使用表觀點源傳送換能器的超聲成像的制作方法
【專利說明】
[0001 ] 通過引用并入
[0002] 在本說明書中提及的所有出版物和專利申請其整個內(nèi)容通過引用并入本文，其引 用的程度如同每個單獨出版物或?qū)＠暾埍痪唧w地和單獨地指示為通過引用并入一樣。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本申請一般設(shè)及超聲成像的領(lǐng)域，并且更具體地設(shè)及使用表觀點源傳送器的基于 ping的超聲成像。
【背景技術(shù)】
[0004] 在常規(guī)的基于掃描線的超聲成像中，所聚焦的超聲能量射束被傳送到待檢查的身 體組織中，并且沿著同一直線返回的回波被檢測到并且繪制W形成圖像沿著掃描線的一部 分。完整圖像可W通過重復(fù)該過程并且沿著掃描平面內(nèi)的一系列掃描線組合圖像部分來形 成。接連的掃描線之間的任何信息都必須通過插值進行估計。
[0005] 相同過程已經(jīng)被擴展到通過組合來自多個相鄰切片的圖像來獲得=維體積的超 聲圖像(其中，每個切片處于不同的掃描平面）。再次，來自處于接連的掃描平面之間的任何 空間的任何信息必須通過插值進行估計。因為時間在捕獲完整2D切片之間流逝，所W可W 顯著削弱獲得運動對象的3D圖像數(shù)據(jù)。所謂的"4D"成像系統(tǒng)巧中，第四維度是時間）致力 于產(chǎn)生3D體積空間的運動圖像（即，視頻）?；趻呙杈€的成像系統(tǒng)還具有當(dāng)嘗試對移動對 象進行4D成像時帶來困難的固有的帖率限制。
[0006] 由于運些因子和其它因子，所W現(xiàn)有的2D和3D超聲成像系統(tǒng)和方法的一些局限性 包括不良的時間和空間分辨率、成像深度、斑點噪聲、不良的橫向分辨率、所遮蔽的組織和 其它此類問題。
[0007] 已經(jīng)使用創(chuàng)建多孔徑成像對超聲成像領(lǐng)域進行了顯著的改進，其示例在上文所引 用的申請人的在先專利和申請中描述中得W示出并且描述。多孔徑成像方法和系統(tǒng)允許超 聲信號均從物理上和邏輯上分開的孔徑傳送和接收。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本文中的系統(tǒng)和方法的各種實施例提供W足W捕獲移動對象的細節(jié)的帖率來執(zhí) 行高分辨率=維超聲成像的能力。傳統(tǒng)的基于掃描線的超聲成像方法由于需要傳送和接收 許多掃描線W獲得單個二維平面而局限于相對較慢的帖率。由于需要成像許多2D切片，所 W擴展運樣的技術(shù)W從完整3D體積獲得成像數(shù)據(jù)會導(dǎo)致甚至更慢的帖率。
[0009] 作為示例，假設(shè)一個人需要從深度為5cm至15cm的一側(cè)上的IOcm的組織立方體收 集數(shù)據(jù)。如果從公共中屯、傳送掃描線，則可能被研究的形狀可能是截棱錐，而不是近端和遠 端區(qū)域的厚度相當(dāng)?shù)男螤?。組織可W用在立方體的遠端面上相距2mm(或更?。┑纳涫M行 采樣。為了覆蓋遠端表面，至少需要50X50定向射束或2500定向脈沖。在最大脈沖速率(其 可能受到組織中的聲音速度、預(yù)期信號衰減和背景噪聲水平的限制)大約為2500脈沖/秒的 情況下，可W在大約一秒內(nèi)收集所有的所需數(shù)據(jù)。該收集時間可W足夠用于非移動組織(諸 如骨、肝等），但并不足夠快W捕獲動脈、器官(諸如腎臟并且特別是屯、臟）、或移動關(guān)節(jié)或肌 肉中的運動。
[0010] 另一方面，使用基于Ping的成像，在S個維度上基本上均勻地傳播的單個Ping可 W聲穿透整個體積，并且動態(tài)波束成形（聚焦）可W標(biāo)識回波返回的源。使用基于Ping的成 像技術(shù)，可能需要最少S個Ping來獲得用于3D體積的數(shù)據(jù)，同時可W需要最少兩個Ping來 獲得用于2D切片的數(shù)據(jù)。在實踐中，10至50(或更多)個Ping可W用來實現(xiàn)所期望的圖像質(zhì) 量。例如，W每秒2500個Ping的速率使用25個Ping可能只需要0.01秒來獲取用于10厘米的 整個組織立方體的所有數(shù)據(jù)。對于該具體示例中，數(shù)據(jù)收集可W比與基于掃描線的方法快 100 倍。
[0011] 使用基于Ping的超聲成像技術(shù)，2D和3D帖率都可W基本上增加W允許實時地對3D 體積進行成像。更進一步地，通過應(yīng)用多個孔徑成像技術(shù)(例如，通過多個在空間上或物理 上分開的聲學(xué)窗口傳送和接收超聲信號），運樣的實時3D圖像的分辨率可W相對于單孔徑 技術(shù)被極大地提高。
[0012] W下公開內(nèi)容提供了表觀點源換能器、W及用于使用運樣的表觀點源換能器執(zhí)行 高帖率高分辨率實時2D、3D和所謂的4D超聲成像的系統(tǒng)和方法的各種實施例。
[0013] 在一個實施例中，提供了一種使用超聲能量對對象進行成像的方法，該方法包括 W下步驟:將未聚焦超聲信號從包括被成形為具有球形中屯、點的球形截面的壓電材料殼體 的表觀點源傳送換能器傳送到目標(biāo)介質(zhì)中，使用與表觀點源傳送換能器不同的全向接收元 件接收由目標(biāo)介質(zhì)中的反射器反射的回波，通過W下來確定目標(biāo)介質(zhì)內(nèi)的反射器的位置： 獲得描述表觀點源傳送換能器的球形中屯、點的位置和接收元件的位置的元件位置數(shù)據(jù)、計 算總路徑距離作為球形中屯、點和反射器之間的第一距離W及反射器和接收元件之間的第 二距離的總和、W及確定反射器可能所在的可能點的軌跡，并且產(chǎn)生反射器的圖像。
[0014] 在一些實施例中，接收元件包括被成形為具有第二球形中屯、點的球形截面的壓電 材料殼體，并且其中，接收元件的位置是第二球形中屯、點的位置。
[0015] 在另一實施例中，接收元件的位置位于接收元件的表面上。
[0016] 在一個實施例中，該方法還包括:使用公共接收孔徑中的多個接收元件來重復(fù)所 述接收、確定和產(chǎn)生步驟。
[0017] 在一個實施例中，該方法還包括:使用多個接收孔徑的元件來重復(fù)所述接收、確定 和產(chǎn)生。
[0018] 在一個實施例中，該方法還包括:使用單獨的第二表觀點源傳送換能器來重復(fù)所 述傳送步驟。
[0019] 在一些實施例中，表觀點源傳送換能器和接收元件之間的直線距離大于用于預(yù)期 成像應(yīng)用的最大相干孔徑長度。
[0020] 在其它實施例中，計算總路徑距離包括:加上表示從表觀點源傳送換能器的凸起 的傳送換能器表面到球形中屯、點的距離的表觀路徑段。
[0021] 在一些實施例中，計算總路徑距離包括:減去表示從表觀點源傳送換能器的凹進 的傳送換能器表面到球形中屯、點的距離的表觀路徑段。
[0022] 在備選實施例中，接收元件具有圓形形狀。
[0023] 還提供一種超聲成像系統(tǒng)，其包括被成形為具有球形中屯、點的球形截面的第一表 觀點源傳送換能器，該第一表觀點源傳送換能器被配置成將=維半球形脈沖傳送到待成像 的目標(biāo)對象中；第一多個接收換能器元件，其被配置成接收=維半球形脈沖的回波;第二多 個接收換能器元件，其被配置成接收=維半球形脈沖的回波;控制器，其被配置成控制=維 半球形脈沖的傳送，并且基于表觀點源傳送換能器的球形中屯、點的已知位置、第一和第二 多個接收換能器元件的元件的已知位置、=維半球形脈沖被傳送的時間、W及回波被接收 的時間來確定對象內(nèi)的反射器的位置。
[0024] 在一些實施例中，第一表觀點源傳送換能器相對于目標(biāo)對象是凸起的。
[0025] 在一個實施例中，第一表觀點源傳送換能器相對于目標(biāo)對象是凹進的。
[0026] 在備選實施例中，第一表觀點源傳送換能器被成形為大于半個球體的球形截面。
[0027] 在一些實施例中，第一表觀點源傳送換能器被成形為小于半個球體的球形截面。 [00%]在一個實施例中，第一表觀點源傳送換能器被成形為等于半個球體的球形截面。
[0029] 在一些實施例中，第一表觀點源傳送換能器的球面半徑介于0.2mm和IOmm之間。
[0030] 在一個實施例中，第一表觀點源傳送換能器被配置成傳送第一頻率范圍內(nèi)的超聲 信號。
[0031] 在其它實施例中，第一表觀點源傳送換能器包括具有恒定厚度的壓電材料殼體。
[0032] 在一個實施例中，該系統(tǒng)還包括具有球面半徑并且被配置成傳送第二頻率范圍內(nèi) 的超聲信號的第二表觀點源傳送換能器，第二頻率范圍與第一頻率范圍不同。
[0033] 在一些實施例中，表觀點源傳送換能器包括由連續(xù)壓電材料制成的具有恒定厚度 的殼體。
[0034] 在另一實施例中，表觀點源傳送換能器包括由分段的壓電材料制成的具有恒定厚 度的殼體。
[0035] 在一些實施例中，表觀點源傳送換能器包括被布置成球形形狀的多個段，其中，所 有段被配置成同時傳送超聲信號。
[0036] 在一個實施例中，該系統(tǒng)還包括包含描述表觀點源傳送換能器的球形中屯、點相對 于第一多個接收換能器元件的至少一個元件的位置的數(shù)據(jù)的計算機可讀存儲器。
[0037] 在一個實施例中，該系統(tǒng)還包括計算機可讀存儲器，該計算機可讀存儲器包含表 示等于第一表觀點源傳送換能器的表面到球形中屯、點的距離的表觀路徑段的調(diào)整因子。
[0038] 在另一實施例中，第一多個接收元件和第二多個接收元件中的每個接收元件具有 圓形形狀。
[0039] 超聲探頭包括:表觀點源傳送換能器，其包括被成形為具有恒定的壁厚和球形中 屯、點的球形截面的壓電材料殼體;和接收陣列，其包括多個全向接收換能器元件，該接收陣 列的總孔徑大于用于預(yù)期成像應(yīng)用的相干寬度。
[0040] 在一些實施例中，多個接收換能器元件被分組成單獨陣列。
[0041 ]在另一實施例中，多個接收換能器元件都包含在連續(xù)陣列中。
[0042] 在一些實施例中，接收元件具有圓柱形形狀。
[0043] 在附加實施例中，接收元件具有球形截面形狀。
[0044] 在備選實施例中，超聲探頭的大小被設(shè)置和配置為用于插入到體空腔或體腔中。
[0045] 在一個實施例中，超聲探頭的大小被設(shè)置為用來覆蓋大約人類患者的胸部的一 半。
[0046] 在一些實施例中，總孔徑是用于預(yù)期成像應(yīng)用的相干寬度的至少兩倍。
[0047] 在其它實施例中，總孔徑是用于預(yù)期成像應(yīng)用的相干寬度的至少=倍。
[004引在一個實施例中，探頭包括寬度約為8cm至IOcm的換能器元件陣列。
[0049] 提供了一種表觀點源超聲換能器元件，其包括:被成形為具有恒定的壁厚和球形 中屯、點、凸起表面和凹進表面的球形截面的壓電材料殼體；圍繞并且結(jié)合到殼體的凸起表 面的聲學(xué)阻尼材料;W及延伸穿過聲學(xué)阻尼材料并且連接到殼體的凸起表面的電引線。
[0050] 在一個實施例中，該元件還包括填充并且結(jié)合到殼體的凹進表面的聲學(xué)匹配材 料。
[0051] 在一些實施例中，殼體具有被成形為大于半個球體的球形截面的傳送表面。
[0052] 在其它實施例中，殼體具有被成形為小于半個球體的球形截面的傳送表面。
[0053] 在附加實施例中，殼體具有被成形為等于半個球體的球形截面的傳送表面。
[0054] 在一些實施例中，殼體由包括壓電陶瓷和聚合物的復(fù)合材料制成。
[0055] 在其它實施例中，殼體包括錯鐵酸鉛(PZT)。
[0056] 在一個實施例中，殼體具有至少3平方毫米的傳送表面面積。
[0057] 在另一實施例中，殼體具有至少5平方毫米的傳送表面面積。
[0058] 在一個實施例中，殼體具有至少10平方毫米的傳送表面面積。
[0059] 還提供了一種表觀點源超聲換能器元件，其包括:被成形為具有恒定的壁厚和球 形中屯、點、凸起表面和凹進表面的球形截面的壓電材料殼體;填充并且結(jié)合到殼體的凹進 表面的聲學(xué)阻尼材料;W及延伸穿過聲學(xué)阻尼材料并且連接到殼體的凹進表面的電引線。
[0060] 在一個實施例中，該元件還包括結(jié)合到殼體的凸起表面的聲學(xué)匹配材料。
[0061] 在一些實施例中，殼體具有成形為大于半個球體的球形截面的傳送表面。
[0062] 在另一個實施例中，殼體具有成形為小于半個球體的球形截面的傳送表面。
[0063] 在一個實施例中，殼體具有被成形為等于半個球體的球形截面的傳送表面。
[0064] 在備選實施例中，殼體由包括壓電陶瓷和聚合物的復(fù)合材料制成。
[0065] 在一些實施例中，殼體包含錯鐵酸鉛(PZT)。
[0066] 在其它實施例中，殼體具有至少3平方毫米的傳送表面面積。
[0067] 在一個實施例中，殼體具有至少5平方毫米的傳送表面面積。
[0068] 在另一實施例中，殼體具有至少10平方毫米的傳送表面面積。
【附圖說明】
[0069] 本發(fā)明的新穎特征在所附的權(quán)利要求中進行具體地闡述。參照闡述其中利用本發(fā) 明的原理的說明性實施例和附圖的W下【具體實施方式】來獲得對本發(fā)明的特征和優(yōu)點的更 好的理解，其中：
[0070] 圖1是凸起的表觀點源傳送換能器元件的一個實施例的透視圖。
[0071 ]圖2A是半球形換能器形狀的二維(2D)橫截面圖示。
[0072] 圖2B是被成形為小于半個球體的球形蓋的換能器的二維橫截面圖示。
[0073] 圖2C是被成形為大于半個球體的球形蓋的換能器的二維橫截面圖示。
[0074] 圖3A是由剪切高程為零和因此半球形凸起的換能器表面是完美的表觀點源超聲 換能器產(chǎn)生的=維(3D)波形的二維橫截面圖示。
[0075] 圖3B是由剪切高程為球面半徑的60%和因此凸起的換能器表面的形狀小于半個 球體的表觀點源超聲換能器產(chǎn)生的=維波形的二維橫截面圖示。
[0076] 圖3C是由剪切高程為球面半徑的98%和因此凸起的換能器表面的形狀為球體的 非常小的一部分的表觀點源超聲換能器產(chǎn)生的=維波形的二維橫截面圖示。
[0077] 圖3D是由剪切高程為球面半徑的-60%和因此凸起的換能器表面的形狀大于半個 球體的表觀點源超聲換能器產(chǎn)生的=維波形的二維橫截面圖示。
[0078] 圖4是凹進的表觀點源傳送換能器元件的一個實施例的透視圖。
[0079] 圖5是圖示了待形成為球形蓋的平面壓電材料板的剪切線的實施例的平面圖。
[0080] 圖6是被配置成用于執(zhí)行基于二維Ping的多孔徑成像并且包括表觀點源傳送換能 器的超聲探頭的實施例的正視圖。
[0081] 圖7是被配置成用于執(zhí)行基于S維Ping的多孔徑成像并且包括表觀點源傳送換能 器的超聲探頭的實施例的正視圖。
[0082] 圖8是被配置成用于執(zhí)行基于3D Ping的多孔徑成像并且包括多個表觀點源傳送 換能器和多個接收器陣列的超聲探頭的實施例的透視圖。
[0083] 圖9是被配置成用于執(zhí)行基于3D Ping的多孔徑成像并且包括具有多個集成表觀 點源傳送換能器的連續(xù)換能器元件陣列的超聲探頭的實施例的透視圖。
[0084] 圖10是攜帶表觀點源傳送換能器和接收陣列的靜脈內(nèi)超聲成像探頭的實施例的 透視圖示。
[0085] 圖IOA是攜帶表觀點源傳送換能器和接收陣列的靜脈內(nèi)超聲成像探頭的備選實施 例的剖視圖。
[0086] 圖IOB是圖示了攜帶凸起的表觀點源傳送換能器的靜脈內(nèi)或尿道內(nèi)超聲僅傳送探 頭的實施例的圖。
[0087] 圖11是攜帶凹進的表觀點源傳送換能器和接收陣列的靜脈內(nèi)超聲成像探頭的備 選實施例的剖視圖。
[0088] 圖IlA是攜帶凸起的表觀點源傳送換能器和接收陣列的靜脈內(nèi)超聲成像探頭的備 選實施例的剖視圖。
[0089] 圖12是圖示了包括多個表觀點源傳送元件和待成像的目標(biāo)對象的連續(xù)換能器陣 列的實施例的示意性透視圖。
[0090] 圖13是被配置成用于傳送基本上受限于單個成像平面的超聲信號的表觀源換能 器的示意性圖示。
[0091] 圖14是圖示了多孔徑成像系統(tǒng)的實施例的示意圖。
【具體實施方式】
[0092] 參照附圖對各種實施例進行詳細描述。對具體示例和實現(xiàn)方式的引用出于說明性 目的，并不旨在限制本發(fā)明或權(quán)利要求