專利名稱：雙模式超聲換能器的制作方法
雙模式超聲換能器本發(fā)明涉及超聲系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于超聲系統(tǒng)的換能器。在超聲診斷成像中，將超聲能量發(fā)射到患者身體中。探測并處理被反射的能量以 形成指示患者體內(nèi)組織的密度和邊界以及血流的位置和速度的圖像。通常從包括獨立壓電 換能器元件的陣列的換能器發(fā)射超聲信號，其中該壓電換能器元件也用于探測被反射的信號?？梢允褂酶鞣N換能器和掃描模式來發(fā)射并接收超聲信號。在相控陣列成像中，多 個換能器元件發(fā)射具有相位和幅度關(guān)系的信號，從而使得他們組合形成能夠被操縱以掃描 餅狀扇形觀察區(qū)域的單一射束。扇形模式成像對于在患者的肋骨之下成像尤其有用，因為 該射束能夠起源于瞄準患者的肋骨之間的公共頂點，而不是發(fā)射和接收會被肋骨阻擋的信 號的較寬孔徑。在線性陣列掃描中，換能器元件的陣列順序地從不同元件組發(fā)射信號并從在患者 體內(nèi)的觀察區(qū)域接收信號。線性陣列通常用在需要與皮膚表面接近的區(qū)域的寬視角的應用 中，并且其中不阻塞至感興趣區(qū)域的聲接入。線性陣列是平的或者彎曲的。平的線性陣列 提供矩形或梯形的視場，而彎曲的線性陣列由于陣列的曲率而提供散開的視場。實際上，技術(shù)人員經(jīng)常需要具有多個換能器以便充分地對患者的不同解剖體成 像，這增加了超聲系統(tǒng)的成本。技術(shù)人員還將需要將系統(tǒng)操作從一個換能器切換到另一個， 這占用時間。因為換能器與應用至患者的聲音傳導凝膠一起使用，所以需要在使用后清潔 每個換能器，這需要更多時間。鑒于前述問題，提供一種適于執(zhí)行扇形和彎曲的線性陣列掃描二者的超聲換能器 是有利的。根據(jù)本發(fā)明的原理，一種超聲系統(tǒng)包括表面，所述表面具有中心部分和在所述中 心部分的兩側(cè)上的側(cè)向部分。將第一多個換能器元件設置在所述中心部分上，且將第二多 個換能器元件設置在所述側(cè)向部分上。所述第一多個換能器元件具有第一、精細節(jié)距以用 于扇形模式，而所述第二多個換能器元件具有第二、較粗節(jié)距以用于線性模式。該陣列可以 是彎曲的或平面的。在扇形模式中，將射束形成器耦合以操作所述第一多個換能器元件以用于相控陣 列成像。在線性模式中，將射束形成器耦合以操作兩組換能器元件。根據(jù)本發(fā)明的另一方 面，第一多個換能器元件中的相鄰的對可以一前一后操作，從而使得換能器將在全部可操 作孔徑上展示出公共元件節(jié)距。在本發(fā)明的另一方面中，在扇形模式中激活的所述第一多個換能器元件的數(shù)目根 據(jù)與患者皮膚接觸的換能器元件的數(shù)目而變化。在本發(fā)明的另一方面中，提供模式選擇開關(guān)以使得用戶能夠在線性模式和扇形模 式之間切換。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的超聲系統(tǒng)的方塊圖；圖2A和2B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的換能器表面的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的超聲系統(tǒng)的可選實施例的示意性方塊4
圖4A和4B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的耦合至換能器元件的控制線路的示意圖；圖5A和5B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的將控制線路耦合至換能器元件的開關(guān)矩陣的 示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于使用雙模式換能器的方法的過程流程圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的實施例的與患者皮膚接合的彎曲的換能器的示意圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使能可變換能器孔徑的開關(guān)矩陣的示意圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于使用具有可變孔徑的換能器的方法的過程流 程圖。參照圖1，超聲系統(tǒng)10包括具有適于將超聲信號發(fā)送進入患者并接收回波信號的 若干換能器元件的換能器12。該換能器元件優(yōu)選地為壓電換能器元件。換能器12耦合至 由射束形成器控制器18控制的射束形成器16。射束形成器16控制施加至換能器12的元 件的激勵信號的相位和幅度，以產(chǎn)生掃描患者體內(nèi)的觀察區(qū)域的超聲射束。射束形成器16 還相對地延遲換能器元件所接收的信號的相位，以使得這些信號相位相干并且然后將他們 相加。在所圖示說明的實施例中，模式選擇器開關(guān)20耦合至射束形成器控制器18，從而使 得用戶能夠設定射束形成器操作以便利用換能器12以扇形模式、線性模式和其他操作模 式掃描。在其他實施例中，模式選擇器開關(guān)20’位于換能器的盒子上。在另外的其他實施 例中，模式選擇器開關(guān)由耦合至射束形成器控制器18的圖形用戶接口提供。對射束形成器16的輸出進行濾波以從回波信號提取信息。在所圖示說明的實施 例中，使用正交帶通濾波器22。將濾波器22的輸出提供給B模式處理器24和多普勒處理 器26中的一個或兩個。B模式處理器24處理該數(shù)據(jù)以產(chǎn)生關(guān)于反射激勵信號的組織結(jié) 構(gòu)的信息。多普勒處理器26處理該數(shù)據(jù)以提取關(guān)于觀察區(qū)域內(nèi)的血流速度的信息。提供 給多普勒處理器26的數(shù)據(jù)在被多普勒處理器26處理之前可以存儲在集合存儲(ensemble store) 28中，直到已經(jīng)獲取了觀察區(qū)域的足夠樣本來形成多普勒圖像。將B模式處理器24 和多普勒處理器26的輸出提供給圖像處理器30，該圖像處理器30生成期望圖像格式的B 模式和多普勒圖像，然后將該圖像顯示在顯示器32上。參照圖2A和2B，換能器12具有凸起的表面34，該表面34具有位于表面34的后 面的曲率中心36并且具有沿著表面34分布的多個換能器元件38。位于表面34的中心部 分40的換能器元件38具有第一節(jié)距42，并且位于在該中心部分40的兩側(cè)上的側(cè)向部分 44上的換能器元件38具有比所述第一節(jié)距大的第二節(jié)距46。在優(yōu)選實施例中，第二節(jié)距 46是第一節(jié)距42的二倍。在側(cè)向部分44上的換能器元件38的組合數(shù)目可以等于在中心 部分40上的換能器元件38的數(shù)目的一半?？梢酝ㄟ^沿著表面34以不同的側(cè)向增量切割 壓電晶體來獲得中心部分40和側(cè)向部分44中的不同節(jié)距。換能器元件發(fā)射波長為λ的超聲波。第一節(jié)距42可以小于或大約等于λ/2，而 第二節(jié)距46小于或大約等于λ。不同的節(jié)距42、46便于使用換能器12來執(zhí)行不同類型的 超聲掃描。具體參照圖2Α，在線性掃描模式中，順序地激活換能器元件38以垂直于表面34發(fā) 射超聲射束48。在線性模式中，中心部分40中的換能器元件38優(yōu)選地被成對50激勵，從 而使得超聲射束48的角分布是恒定的。具體參照圖2Β，在相控陣列射束操縱模式中，選擇施加至具有精細節(jié)距的元件38的激勵信號的相位和幅度，使得從元件38發(fā)射的超聲信號相組合以在每次發(fā)送期間形成 聚焦的射束52。使相位和幅度變化以改變每個射束52的角度并且執(zhí)行對觀察區(qū)域的扇形 掃描。在所圖示說明的實施例中，射束52從位于換能器的表面34的頂點54延伸。然而， 通過改變操縱角度，頂點54可以位于其他位置，例如在表面34的前面或后面。在優(yōu)選實施 例中，在射束操縱模式中，只有中心部分40的換能器元件38被用于生成射束52。中心部 分40中的精細節(jié)距42有利地允許與較大節(jié)距相比更大范圍的操縱角度，而不產(chǎn)生降低圖 像質(zhì)量的光柵或顯著的旁瓣或其他偽影。參照圖3的實施例，將開關(guān)矩陣56插入射束形成器16和換能器12的元件之間。 開關(guān)矩陣56根據(jù)由操作者選擇的模式來改變射束形成器16的信號線路和換能器12的換 能器元件38之間的耦合。在可選的實施例中，諸如通過射束形成器控制器18來用程序控 制施加至換能器元件38的信號以在各模式之間切換，而不改變射束形成器16和換能器元 件38之間的耦合。例如，參照圖4A，在扇形模式中開關(guān)矩陣56可以將控制線路58從射束形成器16 耦合至中心部分40的獨立換能器元件38。參照圖4B，在線性模式中，開關(guān)矩陣56將控制 線路58耦合至側(cè)向部分44的換能器元件38和在中心部分40中的換能器元件38的對50。 在圖4A和4B的實施例中，控制線路58的數(shù)目少于換能器元件38的總數(shù)目。在所圖示說 明的實施例中，控制線路58的數(shù)目等于在中心部分中的換能器元件38的數(shù)目，該數(shù)目是換 能器元件38的總數(shù)目的三分之二。在其他實施例中，控制線路的數(shù)目等于換能器元件38 的總數(shù)目。在一些實施例中，使用128條控制線路58。因此，換能器12可以包括在中心部 分40中的128個換能器元件38和位于側(cè)向部分中的總計64個換能器元件，其中每個側(cè)向 部分44中有32個換能器元件。參照圖5A和5B，在該實施例中，如所圖示說明的，控制線路58耦合至換能器元件 38。所圖示說明的控制線路58和換能器元件38之間的耦合可以通過對應于每條控制線路 58和每個換能器元件38相對于換能器12的中心60的位置為每條控制線路58分配數(shù)字 (η)并且為每個換能器元件38分配數(shù)字(i)來數(shù)學地描述。在扇形模式中，如在圖5A中 所示，每條控制線路η耦合至中心部分40的換能器i = η。在線性模式中，如在圖5Β中所 示，每條控制線路η耦合至在中心部分40中的兩個換能器元件i = 2n-l和i = 2η以及在 側(cè)向部分44中的換能器元件i = N/2+n，其中N等于中心部分40中的換能器元件38的數(shù) 目的一半。換言之，在中心部分中的每個換能器元件i在扇形模式中耦合至控制線路η = i 而在線性模式中耦合至控制線路η = i-INT(i/2)，其中INTO函數(shù)返回其操作數(shù)的整數(shù)部 分。在i等于1的情況下，i_INT(i/2)等于1。因此，在扇形模式和線性模式二者中，換能 器元件i = 1均耦合至控制線路η = 1，并且不需要切換。中心部分40的剩余換能器元件 i+1到N中的每個通過兩個開關(guān)62a、62b耦合至控制線路58，這兩個開關(guān)62a、62b每次只 有一個閉合。如在圖5A中所示，在扇形模式中開關(guān)62a閉合并且將換能器元件i耦合至控 制線路η = i。如在圖5B中所示，在線性模式中開關(guān)62b閉合并且將換能器元件i耦合至 控制線路η = i-INT(i/2)。在線性模式中開關(guān)64將側(cè)向部分44的換能器元件38耦合至 控制線路η = Ν+1到η = Ν+Μ，其中M是在單個側(cè)向部分44中的換能器元件38的數(shù)目。開 關(guān)64在線性模式中閉合并且在扇形模式中打開。
6
參照圖6，一種用于執(zhí)行超聲掃描的方法66可以包括在步驟68將控制線路耦合至 換能器12的中心部分40的換能器元件38。在步驟70，使用超聲系統(tǒng)10執(zhí)行對患者14體 內(nèi)的觀察區(qū)域的一個或多個扇形掃描。在步驟72，通過模式選擇開關(guān)20、圖形用戶接口或 其他輸入器件從用戶接收用戶模式選擇輸入。在模式選擇輸入指示選擇線性掃描模式的情況下，方法66包括在步驟74將中心 部分40的換能器元件38的對耦合至控制線路的一部分。在步驟76，將控制線路的另一部 分耦合至側(cè)向部分44的換能器元件38。在步驟78，執(zhí)行線性掃描。可以記錄方法66的步 驟，從而使得指示扇形模式的用戶模式選擇輸入導致超聲系統(tǒng)10執(zhí)行步驟68和70。為了對患者14體內(nèi)的觀察區(qū)域恰當?shù)爻上?，通常需要減小換能器12和患者皮膚 之間的空氣間隙。這通常是通過在患者皮膚上放置聲音傳導凝膠以便填充間隙并且提供換 能器12和患者皮膚之間的良好聲音傳導層來完成的。當前表面34是凸起的時，在一些使 用中并不是所有換能器元件38都可以充分接觸患者皮膚或者聲音傳導凝膠。例如，當成像 通過患者肋骨時，肋骨可能不允許換能器12充分壓入到患者14以形成與中心部分40的所 有換能器元件的良好接觸。因此，在一些實施例中，在扇形模式中激活的中心部分40內(nèi)的 換能器元件38的數(shù)目可以根據(jù)與患者皮膚或者聲音傳導凝膠接觸的換能器元件38的數(shù)目 而減少。這樣，如在圖7中所示，在中心部分40的第一區(qū)域80與患者皮膚82充分接觸的 情況下，則將激活區(qū)域80內(nèi)的換能器元件38以產(chǎn)生經(jīng)操縱的射束。在較小區(qū)域84與患者 皮膚82’接觸的情況下，則僅激活較小區(qū)域84的換能器元件38。參照圖8，如所圖示說明的，減少用在扇形模式中的換能器元件38的數(shù)目可以包 括在扇形模式中打開一些最外側(cè)開關(guān)62a，從而使得中心部分40的外側(cè)換能器38未耦合至 射束形成器16。參照圖9，用于與不同患者皮膚順應性相適應的方法86可以包括在步驟88執(zhí)行初 始掃描。在一些實施例中，初始掃描包括從每個換能器元件38順序地進行發(fā)射，從而使得 能夠容易地將回波信號與每個換能器元件相關(guān)聯(lián)。在步驟90，分析換能器元件38的輸出以 確定哪些換能器元件與患者14或聲音傳導凝膠不充分地接合。確定哪些換能器元件不充 分地接合可以包括分析對于每個換能器元件38所接收的回波信號并且將被反射的信號的 強度與閾值相比較以確定是否發(fā)生充分的聲音接收。在步驟92，將對其而言未接收到回波 信號或者接收到低于閾值的回波信號的換能器元件38識別為與患者14或聲音傳導凝膠不 充分地接合。識別步驟92可以自動地執(zhí)行或者由操作者來執(zhí)行，向該操作者呈現(xiàn)表示來自 初始掃描的回波信號的超聲圖像。在步驟94，將被識別為與患者或者聲音傳導凝膠不充分 地接合的換能器元件38與射束形成器16去耦合，從而減少對于該掃描的有效孔徑。步驟 94的去耦合步驟可以自動地執(zhí)行或者由操作者執(zhí)行。例如，操作者可以轉(zhuǎn)動表盤或者與圖 形用戶接口元件相交互以向射束形成器控制器18指示要去耦合或者要在有效孔徑中使用 哪些換能器元件38。作為對于步驟94的可選替代，可以對射束形成器16編程以制止在射 束形成中使用來自被識別為與患者不充分地聲耦合的元件的信號，而不是將它們從控制線 路去耦合。在步驟96，使用與患者14充分地聲耦合的換能器元件38來執(zhí)行對患者14的一 個或多個射束操縱的掃描。雖然已經(jīng)參照所公開的示例對本發(fā)明進行了描述，但是本領域中普通技術(shù)人員應該認識到可以進行形式或細節(jié)的改變而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。這樣的修改完全在本 領域中普通技術(shù)人員的技術(shù)能力之內(nèi)。因此，除了隨附的權(quán)利要求之外，本發(fā)明不受其他限 制。
權(quán)利要求
一種超聲換能器，包括換能器元件的陣列，其具有前表面，所述前表面具有中心部分和在所述中心部分的兩側(cè)上的側(cè)向部分；以及線性設置在所述中心部分上的第一多個換能器元件和線性設置在所述側(cè)向部分上的第二多個換能器元件，所述第一多個換能器元件具有第一節(jié)距并且所述第二多個換能器元件具有第二節(jié)距，所述第一節(jié)距基本小于所述第二節(jié)距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其中，所述第一多個換能器元件和所述第二多 個換能器元件線性設置在彎曲的弧中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其中，所述第一多個換能器元件和所述第二多 個換能器元件線性設置在公共平面中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器，其中，所述第二節(jié)距是所述第一節(jié)距的大約二倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲換能器，其中，所述第一多個換能器元件的數(shù)目是所述 第二多個換能器元件的數(shù)目的二倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超聲換能器，其中，所述第一多個換能器元件和所述第二多 個換能器元件耦合至具有多條輸入線路和多條輸出線路的開關(guān)矩陣，所述輸出線路中的每 條耦合至所述第一多個換能器元件和所述第二多個換能器元件中的一個，所述開關(guān)矩陣具 有第一模式和第二模式，在所述第一模式中，耦合至所述第一多個換能器元件的輸出線路 中的每條與所述輸入線路中的一條相耦合，而在所述第二模式中，所述輸入線路中的一條 耦合至與所述第二多個換能器元件相耦合的輸入線路中的每條，并且耦合至所述第一多個 換能器元件中的相鄰換能器元件的輸出線路對中的每個耦合至所述輸入線路中的一條。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲換能器，其中，在所述第一模式中所述開關(guān)矩陣可操作 用于接收輸入，并且其中，耦合至在所述第一模式中與所述輸入線路相耦合的所述第一多 個換能器元件的輸出線路的數(shù)目對應于所述輸入。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲換能器，還包括耦合至所述第一多個換能器元件和所述 第二多個換能器元件的控制器，所述控制器具有第一模式和第二模式，在所述第一模式中， 信號僅通過所述第一多個換能器元件發(fā)送，而在所述第二模式中，信號通過所述第二多個 換能器元件和通過所述第一多個換能器元件中的相鄰的對來發(fā)送。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲換能器，其中，所述控制器可操作用于在所述第一模式 中接收輸入，并且其中，在所述第一模式中信號所發(fā)送至的換能器元件的數(shù)目對應于所述 輸入。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超聲換能器，其中，所述控制器可操作用于從用戶接收對應 于第一模式選擇和第二模式選擇中的至少一個的輸入，所述控制器還可操作用于在接收到 所述第一模式選擇后引起所述第一多個換能器元件和所述第二多個換能器元件發(fā)射沿著 穿過位于所述前表面后面的第一頂點的直線輻射的超聲射束，并且可操作用于在接收到所 述第二模式選擇后引起所述第一多個換能器元件發(fā)射沿著穿過位于所述前表面前面的第 二頂點的直線輻射的超聲射束。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超聲換能器，其中，所述控制器可操作用于引起所述換能 器元件以一超聲波長發(fā)射超聲射束，并且其中，所述第一節(jié)距小于或大約等于所述超聲波長的一半。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超聲換能器，其中，所述第二節(jié)距小于或大約等于所述超聲波長。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超聲換能器，其中，所述換能器陣列安裝在包括電耦合至 所述控制器的模式選擇按鈕的手柄內(nèi)，其中，所述控制器還可操作用于將用戶與所述模式 選擇按鈕的交互解釋為所述第一模式選擇和所述第二模式選擇中的至少一個。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超聲換能器，其中，所述換能器陣列安裝在手柄內(nèi)，并且位 于超聲系統(tǒng)用戶接口上的模式選擇按鈕電耦合至所述控制器，其中，所述控制器還可操作 用于將用戶與所述模式選擇按鈕的交互解釋為所述第一模式選擇和所述第二模式選擇中 的至少一個。
15.一種超聲系統(tǒng)，包括模式選擇開關(guān)，其可操作用于選擇線性模式的掃描或者扇形模式的掃描；超聲換能器，其包括具有前表面的換能器元件的彎曲的陣列；以及射束形成器，其響應于所述模式選擇開關(guān)并且耦合至所述彎曲的陣列中的元件，并且 可操作用于在所述線性模式中引起所述彎曲的陣列垂直于所述陣列的所述表面發(fā)送和接 收射束，并且可操作用于在所述扇形模式中引起所述彎曲的陣列發(fā)送和接收從公共頂點發(fā) 出的射束。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的超聲系統(tǒng)，其中，在所述線性模式中所述彎曲的陣列作為 線性陣列來操作，而在所述扇形模式中所述彎曲的陣列作為相控陣列來操作。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的超聲系統(tǒng)，其中，在所述線性模式中，對于每個射束的有效 孔徑在射束間沿著所述陣列的所述表面移動，而在所述扇形模式中，將換能器元件的同一 有效孔徑用于每個射束的相控陣列射束操縱。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的超聲系統(tǒng)，其中，在所述扇形模式中，來自未聲耦合至患者 的元件的信號不參與射束形成。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的超聲系統(tǒng)，其中，通過將由換能器元件接收的回波信號與 閾值相比較來識別未聲耦合至患者的元件。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的超聲系統(tǒng)，還包括用于調(diào)整對所述換能器的有效孔徑起作 用的元件的孔徑控制。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的超聲系統(tǒng)，其中，在所述扇形模式中，所述換能器的有效孔 徑僅包括位于所述換能器陣列的中心部分中的換能器元件；而在所述線性模式中，所述換 能器的有效孔徑包括位于所述換能器陣列的所述中心部分中的換能器元件和位于所述中 心部分的兩側(cè)上的換能器元件。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的超聲系統(tǒng)，其中，所述中心部分的換能器元件展示出比在 所述中心部分的兩側(cè)上的換能器元件更精細的節(jié)距。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的超聲系統(tǒng)，其中，在所述線性模式中，成對地操作所述中心 部分的換能器元件。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種彎曲的陣列超聲換能器，其可以在扇形和彎曲的線性模式中使用。該換能器包括元件的中心部分(40)和在該中心部分的兩側(cè)上的元件的側(cè)向部分(44)。在扇形模式中，元件的中心部分被操作用于執(zhí)行相控陣列掃描。在彎曲的線性模式中，元件的中心部分和側(cè)向部分都被操作用于執(zhí)行彎曲的線性陣列掃描。中心部分的換能器元件的節(jié)距比側(cè)向部分的換能器元件的節(jié)距精細。在扇形模式中，獨立地操作中心部分的元件，而在彎曲的線性模式中，成對地操作中心部分的換能器元件。在扇形模式中，中心部分中參與到換能器的有效孔徑中的換能器元件的數(shù)目可以根據(jù)與患者聲接觸的換能器元件的數(shù)目而變化。
文檔編號A61B8/00GK101903796SQ200880105551
公開日2010年12月1日 申請日期2008年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月4日
發(fā)明者D·亞當斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司