CN111447879B

CN111447879B - 超声探头换能器测试

Info

Publication number: CN111447879B
Application number: CN201880075938.6A
Authority: CN
Inventors: 曹继; P·兰伯特; M·波茨
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2017-10-23
Filing date: 2018-10-16
Publication date: 2023-09-22
Anticipated expiration: 2038-10-16
Also published as: JP2021500134A; US11730455B2; EP3700430B1; JP7212686B2; US20200253589A1; CN111447879A; WO2019081269A1; EP3700430A1

Abstract

通过在其透镜与空气接触的情况下操作探头来针对其阵列换能器的元件的失效对超声探头进行测试。在该操作模式期间产生的回波信号被波束形成为由所述探头产生的扫描线的常见集合。每条扫描线的频率响应被分析，并且和与测试中的所述探头相同类型的已知好探头的对应扫描线的频率响应的参考信号进行比较。如果比较披露方差大于预定的偏差，那么警告用户所述探头应当被更换。

Description

超声探头换能器测试

技术领域

本发明涉及超声诊断成像系统，并且具体涉及用于对超声探头中的换能器阵列的可操作性进行测试的系统和方法。

背景技术

超声诊断成像系统被设计为利用被设计用于特定成像流程的不同种类的超声探头进行操作。现代的成像探头使用阵列换能器来发送和接收超声，其中多组元件一起操作。线性阵列探头使用元件阵列的子集作为针对每条扫描线的有效孔径，其被逐渐移位跨过阵列以扫描扫描线的完整补充，其被称为“牵引踩踏(tractor-treading)”的过程。相控阵列探头操作所有元件用于每条不同转向的扫描线的发射和接收两者。每个换能器元件被电连接到探头中的微波束形成器，所述微波束形成器进而通过线缆被连接到系统主框架中的波束形成器，或通过线缆被直接连接到系统波束形成器。这些电气连接可能随着时间而失效，并且受影响的元件然后将不再对它被编程为用于的波束形成作出贡献。虽然单个换能器元件的失效一般将不会致使探头不可操作用于成像，但是它能够对可以被日益习惯于探头的一定水平的性能的用户辨别的图像质量具有影响。因此，期望能够在图像质量方面下降的情况下针对失效的换能器元件对探头进行测试。已知的是在逐个元件的基础上针对失效的元件对阵列探头进行测试，如美国专利5,517,994(Burke等人)中描述的。虽然这种测试能够定位有缺陷的阵列元件，但是将优选的是从图像质量角度处理问题，因为那一般是用户如何察觉该问题的角度。此外，对个体元件进行测试在具有数千元件的二维阵列换能器的情况下可能是有问题的，该数千元件具有在探头中在微波束形成器级进行的到波束形成器信道的连接。因此，将期望通过分析其对图像质量的影响来诊断并识别关于失效的换能器元件的问题。

发明内容

根据本发明的原理，描述了用于从图像质量的角度诊断换能器探头性能问题的超声系统和测试方法。不是分析个体换能器元件的连接，而是创造性的系统和方法对来自探头的波束形成的信号进行操作。波束形成的信号响应与探头响应参考信号进行比较，并且波束形成的信号与参考之间的超过已知影响图像质量的水平的变化用作探头失效的指标。例如，变化能够是在跨阵列的孔径的一条或多条扫描线的频率响应中。在某些方面中，所述系统和方法能够具体地例如按照成像模式(如针对其在2D、彩色多普勒、PW、CW和3D中的操作)对换能器的性能进行测试。针对换能器的每种模式分析是来自用于测试的波束形成后的数据分析的优点中的一个。

附图说明

在附图中：

图1是超声阵列换能器探头的图示。

图2是超声探头中的典型阵列换能器的结构的剖视图。

图3是探头扫描线的频率响应与该探头的参考响应的图形比较。

图4是探头的每条扫描线的响应与每条扫描线的参考响应的图形比较。

图5以方框图形式图示了根据本发明的原理构建的超声系统。

具体实施方式

首先参考图1，示出了超声探头10。在使用中，探头被底部(手柄)部分保持，并且顶部表面上的透镜12在扫描期间被压向对象的身体。在透镜后面是换能器阵列，其一部分被称为换能器堆叠组件，该换能器堆叠组件将超声波发射到对象内并且从那里接收回波用于图像形成。探头10被无线地或通过从探头的底部延伸的线缆(未示出)连接到主框架超声系统。

图2是典型换能器堆叠组件的剖视图。RTV橡胶的声透镜34具有与探头外壳36齐平的其外部患者接触表面。声透镜覆盖将换能器的声阻抗匹配到声透镜和组织的声阻抗的一个或多个声匹配层32。匹配层32覆盖在换能器元件30上，该换能器元件具有被镀在其外表面和内表面上的电极90、92。下部电极90一般是信号电极，而上部电极92是返回电极。多个导体49、49'从换能器电极延伸，并且当被使用时被接合到探头线缆的个体导体。在换能器30后面并且被示为被导体49、49'占据的体积被填充有衰减从换能器阵列的后面发出的声能量的声阻尼材料。

能够通过本发明的实施方式检测的换能器失效模式是导体49与其电极90、92松开，致使受影响的换能器元件30不能发射或接收超声信号。换能器导体被耦合到波束形成器的信道，所述波束形成器致动一组元件以发射适当地转向且聚焦的超声波束，并且对由一组元件接收的信号进行延迟和求和以从沿着转向且聚焦的波束方向形成相干回波信号。例如，192个换能器元件的换能器阵列可以使其接收的信号以子孔径组被波束形成器处理以产生相干回波信号的128条扫描线。根据本发明的原理，每条扫描线的功率和频率特性被分析，并且与特定探头类型的扫描线的参考特性进行比较。图3例如图示了与对于相同探头类型的相同扫描线来说常见的参考谱60进行比较的所测试的探头的一条扫描线的频谱62。在该范例中，可看出频谱在多达大约3MHz的低频下跟随彼此，在此之后所测试的探头的谱62与参考谱60相比迅速下降。如箭头66指示的，在与预期的参考谱相比更高的频率下存在所测试的探头的频率响应的超过20dB的差异。由于用户能够看出小至3dB的探头性能的差异，因此在该范例中，所测试的探头被判断为是有缺陷的，并且应当被更换。

图4图示了本发明的另一探头测试。在该范例中，由波束形成器从探头产生的每条扫描线的频率响应被测量，如图3中示出的，并且每个谱的在3-10MHz部分内的平均功率被计算。测试探头的扫描线的这些平均功率值被绘制以形成图4中的标绘图72。在测试探头值的标绘图72上方，探头类型的参考扫描线的平均功率值被绘制，如在70处示出的。如通过箭头74所指示的，测试探头的扫描线响应始终如一地在该类型的探头的预期扫描线响应70之下5-10dB或更多。再次，探头被判断为是有缺陷的，并且应当被更换。

图5以方框图形式图示了根据本发明的原理构建的超声系统。换能器阵列30被提供在超声探头10中以用于发射超声波和接收超声回波信号信息。换能器阵列30可以是能够以二维或三维方式(例如，在仰角(在3D中)和方位角上)扫描的换能器元件的一维阵列或二维阵列。二维阵列探头将包括被耦合到阵列元件的微波束形成器，该微波束形成器控制通过阵列元件对信号的发射和接收。微波束形成器能够对由换能器元件的组或“贴片”接收的信号至少部分波束形成，如美国专利5,997,479(Savord等人)、6,013,032(Savord)和6,623,432(Powers等人)中描述的。微波束形成器或换能器元件通过探头线缆被耦合到波束形成器14。当被如此装备时在微波束形成器的控制下或在不存在微波束形成器的情况下直接从换能器阵列30对超声波束的发射由波束形成器中的发射器指引，所述微波束形成器接收来自用户对超声系统(未示出)的用户接口或控制面板的操作的输入。在由发射器控制的发射特性之中的是发射波形的频率、幅度、相位和极性。沿脉冲发射方向形成的波束可以被转向为从(正交于)换能器阵列笔直向前(其通常是线性阵列探头)，或以不同的角度来扫描更宽的视场(其通常是相控阵列探头)。

由一组换能器元件(在线性阵列的情况下阵列的子孔径或在相控阵列的情况下整个阵列)接收的回波是在波束形成器14中通过根据期望的波束转向和聚焦适当地延迟它们并且然后组合它们而波束形成。模拟波束形成器是已知的，但是现代的超声系统通过在波束形成之前将所接收的回波信号转换为数字信号样本而在数字域中执行波束形成。由微波束形成器产生的部分波束形成的信号被数字化，并且通过波束形成器被组合成完全波束形成的相干回波信号。由数字波束形成器产生的扫描线因此包括从扫描的最浅深度到最深深度的相干回波信号样本的序列。

相干回波信号被耦合到正交带通滤波器(QBP)16。QBP执行三个功能：对RF回波信号数据进行带限制，产生回波信号数据的同相和正交对(I和Q)，并且抽取数字样本率。QBP包括两个单独的滤波器，一个产生同相样本，而另一个产生正交样本，其中每个滤波器由实施FIR滤波器的多个乘法累加器(MAC)形成。正交信号样本经历通过信号处理器18的信号处理，所述信号处理包括通过数字滤波器的滤波和如通过空间或频率复合的散斑减少。信号处理器还能够将频带移位到更低或基带频率范围，QBP也能够如此。例如，信号处理器18的数字滤波器能够是美国专利No.5,833,613(Averkiou等人)中公开的类型的滤波器。

波束形成的且经处理的相干回波信号被耦合到检测器20。为了B模式(组织结构)成像，检测器通过根据算法(I²+Q²)^1/2处理I、Q样本来执行回波信号的幅度检测。为了多普勒(流和运动)成像，检测器存储来自图像场中的离散点的回波信号的集合，回波信号的集合然后用来利用快速傅里叶变换(FFT)处理器估计在图像中的点处的多普勒移位。为了彩色多普勒成像，所估计的在血管中的每个点处的多普勒流值被滤波，并且使用查找表被转换为颜色值。B模式回波信号然后在对数压缩器22中经历对数压缩，该对数压缩器通过使用查找表将其线性设置的强度值转换为对数设置的强度值，由此产生组织的灰度强度值的更加诊断范围。现在以用作图像的像素的形式的多普勒和组织信号被存储在图像存储器24中。

B模式图像信号和多普勒流或运动值两者被耦合到扫描转换器26，该扫描转换器将B模式和多普勒扫描线从其采集的R-θ坐标转换为笛卡尔(x，y)坐标以便以期望的显示格式(例如，直线形显示格式或扇形显示格式)显示。B模式图像或多普勒图像可以被单独显示，或者两者以解剖配准一起示出，其中彩色多普勒叠加在B模式图像中示出组织和脉管结构中的血流。由扫描转换器26产生的超声图像被耦合到显示处理器28，该显示处理器产生适合于产生在图像显示器50上显示超声图像的信号。

当探头要根据本发明针对失效的换能器元件进行测试时，探头在不与对象接触的同时被操作。即，探头的透镜34面向空气，并且所发射的超声波从空气-透镜界面40被反射回到换能器元件30，如图2中示出的。所反射的信号被换能器元件30接收，并且被耦合到波束形成器14，波束形成器14沿着接收扫描线方向将信号波束形成为相干回波信号。每条扫描线的回波信号被应用于频率分析器40，在优选的实施方式中，该频率分析器包括执行快速傅里叶变换算法、如上面提到的用于多普勒处理的相同类型的处理的处理器。如众所周知的，傅里叶变换将幅度信号样本的序列转换为频域，并且FFT算法已经广泛用于幅度频率转换，因为FFT算法已经在1965年被Cooley和Tukey公布。频率分析器40因此产生频谱，如图3中的62处示出的。扫描线参考存储器存储从测试与探头10相同类型的已知好探头采集的参考频谱60。由频率分析器40产生的频谱和扫描线参考存储器440被耦合到扫描线功率比较器42，该扫描线功率比较器在其频率范围(诸如图2中的谱的3-10MHz范围)内比较两个谱。如果逐频率的比较示出谱连续地在彼此的期望范围(例如，3dB)内，那么比较器将“好”信号应用于显示处理器28，并且该测试结果被显示在显示屏50上。如果比较示出谱发散超过期望的范围，如上面的图3的两个谱对于3-10MHz范围的情况，那么比较器引起“有缺陷”信号被显示在显示器上。该测试针对每条扫描线被重复，从存储器44检索对应的扫描线参考谱以便每次比较，直至从探头产生的每条扫描线已经被分析和测试。

图4的测试方法可以额外地或备选地用于测试。在这种情况下，已知好探头在预定频率范围(诸如图4中使用的3-10MHz范围)内的扫描线的平均功率的参考标绘图70被存储在扫描线参考存储器44中，并且被扫描线功率比较器检索用于比较。来自测试探头的每条扫描线频谱的平均功率值由扫描线功率比较器在相同的预定频率范围内来计算，从而产生可以针对所有扫描线绘制的每条扫描线的平均功率值，如通过标绘图72示出的。扫描线功率比较器42然后比较参考和测试探头标绘图，并且如果它们对于任何扫描线都发散多于预定量(诸如3dB)，那么比较器发送“有缺陷”测试结果用于显示在显示器50上。如果标绘图在彼此的期望范围内，“好”结果被显示给用户。

应当注意，适用于在本发明的实施方式中使用的超声系统并且特别地图1的超声系统的部件结构可以用硬件、软件或其组合来实施。超声系统的各种实施例和/或部件(例如，频率分析器40和扫描线功率比较器42、或其中的部件和控制器)也可以被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、显示单元以及例如用于访问互联网的接口。计算机或处理器可以包括微处理器。微处理器可以被连接到通信总线，例如以访问PACS系统或数据网络以便导入高频图像和低频图像。计算机或处理器还可以包括存储器。诸如图像存储器24和扫描线参考存储器44的存储器设备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，该存储设备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)。该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。

如本文中所使用的，术语“计算机”或“模块”或“处理器”或“工作站”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、逻辑电路以及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，因此并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被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而存储数据或其他信息。存储元件可以是处理机器内的信息源或物理存储元件的形式。

如上所述的超声系统的指令集(包括控制对超声图像的采集、处理和发送的那些指令)可以包括指示计算机或处理器作为处理机器以执行特定操作(例如，本发明的各种实施例的方法和过程)的各种命令。所述指令集可以是软件程序的形式。所述软件可以是各种形式(例如，系统软件或应用软件)并且可以被体现为有形且非瞬态计算机可读介质。另外，所述软件可以是单独程序或模块(诸如FFT算法模块)的集合、较大程序内的程序模块或程序模块的部分的形式。所述软件还可以包括面向对象编程形式的模块化编程。由处理机器对输入数据的处理可以对操作者命令做出响应，或对先前处理的结果做出响应，或对由另一处理机器做出的请求做出响应。

此外，随附权利要求的限制不是以模块加功能的形式写出的，并不旨在基于35U.S.C.112的第六段来解释，除非这样的权利要求限制明确使用短语“用于……的单元”跟着没有进一步结构的功能的陈述。

Claims

1.一种针对图像质量缺陷对换能器探头进行测试的超声诊断成像系统，包括：

超声探头，其包括适于采集超声回波信号的换能器元件阵列；

波束形成器，其被耦合到所述换能器元件阵列，并且适于根据多个所采集的回波信号来形成扫描线的波束形成的回波信号；

频率分析器，其被耦合以接收波束形成的回波信号，并且适于产生指示波束形成的回波信号的频率响应的信号；

存储器，其适于存储波束形成的信号的所述频率响应的参考信号；

比较器，其适于比较由所述频率分析器产生的所述频率响应与参考信号，并且当所述比较指示所述频率响应与所述参考信号之间的不可接受的差异时产生识别有缺陷探头的输出信号；以及

显示器，其被耦合以从所述比较器接收所述输出信号，并且适于显示对所述有缺陷探头的指示，其中，所述超声探头还包括覆盖所述换能器元件阵列的透镜，并且

其中，所述波束形成器还适于当所述透镜与空气接触时形成扫描线的波束形成的回波信号。

2.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述超声探头还包括线性阵列探头。

3.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述超声探头还包括相控阵列探头。

4.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述频率分析器还包括适于产生扫描线回波信号的功率对比频率响应的FFT算法。

5.根据权利要求4所述的超声诊断成像系统，其中，所述存储器还适于存储超声探头的扫描线的功率对比频率响应的参考信号。

6.根据权利要求5所述的超声诊断成像系统，其中，所述比较器还适于比较所述超声探头的扫描线的所述功率对比频率响应与所述存储器中存储的扫描线的所述功率对比频率响应的参考信号。

7.根据权利要求6所述的超声诊断成像系统，其中，所述显示器还适于产生对所述超声探头的扫描线的所述功率对比频率响应与超声探头的扫描线的所述功率对比频率响应的参考信号的显示。

8.根据权利要求4所述的超声诊断成像系统，其中，所述比较器还适于计算由所述频率分析器产生的扫描线回波信号的所述功率对比频率响应的平均功率。

9.根据权利要求8所述的超声诊断成像系统，其中，所述存储器还适于存储超声探头的扫描线信号的平均功率的参考信号。

10.根据权利要求9所述的超声诊断成像系统，其中，所述比较器还适于比较由所述探头产生的扫描线回波信号的所述功率对比频率响应的平均功率值与参考平均功率值。

11.根据权利要求10所述的超声诊断成像系统，其中，所述显示器还适于产生对所述探头的扫描线的所述平均功率值与所述存储器中存储的探头的平均功率值的参考信号的显示。

12.根据权利要求11所述的超声诊断成像系统，其中，所述显示器还适于产生对所述探头的扫描线的所述平均功率值的标绘图与所述存储器中存储的探头的参考信号平均功率值的标绘图的显示。

13.根据权利要求7所述的超声诊断成像系统，其中，所述存储器还适于存储与所述超声探头相同类型的已知好超声探头的扫描线的功率对比频率响应的参考信号。

14.根据权利要求11所述的超声诊断成像系统，其中，所述存储器还适于存储与所述超声探头相同类型的已知好探头的平均功率值的参考信号。