CN114305495A - 基于超声换能器的超声成像方法、超声换能器及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开一种基于超声换能器的超声成像方法、超声换能器、超声换能系统、计算机可读存储介质及计算机设备。在发明的一具体实施方式中，基于超声换能器的超声成像方法包括：控制超声发射单元向感测目标的多个目标点发射超声波信号；控制各超声接收单元按照预定时序、间隔接收感测目标返回的至少三个反射信号；根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到感测目标的超声成像。该实施方式通过按照预定时序、间隔接收感测目标返回的至少三个反射信号，并根据各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式，能够直接获取每个目标点的三维位置信息。
Description
技术领域
本发明涉及超声成像技术领域。更具体地，涉及一种基于超声换能器的超声成像方法、超声换能器及系统、计算机可读存储介质及计算机设备。
背景技术
传统超声换能系统中用于成像的超声探头通过线或面阵探头通过相控阵进行逐行扫描成像，每一次成像面积小至50mm*2mm，受限于传统探头的面积局限性，目前的超声成像方法为局部查扫，需要实时连续接收返回自感测目标的反射信号，并只能计算得到二维位置信息来获取若干二维图像，通过拼接合成为感测目标的三维(3D)图像，成像分辨率低，采集系统的设计难度大。此外，这种成像方法需要医生多次查扫寻找病灶，对医生或诊断者的专业知识高度依赖，因此诊断结果的误诊风险较高。
发明内容
本申请的目的在于提供一种基于超声换能器的超声成像方法、超声换能器及系统、计算机可读存储介质及计算机设备，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。
为达到上述目的，本申请采用下述技术方案：
本申请第一方面提供了一种基于超声换能器的超声成像方法，超声换能器包括多个对应设置的超声发射单元和超声接收单元，超声接收单元包括阵列排布的多个用于接收超声波信号的阵元，方法包括：
控制超声发射单元向感测目标的多个目标点发射超声波信号；
控制各超声接收单元按照预定时序、间隔接收感测目标返回的至少三个反射信号；以及
根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到感测目标的超声成像。
在一些可选的实施例中，超声发射单元包括多个发射源，方法包括控制各超声接收单元按照预定时序、间隔接收感测目标返回的三个反射信号，
根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到感测目标的超声成像进一步包括：
基于各发射源的三维位置信息以及接收到每个反射信号的各阵元的位置信息，成像距离公式为下列三坐标表达式：
其中，t0、t1和t2表示自超声发射单元向感测目标的多个目标点发射超声波信号起到各超声接收单元的阵元接收三个反射信号所经过的时长，v表示超声波信号的速度，xt、yt和zt表示发射超声波信号的发射源的三维坐标值，x0、y0和z0，x1、y1和z1，以及x2、y2和z2表示分别与三个反射信号对应的阵元的三维坐标值。
在一些可选的实施例中，
各超声接收单元的阵元接收到的反射信号包括阵元所属超声接收单元对应的目标点返回的反射信号和相邻超声接收单元对应的目标点返回的反射信号，
根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到感测目标的超声成像进一步包括：
针对每个超声接收单元中接收三个反射信号的阵元联立三坐标表达式并计算每个联立的三坐标表达式对应的三维坐标值；
将所计算的三维坐标值中数量最多的三维坐标值确定为超声接收单元对应的目标点的三维位置信息。
在一些可选的实施例中，每个超声发射单元发射的超声波信号声束聚焦至该超声发射单元对应的目标点，
将位于聚焦轴上的发射源作为每个超声发射单元中每个发射源的等效发射源代入成像距离公式以计算超声发射单元对应的目标点的三维位置信息。
在一些可选的实施例中，
超声发射单元包括多个发射源，方法包括控制各超声接收单元按照预定时序、间隔接收感测目标返回的六个反射信号，
根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到感测目标的超声成像进一步包括：
基于各发射源的三维位置信息，成像距离公式为下列六坐标表达式：
其中，t0～t5表示自超声发射单元向感测目标的多个目标点发射超声波信号起到多个超声接收单元的阵元接收六个反射信号所经过的时长，v表示超声波信号的速度，xt、yt和zt表示发射超声波信号的发射源的三维坐标值，x0、y0和z0，x1、y1和z1，x2、y2和z2，x3、y3和z3，x4、y4和z4，以及x5、y5和z5表示分别与六个反射信号对应的阵元的三维坐标值。
在一些可选的实施例中，
各超声接收单元的阵元接收到的反射信号包括阵元所属超声接收单元对应的目标点返回的反射信号和相邻超声接收单元对应的目标点返回的反射信号，
根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到感测目标的超声成像进一步包括：
针对每个超声接收单元中接收六个反射信号的阵元联立六坐标表达式并计算每个联立的六坐标表达式对应的三维坐标值；
将所计算的三维坐标值中数量最多的三维坐标值确定为超声接收单元对应的目标点的三维位置信息。
在一些可选的实施例中，各超声接收单元接收第n个反射信号时与接收第n-1个反射信号之间的预定间隔Δt满足：
其中，v表示超声波信号的速度，H表示感测目标距离接收单元所处平面的距离，P表示相邻阵元的中心之间的间距，n为正整数。
本发明第二方面提供一种超声换能器，包括：
多个超声发射单元，配置为向感测目标的多个目标点发射超声波信号；
多个超声接收单元，与多个超声发射单元对应设置，每个超声接收单元包括多个阵元，配置为接收感测目标返回的反射信号；以及
控制单元，配置为：
控制超声发射单元向感测目标的多个目标点发射超声波信号；
控制各超声接收单元按照预定时序、间隔接收感测目标返回的至少三个反射信号；
根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到感测目标的超声成像。
在一些可选的实施例中，
超声发射单元包括多个发射源，
控制单元配置为控制各超声接收单元按照预定时序、间隔接收感测目标返回的三个反射信号，并且
基于各发射源的三维位置信息以及接收到每个反射信号的各阵元的位置信息，成像距离公式为下列三坐标表达式：
其中，t0、t1和t2表示自超声发射单元向感测目标的多个目标点发射超声波信号起到多个超声接收单元的阵元接收三个反射信号所经过的时长，v表示超声波信号的声速，xt、yt和zt表示发射超声波信号的发射源的三维坐标值，x0、y0和z0，x1、y1和z1，以及x2、y2和z2表示分别与三个反射信号对应的阵元的三维坐标值。
在一些可选的实施例中，
超声发射单元包括多个发射源，
控制单元配置为控制各超声接收单元按照预定时序、间隔接收感测目标返回的六个反射信号，并且
基于各发射源的三维位置信息，成像距离公式为下列六坐标表达式：
其中，t0～t5表示自超声发射单元向感测目标的多个目标点发射超声波信号起到多个超声接收单元的阵元接收六个反射信号所经过的时长，v表示超声波信号的声速，xt、yt和zt表示发射超声波信号的发射源的三维坐标值，x0、y0和z0，x1、y1和z1，x2、y2和z2，x3、y3和z3，x4、y4和z4，以及x5、y5和z5表示分别与六个反射信号对应的阵元的三维坐标值。
在一些可选的实施例中，
每个超声接收单元的孔径的范围为：大于等于100mm且小于等于150mm，
相邻阵元中心之间的距离范围为：大于等于1/3λ且小于等于λ，其中，λ表示超声波信号的波长，
相邻阵元之间的间距的范围为：大于等于5μm且小于等于10μm。
在一些可选的实施例中，
超声发射单元包括CMUT、PMUT、PZT、以及PVDF中的一种，和/或
超声接收单元包括CMUT和PVDF中的一种。
本发明第三方面提供一种超声换能系统，包括：
探头，探头包括如上文所述的超声换能器；
电压源，耦合至探头，用于在超声系统的发射模式中向超声发射单元中的至少一个提供电压。
本发明第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，
该程序被处理器执行时实现如上文所述的基于超声换能器的超声成像方法。
本发明第五方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，
处理器执行程序时实现如上文所述的基于超声换能器的超声成像方法。
本发明的有益效果如下：
本发明针对目前现有的问题，制定一种基于超声换能器的超声成像方法、超声换能器及系统、计算机可读存储介质及计算机设备，通过控制超声接收单元按照预定时序、间隔接收感测目标返回的至少三个反射信号，并根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算，从而能够间隔接收低至三个反射信号，即可以直接获取每个目标点的三维位置信息，从而能够以有限的采样直接获取3D超声成像，提高超声成像的分辨率，避免成像盲区，具有广泛的应用场景。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出根据本发明实施例的基于超声换能器的超声成像方法的示意性流程图；
图2示出根据本发明实施例的超声换能器的主结构的示意图；
图3示出点散射体的回波波形在空间传播的各波阵面的示意图；
图4示出根据本发明实施例的超声接收单元不同时刻所接收的反射信号的示意性波形图；
图5示出根据本发明实施例的反射信号与目标点的几何关系原理图；
图6示出根据本发明实施例的超声换能器的示意性结构框图；
图7示出本发明实施例的超声接收单元的示意性俯视图；以及
图8示出根据本发明的实施例所述的一种计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同或相似的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
需要说明的是，本发明中描述的“具有”、“包含”、“包括”等均为开式的含义，即，当描述模块“具有”、“包含”或“包括”第一元件、第二元件和/或第三元件时，表示该模块除了第一元件、第二元件和/或第三元件外还包括其他的元件。
为了解决以上问题之一，本发明的实施例提供一种基于超声换能器的超声成像方法，超声换能器包括多个对应设置的超声发射单元和超声接收单元，超声接收单元包括阵列排布的多个用于接收超声波信号的阵元，方法包括：
步骤S1、控制超声发射单元向感测目标的多个目标点发射超声波信号；
步骤S2、控制各超声接收单元按照预定时序、间隔接收感测目标返回的至少三个反射信号；以及
步骤S3、根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到感测目标的超声成像。
在本实施例中，通过控制超声接收单元按照预定时序、间隔接收感测目标返回的至少三个反射信号，并根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算，从而能够间隔接收低至三个反射信号，即可以直接获取每个目标点的三维位置信息，从而能够以有限的采样直接获取3D超声成像，获得的3D超声成像更准确，提高超声成像的分辨率，避免成像盲区，因为无需反复查扫合成最终的图像，使得3D超声成像的准确度不再受限于执行超声成像的个人的经验，具有广泛的应用场景。
首先结合图2描述应用本发明的超声成像方法的超声换能器的构造。参照图2所示，超声换能器包括多个对应设置的超声发射单元11和超声接收单元12。图中超声发射单元11和超声接收单元12的数目均是示例性的，本发明不限制二者的具体数目，视产品的具体应用场景而定。
超声发射单元向感测目标中的目标点发射超声波信号。在本申请中，每个超声发射单元向感测目标中的一个目标点聚焦发射超声波信号，但本申请并不旨在限制该超声发射单元仅发射来自一个方向的一束超声波信号。可选地，该超声发射单元可以发射多个超声波声束，并使得各超声波声束发生声束偏转聚焦或者声束聚焦至一个目标点，达到向一个目标点发射超声波信号的目的。因此，本申请中每个超声发射单元可以包括多个发射源，这些发射源既可以为集成的也可以为分立的。超声发射单元可以包括CMUT、PMUT、PZT、以及PVDF中的一种。例如，当超声发射单元为CMUT、PMUT或者PZT时，每个发射源可以是独立的器件，例如，当超声发射单元为PVDF时，多个发射源甚至于多个超声发射单元可以为通过半导体工艺集成在一起的整面器件，即，由半导体工艺制作为同一个下电极，分隔的上电极以独立向目标点发射超声波信号。
应注意，在本申请中，对应设置旨在功能上表述向某一目标点发射超声波信号的超声发射单元以及致力于确定该目标点的三维位置信息的超声接收单元之间的对应关系，不限制每个超声发射单元中的发射源的数目与超声接收单元中的阵元数目是否有关联；此外，各个超声发射单元中某一电极以集成为一整面的形式制作在一起，也并不影响对应设置的含义。
具体地，如图2所示，每个超声接收单元12包括阵列排布的多个用于接收超声波信号的阵元12，用于接收感测目标返回的反射信号。图中示意性地示出一个超声接收单元中阵元的排布方式，应理解，其他超声接收单元中的阵元与该单元中的排布方式一致。另外，图2中例示超声换能器中的超声接收单元12为矩形面阵，但并不限制于此，超声接收单元还可以为圆形或其它形状的面阵，还可以为一维线阵。
值得一提的是，申请实施例的超声成像方法特别适合与包括大面积集成的超声发射单元和超声接收单元的超声换能器配合使用，达到无需反复查扫，对感测目标一次直接成像的目的。
尽管图2中未示出，超声换能器还包括控制单元，用于执行超声波信号的发射控制、反射信号的接收控制以及对信号的计算和处理，在此不作赘述。
下面结合具体的示例详细描述基于超声换能器的超声成像方法。
发明人经过研究发现，对于尺寸远小于波长的散射体可以看作一个点，参照图3所示，假定点S的尺寸远小于超声波信号，点S接收到超声波信号时，其反射的回波信号在空间中的波阵面为圆形，随着传播时间的推移，其波阵面逐渐扩大，因此，在不同空间距离上的波阵面接收到的波形为具有不同直径的同心圆。
基于该发现发明人进一步研究得出结论：若散射点面向某一接收平面返回反射信号，则该平面在不同时刻接收的反射信号也为具有不同直径的同心圆，并且进一步基于反射信号在不同时刻的形状规律，设计以下超声成像方法。
在步骤S1中，控制超声发射单元11向感测目标的多个目标点发射超声波信号。本步骤并不限定超声发射单元11发射超声波信号的次数，原则上，若发射一次超声波信号后超声接收单元能够采样到确定对应目标点的三维位置信息的所有反射信号，则仅发射一次超声波信号即可。当然，若朝向目标点发射的一次超声波信号反射回的反射信号没有能够被超声接收单元接收到，或者超声接收单元接收的反射信号的数量不足以确定对应目标点的三维位置信息，则超声发射单元可以向目标点发射多个超声波信号。
具体地，控制单元可以通过控制电源向超声发射单元11的电极板提供电压信号，使得超声发射单元11中的压电层等振动层振动从而产生超声波信号，并使得每个超声发射单元发射中的发射源的超声波信号聚焦在感测目标中的不同目标点。接收到超声波信号的每个目标点接收到超声波信号后即向超声换能器的接收平面返回反射信号。
在步骤S2中，控制各超声接收单元按照预定时序、间隔接收感测目标返回的至少三个反射信号。
在本实施例中，完成一次3D成像的必要的反射信号数量减少到三个，且超声接收单元间隔地接收反射信号。
具体地，接收各反射信号的时间间隔可以是相等的，也可以是不等的，但以每个超声接收单元12能够接收到足够数量的反射信号为准。本领域技术人员应理解，接收动作对应于采样动作。例如，若希望发射一次超声波信号能够完成一次成像，且三个反射信号可以满足目标点的三维位置信息计算，则需要控制超声接收单元采样的时间间隔与时序，使得超声接收单元对应的目标点的三次反射信号均能够落在该超声接收单元的范围内。此外，时间间隔也不能够过小，以保证相邻两次反射信号能够被不同的阵元接收到，即能够在超声接收单元中分辨出两个波形信号。
较为优选地，各超声接收单元接收第n个反射信号时与接收第n-1个反射信号之间的预定间隔Δt满足：
其中，v表示超声波信号的速度，H表示感测目标距离接收单元所处平面的距离，P表示相邻阵元的中心之间的间距，n为正整数。
通过该设置，使得各超声接收单元能够分辨出不同时刻接收的反射信号的波形。
在步骤S3中，根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取所述感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到所述感测目标的超声成像。
在本实施例中，基于同一目标点返回到超声接收单元的反射信号的波形在间隔的不同时刻会呈现直径不同的同心圆的特点，基于几何结构关系设置预设的成像距离公式，使得根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算，从而直接获取感测目标中每个目标点的三维位置信息，这些三维位置信息的集合即为感测目标的三维超声成像。本实施例中能够基于间隔采样的有限反射信号，反演目标点的三维位置信息，从而实现了真正的直接三维超声成像。
可选地，参照图4和图5所示，图4中示出感测目标中一个目标点返回的三个反射信号在接收平面将呈现的具有不同直径r1、r2、r3的三个同心圆。
在超声换能器中可以预先存储各超声发射单元中每个发射源的三维位置信息和各超声接收单元中每个阵元的三维位置信息，即，三维坐标值。超声发射单元中每个发射源的三维坐标值和超声接收单元中每个阵元的三维坐标值是基于同一三维直角坐标系建立的。通常超声接收单元和超声接收单元之间的介质层的距离极小可以忽略不计，如图5所示，可以将超声发射单元和超声接收单元等效为处于同一平面xoy。图5中仅示例性地示出发射源位于坐标原点，发射源的位置并不限于此。
具体地，参照图5所示，设一个超声发射单元中，发射源的坐标表示为Tx(xt,yt,zt)，与该超声发射单元对应的超声接收单元中接收反射信号的阵元的三维坐标值表示为Rx(xn,yn,xn)，其中n表示接收第n个反射信号的阵元的三维坐标值。感测目标中返回该反射信号的目标点的三维坐标值表示为P(X,Y,Z)，目标点的坐标值与超声发射单元中每个发射源和超声接收单元中每个阵元的三维位置信息同属于相同的三维直角坐标系。
继续参照图4和图5所示，对于每一个接收到超声波信号的目标点而言，若其返回的反射信号被超声接收单元接收到，则每个接收时刻，超声接收单元中将有与该时刻对应直径的波形位置的阵元接收到反射信号。每一个反射信号的所有阵元Rx(xn,yn,xn)，均相对于发射源Tx(xt,yt,zt)、目标点P(X,Y,Z)具有图5所示的三角形几何关系。需要说明的是，目标点P(X,Y,Z)到发射源Tx(xt,yt,zt)的线段并不一定垂直于接收平面xoy。
因为超声波信号的速度是已知的，自发射源发出信号到阵元接收信号的时间段内超声波信号所经历的距离为，目标点P到发射源Tx的距离与阵元Rx到目标点的距离之和，即满足：
其中，n表示超声接收单元接收的第n个反射信号，tn自超声发射单元的发射源发出超声波信号起到阵元接收到该第n个反射信号所经历的时间。
因此，基于表达式(1)的数值关系，当发射源的位置信息已知的情况下，表达式(1)中仅有三个未知数X、Y和Z，只要将发射源发出超声波信号后间隔接收的三个反射信号对应的三个阵元的三维坐标值带入表达式(1)进行联立则能够求解得到未知数X、Y和Z，即目标点P的三维位置坐标值(X,Y,Z)。
具体地，基于各发射源的三维位置信息以及接收到每个反射信号的各阵元的位置信息，所述成像距离公式为下列三坐标表达式：
其中，t0、t1和t2表示自超声发射单元向感测目标的多个目标点发射超声波信号起到各超声接收单元的阵元接收三个反射信号所经过的时长，v表示超声波信号的速度，xt、yt和zt表示发射超声波信号的发射源的三维坐标值，x0、y0和z0，x1、y1和z1，以及x2、y2和z2表示分别与三个反射信号对应的阵元的三维坐标值。
在该实施例中，若超声换能器不但预先存储有超声接收单元中每个阵元的位置信息，同时存储有每个超声发射单元中的发射源的位置信息，则只需以上述三坐标表达式作为成像距离公式，则可以求解得到该超声发射单元和超声接收单元对应的目标点的三维位置信息。本领域技术人员可以理解，在本实施例中，通过以上方法，最少只需要间隔地接收三个反射信号即可以直接得到感测目标中目标点的三维位置信息。
可以理解，超声换能器若具备成千上万个超声接收单元，则只需将该超声换能器放置于感测目标上方并使超声换能器发射超声波信号，则直接得到感测目标的三维超声图像，而不必移位查扫，且相对于多个二维图像拼接合成的三维超声图像，本申请通过直接计算目标点的三维位置信息获取三维超声图像的方法所得到的三维超声图像显然更精确。
在一些可选的实施例中，还可以对方法进行进一步简化。具体地，每个超声发射单元发射的超声波信号声束聚焦至该超声发射单元对应的目标点，
将位于聚焦轴上的发射源作为每个超声发射单元中每个发射源的等效发射源代入成像距离公式以计算超声发射单元对应的目标点的三维位置信息。可选地，还可以以其他方式将每个超声发射单元中某一个发射源作为该超声发射单元中每个发射源的等效发射源来带入成像距离公式以计算超声发射单元对应的目标点的三维位置信息，例如以超声波发射延时为零的发射源等等。
通过该设置，每个对应的超声发射单元和超声接收单元对应于一个已知的等效发射源的三维坐标值，并且每次接收的反射信号联立的三坐标公式均带入一个等效发射源的三维坐标值，进一步简化超声成像方法的计算步骤，具有广泛的应用前景。
考虑到每个超声接收单元在一个时刻接收到的反射信号并不一定均属于本超声接收单元对应的目标点，举例来说，超声发射单元在tm时刻发射了超声波信号，在晚于该时刻的tn时刻又发射了超声波信号，超声接收单元在tn时刻后采样，则相邻超声接收单元的目标点对tm时刻发射的超声波信号的反射信号可能已经扩散到本超声接收单元，其中，m和n为正整数。这种情况下，各超声接收单元的阵元接收到的反射信号包括阵元所属超声接收单元对应的目标点返回的反射信号和相邻超声接收单元对应的目标点返回的反射信号。
在这种情况下，若联立上述三坐标表达式求解得到的坐标值则不能够直接判断为本超声接收单元所对应的目标点的三维位置信息。
较为优选地，在本实施例中，接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到感测目标的超声成像进一步包括：
针对每个超声接收单元中接收三个反射信号的阵元联立三坐标表达式并计算每个联立的三坐标表达式对应的三维坐标值；
将所计算的三维坐标值中数量最多的三维坐标值确定为超声接收单元对应的目标点的三维位置信息。
通过该设置，利用控制单元将各超声接收单元中所有接收到三个反射信号的阵元按照三个时刻联立三坐标表达式，并将每个三坐标表达式均求解出三维坐标值，因为对于一个超声接收单元来说，来自其他相邻超声接收单元的反射信号联立方程组得到是各个杂散三维坐标值的数量一定小于本超声接收单元的三维坐标值的三维坐标值的数量，因此，只需要将求解得到的三维坐标值中数量最多的三维坐标值确定为本超声接收单元对应的目标点的三维位置信息即可。本判断方法利用阵元接收特点，无需复杂的判断方法，简单直接地确定目标点的三维坐标值，精确度高且易于执行，具有广泛的应用前景。
在另一可选的实施例中，超声发射单元的位置信息也可以是未知的，根据以上表达式(1)描述的几何关系，当超声发射单元的发射源的位置信息为未知时，表达式(1)中将有六个未知数，X、Y和Z以及xt、yt和zt，在这种情况下，控制单元控制超声接收单元按照预定时序、间隔接收感测目标返回的六个反射信号。
较为优选地，各超声接收单元接收第n个反射信号时与接收第n-1个反射信号之间的预定间隔Δt满足：
其中，v表示超声波信号的速度，H表示感测目标距离接收单元所处平面的距离，P表示相邻阵元的中心之间的间距，n为正整数。
基于各发射源的三维位置信息，成像距离公式为下列六坐标表达式：
其中，t0～t5表示自超声发射单元向感测目标的多个目标点发射超声波信号起到多个超声接收单元的阵元接收六个反射信号所经过的时长，v表示超声波信号的速度，xt、yt和zt表示发射超声波信号的发射源的三维坐标值，x0、y0和z0，x1、y1和z1，x2、y2和z2，x3、y3和z3，x4、y4和z4，以及x5、y5和z5表示分别与六个反射信号对应的阵元的三维坐标值。
通过该设置，超声换能器只需要利用超声接收单元间隔地接收感测目标的目标点反射的六个反射信号，并且通过联立六坐标表达式，就可以直接得到目标点的三维位置信息，从而直接获得感测目标的三维超声成像。
与以上实施例类似地，考虑到每个超声接收单元在一个时刻接收到的反射信号并一定均属于本超声接收单元对应的目标点，举例来说，超声发射单元在tm时刻发射了超声波信号，在晚于该时刻的tn时刻又发射了超声波信号，超声接收单元在tn时刻后采样，则相邻超声接收单元的目标点对tm时刻发射的超声波信号的反射信号可能已经扩散到本超声接收单元其中，m和n为正整数。这种情况下，各超声接收单元的阵元接收到的反射信号包括阵元所属超声接收单元对应的目标点返回的反射信号和相邻超声接收单元对应的目标点返回的反射信号。
在这种情况下，若联立上述六坐标表达式求解得到的坐标值则不能够直接判断为本超声接收单元所对应的目标点的三维位置信息。
较为优选地，在本实施例中，接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到感测目标的超声成像进一步包括：
针对每个超声接收单元中接收六个反射信号的阵元联立六坐标表达式并计算每个联立的六坐标表达式对应的三维坐标值；
将所计算的三维坐标值中数量最多的三维坐标值确定为超声接收单元对应的目标点的三维位置信息。
通过该设置，利用控制单元将各超声接收单元中所有接收到三个反射信号的阵元按照三个时刻联立三坐标表达式，并将每个三坐标表达式均求解出三维坐标值，因为对于一个超声接收单元来说，来自其他相邻超声接收单元的反射信号联立方程组得到是各个杂散三维坐标值的数量一定小于本超声接收单元的三维坐标值的三维坐标值的数量，因此，只需要将求解得到的三维坐标值中数量最多的三维坐标值确定为本超声接收单元对应的目标点的三维位置信息即可。本判断方法利用阵元接收特点，无需复杂的判断方法，简单直接地确定目标点的三维坐标值，精确度高且易于执行，具有广泛的应用前景。
基于同一发明构思，本发明的实施例提供一种超声换能器1，参照图6所示，包括：
多个超声发射单元11，配置为向感测目标的多个目标点发射超声波信号；
多个超声接收单元12，与多个超声发射单元对应设置，每个超声接收单元12包括多个阵元，配置为接收感测目标返回的反射信号；以及
控制单元13，配置为：
控制超声发射单元11向感测目标的多个目标点发射超声波信号；
控制各超声接收单元12按照预定时序、间隔接收感测目标返回的至少三个反射信号；
根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取所述感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到感测目标的超声成像。
在本实施例中，控制单元通过控制超声接收单元按照预定时序、间隔接收感测目标返回的至少三个反射信号，并根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算，从而能够间隔接收低至三个反射信号，即可以直接获取每个目标点的三维位置信息，从而能够以有限的采样直接获取3D超声成像，提高超声成像的分辨率，避免成像盲区，具有广泛的应用场景。
在一些可选的实施例中，所述超声发射单元11包括多个发射源，
控制单元配置为控制各超声接收单元12按照预定时序、间隔接收所述感测目标返回的三个反射信号，并且
基于各发射源的三维位置信息以及接收到每个反射信号的各阵元的位置信息，所述成像距离公式为下列三坐标表达式：
其中，t0、t1和t2表示自所述超声发射单元11向感测目标的多个目标点发射超声波信号起到所述多个超声接收单元的阵元接收所述三个反射信号所经过的时长，v表示超声波信号的声速，xt、yt和zt表示发射超声波信号的发射源的三维坐标值，x0、y0和z0，x1、y1和z1，以及x2、y2和z2表示分别与三个反射信号对应的阵元的三维坐标值。
在另一些可选的实施例中，当超声发射单元11中的发射源位置未知时，控制单元配置为控制各超声接收单元按照预定时序、间隔接收感测目标返回的六个反射信号，并且
基于各发射源的三维位置信息，成像距离公式为下列六坐标表达式：
其中，t0～t5表示自超声发射单元11向感测目标的多个目标点发射超声波信号起到多个超声接收单元的阵元接收六个反射信号所经过的时长，v表示超声波信号的声速，xt、yt和zt表示发射超声波信号的发射源的三维坐标值，x0、y0和z0，x1、y1和z1，x2、y2和z2，x3、y3和z3，x4、y4和z4，以及x5、y5和z5表示分别与六个反射信号对应的阵元的三维坐标值。
通过以上设置，超声换能器1只需要通过控制单元利用超声接收单元间隔地接收感测目标中的各个目标点返回的低至三个或者六个反射信号，既可以直接利用联立的成像距离公式直接计算得到目标点的三维位置信息，从而直接得到感测目标的三维超声成像。当超声换能器具有集成的成千上万个超声接收单元时，能够直接一次成像得到感测目标的准确的三维超声成像，通过该超声换能器使得对感测目标的诊断成像不再受限于使用超声换能器的人员的专业知识与经验，具有广泛是应用前景。
因为高频超声在人体中的衰减较大，而频率低则分辨率不足，为了提高分辨率，优选地，希望分辨率能够达到0.5mm或者更小的值。例如，若分辨率达到0.5mm，则超声发射单元发射的超声波波长小于等于0.5mm，因此可以选择频率范围大于等于3MHz且小于等于10MHz的超声波信号，依据不同的探测应用选择合适的频率。
可选地，超声发射单元11包括CMUT、PMUT、PZT、以及PVDF中的一种。较为优选地，超声发射单元11可以采用PVDF集成声源，PVDF为宽频带压电材料，其频带宽度可以覆盖大于等于3MHz且小于等于10MHz的需求频率范围。此外，PVDF可以通过半导体工艺制成集成声源，因此可以大面积集成，更有利于实现上文所述的超声成像方法，满足对感测目标的一次直接3D成像。较为优选地，
进一步可选地，超声接收单元12包括CMUT和PVDF中的一种。相比于其他种类的器件，CMUT和PVDF用作超声接收单元中的阵元，接收灵敏度更平坦，可以接收到返回的反射信号且信噪比大于2。
此外，为了能够准确地区分小于等于0.5mm间距的两个目标点并且能够使得反演出的目标点的位置足够准确，需要使得超声接收单元中的阵元能够使得成像的反射信号的“回波图形”足够准确且可分开，需要对超声接收单元的参数进行进一步设计。较为优选地，参照图7所示，每个所述超声接收单元的孔径w1的范围为：大于等于100mm且小于等于150mm，相邻阵元中心之间的距离w2范围为：大于等于1/3λ且小于等于λ，其中，λ表示超声波信号的波长，相邻阵元之间的间距w3的范围为：大于等于5μm且小于等于10μm。
通过以上设置，使得超声换能器1能够配合上文所述的超声成像方法，实现大面积一次准确3D成像，且能够将感测目标点的分辨率达到小于等于0.5mm，从而满足高精度医疗成像，或者其他领域的高精度成像。
基于同一发明构思，本发明的实施例还提供一种超声换能系统，包括：
探头，探头包括如上文实施例所述的超声换能器；
电压源，耦合至探头，用于在超声系统的发射模式中向超声发射单元中的至少一个提供电压。该超声换能系统解决问题的原理与前述超声换能器相似，因此该超声换能系统的具体实施方式可以参见前述超声换能器的实施方式，重复之处在此不再赘述。
在具体实施时，超声换能系统可以为任何具有超声成像功能的产品或部件。对于该设备的其它必不可少的组成部分均为本领域的普通技术人员所理解的，在此不再赘述，也不应作为对本申请的限制。
本发明的另一个实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现：控制所述超声发射单元向感测目标的多个目标点发射超声波信号；控制各超声接收单元按照预定时序、间隔接收所述感测目标返回的至少三个反射信号；以及根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取所述感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到所述感测目标的超声成像。
在实际应用中，计算机可读存储介质可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
如图8所示，本发明的另一个实施例提供的一种计算机设备的结构示意图。图8显示的计算机设备10仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图8所示，计算机设备10以通用计算设备的形式表现。计算机设备10的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，系统存储器28，连接不同系统组件(包括系统存储器28和处理单元16)的总线18。
总线18表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。
计算机设备10典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备10访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
系统存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(RAM)30和/或高速缓存存储器32。计算机设备10可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图8未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图8中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM，DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线18相连。存储器28可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。
具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如存储器28中，这样的程序模块42包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
计算机设备10也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备10交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备10能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口22进行。并且，计算机设备10还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图8所示，网络适配器20通过总线18与计算机设备10的其它模块通信。应当明白，尽管图8中未示出，可以结合计算机设备10使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
处理器单元16通过运行存储在系统存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例所提供的一种基于超声换能器的超声成像方法。
本发明针对目前现有的问题，制定一种基于超声换能器的超声成像方法、超声换能器及系统、计算机可读存储介质及计算机设备，通过控制超声接收单元按照预定时序、间隔接收感测目标返回的至少三个反射信号，并根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算，从而能够间隔接收低至三个反射信号，即可以直接获取每个目标点的三维位置信息，从而能够以有限的采样直接获取3D超声成像，提高超声成像的分辨率，避免成像盲区，具有广泛的应用场景。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (15)
1.一种基于超声换能器的超声成像方法，所述超声换能器包括多个对应设置的超声发射单元和超声接收单元，所述超声接收单元包括阵列排布的多个用于接收超声波信号的阵元，其特征在于，所述方法包括：
控制所述超声发射单元向感测目标的多个目标点发射超声波信号；
控制各超声接收单元按照预定时序、间隔接收所述感测目标返回的至少三个反射信号；以及
根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取所述感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到所述感测目标的超声成像。
2.根据权利要求1所述的超声成像方法，其特征在于，所述超声发射单元包括多个发射源，所述方法包括控制各超声接收单元按照预定时序、间隔接收所述感测目标返回的三个反射信号，
所述根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取所述感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到所述感测目标的超声成像进一步包括：
基于各发射源的三维位置信息以及接收到每个反射信号的各阵元的位置信息，所述成像距离公式为下列三坐标表达式：
其中，t0、t1和t2表示自所述超声发射单元向感测目标的多个目标点发射超声波信号起到各超声接收单元的阵元接收所述三个反射信号所经过的时长，v表示超声波信号的速度，xt、yt和zt表示发射超声波信号的发射源的三维坐标值，x0、y0和z0，x1、y1和z1，以及x2、y2和z2表示分别与三个反射信号对应的阵元的三维坐标值。
3.根据权利要求2所述的超声成像方法，其特征在于，
所述各超声接收单元的阵元接收到的反射信号包括所述阵元所属超声接收单元对应的目标点返回的反射信号和相邻超声接收单元对应的目标点返回的反射信号，
所述根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取所述感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到所述感测目标的超声成像进一步包括：
针对每个超声接收单元中接收所述三个反射信号的阵元联立所述三坐标表达式并计算每个联立的三坐标表达式对应的三维坐标值；
将所计算的三维坐标值中数量最多的三维坐标值确定为所述超声接收单元对应的目标点的三维位置信息。
4.根据权利要求2或3所述的超声成像方法，其特征在于，每个超声发射单元发射的超声波信号声束聚焦至该超声发射单元对应的目标点，
将位于聚焦轴上的发射源作为每个超声发射单元中每个发射源的等效发射源代入所述成像距离公式以计算所述超声发射单元对应的目标点的三维位置信息。
5.根据权利要求1所述的超声成像方法，其特征在于，
所述超声发射单元包括多个发射源，所述方法包括控制各超声接收单元按照预定时序、间隔接收所述感测目标返回的六个反射信号，
所述根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取所述感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到所述感测目标的超声成像进一步包括：
基于各发射源的三维位置信息，所述成像距离公式为下列六坐标表达式：
其中，t0～t5表示自所述超声发射单元向感测目标的多个目标点发射超声波信号起到所述多个超声接收单元的阵元接收所述六个反射信号所经过的时长，v表示超声波信号的速度，xt、yt和zt表示发射超声波信号的发射源的三维坐标值，x0、y0和z0，x1、y1和z1，x2、y2和z2，x3、y3和z3，x4、y4和z4，以及x5、y5和z5表示分别与六个反射信号对应的阵元的三维坐标值。
6.根据权利要求5所述的超声成像方法，其特征在于，
所述各超声接收单元的阵元接收到的反射信号包括所述阵元所属超声接收单元对应的目标点返回的反射信号和相邻超声接收单元对应的目标点返回的反射信号，
所述根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取所述感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到所述感测目标的超声成像进一步包括：
针对每个超声接收单元中接收所述六个反射信号的阵元联立所述六坐标表达式并计算每个联立的六坐标表达式对应的三维坐标值；
将所计算的三维坐标值中数量最多的三维坐标值确定为所述超声接收单元对应的目标点的三维位置信息。
7.根据权利要求1所述的超声成像方法，其特征在于，各超声接收单元接收第n个反射信号时与接收第n-1个反射信号之间的预定间隔Δt满足：
其中，v表示超声波信号的速度，H表示所述感测目标距离所述接收单元所处平面的距离，P表示相邻阵元的中心之间的间距，n为正整数。
8.一种超声换能器，其特征在于，包括：
多个超声发射单元，配置为向感测目标的多个目标点发射超声波信号；
多个超声接收单元，与所述多个超声发射单元对应设置，每个超声接收单元包括多个阵元，配置为接收所述感测目标返回的反射信号；以及
控制单元，配置为：
控制所述超声发射单元向感测目标的多个目标点发射超声波信号；
控制各超声接收单元按照预定时序、间隔接收所述感测目标返回的至少三个反射信号；
根据接收到每个反射信号的各阵元的位置信息按照预设的成像距离公式进行计算并获取所述感测目标中每个目标点的三维位置信息，以得到所述感测目标的超声成像。
9.根据权利要求8所述的超声换能器，其特征在于，
所述超声发射单元包括多个发射源，
所述控制单元配置为控制各超声接收单元按照预定时序、间隔接收所述感测目标返回的三个反射信号，并且
基于各发射源的三维位置信息以及接收到每个反射信号的各阵元的位置信息，所述成像距离公式为下列三坐标表达式：
其中，t0、t1和t2表示自所述超声发射单元向感测目标的多个目标点发射超声波信号起到所述多个超声接收单元的阵元接收所述三个反射信号所经过的时长，v表示超声波信号的声速，xt、yt和zt表示发射超声波信号的发射源的三维坐标值，x0、y0和z0，x1、y1和z1，以及x2、y2和z2表示分别与三个反射信号对应的阵元的三维坐标值。
10.根据权利要求8所述的超声换能器，其特征在于，
所述超声发射单元包括多个发射源，
所述控制单元配置为控制各超声接收单元按照预定时序、间隔接收所述感测目标返回的六个反射信号，并且
基于各发射源的三维位置信息，所述成像距离公式为下列六坐标表达式：
其中，t0～t5表示自所述超声发射单元向感测目标的多个目标点发射超声波信号起到所述多个超声接收单元的阵元接收所述六个反射信号所经过的时长，v表示超声波信号的声速，xt、yt和zt表示发射超声波信号的发射源的三维坐标值，x0、y0和z0，x1、y1和z1，x2、y2和z2，x3、y3和z3，x4、y4和z4，以及x5、y5和z5表示分别与六个反射信号对应的阵元的三维坐标值。
11.根据权利要求8所述的超声换能器，其特征在于，
每个所述超声接收单元的孔径的范围为：大于等于100mm且小于等于150mm，
相邻阵元中心之间的距离范围为：大于等于1/3λ且小于等于λ，其中，λ表示超声波信号的波长，
相邻阵元之间的间距的范围为：大于等于5μm且小于等于10μm。
12.根据权利要求8所述的超声换能器，其特征在于，
所述超声发射单元包括CMUT、PMUT、PZT、以及PVDF中的一种，
和/或
所述超声接收单元包括CMUT和PVDF中的一种。
13.一种超声换能系统，其特征在于，包括：
探头，所述探头包括如权利要求8-12中任一项所述的超声换能器；
电压源，耦合至所述探头，用于在所述超声系统的发射模式中向所述超声发射单元中的至少一个提供电压。
14.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，
该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的基于超声换能器的超声成像方法。
15.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，
所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的基于超声换能器的超声成像方法。
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