專利名稱：改進(jìn)的超聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及實(shí)時(shí)醫(yī)學(xué)超聲成像系統(tǒng)。具體地涉及采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)陣列的這樣的系統(tǒng)的實(shí)施方式。
背景技術(shù)：
超聲是用于產(chǎn)生體內(nèi)器官的圖像掃描的非侵入性技術(shù)。有許多類型的實(shí)時(shí)超聲系統(tǒng)支持各式各樣的超聲換能器。這些系統(tǒng)可分成電子系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)，電子系統(tǒng)諸如充分利用電子技術(shù)來(lái)形成波束和引導(dǎo)超聲波束的相控陣列換能器、曲線陣列換能器和線性陣列換能器；機(jī)械系統(tǒng)中，換能器或換能器陣列被機(jī)械地移動(dòng)以引導(dǎo)波束。機(jī)械掃描儀是實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)傳統(tǒng)上最簡(jiǎn)單的和最便宜的類型。這些系統(tǒng)使用一個(gè)或多個(gè)壓電晶體，所述壓電晶體發(fā)射感應(yīng)超聲信號(hào)，并接收從成像主體返回的回聲。為了使其有效，超聲信號(hào)有顯著的方向性并可被描述為超聲波束。利用電磁電機(jī)以重復(fù)的方式移動(dòng)晶體以便波束覆蓋要被成像的區(qū)域。電機(jī)可以是任何類型，這取決于所需要的運(yùn)動(dòng)特征。 已知有使用步進(jìn)電機(jī)、DC電機(jī)和線性電機(jī)的裝置。一般地，機(jī)械超聲掃描儀采用兩種技術(shù)中的一種來(lái)移動(dòng)波束和產(chǎn)生圖像。第一種技術(shù)是旋轉(zhuǎn)輪換能器，其中一個(gè)或多個(gè)晶體旋轉(zhuǎn)360°使得從晶體發(fā)射的波束掃出圓形。該圓的扇區(qū)組成要被成像的區(qū)域。只有當(dāng)該扇區(qū)被掃過(guò)時(shí)才發(fā)射和接收超
聲信號(hào)。第二種類型的機(jī)械超聲掃描儀采用振動(dòng)換能器，其中單個(gè)晶體通過(guò)電磁電機(jī)來(lái)回移動(dòng)使得由換能器發(fā)射的超聲波束掃過(guò)感興趣的區(qū)域?！俣嗄暌郧鞍l(fā)明了電磁電機(jī)。這些電機(jī)仍然在工業(yè)中占據(jù)著重要的位置，但應(yīng)該被視為到了技術(shù)發(fā)展的極限。在機(jī)械驅(qū)動(dòng)的超聲掃描儀中的性能改進(jìn)不能期望于在這樣的電機(jī)中的逐步改進(jìn)。傳統(tǒng)的電磁電機(jī)難以以非常小的尺寸制造出來(lái)，而這對(duì)于在便攜式超聲探測(cè)器中使用是非常期望的。電磁電機(jī)很難精確地控制且具有較低的位置分辨率。它們還具有高速和低轉(zhuǎn)矩特征并具有較慢的響應(yīng)。電磁電機(jī)中的各種局限性引起當(dāng)前的單晶機(jī)械換能器的許多問(wèn)題。這樣的換能器易于受到配準(zhǔn)偽影的影響，因?yàn)殡姍C(jī)空轉(zhuǎn)發(fā)生的虛假的明顯的反射，因此產(chǎn)生于連續(xù)的掃描的圖像幀可能不完全一致。這也可能導(dǎo)致使圖像看起來(lái)令人疲勞的圖像抖動(dòng)。電機(jī)有噪音且將振動(dòng)傳遞到與患者接觸的超聲探測(cè)器。這可使患者感到不安或不舒服。另外，由于電機(jī)中的搖晃和位置誤差，任何形式的多普勒成像都是不可行的。不使用電機(jī)的電子系統(tǒng)包括相控陣列換能器、曲線換能器和線性換能器，它們克服了機(jī)械系統(tǒng)的許多問(wèn)題，包括圖像配準(zhǔn)、執(zhí)行多普勒成像的能力、振動(dòng)和噪聲。然而，電子系統(tǒng)具有其他缺點(diǎn)。它們制造起來(lái)更加昂貴，具有相對(duì)較高的功率消耗，以及它們相對(duì)較大，因?yàn)?，為了?shí)現(xiàn)令人滿意的性能，它們包括大量換能器元件和相關(guān)的電子通道。本發(fā)明的公開內(nèi)容在本發(fā)明的一種形式中，提出了一種類型的超聲換能器探測(cè)單元，所述超聲換能器探測(cè)單元包括主體部分以及用于發(fā)射和接收超聲波信號(hào)的至少一個(gè)換能器，所述換能器以重復(fù)的運(yùn)動(dòng)相對(duì)于主體部分機(jī)械移動(dòng)以聲穿透區(qū)域，其中換能器的運(yùn)動(dòng)能夠被控制以小于1毫米的誤差返回到相對(duì)于主體部分的選定位置。超聲波電機(jī)的運(yùn)動(dòng)非常精確，并能夠被定位到納米級(jí)精度。超聲波電機(jī)具有極好的響應(yīng)時(shí)間，因此能夠迅速地移動(dòng)和停止。在另一優(yōu)選形式中，可以說(shuō)本發(fā)明在于超聲換能器探測(cè)單元，該超聲換能器探測(cè)單元包括主體部分和至少一個(gè)用于發(fā)射和接收超聲波信號(hào)的換能器，其中換能器通過(guò)超聲波電機(jī)以重復(fù)的運(yùn)動(dòng)相對(duì)于主體部分移動(dòng)。超聲多普勒分析給出關(guān)于要素(通常是要成像的身體內(nèi)的血液的運(yùn)動(dòng))的信息。 若換能器本身隨著開動(dòng)的電磁電機(jī)的振動(dòng)而移動(dòng)，則不能獲取有用的信息。從多條掃描線中提取多普勒信息。因此，能夠精確地從身體的相同區(qū)域獲取重復(fù)的掃描線是必要的。優(yōu)選地，所述探測(cè)單元適于產(chǎn)生適合處理的掃描線數(shù)據(jù)，以允許顯示門控多普勒、 功率多普勒、脈沖波多普勒、彩色多普勒和雙工多普勒信息中的至少一個(gè)。在線性陣列換能器超聲探測(cè)器中，為了提供較高分辨率的圖像而不犧牲圖像的覆蓋范圍；或?yàn)榱颂峁┹^寬的圖像覆蓋范圍而不犧牲分辨率，需要更多的掃描線并因此需要更多的換能器元件。提供附加的元件是昂貴的。較大的換能器本身就比較昂貴，而且接入和控制附加元件所需要的附加的配線和電子器件(通常稱為通道)也是昂貴的。具有較少的、相對(duì)較遠(yuǎn)地分開設(shè)置的元件的陣列換能器用較少的成本提供良好的圖像寬度，但犧牲了圖像中的掃描線的數(shù)量并因此犧牲了橫向分辨率。在另一形式中，可以說(shuō)本發(fā)明在于包括換能器的陣列的超聲成像裝置，其中相鄰的換能器之間的距離大于產(chǎn)生具有選定分辨率的超聲圖像所需要的相鄰掃描線的最小間距，該裝置適于產(chǎn)生至少具有所選定的分辨率的超聲圖像。不管換能器陣列的稀疏性質(zhì)，提供所期望的分辨率的能力通過(guò)換能器陣列的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在另一優(yōu)選形式中，可以說(shuō)本發(fā)明在于包括具有換能器陣列的超聲換能器單元的超聲換能器探測(cè)單元，其中換能器單元適于以往復(fù)運(yùn)動(dòng)沿著線性軸移動(dòng)選定的線性距離， 在沿著線性軸的換能器之間的線性間距具有與所述線性距離類似的大小，所述換能器單元適于操作以在每一往復(fù)運(yùn)動(dòng)期間獲取多條掃描線。優(yōu)選地，往復(fù)運(yùn)動(dòng)由多個(gè)分離的步驟組成，只有當(dāng)所述換能器靜止時(shí)才獲取掃描線。優(yōu)選地，換能器的運(yùn)動(dòng)由線性超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)。可選地，換能器的運(yùn)動(dòng)由旋轉(zhuǎn)超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在另一形式中，可以說(shuō)本發(fā)明在于超聲掃描的方法，其中提供了具有至少一個(gè)超聲換能器的陣列，該換能器通過(guò)超聲波電機(jī)以重復(fù)的運(yùn)動(dòng)相對(duì)要成像的身體移動(dòng)，產(chǎn)生用于顯示的超聲圖像，該圖像包括通過(guò)換能器在沿著該運(yùn)動(dòng)的路徑上的連續(xù)點(diǎn)處所獲取的掃描線，每一換能器向圖像提供多條掃描線。
優(yōu)選地，所述方法還包括以下步驟用戶選擇作為多普勒窗口的圖像區(qū)域；移動(dòng)換能器并獲取圖像掃描線，控制換能器在停止位置停止使得由換能器獲取的掃描線將落入多普勒窗口，換能器在停止位置獲取用于多普勒和光譜處理的多條掃描線，再次移動(dòng)換能器并獲取掃描線，換能器返回到停止位置并獲取用于多普勒和雙工處理的另外的多條掃描線，以足以允許繼續(xù)多普勒成像的精度來(lái)使換能器返回到停止位置，處理掃描線以向用戶提供具有多普勒信息的超聲圖像的顯示。附圖的簡(jiǎn)要描述圖Ia示出現(xiàn)有技術(shù)的換能器。圖Ib示出在圖Ia中示出的現(xiàn)有技術(shù)類型的換能器的超聲場(chǎng)的示意圖。圖加示出現(xiàn)有技術(shù)的線性分段陣列換能器的示意圖。圖2b示出在圖加中示出的現(xiàn)有技術(shù)類型的換能器的超聲場(chǎng)的示意圖。圖3示出包含本發(fā)明的超聲掃描設(shè)備。圖4示出圖3的掃描頭的換能器滑動(dòng)器。圖fe示出根據(jù)本發(fā)明的超聲換能器陣列的示意圖。圖恥示出圖4的超聲換能器滑動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)的示意圖。圖6a示出本發(fā)明的曲線型換能器陣列的示意圖。圖6b示出圖6a的超聲換能器滑動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)的示意圖。圖7a、7b、7c示出根據(jù)本發(fā)明的換能器陣列滑動(dòng)器的三種可能的布置的示意圖。圖示出包含本發(fā)明的使用線性超聲波電機(jī)的換能器頭的橫截面圖。圖8b示出包含旋轉(zhuǎn)電機(jī)的超聲探測(cè)單元掃描頭的剖視圖。圖8c示出包含直接驅(qū)動(dòng)環(huán)狀換能器陣列的旋轉(zhuǎn)超聲波電機(jī)的實(shí)施方式的示意圖。圖9示出具有曲線形的換能器和包括連接到主顯示器的USB接口的超聲探測(cè)單元掃描頭的系統(tǒng)框圖。

圖10示出具有單通道超聲元件和包括連接到主顯示器的USB接口的超聲探測(cè)單元掃描頭的系統(tǒng)框圖。圖11示出具有曲線形的換能器及包括陀螺儀和連接到主顯示器的USB接口的超聲探測(cè)單元掃描頭的系統(tǒng)框圖。圖12示出包括到主顯示器的無(wú)線接口的超聲探測(cè)單元掃描頭的可選實(shí)施方式的系統(tǒng)框圖。圖13示出具有集成的顯示器的超聲探測(cè)單元掃描頭的系統(tǒng)框圖。圖14是FPGA定時(shí)和控制單元的框圖。圖15是圖1中的系統(tǒng)的DSP軟件的框圖。圖16a、16b和16c示出可包含在本發(fā)明的設(shè)備中的不同的換能器形狀的掃描轉(zhuǎn)換要求。圖17示出多普勒處理窗口。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式圖Ia示出在早期的超聲掃描儀中使用的簡(jiǎn)單的、單晶超聲換能器的示意圖。該換能器具有探測(cè)單元主體100，探測(cè)單元主體100支撐圓形的超聲晶體101。該晶體相對(duì)較大。
圖Ib示出圖Ia中的單元的橫截面，其表示出由換能器產(chǎn)生的超聲場(chǎng)。該布置具有幾個(gè)可利用的特征。由晶體產(chǎn)生的超聲波束在波束在遠(yuǎn)場(chǎng)103中發(fā)散之前具有相對(duì)較長(zhǎng)的、均勻的近場(chǎng)102。橫向分辨率在非發(fā)散場(chǎng)是最佳的，因此較長(zhǎng)的近場(chǎng)是有利的。此外，遠(yuǎn)場(chǎng)的發(fā)散相對(duì)較慢，當(dāng)與具有較快地發(fā)散的遠(yuǎn)場(chǎng)的換能器相比時(shí)，這提高了在該區(qū)域中的橫向分辨率。然而，這樣的布置只產(chǎn)生一條掃描線。為了掃描一區(qū)域，有必要在要掃描的整個(gè)區(qū)域上移動(dòng)換能器，從而在不同的位置獲取掃描線，并且有必要保持對(duì)運(yùn)動(dòng)的非常精確的跟蹤使得掃描線能夠以正確的空間關(guān)系顯示以形成超聲圖像。這可使用具有精確的位置控制的大型的關(guān)節(jié)臂實(shí)現(xiàn)。這些是有效的，但嚴(yán)重限制了能夠部署超聲的方式和位置。為了避免需要這樣的臂，使用晶體陣列以形成換能器將是可行的。這將允許不使用笨重的關(guān)節(jié)臂來(lái)掃描區(qū)域，或者不需要跟蹤位置探頭，因?yàn)榫w之間的位置關(guān)系，因此掃描線，將是固定的。然而，大型晶體意味著將從掃描區(qū)域收集相對(duì)較少的掃描線，這顯著減少了圖像的實(shí)用性。在實(shí)踐中，通過(guò)使用分段線性陣列解決該問(wèn)題，如在圖2中圖示的。分段線性陣列由單個(gè)的、矩形塊的壓電材料201制成的換能器組成。該壓電材料被分成若干單獨(dú)的換能器元件202。每一元件被獨(dú)立地電連接到超聲驅(qū)動(dòng)電子器件，并可被單獨(dú)地激勵(lì)以產(chǎn)生掃描線 203。與圖1中的晶體的寬度相比，每一單獨(dú)的元件相對(duì)狹窄，從而允許從給定的區(qū)域收集更多的掃描線。然而，較小的換能器元件具有較少可利用的波束形狀。如在圖2b中所示，波束203 具有較短的近場(chǎng)205以及更發(fā)散的遠(yuǎn)場(chǎng)204。這導(dǎo)致橫向的分辨率降低，使其不可利用?，F(xiàn)有技術(shù)包括以下方案，即涉及將元件按組激發(fā)以改善波束形狀以及按非常特定的模式激發(fā)元件以形成和電引導(dǎo)波束穿過(guò)掃描區(qū)域。在現(xiàn)有技術(shù)中，每一換能器元件的信號(hào)與若干鄰近的元件(通常為32個(gè))的信號(hào)組合，以產(chǎn)生一條掃描線。所有這些方案導(dǎo)致對(duì)由原始裝置的圓形晶體換能器提供的接近理想的波束形狀的妥協(xié)。精密的控制和信號(hào)處理技術(shù)被用于抵消這些問(wèn)題，但這些技術(shù)引入了額外的成本和復(fù)雜度。由于需要提供大量的換能器元件(每一換能器元件需要精確的、匹配的電連接)，這些方案同時(shí)使換能器的物理設(shè)計(jì)引入了非常大的復(fù)雜度和成本。現(xiàn)在參考圖3，其示出了包含本發(fā)明的實(shí)施方式的超聲成像裝置300的示圖。該成像裝置包括顯示單元301和探測(cè)單元302。這些通過(guò)通信電纜303連接。顯示單元具有顯示器304。顯示屏可以是觸摸屏，其允許用戶控制顯示單元和探測(cè)單元的功能。在圖示的實(shí)施方式中，控制構(gòu)件306被以按鈕和滾輪的形式設(shè)置在顯示單元上?？刂茦?gòu)件305被設(shè)置在探測(cè)單元上。這兩個(gè)控制構(gòu)件之一可以沒(méi)有。探測(cè)單元302包括或被連接到探測(cè)單元掃描頭308。掃描頭308包括換能器，其沒(méi)有限制，可以是具有多個(gè)換能器元件的陣列換能器、單個(gè)元件換能器或分開的、單獨(dú)的換能器的陣列。掃描頭308包括前面板307，該前面板307在掃描期間接觸患者。前面板是透聲的。在換能器元件和要成像的身體之間提供最好的可行的聲耦合是可取的。在使用中，探測(cè)單元緊靠患者的身體，其鄰近要被成像的身體的內(nèi)部，前面板307與患者的皮膚接觸。在探測(cè)單元中的電子器件刺激來(lái)自換能器的超聲能量的發(fā)射。該波束由要被成像的特征作為回聲反射回?fù)Q能器。換能器接收這些回聲，所述回聲被放大并被轉(zhuǎn)換成數(shù)字的掃描線數(shù)據(jù)。裝置300可手持使用。探測(cè)單元和顯示單元具有可舒服地握在用戶手中的大小和重量。探測(cè)單元的重量小于500克，優(yōu)選小于200克。在優(yōu)選實(shí)施方式中，該裝置的總重量小于500克。探測(cè)單元和顯示單元可用多種方式成形，但為了方便手持使用，每一單元的線性尺寸不超過(guò)15厘米。優(yōu)選地，線性尺寸不超過(guò)12厘米。在另外的優(yōu)選實(shí)施方式中，線性尺寸不超過(guò)10厘米。圖4示出圖3中的超聲掃描裝置探測(cè)單元的掃描頭。掃描頭401包括換能器滑動(dòng)器402，所述換能器滑動(dòng)器402具有換能器晶體404?？删哂猩僦烈粋€(gè)換能器晶體，其最大數(shù)量?jī)H受到實(shí)際考慮的成本、大小和復(fù)雜度的限制。通過(guò)導(dǎo)軌403引導(dǎo)并限制滑動(dòng)器以往復(fù)方式運(yùn)動(dòng)?；瑒?dòng)器在使用中以往復(fù)方式被驅(qū)動(dòng)，以使來(lái)自換能器的波束覆蓋要成像的區(qū)域。 可以通過(guò)任何方便的方式驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)器做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在優(yōu)選實(shí)施方式中，電機(jī)使換能器移動(dòng)以使超聲波束掃過(guò)要成像的區(qū)域。用于控制電機(jī)的電子器件設(shè)置在探測(cè)單元中。電機(jī)可以是線性電機(jī)或旋轉(zhuǎn)電機(jī)。在優(yōu)選實(shí)施方式中，線性電機(jī)是線性超聲波電機(jī)。在另一實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)電機(jī)是超聲波電機(jī)。在優(yōu)選實(shí)施方式中，線性電機(jī)是線性超聲波電機(jī)。線性超聲波電機(jī)可以是駐波型或行波型，如在超聲波電機(jī)領(lǐng)域中的技術(shù)人員所了解的。超聲波電機(jī)通過(guò)激勵(lì)振動(dòng)部分的振動(dòng)而工作。該振動(dòng)部分可以是定子或者滑動(dòng)器，但最常見(jiàn)的是定子?；瑒?dòng)器或沖頭等效于旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子。在電動(dòng)機(jī)械的電機(jī)中，滑動(dòng)器和定子之間的接觸是不需要的，但在超聲波電機(jī)中，這樣的接觸是提供原動(dòng)力所必要的。定子和滑動(dòng)器通常通過(guò)彈簧加載被綁定在一起。有兩種主要類型的超聲波電機(jī)——駐波型和行波型。在駐波型中，駐波被引入定子。在定子的表面上存在具有相同的期望的振動(dòng)方向和幅度的點(diǎn)。在這些點(diǎn)處應(yīng)用或形成觸頭或推動(dòng)器。與滑動(dòng)器的摩擦接觸只在這些點(diǎn)發(fā)生， 這導(dǎo)致在滑動(dòng)器提供一連串的有角微脈沖，從而在期望的方向上推動(dòng)滑動(dòng)器。相比較而言，行波型結(jié)合了在時(shí)間和空間上都具有90度相位差的兩種駐波。在定子中引入行波。在這種情況下，定子的任何表面粒子由于縱波和橫波的耦合以橢圓軌跡行進(jìn)。定子和滑動(dòng)器之間的接觸沿著滑動(dòng)器的長(zhǎng)度，所述滑動(dòng)器被連續(xù)驅(qū)動(dòng)。在本說(shuō)明書中使用術(shù)語(yǔ)“超聲波電機(jī)”。對(duì)具有相同的工作原理但在大小、配置和 /或應(yīng)用方面有所改變的裝置可使用其他術(shù)語(yǔ)。這些術(shù)語(yǔ)包括但不限制于壓電電機(jī)、壓電制動(dòng)器、壓電驅(qū)動(dòng)器和超聲波制動(dòng)器。在本說(shuō)明書中所使用的術(shù)語(yǔ)“超聲波電機(jī)”涵蓋可用于描述可用于執(zhí)行本發(fā)明的由超聲波驅(qū)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的裝置的所有這些以及任何其他可能的術(shù)語(yǔ)。在一實(shí)施方式中，電機(jī)是電磁電機(jī)?？蓪⒙晫W(xué)匹配的潤(rùn)滑劑設(shè)置在掃描頭的前面板409的內(nèi)側(cè)，以填充換能器元件 404和面板409之間的間隙。
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在另一實(shí)施方式中，具有低摩擦系數(shù)和聲學(xué)匹配特性的固體材料條被設(shè)置在掃描頭的前面板409的內(nèi)側(cè)，以填充換能器元件404和面板409之間的間隙。在該實(shí)施方式中，換能器陣列是具有8個(gè)壓電元件的陣列。在其他實(shí)施方式中，可采用其他數(shù)量和其他類型的換能器元件。在特定的實(shí)施方式中，可使用電容式微機(jī)械超聲波換能器(CMUTS)。在傳統(tǒng)的線性陣列換能器超聲探測(cè)器中，每一換能器元件按具有若干鄰近的元件的組(通常為32個(gè))進(jìn)行激發(fā)，以產(chǎn)生一條掃描線。掃描線之間的橫向距離與陣列中的接連的換能器元件之間的線性距離成比例。為了提供較高分辨率的圖像而不犧牲圖像的覆蓋范圍；或者為了提供較寬的圖像覆蓋范圍而不犧牲分辨率，需要更多的掃描線并因此需要更多的換能器元件。提供附加的元件是昂貴的。較大的換能器本身就比較昂貴，而且接入和控制附加元件所需要的附加的配線和電子器件(通常稱為通道)也是昂貴的。具有較少的、相對(duì)較遠(yuǎn)地分開設(shè)置的元件的陣列換能器用較少的成本提供良好的圖像寬度，但犧牲了圖像中的掃描線的數(shù)量并因此犧牲了橫向分辨率。傳統(tǒng)的線性陣列系統(tǒng)具有包括大量晶體的換能器，每一換能器被裁切成矩形形狀。這允許換能器陣列元件的最接近的可行間隔，不移動(dòng)陣列就能提供較密間隔的掃描線。 然而，這產(chǎn)生具有非對(duì)稱模式的聲音波束形狀。使用圓形晶體是可取的，其中波束形狀是圓形和對(duì)稱的。對(duì)于晶體來(lái)說(shuō)相對(duì)較大也是可取的，以給出最深的場(chǎng)。對(duì)于傳統(tǒng)的超聲系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這些要求是相沖突的。使用具有較少的、相對(duì)較遠(yuǎn)地分開設(shè)置的元件的陣列換能器并移動(dòng)換能器，允許換能器元件之間的相對(duì)較寬的間隙被掃描線“填滿”，據(jù)此提供與具有多個(gè)通道的系統(tǒng)類似的性能和圖像大小，從而大大降低成本和復(fù)雜度。掃描線的密度不由換能器元件的物理尺寸或元件的間隔或數(shù)量限制?？墒褂镁哂衅谕膸缀涡螤畹妮^大的晶體。本發(fā)明的換能器形成被定義為換能器的陣列的稀疏陣列，其中鄰近的換能器或換能器元件之間的距離大于產(chǎn)生具有期望分辨率的超聲圖像所需要的鄰近掃描線的最小間距。使用單獨(dú)的換能器的稀疏陣列使得在線性陣列中利用圓形換能器變得可行。圖5示出當(dāng)前發(fā)明的超聲換能器陣列和其使用方式的示意圖。參考圖5a，具有換能器滑動(dòng)器501，其支撐超聲換能器502-505或與超聲換能器502-505 —體地形成。每一換能器能夠發(fā)射超聲能量和從要被成像的身體接收所產(chǎn)生的回聲，以收集掃描線506-509。 可以有少至一個(gè)換能器晶體，其最大數(shù)量?jī)H受到實(shí)際考慮的成本、大小和復(fù)雜度的限制。換能器形成稀疏陣列。換能器以間距1 552排列?？梢苿?dòng)換能器滑動(dòng)器以使線性陣列的覆蓋范圍的寬度是被設(shè)計(jì)為S 5M的距離。這就是能夠通過(guò)陣列的全程運(yùn)動(dòng)所覆蓋的總寬度?；瑒?dòng)器被連續(xù)地或逐步地移動(dòng)距離I。當(dāng)移動(dòng)時(shí)或在每一步驟，換能器元件發(fā)射和接收超聲能量以接收掃描線，所述掃描線是從沿著伸入要成像的身體中的線的不同深度處的特征返回的一系列的回聲強(qiáng)度值?；瑒?dòng)器被以往復(fù)方式驅(qū)動(dòng)，以使來(lái)自換能器的波束覆蓋要成像的區(qū)域。滑動(dòng)器可以通過(guò)任何方便的方式被驅(qū)動(dòng)做所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)。圖恥示出移動(dòng)換能器滑動(dòng)器的效果。換能器滑動(dòng)器501的一系列的虛線圖表示超聲滑動(dòng)器通過(guò)距離I的移動(dòng)。每一換能器被驅(qū)動(dòng)以發(fā)射和接收一系列的掃描線a，b，c...， η。所有的換能器的這些η條掃描線的組合產(chǎn)生覆蓋距離S的掃描組。距離S是可由探測(cè)單元產(chǎn)生的B模式超聲圖像的寬度。在換能器單次橫越距離1期間捕獲的所有掃描線形成掃描組。每一掃描組中的掃描線被處理并作為超聲圖像顯示在顯示屏304上。顯示為超聲掃描圖像的圖像實(shí)質(zhì)上是在其由換能器獲取時(shí)具有相同的空間關(guān)系的一系列的掃描線的顯示。為了顯示為掃描圖像的一部分，每一掃描線必須包括指示換能器元件的相對(duì)位置的數(shù)據(jù)或者與指示換能器元件的相對(duì)位置的數(shù)據(jù)相關(guān)，在指示換能器元件的相對(duì)位置的數(shù)據(jù)被收到時(shí)換能器元件接收到掃描線數(shù)據(jù)。這可通過(guò)本領(lǐng)域中的任何已知的方式完成?？墒褂没趯?duì)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置或線性位置的了解的方法，或可通過(guò)例如線性編碼器的裝置直接監(jiān)測(cè)滑動(dòng)器的位置。每一掃描組對(duì)應(yīng)一單幀超聲圖像。在相同的換能器的接連的激發(fā)之間，換能器滑動(dòng)器移動(dòng)的距離，例如在獲取的掃描線a和b之間的距離和在獲取的掃描線b和c之間的距離足夠小以提供期望的圖像分辨率?？蓱?yīng)用后處理以用多種方法增強(qiáng)圖像?；瑒?dòng)器以往復(fù)方式移動(dòng)。在滑動(dòng)器每一次經(jīng)過(guò)要成像的區(qū)域時(shí)獲取新的掃描組。 掃描組按它們所接收的順序顯示以形成實(shí)時(shí)顯示。在現(xiàn)有技術(shù)的線性陣列換能器超聲探測(cè)器中，如在圖2中所示，掃描線之間的橫向距離與陣列中的接連的換能器元件之間的線性距離成比例。為了提供較高分辨率的圖像而不犧牲圖像的覆蓋范圍；或者為了提供較寬的圖像覆蓋范圍而不犧牲分辨率，需要更多的掃描線并因此需要更多的換能器元件。提供附加的元件是昂貴的。較大的換能器本身就比較昂貴，而且接入和控制附加元件所需要的附加的配線和電子器件(通常稱為通道)也是昂貴的。具有較少的、相對(duì)較遠(yuǎn)地分開設(shè)置的元件的陣列用較少的成本提供良好的圖像寬度，但犧牲了圖像中的掃描線的數(shù)量。如所描述的移動(dòng)換能器，允許換能器元件之間的相對(duì)較寬的間隙被掃描線“填滿”，據(jù)此提供與具有較多通道的系統(tǒng)類似的性能和圖像大小，從而大大降低成本和復(fù)雜度。掃描線的密度不受換能器元件的物理尺寸或元件的間隔或數(shù)量限制。為了顯示為掃描圖像的一部分，在掃描線被接收的空間關(guān)系中，每一掃描線必須包括指示換能器元件的相對(duì)位置的數(shù)據(jù)或者與指示換能器元件的相對(duì)位置的數(shù)據(jù)相關(guān)，在指示換能器元件的相對(duì)位置的數(shù)據(jù)被收到時(shí)換能器元件接收到掃描線數(shù)據(jù)。這可通過(guò)本領(lǐng)域中的任何已知的方式完成?？墒褂没趯?duì)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置或線性位置的了解的方法，或可通過(guò)例如線性編碼器的裝置直接監(jiān)測(cè)滑動(dòng)器的位置。該數(shù)據(jù)可作為掃描線數(shù)據(jù)的一部分；作為獨(dú)立的數(shù)據(jù)流被傳輸?shù)斤@示單元；或者可通過(guò)顯示單元中的處理器推斷和計(jì)算信肩、ο由圖5中的線性稀疏陣列捕獲的圖像具有S 554的最大寬度，其是換能器滑動(dòng)器的寬度加上由滑動(dòng)器行進(jìn)的距離。該寬度可通過(guò)增加滑動(dòng)器501的寬度來(lái)增加，但這樣增加了成本。另外，較大的滑動(dòng)器需要較大的探測(cè)單元，從易于使用的觀點(diǎn)來(lái)看，這是不可取的。
圖6示出適用于曲線型掃描頭形狀因子的本發(fā)明的示意圖；換能器滑動(dòng)器600附接了一個(gè)或多個(gè)換能器。圖示的實(shí)施方式具有4個(gè)換能器 605-608。換能器滑動(dòng)器被成型為圓弧。每一換能器能夠發(fā)射和接收超聲能量以產(chǎn)生單個(gè)的超聲掃描線601-604。換能器滑動(dòng)器被包含并形成超聲探測(cè)單元的一部分，如在圖3中所
7J\ ο在使用中，換能器滑動(dòng)器繞著穿過(guò)圓的中心的軸旋轉(zhuǎn)，該圓是換能器形成弧的圓。 這可通過(guò)使用支點(diǎn)在該中心處的旋轉(zhuǎn)臂完成。可選地，換能器滑動(dòng)器可通過(guò)弧形的導(dǎo)架引導(dǎo)?？刹捎孟拗苹瑒?dòng)器沿著圓弧的路徑移動(dòng)的其他方式。使滑動(dòng)器旋轉(zhuǎn)的電力由電機(jī)提供， 在優(yōu)選實(shí)施方式中，電機(jī)是超聲波電機(jī)。圖6b示出旋轉(zhuǎn)的換能器滑動(dòng)器610，其換能器615-618產(chǎn)生掃描線611-614，該滑動(dòng)器610疊加在滑動(dòng)器600的原始位置上。在圓外側(cè)放置換能器意味著被超聲波束覆蓋的總區(qū)域是圓的扇區(qū)。這允許比換能器的探測(cè)單元的寬度更寬的覆蓋范圍?；瑒?dòng)器的曲率越大，掃描區(qū)域的寬度可超出探測(cè)單元的寬度的量越大。所接收的掃描線被處理以作為超聲圖像顯示，該超聲圖像具有類似于所熟知的圓形超聲圖像的扇區(qū)的形狀因子。換能器滑動(dòng)器通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)要成像的區(qū)域的實(shí)時(shí)覆蓋。實(shí)質(zhì)上在一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)期間捕獲的所有掃描線被顯示以形成圖像幀。隨著掃描線被接收，幀的接連顯示給出實(shí)時(shí)顯示。實(shí)現(xiàn)了大約每秒20幀的實(shí)時(shí)幀速率。較高的幀速率是有可能的。圖7示出關(guān)于本發(fā)明的實(shí)施方式的換能器陣列滑動(dòng)器的三種可能的可選實(shí)施方式，其中換能器滑動(dòng)器是超聲波電機(jī)的滑動(dòng)器。具有換能器陣列滑動(dòng)器700，單獨(dú)的換能器 701機(jī)械地附接到其上或與滑動(dòng)器整體形成。如在圖7a中所示，滑動(dòng)器可包括整體形成的或機(jī)械附接到滑動(dòng)器700的主體的摩擦條703。摩擦條與觸頭或推動(dòng)器702接觸。該觸頭由壓電驅(qū)動(dòng)器705驅(qū)動(dòng)。壓電驅(qū)動(dòng)器由適當(dāng)?shù)男盘?hào)激勵(lì)，以使緊靠摩擦條的驅(qū)動(dòng)器的振動(dòng)以往復(fù)方式驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)器。壓電驅(qū)動(dòng)器包括附接到壓電材料的兩個(gè)電極706、707。在壓電材料的底部有一第三、公共電極(未示出)。將驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加到一個(gè)電極上，而另一電極保持懸空，引起在驅(qū)動(dòng)器中建立駐波，駐波引起觸頭振動(dòng)使得滑動(dòng)器在一個(gè)方向上被驅(qū)動(dòng)。對(duì)另一電極的類似的激勵(lì)引起滑動(dòng)器在相反的方向上被驅(qū)動(dòng)。彈簧或其他裝置(未示出)迫使摩擦條緊靠觸頭。滑動(dòng)器由框架或?qū)Ъ?未示出)限制以便以往復(fù)方式移動(dòng)。在可選實(shí)施方式中，如在圖7b中所示，滑動(dòng)器700可由倚靠滑動(dòng)器700的邊緣的導(dǎo)軌709、710限制和引導(dǎo)，其形成超聲波電機(jī)的一部分。有剛性附接到導(dǎo)軌上的壓電制動(dòng)器715-718。壓電制動(dòng)器具有電極和壓電材料。施加超聲波頻率的電信號(hào)引起壓電材料振動(dòng)，并將振動(dòng)傳遞到附接的導(dǎo)軌。成對(duì)的滑動(dòng)器邊緣和軌道709、710形成線性超聲波電機(jī)的接觸表面。通過(guò)將電信號(hào)施加到電極715-718在軌道中產(chǎn)生振動(dòng)。行波被引入導(dǎo)軌且滑動(dòng)器通過(guò)在該波上“沖浪” 進(jìn)行移動(dòng)。被引入的波的相位確定了行波的方向并因此確定了滑動(dòng)器的行進(jìn)方向。在所有的實(shí)施方式中，軌道還為滑動(dòng)器提供了物理支撐和線性引導(dǎo)。還提供有彈簧或類似的工具(未示出)以使接觸表面保持接觸。
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在圖7c中示出了另一實(shí)施方式。超聲波電機(jī)滑動(dòng)器730由振動(dòng)材料構(gòu)造而成，在該實(shí)施方式中為壓電材料。可以采用其他的超聲波振動(dòng)結(jié)構(gòu)?；瑒?dòng)器由導(dǎo)軌720支撐和引導(dǎo)。附接到滑動(dòng)器的是激勵(lì)電極721、722。還提供了公共漏電極(未示出)。超聲波頻率的電壓信號(hào)被施加到電極721，以將超聲波引入滑動(dòng)器，從而在一個(gè)方向上驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)器700和軌道720之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。施加到電極722的電壓信號(hào)用于在相反的方向上驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)器。如所示，滑動(dòng)器是超聲波電機(jī)的滑動(dòng)器，但應(yīng)該理解的是，換能器可由機(jī)械地附接到超聲波電機(jī)的滑動(dòng)器的背襯元件支撐。在這種情況下，電機(jī)滑動(dòng)器的大小和背襯元件的大小不具有實(shí)質(zhì)的關(guān)系。圖8a示出本發(fā)明的一實(shí)施方式，其中超聲波電機(jī)的滑動(dòng)器與換能器陣列分離。掃描頭810包括超聲波電機(jī)820，該超聲波電機(jī)820由激勵(lì)電極814、振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器815及由框架和導(dǎo)軌支撐的滑動(dòng)器818組成?；瑒?dòng)器包括摩擦層819，摩擦層819便于振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器815 和滑動(dòng)器818之間的驅(qū)動(dòng)摩擦。電機(jī)820被附接到電路板(PCB)Sll上，電路板811位于掃描頭810內(nèi)并通過(guò)定位導(dǎo)架812支撐。PCB包括或附接到超聲波電機(jī)控制電路816。該控制電路將信號(hào)供給激勵(lì)電極814以驅(qū)動(dòng)電機(jī)820。附接到滑動(dòng)器的是換能器陣列817。組成陣列的換能器可以是任何合適的類型。換能器附接到背襯元件，背襯元件機(jī)械地連接到電機(jī)的滑動(dòng)器818。由于主PCB機(jī)械地連接到電機(jī)和超聲換能器，并且電機(jī)能夠獨(dú)立于附件進(jìn)行操作，該布置簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的裝配和生產(chǎn)。換能器被電連接到PCB 811上的電路，該電路激勵(lì)換能器產(chǎn)生超聲波輸出并接收和處理從換能器返回的電信號(hào)。在圖示的實(shí)施方式中，提供了非液體減摩裝置以允許換能器陣列容易地滑過(guò)聲窗 813，在使用中，聲窗813與患者接觸。這沒(méi)有限制，其可以是固體潤(rùn)滑劑，或者聲窗的材料可本質(zhì)上提供低摩擦?？蓪⒙晫W(xué)匹配的潤(rùn)滑劑設(shè)置在掃描頭的前面板的內(nèi)側(cè)，以填充換能器和面板之間的間隙。在另一實(shí)施方式中，具有低摩擦系數(shù)和聲學(xué)匹配特性的固體材料條被設(shè)置在掃描頭的前面板的內(nèi)側(cè)，以填充換能器和前面板之間的間隙。在其他實(shí)施方式中，柔軟的、不透液體的薄膜可設(shè)置在換能器陣列817和電機(jī)820 之間，以形成帶有聲窗的封閉區(qū)。該封閉區(qū)包圍換能器陣列。因此由于電機(jī)防液體侵害，換能器陣列可以浸沒(méi)在液體中，這提供了在換能器陣列的換能器和聲窗之間的聲耦合。在這種情況下，換能器陣列在使用中不需要接觸聲窗。在換能器和聲窗之間的任何間隙將不會(huì)在接收到的超聲信號(hào)中引起顯著的混響，因?yàn)樵撻g隙會(huì)被聲學(xué)匹配的液體填充。在圖示的實(shí)施方式中，換能器陣列是具有8個(gè)壓電換能器的陣列。在其他實(shí)施方式中，可以采用其他數(shù)量和其他類型的換能器元件。在特定的實(shí)施方式中，可以使用電容式微機(jī)械超聲波換能器(CMUTQ或其他基于MEMS的換能器。參考圖8b，滑動(dòng)器可由旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在優(yōu)選實(shí)施方式中，旋轉(zhuǎn)電機(jī)是超聲波電機(jī)。往復(fù)運(yùn)動(dòng)(即滑動(dòng)器805的線性運(yùn)動(dòng))的范圍大約等于d(驅(qū)動(dòng)盤803的直徑)。 換能器元件808的數(shù)量是N。接連的換能器元件之間的線性距離是I。為了實(shí)現(xiàn)以相同的掃描線密度完全覆蓋要掃描的區(qū)域，1應(yīng)該小于或等于d是必要的。優(yōu)選地，1應(yīng)該大約等于d。優(yōu)選地d 1 = S/N所使用的換能器元件的數(shù)量可以根據(jù)包括覆蓋面積、電機(jī)速度、盤大小和電機(jī)響應(yīng)時(shí)間的若干因素改變。在圖示的實(shí)施方式中，具有安裝在滑動(dòng)器805上的8個(gè)3mm的圓形晶體808的7. 5MHz掃描頭與6mm寬的盤803組合，提供具有48mm(8X6mm)覆蓋范圍的掃描頭。超聲電機(jī)800的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)化成往復(fù)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)盤803具有從一面突出的離心針804。盤被附接到由旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軸802上。換能器元件陣列安裝其上的滑動(dòng)器805 包括槽807。盤的離心針804位于槽中。盤的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致針將往復(fù)運(yùn)動(dòng)傳遞到滑動(dòng)器?；瑒?dòng)器通過(guò)每一側(cè)上的軌道806被限制做在二維平面上的除了往復(fù)運(yùn)動(dòng)以外的運(yùn)動(dòng)。包含換能器陣列的掃描頭部分可使用液體介質(zhì)填充，以消除移動(dòng)的換能器元件 808和掃描頭的保護(hù)性前面板809之間的任何空氣界面。換能器陣列區(qū)由電機(jī)轉(zhuǎn)子802周圍的鉛封801與電機(jī)800隔開。這防止液體介質(zhì)進(jìn)入和可能損壞電機(jī)。在另一些實(shí)施方式中，可將換能器實(shí)現(xiàn)為使得陣列以曲線型模式移動(dòng)。這在圖6 中示意性地圖示了。在這樣的實(shí)施方式中，滑動(dòng)器被成型為圓形的一部分，而若使用導(dǎo)軌，導(dǎo)軌和前面板被成型為圓弧?？墒褂眯D(zhuǎn)電機(jī)或者線性電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)器。對(duì)于線性電機(jī)來(lái)說(shuō)，滑動(dòng)器和導(dǎo)架可形成線性電機(jī)，或者可提供獨(dú)立的線性電機(jī)。在使用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的情況下，關(guān)于圖示的使用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的實(shí)施方式，滑動(dòng)器可具有槽，該槽接受偏移針驅(qū)動(dòng)。該槽的橫截面是梯形的以適應(yīng)驅(qū)動(dòng)針的固定方向。在滑動(dòng)器部分的曲率半徑足夠小的情況下，旋轉(zhuǎn)電機(jī)可通過(guò)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子臂來(lái)移動(dòng)滑動(dòng)器。旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)軸可用于驅(qū)動(dòng)全環(huán)狀滑動(dòng)器。該滑動(dòng)器將在外面上具有換能器。這些換能器可被分組以形成圓弧形式的曲線型陣列，或者它們可以被均勻分配在環(huán)狀滑動(dòng)器的圓周周圍。在優(yōu)選實(shí)施方式中，電機(jī)使換能器陣列滑動(dòng)器以往復(fù)方式移動(dòng)穿過(guò)要掃描的區(qū)域的寬度。依次激發(fā)每一換能器元件。每次激發(fā)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的單個(gè)掃描線被收集。激發(fā)每一換能器元件之間的延遲應(yīng)該至少足以允許回聲從要成像的身體內(nèi)的那一深度返回，該深度是需要獲取圖像的位置。重復(fù)激發(fā)過(guò)程。一般地，在滑動(dòng)器的單次往復(fù)運(yùn)動(dòng)所花費(fèi)的時(shí)間內(nèi)， 每一換能器元件會(huì)被激發(fā)很多次。優(yōu)選地，激發(fā)被定時(shí)，使得在每一接連的往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，每一換能器元件的激發(fā)實(shí)質(zhì)上在關(guān)于探測(cè)單元主體的相同的位置。優(yōu)選地，換能器元件的接連的激發(fā)之間的延遲與來(lái)自換能器元件的波束的寬度相關(guān)，使得要掃描的區(qū)域的整個(gè)長(zhǎng)度被聚焦波束覆蓋。在可選的實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)通過(guò)在換能器滑動(dòng)器靜止時(shí)獨(dú)立地激發(fā)每一換能器元件進(jìn)行操作，以獲取一組掃描線。接著，電機(jī)將滑動(dòng)器移動(dòng)一步，在換能器元件被再次激發(fā)之前滑動(dòng)器停止，從而獲取第二組掃描線。這樣繼續(xù)下去直到覆蓋距離1。重復(fù)該過(guò)程。確定步的大小以提供在要成像的區(qū)域的所要求的掃描線密度。在使用中可以改變步的大小以優(yōu)化掃描系統(tǒng)的特征，例如幀速率或電機(jī)速度。
然后，組合所有的關(guān)于滑動(dòng)器的單次全程所獲取的掃描線，以形成實(shí)時(shí)超聲顯示的一幀。為了顯示為掃描圖像的一部分，每一掃描線必須包括指示換能器元件的相對(duì)位置的數(shù)據(jù)或者與指示換能器元件的相對(duì)位置的數(shù)據(jù)相關(guān)，在指示換能器元件的相對(duì)位置的數(shù)據(jù)被收到的時(shí)刻換能器元件接收到掃描線數(shù)據(jù)。這可通過(guò)本領(lǐng)域中的任何已知的方式完成，例如，滑動(dòng)器的位置可通過(guò)例如線性編碼器的裝置直接監(jiān)測(cè)。所使用的步的數(shù)量通過(guò)所需要的掃描線密度和換能器元件的間距I的大小確定。所使用的換能器元件的數(shù)量可以根據(jù)包括覆蓋面積、電機(jī)速度、所需要的掃描線密度和電機(jī)響應(yīng)時(shí)間的若干因素改變。在換能器的一次全程運(yùn)動(dòng)中所獲取的所有掃描線構(gòu)成用于顯示的單幀。這意味著換能器的激發(fā)速率總的來(lái)說(shuō)被確定為元件的數(shù)量、幀速率和用于覆蓋期望密度的元件之間的距離所需要的掃描線的數(shù)量的乘積。其他的元件激發(fā)方案是可能的。其中，這能夠被完成而在掃描線之間沒(méi)有不當(dāng)?shù)母蓴_，可以每次激發(fā)不止一個(gè)元件。沒(méi)有限制，實(shí)現(xiàn)該激發(fā)的方式是傳輸要編碼的脈沖，例如使用Barker碼、Golay碼或Gold碼進(jìn)行編碼，使得來(lái)自獨(dú)立的換能器的脈沖之間的相關(guān)性非常低。在另一實(shí)施方式中，滑動(dòng)器的長(zhǎng)度小于圖像寬度S的量大于換能器元件的間距I。 滑動(dòng)器的長(zhǎng)度可能更小。掃描頭和軌道覆蓋全部的圖像寬度。按漸進(jìn)的步子驅(qū)動(dòng)滑動(dòng)器以覆蓋所需要的圖像寬度。在該實(shí)施方式中，換能器陣列的元件可以按照鄰近的元件給出期望的掃描線密度的間距布置。在這種情況下，滑動(dòng)器可移動(dòng)與在陣列的每一完全激發(fā)之間所述滑動(dòng)器的全部長(zhǎng)度相等的數(shù)量。在最一般的情況下，換能器可由單個(gè)元件組成。這在當(dāng)前不是優(yōu)選的實(shí)施方式，因?yàn)槌暡姍C(jī)的局限性之一是它們具有低線性速度和旋轉(zhuǎn)速度。這造成對(duì)超聲波晶體能夠掃描感興趣的區(qū)域的速度的限制，并因此限制了系統(tǒng)幀速率。因此使用包含不止一個(gè)晶體的陣列，減小了晶體的往返距離并降低了電機(jī)速度要求，這是當(dāng)前優(yōu)選的，但在電機(jī)設(shè)計(jì)中的進(jìn)一步的改進(jìn)可以使該可選實(shí)施方式可行。通過(guò)電激勵(lì)換能器元件以產(chǎn)生超聲脈沖，然后在產(chǎn)生另一脈沖之前傾聽回聲，來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖波多普勒成像。這在單個(gè)位置快速完成，并且返回的回聲中的變化的頻率偏移用于檢測(cè)被成像的特征中的運(yùn)動(dòng)，例如血流。這些模式對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的換能器系統(tǒng)是不可行的，因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的換能器系統(tǒng)不能保持靜止，也不能快速且精確地重新定位。這能夠通過(guò)本發(fā)明的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槌暡姍C(jī)具有非常好的響應(yīng)時(shí)間并能夠非常精確地定位，而誤差在納米范圍內(nèi)。這允許當(dāng)發(fā)送和接收超聲脈沖時(shí)換能器在已知位
置完全靜止。彩色多普勒將實(shí)時(shí)成像與多普勒成像相結(jié)合。當(dāng)顯示一條或多條掃描線的多普勒信息的同時(shí)，在全部的圖像區(qū)域顯示實(shí)時(shí)圖像。這對(duì)于使用移動(dòng)換能器的任何現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是不可能的，因?yàn)槎嗥绽找髠鬏斣谝阎奈恢帽３朱o止，而實(shí)時(shí)掃描要求換能器移動(dòng)。在提供彩色多普勒功能的實(shí)施方式中，換能器陣列被控制移動(dòng)來(lái)為用戶在顯示器上產(chǎn)生實(shí)時(shí)移動(dòng)圖像。用戶能夠選擇顯示圖像的區(qū)域以獲取彩色多普勒信息。位于選定區(qū)域的上方的選定的換能器的元件激發(fā)所需數(shù)量的脈沖并接收必要的回聲以獲取運(yùn)動(dòng)信息， 該運(yùn)動(dòng)信息成為彩色多普勒頻移數(shù)據(jù)。當(dāng)獲取多普勒信息時(shí)，換能器陣列是靜止的。然后， 實(shí)時(shí)掃描操作繼續(xù)，換能器通過(guò)超聲波電機(jī)進(jìn)行移動(dòng)。當(dāng)換能器陣列移動(dòng)時(shí)，獲取實(shí)時(shí)圖像掃描線。當(dāng)換能器移動(dòng)了選定的距離時(shí)，換能器停止，并且選定的元件再次激發(fā)多個(gè)脈沖， 從而獲取多普勒信息。這樣繼續(xù)下去直到獲取全部的實(shí)時(shí)圖像幀和該幀的子集的多普勒信息。然后，重復(fù)該過(guò)程以獲取實(shí)時(shí)圖像顯示。彩色多普勒信息和實(shí)時(shí)信息組合在單一顯示中，如在本領(lǐng)域中所知道的。超聲波電機(jī)的快速響應(yīng)和優(yōu)良的定位精度允許換能器逐步完全停止、激發(fā)所需數(shù)量的超聲脈沖、傾聽回聲，然后移動(dòng)到下一條線，而同時(shí)執(zhí)行實(shí)時(shí)成像。一般地，當(dāng)使用彩色多普勒時(shí)會(huì)降低實(shí)時(shí)幀速率。使用超聲波電機(jī)的實(shí)施方式還可使用曲線型陣列，其中線性滑動(dòng)器用曲線型滑動(dòng)器代替，曲線型滑動(dòng)器具有安裝在其上面或加工為滑動(dòng)器的一部分的N個(gè)換能器元件。軌道和前面板也將按曲線型結(jié)構(gòu)制造。超聲波電機(jī)容易按不同的形狀和大小制造。在滑動(dòng)器本身是電機(jī)的一部分的實(shí)施方式中，不需要專門布置或成型的滑動(dòng)器來(lái)允許滑動(dòng)器由外部的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在可選實(shí)施方式中，與曲線型滑動(dòng)器分離的線性超聲波電機(jī)可用于使曲線型滑動(dòng)器移動(dòng)通過(guò)圓弧。在連續(xù)的旋轉(zhuǎn)中，滑動(dòng)器可被驅(qū)動(dòng)通過(guò)整圓。在這種情況下，只有當(dāng)換能器在要掃描的身體上方時(shí)，換能器才會(huì)起作用。這對(duì)于微曲線形的掃描頭來(lái)說(shuō)特別重要，曲線形的掃描頭具有相對(duì)緊密的曲率半徑以允許肋骨之間的成像?？商峁﹥蓚€(gè)或多個(gè)換能器，每一個(gè)具有不同的運(yùn)行頻率，允許以不同的頻率同時(shí)掃描或分開掃描。如對(duì)其他實(shí)施方式所描述的，多普勒成像也是可行的。在一實(shí)施方式中，軌道形成為圓形以及滑動(dòng)器被驅(qū)動(dòng)以連續(xù)地旋轉(zhuǎn)也是可能的。 在這種情況下，只有當(dāng)換能器在要掃描的身體上方時(shí)，換能器才會(huì)起作用。這對(duì)于微曲線形的掃描頭來(lái)說(shuō)特別重要，微曲線形的掃描頭具有相對(duì)緊密的曲率半徑以允許肋骨之間的成像。可提供兩個(gè)或多個(gè)換能器，每一個(gè)具有不同的運(yùn)行頻率，允許以不同的頻率同時(shí)掃描或分開掃描。如對(duì)其他實(shí)施方式所描述的，多普勒成像也是可行的。在圖8c中示出的另一實(shí)施方式中，提供了超聲波旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中電機(jī)的轉(zhuǎn)子直接支撐換能器的環(huán)形陣列。如在圖8c中所示，超聲波電機(jī)由支撐超聲換能器851的轉(zhuǎn)子852 組成。轉(zhuǎn)子環(huán)繞壓電環(huán)諧振器852。壓電諧振器連接到鋼推動(dòng)器854。在諧振器852中引入駐超聲波，使得環(huán)在半徑方向上擴(kuò)張和收縮。推動(dòng)器以導(dǎo)致推動(dòng)器進(jìn)行橢圓運(yùn)動(dòng)的方式振動(dòng)。推動(dòng)器緊靠轉(zhuǎn)子853，使得轉(zhuǎn)子通過(guò)轉(zhuǎn)子和推動(dòng)器之間的摩擦嚙合而旋轉(zhuǎn)。該旋轉(zhuǎn)電機(jī)在圓中驅(qū)動(dòng)換能器851，使之經(jīng)過(guò)光學(xué)窗855。只有當(dāng)換能器與超聲窗對(duì)齊并因此在聲穿透要成像的目標(biāo)的一部分的位置時(shí)，每一超聲換能器才被激活。超聲波電機(jī)的效率不受尺寸的影響，因此它們?cè)谖⑿碗姍C(jī)領(lǐng)域中具有優(yōu)勢(shì)。這允許構(gòu)造小尺寸和低重量的裝置。超聲波電機(jī)不產(chǎn)生在電磁電機(jī)的運(yùn)行中固有的電磁干擾。對(duì)超聲系統(tǒng)來(lái)說(shuō)這是一優(yōu)點(diǎn)，即在超聲系統(tǒng)中，所接收的電信號(hào)固有地具有低功率和易受干擾影響。對(duì)手持超聲系統(tǒng)來(lái)說(shuō)這具有另一優(yōu)點(diǎn)，即減小了在電子組件和電機(jī)之間屏蔽的需要，這減小了尺寸、重量
16和成本。為了產(chǎn)生用于掃描的超聲能量，超聲換能器元件通過(guò)高壓電源激勵(lì)。該高壓電源供電的電壓大小一般在大約幾十伏或幾百伏。在采用超聲波電機(jī)的那些實(shí)施方式中，形成超聲波電機(jī)的超聲波元件也通過(guò)可能具有類似的輸出特性的高壓電源驅(qū)動(dòng)。在另一些實(shí)施方式中，超聲換能器元件和超聲波電機(jī)由公共電源驅(qū)動(dòng)。這造成較低的成本。在圖9中，示出了本發(fā)明的實(shí)施方式的體系結(jié)構(gòu)?？驁D示出了探測(cè)單元，該探測(cè)單元包括掃描頭901和探測(cè)單元主體903。可能還有主機(jī)單元(未示出)，其提供顯示器和至少一部分用戶接口，使用USB接口 920將它們連接到系統(tǒng)。對(duì)于探測(cè)單元來(lái)說(shuō)，較小的尺寸和重量是可取的以方便手持使用。在一實(shí)施方式中，探測(cè)單元的尺寸大約是15CmX8CmX3Cm。在另一實(shí)施方式中，探測(cè)單元的重量是500g 或更小。在優(yōu)選實(shí)施方式中，探測(cè)單元的尺寸大約是llCmX6CmX2Cm，重量是大約200g。掃描頭901包括換能器906，換能器906被布置為滑動(dòng)器元件905上的換能器陣列?；瑒?dòng)器元件由超聲波電機(jī)908驅(qū)動(dòng)?；瑒?dòng)器905的位置由位置編碼器907監(jiān)測(cè)。換能器906連接到多路復(fù)用器909。激勵(lì)換能器以產(chǎn)生超聲輸出的電信號(hào)和來(lái)自換能器的響應(yīng)于接收到的回聲的電信號(hào)通過(guò)多路復(fù)用器909。多路復(fù)用器可被設(shè)置在探測(cè)主體903內(nèi)，或者省略，以在掃描頭901和探測(cè)單元主體903之間設(shè)置更多的連接為代價(jià)。用戶控制超聲掃描系統(tǒng)是通過(guò)用戶接口，用戶接口可被整體設(shè)置在主機(jī)單元上、 整體設(shè)置在探測(cè)單元上，或被分離或復(fù)制在探測(cè)單元和主機(jī)單元之間。在圖示的實(shí)施方式中，有包含在探測(cè)單元的用戶控制面板902，該面板包括啟動(dòng)和停止掃描的鎖定按鈕，提供增量、減量和選擇功能的一組按鈕，以及“后退”按鈕。這些按鈕用于對(duì)系統(tǒng)的基本控制，包括但不限于啟動(dòng)和停止掃描、深度調(diào)節(jié)、增益調(diào)節(jié)、操作模式選擇和預(yù)設(shè)選擇以及其他基本設(shè)置中的一些或全部。用戶控制面板902將識(shí)別按鈕的狀態(tài)的數(shù)據(jù)發(fā)送到微控制器930，在該實(shí)施方式中，微控制器930是組合的微控制器/DSP器件(例如來(lái)自德州儀器的0MAP3525 應(yīng)用處理器)的一部分。微控制器監(jiān)測(cè)控制面板的狀態(tài)并提供適當(dāng)?shù)拿顏?lái)控制適當(dāng)?shù)碾娮与娐芬栽试S用戶控制超聲系統(tǒng)。在此需要圖形用戶界面，這顯示在主機(jī)單元上。微控制器930包含用于在掃描期間控制裝置的操作的一組參數(shù)。在最初起動(dòng)時(shí)， 創(chuàng)建了默認(rèn)的一組參數(shù)，這些默認(rèn)的參數(shù)然后能夠由用戶在掃描之前或在掃描期間修改。 這些參數(shù)包括但不限于運(yùn)行頻率、活躍的掃描模式、增益曲線、掃描深度、多普勒門深度和角度(若需要)、彩色多普勒范圍(若需要)、功率多普勒范圍(如需要)和M模式脈沖重復(fù)率。可利用的掃描模式可包括但不限于B模式、M模式和使用脈沖波多普勒的可利用的模式中的任何一個(gè)或所有的，所述脈沖波多普勒包括彩色多普勒、功率多普勒和光譜多普勒以及雙工多普勒。當(dāng)掃描被激活或參數(shù)改變時(shí)，微控制器將相關(guān)的參數(shù)傳遞給數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)931和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)932。當(dāng)用戶通過(guò)按控制面板上的按鈕或者通過(guò)激活主機(jī)上的控件開始掃描時(shí)，微控制器將命令和任何更新的配置參數(shù)一起發(fā)送到DSP和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)以激活掃描。 DSP被配置為根據(jù)參數(shù)接收和處理超聲數(shù)據(jù)，參數(shù)可包括關(guān)于多普勒處理的參數(shù)。微控制器和FPGA —起提供控制掃描頭超聲波電機(jī)的功能。超聲波電機(jī)的位置編碼器908產(chǎn)生與超聲波電機(jī)在任意時(shí)刻的位置成比例的值。帶有時(shí)間戳的所述位置保存在FPGA中的寄存器中，并且微控制器讀取該信息以計(jì)算速度。將該速度與期望的速度作比較。 電機(jī)控制單元910被指示改變施加到超聲波電機(jī)908的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓和頻率，以實(shí)現(xiàn)期望的速度。圖14示出FPGA的功能。FPGA接收并解碼超聲波電機(jī)的位置編碼器907的輸出， 以及將信息提供給微控制器，以便微控制器重新計(jì)算超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。FPGA包括時(shí)序狀態(tài)機(jī)145，時(shí)序狀態(tài)機(jī)145使用解碼的位置信息以確定產(chǎn)生從換能器輸出的下一超聲脈沖序列的適當(dāng)時(shí)間，這可通過(guò)驅(qū)動(dòng)發(fā)射脈沖控制器144實(shí)現(xiàn)。發(fā)射脈沖控制器144產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所需產(chǎn)生的掃描線的類型的控制信號(hào)。對(duì)于B模式掃描線，產(chǎn)生通過(guò)高壓電源(HV電源)934提供的電壓且在成像頻率的單一脈沖。這些電壓通常高達(dá)+-100V。對(duì)于多普勒，以多普勒成像頻率產(chǎn)生具有若干脈沖(常為8個(gè)脈沖) 的序列。這些多普勒脈沖通常比B模式脈沖具有更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。在Tx脈沖發(fā)生器933 激發(fā)之前預(yù)配置多路復(fù)用器，以將發(fā)送脈沖引導(dǎo)到適當(dāng)?shù)膱A形換能器晶體。換能器晶體906 響應(yīng)于發(fā)射到要成像的身體中的電脈沖產(chǎn)生超聲波波形。超聲波波形被聲阻抗中的改變反射，產(chǎn)生回聲，該回聲在換能器晶體906處以較低的壓力被接收。晶體將該低壓波形轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)通過(guò)多路復(fù)用器被引導(dǎo)到輸入保護(hù)電路935。輸入保護(hù)電路保護(hù)敏感的低噪聲放大器(LNA) 936免受高壓發(fā)射脈沖的影響，而讓低電壓接收信號(hào)通過(guò)。在現(xiàn)有技術(shù)中，已知若干輸入保護(hù)電路。低噪聲放大器(LNA)提供對(duì)較小的接收信號(hào)的放大，而幾乎沒(méi)有將噪聲添加到輸出信號(hào)。LNA通常是單端的，并且產(chǎn)生差模輸出電壓用于饋送到時(shí)間增益放大器(TGA)937。 TGA提供進(jìn)一步的放大，所提供的放大率取決于時(shí)間。當(dāng)超聲信號(hào)通過(guò)組織傳播時(shí)會(huì)衰減， TGA通過(guò)根據(jù)自從接收脈沖開始的時(shí)間增加增益來(lái)補(bǔ)償該衰減，衰減與回聲反射的深度成比例。時(shí)間增益放大器的輸出被濾波以去掉盡可能多的噪聲并防止失真。通常使用帶通濾波器938。濾波器的輸出被輸入到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器939。優(yōu)選采樣頻率至少為成像頻率的4 倍。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出被輸入到FPGA 932中的先進(jìn)先出存儲(chǔ)器(FIFO) 147。FPGA將一些頭信息添加到每一完整的掃描線，所述頭信息包括掃描線的類型(例如，B模式或多普勒型)、電機(jī)位置編碼器輸入(若需要)和時(shí)間計(jì)數(shù)。該信息可在處理的后期根據(jù)配置參數(shù)使用。DSP從FPGA FIFO讀取掃描線，并根據(jù)配置參數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。圖10是不具有實(shí)時(shí)超聲能力但使用較低成本的單通道系統(tǒng)的系統(tǒng)的配置，在所述單通道系統(tǒng)中，超聲波束相對(duì)于系統(tǒng)靜止。提供了單個(gè)換能器1001，其與探測(cè)單元主體處于固定的關(guān)系。還提供了陀螺儀1002。當(dāng)換能器產(chǎn)生脈沖波時(shí)，通過(guò)在弧中移動(dòng)探測(cè)單元 (掃描頭1003與患者的接觸點(diǎn)實(shí)質(zhì)上是不變的)來(lái)創(chuàng)建圖像。這將產(chǎn)生掃描線序列，所述掃描線整體構(gòu)成扇區(qū)圖像。陀螺儀提供關(guān)于每一掃描線的相對(duì)位置的信息，從而允許掃描線被組合為圖像。圖11示出本發(fā)明的另一實(shí)施方式，其中掃描頭1101包含電機(jī)908和陀螺儀1103。 陀螺儀被定位使得它提供垂直于從換能器陣列1102產(chǎn)生的B模式圖像的圖像平面的角度測(cè)量。通過(guò)提供陀螺儀，該系統(tǒng)能夠根據(jù)2D圖像掃描的序列構(gòu)建3D圖像，以及確定體積。 在使用中，對(duì)于圖9中的系統(tǒng)，產(chǎn)生一系列B模式圖像。探測(cè)單元在垂直于B模式圖像的圖
18像平面的弧中移動(dòng)。另外，該操作類似于在圖9中所描述的系統(tǒng)。參考圖14，F(xiàn)PGA時(shí)序狀態(tài)機(jī)145連接到其中提供陀螺儀的實(shí)施方式中的陀螺儀上。陀螺儀角度測(cè)量與先進(jìn)先出(FIFO)存儲(chǔ)器147中的超聲掃描線信息相結(jié)合，并被數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)讀取。在使用單個(gè)換能器的情況下，陀螺儀信息被用來(lái)組合掃描線以形成扇區(qū)圖像。在使用換能器陣列的情況下，陀螺儀信息被用來(lái)將B模式扇區(qū)圖像組合成體積的表示，該體積的表示也可用于需要3D體積計(jì)算的任何應(yīng)用。圖12示出本發(fā)明的可選實(shí)施方式，其中，到主機(jī)顯示器和控制系統(tǒng)的接口是通過(guò)無(wú)線接口。提供了由微控制器930控制的無(wú)線接口模塊1202。提供了天線1201用于信號(hào)傳輸。該接口提供了到主機(jī)單元的通信和來(lái)自主機(jī)單元的通信。盡管可能需要提供一個(gè) USB接口用于接入第三方硬件，但不需要USB接口用于與主機(jī)單元的通信。在目前的優(yōu)選實(shí)施方式中，所使用的無(wú)線協(xié)議是WiFi Direct。圖13示出本發(fā)明的可選實(shí)施方式，其中沒(méi)有主機(jī)單元。提供了顯示器1301，其與探測(cè)單元整合在一起。還提供了增強(qiáng)的用戶控制模塊1302。這包括之前所描述的實(shí)施方式的控制面板的功能，但還包括允許在缺少主機(jī)單元的情況下完全控制系統(tǒng)的功能?？刂颇K可包括顯示在顯示器1301上的圖形用戶界面。該顯示器可以是觸摸屏，其能夠?qū)⑤斎胩峁┙o用戶界面。在不同的實(shí)施方式中，DSP的操作將改變。在連接主機(jī)控制與顯示系統(tǒng)的情況下， 可通過(guò)主機(jī)單元執(zhí)行某些處理和控制功能及顯示功能。在不使用主機(jī)的情況下，所有的功能由探測(cè)單元執(zhí)行，這增加了在DSP上的載荷。主機(jī)和探測(cè)單元之間的功能分離的限制來(lái)自主機(jī)的處理能力及用于在主機(jī)和探測(cè)單元之間的傳輸?shù)目捎脦?。一般地，設(shè)計(jì)算法的實(shí)施和分支以最小化主機(jī)的處理需求和傳輸所需要的帶寬。圖15示出用于處理組合的B模式/多普勒型的算法、其中超聲探測(cè)單元和主機(jī)顯示系統(tǒng)之間的任務(wù)分開。在B模式處理鏈中的第一步是使用HR帶通濾波器過(guò)濾數(shù)字的輸入rf掃描線數(shù)據(jù)。根據(jù)連接到系統(tǒng)的換能器和成像頻率調(diào)節(jié)濾波器。例如，對(duì)于3MHz成像頻率，可使用1 到5MHz的帶通濾波器。對(duì)于8MHz成像頻率，可使用4. 5到11. 5MHz的帶通濾波器。在濾波之后，生成rf掃描線數(shù)據(jù)的包絡(luò)線。優(yōu)選方法是使用Hilbert變換生成rf掃描線的同相(I)分量和正交(Q)分量。最終的包絡(luò)線通過(guò)對(duì)I分量的平方和Q分量的平方求和并取結(jié)果的平方根來(lái)生成。
包絡(luò)線=I2+ρ2有若干用于生成Hilbert變換的算法。優(yōu)選實(shí)施方式是使用HR逼近。作為包絡(luò)線生成的一部分，掃描線可被降低采樣或抽取。降低采樣2-4個(gè)因數(shù)是可能的，這取決于所使用的掃描變換算法。在優(yōu)選實(shí)施方式中，使用雙線性插值法的掃描變換將掃描線降低采樣4個(gè)因數(shù)。可選實(shí)施方式是降低采樣2個(gè)因數(shù)并使用計(jì)算較不密集的插值算法，例如根據(jù)在像素區(qū)域內(nèi)部的采樣點(diǎn)的平均值計(jì)算像素強(qiáng)度，并在相鄰的像素之間插入其他像素的算法。在降低采樣之后，掃描線被從模/數(shù)字大小壓縮成8位字大小，以將信號(hào)映射到期望的灰度等級(jí)用于顯示。
然后，降低采樣的掃描線通過(guò)掃描轉(zhuǎn)換被轉(zhuǎn)換成矩形圖像顯示。該掃描轉(zhuǎn)換的執(zhí)行分為2個(gè)階段。第一階段是將圖像轉(zhuǎn)換成具有高分辨率的壓縮的矩形陣列，優(yōu)選地具有小于超聲脈沖的軸向分辨率的一半的像素分辨率。常用的掃描轉(zhuǎn)換算法是2X2雙線性插值法，其將掃描線點(diǎn)從極坐標(biāo)系映射到直角坐標(biāo)系。參考圖16a，示出了來(lái)自相位陣列或較小的直徑環(huán)形換能器的理想化的掃描。掃描區(qū)域1602可看作具有原點(diǎn)1601的圓的扇區(qū)。 實(shí)際上，換能器不是點(diǎn)源，而是其與掃描深度相比較小。每一掃描線1603的位置在極坐標(biāo)中可用長(zhǎng)度r和角度θ表征。參考圖16b，示出了關(guān)于具有曲率半徑R和寬度W的曲線型陣列的扇區(qū)掃描1604。該掃描是截去頂端的圓的扇區(qū)。每一掃描線1605可用極坐標(biāo)中的長(zhǎng)度R+r和角度θ表征。圖16c示出關(guān)于線性陣列的具有掃描線1608的理想化的掃描1607。該表征坐標(biāo)是線性的，但一般不會(huì)對(duì)應(yīng)于期望用于顯示的線性坐標(biāo)系。在圖16所示出的每一種情況中，要求掃描轉(zhuǎn)換以將所需要的掃描線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成用于向用戶顯示的圖像的像素?cái)?shù)據(jù)。對(duì)于扇形的圖像來(lái)說(shuō)，壓縮算法通過(guò)忽略不包含實(shí)際的圖像數(shù)據(jù)的圖像區(qū)域來(lái)減小圖像大小。有若干方法可以用于執(zhí)行該算法，一種是簡(jiǎn)單的格式，其中每一像素行包含具有起始像素和有效數(shù)據(jù)的像素?cái)?shù)量的頭。該技術(shù)產(chǎn)生接近2的壓縮比率。另一可提供合理結(jié)果的無(wú)損技術(shù)是行程編碼?？墒褂肔ZW編碼或諸如png的基于Huffman的編碼。根據(jù)系統(tǒng)配置，對(duì)高分辨率壓縮矩形陣列進(jìn)行不同的處理。該陣列存儲(chǔ)在本地存儲(chǔ)器中，通常有高達(dá)100個(gè)壓縮幀被本地存儲(chǔ)。同時(shí)，當(dāng)前幀從超聲探測(cè)器傳輸?shù)街鳈C(jī)顯示系統(tǒng)。主機(jī)顯示系統(tǒng)通過(guò)將圖像解壓縮到高分辨率緩沖區(qū)、從高分辨率緩沖區(qū)插值到臨時(shí)的顯示圖像緩沖區(qū)、運(yùn)用任意灰度級(jí)調(diào)整、結(jié)合任何多普勒?qǐng)D像信息(若需要)并最終寫到顯示緩沖區(qū)來(lái)完成該處理。圖15還示出用于處理和顯示分布在B模式圖像上的多普勒信息所需要的步驟。 當(dāng)生成多普勒信息時(shí)，系統(tǒng)生成具有一致相位的多普勒脈沖序列并處理接收到的一組掃描線。原始輸入的rf掃描線被正交編碼，通過(guò)將回聲信號(hào)乘以換能器激勵(lì)頻率的余弦和正弦函數(shù)來(lái)提取同相(I)和正交(Q)分量。來(lái)自正交編碼器的I和Q輸出被低通濾波，并被抽取或降低采樣。降低采樣率為4產(chǎn)生了令人滿意的結(jié)果，但可以采用其他因數(shù)。降低采樣器的輸出被保存到緩沖區(qū)，直到接收到一組完整的掃描線。盡管可以調(diào)整組的大小，但通常一組是8條掃描線。使用壁濾波器對(duì)數(shù)據(jù)組進(jìn)行濾波。壁濾波器的功能是減少來(lái)自例如腹壁的較大、較慢移動(dòng)的特征的影響。在圖示的實(shí)施方式中，壁濾波器是HR類型的高通濾波器?？蛇x地使用狀態(tài)空間模型UR濾波器，其減小了 UR濾波器的瞬態(tài)響應(yīng)長(zhǎng)度。狀態(tài)空間初始化使用步初始化方案提供了令人滿意的衰減。在優(yōu)選實(shí)施方式中，使用自相關(guān)技術(shù)處理所濾波的一組掃描線以生成速度、功率和湍流信息。所述一組掃描線的多普勒功率被計(jì)算如下
權(quán)利要求
1.一種超聲換能器探測(cè)單元，其包括主體部分以及用于發(fā)射和接收超聲波信號(hào)的至少一個(gè)換能器，其中所述換能器通過(guò)超聲波電機(jī)以重復(fù)的運(yùn)動(dòng)相對(duì)于所述主體部分移動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的探測(cè)單元，其中具有被布置成陣列的多個(gè)換能器。
3.如權(quán)利要求2所述的探測(cè)單元，其中所述換能器的陣列以往復(fù)運(yùn)動(dòng)沿著線性軸移動(dòng)選定的線性距離，在沿著所述線性軸的所述陣列的所述換能器之間的線性間距具有與所述線性距離近似相同的大小，所述探測(cè)單元被操作以在每一往復(fù)運(yùn)動(dòng)期間獲取多條掃描線。
4.如權(quán)利要求2所述的探測(cè)單元，其中所述電機(jī)適于周期性地將所述換能器的運(yùn)動(dòng)停止在至少一個(gè)停止位置，當(dāng)所述換能器停止在所述停止位置時(shí)，至少一個(gè)換能器發(fā)射和接收適合于提供多普勒信息的超聲波信號(hào)。
5.如權(quán)利要求1所述的探測(cè)單元，其中所述探測(cè)單元適于產(chǎn)生適合于處理的掃描線數(shù)據(jù)，以允許顯示門控多普勒、功率多普勒、脈沖波多普勒、彩色多普勒和雙工多普勒信息中的至少一個(gè)。
6.如權(quán)利要求1所述的探測(cè)單元，其中所述探測(cè)單元的重量小于500克。
7.如權(quán)利要求1所述的探測(cè)單元，其中所述探測(cè)單元的重量小于200克。
8.如權(quán)利要求1所述的探測(cè)單元，其中所述探測(cè)單元具有方便手持的大小。
9.如權(quán)利要求8所述的探測(cè)單元，其中所述探測(cè)單元具有15厘米的最大線性尺寸。
10.如權(quán)利要求8所述的探測(cè)單元，其中所述探測(cè)單元具有12厘米的最大線性尺寸。
11.一種超聲換能器探測(cè)單元，其包括具有換能器的陣列的超聲換能器單元，其中所述換能器單元以往復(fù)運(yùn)動(dòng)沿著線性軸移動(dòng)選定的線性距離，在沿著所述線性軸的所述換能器單元的所述換能器之間的線性間距具有與所述線性距離近似相同的大小，所述探測(cè)單元被操作以在每一往復(fù)運(yùn)動(dòng)期間獲取多條掃描線。
12.如權(quán)利要求5所述的探測(cè)單元，其中所述往復(fù)運(yùn)動(dòng)由多個(gè)分離的步驟組成，只有當(dāng)所述換能器靜止時(shí)才獲取掃描線。
13.如權(quán)利要求5或權(quán)利要求12所述的探測(cè)單元，其中所述換能器的運(yùn)動(dòng)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
14.如權(quán)利要求5或權(quán)利要求12所述的探測(cè)單元，其中所述換能器的運(yùn)動(dòng)由線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
15.如權(quán)利要求13或14所述的探測(cè)單元，其中所述電機(jī)是超聲波電機(jī)。
16.一種超聲換能器探測(cè)單元，其包括主體部分以及用于發(fā)射和接收超聲波信號(hào)的至少一個(gè)換能器、適于以重復(fù)運(yùn)動(dòng)相對(duì)所述主體部分機(jī)械地移動(dòng)所述換能器以聲穿透要成像的身體區(qū)域的電機(jī)組件，所述電機(jī)組件適于周期性地將所述換能器的運(yùn)動(dòng)停止在多個(gè)停止位置，其中所述換能器的運(yùn)動(dòng)能夠被控制以小于1毫米的誤差返回到相對(duì)于所述主體部分的選定的停止位置。
17.如權(quán)利要求16所述的探測(cè)單元，其中所述換能器的運(yùn)動(dòng)能夠被控制以小于500納米的誤差返回到相對(duì)于所述主體部分的選定的停止位置。
18.如權(quán)利要求16所述的探測(cè)單元，其中所述換能器的運(yùn)動(dòng)能夠被控制以小于100納米的誤差返回到相對(duì)于所述主體部分的選定的停止位置。
19.一種超聲掃描方法，其中提供具有至少一個(gè)超聲換能器的陣列，所述換能器通過(guò)超聲波電機(jī)以重復(fù)的運(yùn)動(dòng)相對(duì)于要成像的身體移動(dòng)，產(chǎn)生用于顯示的超聲圖像，所述圖像包括由所述換能器在沿著所述運(yùn)動(dòng)的路徑的連續(xù)點(diǎn)上獲取的掃描線，每一換能器為所述圖像提供多條掃描線。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括以下步驟用戶選擇作為多普勒窗口的所述圖像的區(qū)域；所述換能器被移動(dòng)并獲取圖像掃描線，所述換能器被控制以停止在停止位置使得由所述換能器獲取的掃描線落入所述多普勒窗口內(nèi)，所述換能器在所述停止位置獲取多條掃描線用于多普勒處理，所述換能器被再一次移動(dòng)并獲取掃描線，所述換能器返回到所述停止位置并獲取用于多普勒處理的另外多條掃描線，返回到所述停止位置具有足以允許連續(xù)的多普勒成像的精度，所述掃描線被處理以向用戶提供帶有多普勒信息的超聲圖像的顯不。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中有多個(gè)停止位置。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述超聲掃描功能包括B模式以及門控多普勒、功率多普勒、脈沖波多普勒、彩色多普勒、雙工多普勒和3D體成像中的至少一個(gè)。
23.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述換能器的陣列的運(yùn)動(dòng)是以分離的步驟進(jìn)行的。
24.一種使用超聲換能器的稀疏陣列產(chǎn)生超聲圖像的方法，所述方法包括以下步驟 通過(guò)激發(fā)所述換能器中的至少一個(gè)換能器并接收從要成像的身體返回的超聲回聲來(lái)獲取超聲掃描線，將所述陣列移動(dòng)一步進(jìn)距離， 從所述換能器獲取另外的超聲掃描線，重復(fù)獲取掃描線和移動(dòng)所述陣列的步驟并直到所述陣列移動(dòng)選定的距離，所述選定的距離實(shí)質(zhì)上大于所述步進(jìn)距離，以和所述掃描線被捕獲的空間關(guān)系成比例的空間關(guān)系顯示所獲取的掃描線， 重復(fù)所述步驟以顯示實(shí)時(shí)超聲圖像。
25.如權(quán)利要求M所述的方法，其中所述陣列以一系列分離的步驟移動(dòng)，只有當(dāng)所述陣列靜止時(shí)才獲取掃描線。
26.如權(quán)利要求M所述的方法，其中，在來(lái)自用戶的開始和停止命令之間實(shí)質(zhì)上連續(xù)地移動(dòng)所述陣列并獲取掃描線數(shù)據(jù)。
27.一種包括換能器的陣列的超聲成像裝置，其中在相鄰的換能器之間的距離大于產(chǎn)生具有選定分辨率的超聲圖像所需要的相鄰的掃描線的最小間距，所述裝置適于產(chǎn)生至少具有所述選定分辨率的超聲圖像。
28.如權(quán)利要求27所述的裝置，其中所述換能器的陣列由滑動(dòng)器元件支撐，所述滑動(dòng)器元件能夠沿著線性路徑以往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)械地移動(dòng)選定的線性距離，在沿著所述線性路徑的所述換能器的陣列的所述換能器之間的線性間距與所述線性距離具有近似相同的大小，所述探測(cè)單元被操作以在每一往復(fù)運(yùn)動(dòng)期間獲取多條掃描線。
29.如權(quán)利要求觀所述的裝置，其中所述滑動(dòng)器由線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
30.如權(quán)利要求觀所述的設(shè)備，其中所述滑動(dòng)器由旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
31.如權(quán)利要求四或權(quán)利要求30所述的設(shè)備，其中所述電機(jī)是超聲波電機(jī)。
32.如權(quán)利要求觀所述的設(shè)備，其中所述滑動(dòng)器具有曲線形狀且所述線性路徑是曲線路徑。
33.如權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其中所述換能器的陣列由盤支撐，將所述換能器布置在所述盤的邊緣上以在沿著所述盤的直徑的投影方向上獲取掃描線，所述盤適于旋轉(zhuǎn)使得由每一換能器獲取的所述掃描線掃過(guò)圓的扇區(qū)。
34.如權(quán)利要求33所述的設(shè)備，其包括控制器，所述控制器用于控制對(duì)所述換能器的激勵(lì)以獲取掃描線，使得所述換能器只有當(dāng)定位在延伸到要成像的身體中的圓的扇區(qū)上方時(shí)才起作用。
35.如權(quán)利要求33所述的設(shè)備，其中所述盤是環(huán)狀盤。
36.一種產(chǎn)生超聲掃描的方法，其中提供了具有至少一個(gè)超聲換能器的陣列，所述換能器通過(guò)超聲波電機(jī)以重復(fù)運(yùn)動(dòng)相對(duì)于要成像的身體移動(dòng)，產(chǎn)生用于顯示的超聲圖像，所述圖像包括由所述換能器在沿著所述運(yùn)動(dòng)的路徑的連續(xù)點(diǎn)上獲取的掃描線，每一換能器為所述圖像提供多條掃描線。
37.一種使用超聲換能器的稀疏陣列產(chǎn)生超聲圖像的方法，所述方法包括以下步驟通過(guò)激發(fā)所述換能器中的至少一個(gè)換能器并接收從要成像的身體返回的超聲回聲來(lái)獲取超聲掃描線，將所述陣列移動(dòng)一步進(jìn)距離，從所述換能器獲取另外的超聲掃描線，重復(fù)獲取掃描線和移動(dòng)所述陣列的步驟并直到所述陣列移動(dòng)選定的距離，所述選定的距離實(shí)質(zhì)上大于所述步進(jìn)距離，以和所述掃描線被捕獲的空間關(guān)系成比例的空間關(guān)系顯示所獲取的掃描線，重復(fù)所述步驟以顯示實(shí)時(shí)超聲圖像。
38.如權(quán)利要求37所述的方法，其中所述陣列以一系列分離的步驟移動(dòng)，只有當(dāng)所述陣列靜止時(shí)才獲取掃描線。
39.如權(quán)利要求37所述的方法，其中在來(lái)自用戶的開始和停止命令之間實(shí)質(zhì)上連續(xù)地移動(dòng)所述陣列并獲取掃描線數(shù)據(jù)。
40.一種超聲掃描裝置，其實(shí)質(zhì)上如在說(shuō)明書中參考附圖中的任何一個(gè)或多個(gè)所描述的，且如通過(guò)附圖中的任何一個(gè)或多個(gè)所示出的。
41.一種超聲換能器探測(cè)單元，其實(shí)質(zhì)上如在說(shuō)明書中參考附圖中的任何一個(gè)或多個(gè)所描述的，且如通過(guò)附圖中的任何一個(gè)或多個(gè)所示出的。
42.一種產(chǎn)生超聲圖像的方法，其實(shí)質(zhì)上如在說(shuō)明書中參考附圖中的任何一個(gè)或多個(gè)所描述的，且如通過(guò)附圖中的任何一個(gè)或多個(gè)所示出的。
全文摘要
一種具有換能器的超聲成像裝置，所述換能器通過(guò)超聲波電機(jī)以重復(fù)運(yùn)動(dòng)移動(dòng)，所述超聲成像裝置包括換能器陣列，其中相鄰的換能器之間的距離大于產(chǎn)生具有期望分辨率的超聲圖像所需要的相鄰掃描線的最小間距，陣列的運(yùn)動(dòng)允許裝置產(chǎn)生具有至少所期望的分辨率的超聲圖像。
文檔編號(hào)A61B8/00GK102458258SQ201080028231
公開日2012年5月16日 申請(qǐng)日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月23日
發(fā)明者斯圖爾特·巴特利特, 約翰·帕克, 艾薩·艾爾-阿克盧克 申請(qǐng)人:西格諾斯蒂克斯有限公司