使用表觀點(diǎn)源傳送換能器的超聲成像的制作方法
【專利說明】
[0001 ] 通過引用并入
[0002] 在本說明書中提及的所有出版物和專利申請(qǐng)其整個(gè)內(nèi)容通過引用并入本文，其引 用的程度如同每個(gè)單獨(dú)出版物或?qū)＠暾?qǐng)被具體地和單獨(dú)地指示為通過引用并入一樣。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本申請(qǐng)一般設(shè)及超聲成像的領(lǐng)域，并且更具體地設(shè)及使用表觀點(diǎn)源傳送器的基于 ping的超聲成像。
【背景技術(shù)】
[0004] 在常規(guī)的基于掃描線的超聲成像中，所聚焦的超聲能量射束被傳送到待檢查的身 體組織中，并且沿著同一直線返回的回波被檢測(cè)到并且繪制W形成圖像沿著掃描線的一部 分。完整圖像可W通過重復(fù)該過程并且沿著掃描平面內(nèi)的一系列掃描線組合圖像部分來形 成。接連的掃描線之間的任何信息都必須通過插值進(jìn)行估計(jì)。
[0005] 相同過程已經(jīng)被擴(kuò)展到通過組合來自多個(gè)相鄰切片的圖像來獲得=維體積的超 聲圖像(其中，每個(gè)切片處于不同的掃描平面）。再次，來自處于接連的掃描平面之間的任何 空間的任何信息必須通過插值進(jìn)行估計(jì)。因?yàn)闀r(shí)間在捕獲完整2D切片之間流逝，所W可W 顯著削弱獲得運(yùn)動(dòng)對(duì)象的3D圖像數(shù)據(jù)。所謂的"4D"成像系統(tǒng)巧中，第四維度是時(shí)間）致力 于產(chǎn)生3D體積空間的運(yùn)動(dòng)圖像（即，視頻）。基于掃描線的成像系統(tǒng)還具有當(dāng)嘗試對(duì)移動(dòng)對(duì) 象進(jìn)行4D成像時(shí)帶來困難的固有的帖率限制。
[0006] 由于運(yùn)些因子和其它因子，所W現(xiàn)有的2D和3D超聲成像系統(tǒng)和方法的一些局限性 包括不良的時(shí)間和空間分辨率、成像深度、斑點(diǎn)噪聲、不良的橫向分辨率、所遮蔽的組織和 其它此類問題。
[0007] 已經(jīng)使用創(chuàng)建多孔徑成像對(duì)超聲成像領(lǐng)域進(jìn)行了顯著的改進(jìn)，其示例在上文所引 用的申請(qǐng)人的在先專利和申請(qǐng)中描述中得W示出并且描述。多孔徑成像方法和系統(tǒng)允許超 聲信號(hào)均從物理上和邏輯上分開的孔徑傳送和接收。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本文中的系統(tǒng)和方法的各種實(shí)施例提供W足W捕獲移動(dòng)對(duì)象的細(xì)節(jié)的帖率來執(zhí) 行高分辨率=維超聲成像的能力。傳統(tǒng)的基于掃描線的超聲成像方法由于需要傳送和接收 許多掃描線W獲得單個(gè)二維平面而局限于相對(duì)較慢的帖率。由于需要成像許多2D切片，所 W擴(kuò)展運(yùn)樣的技術(shù)W從完整3D體積獲得成像數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致甚至更慢的帖率。
[0009] 作為示例，假設(shè)一個(gè)人需要從深度為5cm至15cm的一側(cè)上的IOcm的組織立方體收 集數(shù)據(jù)。如果從公共中屯、傳送掃描線，則可能被研究的形狀可能是截棱錐，而不是近端和遠(yuǎn) 端區(qū)域的厚度相當(dāng)?shù)男螤?。組織可W用在立方體的遠(yuǎn)端面上相距2mm(或更?。┑纳涫M(jìn)行 采樣。為了覆蓋遠(yuǎn)端表面，至少需要50X50定向射束或2500定向脈沖。在最大脈沖速率(其 可能受到組織中的聲音速度、預(yù)期信號(hào)衰減和背景噪聲水平的限制)大約為2500脈沖/秒的 情況下，可W在大約一秒內(nèi)收集所有的所需數(shù)據(jù)。該收集時(shí)間可W足夠用于非移動(dòng)組織(諸 如骨、肝等），但并不足夠快W捕獲動(dòng)脈、器官(諸如腎臟并且特別是屯、臟）、或移動(dòng)關(guān)節(jié)或肌 肉中的運(yùn)動(dòng)。
[0010] 另一方面，使用基于Ping的成像，在S個(gè)維度上基本上均勻地傳播的單個(gè)Ping可 W聲穿透整個(gè)體積，并且動(dòng)態(tài)波束成形（聚焦）可W標(biāo)識(shí)回波返回的源。使用基于Ping的成 像技術(shù)，可能需要最少S個(gè)Ping來獲得用于3D體積的數(shù)據(jù)，同時(shí)可W需要最少兩個(gè)Ping來 獲得用于2D切片的數(shù)據(jù)。在實(shí)踐中，10至50(或更多)個(gè)Ping可W用來實(shí)現(xiàn)所期望的圖像質(zhì) 量。例如，W每秒2500個(gè)Ping的速率使用25個(gè)Ping可能只需要0.01秒來獲取用于10厘米的 整個(gè)組織立方體的所有數(shù)據(jù)。對(duì)于該具體示例中，數(shù)據(jù)收集可W比與基于掃描線的方法快 100 倍。
[0011] 使用基于Ping的超聲成像技術(shù)，2D和3D帖率都可W基本上增加W允許實(shí)時(shí)地對(duì)3D 體積進(jìn)行成像。更進(jìn)一步地，通過應(yīng)用多個(gè)孔徑成像技術(shù)(例如，通過多個(gè)在空間上或物理 上分開的聲學(xué)窗口傳送和接收超聲信號(hào)），運(yùn)樣的實(shí)時(shí)3D圖像的分辨率可W相對(duì)于單孔徑 技術(shù)被極大地提高。
[0012] W下公開內(nèi)容提供了表觀點(diǎn)源換能器、W及用于使用運(yùn)樣的表觀點(diǎn)源換能器執(zhí)行 高帖率高分辨率實(shí)時(shí)2D、3D和所謂的4D超聲成像的系統(tǒng)和方法的各種實(shí)施例。
[0013] 在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種使用超聲能量對(duì)對(duì)象進(jìn)行成像的方法，該方法包括 W下步驟:將未聚焦超聲信號(hào)從包括被成形為具有球形中屯、點(diǎn)的球形截面的壓電材料殼體 的表觀點(diǎn)源傳送換能器傳送到目標(biāo)介質(zhì)中，使用與表觀點(diǎn)源傳送換能器不同的全向接收元 件接收由目標(biāo)介質(zhì)中的反射器反射的回波，通過W下來確定目標(biāo)介質(zhì)內(nèi)的反射器的位置： 獲得描述表觀點(diǎn)源傳送換能器的球形中屯、點(diǎn)的位置和接收元件的位置的元件位置數(shù)據(jù)、計(jì) 算總路徑距離作為球形中屯、點(diǎn)和反射器之間的第一距離W及反射器和接收元件之間的第 二距離的總和、W及確定反射器可能所在的可能點(diǎn)的軌跡，并且產(chǎn)生反射器的圖像。
[0014] 在一些實(shí)施例中，接收元件包括被成形為具有第二球形中屯、點(diǎn)的球形截面的壓電 材料殼體，并且其中，接收元件的位置是第二球形中屯、點(diǎn)的位置。
[0015] 在另一實(shí)施例中，接收元件的位置位于接收元件的表面上。
[0016] 在一個(gè)實(shí)施例中，該方法還包括:使用公共接收孔徑中的多個(gè)接收元件來重復(fù)所 述接收、確定和產(chǎn)生步驟。
[0017] 在一個(gè)實(shí)施例中，該方法還包括:使用多個(gè)接收孔徑的元件來重復(fù)所述接收、確定 和產(chǎn)生。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施例中，該方法還包括:使用單獨(dú)的第二表觀點(diǎn)源傳送換能器來重復(fù)所 述傳送步驟。
[0019] 在一些實(shí)施例中，表觀點(diǎn)源傳送換能器和接收元件之間的直線距離大于用于預(yù)期 成像應(yīng)用的最大相干孔徑長(zhǎng)度。
[0020] 在其它實(shí)施例中，計(jì)算總路徑距離包括:加上表示從表觀點(diǎn)源傳送換能器的凸起 的傳送換能器表面到球形中屯、點(diǎn)的距離的表觀路徑段。
[0021] 在一些實(shí)施例中，計(jì)算總路徑距離包括:減去表示從表觀點(diǎn)源傳送換能器的凹進(jìn) 的傳送換能器表面到球形中屯、點(diǎn)的距離的表觀路徑段。
[0022] 在備選實(shí)施例中，接收元件具有圓形形狀。
[0023] 還提供一種超聲成像系統(tǒng)，其包括被成形為具有球形中屯、點(diǎn)的球形截面的第一表 觀點(diǎn)源傳送換能器，該第一表觀點(diǎn)源傳送換能器被配置成將=維半球形脈沖傳送到待成像 的目標(biāo)對(duì)象中；第一多個(gè)接收換能器元件，其被配置成接收=維半球形脈沖的回波;第二多 個(gè)接收換能器元件，其被配置成接收=維半球形脈沖的回波;控制器，其被配置成控制=維 半球形脈沖的傳送，并且基于表觀點(diǎn)源傳送換能器的球形中屯、點(diǎn)的已知位置、第一和第二 多個(gè)接收換能器元件的元件的已知位置、=維半球形脈沖被傳送的時(shí)間、W及回波被接收 的時(shí)間來確定對(duì)象內(nèi)的反射器的位置。
[0024] 在一些實(shí)施例中，第一表觀點(diǎn)源傳送換能器相對(duì)于目標(biāo)對(duì)象是凸起的。
[0025] 在一個(gè)實(shí)施例中，第一表觀點(diǎn)源傳送換能器相對(duì)于目標(biāo)對(duì)象是凹進(jìn)的。
[0026] 在備選實(shí)施例中，第一表觀點(diǎn)源傳送換能器被成形為大于半個(gè)球體的球形截面。
[0027] 在一些實(shí)施例中，第一表觀點(diǎn)源傳送換能器被成形為小于半個(gè)球體的球形截面。 [00%]在一個(gè)實(shí)施例中，第一表觀點(diǎn)源傳送換能器被成形為等于半個(gè)球體的球形截面。
[0029] 在一些實(shí)施例中，第一表觀點(diǎn)源傳送換能器的球面半徑介于0.2mm和IOmm之間。
[0030] 在一個(gè)實(shí)施例中，第一表觀點(diǎn)源傳送換能器被配置成傳送第一頻率范圍內(nèi)的超聲 信號(hào)。
[0031] 在其它實(shí)施例中，第一表觀點(diǎn)源傳送換能器包括具有恒定厚度的壓電材料殼體。
[0032] 在一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括具有球面半徑并且被配置成傳送第二頻率范圍內(nèi) 的超聲信號(hào)的第二表觀點(diǎn)源傳送換能器，第二頻率范圍與第一頻率范圍不同。
[0033] 在一些實(shí)施例中，表觀點(diǎn)源傳送換能器包括由連續(xù)壓電材料制成的具有恒定厚度 的殼體。
[0034] 在另一實(shí)施例中，表觀點(diǎn)源傳送換能器包括由分段的壓電材料制成的具有恒定厚 度的殼體。
[0035] 在一些實(shí)施例中，表觀點(diǎn)源傳送換能器包括被布置成球形形狀的多個(gè)段，其中，所 有段被配置成同時(shí)傳送超聲信號(hào)。
[0036] 在一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括包含描述表觀點(diǎn)源傳送換能器的球形中屯、點(diǎn)相對(duì) 于第一多個(gè)接收換能器元件的至少一個(gè)元件的位置的數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器。
[0037] 在一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器，該計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器包含表 示等于第一表觀點(diǎn)源傳送換能器的表面到球形中屯、點(diǎn)的距離的表觀路徑段的調(diào)整因子。
[0038] 在另一實(shí)施例中，第一多個(gè)接收元件和第二多個(gè)接收元件中的每個(gè)接收元件具有 圓形形狀。
[0039] 超聲探頭包括:表觀點(diǎn)源傳送換能器，其包括被成形為具有恒定的壁厚和球形中 屯、點(diǎn)的球形截面的壓電材料殼體;和接收陣列，其包括多個(gè)全向接收換能器元件，該接收陣 列的總孔徑大于用于預(yù)期成像應(yīng)用的相干寬度。
[0040] 在一些實(shí)施例中，多個(gè)接收換能器元件被分組成單獨(dú)陣列。
[0041 ]在另一實(shí)施例中，多個(gè)接收換能器元件都包含在連續(xù)陣列中。
[0042] 在一些實(shí)施例中，接收元件具有圓柱形形狀。
[0043] 在附加實(shí)施例中，接收元件具有球形截面形狀。
[0044] 在備選實(shí)施例中，超聲探頭的大小被設(shè)置和配置為用于插入到體空腔或體腔中。
[0045] 在一個(gè)實(shí)施例中，超聲探頭的大小被設(shè)置為用來覆蓋大約人類患者的胸部的一 半。
[0046] 在一些實(shí)施例中，總孔徑是用于預(yù)期成像應(yīng)用的相干寬度的至少兩倍。
[0047] 在其它實(shí)施例中，總孔徑是用于預(yù)期成像應(yīng)用的相干寬度的至少=倍。
[004引在一個(gè)實(shí)施例中，探頭包括寬度約為8cm至IOcm的換能器元件陣列。
[0049] 提供了一種表觀點(diǎn)源超聲換能器元件，其包括:被成形為具有恒定的壁厚和球形 中屯、點(diǎn)、凸起表面和凹進(jìn)表面的球形截面的壓電材料殼體；圍繞并且結(jié)合到殼體的凸起表 面的聲學(xué)阻尼材料;W及延伸穿過聲學(xué)阻尼材料并且連接到殼體的凸起表面的電引線。
[0050] 在一個(gè)實(shí)施例中，該元件還包括填充并且結(jié)合到殼體的凹進(jìn)表面的聲學(xué)匹配材 料。
[0051] 在一些實(shí)施例中，殼體具有被成形為大于半個(gè)球體的球形截面的傳送表面。
[0052] 在其它實(shí)施例中，殼體具有被成形為小于半個(gè)球體的球形截面的傳送表面。
[0053] 在附加實(shí)施例中，殼體具有被成形為等于半個(gè)球體的球形截面的傳送表面。
[0054] 在一些實(shí)施例中，殼體由包括壓電陶瓷和聚合物的復(fù)合材料制成。
[0055] 在其它實(shí)施例中，殼體包括錯(cuò)鐵酸鉛(PZT)。
[0056] 在一個(gè)實(shí)施例中，殼體具有至少3平方毫米的傳送表面面積。
[0057] 在另一實(shí)施例中，殼體具有至少5平方毫米的傳送表面面積。
[0058] 在一個(gè)實(shí)施例中，殼體具有至少10平方毫米的傳送表面面積。
[0059] 還提供了一種表觀點(diǎn)源超聲換能器元件，其包括:被成形為具有恒定的壁厚和球 形中屯、點(diǎn)、凸起表面和凹進(jìn)表面的球形截面的壓電材料殼體;填充并且結(jié)合到殼體的凹進(jìn) 表面的聲學(xué)阻尼材料;W及延伸穿過聲學(xué)阻尼材料并且連接到殼體的凹進(jìn)表面的電引線。
[0060] 在一個(gè)實(shí)施例中，該元件還包括結(jié)合到殼體的凸起表面的聲學(xué)匹配材料。
[0061] 在一些實(shí)施例中，殼體具有成形為大于半個(gè)球體的球形截面的傳送表面。
[0062] 在另一個(gè)實(shí)施例中，殼體具有成形為小于半個(gè)球體的球形截面的傳送表面。
[0063] 在一個(gè)實(shí)施例中，殼體具有被成形為等于半個(gè)球體的球形截面的傳送表面。
[0064] 在備選實(shí)施例中，殼體由包括壓電陶瓷和聚合物的復(fù)合材料制成。
[0065] 在一些實(shí)施例中，殼體包含錯(cuò)鐵酸鉛(PZT)。
[0066] 在其它實(shí)施例中，殼體具有至少3平方毫米的傳送表面面積。
[0067] 在一個(gè)實(shí)施例中，殼體具有至少5平方毫米的傳送表面面積。
[0068] 在另一實(shí)施例中，殼體具有至少10平方毫米的傳送表面面積。
【附圖說明】
[0069] 本發(fā)明的新穎特征在所附的權(quán)利要求中進(jìn)行具體地闡述。參照闡述其中利用本發(fā) 明的原理的說明性實(shí)施例和附圖的W下【具體實(shí)施方式】來獲得對(duì)本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)的更 好的理解，其中：
[0070] 圖1是凸起的表觀點(diǎn)源傳送換能器元件的一個(gè)實(shí)施例的透視圖。
[0071 ]圖2A是半球形換能器形狀的二維(2D)橫截面圖示。
[0072] 圖2B是被成形為小于半個(gè)球體的球形蓋的換能器的二維橫截面圖示。
[0073] 圖2C是被成形為大于半個(gè)球體的球形蓋的換能器的二維橫截面圖示。
[0074] 圖3A是由剪切高程為零和因此半球形凸起的換能器表面是完美的表觀點(diǎn)源超聲 換能器產(chǎn)生的=維(3D)波形的二維橫截面圖示。
[0075] 圖3B是由剪切高程為球面半徑的60%和因此凸起的換能器表面的形狀小于半個(gè) 球體的表觀點(diǎn)源超聲換能器產(chǎn)生的=維波形的二維橫截面圖示。
[0076] 圖3C是由剪切高程為球面半徑的98%和因此凸起的換能器表面的形狀為球體的 非常小的一部分的表觀點(diǎn)源超聲換能器產(chǎn)生的=維波形的二維橫截面圖示。
[0077] 圖3D是由剪切高程為球面半徑的-60%和因此凸起的換能器表面的形狀大于半個(gè) 球體的表觀點(diǎn)源超聲換能器產(chǎn)生的=維波形的二維橫截面圖示。
[0078] 圖4是凹進(jìn)的表觀點(diǎn)源傳送換能器元件的一個(gè)實(shí)施例的透視圖。
[0079] 圖5是圖示了待形成為球形蓋的平面壓電材料板的剪切線的實(shí)施例的平面圖。
[0080] 圖6是被配置成用于執(zhí)行基于二維Ping的多孔徑成像并且包括表觀點(diǎn)源傳送換能 器的超聲探頭的實(shí)施例的正視圖。
[0081] 圖7是被配置成用于執(zhí)行基于S維Ping的多孔徑成像并且包括表觀點(diǎn)源傳送換能 器的超聲探頭的實(shí)施例的正視圖。
[0082] 圖8是被配置成用于執(zhí)行基于3D Ping的多孔徑成像并且包括多個(gè)表觀點(diǎn)源傳送 換能器和多個(gè)接收器陣列的超聲探頭的實(shí)施例的透視圖。
[0083] 圖9是被配置成用于執(zhí)行基于3D Ping的多孔徑成像并且包括具有多個(gè)集成表觀 點(diǎn)源傳送換能器的連續(xù)換能器元件陣列的超聲探頭的實(shí)施例的透視圖。
[0084] 圖10是攜帶表觀點(diǎn)源傳送換能器和接收陣列的靜脈內(nèi)超聲成像探頭的實(shí)施例的 透視圖示。
[0085] 圖IOA是攜帶表觀點(diǎn)源傳送換能器和接收陣列的靜脈內(nèi)超聲成像探頭的備選實(shí)施 例的剖視圖。
[0086] 圖IOB是圖示了攜帶凸起的表觀點(diǎn)源傳送換能器的靜脈內(nèi)或尿道內(nèi)超聲僅傳送探 頭的實(shí)施例的圖。
[0087] 圖11是攜帶凹進(jìn)的表觀點(diǎn)源傳送換能器和接收陣列的靜脈內(nèi)超聲成像探頭的備 選實(shí)施例的剖視圖。
[0088] 圖IlA是攜帶凸起的表觀點(diǎn)源傳送換能器和接收陣列的靜脈內(nèi)超聲成像探頭的備 選實(shí)施例的剖視圖。
[0089] 圖12是圖示了包括多個(gè)表觀點(diǎn)源傳送元件和待成像的目標(biāo)對(duì)象的連續(xù)換能器陣 列的實(shí)施例的示意性透視圖。
[0090] 圖13是被配置成用于傳送基本上受限于單個(gè)成像平面的超聲信號(hào)的表觀源換能 器的示意性圖示。
[0091] 圖14是圖示了多孔徑成像系統(tǒng)的實(shí)施例的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0092] 參照附圖對(duì)各種實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。對(duì)具體示例和實(shí)現(xiàn)方式的引用出于說明性 目的，并不旨在限制本發(fā)明或權(quán)利要求