CN108027437A - 具有宽深度和详细查看的超声系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对包括感兴趣区域的体积区域进行成像的超声系统，包括：具有CMUT换能器的阵列的探头，所述CMUT换能器适于在体积区域上在可变频率范围中操纵超声波束；波束形成器，其耦合到所述阵列并且适于控制超声波束操纵并提供所述体积区域的超声图像数据；换能器频率控制器，其耦合到所述波束形成器并且适于改变频率范围内的CMUT换能器的操作频率，所述频率控制器被布置为将操作频率设置为针对在所述体积区域中操纵的超声波束的第一频率；响应于超声图像数据的图像处理器，其适于基于所述超声图像数据产生超声图像。所述系统还包括使得能够基于所述超声图像数据识别感兴趣区域的感兴趣区域(ROI)识别器，其中，所述识别器适于生成指示所述体积区域内的感兴趣区域的识别数据；其中，所述换能器频率控制器还适于基于所述识别数据将所述操作频率设置为针对所述感兴趣区域内操纵的超声波束的第二频率，所述第二频率高于所述第一频率。

Description

具有宽深度和详细查看的超声系统
技术领域
本发明涉及一种用于对包括感兴趣区域的体积区域进行成像的超声系统，包括：探头，其适用于进行腔内成像，并且具有适于在体积区域上在可变频率范围中操纵超声波束的CMUT换能器的阵列；波束形成器，其耦合到所述阵列并且适于控制超声波束操纵并提供所述体积区域的超声图像数据；换能器频率控制器，其耦合到所述波束形成器并且适于在所述频率范围内改变所述CMUT换能器的操作频率，所述频率控制器被布置为针对在所述体积区域中操纵的超声波束将所述操作频率设置为第一频率；响应于超声图像数据的图像处理器，其适于所述基于超声图像数据产生超声图像。
本发明还涉及使用这样的超声系统对体积区域进行可变频率超声成像的方法。
背景技术
根据WO2015028314A1知晓了一种具有CMUT换能器探头的超声成像系统。该探头包括具有CMUT单元的阵列，所述CMUT单元被布置为以以下模式中的任一个模式操作：常规模式，其中，在CMUT单元的操作期间，DC偏置电压将单元的CMUT膜设置为在单元底板上方自由振动；以及塌陷模式，其中，在CMUT单元的操作期间，DC偏置电压将单元的CMUT膜设置为塌陷到单元底板。DC偏置电压的增加实现在塌陷模式中的操作期间CMUT单元的频率响应的中心频率的增加，并且DC偏置电压的降低实现在塌陷模式中的操作期间CMUT单元的频率响应的中心频率的降低。根据身体的体积区域被成像的频率，可以针对不同的临床应用选择DC偏置电压。
存在对进一步利用CMUT技术的观点的新的成像技术的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种超声系统，其实现超声成像的改进的能力。
该目的根据本发明通过提供使得能够基于超声图像数据识别感兴趣区域的感兴趣区域(ROI)识别器以及耦合到探头和ROI识别器的驱动机构来实现，其中，所述识别器适于生成指示所述体积区域内的所述感兴趣区域的识别数据；其中，换能器频率控制器还适于基于所述识别数据针对在所述感兴趣区域内操纵的所述超声波束将操作频率设置为第二频率，所述第二频率高于第一频率，并且其中，所述驱动机构被布置为基于识别数据来移动探头，从而使得能够减小探头与ROI之间的距离。
本发明使用CMUT换能器的可变频率能力来提供新的成像技术，所述成像技术允许增加所识别的感兴趣区域内的超声波束的频率。一旦通过ROI识别器在超声数据中识别出ROI，换能器频率控制器增加ROI被定位于的体积区域的部分中的波束频率。此外，系统允许腔内探头相对于体积区域被移动，从而通过根据所识别的ROI在区域内的位置相对于体积区域自动调整探头的位置，来在超声成像期间为用户提供额外的灵活性。如果所识别的ROI与探头之间的距离大于声学波束在选定的增加的频率处的穿透深度，则系统可以布置驱动机构以将探头移动为更靠近ROI，使得能够产生具有增加的波束频率的ROI的细节视图。
在实施例中，波束形成器提供在体积区域内具有相对低的空间分辨率并且在感兴趣区域内具有相对高的空间分辨率的超声图像数据。
在该实施例中，在感兴趣区域上发送的波束频率的增加允许波束形成器接收源自于ROI的较高频率回声信号；因此，提供所识别的ROI的更高分辨率的超声数据。与现有技术系统相比，本发明的超声系统能够在超声扫描期间接收关于体积区域的更详细的超声信息。
在另外的实施例中，图像处理器基于低空间分辨率数据产生体积区域的宽泛视图并且基于高空间分辨率数据产生感兴趣区域的细节视图。
声波衰减随着增加的频率而增加。因此，产生具有较大穿透深度但具有减小的空间分辨率的体积区域的宽泛视图以及在宽视场内的详细场视图能够是有益的，其中，可以以较高的空间分辨率对ROI进行成像。本发明的优点是在单次超声扫描期间可以使用相同的CMUT换能器阵列产生两者视场。
在另一实施例中，超声系统还包括耦合到图像处理器的图像显示器，所述图像显示器显示体积区域的宽泛视图和感兴趣区域的细节视图。
两者视场可以作为单独的超声图像彼此紧邻地显示给用户，或者作为一幅超声图像在空间配准中显示给用户。
在又一实施例中，超声系统还包括用户接口，所述用户接口耦合到ROI识别器并且响应于体积区域内的ROI的手动选择。
这为用户给出了手动选择要由ROI识别器识别的ROI的机会。任选地，用户接口也可以耦合到频率控制器，使得用户也可以对应地选择在体积区域内和在感兴趣区域内操纵的波束的相对低和高的频率。
在另外的实施例中，阵列是二维阵列或一维阵列。
根据阵列的设计，超声系统可以提供体积区域的三维超声图像或二维超声图像(2D切片)。
附图说明
在附图中：
图1图示了根据本发明的原理的用于对体积区域进行可变频率成像的超声系统；
图2图示了由DC偏置电压控制并由射频驱动信号驱动的CMUT单元；
图3a-3d示出了在本发明的实施方式中应用的塌陷模式CMUT操作的原理；
图4图示了在塌陷模式中操作的这样的CMUT单元的声学性能的等值线图；
图5图示了利用在感兴趣区域的外部的体积区域内操纵的超声波束的相对较低的频率以及在感兴趣区域内操纵的超声波束的相对高的频率对体积区域的扫描；
图6a-b图示了体积区域的超声图像以及包括感兴趣区域的细节视图的体积区域的宽泛视图的显示；
图7a-b图示了使用适于相对于体积区域移动的腔内探头以可变波束频率对体积区域的扫描；
图8图示了利用根据本发明的原理的腔内探头获得的超声图像的显示；
图9图示了根据本发明的用于对包括感兴趣区域的体积区域进行成像的超声系统；
图10图示了本发明的可变频率图像采集的基本原理的工作流程；并且
图11图示了根据本发明的用于可变频率图像采集的工作流程。
具体实施方式
图1示意性并且示范性地示出了根据本发明的原理的用于对体积区域进行可变频率成像的超声系统100。探头10可以包括可变频率超声换能器(例如电容式微机械超声换能器(CMUT))的阵列14。该阵列14可以是二维阵列或一维阵列。阵列的CMUT在体积视场131(图5)(包括体积区域)上发送在可变频率范围中的超声波束，并且响应于发送的波束而接收回声。阵列14换能器的换能器耦合到波束形成器64，所述波束形成器控制对由阵列换能器14的CMUT发送的超声波束的操纵。波束形成器还对由换能器接收的回声进行波束形成。波束可以从换能器阵列14直接向前(正交于换能器阵列14)被操纵，或者针对更大的视场以不同的角度操纵。任选地，超声系统可以具有多个微波束形成器(未示出)，每个微波束形成器将个体换能器的组与波束形成器64耦合。微波束形成器(子阵列波束形成器)对来自换能器的组的信号进行部分波束形成，从而减少将探头和主采集系统耦合的信号通道量。微波束形成器优选地以集成电路形式被制造并且被定位于阵列换能器附近的探头10的壳体中。探头10还可以包括位置传感器52，所述位置传感器将指示探头10的位置的信号提供给换能器位置检测器54。传感器52可以是磁性的、电磁的、射频的、红外的或其他类型的传感器。
由微波束形成器产生的部分波束形成信号被转发到波束形成器64，在波束形成器64中，来自换能器的个体组的部分波束形成信号被组合成完全波束形成信号。超声系统100还包括耦合到CMUT阵列14和波束形成器64(或任选地耦合到多个微波束形成器)的换能器频率控制器62。频率控制器62经由调节阵列14中的每个CMUT换能器的谐振频率来控制发送和接收的超声波束的频率，如将在下面更详细描述的。完全波束形成信号(即，沿波束的相干回声信号)表示超声图像数据，所述超声图像数据通过由信号处理器66进行滤波、幅度检测、多普勒信号检测和其他过程来处理。超声数据然后由图像处理器68处理成探头的坐标系(例如，r、θ、)中的超声图像信号。超声图像信号还可以通过图形处理器74转换为期望的超声图像格式(例如，x、y、z笛卡尔坐标)并且被显示在显示器18上。
感兴趣区域识别器72耦合到图像处理器68，并且基于对超声图像数据的分析适于生成指示体积视场131内的感兴趣区域82’(ROI)的识别数据。图像处理器68和ROI识别器72两者可以是一个图像分析单元68’的部分。超声成像系统100可以由用户接口38控制。具体地，用户接口38可以连接到ROI识别器72或者直接连接到图像分析单元68’，从而允许基于显示在显示器上的超声图像来手动选择ROI 82’。此外，用户经由用户接口38还在用户希望ROI被成像的阵列的可变频率范围内选择期望的频率。通过图像分析单元68’将识别数据的形式的该用户输入(例如体积视场131内的ROI 82’的位置和尺寸以及期望的ROI成像频率)传递到换能器频率控制器62。在本实施例中，在ROI识别器与图像处理器68之间交换用户识别的参数，其中，图像处理器基于由ROI识别器提供的生成的识别数据来计算ROI82’和在体积视场131中围绕所识别的ROI的体积区域132的坐标。换能器频率控制器62响应于由ROI识别器72生成并由图像处理器68处理的识别数据。换能器频率控制器62与波束形成器一起调节体积视场131中围绕所识别的ROI的体积区域132内操纵的波束的频率。波束形成器和换能器频率控制器可以被设计为组合频率变化和波束形成能力的一个可变频率波束形成器单元64’。在备选实施例中，微波束形成器可以与换能器频率控制器62一起组合为可变频率波束形成器单元64’，并且可以被定位于探头的壳体内。
根据本发明，使用适于在塌陷模式中操作的CMUT换能器来提供超声系统的成像频率的变化。CMUT技术允许通过改变偏置电压来调谐成像频率。该频率范围在宽的范围上延伸，并且在该范围的顶部上，在每个频率处也存在相当部分靠近于100％的带宽。该大的频率可变性允许在穿透和分辨率的大范围上进行成像。
本发明的CMUT换能器阵列14包括多个CMUT单元(换能器)。每个CMUT单元103通常包括悬浮在硅衬底112上方的柔性膜或膜片114，之间具有间隙或腔118。顶部电极120被定位于膜片114上并与膜片一起移动。在该范例中，底部电极被定位于衬底112的上表面上的单元的底板上。可以考虑电极120设计的其他实现方式，诸如电极120可以被嵌入在膜114中，或者其可以作为额外的层沉积在膜114上。在该范例中，通过非限制性范例，底部电极122被圆形地配置并且嵌入在衬底层112中。在例如衬底层112上的其他合适的布置，例如底部电极122的其他电极形状和其他位置，使得底部电极112直接暴露于间隙118或通过电绝缘层或薄膜与间隙118分离以防止顶部电极120与底部电极122之间的短路。此外，膜层114相对于衬底层112的顶部面被固定，并且被配置和定尺寸从而定义膜层114与衬底层112之间的球形或圆柱形腔118。注意，为了避免疑义，在图2中，底部电极122通过非限制性范例被接地。其他布置当然同样可行，例如接地的顶部电极120或者顶部电极120和底部电极122两者浮动。
单元100及其腔118可以呈现备选几何结构。例如，腔118可以呈现矩形或正方形截面、六边形截面、椭圆形截面或不规则截面。本文中，参考CMUT单元103的直径应理解为单元的最大横向尺度。
底部电极122可以在其面向腔的表面上利用另外的层(未示出)来绝缘。优选的电绝缘层是在衬底电极122之上和膜电极120之下形成的氧化物-氮化物-氧化物(ONO)电介质层，但是应该理解，可以预期用于该层的任何电绝缘材料。ONO电介质层有利地减少电极上的电荷积聚，所述电荷积聚导致装置不稳定性和声学输出压力的漂移和减小。
Klootwijk等人于2008年9月16日递交的题为“Capacitive micromachinedultrasound transducer”的欧洲专利申请EP 2326432A2中详细讨论了CMUT上的ONO-电介质层的范例制造。ONO电介质层的使用对于预塌陷的CMUT是期望的，与利用悬浮膜操作的CMUT相比，其更易受电荷保留影响。所公开的部件可以由CMOS兼容材料(例如，Al、Ti、氮化物(例如，氮化硅)、氧化物(各种等级)、四乙基氧硅烷(TEOS)、多晶硅等)来制造。在CMOS制造中，例如，可以通过化学气相沉积来形成氧化物层和氮化物层，并且通过溅射工艺沉积金属化(电极)层。
合适的CMOS工艺是LPCVD和PECVD，后者具有低于400℃的相对低的操作温度。用于产生所公开的腔118的示范性技术涉及在添加膜层114的顶部面之前在膜层114的初始部分中定义腔。其它制造细节可以在美国专利6328697(Fraser)中找到。
在图2中，圆柱形腔118的直径大于圆形地配置的电极板122的直径。电极120可以具有与圆形地配置的电极板122相同的外径，尽管不需要这样的一致性。因此，膜电极120可以相对于膜层114的顶部面被固定，从而与下面的电极板122对齐。CMUT单元100的电极提供设备的电容板，并且间隙118是电容器的板之间的电介质。当膜片振动时，板之间的电介质间隙的变化的尺度提供了变化的电容，所述变化的电容作为CMUT单元100对接收的声学回声的响应而被感测。
通过利用电压源45向电极施加静态电压(例如，DC偏置电压)来控制电极之间的间距。电压源45被实施到换能器频率控制器62中并提供其频率控制能力。阵列14的换能器中的每个可以具有单独的电压源或共享在换能器频率控制器62中实施的若干电压源。电压源45还可以任选地包括用于分别提供CMUT单元103的驱动电压的DC和AC或刺激分量的单独的级102、104。第一级102可以适于生成静态(DC)电压分量，并且第二级104可适于生成具有设置交变频率的交变可变电压分量或刺激，所述信号通常是整体驱动电压与其上述静态分量之间的差异。所施加的驱动电压的静态或偏置分量优选地满足或超过用于迫使CMUT单元103进入其塌陷状态的阈值电压。这具有如下优点：第一级102可以包括相对大的电容器，例如平滑电容器，以便生成整体电压的特别低噪声的静态分量，所述静态分量通常主导整体电压，使得整体电压信号的噪声特性将由该静态分量的噪声特性主导。电压源45的其他合适的实施例应该是显而易见的，例如其中电压源45包含三个分立的级的实施例，所述三个分立的级包括用于生成CMUT驱动电压的静态DC分量的第一级、用于生成驱动电压的可变DC分量的第二级以及用于生成信号的频率调制或刺激分量的第三级，例如，脉冲电路等。总之，电压源45可以以任何合适的方式实施。
如本身已知的，通过施加高于特定阈值的静态电压，CMUT单元103被迫使进入塌陷状态中，在所述塌陷状态中膜114塌陷到衬底112上。该阈值可以取决于CMUT单元的精确设计并且被定义为在偏置电压的施加期间膜114通过范德华力粘附到(接触)单元底板的DC偏置电压。膜114与衬底112之间的接触的量(面积)取决于施加的偏置电压。增加膜114与衬底112之间的接触面积增加了膜114的谐振频率，如将借助于图3a-d更详细解释的。
塌陷模式CMUT单元103的频率响应可以通过在塌陷之后调节被施加到CMUT电极的DC偏置电压来改变。结果，当较高的DC偏置电压施加到电极时，CMUT单元的谐振频率增加。这种现象背后的原理如图3a和3b图示的。图3a和图3c的截面视图在每个图示中通过膜114的外部支撑物与膜开始接触腔118的底板的点之间的距离D1和D2以一维方式对此进行了图示。可以看出，在图3a中，当施加相对低的偏置电压时，距离D1是相对长的距离，而由于更高的偏置电压被施加，图3c中的距离D2是更短得多的距离。这些距离可以与通过端部被保持、然后弹拨的长和短弦相比较。长而松弛的弦在弹拨时相比于较短的较紧的弦将以低得多的频率振动。类似地，图3a中的CMUT单元的谐振频率将低于经受较高的下拉偏置电压的图3c中的CMUT单元的谐振频率。
该现象也可以从图3b和3d的二维图示中意识到，因为其实际上是CMUT膜的有效操作面积的函数。当膜114刚刚接触CMUT单元的底部(如图3a所示)时，单元膜114的非接触(自由振动)部分的有效振动面积A1是大的，如图3b所示。中心17中的小孔表示膜的中心接触区域。大面积的膜将以相对低的频率振动。该区17是塌陷到CMUT单元的底板的膜114的区。但是，当膜被更高的偏置电压拉入更深的塌陷中(如图3c所示)时，更大的中心接触区17’导致较小的自由振动面积A2，如图3d所示。该较小的面积A2将以比较大的A1面积更高的频率振动。因此，随着DC偏置电压降低，塌陷CMUT单元的频率响应降低，并且当DC偏置电压增加时，塌陷CMUT单元的频率响应增加。
图4示出了作为所施加的DC偏置电压的函数的在塌陷模式中的典型CMUT单元103的声学压力输出的等值线图，所述DC偏置电压包括在传输期间的恒定频率的AC调制或频率调制形式的刺激。对应的脉冲长度是施加的频率的一半。如能够从该等值线图看出的，当CMUT单元103在固定或静态电压(例如，静态值的DC偏置电压)下操作时，仅针对频率的小范围获得最优的声学性能。然而，当以相关的方式改变偏置电压和对偏置电压信号的频率调制时，如等值线图中的虚线指示的，CMUT单元103的最优声学性能可以在更大得多的频率范围上实现，从而增加在包括CMUT单元103的超声探头的发送模式中生成的超声脉冲(或脉冲串)的有效带宽。因此，频率可以在以下频率范围中变化：从7到17MHz，如在该范例中；3至10MHz；或者甚至跨从2MHz到15MHz的更大的频率范围。
这可以返回参考图3a和图3d来理解，图3a和图3d解释了处于塌陷状态中的CMUT单元103的谐振频率是施加的(DC)偏置电压的函数。通过在通过施加具有适当设置频率的刺激来生成特定设置频率的超声波脉冲时调节所施加的偏置电压，可以生成不同频率的脉冲，从而针对每个脉冲频率呈现CMUT单元103的(接近)最优声学性能。因此这在成像谱的大带宽上确保(接近)最优的成像分辨率。
声波衰减随着增加的频率而增加，而超声图像分辨率随着增加的频率而降低。例如，下表中给出了组织中两周期脉冲的典型深度和轴向分辨率：
为了合理地满足最优和穿透需要，针对多数诊断应用的频率范围是2至15MHz。当遇到增加的深度(例如，感兴趣区域被定位于身体的较深处)或高衰减(例如，在经颅研究中)时，该范围的较低部分是有用的。频率范围的较高部分在需要少量穿透时(例如在对乳房、甲状腺或浅表血管成像中或在儿科成像中)是有用的。在大多数大患者中，3-5MHz是一个令人满意的频率，而在瘦患者和儿童中，常常可以使用5MHz和7.5MHz。高于15MHz的较高频率范围可以使用腔内(血管内)探头(诸如，IVUS、ICE、FL-ICE)提供高分辨率成像。这些探头可以更靠近于身体腔、血管等内部的ROI被定位。
本发明提供了使用CMUT换能器的单个阵列14的宽频率范围中的可变频率超声成像的独特组合。
图5图示了具有相对于ROI 82’的固定探头位置的本发明的基本原理。探头10被用于采集体积视场131的超声图像。换能器频率控制器62响应于感兴趣区域识别器72设置在体积视场131内操纵的超声波束的相对低的频率，以及在围绕所识别的ROI 82’的体积区域132内操纵的超声波束的相对高的频率。通过波束形成器处理由CMUT接收的回声，所述波束形成器提供在ROI的外部的体积区域内具有相对低的空间分辨率并且在感兴趣区域内具有相对高的空间分辨率的体积区域的超声图像数据。在图像处理器68中处理这些超声数据，其中，产生基于低空间分辨率数据的体积区域的宽泛视图80和基于高空间分辨率数据的感兴趣区域82的细节视图132’，如图6中所示。围绕所识别的ROI 82的体积区域132的细节视图132’还可以包括被定位于探头与ROI之间的区的图像133。
图6图示了以相对于彼此在空间配准中的宽泛视图80和细节视图132’向用户显示的2D超声图像的显示99。在细节视图132’中以增加的成像频率显示选定的ROI 82’的表示82。由于具有相对高频率的超声波束的穿透深度与具有相对低频率的超声波束的穿透深度相比减小，因此相对高频率范围的上频率限制将由ROI被定位的深度(到探头的距离)限制，并且在其计算期间将由图像处理器68考虑。系统100可以首先采集具有相对低波束频率的体积视场的超声数据，因此提供体积区域的周围背景，并且在其识别时进一步“放大”为ROI82。如图6c图示的，ROI 82的细节视图132’可以紧邻先前采集的宽泛视图80实时更新，并针对背景被显示。
备选地，ROI 82的细节图132’和宽泛视图80可以彼此紧邻地被显示。在心脏成像期间的心脏病学应用中，超声图像的显示和采集可以通过ECG门控与心脏周期同步。
在CMUT阵列14是线性阵列的情况下，换能器频率控制器62可以利用不同的频率来寻址(驱动)个体换能器单元103，使得ROI以高频率被成像并且其他元件保持在低频率处。利用线性阵列采集的代表性图像如图6b所示。
嵌入的实时高频率细节视图132’图像与实时低频率宽泛视图80图像同时被生成。这具有这样的优点，即周围背景仍然以相对较高的深度实时被成像(尽管处于较低的分辨率处)，以允许例如在ROI的周围出现的工具的取向和导航。如果CMUT阵列14是如图6a和图6c所示的相控阵列，则还能够获得类似的图像。在相控阵列情况下，波束形成被执行，使得对于构成图像的每条线，选择针对所有换能器的适当频率，使得高频细节视图132’图像嵌入在包含较低频率线的宽泛视图80图像中。如果两者视图：ROI 82的细节视图132’和宽泛视图80被实时更新，则包括相控阵列的系统可以首先以低频连续地采集体积视场131的所有线，并且然后以较高的频率采集围绕所识别的ROI 82的体积区域132的所有线。所采集的视图还可以交错或内插到一幅超声图像中。这在图6c中被图示。在备选采集工作流程中，宽泛视图80被更新为超过细节视图132’，其中，被显示给用户的得到的图像被图示在图6a中。前者具有实时查看整个体积的优点，例如，以跟踪介入设备。后者的优点是更少的线被采集，并且可以实现更高的帧率。
图7图示了本发明的实施例，其中，探头的位置可以在体积视场131’内变化。例如，探头可以被放置在前视或末端发射配置中，使得探头可以容易地可朝向和远离ROI平移。这可以通过提供诸如IVUS(血管内超声)、ICE(心内超声心动描记)、FL-ICE(前瞻性心内超声心动描记)的腔内探头来实现，例如如EP1742580B中描述的。
腔内探头可以包括被扫掠以扫描体积区域的远端尖端中的换能器阵列。体积扫率既可以通过提供1D阵列的机械移动完成，也可以通过利用2D阵列的波束的电子操纵完成。换能器阵列被包含在被定位于探头的远端末端处的流体室内，其中，流体在探头与被成像的体积区域之间提供适当的声学耦合。在图9中，示意性地示出了本发明的超声系统100’。系统100’还可以包括耦合到探头和ROI识别器72(任选地到分析单元68’)的驱动机构21，其中，基于识别数据的驱动机构用于在成像期间移动探头10。驱动机构21还接收来自跟踪探头的空间位置的位置传感器52的信号，从而提供探头在体积视场131’内的移动。该实施例向ROI 82’可以被成像的高频率的上限给出了更高的灵活性。一旦ROI被识别，图像处理器68基于识别数据来计算ROI 82的坐标以及围绕体积视场131中的所识别的ROI的体积区域132的坐标。如果换能器阵列14(或者实际上，探头10)与ROI之间的距离超过具有选定的高频率的波束的穿透深度，则驱动机构21将被传递以移动更靠近体积视场131’内的ROI(图7b)，使得可以采集ROI的“放大”图像。
本发明组合小型CMUT换能器(由CMOS制造中的进步实现)和其宽的操作频带(由塌陷操作模式实现)的优点，具有到驱动设备的反馈回路，从而向用户提供具有在体积区域内的自动放大和缩小功能的新一代的超声系统。在塌陷模式中操作的CMUT阵列的宽频带与用于物理平移包括该阵列的探头的模块的组合在具有增加的细节并因此改进的诊断成像的高级超声成像中实现新用户体验。
图8图示了显示给用户的2D超声图像的显示99。细节视图82和宽泛视图80可以示出为紧邻彼此或者在空间配准中。后者情况在图8中被图示，其中，利用线性阵列和相控阵列获得的图像紧邻彼此被放置。与图6a-b相比，与实施例相比，细节视图82对于用户而言表现为具有更大的穿透深度，其中，探头的位置相对于ROI的位置是固定的。可以在探头的行进(移动)期间连续采集细节视图图像，使得可以利用在不同时间点处采集的更高分辨率的细节视图图像82实时更新宽泛视图图像80。此外，可以在宽泛视图图像80中显示体积区域内的移动探头的当前位置。
基于ROI识别和用户识别的参数，图像处理器68可以针对图像质量参数分析所获得的超声数据，图像质量参数诸如为轴向噪声、横向散斑、轴向强度等。这些质量参数还可以显示给用户。这些质量参数还可用作驱动机构的输入以自动移动探头，使得其能够为用于ROI图像质量的自动优化的反馈回路的部分。这样的自动化可以用于探头的精细移动，同时总体运动可以经由用户接口来控制。经由用户接口38，可以为用户提供关于驱动机构操作的额外的控制。用户接口可以是与显示器相关联的触摸屏，所述触摸屏允许用户在显示的图像中手动定义ROI和/或探头的移动。在ROI上触摸和/或进行“夹入(pinch-in)”或“张开(pinch-out)”移动可以用于在(一个或多个)特定方向上物理地移动探头，或者在穿透深度对于给定的探头的位置足够的情况下采集详细的图像。
在备选实施例中，以相对高的频率获得的ROI的实时详细3D视场被嵌入在宽泛视图2D图像内。这具有以下优点：采集宽泛视图2D图像消耗更少的处理能力和换能器利用率，并且可以以最高可能帧率获得3D图像(或双平面ROI)。针对在一个维度上具有小孔径的阵列(例如，ICE)，该实施例提供了基于更有利的孔径维度(ICE轴向和侧向)的宽泛视图成像以及在所有维度处的详细的ROI成像(例如ICE：包括仰角)，这在高频下变得更有利。
ROI识别器可以使用来自诸如导管、针或工具的特定对象的超声数据自动识别ROI，所述特定对象可以任选地利用超声增强对比特征标记。这些对象借助于它们的几何结构和方面(或者标记或者位置传感器)可以由图像分析单元68’识别，并且ROI的坐标可以被自动地生成。
在另一个实施例中，感兴趣体积的图像可以初始地利用相对较频率的波束来采集，该感兴趣体积可以由用户识别为ROI。此外，用户可以经由用户接口相对于用于ROI的成像频率降低成像频率，以便获得具有较高穿透深度的宽泛视图图像，其中，宽泛视图图像包括ROI。类似于前面的实施例，这些视场可以显示被彼此紧邻或者在空间配准中。
可以将单独的要求施加到可变频率波束形成器单元64’(或任选地，换能器频率控制器62)的集成电路(IC)电子器件上，以便提供被施加到CMUT的偏置电压变化的最优速度。对于上面描述的多数实例，当前IC电子技术能够是足够的。备选地，在需要偏置电压变化的甚至更大的速度的情况下，可以使用3端子CMUT，如WO/2015/086413中描述的。
在图10中图示了可变频率图像采集的基本原理的工作流程200。在步骤201处，对体积视场131进行成像，该视场包括宽泛视图80。在步骤202中，通过识别器来检测ROI 82，自动检测可以基于例如区分解剖特征30来执行，或者基于用户输入来执行。在步骤203中，可以向用户显示ROI的轮廓。在该阶段处，用户还可以经由用户接口38与调节ROI的尺寸和/或位置的系统100手动交互。此外，在步骤204中，用户可以选择ROI的细节视图的期望分辨率(或频率)。图像处理器68还将选定的分辨率转换为换能器操作频率。备选地，在该步骤中，图像处理器68可以计算上频率限制，可以利用所述上频率限制基于从探头10(即探头内的换能器阵列14)到ROI的固定距离对ROI 82进行成像。这些信息能够被显示在显示器上。在步骤205中，系统100将以增加的分辨率采集ROI的细节视图。在步骤206中，向用户显示宽视场和详细视场。
在图11中图示了根据本发明的用于可变频率图像采集的工作流程300。在步骤301处，采集体积视场131。在步骤302中，通过识别器检测ROI 82。在步骤303中，可以向用户显示ROI的轮廓。在该阶段处，用户还可以经由用户接口38与调节ROI的尺寸和/或位置的系统100’手动交互。并行地，在步骤307中，图像处理器68计算从探头到RIO的最远边缘的距离。此外，在步骤304中，用户可以选择ROI的细节视图的期望分辨率(或频率)。在步骤309，基于该信息，图像处理器68计算对应于选定的分辨率(频率)的穿透深度。在步骤308中，将探头与ROI之间的距离与穿透深度进行比较。如果所计算的穿透深度大于到ROI的距离，则工作流程之后是步骤305，其中，系统100以选定的分辨率采集ROI的细节视图。如果所计算的穿透深度小于到ROI的距离，则工作流程之后是步骤310，其中，驱动机构提供朝向ROI的位置的探头的移动。移动距离由ROI位置和选定的分辨率决定。在移动距离由被成像的体积(对象)的解剖结构限制使得探头不能进一步移动的情况下，系统100’可以以计算的最优分辨率向用户提供反馈，在所述最优分辨率处可以在考虑解剖结构限制的情况下采集ROI。此外，在步骤305中，系统100以选定的分辨率或最优建议分辨率来采集ROI的细节视图。在步骤306中，向用户显示宽视场和详细视场。
本领域技术人员应该理解，本发明的原理可以在2D和3D超声成像两者中实践。
单个单元或设备可以履行权利要求中记载的若干项的功能。尽管在相互不同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
计算机程序可以被存储/分布在合适的介质上，例如与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的光学存储介质或固态介质，但计算机程序也可以以其他形式来分布，例如经由因特网或者其他有线或无线电信系统分布。
权利要求中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于对包括感兴趣区域(12)的体积区域进行成像的超声系统(100)，包括：
-探头(10)，其适用于进行腔内成像，并且具有适于在所述体积区域上在可变频率范围中操纵超声波束的CMUT换能器(14)的阵列；
-波束形成器(64)，其耦合到所述阵列并且适于控制超声波束操纵并提供所述体积区域的超声图像数据；
-换能器频率控制器(62)，其耦合到所述波束形成器并且适于在所述频率范围内改变所述CMUT换能器的操作频率；所述频率控制器被布置为针对在所述体积区域中操纵的所述超声波束将所述操作频率设置为第一频率，
-图像处理器(68)，其响应于所述超声图像数据，所述图像处理器适于基于所述超声图像数据来产生超声图像；
-感兴趣区域(ROI)识别器(72)，其使得能够基于所述超声图像数据来识别感兴趣区域，并且所述识别器适于生成指示所述体积区域内的所述感兴趣区域的识别数据；
-驱动机构(21)，其耦合到所述探头和所述ROI识别器，所述驱动机构用于在操作期间移动所述探头；
其中，所述换能器频率控制器还适于基于所述识别数据针对在所述感兴趣区域内操纵的所述超声波束将所述操作频率改变为第二频率，所述第二频率高于所述第一频率；并且所述驱动机构适于基于所述识别数据来移动所述探头，从而实现所述探头与所述ROI之间的距离变化。
2.根据权利要求1所述的超声系统，其中，所述波束形成器提供所述超声图像数据，所述超声图像数据在所述体积区域内具有相对低的空间分辨率并且在所述感兴趣区域内具有相对高的空间分辨率。
3.根据权利要求2所述的超声系统，其中，所述图像处理器基于所述低空间分辨率数据来产生所述体积区域的宽泛视图并且基于所述高空间分辨率数据来产生所述感兴趣区域的细节视图。
4.根据权利要求3所述的超声系统，还包括图像显示器(18)，所述图像显示器耦合到所述图像处理器，所述图像显示器被布置为显示所述体积区域的所述宽泛视图(80)和所述感兴趣区域的所述细节视图(82)两者。
5.根据权利要求4所述的超声系统，其中，所述显示器被操作以在空间配准中显示所述宽泛视图和所述细节视图两者。
6.根据权利要求1所述的超声系统，还包括用户接口，所述用户接口耦合到所述ROI识别器并且响应于所述体积区域内的所述ROI的手动选择。
7.根据权利要求6所述的超声系统，其中，所述用户接口是与所述显示器相关联的触摸屏。
8.根据权利要求3所述的超声系统，其中，所述感兴趣区域的所述细节视图(82)实时地被更新。
9.根据权利要求4所述的超声系统，其中，所述显示器还被布置为显示所述体积区域内的所述探头的当前位置。
10.根据权利要求1所述的超声系统，其中，所述换能器频率控制器适于同时地针对在所述ROI内操纵的所述超声波束将所述操作频率设置为所述第二频率，并且针对在所述感兴趣区域外部操纵的所述超声波束将所述操作频率设置为所述第一频率，所述第二频率高于所述第一频率。
11.根据权利要求1所述的超声系统，其中，所述阵列是一维阵列。
12.根据权利要求1所述的超声系统，其中，所述阵列是二维阵列。
13.一种对包括感兴趣区域的体积区域进行可变频率超声成像的方法，其中，所述方法包括：
-在所述体积区域上在可变频率范围中操纵超声波束；
-控制所述超声波束操纵并且提供所述体积区域的超声图像数据，其中，控制包括将所操纵的波束的频率设置为第一频率；
-处理所述超声图像数据以便产生超声图像；
-生成指示所述体积区域内的所述超声图像数据中的所述感兴趣区域的识别数据；
-计算从探头到所述感兴趣区域的距离；
-通过相对于所述感兴趣区域移动所述探头来减小所述距离，所述减小是基于所述识别数据的；并且
-将在所述感兴趣区域内操纵的所述超声波束的频率改变为第二频率，其中，所述第二频率高于所述第一频率。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括提供所述超声图像数据，所述超声图像数据在所述体积区域内具有相对低的空间分辨率并且在所述感兴趣区域内具有相对高的空间分辨率。
15.根据权利要求14所述的方法，包括基于所述低空间分辨率数据来产生所述体积区域的宽泛视图并且基于所述高空间分辨率数据来产生所述感兴趣区域的细节视图。
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