给输出总线bn时，来自面片延迟线组的其它延迟线的各采样同时施加给同一总线bn。这样各信号的同时施加产生了对来自面片各元件的延迟采样的求和。
根据本发明的原理，在图4的示例中，读指示器62可设成如图在读指示器的右侧所示全部为零。使用这一设置使延迟线禁止，因为没有来自元件en的信号采样施加到输出总线bn上。或者可应用其他技术来防止来自阵列元件的各信号置于总线上。在图5的示例中，将诸如通路闸门(passgate)的单开关72用在延迟线的输出处。这种构型适合用于并联或串联构型的延迟线。图6所示的另一技术是使用三态缓冲器74。三态缓冲器74由控制线76控制以便将来自延迟线的输入信号发送给三态缓冲器输出，或者设置三态缓冲器以展现高输出阻抗。在控制线76的一种设置中，三态缓冲器将按回波信号或高(例如，断路)阻抗输出所确定的，产生高或低电压或电流信号。易于在适合用在微型波束形成器的微型电路中实现通路闸门和三态缓冲器。
图7示出了本发明二维阵列和微型波束形成器组合的设计，其具有总线连接到同一主波束形成器通道的两个面片。在该示例中，微型波束形成器延迟通道的两个面片P1和Pn耦合至共同的总线bn，该总线bn经导线导体16n耦合至主机波束形成器的通道。图7是二维阵列的俯视图，其具有连接至阵列的底部的微型波束形成器但在该附图中不可见。该示例中的每个面片包括布置成4行(r1-r4)乘4列(c1-c4)的十六个元件。这样，在该示例中三十二个换能器元件连接至同一个主波束形成器通道。由于面片P1和Pn共享同一个波束形成器通道，因此在任何给定的时间，仅有这两个面片其中一个的元件可使用总线bn。这意味着三列元件长度的元件的“缓冲器”必须从第二互连面片Pn中分离出最大孔径长度，用标有“缓冲器”的括号所示。这样最大接收孔径的大小将具有如图所示的最大长度AL和最大高度AH。例如，初始接收孔径可包括面片P1的各元件和向上到缓冲区左侧各面片的所有元件。当该孔径向右步进时，随着缓冲区中相应的四列元件相继使能，面片P1的c1到c4列在每一步相继禁止。在该四波束步进的第三步进末，仅有面片P1的c4列各元件将使能，而缓冲区域的所有三列元件将使能并对有效孔径起作用。在孔径下一向右步进的情况下，面片P1的最后列c4将关闭，而面片Pn的第一列c1将开启。这样，此时的有效孔径将包括面片P1右侧的所有元件并贯穿和包括面片Pn的第一列。这样，决不会存在这样的时间，此时来自共同总线连接的面片的各元件在同一时间正使用该总线。该示例的设计规则在于缓冲区的大小至少等于面片列数减一。
在该示例中，高度尺寸(height dimension)中的各面片不共享同一总线。这样，在高度尺寸中没有对有效孔径的最大大小进行约束。这样，高度尺寸中的最大孔径大小AH可等于二维阵列的整个高度尺寸。
图8示出了二维阵列的设计，其中四个面片共享同一个主波束形成器通道。如图7中，以俯视图示出了图8的二维阵列12，其具有位于该阵列之下的微型波束形成器。四个面片P1、P2、P3和P4分别经总线bn1、bn2、bn3和bn4均耦合至总线bn。对总线上同时存在的各信号求和并经导线16的导体16n耦合至主波束形成器的通道。阵列的最大接收孔径展现出AL和AH的尺寸。最大孔径在其按孔径Ap1、Ap2、Ap3和Ap4定位在阵列的各角落时进行显示。最大孔径的位置被分割成长度尺寸上的缓冲区bufL和高度尺寸上的缓冲区bufH。bufL区的水平长度是小于面片水平长度的一个元件，而bufH区的竖直高度是小于面片竖直高度的一个元件。在各面片和各元件是正方形的情形中，这些区域将是相等的大小。在面片尺寸和/或元件尺寸不是正方形的情形中，这些区域的大小将不同。在图8的示例中可见，当接收孔径从位置Ap1开始并向右步进时，面片P1(和该孔径中在其上方的所有面片)的各列随bufL区中各列元件相继使能而相继禁止。当孔径完全步进到面片P1的右侧并且整个面片禁止时，最左侧列的共同总线连接的面片P2使能。以这一方式将有效孔径连续向右步进，其具有如图Ap2所示的最终孔径位置。这样，决不会存在这样的时间，此时来自面片P1和P2的各元件在同一时间使能。由于有效孔径的最高范围在这些面片的下方，因此共同总线连接的面片P3和P4在这一时间禁止。虽然在该示例中有效孔径的最大高度显示为AH，但是应当领会到的是，在该孔径向右步进的情形中该尺寸可被bufH区的高度所增加。
其后，或者，孔径可从Ap1位置向上步进。当所述孔径一次向上步进一面片行时，面片P1的各行元件从底部到顶部相继禁止，并且孔径区域Ap1上方bufH区内的各行元件相应地相继使能。在进行(m-1)次的这种步进之后，仅面片P1上面的行(和该孔径中面片P1右侧的所有面片)将使能，以及孔径区域Ap1上方bufH区内的所有(m-1)行元件将使能。在下一孔径步骤的情况下(使总步骤达到m)，面片P1的所有m行将禁止，而面片P3的第一行连同该孔径中上方bufH区的所有行将使能。这样，决不会存在这样的时间，此时来自面片P1和P3的各元件都对波束起作用。以这种方式持续进行孔径的向上步进，直到该孔径抵达位置Ap3的上界。当在水平平移的情形中，将会意识到，该状态下孔径的长度可以等于AL加bufL长度。
考虑缓冲区在水平和竖直(高度和长度)尺寸上都能在任意方向上进行最大孔径的平移，包括对角线平移。例如，通过在每一步进中同时将孔径向右和向上平移一个元件，可孔径从位置Ap1沿对角线进行步进。孔径能以这种方式连续沿对角线平移到最终的孔径位置Ap4。如虚线的孔径轮廓ApD所示，其具有如图所示AL乘AH的最大孔径大小以及缓冲区，在该孔径平移期间于任何时间点处仅来自单个面片的各元件将对总线bn上的各信号起作用。虚线轮廓ApD示出了孔径刚刚在离开四个共同总线连接面片中正好对总线bn上各信号起作用的面片P1右上角元件的位置之后，就马上位于正好对总线bn上各信号起作用的面片P4的左下角元件的位置。图8的示例能够在二维微型波束形成阵列中进行最大接收孔径的水平、竖直和对角线方向的步进，在所述二维微型波束形成阵列中面片的数量是(缓冲器尺寸除外)导线导体和主波束形成器通道数量的四倍。面片与主波束形成器通道的4：1模式可对称地扩展到整个图8的二维阵列。在阵列大小与最大孔径大小甚至更大比率的情况下，可互连更大量的面片，如在图3的示例中达到在水平方向上共同连接三个面片所示。
图4、5和6中所示的各开关元件在功能上等同于单刀单掷开关。本发明的下列各示例使用功能等同的单刀双掷开关来平移接收孔径。这些示例提供了当平移孔径时有效重定位各面片边界的好处。以下各示例的另一好处在于对于每个主波束形成器通道可维持相同数量的元件信号，无需为具有不同数量信号的各通道执行变迹加权调整。图9示出了一个这样的示例，使用与图3相同的二维阵列构造。行R1中每个元件的延迟线DL显示为连接行R1的各个元件。单刀双掷开关元件Sw连接至每个延迟线DL的输出。根据开关臂的设置，这些开关元件的输出将各延迟线连接两个可能的总线、导线导体和主波束形成器通道中的一个。在该示例中每个面片由五个元件组成，并且当将各开关Sw进行如图9所示的设置时，可以看到元件e6-e10的延迟线都耦合至总线b2，其将来自这五个元件的信号求和。由这五个元件组成的面片用在二维阵列12上横向延伸的虚线102、104来指示。总线b2上的求和信号经导线导体16b耦合至主波束形成器的通道，用于完成波束形成。类似地，由虚线104、106之间的元件e11-e15组成的面片使其各接收信号耦合至总线b3，并在总线b3上进行求和，然后经导线导体b3耦合至主波束形成器通道。以类似的方式，五元件面片信号在总线b4(e16-e20)和总线b5(e21-e25)上进行求和，并经导体16d和16e耦合至各主波束形成器通道。各总线下方的箭头指示从其它面片到各延迟线的连接，这些面片在孔径平移的其它时间共享相同的总线和主波束形成器通道。在该示例中可以看到每个总线正对来自完全补集(full complement)的五个元件(该示例中使用的面片大小)的各信号进行求和。
各开关元件Sw在功能上等同于各单刀双掷开关。即，根据所述开关的设置，将延迟线的输出耦合至两个输出总线和主波束形成器各通道中的一个。这种布置根据开关的设置而完全任意地制作面片的边界。图10示出了单刀双掷开关120的基本形式，其具有臂122用于确定来自延迟线DL的信号耦合至总线x还是总线y。图11示出了另一示例，其中由两个平行的单刀单刀开关124和126提供单刀双掷开关的功能。在图9的示例中，将等于形成整个面片的元件数量(在该示例中是五个)的完全补集元件耦合至每个主波束形成器通道。对于特定元件的开关Sw的设置确定出该元件将耦合至的主波束形成器通道并因此确定出该元件在给定时间点处对其起作用的所属面片组。
图12示出了图9在孔径已经向左平移一个元件之后的构造，所述向左平移用相对于原始的面片边界线102、104等的虚线102′、104′等进行指示。延迟线5的开关Sw已经重新设定到其的备选设置，从而将来自延迟线5的信号耦合至到导体16b。来自延迟线10的开关Sw同样已经重新设定，从而将来自延迟线10的信号从导体16b重新指向导体16c。类似地，对于每五个延迟线的开关Sw，包括所述延迟线15和20已经重新设定到它们的备选设置。这些开关设置将来自元件e5-e9的信号合并到导体16b上，将来自元件e10-e14的信号合并到导体16c上，将来自元件e15-e19的信号合并到导体16d上等等。与图9中各导体上的信号相比，可以看到每个导体上的元件组已经向左平移一个元件，因此整个孔径已经向左平移一个阵列元件。
在图13中，孔径相对于其在图9中的开始位置向右平移一个元件，正如面片边界100″、102″、104″、106″等所指示的。仅所示的延迟线6、11、16和21的各开关Sw在其初始设置；所有其它的开关已经重新设定。该重新设定使得来自延迟线7、8和9的信号将要耦合至总线b3的延伸b3′，而非它们先前耦合至的总线b2。结果，来自元件e7-e11的信号现在合并到总线b3上，并经导体16c耦合至主波束形成器通道。类似地，来自元件e2-e6的信号耦合至导体16b，来自元件e12-e16的信号耦合至导体16d等等。可以看到在导体上成组的每个面片与初始设定相比，已经向右平移了一个元件，并因此整个孔径已经向右平移了一个元件。
图14示出了当孔径相对于图13向右平移另一元件时的开关Sw的设置。图14的开关Sw的各位置不同于图13的开关Sw的各位置，因为延迟线7、12、17和22的开关已经重新设定到它们的备选设置。这使得将来自元件e3-e7的信号指向导体16b，将来自元件e8-e12的信号指向导体16c，将来自元件e13-e17的信号指向导体16d等等。如虚线100″′、102″′、104″′等所指示的，整个孔径已经向右平移了另一元件。
通过在下次迭代中设定来自延迟线8、13、18和23的各开关Sw，将会看到所述孔径向右平移又一元件。所述孔径可以这种方式平移跨过所述阵列。在每种情形中可以看到，除阵列的物理边界外，在每个孔径位置处相等补集的各元件信号总是呈现在每个主波束形成器通道上。这种技术可与孔径仅在一个方向(方位方向)上平移的一维阵列结合使用。可以采用这一技术以通过例如平行与第一个单刀双掷开关而增加正交结构的单刀双掷开关，或为每个元件使用单刀3掷开关或其等同物，来附加地在二维阵列的正交(仰角)方向上平移孔径。为了适应除方位角和仰角平移外的对角线平移，可使用单刀4掷开关或其等同物以将元件连接至四个可能导线和主波束形成器通道中的任何一个。将单刀n掷开关的每个输出连接至不同的导线导体，并因此连接至不同的主波束形成器通道。
在很多线性阵列的实现中，各波束总是(或大部分时间)进行垂直于阵列表面的直线向前转向。当在这种直线向前波束转向的实现中不存在离轴转向时，各孔径延迟可以关于孔径的中心对称。这意味着在孔径中心任一侧等距离的各面片使用相同的主波束形成器延迟，并因此耦合至同一主波束形成器通道。本领域的技术人员将会意识到，这样的实现由于这种对称性而无需使用上面讨论的缓冲区。应当在同样考虑所述系统的相控阵列要求的情况下完成各分离面片与同一主波束形成器通道的耦合，因为波束在三维中的转向需要在整个相控阵列孔径上的连续延迟差。
本领域技术人员易于想到本发明上述原理的各种应用和修改。如前所述，2D阵列换能器可以在一个和若干维度上是平坦的(平面的)、或弯曲的或曲面的。在探头或在系统主机中可执行各回波信号的数字化。在探头、系统主机，或者两者内可采用放大。用于回波接收的上述所示微型波束形成器电路同样可部分用于发射波束形成。在本发明的范围内可进行附加的修改。

Claims (16)

1.一种用一系列经平移的接收孔径对体积区域进行成像的超声诊断成像系统，包括：
由各换能器元件组成的阵列，其局部各组可包括具有一个或多个大小的由各元件组成的面片；
多通道波束形成器，其产生经波束形成的输出信号；以及
微型波束形成器，其包括多条延迟线，每条延迟线具有与阵列元件相耦合的输入和产生延迟信号的输出，可将所述延迟信号指向所述多通道波束形成器的多个通道中选定的一个；以及
各控制信号的源，其与所述微型波束形成器相耦合，用于控制各延迟线输出到所述多通道波束形成器的各通道的方向，
其中，由多个面片的各元件所形成的接收孔径可从用于一个波束的所述换能器阵列的一个孔径位置步进到用于另一波束的所述换能器阵列的另一孔径位置，同时保持相同的面片大小或各面片大小。
2.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，将与不同面片的各元件相耦合的各延迟线的输出耦合到所述多通道波束形成器的共同通道。
3.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，通过各功能等同的开关，将所述各延迟线的输出耦合到所述多通道波束形成器的各选定通道。
4.如权利要求3所述的超声诊断成像系统，其中，通过各功能等同的单刀双掷开关，将所述各延迟线的输出耦合到所述多通道波束形成器的各选定通道。
5.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，将来自给定面片各元件的延迟信号指向共同的波束形成器通道。
6.如权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，可以将由多个面片的各元件所形成的接收孔径，以小于最大面片大小的步进增量，从用于一个波束的所述换能器阵列的一个孔径位置步进到用于另一波束的所述换能器阵列的另一孔径位置。
7.如权利要求6所述的超声诊断成像系统，其中，可以将由多个面片的各元件所形成的接收孔径，以一个元件大小的步进增量，从用于一个波束的所述换能器阵列的一个孔径位置步进到用于另一波束的所述换能器阵列的另一孔径位置。
8.一种对由各超声换能器元件组成的阵列的接收孔径进行平移的方法，所述孔径是一组元件，所述孔径的各元件布置在面片具有明确边界的各面片的局部各组中，对面片各元件的信号进行求和以形成部分和信号，并且每个部分和信号耦合到多通道波束形成器的不同通道，所述方法包括：
接收来自孔径各元件的信号，所述孔径包括给定数量的具有一个或多个预定大小的面片，所述面片位于所述换能器阵列上的第一位置；
根据所述孔径中每个面片各元件的信号形成各部分和信号；
将所述各部分和信号耦合到多通道波束形成器的各通道；
将所述孔径从所述第一位置平移到部分重叠的第二位置，所述第二位置是通过重新定义所述各面片边界从所述第一位置沿着选定方向进行平移得到的，从而在所述第二位置处描绘相同数量的具有相同预定大小或各大小的面片；
接收来自所述重新定义后的各面片的各元件的信号；
根据所述平移后的孔径中每个面片的各元件信号形成各部分和信号；以及
将所述各部分和信号耦合到多通道波束形成器的各通道。
9.如权利要求8所述的方法，其中，重新定义所述各面片边界的所述步骤包括将多个元件的信号重新指向所述多通道波束形成器的不同通道。
10.如权利要求8所述的方法，其中，形成各部分和信号的所述步骤还包括：
对从所述孔径的各面片的各元件所接收的信号进行延迟；以及
在求和节点上对每个面片的各元件的延迟信号进行合并。
11.如权利要求10所述的方法，其中，形成各部分和信号的所述步骤是由位于与所述换能器阵列同一外壳内的微型波束形成器来执行的。
12.如权利要求8所述的方法，其中，所有的所述面片包括相同数量的换能器元件；以及
其中，每个部分和信号包括从所述相同数量的换能器元件中接收的各信号。
13.如权利要求10所述的方法，其中，多个面片共享同一个求和节点。
14.如权利要求8所述的方法，其中，所述各部分和信号来自于垂直于所述换能器阵列的表面转向的各波束；
其中，所述各部分和信号形成于各求和节点；以及
其中，由共享同一求和节点的所述孔径的多个面片形成多个所述部分和信号。
15.一种用一系列经平移的接收孔径对身体区域进行成像的超声诊断成像系统，包括：
由沿给定方向延伸的各换能器元件组成的阵列，其局部各组可包括具有一个或多个大小的由各元件组成的面片；
多通道波束形成器，其产生经波束形成的输出信号；以及
微型波束形成器，其包括多条延迟线，每条延迟线具有与阵列元件相耦合的输入和产生延迟信号的输出，将所述延迟信号指向所述多通道波束形成器的多个通道中选定的一个；以及
各控制信号的源，其与所述微型波束形成器相耦合，用于控制各延迟线输出到所述多通道波束形成器的各通道的方向，
其中，由多个面片的各元件所形成的接收孔径可从用于一个波束的所述阵列的一个孔径位置沿所述给定方向步进到用于另一波束的所述阵列的另一孔径位置，同时保持相同的面片大小或各面片大小。
16.如权利要求15所述的超声诊断成像系统，其中，由各换能器元件组成的所述阵列包括具有给定方向的一维阵列，所述给定方向包括方位角方向。
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