專利名稱：具有微型波束形成器的線性陣列超聲換能器的制作方法
具有微型波束形成器的線性陣列超聲換能器
本發(fā)明涉及醫(yī)療診斷超聲系統(tǒng)，具體而言涉及具有微型波束形成器的 線性陣列超聲換能器。
超聲陣列換能器使用波束形成器來接收并適當(dāng)延遲從換能器陣列的各 元件所接收的超聲回波信號。在考慮將要由波束形成器所形成的波束的方 向(轉(zhuǎn)向)和聚焦的情況下選擇所述延遲。在已經(jīng)通過波束形成器的通道 對來自每個元件的信號進(jìn)行適當(dāng)延遲之后，將延遲信號進(jìn)行合并以形成經(jīng) 適當(dāng)轉(zhuǎn)向和聚焦的相干回波信號的波束。延遲的選擇被認(rèn)為可根據(jù)陣列各 元件的幾何形狀和各波束所詢查的圖像場的幾何形狀進(jìn)行確定。在常規(guī)超 聲系統(tǒng)中，陣列換能器位于探頭內(nèi)，該探頭在成像期間抵靠在患者身體上， 并含有一些電子組件，例如調(diào)諧元件、開關(guān)和放大設(shè)備。由通過導(dǎo)線與探 頭連接的包含在超聲系統(tǒng)主機內(nèi)的波束形成器來執(zhí)行延遲操作和信號合并 操作。
用于陣列換能器和波束形成器的前述系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)完全滿足一維(1D) 換能器陣列，其中換能器元件的數(shù)量和波束形成器通道的數(shù)量近似相等。 當(dāng)換能器元件的數(shù)量超過波束形成器通道的數(shù)量時， 一般采用多路復(fù)用技 術(shù)并可在任意時間點上僅將換能器總元件數(shù)量中的子集連接到波束形成 器。1D陣列中的元件數(shù)量可從小于一百到幾百的范圍內(nèi)變動，而典型的波 束形成器具有128個波束形成器通道。該系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的解決方案隨著用 于三維(3D)成像的二維(2D)陣列換能器的出il而變得無法適應(yīng)。這是 因為2D陣列換能器在整個體積區(qū)域上以方位角和仰角對各波束進(jìn)行轉(zhuǎn)向 和聚焦。這種波束形成所需的換能器元件數(shù)量通常在數(shù)千個。該問題的癥 結(jié)然后變成將探頭與波束形成器所處系統(tǒng)主機相連接的導(dǎo)線。由數(shù)千個即 使是最細(xì)導(dǎo)電絲的導(dǎo)體所構(gòu)成的導(dǎo)線變得笨重而難以使用，即使可能的話 也會使探頭的操作不方便。
該問題的解決方法是在探頭自身內(nèi)部至少進(jìn)行一些波束形成，如美國
專利5,229,993 (Larson, III)中所述。在該專利所示的超聲系統(tǒng)中，波束 形成操作被劃分在探頭和系統(tǒng)主機之間。在探頭內(nèi)進(jìn)行各組元件的初始波 束形成操作，其中產(chǎn)生部分波束形成和。在數(shù)量上小于換能器元件數(shù)量的 這些部分波束形成和通過合理尺寸的導(dǎo)線耦合到系統(tǒng)主機，在此完成波束 形成過程并產(chǎn)生最終的波束。由Larson， III稱之為組內(nèi)處理器，或以連附 于陣列換能器的微電子電路的形式構(gòu)建的微型波束形成器來完成探頭內(nèi)的 部分波束形成。同樣參見美國專利5,997,479 (Savord等人)；美國專利 6，013，032(Savord);美國專利6，126，602(Savord等人)；和美國專利6,375,617 (Fmser)。在微小尺寸的微型電路和陣列面片(patch)上可實現(xiàn)2D換能 器陣列和微型波束形成器之間的上千種連接，同時通過更多的常規(guī)導(dǎo)線技 術(shù)可實現(xiàn)微型波束形成器與系統(tǒng)主機的波束形成器之間的各種導(dǎo)線連接。 各種平坦和曲面陣列形式可與諸如美國專利申請60/706,190 (Kunkel)和 60〃06，208 (Davidsen)中所示的曲面陣列的微型波束形成器一同使用。
上述各專利中所示的各種微型波束形成器通過從被稱為"面片"的毗 鄰元件組中形成各部分延遲和信號進(jìn)行操作。將面片的所有元件所接收的 各信號進(jìn)行適當(dāng)、單獨地延遲，然后合并成部分和信號。面片法的分支是 孔徑設(shè)計要以各陣列面片的數(shù)量、大小和形狀為基礎(chǔ)。這對2D相控陣列換 能器效果很好，其中在回波接收期間使用整個陣列孔徑。但是對于線性陣 列操作(其中將有效陣列空間平移通過2D陣列)而言，面片的大小和尺寸 可對孔徑平移產(chǎn)生約束。有效孔徑的步進(jìn)通常要求以面片大小的增量進(jìn)行， 例如，如前面提到的美國專利6，013，02 (Savord)中所示。因此理想的是 2D陣列將可在不對微型波束形成器增加復(fù)雜性的情況下以較小的增量進(jìn) 行孔徑平移。進(jìn)一步理想的是能夠為線性陣列或相控陣列的操作而操作相 同的微型波束形成器。
根據(jù)本發(fā)明的各項原理，操作二維陣列和微型波束形成器以對體積區(qū) 域進(jìn)行線性陣列掃描。將有效陣列孔徑以小于元件面片尺寸的增量在整個 陣列上進(jìn)行步進(jìn)，所述增量可以與單個換能器元件一樣小。通過使用不會 在同一時間同一導(dǎo)體上使各信號發(fā)生沖突的面片和孔徑配置，可將來自不 止一個面片的各部分和信號經(jīng)同一導(dǎo)體耦合至到系統(tǒng)主機上。這樣，即使
對于各非鏡像(不對稱)孔徑而言，面片的數(shù)量可超過導(dǎo)線導(dǎo)體和主機波 束形成器通道的數(shù)量。本發(fā)明的實施例可將具有很大數(shù)量元件的陣列與常 規(guī)大小的主機波束形成器一同使用。本發(fā)明的實施例可配置成用于線性或 相控陣列模式的操作。
在附圖中
圖l以方塊圖的形式示出了本發(fā)明2D曲面陣列換能器和微型波束形成 器探頭；
圖2是示出了部分波束和微型波束形成器的概念的方塊圖3是根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造的2D陣列換能器和微型波束形成器的一個
示例的方塊圖4、 5和6示出了微型波束形成器延遲線的各詳細(xì)示例；
圖7是根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造的2D陣列換能器和微型波束形成器的第二
示例；
圖8是根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造的2D陣列換能器和微型波束形成器的第三 示例；
圖9、 12、 13和14示出了本發(fā)明的另一示例，其中隨意制作面片的邊
界；


圖10和11示出了適于用在圖9、 12、 13和14各示例中的各開關(guān)配置。
首先參照圖1，以方塊圖的形式示出了根據(jù)本發(fā)明原理構(gòu)造的超聲系 統(tǒng)。探頭10具有二維陣列換能器12，其在如前述Davidsen專利申請中所 示的仰角方向中為曲面。將該陣列的各元件與位于換能器陣列后面的探頭 內(nèi)的微型波束形成器14相耦合。微型波束形成器向陣列的各元件施加定時 的發(fā)射脈沖，以便在期望方向上并朝該陣列前方的三維圖像場內(nèi)的期望焦 點發(fā)射波束。來自所發(fā)射的各波束的回波由陣列各元件進(jìn)行接收，并將其 耦合至微型波束形成器14的各通道中，在此將它們單獨延遲。將來自毗鄰 面片的各換能器元件的延遲信號進(jìn)行合并以形成該面片的部分和信號。在 下面各示例中，通過將來自面片各元件的延遲信號耦合至共同總線、而無 需求和電路或其它復(fù)雜電路來完成所述合并操作。將每個面片的總線耦合
至導(dǎo)線16的導(dǎo)體，其將各部分和面片信號傳導(dǎo)給系統(tǒng)主機。在系統(tǒng)主機中， 將各部分和信號數(shù)字化并耦合至系統(tǒng)波束形成器22的各通道，該系統(tǒng)波束 形成器22將每個部分和信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)难舆t。然后將經(jīng)延遲的各部分和信 號進(jìn)行合并以形成相干的經(jīng)轉(zhuǎn)向并聚焦的接收波束。來自3D圖像場的各波 束信號由信號和圖像處理器24進(jìn)行處理以產(chǎn)生用于在圖像顯示器30上顯 示的2D或3D圖像。在耦合至系統(tǒng)各個模塊的控制器26的控制下完成對 超聲系統(tǒng)各參數(shù)的控制，例如探頭選擇、波束轉(zhuǎn)向和聚焦、以及信號和圖 像處理。在探頭10的情形中，從系統(tǒng)主機經(jīng)導(dǎo)線16的各數(shù)據(jù)線提供一些 這樣的控制信息。用戶借助于控制面板20來控制這些操作參數(shù)。
圖2示出了部分求和微型波束形成器的概念。通過虛線32和34將附 圖2分割成三個區(qū)域。線32的左側(cè)示出了探頭10的組件，線34的右側(cè)示 出了系統(tǒng)主機的組件，而兩條線之間示出了導(dǎo)線16。將探頭的二維陣列12 分成由毗鄰換能器元件組成的各面片。在附圖中示出了陣列12的五個面片， 每個面片包括九個相鄰的元件。在附圖中示出了面片12a、 12c和12e的各 微型波束形成器通道。面片12a的九個元件耦合至用DL1指示的微型波束 形成器的九條延遲線。類似地，面片12c和12e的九個元件耦合至用DL2 和DL3指示的延遲線。由這些延遲線帶來的各種延遲是眾多變量的函數(shù)， 這些函數(shù)例如陣列的大小、元件面片、面片的間隔和尺寸、波束轉(zhuǎn)向的范 圍以及其它。延遲線組DL1、 DL2和DL3的每一個將來自其各自面片的各 元件的信號對于該面片而言延遲共同的參考時間。然后，通過各自的求和 器S，對來自每組延遲線的九個延遲信號進(jìn)行合并，以形成來自由各元件組 成面片的陣列部分和信號。將每個部分和信號放置在分離的總線15a、 15b 和15c上，它們中的每一條耦合至導(dǎo)線16的導(dǎo)體，該導(dǎo)體將各部分和信號 傳導(dǎo)給系統(tǒng)主機。在系統(tǒng)主機中，將每個部分和信號施加給系統(tǒng)波束形成 器22的延遲線22a、 22b、 22c。這些延遲線在系統(tǒng)波束形成器的求和器22s 的輸出處將各部分和信號會聚到共同的波束中。然后使完全形成的波束前 向發(fā)送給信號和圖像處理器，用于進(jìn)一步的處理和顯示。雖然圖2示出了 具有9元件面片的示例，但是應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會到的是，構(gòu)造的微型波束形成器系 統(tǒng)將通常具有更大數(shù)量元件的面片，例如12、 20、 48或70個元件或者更 多。面片的各元件可以彼此前后緊接、間隔開、或者甚至以棋盤的模式進(jìn)
行混合，將"奇"數(shù)編號的元件合并到一個面片中，并將"偶"數(shù)編號的 元件合并到另一面片中。這些面片可以是正方形、矩形、菱形、六邊形或 任意其它期望形狀。
圖3示出了本發(fā)明的二維陣列換能器和微型波束形成器的另一示例。 該幅附圖示出了二維陣列換能器12的三行R1、 R2和R3。在該示例中，元 件面片由四個元件組成元件el-e4形成一個面片，元件e5-e8形成另一個 面片，元件e9-el2形成又一個面片等等。每個面片的各元件耦合至一組微 型波束形成器延遲線的各延遲線。例如，元件el-e4耦合至延遲線組DL1 的四條延遲線，元件e5-e8耦合至延遲線組DL2的各延遲線等等。將來自 延遲線組的各延遲信號合并到輸出總線上，該總線將各延遲線輸出連接在 一起。例如，DL1組的四條延遲線輸出都系于總線bl上，DL2組的四條延 遲線輸出耦合至總線b2等等。每條總線耦合至導(dǎo)線16的單個導(dǎo)體?？偩€ bl耦合至導(dǎo)線的導(dǎo)體16a，而總線b2耦合至導(dǎo)線導(dǎo)體16b等等。每條導(dǎo)線 導(dǎo)體通向系統(tǒng)主機波束形成器的通道。
在發(fā)射期間，啟動陣列中的一組元件以在期望方向上發(fā)射期望波束。 選為發(fā)射的組通常對近場聚焦波束而言是小的，而對于遠(yuǎn)場波束而言可以 與整個陣列一樣大。為發(fā)射波束所啟動的各元件(稱之為發(fā)射孔徑)可占 用陣列上任何形狀或模式的元件。在逐漸加深的聚焦區(qū)域內(nèi)進(jìn)行聚焦的區(qū) 域聚焦方案例如可為每個加深的區(qū)域使用逐漸增大的發(fā)射孔徑。發(fā)射波束 可(垂直于陣列的表面)進(jìn)行直前轉(zhuǎn)向，或者與陣列表面以一定角度進(jìn)行 轉(zhuǎn)向。在Davidsen專利申請所示的探頭中，各波束在陣列內(nèi)部和在陣列外 圍附近以朝外斜置的角度進(jìn)行直前轉(zhuǎn)向以生成更寬的視野。
圖3的換能器陣列和微型波束形成器可作為線性陣列或作為相控陣列 進(jìn)行操作。通過從沿陣列表面平移的各孔徑發(fā)射波束并在同樣沿陣列表面 平移的接收孔徑處接收來自這些波束的回波來完成線性陣列操作。在附圖 所示的示例中，接收孔徑的大小置于該幅附圖頂部的括號內(nèi)，并且在該示 例中能見到三個面片(十二個元件)的寬度。在該示例中，該接收孔徑被 示成單行(Rl)高，但它或者可以是多行高。在該示例中，由元件el-e12 接收第一接收波束。由于該接收孔徑包括陣列R1行中的前三個面片，因此 對于該波束能夠使用微型波束形成器中這前三組的延遲線DL1、 DL2和 DL3 (未示出)。在該示例中通過如42、 44和46指示的連接至每條延遲線 的使能線En來使各延遲線能夠工作。來自元件el-e4和延遲線組DL1的四 個延遲信號連接至總線bl，在此將它們合并以形成來自第一面片的部件和 信號。類似地，來自元件e5-e8和延遲線組DL2的四個延遲信號在總線b2 上合并，而來自元件e9-el2和延遲線組DL3的四個延遲信號在總線b3上 合并(未示出)。在該示例中，這些總線用作形成各部分和信號的求和節(jié)點。 三條總線和各導(dǎo)線導(dǎo)體將這些部分波束形成的信號傳導(dǎo)給主波束形成器的 三個通道，在此完成波束的波束形成。
在該示例中，通過將接收孔徑向右步進(jìn)來采集下一個波束。所述波束 可使用例如導(dǎo)線導(dǎo)體或超聲系統(tǒng)主機中的各復(fù)用器以整個面片進(jìn)行步進(jìn)， 從而導(dǎo)致由元件e5-el6組成的接收孔徑對下一個波束進(jìn)行采集。然而，整 個面片寬度的這種平移會導(dǎo)致在圖像場上較粗的波束間隔。在該示例中， 通過將接收孔徑以小于完整面片尺寸，并優(yōu)選以單個元件寬度進(jìn)行步進(jìn)來 采集精細(xì)間隔的各波束。這樣由元件e2-el3采集下一波束。由于來自元件 el的信號不能對該波束起作用，因此對于該元件的微型波束形成器延遲線 的使能線使該延遲線不能對此下一個波束起作用。僅有來自元件e2-e4的延 遲信號在總線bl上合并。由于來自元件el的信號正對該波束起作用，因 此將該元件的微型波束形成器延遲線使能，并將延遲信號置于該延遲線組 的總線b4 (未示出)之上。將四條總線上的部分和信號耦合至主波束形成 器，用于完成波束形成處理來自元件e2-e4的總線bl上的三個合并信號， 總線b2和b3上的四個合并信號，以及總線b4上的來自元件e13的信號。 在主波束形成器中應(yīng)用變跡加權(quán)以說明對不同總線的不等信號加權(quán)。
連續(xù)以這種方式使接收孔徑在整個陣列上進(jìn)行步進(jìn)。下一波束使用元 件e3-el4作為接收孔徑，接下來的波束使用元件e4-el5，而后繼的波束使 用元件e5-el6用于接收。當(dāng)發(fā)生該步進(jìn)時，可以看到第一面片DL1的各延 遲線逐漸禁止，而耦合至元件el3-el6的第四面片的各延遲線逐漸使能?？?看到這些波束的最后一個不使用來自第一面片的各元件。在下一波束步進(jìn) 到元件e6-e17的孔徑的情況下，可以看到延遲線組DL5的第一延遲線使能。 在該示例中，第五延遲線組的各個輸出連接至總線bl，因為可以看到孔徑 在任何時候?qū)ν徊ㄊ疾皇褂脕碜缘谝缓偷谖迕嫫母髟Ｒ蚨?，?dāng)
第一面片的各延遲線變得全部禁止時，第五延遲線組DL5的各延遲線開始 使用先前由延遲線組DLl使用的同一總線bl。這兩組不能在同一時間使用 同一總線，因為它們的部分和信號對于主波束形成器內(nèi)的波束形成需要不 同的延遲。如果這些部分和信號在共同總線上合并，則它們在其處理中可 能不會經(jīng)受必要的延遲差。因而，通過考慮所述陣列使用的各孔徑，可將 多個面片連接至到同一導(dǎo)線導(dǎo)體再到主波束形成器，這意味著面片的數(shù)量 可超過導(dǎo)線中導(dǎo)體的數(shù)量。因此由給定的導(dǎo)線和系統(tǒng)波束形成器可容納大 量的陣列面片。具有對于給定陣列增加面片數(shù)量的能力，可減小各面片的 大小，從而降低微型波束形成器中所需的延遲長度。
在該示例中，可以看到位于陣列右側(cè)面片的延遲線組DL9同樣可連接 至總線bl 。延遲線組DL5隨著元件e29-e32的延遲線組逐漸使能而逐漸禁 止。在延遲線組DL5全部禁止之后，孔徑隨DL6組的各延遲線逐漸禁止及 DL9組的各延遲線逐漸使能而向右前進(jìn)。由于DL1組和DL5組在孔徑的該 后一步進(jìn)期間都禁止，因此延遲線組DL9此時可連接至并自由使用總線bl。
接收孔徑將以這種方式持續(xù)在整個陣列上步進(jìn)，在該示例中其將在孔 徑到達(dá)陣列的右側(cè)之前，在二十五個不同的波束位置處采集二十五個不同 的波束。然后在陣列的整個第二行R2并且然后在第三行R3上重復(fù)這一步 進(jìn)過程。以這種方式掃描陣列前方的體積區(qū)域以供進(jìn)行3D成像。本領(lǐng)域的 技術(shù)人員易于想到所述孔徑的各種變形。例如，孔徑可以不止單行高度。 孔徑可以從第一行Rl的元件el-el2以及R2行的前十二個元件開始。這二 十四個元件孔徑可在整個陣列上步進(jìn)，然后增加為進(jìn)行一行的步進(jìn)。作為 有效孔徑下一平移將從R2和R3每一行的前十二個元件開始，然后再在整 個陣列上步進(jìn)。也可采用各種孔徑平移模式。例如，有效孔徑可從陣列的 底部開始并步進(jìn)到頂部，然后以這種方式橫跨并退回所述陣列等等。同樣 可采用使孔徑沿大致對角線方向上跨越并向上步進(jìn)的平移序列。可選擇孔 徑平移模式，例如以使圖像場區(qū)域中的平移偽影最小。
根據(jù)各延遲線之前是否的對各信號進(jìn)行數(shù)字化，本發(fā)明系統(tǒng)的各延遲 線可以是數(shù)字延遲線或模擬延遲線。圖4示出了優(yōu)選的模擬延遲線。該延 遲線通過將來自換能器元件的各連續(xù)信號耦合至電容器組的各電容器而形 成。圖4中示出了這種電容器組的三個電容器52、 54、 56?？紤]所需的最
大延遲長度和所用的采樣率來選擇電容器組中電容器的數(shù)量。更長的延遲 和/或更細(xì)的分辨率(例如，為滿足奈奎斯特準(zhǔn)則)需要更大數(shù)量的電容器。 通過在初期將來自換能器元件en的電壓采樣寫到電容器上，然后在稍后的
時間從所述電容器上讀取所述電壓采樣，來實現(xiàn)延遲線的時間延遲，寫入
和讀取之間的時間增量提供了所述延遲時間。電容器組可設(shè)置成如圖4所 示的并聯(lián)構(gòu)型，或設(shè)置成以如美國專利6，126，602 (Savord等人)中討論的 CCD電荷斗鏈(bucketbrigade)方式的串聯(lián)構(gòu)型。
在圖4的配置中，將來自換能器元件en的各回波信號經(jīng)由緩沖放大器 68施加給輸入開關(guān)組64的各個輸入。每個開關(guān)的閉合由來自寫指示器60 的控制信號進(jìn)行控制。例如，通過電容器52輸入開關(guān)的瞬間閉合可將第一 信號采樣存儲在電容器52上，第二采樣存儲在電容器54上，第三采樣存 儲在電容器56上等等。在由期望延遲時間所確定的稍后時間處，以來自讀 指示器62的控制信號所確定的序列從各電容器中讀取各采樣，所述控制信 號對輸出開關(guān)組66進(jìn)行控制。在所示的示例中，將回波信號采樣寫入到電 容器52中，同時從電容器54中讀取回波信號采樣。當(dāng)輸出開關(guān)閉合時， 將電容器上的信號采樣施加給輸出總線bn，其將該信號傳導(dǎo)到導(dǎo)線導(dǎo)體 16n。當(dāng)來自圖4延遲線的各采樣施加給輸出總線bn時，來自面片延遲線 組的其它延遲線的各采樣同時施加給同一總線bn。這樣各信號的同時施加 產(chǎn)生了對來自面片各元件的延遲采樣的求和。
根據(jù)本發(fā)明的原理，在圖4的示例中，讀指示器62可設(shè)成如圖在讀指 示器的右側(cè)所示全部為零。使用這一設(shè)置使延遲線禁止，因為沒有來自元 件en的信號采樣施加到輸出總線bn上?；蛘呖蓱?yīng)用其他技術(shù)來防止來自陣 列元件的各信號置于總線上。在圖5的示例中，將諸如通路閘門(passgate) 的單開關(guān)72用在延遲線的輸出處。這種構(gòu)型適合用于并聯(lián)或串聯(lián)構(gòu)型的延 遲線。圖6所示的另一技術(shù)是使用三態(tài)緩沖器74。三態(tài)緩沖器74由控制線 76控制以便將來自延遲線的輸入信號發(fā)送給三態(tài)緩沖器輸出，或者設(shè)置三 態(tài)緩沖器以展現(xiàn)高輸出阻抗。在控制線76的一種設(shè)置中，三態(tài)緩沖器將按 回波信號或高(例如，斷路)阻抗輸出所確定的，產(chǎn)生高或低電壓或電流 信號。易于在適合用在微型波束形成器的微型電路中實現(xiàn)通路閘門和三態(tài) 緩沖器。
圖7示出了本發(fā)明二維陣列和微型波束形成器組合的設(shè)計，其具有總 線連接到同一主波束形成器通道的兩個面片。在該示例中，微型波束形成 器延遲通道的兩個面片P,和P。耦合至共同的總線bn，該總線bn經(jīng)導(dǎo)線導(dǎo) 體16n耦合至主機波束形成器的通道。圖7是二維陣列的俯視圖，其具有 連接至陣列的底部的微型波束形成器但在該附圖中不可見。該示例中的每 個面片包括布置成4行(r,力)乘4列(Cl-c4)的十六個元件。這樣，在該 示例中三十二個換能器元件連接至同一個主波束形成器通道。由于面片P, 和Pn共享同一個波束形成器通道，因此在任何給定的時間，僅有這兩個面 片其中一個的元件可使用總線bn。這意味著三列元件長度的元件的"緩沖 器"必須從第二互連面片Pn中分離出最大孔徑長度，用標(biāo)有"緩沖器"的 括號所示。這樣最大接收孔徑的大小將具有如圖所示的最大長度Al和最大 高度Ah。例如，初始接收孔徑可包括面片P,的各元件和向上到緩沖區(qū)左側(cè) 各面片的所有元件。當(dāng)該孔徑向右步進(jìn)時，隨著緩沖區(qū)中相應(yīng)的四列元件
相繼使能，面片P，的C,到C4列在每一步相繼禁止。在該四波束步進(jìn)的第三 步進(jìn)末，僅有面片P,的C4列各元件將使能，而緩沖區(qū)域的所有三列元件將
使能并對有效孔徑起作用。在孔徑下一向右步進(jìn)的情況下，面片p,的最后
列C4將關(guān)閉，而面片Pn的第一列d將開啟。這樣，此時的有效孔徑將包括 面片P,右側(cè)的所有元件并貫穿和包括面片Pn的第一列。這樣，決不會存在 這樣的時間，此時來自共同總線連接的面片的各元件在同 一時間正使用該 總線。該示例的設(shè)計規(guī)則在于緩沖區(qū)的大小至少等于面片列數(shù)減一。
在該示例中，高度尺寸(height dimension)中的各面片不共享同一總 線。這樣，在高度尺寸中沒有對有效孔徑的最大大小進(jìn)行約束。這樣，高 度尺寸中的最大孔徑大小Ah可等于二維降列的整個高度尺寸。
圖8示出了二維陣列的設(shè)計，其中四個面片共享同一個主波束形成器 通道。如圖7中，以俯視圖示出了圖8的二維陣列12，其具有位于該陣列 之下的微型波束形成器。四個面片P,、 P2、 P3和P4分別經(jīng)總線bm、 bn2、 bri3和bn4均耦合至總線bn。對總線上同時存在的各信號求和并經(jīng)導(dǎo)線16 的導(dǎo)體16n耦合至主波束形成器的通道。陣列的最大接收孔徑展現(xiàn)出Al和 Ah的尺寸。最大孔徑在其按孔徑Apl、 Ap2、 Ap3和Ap4定位在陣列的各 角落時進(jìn)行顯示。最大孔徑的位置被分割成長度尺寸上的緩沖區(qū)bufL和高
度尺寸上的緩沖區(qū)bufH。 bufl區(qū)的水平長度是小于面片水平長度的一個元
件，而bufH區(qū)的豎直高度是小于面片豎直高度的一個元件。在各面片和各 元件是正方形的情形中，這些區(qū)域?qū)⑹窍嗟鹊拇笮?。在面片尺寸?或元件
尺寸不是正方形的情形中，這些區(qū)域的大小將不同。在圖8的示例中可見， 當(dāng)接收孔徑從位置Apl開始并向右步進(jìn)時，面片P,(和該孔徑中在其上方 的所有面片)的各列隨bufl區(qū)中各列元件相繼使能而相繼禁止。當(dāng)孔徑完 全步進(jìn)到面片P,的右側(cè)并且整個面片禁止時，最左側(cè)列的共同總線連接的 面片P2使能。以這一方式將有效孔徑連續(xù)向右步進(jìn)，其具有如圖Ap2所示 的最終孔徑位置。這樣，決不會存在這樣的時間，此時來自面片P,和P2 的各元件在同一時間使能。由于有效孔徑的最高范圍在這些面片的下方，
因此共同總線連接的面片P3和P4在這一時間禁止。雖然在該示例中有效孔 徑的最大高度顯示為AH，但是應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會到的是，在該孔徑向右步進(jìn)的情形
中該尺寸可被bufH區(qū)的高度所增加。
其后，或者，孔徑可從Apl位置向上步進(jìn)。當(dāng)所述孔徑一次向上步進(jìn)
一面片行時，面片p,的各行元件從底部到頂部相繼禁止，并且孔徑區(qū)域
Apl上方bufH區(qū)內(nèi)的各行元件相應(yīng)地相繼使能。在進(jìn)行(m-l)次的這種 步進(jìn)之后，僅面片P,上面的行(和該孔徑中面片P,右側(cè)的所有面片)將使 能，以及孔徑區(qū)域Apl上方bufH區(qū)內(nèi)的所有(m-l)行元件將使能。在下 一孔徑步驟的情況下(使總步驟達(dá)到m)，面片P,的所有m行將禁止，而 面片P3的第一行連同該孔徑中上方bufH區(qū)的所有行將使能。這樣，決不會
存在這樣的時間，此時來自面片&和P3的各元件都對波束起作用。以這種
方式持續(xù)進(jìn)行孔徑的向上步進(jìn)，直到該孔徑抵達(dá)位置Ap3的上界。當(dāng)在水 平平移的情形中，將會意識到，該狀態(tài)下孔徑的長度可以等于Al加bufl 長度。
考慮緩沖區(qū)在水平和豎直(高度和長度)尺寸上都能在任意方向上進(jìn) 行最大孔徑的平移，包括對角線平移。例如，通過在每一步進(jìn)中同時將孔 徑向右和向上平移一個元件，可孔徑從位置Apl沿對角線進(jìn)行步進(jìn)。孔徑 能以這種方式連續(xù)沿對角線平移到最終的孔徑位置Ap4。如虛線的孔徑輪 廓ApD所示，其具有如圖所示AL乘AH的最大孔徑大小以及緩沖區(qū)，在該 孔徑平移期間于任何時間點處僅來自單個面片的各元件將對總線bn上的各
信號起作用。虛線輪廓ApD示出了孔徑剛剛在離開四個共同總線連接面片 中正好對總線bn上各信號起作用的面片P,右上角元件的位置之后，就馬 上位于正好對總線bn上各信號起作用的面片P4的左下角元件的位置。圖8 的示例能夠在二維微型波束形成陣列中進(jìn)行最大接收孔徑的水平、豎直和 對角線方向的步進(jìn)，在所述二維微型波束形成陣列中面片的數(shù)量是(緩沖 器尺寸除外)導(dǎo)線導(dǎo)體和主波束形成器通道數(shù)量的四倍。面片與主波束形 成器通道的4: 1模式可對稱地擴展到整個圖8的二維陣列。在陣列大小與 最大孔徑大小甚至更大比率的情況下，可互連更大量的面片，如在圖3的 示例中達(dá)到在水平方向上共同連接三個面片所示。
圖4、 5和6中所示的各開關(guān)元件在功能上等同于單刀單擲開關(guān)。本發(fā) 明的下列各示例使用功能等同的單刀雙擲開關(guān)來平移接收孔徑。這些示例 提供了當(dāng)平移孔徑時有效重定位各面片邊界的好處。以下各示例的另一好 處在于對于每個主波束形成器通道可維持相同數(shù)量的元件信號，無需為具 有不同數(shù)量信號的各通道執(zhí)行變跡加權(quán)調(diào)整。圖9示出了一個這樣的示例， 使用與圖3相同的二維陣列構(gòu)造。行R1中每個元件的延遲線DL顯示為連 接行Rl的各個元件。單刀雙擲開關(guān)元件Sw連接至每個延遲線DL的輸出。 根據(jù)開關(guān)臂的設(shè)置，這些開關(guān)元件的輸出將各延遲線連接兩個可能的總線、 導(dǎo)線導(dǎo)體和主波束形成器通道中的一個。在該示例中每個面片由五個元件 組成，并且當(dāng)將各開關(guān)Sw進(jìn)行如圖9所示的設(shè)置時，可以看到元件e6-e10 的延遲線都耦合至總線b2，其將來自這五個元件的信號求和。由這五個元 件組成的面片用在二維陣列12上橫向延伸的虛線102、 104來指示。總線 b2上的求和信號經(jīng)導(dǎo)線導(dǎo)體16b耦合至主波束形成器的通道，用于完成波 束形成。類似地，由虛線104、 106之間的元件ell-el5組成的面片使其各 接收信號耦合至總線b3，并在總線b3上進(jìn)行求和，然后經(jīng)導(dǎo)線導(dǎo)體b3耦 合至主波束形成器通道。以類似的方式，五元件面片信號在總線b4 (el6-e20)和總線b5 (e21-e25)上進(jìn)行求和，并經(jīng)導(dǎo)體16d和16e耦合至 各主波束形成器通道。各總線下方的箭頭指示從其它面片到各延遲線的連 接，這些面片在孔徑平移的其它時間共享相同的總線和主波束形成器通道。 在該示例中可以看到每個總線正對來自完全補集(fbll complement)的五個 元件(該示例中使用的面片大小)的各信號進(jìn)行求和。
各開關(guān)元件Sw在功能上等同于各單刀雙擲開關(guān)。即，根據(jù)所述開關(guān) 的設(shè)置，將延遲線的輸出耦合至兩個輸出總線和主波束形成器各通道中的 一個。這種布置根據(jù)開關(guān)的設(shè)置而完全任意地制作面片的邊界。圖10示出 了單刀雙擲開關(guān)120的基本形式，其具有臂122用于確定來自延遲線DL 的信號耦合至總線x還是總線y。圖ll示出了另一示例，其中由兩個平行 的單刀單刀開關(guān)124和126提供單刀雙擲開關(guān)的功能。在圖9的示例中， 將等于形成整個面片的元件數(shù)量(在該示例中是五個)的完全補集元件牽禺 合至每個主波束形成器通道。對于特定元件的開關(guān)Sw的設(shè)置確定出該元 件將耦合至的主波束形成器通道并因此確定出該元件在給定時間點處對其 起作用的所屬面片組。
圖12示出了圖9在孔徑已經(jīng)向左平移一個元件之后的構(gòu)造，所述向左 平移用相對于原始的面片邊界線102、 104等的虛線102'、 104等進(jìn)行指示。 延遲線5的開關(guān)Sw已經(jīng)重新設(shè)定到其的備選設(shè)置，從而將來自延遲線5 的信號耦合至到導(dǎo)體16b。來自延遲線10的開關(guān)Sw同樣已經(jīng)重新設(shè)定， 從而將來自延遲線10的信號從導(dǎo)體16b重新指向?qū)w16c。類似地，對于 每五個延遲線的開關(guān)Sw，包括所述延遲線15和20已經(jīng)重新設(shè)定到它們的 備選設(shè)置。這些開關(guān)設(shè)置將來自元件e5-e9的信號合并到導(dǎo)體16b上，將來 自元件el0-el4的信號合并到導(dǎo)體16c上，將來自元件el5-el9的信號合并 到導(dǎo)體16d上等等。與圖9中各導(dǎo)體上的信號相比，可以看到每個導(dǎo)體上 的元件組己經(jīng)向左平移一個元件，因此整個孔徑已經(jīng)向左平移一個陣列元 件。
在圖13中，孔徑相對于其在圖9中的開始位置向右平移一個元件，正 如面片邊界100"、 102"、 104"、 106"等所指示的。僅所示的延遲線6、 11、 16和21的各開關(guān)Sw在其初始設(shè)置；所有其它的開關(guān)已經(jīng)重新設(shè)定。該重 新設(shè)定使得來自延遲線7、 8和9的信號將要耦合至總線b3的延伸b3'，而 非它們先前耦合至的總線b2。結(jié)果，來自元件e7-e11的信號現(xiàn)在合并到總 線b3上，并經(jīng)導(dǎo)體16c耦合至主波束形成器通道。類似地，來自元件e2-e6 的信號耦合至導(dǎo)體16b，來自元件el2-el6的信號耦合至導(dǎo)體16d等等?？?以看到在導(dǎo)體上成組的每個面片與初始設(shè)定相比，已經(jīng)向右平移了一個元 件，并因此整個孔徑已經(jīng)向右平移了一個元件。
圖14示出了當(dāng)孔徑相對于圖13向右平移另一元件時的開關(guān)Sw的設(shè) 置。圖14的開關(guān)Sw的各位置不同于圖13的開關(guān)Sw的各位置，因為延遲 線7、 12、 17和22的開關(guān)己經(jīng)重新設(shè)定到它們的備選設(shè)置。這使得將來自 元件e3-e7的信號指向?qū)w16b，將來自元件e8-e12的信號指向?qū)w16c， 將來自元件el3-e17的信號指向?qū)w16d等等。如虛線100'〃、 102'〃、 104〃' 等所指示的，整個孔徑已經(jīng)向右平移了另一元件。
通過在下次迭代中設(shè)定來自延遲線8、 13、 18和23的各開關(guān)Sw，將 會看到所述孔徑向右平移又一元件。所述孔徑可以這種方式平移跨過所述 陣列。在每種情形中可以看到，除陣列的物理邊界外，在每個孔徑位置處 相等補集的各元件信號總是呈現(xiàn)在每個主波束形成器通道上。這種技術(shù)可 與孔徑僅在一個方向(方位方向)上平移的一維陣列結(jié)合使用?？梢圆捎?這一技術(shù)以通過例如平行與第一個單刀雙擲開關(guān)而增加正交結(jié)構(gòu)的單刀雙 擲開關(guān)，或為每個元件使用單刀3擲開關(guān)或其等同物，來附加地在二維陣 列的正交(仰角)方向上平移孔徑。為了適應(yīng)除方位角和仰角平移外的對 角線平移，可使用單刀4擲開關(guān)或其等同物以將元件連接至四個可能導(dǎo)線 和主波束形成器通道中的任何一個。將單刀n擲開關(guān)的每個輸出連接至不 同的導(dǎo)線導(dǎo)體，并因此連接至不同的主波束形成器通道。
在很多線性陣列的實現(xiàn)中，各波束總是(或大部分時間)進(jìn)行垂直于 陣列表面的直線向前轉(zhuǎn)向。當(dāng)在這種直線向前波束轉(zhuǎn)向的實現(xiàn)中不存在離 軸轉(zhuǎn)向時，各孔徑延遲可以關(guān)于孔徑的中心對稱。這意味著在孔徑中心任 一側(cè)等距離的各面片使用相同的主波束形成器延遲，并因此耦合至同一主 波束形成器通道。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會意識到，這樣的實現(xiàn)由于這種對 稱性而無需使用上面討論的緩沖區(qū)。應(yīng)當(dāng)在同樣考慮所述系統(tǒng)的相控陣列 要求的情況下完成各分離面片與同一主波束形成器通道的耦合，因為波束 在三維中的轉(zhuǎn)向需要在整個相控陣列孔徑上的連續(xù)延遲差。
本領(lǐng)域技術(shù)人員易于想到本發(fā)明上述原理的各種應(yīng)用和修改。如前所 述，2D陣列換能器可以在一個和若干維度上是平坦的(平面的)、或彎曲 的或曲面的。在探頭或在系統(tǒng)主機中可執(zhí)行各回波信號的數(shù)字化。在探頭、 系統(tǒng)主機，或者兩者內(nèi)可采用放大。用于回波接收的上述所示微型波束形 成器電路同樣可部分用于發(fā)射波束形成。在本發(fā)明的范圍內(nèi)可進(jìn)行附加的 修改。
權(quán)利要求
1、一種用一系列經(jīng)平移的接收孔徑對體積區(qū)域進(jìn)行成像的超聲診斷成像系統(tǒng)，包括由各換能器元件組成的陣列，其局部各組可包括具有寬度尺寸的由各元件組成的面片；多通道波束形成器，其產(chǎn)生經(jīng)波束形成的輸出信號；以及微型波束形成器，其包括多條延遲線，每條延遲線具有與陣列元件相耦合的輸入和產(chǎn)生延遲信號的輸出，可將所述延遲信號指向所述多通道波束形成器的通道；以及各控制信號的源，其與所述微型波束形成器相耦合，用于控制各延遲線輸出到所述多通道波束形成器的各通道的方向，其中，由多個面片的各元件所形成的接收孔徑可以以小于由各元件組成的面片的寬度的步進(jìn)增量，從用于一個波束的所述換能器陣列的一個孔徑位置步進(jìn)到用于另一波束的所述換能器陣列的另一孔徑位置。
2、 如權(quán)利要求1所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，將與不同面片的各 元件相耦合的各延遲線的輸出耦合到所述多通道波束形成器的共同通道。
3、 如權(quán)利要求1所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，通過各功能等同的 開關(guān)，將所述各延遲線的輸出耦合到所述多通道波束形成器的各通道。
4、 如權(quán)利要求3所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，所述各延遲線響應(yīng) 于各使能信號，并且其中，各控制信號的所述源向所述各延遲線提供各使能信號。
5、 如權(quán)利要求4所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，使能信號用于將延 遲線的延遲信號耦合至所述多通道波束形成器的通道，其中，使能信號提供功能等同的閉合開關(guān)。
6、 如權(quán)利要求5所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，使能信號的缺失提 供功能等同的開啟開關(guān)。
7、 如權(quán)利要求1所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，可將來自給定面片 各元件的延遲信號指向共同的波束形成器通道。
8、 如權(quán)利要求7所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，來自各控制信號的 所述源的各控制信號確定將來自給定面片各元件的哪些延遲信號指向所述 共同的波束形成器通道。
9、 如權(quán)利要求1所述的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中，由多個面片的各元 件所形成的接收孔徑可以以一個元件的步進(jìn)增量，從用于一個波束的所述 陣列換能器的一個孔徑位置步進(jìn)到用于另一波束的所述陣列換能器的另一 孔徑位置。
10、 一種對由各超聲換能器元件組成的陣列的接收孔徑進(jìn)行平移的方 法，所述孔徑是一組元件，所述孔徑的各元件布置在面片具有寬度尺寸的 各面片的局部各組中，包括接收來自位于所述陣列上第一位置的孔徑的各元件的信號； 將所述孔徑從所述第一位置平移到部分重疊的第二位置，通過下列各步驟在選定方向上將所述第二位置從所述第一位置進(jìn)行平移 接收來自所述兩個孔徑位置中共同的各元件的信號， 接收來自臨近并超過所述第一位置處的所述孔徑在選定方向上一側(cè)的各增加元件的信號，以及不接收來自所述第一位置處的所述孔徑在相反一側(cè)的補數(shù)元件的信號，其中，在選定方向上增加的元件數(shù)量小于面片的寬度尺寸。
11、 如權(quán)利要求10所述的方法，其中，對孔徑的每個面片的各個元件 進(jìn)行分別延遲，并在求和節(jié)點處將各延遲信號加在一起。
12、 如權(quán)利要求ll所述的方法，其中，不包括在所述孔徑內(nèi)的多個面 片的各元件共享包括在所述孔徑內(nèi)各面片的所述各求和節(jié)點，其中，共享求和節(jié)點的所述各面片并不在同一時間有效。
13、 如權(quán)利要求10所述的方法，其中，、接收來自增加的各元件的信號 的步驟包括將所述孔徑一側(cè)上的第一面片的一些元件增加到所述孔徑中， 并且不接收信號的步驟包括不接收來自所述孔徑相反一側(cè)上的第二面片相 等數(shù)量的元件的信號。
14、 如權(quán)利要求13所述的方法，還包括與所述陣列的各元件中的相應(yīng) 的一些相耦合的多條延遲線，且面片各元件的各延遲線輸出耦合至共同的 求和節(jié)點，其中，將第一面片和第二面片耦合至同一個求和節(jié)點上。
15、 如權(quán)利要求14所述的方法，其中，接收信號的步驟還包括使來自 包括在孔徑內(nèi)的各元件的各延遲線的信號能夠通過。
16、 如權(quán)利要求15所述的方法，其中，接收信號的步驟還包括對各延 遲線所延遲的信號進(jìn)行開關(guān)，使得所述各延遲信號施加到各求和節(jié)點上。
17、 如權(quán)利要求16所述的方法，還包括具有多個波束形成器通道的多 通道波束形成器，每個通道響應(yīng)由各自的求和節(jié)點所接收的信號。
18、 如權(quán)利要求10所述的方法，還包括具有多個波束形成器通道的多 通道波束形成器，每個通道響應(yīng)由各自面片的各元件所接收的信號。
19、 如權(quán)利要求15所述的方法，其中，使各信號能夠通過的步驟包括 閉合功能等同的單刀單擲開關(guān)。
20、如權(quán)利要求IO所述的方法，其中，所述第二位置在相對于所述第 一位置的兩個正交方向中的一個上。
全文摘要
超聲診斷成像系統(tǒng)具有布置成由多個換能器元件組成的多個面片上的二維陣列。將由各換能器元件組成的每個面片耦合至一組微型波束形成器延遲線，所述延遲線具有可耦合至系統(tǒng)波束形成器的選定通道的輸出，所述系統(tǒng)波束形成器將每個面片的各部分求和波束形成波束以形成最終的波束形成信號。將在有效接收孔徑中不同時使用的來自多個面片的輸出耦合至共同的波束形成器通道，使得在不使用復(fù)用器的情況下，所述陣列的面片數(shù)量超過系統(tǒng)波束形成器的通道數(shù)量。
文檔編號G01S15/00GK101395493SQ200780007186
公開日2009年3月25日 申請日期2007年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月1日
發(fā)明者A·L·魯濱遜, B·薩沃德, S·弗里曼 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司