具有可變面片幾何結(jié)構(gòu)的超聲換能器陣列的制作方法
【專利摘要】一種二維超聲陣列換能器，從體積區(qū)域的漸增的深度接收回波信號。所述2D陣列被配置成由微束形成器處理的元件的面片，并且來自面片的加和信號被耦合到超聲束形成器的通道。在最淺深度處，所述2D陣列接收來自孔徑中心的小面片的回波。隨著從漸增的深度接收信號，通過在所述中心中的所述小面片的任一側(cè)上，對稱地增加具有逐漸更大尺寸的面片來擴展所述孔徑。該創(chuàng)新技術(shù)可以改進1D和2D兩種陣列探頭的多線性能。
【專利說明】具有可變面片幾何結(jié)構(gòu)的超聲換能器陣列

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)用診斷超聲系統(tǒng)，并且尤其涉及具有陣列換能器的診斷系統(tǒng)，所述陣列換能器具有分組成面片的元件并且用微束形成器操作。

【背景技術(shù)】
[0002]超聲陣列換能器，具有多個單獨可控的換能器元件的換能器，已經(jīng)發(fā)展出多種配置。環(huán)形陣列由環(huán)形圈的元件構(gòu)成，并且非常適合將緊密聚焦的束一直向前——即垂直于換能器元件的平面——傳輸。ID陣列的元件由單行的元件(或者被連接以一致地運行的多行)構(gòu)成，其可以垂直于元件的行掃描單個圖像平面、方位平面。1.陣列包括多行元件，其可以在海拔上對稱地操作，以掃描垂直于所述陣列的方位平面，但具有在方位和海拔兩者上電子聚焦的束。2D(二維)陣列包括在方位和海拔兩個方向延伸的元件，所述元件可以完全獨立地操作，以在任意方位或海拔方向聚焦并操縱束。除了環(huán)形陣列以外，這些陣列可以被配置為平坦或彎曲取向。本發(fā)明針對這樣的2D陣列換能器，其可以在方位和海拔兩者上操縱并聚焦，以掃描感興趣的三維體積區(qū)域。
[0003]二維陣列換能器以及甚至具有大量元件的ID陣列因它們大量的換能器元件而帶來問題。由于這些元件中的每個均必須在發(fā)射和接收時獨立地受控，必須針對每個元件提供單獨的信號線。ID陣列可以包括一行100-200個元件，要求100-200個信號線，所述信號線可以被安置在相對小且輕的光探頭線纜中，但可能需要用相對少通道的系統(tǒng)束形成器操作。2D陣列可能在一個維度具有100-200行的元件并且在另一個維度具有100-200列的元件，總計幾千個個體元件。數(shù)千個信號線的線纜對于手持式并且必須由超聲醫(yī)師操縱的探頭而言并不實際。本發(fā)明的實施方式通過使用被附接到所述2D陣列的微束形成器集成電路，克服了這些問題，所述微束形成器集成電路執(zhí)行對元件的組(被稱為面片)的部分束形成。然后在標準尺寸線纜上將來自每個面片的元件的和信號傳導至所述超聲系統(tǒng)束形成器，在這里來自每個面片的加和信號被應用到完成所述束形成操作的所述系統(tǒng)束形成器的通道。在所述探頭中的微束形成器與所述系統(tǒng)束形成器的所述通道之間，對所述完整束形成操作的這種分割，例如在美國專利5229，933 (Larson，III)中所說明，使得能夠在所述探頭與所述超聲系統(tǒng)之間使用具有相對少數(shù)目的信號線的線纜。
[0004]可以選擇和變化被用于從沿掃描線接收回波信號的元件的數(shù)目，由此控制所述陣列的有效孔徑。非常像光學系統(tǒng)，所述有效孔徑中的元件的數(shù)目與所述孔徑的f數(shù)相關(guān)。隨著從所述陣列緊前方的近場接收回波，僅小數(shù)目的元件可以被用于從所述束的淺的深度接收初始回波信號。但是，隨著從不斷漸增的深度接收回波，可以以均勻的增加在最初使用的元件的任一側(cè)上增加額外的元件，以維持所述孔徑的f數(shù)以及所述探頭對來自更大深度的回波的靈敏度。該動態(tài)孔徑控制對于ID陣列而言很好理解，但在使用2D陣列或需要多線接收時變得復雜得多。在多線接收中，從針對多重、空間離散的線的換能器元件接收的回波信號針對所述不同的線而被以不同的方式處理，并且多重接收線是在同時產(chǎn)生的。例如，參見美國專利5431167 (Savord)。具有針對2D陣列的每個換能器元件的多重平行處理器的微束形成器將極為復雜、昂貴，且受手持式換能器探頭中可用的空間約束。但是，對于許多探頭而言，尤其是對于2D陣列而言，由于需要在可接受的采集幀速率的時間限度內(nèi)在體積區(qū)域上發(fā)射和接收波束，以及聲速是不可改變的物理定律，因此多線接收是高度合乎期望的。因此，需要一種能夠執(zhí)行較高階多線接收同時維持高品質(zhì)、無偽影性能的技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的原理，一種超聲換能器陣列，其用微束形成器操作，以處理來自限定面片的換能器元件的信號。在從近場的接收期間，使用第一面片尺寸，在大多數(shù)實施方式中優(yōu)選為最小面片尺寸。隨著從增大的景深接收回波，隨著針對來自更大深度的回波的面片接收角度下降，通過將不同的并且優(yōu)選為逐漸更大尺寸的面片增加到有效孔徑而擴展孔徑。本發(fā)明的實施方式實現(xiàn)了對更高階多線的接收，而沒有偽影和圖像亮度的不連續(xù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]在附圖中:
[0007]圖1以框圖形式圖示本發(fā)明的2D彎曲陣列換能器和微束形成器探頭。
[0008]圖2為圖示部分束和微束形成器的概念的框圖。
[0009]圖3a圖示利用使用均勻面片尺寸的2D陣列換能器的多線接收。
[0010]圖3b圖示根據(jù)本發(fā)明的原理，用使用逐漸更大的面片尺寸的2D陣列換能器的多線接收。
[0011]圖3c為圖3b的圖的另一種圖不，其聞売顯不中間尺寸的面片的束輪廊。
[0012]圖4圖示用于用根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)建的2D陣列換能器進行方位掃描的面片區(qū)域。
[0013]圖5圖示用于用根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)建的2D陣列換能器進行海拔掃描的面片區(qū)域。
[0014]圖6圖示與不需要多線采集的低通道數(shù)系統(tǒng)束形成器一起使用的2D陣列換能器的面片區(qū)域。
[0015]圖7圖示根據(jù)本發(fā)明的原理的用于將2D陣列的各種尺寸的面片耦合到系統(tǒng)束形成器的交叉點開關(guān)矩陣。

【具體實施方式】
[0016]首先參考圖1，以框圖的形式示出了根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)建的超聲系統(tǒng)。探頭10具有二維陣列換能器12，其在海拔維度彎曲，例如在美國專利7927280 (Davidsen)中所示的。所述陣列的元件被耦合到位于所述探頭中在所述換能器陣列后面的微束形成器14。所述微束形成器將定時的發(fā)射脈沖應用到所述陣列的元件以在期望的方向發(fā)射波束，并應用到所述陣列前方的三維像場中的期望焦點。來自所發(fā)射的波束的回波被所述陣列元件接收，并被耦合到微束形成器14的通道，所述回波在所述通道處被各自延遲。來自一面片的換能器元件的所述延遲的信號被合并，以形成針對所述面片的部分和信號。如本文中使用的，術(shù)語“面片”指這樣一組換能器元件，其鄰接或一起操作，或者它們的信號被微束形成器組合以形成針對超聲系統(tǒng)束形成器的一個信號。在典型的實施方式中，合并是通過將來自所述面片的所述元件的所述延遲的信號耦合到公共總線，而得以完成的，免除了加法電路或其他復雜電路的需要。每個面片的所述總線被耦合到線纜16的導線，所述導線將所述部分和面片信號傳導至系統(tǒng)主機。在所述系統(tǒng)主機中，所述部分和信號被數(shù)字化并被耦合到系統(tǒng)束形成器22的通道，系統(tǒng)束形成器22適當?shù)匮舆t每個部分和信號。所延遲的部分和信號然后被合并，以形成相干操縱與聚焦接收束。由信號與圖像處理器24處理來自所述3D像場的束信號，以產(chǎn)生2D或3D圖像，用于在圖像顯示器30上的顯示。對超聲系統(tǒng)參數(shù)(例如探頭選擇、束操縱與聚焦，以及信號與圖像處理)的控制是在控制器26的控制下完成的，控制器26被耦合到所述系統(tǒng)的各個模塊。在探頭10的情況中，該控制信息中的一些是在線纜16的數(shù)據(jù)線上從所述系統(tǒng)主機提供的。用戶借助于控制面板20控制這些操作參數(shù)。
[0017]圖2圖示部分加和微束形成器的概念。通過虛線32和34將圖2的圖分成三個區(qū)域。探頭10的部件示于線32的左邊，所述系統(tǒng)主機的部件示于線34的右邊，并且線纜16示于兩條線之間。所述探頭的二維陣列12被劃分成鄰接的換能器元件的面片。在圖中示出陣列12的所述面片中的五個，每個包括九個相鄰的元件。在圖中示出針對面片12a、12c和12e的微束形成器通道。面片12a的九個元件被耦合到在DLl指示的所述微束形成器的九個延遲線。類似地，面片12c和12e的九個元件被耦合到在DL2和DL3指示的延遲線。由這些延遲線賦予的延遲為諸多變量的函數(shù)，例如所述陣列的尺寸、元件節(jié)距、所述面片的間距和尺寸(dimens1ns)、束操縱的范圍，以及其他。所述延遲線組DL1、DL2和DL3每個將來自它們各自面片的元件的信號延遲到針對所述面片的共同時間參照。然后通過各自的加法器Σ，組合來自每組延遲線的九個延遲的信號，以從所述面片的元件形成所述陣列的部分和信號。將每個部分和信號放在單獨的總線15a、15b和15c(它們中的每個均被耦合到線纜16的導線)上，其將所述部分和信號傳導至所述系統(tǒng)主機。在所述系統(tǒng)主機中，每個部分和信號均被應用到系統(tǒng)束形成器22的延遲線22a、22b、22c。這些延遲線將所述部分和信號聚焦成在系統(tǒng)束形成器加法器22s的輸出的公共束。然后將完整形成的束轉(zhuǎn)發(fā)到所述信號與圖像處理器，用于進一步的處理和顯示。盡管圖2中的范例被示為9-元件面片，但將認識到，構(gòu)建的微束形成器系統(tǒng)一般將具有更大數(shù)目的元件，例如12、20、48或70個元件或更多。面片的所述元件可以彼此毗鄰、隔開，或者甚至混合為棋盤圖案，其中“奇”數(shù)的元件組合在一個面片中并且“偶”數(shù)的元件組合在另一個面片中。所述面片可以為方形、矩形、菱形、六邊形或任意其他期望形狀。
[0018]圖3a圖示多線采集的問題，該問題可以用本發(fā)明的實施方式得以解決。圖3a圖示接收束輪廓60，像場的面積或體積的輪廓線，其中下至所述場中的深度X下的回波被接收。要由陣列換能器12在所述像場的中心處在所述線的任一側(cè)上接收四個多線R1A、R2A、R1B和R2b，換能器陣列12在操作上被劃分成相等尺寸的五個面片40、42、44、46和48。如由圖3a圖示的，一組統(tǒng)一尺寸的面片40-48的束輪廓60在所述像場的所述中心中為相對窄的區(qū)域。僅最靠近所述場中心的兩個多線的最深深度Ria和Rib在所述接收束輪廓內(nèi)。Ria和Rib多線的剩余延伸以及外部多線R2a和R2b的全部延伸均在所述接收束輪廓之外。結(jié)果，針對這些束所接收的信號將是低強度的，得到弱接收的回波信號，在使用這些多線的圖像中將僅朦朧地示出所述弱接收的回波信號。產(chǎn)生的偽影將表現(xiàn)為在得到的超聲圖像中閃爍帶的明暗條紋。
[0019]在圖3b中，將不同尺寸的面片逐漸地增加到所述孔徑，以提供對針對所述多線所接收的回波的完全覆蓋。中心面片50是最小的，這給予其針對接收的回波的最大接受角以及接收束輪廓62，接收束輪廓62在深度上相對地淺但橫向地寬，如在圖3b中所示?？吹结槍υ撔≈行拿嫫慕邮帐喞?2覆蓋全部四個多線的近場。隨著從較大的深度接收回波，在中心面片50任一側(cè)上增加毗鄰面片52和54，并且它們覆蓋對全部四個多線的中等深度回波的接收，如在圖3c中所示。見到以兩個較大面片52和54的所述增加獲得的束輪廓64A和64B跨四個多線。也見到，來自所述較大面片中每個的所述束輪廓略微轉(zhuǎn)向所述像場的中心，以提供對所掃描區(qū)域的完整覆蓋。最終，將最外的，還要更大的面片56和58增加到有效孔徑。用這些面片獲得的接收束輪廓664和6化示于圖3b中。見到這些束輪廓延伸到所述像場的最大深度，具有對所述束輪廓中任一個的最小接受角，并且也見到其略微轉(zhuǎn)向所述像場的中心，以提供對正被掃描的區(qū)域的完全覆蓋。不同尺寸的面片的全部的組合提供對所述像場的完全覆蓋，防止從束輪廓外部接收回波，并且得到閃爍的圖像偽影。
[0020]圖3b和圖3c僅圖示根據(jù)本發(fā)明的陣列換能器的一維的面片，而圖4-圖6示出2D陣列12的地形視圖，其圖示本發(fā)明的示范性2D陣列的面片在方位(水平)和海拔(垂直)維度兩者中的尺寸。在這些范例中示出的2D陣列12每個均包括方位中的160個元件和海拔中的120個元件，每個2D陣列中總計19200個元件。四個微束形成器ASIC被用于進行針對每個陣列的初始部分束形成。一個ASIC位于陣列的每個象限(如由描繪所述ASIC邊界的暈線1-1和2-2指示的)之后。在圖4和圖5中，由黑線描畫所述面片的輪廓。在圖4的范例中，有七行面片和十六列面片?？吹皆撏耆讖絽^(qū)36占據(jù)小于2D陣列12的全部面積，從而可以針對其他空間不同的掃描線，在所述2D陣列上逐步遞增地平移所述孔徑，如在本人的美國專利8161817 (Savord)中描述的?？吹綀D4中的面片的孔徑36在所述2D陣列的左側(cè)，并且然后逐步平移到右側(cè)。
[0021]圖4的孔徑36中的所述面片在所述孔徑的中心最小，并且在所述孔徑的方位邊緣最大。該范例中的每行面片在海拔維度為22個元件高；每個面片因此在海拔上為22個元件。在方位維度中，中心的四個面片在寬度上為三個元件，如由跨中心四列面片的括號70指示的。接下來的最外列的面片72和72’為4個元件寬，并且接下來的列74和74’為5個元件寬。面片列76和76’在海拔上為7個元件，并且面片列78和78’在海拔上為10個元件。接下來的外部列80和80’在海拔上為12個元件，并且在孔徑36的海拔限度處的最外列82和82’為14個元件寬。用圖4的所述2D陣列的接收將通過首先在最淺深度使用兩個或四個小中心面片而開始，然后隨著從較大的深度接收回波，而逐漸地在任一側(cè)上開啟接下來的毗鄰面片，直到全部孔徑的面片全部有源且被使用，直到最大的期望接收深度。對面片布置的這種選擇非常適合用于掃描一系列平行或略傾斜的平面，每個平面均跨正被成像的體積在方位方向延伸。
[0022]如果要在正交方向掃描平面，則可以使用一組平面(其每個均在所述海拔方向延伸)、如在圖5中示出的面片布置。圖5的2D陣列的有效孔徑36具有七列在所述海拔方向延伸的面片，它們在所述方位(圖中為水平)方向尺寸均勻。在海拔維度，所述面片尺寸不同于在所述孔徑的所述中心一在80處括起的三行面片，它們每個在所述海拔方向均為六個元件高。在行82和82’指示的接下來較外的面片每個為12個元件高，并且接下來的面片84和84’每個為19個兀件聞。在每個海拔極限處的兩個最外彳丁 86、88、86’和88’每個為20個元件高。通過以下方式執(zhí)行掃描:以在所述中心的最小面片80 (第一個或全部三個)開始接收，然后從所述中心以對稱的對逐漸增加毗鄰面片，以擴展所述有效孔徑到在最大景深的全孔徑36。如用圖4的所述2D陣列，可以跨所述陣列在所述方位方向平移圖5中的有效孔徑36，以掃描所述陣列前方的所述體積區(qū)域中的額外掃描線。
[0023]圖6圖示該19200元件2D陣列12用于以僅有七個束形成器通道成像的應用的范例。如圖6所示，在有效孔徑36中僅有七個面片91-97，每個的部分束形成和信號被耦合到所述超聲系統(tǒng)的所述7-通道束形成器的通道。如前文，七個面片的所述有效孔徑可以被平移到所述陣列上的各個其他位置。每個面片在該范例中包括1280個元件，在海拔方向的16個元件和在方位方向的80個元件。給配置的孔徑一般將不被用于在方位中的多線掃描，而可以被用于在海拔中的低次序多線采集。
[0024]圖7圖示適合于將來自探頭微束形成器14的微束形成的信號選擇性地耦合到系統(tǒng)束形成器22的通道的交叉點開關(guān)矩陣。所述2D陣列換能器的每個元件，例如元件O、元件1、……元件3000均被耦合到微束形成器14的電路14’，其將合適的延遲分到所接收的信號。每個延遲的元件信號均被線112、114、……120傳導至電子開關(guān)的臂，例如122、124、……126和132、134、……136。所述線上的所述電子開關(guān)中的一個被關(guān)閉，以將來自該元件的所述信號耦合到選擇的系統(tǒng)束形成器通道，例如系統(tǒng)通道O、系統(tǒng)通道1、……系統(tǒng)通道2。通過選擇性地關(guān)閉所述交叉點開關(guān)矩陣中期望的開關(guān)，可以將任意延遲的元件信號放在母線102、104，……110上，以與所述母線上的其他信號合計，并且被應用到系統(tǒng)束形成器22的通道，用于所述束形成操作的完成。
[0025]盡管本發(fā)明的所述應用在所述探頭使用2D陣列換能器時尤其合乎期望，但其對于使用ID陣列(其與所述探頭中的微束形成器一起操作)的探頭也是有利的?？梢杂镁哂蟹浅５屯ǖ罃?shù)的超聲系統(tǒng)束形成器操作這樣的布置，例如在2011年6月30日遞交的美國專利申請序列號61/503329 (Poland等人)中描述的僅有八個、十個或十二個通道的系統(tǒng)束形成器。本發(fā)明的實施方式可以改進具有減少的通道數(shù)的系統(tǒng)(例如這些)中的ID陣列/微束形成器探頭的多線性能。
【權(quán)利要求】
1.一種用于控制超聲探頭的陣列換能器的孔徑的方法，所述陣列的元件被耦合到所述探頭中的微束形成器，所述微束形成器對接收的回波信號執(zhí)行至少部分束形成，包括: 將所述陣列的所述孔徑配置成不同尺寸的面片，每個面片包括被耦合到所述微束形成器的一組換能器元件； 用一個或多個第一尺寸的面片的孔徑，從淺的景深接收回波；并且 通過擴展所述孔徑以增加與所述第一尺寸相比不同尺寸的面片來從較深的景深接收回波。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述陣列換能器還包括二維(2D)陣列的換能器元件； 其中，從淺的景深接收回波還包括用一個或多個相對小尺寸的面片接收回波；并且 其中，從較深的景深接收回波還包括擴展所述孔徑，以增加與所述相對小的尺寸相比更大尺寸的面片。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，從較深的景深接收回波還包括擴展所述孔徑，以在第一相對較小尺寸的一個或多個面片的任一側(cè)上增加第二較大尺寸的面片。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，從較深的景深接收回波還包括關(guān)于所述一個或多個相對小尺寸的面片，對稱地擴展所述孔徑。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，從較深的景深接收回波還包括擴展所述孔徑，以在所述較大尺寸的面片的任一側(cè)上增加最大尺寸的面片。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括將所述孔徑平移到所述2D陣列的不同組的換能器元件。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，配置還包括在海拔維度配置統(tǒng)一尺寸的面片并在方位維度配置不同尺寸的面片。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，配置還包括在所述方位維度中在所述孔徑的中心配置最小面片，其中，逐漸增大尺寸的面片在所述最小面片的任一側(cè)上延伸到所述孔徑在所述最小面片的任一側(cè)上的方位極限。
9.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，配置還包括在所述方位維度配置統(tǒng)一尺寸的面片并在所述海拔維度配置不同尺寸的面片。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，配置還包括在所述海拔維度中在所述孔徑的中心配置最小面片，其中，逐漸增大尺寸的面片在所述最小面片的任一側(cè)上延伸到所述孔徑在所述最小面片的任一側(cè)上的海拔極限。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 用所述微束形成器部分束形成來自所述面片的元件的所述信號；并且 用超聲系統(tǒng)束形成器完成對經(jīng)部分束形成的信號的所述束形成。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 用微束形成器處理來自所述面片的元件的所述信號，以形成面片加和信號；并且 將所述面片加和信號耦合到超聲系統(tǒng)束形成器的通道。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括用交叉點開關(guān)將來自所述面片的元件的所述信號耦合到超聲系統(tǒng)束形成器的通道。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，形成面片加和信號還包括將來自所述面片的元件的所述信號耦合到公共總線。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，處理來自所述面片的元件的所述信號還包括延遲來自所述元件的所述信號。
【文檔編號】G01S15/89GK104335066SQ201380024181
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年4月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月9日
【發(fā)明者】B·J·薩沃德 申請人:皇家飛利浦有限公司