CN112472126B - 非整数维机械扫描式超声探头及成像系统和成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及非整数维机械扫描式超声探头及成像系统和成像方法，该超声探头包括探头本体、声透镜、以及换能器，在探头本体内部设有沿着声透镜长度方向延伸的直线导轨，超声探头还包括与直线导轨配合且能够往复滑动地设置在直线导轨上的滑座、以及驱动件，换能器沿着声透镜长度方向延伸，且有多个，多个换能器沿着声透镜的宽度方向并排设置在滑座上。本发明的利用多个不同的换能器设置，实现对目标不同频率、分辨率、深度的超声扫描，进而控制成像区域整体的切片厚度分布均匀，同时也可利用多个换能器的连接线缆之间相独立或者相串并联连接设置，实现多普勒血流成像，进一步拓展系统应用功能和领域。
Description
技术领域
本发明属于超声成像技术领域，具体涉及一种非整数维机械扫描式超声探头，同时还涉及一种非整数维机械扫描式成像系统和一种非整数维机械扫描式成像方法。
背景技术
随着高频超声成像技术的发展，高频超声探头或换能器需求日益增多，如眼科超声探头、皮肤超声探头、超声内窥镜和血管内超声导管等。
高频超声探头由于频率高，其压电片厚度薄，通常只有几十到一两百微米，探头组成的匹配层、背衬等材料的加工精度要求高。此外，由于振动模态的需要，高频超声探头的阵元要远小于常规临床1-5MHz探头的大小，其焊接封装难度也大。因此，多阵元高频超声探头全世界只有少数企业能够研制，且供应量有限。
另外，从系统角度看，由于受高速高频采样芯片等核心器件的制约，暂时还未有多通道的高频AD、AFE、高压脉冲芯片或器件销售，导致目前国内高频超声系统多为单通道系统，无法满足多阵元高频超声探头的使用需要。
因此，为了在现有条件下实现高频成像，多采用机械扫描的方式，如血管内超声的机械环扫、皮肤超声的线性扫描、心内超声摆扫等来完成对目标的成像。但单阵元超声探头，在偏离焦点（声透镜或其近场焦点）区域，声束扩散导致切片厚度迅速降低，造成切片厚度在近场、远场的空间一致性分布迅速降低，进而影响到成像质量，给诊断带来了障碍。此外，现有的单阵元机械扫描系统，受限于成像方法，多无多普勒成像技术，无法显示目标中血管的分布和血流情况，也限制了相关高频超声成像产品在临床的应用。
也就是说，目前高频超声成像探头和系统的主要技术问题：一是多阵元超声探头工艺复杂，制作难度大，成本高；二是系统限制，多通道高频超声成像系统核心器件ADC、AFE、高压脉冲等产品不成熟，研制成本高，难度大。而目前的机械扫描高频超声成像探头和系统，都是单阵元的，导致在偏离焦点区域切片厚度迅速降低，造成切片厚度在近场、远场的空间一致性分布迅速降低，影响成像质量，且无多普勒成像功能，即，无法进行血流测试和血液成像等。导致应用场景受限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的非整数维机械扫描式超声探头。
同时本发明还涉及一种非整数维机械扫描式成像系统和一种非整数维机械扫描式成像方法。
为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种非整数维机械扫描式超声探头，其包括探头本体、形成在探头本体端面的声透镜、以及换能器，在探头本体内部设有沿着声透镜长度方向延伸的直线导轨，超声探头还包括与直线导轨配合且能够往复滑动地设置在直线导轨上的滑座、以及驱动件，换能器沿着声透镜长度方向延伸，且有多个，多个换能器沿着声透镜的宽度方向并排设置在滑座上，其中每个换能器的宽度为0.05 mm～3 mm，频率范围为0.1 MHz～100 MHz，且每个换能器均设有一根连接线缆，多根连接线缆之间相独立或者相串并联连接设置。
优选地，换能器有五个，且为沿着声透镜宽度方向依次分布的第一换能器、第二换能器、第三换能器、第四换能器、第五换能器，其中第一换能器、第二换能器、第四换能器、第五换能器的宽度相等，第三换能器的宽度至少为第一换能器宽度的2倍。
具体的，第一换能器和第五换能器的连接线缆相串接，第二换能器和第四换能器的连接线缆相串接，第三换能器独立一根连接线缆，超声探头为1.5D超声波探头。
具体的，第一换能器、第二换能器、第三换能器、第四换能器、第五换能器的连接线缆相独立设置，所述的超声探头为1.75D超声波探头。
具体的，第一换能器和第五换能器的连接线缆相串接形成第一支路，第二换能器和第四换能器的连接线缆相串接形成第二支路，第三换能器的连接线缆形成第三支路，且第一支路、第二支路、及第三支路相并联连通，第一支路和第二支路分别设有通电开关，超声探头为1.25D超声波探头。
因此，上述不同个数的换能器并结合不同的电路连通方式，使得超声抬头能够展开非整数维的图像。
此外，换能器为压电陶瓷换能器、复合换能器、电容式换能器或者微换能器。
根据本发明的一个具体实施和优选方面，直线导轨为与滑座相配合的丝杆，驱动件包括电机、以及将电机与直线导轨相传动连接的传动部件，其中在直线导轨的转动下，滑座横运动，且横移的速度为0.1 mm/s～100 mm/s。
本发明的另一技术方案是：一种非整数维机械扫描式成像系统，其包括显示单元和主机，其中主机包括图像处理器、与图像处理器连通的控制模块、分别将每个换能器与控制模块相连通的回波收集器，特别是，成像系统还包括超声探头，回波收集器包括依次设置在换能器与控制模块之间的收/发开关、低噪放大单元、时间增益补偿单元、以及采样单元，其中控制模块分别与驱动件和时间增益补偿单元相连通。
优选地，主机还包括与每个收/发开关相连通的高压电源激励器、以及将高压电源激励器和控制模块相连通的延迟器。
进一步的，每一个换能器所发射超声波和接收回波形成该扫描点超声成像数据，由多个超声成像数据形成一帧图像，图像处理器将多个一帧图像进行拼接融合形成一幅完整的图像。
本发明的又一技术方案是：一种非整数维机械扫描式成像方法，该成像方法采用上述的成像系统，且包括如下步骤：
1）、在初始位置，每个换能器都会发射超声波，接收回波，作为其在该点的超声射频回波信号数据，随后向左或向右移动扫描，控制换能器移动到下一个扫描点，换能器再次发射超声波和接收回波，作为该点的超声射频回波信号数据；
2）、直至换能器实现从声透镜的最左到最右，或者最右到最左，实现对一个切面的一帧图像扫描，然后，换能器的扫描移动速度，确定每个数据对应的成像空间位置，并将多个所述一帧图像进行拼接融合形成一幅完整的图像
由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明的利用多个不同的换能器设置，实现对目标不同频率、分辨率、深度的超声扫描，进而控制成像区域整体的切片厚度分布均匀，同时也可利用多个换能器的连接线缆之间相独立或者相串并联连接设置，实现多普勒血流成像，进一步拓展系统应用功能和领域。
附图说明
图1为本发明的扫描探头的主视示意图；
图2为图1的俯视示意图；
图3为图1中1.25D超声波探头的连接线缆连线方式示意图；
图4为图1中1.5D超声波探头的连接线缆连线方式示意图；
图5为图1中1.75D超声波探头的连接线缆连线方式示意图；
图6为本发明的成像系统的结构示意图(1.5D超声波探头)；
图7为图6中成像系统的模块示意图(1.5D超声波探头)；
其中：A、显示单元；q、显示器。
B、主机；b1、图像处理器；b2、控制模块；b3、回波收集器；b30、收/发开关；b31、低噪放大单元；b32、时间增益补偿单元；b33、采样单元；b34、高压电源激励器；b35、延迟器。
T、非整数维机械扫描式超声探头；1、探头本体；2、声透镜；3、直线导轨；4、滑座；5、换能器；5-1、第一换能器；5-2、第二换能器；5-3、第三换能器；5-4、第四换能器；5-5、第五换能器；6、驱动件；60、电机。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图与具体实施方式对本发明做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
如图1所示，本实施例的非整数维机械扫描式超声探头T，其包括探头本体1、形成在探头本体1端面的声透镜2、设置在探头本体1内部设有沿着声透镜2长度方向延伸的直线导轨3、滑座4、并排设置在滑座4的五个换能器5、以及驱动滑座4沿着直线导轨3长度方向运动的驱动件6。
具体的，五个换能器5为沿着声透镜2宽度方向依次分布的第一换能器5-1、第二换能器5-2、第三换能器5-3、第四换能器5-4、第五换能器5-5，其中第一换能器5-1、第二换能器5-2、第四换能器5-4、第五换能器5-5的宽度相等，第三换能器5-3的宽度为第一换能器5-1宽度的2倍。
结合图2所示，直线导轨3为与滑座4相配合的丝杆，驱动件6包括电机60、以及将电机60与直线导轨3相传动连接的传动部件，其中在直线导轨3的转动下，滑座4横运动，且横移的速度为10mm/s。
电机60可以为有刷电机、无刷电机或者交直流电机，且电机60和直线导轨3之间可以采用常规的齿轮传动。
同时，为了获取较好的声场分布，主要是切片厚度的近远场分布均匀，中心换能器（也就是第三换能器5-3）、两侧对应的每组换能器（也就是第一换能器5-1、第二换能器5-2、第三换能器5-3、第四换能器5-4、第五换能器5-5），其激励时间都有一定的时间延迟，从而通过相位调制的方法获取所需的声场。
此外，换能器5固定在滑座4上，整体浸润于超声成像耦合液中，耦合液的前端则为成像和保护作用的声透镜2。
同时，换能器5为压电陶瓷换能器。
结合图3所示，第一换能器5-1和第五换能器5-5的连接线缆相串接形成第一支路，第二换能器5-2和第四换能器5-4的连接线缆相串接形成第二支路，第三换能器5-3的连接线缆形成第三支路，且第一支路、第二支路、及第三支路相并联连通，第一支路和第二支路分别设有通电开关，超声探头为1.25D超声波探头。
结合图4所示，第一换能器5-1和第五换能器5-5的连接线缆相串接，第二换能器5-2和第四换能器5-4的连接线缆相串接，第三换能器5-3独立一根连接线缆，超声探头为1.5D超声波探头。
结合图5所示，第一换能器5-1、第二换能器5-2、第三换能器5-3、第四换能器5-4、第五换能器5-5的连接线缆相独立设置，超声探头为1.75D超声波探头。
结合图6所示，非整数维机械扫描式成像系统，其包括显示单元A和主机B、及非整数维机械扫描式超声探头T。
本例中，显示单元A包括常规的显示器q。
结合图7所示，主机B包括图像处理器b1、与图像处理器b1连通的控制模块b2、分别将每个换能器5与控制模块b2相连通的回波收集器b3，其中控制模块b2还与电机60相连通。
回波收集器b3包括依次设置在换能器5与控制模块b2之间的收/发开关b30、低噪放大单元b31、时间增益补偿单元b32、以及采样单元b33。
控制模块b2还与时间增益补偿单元b32相连通。
同时，上述的主机B还包括与每个收/发开关b30相连通的高压电源激励器b34、以及将高压电源激励器b34和控制模块b2相连通的延迟器b35。
此外，每一个换能器所发射超声波和接收回波形成该扫描点超声成像数据，由多个超声成像数据形成一帧图像，图像处理器将多个一帧图像进行拼接融合形成一幅完整的图像。
与传统的单探头机械扫描不同，本实施例的非整数维机械扫描式超声探头T，工作原理如下：以1.5D探头工作为例，工作时，第三换能器5-3有独立的发射接收控制，第一换能器5-1和第五换能器5-5共享一组发射接收控制，第二换能器5-2和第四换能器5-4共享一组发射接收控制，其中，第二换能器5-2和第四换能器5-4导通，具有相同的相位延迟，由控制模块控制，第一换能器5-1和第五换能器5-5，两者有相同的相位延迟，由控制模块控制。但是第二换能器5-2和第四换能器5-4与第一换能器5-1和第五换能器5-5两者的相位延迟不同。通过左右移动扫描，从而实现对同一组织一个切面的不同频率、不同分辨率和深度的探测。
具体来说，就是在初始位置，换能器都会发射超声波，接收回波，作为其在该点的超声射频回波信号数据，随后随着电机转动，控制换能器移动到下一个扫描点，换能器再次发射超声波和接收回波，作为该点的超声射频回波信号数据。如此循环，直至换能器实现从成像窗的最左到最右，或者最右到最左，实现对一个切面的一帧图像扫描。然后，结合电机的转速和转动系统，计算出换能器的扫描移动速度，再根据编码发射器的数据，确定每个数据对应的成像空间位置，进而拼出切面的完整图像。
此外，利用探头具有多个换能器的特点，可以利用对应组的换能器分别负责发射和接收，通过接收信号的频移，来确定血流的速度，并将相关信息，融合到中心换能器获取的B超图像上，从而实现Doppler（多普勒）成像。
综上，本实施例具有以下优势：
1）、通过提出新型的非整数维机械扫描超声探头，可有效解决现有阵列高频超声探头加工工艺复杂，价格高昂，多通道高频超声成像系统核心器件受限等不足，实现对目标快速高性能成像；
2）、利用多阵元非整数维扫描超声探头，可有效解决单阵元机械扫描远场近场不均的问题，改善成像质量；
3）、利用多阵元非整数维扫描超声探头，还可以解决现有单阵元扫描探头无法Doppler（多普勒）彩色成像的不足。
以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种非整数维机械扫描式超声探头，其包括探头本体、形成在所述探头本体端面的声透镜、以及换能器，其特征在于：
在所述的探头本体内部设有沿着所述声透镜长度方向延伸的直线导轨，所述超声探头还包括与所述直线导轨配合且能够往复滑动地设置在所述直线导轨上的滑座、以及驱动件，所述的换能器沿着所述声透镜长度方向延伸，且有五个，五个所述换能器沿着所述声透镜的宽度方向并排设置在所述的滑座上，其中每个所述换能器的宽度为0.05 mm～3 mm，频率范围为0.1 MHz～100 MHz，且每个所述换能器均设有一根连接线缆，多根所述连接线缆之间相独立或者相串并联连接设置；
五个所述的换能器为沿着所述声透镜宽度方向依次分布的第一换能器、第二换能器、第三换能器、第四换能器、第五换能器，其中第一换能器、第二换能器、第四换能器、第五换能器的宽度相等，所述第三换能器的宽度至少为第一换能器宽度的2倍；
第三换能器、两侧对应的第一换能器、第二换能器、第三换能器、第四换能器、第五换能器，其激励时间都有一定的时间延迟，以通过相位调制的方法获取所需的声场；
所述的第一换能器和所述第五换能器的所述连接线缆相串接形成第一支路，所述第二换能器和所述第四换能器的所述连接线缆相串接形成第二支路，所述第三换能器的所述连接线缆形成第三支路，且所述第一支路、所述第二支路、及所述第三支路相并联连通，所述的第一支路和所述第二支路分别设有通电开关，所述的超声探头为1.25D超声波探头；
或者，所述的第一换能器和所述第五换能器的所述连接线缆相串接，所述第二换能器和所述第四换能器的所述连接线缆相串接，所述第三换能器独立一根所述连接线缆，所述的超声探头为1.5D超声波探头；
或者，所述的第一换能器、第二换能器、第三换能器、第四换能器、第五换能器的连接线缆相独立设置，所述的超声探头为1.75D超声波探头。
2.根据权利要求1所述的非整数维机械扫描式超声探头，其特征在于：所述的直线导轨为与所述滑座相配合的丝杆，所述的驱动件包括电机、以及将电机与所述直线导轨相传动连接的传动部件，其中在所述直线导轨的转动下，所述的滑座横运动，且横移的速度为0.1mm/s～100 mm/s。
3.一种非整数维机械扫描式成像系统，其包括显示单元和主机，所述主机包括图像处理器、与所述图像处理器连通的控制模块、分别将每个所述换能器与所述控制模块相连通的回波收集器，其特征在于：所述的成像系统还包括权利要求1或2所述的超声探头，所述回波收集器包括依次设置在所述换能器与所述控制模块之间的收/发开关、低噪放大单元、时间增益补偿单元、以及采样单元，其中所述的控制模块分别与所述驱动件和所述时间增益补偿单元相连通。
4.根据权利要求3所述的非整数维机械扫描式成像系统，其特征在于：所述的主机还包括与每个所述收/发开关相连通的高压电源激励器、以及将高压电源激励器和所述控制模块相连通的延迟器。
5.根据权利要求4所述的非整数维机械扫描式成像系统，其特征在于：每一个所述换能器所发射超声波和接收回波形成该扫描点超声成像数据，由多个所述超声成像数据形成一帧图像，所述图像处理器将多个所述一帧图像进行拼接融合形成一幅完整的图像。
6.一种非整数维机械扫描式成像方法，其特征在于：所述成像方法采用权利要求3至5中任一项权利要求所述的成像系统，且包括如下步骤：
1）、在初始位置，每个换能器都会发射超声波，接收回波，作为其在初始位置点的超声射频回波信号数据，随后向左或向右移动扫描，控制换能器移动到下一个扫描点，换能器再次发射超声波和接收回波，作为下一个扫描点的超声射频回波信号数据；
2）、直至换能器实现从声透镜的最左到最右，或者最右到最左，实现对一个切面的一帧图像扫描，然后，换能器的扫描移动速度，确定每个数据对应的成像空间位置，并将多个所述一帧图像进行拼接融合形成一幅完整的图像。
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