專利名稱：結(jié)合聲學(xué)耦合器的換能器組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于超聲波成像系統(tǒng)的換能器組件中的聲學(xué)耦合器，更具體而言，涉及特別適合用于超聲波胸部系統(tǒng)的換能器組件，該系統(tǒng)設(shè)置和構(gòu)造為獲得受壓縮胸部的超聲掃描，用于胸部評估和/或附加超聲胸部造影術(shù)或其它需要可靠且可重復(fù)的三維胸部超聲數(shù)據(jù)的場合。
背景技術(shù)：
超聲波成像已經(jīng)很快地成為了人體組織非介入性研究的優(yōu)選形式。特別是，超聲波成像多年來一直用于產(chǎn)生胸部診斷圖像。例如，美國專利4298009描述了由病人桌臺組成的胸部掃描設(shè)備，病人面朝下躺在該桌臺上面。病人桌臺具有一個孔，病人通過該孔將胸部懸入桌臺下面的水槽中。在槽底部，提供一個向上指向胸部的超聲換能器。該換能器來回?fù)u擺同時向胸部發(fā)射一束超聲波，從而掃描胸部平面。該換能器安裝在一個機(jī)構(gòu)上，該機(jī)構(gòu)可垂直于圖像平面(沿豎直方向)移動換能器，從而使得掃描平面定位成掃描胸部的另一平面。超聲波能量經(jīng)過槽中的水來回穿過胸部，并且由于超聲波以與穿過人體組織近乎相同的速度(1540米/秒)穿過水，槽中的水提供換能器與胸部組織之間超聲波能量的有效耦合。
近來使胸部超聲波自動化的努力已經(jīng)采用類似的方法用于胸部造影術(shù)，其中胸部在兩個半剛性表面之間受到壓縮并且所有這些器械在換能器與壓縮板之間提供聲耦合，或通過某種形式的水袋、通過采用被耦合流體浸潤的圍繞換能器的海綿、或通過在標(biāo)準(zhǔn)胸部造影術(shù)壓縮板頂部中″積蓄″的耦合凝膠或液體提供聲耦合。這些器械中，換能器與胸部支撐板之間的流體間隙的厚度和形狀不受控制并且在掃描區(qū)域上可變。如果耦合流體的聲速不緊密匹配人體組織的平均速度，則會導(dǎo)致超聲波束的顯著折射和散焦，導(dǎo)致圖像失真和圖像質(zhì)量的惡化。因此，這些器械依賴于采用具有一定聲速的耦合器流體，其聲速非常匹配人體組織的聲速(即，1540米/秒)。這嚴(yán)重限制了可用流體的選擇，并使這種系統(tǒng)的設(shè)計變復(fù)雜。此外，上述耦合方法沉重、骯臟并會滲漏，這些因素限制了這種系統(tǒng)在臨床環(huán)境中的應(yīng)用。它們中的大多數(shù)還依賴于重力以包含液體，因此限制壓縮板水平指向，從而會排除胸部組織橫向或斜向壓縮的方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種克服上述問題的用于超聲波成像系統(tǒng)的換能器組件中的聲學(xué)耦合器，并且允許采用帶有理想化學(xué)和機(jī)械性能的耦合流體，而不考慮它們的聲速、聲阻抗、衰減或其它聲學(xué)性能。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種超聲波胸部成像系統(tǒng)，其中要被成像的胸部被至少一個壓縮板壓縮并且穿過所述板進(jìn)行超聲波掃描，所述系統(tǒng)包括a)安裝在框架內(nèi)的超聲波換能器具有由外緣限定的開口端，所述換能器表面相對于所述框架暴露并且大致與所述外緣對齊；b)用于將所述換能器的所述暴露表面與所述框架的所述外緣放置為壓靠所述壓縮板表面的裝置，所述換能器的所述暴露表面與所述壓縮板的所述表面之間具有耦合劑流體層；以及c)用于在所述框架的所述外緣與所述壓縮板的所述表面之間提供大致流體密封的裝置。
此外根據(jù)本發(fā)明，提供了一種制造超聲波胸部成像系統(tǒng)的方法，其中要被成像的胸部被至少一個壓縮板壓縮并且穿過所述板進(jìn)行超聲波掃描，所述方法包括a)將超聲波換能器安裝在框架中，框架具有由外緣限定的開口端，所述換能器表面相對于所述框架暴露并且大致與所述外緣對齊；b)將所述換能器的所述暴露表面與所述框架的所述外緣放置為壓靠所述壓縮板的表面，所述換能器的所述暴露表面與所述壓縮板的所述表面之間具有耦合劑流體層；以及c)在所述框架的所述外緣與所述壓縮板的所述表面之間提供大致流體密封。
本發(fā)明還提供一種用于如上所限定的超聲波胸部成像系統(tǒng)中的換能器組件，該換能器組件包括安裝在框架中的超聲波換能器，該框架具有由外緣限定的開口端，所述換能器的表面相對于所述框架暴露并且大致與所述外緣對齊，以及用于接收在所述框架的外緣與壓縮板表面之間產(chǎn)生大致流體密封的密封裝置的裝置。
因此，本發(fā)明的超聲波胸部成像系統(tǒng)和換能器組件采用聲學(xué)耦合器，后者提供緊湊、輕量、防漏和可靠的方式將超聲波成像系統(tǒng)中的換能器沿任何方向耦合于壓縮板。
在優(yōu)選實(shí)施例中，壓縮板可包括張緊薄膜。
有利地，框架內(nèi)部限定出圍繞換能器的腔室。這一腔室最好充滿聲耦合流體。有利地，可提供至少一個從腔室內(nèi)部延伸到其外部的通道。在一個優(yōu)選實(shí)施例中，入口和出口在腔室內(nèi)部及其外部之間延伸。有利地，例如泵的裝置用于產(chǎn)生穿過入口與出口之間腔室的聲耦合劑流?？刂蒲b置可用于在腔室內(nèi)部控制聲耦合劑流體的壓縮力?？商峁┵A存器，耦合劑流體從那里供給至腔室和/或耦合劑流體從腔室導(dǎo)向那里。
本發(fā)明的這些和其它方面將由下述實(shí)施例變得顯而易見并將參考下述實(shí)施例予以闡明。


本發(fā)明現(xiàn)在將更為詳細(xì)地描述，舉例而言，參考附圖進(jìn)行描述，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的換能器組件的圖解透視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的換能器組件的圖解剖視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的超聲波胸部成像系統(tǒng)基本構(gòu)造的簡圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的″整體胸部超聲波″超聲波胸部成像系統(tǒng)的圖解透視圖；圖5是描述穿過根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的換能器組件的流體循環(huán)方式的圖解流體循環(huán)圖表。
具體實(shí)施例方式
因此，如上所提及的，超聲波成像已經(jīng)用于產(chǎn)生胸部診斷圖像很多年。超聲波系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為產(chǎn)生胸部的三維(3D)圖像，這不同于較早的系統(tǒng)。這可通過用移動陣列換能器掃描胸部來實(shí)現(xiàn)。陣列換能器可發(fā)射和接收電子導(dǎo)航束，它們可掃描目標(biāo)平面而不移動換能器。當(dāng)陣列換能器在豎直方向內(nèi)移動，它相繼掃描平面序列。這些平面會被認(rèn)為類似于對齊成堆的許多撲克牌。每個撲克牌平面是平面圖像，并且許多牌包括三維目標(biāo)的平行對齊的大量平面圖像。這種平面序列的數(shù)據(jù)會用于呈現(xiàn)三維(3D)圖像，如現(xiàn)有技術(shù)已知的那樣。
為了用移動換能器精確掃描胸部，必需在胸部被掃描時固定。如果胸部不被固定并且在掃描時移動，將導(dǎo)致畸變圖像。固定胸部的好方法是借助于壓縮板的使用，如上述胸部造影系統(tǒng)所用的，近來更多使胸部超聲波自動化的努力已經(jīng)采用了類似胸部造影術(shù)的方法，其中胸部在兩個半剛性表面之間壓縮。一些情況下，這只是為了實(shí)現(xiàn)胸部超聲波，例如美國專利公開2003/0007598中所描述的。更常見的是，該壓縮目的是為了將超聲波與X射線胸部造影術(shù)結(jié)合。用壓縮板固定胸部以進(jìn)行掃描的系統(tǒng)可因此用于在同一個工具上實(shí)現(xiàn)胸部造影和超聲波成像，例如美國專利5938613中所述。
當(dāng)胸部為掃描而固定，它必須決定如何掃描該胸部。一種優(yōu)選的方法是穿過其中一個板來超聲掃描該胸部，如美國專利6574499中所述的配置。然而，為了做到這一點(diǎn)，超聲波能量必須耦合入板并耦合出板，然后進(jìn)入胸部，如上所述全部采用與穿過人體的聲速密切匹配的材料。做到這一點(diǎn)的一種方法描述在美國專利6574499中，從而頂板包括含有少量耦合劑(這種情況下是油)的塑料盤。超聲波換能器穿過盤進(jìn)行掃描，使用盤中的耦合劑作為超聲波能量的聲學(xué)耦合劑。當(dāng)塑料盤壓縮胸部時，由于受壓縮胸部所施加的壓縮力而使盤中心向上彎曲。盤的側(cè)面不會彎曲，因為它們由盤的垂直剛性側(cè)面制成。然后超聲換能器移動越過盤的表面以掃描胸部，盤中的油提供聲學(xué)耦合劑。然而，隨著盤在其中心向上彎曲，可用剛性的移動裝置來移動換能器并且美國專利6574499中提出的方案是垂直地彈簧安裝探測頭，從而它可以隨著盤中心的彎曲變形上下移動。
然而，關(guān)于這種方案存在多個問題。首先，由于探測頭隨著盤的變形底部上下移動，合成的3D圖像將由于合成運(yùn)動而畸變。第二、所提供壓縮裝置只能用于執(zhí)行胸部的垂直壓縮。如果托盤移動到任何其它位置(能實(shí)現(xiàn)胸部的其它任何類型的壓縮)，油將從盤中傾泄出來并損害掃描器。第三、換能器與盤表面之間的充油空間厚度變化會畸變并退化由換能器發(fā)射的超聲波束焦點(diǎn)。為了使之最小化，重要的是使用密切匹配于被評估人體聲學(xué)特征的油或其它耦合劑。
本發(fā)明的目的是能實(shí)現(xiàn)換能器到壓縮板的耦合并能移動換能器而不會使圖像畸變。本發(fā)明的另一目的是能夠根據(jù)除聲速或聲阻抗之外的其它特征來選擇耦合劑。本發(fā)明還有一個目的是能夠使壓縮板再定位到包括垂直指向板子的不同方向，而無任何耦合劑的損失。
參見附圖的圖1和2，本發(fā)明通過采用形成圍繞陣列換能器102的圓周形成腔室101的小框架解決了上述與現(xiàn)有技術(shù)配置相關(guān)的問題，框架100此后將被稱為″盤架″。換能器陣列102附著在盤架100內(nèi)部，其暴露的平面透鏡104與盤架100的頂面對齊即與之大致處于同一平面內(nèi)。柔韌的墊圈106提供在處于盤架100頂面內(nèi)的外圍槽108中，當(dāng)換能器組件未相對于壓縮板安裝在超聲波胸部掃描器中時該墊圈106稍向上超過盤架100的這一暴露換能器陣列透鏡104的頂面而延伸。
然后，換能器102、盤架100和墊圈106放置為壓靠壓縮板14的表面。非常小的空間110保持在陣列換能器102的暴露透鏡104的頂面外圍與壓縮板14之間。在使用中，腔室101與空間110填充有穿過入口和出口通道103的少量流體耦合劑。
壓縮力將壓靠盤子14的底面形成動態(tài)滑動密封，這樣將使耦合劑保持在墊圈106內(nèi)部。換能器透鏡104抵靠盤14的壓縮將導(dǎo)致僅有一層薄的均勻厚度的耦合劑薄膜保持在換能器透鏡104與盤14之間。這一薄膜能夠使聲波從換能器透鏡104傳輸?shù)綁嚎s板14。這一薄膜如此薄從而具有對超聲波傳輸可忽略的影響，使耦合流體的超聲波速度基本不相關(guān)。因此，耦合劑可為了其它適當(dāng)?shù)奶卣鬟M(jìn)行選擇，例如其潤滑性、化學(xué)穩(wěn)定性、與掃描器中所用其它材料的兼容性、及其對人體組織的無毒性。
參見附圖的圖3和4，示例性胸部掃描系統(tǒng)10包括上下壓縮板12、14，要掃描胸部16保持在這兩個壓縮板12、14之間。在圖解實(shí)施例中，下面的壓縮板14固定定位并且上面的壓縮板可移動以施加保持胸部16的向下壓縮力，如壓縮力箭頭20所示。壓縮胸部16被位于下面的壓縮板14之下的超聲換能器102進(jìn)行掃描。換能器102通過力學(xué)運(yùn)動系統(tǒng)22由二維換能器的關(guān)節(jié)掃描胸部。在一個實(shí)施例中，換能器102可沿一維空間的兩個相反方向中的任一個的軌道由電機(jī)驅(qū)動。該軌道沿兩個其它軌道由電機(jī)驅(qū)動，這些軌道提供沿第二正交維度空間內(nèi)的相反方向的運(yùn)動。例如一維空間將進(jìn)出附圖平面。
可以想見的是，圖3的整個系統(tǒng)10還可構(gòu)造為相反的結(jié)構(gòu)，即，超聲換能器102可從上面的壓縮板掃描胸部16并且壓縮板中的任一個可移動以施加壓縮力。
在本發(fā)明的這一示例性實(shí)施例中，換能器102、盤架100和墊圈106壓靠其表面的壓縮板14可包括受到張力的薄膜，如美國專利6682484所述，在這種情況下上述壓縮力可通過將盤架100的頂面放在薄膜平面(有點(diǎn)像支帳篷的支柱)稍微向上一點(diǎn)(幾毫米)而產(chǎn)生。薄膜中的橫向張力產(chǎn)生抵靠稍抬高的盤架的向下壓縮力元件，從而密封該墊圈。在剛性壓縮板取代張緊薄膜的情況下，用以密封墊圈的壓縮力可通過使盤架壓靠壓縮板的彈簧或其它柔性安裝裝置來提供。
任何情況下，回頭參見附圖的圖2，墊圈106將通過合成壓縮力受壓放置，并將形成抵靠扁板14動態(tài)密封而將耦合劑保持在墊圈106內(nèi)部。換能器透鏡104抵靠扁板14的壓縮將導(dǎo)致僅有一層薄的耦合劑覆層保持在換能器透鏡104與扁板14之間。如上所述，這一薄覆層將具有對于超聲波的聲耦合可忽略的影響，使得通過耦合的超聲波速度基本與所用耦合劑的選擇不相干。因此，耦合劑可為了其它適當(dāng)?shù)奶卣鬟M(jìn)行選擇，例如其腐蝕性(或其缺乏)、其無揮發(fā)性、與掃描器中所用其它材料的兼容性、及其與人體組織的兼容性。
優(yōu)選的流體包括例如Invoil 20或Inland 45(美國紐約Churchville的Inland Vacuum Industries)的碳?xì)浠衔锏V物油、例如DC702或DC704(美國密執(zhí)安中部的Dow Coming)的硅油、以及例如Krytox 1506或Krytox GPL 102(美國特拉華Wilmington的Dupont)的全氟化油。這些油通常具有非常低的聲速(700至1300米/秒，與人體組織1540米/秒的速度不匹配)。然而，它們是理想的耦合劑流體，因為它們具有優(yōu)秀的潤滑性和與塑料的兼容性，它們化學(xué)穩(wěn)定并且對人無毒。本發(fā)明克服了它們的聲學(xué)限制，并且由于它們理想的力學(xué)和化學(xué)性能而允許它們被采用。盡管如此，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言很明顯，本發(fā)明不排除更接近地匹配1540米/秒速度的流體耦合劑的使用，例如酒精、乙二醇、甘油或其水溶液以及純水。
在構(gòu)造的實(shí)施例中，液體耦合劑的穩(wěn)定流由泵供給至由盤架100限定的腔室101和空間110。參見附圖的圖5，可提供滾子泵114，后者可從貯存瓶116供給耦合劑至由盤架100圍繞換能器102所限定的空間。泵114還可通過負(fù)壓從盤架100收回耦合劑，這防止耦合劑在壓縮力下穿過墊圈密封壓入掃描器的其它零件。給盤架施加負(fù)壓也確保任何可穿過墊圈泄漏并進(jìn)入腔室101的空氣將被吸出并由來自貯存器116的流體取代。耦合劑流中的氣泡避開換能器透鏡104與盤14之間的空間110，首先通過透鏡104抵靠盤14的壓縮力使空間110很小，第二通過氣泡的表面張力防止它進(jìn)入該小空間110，第三通過流經(jīng)圍繞換能器102的腔室101的耦合劑流不斷沖洗盤架100外的氣泡并將它們帶回它們不能再循環(huán)的貯存器，因為流體從貯存瓶底部抽出。
可以想見的是，在構(gòu)造的實(shí)施例中，換能器和薄膜可從換能器在盤之下的指向變?yōu)閾Q能器在盤之上的指向，而無任何耦合劑流體泄漏。
因此，上述本發(fā)明的示例性實(shí)施例提供移動超聲波換能器與張緊平面薄膜之間連續(xù)的聲耦合。提到的示例性實(shí)施例提供了換能器與薄膜之間的滑動密封，無論掃描器的指向如何都能防止流體滲漏并連續(xù)去除會在換能器移動期間進(jìn)入的氣泡。
應(yīng)當(dāng)注意的是，上述實(shí)施例用于描述而非限制本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠設(shè)計出許多替換實(shí)施例而不脫離本發(fā)明由所附權(quán)利要求限定的范圍。在權(quán)利要求中，任何放入括號中的參考標(biāo)記將不構(gòu)成對權(quán)利要求的限制。詞語″具有″和″包括″等不排除在任何權(quán)利要求或說明書整體中除已經(jīng)列出的之外還存在其它元件或步驟。元件的單個參考標(biāo)記不排除這種元件的多個參考標(biāo)記，反之亦然。本發(fā)明可通過包括幾個不同元件的硬件以及通過適當(dāng)?shù)某绦蛴嬎銠C(jī)來實(shí)施。在列舉出多個裝置的裝置權(quán)利要求中，多個這些裝置可通過硬件的一個或相同零件來實(shí)施。特定的手段在各不相同的從屬權(quán)利要求中進(jìn)行描述的事實(shí)不表明這些手段的結(jié)合不能用于受益。
權(quán)利要求
1.一種超聲波胸部成像系統(tǒng)，其中要被成像的胸部被至少一個壓縮板壓縮并且穿過所述極進(jìn)行超聲波掃描，所述系統(tǒng)包括a)安裝在框架內(nèi)的超聲波換能器，框架具有由外緣限定的開口端，所述換能器表面相對于所述框架暴露并且大致與所述外緣對齊；b)用于將所述換能器的所述暴露表面與所述框架的所述外緣放置為壓靠所述壓縮板表面的裝置，所述換能器的所述暴露表面與所述壓縮板的所述表面之間具有耦合劑流體層；以及c)用于在所述框架的所述外緣與所述壓縮板的所述表面之間提供大致流體密封的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該壓縮板包括張緊的薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中框架內(nèi)部限定出圍繞換能器的腔室。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中腔室填充有聲學(xué)耦合劑流體。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，包括至少一個從腔室內(nèi)部延伸到其外部的通道。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中提供入口和出口，在腔室內(nèi)部及其外部之間延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，包括用于產(chǎn)生穿過入口與出口之間腔室的聲學(xué)耦合劑流的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，包括用于在腔室內(nèi)部控制聲學(xué)耦合劑流體壓力的控制裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，包括貯存器，耦合劑流體從貯存器供給至腔室和/或耦合劑流體從該腔室導(dǎo)向貯存器。
10.一種制造超聲波胸部成像系統(tǒng)的方法，其中要被成像的胸部被至少一個壓縮板壓縮并且穿過所述板進(jìn)行超聲波掃描，所述方法包括a)將超聲波換能器安裝在框架中，框架具有由外緣限定的開口端，所述換能器表面相對于所述框架暴露并且大致與所述外緣對齊；b)將所述換能器的所述暴露表面與所述框架的所述外緣放置為壓靠所述壓縮板的表面，所述換能器的所述暴露表面與所述壓縮板的所述表面之間具有耦合劑流體層；以及c)在所述框架的所述外緣與所述壓縮板的所述表面之間提供大致流體密封。
11.一種用于根據(jù)權(quán)利要求1的超聲波胸部成像系統(tǒng)中的換能器組件，該換能器組件包括安裝在框架中的超聲波換能器，該框架具有由外緣限定的開口端，所述換能器的表面相對于所述框架暴露并且大致與所述外緣對齊，以及用于接收密封裝置的裝置，該密封裝置在所述框架的外緣與壓縮板表面之間產(chǎn)生大致流體密封。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于超聲波胸部成像系統(tǒng)的換能器組件，其中采用包括框架的聲學(xué)耦合器，換能器安裝在該框架中。該框架一端開口，并且該換能器的表面暴露于該開口端部。框架和暴露的換能器表面處于用墊圈或類似物抵靠壓縮板表面的壓縮狀態(tài)，提供二者之間的流體密封。聲學(xué)耦合劑薄層提供在換能器表面與壓縮板之間?？蚣芟薅藝@換能器非暴露表面的腔室，該腔室容納聲學(xué)耦合劑。
文檔編號A61B8/08GK1968655SQ200580019336
公開日2007年5月23日 申請日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月14日
發(fā)明者R·尼特雷金 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司