CN116600719A - 具有可选择的仰角焦点的机械式3d超声成像探头 - Google Patents

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Abstract

一种超声诊断成像系统通过利用机械式探头扫描目标体积来产生3D图像，该探头通过使阵列换能器的扫描平面沿仰角方向扫过目标体积来对目标体积进行扫描。阵列换能器具有两个可选择的焦点深度，并且利用远场焦点来获取图像数据的多个扫描平面，以及利用近场焦点来获取图像数据的多个扫描平面。利用远场焦点获取的扫描平面在仰角方向上以满足在远场中的空间采样标准的距离分离，而利用近场焦点获取的扫描平面在仰角方向上以满足在近场中的空间采样标准的距离分离，结果是利用近场焦点获取的扫描平面的数量少于利用远场焦点获取的扫描平面的数量，并因此改善了体积显示率。

Description

具有可选择的仰角焦点的机械式3D超声成像探头
技术领域
本发明涉及3D医用超声探头，尤其涉及其中换能器阵列机械地扫过3D图像区域并且换能器阵列具有可选择的仰角焦点的3D成像探头。
背景技术
多年前，随着多种类型的成像探头的发展，实时超声成像变得可行。机械式扇形扫描探头使用机动机构来回摆动换能器元件，以扫描扇形图像区域。相控阵探头使用线性阵列换能器的元件的相控致动来扫描扇形图像平面。线性阵列探头沿阵列驱动相继的成组换能器元件以扫描矩形图像平面。机械式探头放弃了系统的复杂性而换来了机动机构的可靠性，而相控阵探头放弃了机动机构而换来了系统波束成形器的复杂性。线性阵列探头处于中间位置，没有机动机构，但需要更简单的波束形成和元件切换。
随着超声系统成像表现的改善，开发人员开始考虑如何修改这些探头类型以执行三维(3D)成像。最终，两种3D成像探头的方法变得被广泛接受。一种是相控阵方法的演化，其中通过相控传输和接收来扫描换能器元件的二维(2D)阵列，使波束在体积目标区域上以三维转向和聚焦。用于这种矩阵阵列探头的促成技术是微波束成形器，其中波束传输和接收的控制是通过探头内的半导体器件来提供的。另一种普遍的方法是机械式扫描的演化，其中阵列换能器来回摆动以使其扫描平面扫过目标体积。在机械式扫描期间获取的来自图像平面的图像数据然后被一起处理，以产生被扫描体积的3D图像。
然而，使用传统的用于2D图像平面的波束成形器的机械式3D成像探头的机械式扫描阵列的图像平面数据只在图像平面内聚焦。在图像平面之间的仰角维度(elevationdimension)上没有聚焦。为了提供这样的仰角聚焦，有必要在仰角维度上增加换能器元件，这就给波束成形器增加了2D阵列功能的复杂性；丧失了机械式探头实现方式中固有的波束成形器的简单性的优势，而探头的机械复杂性保留。因此，期望实现一种利用简单的波束成形器实施方式，但仍能在仰角维度上提供波束聚焦的机械式3D探头设计。此外，还期望能在做到这一点的同时提供高的体积显示帧率。
发明内容
根据本发明的原理，提供了一种机械式3D成像探头，其通过利用近场仰角焦点来扫描一组平面和利用远场仰角焦点来扫描交错的(interleaved)另一组平面，在近场和远场两者中都提供静态仰角聚焦。远场聚焦的一组的扫描平面被以满足在远场中的所期望的空间采样标准的距离分离，而近场聚焦的一组的扫描平面被以满足在近场中的所期望的空间采样标准的距离分离。优选地，在每组扫描平面内，扫描平面的间距是均匀的。因此，本发明的所构造的实施方式在近场和远场两者中利用近场聚焦和远场聚焦两者对目标体积进行充分的空间采样，并通过减少不需要的扫描平面获取来提供高的体积显示率。
附图说明
图1示出了利用1D(一维)阵列换能器对矩形图像平面进行的线性扫描，该1D阵列换能器在楔形扫描体积上来回摇动以获取图像数据。
图2示出了利用1D阵列换能器对扇形图像平面进行的相控扫描，该1D阵列换能器在金字塔形的扫描体积上来回摇动以获取图像数据。
图3示出了利用1xD阵列换能器对矩形图像平面进行的线性扫描，该1xD阵列换能器在楔形扫描体积上来回摇动以获取图像数据。
图4示出了利用1xD阵列换能器对扇形图像平面进行的相控扫描，该1xD阵列换能器在金字塔形的扫描体积上来回摇动以获取图像数据。
图5示出了根据本发明的原理的1xD阵列换能器的用于提供可选择的近场或远场仰角聚焦的结构和操作。
图6在轴向波束视图中示出了根据本发明的原理的满足在仰角维度上所期望的空间采样标准所需的机械式3D成像探头的扫描平面的间距。
图7在景深视图中示出了根据本发明的原理的满足在仰角维度上所期望的空间采样标准所需的机械式3D成像探头的扫描平面的间距。
图8示出了以充分的空间采样利用1xD阵列换能器对目标体积进行机械式扫描，其中每个远场聚焦的图像平面与近场聚焦的图像平面对准。
图9示出了利用1xD阵列换能器对目标体积进行机械式扫描，其中对远场聚焦的图像平面和近场聚焦的图像平面进行独立的充分的空间采样。
图10示出了利用1xD阵列换能器以比图9更小的曲率半径对目标体积进行机械式扫描，其中对远场聚焦的图像平面和近场聚焦的图像平面进行独立的充分的空间采样。
图11示出了机械式3D超声探头的马达驱动扫描机构。
图12以框图的形式示出了根据本发明的原理构造的超声系统。
图13示出了用于在图12的超声系统中执行扫描转换的一种技术。
图14示出了用于在图12的超声系统中执行扫描转换的第二种技术。
具体实施方式
首先参照图1，示出了通过摇动线性地扫描的1D阵列换能器30对3D目标体积10进行机械式扫描。1D阵列换能器30被来回摇动，以使阵列的二维扫描平面32沿弧形路径扫过体积10，如箭头42所示。在运动的弧形路径的指定点处，阵列换能器被致动以扫描图像平面并获取图像数据。当扫描平面在弧形的仰角维度(EL)上来回摇动时，每个扫描平面位置的扫描在方位角维度(AZ)上以电子方式来执行。当阵列在仰角方向上扫过时，可在方位角方向上连续地获取扫描线，并且由于机械运动，所产生的平面可能略有弯曲或倾斜；只要每个扫描线的空间位置是已知的，就可准确地重建体积图像。在整个楔形体积10上已获取图像数据的扫描平面后，所有获取的图像平面的图像数据被处理以产生体积10的3D图像。
图2示出了与图1的示例基本相同的扫描技术，除了在这种情况下，每个扫描平面32不是被线性地扫描，而是在扇形扫描平面32上通过波束的相控转向进行扫描。扫描平面的所有发射和接收波束都从阵列30的表面上的同一点发出，即倒金字塔形体积10的顶点。当换能器阵列30如图中底部的箭头所示来回摇动时，在仰角维度上在体积10的弧形跨度上获取相继的图像数据的扫描平面32。所有获取的图像平面的图像数据被处理以产生金字塔形体积10的3D图像。
图3示出了通过阵列换能器30的扫描平面32对楔形体积10进行的线性扫描，在这个示例中，阵列换能器30是1xD阵列换能器。“D”符号是具有不同操作特征的不同换能器阵列配置的行业内名称。例如，“2D”名称指示其元件在两个维度上延伸并可在方位角(AZ)和仰角(EL)两者上进行电子转向和聚焦的阵列换能器。1.75D阵列换能器可在方位角上转向和聚焦，而在仰角上则是最低程度的转向和聚焦。1.5D阵列换能器可在方位角上转向和聚焦，并有动态的仰角聚焦，而没有仰角转向。低于2D的名称通常具有以下特征：在仰角维度上的元件比在方位角维度上的元件少，或者不能独立地操作换能器元件(例如，元件被电连接在一起并一同操作)。1D阵列仅在方位角维度上具有多个元件而在仰角维度上不具有电子转向或聚焦。1xD名称中的“x”指示该阵列在仰角维度上具有非常少的元件，通常为方位角维度上的元件的数量的25％或更少。这提供了小但引人注意的用于提供仰角聚焦的能力。图3的扫描配置与图1的扫描配置相似，除了由于使用了1xD换能器阵列30而使获取的图像平面在仰角维度上展现出一些聚焦之外。图4以与图2的配置相同的方式操作，除了每个扫描平面可通过1xD换能器阵列在仰角上进行最低程度的聚焦之外。
图5示出了被配置为根据本发明的原理操作的1xD换能器阵列30。该截面视图示出了该阵列在仰角维度上的范围(在这个示例中，其有四个换能器元件宽，端部元件30a和30d以及在它们之间的两个内部元件)。该阵列的发射面被透镜38所覆盖，该透镜38提供了小程度的固定的仰角焦点。在方位角维度上，这种四个元件的行的数量是较大的数量，例如，128或196。两个外部元件被电连接在一起，并与端子34电连接，使得两个外部元件30a和30b一同操作。两个内部元件也被电连接在一起，并与端子36电连接。当在操作中只使用内部元件端子36时，只有两个元件的内部仰角孔径是有效的。如虚线22所示，内部孔径展现出发射和接收波束的轮廓。在波束轮廓线22相互之间最窄的接近处的圆圈标识出内部孔径的最大焦点的位置。当端子34和36两者一起操作时(如通过将它们联接在一起或刚好在给端子36提供脉冲之前给端子34提供脉冲并利用所有四个元件接收)，四个元件的全仰角孔径是有效的。在这个示例中的全孔径展现出如虚线24所示的波束轮廓，同样，由在轮廓线24的最窄的接近处的圆圈标识出最大焦点。因此，相继使用内部孔径和全孔径将获取图像数据的两条扫描线，一条具有近场焦点，另一条具有远场焦点。图3中的曲线28标识出扫描体积10的每个平面32的一半深度，而图5的波束轮廓将一个焦点定位在该深度的浅半部分中，且将另一个焦点定位在深半部分中。图5的两条扫描线可结合起来，如通过复合数据或使用浅区和深区来产生具有近场焦点特性和远场焦点特性的图像数据的扫描线。对于3D成像，这可通过利用全阵列扫描来获取具有远场焦点的图像数据，然后利用内部孔径来获取具有近场焦点的扫描平面数据，从而产生具有近场焦点特性和远场焦点特性两者的图像数据的两个扫描平面，实现了比只利用单个焦点深度的图像获取更好的改善。在深度维度上从两个孔径的中心延伸出来的虚线标识出换能器阵列发射和接收的波束的中心，且因此在整个换能器阵列被用来扫描处于方位角维度上的扫描平面时就是图像平面的中心。
在相继的扫描线在方位角上被彼此相邻地获取以便扫描图像平面时，或图像平面在仰角上被彼此相邻地获取以便扫描3D体积时，重要的是扫描线或平面要足够靠近在一起，使得图像场没有在空间上欠采样。如果扫描线或平面之间的间隙很大，就没有或可忽略的从欠采样区域返回的回波信号能量，而图像中就会出现欠采样伪影。通常，这些伪影本身表现为“狱栏(jailbar)”伪影，即延伸穿过所形成的图像的微弱线条。这些伪影的出现以及它们是否令人反感在某种程度上是主观的并由许多因素造成的。其他的系统图像处理和过滤可减少伪影水平，并且对一个观众来说可能是令人反感的伪影对另一个观众来说可能是不令人反感的。将伪影最小化的通常方法是设置波束或平面间距(如波束轮廓相邻或重叠所指示的)，这将空间采样伪影降低到令人反感的水平以下。当然，这是设计选择的问题。图6给出了波束或平面间距的一个示例，其中超声系统设计者已选择了以-3dB的声能滚降水平紧紧相邻的波束或平面。其他设计者可选择例如-2dB水平或-4dB水平。在图6的示例中，波束或图像平面正交于图页，而能量曲线的峰标识出波束或平面中心的位置。正如标识出曲线裙部的交叉点的虚线所示，波束或平面以-3dB的水平紧紧相邻。
图7示出了在深度维度上的波束或平面能量曲线的间距的纵向视图。在这个示例中，在是机械式扫描的1xD阵列换能器30的情况下，阵列换能器30从三个不同的阵列位置扫描了具有相应的能量曲线14-14'、16-16'和18-18'的三个相邻的波束或平面。在中间深度处的圆圈标识出这三个曲线的最大焦点。从图中可看出，能量曲线在焦点深度处正好相互接触。如果能量曲线是-3dB的曲线，那么波束或平面在最大焦点深度处以-3dB的水平紧紧相邻，以提供所期望的空间采样和伪影减少程度。
正如结合图5所讨论的，1xD阵列可被操作成提供具有两个焦点区域(一个在近场中，一个在远场中)的全景深的图像数据。虽然会产生更好聚焦的图像，但缺点是每个波束或扫描平面必须使用两个发射-接收周期，一个是换能器阵列利用内部孔径操作，用于近场聚焦，另一个是换能器阵列利用全孔径操作，用于远场聚焦。对于3D体积扫描来说，这意味着获取全体积图像的图像数据所需的时间与单次聚焦相比翻倍，这使得体积显示率减半。当然，所期望的是能产生更好聚焦的图像，但又不会使显示率减半。根据本发明的原理，这可以如图8、图9和图10所示来完成。在这些示例中，弯曲的1xD换能器阵列(在方位角(长度)维度上是弯曲的)被机械地从左到右进行扫描。这些图示出了该阵列在仰角方向上的扫描；阵列的方位角维度(其中阵列是弯曲的)与图的平面正交。换能器阵列沿着在每幅图底部的暗扇区26的顶部处的弧形路径行进，在构造的实施方式中，暗扇区26可以是阵列安装组件，它携带换能器阵列通过其行进弧。使用弯曲的阵列换能器是因为它可以扫描由其曲率提供的更宽的视场，这在机械上扩大了视场，而不需要使波束成形器负担过多的波束转向要求。如图5所示，弯曲的阵列换能器被配置为被设定成在两个不同的焦点深度中的一个处聚焦。
图8示出了利用这样的布置来扫描体积场的常规方法。在这幅图中，每个箭头表示了沿着行进弧(arc of travel)的图像平面中心的位置，其中在这个示例中行进弧是130°。在本示例中，从虚拟顶点48到暗扇区26的顶部处的行进弧的曲率半径为20毫米。沿着130°的行进弧的由阵列传感器获取的图像平面的位置用箭头来标识出，较深的箭头32n标识出近场聚焦图像平面，而较浅的箭头32f标识出远场聚焦图像平面。在这个示例中，近场聚焦平面32n的焦点深度在20mm的深度处，远场聚焦平面32f的焦点深度为40mm。由于换能器阵列行进的弧形路径，所获取的图像平面在远场中比在近场中在宽度上有更大的分离。这使得远场对于充分的空间采样的确定更为关键。在这个示例中，系统设计者已计算了远场聚焦平面之间的间距，该间距提供了所期望的空间采样伪影减少的程度，如上所述，并确定出25个均匀间隔的图像平面将对图像区域的远场进行充分地空间采样，图像平面获取之间的间距为5.2°。这就设定了在目标体积中获取25个近场聚焦的图像平面的位置，而近场聚焦的图像平面32n与远场聚焦的图像平面对准，如图8中近场箭头和远场箭头的对准所示。
然而，如果图8中的平面间的间距在远场中足够提供所期望的空间采样伪影的减少，则处于相同角度位置的近场平面在空间上对近场进行了过采样。为了改善体积显示率，设计者应当对近场中的充分的空间采样进行第二次计算。在近场计算采用与远场相同的空间采样标准(如-3dB)时，对近场进行充分的采样所需的图像平面的数量在本示例中为16。如图9所示，近场图像平面获取32n应沿130°的行进弧均匀分布，在本示例中是以81/8°的行进弧分隔开。可以看出，这必然意味着近场扫描平面和远场扫描平面不再在空间上对准，这种情况可在扫描转换期间通过显示点插值来适当处理，如下文所述。在这个示例中，可以看出平面间的间距的单独确定导致了用于体积图像的扫描平面获取的数量从50个平面减少到41个平面。这使扫描平面获取时间减少了18％，这一节省直接转化为体积显示率的改善，这对实时体积成像很重要。
本发明人已经确定，对于本发明的实施方式来说，体积帧率的改善程度与弯曲的阵列换能器的曲率程度有关：阵列的曲率半径弯曲得越紧，显示率的改善程度越大。对于诸如图1和图2所示的平面(平坦)阵列，曲率半径是无限的，单独的空间采样计算不会有任何改善。如图10的示例所示，较小的曲率半径将导致更大的显示率改善。在图8和图9的示例中，弯曲阵列展现出20毫米的曲率半径，其由虚拟顶点48到暗扇区26的顶部的距离来描绘。在图10的示例中，换能器阵列展现出10mm的曲率半径。在空间采样计算中应用与图8和图9相同的空间采样标准，并且利用相同的近场焦点深度和远场焦点深度，图10中的平面间的间距的计算得出了对远场进行充分的空间取样需要十七个扫描平面和对近场进行充分的空间取样需要十个扫描平面的确定结果。与对每个焦点深度使用相同数量的扫描平面相比，节省了七个扫描平面获取，图像数据获取时间改善了20％以上。
图11是机械式3D探头40的扫描机构的横截面等轴视图，该探头适合于沿扫描弧机械地摆动弯曲的阵列换能器以用于3D成像。探头40包括与换能器组件30机械联接的位置执行器42以及位置传感器44。换能器组件30'、位置执行器42和位置传感器44被定位在支撑结构46内。位置执行器42包括驱动轴48'，其从位置传感器44沿探头40的纵轴向上延伸。驱动轴48'通过被定位在驱动轴48'的各端附近的轴承50可旋转地支撑在探头40的支撑结构46内。位置执行器42还包括相对于支撑结构46静止的电枢结构52，以及与驱动轴48'相联接的永磁体场结构54。在电枢结构52选择性地通电时，会产生扭矩，该扭矩使驱动轴48'在所期望的旋转方向上旋转，使得驱动轴48'和场结构54形成被驱动的构件。电枢结构52也可选择性地通电，以使驱动轴48以小于完全旋转的增量旋转，并在驱动轴48的旋转期间以不同的旋转速率旋转。
位置执行器42进一步包括与驱动轴48'相联接的曲柄构件56，其可旋转地与连接构件58的下部圆柱形部分相联接。曲柄构件56相对于支撑结构46的相对位置允许换能器阵列组件30'的机械扫描范围的调整。连接构件58的上端与枢轴构件60铰接联接，该枢轴构件通过一对轴承62轴向支撑在结构46上。枢轴构件60进一步支撑保持换能器组件30'的摇架64。虽然在图11中没有示出，但摇架64也可包括电触点，使得弯曲的阵列换能器30的各个元件可发射和接收超声信号，如前文所述。如图12所示，这些触点可进一步与导电组件(如柔性电路)联接，该导电组件与波束成形器80联接。在操作中，由驱动轴48'传给曲柄构件56的旋转运动在枢轴构件60中产生摆动运动，这允许换能器组件30'和换能器阵列30移动通过选定的扫描角度。图11的扫描机构的更多细节在美国专利公开文献No.2004/0254466(Boner等人)中可找到。
位置传感器44包括相对于支撑结构46静止的计数器66，以及与驱动轴48'固定联接的编码盘68，使得编码盘68和驱动轴48'一同旋转。编码盘68包括多个径向定位的目标，在编码盘68旋转通过计数器66的间隙时，计数器66可检测到这些目标，从而产生轴48'的位置信号。由于换能器阵列30的角度位置可与轴48的旋转位置相关联，编码盘68和计数器66因此以协作的方式形成能够指示换能器阵列30的角度取向的传感器。在一个具体的实施方式中，编码盘68和计数器66被配置为通过光学手段检测驱动轴48'的旋转位置。编码盘68和计数器66也可被配置为通过磁性手段检测驱动轴48'的旋转位置，并且还可使用其他检测驱动轴48'旋转位置的手段。
仍然参照图11，探头40进一步包括与支撑结构46相联接的盖子70。盖子70由在超声波频率下声学透明的材料形成。盖子70进一步部分地限定了内部体积72，该内部体积可密封地保持声学耦合流体(未示出)，其通过提供合适的声学阻抗匹配而允许超声信号在换能器组件30和盖子70之间进行交换。在一方面，可使用硅基流体，其也为被定位在体积72内的机械元件提供润滑。轴封74被定位在环绕驱动轴48'的支撑结构46内，以将声学耦合流体基本上保持在体积72内。内部体积72进一步包括可膨胀的囊体76，该囊体被定位在曲柄构件56的下方，以允许保持在体积72内的流体在流体被加热或暴露于低压时膨胀，因而防止可能是由于探头40内产生的过大流体压力造成的流体从体积72内的泄漏。
参照图12，根据本发明的原理构造的超声诊断成像系统以框图形式示出。诸如图11所示的用弯曲的1xD换能器阵列30进行扫描的机械式3D换能器扫描机构设置在超声探头40中，用于发射超声波和接收回波信息。来自换能器阵列30的超声波束的发射由联接到探头的波束成形器80引导。由波束成形器控制的发射特性包括发射波形的数量、间距、振幅、相位、频率、极性和多样性。联接到机械式3D探头40的还有探头马达控制器78。探头马达控制器与探头的电枢结构52联接，以控制马达致动的方向、速度和增量步。探头马达控制器还与波束成形器联接，以通过将来自计数器66的位置信号提供给波束成形器80来协调换能器阵列运动和扫描致动。因此，波束成形器可致动换能器阵列，以在每次换能器阵列处于用于扫描平面数据获取的适当取向时，获取图像数据的扫描平面。由换能器阵列30的元件接收到的回波信号通过使其适当延迟，然后将其组合而进行波束成形。
由波束成形器80产生的相干的回波信号由信号处理器82进行信号处理，其中包括通过数字滤波器进行滤波，以及通过空间或频率复合进行噪声或斑点降低。例如，信号处理器82的数字滤波器可以是在美国专利No.5,833,613(Averkiou等人)中描述的那种类型的滤波器。
经过波束成形和处理的相干的回波信号被耦合到检测器84。检测器可对体内结构(如组织)的B模式图像执行振幅(包络)检测。B模式处理器通过计算(I2+Q2)1/2形式的回波信号振幅，对正交解调的I和Q信号分量执行振幅检测。正交回波信号分量也可用于多普勒流量或运动检测。对于多普勒处理，检测器84存储了来自图像区域内的离散点的回波信号集合，这些回波信号集合则被用于利用快速傅里叶变换(FFT)处理器来估计图像中各点处的多普勒位移。获取这些集合的速率确定了该系统能够准确测量并在图像中描绘的运动速度范围。多普勒位移与图像场中各点处的运动(如血流和组织运动)成正比。对于彩色多普勒图像，在血管中的每一点处的估计的多普勒流量值都经过壁滤波，并使用查找表转换为色彩值。壁滤波器具有可调节的截止频率，高于或低于该截止频率的运动(如在对流动的血液成像时血管的壁的低频运动)将被拒绝。B模式信号和多普勒信号与从中获取它们的目标体积的空间坐标相关联地被存储在图像数据存储器86中。
存储在存储器中的B模式图像信号和多普勒流量或运动值被耦合到扫描转换器88，该扫描转换器将B模式和多普勒样本从其被获取的径向坐标转换为笛卡尔(x,y,z)坐标，以用于以所期望的显示格式(如直线体积显示格式或扇形或金字塔形显示格式)显示。B模式图像或多普勒图像两者都可单独显示，或者两者在解剖学配准(registration)中一起显示，其中在图像中彩色多普勒显示值显示出组织和血管中的血流。现在与x,y,z笛卡尔坐标相关联的扫描转换后的体积图像数据被耦合回图像数据存储器86，在那里它被存储在可根据从中获取图像值的空间位置来寻址的存储器位置。然后，来自3D扫描的图像数据被体积渲染器90访问，该体积渲染器将3D数据集的回波信号转换为从给定参考点看到的投影3D图像，如在美国专利6,530,885(Entrekin等人)中描述的。由体积渲染器90产生的3D图像被耦合到显示处理器92，用于进一步增强、图形叠加、缓冲和临时存储，以在图像显示器94上显示。
图13和图14示出了扫描转换器88的操作。图13绘示了在两条获取的扫描线102和104上以圆圈表示的像素或体素值，该两条扫描线是在网格100的笛卡尔坐标显示值的最终重建的图像线110附近获取的。一种广泛使用的图像重建技术是对体素中心的预定距离内的所有像素进行平均，如图13所示，其中像素112的值与像素114的值进行平均，以确定两个像素之间以线10上的106为中心的体素的值。为了减少由于图像数据的获取时间略有不同而产生的运动伪影(如波束102是在具有近场焦点的扫描平面中获取的，而波束104是在不同的时间和具有远场焦点的不同的扫描平面中获取的)，可使用更复杂的插值/重建，以根据获取的图像像素数据与体素中心相距的距离，为重建的体素中心周围的像素引入不同的权重。例如，离线110上的体素中心较近的像素114可比离体素中心较远的像素112的值有更大的权重。这种方法将减少3D图像中的模糊效应，因为它可提供非线性的像素值权重。
图14中绘示了更为复杂的插值/重建技术。在这个图示中，预先限定的体积区域Ik位于每个重建的体素位置的中心(如体素中心106)周围。在这个示例中，体积区域Ik内有六个像素被加权，以贡献于显示体素值，其中三个在体积区域内的扫描线102上而三个在体积区域内的扫描线104上。可被用来计算每个显示体素强度值的公式是：
其中Inew是重建体素强度，n指的是落在预先限定的区域内的像素的数量，以及Wk是用于第k个像素的取决于从第k个像素到重建的体素中心的距离的相对权重。
应指出的是，适合用于本发明的实施方式的超声系统，尤其是图12的超声系统的组件结构，可用硬件、软件或其组合来实施。超声系统的各种实施例和/或组件，或其中的组件和控制器，也可作为一个或多个计算机或微处理器的一部分来实施。该计算机或处理器可包括计算装置、输入装置、显示单元和接口，例如，用于访问互联网。该计算机或处理器可包括微处理器。微处理器可连接到通信总线，例如，以访问PACS系统或数据网络，来导入训练图像和存储临床检查结果。该计算机或处理器还可包括存储器。诸如图像数据存储器的存储设备可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包括存储设备，其可以是硬盘驱动器或可移动的存储驱动器(如软盘驱动器、光盘驱动器、固态拇指驱动器等)。存储设备也可以是其他相似的装置，用于加载计算机程序或指令，以选择机械式扫描的适当的时间或角度(将在该时间和角度下获取体积图像的扫描平面)，或待被用于通过扫描转换器实现的图像重建的公式。
如本文所用，术语“计算机”或“模块”或“处理器”或“工作站”可包括任何基于处理器或微处理器的系统，包括使用微控制器、简化指令集计算机(RISC)、ASIC、逻辑电路以及能够执行本文所述功能的任何其他电路或处理器的系统。上述示例只是示例性的，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一组指令，以便处理输入数据。存储元件也可根据期望或需要存储数据或其他信息。存储元件可以是信息源的形式，或者可以是位于处理机内的物理存储元件。包括控制超声图像的获取、处理和显示的指令，以及用于上述的扫描平面的获取和显示体积重建的指令的超声系统的指令集可包括各种命令，其指令作为处理机的计算机或处理器执行具体操作，如上述的图像数据获取的方法和过程。该指令集可以是软件程序的形式。该软件可采用各种形式(如系统软件或应用软件)，并可体现为有形和非暂时性计算机可读介质。上文给出的用于扫描转换器插值和重建的公式通常由软件例程计算或在软件例程的指导下计算。此外，该软件可以是在较大的程序中的独立程序或模块的集合或程序模块的一部分的形式。该软件还可包括呈面向对象编程形式的模块化编程。处理机对输入数据的处理可以是对从控制面板发出的操作者的指令的响应，或对以前的处理结果的响应，或对另一处理机提出的请求的响应。
此外，以下权利要求的限制不是以手段加功能的形式写成的，并且不旨在基于35U.S.C.112中的第六段进行解释，除非和直到这种权利要求的限制明确使用“用于…手段”这一短语而后续缺乏进一步结构的功能语句。

Claims (19)

1.一种利用机械式超声探头来进行三维(3D)成像的超声诊断成像系统，包括：
机械式超声探头(40)，其适于使阵列换能器(30)在仰角方向上沿着移动路径(42)移动；
波束成形器(80)，其适于在沿着所述移动路径的不同时间和位置获取图像数据的扫描平面；
扫描转换器(88)，其适于处理所述图像数据以产生用于在3D图像中显示的体素值；以及
用于显示所述3D图像的显示器(94)，
其中，所述波束成形器进一步适于获取具有近场焦点的图像数据的多个扫描平面(32)和具有远场焦点的图像数据的多个扫描平面，以及
其中，具有所述近场焦点的所述扫描平面是在所述仰角方向上存在均匀的并且满足在所述近场中的选定的空间采样标准的分离的情况下获取的，以及
其中，具有所述远场焦点的所述扫描平面是在所述仰角方向上存在均匀的并且满足在所述远场中的选定的空间采样标准的分离的情况下获取的。
2.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述阵列换能器进一步包括弯曲的阵列换能器。
3.根据权利要求2所述的超声诊断成像系统，其中，所述阵列换能器进一步包括1xD阵列换能器。
4.根据权利要求3所述的超声诊断成像系统，其中，所述1xD阵列换能器具有两个可选择的孔径。
5.根据权利要求4所述的超声诊断成像系统，其中，适于获取具有近场焦点的图像数据的多个扫描平面的所述波束成形器进一步适于利用所述可选择的孔径中的一个来获取所述多个扫描平面。
6.根据权利要求5所述的超声诊断成像系统，其中，适于获取具有远场焦点的图像数据的多个扫描平面的所述波束成形器进一步适于利用所述可选择的孔径中的另一个来获取所述多个扫描平面。
7.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所获取的具有近场焦点的图像数据的所述多个扫描平面包括比所获取的具有远场焦点的图像数据的扫描平面的数量更少的扫描平面。
8.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述扫描转换器进一步适于通过对接收到的像素值进行内插来处理所述图像数据，以产生用于显示的体素值。
9.根据权利要求8所述的超声诊断成像系统，其中，在体素值中心的预定距离内的像素值被一起平均。
10.根据权利要求8所述的超声诊断成像系统，其中，在体素值中心的预定距离内的像素值被以加权平均的方式一起平均，其中所述加权是像素与所述体素值中心相距的距离的函数。
11.根据权利要求10所述的超声诊断成像系统，其中，被一起平均的所述像素值位于以体素值中心为中心的预定体积内。
12.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述机械式超声探头进一步适于向所述波束成形器提供所述阵列换能器沿着仰角行进路径的位置的测量值。
13.根据权利要求12所述的超声诊断成像系统，其中，所述波束成形器响应于所述阵列换能器的沿着仰角行进路径的所述位置的测量值，以致动所述阵列换能器在所述仰角行进路径内的预定位置处扫描图像平面。
14.根据权利要求13所述的超声诊断成像系统，其中，所述仰角行进路径包括弧形路径；以及
其中，沿所述弧形行进路径具有近场焦点的图像数据的扫描平面的获取位置的间距是均匀间隔的；以及
其中，沿所述弧形行进路径具有远场焦点的图像数据的扫描平面的获取位置的间距是均匀间隔的；以及
其中，在为3D体积图像获取多个扫描平面所需的时间期间，获取具有远场焦点的图像数据的扫描平面的数量超过获取具有近场焦点的图像数据的扫描平面的数量。
15.根据权利要求2所述的超声诊断成像系统，其中，所获取的具有近场焦点的扫描平面的数量与所获取的具有远场焦点的扫描平面的数量之间的差距是弯曲的所述阵列换能器的曲率半径的函数。
16.一种3D超声成像的方法，所述方法利用：适于在仰角方向上的移动路径上移动阵列换能器的机械式超声探头；适于在沿着所述移动路径的不同时间和位置获取图像数据的扫描平面的波束成形器；适于处理所述图像数据以产生用于在3D图像中显示的体素值的扫描转换器；以及用于显示所述3D图像的显示器，所述方法包括：
借助所述波束成形器获取具有近场焦点的图像数据的多个扫描平面，近场聚焦的所述扫描平面在所述仰角方向上展现出满足在所述近场中的选定的空间采样标准的分离；以及
借助所述波束成形器获取具有远场焦点的图像数据的多个扫描平面，远场聚焦的所述扫描平面在所述仰角方向上展现出满足在所述远场中的所述选定的空间采样标准的分离。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，获取近场聚焦的所述扫描平面进一步包括获取在所述仰角方向上均匀分离的多个扫描平面；以及
其中，获取远场聚焦的所述扫描平面进一步包括获取在所述仰角方向上均匀分离的多个扫描平面。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，获取近场聚焦的所述扫描平面进一步包括获取具有近场焦点的多个扫描平面，具有近场焦点的所述多个扫描平面的数量少于所获取的具有远场焦点的扫描平面的数量。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述阵列换能器进一步包括弯曲的阵列换能器。
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