CN105662461B - 超声探头以及具有超声探头的超声诊断成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超声探头以及具有超声探头的超声诊断成像系统。一种用于提供扩大的视场角(FOV)和扩大的扫描角度的具有可旋转换能器阵列的超声探头包括：换能器，包括换能器阵列，并以预定角度旋转。支撑构件支撑所述换能器，并包括当所述换能器旋转时与所述换能器接触的旋转引导件。

Description

超声探头以及具有超声探头的超声诊断成像系统
技术领域
本公开涉及一种具有可旋转换能器阵列的超声探头以及具有所述超声探头的超声诊断成像系统，所述超声探头可提供扩大的视场角(FOV)以及扩大的扫描角度。
背景技术
超声成像系统将超声信号从对象的表面发送至对象的目标区域并接收从目标区域反射的超声信号(超声回声信号)，以基于接收的超声信号无损地获取关于对象的软组织的切片图像或关于对象的血管的图像。
相比于其他医学成像系统(例如X-射线诊断系统、X-射线计算机断层(CT)扫描仪、磁共振成像(MRI)系统以及核医学诊断系统)，超声诊断系统是紧凑的、低价的装置，并实时显示图像。此外，由于病人不用暴露于诸如X-射线的辐射中，超声诊断系统提高了安全性能。因此，超声诊断系统被广泛用于诊断心脏、腹部、泌尿器官、子宫等。
超声诊断系统包括用于向对象发送超声信号并接收从对象反射的超声信号的超声探头，以获取对象的超声图像。
超声探头包括压电层以根据压电材料的振动将电信号转换为声信号或者将声信号转换为电信号。匹配层减小探头和对象之间的声阻抗的差异使得将探头产生的超声波可被发送至对象。透镜层将从换能器向前移动的超声波聚焦在特定区域。背衬层阻止超声波从换能器向后发送以防止图像失真。
发明内容
本发明构思的一方面提供一种具有扩大的视场角(FOV)和扫描角度的超声探头，以及具有所述超声探头的超声诊断成像系统。
本发明构思的另外的方面将在以下描述中部分提出，并且部分通过描述将是明显的，或者可通过实践本公开以获知。
根据本发明构思的实施例，一种超声探头包括：换能器，包括换能器阵列并以预定角度旋转；支撑构件，当所述换能器旋转时支撑所述换能器。
所述支撑构件可包括旋转引导件，所述旋转引导件与所述换能器接触，所述旋转引导在所述换能器旋转时具有与所述换能器的形状对应的形状。
所述支撑构件可包括与所述换能器接触的辊和轴承中的至少一种。
所述超声探头还可包括线构件，所述线构件向所述换能器传输使所述换能器旋转的能量。所述换能器可包括安装槽，所述线构件插入所述安装槽。
所述支撑构件可包括旋转引导件，所述旋转引导件与所述换能器的所述安装槽接触并且当所述换能器旋转时引导所述安装槽。
所述换能器阵列可垂直于所述换能器旋转的方向延伸。
所述超声探头可具有150度或更大的视场角(FOV)。
所述换能器可具有180度或更大的旋转角度。
根据本发明构思的另一实施例，一种超声探头包括：换能器，包括换能器阵列并以预定角度旋转；至少一个支撑构件，插入所述换能器内部以支撑所述换能器，并在所述换能器旋转时在所述换能器内部与所述换能器连接。
所述换能器可包括至少一个安装槽，所述至少一个支撑构件插入所述安装槽。
所述至少一个安装槽可以呈扇形，并具有180度或更大的中心角度。
所述超声探头还可包括线构件，所述线构件向所述换能器传输使所述换能器旋转的能量。所述换能器可包括安装槽，所述线构件插入所述安装槽。
所述换能器阵列可垂直于所述换能器旋转的方向延伸。
所述超声探头可具有150度或更大的FOV。
所述换能器可具有180度或更大的旋转角度。
根据本发明构思的另一实施例，一种超声诊断成像系统包括：超声探头，所述超声探头将超声波发送至对象，接收对象反射的超声波，并将反射的超声波转换为电信号；主体，通过电缆连接至所述超声探头并包括输入和显示器。所述超声探头包括：换能器，包括换能器阵列并以预定角度旋转；支撑构件，当所述换能器在所述支撑构件上旋转时支撑所述换能器。
附图说明
通过以下结合附图对实施例的描述，本发明构思的这些和/或其他方面将变得明显且更容易理解。
图1示出根据本发明构思的实施例的超声诊断成像系统的外观；
图2示出根据本发明构思的实施例的超声探头的外观；
图3是示出根据本发明构思的实施例的超声探头的内部结构的截面的立体图；
图4是示出图2的下壳体的内部结构的放大视图；
图5是示出根据本发明构思的第一个实施例的换能器和支撑构件的立体图；
图6A和6B示出根据本发明构思的第一个实施例的换能器和支撑构件；
图7A和7B示出了具有延伸至外部的旋转轴的换能器；
图8A和8B示出根据本发明构思的第二个实施例的换能器和支撑构件；
图9是根据本发明构思的第三个实施例的换能器和支撑构件的立体图；
图10A和10B示出根据本发明构思的第三个实施例的换能器和支撑构件；
图11A和11B示出根据本发明构思的第四个实施例的换能器和支撑构件；
图12A和12B示出根据本发明构思的第五个实施例的换能器和支撑构件；
图13A和13B概念性地示出了图7的超声探头的视场角(FOV)和扫面角度；
图14概念性地示出了图7的超声探头的3D成像区域；
图15A和15B概念性地示出根据本发明构思的实施例的超声探头的FOV和扫描角度；
图16概念性地示出了根据本发明构思的实施例的超声探头的3D成像区域。
具体实施方式
现在将详细描述本发明构思的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指示相同的部件。
图1示出根据本发明构思的实施例的超声诊断成像系统的外观。
参照图1，超声诊断成像系统1可包括超声探头“P”，所述超声探头“P”向对象发送超声波，接收对象反射的超声波，并将反射的超声波转换为电信号。连接至超声探头“P”的主体M包括输入540和显示器550，并显示超声图像。
超声探头“P”可通过电缆5连接至超声诊断成像系统1的主体M，以从主体M接收用于控制超声探头“P”的各种信号，或者将与通过超声探头“P”接收的与超声回波信号对应的模拟或数字信号发送至主体M。
超声探头“P”可以是无线探头，所述无线探头通过建立在超声探头“P”和主体M之间的网络从主体M接收信号或者将信号发送至主体M。
电缆5的一端可连接至超声探头“P”，并且电缆5的另一端可包括连接器6，连接器6可拆卸地插入形成于主体M上的多个插槽7中的至少一个。主体M和超声探头“P”可通过电缆5交换控制命令或数据。
例如，如果用户通过输入540输入关于焦点深度、光圈的尺寸或形状、操作角度等的信息，则信息可通过电缆5发送至超声探头“P”并用于发送波束形成和接收波束形成。
当超声探头“P”是无线探头时，无线探头可通过无线网络与主体M交换控制命令或数据，而不需要电缆5。
输入540可允许用户输入用于超声诊断成像系统1的操作的命令。用户可通过输入540输入超声诊断启动命令、用于选择诊断模式的诊断模式选择命令(例如幅度模式(A-模式)、亮度模式(B-模式)、色流模式(C-模式)、多普勒模式(D-模式)以及运动模式(M-模式))或者包括感兴趣区域的尺寸和位置的ROI设置信息。
输入540可包括多种装置，例如键盘、鼠标、轨迹球、平板电脑或者触摸屏模块以用于用户输入输入数据、指令或者命令。
显示器550可显示超声波诊断所需的菜单或指导，以及在超声诊断过程中获取的超声图像。显示器550可显示由图像处理器(未示出)产生的关于对象内部的目标区域的超声图像。显示在显示器550上的超声图像550可以是A-模式超声图像、B-模式超声图像或者3维(3D)超声影像。显示器550可以是多种显示器中的一种，例如阴极射线管(CRT)和液晶显示器(LCD)。
图2示出根据本发明构思的实施例的超声探头的外观，图3是示出根据本发明构思的实施例的超声探头的内部结构的截面的立体图，图4是示出图2的下壳体的内部结构的放大视图。
参照图2，根据本公开的超声探头“P”的壳体110可包括下壳体112、上壳体114和盖壳体116。
下壳体112可包括驱动器120用以驱动下壳体112中的超声探头“P”(见图3)。
驱动器120可沿向前或向后的方向产生能量。参照图4，驱动器120可包括驱动电机122、驱动滑轮124、中间滑轮126和带构件128。
驱动电机122可沿向前或向后的方向产生旋转能量。
驱动滑轮124可以与驱动电机122轴连接。驱动滑轮124可从驱动电机122接收能量，并通过由驱动电机122产生的旋转能量沿向前或向后的方向旋转。
中间滑轮126可与驱动滑轮124分开。中间滑轮126可以可旋转地安装，并通过带构件128从驱动滑轮124接收能量，所述带构件128将能量从驱动滑轮124传输到中间滑轮126。
能量发送器130可与驱动器120链接，以传输能量。能量发送器130可安装在下壳体112和上壳体114中。能量发送器130可包括能量传输滑轮132、线构件134、第一导轮136和第二导轮138。
能量传输滑轮132可从驱动器120接收能量。在示例性的实施例中，能量传输滑轮132可与和中间滑轮126所连接的相同的轴连接，并通过中间滑轮126的旋转而旋转，因此从驱动器120接收能量。能量传输滑轮132可根据中间滑轮126的旋转沿向前或向后的方向旋转。
线构件134可将能量传输滑轮132连接至换能器140。线构件134可包括线134a和销杆134b。
线134a可将能量传输滑轮132连接至换能器140，其中，线134a的一端可连接至能量传输滑轮132，线134a的另一端可连接至换能器140。在示例性的实施例中，线134a可通过一个或更多个形成在隔断壁115上的通孔穿过隔断壁115。线134a可通过能量传输滑轮132的前向或后向的旋转来缠绕或松开能量传输滑轮132以移动换能器140。
销杆134b可围绕线134a固定，并与线134a共同运动。销杆134b可插入隔断壁115的通孔并且当与线134a共同运动时具有足够的长度以固定在通孔内。
在示例性实施例中，一个或更多个油封118可附在与销杆134b接触的通孔的内侧，以紧密连接销杆134b。销杆134b和一个或更多个油封118的紧密连接可将通孔密封以防止包含在上壳体114中的油通过通孔泄漏。
第一导轮136可引导连接至能量传输滑轮132的线构件134的第一方向运动。第一导轮136可与能量传输滑轮132分开并与能量传输滑轮132在相同方向上旋转。在示例性实施例中，第一方向可与能量传输滑轮132的旋转相切。
第二导轮138可沿与第一导轮136不同的方向安装，并引导线构件134的第二方向运动。第二导轮138与第一导轮136分开并在与第一导轮的旋转方向垂直的方向上旋转。在示例性实施例中，第二方向可垂直于第一方向。
随着能量传输滑轮132旋转而缠绕或松开的线构件134可通过第二导轮138在第二方向上运动以移动换能器140。
上壳体114可安装在下壳体112之上，并将换能器140容纳于其中。油可被包含在上壳体114中，使得换能器140浸入上壳体114内部的油中。隔断壁115可被置于下壳体112和上壳体114之间并隔开下壳体112和上壳体114以防止油泄漏入下壳体112内。
盖壳体116可附着于上壳体114的一端。盖壳体116可接触对象，并与上壳体114共同容纳换能器140。
图5是根据本发明构思的第一个实施例的换能器和支撑构件的立体图。图6A和6B示出根据本发明构思的第一个实施例的换能器和支撑构件。图7A和7B示出了具有延伸至外部的旋转轴的换能器。
参照图5至6B，根据本公开的超声探头“P”的换能器140可包括换能器阵列141以产生超声波，以及球形基体145，其中，换能器阵列141安装在球形基体145上。超声探头“P”具有位于换能器140下方的支撑构件160，所述支撑构件160对应于换能器140的形状，以支撑传感器140并允许换能器140的旋转。
具有换能器阵列141的换能器140可以是使用磁性材料的磁致伸缩效应的磁致伸缩超声换能器、使用数百或数千的微机械薄膜的振动来发送和接收超声波的电容性微机械超声换能器(CMUT)或者是使用压电材料的压电效应的压电超声换能器。在以下描述中，换能器140是压电超声换能器。
当机械压力施加在特殊材料上时产生电压的现象被称作压电效应，当电压施加在特殊材料上时发生机械变形的现象被称作逆压电效应。具有压电效应和逆压电效应的材料是压电材料。即，压电材料可将电能转换为机械振动能量，或者反之亦然。
超声探头“P”可包括由压电材料构成的换能器阵列141，所述压电材料将电信号转换为机械振动以产生超声波。组成换能器阵列141的压电材料可以是锆钛酸铅陶瓷(PZT)、单晶体的铌镁酸铅(PZMT)和钛酸铅(PZNT)的固溶体。换能器阵列可以是1-维(1D)的或2-维(2D)的阵列。由于超声探头“P”可通过机械旋转换能器阵列141获得3D图像，所以换能器阵列141可以是1D阵列。
由于超声探头“P”通过在旋转换能器阵列141的同时发送和接收超声波来获取对象的体数据，因此球形基体145(换能器阵列141安装在球形基体145上)可具有可旋转的形状，使得换能器阵列141可旋转。如图5至图6B所示，基体145可具有球形或接近球形，尽管它在制造过程中偏离了完整的球形。换能器阵列141可围绕基体145的前部设置。由于基体145具有球形，因此围绕着基体145设置的换能器阵列141可具有曲面。超声探头“P”包括延伸出基体145的固定的轴用以旋转换能器140，并因此，如图5至6B，具有相对大的尺寸的换能器阵列141可围绕着基体145设置。参照图7A和7B，由于换能器阵列141以直角向着基体145旋转的方向延伸，因此当旋转轴“r”延伸出基体145并且支撑构件“S”支撑旋转轴“r”时，换能器阵列141的尺寸受旋转轴“r”限制。即，如果换能器阵列141的尺寸“a”超过参考尺寸，则换能器阵列141将与旋转轴“r”相抵触。如图7A和7B所示的包括换能器140的超声探头“P”由于换能器阵列的尺寸“a”的限制而不能具有大于180度的FOV。因此，超声探头“P”具有大约150度的FOV。
然而，由于如图5至图6B所示的根据本公开的换能器140包括延伸至基体145外的固定轴，因此换能器阵列141可具有相对大的尺寸。因此，根据本公开的超声探头“P”可具有大于180度的FOV，因此针对相关较宽的扫描区域而获得3D体数据。
如图5至图6B所示，支撑构件160可具有一个或更多个与基体145的曲面对应的曲面以在接触基体145的同时支撑基体145并引导基体145的旋转。支撑构件160的曲面被称作旋转引导件161。
基体145可由支撑构件160支撑，并通过由驱动器120(见图3)施加至基体145的能量在支撑构件160上旋转。如图5所示，基体145可包括安装槽146，其中，线构件143安装在安装槽146中。安装槽146可以是形成在两个突起147之间的空间。沿着安装槽146的两侧，接触表面148可接触支撑构件160的旋转引导件161。当能量通过线构件134传输至基体145时，基体145的接触表面148在接触旋转引导件161的同时可沿着旋转引导件161以顺时针或逆时针方向旋转，使得基体145旋转。
以下，支撑构件160的多种结构和根据支撑件160的多种结构的换能器140的旋转将更详细地描述。
图8A和8B根据本发明构思的第二个实施例的换能器和支撑构件。根据第二个实施例，支撑构件160还可包括一个或更多个摩擦减小装置163，例如轴承或者辊，以减小基体145的接触表面148和旋转引导件161之间的摩擦力。因此，基体145可使用更少的能量更顺畅地旋转。
然而，摩擦减小装置163可以是任意其他可以减小旋转引导件161和接触表面148之间的摩擦力的结构，而不是轴承和辊。图8A和8B中示出的摩擦减小装置163的形状和数量是示例，并且不限于此。
图9是根据本发明构思的第三个实施例的换能器和支撑构件的立体图，图10A和10B示出根据本发明构思的第三个实施例的换能器和支撑构件。
根据第三个实施例，支撑构件160可构造有两个分离的主体，不同于根据第一个实施例的形成为一个主体的支撑构件160。如图9至图10B所示，支撑构件160可具有与基体145的曲面148对应的曲面，以在接触基体145的同时支撑基体145并引导基体145的旋转。支撑构件160的曲面被称作旋转引导件161。
基体145可由支撑构件160支撑，并通过由驱动器120(见图3)施加至基体145的能量在支撑构件160上旋转。如图9所示，基体145可包括安装槽146，其中，线构件143安装在安装槽146中。安装槽146可以是两个突起147之间的空间。沿着安装槽146的两侧，接触表面148可接触支撑构件160的旋转引导件161。当能量通过线构件134传输至基体145时，基体145的接触表面148可在接触旋转引导件161的同时沿着旋转引导件161以顺时针或逆时针方向旋转，使得基体145旋转。尽管在图9至10B中未示出，但一个或更多个诸如轴承或辊的摩擦减小装置163可分别安装于支撑构件160上，类似于第二个实施例(见图8A和8B)。即，两个支撑构件160还可包括一个或更多个如轴承或辊的摩擦减小装置163，以减小滚动引导161和基体145的接触表面148之间的摩擦力。因此，基体145可使用更少的能量更顺畅地旋转。
然而，摩擦减小装置163可以是可以减小支撑构件160的旋转引导件161和基体145的接触表面148之间的摩擦力任意其他结构，而不是轴承和辊。根据第一至第三个实施例的支撑构件160的旋转引导件161可由低摩擦材料制成，或者旋转引导件161的表面可涂有低摩擦材料，以减小与基体145的接触表面148的摩擦力。
图11A和11B示出根据本发明构思的第四个实施例的换能器和支撑构件，图12A和12B示出根据本发明构思的第五个实施例的换能器和支撑构件。
如图11A和11B所示，根据本发明构思的第四个实施例的支撑构件160可部分插入换能器140。基体145可包括安装槽146，其中支撑构件160插入安装槽146中。插入安装槽146的支撑构件160可具有杆形状。当支撑构件160插入安装槽146时，支撑构件160可通过设置在支撑构件160的端部的旋转轴连接至基体145。
基体145可相对于插入安装槽146的支撑构件160的旋转轴以顺时针或逆时针方向旋转。安装槽146可具有扇形，以使得基体145可旋转。安装槽146的中心角可根据基体145的旋转的预期角度确定。
如图11A和11B所示，两个支撑构件160可插入基体145。为使两个支撑构件160插入基体145，两个安装槽146可形成在基体145上。图11A和11B示出了两个支撑构件160插入基体145，然而，三个或更多个支撑构件可插入基体145。在这种情况下，三个或更多个安装槽146可形成在基体145上以与支撑构件的数量对应。
参照图12A和12B，单一支撑构件160可插入基体145。根据以上描述的实施例，由于能量发送器130安装在其中的安装槽146沿着基体145的中心设置，因此当单一支撑构件160插入基体145时，形成于基体145上的安装槽146可偏离基体145的中心。
根据以上描述的实施例，通过移除延伸至基体145的外部的旋转轴“r”，可增加配置换能器阵列141的部件的数量，使超声探头“P”的FOV增大。
如果旋转轴“r”延伸至基体145外部，并且支撑构件“S”支撑旋转轴“r”，则基体145的旋转角度会受到限制。然而，根据以上描述的实施例，由于基体145的旋转角度不受限制，因此换能器阵列141的扫描角度也可增大。
同样，根据以上描述的实施例，由于根据换能器阵列141的尺寸的FOV和根据换能器140的旋转角度的扫描角度可增大，因此由FOV和旋转角度确定的3D体成像区域也可增大。
图13A和13B分别概念性地示出了图7A和图7B的超声探头的FOV和扫面角度，图14概念性地示出了图7A和图7B的超声探头“P”的3D成像区域，图15A和15B概念性地示出根据本发明构思的实施例的超声探头的FOV和扫描角度，图16概念性地示出根据本发明构思的实施例的超声探头“P”的3D成像区域。
如果旋转轴“r”延伸至基体145外侧，则换能器阵列尺寸“a”会受到旋转轴“r”限制，并且换能器140的旋转角度也会受到限制。然而，在根据以上描述的实施例的超声探头“P”中，换能器阵列141的尺寸和换能器140的旋转角度与旋转轴“r”延伸至基体145外部时相比可增大。因此，如图13A至15B所示，根据以上描述的实施例的超声探头“P”的FOV和扫描角度与旋转轴“r”延伸至基体145外侧相比可增大。
参照图14和16，根据实施例的超声探头“P”的3D成像区域VI(见图16)大于旋转轴“r”延伸至基体145外侧时的3D成像区域VI(见图14)。
如以上所描述的，根据本公开的超声探头可提供扩大的FOV。
此外，换能器的旋转角度可增加，使3D成像区域更宽。
尽管本发明构思的示例性实施例已被示出和描述，但本领域技术人员可理解，在不脱离本公开的原理和精神的情况下可在这些实施例中做出改变，本公开的范围由权利要求和其等同物限定。

Claims (11)

1.一种超声探头，包括：
换能器，包括其上设置换能器阵列的球形基体，所述换能器通过所述球形基体的旋转以预定角度旋转；
支撑构件，当所述换能器在所述支撑构件上旋转时支撑所述换能器，
其中，所述球形基体的旋转轴线和所述支撑构件彼此间隔开，
其中，所述换能器阵列以具有大于180度的视场角的尺寸沿所述球形基体的外表面弯曲地设置，并且，
其中，所述换能器阵列在垂直于所述球形基体的旋转方向的方向上在所述球形基体上延伸并覆盖所述球形基体的旋转轴线。
2.根据权利要求1所述的超声探头，其中，所述支撑构件包括旋转引导件，所述旋转引导件与所述换能器接触，所述旋转引导件在所述换能器旋转时具有与所述换能器的形状对应的形状。
3.根据权利要求2所述的超声探头，其中，所述旋转引导件包括与所述球形基体接触的辊或轴承。
4.根据权利要求1所述的超声探头，还包括线构件，所述线构件向所述换能器传输使所述换能器旋转的能量，
其中，所述换能器包括安装槽，所述线构件插入所述安装槽。
5.根据权利要求4所述的超声探头，其中，所述支撑构件包括旋转引导件，所述旋转引导件与所述换能器的所述安装槽接触并且当所述换能器旋转时引导所述安装槽。
6.根据权利要求1所述的超声探头，其中，所述换能器具有180度或更大的旋转角度。
7.一种超声探头，包括：
换能器，包括其上设置换能器阵列的球形基体，所述换能器通过所述球形基体的旋转以预定角度旋转；
至少一个支撑构件，具有杆形状，插入所述球形基体以支撑所述换能器，并在所述球形基体的旋转轴线上与所述球形基体连接，
其中，所述换能器阵列以具有大于180度的视场角的尺寸沿所述球形基体的外表面弯曲地设置，
其中，所述换能器阵列在垂直于所述球形基体的旋转方向的方向上在所述球形基体上延伸并覆盖所述球形基体的旋转轴线。
8.根据权利要求7所述的超声探头，其中，所述换能器包括至少一个安装槽，所述至少一个支撑构件插入所述安装槽。
9.根据权利要求8所述的超声探头，其中，所述至少一个安装槽呈具有180度或更大的中心角度的扇形。
10.根据权利要求7所述的超声探头，其中，所述换能器阵列垂直于所述换能器旋转的方向延伸。
11.根据权利要求7所述的超声探头，其中，所述换能器具有180度或更大的旋转角度。
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