使用cmut的孔径综合的制作方法

专利名称：使用cmut的孔径综合的制作方法
使用CMUT的孔径综合
背景技术：
随着诊断超声行业从用于二维(2D)成像的一维(ID)超声阵列迈向用于容积成像 的2D超声阵列，可能存在缩放的问题。例如，如果常规的ID阵列具有N = 200个元件，则相 应的2D阵列将具有NXN = 40，000个元件。超声系统传统上所具有的通道数目粗略地对 应于探针中元件的数目。然而，系统通道的成本使得这样的对应对于2D阵列是不实际的。2D超声成像可利用微加工或微组装的电容性薄膜超声换能器(cMUT)或者电致伸 缩材料换能器。电容性换能器(诸如cMUT)和由电致伸缩材料制成的换能器在利用施加直 流(DC)偏置电压进行激活方面可能是类似的。该偏置允许执行换能操作。cMUT可由半导 体材料或者由其它材料构成。多个薄膜或其它具有电极的柔性结构在声能和电能之间进行 换能。薄膜组作为不同元件来工作。可在cMUT上提供各种元件布置，诸如元件的多维或二 维阵列。为了操作cMUT，通过DC电压对薄膜进行偏置。对所述元件施加交变信号以生成声 能。由所述元件接收到的声能被转换成交变电信号。

发明内容
作为介绍，下面描述的优选实施例包括利用电容性微加工超声换能器(cMUT)或 电致伸缩超声换能器电容性来进行超声成像的系统和方法。可利用偏置线路元件选择和各 种孔径综合技术来实现各向同性的容积成像。可通过使用波束形成器来沿着一个维度聚 焦、然后沿着另一个方向执行第二轮的“离线”或“回顾式”波束形成来执行二维波束形成。在第一方面中，提供有一种用于容积超声成像的系统，该系统包括换能器，所述换 能器包括由偏置电压所激活的元件。偏压生成器与所述换能器耦合，并且生成建立所述元 件的第一偏置模式的偏置信号以及生成用于建立所述元件的第二偏置模式的偏置信号。波 束形成器与所述换能器耦合，并且所述换能器基于所述第一偏置模式发射和接收超声数据 以及基于所述第二偏置模式发射和接收超声数据。基于来自所述第一偏置模式的超声数据 和来自所述第二偏置模式的超声数据的组合生成图像。在第二方面中，提供一种利用响应于偏压来换能的超声换能器进行超声成像的方 法。所述超声换能器利用第一偏压模式和第二偏压模式进行发射。所述超声换能器响应于 所述发射根据所述第一偏置模式和所述第二偏置模式接收数据。将由所述第一偏置模式的 发射和接收得到的信号与由所述第二偏置模式的发射和接收得到的信号相组合。在第三方面中，提供一种使用响应于偏置的电致伸缩材料来进行超声成像的方 法。激活所述材料上元件的第一偏置模式。利用所述第一偏置模式来发射和接收第一超声 成像数据。激活所述材料上元件的第二偏置模式。利用所述第二偏置模式来发射和接收第 二超声成像数据。将所述第一超声图像数据和所述第二超声图像数据相组合并且根据所述 组合形成图像。在第四方面中，提供一种用于容积超声成像的系统，该系统包括换能器，该换能器 包括由偏置电压所激活的元件。波束形成器与所述换能器耦合，并且用于执行发射和接收 功能。综合器与所述换能器耦合。所述综合器用于对所述发射和接收功能执行孔径综合。在根据第一偏置模式偏置的元件上执行第一发射和接收功能，并且在根据第二偏置模式偏置的元件上执行第二发射和接收功能。本发明由下面的权利要求书限定，该部分中的任何内容都不应视为对所述权利要 求书的限制。本发明的其它方面和优点在下面结合优选实施例来讨论，并且可以在后面独 立地或者以结合方式来要求权利。


部件和附图不一定是成比例的，将重点改为放在示出本发明的原理。此外在附图 中，相同的附图标记标出所有不同视图中的对应部分。图1是用于超声成像的系统的图示；图2是2D阵列的图解；图3是偏置模式的一个实施例的图形化表示；图4是偏置模式的替换实施例的图形化表示；图5是示例切趾函数的图形化表示；图6是利用偏置进行超声成像的方法的一个实施例的流程图；图7是偏置模式的替换实施例的图形化表示；图8是图7中偏置模式的图形化表示；图9是一组元件的偏置模式的图解；以及图10是图9中偏置模式的图形化表示。
具体实施例方式题为“ROTATINGAPERTURE FOR ULTRASOUND IMAGNG WITH ACAPACITIVE MEMBRANE OR ELECTROSTRICTIVE ULTRASOUND TRANSDUCER”的美国专利申请公开No. 2007/0079658 说 明了一种探针设计，其利用cMUT换能器的性质并且允许到换能器的电连接的数目为2XN 而不是NXN，该美国专利申请通过引用结合于此。可替换地，所述电连接可以是MXN而不 是NXN，这样的结果是MXN个元件。本公开涉及cMUT换能器和电致伸缩换能器的使用，诸 如在一个实施例中具有MX N个电连接的cMUT探针的使用。不是需要NX N个波束形成器 通道，而是以连续的两阶段波束形成过程来利用N个波束形成器通道。所述过程可以实现 各向同性的容积成像。图1示出用于根据超声数据生成图像的超声系统100。该超声系统100包括换能 器102、波束形成器104、探测器106、具有存储器110的处理器108、以及显示器112。可提 供附加的、不同的或更少的部件。例如，处理器108可以是计算机处理单元(CPU)或图形处 理单元(GPU)，并且存储器110可与处理器108结合为单个单元。处理器108对系统100进 行配置，并且处理超声数据或者执行其它功能。在替换实施例中，系统100是可对利用另一 设备获得的超声数据进行操作的工作站或计算机。换能器102可包括元件阵列，诸如二维(2D)阵列。所述元件阵列可被配置用于直 线、曲线、扇形(sector)、矢量 或其它成像配置。在一个实施例中，换能器102可包括电致 伸缩材料，该电致伸缩材料包括由DC偏置电压激活的元件。例如，换能器102可以是电容 性微加工超声换能器(cMUT)或者具有电致伸缩材料的结构。特别地，cMUT是被用于生成和用于探测超声波的元件阵列。cMUT设备通常包括由被置于薄膜上或薄膜内的上电极、被 置于衬底上或衬底中的下电极、以及薄膜与下电极之间的空腔构成的单元格(cell)，使得 cMUT成为具有两个电极的平行板电容器。所述上电极(例如金属化薄膜)是可移动的，并 且衬底上或衬底中的所述下电极可以是固定的。在所述电极之间是电介质(真空或气隙)。cMUT设备包括成组的以元件为形式的单元格，其对所施加的DC偏压做出反应以 将声能转换成电能以及反之亦然。所述单元格一起工作以将机械能变换成电能，反之亦然。 因为cMUT通常非常小并且具有机械部分和电气部分二者，所以cMUT可被称为微电子机械 系统(“MEMS”)设备。常规的cMUT通常具有地电极和热电极。所述热电极可以被用来在 超声成像期间发射和接收超声声波。由于与发射和接收超声波相关联的不同特性，常规的 cMUT热电极通常被优化以便于以高灵敏性来接收或发射超声波，这可能损害最大发射功 率。可以在发射器模式下或在接收器模式下操作cMUT。cMUT的发射器模式可被用于 生成超声波，而发射器模式可探测超声波。当在两个电极之间设置静态电压时，所述薄膜被 库仑力吸引到衬底。当AC电压被叠加在DC电势上时，所述薄膜将响应于该信号而运动并 且超声波被生成并被投射(launch)到环境中。如果在DC偏压下，超声波接近薄膜，则所述 薄膜将振动并且可以从设备电极处测量输出AC电压。所施加的DC偏压供给电荷，由薄膜 运动调制该电荷以产生AC信号。换能器102 可以是如题为 “ROTATING APERTURE FOR ULTRASOUNDIMAGING WITH A CAPACITIVE MEMBRANE OR ELECTROSTRICTIVEULTRASOUND TRANSDUCER” 的美国专利申请公 开No. 2007/0079658所述的换能器，该美国专利申请通过引用结合于此。特别地，图2示出 换能器的一个实施例。该设计基于对cMUT类型的换能的特定特征的应用。压电换能器使 用施加AC信号来进行辐射，而cMUT换能器使用AC信号和DC偏压。图2所示的2D阵列具 有M行和N列，总共有MXN个元件。M和N是大于1的整数，并且M和N相等或不相等。偏 置电压由具有M个通道的偏置电压生成器来提供。承载偏置电压的M条线路中的每一条线 路都被水平定向并且对其行中的每个元件进行偏置。相反，N条AC信号线路中的每一条被 垂直定向并且将其信号传送给其列中的每个元件。为了激励或激活第(m，η)个元件，偏置 电压被施加给第m条偏置线路，并且AC信号被施加给第η条信号线路。沿着第m行的所有 元件都被偏置为“接通”，并且沿着第η列的所有元件都被供给AC信号。然而，既被偏置为 接通又被供给AC信号的唯一元件是第(m，n)个元件。因此，该元件是发出辐射的元件。在 给定时间可以有多于一个元件发出辐射。如所描述的那样，可能不存在针对每个元件的独立系统通道。尽管提供了到2D阵 列中所有元件的独立访问，但是可能不存在同时访问。因此，波束形成技术可能不同于用于 传统超声成像的那些技术。在一个实施例中，在此所述的波束形成技术可利用上述换能器 体系结构，使得利用2D阵列的等距容积超声成像更加实用。返回参照图1，波束形成器104与换能器102连接以生成沿着声网的声束。通过利用机械运动使换能器摇动、旋转或滑动或者使用电子束调向来收集声数据。波束形成 器104还可被称为孔径综合引擎，用于通过综合来自多个接收事件的孔径来实现数千个元 件上的2D波束形成。替换地，分开的处理器和存储器被提供用于在波束形成之前或之后 综合来自多个信号的孔径。在一个实施例中，该技术可被称为高程孔径综合(ElevationAperture Synthesis,EAS)并且沿着一个轴使用常规的超声波束形成而沿着另一个轴使用孔径综合技术。这两种操作可串行进行以在两个轴上提供聚焦成像。一个示例孔径综合在 题为“ULTRASOUNDIMAGING TRANSDUCER ARRAY FOR SYNTHETIC APERTURE”的美国专利公开 2007/0167752中有所描述，其全部公开内容通过引用结合于此。图2示出具有M行和N列的二维(2D)阵列202，其中M行中的每一行都附接到M 通道偏置电压生成器206的独立通道上，而N列中的每一列都附接到N通道超声系统204 的独立通道上。所述偏置电压生成器206是可切换的DC电压源。当偏置电压被切换到“接 通”并且被施加给换能器时，可能存在瞬时电流流动，但是在稳定的偏置状态下，可能存在 最小漏电流。当所述偏置电压生成器206被“关断”时，基本上不存在电流。当所述偏置电 压生成器206被“接通”时，存在预定的DC电流值。偏压生成器206被配置为生成特定模式的偏置电压，并且超声系统204被触发以 进行发射和接收，如在常规ID超声阵列的常规超声成像中那样。偏压生成器206可以是与 电压源连接的高电压FET网。可以使用不同的晶体管、开关、分压器、变压器、电压生成器或 其它设备。可以使用任何现在公知的或者以后所发展的偏压生成器206。在一个实施例中， 偏压生成器206生成频率小于换能器102的交变操作频率(超声频率)的交变波形以基本 上起到DC偏压的作用。小于或等于交变信号频率的1/3的偏置电压频率可以“基本上是 DC”。例如，生成有500KHz的波形。通过在大约500KHz处切换，可使用正弦波形来逐渐增 加和减小发射和接收事件之间的偏置电压。该逐渐过渡(诸如在一微秒或两微秒内)可避 免生成不期望的声发射。在过渡期间所生成的任何不想要的声音都可以从所接收的信号中 滤除掉。偏压生成器206用于生成至少两个不同的偏压电平，诸如为换能器102的期望灵 敏度(诸如10-120伏)所选的负偏压和正偏压以及零偏压和非零偏压。可使用更多数目 的偏压电平，诸如五个或七个偏压电平。不同的偏压电平被施加给形成在发射和/或接收 事件期间使用的切趾孔径的不同电极(未示出)。在接收时，偏压电平和/或菲涅耳偏置模 式可能以基于相位动态聚焦的方式在接收事件的持续时间内发生波动。沿着一个方向发射超声的聚焦波束。对所得的接收信号执行标准聚焦波束 形成操作。然后，所得的超声波束数据流被存储起来以便后续处理。可对偏置电压的 模式进行更新并且重复该过程。在一个实施例中，该过程重复L次，其中每次通常都 与不同的偏置配置有关。一旦完成，结果包括L组超声波束数据。偏压控制还在题 为“MICROFABRICATEDULTRASONIC TRANSDUCER ARRAY FOR 3-D IMAGING AND METHOD 0F0PERATING THE SAME”的美国专利公开No. 2005/0119575中有所描述，其全部公开内容通 过引用结合于此。所述波束数据是沿着一个维度聚焦的聚焦超声波束数据。所述超声系统通道可对 应于阵列202的列。因此，由超声系统204所执行的聚焦在阵列202的列上进行。该维度 可被称为如图2所示的方位(azimuth)。相对的维度可被称为高程(elevation)。图3示出偏置模式集合的实施例。所述换能器具有若干行，每行都与偏置电压生 成器的通道或线路相连接。如图所示，偏置线路由孔径索引302标识出。由孔径索引302 所表示的每一行都可以被偏置为接通或者偏置为关断。孔径索引302表示不同偏置线路中 的每一条，并且这些偏置线路的状态建立了偏置模式。孔径索引302标识出元件索引304中的每个元件可用的孔径。来自元件索引304的每个元件都可以由相应行的孔径索引302偏置为接通或关断。在偏置线路的第一模式中，所有偏置线路都是关断的(在一个示例中处于大约0 伏)，除了孔径索引302中的第一条偏置线路。第一条偏置线路被接通(在一个示例中处于 诸如100伏的电压)。在孔径索引302等于2的第二模式中，除了第二条线路之外的所有偏 置线路都是关断的。在第三模式中，除了第三条线路之外的所有偏置线路都是关断的，以此 类推。该图中的每行都表示被施加给换能器的偏置电压的模式。因为该图示出L个这样的 行，所以有L个不同的偏置模式被依次施加给换能器。因此，所述超声系统对波束数据执行 L次采集。作为一个示例，元件310被示出为偏置为接通。每个白色盒形体都可以被称为元 件310，并且所述白色盒形体表示被偏置为接通的元件。如图所示，每个行可以是针对一个 发射/接收事件的偏置模式。对于图3所示的偏置配置集合来说，在第一发射/接收事件 期间，偏置线路1被偏置为接通。在第二发射/接收事件中，偏置线路2被偏置为接通。根据所述偏置模式产生所得的波束数据集合。如图3所示，在每个偏置状态下都 有单个偏置线路被接通。特别地，如队lsubap= 1(306)所表明的那样，一次有单个元件被偏 置为接通。Nelsubap可以是每个“子孔径”中的元件数目，诸如针对每个发射/接收事件所接 通的偏置线路的数目。Nskip可以是在每个发射/接收事件的情况下，该偏置线路集合(即 子孔径)平移多远。如图3所示，Nelsubap = 1并且Nskip = 1，因此对于任何发射/接收事件 存在单个偏置线路被接通，并且对于随后的发射/接收事件，该偏置组(在这种情况下是单 个偏置线路)以一的增量在该孔径上平移。发射/接收偏置模式可具有大于或等于所述偏 置模式之间的Nskip跨度大小的有效宽度。换句话说，每次有一个元件行被偏置为接通。此外，如队_ = 1(308)所表明的那 样，元件行的行进逐一地移动到下一元件行。因此，单个元件行被偏置为接通，并且在发射 循环期间将辐射声脉冲，并且在接收循环期间是活动的以接收反向散射的超声。因为换能 器元件与用于成像的声波长具有相同量级，所以单个元件行将生成宽的全向声场，该宽的 全向声场在其远离该元件行传播时将在高程上圆柱式地扩散。同样地，接收时的灵敏度模 式以及往返传播(round-trip)的灵敏度模式都将是宽的。如图3所示，M个偏置模式的集合中的每个偏置模式包括被接通的单个偏置线路。 因此，除了横向平移之外，每个相关的往返传播的灵敏度模式都是类似的。该阵列是具有高 程方向和方位方向的2D阵列。所接收的数据可通过方位方向上的波束形成来聚焦。往返 传播的灵敏度模式可以与ID(仅高程)阵列的单元件响应相类似。该特定的偏置模式集合 可以在该(仅高程)阵列的每个元件上提供串行的发射和接收。这与在用于海洋声纳成像 的“侧向扫描”声纳中使用的发射-接收设置相类似。在侧向扫描声纳中，换能器是牵引通 过海洋的单个发射器-接收器。在被牵引时，换能器每次从不同的位置发射并接收、发射并 接收。在每个这样的发射-接收循环期间，对所得的数据流进行存储。这生成数据流集合， 利用通常称为孔径综合的波束形成过程来分析该数据流集合。该过程用于回顾式地聚焦往 返传播的“单元件”数据以生成聚焦图像。该孔径综合方法可被用于聚焦来自2D阵列的往返传播的数据。所述数据已经通 过超声系统所执行的第一轮波束形成被聚焦在方位方向上。第二轮波束形成用于在高程方 向上聚焦通过所述孔径。结果是针对所综合的孔径既在方位方向又在高程方向上聚焦的图像。所述图像可以是等距的(isometric)和容积超声图像。如所描述的那样，图3涉及单个偏置线路模式，但是来自单行元件的辐射可能太宽。从横向分辨率的角度来说该宽度可能是足够的，但是从SNR的角度来说可能是不足的。 另外，考虑到横向空间频率方面的常规阵列元件的大小，所得的数据集可能是欠采样的，并 且可能受到光栅波瓣的影响。可替换地，可使用不同的偏置模式来达到不同的结果。例如， 可对邻近的元件组或元件集合进行偏置(这增加了有效元件大小)，而不是将单个元件行 偏置为“接通”。有效元件大小的增加可减低所辐射的声场横向扩散的程度，这可改善SNR 并降低光栅波瓣的幅度。图4示出替换的偏置线路模式。如图所示，每个偏置模式包括一组被偏置为接通 的三个相邻的偏置线路，并且该组按一个或多个在高程上间隔的元件(行)在模式间平移。 所述换能器具有若干行，每行都与偏置电压生成器的通道或线路相连接。如图所示，所述偏 置线路由孔径索引402标识。孔径索引402标识出元件索引404中的每个元件可使用的孔 径。来自元件索引404的每个元件可通过相应行的孔径索引402被偏置为接通或者关断。 例如，元件410被偏置为接通。所述元件对应于三行元件。对于图4所示的偏置配置来说， Nelsubap = 3并且Nskip = 1，所以对于每个发射/接收事件，有三个相邻的偏置线路被接通，并 且在随后的发射/接收事件中，该偏置组平移一。特别地，如通过Nelsubap = 3(406)所表明 的那样，一次有三个元件行被偏置为接通。元件的行进逐一地移动到下一元件，如Nskip= 1 所表明的那样(408)。换句话说，第一元件行和下两个元件行(第二和第三元件行)被偏置 为接通，并且因为Nskip408 = 1，所以第二元件行和下两个元件行(第三和第四元件行)接 下来被偏置为接通。偏置模式通过一次增加一个元件行继续通过剩余的N个元件。对于图 4所示的偏置配置集合来说，在第一发射/接收事件期间，偏置线路1、2和3被偏置为接通。 在第二发射/接收事件中，偏置线路2、3和4被偏置为接通。孔径综合处理可被描述为延迟求和波束形成过程。如果Xm表示在第m个偏置模 式中被偏置为接通的元件组的“质心”的位置，并且(X，ζ)表示图像中点的坐标，则可通过 t = 2[(Xm-X)2+z2]_/C(l来给出应用到数据的延迟，其中Ctl是声速。所述延迟可用于对准 信号，以改善光束求和中的相干增益和横向分辨率。虽然所述延迟可表示在所有深度上改 善了的相干聚焦，但与深度无关的延迟可减少计算要求(例如定焦波束形成)。在一个实施 例中，所述和可以是均勻加权的和。可替换地，非均勻加权可在求和之前被应用到信号上以 改善旁瓣结构。换句话说，波束形成可包括在下面参照图5所述的切趾。该切趾可以本身 是静态的以利于计算上的简化，或者可替换地可以发生变化以随范围改善旁瓣控制。波束形成的其它变型方式可以是可行的。例如，可利用不相干波束形成或部分相 干波束形成。在不相干波束形成中，在波束求和之前探测RF波束数据的幅度。在部分相干 波束形成中，数次利用不同的切趾对相同的数据集应用波束形成操作，并且所得的图像集 合被不相干地组合。例如，可采集数据集并利用综合孔径波束形成器使用诸如图5所示的一组切趾函 数对该数据集进行三次操作。在y轴上示出切趾502，而组索引504被示出为χ轴。切趾函 数可改变数据的输入强度分布以改善所述数据的动态范围。三个切趾函数中的每一个都可 加强来自阵列的不同部分的数据。当所得的切趾数据集被形成波束时，所述波束形成可被 有效地控制。
换句话说，作为图5所示的三个切趾函数的结果，图像数据可被记录下来，就好像 换能器的物理位置在三次相继的采集期间是不同的。因此，三个所得图像可能相类似，但是 散斑模式可能稍有不同。如果该三个图像在探测过程之后被组合起来(即被不相干地组 合)，则散斑方差可能减小，不过可能以横向分辨率为代价。部分相干波束形成可以是回顾 式空间复合的形式，并且提供与在常规空间复合中相类似的益处。替换实施例可以是可行的。在上述实施例中，应用偏置模式，发起并完成发射-接收事件，并且应用下一偏置模式。改变发射和接收循环之间的偏置模式可提供一定的益处。 在替换实施例中，可在接收循环期间使用上述偏置模式，但是在发射循环期间可接通所有 的偏置线路。在该实施例中，发射场可以是平面波，并且对于每个发射-接收循环可以是相 同的，但是接收偏置组随着事件的不同而改变。因此，可以在波束形成期间使用不同的延 迟、诸如t = {[ (Xm-X) 2+z2] (1/2)+z} /cQ，其中C。是声速并且所得的波束形成可被视为是单向、 只接收的波束形成。往返传播的波束形成可具有更好的横向分辨率，但是在SNR方面不那 么好。另外，这样的单向技术允许使用诸如Hadamard编码的孔径编码方案，其可提供进一 步的SNR优势并且在下面参照图7和8来说明。图6是利用上面所述的偏置模式来进行超声成像的一个实施例的流程图。在方 框602中，根据第一偏置模式对换能器的元件、诸如cMUT的元件进行偏置。偏置模式的示 例在上面在图3和4中有所描述。如在方框604中那样，基于第一偏置模式执行发射/接 收功能以收集超声图像数据。如在方框606中那样，该超声图像数据可被记录或保存以便 进一步处理。在方框608中，调整偏置模式，并且根据第二偏置模式对换能器的元件进行偏 置。在方框610中，基于第二偏置模式执行发射/接收功能以收集超声图像数据。如在方 框612中那样，该第二超声图像数据集合可被记录或保存以便进一步处理。在方框614中， 可使用孔径综合来将来自第一偏置模式和来自第二模式的超声图像数据相组合。例如，通 过电子聚焦沿着被偏置为接通的元件行或多个元件行中的元件的阵列使每个数据集形成 波束(例如在方位上形成波束)。沿着综合方向(例如高程)不提供聚焦。沿着综合方向， 通过综合、诸如波束形成对多次采集的形成波束的采样进行组合(例如，在高程上选择与 期望延迟关联的方位上形成波形的采样并求和)。换言之，以综合孔径并且将数据形成波束 或聚焦的方式来组合信号。所组合的超声数据被用于生成超声图像，该超声图像是每个发 射/接收事件的复合，如在方框616中那样。上述实施例可具有替换实施例。在上面的示例中，应用偏置模式，发起并完成发 射_接收事件，以及应用下一偏置模式。改变发射和接收循环之间的偏置模式可能是有益 的。在一个实施例中，可在接收循环期间使用上述偏置模式，但是在发射循环期间接通所有 M条偏置线路。在该实施例中，发射场是平面波并且对于每个发射_接收循环都可以是相同 的。接收偏置组随着事件的不同而改变。可在波束形成期间使用不同的延迟t= {[ (Xffl-X) 2+z2](1/2)+z}/C0所得的波束形成可被称为单向、只接收形式的波束形成。与上述往返传播的波束 形成相比，该波束形成可能在横向分辨率方面不是最优的，但是其在SNR方面更优。替换实 施例可以是切换发射和接收的角色。换句话说，在发射循环期间应用不同的偏置模式，并且 在接收期间将所有元件都偏置为接通。所得的波束形成也是单向形式的波束形成，但是可 被称为是只发射的。
在只接收或只发射技术的情况下，可能期望只将发射(或接收)孔径的一部分、而不是整个孔径偏置为接通。例如，在只接收技术中，整个发射孔径被偏置为接通。可能期 望减小孔径的被偏置为接通部分的宽度以减小发射平面波的宽度、进而减小旁瓣和图像杂 波。所得的图像可能更窄，但是有效孔径可能被移位。使用诸如Hadamard编码的孔径编码方案可达到进一步的SNR优势。在Hadamard 编码中，应用宽的编码模式的序列。考虑图3所示的偏置模式集合，其中每个偏置模式由除 了单个线路偏置为接通而其它所有偏置线路都关断的偏置线路构成。如果如图7所示那样 应用Hadamard编码的偏置模式并且利用线性代数解码操作对所得的数据集合进行操作， 则除了 SNR可能大20*log( V N)倍之外，所得的解码数据集合与使用图3的偏置模式所获 得的数据集合相似，其中N是偏置线路的总数。Hadamard矩阵中的点可能是具有相同幅度但是符号(元件极性)不同的非零值。 图8示出一个示例，该示例表示与图7所示的偏置模式集合的第六个发射/接收事件相关 联的偏置模式。注意到所有偏置线路都不是零，而是偏置到要么+ν要么-V的值，其中V是 偏置电压的幅度。图7的偏置模式对于线性换能方案是可行的，其中对于线性换能方案来 说，偏置电压的逆向导致所发射信号的逆向。可替换地，对于利用线性程度较低的换能形式 的换能器，可以使用修正技术。在该修正技术中，每个发射/接收事件被分成两个分开的发 射/接收事件，这两个分开的发射/接收事件中的每一个都使用具有相同符号的偏置电压。 例如，图8所示的偏置模式，其是图7所示的集合中的第六个偏置模式。我们可以以两个步 骤来执行该偏置模式。在第一步骤中，接通所述集合的正偏置电压部分，而其余被保持为不 偏置。然后，该系统被触发以执行发射/接收事件。然后，偏置模式被切换，并且只应用偏 置模式的负电压分量，但是是作为正电压来应用的。该系统被触发以执行发射/接收事件， 并且可以将两个事件的结果相减。在图3和4所示的偏置模式中，Nskip是可能影响光栅波瓣性能的参数。Nskip的较 大值可能与较快的采集、但是较大的光栅波瓣进而更糟的杂波性能有关。如图3和4所示， Nskip可能被限制为整数值。对于具有大俯仰(coarse pitch)的换能器来说，可能期望使用 小于一的队_值。利用偏置模式中的切趾可以实现此。为了实现偏置模式的切趾，可以使 用能够生成若干不同偏置电压的偏压生成器。Nskip是所述偏置模式在发射/接收事件之间 平移多少的度量。图9是一组元件的偏置模式的图解。图9利用三个不同的非零偏置电压(73，73， 1)。从声学角度来看，该偏置模式的位置是被偏置为接通的元件组的“质心”。质心计算揭 示出，这些偏置组的质心在偏置组与偏置组之间移位Nskip = V3的量。换句话说，第一偏置 组902的质心与第二偏置组904的质心之间移位73。第二偏置组904的质心与第三偏置组 906的质心之间移位73。第三偏置组906的质心与第四偏置组908的质心之间移位73。图10是图9中偏置模式的图形化表示。特别地，图10示出在图9中所示的偏置 模式的集合。根据图10所示的这种偏置集合形成的图像可能倾向于较不易于受到光栅波 瓣伪影(artifact)的影响。尽管孔径综合可以在高程上执行并且传统的波束形成可以在方位上执行，但是 有可能通过在这两个维度上进行孔径综合来形成容积图像。可以在高程上应用标准步态 (walking)偏置模式或Hadamard码，并且可以对发射和接收二者在方位上进行固定聚焦时间延迟波束形成，其中发射和接收的焦点位于相同深度。然后，为大量发射-接收事件收集 并存储接收数据，所述发射-接收事件电子地平移以描绘出容积。然后，可以通过基于所述 偏置模式的中心与高程范围平面中的预期焦点之间的距离对波形进行延迟求和来在高程 上综合孔径。同时或者随后，通过假定固定焦点处的“虚拟点源”并且实施基于这些虚拟点 与方位范围平面中的预期焦点之间的距离对波形进行延迟求和来在方位上综合孔径。例 如，用于容积超声成像的方法可包括响应于偏置换能的多维声换能器，其中在高程上应用 第一偏置模式并且发生第一发射/接收事件。对于发射来说，在方位上应用具有一个集合 的固定时间延迟的交变信号，并且对于接收来说，利用不随时间动态变化的另一个集合的 固定时间延迟来对方位上的交变信号进行波束形成。然后，可以在高程上应用第二偏置模 式，并且实施第二发射/接收事件。对来自第一和第二事件的波形进行“离线”组合，使得 在高程和方位上同时综合孔径，或者首先在高程上综合孔径、然后在方位上综合孔径、或者相反。如所描述的那样，可利用“V3”类型的cMUT 2D阵列来进行孔径综合，其中偏置在 高程上是固定的，而时间延迟发射/接收波束形成在方位上是固定的。在替换实施例中，可 利用其它孔径综合技术，所述其它孔径综合技术适用于“SV3”类型的旋转孔径换能器，其中 对于发射来说在高程上应用时间延迟并在方位上应用所述偏置模式，而对于接收来说在高 程上应用所述偏置模式并在方位上应用时间延迟。例如，用于容积超声成像的方法可包括 响应于偏置换能的2D换能器，其以孔径旋转模式(例如，如在题为“ULTRASOUND IMAGING TRANSDUCER ARRAY FORSYNTHETIC APERTURE” 的美国专利公开 2007/0167752 中所描述的 那样，该美国专利公开的全部内容通过引用结合于此)工作。在高程上使用第一和第二发 射时间延迟分布来获得两个发射-接收事件，然后以在高程上实施孔径综合、匹配滤波、和 /或动态发射聚焦的方式对来自该两个事件的接收波形进行组合。非旋转孔径模式下的高程孔径综合技术可具有良好的各向同性的3D分辨率，但 是小于理想的SNR。旋转孔径模式成像也具有各向同性的3D分辨率，但是由于非零的电子 切换时间而可能不能在近场中成像。这两种模式的组合可实现总场成像解决方案。例如，用 于容积超声成像的方法可包括根据如下两个数据集合来构造容积第一集合是利用以非旋 转孔径模式工作的换能器所获得的高程孔径综合数据的集合，第二集合是利用以旋转孔径 模式工作的换能器所获得的数据的集合，其中所述第二集合可以或可以不涉及孔径综合。 可以对来自两个集合的数据进行相干或不相干组合、复合、接合(stitched)、交错、或者并 列地或从上到下地设置。当换能器孔径小于要被成像或要被检查的容积的占用面积(footprint)或区域 时，可能有必要将孔径综合与机械平移和接合相组合以覆盖整个容积。例如，用于容积超声 成像的方法可包括根据利用以非旋转孔径模式工作的换能器所获得的高程孔径综合数据 的第一和第二集合来构造容积，其中所述换能器在采集第一和第二集合之间在高程或方位 上被机械地平移或移位。可以以相干、不相干或者部分相干的方式将来自两个集合的数据 接合在一起。返回参考图1，探测器106是B型多普勒流探测器和/或其它探测器，以用于从波 束形成器信号中识别出强度、能量、速度和其它信息。超声数据可以是B型多普勒速度信息 或多普勒能量信息的任何之一。
系统100可包含可选的扫描转换器(未示出)，该扫描转换器从声网转换到笛卡尔 坐标网，诸如与显示器24相关联的笛卡尔坐标网。在一些数据位于笛卡尔坐标系中的实施 例中，扫描转换器将一些数据从声网转换到笛卡尔坐标网。例如，扫描转换器将多个二维图 像或平面从声网扫描转换到笛卡尔坐标网。可替换地，扫描转换器、CPU、GPU或其它处理器 将一些或全部声网数据转换到3D笛卡尔网。存储器110可包括视频随机存取存储器、随机存取存储器或者用于存储数据或视 频信息的其它存储设备。存储器110可以是计算机可读的存储介质或者存储器，诸如高速 缓冲存储器、缓存、RAM、可移动介质、硬盘驱动器或者其它计算机可读的存储介质。计算机 可读的存储介质包括各种类型的易失和非易失存储介质。在这里在图中所示出的或者所描 述的功能、行为或任务被作为对存储在计算机可读存储介质之中或之上的一个或多个指令 集的响应来执行。所述功能、行为或任务与特定类型的指令集、存储介质、处理器或处理策 略无关，并且可以被软件、硬件、集成电路、固件、微代码等等单独地或相组合地执行。同样， 处理策略可包括多处理、多任务、并行处理等等。在一个实施例中，指令 被存储在可移动介 质设备上以便由本地或远程系统读取。在其它实施例中，指令被存储在远程位置处以便通 过计算机网络或者在电话线路上传输。在又一实施例中，指令被存储在给定计算机、CPU、 GPU或系统中。在一个实施例中，存储器110包括处理器108的视频随机存取存储器。在替换实 施例中，存储器110与处理器108分离，诸如处理器的高速缓冲存储器、系统存储器或其它 存储器。存储器110用来存储位于声网、笛卡尔网、笛卡尔坐标网和声网两者中的超声数据 或者表示3D网中的容积的超声数据。在一个实施例中，处理器108可以是包括图形加速器芯片、处理器、专用集成电 路、电路或者加速卡的GPU。在第二实施例中，处理器108是个人计算机图形加速卡或部 件，诸如由 nVidia (例如 Quadro4900XGL 等)、ATI (例如 Radeon9700 等)或者 Matrox (例 如Parhelia等)所制造的个人计算机图形加速卡或部件。处理器108提供硬件设备以加 速容积再现过程，诸如使用应用编程接口来进行三维纹理映射。示例API包括OpenGL和 DirectX,但是其它API可与处理器108无关地使用或者与处理器108 —起使用。处理器108和/或存储器110可被包括在系统100中作为单个超声系统部件(诸 如同一壳体中的诊疗床(cart)上的超声系统)的一部分。在替换实施例中，提供的处理器 108和存储器110与超声数据采集系统分离，诸如被提供在工作站或个人计算机中。超声数 据可被无线地、通过计算机网络、或通过可转移的存储介质而传输给处理器108。显示器24是CRT、IXD、平板、等离子屏幕、视频投影仪或者用于显示三维容积或表 示的二维图像的其它设备。显示器24可被配置为显示超声图像的输出。尽管已经在上面参考各个实施例描述了本发明，但是应该理解，可以做出许多改 变和修改而不脱离本发明的范围。因此，前面的详细描述意旨被视为是说明性的而不是限 制性的，并且应该理解下面的权利要求书、包括所有等同物意旨对本发明的精神和范围进 行限定。
权利要求
一种用于容积超声成像的系统(100)，包括换能器(102)，包括由偏置电压激活的元件(304)；与所述换能器(102)耦合的偏压生成器(206)，该偏压生成器(206)用于生成建立所述元件(304)的第一偏置模式(602)的偏置信号以及生成用于建立所述元件(304)的第二偏置模式(608)的偏置信号；以及与所述换能器(102)耦合的波束形成器(104)，所述换能器(102)用于响应于所述波束形成器(104)而基于所述第一偏置模式(602)发射和接收超声数据以及基于所述第二偏置模式(608)发射和接收超声数据；其中基于来自所述第一偏置模式(602)的超声数据和来自所述第二偏置模式(608)的超声数据的组合生成图像。
2.根据权利要求1所述的系统(100)，其中所述波束形成器(104)在方位方向上执行 波束形成，并且所述第一和第二偏置模式(608)在高程方向上变化。
3.根据权利要求1所述的系统(100)，其中所述组合包括孔径综合(614)。
4.根据权利要求3所述的系统(100)，其中所述孔径综合(614)包括Hadamard编码。
5.根据权利要求1所述的系统(100)，其中所述换能器(102)包括电容性薄膜超声换 能器(cMUT)或电致伸缩换能材料中的至少一个，所述电容性薄膜超声换能器(cMUT)或电 致伸缩换能材料包括由所述偏置电压激活的元件(304)。
6.根据权利要求1所述的系统(100)，其中以大于或等于所述偏置模式(602，608)之 间的跨度大小的有效宽度对所述第一和第二模式(602，608)进行切趾或者进行发射/接 收。
7.一种利用响应于偏压来换能的超声换能器(102)进行超声成像的方法，所述方法包括利用第一偏置模式(602)和利用第二偏置模式(608)从响应于偏压来换能的所述超声 换能器(102)进行发射；利用所述超声换能器(102)并响应于所述发射来从所述第一偏置模式(602)和所述第 二偏置模式(608)进行接收；以及将由所述第一偏置模式(602)的发射和接收得到的信号与由所述第二偏置模式(608) 的发射和接收得到的信号相组合(614)。
8.根据权利要求7所述的方法，其中响应于偏压来换能的所述超声换能器(102)包括 多个元件(304)，并且其中所述第一偏置模式(602)对应于被偏置为接通的元件(304)的第 一模式。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第二偏置模式(608)对应于被偏置为接通的 元件(304)的第二模式。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在第一偏置模式(602)中被偏置为接通的元件 (304)和在第二偏置模式(608)中被偏置为接通的元件(304)在高程方向上有所变化。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一偏置模式(602)包括在方位方向上被激 活、在第二偏置模式(608)中没有被激活的元件(304)。
12.根据权利要求7所述的方法，其中响应于偏压来换能的所述超声换能器(102)包括 电容性薄膜超声换能器(cMUT)或者电致伸缩材料中的至少一个。
13.根据权利要求7所述的方法，其中所述接收包括由所述超声换能器(102)利用第三 偏置模式所进行的接收。
14.根据权利要求7所述的方法，其中所述对信号的组合包括孔径综合(614)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述孔径综合(614)包括只发射(TX)、只接收 (RX)、或者发射和接收(TX-RX)。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述偏置模式(602，608)的有效宽度大于或等 于所述偏置模式的跨度大小。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述孔径综合(614)包括延迟求和波束形成、相 移、横向匹配滤波或横向逆滤波中的至少一个。
18.根据权利要求7所述的方法，其中发射包括在所述超声换能器(102)上激活所述第一偏置模式(602)；并且 对来自应用所述第一偏置模式(602)的信号应用第一时间延迟模式；以及 其中接收包括对所述超声换能器(102)应用所述第二偏置模式(608)；并且对来自超声换能器(102)的应用所述第二偏置模式(608)的信号应用第二时间延迟模式。
19.根据权利要求7所述的方法，进一步包括 沿着容积中的多个扫描线路重复所述发射和接收；并且 产生所述容积的表示(616)。
20.一种使用响应于偏置的电致伸缩材料来进行超声成像的方法，包括 激活所述材料上元件(304)的第一偏置模式(602)；利用所述第一偏置模式(602)来发射和接收第一超声图像数据； 激活所述材料上元件(304)的第二偏置模式(608)； 利用所述第二偏置模式(608)来发射和接收第二超声图像数据； 将所述第一超声图像数据和所述第二超声图像数据相组合(614)；以及 根据所述组合形成图像(616)。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一偏置模式(602)和所述第二偏置模式 (608)处于高程方向上。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述电致伸缩材料包括电容性薄膜或者微组装 的超声换能器(102) (cMUT)。
23.根据权利要求20所述的方法，其中所述激活包括将第一模式的元件(304)偏置为 接通。
24.一种用于容积超声成像的系统(100)，包括 换能器(102)，包括由偏置电压激活的元件(304)；与所述换能器(102)耦合的波束形成器(104)，所述波束形成器(104)用于执行发射和 接收功能；与所述换能器(102)耦合的综合器，所述综合器用于对所述发射和接收功能执行孔径 综合(614)；其中对根据第一偏置模式(602)偏置的元件(304)执行第一发射和接收功能，并且对根据第二偏置模式(608)偏置的元件(304)执行第二发射和接收功能。
25.根据权利要求21所述的系统(100)，其中所述综合器基于对所述发射和接收功能 的孔径综合(614)来生成超声图像。
全文摘要
超声成像系统(100)可利用偏置线路元件选择和各种孔径综合(614)技术使用电容性薄膜或电致伸缩超声换能器(102)来实现各向同性的容积成像。可通过使用波束形成器来沿着一个维度聚焦、然后沿着另一个方向执行第二轮的“离线”或“回顾式”波束形成来执行二维波束形成。
文档编号G01S15/89GK101809458SQ200880108587
公开日2010年8月18日 申请日期2008年9月8日 优先权日2007年9月26日
发明者C·E·布拉利, C·M·达夫特, P·A·瓦纳, S·潘达 申请人:美国西门子医疗解决公司