CN114641706A - 超声成像导管 - Google Patents
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Abstract
一种超声成像导管包括被提供在超声成像导管的远端处的超声换能器阵列。所述超声换能器阵列包括多个超声换能器并且适于发射和接收超声信号。所述超声成像导管包括被提供在所述超声成像导管的所述远端处的本地存储器。所述本地存储器适于存储多种激活模式,每种激活模式与多个换能器元件中的多个要被激活的换能器元件以及多个换能器元件中的多个要被去激活的换能器元件相对应。所述超声成像导管包括被提供在所述超声成像导管的所述远端处的控制单元,所述控制单元适于:访问所述本地存储器;选择所述多种激活模式中的任一种激活模式;并且在对所述超声成像导管的成像阶段期间生成控制信号以根据所选择的激活模式对所述换能器阵列的所述多个换能器元件进行激活或去激活。
Description
技术领域
本发明涉及超声成像系统的领域,并且更具体地涉及超声成像导管。
背景技术
静脉内超声成像导管广泛用于许多不同的临床应用。通常,超声成像导管完全由后端处理单元或控制台控制。对于超声成像导管中的每个超声换能器元件,需要决定在超声脉冲的发射期间换能器元件是否是激活的以及在接收来自发射脉冲的回波期间是否应当激活换能器元件。
为了提高超声成像导管的成像质量,已经尝试增加能够位于导管端部的换能器元件的数量。
通过增加换能器元件的数量以及增加针对回波的返回通道的数量,控制台对导管端部的换能器元件阵列的完全控制带来了重大挑战(例如,陡峭的信号斜率和高带宽要求),从而导致控制台与导管之间的通信压力增大。
典型地,由于机械要求,超声成像导管系统中的通信通道包括具有相对较高的电阻和电容的导线,从而导致在通信信号中产生了干扰并降低了超声成像导管产生的图像的准确度。
因此,需要改进的手段来处理超声成像导管与控制台之间的通信。
发明内容
本发明由权利要求来限定。
根据依据本发明的一个方面的示例,提供了一种超声成像导管,所述超声成像导管包括:
超声换能器阵列,其被提供在所述超声成像导管的远端处并且适于发射和接收超声信号,其中,所述超声换能器阵列包括多个超声换能器;
本地存储器,其被提供在所述超声成像导管的所述远端处并且适于存储多种激活模式,其中,每种激活模式与多个换能器元件中的多个要被激活的换能器元件以及多个换能器元件中的多个要被去激活的换能器元件相对应;以及
控制单元,其被提供在所述超声成像导管的所述远端处并且适于:
访问所述本地存储器;
选择所述多种激活模式中的任一种激活模式;并且
在对所述超声成像导管的成像阶段期间生成控制信号以根据所选择的激活模式对所述换能器阵列的所述多个换能器元件进行激活或去激活,所述成像阶段包括发射时段和接收时段。
以这种方式,可以提高超声成像导管的前端的功能性,从而减少前端处理单元与后端处理单元之间所需的通信量,进而提供了实现更高帧速率、换能器阵列中具有更多数量的换能器元件以及更多数量的回波返回通道的手段。
在实施例中,所述超声成像导管还包括:
多个寄存器,每个寄存器包括多个位,其中,每个位与所述多个超声换能器中的一个超声换能器相关联;以及
本地振荡器,其与所述多个寄存器通信并且适于接收由所述控制单元生成的所述控制信号并操纵所述多个寄存器中的所述多个位,以根据所选择的激活模式对所述换能器阵列的所述多个换能器元件进行激活和/或去激活。
以这种方式,可以在超声成像导管前端中实施异步通信方案,否则这将需要自由运行的时钟信号,以便提供多余的信号边沿,从而启动对寄存器的操作。
在实施例中,所述本地振荡器适于在所述超声成像导管的所述成像阶段之外操作。
以这种方式,可以避免由于来自本地振荡器的信号馈通或串扰而导致的潜在成像伪影。
在实施例中,所述本地振荡器适于在大于所述多个超声换能器的带宽的频率下操作。
以这种方式,可以减少或消除由本地振荡器引起的成像伪影。
在实施例中,所述本地振荡器适于生成具有预定占空比的方波。所述占空比使得所述本地振荡器的频谱的分量在所述多个超声换能器的所述带宽之外。
以这种方式,使本地振荡器的谐波在超声换能器的带宽之外,从而减少了由本地振荡器引起的任何成像伪影。
在实施例中,所述多个寄存器被布置成多个寄存器组,每个寄存器组包括:
第一寄存器,其包括第一寄存器位;
第二寄存器,其包括第二寄存器位;并且其中,
所述多个换能器元件中的换能器元件与所述第一寄存器位和所述第二寄存器位相关联,所述第一寄存器位适于控制在所述发射时段期间所述换能器元件是激活的还是去激活的,所述第二寄存器位适于控制在所述接收时段期间所述换能器元件是激活的还是去激活的。
通过为每种功能提供独立的寄存器,可以实现激活模式及其应用的更大灵活性。
在另外的实施例中,所述超声换能器阵列包括多条输出通道,并且其中,每个寄存器组还包括第三寄存器,所述第三寄存器包括第三寄存器位,并且其中,所述换能器元件还与所述第三寄存器位相关联,所述第三寄存器位适于控制在所述换能器元件处接收的信号被输出到所述多条输出通道中的哪条输出通道。
在实施例中,所述多个寄存器组以菊花链的形式连接,其中,每个寄存器组与相邻的寄存器组串联连接。
以这种方式,可以减少在导管前端所需的连接的数量,而不会对超声成像导管的功能产生负面影响。
在实施例中,所述超声成像导管还包括信号调理单元,所述信号调理单元被提供在所述超声成像导管的所述远端处并且适于对所接收的超声信号进行信号调理。
以这种方式,信号可以在被发送到后端处理单元之前被调理,从而减少了在传输期间可能被加重的成像伪影,并且因此提高了最终超声图像的准确度。
在另外的实施例中,所述信号调理单元包括低噪声放大器。
在实施例中,所述信号调理单元包括一个或多个时间增益补偿单元。
根据依据本发明的一个方面的示例,提供了一种超声成像系统,所述系统包括:
如上所述的超声成像导管;
处理单元,其与所述超声成像导管通信并且适于基于所接收的超声信号来生成超声图像;以及
显示器,其适于显示所述超声图像。
根据依据本发明的一个方面的示例,提供了一种用于控制超声成像导管的方法,所述超声成像导管包括具有多个超声换能器的超声换能器阵列,所述方法包括:
访问被提供在所述超声成像导管的所述远端处的本地存储器;
选择被存储在所述本地存储器上的多种激活模式中的任一种激活模式,其中,每种激活模式与多个换能器元件中的多个要被激活的换能器元件以及多个换能器元件中的多个要被去激活的换能器元件相对应;并且
在对所述超声成像导管的成像阶段期间生成控制信号以根据所选择的激活模式对所述换能器阵列的所述多个换能器元件进行激活或去激活,所述成像阶段包括发射时段和接收时段。
在实施例中,所述方法还包括:
向本地振荡器提供所述控制信号;并且
操纵多个寄存器的多个位,其中,每个位与所述多个超声换能器中的一个超声换能器相关联,以根据所选择的激活模式对所述换能器阵列的所述多个换能器元件进行激活和/或去激活。
根据依据本发明的一个方面的示例,提供了一种包括计算机程序代码单元的计算机程序,当所述计算机程序在计算机上运行时,所述计算机程序代码单元适于实施上述方法。
参考下文描述的(一个或多个)实施例,本发明的这些方面和其他方面将是显而易见的并且得到阐明。
附图说明
为了更好地理解本发明并且更清楚地示出如何实施本发明,现在将仅通过举例的方式来参考附图,在附图中:
图1示出了超声诊断成像系统以解释一般操作;
图2示出了超声成像导管的示意图;
图3更详细地示出了图2的超声成像导管的示意图;
图4示出了超声成像导管的部分的示例实施方式;
图5示出了示例寄存器连接方案;
图6示出了寄存器相对于导管的示意图;并且
图7示出了本发明的方法。
具体实施方式
将参考附图来描述本发明。
应当理解,详细描述和具体示例虽然指示装置、系统和方法的示例性实施例,但是这仅用于说明的目的而并不旨在限制本发明的范围。根据以下描述、权利要求和附图将更好地理解本发明的装置、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点。应当理解,这些附图仅仅是示意性的并且不是按比例绘制的。还应当理解,贯穿整个附图使用相同的附图标记来指示相同或相似的部分。
本发明提供了一种超声成像导管,所述超声成像导管包括超声换能器阵列,所述超声换能器阵列被提供在所述超声成像导管的远端处并且适于发射和接收超声信号,其中,所述超声换能器阵列包括多个超声换能器。所述超声成像导管还包括本地存储器,所述本地存储器被提供在所述超声成像导管的所述远端处并且适于存储多种激活模式,其中,每种激活模式与多个换能器元件中的多个要被激活的换能器元件以及多个换能器元件中的多个要被去激活的换能器元件相对应。另外,所述超声成像导管还包括控制单元,所述控制单元被提供在所述超声成像导管的所述远端处并且适于:访问所述本地存储器;选择所述多种激活模式中的任一种激活模式;并且在对所述超声成像导管的成像阶段期间生成控制信号以根据所选择的激活模式对所述换能器阵列的所述多个换能器元件进行激活或去激活,所述成像阶段包括发射时段和接收时段。
参考图1,首先将描述示例性超声系统的一般操作。
该系统包括阵列换能器探头4,阵列换能器探头4具有换能器阵列6,换能器阵列6用于发射超声波和接收回波信息。换能器阵列6可以包括:CMUT换能器;压电换能器,其由诸如PZT或PVDF之类的材料形成;基于聚合物的换能器;或任何其他合适的换能器技术。在该示例中,换能器阵列6是能够扫描感兴趣区域的二维平面或三维体积的换能器8的二维阵列。在另一示例中,换能器阵列可以是一维阵列。
换能器阵列6被耦合到微波束形成器12,微波束形成器12控制由换能器元件进行的信号接收。微波束形成器能够对由换能器的子阵列(通常被称为“组”或“拼片”)接收的信号进行至少部分波束形成,如在美国专利US 5997479(Savord等人)、US 6013032(Savord)和US 6623432(Powers等人)中描述的那样。
应当注意,微波束形成器完全是任选的。另外,该系统包括发射/接收(T/R)开关16,该T/R开关16能够耦合到微波束形成器12并且将阵列在发射模式与接收模式之间切换,并且在不使用微波束形成器并且主系统波束形成器直接操作换能器阵列的情况下保护主波束形成器20免受高能量发射信号的影响。超声波束从换能器阵列6的发射由换能器控制器18来指导,换能器控制器18通过T/R开关16被耦合到微波束形成器并且被耦合到主发射波束形成器(未示出),该主发射波束形成器能够从用户接口或控制面板38接收来自用户操作的输入。控制器18能够包括发射电路,该发射电路被布置为在发射模式期间(直接地或者经由微波束形成器)驱动阵列6的换能器元件。
在典型的逐行成像序列中,探头内的波束形成系统可以如下操作。在发射期间,波束形成器(取决于实施方式,其可以是微波束形成器或主系统波束形成器)激活换能器阵列或换能器阵列的子孔径。子孔径可以是较大阵列内的一维换能器行或二维换能器拼片。在发射模式中,如下所述地控制由阵列或阵列的子孔径生成的超声波束的聚焦和转向。
在接收到来自对象的反向散射的回波信号时,使所接收的信号经受接收波束形成(如下所述),以便对准所接收的信号,并且在使用子孔径的情况下,然后例如通过一个换能器元件使子孔径移位。然后激活移位的子孔径并重复该过程,直到激活了换能器阵列的所有换能器元件为止。
对于每行(或每个子孔径),用于形成最终的超声图像的相关联行的总接收信号将是在接收时段期间由给定的子孔径的换能器元件测得的电压信号的总和。在下面的波束形成过程之后,结果得到的行信号通常被称为射频(RF)数据。然后,由各个子孔径生成的每个行信号(RF数据集)都经受额外的处理以生成最终的超声图像的行。行信号的幅度随时间的变化将贡献于超声图像的亮度随深度的变化,其中,高幅度峰值将对应于最终的图像中的亮像素(或像素集合)。在行信号开始附近出现的峰值将表示来自浅层结构的回波,而在行信号后期逐步出现的峰值将表示来自对象内的深度不断增加的结构的回波。
由换能器控制器18控制的功能之一是波束转向和聚焦的方向。波束可以从(垂直于)换能器阵列笔直向前转向,或者以不同的角度转向以获得更宽的视场。可以根据换能器元件致动时间来控制发射波束的转向和聚焦。
在一般的超声数据采集中能够区分两种方法:平面波成像和“波束转向”成像。这两种方法的区别在于在发射模式(“波束转向”成像)和/或接收模式(平面波成像和“波束转向”成像)中存在波束成形。
首先看聚焦功能,通过同时激活所有换能器元件,换能器阵列生成平面波,该平面波在行进通过对象时会发散。在这种情况下,超声波的波束保持未聚焦。通过将取决于位置的时间延迟引入换能器的激活,能够使波束的波阵面会聚在期望的点处,该点被称为聚焦区。聚焦区被定义为其中横向波束宽度小于发射波束宽度的一半的点。通过这种方式,提高了最终的超声图像的横向分辨率。
例如,如果时间延迟引起换能器元件从最外面的元件开始串行激活并在换能器阵列的(一个或多个)中心元件处结束激活,则将在距探头给定距离处形成聚焦区,其与(一个或多个)中心元件在一条线上。聚焦区与探头的距离将根据换能器元件激活的每个后续回合之间的时间延迟而变化。在波束通过聚焦区之后,它将开始发散,从而形成远场成像区域。应当注意,对于位于靠近换能器阵列的聚焦区,超声波束将在远场中迅速发散,从而导致最终的图像中的波束宽度伪影。通常,由于超声波束中的大量重叠,位于换能器阵列与聚焦区之间的近场示出的细节很少。因此,改变聚焦区的位置能够引起最终的图像的质量的显著变化。
应当注意,在发射模式中,除非将超声图像划分成多个聚焦区(多个聚焦区中的每个聚焦区可能具有不同的发射焦点),否则只能定义一个焦点。
另外,在从对象内部接收到回波信号时,能够执行上述过程的逆过程,以便执行接收聚焦。换句话说,传入的信号可以被换能器元件接收并且在被传递到系统中以用于信号处理之前经受电子时间延迟。这种情况的最简单的示例被称为延迟和求和波束形成。能够根据时间来动态调整换能器阵列的接收聚焦。
现在来看波束转向的功能,通过对换能器元件正确施加时间延迟,能够在超声波束离开换能器阵列时对超声波束赋予期望的角度。例如,通过激活换能器阵列的第一侧上的换能器并且然后在阵列的相对侧处以序列结束其余的换能器,波束的波阵面将朝向第二侧形成角度。相对于换能器阵列的法线的转向角的大小取决于随后的换能器元件激活之间的时间延迟的大小。
另外,能够聚焦经转向的波束,其中,被施加到每个换能器元件的总时间延迟是聚焦时间延迟和转向时间延迟这两者之和。在这种情况下,换能器阵列被称为相控阵。
在要求DC偏置电压以用于其激活的CMUT换能器的情况下,换能器控制器18能够被耦合以控制针对换能器阵列的DC偏置控件45。DC偏置控件45设置被施加到CMUT换能器元件的(一个或多个)DC偏置电压。
对于换能器阵列的每个换能器元件,通常被称为通道数据的模拟超声信号通过接收通道而进入系统。在接收通道中,微波束形成器12根据通道数据来产生部分波束形成的信号,该部分波束形成的信号然后被传递到主接收波束形成器20,在主接收波束形成器20中,来自换能器的个体拼片的部分波束形成的信号被组合成完全波束形成的信号(其被称为射频(RF)数据)。在每个阶段执行的波束形成可以如上所述地执行,或者可以包括额外的功能。例如,主波束形成器20可以具有128个通道,其中的每个通道从几十个或数百个换能器元件的拼片接收部分波束形成的信号。通过这种方式,由换能器阵列的数千个换能器接收的信号能够有效地贡献于单个波束形成的信号。
波束形成的接收信号被耦合到信号处理器22。信号处理器22能够以各种方式处理所接收的回波信号,这些方式例如为带通滤波;抽取;I和Q分量分离;以及谐波信号分离,其用于分离线性信号与非线性信号,从而能够识别从组织和微泡返回的非线性(基频的高次谐波)回波信号。信号处理器还可以执行额外的信号增强,例如,散斑减少、信号复合和噪声消除。信号处理器中的带通滤波器能够是跟踪滤波器,当从越来越深的深度接收回波信号时,跟踪滤波器的通带会从较高的频带滑动到较低的频带,从而抑制来自较大深度的较高频率的噪声(其通常没有解剖信息)。
用于发射的波束形成器和用于接收的波束形成器以不同的硬件来实施并且能够具有不同的功能。当然,接收器波束形成器的设计要考虑到发射波束形成器的特性。为了简化,在图1中仅示出了接收器波束形成器12、20。在整个系统中,还将有发射链,其包含发射微波束形成器和主发射波束形成器。
微波束形成器12的功能是提供对信号的初始组合,以便减少模拟信号路径的数量。这通常是在模拟域中执行的。
最终的波束形成是在主波束形成器20中完成的,并且通常是在数字化之后完成的。
发射通道和接收通道使用具有固定频带的相同换能器阵列6。然而,发射脉冲占据的带宽能够根据所使用的发射波束形成而变化。接收通道能够捕获整个换能器带宽(这是经典方法),或者通过使用带通处理,这样它只能提取包含期望信息(例如,主谐波的谐波)的带宽。
然后,可以将RF信号耦合到B模式(即,亮度模式或2D成像模式)处理器26和多普勒处理器28。B模式处理器26对所接收的超声信号执行幅度检测,以对身体中的结构(例如,器官组织和血管)进行成像。在逐行成像的情况下,每行(波束)均由相关联的RF信号表示,其幅度用于生成要被分配给B模式图像中的像素的亮度值。图像内的像素的确切位置是通过沿着RF信号的相关联的幅度测量的位置以及RF信号的行(波束)数来确定的。如美国专利US6283919(Roundhill等人)和美国专利US 6458083(Jago等人)所述,这样的结构的B模式图像可以以谐波图像模式或基波图像模式或这两者的组合形成。多普勒处理器28处理因组织移动和血液流动所引起的在时间上不同的信号以用于检测移动的物质(例如,图像场中的血细胞流)。多普勒处理器28通常包括壁滤波器,其参数被设置为使得通过或拒绝从身体中的选定类型的材料返回的回波。
由B模式处理器和多普勒处理器产生的结构信号和运动信号被耦合到扫描转换器32和多平面重新格式化器44。扫描转换器32以期望的图像格式以回波信号被接收时的空间关系布置回波信号。换句话说,扫描转换器用于将RF数据从圆柱坐标系转换到适合于在图像显示器40上显示超声图像的笛卡尔坐标系。在B模式成像的情况下,给定坐标处的像素的亮度与从该位置接收到的RF信号的幅度成比例。例如,扫描转换器可以将回波信号布置成二维(2D)扇形格式或金字塔形的三维(3D)图像。扫描转换器能够在B模式结构图像上覆盖与图像场中的各个点处的运动相对应的颜色,在这些点处的多普勒估计速度产生给定的颜色。组合的B模式结构图像与彩色多普勒图像描绘了结构图像场内的组织运动和血液流动。如美国专利US 6443896(Detmer)所述,多平面重新格式化器将将从身体的体积区域中的公共平面中的点接收到的回波转换成该平面的超声图像。如美国专利US46530885(Entrekin等人)所述,体积绘制器42将3D数据集的回波信号转换成如从给定的参考点所观看到的投影的3D图像。
2D图像或3D图像从扫描转换器32、多平面重新格式化器44和体积绘制器42被耦合到图像处理器30以用于进一步增强、缓冲和临时存储以供在图像显示器40上进行显示。成像处理器可以适于从最终的超声图像中移除一些成像伪影,例如:因强衰减器或折射所引起的声影;例如因弱衰减器所引起的后增强;例如高度反射的组织界面紧邻的位置处的混响伪影等。另外,图像处理器可以适于处理某些散斑减少功能,以便提高最终的超声图像的对比度。
除了用于成像之外,由多普勒处理器28产生的血流值和由B模式处理器26产生的组织结构信息还能够被耦合到量化处理器34。除了结构测量结果(例如,器官大小和胎龄)之外,量化处理器还产生对不同流量状况的度量(例如,血流的体积速率)。量化处理器可以从用户控制面板38接收输入(例如,在图像的解剖结构中要进行测量的点)。
来自量化处理器的输出数据被耦合到图形处理器36,以用于在显示器40上将图像与测量图形和测量值一起再现并且用于被集成到显示设备40中的音频输出。图形处理器36还能够生成图形叠加物以用于与超声图像一起显示。这些图形叠加物能够包含标准识别信息(例如,患者姓名)、图像的日期和时间、成像参数等。为此,图形处理器从用户接口38接收输入(例如,患者姓名)。用户接口还被耦合到发射控制器18,以控制从换能器阵列6发生的超声信号生成并因此控制由换能器阵列和超声系统产生的图像。控制器18的发射控制功能仅仅是所执行的功能之一。控制器18还考虑到(由用户给定的)操作模式以及接收器模数转换器中的对应需要的发射器配置和带通配置。控制器18能够是具有固定状态的状态机。
用户接口还被耦合到多平面重新格式化器44,以用于选择和控制多幅多平面重新格式化(MPR)图像的平面,该平面可以用于在MPR图像的图像场中执行量化的测量。
图2示出了超声成像导管110的示意图100。
超声成像导管110包括超声换能器阵列120,超声换能器阵列120被提供在超声成像导管的远端处,所述超声成像导管包括多个超声换能器125。
超声成像导管110还包括本地存储器(LM)130,本地存储器(LM)130被提供在超声成像导管的远端处并且适于存储多种激活模式。所述多种激活模式中的每种激活模式与在对所述超声成像导管的成像阶段期间多个换能器元件中的多个要被激活的换能器元件125a以及多个换能器元件中的多个要被去激活的换能器元件125b相对应。
成像阶段可以被视为两个不同的时段:发射时段和接收时段。在发射时段中,超声换能器生成超声信号,并且该超声信号被发射到对象中。在接收时段中,在超声换能器处接收来自发射的超声换能器的回波。
另外,超声成像导管110包括控制单元(CU)140,控制单元(CU)140被提供在超声成像导管的远端处并且适于访问本地存储器并选择被存储在本地存储器中的多种激活模式中的任一种激活模式。
控制单元然后生成控制信号150以根据所选择的激活模式对换能器阵列的多个换能器元件进行激活或去激活。在图2所示的示例中,CU 140操纵LM 130,以便将控制信号150传递给换能器,从而控制换能器的活动。CU 140还充当超声成像导管110的远端处的电路与超声系统的其余部分之间的通信链路。
通过使本地存储器130和控制单元140位于导管处而不是位于后端处理单元处,减少了后端控制台与导管之间所需的通信。
换句话说,操作控制特征被添加到导管,使得它可以独立执行发射元件选择、接收元件选择和/或返回通道选择中的至少部分操纵。这使得控制台与导管之间的通信需求显著降低,从而允许在系统中采用更高的帧速率、更多数量的超声换能器元件和更多数量的回波返回通道。
超声成像导管可以充当上面参考图1描述的超声探头4。
图3更详细地示出了图2的超声成像导管110的示意图200。
在图3所示的示例中,超声成像导管110被示为具有两个部件组:数字部分210和模拟部分220。
在数字部分210中,存在双线串行接口(SI)230,双线串行接口(SI)230可以例如与控制台或用于控制超声成像导管110的任何其他合适的后端处理单元通信。可以通过串行接口向参数控制单元(P)240提供信号,参数控制单元(P)240适于设置和读回用于控制超声成像导管的模拟部分220和数字部分210的操作的参数。
数字部分210还包括换能器选择单元(TSU)250,换能器选择单元(TSU)250可以包括上面参考图2描述的本地存储器130和控制单元140。
换能器选择单元确定在发射时段期间换能器阵列120的哪些换能器元件应当是激活的以及在接收时段期间哪些换能器元件将被使用。这是通过控制单元访问本地存储器以从多种激活模式中取回一种激活模式来完成的。
在图3所示的示例中,换能器选择单元生成控制信号255,该控制信号255被提供给驱动器单元(D)260和接收器单元(R)270。驱动器单元根据从换能器选择单元接收的控制信号在发射时段期间激活换能器阵列的超声换能器。类似地,接收器单元根据从换能器选择单元接收的控制信号在接收时段期间激活换能器阵列的超声换能器。
换句话说,在成像阶段的发射时段和接收时段期间,根据由换能器选择单元生成的基于激活模式的控制信号来激活超声换能器阵列的换能器。
换句话说,基于被存储在位于超声成像导管的远端处的本地存储器中的激活模式,激活也位于所述远端处的换能器阵列的换能器元件。
在发射阶段期间,例如当超声成像导管位于对象内部(例如位于对象的血管内)时,操作根据激活模式被选择为激活的超声换能器以生成超声脉冲。
在接收阶段期间,超声换能器接收来自对象身体的回波信号290。在将适当的回波信号发送到后端处理系统之前,所接收的回波信号可以经受信号调理。
在图3所示的示例中,超声成像导管110的模拟部分220包括低噪声放大器300,以调理传入的接收的回波信号;然而,也可以在模拟部分中实施任何其他信号调理单元,例如,时间增益补偿单元。
经调理的信号然后被传递到信号选择器(SS)310,信号选择器(SS)310可以将选择标准应用于经调理的信号,以便决定哪些信号可以被发送到后端处理,从而生成超声图像。例如,选择标准可以例如包括给定的信号质量度量,例如,信噪比。可以根据超声成像导管的应用,例如借助于用户输入来调整选择标准。
当换能器选择单元接收信号320以启动“给出下一采集”的指令(即,开始后续成像阶段的指令)时,换能器选择单元确定将作为发射元件和接收元件而用于下一成像动作的换能器。更具体地,该指令可以使控制单元访问本地存储器,以便选择与要被激活或去激活的换能器相对应的激活模式。
图4示出了图3的超声成像导管的数字部分210的示例实施方式400。
在图4所示的示例中,换能器选择单元的智能水平相对于参考图3描述的示例略微降低。结果,后端处理单元或控制台与超声成像导管之间的通信要求可能会略微提高,但是与标准超声成像导管相比,通信要求仍然显著降低。然而,该示例可以在确定在发射时段和接收时段期间要被激活或去激活的超声元件时提供更大的灵活性。另外,这个示例还可以在用于将所接收的回波信号发送到后端处理系统的返回通道选择方面提高灵活性。
图4所示的示例使用两种通信机制来进行操作。第一通信接口410是用于设置和读回用于如上面参考图3描述的超声成像导管的模拟部分和数字部分的参数的串行接口。串行接口可以被连接到I2C接口420,I2C接口420基于两个信号进行操作:串行时钟(SCL)信号和串行数据(SDA)信号。
第二通信接口430可以包括高速串行(HS)接口440,高速串行(HS)接口440是上面参考图3描述的“给出下一采集”的指令的单向等效物。
图4示出了位于超声成像导管中的几个管芯:一个主管芯450和多个从管芯460。可以实施可以包括I2C接口420的第一通信接口410,从而使得其对于所有管芯都是相同的。I2C接口单元上的三个地址引脚可以确定管芯类型(主管芯450或从管芯460)。如果地址引脚读取“000”,则该管芯被认为是主管芯450。另一方面,如果地址引脚读取为“001”至“111”之间,则该管芯被认为是从管芯460。在这个示例中,从管芯460的最大可允许数量是7;然而,可以根据应用而扩大或缩小从管芯的数量。
从管芯460的I2C接口单元420可以被连接到模拟电路,该模拟电路可以包括诸如上面参考图3描述的低噪声放大器(LNA)和/或时间增益补偿(TGC)之类的部件,以及在每个从管芯460中连接的从单元470。从单元470是电路中为每个超声换能器480提供以下指示的零件:在发射期间,在接收期间,每个超声换能器480将是激活的还是去激活的,以及所接收的回波信号应当被放置在哪个条输出通道上。
在图4所示的示例中,每个从管芯260能够对最多24个独立的换能器280进行寻址,该信息涉及:在发射时段期间哪些换能器元件是激活的;在接收时段期间哪些换能器元件是激活的;以及所接收的回波信号被提供给哪条输出通道,以被保存在三个24位寄存器中。因此,在最多七个从管芯的情况下,根据该实施方式可以构造具有多达一百六十八个换能器元件的导管。
第一通信接口410和第二通信接口430是完全异步的,这意味着通信协议本身中的时钟边沿被用于寄存数据。换句话说,导管中没有能够用于对通信接口进行采样的自由运行时钟。出于几个原因(例如,电磁兼容性(EMC)和潜在的图像伪影),在成像阶段期间在导管中没有自由运行时钟可以是有利的。由于两个通信接口中的时钟边沿的数量与被传输的数据相匹配,因此没有多余的边沿可供HS接口440用来操纵在从单元的寄存器中的信息,因此将被包含在应用模式中的信息应用于超声换能器480。
因此,超声成像导管还可以包括本地振荡器(LO)490,本地振荡器(LO)490与多个寄存器通信并且适于接收由控制单元生成的控制信号并操纵多个寄存器中的多个位,以根据所选择的激活模式对换能器阵列的多个换能器元件进行激活和/或去激活。
本地振荡器490可以位于主管芯450上,主管芯450能够由HS单元440启动,以便执行寄存器的所需操纵。HS单元对寄存器的操纵以及由此运行本地振荡器仅发生在成像阶段之外,从而防止了由于例如本地振荡器的馈通或串扰而导致的潜在图像伪影。用于防止由本地振荡器引起的图像伪影的另一种机制是确保本地振荡器的最低频率高于超声换能器480的带宽。本地振荡器可以适于产生具有给定占空比的方波,以便将本地振荡器的谐波带到超声换能器的带宽之外。例如,占空比可以是50%或60%,或者实际上是确保振荡器的频谱分量在多个超声换能器的带宽之外的任何合适的占空比。
图5示出了从管芯460上的不同从单元470的寄存器510之间的互连的示例500。每个寄存器包括多个位,其中,每个位与超声成像导管的换能器阵列中的多个超声换能器中的一个超声换能器相关联。
在图5所示的示例中,每个从单元470包括三个寄存器510,这三个寄存器510包括:发射寄存器Tx,其适于控制在发射时段期间相关联的换能器元件中的哪些换能器元件被激活或去激活;接收寄存器Rx,其适于控制在接收时段期间相关联的换能器元件中的哪些换能器元件被激活或去激活;以及输出通道寄存器Rxmap,其适于控制在换能器元件处接收的信号被输出到多条输出通道中的哪条输出通道。在这种情况下,给定的换能器元件将与来自给定从单元的三个寄存器中的每个寄存器的一个位相关联。
为了限制从管芯之间所需的连接数量,用于发射的寄存器(Tx)、用于接收的寄存器(Rx)和用于映射到输出通道的寄存器(Rxmap)可以经由单个连接被连接到下一管芯。
管芯之间的单个连接(也被称为菊花链连接)意味着必须顺序地执行对发射寄存器、接收寄存器和输出通道寄存器的操纵。
为了选择适当数量的换能器元件,有两种方法可用:选择导管中的从管芯的数量,最多为7个;以及选择每个管芯控制的元件的数量,最大为24个。
在上述实施方式中,从管芯能够控制24个换能器元件。也可以将更少的换能器元件连接到从管芯。被连接到如图5所示的寄存器菊花链中的换能器元件的数量可以由图4中描述的I2C接口单元420中的参数来设置。HS单元440不需要知道寄存器菊花链中的换能器元件的确切数量,因为寄存器单元以菊花链连接并且没有数据会因移位操作而丢失。例如,如果需要一百一十四个元件的导管,则应当使用五个从管芯,其中的四个将控制二十四个元件且其中的一个将控制十八个元件。
图6示出了与圆形导管周长、从管芯460边界和换能器元件480相关的发射Tx寄存器、接收Rx寄存器和输出通道Rxmap寄存器的概念性表示600。图6示出了一些示例数据以及针对三个寄存器链的含义。
注意换能器元件0,如箭头所示,寄存器指示该元件用于发射超声脉冲(如发射Tx寄存器中的1所示),用于回波接收(如接收Rx寄存器中的1所示),并且将经由通道1发射所接收的回波(如输出通道Rxmap寄存器中的1所示)。发射寄存器或接收寄存器中的0将分别指示在发射时段或接收时段内该元件将处于去激活状态。通道输出寄存器中的0将指示应在通道0上输出所接收的回波。
应当注意,如上面的图5和图6所示,发射Tx寄存器、接收Rx寄存器和输出通道Rxmap寄存器以及Tx、Rx和Rxmap位在一起的组合可以是如参考图2描述的本地存储器(LM)130的部分。
图7示出了用于控制超声成像导管的方法700,该超声成像导管包括具有多个超声换能器的超声换能器阵列。
该方法开始于步骤710:访问在超声成像导管的远端处提供的本地存储器;
在步骤720中,选择被存储在本地存储器上的多种激活模式中的任一种激活模式,其中,每种激活模式与多个换能器元件中的多个要被激活的换能器元件以及多个换能器元件中的多个要被去激活的换能器元件相对应。
在步骤730中,生成控制信号,以在对超声成像导管的成像阶段期间根据所选择的激活模式对换能器阵列的多个换能器元件进行激活或去激活,该成像阶段包括发射时段和接收时段。
在步骤740中,将控制信号提供给本地振荡器。
在步骤750中,根据所选择的激活模式,操纵多个寄存器的多个位来对换能器阵列的多个换能器元件进行激活和/或去激活,其中,每个位与多个超声换能器中的一个超声换能器相关联。
本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求,在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的变型。在权利要求中,“包括”一词不排除其他元件或步骤,并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。虽然某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中,但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。如果上面讨论了计算机程序,则它可以被存储/分布在合适的介质上,例如,与其他硬件一起或作为其他硬件的部分而供应的光学存储介质或固态介质,但是它也可以以其他形式分布,例如经由互联网或其他有线或无线的电信系统进行分布。如果在权利要求或说明书中使用了术语“适于”,则应当注意,该术语“适于”旨在等同于术语“被配置为”。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。
Claims (15)
1.一种超声成像导管,所述超声成像导管包括:
超声换能器阵列,其被提供在所述超声成像导管的远端处并且适于发射和接收超声信号,其中,所述超声换能器阵列包括多个超声换能器;
本地存储器,其被提供在所述超声成像导管的所述远端处并且适于存储多种激活模式,其中,每种激活模式与多个换能器元件中的多个要被激活的换能器元件以及多个换能器元件中的多个要被去激活的换能器元件相对应;以及
控制单元,其被提供在所述超声成像导管的所述远端处并且适于:
访问所述本地存储器;
选择所述多种激活模式中的任一种激活模式;并且
在对所述超声成像导管的成像阶段期间生成控制信号以根据所选择的激活模式对所述换能器阵列的所述多个换能器元件进行激活或去激活,所述成像阶段包括发射时段和接收时段。
2.根据权利要求1所述的超声成像导管,其中,所述超声成像导管还包括:
多个寄存器,每个寄存器包括多个位,其中,每个位与所述多个超声换能器中的一个超声换能器相关联;以及
本地振荡器,其与所述多个寄存器通信并且适于接收由所述控制单元生成的所述控制信号并操纵所述多个寄存器中的所述多个位,以根据所选择的激活模式对所述换能器阵列的所述多个换能器元件进行激活和/或去激活。
3.根据权利要求2所述的超声成像导管,其中,所述本地振荡器适于在所述超声成像导管的所述成像阶段之外操作。
4.根据权利要求2至3中的任一项所述的超声成像导管,其中,所述本地振荡器适于在大于所述多个超声换能器的带宽的频率下操作。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的超声成像导管,其中,所述本地振荡器适于生成具有给定占空比的方波,其中,所述给定占空比使得所述本地振荡器的频谱的分量在所述多个超声换能器的所述带宽之外。
6.根据权利要求2至5中的任一项所述的超声成像导管,其中,所述多个寄存器被布置成多个寄存器组,每个寄存器组包括:
第一寄存器,其包括第一寄存器位;
第二寄存器,其包括第二寄存器位;并且其中,
所述多个换能器元件中的换能器元件与所述第一寄存器位和所述第二寄存器位相关联,所述第一寄存器位适于控制在所述发射时段期间所述换能器元件是激活的还是去激活的,所述第二寄存器位适于控制在所述接收时段期间所述换能器元件是激活的还是去激活的。
7.根据权利要求6所述的超声成像导管,其中,所述超声换能器阵列包括多条输出通道,并且其中,每个寄存器组还包括第三寄存器,所述第三寄存器包括第三寄存器位,并且其中,所述换能器元件还与所述第三寄存器位相关联,所述第三寄存器位适于控制在所述换能器元件处接收的信号被输出到所述多条输出通道中的哪条输出通道。
8.根据权利要求2至7中的任一项所述的超声成像导管,其中,所述多个寄存器组以菊花链的形式连接,其中,每个寄存器组与相邻的寄存器组串联连接。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的超声成像导管,其中,所述超声成像导管还包括信号调理单元,所述信号调理单元被提供在所述超声成像导管的所述远端处并且适于对所接收的超声信号进行信号调理。
10.根据权利要求9所述的超声成像导管,其中,所述信号调理单元包括低噪声放大器。
11.根据权利要求9至10中的任一项所述的超声成像导管,其中,所述信号调理单元包括一个或多个时间增益补偿单元。
12.一种超声成像系统,所述系统包括:
根据权利要求1至11中的任一项所述的超声成像导管;
处理单元,其与所述超声成像导管通信并且适于基于所接收的超声信号来生成超声图像;以及
显示器,其适于显示所述超声图像。
13.一种用于控制超声成像导管的方法,所述超声成像导管包括具有多个超声换能器的超声换能器阵列,所述方法包括:
访问被提供在所述超声成像导管的所述远端处的本地存储器;
选择被存储在所述本地存储器上的多种激活模式中的任一种激活模式,其中,每种激活模式与多个换能器元件中的多个要被激活的换能器元件以及多个换能器元件中的多个要被去激活的换能器元件相对应;并且
在对所述超声成像导管的成像阶段期间生成控制信号以根据所选择的激活模式对所述换能器阵列的所述多个换能器元件进行激活或去激活,所述成像阶段包括发射时段和接收时段。
14.根据权利要求13所述的方法,其中,所述方法还包括:
向本地振荡器提供所述控制信号;并且
操纵多个寄存器的多个位,其中,每个位与所述多个超声换能器中的一个超声换能器相关联,以根据所选择的激活模式对所述换能器阵列的所述多个换能器元件进行激活和/或去激活。
15.一种包括计算机程序代码单元的计算机程序,当所述计算机程序在计算机上运行时,所述计算机程序代码单元适于实施根据权利要求13至14中的任一项所述的方法。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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