CN104335066A - 具有可变面片几何结构的超声换能器阵列 - Google Patents

Abstract

一种二维超声阵列换能器，从体积区域的渐增的深度接收回波信号。所述2D阵列被配置成由微束形成器处理的元件的面片，并且来自面片的加和信号被耦合到超声束形成器的通道。在最浅深度处，所述2D阵列接收来自孔径中心的小面片的回波。随着从渐增的深度接收信号，通过在所述中心中的所述小面片的任一侧上，对称地增加具有逐渐更大尺寸的面片来扩展所述孔径。该创新技术可以改进1D和2D两种阵列探头的多线性能。

Description

具有可变面片几何结构的超声换能器阵列

技术领域

本发明涉及医用诊断超声系统，并且尤其涉及具有阵列换能器的诊断系统，所述阵列换能器具有分组成面片的元件并且用微束形成器操作。

背景技术

超声阵列换能器，具有多个单独可控的换能器元件的换能器，已经发展出多种配置。环形阵列由环形圈的元件构成，并且非常适合将紧密聚焦的束一直向前——即垂直于换能器元件的平面——传输。1D阵列的元件由单行的元件(或者被连接以一致地运行的多行)构成，其可以垂直于元件的行扫描单个图像平面、方位平面。1.5D阵列包括多行元件，其可以在海拔上对称地操作，以扫描垂直于所述阵列的方位平面，但具有在方位和海拔两者上电子聚焦的束。2D(二维)阵列包括在方位和海拔两个方向延伸的元件，所述元件可以完全独立地操作，以在任意方位或海拔方向聚焦并操纵束。除了环形阵列以外，这些阵列可以被配置为平坦或弯曲取向。本发明针对这样的2D阵列换能器，其可以在方位和海拔两者上操纵并聚焦，以扫描感兴趣的三维体积区域。

二维阵列换能器以及甚至具有大量元件的1D阵列因它们大量的换能器元件而带来问题。由于这些元件中的每个均必须在发射和接收时独立地受控，必须针对每个元件提供单独的信号线。1D阵列可以包括一行100-200个元件，要求100-200个信号线，所述信号线可以被安置在相对小且轻的光探头线缆中，但可能需要用相对少通道的系统束形成器操作。2D阵列可能在一个维度具有100-200行的元件并且在另一个维度具有100-200列的元件，总计几千个个体元件。数千个信号线的线缆对于手持式并且必须由超声医师操纵的探头而言并不实际。本发明的实施方式通过使用被附接到所述2D阵列的微束形成器集成电路，克服了这些问题，所述微束形成器集成电路执行对元件的组(被称为面片)的部分束形成。然后在标准尺寸线缆上将来自每个面片的元件的和信号传导至所述超声系统束形成器，在这里来自每个面片的加和信号被应用到完成所述束形成操作的所述系统束形成器的通道。在所述探头中的微束形成器与所述系统束形成器的所述通道之间，对所述完整束形成操作的这种分割，例如在美国专利5229,933(Larson，III)中所说明，使得能够在所述探头与所述超声系统之间使用具有相对少数目的信号线的线缆。

可以选择和变化被用于从沿扫描线接收回波信号的元件的数目，由此控制所述阵列的有效孔径。非常像光学系统，所述有效孔径中的元件的数目与所述孔径的f数相关。随着从所述阵列紧前方的近场接收回波，仅小数目的元件可以被用于从所述束的浅的深度接收初始回波信号。但是，随着从不断渐增的深度接收回波，可以以均匀的增加在最初使用的元件的任一侧上增加额外的元件，以维持所述孔径的f数以及所述探头对来自更大深度的回波的灵敏度。该动态孔径控制对于1D阵列而言很好理解，但在使用2D阵列或需要多线接收时变得复杂得多。在多线接收中，从针对多重、空间离散的线的换能器元件接收的回波信号针对所述不同的线而被以不同的方式处理，并且多重接收线是在同时产生的。例如，参见美国专利5431167(Savord)。具有针对2D阵列的每个换能器元件的多重平行处理器的微束形成器将极为复杂、昂贵，且受手持式换能器探头中可用的空间约束。但是，对于许多探头而言，尤其是对于2D阵列而言，由于需要在可接受的采集帧速率的时间限度内在体积区域上发射和接收波束，以及声速是不可改变的物理定律，因此多线接收是高度合乎期望的。因此，需要一种能够执行较高阶多线接收同时维持高品质、无伪影性能的技术。

发明内容

根据本发明的原理，一种超声换能器阵列，其用微束形成器操作，以处理来自限定面片的换能器元件的信号。在从近场的接收期间，使用第一面片尺寸，在大多数实施方式中优选为最小面片尺寸。随着从增大的景深接收回波，随着针对来自更大深度的回波的面片接收角度下降，通过将不同的并且优选为逐渐更大尺寸的面片增加到有效孔径而扩展孔径。本发明的实施方式实现了对更高阶多线的接收，而没有伪影和图像亮度的不连续。

附图说明

在附图中：

图1以框图形式图示本发明的2D弯曲阵列换能器和微束形成器探头。

图2为图示部分束和微束形成器的概念的框图。

图3a图示利用使用均匀面片尺寸的2D阵列换能器的多线接收。

图3b图示根据本发明的原理，用使用逐渐更大的面片尺寸的2D阵列换能器的多线接收。

图3c为图3b的图的另一种图示，其高亮显示中间尺寸的面片的束轮廓。

图4图示用于用根据本发明的原理构建的2D阵列换能器进行方位扫描的面片区域。

图5图示用于用根据本发明的原理构建的2D阵列换能器进行海拔扫描的面片区域。

图6图示与不需要多线采集的低通道数系统束形成器一起使用的2D阵列换能器的面片区域。

图7图示根据本发明的原理的用于将2D阵列的各种尺寸的面片耦合到系统束形成器的交叉点开关矩阵。

具体实施方式

首先参考图1，以框图的形式示出了根据本发明的原理构建的超声系统。探头10具有二维阵列换能器12，其在海拔维度弯曲，例如在美国专利7927280(Davidsen)中所示的。所述阵列的元件被耦合到位于所述探头中在所述换能器阵列后面的微束形成器14。所述微束形成器将定时的发射脉冲应用到所述阵列的元件以在期望的方向发射波束，并应用到所述阵列前方的三维像场中的期望焦点。来自所发射的波束的回波被所述阵列元件接收，并被耦合到微束形成器14的通道，所述回波在所述通道处被各自延迟。来自一面片的换能器元件的所述延迟的信号被合并，以形成针对所述面片的部分和信号。如本文中使用的，术语“面片”指这样一组换能器元件，其邻接或一起操作，或者它们的信号被微束形成器组合以形成针对超声系统束形成器的一个信号。在典型的实施方式中，合并是通过将来自所述面片的所述元件的所述延迟的信号耦合到公共总线，而得以完成的，免除了加法电路或其他复杂电路的需要。每个面片的所述总线被耦合到线缆16的导线，所述导线将所述部分和面片信号传导至系统主机。在所述系统主机中，所述部分和信号被数字化并被耦合到系统束形成器22的通道，系统束形成器22适当地延迟每个部分和信号。所延迟的部分和信号然后被合并，以形成相干操纵与聚焦接收束。由信号与图像处理器24处理来自所述3D像场的束信号，以产生2D或3D图像，用于在图像显示器30上的显示。对超声系统参数(例如探头选择、束操纵与聚焦，以及信号与图像处理)的控制是在控制器26的控制下完成的，控制器26被耦合到所述系统的各个模块。在探头10的情况中，该控制信息中的一些是在线缆16的数据线上从所述系统主机提供的。用户借助于控制面板20控制这些操作参数。

图2图示部分加和微束形成器的概念。通过虚线32和34将图2的图分成三个区域。探头10的部件示于线32的左边，所述系统主机的部件示于线34的右边，并且线缆16示于两条线之间。所述探头的二维阵列12被划分成邻接的换能器元件的面片。在图中示出阵列12的所述面片中的五个，每个包括九个相邻的元件。在图中示出针对面片12a、12c和12e的微束形成器通道。面片12a的九个元件被耦合到在DL1指示的所述微束形成器的九个延迟线。类似地，面片12c和12e的九个元件被耦合到在DL2和DL3指示的延迟线。由这些延迟线赋予的延迟为诸多变量的函数，例如所述阵列的尺寸、元件节距、所述面片的间距和尺寸(dimensions)、束操纵的范围，以及其他。所述延迟线组DL1、DL2和DL3每个将来自它们各自面片的元件的信号延迟到针对所述面片的共同时间参照。然后通过各自的加法器Σ，组合来自每组延迟线的九个延迟的信号，以从所述面片的元件形成所述阵列的部分和信号。将每个部分和信号放在单独的总线15a、15b和15c(它们中的每个均被耦合到线缆16的导线)上，其将所述部分和信号传导至所述系统主机。在所述系统主机中，每个部分和信号均被应用到系统束形成器22的延迟线22a、22b、22c。这些延迟线将所述部分和信号聚焦成在系统束形成器加法器22s的输出的公共束。然后将完整形成的束转发到所述信号与图像处理器，用于进一步的处理和显示。尽管图2中的范例被示为9-元件面片，但将认识到，构建的微束形成器系统一般将具有更大数目的元件，例如12、20、48或70个元件或更多。面片的所述元件可以彼此毗邻、隔开，或者甚至混合为棋盘图案，其中“奇”数的元件组合在一个面片中并且“偶”数的元件组合在另一个面片中。所述面片可以为方形、矩形、菱形、六边形或任意其他期望形状。

图3a图示多线采集的问题，该问题可以用本发明的实施方式得以解决。图3a图示接收束轮廓60，像场的面积或体积的轮廓线，其中下至所述场中的深度X下的回波被接收。要由阵列换能器12在所述像场的中心处在所述线的任一侧上接收四个多线R_1A、R_2A、R_1B和R_2B，换能器阵列12在操作上被划分成相等尺寸的五个面片40、42、44、46和48。如由图3a图示的，一组统一尺寸的面片40-48的束轮廓60在所述像场的所述中心中为相对窄的区域。仅最靠近所述场中心的两个多线的最深深度R_1A和R_1B在所述接收束轮廓内。R_1A和R_1B多线的剩余延伸以及外部多线R_2A和R_2B的全部延伸均在所述接收束轮廓之外。结果，针对这些束所接收的信号将是低强度的，得到弱接收的回波信号，在使用这些多线的图像中将仅朦胧地示出所述弱接收的回波信号。产生的伪影将表现为在得到的超声图像中闪烁带的明暗条纹。

在图3b中，将不同尺寸的面片逐渐地增加到所述孔径，以提供对针对所述多线所接收的回波的完全覆盖。中心面片50是最小的，这给予其针对接收的回波的最大接受角以及接收束轮廓62，接收束轮廓62在深度上相对地浅但横向地宽，如在图3b中所示。看到针对该小中心面片的接收束轮廓62覆盖全部四个多线的近场。随着从较大的深度接收回波，在中心面片50任一侧上增加毗邻面片52和54，并且它们覆盖对全部四个多线的中等深度回波的接收，如在图3c中所示。见到以两个较大面片52和54的所述增加获得的束轮廓64A和64B跨四个多线。也见到，来自所述较大面片中每个的所述束轮廓略微转向所述像场的中心，以提供对所扫描区域的完整覆盖。最终，将最外的，还要更大的面片56和58增加到有效孔径。用这些面片获得的接收束轮廓66_A和66_B示于图3b中。见到这些束轮廓延伸到所述像场的最大深度，具有对所述束轮廓中任一个的最小接受角，并且也见到其略微转向所述像场的中心，以提供对正被扫描的区域的完全覆盖。不同尺寸的面片的全部的组合提供对所述像场的完全覆盖，防止从束轮廓外部接收回波，并且得到闪烁的图像伪影。

图3b和图3c仅图示根据本发明的阵列换能器的一维的面片，而图4-图6示出2D阵列12的地形视图，其图示本发明的示范性2D阵列的面片在方位(水平)和海拔(垂直)维度两者中的尺寸。在这些范例中示出的2D阵列12每个均包括方位中的160个元件和海拔中的120个元件，每个2D阵列中总计19200个元件。四个微束形成器ASIC被用于进行针对每个阵列的初始部分束形成。一个ASIC位于阵列的每个象限(如由描绘所述ASIC边界的晕线1-1和2-2指示的)之后。在图4和图5中，由黑线描画所述面片的轮廓。在图4的范例中，有七行面片和十六列面片。看到该完全孔径区36占据小于2D阵列12的全部面积，从而可以针对其他空间不同的扫描线，在所述2D阵列上逐步递增地平移所述孔径，如在本人的美国专利8161817(Savord)中描述的。看到图4中的面片的孔径36在所述2D阵列的左侧，并且然后逐步平移到右侧。

图4的孔径36中的所述面片在所述孔径的中心最小，并且在所述孔径的方位边缘最大。该范例中的每行面片在海拔维度为22个元件高；每个面片因此在海拔上为22个元件。在方位维度中，中心的四个面片在宽度上为三个元件，如由跨中心四列面片的括号70指示的。接下来的最外列的面片72和72’为4个元件宽，并且接下来的列74和74’为5个元件宽。面片列76和76’在海拔上为7个元件，并且面片列78和78’在海拔上为10个元件。接下来的外部列80和80’在海拔上为12个元件，并且在孔径36的海拔限度处的最外列82和82’为14个元件宽。用图4的所述2D阵列的接收将通过首先在最浅深度使用两个或四个小中心面片而开始，然后随着从较大的深度接收回波，而逐渐地在任一侧上开启接下来的毗邻面片，直到全部孔径的面片全部有源且被使用，直到最大的期望接收深度。对面片布置的这种选择非常适合用于扫描一系列平行或略倾斜的平面，每个平面均跨正被成像的体积在方位方向延伸。

如果要在正交方向扫描平面，则可以使用一组平面(其每个均在所述海拔方向延伸)、如在图5中示出的面片布置。图5的2D阵列的有效孔径36具有七列在所述海拔方向延伸的面片，它们在所述方位(图中为水平)方向尺寸均匀。在海拔维度，所述面片尺寸不同于在所述孔径的所述中心——在80处括起的三行面片，它们每个在所述海拔方向均为六个元件高。在行82和82’指示的接下来较外的面片每个为12个元件高，并且接下来的面片84和84’每个为19个元件高。在每个海拔极限处的两个最外行86、88、86’和88’每个为20个元件高。通过以下方式执行扫描：以在所述中心的最小面片80(第一个或全部三个)开始接收，然后从所述中心以对称的对逐渐增加毗邻面片，以扩展所述有效孔径到在最大景深的全孔径36。如用图4的所述2D阵列，可以跨所述阵列在所述方位方向平移图5中的有效孔径36，以扫描所述阵列前方的所述体积区域中的额外扫描线。

图6图示该19200元件2D阵列12用于以仅有七个束形成器通道成像的应用的范例。如图6所示，在有效孔径36中仅有七个面片91-97，每个的部分束形成和信号被耦合到所述超声系统的所述7-通道束形成器的通道。如前文，七个面片的所述有效孔径可以被平移到所述阵列上的各个其他位置。每个面片在该范例中包括1280个元件，在海拔方向的16个元件和在方位方向的80个元件。给配置的孔径一般将不被用于在方位中的多线扫描，而可以被用于在海拔中的低次序多线采集。

图7图示适合于将来自探头微束形成器14的微束形成的信号选择性地耦合到系统束形成器22的通道的交叉点开关矩阵。所述2D阵列换能器的每个元件，例如元件0、元件1、……元件3000均被耦合到微束形成器14的电路14’，其将合适的延迟分到所接收的信号。每个延迟的元件信号均被线112、114、……120传导至电子开关的臂，例如122、124、……126和132、134、……136。所述线上的所述电子开关中的一个被关闭，以将来自该元件的所述信号耦合到选择的系统束形成器通道，例如系统通道0、系统通道1、……系统通道2。通过选择性地关闭所述交叉点开关矩阵中期望的开关，可以将任意延迟的元件信号放在母线102、104，……110上，以与所述母线上的其他信号合计，并且被应用到系统束形成器22的通道，用于所述束形成操作的完成。

尽管本发明的所述应用在所述探头使用2D阵列换能器时尤其合乎期望，但其对于使用1D阵列(其与所述探头中的微束形成器一起操作)的探头也是有利的。可以用具有非常低通道数的超声系统束形成器操作这样的布置，例如在2011年6月30日递交的美国专利申请序列号61/503329(Poland等人)中描述的仅有八个、十个或十二个通道的系统束形成器。本发明的实施方式可以改进具有减少的通道数的系统(例如这些)中的1D阵列/微束形成器探头的多线性能。

Claims (15)

1.一种用于控制超声探头的阵列换能器的孔径的方法，所述阵列的元件被耦合到所述探头中的微束形成器，所述微束形成器对接收的回波信号执行至少部分束形成，包括：

将所述阵列的所述孔径配置成不同尺寸的面片，每个面片包括被耦合到所述微束形成器的一组换能器元件；

用一个或多个第一尺寸的面片的孔径，从浅的景深接收回波；并且

通过扩展所述孔径以增加与所述第一尺寸相比不同尺寸的面片来从较深的景深接收回波。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述阵列换能器还包括二维(2D)阵列的换能器元件；

其中，从浅的景深接收回波还包括用一个或多个相对小尺寸的面片接收回波；并且

其中，从较深的景深接收回波还包括扩展所述孔径，以增加与所述相对小的尺寸相比更大尺寸的面片。

3.如权利要求1所述的方法，其中，从较深的景深接收回波还包括扩展所述孔径，以在第一相对较小尺寸的一个或多个面片的任一侧上增加第二较大尺寸的面片。

4.如权利要求3所述的方法，其中，从较深的景深接收回波还包括关于所述一个或多个相对小尺寸的面片，对称地扩展所述孔径。

5.如权利要求3所述的方法，其中，从较深的景深接收回波还包括扩展所述孔径，以在所述较大尺寸的面片的任一侧上增加最大尺寸的面片。

6.如权利要求2所述的方法，还包括将所述孔径平移到所述2D阵列的不同组的换能器元件。

7.如权利要求2所述的方法，其中，配置还包括在海拔维度配置统一尺寸的面片并在方位维度配置不同尺寸的面片。

8.如权利要求7所述的方法，其中，配置还包括在所述方位维度中在所述孔径的中心配置最小面片，其中，逐渐增大尺寸的面片在所述最小面片的任一侧上延伸到所述孔径在所述最小面片的任一侧上的方位极限。

9.如权利要求2所述的方法，其中，配置还包括在所述方位维度配置统一尺寸的面片并在所述海拔维度配置不同尺寸的面片。

10.如权利要求9所述的方法，其中，配置还包括在所述海拔维度中在所述孔径的中心配置最小面片，其中，逐渐增大尺寸的面片在所述最小面片的任一侧上延伸到所述孔径在所述最小面片的任一侧上的海拔极限。

11.如权利要求1所述的方法，还包括：

用所述微束形成器部分束形成来自所述面片的元件的所述信号；并且

用超声系统束形成器完成对经部分束形成的信号的所述束形成。

12.如权利要求1所述的方法，还包括：

用微束形成器处理来自所述面片的元件的所述信号，以形成面片加和信号；并且

将所述面片加和信号耦合到超声系统束形成器的通道。

13.如权利要求12所述的方法，还包括用交叉点开关将来自所述面片的元件的所述信号耦合到超声系统束形成器的通道。

14.如权利要求12所述的方法，其中，形成面片加和信号还包括将来自所述面片的元件的所述信号耦合到公共总线。

15.如权利要求12所述的方法，其中，处理来自所述面片的元件的所述信号还包括延迟来自所述元件的所述信号。