CN108885258B - 具有一维片块的二维超声阵列换能器 - Google Patents

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Abstract

一种诊断超声系统具有2D阵列换能器，其利用1×N片块操作，片块仅为单个元件宽。片块的“N”长度在扫描的2D图像平面的仰角方向上延伸，单个元件宽度在横向(方位角)方向上延伸。通过微波束形成器沿着仰角方向上的每个片块进行聚焦，并且通过系统波束形成器进行横向(方位角)方向上的聚焦。在方位角方向上的每个片块的最小宽度使能在2D图像的方位角平面中高分辨的图像的产生，包括用于高帧率成像的高分辨率多线的接收。

Description

具有一维片块的二维超声阵列换能器
技术领域
本发明涉及医学诊断超声系统，更具体地，涉及具有与一维阵列片块一起操作的二维阵列(矩阵阵列)换能器探头的超声系统。
背景技术
超声阵列换能器使用波束形成器来发送、接收并且适当地延迟和加和从换能器阵列的元件接收的超声回声信号。在考虑要由波束形成器形成的波束的方向(操纵)和焦距的情况下选择延迟。在已经通过波束形成器的信道将来自每个元件的信号正确地延迟之后，经延迟的信号被组合以形成正确操纵和聚焦的相干回声信号的波束。在超声波束发送期间，个体元件的致动的时间是接收延迟、操纵和聚焦发送波束的补充。已知延迟的选择可根据阵列元件和由波束询问的图像场的几何结构确定。
在常规超声系统中，阵列换能器在成像期间位于相对患者的身体放置的探头中，并且包含一些电子部件，例如调协元件、开关和放大设备。显示和信号组合由波束形成器执行，该波束形成器包含于超声系统主机内，探头通过线缆连接于超声系统主机上。
用于阵列换能器和波束形成器的前述系统架构很好地满足一维(1D)换能器阵列，其中，换能器元件的数量和波束形成器信道的数量基本相同。当换能器元件的数量超过波束形成器信道的数量时，一般采用多路复用，并且在任意时间点仅换能器的元件的总数量的子集可以连接到波束形成器。1D阵列中的元件的数量范围可以从小于一百到几百，并且典型的波束形成器具有128个波束形成器信道。该系统架构方案随着用于二维和三维(3D)成像的二维(2D)阵列换能器的出现而变得不能维持。这是因为2D阵列换能器在体积区域内在着方位角和仰角两者上操纵和聚焦波束。该波束形成所需的换能器元件的数量通常以千为单位。问题的关键然后变为将探头连接到波束形成器所位于的系统主机的线缆。甚至最好的导电细丝的几千导体的线缆变得很厚且笨重，如果不是不可能，进行对探头的操纵很麻烦。
该问题的解决方案是在探头本身中执行波束形成中的至少一些，如美国专利5229933(Larson，III)所述。在该专利所示的超声系统中，波束形成划分在探头和系统主机之间。元件的组的初始波束形成在探头中完成，其中，产生部分波束形成和。这些部分波束形成和(其在数量上少于换能器元件的数量)通过合理维度的线缆耦合到系统主机，其中，波束形成过程完成并且产生最终波束。在探头中的部分波束形成在附接到阵列换能器的微电子器件形式的微波束形成器中由Larson，III所称的组内处理器完成。还参见美国专利5997479(Savord等人)；美国专利6013032(Savord)；美国专利6126602(Savord等人)；以及美国专利6375617(Fraser)。在2D换能器阵列的数千元件与微波束形成器之间的数千连接在微电路和阵列片块的微小尺寸处完成，而在微波束形成器与系统主机的波束形成器之间的更加少得多的线缆连接由更常规的线缆技术完成。可以与微波束形成器一起使用各种平面和弯曲的阵列格式，例如美国专利申请60/706190(Kunkel)和60/706208(Davidsen)所示的弯曲阵列。
在上述专利中示出的微波束形成器通过从称作“片块”的连续换能器元件组部分地形成延迟和信号来操作。由片块的所有元件接收的信号被微波束形成器适当地个体延迟，然后组合为部分和信号。通常，片块由元件的小的二维组形成，例如元件的4×6组或8×12组。这针对在3D体积扫描期间的相控阵列操作良好工作，从而实现体积的实时扫描。但是对于2D成像，这种片块的宽度可能限制被扫描区域的图像的分辨率。这对于进行多线接收以改善成像的帧率的情况尤其如此。因此，期望能够通过多线接收实现更高的帧率，并且这样做没有折衷，且优选地改善这种2D阵列换能器图像的分辨率。
发明内容
根据本发明的原理，描述了一种具有以1×N片块操作的2D阵列换能器的诊断超声系统，所述片块仅具有单个元件宽度。片块的“N”长度在所扫描的2D图像平面的一个方向(例如，仰角方向)上延伸，单个元件宽度在另一方向(例如，横向或方位角)延伸。沿着一个方向上的每个片块的聚焦由微波束成像器完成，并且另一方向上的聚焦由系统波束成像器完成。第二方向上的每个片块的最小宽度使得能够产生在2D图像的平面中高分辨率的图像，包括针对高帧率成像高分辨率的多线的接收。
附图说明
在附图中：
图1图示了形成根据本发明的原理构造的超声成像系统的框图，其中，仰角聚焦在微波束形成器中执行，并且方位角聚焦在系统波束形成器中执行。
图2图示了由被布置用于利用1×N片块操作的2D阵列对二维平面的扫描。
图3A、B、C和D图示了在仰角中由2D阵列的每个1×N片块和在横上向由系统波束形成器对超声的聚焦以产生复合正交操纵和聚焦的波束波前。
图4A、B、C和D图示了在仰角中由2D阵列的每个1×N片块对超声的聚焦和由系统波束形成器对波前的横向操纵以产生复合的横向操纵和聚焦的波束波前。
图5图示了本发明的一种实现方式，其中，将1×N个片块分段为子片块以在仰角上进行多线采集。
图6图示了本发明的一种实现方式，其中，将1×N个片块分段为子片块以在多个仰角平面中进行多线采集。
图7以详细框图的形式图示了根据本发明原理构造的超声成像系统。
具体实施方式
首先参考图1，以框图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，其可以是平面的或弯曲的，如该范例中所示。阵列的元件耦合到位于换能器阵列后面的探头中的微波束形成器14。微波束形成器是位于探头中的集成电路，所述探头具有耦合到2D阵列换能器12的元件的波束形成信道。微波束形成器将定时发送脉冲施加到阵列的每个片块的元件，以在期望的方向上发送波束并且发送到阵列前方的图像场中期望的焦点。在仰角维度中的发送波束的概况可以呈现点焦点、平面波或任何中间波束概况。从发送波束由细胞和组织返回的回声由阵列元件接收并耦合到微波束形成器14的信道，在信道中它们被个体地延迟。来自换能器元件的连续片块的延迟信号被组合以形成片块的部分和信号。在模拟微波束形成器实现方式中，通过将来自片块的元件的延迟信号耦合到公共总线来完成组合，从而避免了对加和电路的需要。每个片块的总线耦合到线缆16的导体，线缆16将部分和片块信号传导到系统主机。在系统主机中，模拟部分和信号被数字化并耦合到系统波束形成器22的信道，系统波束形成器22适当地延迟每个部分和信号。然后将延迟的部分和信号组合以形成相干操纵和聚焦的接收波束。系统波束形成器在本领域中是公知的，并且可以包括电子硬件部件、由软件控制的硬件或执行波束形成算法的微处理器。在数字波束形成器的情况下，波束形成器包括A/D转换器，所述A/D转换器将来自微波束形成器的模拟信号转换为采样的数字回声数据。波束形成器通常会包括一个或多个微处理器、移位寄存器和/或数字或模拟存储器，以将回声数据处理成相干回声信号数据。延迟通过各种手段实现，例如通过接收信号的采样的时间，临时存储在存储器中的数据的写/读间隔，或者通过移位寄存器的长度或时钟速率，如美国专利4173007(McKeighen等人)中所述。来自图像场的波束信号由信号和图像处理器24处理以产生2D或3D图像以显示在图像显示器30上。信号和图像处理器可以包括电子硬件部件、软件控制的硬件或执行图像处理算法的微处理器。其通常还将包括专用硬件或软件，以将接收的回声数据处理成图像数据，用于期望显示格式的图像，例如扫描转换器。
在系统控制器26的控制下完成对诸如探头选择、波束操纵和聚焦以及信号和图像处理的超声系统参数的控制，系统控制器26耦合到系统的各个模块。系统控制器可以由ASIC电路或微处理器电路和诸如RAM、ROM或磁盘驱动器的软件数据存储设备形成。在探头10的情况下，该控制信息中的一些通过线缆16的数据线从系统主机提供给微波束形成器，根据特定扫描流程的需要调节微波束形成器以操作2D阵列。用户通过控制面板20控制这些操作参数。该基本超声系统框图图示了在执行来自元件的片块的信号的波束形成的微波束形成器和通过组合来自片块的部分和信号而完成波束形成过程的系统波束形成器之间的波束形成的划分。
图2图示了被配置为根据本发明原理操作的2D阵列换能器12。阵列12具有在横向(方位角Az)维度中延伸的M行元件，以及在仰角(Ele)维度中延伸的每行中的N个元件。例如，一个阵列可以有128行，每行有128个元件，总共超过16000个元件。根据本发明，阵列12用片块50、52、...54操作，片块50、52、...54在方位角方向上是一个元件宽，并且在仰角方向上是多个元件长，优选是N个元件长，因此构成1×N维度片块。这些片块用于发送和接收超声，以便扫描阵列下方的图像平面，例如图中所示的图像平面60、62或64。如图中图示的，图像平面可以垂直于2D阵列的平面延伸，或者以与阵列平面成斜角的方式倾斜。当每个片块被致动时，1×N片块的元件的致动的定时在仰角维度中提供期望的焦点，例如沿着被扫描的图像平面(例如平面60)在仰角方向上聚焦所发送的能量。仰角聚焦是在沿着图像平面(例如图像平面60)接收、聚焦接收的波束时由微波束形成器施用的。在横向(方位角)方向上不进行聚焦，因为片块在该维度中是仅一个元件宽。方位角中的操纵和聚焦是由系统波束形成器在处理来自已经在仰角中聚焦的片块的部分和信号中完成的。因此，微波束形成器提供仰角聚焦和操纵，而方位角聚焦和操纵由系统波束形成器提供。聚焦的该划分的一个益处是每个元件可以在被扫描的2D图像平面上在仰角中聚焦，从而在仰角维度产生良好的分辨率。另一个益处是被转发到系统波束形成器以进行方位角(平面内)操纵和聚焦的来自每个片块的信号在横向维度中为仅一个元件宽，并且来自每个片块的信号在方位角中没有聚焦，从而使得所有的横向聚焦能够由系统波束形成器执行。当从片块信号并行处理多条线时，这提供了良好的平面内横向分辨率和更高分辨率的多线。沿着每个1×N片块实现的仰角聚焦可以从未聚焦的平面波变化到在仰角维度中的清晰描绘的点焦点。
在微波束形成器14和系统波束形成器22之间的这种聚焦划分的效果由图3中所示的延迟概况图示。图3A描绘了2D阵列12，其中，端部1×N片块50在图中以阴影示出。片块50在在横向维度中是一个元件宽，并且在仰角维度中沿着阵列的整个宽度延伸。在该范例中，阵列的每个片块在仰角中聚焦，如图3C中的延迟概况70所示。因此，来自片块的波前在仰角聚焦在从阵列中心延伸并与其垂直的扫描平面上，如图3C中箭头71指示的。在该范例中，通过探头微波束形成器对每个片块的信号的延迟和加和来实现这种聚焦。在128乘128元件阵列的范例中，存在来自128个片块的128个部分和信号，这些片块彼此相邻地取向并且跨阵列的横向(方位角)方向延伸。
来自片块的部分和信号通过探头线缆耦合到超声系统主机，其中，波束形成过程由系统波束形成器完成，所述系统波束形成器在该范例中延迟和加和128个片块信号。系统波束形成器的延迟和加和在横向(方位角)方向上对接收的回声信号波束进行操纵和聚焦，如图3D中的延迟概况72指示的。在该范例中，对称延迟概况将接收的波束垂直于阵列的中心操纵，如由图中箭头73指示的。
图3B中示出了复合延迟概况74，其是由微波束形成器实现的仰角聚焦延迟和由系统波束形成器实现的平面内(方位角)聚焦延迟的组合。如由箭头75指示的，由于仰角和横向(方位角)聚焦延迟两者的对称延迟概况70和72，所得到的波束被操纵并聚焦为垂直于阵列的中心。
图4示出了该划分的仰角和方位角聚焦的另一范例，这次是由系统波束形成器实现的延迟而在方位角平面中向左操纵的波束。图4C示出了与之前相同的仰角聚焦延迟概况80，其沿着垂直于阵列的中心延伸的平面聚焦，如箭头81指示的。图4D示出了系统波束形成器的延迟向左加权，如延迟概况82图示的，延迟概况82如箭头83指示的将波束操纵左侧。结果，复合仰角和方位角延迟概况84在仰角中沿着阵列的中心引导波束并且在方位角中向左引导，如由图4B中箭头85指示的。
图5图示了根据本发明的2D阵列操作的另一实现方式。在该实现方式中，M×N阵列再次被分段为1×N片块，并且此外，每个l×N片块被进一步分段成子片块，其中几个片块针对片块50在90、94、98处被指示。现在，除了能够在片块宽度的仰角平面中聚焦整个片块，可以从元件的每个子片块进行个体聚焦。在128元件乘128元件的2D阵列的先前范例中，每个l×N片块长度为128个元件，例如，每个片块可以被分段为8个子片块，每个子片块有16个元件。可以操作子片块以进一步提高显示的帧率，尤其是在执行3D成像时。例如，示出了三个扫描平面60、62和64延伸到图5中的2D阵列下方的体积区域中。可以扫描多个这样的平面，并且来自所有平面的回声数据用于形成阵列下方的体积区域的3D图像。例如，可以扫描64个这样的平面以收集3D图像所需的3D数据。针对常规扫描，这将需要六十四个数据平面的采集时间，这将控制显示的帧率。然而，图5图示了响应于单个发送波束102从四个这样的平面同时采集数据110、112、114和116的扫描线。形成这四条多线所需的延迟可以由微波束形成器施加，或者多线可以通过由系统波束形成器施加的延迟形成。因此，在扫描一个平面通常所需的时间内，通过该多线采集可以扫描四个平面，从而将显示的帧率提高四倍。
图6图示了本发明的另一实现方式，其将进一步提高3D成像的显示的帧率。在该范例中，接收多线120在仰角和方位角方向两者上围绕单个发送波束102形成。图示示出了在中心扫描平面60b中形成的四条多线、在一个平行扫描平面60a上形成的四条多线，以及在另一平行扫描平面60c上形成的四条多线。与常规单线扫描相比，这使数据采集和帧率提高了16倍。由于多线在方位角和仰角维度两者中延伸，因此这些多线的形成的延迟优选地由系统波束形成器施加。
在图7中示出了根据本发明原理构造的超声系统的详细框图。超声探头10包括二维阵列换能器12，其在平面或体积区域上发送电子操纵和聚焦的波束，并响应于每个发送波束而接收信号或多个接收波束。换能器阵列的元件耦合到微波束形成器(μBF)14，其中，阵列的元件在如上所述的1×N片块和子片块中操作。微波束形成器12在仰角维度中对接收到的回声信号进行部分波束形成，并且由此减少在探头10和主系统之间的线缆16中的导体数量。合适的二维阵列描述于美国专利6419633(Robinson等人)和美国专利6368281(Solomon等人)中。微波束形成器描述于美国专利5997479(Savord等人)和6013032(Savord)中。阵列的发送波束特性由波束发射器42控制，波束发射器42使阵列的变迹孔径元件在期望的方向上发射期望宽度的聚焦波束通过感兴趣区域以用于进行成像。发送脉冲通过发送/接收开关18从波束发射器42耦合到阵列的元件。由阵列元件和微波束形成器响应于发送波束而接收的回声信号通过对在微波束形成器中的1×N片块信号的延迟和加和在方位角中被聚焦并且耦合到系统波束形成器22，其中，来自微波束形成器的部分波束形成回声信号响应于发送波束被方位角(横向)计算出的延迟延迟并且被求和以形成完整波束形成单个或多个接收波束。用于此目的的合适的波束形成器在前述Savord的’032专利中描述。
由波束形成器22形成的接收波束耦合到信号处理器24a，信号处理器24a执行诸如滤波和正交解调的功能。经处理的接收波束的回声信号耦合到多普勒处理器28和/或B模式处理器24。多普勒处理器28将回声信息处理成多普勒功率或速度信息。对于B模式成像，接收波束回声被包络检测，并且信号通过B模式处理器24以对数方式压缩到合适的动态范围。来自体积区域的回声信号被处理以由3D图像处理器32形成3D图像数据集。可以以若干方式处理3D图像数据以进行显示。一种方法是产生体积的多个2D平面。这在美国专利6443896(Detmer)中被描述。这样的体积区域的平面图像由多平面重新格式化器34产生。三维图像数据也可以由体积绘制器36绘制以形成透视或动态视差3D显示。得到的图像(可以是B模式、多普勒或两者，如美国专利5720291(Schwartz)中描述的)耦合到显示处理器38，它们从显示处理器38显示在图像显示器40上。通过用户接口或控制面板20提供波束形成器控制器26的用户控制和超声系统的其他功能。
应当注意，上面描述的并且由图1的示范性超声系统图示的各种实施例可以以硬件、软件或其组合来实现。各种实施例和/或部件(例如，其中的模块或部件和控制器)也可以实施为一个或多个计算机或微处理器的部分。计算机或处理器可以包括计算设备、输入设备、显示单元和接口，例如用于访问互联网。计算机或处理器可以包括微处理器。微处理器可以连接到通信总线，例如，以访问PACS系统。计算机或处理器还可以包括存储器。存储器可以包括随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。计算机或处理器还可以包括存储设备，其可以是硬盘驱动器或可移除存储驱动器，例如软盘驱动器、光盘驱动器、固态拇指驱动器等。存储设备还可以是用于将计算机程序或其他指令加载到计算机或处理器中的其他类似单元。
如本文所使用的，术语“计算机”或“模块”或“处理器”可以包括任何基于处理器或基于微处理器的系统，包括使用微控制器、精简指令集计算机(RISC)、ASIC、逻辑电路和能够执行本文描述的功能的任何其他电路或处理器的系统。以上范例仅是示范性的，因此不旨在以任何方式限制这些术语的定义和/或含义。
计算机或处理器执行存储在一个或多个存储元件中的指令集，以便处理输入数据。存储元件还可以根据期望或需要存储数据或其他信息。存储元件可以采取处理机器内的信息源或物理存储元件的形式。
指令集可以包括各种命令，其指示计算机或处理器作为处理机器来执行特定操作，例如本发明的各种实施例的方法和过程。指令集可以是软件程序的形式。该软件可以是各种形式，例如系统软件或应用软件，并且可以实现为有形和非瞬态计算机可读介质。此外，软件可以采取单独程序或模块的集合、较大程序内的程序模块或程序模块的一部分的形式。软件还可以包括面向对象编程形式的模块化编程。处理机器对输入数据的处理可以响应于操作者命令，或者响应于先前处理的结果，或者响应于另一处理机器做出的请求。
此外，以下权利要求的限制不是用功能模块格式写的，并不打算基于35U.S.C.112第六段来解释，除非并且直到此类权利要求限制明确使用短语“用于…的单元”，然后是没有另外的结构的功能陈述。
本领域技术人员将容易想到本发明的实现方式的备选变型。如上所述，1×N片块取向可以旋转90°(或任何其他角度)，使得片块的N维度在方位角方向上伸，并且1×N片块在仰角方向上彼此相邻地对齐。另一变型是将微波束形成器设置为施加方位角聚焦延迟，而系统波束形成器施加仰角聚焦延迟。例如，系统可以用物理或软键开关实现，由此用户可以选择1×N片块的N维的取向为仰角或方位角方向，其中，由微波束形成器和系统波束形成器施加的延迟符合选定的取向。这样的用户控制还可以具有第三设置以选择标准2D片块从而以矩阵阵列的常规方式操作2D阵列和波束形成器。

Claims (14)

1.一种用于2D或3D图像的显示的超声诊断成像系统，包括：
超声探头，其具有二维阵列换能器，所述二维阵列换能器适于利用阵列的元件的1×N片块来扫描目标区域，其中，所述片块的N维度在仰角维度或方位角维度中的一个维度中延伸，并且其中，每个1×N片块的所有元件被划分为多个子片块，每个子片块包括小于完整N个元件的多个元件；
微波束形成器，其被定位于所述超声探头中并且被耦合到所述阵列的元件，所述微波束形成器向从每个子片块接收的多个子片块信号施加延迟，以在所述维度中的所述一个维度中聚焦子片块信号；
系统波束形成器，其被耦合到所述超声探头，以接收聚焦的子片块信号并向所述子片块信号施加延迟，从而在所述仰角维度或所述方位角维度中的另一维度中操纵和/或聚焦所述信号；
波束形成器控制器，其被耦合到所述微波束形成器和所述系统波束形成器，并且对用户控制做出响应，以控制对目标区域的扫描；
图像处理器，其对由所述系统波束形成器操纵和/或聚焦的所述信号做出响应，以产生图像数据；以及
显示器，其被耦合到所述图像处理器，以显示所述目标区域的2D或3D图像。
2.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述微波束形成器还控制由每个子片块发送的定时以在所述仰角维度中聚焦所述子片块信号。
3.根据权利要求2所述的超声诊断成像系统，其中，所述微波束形成器还控制由每个子片块发送的定时以在所述仰角维度中将所述子片块信号聚焦在点焦点处。
4.根据权利要求2所述的超声诊断成像系统，其中，所述微波束形成器还控制由每个子片块发送的定时以在所述仰角维度中聚焦所述子片块信号作为平面波的信号。
5.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述微波束形成器向从每个子片块接收的信号施加延迟，以在所述仰角维度中将所述子片块信号聚焦在点处。
6.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述微波束形成器向从每个子片块接收的信号施加延迟，以在所述仰角维度中将所述子片块信号聚焦为平面波。
7.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述微波束形成器还包括微波束形成器电路，所述微波束形成器电路向从每个子片块接收的信号施加模拟延迟。
8.根据权利要求7所述的超声诊断成像系统，其中，所述微波束形成器在所述仰角维度中聚焦所述子片块的发送的信号和/或接收的信号；并且
其中，所述系统波束形成器还包括数字波束形成器，所述数字波束形成器数字地延迟经仰角聚焦的子片块信号。
9.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述二维阵列换能器还包括M行元件，其中，每行包括N个元件，
其中，M在所述方位角维度或所述仰角维度中的一个维度中延伸，并且N在所述方位角维度或所述仰角维度中的另一维度中延伸。
10.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，每个1×N片块在所述方位角维度为单个换能器元件宽，并且每个1×N片块在所述仰角维度延伸所述多个换能器元件。
11.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述N维度在所述仰角维度中延伸，并且其中，由所述微波束形成器施加到从每个子片块接收的信号的所述延迟不影响在横向维度中的聚焦。
12.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，由所述微波束形成器延迟产生的波前沿着在所述方位角方向上延伸的平面被聚焦。
13.根据权利要求12所述的超声诊断成像系统，其中，由所述系统波束形成器延迟产生的波前沿着在所述仰角方向上延伸的平面被聚焦。
14.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，由所述微波束形成器延迟和所述系统波束形成器延迟产生的波前在方位角和仰角两者中被操纵和聚焦。
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