等相位二維陣列探頭的制作方法

專利名稱：等相位二維陣列探頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及醫療器械技術領域，主要通過 文進的方法和配置對三維成像 探頭進行排列，完成醫療成像處理的系統和方法。更具體地說，本發明通過 排列二維探頭，改善圖像獲取方法，從而改進容積成像，以及探頭生產的便 利性。
背景技術：
盡管圖像顯示技術取得了極大進步，可以更高分辨率顯示、可從不同角 度用三維圖像觀察掃描圖像，進行更準確的診斷，但是，采用二維陣列探頭
的過程仍然受限于技術上的困難。舉個例子來說，美國專利5,911,692和 6,014,897中公布的稀疏二維陣列探頭產生的是很差的波束分辨率圖像，若應 用這樣的探頭數據的話，就會使圖像構建過程變得更復雜。
常規的一維陣列探頭釆用線陣平面或者凸陣配置，已在超聲成像中應用 多年。應用從探頭接收的回波數據產生的圖像表現為二維橫截面，操作者可 以在周圍移動探頭，獲取多個二維圖像切片，然后通過插值等處理這些二維 圖像切片，發現疾病。有的系統也提供徒手或者馬達驅動三維獲取的容積構 建算法，進行病理診斷。但是手的移動通常造成信號干擾、信號不穩定，導 致圖象重建不準確，診斷不可靠。
圖1A所示的一維陣列的常規波束合成器。沿著與陣元方向一致的波束掃 描方向移動，控制聚焦聲束，生成二維圖像。定時控制電路(圖中沒有顯示) 生成信號，輸入給延時時序發生器。參見圖1B和圖1C,延時時序發生器發射 脈沖激勵探頭陣列，發出超聲波，通過發射、聚焦、和經過類似的延遲時序 的回波信號，形成一維圖像。線陣掃描時采用周一延時特性曲線沿著陣元方 向掃描波束，相控陣則在不同角度偏轉，形成二維圖像。
在過去10年，很多研究人員嘗試過"稀疏，，二維陣列概念。這一概念是把若 干個二維陣列陣元(例如64x64二4096)以不同分布方式連接到現有的系統波 束形成通道(通常范圍介于64 256 )。這樣就可以使超聲系統不需要4096通道 波束合成器。但是，由于通道數目明顯減少，這一做法令橫向和縱向方向的 波束分辨率大大下降。
美國專利5,911,692標題為"稀疏二維寬帶超聲換能器陣列，，中，公布了一 種超聲成像系統。為了減少信號處理通道的數量，這種超聲成像系統采用較小的換能器陣元陣列。換能器陣元數量上減少了，然后再將陣元有選擇地分 布于網狀圖形上，這可減少陣列產生的旁瓣。為減少陣元陣列，分兩步離散
換能器陣列的孔徑第一步，把連續孔徑離散為一組同心環形；然后，將每
個同心環形用 一組有間隔的換能器陣元代替。
圖1D顯示的是5,911,892專利公開的稀疏換能器陣列10,包括多個發射器 22驅動的換能器陣元12。每個換能器陣元12把從被掃描物體反射回來的超聲 能量轉換成電子信號，通過一套發射/接收(T/R)開關即收發開關26分別送至 接收器。控制器28接收操作人員的命令，操作發射器22、接收器24和收發開 關26，控制器28控制收發開關26打開每個換能器陣元12的發射器。控制器28 進一步控制收發開關26打開發射器22,以適當的延時接收不同換能器陣元12 的回波信號。接收器24接收的回波信號接著被放大、產生掃描圖像。但是， 如上所述，由于用于掃描和產生回波信號的通道有限，稀疏二維陣列掃描過 程無法提供足夠的分辨率。
因此，采用上述普通技術的產品，尤其是對于三維醫療圖像掃描和顯示 系統，仍然需要改進的方法和系統，以克服這些不足。具體地說，需要提供 一種改進的方法和配置，改進波束分辨率，方便進行圖像構建，提供高質量 的準確圖像。

發明內容
本發明的目的之一為提供一種采用二維陣列探頭的醫療圖像掃描系統及
方法， 一方面為醫療圖像掃描系統提供新的探頭配置和方法，改進波束分辨
率、方便生產〗笨頭的工藝，從而解決上述局限性和困難。
本發明的另 一個方面是為醫療圖像掃描系統提供新的探頭配置和方法，
更可靠、更方便地獲取由二維圖像數據集的多個切片構成的容積，并且不導
致波束分辨率、圖像質量下降。
本發明的另一個方面是在換能器陣元的橫向方向上施加的一定的相位延
遲，同時把等相的延時應用到縱向方向的換能器陣元上。通過線形或曲線運
動的方式，選擇多個換能器陣元，獲取容積數據。
為實現上述發明目的，所述醫療圖像掃描系統包括 二維陣列探頭，由排列在經度和綿度方向上的換能器陣元構成； 多路器，沿所述經度或煒度方向的第一維排列，將換能器陣元傳送到系
統前端通道，并將沿第二維指定的換能器陣元發出的信號求和到第一維中。
為更好的實現發明目的，所述配置醫療圖像掃描系統的方法包括以下步
驟
7由排列成經度和綽度方向的換能器陣元構建二維陣列探頭； 沿所述經度或綿度方向的第一維排列多路器，將換能器陣元傳送到系統前 端通道，并將沿第二維指定的換能器陣元發出的信號求和到第一維中。
本發明提供的采用二維陣列探頭的醫療圖像掃描系統及方法，能改進波束 分辨率，方便進行圖像重建，提供高質量的準確圖像。


圖1A是現有技術一維陣列的常規波束形成器原理功能圖； 圖1B和圖1C是現有技術釆用常規一維探頭的超聲圖像掃描系統中的波束 形態；
圖1D是現有技術中采用二維稀疏探頭顯示、用于三維掃描技術的常規超 聲圖像掃描系統的功能框圖2是顯示本發明等相二維超聲掃描系統的波束形狀和信號配置的透視 功能圖3是顯示本發明的陣元到通道連接的概念，提供改進的二維圖像分辨率 和圖像結構的原理圖4是顯示采用本發明的凸陣探頭配置的等相二維超聲掃描系統的波束 形狀和信號配置的透視功能圖。
本發明目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步 說明。
具體實施例方式
圖2是本發明的等相二維超聲掃描系統100的透視功能圖。二維掃描系 統包括沿著Z軸方向排列的16個換能器陣列110-1至換能器陣列110-16。 16 個換能器陣列中的每一列都包含128個換能器，因此形成換能器沿著X軸方 向的128行。掃描系統100還包括連接到掃描器前端的64通道總線(120-1 到120-64),使64通道波束合成器輸入行陣列控制信號。信號控制模塊120 是多路器，它把選定的128陣元總線(140-1到140-128 )連接到64通道總線， 例如120-1到120-64。這64通道總線120-i (其中i=l ~ 64 )的每一條又通過 125-j同時連接到一列或多列陣元130-j, k,其中j=l ~ 16， k=l ~ 128。這些列 控制線125提供控制信號，對列陣列設置進行實時配置。列陣列控制線125-j 和通過行陣列控制線122-k(其中k=l ~ 128)發射的行陣列控制信號提供控制 信號，使每個換能器通電，產生超聲能量脈沖，投射出波形140(j，,k)，其中，j，=l~16， k=l~128。從換能器產生的超聲能量轉變為超聲波發射，超聲波從 被掃描的生物體反射到換能器陣列，由同 一換能器轉換成電子信號。
在常規方式中，圖2示出的超聲掃描系統需要128x16=2048通道的二維 波束合成器。系統配置和信號發射、處理都會很復雜，幾乎是無法實現的。 圖2和圖3示出了換能器陣列分成列和行換能器陣元。16位高壓多路器150 作為開關和加法器，把16個列陣元的l個或多個相加，輸出為一行信號。由 于選定的列陣元的以平延時特性曲線(例如相同延時分布)相加，本發明能 有效降低二維探頭和系統界面的復雜性。如圖3所示，使用Supertex公司的 "Supertex 2601",控制在等相輸出時連接并相加任意數的列陣元。例如，在 獲取三維容積的第 一個二維圖像切片時，第 一列的陣元1 、陣元2和陣元3都 連接在一起，第二列也一樣，依此類推。釆用64通道輸出，連接行多路器160 的另一層的列多路器150排成128行，這些信號被視為常規一維陣列，用于 掃描二維圖像的波束。在獲取三維容積的第二個二維圖像切片時，列多路器 控制器的輸出包含陣元2、陣元3和陣元4，行多路器的控制方式與前述相同。 通過物理換能器陣元位置在列方向移動，可以獲取三維超聲容積數據。
列控制器首先可以把波束中心位于陣元2的陣元1、陣元2和陣元3信號 相加在一起，也可以對陣元2和陣元3相加，使波束中心處于陣元2和3的 中間。這會產生半陣元間距處的一幅更好的圖像。在凸線性陣列中，曲率可 以在行和列的方向調節，以獲取更大角度的容積數據。在相控陣列中，用常 規方法在行方向上偏轉波束，而以上述的同 一方法控制列陣元。
采用本發明，多路器的總數減少到128+8=136 ( 128個16位多路器用于 列解碼，8個16位多路器用于行解碼)，用于一個128x16的二維陣列，可將 其置于探頭頭部。如果配置的掃描系統用來實現64行陣元相控陣探頭的話， 那么多路器的總數還可減少到64+4=68個。
由于在超聲穿刺時穿刺針與二維圖像平面保持平行比較困難，采用本發 明，將很好地克服這一問題；本發明也可應用于其它三維容積成像(例如腫 瘤或胎兒臉部)。
圖4示出的探頭系統是現有腹部凸線陣或者小部位線陣探頭的另一種表 現形式，尺寸大，配置與圖2相似。經度(或者行)方向可有N個陣元(例 如N是64~256 ),而綽度(或者列)平面可有M個切片(例如8~128陣元)。 可以4巴探頭看作是M片一維曲面或線性陣列以一定曲率排列而成。由系統控 制對行陣元的輸出選擇。只有行方向的相鄰L (例如L是1 M)陣元才會等 相地連接在一起，用于成像。這種情況類似于綿度方向沒有電子聚焦的線陣， 換能器陣元依靠幾何聚焦。
從以上述描述可知，本發明用于醫療圖像掃描系統。這一醫療圖像掃描系統包括二維陣列探頭，由排列在經度和綿度方向上的換能器陣元構成。該 醫療圖像掃描系統還包括沿第一維(經度或綷度方向)排列的多路器，用于 將換能器陣元連接到系統前端通道，并將沿第二維指定的換能器陣元發出的 信號求和到第一維中。在一個實施例中，多路器進一步用于采用等相延時特 性曲線，將沿第二維指定的換能器陣元發出的信號求和到第一維中。在另一 個實施例中，多路器進一步用于創建等相延時特性曲線，通過應用等相延時 特性曲線，對沿第二維指定的換能器陣元發出的信號求和到第一維中。在另 一個實施例中，多路器進一步用于沿第一維創建焦點位于無窮遠的等相延時 特性曲線，通過應用等相延時特性曲線，對沿第二維指定的換能器陣元發出 的信號求和到第一維中。當焦點為無窮遠時，組成孔徑的陣元之間應用零延 遲。在另一個實施例中，醫療圖像掃描系統還包括掃描器前端，其包括通道 波束合成器，用于把控制信號輸入到每個換能器陣元。在另一個實施例中， 醫療圖像掃描系統還包括掃描器前端，其包括通道波束合成器，用于把經度 和綿度方向的控制信號輸入到構成二維陣列的每個換能器陣元。在另--個實 施例中，醫療圖像掃描系統還包括掃描器前端，其包括通道波束合成器，用 于把控制信號輸入到每個換能器陣元。醫療圖像掃描系統還包括在通道波束 合成器和換能器陣元之間的信號多路器，用于對通道波束合成器發送到換能 器陣元的控制信號進行多路復合。在另一個實施例中，醫療圖像掃描系統還 包括第二維多路器，用于對沿第 一維排列的多路器產生的信號進行切換和求 和，產生信號獲取繪制三維圖像的容積數據集。在另一個實施例中，醫療圖 像掃描系統還包括第二維多路器，用于對沿第 一維排列的多路器產生的信號 進行切換和求和，產生信號重建三維圖像。該醫療圖像掃描系統還包括第一
維多路器和第二維多路器的切換和求和電路，電路總數是(K+K*J) /J,其中 K是沿第一維的換能器陣元總數，J表示沿第一維采用等相延時特性曲線求和 的沿第二維的換能器陣元總數。 一套多路復合包中有16個切換電路，128x16 陣元換能器陣列的IC數量為(128+128*16) /16，也就是8+128個多路器IC 芯片。在另一個實施例中，由排列成經度和煒度方向的換能器陣元構成二維 陣列探頭，其中，沿經度和綿度的任意一方向的換能器陣元總數范圍大約在 4 512,最好是形成大約NxM的陣列，其中32>N>4, 512>M>32。
根據上迷說明，本發明公布的是配置醫療圖像掃描系統的方法。該方法 包括由排列在經度和煒度方向的換能器陣元構建二維陣列探頭的步驟。該方 法還包括沿第一維(經度或綿度方向)排列多路器的步驟，將換能器陣元傳 送到系統前端通道，并將沿第二維指定的換能器陣元發出的信號求和到第一 維中。在另一個實施例中，排列多路器的步驟進一步包括采用等相延時特 性曲線，將沿第二維指定的換能器陣元發出的信號求和到第一維中。在另一個實施例中，排列多路器的步驟進一步包括創建等相延時特性曲線，通過
應用等相延時特性曲線，將沿第二維指定的換能器陣元發出的信號求和到第
一維中。在另一個實施例中，排列多路器的步驟進一步包括沿第一維創建 焦點位于無窮遠的等相延時特性曲線，通過應用等相延時特性曲線，將沿第 二維指定的換能器陣元發出的信號求和到第一維中。在另一個實施例中，該 方法還包括將通道波束合成器連接并應用到掃描器前端的步驟，以將控制信 號輸入到每個換能器陣元。在另一個實施例中，該方法還包括將通道波束合 成器連接并應用到掃描器前端的步驟，以將經度和綿度方向的控制信號輸入 到構成二維陣列的每個換能器陣元。在另一個實施例中，該方法還包括將通 道波束合成器連接并應用到掃描器前端的步驟，以將控制信號輸入到每個換 能器陣元。該方法還包括另一個步驟，即把通道信號多路器設在通道波束合 成器和換能器陣元之間，以對通道波束合成器發送到換能器陣元的控制器信 號進行多路復用；連接并應用第二維多路器，對沿第一維排列的多路器產生 的信號進行切換和求和，產生信號獲取用于重建三維圖像的容積數據集。把 通道信號多路器設在通道波束合成器和換能器陣元之間，以對通道波束合成 器發送到換能器陣元的控制信號進行多路復合；連接并應用第二維多路器， 對沿第 一維排列的多路器產生的信號進行切換和求和，產生信號重建三維圖 像。該方法還包括設置第一維多路器和第二維多路器的切換和求和電路，電 路總數為(K+K*J)/J，其中K是沿第一維的換能器陣元總數，J表示沿第一 維采用等相延時特性曲線求和的沿第二維的換能器陣元總數。在另一個實施 例中，由排列成經度和綿度方向的換能器陣元構建二維陣列探頭的步驟還包 括設置經度或綿度任意一方向的換能器陣元總數范圍大約在4 512,形成最 好大約N x M的陣列，其中32>N>4, 512>M>32。
以上所述僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的專利范圍， 凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接 或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
權利要求
1、一種醫療圖像掃描系統，其特征在于，所述系統包括二維陣列探頭，由排列在經度和緯度方向上的換能器陣元構成；多路器，沿所述經度或緯度方向的第一維排列，將換能器陣元傳送到系統前端通道，并將沿第二維指定的換能器陣元發出的信號求和到第一維中。
2、 根據權利要求1所述的醫療圖像掃描系統，其特征在于，所述多路器 進一步釆用等相延時特性曲線，將沿所述第二維指定的換能器陣元發出的信 號求和到第一維中。
3、 根據權利要求1所述的醫療圖像掃描系統，其特征在于，所述多路器 進一步創建定相延時特性曲線，通過應用所述等相延時特性曲線，將沿所述 第二維指定的換能器陣元發出的信號求和到第一維中。
4、 根據權利要求3所述的醫療圖像掃描系統，其特征在于，所述多路器 進一步沿第一維創建焦點位于無窮遠的等相延時特性曲線，通過應用所述等 相延時特性曲線，將沿所述第二維指定的換能器陣元發出的信號求和到第一 維中。
5、 根據權利要求1所述的醫療圖像掃描系統，其特征在于，所述系統還 包括掃描器前端，包括通道波束合成器，將控制信號輸入到每個換能器陣元。
6、 根據權利要求1所述的醫療圖像掃描系統，其特征在于，所述系統還 包括掃描器前端，包括通道波束合成器，將經度和綿度方向的控制信號輸入 到構成二維陣列的每個換能器陣元。
7、 根據權利要求1所述的醫療圖像掃描系統，其特征在于，所述系統還 包括掃描器前端，包括通道波束合成器，將控制信號輸入到每個換能器陣元。 通道信號多路器，排列在所述通道波束合成器和換能器陣元之間，對所 述通道波束合成器發送到換能器陣元的控制信號進行多路復合。
8、 根據權利要求1至7中任意一項所述的醫療圖像掃描系統，其特征在 于，所述系統還包括第二維多路器，用于對沿第一維排列的多路器產生的信號進行切換和求 和，產生信號獲取用于重建三維圖像的容積數據集。
9、 根據權利要求1至7中任意一項所述的醫療圖像掃描系統，其特征在 于，所述系統還包括第二維多路器，用于對沿第一維排列的多路器產生的信號進行切換和求 和，產生信號重建三維圖像,；第 一 維多路器和第二維多路器的切換和求和電路，所述電路總數是 (K+K*J),其中K是沿第一維的換能器陣元總數，J表示沿第一維采用等相 延時特性曲線求和的沿第二維的換能器陣元總數。
10、 根據權利要求1所述的醫療圖像掃描系統，其特征在于，所述系統 還包括二維陣列探頭，由排列成經度和綿度方向的換能器陣元構成，其中，沿 經度和綿度的任意一方向的換能器陣元總數范圍大約在4 512，最好形成大 約N x M的陣列，其中32〉N>4, 512>M>32。
11、 一種配置醫療圖像掃描系統的方法，其特征在于，所述方法包括以 下步驟由排列成經度和綿度方向的換能器陣元構建二維陣列探頭； 沿所述經度或煒度方向的第一維排列多路器，將換能器陣元傳送到系統 前端通道，并將沿第二維指定的換能器陣元發出的信號求和到第一維中。
12、 根據權利要求11所述的方法，其特征在于，排列多路器的步驟進一 步包括采用等相延時特性曲線，將沿所述第二維指定的換能器陣元發出的信號 求和到第一維中。
13、 根據權利要求11所述的方法，其特征在于，排列多路器的步驟進 一步包括創建等相延時特性曲線，通過應用所述等相延時特性曲線，將沿所述第 二維指定的換能器陣元發出的信號求和到第一維中。
14、 根據權利要求13所述的方法，其特征在于，排列多路器的步驟進 一步包括沿第一維創建焦點位于無窮遠的等相延時特性曲線，通過應用所述等相 延時特性曲線，將沿所述第二維指定的換能器陣元發出的信號求和到第一維中。
15、 根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 將通道波束合成器連接并應用到掃描器前端，將控制信號輸入到每個換能器陣元。
16、 根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 將通道波束合成器連接并應用到掃描器前端，將經度和綿度方向的控制信號輸入到構成二維陣列的每個換能器陣元。
17、 根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法還包括 將通道波束合成器連接并應用到掃描器前端，將控制信號輸入到每個換能器陣元；在通道波束形成器和換能器陣元之間排列通道信號多路器，對所述通道 波束合成器發送到換能器陣元的控制器信號進行多路復合。
18、 根據權利要求11至17任意一項所述的方法，其特征在于，所述方 法還包4舌連接并應用第二維多路器，對沿第一維排列的多路器產生的信號進行切 換和求和，產生信號獲取用于重建三維圖像的容積數據集。
19、 根據權利要求11至17任意一項所述的方法，其特征在于，所述方 法還包括連接并應用第二維多路器，對沿第一維排列的多路器產生的信號進行切 換和求和，產生信號重建三維圖像；設置第一維多路器和第二維多路器的切換和求和電路，所述電路總數是 (K+K*J)/J，其中K是沿第一維的換能器陣元總數，J表示沿第一維釆用等-相延時特性曲線求和的沿第二維的換能器陣元總數。
20、 根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述由排列成經度和緯 度的換能器陣元構建二維陣列探頭的步驟進一步包括設置經度和綽度的任意一方向的換能器陣元總數范圍大約在4 512,最好形成大約NxM的陣列，其中32〉N〉4， 512〉M>32。
全文摘要
本發明涉及醫療器械技術領域，提供了一種采用二維陣列探頭的醫療圖像掃描系統及方法，所述系統包括二維陣列探頭，由排列在經度和緯度方向上的換能器陣元構成；多路器，沿所述經度或緯度方向的第一維排列，將換能器陣元傳送到系統前端通道，并將沿第二維指定的換能器陣元發出的信號求和到第一維中。本發明提供的采用二維陣列探頭的醫療圖像掃描系統及方法，能改進波束分辨率，方便進行圖像重建，提供高質量的準確圖像。
文檔編號A61B8/00GK101422389SQ200810169480
公開日2009年5月6日 申請日期2008年10月15日 優先權日2007年10月16日
發明者周文平, 姚錦鐘, 陳志強 申請人:深圳市開立科技有限公司