CN1452940A - 超声波成像设备 - Google Patents

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Abstract

为了容易地察觉由后处理生成的图像的成像方向，本发明的设备包括：使用超声波收发器基于超声波来获取待成像的被测对象相关的三维图像数据的数据获取装置(33－40)；基于相对于手动操作的手用仪器的空间信息来指定一模拟成像方向的指定装置(33、37)；和基于三维图像数据产生一与沿所述模拟成像方向获取的图像相对应的图像的图像产生装置(44、46)。

Description

超声波成像设备
技术领域
本发明涉及一种超声波成像设备，尤其涉及一种用于获取三维图像的超声波成像设备。
背景技术
超声波成像设备通过超声波束来扫描待成像的被测对象的内部；接收回波；产生与回波强度对应的图像数据；并基于图像数据产生通常称为B模式的图像。当三维图像获取时，以三维方式进行通过超声波的扫描以便获取三维图像数据。该通过超声波的扫描有时称为声传输线扫描。
通过在图像获取之后对三维图像数据使用适当的处理，产生一可沿任意方向观看的三维图像。或者，可产生任意截面的断层图像。这种处理有时称为后处理。
由后处理产生的图像相当于沿与实际成像方向不同的方向而获取的图像。通过额外地使用这种图像，可更有效地作出诊断。
当通过后处理产生相当于沿与实际成像方向不同的方向而获取的图像时，诊断医生必须察觉出成像方向与被测对象之间的空间关系。然而，因为从诊断医生来看所有的图像以相同的取向来显示，所以从显示出的图像难以察觉该空间关系。
发明内容
因此本发明的一目的在于提供一种超声波成像设备，其使得可容易地察觉由后处理产生的图像的成像方向。
用于解决上述问题的本发明是一种超声波成像设备，其特征在于，该设备包括：使用超声波收发器基于超声波来获取待成像的被测对象相关的三维图像数据的数据获取装置；基于相对于手动操作的手用仪器的空间信息来指定一模拟成像方向的指定装置；和基于所述三维图像数据产生一与沿所述模拟成像方向获取的图像相对应的图像的图像产生装置。
根据本发明，模拟成像方向由指定装置基于相对于手动操作的手用仪器的位置信息来指定，并且一与沿模拟的成像方向获取的图像相对应的图像由图像产生装置基于所述三维图像数据来产生，因此使用者可从该使用者自己操作的手用仪器的空间位置和取向容易地察觉该成像方向。
优选的是，该指定装置具有用于检测手用仪器的三维位置和姿态的检测装置，以便基于空间信息适当地实现该模拟的成像方向的指定。
使用磁性作用来进行该检测的检测装置是优选的，其中三维坐标系基于该磁场强度来获得。
具有磁性传感器的手用仪器是优选的，其中磁场强度被检测出。
使用光来进行该检测的检测装置是优选的，其中三维坐标系通过光学方式来获得。
具有发光器的手用仪器是优选的，其中有助于进行光检测。
使用加速度来进行该检测的检测装置是优选的，其中三维坐标系基于运动定律来获得。
具有加速度传感器的手用仪器是优选的，其中手用仪器的加速度被检测。
基于联接到手用仪器上的铰接臂中的接头角度来进行该检测的检测装置是优选的，其中三维坐标系基于机械装置来获得。
其中用于检测手用仪器的三维位置和姿态的基准位置可由手用仪器的使用者来设定的检测装置是优选的，其中有助于进行模拟成像方向的指定。
兼作为超声波收发器的手用仪器是优选的，其中避免了不适感。
手用仪器为专用的方向指示器是优选的，其中有助于区分实际成像。
数据获取装置具有用于以电子方式进行三维声传输线扫描的扫描装置是优选的，其中以高速获得三维图像数据。
数据获取装置具有用于进行电子扫描和机械扫描组合的三维声传输线扫描的扫描装置是优选的，其中以较佳的空间分辨率来获得三维图像数据。
图像为三维图像是优选的，其中呈现出三维结构。
图像为断层图像是优选的，其中呈现出二维结构。
因此，本发明提供了一种超声波成像设备，其使得可容易地察觉由后处理产生的图像的成像方向。
本发明的进一步的目的和优点通过参照附图并结合本发明的优选实施例是显而易见的。
附图说明
图1示意地示出了依据本发明的一个实施例的设备的结构。
图2是依据本发明的一个实施例的设备的框图。
图3是超声波变换器阵列的示意图。
图4是声传输线扫描总体概念图。
图5是图像处理部的框图。
图6是依据本发明的一个实施例的设备的框图。
图7是超声波变换器阵列的示意图。
图8是声传输线的概念图。
图9是声传输线的概念图。
图10是声传输线的概念图。
图11是依据本发明的一个实施例的设备的操作的流程图。
图12示出了三维区。
图13示出了三维区。
图14示出了三维区。
图15示出了三维区。
图16示出了三维区。
图17示出了三维区。
图18示意地示出了依据本发明的一个实施例的设备的结构。
图19示意地示出了依据本发明的一个实施例的设备的结构。
图20示意地示出了依据本发明的一个实施例的设备的结构。
具体实施方式
以下将结合附图详细描述本发明的实施例。应当注意，本发明不限于这些实施例。图1示出了超声波成像设备的示意图。该设备是本发明的实施形式。该设备的构形代表了依据本发明的设备的实施形式。
如图1所示，该设备包括成像部主体31和超声波探头33。该超声波探头33经电缆35连接到成像部主体31。通过使用者将超声波探头33抵靠被测对象7的表面而使用该超声波探头33。被测对象7放置在支撑板5上。
由成像部主体31经电缆35供给的驱动信号来驱动该超声波探头33，以通过超声波束扫描被测对象的内部，并且该超声波探头33接收该超声波的回波并将被接收的回波的信号经电缆输入到成像部主体31中。该成像部主体31基于该接收的回波信号产生图像，并在显示器上显示出来。
超声波探头33包括位置传感器37。该位置传感器37检测超声波探头33的三维位置和姿态。基于例如由磁场发生器39产生的磁场来检测该三维位置和姿态。该位置传感器37使用磁性传感器而制成。磁场发生器39设置在适当的位置处，例如设置在支撑板5上。
因为由磁场发生器39产生的磁场对于三维空间中的每一点而言强度和方向是变化的，所以可通过由位置传感器37检测该变化的磁场来检测出超声波探头33的三维位置和姿态。该位置传感器37是本发明的检测装置的一实施形式。被检测出的信号经电缆35输入成像部主体31。
图2示出了本发明设备的框图。超声波探头33连接到发送/接收部36上。该发送/接收部36向超声波探头33供给一驱动信号以发送超声波。发送/接收部36还接收由超声波探头33接收到的回波信号。
超声波探头33具有如图3所示的超声波变换器阵列300。该超声波变换器阵列300是二维阵列，并且包括例如形成32×32正方形矩阵的1024个超声波振荡器302。然而，该二维矩阵不限于正方形矩阵，并且可以是例如32×16的各向异性的矩阵。超声波振荡器302由压电材料制成，该材料例如PZT(铅锆酸钛酸盐[Pb-Zr-Ti])陶瓷。超声波探头33是本发明的超声波收发器的一实施形式。
发送/接收部36进行如图4所示的扫描。具体地说，通过由沿角度θ方向和沿角度φ方向的超声波束303(声传输线)来扫描一锥形的成像区域，该发送/接收部36进行了三维扫描，该锥形在超声波变换器阵列300中心处具有其的顶点。超声波束303的长度方向定义为z方向。θ方向和φ方向彼此垂直。
这种三维扫描有时称为锥体扫描(pyramidal scan)。该锥体扫描通过构成发送/接收部36的电子电路的操作来进行。这种扫描有时称为电子扫描。该电子扫描可实现以高速进行的声传输线扫描。包括超声波探头33和发送/接收部36的一部分是本发明的扫描装置的一实施形式。
发送/接收部36连接到B模式处理部40。对于从该发送/接收部36输出的每一声传输线，回波接收信号被输入到该B模式处理部40中。B模式处理部40产生B模式图像数据。具体地说，B模式处理部40对数地放大该回波接收信号，并检测其包络线以获得表示在声传输线上的每一反射点处的回波强度的信号，以及使用该信号在每一时刻的振幅作为亮度从而产生B模式图像数据。包括超声波探头33、发送/接收部36和B模式处理部40的一部分是本发明的数据获取装置的一实施形式。
B模式处理部40连接到图像处理部44。该图像处理部44基于从B模式处理部40提供的数据产生B模式图像。
如图5所示，图像处理部44包括中央处理单元(CPU)140。该CPU140经总线142与主存储器144，外存储器146、控制部接口148、输入数据存储器152、数字扫描转换器(DSC)154、图像存储器156和显示存储器158相连。
外存储器146存储了由CPU140执行的程序。其还存储了用于在执行该程序中由CPU140使用的几种类型的数据。
通过将程序从外存储器146装载到主存储器144以便执行，CPU140进行预定的图像处理。在程序执行过程中，CPU140经由控制部接口148与以下将描述的控制部48进行控制信号通信。
对于每一声传输线，由B模式处理部40供给的B模式图像数据存储在输入数据存储器152中。在输入数据存储器152中的数据在数字扫描转换器(DSC)154处进行扫描转换并被存储到图像存储器156中。在图像存储器156中的数据经由显示部46输出到显示存储器158中。
图像处理部44与显示部46相连。该显示部46被供给了来自图像处理部44的图像信号，并基于该图像信号显示出图像。显示部46包括图像显示器或类似的显示器，其使用了能够显示彩色图像的CRT(阴极射线管)。包括图像处理部44与显示部46的一部分是本发明的图像产生装置的一实施形式。
发送/接收部36、B模式处理部40、图像处理部44、和显示部46与控制部48相连。该控制部48包括例如计算机。
控制部48向这些部供给控制信号，以控制它们的操作。控制部48被供给了来自这些被控制部的几种类型的告知信号。在该控制部48的控制下，执行B模式操作。
控制部48还被供给了位置传感器37的被检测的信号。控制部48基于该被检测的信号识别出超声波探头33的的三维位置和姿态。
控制部48与操作部50相连。操作部50由使用者来操作，并且其向控制部48输出了适当的指令和信息。操作部50包括例如键盘、指针装置、和其它操作装置。
图6示出了本发明的设备的另一方框图。在图6中，与图2中的部件的相似的部件用相似的附图标记来表示，并省略了对其的解释。在该设备中，超声波探头33’具有如图7所示的超声波变换器阵列300’。该超声波变换器阵列300’是一维阵列并包括例如128个超声波振荡器302。
超声波探头33’连接到发送/接收部36’上。该发送/接收部36’向超声波探头33’供给一驱动信号以发送超声波。发送/接收部36还接收由超声波探头33’接收到的回波信号。
发送/接收部36’进行如图8所示的扫描。具体地说，通过沿z方向从发射点200延伸的声传输线202，扇形的二维区域206沿θ方向被扫描，并且进行了通常被称为扇形扫描的扫描。该扇形扫描是电子扫描。
当使用发送和接收孔作为超声波变换器阵列的使用部分形成时，如图9所示的扫描通过沿该阵列顺序地移动该孔而进行。具体地说，矩形的二维区域206通过沿线性轨迹204平移一声传输线202从而沿x方向被扫描，该声传输线从发射点200沿z方向延伸，并且进行了通常被称为线性扫描的扫描。该线性扫描也是电子扫描。
当该超声波变换器阵列是通常称为凸形阵列的阵列时，其中该凸形阵列沿着在超声波方向上突出的圆弧形成，如图10所示，通过类似于用于线性扫描的声传输线的声传输线，从而沿θ方向来扫描部分的扇形二维区域206，其中该声传输线具有沿圆弧形轨迹204移动的声传输线202的发射点200，并且进行了通常被称为凸形扫描的扫描。该凸形扫描也是电子扫描。
通过连续地改变超声波探头33’的位置或倾斜度以在二维区域206上进行这种电子扫描，这样可扫描三维区。该电子扫描有时称为主扫描，而超声波探头33’的位置或倾斜度的改变有时称为副扫描。副扫描通过联接到超声波探头33’上的副扫描机构42来进行。该副扫描可通过使用者的手动扫描来进行。
通过进行了由电子扫描的主扫描与副扫描机构42或手动操作的副扫描组合的声传输线扫描，提高了声传输线扫描的空间分辨率。
包括超声波探头33’、发送/接收部36’、和副扫描机构42的一部分是本发明的扫描装置的一实施形式。包括超声波探头33’、发送/接收部36’、副扫描机构42、和B模式处理部40的一部分是本发明的数据获取装置的一实施形式。
现将描述本发明的设备的操作。图11示出了本发明设备的操作的流程图。如图所示，在步骤902进行三维扫描。该三维扫描通过电子扫描或电子主扫描和机械副扫描的组合来进行。副扫描可以是手动扫描。
三维扫描提供了三维图像数据。该三维图像数据存储在图像存储器156中。三维图像数据是代表如图12所示的一个三维区310的内部结构的图像数据。
在三维区310中三个相互正交的方向由x、y和z表示。例如在超声波探头33(或33’)中超声波振荡器302的对准中，x方向和y方向分别对应于一个方向和另一个方向。z方向是进入身体的深度方向。其也是实际成像的方向。
以下将描述采用超声波探头33’的情况。这与采用超声波探头33的情况相同。在超声波探头33’中，超声波变换器阵列是一维的。在超声波变换器阵列的端面中超声波振荡器的对准方向定义成x方向，而与其垂直的方向定义成y方向。沿x方向的扫描由主扫描进行。沿y方向的扫描由副扫描进行。
当主扫描是线性扫描时，整个三维区310被扫描。当主扫描时扇形扫描时，如图13所示的三棱镜形的区域是实际扫描区域。当主扫描是凸形扫描时，实际扫描区域是如图14所示的梯形棱镜形状。此外，当通过超声波探头33进行锥体扫描时，该实际扫描区域是如图15所示的锥体。
接着，在步骤904进行图像产生。该图像基于三维图像数据而产生。这样就生成了一个三维图像。当沿例如y方向观看时，该三维图像作为三维区310的图像而生成。这种三维图像作为可视图像在步骤906显示出来。
接着，在步骤908中，进行基准位置设定。基准位置设定是确定用于下一步将进行方向指定的空间基准的操作。该基准位置设定通过来自使用者的命令来启动。
使用者以如下方式设定基准位置，例如：使用者将超声波探头33’带离被测对象7，以将其保持在手中，并转向使其直接面对本发明的设备。随后，使用者垂直地保持超声波探头33’，以便超声波发射端面朝下，并在该状态下向控制部48发出用于基准位置设定的命令。例如通过按压在操作部50上的预定按钮来发出该命令。控制部48根据该命令作为响应，以便将在该时刻的超声波探头33’的三维位置作为基准位置来存储。
该设定的基准位置被确定作为如图16所示的新的三维区310’的基准位置。三维区310’与图12所示的三维区310相对应。在三维区310’中三个相互正交的方向由x’、y’和z’表示。它们分别与在三维区310中的三个相互正交的方向x、y和z相对应。如果三维区310的尺寸是例如10cm×10cm×10cm，则三维区310’的尺寸相应地为10cm×10cm×10cm。
接着，在步骤910，进行方向指定。该方向意味着由后处理产生图像的成像方向。然而，成像实际上不沿该方向进行，并且该成像方向是模拟的方向。在下文中该方向有时被简单地称为成像方向。
该方向指定通过使用者使用超声波探头33’来实现。使用者操作超声波探头33’仿佛该使用者正在进行超声波成像操作。然而超声波没有被发送出或被接收。此外，该操作不针对被测对象7而是针对三维区310’。
示例性的方向指定由图17示出。如图所示，使用者使超声波探头33’处于水平姿态，并垂直地使其作用到在三维区310’的y’-z’平面中的所需位置。在该时刻，使用者基于基准位置在空间中想象出三维区310’。随后，该使用者垂直地将超声波探头33’作用到在该三维区310’的y’-z’平面中的所需位置。
因为基准位置由使用者自己来设定，所以容易在空间中想象出三维区310’，并且容易垂直地将超声波探头33’作用到在该三维区310’的y’-z’平面中的所需位置。这样，x’方向被指定成在该三维区310’的y’-z’平面中的所需位置处的成像方向。超声波探头33’是本发明的指定装置的一实施形式。
接着，在步骤912进行图像产生。该图像由在控制部48控制下的图像处理部44产生。具体地说，该控制部48识别基于超声波探头33’的三维位置和姿态指定的成像方向，并指示该图像处理部44以产生一与沿该指定方向获取的图像相应的图像。该图像处理部44从三维图像数据中产生该定向的图像。
产生的图像是截面312的断层图像，例如，如点划线所示。截面312表示超声波探头33’的主扫描平面。如果使用超声波探头33，截面312表示φ＝0处的θ扫描平面。将产生的图像不限于断层图像，而可以是三维图像。由使用者借助操作部50来选择将产生的图像是断层图像或是三维图像。在步骤914，显示出该图像。显示出的图像例如作为沿z’方向观看的图像显示出来。
使用者观察这样的显示出来的图像。该图像表示使用者实际操作超声波探头33’模拟地获取的图像。因此，使用者可清晰地察觉该成像方向。
这样，使用者具有有关显示图像的清晰空间感知。通过用这样的空间感知来观察图像，从而有助于正确的诊断。
如果成像方向被改变，该处理过程根据步骤916的决定而返回步骤910。随后，通过在步骤910和上述步骤的操作，沿新的方向来进行相似的模拟成像，并且显示出由模拟成像生成的图像。
根据超声波探头33’相对于三维区310’的作用，该成像方向可由使用者自由地指定。因此，可显示出沿x’、y’和z’方向中的任一个方向获取的图像。
该方向不限于这三个方向，并且可显示出沿任意选择的倾向方向获取的图像。这使得可显示出沿着在实际成像中不可能的方向而获取的图像。因为图像的成像方向由使用者的姿势来指定，该使用者可以以清晰的空间感知来观看任何的图像。
其后，可在三维区310’由超声波探头33’沿不同方向进行类似的模拟成像，并且观察每一次显示出的图像进行诊断。
由此通过超声波探头来指定成像方向，该方向指定通过姿势模拟超声波成像来实现。这使得可由使用者以没有不适感的方式来进行方向指定。
可使用适当的专用的方向指示器来代替超声波探头来进行成像方向的指定。该专用的方向指示器具有例如模拟超声波探头33’的形状。通过使用这种方向指示器，有助于区分出实际成像。在这种情况下，位置传感器37设置在该方向指示器上。
可使用光代替磁性作用来进行超声波探头或方向指示器的三维位置和姿态的检测。这种情况的示意图由图18示出。
如图18所示，超声波探头33(或33’或方向指示器；这应用于以下情况)设置有发光器47，并且发出的光由例如设置在天花板上的光点检测部49来检测。光点检测部49具有多个可检测光入射方向的光接收部，并且该光点检测部49基于来自该光接收部的检测信号通过三角测量原理确定出该光点的三维位置。
该光点的三维位置代表超声波探头33的三维位置。通过以预定几何关系来设置多个发光器47，可从该光点的三维位置关系确定出超声波探头33的姿态。由此所确定的数值被输入到成像部主体31中。
可使用加速度来进行来进行超声波探头或方向指示器的三维位置和姿态的检测。这种情况的示意图由图19示出。
如图所示，超声波探头33设置有加速度传感器57。该加速度传感器57检测出沿三个方向的加速度。检测信号经电缆35被输入到成像部主体31中。在成像部主体31中，预定的计算电路例如控制部48基于加速度的检测信号计算出超声波探头33的三维位置和姿态。基于加速度的位置由积分计算来计算出。
可使用一用于支撑超声波探头33的机构来进行来进行超声波探头或方向指示器的三维位置和姿态的检测。这种情况的示意图由图20示出。
如图20所示，超声波探头33由铰接臂67来支撑。在铰接臂67中的每一接头具有角度传感器。由角度传感器检测的信号被输入到成像部主体31中。在成像部主体31中，预定的计算电路基于角度的检测信号计算出超声波探头33的三维位置和姿态。
尽管本发明参照优选实施例进行了描述，在本发明的相关技术领域内的普通技术人员在不脱离本发明的范围的情况下可对这些实施例作出不同的改变或进行替代。因此，本发明的范围不仅包括以上所述的实施例，还包括落入后附权利要求的范围内的等效形式。

Claims (16)

1.一种超声波成像设备，其包括：
使用超声波收发器基于超声波来获取待成像的被测对象相关的三维图像数据的数据获取装置；
基于相对于手动操作的手用仪器的空间信息来指定一模拟成像方向的指定装置；和
基于所述三维图像数据产生一与沿所述模拟成像方向获取的图像相对应的图像的图像产生装置。
2.如权利要求1所述的超声波成像设备，其特征在于，所述指定装置具有用于检测所述手用仪器的三维位置和姿态的检测装置。
3.如权利要求1所述的超声波成像设备，其特征在于，所述检测装置使用磁性作用来进行该检测。
4.如权利要求1所述的超声波成像设备，其特征在于，所述手用仪器具有磁性传感器。
5.如权利要求1所述的超声波成像设备，其特征在于，所述检测装置使用光来进行该检测。
6.如权利要求1所述的超声波成像设备，其特征在于，所述手用仪器具有发光器。
7.如权利要求1所述的超声波成像设备，其特征在于，所述检测装置使用加速度来进行该检测。
8.如权利要求1所述的超声波成像设备，其特征在于，所述手用仪器具有加速度传感器。
9.如权利要求1所述的超声波成像设备，其特征在于，所述检测装置基于联接到所述手用仪器上的铰接臂中的接头角度来进行该检测。
10.如权利要求1所述的超声波成像设备，其特征在于，所述检测装置、用于检测所述手用仪器的三维位置和姿态的基准位置可由所述手用仪器的使用者来设定。
11.如权利要求1所述的超声波成像设备，其特征在于，所述手用仪器兼作为所述超声波收发器。
12.如权利要求1所述的超声波成像设备，其特征在于，所述手用仪器是专用的方向指示器。
13.如权利要求1所述的超声波成像设备，其特征在于，所述数据获取装置具有用于以电子方式进行三维声传输线扫描的扫描装置。
14.如权利要求1所述的超声波成像设备，其特征在于，所述数据获取装置具有用于进行电子扫描和机械扫描组合的三维声传输线扫描的扫描装置。
15.如权利要求1所述的超声波成像设备，其特征在于，所述图像是三维图像。
16.如权利要求1所述的超声波成像设备，其特征在于，所述图像是断层图像。
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