專利名稱：高頻、高幀率超聲波成像系統(tǒng)的制作方法
相關(guān)申請交互引用本申請要求以下申請的優(yōu)先權(quán)和利益2002年10月10日提出申請的、標(biāo)題為“RMV SCANHEAD SYSTEM(RMV掃描頭系統(tǒng))”、(代理人卷號NO.14157PRO)的美國臨時申請NO.60/417,164；2003年5月9日提出申請的、標(biāo)題為“SCAN HEAD FOR ULTRASOUNDIMAGING SYSTEM(用于超聲波成像系統(tǒng)的掃描頭)”、(代理人卷號NO.T00518-0005-USP2(190304-327786))的美國臨時申請NO.60/468,958；2003年5月9日提出申請的、標(biāo)題為“REMOVABLEACOUSTIC WINDOW(可拆卸式聲窗)”、(代理人卷號NO.T00518-0014-PROV-US(190304-326186))的美國臨時申請NO.60/468,956；以及2003年5月14日提出申請的、標(biāo)題為“METHODAND APPRATUS FOR OBTAINING AN ULTRASOUND IMAGE(用于獲取超聲波圖像的方法和裝置)”、(代理人卷號NO.T00518-0011-USP1(190304-325200))的美國臨時申請NO.60/470,234，所有這些專利申請?jiān)谶@里通過引用的方式納入本文件中。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)70年代末80年代初發(fā)展起來的、用于對人體組織成像的掃描頭仍然可用于許多超聲波成像應(yīng)用中。位于掃描頭內(nèi)的換能器包括由壓電材料組成的圓盤，圓盤被電激勵時以一定的頻率振動，該頻率通常被選擇介于2MHz到10MHz之間。在這些頻率下，換能器的振動能量是有方向性的，并且自一個薄圓盤的兩面以合理的確定射束輻射。一般而言，自換能器背面輻射的能量被適合的材料吸收，而自換能器前面輻射的能量通過一種具有低損耗特征的、能發(fā)射超聲波能量的流體耦合到患者。該能量通過薄的、低損耗罩射出，進(jìn)一步借助施用于患者皮膚的透聲(sonolucent)凝膠被耦合到患者。由超聲波能量與身體組織的相互作用引起的回波以相同的路徑逆路線傳播，并且當(dāng)這些回波到達(dá)換能器時它們產(chǎn)生一個電信號，該電信號的強(qiáng)度是患者體內(nèi)目標(biāo)的回音強(qiáng)度(echogenicity)和該目標(biāo)在患者皮膚下面的深度的函數(shù)。在深度上的位置根據(jù)發(fā)射脈沖與接收回波之間的時間間隔來確定。掃描頭利用該信息以及連接到換能器的位置編碼器所提供的指向信息來生成位于患者體內(nèi)掃描平面中的組織的灰度色標(biāo)圖像，該圖像在換能器每次掃描圖像平面時被更新和修正。換能器的兩次掃描構(gòu)成一個工作周期，該工作周期稱作1Hz，相當(dāng)于2幀每秒。
二維超聲波圖像(也稱作B超)由大量鄰近的、被稱為A型掃描的超聲波數(shù)據(jù)線組成，通過換能器的連續(xù)掃描自掃描頭獲得。當(dāng)換能器發(fā)射超聲波脈沖到正被研究的組織中、然后接收由該組織沿著該換能器的射束軸反射的超聲波信號時，獲得超聲波數(shù)據(jù)線。超聲波數(shù)據(jù)線位于同一平面內(nèi)，并通常以恒定的間隔隔開。每根數(shù)據(jù)線通過在該平面內(nèi)按已知的增量距離橫向移動超聲波射束軸來獲得。超聲波圖像可以具有線性格式或扇形格式，在線性格式中線條互相平行且等距，在扇形格式中線之間的夾角相等并自一個頂點(diǎn)輻射。為了產(chǎn)生線性格式的圖像，換能器被橫向移動而不改變換能器與它所沿著移動的線之間的角度。為了產(chǎn)生扇形格式的圖像，換能器被安裝到一個工作夾具中，該夾具圍繞一個頂點(diǎn)轉(zhuǎn)動使換能器在一段弧上移動。當(dāng)換能器移動時，掃描平面內(nèi)的位置被跟蹤以便相關(guān)聯(lián)的超聲波系統(tǒng)能在顯示圖像內(nèi)的正確位置顯示超聲波線數(shù)據(jù)。
早期的臨床診斷超聲波系統(tǒng)利用搖擺掃描頭來產(chǎn)生扇形格式的圖像。這些系統(tǒng)利用2至5MHz范圍內(nèi)的低頻超聲波。搖擺掃描頭通常由位于充滿流體的腔內(nèi)的換能器、馬達(dá)、位置編碼器和超聲波所通過的聲窗組成。馬達(dá)驅(qū)動機(jī)構(gòu)經(jīng)常經(jīng)由一段弧移動換能器來產(chǎn)生扇形掃描型圖像格式，同時位置編碼器跟蹤換能器位置。充滿流體的腔的一個壁面作為聲窗，它面向正被成像的組織，通常由硬的塑性材料制成。該窗口允許超聲波以極小的衰減通過。另外，一般而言，有一個不通過該窗口的反射超聲波。這個波在消散之前能在換能器與該窗口之間來回反響幾次。到達(dá)換能器的回響分量能在超聲波圖像中引起非期望的贗像。該反射波的大小由窗口所使用的材料與換能器腔中的流體之間的聲阻抗不匹配程度決定。衰減量由窗口材料決定，在超聲波能量通過該窗口時產(chǎn)生。窗口處的衰減和反射都是不期望的。
在80年代，這些機(jī)械掃描換能器開始被由多個窄的壓電元件組成的固態(tài)器件代替，其中壓電元件被順序激勵時可用來建立圖像。這些“線性陣列”掃描頭與機(jī)械掃描頭是同時發(fā)展起來的，但提供的圖像質(zhì)量較差。在整個80年代到90年代期間，進(jìn)一步的工作促成了“相控陣列”掃描頭的發(fā)展，“相控陣列”掃描頭能以允許電子射束控制方向和聚焦的方式來激勵元件組，這總體上產(chǎn)生比任何機(jī)械掃描頭好的、幀率為60幀每秒的圖像?，F(xiàn)在，相控陣列被廣泛用于人體組織的超聲波成像中。然而，一種利用工作在5MHz的頻率下的換能器的典型相控陣列系統(tǒng)可以具有0.5mm的空間分辨率。
具有較高工作頻率的一個缺點(diǎn)是隨著工作頻率增加，制造困難使得建立相控陣列型成像系統(tǒng)具有一定難度。因此，目前的工作在30-40MHz范圍內(nèi)的系統(tǒng)一般使用機(jī)械掃描單元件換能器，該系統(tǒng)就掃描頭而言在工作原理上與上述機(jī)械掃描系統(tǒng)類似。但是，高頻通常導(dǎo)致高衰減，從而由聲窗引起的衰減顯著增加。因此，目前的高頻換能器利用非封裝換能器，非封裝換能器與線性伺服馬達(dá)和位置編碼器系統(tǒng)一起來回運(yùn)動。在更高頻率(高于30MHz)，由于材料的理論性能和特性隨著頻率增加而下降，所以換能器封裝是不切實(shí)際的。
對高頻換能器，因?yàn)椴荒苓M(jìn)行封裝，所以移動的換能器是暴露在外的。到正被成像組織的聲耦合通過在該組織表面形成一團(tuán)超聲波凝膠來實(shí)現(xiàn)，移動的換能器被放入凝膠中。好的成像依賴于換能器與組織之間存在的連續(xù)凝膠層。如果換能器與凝膠失去聯(lián)系，或者如果在換能器表面形成空氣泡，成像將受到損害或者甚至是不可能的。因?yàn)檠杆僖苿拥膿Q能器會破壞凝膠層并很可能脫離接觸，所以這種類型的成像被限制在較低的幀率。暴露的換能器的其它缺點(diǎn)在于，它們可能對脆弱的組織造成危險(xiǎn)，并且可能使換能器容易受到因碰撞造成的可能的損壞。
機(jī)械超聲波掃描頭的另一個缺點(diǎn)是利用動磁式馬達(dá)。動磁類型吸引人的地方在于，由于驅(qū)動線圈是固定的且永久磁鐵被固定在移動部件或轉(zhuǎn)子上，所以不需要軟導(dǎo)線為驅(qū)動線圈供電。此外，電磁型馬達(dá)效率低。通常的機(jī)械掃描頭消耗高達(dá)3瓦特的電功率，這些功率轉(zhuǎn)化成熱，而熱必須通過掃描頭殼體的塑料壁來散逸。因?yàn)闅んw一般是熱的弱導(dǎo)體，所以掃描頭的內(nèi)部溫度會升高，這使材料隨著時間的推移而退化，改變器件的聲性能，甚至?xí)箤ο蟾杏X不舒適。電磁馬達(dá)效率低的另一個原因是在力求使振蕩質(zhì)量小的過程中，移動磁體必須相對較小。為了獲得一定的扭矩，馬達(dá)電流相應(yīng)地要高，這引起高的I^2R損耗。這些損耗大約按照掃描率的平方增加。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實(shí)施例中，高頻、高幀率超聲波成像系統(tǒng)包括一個掃描頭和一個處理器，掃描頭具有能以至少20兆赫茲(MHz)的頻率產(chǎn)生超聲波能量的換能器，處理器用于接收超聲波能量和以至少15幀每秒(fps)的幀率產(chǎn)生超聲波圖像。
還提供了有關(guān)的操作方法。對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，通過對以下附圖和詳述的分析，該高頻、高幀率超聲波成像系統(tǒng)的其它系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)將是明顯的或者將會變得明顯。目的在于，所有這樣的附加系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)包含在該說明書中，包含在高頻、高幀率超聲波成像系統(tǒng)的范圍以內(nèi)，并通過附加權(quán)利要求得到保護(hù)。
附圖簡述參照以下附圖將能更好地理解該高頻、高幀率超聲波成像系統(tǒng)。圖中的元件沒有必要按比例繪制，而是要將重點(diǎn)放在清楚地說明該高頻、高幀率超聲波成像系統(tǒng)的原理上。此外，在圖中，相同的參考標(biāo)號表示所有不同視圖中的對應(yīng)部分。


圖1A是掃描頭系統(tǒng)的一個實(shí)施例的圖解。
圖1B是說明圖1A的超聲波成像系統(tǒng)的框圖。
圖2是圖1中系統(tǒng)的掃描頭的透視圖。
圖3A是圖2的掃描頭的側(cè)視圖。
圖3B是圖2的掃描頭的俯視圖。
圖4是圖3B中掃描頭沿A-A線的剖視圖。
圖5是說明圖3A、3B和4中掃描頭的詳細(xì)示意圖。
圖6提供了圖4中掃描頭的其它細(xì)節(jié)。
圖7提供了圖3A中掃描頭的其它細(xì)節(jié)。
圖8示范了樞軸管6的交替運(yùn)動。
圖9是圖1A中系統(tǒng)的掃描頭的另一實(shí)施例圖解。
圖10是圖9中掃描頭的縱向橫截面。
圖11是圖9的掃描頭中的電樞部件的透視圖。
圖12是圖9中掃描頭的一部分的透視圖。
圖13是圖9中掃描頭的釋放部件的分解圖。
圖14是圖13的快速釋放部件的裝配圖。
圖15是圖9中掃描頭的一個密封件的透視圖。
圖16是圖9中掃描頭在測試結(jié)構(gòu)中的透視圖。
圖17A是圖9的掃描頭的鏡輪的透視圖。
圖17B是同一個可選護(hù)套一起示出的圖17中鏡輪的透視圖。
圖18是在分離位置的圖17的鏡輪的另一視圖。
圖19A是圖17的側(cè)視圖。
圖19B是圖19A的細(xì)節(jié)視圖。
圖20是圖17的橫截面。
圖21是圖17的剖視圖。
圖22是圖17的鏡輪的端視圖。
圖23是圖17的聲窗的端視圖。
圖24是描述顯示器上的圖像的屏幕抓圖。
圖25是說明高頻、高幀率超聲波成像系統(tǒng)的一個方面的操作的流程圖。
詳細(xì)描述參照圖1A，超聲波掃描系統(tǒng)100具有一個電子電路102，電子線路102用于發(fā)射一連串超聲波脈沖104給探頭或掃描頭106和從探頭或掃描頭106接收一連串超聲波脈沖104。掃描頭106可以放在對象108上面以記錄掃描平面112的圖像數(shù)據(jù)110，從而將目標(biāo)114的橫截面顯示在顯示器116上。目標(biāo)114，例如，可以是一個諸如小鼠(mouse)、大鼠(rat)或另外的研究對象之類的小動物的器官?？梢赃M(jìn)行成像的器官的例子包括但不限于肺、心臟、腦、腎、肝或在對象體內(nèi)流動的血液。另外，超聲波成像系統(tǒng)可以用來對瘤的狀態(tài)成像。電路102具有用于產(chǎn)生脈沖104的發(fā)射子系統(tǒng)118，和用于接收對應(yīng)的回波脈沖104的接收子系統(tǒng)120，回波脈沖104被送至計(jì)算機(jī)122中供處理并最終顯示為圖像掃描數(shù)據(jù)110。掃描頭106在126連接到電路102。掃描頭106具有換能器部件124，換能器部件124具有隔膜125并連同力矩馬達(dá)130一起連接到位置編碼器128。編碼器128和馬達(dá)130監(jiān)視掃描頭106內(nèi)換能器部件124的位置。相應(yīng)的位置數(shù)據(jù)132隨著代表圖像數(shù)據(jù)110的脈沖104被傳送給計(jì)算機(jī)122。掃描頭106可以用作封裝實(shí)時探頭，用于以諸如，但不限于，高于20MHz并且包括25MHz、30MHz、35MHz、40MHz、45MHz、50MHz、55MHz、60MHz以及更高頻率的高頻率記錄和顯示實(shí)時獲得的圖像數(shù)據(jù)110。另外，還預(yù)期遠(yuǎn)大于上面提到的那些頻率的換能器工作頻率。
再參照圖1A，系統(tǒng)100還包括系統(tǒng)處理器134。處理器134連接到顯示器或監(jiān)視器116和諸如鍵盤、鼠標(biāo)或其它合適設(shè)備之類的人機(jī)接口136。如果監(jiān)視器116是觸敏型的，則監(jiān)視器116可以用作人機(jī)接口136的輸入元件。計(jì)算機(jī)可讀儲存媒介138連接到處理器134，用于提供指令給處理器134以指示和/或配置監(jiān)視器116的操作，從而在監(jiān)視器116上記錄和顯示數(shù)據(jù)110和132。計(jì)算機(jī)可讀媒介138可以包括硬件和/或軟件，僅舉例，如磁盤、磁帶、諸如CD-ROM之類的光可讀媒介以及諸如PCMCIA卡之類的半導(dǎo)體存儲器等。在所有情況下，媒介138可以采用諸如小磁盤、軟盤、磁帶之類的便攜式產(chǎn)品的形式，或者它可以采用諸如硬盤驅(qū)動器、固態(tài)存儲器卡或連接到處理器134的RAM之類的較大的或固定的產(chǎn)品的形式。應(yīng)該注意到，上面列舉的媒介138的例子可以單獨(dú)使用或結(jié)合使用。
圖1B是說明圖1A中的超聲波成像系統(tǒng)100的框圖。系統(tǒng)100對對象114進(jìn)行操作。超聲波探頭106可以放在接近對象114的位置以獲取圖像信息。
超聲波系統(tǒng)131包括控制子系統(tǒng)127、掃描轉(zhuǎn)換器129、發(fā)射子系統(tǒng)118、接收子系統(tǒng)120和用戶輸入設(shè)備136。處理器134連接到控制子系統(tǒng)127，顯示器116連接到處理器134。存儲器121連接到處理器134。存儲器121可以是任何類型的計(jì)算機(jī)存儲器，并且一般被稱為隨機(jī)存儲器“RAM”，高頻、高幀率超聲波成像系統(tǒng)的軟件123在存儲器121中執(zhí)行。
高頻、高幀率超聲波成像系統(tǒng)可以利用硬件與軟件的組合來實(shí)現(xiàn)。高頻、高幀率超聲波成像系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)可以包括以下技術(shù)中的任何一種或一個組合分立電子元件、具有用于對數(shù)據(jù)信號執(zhí)行邏輯功能的邏輯門的分立邏輯電路、具有合適的邏輯門的專用集成電路、可編程門陣列(PGA)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)等，它們都是本領(lǐng)域的公知技術(shù)。
高頻、高幀率超聲波成像系統(tǒng)的軟件包括用于實(shí)現(xiàn)邏輯功能的可執(zhí)行指令的順序清單，它可以被包含在任何計(jì)算機(jī)可讀媒介中供通過或連同，諸如基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)、包含處理器的系統(tǒng)或者可以從指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設(shè)備取指令并執(zhí)行指令的其它系統(tǒng)之類的，指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設(shè)備來使用。
在該文件的上下文中，“計(jì)算機(jī)可讀媒介”可以是任何能容納、存儲、通訊、傳播或傳輸程序的裝置，其中程序通過或連同指令執(zhí)行系統(tǒng)、裝置或設(shè)備來使用。計(jì)算機(jī)可讀媒介可以是，例如，但不限于電子或磁或光或電磁或紅外或半導(dǎo)體系統(tǒng)、裝置、設(shè)備或者傳播媒介。計(jì)算機(jī)可讀媒介的更特定的例子(非窮舉)包括下列各項(xiàng)具有一個或多個線路的電連接機(jī)構(gòu)(電子)、便攜式計(jì)算機(jī)磁盤(磁)、隨機(jī)存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、可擦可編程只讀存儲器(EPROM或閃存)(磁)、光纖(光)和便攜式只讀光碟存儲器(CDROM)(光)。應(yīng)該注意的是，由于程序能用電子方式捕捉，例如，通過對紙張或另外的媒介進(jìn)行光掃描，然后被編譯、解釋或者如果必要可以以合適的方式另外進(jìn)行處理，然后被存儲在計(jì)算機(jī)存儲器中，所以計(jì)算機(jī)可讀媒介甚至可以是紙張或別的可以在上面印刷程序的合適媒介。
存儲器121還包括由超聲波系統(tǒng)100獲取的圖像數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)可讀存儲媒介138連接到處理器，用于提供指令給處理器以指示和/或配置處理器，進(jìn)而執(zhí)行與超聲波系統(tǒng)131的操作有關(guān)的步驟或算法，下面將進(jìn)一步解釋。計(jì)算機(jī)可讀媒介138可以包括硬件和/或軟件，僅舉例，如磁盤、磁帶、諸如CD-ROM之類的光可讀媒介以及諸如PCMCIA卡之類的半導(dǎo)體存儲器等。在所有情況下，該媒介可以采用諸如小磁盤、軟盤、磁帶之類的便攜式產(chǎn)品的形式，或者它可以采用諸如硬盤驅(qū)動器、固態(tài)存儲器卡或支持系統(tǒng)中提供的RAM之類的較大的或固定的產(chǎn)品的形式。應(yīng)該注意的是，上面列舉的該媒介的例子可以單獨(dú)使用或結(jié)合使用。
超聲波系統(tǒng)131包括控制子系統(tǒng)127，以控制超聲波系統(tǒng)131中各種元件的操作?？刂谱酉到y(tǒng)127和相關(guān)的元件可以是用于指示通用處理器的軟件或者是硬件實(shí)現(xiàn)中的專用電子設(shè)備。超聲波系統(tǒng)131包括掃描轉(zhuǎn)換器129，轉(zhuǎn)換器用于將由接收的超聲波回波生成的電信號轉(zhuǎn)換成可以由處理器134操作、并能被轉(zhuǎn)化成顯示器116上的圖像的數(shù)據(jù)?？刂谱酉到y(tǒng)127連接到發(fā)射子系統(tǒng)118以提供超聲波發(fā)射信號給超聲波探頭106。超聲波探頭106又提供超聲波接收信號給接收子系統(tǒng)120。接收子系統(tǒng)120也提供代表接收信號的信號給掃描轉(zhuǎn)換器129。接收子系統(tǒng)120還連接到控制子系統(tǒng)127。掃描轉(zhuǎn)換器32由控制子系統(tǒng)127控制以對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作進(jìn)而利用圖像數(shù)據(jù)110再現(xiàn)供顯示的圖像。
超聲波系統(tǒng)131經(jīng)由超聲波探頭106發(fā)射和接收超聲波數(shù)據(jù)，提供接口給用戶以控制成像系統(tǒng)100的工作參數(shù)，并處理適于表達(dá)表征解剖學(xué)和/或生理學(xué)的靜止和移動圖像的數(shù)據(jù)。圖像通過接口顯示器116呈現(xiàn)給用戶。
超聲波系統(tǒng)131的人機(jī)接口136獲取來自用戶的輸入，并轉(zhuǎn)化該輸入以控制超聲波探頭106的操作。人機(jī)接口136還通過顯示器116將經(jīng)處理的圖像和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶。
參照圖2，掃描頭106的框架140由兩個側(cè)板1a和1b組成，它們的近端安裝在位置編碼器128上，遠(yuǎn)端安裝到樞軸架3上。位置編碼器128可以是，例如，一個諸如Renishaw RGB25之類的光編碼器。鼻輪20可以以可釋放的方式安裝到掃描頭106的遠(yuǎn)端。側(cè)板1a和1b提供了一個外殼以允許用掃描頭106進(jìn)行手持掃描和固定掃描。此外，該外殼為電纜142提供了進(jìn)/出掃描頭106的應(yīng)變減小入口/出口點(diǎn)。外殼可以包括一個射頻(RF)屏蔽元件。
參照圖3A、3B、4和5，一對球軸承4位于樞軸架3中以定位轉(zhuǎn)子部件5，其允許換能器部件124自由地在樞軸上來回轉(zhuǎn)動通過約20度的角。轉(zhuǎn)子部件5包括連接到軛7的樞軸管6。通過樞軸軸承4的螺釘將它們固定到軛7。部件124的換能器8連接到樞軸管6的遠(yuǎn)端，它的同軸信號電纜8a延伸穿過樞軸管6，并伸出穿過一個狹槽6a，被固定到電路102的電路板23(見圖1A)上。在轉(zhuǎn)子部件5的近端，輕質(zhì)而高強(qiáng)度的葉片9支撐轉(zhuǎn)子線圈10a和10b、編碼器代碼軌道12和霍爾傳感器磁體13。柔性同軸電纜14從轉(zhuǎn)子部件5通向?qū)χ鴵Q能器同軸電纜8a的側(cè)。這些電纜都被布置成當(dāng)換能器部件124在掃描頭106內(nèi)往返振蕩時，它們可以自由彎曲而不約束或接觸其他結(jié)構(gòu)。塑膠外殼31和31a整體安裝。組裝時，裝配螺母32固定在兩個外殼半部31與31a之間。裝配螺母32具有螺紋孔，若有必要，可以通過該螺紋孔將掃描頭106固定在支撐臂(未示出)上。
再參照圖3A、3B和4，鼻輪20充滿聲耦合流體15。掃描頭106的遠(yuǎn)端通過聲窗125密封，聲窗包括聲透明塑膠膜，這將在下面作進(jìn)一步詳細(xì)描述。O形環(huán)17在鼻輪20與樞軸架3的鼻狀物18之間建立一個密封。橡膠密封橫膈膜19位于鼻狀物18和樞軸架3之間，形成一個流體緊密密封。另一流體緊密密封建立在該密封橫膈膜和樞軸管6之間，這是因?yàn)槊芊鈾M隔膜19中用于樞軸管6的孔比樞軸管6小，從而在裝配過程中，當(dāng)密封橫膈膜19被放在樞軸管6上時建立一個緊密密封。在運(yùn)行過程中，密封橫膈膜19彎曲以允許樞軸管6來回振蕩，同時保持它們之間的流體密封。為了減小密封橫膈膜19的彎曲角度，它大致在樞軸管6的樞軸點(diǎn)處與樞軸管6接觸。軛7跨在這個點(diǎn)上以越過密封橫膈膜19。一個包括，例如卡接式鎖定機(jī)構(gòu)的鎖板34位于緊靠鼻輪20的后面的位置。當(dāng)鼻輪20被放在鼻狀物18上時，兩個螺釘34a的頭部通過鎖板34中的孔。在一個方向上約10度的扭動使螺釘34a的柄在鎖板34的短曲槽中行進(jìn)，如所示限制螺桿34a的頭部并將鼻輪20鎖定在掃描頭樞軸架3上。應(yīng)該注意的是，通過將這一動作簡單地顛倒就可以將鼻輪20拆除。注入口35可以用來在最開始將鼻輪20中的空腔15充滿聲流體以及周期性地訪問腔15以消除任何可能出現(xiàn)的泡沫。
再參照圖3A、3B和4，換能器部件124固定在樞軸管6的遠(yuǎn)端，形成一個流體緊密密封。當(dāng)運(yùn)動時，換能器8的末端面與聲窗125保持一個固定的距離(例如在0.5mm到1mm之間，但并不限于此范圍)。同軸電纜8a，用于傳送信號給換能器8并傳送來自換能器8的信號，沿著樞軸管6的中心向前，在樞軸附近的狹槽6a伸出，從而將同軸電纜8a的運(yùn)動減到最小。在運(yùn)行過程中，同軸電纜8a的松弛長度吸收相對運(yùn)動，該松弛長度位于狹槽6a和同軸電纜8a在近端的終點(diǎn)，即小印刷線路板(PWB)23之間。為此，同軸電纜8a和同軸電纜14被構(gòu)造成具有長的彎曲壽命。例如，電纜8a和14可以利用小直徑(約1mm)的優(yōu)良導(dǎo)體制造，從而提高柔韌性。PWB23包含用于放大來自換能器8的信號的前置放大器，并充當(dāng)來自兩個霍耳傳感器13的信號線、電源線和地線的終端。PWB23還接收通過電纜蓋33進(jìn)入掃描頭106的線21、以及編碼器電纜25a。
參考圖3A、3B和圖4，還在圖6中用數(shù)字10聯(lián)合示出的轉(zhuǎn)子繞組10a和10b、編碼器代碼軌道12和霍耳傳感器激勵磁體13都固定在樞軸管6的近端。中間支撐結(jié)構(gòu)27用夾在如(0.1mm)的薄環(huán)氧-玻璃板之間的剛性聚乙烯泡沫塑料組成，形成輕質(zhì)但剛性的型芯以支撐轉(zhuǎn)子繞組24，尤其是編碼器代碼軌道12。
參照圖3B和圖4，支撐鐵板2和2a固定在側(cè)板1a和1b的內(nèi)面。場磁體28和28a分別焊接到支撐鐵板2和2a上。場磁體28和28a通過垂直于它們的相對面的變薄(tbin)方向被磁化。每個磁體28和28a都有4個磁極；每一面的一半是北極，另一半是南極。轉(zhuǎn)子部件5在兩個磁體28和28a之間的縫隙中往返運(yùn)動。磁體28的南極隔著縫隙與磁體28a的北極相對。磁體28的北極與磁體28a的南極相對。兩個相對的磁體28和28a之間有兩個極間空隙，它們以相反的方向被極化。轉(zhuǎn)子線圈10的一部分10a被限制在一個極間空隙范圍內(nèi)振蕩，另一部分10b在另一個極間空隙內(nèi)振蕩。
參照圖5，所示意的是包含轉(zhuǎn)子部件5的掃描頭106的分解圖。
參照圖6，力矩馬達(dá)130在一個有限角內(nèi)，即約10-14度，往返轉(zhuǎn)動樞軸上的管或支撐臂6。換能器部件124連接到支撐臂6的一端，位置編碼器代碼軌道12連接在支撐臂6的另一端。部件124的換能器8被對準(zhǔn)使得聚焦的超聲波射束朝向沿著樞軸管6的縱軸并且遠(yuǎn)離樞軸點(diǎn)的方向。殼體和鼻輪20包圍力矩馬達(dá)130、位置編碼器128和換能器8使得換能器8位于鼻輪部件20內(nèi)。鼻輪部件20可以充滿水(或別的適于傳導(dǎo)超聲波的介質(zhì))；由于密封件19的存在，力矩馬達(dá)130和位置編碼器128是干燥的。樞軸管6穿過柔性密封件19，從而使樞軸管6能往返運(yùn)動。聲窗125可放在鼻輪20的末端。
用于掃描頭106中的位置編碼器128可以是，例如一個分辨率為1微米(μm)的光編碼器。位置編碼器128與一個在這里被稱為編碼器代碼軌道12的網(wǎng)狀磁帶條一起協(xié)同工作。當(dāng)編碼器代碼軌道12上的一段標(biāo)線(reticule)通過一個與位置編碼器128相關(guān)聯(lián)的光傳感器時，位置編碼器128利用該光傳感器對標(biāo)線計(jì)數(shù)。該傳感器可以檢測樞軸管6的近端150的兩個運(yùn)行方向，并跟蹤樞軸管6的遠(yuǎn)端152的運(yùn)行位置，跟蹤精度在1微米內(nèi)。
再參考圖6，編碼器代碼軌道12可以連接到掃描頭106的樞軸管6的尾部，與樞軸管6的樞軸點(diǎn)154保持一個已知的徑向距離。編碼器代碼軌道12被裝配到具有一個半徑的精確曲面，以致編碼器代碼軌道12處處與樞軸管6所描繪出的弦(chord)相切。當(dāng)樞軸管6在樞軸上轉(zhuǎn)動時，編碼器代碼軌道12在位置編碼器128中的光傳感器之下往返通過。結(jié)果是樞軸管6的遠(yuǎn)端152在以其為半徑固定了編碼器代碼軌道12的半徑上的位置的數(shù)字化信息。該位置信息可以用來確定位于樞軸管6另一端的、離樞軸點(diǎn)相同的徑向距離的換能器8的位置。如果需要，還可以使用所測量的近端150和遠(yuǎn)端152到樞軸點(diǎn)154的不同距離。位置編碼器128和樞軸管6的近端150之間的光耦合可以減少位置編碼器128和電路102所產(chǎn)生的電子噪音自換能器8的發(fā)射。
換能器8可以是一個具有大于30MHz的頻率的高頻率單元件聚焦壓電超聲波換能器，該頻率可以在40兆赫茲左右。在電路102(見圖1A和圖1B)的操作的發(fā)射階段，換能器8接收RF電脈沖104作為輸入，并產(chǎn)生超聲波聲脈沖104作為輸出。在接收階段，執(zhí)行相反的過程以致?lián)Q能器8的輸入是超聲波聲脈沖104，脈沖104由換能器8轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)110所代表的射頻電信號。用于掃描頭106中的換能器8可以是一個以這種方式制造的寬帶換能器8，即保證與腔15內(nèi)的聲介質(zhì)具有良好的聲匹配。
樞軸管6可以是一個超輕重量的不銹鋼管，由軸承部件4以這種方式固定以致它圍繞其中點(diǎn)154在樞軸上轉(zhuǎn)動。換能器8與樞軸管6的一端連接，同時編碼器代碼軌道12與樞軸管6的另一端連接。樞軸管6包含位于軸承部件4和編碼器代碼軌道12之間的力矩馬達(dá)130的線圈，因而構(gòu)成了力矩馬達(dá)130的一個完整部分。由管形材料制成的樞軸管6還充當(dāng)換能器同軸電纜8a的管道。
參照圖7，樞軸軸承4包含一對球軸承和一個離軸或偏置夾具146，夾具146夾持樞軸管6。偏置夾具146允許樞軸管6的樞軸點(diǎn)始終是電纜8a的路線可到達(dá)的，并提供到樞軸管6的機(jī)械連接和去連接。軸承4可由精密軸承和精確機(jī)加工的元件構(gòu)成，以保證圍繞樞軸點(diǎn)154進(jìn)行高度可重復(fù)的單軸旋轉(zhuǎn)。偏置夾具146一端連接到樞軸管6，另一端用銷釘148以可轉(zhuǎn)動的方式固定在樞軸點(diǎn)154。
柔性密封件19安裝在樞軸管6的中點(diǎn)和卡入包括鎖板34和兩個螺釘34a的快速釋放部件的鼻輪20的尾部。密封件19可由彈性體膜制成，該彈性體膜被扣緊以在樞軸管6和鼻輪20之間形成流體緊密密封。密封件19將充滿流體的鼻輪20與外殼中保持干燥的其余部分隔開。
兩個霍耳傳感器13被放在掃描頭106的外殼中，以便它們檢測樞軸管6通過它們各個傳感器13的行程。傳感器13被這樣放置以使它們在力矩馬達(dá)130的最大安全行程產(chǎn)生一個信號。限位開關(guān)13也關(guān)于樞軸點(diǎn)154對稱放置，以便它們可以用來讓系統(tǒng)回到零偏轉(zhuǎn)位置、初始(homed)位置或者正常位置。
鼻輪20中的空腔15可充滿流體。鼻輪20提供一個安裝結(jié)構(gòu)，聲窗125可以連接到此安裝結(jié)構(gòu)。鼻輪20的特征是將一個排出/注入螺孔用作注入孔35，通過該注入孔可以向腔15內(nèi)添加流體或從腔15中移走流體。鼻輪20可以包括一個卡接式快速釋放部件，該部件允許鼻輪20被快速拆卸或更換而不需要工具并且同時保證流體緊密密封。
聲窗125包括一個由與腔15內(nèi)的流體聲匹配良好的材料制成的薄的隔膜。聲窗125被放在這樣一個位置以致它在換能器的整個行程范圍(例如0.5mm到1mm)內(nèi)始終保持接近并垂直于換能器8的表面?？梢曰谝阎恼w聲特性來最初選擇或否決用來形成聲窗的材料?？梢赃x擇表現(xiàn)出在1.3到1.7兆雷耳(MRayl)范圍內(nèi)，例如1.5兆雷耳的聲阻抗的膜。諸如膜的連接方式之類的機(jī)械約束影響聲阻抗和用作聲窗125的總體適當(dāng)性。可以用來制造聲窗的材料包括厚度從大約0.9μm到4.5μm范圍內(nèi)的聚酯膜；厚度為5μm、10μm、15μm和25μm的聚四氟乙烯(PTFE)；厚度為15μm、25μm和50μm的低密度聚乙烯(LDPE)；厚度為2μm的聚碳酸酯；厚度為4μm的聚丙烯；厚度為60μm的乳膠彈性體和厚度為25μm的硅氧烷彈性體，在多種配置下對材料進(jìn)行試驗(yàn)，其中配置包括將超聲波射束到形成聲窗125的膜的入射角從90度變到110度。換能器頻率為30-40MHz時，使用這些材料和厚度。當(dāng)頻率增加時可能用更薄的膜。此外，可以改變封裝耦合流體以改善與聲窗125的隔膜的聲匹配。例如，可以用1，2-亞乙基二醇、三甘醇、水、輕石蠟油和各種乙二醇水溶液。作為耦合流體的水和25μm厚的LDPE膜可用作聲窗125的隔膜。另外，提供用5μm厚或者15μm厚的PTFE組成的聲窗125。此外，還可以提供硅氧烷彈性體作為組成聲窗125的隔膜。聲窗125在鼻輪20和掃描頭106的外部環(huán)境之間保持一個流體緊密密封。因此，同高頻超聲波換能器8一起使用的聲窗125是薄的，并可以由具有與腔15內(nèi)流體的聲抗阻十分接近的聲阻抗的材料組成。
電子電路102為掃描頭106提供一個低噪聲RF前置放大器和一個專利高保真度保護(hù)電路。該電子電路102保護(hù)接收子系統(tǒng)120內(nèi)的敏感接收裝置不受用來驅(qū)動換能器8的高能量脈沖104影響。低噪聲前置放大器以最小限度的失真來增大換能器8的信號。
再參照圖3A、3B和圖4，在掃描頭106的運(yùn)行過程中，當(dāng)通過同軸電纜14將直流(DC)電壓信號施加到轉(zhuǎn)子線圈10時，由轉(zhuǎn)子線圈部分10a與轉(zhuǎn)子線圈部分10b中的電流產(chǎn)生的洛倫茲力在相同的方向上起作用，從而使轉(zhuǎn)子部件5圍繞樞軸軸承4順時針旋轉(zhuǎn)或者逆時針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)方向取決于所施加電壓的極性。當(dāng)啟動掃描頭106時，一個直流電壓信號被施加到轉(zhuǎn)子線圈10以驅(qū)動轉(zhuǎn)子部件5向其運(yùn)動范圍的一端運(yùn)動。在轉(zhuǎn)子部件5到達(dá)行程的該端之前，霍耳傳感器13觸發(fā)兩個霍耳傳感器磁體26和26a中的一個，每個行程端的一個霍耳傳感器磁體固定在側(cè)板1a和1b上?？刂谱酉到y(tǒng)127通過將提供給轉(zhuǎn)子的電壓極性反向來進(jìn)行響應(yīng)，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子部件5向相反的方向運(yùn)動直至另一個霍耳傳感器13被觸發(fā)。這期間位置編碼器128始終讀取編碼器代碼軌道12的信息并確定換能器8關(guān)于霍耳傳感器13所指示的兩個行程端沖程的位置?，F(xiàn)在控制系統(tǒng)可以驅(qū)動換能器8經(jīng)過任何路徑往返運(yùn)動，利用來自用于位置反饋的位置編碼器128的信號將速度分布圖用程序?qū)懭肟刂破髦小?br> 例如，M模式和多普勒模式是適合于掃描頭106的兩種操作模式。對于這些模式中的每一種，轉(zhuǎn)子部件5被電驅(qū)動到一個固定位置，通常由操作員利用與用于輸入命令的人機(jī)接口136相關(guān)聯(lián)的操縱柄來進(jìn)行控制。操作員(未示出)可以觀察在時間上固定在顯示器116上的一個圖像或觀察一系列周期性更新的圖像，并操縱換能器8所指的方向。換能器8所指方向的電子表示形式144(圖1)可以顯示在顯示器116上的超聲波圖像之上，并可以用作可見反饋。對于組織的診斷成像，超聲波的傳播路徑應(yīng)該完全在水中或具有非常接近組織的聲阻抗的聲阻抗的別的流體中。氣隙或位于該路徑內(nèi)的、造成聲阻抗不匹配的材料能導(dǎo)致非期望的反射，該反射表現(xiàn)為顯示器116上的圖像中的贗像。通常在掃描頭106與被成像的組織之間應(yīng)用一種其聲學(xué)特性與水很相似的耦合凝膠。
此外，力矩馬達(dá)130連同位置編碼器29和編碼器代碼軌道12一起在一個閉環(huán)中運(yùn)行。它們充當(dāng)伺服馬達(dá)，并且受與處理器134相關(guān)聯(lián)的馬達(dá)控制系統(tǒng)控制以便可以由樞軸軸承4固定在適當(dāng)位置的樞軸管6以一種受控方式圍繞樞軸154往復(fù)旋轉(zhuǎn)。換能器8可以固定于樞軸管6的與編碼器代碼軌道12相對的那一端。樞軸管6移動換能器8，換能器8在充滿流體的鼻輪20中來回被掃描。換能器8的位置一直是已知的，精度在1微米內(nèi)。換能器8發(fā)射和接收超聲波信息，其中超聲波信息通過電路102接收并放大、然后被發(fā)送給處理器134。由于該設(shè)計(jì)的輕質(zhì)且精確的特性，考慮到在顯示器116上生成圖像數(shù)據(jù)110的實(shí)時顯示圖像，此過程可以以15Hz的頻率來實(shí)現(xiàn)。以15Hz的頻率操作換能器8相當(dāng)于30幀每秒的幀率，因?yàn)閾Q能器8兩次掃描通過它的運(yùn)動范圍相當(dāng)于1Hz。另外，可以增加換能器8的振蕩頻率以增加幀率。此外，根據(jù)換能器所發(fā)射的超聲波能量的頻率，超聲波系統(tǒng)131提供具有小于30微米的空間分辨率的圖像。例如，在大約25兆赫茲的頻率，空間分辨率大約為75-100微米。隨著換能器頻率的增加，空間分辨率也會提高。在40兆赫茲到60兆赫茲范圍內(nèi)的高換能器頻率，空間分辨率有可能超過30微米。換能器的高工作頻率以及具有約1μm的精度的換能器精確機(jī)械定位允許超聲波系統(tǒng)131提供具有超過30μm的空間分辨率的實(shí)時超聲波圖像。
再者，掃描頭106可以設(shè)計(jì)成手持使用的或者在工作夾具上使用的。掃描頭106還可以在水槽中當(dāng)作浸入式掃描器來使用，或者可以用凝膠連接到待掃描的組織。在這些場合中，可將聲窗125的隔膜除去。
總之，掃描頭106是一個電驅(qū)動手持成像裝置，該裝置在一個扇形弧范圍內(nèi)振蕩超聲波換能器8，同時保持換能器8和被成像對象108之間良好的聲耦合。位置編碼器128將實(shí)時位置信息傳遞給控制系統(tǒng)處理器134。當(dāng)換能器8運(yùn)動時，來自位置編碼器128的信號觸發(fā)發(fā)射脈沖104并將這樣一個位置傳遞給系統(tǒng)處理器134，即，在那些脈沖104之間采集的結(jié)果數(shù)據(jù)流110應(yīng)該在電子圖像中在該位置被顯示，該電子圖像包括顯示器116上的可見輸出。掃描頭106可以以高達(dá)和超過15Hz的頻率，這相當(dāng)于30幀每秒的幀率，以一種受控方式在一種流體環(huán)境內(nèi)在大約10毫米的距離上連續(xù)往返移動換能器8。掃描頭106內(nèi)的位置編碼器128能以1微米的精度實(shí)時記錄換能器8的位置，并能在掃描區(qū)域內(nèi)的任意位置對換能器8進(jìn)行定位，定位精度達(dá)到1微米。掃描頭106包含聲窗125，超聲波能量可以通過聲窗125對準(zhǔn)被成像的對象108。聲窗125允許以最小限度的衰減和/或反射發(fā)射高頻超聲波。掃描頭106可以小巧得足以容易地手持，并且當(dāng)用15赫茲的機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描和定位系統(tǒng)時能實(shí)現(xiàn)達(dá)1微米的定位精度。聲窗125可以與頻率超過60兆赫茲的高頻超聲波能量的發(fā)射兼容。掃描頭106可以具有小于30微米的圖像分辨率，同時掃描平面112(見圖1A)的成像區(qū)域大約為8毫米*8毫米。
掃描頭106使用單個運(yùn)動部件即樞軸管6和動圈式有限角力矩馬達(dá)130。力矩馬達(dá)130用很小的電流提取產(chǎn)生很大的扭力，這是因?yàn)榉沁\(yùn)動場磁體28和28a較大并且由諸如，但不限于，釹鐵硼之類的高能量積材料制成，這在轉(zhuǎn)子繞組24上保持很高的B場。使用動圈式馬達(dá)的另外一個優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量可以減到最小，這有助于減小功率消耗和振動。對象108內(nèi)的、被以40兆赫茲或更高頻率成像的小結(jié)構(gòu)通常與快速運(yùn)動聯(lián)系在一起。因此，這樣的設(shè)計(jì)考慮了30赫茲或者更高的工作速度，相當(dāng)于60幀每秒。
撓曲密封件19(見圖4)將腔15內(nèi)的流體與位于撓曲密封件19對側(cè)的元件隔離開?？梢酝ㄟ^利用一個偏置夾具146將撓曲密封件19放在轉(zhuǎn)子部件5的樞軸點(diǎn)154附近以允許樞軸軸承4跨在可以在其所在位置將撓曲密封件19固定到樞軸管6上的點(diǎn)之上，這有助于將撓曲密封件19上的應(yīng)力減至最小。借助撓曲密封件19中的孔與樞軸管6之間的簡單摩擦配合可以實(shí)現(xiàn)撓曲密封件19的固定。撓曲密封件19可由具有高疲勞壽命的聚氨酯彈性體制成。
樞軸管6的浸入聲流體中的部分和可以全部浸入聲流體中的換能器8均可被設(shè)計(jì)成懸浮的。運(yùn)動時，懸浮有助于消除振動，該振動在其它情況下可能是由換能器8和樞軸管6的運(yùn)動造成的結(jié)果。事實(shí)上，在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，在樞軸點(diǎn)154任何一側(cè)的整個振蕩機(jī)構(gòu)可以被這樣調(diào)節(jié)成懸浮的，并完全浸入聲流體中工作。這樣實(shí)際上能有助于消除所有在其它情況下可能會被發(fā)射給操作員和對象108的振動。
此外，鼻輪20可以由操作員容易地拆除和更換。鼻輪20的簡化拆除和更換使得更換被損壞的聲窗125或者被污染的聲流體變得容易。注入孔可以被安裝在鼻輪20的側(cè)面上以在最初安裝鼻輪20時將腔15內(nèi)注滿聲流體以及當(dāng)由于經(jīng)常使用著而形成氣泡時借助附加流體排出所有氣泡?？梢杂靡粋€簡單的卡接式扭鎖將鼻輪20固定到掃描頭106的機(jī)體上。如果鏡鼻20是無菌的，如對某些用途可能會出現(xiàn)的情形，它可以是一次性的。這樣一個可更換鼻輪20的一個整體部件可以是一個由薄塑料制成的、被熱封或用其它方式連接到鼻輪20的機(jī)體上的一個無菌簾或護(hù)套，它可以是注射成型的塑料零件。如果需要，在拆除聲窗125的情況下也可以操作掃描頭106。
參照圖8，如果需要，掃描頭106可被設(shè)計(jì)以便臂6同一個合適的撓曲密封件19一起進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。如果需要，撓曲密封件19可設(shè)計(jì)成折疊式的。
掃描頭106的另一個實(shí)施例在圖9和圖10中示出。利用參考數(shù)字206表示的掃描頭的這個實(shí)施例具有許多在功能上與前一個實(shí)施例中元件相似的元件，這可從以前的描述中得以理解。掃描頭206包含一個能支撐掃描頭206的所有元件的底座215。一個電路板224被結(jié)合到掃描頭206中。底座215支撐一個應(yīng)變釋放夾具基座225a、一個應(yīng)變釋放夾具225b和一個應(yīng)變釋226a，它們用于在底座215的近端安全夾住電纜部件226b。電纜部件226b連接到電路板224上的電連接器229a和229b。電路板224包含一個馬達(dá)控制單元和位置監(jiān)視電路，并在換能器和超聲波系統(tǒng)131(見圖1B)的處理單元之間傳遞射頻信號。
底座215支撐樞軸架208，樞軸架208又支撐軛212，軛212與底座215遠(yuǎn)端的電樞240(圖11)連接在一起。電樞240將在下面參照圖11作進(jìn)一步詳述。
卡接式鎖盤205a與安裝在樞軸架208上的鼻形物205上的工作夾具接口。鎖盤205a連接到一個可拆除的鼻輪201a上。鼻輪201a具有一個包括安裝到它的一端的隔膜201b的聲窗。鼻輪201a圍繞耦合流體腔201c。包括鼻輪201a和鎖盤205a的部件通過卡接式鎖定系統(tǒng)安裝到掃描頭206上。
耦合流體腔201c圍繞連接到支撐臂203的換能器202a。換能器202a與同軸電纜202b相連接，同軸電纜202b的另一端連接到電路板224。鼻輪201a包括一個注入孔以將耦合流體腔201c充滿耦合流體。注入孔用注入孔螺釘204密封。模制橡膠密封圈207被安裝到支撐臂203上并被布置在流體腔201c和樞軸架208之間。
包含一個軸承預(yù)裝螺釘209、精確徑向球軸承208a和一個固定螺釘210a的軸承部件將電樞部件240固定于樞軸架208上，同時具有小的徑向牽引且事實(shí)上沒有徑向或軸向余隙。軛212跨在支撐臂203上，并用轉(zhuǎn)子粘結(jié)銷釘214固定于轉(zhuǎn)子218上。
圖12所示為掃描頭206的一個局部組件250，包括一個后護(hù)鐵216a、一對后護(hù)鐵柱227a和227b、和后場磁體217a。電磁線圈218b圍繞轉(zhuǎn)子218纏繞以形成力矩馬達(dá)的電樞。光編碼器代碼軌道219固定到轉(zhuǎn)子218的一端使得它在所有點(diǎn)都與力矩馬達(dá)的運(yùn)動相切。光編碼器讀取頭220固定于如圖12所示的編碼器調(diào)節(jié)滑塊223a上。編碼器調(diào)節(jié)滑塊223a被裝配到底座215上以便它可以滑動從而允許相對于編碼器代碼軌道219調(diào)節(jié)光讀取頭220，編碼器代碼軌道219固定于電樞240上。運(yùn)動是精確的并且是受控制的，當(dāng)編碼器讀取頭220處于最佳位置以致在編碼器讀取頭220得到最大信號強(qiáng)度時，用讀取頭鎖定螺釘223c使讀取頭調(diào)節(jié)滑塊223a被鎖在適當(dāng)位置。因?yàn)楣饩幋a器是聚焦的，所以它可以被放在距反射式編碼器代碼軌道219一個已知距離的位置。這個距離應(yīng)與最大編碼器信號相符。連接到讀取頭調(diào)節(jié)螺釘223b的螺旋彈簧223d有助于防止松動。與編碼器代碼軌道219結(jié)合的光讀取頭220允許以1微米的精度記錄電樞240的位置。在電路板224上安裝一對光限位開關(guān)221a，用于確定電樞240相對底座215的絕對位置并防止電樞240的過沖。固定到轉(zhuǎn)子218上的反射表面221b反射來自光限位開關(guān)221a的信號。
如圖9和圖10所示，底座215包含一個快速釋放硬安裝架插座222a。該機(jī)械裝置是快速釋放部件的一部分，下面將參照圖13和圖14對之作更詳細(xì)的描述。
包括殼體頂部233、殼體底部234和殼體墊圈228的殼體提供一個圍繞掃描頭206的內(nèi)部元件的流體緊密密封。殼體頂部233和殼體底部234以及殼體墊圈228都涂上一層導(dǎo)電性涂料251以改善射頻屏蔽性能。
參照圖11，更詳細(xì)地顯示了電樞240、支撐臂203、換能器202a和模制密封圈207。電樞240可由精密機(jī)加工的元件構(gòu)造，這與上面所述的實(shí)施例中使用的復(fù)合結(jié)構(gòu)相比促進(jìn)了可制造性、降低了成本并提高了性能。支撐臂203可拆除，并可以通過支撐臂托架213和兩個肩螺栓231a和231b來安裝，兩個肩螺栓固定入軛212和轉(zhuǎn)子218中的精密孔中。因此將認(rèn)識到，可以更換被損壞的換能器202a和/或模制密封圈207，而不必更換整個電樞240。
編碼器代碼軌道219由彈簧鋼基底制成。編碼器代碼軌道219可以用一種防止它預(yù)彎曲的方法來安裝。預(yù)彎曲可能損壞編碼器代碼軌道219。兩個編碼器代碼軌道保持架230a在編碼器代碼軌道219的兩端夾持它，強(qiáng)迫彈簧鋼產(chǎn)生轉(zhuǎn)子218的恰切曲率。編碼器軌道保持架230a用螺釘230b固定在適當(dāng)位置。替換地，可以用一根輕繩系住螺釘230b，并用例如膠水將繩子粘在編碼器代碼軌道219的端部。
這個實(shí)施例中的掃描頭206提供大于22度并包括22度的掃描角。掃描角指由霍耳傳感器13、兩個霍耳傳感器磁體26和26a以及限位開關(guān)221a限定的換能器202a的運(yùn)動范圍。除了由可拆除的支撐臂203引起的增加的掃描角之外，還可以在制造過程中或制造之后，比如在野外使用過程中，改變支撐臂203的長度以適應(yīng)不同的成像需求。支撐臂203的長度可以是這樣一個長度，即使得換能器202a距離樞軸點(diǎn)154比編碼器代碼軌道219(見圖9)遠(yuǎn)約20％。該設(shè)置提供在換能器202a處測得的、15毫米以上的掃描寬度。
在這個實(shí)施例中，掃描頭206裝配在剛性底座215上。掃描頭206被這樣裝配以在底座215上完成功能性，使得殼體233和234不在合適位置時也可以進(jìn)行測試。因此底座215的這一設(shè)計(jì)允許檢驗(yàn)線路布置和應(yīng)變釋放、進(jìn)行電檢查、調(diào)整光編碼器讀取頭220和對限位開關(guān)221a進(jìn)行功能驗(yàn)證。
參照圖13和圖14，更詳細(xì)地顯示了快速釋放硬安裝架?？焖籴尫艡C(jī)構(gòu)用一個裝有彈簧的卡口鎖來快速安裝或拆除掃描頭206?？焖籴尫庞舶惭b架插頭222b包括位于離快速釋放硬安裝架插座222a最近的端的定位銷222c。硬安裝架插頭222b包括一個鄰近定位銷222c的快速釋放上零件222d和一個鄰近定位銷222c的螺旋彈簧222f。定位銷222c使掃描頭106能被安裝并能以精確的90度角增量被重新安裝。如圖14所示，護(hù)圈222e靠在被安裝到硬安裝架插座222a上時的硬安裝架插頭222b上。
參考圖15，更詳細(xì)地顯示了鼻形物205。鼻形物205包含墊圈轂206b，當(dāng)墊圈轂206b將模制密封圈207(圖11)夾在鼻形物205和樞軸架208之間時，墊圈轂206b防止對模制密封圈207造成損壞。密封圈207可以由軟且有柔韌性的彈性體制成。模制形狀提供一個中心平衡位置，并消除操作過程中密封圈207的拉伸模式變形。通過比較，扁平密封圈在操作過程中同時承受彎曲和拉伸兩種變形，因而在馬達(dá)上產(chǎn)生兩種截然不同的載荷，很難進(jìn)行補(bǔ)償。模制密封圈207可被設(shè)計(jì)成與汽車變速桿上的排檔套相似。它僅承受彎曲變形，這在馬達(dá)上產(chǎn)生更小、更一致的載荷。
掃描頭206包括一個集成電路板224，它集成了馬達(dá)控制功能、位置監(jiān)視功能、以及發(fā)射和接收RF信號的功能。另外，電路板224包含光限位開關(guān)221a。電路板224可以預(yù)制和測試。電路板224允許通過將連接點(diǎn)放在接近樞軸點(diǎn)上方的位置來使換能器同軸電纜202b和馬達(dá)線232的布置路線在馬達(dá)上具有最小限度的拖曳量。
殼體233和234可以是無負(fù)載軸承，并可以純粹是掃描頭206的一個保護(hù)部分。它用來防水和使掃描頭206的內(nèi)部元件免受污染?？梢杂寐葆攲んw233和234固定在底座215上。替換地，也可以選擇將殼體的兩個半部233和234膠合或用其它方式粘結(jié)在一起以使掃描頭206抗損害且耐水。
鼻輪201a可以包括一次性聲窗。參照圖17A、17B、18、19A、19B和20-23，示出了鼻輪320和聲窗330的結(jié)構(gòu)。聲窗330與上面所描述的聲窗125相似。鼻輪320包括一個用于接收流體的注入孔322。鼻輪320具有位于接近被安裝時的聲窗330的端的肩324。凹槽326和凸緣328位于鄰近肩324的位置，與聲窗330形成扣緊配合。
圖17B示出了附上一個可選護(hù)套340的鼻輪320。護(hù)套340安裝在聲窗330上以保護(hù)鼻輪320和掃描頭206不受流體或生物材料的污染。
如圖21所示，聲窗330包括一個槽332，槽332具有與鼻輪320中的凸緣328互補(bǔ)的形狀。
聲窗330可以被設(shè)計(jì)以克服在多種苛刻環(huán)境中封裝高頻高分辨率超聲波探頭所面臨的特定困難。聲窗330提供一種用于在不過度損害聲性能的情況下保護(hù)換能器和允許在無菌環(huán)境中成像的便宜裝置。聲窗330可由包括流體緊密密封機(jī)械快速連接結(jié)構(gòu)的模制塑料框架構(gòu)成。聲窗330可以是模制的一次性元件，它“扣”在永久機(jī)加工鼻輪上，形成探頭的充滿流體的封裝前端(nose)。將聲窗連接到鼻輪或從鼻輪拆除聲窗都不需要工具。例如，聲窗的形狀允許用一個簡單的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動連接到換能器的鼻輪。依據(jù)要覆蓋的鼻輪，聲窗可以是任意形狀。透聲材料的薄膜組成可以安裝在框架350的前面的隔膜352?？蚣?50和隔膜352構(gòu)成聲窗330。
選擇用來形成聲窗的隔膜的材料特性和厚度以適合于待密封的特定探頭的特性。透聲材料，例如通過引用的方式被全部納入的美國專利NO.5,479,927、NO.5,983,123和NO.6,574,499中所公開的那些材料，可以用來制造聲窗330的隔膜352。在一個方面，透聲材料可以是聚酯、聚碳酸酯、丙烯酸、熱塑彈性體或者硅氧烷彈性體。透聲材料的例子包括，但不限于，Surlyn離子交聯(lián)聚合物，例如可從美國特拉華州Wilmington的E.I.Du Pont de Nemours and Company獲得的Surlyn8940和Kapton；聚甲基戊烯，例如可從日本東京的Mitsui &Co.獲得的TPXMX-002、TPX95和MX-004；Teflon、Mylar、諸如低密度聚乙烯之類的聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯和各種聚氨基甲酸酯膜。在一個實(shí)施例中，透聲材料可以被擠壓成一定的厚度并被熱焊接到聲窗330的框架350上以形成一個流體緊密密封。隔膜352的厚度將根據(jù)所選的透聲材料而不同。一方面，隔膜352具有小于或等于25微米的厚度。在另外一個實(shí)施例中，隔膜352的厚度可以從1微米到25微米的范圍內(nèi)變化。用于將隔膜352封接到框架350的工藝根據(jù)所選擇的透聲材料而變化。將隔膜352封接到框架350的方法例子包括，但不限于，粘合劑、焊接方法(例如，射頻，超聲波和熱)和機(jī)械密封。
參照圖20和圖21，扣緊結(jié)構(gòu)包括框架350上的溝槽332。聲窗330將要被安裝到其上的鼻輪320包括凸緣328。凸緣328相對于框架330上的溝槽332可以稍微過大(oversized negative)。聲窗330可以被壓到鼻輪320上，這樣當(dāng)完全處于適當(dāng)位置時，由于在凸緣328和溝槽332之間形成密封的緣故因而獲得一個可靠的配合。由于溝槽332和凸緣328的壓型配合的存在，該配合也是流體密封的。將聲窗330安裝到鼻輪320之前，鼻輪可以部分充滿耦合流體。耦合流體的例子包括，但不限于，水、1，2-亞乙基二醇、三甘醇、輕石蠟油和各種乙二醇水溶液。裝配聲窗330之后，可以除去氣泡，并可以經(jīng)由位于鼻輪320一側(cè)的注入孔322將鼻輪/聲窗部件完全注滿耦合流體。
對于需要將探頭與外界完全隔離的環(huán)境而言，屏蔽型聲窗330包括由聚乙烯膜構(gòu)成的熱密封護(hù)套340，護(hù)套340可以被設(shè)計(jì)逆著電纜的方向、向后安裝在探頭上。護(hù)套可以被形成作為一次性聲窗330的一部分，以便當(dāng)想要消毒時整個窗口和護(hù)套可以被拆卸和丟棄。
在一個替換實(shí)施例中，高頻、高幀率超聲波成像系統(tǒng)可以用來對注射器、導(dǎo)液管或插入對象的其它入侵元件成像。圖24是說明顯示器116上的圖像360的屏幕抓圖。該圖像包括胚胎368。胚胎368包括頭366和子宮362。當(dāng)針364進(jìn)入胚胎368的子宮362時，超聲波系統(tǒng)131可以用來觀察和引導(dǎo)針364。
圖25是用圖解說明高頻、高幀率超聲波成像系統(tǒng)的一個方面的操作的流程圖400。該流程圖中的塊可以按照示出的順序執(zhí)行、不按照示出的順序執(zhí)行或者并行執(zhí)行。在塊402，換能器8以至少20MHz的頻率產(chǎn)生超聲波能量。
在塊404，超聲波能量由發(fā)射子系統(tǒng)118發(fā)射到對象114(圖1)中。在塊406，接收子系統(tǒng)120接收返回的超聲波回波脈沖104，并將接收的超聲波傳遞給控制子系統(tǒng)127供處理器134和掃描轉(zhuǎn)換器129處理。
在塊408，接收的超聲波在軟件123的控制下由處理器134和掃描轉(zhuǎn)換器129處理，以在顯示器116上生成圖像。該圖像具有至少15幀每秒(fps)的幀率。
盡管參照某些特定實(shí)施例描述了該高頻、高幀率超聲波成像系統(tǒng)，但該系統(tǒng)的各種不同改型對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是顯然的，并不脫離附加在這里的權(quán)利要求所概述的高頻、高幀率超聲波成像系統(tǒng)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生超聲波圖像的方法，包括以至少20兆赫茲(MHz)的頻率產(chǎn)生超聲波；以至少20兆赫茲(MHz)的頻率發(fā)射超聲波到對象中；接收來自所述對象的超聲波；和處理接收的超聲波以提供具有至少15幀每秒(fps)的幀率的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在小動物上使用超聲波。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，還包括在小鼠(mouse)上使用超聲波。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，還包括在大鼠(rat)上使用超聲波。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括使用20MHz至60MHz的頻率范圍內(nèi)的超聲波。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括利用超聲波來引導(dǎo)針。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，還包括對所述小動物體內(nèi)的器官成像。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，還包括對從肺、心臟、腦、腎、肝和血液中選擇的器官成像。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，還包括對瘤的狀態(tài)成像。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括處理所述接收的超聲波以實(shí)時提供圖像。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括處理所述接收的超聲波以提供具有小于30微米(μm)的空間分辨率的圖像。
12.一種形成超聲波圖像的系統(tǒng)，包括掃描頭，所述掃描頭具有能以至少20兆赫茲(MHz)的頻率產(chǎn)生超聲波能量的換能器；和處理器，所述處理器用于接收超聲波能量和生成具有至少15幀每秒(fps)的幀率并具有小于30微米(μm)的空間分辨率的圖像。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述掃描頭還包括位于所述換能器之上的聲窗，所述聲窗具有厚度小于25微米(μm)的隔膜。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述聲窗是可拆卸的。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述聲窗是從聚碳酸酯、聚酯、丙烯酸和聚甲基戊烯中選擇的。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述隔膜的材料是從聚酯、聚碳酸酯、丙烯酸、熱塑彈性體、硅氧烷彈性體、Surlyn離子交聯(lián)聚合物、Surlyn8940、Kapton、聚甲基戊烯、TPXMX-002、TPX95、MX-004；Teflon、Mylar、聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯和聚氨基甲酸酯膜中選擇的。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述隔膜的材料是低密度聚乙烯。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換能器產(chǎn)生從20MHz到60MHz的超聲波能量。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述換能器被封裝在耦合流體中，并且是懸浮的。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述隔膜防止換能器直接接觸對象。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述掃描頭以至少1微米的精度定位所述換能器。
22.一種產(chǎn)生超聲波圖像的系統(tǒng)，包括以至少25兆赫茲(MHz)的頻率產(chǎn)生超聲波的裝置；發(fā)射所述超聲波到對象中的裝置；接收來自所述對象的超聲波的裝置；和處理所述超聲波以提供具有至少15幀每秒(fps)的實(shí)時幀率并具有小于30微米(μm)的空間分辨率的圖像的裝置。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括將所述超聲波發(fā)生裝置與對象隔離的裝置。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述隔離裝置將所述超聲波發(fā)生裝置封裝在耦合流體中。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述隔離裝置是從聚碳酸酯、聚酯、丙烯酸和聚甲基戊烯中選擇的。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述隔離裝置還包括從聚酯、聚碳酸酯、丙烯酸、熱塑彈性體、硅氧烷彈性體、Surlyn離子交聯(lián)聚合物、Surlyn8940、Kapton、聚甲基戊烯、TPXMX-002、TPX95、MX-004；Teflon、Mylar、聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯和聚氨基甲酸酯膜中選擇的隔膜。
27.根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述隔離裝置還包括低密度聚乙烯。
28.根據(jù)權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括以至少1微米的精度將所述超聲波發(fā)生裝置定位的裝置。
29.一種產(chǎn)生超聲波圖像的方法，包括以至少25兆赫茲(MHz)的頻率產(chǎn)生超聲波；以至少25兆赫茲(MHz)的頻率發(fā)射超聲波到對象中；接收來自所述對象的超聲波；和處理接收的超聲波以提供具有至少15幀每秒(fps)的實(shí)時幀率并具有小于30微米(μm)的空間分辨率的圖像。
全文摘要
一種產(chǎn)生超聲波圖像的系統(tǒng)，包括掃描頭和處理器，掃描頭具有能以至少20兆赫茲(MHz)的頻率產(chǎn)生超聲波能量的換能器，處理器用于接收超聲波能量和以至少15幀每秒(fps)的幀率產(chǎn)生超聲波圖像。
文檔編號A61B8/00GK1708257SQ200380101220
公開日2005年12月14日 申請日期2003年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月10日
發(fā)明者J·I·梅希, R·麥康納吉, N·C·查格雷斯, S·福斯特 申請人:視聲公司