專利名稱：環(huán)形陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有焦點(diǎn)對(duì)稱電子控制(steering)的超聲換能器陣列的技術(shù)與設(shè)計(jì)，應(yīng)用于超聲成像，特別是二維和三維醫(yī)學(xué)超聲成像。
2.背景技術(shù)超聲陣列換能器應(yīng)用在超聲成像中，用于電子方向控制和超聲波波束的聚焦。常用的陣列具有線形排列的單元，用于波束的二維掃描。例如，線性相控陣列產(chǎn)生集中在陣列中心的波束的扇形掃描，而直線或曲線轉(zhuǎn)換陣列在換能器上產(chǎn)生較寬的成像范圍。
單元線形排列的問題在于，波束焦點(diǎn)僅能在被稱為方位角方向的二維(2D)掃描平面內(nèi)電子控制。在垂直2D掃描平面方向(稱為仰角方向)上的波束焦點(diǎn)，則需要使這些陣列設(shè)定在固定深度。
在很多實(shí)際情況下，獲得2D超聲圖像時(shí)，目標(biāo)的變動(dòng)被限制在2D掃描平面的橫斷面上(即，仰角方向)。這樣的例子有心臟的短軸和長(zhǎng)軸成像，胎兒軀干和頭部的成像，等等。在這些情況下，對(duì)仰角焦點(diǎn)的電子控制的需求是有限的。另一方面，當(dāng)波束在仰角和方位角方向上都具有電子控制的焦點(diǎn)時(shí)，在仰角方向尺寸小的物體，例如脈管、囊、胎兒心臟等等，其成像將得到大大改善。仰角和方位角焦點(diǎn)的電子控制對(duì)于三維(3D)成像也是重要的，其中目標(biāo)可以從在所有方向用最小分辨率進(jìn)行最佳聚焦的任何透視(方向)進(jìn)行觀察。
可以通過將線形單元在仰角方向分成亞單元獲得在仰角方向上的焦點(diǎn)電子控制。美國(guó)專利No.5,922,962中給出了這種仰角焦點(diǎn)控制的具體方案。但是，為了得到方位角和仰角焦點(diǎn)的完全對(duì)稱控制，用這種方案將需要大量單元，用于這種陣列的布線和驅(qū)動(dòng)電路將非常復(fù)雜。而且，這種陣列的單元變小，使增大噪音和線路損耗的單元阻抗增大，這進(jìn)一步限制了對(duì)于給定深度這些陣列所能使用的最高頻率，相應(yīng)地限制了在給定深度用這些陣列能得到的分辨率。
獲得電子控制對(duì)稱焦點(diǎn)的另外的公知方法是使用同心環(huán)形單元的陣列，即所謂環(huán)形陣列。通過彎曲陣列或透鏡，或者上述二者的組合，這種陣列常常機(jī)械預(yù)聚焦(pre-focus)至深度F。然后，根據(jù)公知的原理，通過在單元信號(hào)相加之前為單元信號(hào)添加延遲，焦點(diǎn)F從近焦點(diǎn)Fn＜F電子被控制到遠(yuǎn)焦點(diǎn)Ff＞F。接著，使用比上述2D陣列較少和較大的單元，波束將對(duì)稱地最佳聚焦在波束軸周圍，即對(duì)等地聚焦在方位角和仰角方向上。與2D陣列相比，此方法可以得到較小的單元阻抗，減小了噪音和線路損耗，并提高了靈敏度。為了波束方向的機(jī)械掃描，環(huán)形陣列浸在圓頂內(nèi)的液體中。因此，這種陣列本身不會(huì)像線形陣列被推向表皮，從而可以使用比線形陣列重量輕的背襯制造，例如塑料泡沫。這減小了背襯損耗，與線形2D陣列相比，可進(jìn)一步提高環(huán)形陣列的靈敏度。環(huán)形陣列靈敏度的提高允許使用更高的超聲波頻率，從而與線形2D陣列相比進(jìn)一步提高圖像分辨率。
與2D陣列相比，環(huán)形陣列的單元數(shù)量少，允許使用較寬的孔徑(aperture)，這可進(jìn)一步減小焦點(diǎn)直徑，從而提高橫向分辨率。但是，具有很寬孔徑的環(huán)形陣列，當(dāng)需要大范圍的焦點(diǎn)控制時(shí)，外側(cè)單元將變得很窄。這可能引入單元的復(fù)雜振動(dòng)模式，降低單元的效率。并且，窄單元的制造復(fù)雜并且增加了陣列中單元的數(shù)量，使運(yùn)動(dòng)陣列的電氣連接變復(fù)雜。
本發(fā)明使用環(huán)形陣列通過在不同深度上聲學(xué)預(yù)聚焦環(huán)形單元，給出了解決這一問題的方案，其中一核心組單元預(yù)聚焦以參與(participate)整個(gè)圖像范圍內(nèi)的有效孔徑(active aperture)。接著，在更深范圍內(nèi)預(yù)聚焦的外側(cè)單元，在更深范圍內(nèi)被包括至有效孔徑中，從而通過增大孔徑尺寸減小了焦點(diǎn)直徑隨深度的角擴(kuò)展。因此，本發(fā)明可以充分利用環(huán)形陣列的優(yōu)點(diǎn)1)在實(shí)際圖像范圍內(nèi)電子控制的對(duì)稱焦點(diǎn)；2)環(huán)形陣列較少和較大的單元具有較低阻抗的背襯，得到高靈敏度，可以使用具有較高分辨率的高頻率；以及3)較少數(shù)量的單元簡(jiǎn)化了前端電路。
3.


圖1表示一個(gè)環(huán)形陣列的實(shí)例，其中圖1a表示陣列的前視圖，示出用于描述的輻射表面和坐標(biāo)系統(tǒng)，圖1b是表示陣列彎曲聚焦的側(cè)視圖；圖2表示從一個(gè)控制焦點(diǎn)中的點(diǎn)源的單元件的相位差的計(jì)算，其中圖2a表示平面陣列的計(jì)算，圖2b表示聚焦陣列的計(jì)算；圖3表示選擇預(yù)聚焦單元的方法，用以得到擴(kuò)展的孔徑，在使用最大寬度單元的同時(shí)，限制控制的焦點(diǎn)隨深度的角擴(kuò)展。其中圖3a表示通過彎曲單元得到預(yù)聚焦的基本原理，圖3b表示通過透鏡得到的預(yù)聚焦，圖3c表示通過薄透鏡得到的預(yù)聚焦，圖3d表示通過偏移位置的彎曲單元得到的預(yù)聚焦；圖4表示相同的多次預(yù)聚焦原理如何應(yīng)用于具有增加的單元角分割的擴(kuò)展孔徑環(huán)形陣列。
4.具體實(shí)施方式
下面參考附圖解釋本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例。
圖1a表示一個(gè)典型現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)形陣列實(shí)例的示意性前視圖，其中坐標(biāo)x代表方位角方向，即2D掃描平面方向，坐標(biāo)y代表仰角方向，坐標(biāo)z代表深度。在此例中，單元包括中心圓盤101和兩個(gè)同心的環(huán)102和103。通過使陣列成形為中心在深度F處的球殼，陣列預(yù)聚焦在此深度，如圖1b所示。使用與負(fù)載材料具有不同聲速的材料的透鏡也可用于預(yù)聚焦。
圖2a是平面環(huán)形陣列仰角方向的剖面，表示一組單元201、202和203的截面。一個(gè)單元充分參與到聚焦孔徑形成的需要在于，從控制焦點(diǎn)中的一個(gè)點(diǎn)源的球面波單元間的相位差小于某個(gè)限度，通常是約απ/2，其中α約等于1。波束衰減隨相位差增大是連續(xù)的，從而對(duì)于α的可接受值沒有一個(gè)絕對(duì)的限制，在很多情況下α＝1.5是可以接受的。對(duì)于圖2a中204的控制焦點(diǎn)Fz，當(dāng)用一平面波近似單元上的波陣面(平面波近似)時(shí)，可以看出單元#k間的相位差Δφk(z)為ΔLk(z)=bkakFz----Δφk(z)=2πΔLk(z)λ=2πbkakλFz......(1)]]>式中λ是超聲波的波長(zhǎng)，ak是單元中心的半徑，bk是單元的寬度?？梢钥闯觯S著單元中心半徑ak的增大，必須減小單元寬度bk以保持相位差小于可接受的限度。我們注意到，環(huán)的面積為2πakbk，這意味著面積相等的單元的相位差是相同的。我們還注意到，隨著控制焦距Fz的減小，相位差增大；對(duì)于給定的bk，這使得要使用的ak的最大值被限制在較低的范圍內(nèi)。
為了能在增大單元的寬度的同時(shí)使相位差小于限定值，可通過將陣列彎曲成中心在205的F處的球面，如圖2所示，或者通過使用一如圖3所示的透鏡，或者使用上述二者的組合，將陣列預(yù)聚焦到深度F。這些方法優(yōu)選哪一種，取決于實(shí)際情況。
因此對(duì)于來自固定焦點(diǎn)F的波，每個(gè)單元間的相位差為零；并且隨著圖2b中206處的控制焦點(diǎn)Fz從F處向內(nèi)或向外移動(dòng)，相位差增大。參看圖2b，可以看出這種情況下的相位差在平面波近似中為Δφk(z)=2πλ(1Fz-1F)bkak............(2)]]>可以看出，對(duì)于具有固定曲率的該陣列，面積相等的單元，每個(gè)單元間的相位差相同。還可以看出，對(duì)于給定的bk，隨著Fz相對(duì)于F增大或減小，為了保持Δφk(z)小于可接受的限度，必須減小孔徑(即最大的ak)。
波束焦點(diǎn)的直徑可以表示為dF(z)=2λDkFz............(3)]]>式中Dk＝2ak+bk＝dk+bk是k個(gè)單元電子聚焦在深度Fz時(shí)有效孔徑的直徑。由于場(chǎng)的幅度從軸向值平穩(wěn)下降，方程(3)僅是焦點(diǎn)直徑的近似估計(jì)。這相當(dāng)于均勻激勵(lì)的圓形孔徑場(chǎng)幅度從軸向值下降約12dB。我們注意到dF(z)約等于Fz，這意味著，對(duì)于固定的有效孔徑直徑Dk，波束隨深度具有固定的角擴(kuò)展。因此就想到隨深度增大有效孔徑來避免焦點(diǎn)直徑無限制地增大，例如通過隨深度增大參與單元的數(shù)量。當(dāng)所有參與單元具有相同的固定焦點(diǎn)時(shí)，這需要bk隨著k的增大而減小，正比于1/ak，以滿足對(duì)方程(2)中Δφk(z)的限制，使外側(cè)的單元非常窄并且增大單元的數(shù)量。
本發(fā)明對(duì)此問題的解決方法是，將環(huán)形單元分成相鄰單元的組，其中通過機(jī)械彎曲單元，或者透鏡，或者二者的組合，使每個(gè)組具有不同的預(yù)聚焦。一個(gè)組的預(yù)聚焦深度隨著組離中心的距離而增大。本發(fā)明該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例示于圖3a。在這個(gè)具體的實(shí)施例中，具有總孔徑直徑D0的中心單元組301在陣列的整個(gè)控制聚焦范圍內(nèi)，即從302處的控制近焦點(diǎn)Fn到303處的控制遠(yuǎn)焦點(diǎn)Ff，參與有效孔徑。該單元組在304處具有共同的預(yù)焦點(diǎn)F0，優(yōu)選地，選擇F0使遠(yuǎn)焦點(diǎn)Ff和近焦點(diǎn)Fn處的相位差相同。在平面波近似下，該預(yù)焦點(diǎn)為F0=2FnFfFn+Ff.........(4)]]>該預(yù)焦點(diǎn)也使整個(gè)聚焦范圍內(nèi)參與的單元的相位差最小。減小單元寬度為bk約等于1/ak，環(huán)形單元的面積Ak＝2πakbk與ak無關(guān)。因此，面積相等的環(huán)形單元使組中所有單元具有相同的相位差，并且由于面積不變，組中所有單元的阻抗相近。
根據(jù)公知的方法，通過對(duì)組中各個(gè)單元的信號(hào)增加延時(shí)，焦點(diǎn)Fz從Fn電子控制向外。根據(jù)方程(3)在Dk＝D0時(shí)，焦點(diǎn)直徑隨Fz增大，如圖3a中線307所示。當(dāng)焦點(diǎn)直徑超過線308所示的選定限度dF1時(shí)，將一個(gè)新的單元組305增加到在306的深度Fn1處的有效孔徑。新單元組參與從Fn1到Ff的有效孔徑，并且在此范圍內(nèi)在309處形成預(yù)焦點(diǎn)F1，其最好使每個(gè)單元間的相位差對(duì)于從Fn1到Ff的范圍內(nèi)的Fz達(dá)到最小。在平面波近似下，給出一固定焦點(diǎn)為F1=2Fn1FfFn1+Ff.......(5)]]>根據(jù)方程(3)，有效孔徑的直徑增大到D1使焦點(diǎn)直徑減小到限度dF1以下，如線307所示。
通過對(duì)參與孔徑的所有單元的信號(hào)增加延時(shí)，焦點(diǎn)Fz進(jìn)一步從Fn1電子控制向外，并且根據(jù)方程(3)，在新的有效孔徑Dk＝D1時(shí)，焦點(diǎn)直徑進(jìn)一步隨著Fz增大。在310的深度Fn2處，焦點(diǎn)直徑再次超過選定限度dF1，此時(shí)重復(fù)此過程，將一個(gè)新單元組311增加到有效孔徑中，對(duì)于Fz＞Fn2，得到有效孔徑直徑D2。新單元組311預(yù)聚焦到312處的深度F2，其最好使這些單元間的相位差在從Fn2到Ff的控制聚焦的整個(gè)范圍達(dá)到最小，其中單元組311在整個(gè)范圍內(nèi)參與有效孔徑。
因此，大致的過程可以總結(jié)為，對(duì)于給定的有效孔徑直徑Dm-1，根據(jù)方程(3)，在Dk＝Dm-1時(shí)，焦點(diǎn)直徑隨著聚焦深度增大，并且在焦點(diǎn)直徑超過一選定限度dF1的深度Fnm處，孔徑隨著從Fnm到Ff參與有效孔徑并且在此范圍內(nèi)預(yù)聚焦的新單元組而增加，優(yōu)選地使新單元間的相位差對(duì)于從Fnm到Ff新單元組參與有效孔徑的整個(gè)范圍的控制聚焦達(dá)到最小。在平面波近似下，對(duì)于相位差，預(yù)焦點(diǎn)為Fm=2FnmFfFnm+Ff..........(6)]]>與固定預(yù)聚焦環(huán)形陣列相比，多個(gè)預(yù)聚焦單元組的優(yōu)點(diǎn)在于，隨著預(yù)焦點(diǎn)增加可以使用更大面積的單元，因?yàn)閱卧诟痰姆秶鷥?nèi)參與有效孔徑。這減少了單元的總數(shù)并阻止單元寬度bk不實(shí)用地變窄。因此，最終結(jié)果是一個(gè)實(shí)用的方法，獲得深范圍的寬的有效孔徑，從而隨著聚焦深度增大，保持控制焦點(diǎn)的較小的直徑。
在本說明書中，使用了焦點(diǎn)直徑的固定限度dF1，其中有效孔徑隨新單元增加而擴(kuò)展。應(yīng)該清楚的是，在本發(fā)明的基本精神中，此限度可以改變，比如dF1＝dFm，以滿足其它設(shè)計(jì)需要，例如稍微擴(kuò)展最大的焦點(diǎn)以減小單元的總數(shù)。
當(dāng)焦點(diǎn)直徑超過上述選擇的限度dFm時(shí)，上述過程可應(yīng)用于用一個(gè)或多個(gè)新環(huán)形單元擴(kuò)展孔徑。新單元的預(yù)焦點(diǎn)優(yōu)選地按方程(6)選擇，且對(duì)于較外邊界的控制焦點(diǎn)，即在Fnm和Ff，單元寬度的選擇應(yīng)使單元的相位差保持低于一個(gè)限度(例如，απ/2，這里α約等于1)。我們注意到，組中的單元面積相等使在每個(gè)陣列間具有相同的相位差，以及單元的相同電抗。為每個(gè)新的組使用單元面積，該單元面積為一個(gè)整數(shù)乘以第一組中的單元面積，這也是非常方便的。這為發(fā)射器和接收器的放大器與每個(gè)組中不同單元阻抗的匹配，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，即通過將許多對(duì)等的發(fā)射器和接收器的放大器與每個(gè)單元并聯(lián)耦合，其中發(fā)射器和接收器的放大器的數(shù)量由單元面積除以中心單元面積的分?jǐn)?shù)得到。
單元的預(yù)聚焦可以通過彎曲單個(gè)單元，如圖3a所示，或者通過圖3b所示的多聚焦透鏡系統(tǒng)而獲得。圖3b表示一平面環(huán)形陣列，其中單元320、321從Fn到Ff參與 有效孔徑，并且通過透鏡322預(yù)聚焦到323處的深度F0，而單元324從Fn1到Ff參與有效孔徑，并且通過透鏡325預(yù)聚焦到326處的深度F1；單元327從Fn2到Ff參與有效孔徑，并且通過透鏡328預(yù)聚焦到329處的深度F2。
由于透鏡中的吸收和脈沖混響，使透鏡盡可能地薄是有利的。這通過圖3c中的透鏡系統(tǒng)330、331、332實(shí)現(xiàn)，它們提供的單元間相位差的減小與圖3b中的透鏡系統(tǒng)322、325、328相同。透鏡或彎曲單元的重要功能在于，在單元參與有效孔徑的控制焦點(diǎn)的范圍內(nèi)將每個(gè)單元間的相位差減小到最低程度。進(jìn)而可以調(diào)節(jié)單元信號(hào)的單個(gè)時(shí)間延遲，以補(bǔ)償透鏡厚度的減小，或者單元的偏移位置，如圖3d所示。圖3a所示的單元位置給出彎曲單元最簡(jiǎn)單的制造，盡管一些單元的偏移位置產(chǎn)生了較低的用于從Fn到Ff整個(gè)范圍內(nèi)聚焦的單元信號(hào)最大延時(shí)。
在實(shí)際成像時(shí)，組織的聲學(xué)性質(zhì)的空間變化，例如聲波傳播速度，使陣列的聚焦能力降低，低于上述設(shè)計(jì)理論上可以達(dá)到的程度。這種現(xiàn)象常常稱為波陣面象差，可以通過將整個(gè)陣列分成較小單元，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)波束形成技術(shù)在每個(gè)單元的信號(hào)進(jìn)一步延時(shí)和處理之前將其濾波而校正。單元信號(hào)的近似濾波可以通過延時(shí)并放大校正的信號(hào)而獲得。
可以實(shí)現(xiàn)這種相位象差校正陣列的一個(gè)實(shí)例是圖4所示的r-θ陣列。為了實(shí)現(xiàn)更大的單元并減小單元的數(shù)量，使用多個(gè)預(yù)聚焦的單元是有優(yōu)勢(shì)的，其中位于距中心相同距離的所有單元通常具有相同的預(yù)焦點(diǎn)。
這樣，雖然圖示、描述和指出了如這里應(yīng)用于優(yōu)選實(shí)施例的本發(fā)明的基本新穎特征，但應(yīng)該理解的是，在不偏離本發(fā)明精神的條件下，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以對(duì)所描述裝置的形式和細(xì)節(jié)以及其操作做出不同的刪節(jié)和替代。
還需要明確指出的是，以實(shí)質(zhì)相同的方式執(zhí)行實(shí)質(zhì)相同的功能并達(dá)到相同結(jié)構(gòu)的這些元件和/或方法步驟的所有組合都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。而且，還應(yīng)認(rèn)識(shí)到，參照本發(fā)明任何所述形式或?qū)嵤├龍D示和/或描述的結(jié)構(gòu)和/或元件和/或方法步驟，作為設(shè)計(jì)選擇的基本構(gòu)成，可以結(jié)合在其它披露的或描述的或建議的形式或?qū)嵤├?。因此，本發(fā)明僅僅受所附權(quán)利要求的范圍的限制。
參考文獻(xiàn)[1]美國(guó)專利No.5,922,962，1999年7月13日“Sparce two-dimensional transducer array with compound lens”。發(fā)明者Sayed OmarIshrak，Mehmet Sahlahi，F(xiàn)arhad Towfiq，Alan chi-Chung Tai，Ha ThanhPham。受讓人Diasonics Ultrasound，Inc.，Santa Clara，Calif.
權(quán)利要求
1.一種超聲環(huán)形陣列換能器，用于通過根據(jù)公知的原理對(duì)單元信號(hào)增加延時(shí)，電子控制從一近焦點(diǎn)Fn到一遠(yuǎn)焦點(diǎn)Ff的一對(duì)稱焦點(diǎn)Fz，其中環(huán)形陣列單元被分成一個(gè)或多個(gè)相鄰單元的多個(gè)組，每個(gè)組具有不同的固定機(jī)械預(yù)焦點(diǎn)，每個(gè)組中的單元具有實(shí)際上相等的面積；中心單元組在具有從Fn到Ff之間選擇的預(yù)焦點(diǎn)F0的、從Fn到Ff的整個(gè)聚焦范圍內(nèi)，參與有效孔徑；在深度Fn1以外中心組焦點(diǎn)直徑超過選定的限度時(shí)，下一個(gè)外側(cè)單元組從Fn1到Ff被包括在有效孔徑中，新組的固定預(yù)焦點(diǎn)F1在Fn1到Ff之間選擇；在每個(gè)深度Fnm以外焦點(diǎn)直徑超過選定的限度時(shí)，下一個(gè)外側(cè)單元組從Fnm到Ff被包括在有效孔徑中，新組的固定預(yù)焦點(diǎn)Fm在Fnm到Ff之間選擇；從而焦點(diǎn)直徑保持低于在從Fn到Ff之間的整個(gè)區(qū)域內(nèi)的選定的限度，環(huán)形陣列的焦點(diǎn)被電子控制。
2.如權(quán)利要求1所述的超聲換能器陣列，其中選擇每組單元的預(yù)聚焦，使得組中每個(gè)單元間的最大相位差在該組參與有效孔徑的區(qū)域內(nèi)達(dá)到最小。
3.如權(quán)利要求1或2所述的超聲換能器陣列，其中單元的預(yù)聚焦通過彎曲單元獲得。
4.如權(quán)利要求1或2所述的超聲換能器陣列，其中單元的預(yù)聚焦通過聲學(xué)透鏡組件獲得。
5.如權(quán)利要求1或2所述的超聲換能器陣列，其中單元的預(yù)聚焦通過彎曲單元和聲學(xué)透鏡組件的組合獲得。
6.如權(quán)利要求1至5中任何一項(xiàng)所述的超聲換能器陣列，其中每組的單元的面積選定為中心組中單元面積的一整數(shù)倍，并且為了匹配不同組單元之間的可變阻抗，許多發(fā)射器和接收器的放大器并聯(lián)耦合到每個(gè)單元，其數(shù)量等于單元面積與中心單元面積之比。
7.如權(quán)利要求1至6中任何一項(xiàng)所述的超聲換能器陣列，其中環(huán)形單元也沿圓周方向分割，用于單獨(dú)處理每個(gè)單元的信號(hào)，用來校正相位象差。
8.如權(quán)利要求7所述的超聲換能器陣列，其中選擇單元的徑向和角度寬度為接近等于，并盡可能的大但仍小于從組織接收的波陣面的象差的相關(guān)長(zhǎng)度。
全文摘要
一種環(huán)形超聲體積波換能器陣列，用于從近焦點(diǎn)F
文檔編號(hào)G10K1/00GK1484821SQ02803452
公開日2004年3月24日 申請(qǐng)日期2002年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月5日
發(fā)明者比約恩·A·J·安杰爾森, 通尼·F·約翰森, F 約翰森, 比約恩 A J 安杰爾森 申請(qǐng)人:比約恩·A·J·安杰爾森, 通尼·F·約翰森, 比約恩 A J 安杰爾森