CN102626323A

CN102626323A - 超声波诊断装置和超声波图像产生方法

Info

Publication number: CN102626323A
Application number: CN2012100249388A
Authority: CN
Inventors: 中村贤治; 村上浩史
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: JP5250056B2; US20120197127A1; CN102626323B; JP2012157567A; US9304193B2

Abstract

根据本发明的一种超声波诊断装置包括：换能器阵列，用于向对象发送超声波束；复用器，用于从所述换能器阵列输出的多个通道的接收信号中顺序选择每N个通道的接收信号中的一个通道的接收信号，所述换能器阵列已经从对象接收到超声回波；多个接收信号处理器，用于顺序处理所述复用器选择的N个通道的接收信号，以产生接收数据；波束形成器，用于对所述多个接收信号处理器顺序产生并具有时间差的接收数据执行波束形成，以产生声线信号；以及图像产生单元，用于基于所述波束形成器产生的声线信号来产生超声波图像。

Description

超声波诊断装置和超声波图像产生方法

技术领域

本发明涉及超声波诊断装置和超声波图像产生方法，具体地，涉及利用基于通过从超声波探头的换能器阵列发送和接收超声波而产生的超声波图像来给出诊断的超声波诊断装置，从而降低电能消耗。

背景技术

传统上，在医疗领域采用使用超声波图像的超声波诊断装置。一般而言，这种超声波诊断装置包括：装配有内置换能器阵列的超声波探头；以及连接至超声波探头的装置本体。超声波探头向对象发送超声波，并从对象接收超声回波。然后，在装置本体中对接收信号进行电处理，以产生超声波图像。

近年来，已经开发出可以携带至病床或运送至急救点的便携式超声波诊断装置。这种超声波诊断装置使用电池供电，因此设备的功耗对其连续使用时长有很大影响。由于设备内部产生的热量随功耗而增加，需要增大设备尺寸作为散热的措施，这降低了便携性的益处。

具体地，在无线连接至装置本体的无线探头中，由于用于从换能器发送超声波和接收超声回波的发送和接收电路需要容纳在紧凑的探头中，在这些电路中需要大幅降低功耗。

安装的发送和接收电路的数目的减少将相应地节约功耗，但是当同时孔径的数目也随发送和接收电路的数目而减少时，不再获得高质量图像。

JP 2000-139912A描述了一种超声波诊断装置，其中，为了即使在进行小角度偏转时仍实现宽孔径的信号接收，将来自多个相邻换能器的信号非公平地相加，以减少接收信号的数目，然后由波束形成器进行数字转换和调相延迟相加。

发明内容

然而，JP2000-139912A中描述的设备仍需要与减少的接收信号数目相对应数目的信号处理器，使其难以节约探头中的功耗。

本发明的目的是提供一种超声波诊断装置和超声波图像产生方法，在获得高质量图像的同时实现功耗节约。

根据本发明的一种超声波诊断装置包括：

换能器阵列，用于向对象发送超声波束并从对象接收超声回波；

复用器，用于从所述换能器阵列输出的多个通道的接收信号中顺序选择每N个通道的接收信号中的一个通道的接收信号，所述换能器阵列已经从对象接收到超声回波；

多个接收信号处理器，用于顺序处理所述复用器选择的N个通道的接收信号，以产生接收数据；

波束形成器，用于对所述多个接收信号处理器顺序产生并具有时间差的接收数据执行波束形成，以产生声线信号；以及

图像产生单元，用于基于所述波束形成器产生的声线信号来产生超声波图像。

根据本发明的一种超声波诊断方法，包括以下步骤：

从换能器阵列向对象发送超声波束；

从所述换能器阵列输出的多个通道的接收信号中顺序选择每N个通道的接收信号中的一个通道的接收信号，所述换能器阵列已经从对象接收到超声回波；

通过顺序处理所选择的N个通道的接收信号来产生接收数据；

对顺序产生并具有时间差的接收数据执行波束形成，以产生声线信号；以及

基于所产生的声线信号来产生超声波图像。

附图说明

图1是示意了根据本发明实施例1的超声波诊断装置的配置的框图。

图2是示意了实施例1中如何执行信号处理的定时图。

图3是示意了实施例2中如何执行信号处理的定时图。

图4是示意了在根据实施例3的超声波诊断装置中使用的超声波探头的配置的框图。

图5是示意了实施例3中如何执行信号处理的定时图。

具体实施方式

以下基于附图来描述本发明的实施例。

实施例1

图1示意了根据本发明实施例1的超声波诊断装置的配置。超声波诊断装置包括超声波探头1和经由无线通信连接至超声波探头1的诊断装置本体2。

超声波探头1包括多个超声波换能器3，所述多个超声波换能器3构成一维或二维换能器阵列的多个通道，并且多个接收信号处理器6经由接收信号连接部分4和复用器5连接至换能器3。数据存储单元7连接至接收信号处理器6，无线通信单元10依次经由调相求和器8和信号处理器9连接至数据存储单元7。此外，发送控制器12经由发送驱动器11连接至换能器3，接收控制器13连接至接收信号处理器6，通信控制器14连接至无线通信单元10。此外，探头控制器15连接至发送控制器12、接收控制器13和通信控制器14。

换能器3分别根据从发送驱动器11提供的驱动信号来发送超声波，并从对象接收超声回波，以输出接收信号。每个换能器3由振荡器构成，振荡器包括例如由以PZT(锆钛酸铅)为代表的压电陶瓷或以PVDF(聚偏氟乙烯)为代表的压电聚合物制成的压电体和设置在压电体的每一端的电极。

当向每个振荡器的电极提供脉冲电压或连续波电压时，压电体扩张和收缩，以使振荡器产生脉冲或连续超声波。这些超声波被组合形成超声波束。在接收到传播的超声波时，每个振荡器的压电体扩张和收缩，以产生电信号，然后输出该电信号作为超声波接收信号。

发送驱动器11包括例如多个脉冲器，并基于发送控制器12选择的发送延迟模式来调整相应换能器3的驱动信号的延迟量，使得从换能器3发送的超声波形成覆盖要诊断的对象的组织区域的宽超声波束，并向换能器3提供调整后的驱动信号。

接收信号连接部分4包括在换能器3与复用器5的对应输入端之间连接和断开的多个开关。根据探头控制器15的指令，接收信号连接部分4在超声波发送期间断开，在超声波接收期间接通，以将换能器3连接至复用器5的对应输入端。

复用器5是2:1复用器，针对一对输入端a和b具有一个输出端c，并根据来自探头控制器15的指令，以预定采样周期Ts交替将输入端a和b连接至输出端c。

具体地，在多个通道的接收信号中，经由在超声波接收期间接通的接收信号连接部分4的每个开关，以预定采样周期Ts，将来自彼此相邻的两个换能器3的两个通道的接收信号交替连接至相应的接收信号处理器6。

在接收控制器13的控制下，每个接收信号处理器6对从经由接收信号连接部分4和复用器5连接的换能器3输出的接收信号进行正交检测或正交采样，以产生复基带信号，并对复基带信号进行采样以产生包含关于组织区域的信息的接收数据。接收信号处理器6可以对通过对复基带信号进行采样而获得的数据执行高效编码数据压缩，以产生接收数据。

数据存储单元7例如由存储器来配置，并存储接收信号处理器6所产生的至少一帧接收数据。

调相求和器8构成本发明的波束形成器，根据控制器15设置的接收方向，从多个先前存储的接收延迟模式中选择一个接收延迟模式，并基于所选接收延迟模式，在由接收数据表示的多个复基带信号中提供相应延迟，并将其相加，从而对接收信号处理器6所产生的其间具有时间差的接收数据执行波束形成。所述波束形成产生基带信号(声线信号)，其中，使得超声回波的焦点会聚。

信号处理器9对调相求和器8产生的声线信号的衰减进行校正，所述衰减取决于根据超声波反射位置的深度的距离，然后将声线信号转换为与普通电视信号扫描模式兼容的图像信号(光栅转换)，以产生关于对象内的组织的B模式图像信号、断层图像信息。

无线通信单元10基于信号处理器9产生的B模式图像信号来执行载波调制，以产生发送信号，并向天线提供发送信号，使得天线发送无线电波，以实现B模式图像信号的发送。这里可以采用的调制方法包括ASK(幅移键控)、PSK(相移键控)、QPSK(正交相移键控)和16QAM(16正交幅度调制)。

无线通信单元10通过与诊断装置本体2的无线通信，向诊断装置本体2发送B模式图像信号，从诊断装置本体2接收各种控制信号，并向通信控制器14输出接收的控制信号。通信控制器14控制无线通信单元10，使得以探头控制器15设置的发送波强度来发送B模式图像信号，并将无线通信单元10接收的各种控制信号输出至探头控制器15。

探头控制器15根据从诊断装置本体2发送的控制信号，控制超声波探头1中的各个组件。

超声波探头1具有内置电池(未示出)，向超声波探头1内的电路供应电能。

超声波探头1可以是外部型探头，如线性扫描型、凸面扫描型和扇形扫描型，或者是例如用于超声波内窥镜的径向扫描型。

另一方面，诊断装置本体2包括连接至图像处理器22的无线通信单元21。显示控制器23和图像存储单元24连接至图像处理器22，监视器25连接至显示控制器23。此外，通信控制器26连接至无线通信单元21，装置本体控制器27连接至显示控制器23和通信控制器26。此外，用于操作者执行输入操作的操作单元28，用于存储例如操作程序的存储单元29连接至装置本体控制器27。

无线通信单元21通过与超声波探头1的无线通信，向超声波探头1发送各种控制信号。无线通信单元21对通过天线接收的信号进行解调，以输出B模式图像信号。

通信控制器26控制无线通信单元21，使得以装置本体控制器27设置的发送无线电波强度来发送各种控制信号。

图像处理器22对从通信控制器26输入的B模式图像信号执行各种所需处理，包括渐变(gradation)处理，并向显示控制器23输出B模式图像信号，或将B模式图像信号存储在图像存储单元24中。

显示控制器23使监视器25根据图像处理器22处理的B模式图像信号来显示超声波诊断图像。监视器25包括显示设备(例如LCD)，并且在显示控制器23的控制下显示超声波诊断图像。

在这种诊断装置本体2中，图像处理器22、显示控制器23、通信控制器26和装置本体控制器27由CPU和用于使CPU执行各种处理的操作程序构成，但是它们可以由数字电路构成。上述操作程序存储在存储单元29中。存储单元29可以由记录介质(如硬盘、软盘、MO、MT、RAM、CD-ROM、DVD-ROM、SD卡、CF卡、USB存储器或服务器)形成。

接下来描述实施例1的操作。

在开始超声波诊断时，探头控制器15首先断开接收信号连接部分4的开关，在这种状态下，构成换能器阵列的多个换能器3根据从超声波探头1的发送驱动器1提供的驱动信号来发送超声波。

在终止从换能器3发送超声波时，探头控制器15立即接通接收信号连接部分4的开关，将换能器3连接至复用器5的对应输入端。此时，复用器5根据探头控制器15的指令，以预定采样周期Ts，将输入端a和b交替连接至一个输出端c。相应地，来自通道连接至复用器5的输入端a的一个换能器3的接收信号被提供至一个接收信号处理器6，以产生接收数据A，然后，来自通道连接至复用器5的输入端b的相邻换能器3的接收信号被提供至接收信号处理器6，以产生接收数据B。即，每个接收信号处理器6交替产生接收数据A和接收数据B，并依次存储在数据存储单元7中。

例如，如图2所示，在时刻t1，一个接收信号处理器6对来自通道连接至复用器5的输入端a的一个换能器3的接收信号进行采样，以产生第一接收数据A1。在从时刻t1起过去给定采样周期Ts之后的时刻t2，接收信号处理器6对来自通道连接至复用器5的输入端b的相邻换能器3的接收信号进行采样，以产生第一接收数据B1’。类似地，在从时刻t2起过去给定采样周期Ts之后的时刻t3，接收信号处理器6对来自通道连接至复用器5的输入端a的一个换能器3的接收信号进行采样，以产生第二接收数据A2。

因此，一个接收信号处理器6交替处理来自两个通道的换能器3的接收信号。

基于来自通道连接至复用器5的输入端b的相邻换能器3的接收信号的接收数据附加以“’”来标记，如“B1’”，以便于表示这些信号是在比基于来自通道连接至输入端a的一个换能器3的接收信号的接收数据晚给定采样周期Ts的定时处采样的数据。

因此，将以给定采样周期Ts的间隔产生的接收数据A1、B1’、A2、B2’、A3、B3’……存储在数据存储单元7中。

调相求和器8首先在接收数据A1、A2、A3……与接收数据B1’、B2’、B3’……之间进行时间调整，以消除接收数据A1、A2、A3……与接收数据B1’、B2’、B3’……之间的时间差，所述接收数据A1、A2、A3……基于来自通道连接至复用器5的输入端a的一个换能器3的接收信号，所述接收数据B1’、B2’、B3’……基于来自通道连接至复用器5的输入端b的相邻换能器3的接收信号。

例如，在连接至复用器5的输入端a和b的两个通道中，令连接至输入端a的通道为基本通道。然后，由于每两个周期(2·Ts)对该基本通道的接收数据A1、A2、A3……采样一次，这些数据作为两个周期(2·Ts)的数据来处理，以形成时间调整的接收数据A。

另一方面，对于在不同于基本通道的通道(即连接至复用器5的输入端b的通道)中的接收数据B，例如，接收数据B1’是通过在比基本通道的接收数据A2早一个采样周期Ts的定时处进行采样而获得的数据，接收数据B2’是通过在比基本通道的接收数据A2晚一个采样周期Ts的定时处进行采样而获得的数据。因此，计算接收数据B1’与B2’之间的时间2点插值(B1’+B2’)/2，并将所计算的值作为在与接收数据A2相同的定时采样的2周期(2·Ts)的数据。类似地，分别计算可以视为在与接收数据A3、A4、A5……相同的定时采样的数据的2点插值(B2’+B3’)/2、(B3’+B4’)/2、(B4’+B5’)/2，以获得时间调整的接收数据B。

随后，调相求和器8将接收数据A和接收数据B相加，使得其间的延迟对应于探头控制器15设置的接收方向。图2示意了例如接收数据B延迟2个周期(2·Ts)并与接收数据A相加的结果。

同样，每个接收信号处理器6交替处理来自彼此相邻的两个换能器3的接收信号，直到处理了来自换能器3的所有接收信号，从而调相求和器8执行波束形成，以产生声线信号。

然后，基于调相求和器8产生的声线信号，信号处理器9产生B模式信号并经由无线通信单元10将其无线发送至诊断装置本体2。图像处理器22对无线通信单元21接收的B模式图像信号进行图像处理(包括渐变处理)，基于该处理后的B模式图像数据，显示控制器23将超声波诊断图像显示在监视器25上。

由于实施例1具有使得使用2:1复用器5由一个接收信号处理器6处理来自两个换能器3的接收信号的配置，因此，与换能器3的通道数目相比，仅需要安装一半数目的接收信号处理器6。因此，可以获得高质量图像，同时显著节约功耗。

采样周期Ts可以是适当选择的采样周期。然而，由于利用一个接收信号处理器6来处理来自两个换能器3的接收信号，复用器5所需的操作频率是通过调相相加形成数据的频率的两倍。例如，为了获得通过40MHz频率的调相相加形成的数据，复用器5可以操作在80MHz的频率，因此采样周期Ts可以是1.25ns。

可以使用N:1(N≥3)复用器取代2:1复用器5来顺序选择每N个通道的接收信号中的一个通道的接收信号，使得一个接收信号处理器可以顺序处理N个通道的接收信号，以产生接收数据。在这种情况下，在N个通道的接收信号中，可以对不同于基本通道的(N-1)个通道的接收信号进行时间插值，以进行时间调整。

实施例2

尽管在实施例1中，在相应接收信号处理器6产生的接收数据A和接收数据B中，仅对接收数据B执行2点插值以进行时间调整，但是可以通过对两个通道的接收数据(接收数据A和B)执行2点插值来进行时间调整。

如图3所示，由于每两个周期(2·Ts)对接收数据A1、A2、A3……采样一次，因此通过对接收数据A1、A2、A3……顺序执行2点插值来形成每个采样周期Ts的接收数据A；类似地，通过对每两个周期(2·Ts)采样一次的接收数据B1’、B2’、B3’……顺序执行2点插值来形成每个采样周期Ts的接收数据B。

随后，将接收数据A和接收数据B相加，使得其间的延迟对应于探头控制器15设置的接收方向。图3示意了例如接收数据B延迟2个周期(2·Ts)并与接收数据A相加的结果。

上述过程形成每个采样周期Ts的接收数据A和B，从而实现了所需接收信号处理器6的数目的减少，使得可以获得具有仍然较高图像质量的图像，同时节约了功耗。

此外，根据实施例2，可以使用N:1(N≥3)复用器以取代2:1复用器5来顺序选择每N个通道的接收信号中的一个通道的接收信号，使得一个接收信号处理器可以顺序处理N个通道的接收信号，以产生接收数据。在这种情况下，可以对所有N个通道的接收信号进行时间插值，以进行时间调整。

实施例3

图4示意了在根据实施例3的超声波诊断装置中使用的超声波探头31的内部结构。与图1所示的超声波探头1相比，超声波探头31具有在复用器5的成对端子a和b中的每个输入端a与接收信号连接部分4的对应开关之间插入的延迟电路16。其他组件与根据实施例1的超声波探头1的组件相同。

延迟电路16具有与采样周期Ts相同长度的延迟时间Td，并且相对于来自通道连接至输入端b的换能器3的接收信号，将来自通道连接至复用器5的输入端a的换能器3的接收信号延迟延迟时间Td。

根据实施例3，在连接至复用器的输入端a和b的两个通道中，连接至输入端b的通道是基本通道，相对于基本通道的接收信号，将不同于基本通道的通道(即连接至复用器5的输入端a的通道)的接收数据延迟延迟时间Td。

复用器5操作为：相对于不同于基本通道的通道中的接收数据A，以与采样周期Ts相对应的延迟来对基本通道中的接收数据B进行采样。因此，通过对应的延迟电路16，相对于基本通道，将另一通道的接收信号延迟具有与采样周期Ts相同长度的延迟时间Td，可以获得接收数据A和B，该接收数据A和B与相对于彼此的通道在相同定时采样的接收数据相同。

因此，如图5所示，调相求和器8进行时间调整，使得接收数据A和B分别针对2个周期(2·Ts)并具有彼此相同的定时，随后将接收数据A和接收数据B相加，使得其间的延迟对应于探头控制器15设置的接收方向。图5示意了例如接收数据B延迟2个周期(2·Ts)并与接收数据A相加的结果。

上述过程减少所需接收信号处理器6的数目，使得可以获得具有仍然较高图像质量的图像，同时节约了功耗，而不进行实施例1和2中所需的插值过程。

此外，在实施例3中，可以使用N:1(N≥3)复用器以取代2:1复用器5来顺序选择每N个通道的接收信号中的一个通道的接收信号，使得一个接收信号处理器可以顺序处理N个通道的接收信号，以产生接收数据。在这种情况下，在N个通道的接收信号中，可以将不同于基本通道的(N-1)个通道的接收信号分别延迟与其相应通道相对应的延迟时间，以消除接收信号之间的时间差。

尽管在实施例1至3中，超声波探头1或31与诊断装置本体2通过无线通信彼此连接，但是本发明不限于此。超声波探头1或31可以经由连接线缆连接至诊断装置本体2。这种配置不需要提供超声波探头1或31的无线通信单元10和通信控制器14、诊断装置本体2的无线通信单元21和通信控制器26等等。

Claims

1.一种超声波诊断装置，包括：

2.根据权利要求1所述的超声波诊断装置，其中，波束形成器在对相应通道的接收数据进行时间插值以消除时间差之后执行波束形成。

3.根据权利要求2所述的超声波诊断装置，其中，在相应接收信号处理器顺序产生的N个通道的接收数据中，波束形成器对基本通道的接收数据以外的接收数据进行时间插值。

4.根据权利要求2所述的超声波诊断装置，其中，波束形成器对相应接收信号处理器顺序产生的N个通道的所有接收数据进行时间插值。

5.根据权利要求1所述的超声波诊断装置，还包括：延迟电路，用于在复用器选择的N个接收信号中，对基本通道的接收信号以外的接收信号进行延迟，以消除相应接收信号之间的时间差。

6.一种超声波诊断方法，包括以下步骤：

从换能器阵列向对象发送超声波束；

通过顺序处理所选择的N个通道的接收信号来产生接收数据；

基于所产生的声线信号来产生超声波图像。

7.根据权利要求6所述的超声波诊断方法，其中，在对相应通道的接收数据进行时间插值以消除时间差之后执行波束形成。

8.根据权利要求7所述的超声波诊断方法，其中，在接收信号处理器顺序产生的N个通道的接收数据中，对基本通道的接收数据以外的接收数据进行时间插值。

9.根据权利要求7所述的超声波图像产生方法，其中，对接收信号处理器顺序产生的N个通道的所有接收数据进行时间插值。

10.根据权利要求6所述的超声波诊断装置，其中，在N个接收信号中，对基本通道的接收信号以外的接收信号进行延迟，以消除相应接收信号之间的时间差。