专利名称：等相位二维阵列探头的制作方法
技术领域：
本发明涉及医疗器械技术领域，主要通过 文进的方法和配置对三维成像 探头进行排列，完成医疗成像处理的系统和方法。更具体地说，本发明通过 排列二维探头，改善图像获取方法，从而改进容积成像，以及探头生产的便 利性。
背景技术：
尽管图像显示技术取得了极大进步，可以更高分辨率显示、可从不同角 度用三维图像观察扫描图像，进行更准确的诊断，但是，采用二维阵列探头
的过程仍然受限于技术上的困难。举个例子来说，美国专利5,911,692和 6,014,897中公布的稀疏二维阵列探头产生的是很差的波束分辨率图像，若应 用这样的探头数据的话，就会使图像构建过程变得更复杂。
常规的一维阵列探头釆用线阵平面或者凸阵配置，已在超声成像中应用 多年。应用从探头接收的回波数据产生的图像表现为二维横截面，操作者可 以在周围移动探头，获取多个二维图像切片，然后通过插值等处理这些二维 图像切片，发现疾病。有的系统也提供徒手或者马达驱动三维获取的容积构 建算法，进行病理诊断。但是手的移动通常造成信号干扰、信号不稳定，导 致图象重建不准确，诊断不可靠。
图1A所示的一维阵列的常规波束合成器。沿着与阵元方向一致的波束扫 描方向移动，控制聚焦声束，生成二维图像。定时控制电路(图中没有显示) 生成信号，输入给延时时序发生器。参见图1B和图1C,延时时序发生器发射 脉冲激励探头阵列，发出超声波，通过发射、聚焦、和经过类似的延迟时序 的回波信号，形成一维图像。线阵扫描时采用周一延时特性曲线沿着阵元方 向扫描波束，相控阵则在不同角度偏转，形成二维图像。
在过去10年，很多研究人员尝试过"稀疏，，二维阵列概念。这一概念是把若 干个二维阵列阵元(例如64x64二4096)以不同分布方式连接到现有的系统波 束形成通道(通常范围介于64 256 )。这样就可以使超声系统不需要4096通道 波束合成器。但是，由于通道数目明显减少，这一做法令横向和纵向方向的 波束分辨率大大下降。
美国专利5,911,692标题为"稀疏二维宽带超声换能器阵列，，中，公布了一 种超声成像系统。为了减少信号处理通道的数量，这种超声成像系统采用较小的换能器阵元阵列。换能器阵元数量上减少了，然后再将阵元有选择地分 布于网状图形上，这可减少阵列产生的旁瓣。为减少阵元阵列，分两步离散
换能器阵列的孔径第一步，把连续孔径离散为一组同心环形；然后，将每
个同心环形用 一组有间隔的换能器阵元代替。
图1D显示的是5,911,892专利公开的稀疏换能器阵列10,包括多个发射器 22驱动的换能器阵元12。每个换能器阵元12把从被扫描物体反射回来的超声 能量转换成电子信号，通过一套发射/接收(T/R)开关即收发开关26分别送至 接收器。控制器28接收操作人员的命令，操作发射器22、接收器24和收发开 关26，控制器28控制收发开关26打开每个换能器阵元12的发射器。控制器28 进一步控制收发开关26打开发射器22,以适当的延时接收不同换能器阵元12 的回波信号。接收器24接收的回波信号接着被放大、产生扫描图像。但是， 如上所述，由于用于扫描和产生回波信号的通道有限，稀疏二维阵列扫描过 程无法提供足够的分辨率。
因此，采用上述普通技术的产品，尤其是对于三维医疗图像扫描和显示 系统，仍然需要改进的方法和系统，以克服这些不足。具体地说，需要提供 一种改进的方法和配置，改进波束分辨率，方便进行图像构建，提供高质量 的准确图像。
发明内容
本发明的目的之一为提供一种采用二维阵列探头的医疗图像扫描系统及
方法， 一方面为医疗图像扫描系统提供新的探头配置和方法，改进波束分辨
率、方便生产〗笨头的工艺，从而解决上述局限性和困难。
本发明的另 一个方面是为医疗图像扫描系统提供新的探头配置和方法，
更可靠、更方便地获取由二维图像数据集的多个切片构成的容积，并且不导
致波束分辨率、图像质量下降。
本发明的另一个方面是在换能器阵元的横向方向上施加的一定的相位延
迟，同时把等相的延时应用到纵向方向的换能器阵元上。通过线形或曲线运
动的方式，选择多个换能器阵元，获取容积数据。
为实现上述发明目的，所述医疗图像扫描系统包括 二维阵列探头，由排列在经度和绵度方向上的换能器阵元构成； 多路器，沿所述经度或炜度方向的第一维排列，将换能器阵元传送到系
统前端通道，并将沿第二维指定的换能器阵元发出的信号求和到第一维中。
为更好的实现发明目的，所述配置医疗图像扫描系统的方法包括以下步
骤
7由排列成经度和绰度方向的换能器阵元构建二维阵列探头； 沿所述经度或绵度方向的第一维排列多路器，将换能器阵元传送到系统前 端通道，并将沿第二维指定的换能器阵元发出的信号求和到第一维中。
本发明提供的采用二维阵列探头的医疗图像扫描系统及方法，能改进波束 分辨率，方便进行图像重建，提供高质量的准确图像。
图1A是现有技术一维阵列的常规波束形成器原理功能图； 图1B和图1C是现有技术釆用常规一维探头的超声图像扫描系统中的波束 形态；
图1D是现有技术中采用二维稀疏探头显示、用于三维扫描技术的常规超 声图像扫描系统的功能框图2是显示本发明等相二维超声扫描系统的波束形状和信号配置的透视 功能图3是显示本发明的阵元到通道连接的概念，提供改进的二维图像分辨率 和图像结构的原理图4是显示采用本发明的凸阵探头配置的等相二维超声扫描系统的波束 形状和信号配置的透视功能图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步 说明。
具体实施例方式
图2是本发明的等相二维超声扫描系统100的透视功能图。二维扫描系 统包括沿着Z轴方向排列的16个换能器阵列110-1至换能器阵列110-16。 16 个换能器阵列中的每一列都包含128个换能器，因此形成换能器沿着X轴方 向的128行。扫描系统100还包括连接到扫描器前端的64通道总线(120-1 到120-64),使64通道波束合成器输入行阵列控制信号。信号控制模块120 是多路器，它把选定的128阵元总线(140-1到140-128 )连接到64通道总线， 例如120-1到120-64。这64通道总线120-i (其中i=l ~ 64 )的每一条又通过 125-j同时连接到一列或多列阵元130-j, k,其中j=l ~ 16， k=l ~ 128。这些列 控制线125提供控制信号，对列阵列设置进行实时配置。列阵列控制线125-j 和通过行阵列控制线122-k(其中k=l ~ 128)发射的行阵列控制信号提供控制 信号，使每个换能器通电，产生超声能量脉冲，投射出波形140(j，,k)，其中，j，=l~16， k=l~128。从换能器产生的超声能量转变为超声波发射，超声波从 被扫描的生物体反射到换能器阵列，由同 一换能器转换成电子信号。
在常规方式中，图2示出的超声扫描系统需要128x16=2048通道的二维 波束合成器。系统配置和信号发射、处理都会很复杂，几乎是无法实现的。 图2和图3示出了换能器阵列分成列和行换能器阵元。16位高压多路器150 作为开关和加法器，把16个列阵元的l个或多个相加，输出为一行信号。由 于选定的列阵元的以平延时特性曲线(例如相同延时分布)相加，本发明能 有效降低二维探头和系统界面的复杂性。如图3所示，使用Supertex公司的 "Supertex 2601",控制在等相输出时连接并相加任意数的列阵元。例如，在 获取三维容积的第 一个二维图像切片时，第 一列的阵元1 、阵元2和阵元3都 连接在一起，第二列也一样，依此类推。釆用64通道输出，连接行多路器160 的另一层的列多路器150排成128行，这些信号被视为常规一维阵列，用于 扫描二维图像的波束。在获取三维容积的第二个二维图像切片时，列多路器 控制器的输出包含阵元2、阵元3和阵元4，行多路器的控制方式与前述相同。 通过物理换能器阵元位置在列方向移动，可以获取三维超声容积数据。
列控制器首先可以把波束中心位于阵元2的阵元1、阵元2和阵元3信号 相加在一起，也可以对阵元2和阵元3相加，使波束中心处于阵元2和3的 中间。这会产生半阵元间距处的一幅更好的图像。在凸线性阵列中，曲率可 以在行和列的方向调节，以获取更大角度的容积数据。在相控阵列中，用常 规方法在行方向上偏转波束，而以上述的同 一方法控制列阵元。
采用本发明，多路器的总数减少到128+8=136 ( 128个16位多路器用于 列解码，8个16位多路器用于行解码)，用于一个128x16的二维阵列，可将 其置于探头头部。如果配置的扫描系统用来实现64行阵元相控阵探头的话， 那么多路器的总数还可减少到64+4=68个。
由于在超声穿刺时穿刺针与二维图像平面保持平行比较困难，采用本发 明，将很好地克服这一问题；本发明也可应用于其它三维容积成像(例如肿 瘤或胎儿脸部)。
图4示出的探头系统是现有腹部凸线阵或者小部位线阵探头的另一种表 现形式，尺寸大，配置与图2相似。经度(或者行)方向可有N个阵元(例 如N是64~256 ),而绰度(或者列)平面可有M个切片(例如8~128阵元)。 可以4巴探头看作是M片一维曲面或线性阵列以一定曲率排列而成。由系统控 制对行阵元的输出选择。只有行方向的相邻L (例如L是1 M)阵元才会等 相地连接在一起，用于成像。这种情况类似于绵度方向没有电子聚焦的线阵， 换能器阵元依靠几何聚焦。
从以上述描述可知，本发明用于医疗图像扫描系统。这一医疗图像扫描系统包括二维阵列探头，由排列在经度和绵度方向上的换能器阵元构成。该 医疗图像扫描系统还包括沿第一维(经度或綷度方向)排列的多路器，用于 将换能器阵元连接到系统前端通道，并将沿第二维指定的换能器阵元发出的 信号求和到第一维中。在一个实施例中，多路器进一步用于采用等相延时特 性曲线，将沿第二维指定的换能器阵元发出的信号求和到第一维中。在另一 个实施例中，多路器进一步用于创建等相延时特性曲线，通过应用等相延时 特性曲线，对沿第二维指定的换能器阵元发出的信号求和到第一维中。在另 一个实施例中，多路器进一步用于沿第一维创建焦点位于无穷远的等相延时 特性曲线，通过应用等相延时特性曲线，对沿第二维指定的换能器阵元发出 的信号求和到第一维中。当焦点为无穷远时，组成孔径的阵元之间应用零延 迟。在另一个实施例中，医疗图像扫描系统还包括扫描器前端，其包括通道 波束合成器，用于把控制信号输入到每个换能器阵元。在另一个实施例中， 医疗图像扫描系统还包括扫描器前端，其包括通道波束合成器，用于把经度 和绵度方向的控制信号输入到构成二维阵列的每个换能器阵元。在另--个实 施例中，医疗图像扫描系统还包括扫描器前端，其包括通道波束合成器，用 于把控制信号输入到每个换能器阵元。医疗图像扫描系统还包括在通道波束 合成器和换能器阵元之间的信号多路器，用于对通道波束合成器发送到换能 器阵元的控制信号进行多路复合。在另一个实施例中，医疗图像扫描系统还 包括第二维多路器，用于对沿第 一维排列的多路器产生的信号进行切换和求 和，产生信号获取绘制三维图像的容积数据集。在另一个实施例中，医疗图 像扫描系统还包括第二维多路器，用于对沿第 一维排列的多路器产生的信号 进行切换和求和，产生信号重建三维图像。该医疗图像扫描系统还包括第一
维多路器和第二维多路器的切换和求和电路，电路总数是(K+K*J) /J,其中 K是沿第一维的换能器阵元总数，J表示沿第一维采用等相延时特性曲线求和 的沿第二维的换能器阵元总数。 一套多路复合包中有16个切换电路，128x16 阵元换能器阵列的IC数量为(128+128*16) /16，也就是8+128个多路器IC 芯片。在另一个实施例中，由排列成经度和炜度方向的换能器阵元构成二维 阵列探头，其中，沿经度和绵度的任意一方向的换能器阵元总数范围大约在 4 512,最好是形成大约NxM的阵列，其中32>N>4, 512>M>32。
根据上迷说明，本发明公布的是配置医疗图像扫描系统的方法。该方法 包括由排列在经度和炜度方向的换能器阵元构建二维阵列探头的步骤。该方 法还包括沿第一维(经度或绵度方向)排列多路器的步骤，将换能器阵元传 送到系统前端通道，并将沿第二维指定的换能器阵元发出的信号求和到第一 维中。在另一个实施例中，排列多路器的步骤进一步包括采用等相延时特 性曲线，将沿第二维指定的换能器阵元发出的信号求和到第一维中。在另一个实施例中，排列多路器的步骤进一步包括创建等相延时特性曲线，通过
应用等相延时特性曲线，将沿第二维指定的换能器阵元发出的信号求和到第
一维中。在另一个实施例中，排列多路器的步骤进一步包括沿第一维创建 焦点位于无穷远的等相延时特性曲线，通过应用等相延时特性曲线，将沿第 二维指定的换能器阵元发出的信号求和到第一维中。在另一个实施例中，该 方法还包括将通道波束合成器连接并应用到扫描器前端的步骤，以将控制信 号输入到每个换能器阵元。在另一个实施例中，该方法还包括将通道波束合 成器连接并应用到扫描器前端的步骤，以将经度和绵度方向的控制信号输入 到构成二维阵列的每个换能器阵元。在另一个实施例中，该方法还包括将通 道波束合成器连接并应用到扫描器前端的步骤，以将控制信号输入到每个换 能器阵元。该方法还包括另一个步骤，即把通道信号多路器设在通道波束合 成器和换能器阵元之间，以对通道波束合成器发送到换能器阵元的控制器信 号进行多路复用；连接并应用第二维多路器，对沿第一维排列的多路器产生 的信号进行切换和求和，产生信号获取用于重建三维图像的容积数据集。把 通道信号多路器设在通道波束合成器和换能器阵元之间，以对通道波束合成 器发送到换能器阵元的控制信号进行多路复合；连接并应用第二维多路器， 对沿第 一维排列的多路器产生的信号进行切换和求和，产生信号重建三维图 像。该方法还包括设置第一维多路器和第二维多路器的切换和求和电路，电 路总数为(K+K*J)/J，其中K是沿第一维的换能器阵元总数，J表示沿第一 维采用等相延时特性曲线求和的沿第二维的换能器阵元总数。在另一个实施 例中，由排列成经度和绵度方向的换能器阵元构建二维阵列探头的步骤还包 括设置经度或绵度任意一方向的换能器阵元总数范围大约在4 512,形成最 好大约N x M的阵列，其中32>N>4, 512>M>32。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围， 凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接 或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
权利要求
1、一种医疗图像扫描系统，其特征在于，所述系统包括二维阵列探头，由排列在经度和纬度方向上的换能器阵元构成；多路器，沿所述经度或纬度方向的第一维排列，将换能器阵元传送到系统前端通道，并将沿第二维指定的换能器阵元发出的信号求和到第一维中。
2、 根据权利要求1所述的医疗图像扫描系统，其特征在于，所述多路器 进一步釆用等相延时特性曲线，将沿所述第二维指定的换能器阵元发出的信 号求和到第一维中。
3、 根据权利要求1所述的医疗图像扫描系统，其特征在于，所述多路器 进一步创建定相延时特性曲线，通过应用所述等相延时特性曲线，将沿所述 第二维指定的换能器阵元发出的信号求和到第一维中。
4、 根据权利要求3所述的医疗图像扫描系统，其特征在于，所述多路器 进一步沿第一维创建焦点位于无穷远的等相延时特性曲线，通过应用所述等 相延时特性曲线，将沿所述第二维指定的换能器阵元发出的信号求和到第一 维中。
5、 根据权利要求1所述的医疗图像扫描系统，其特征在于，所述系统还 包括扫描器前端，包括通道波束合成器，将控制信号输入到每个换能器阵元。
6、 根据权利要求1所述的医疗图像扫描系统，其特征在于，所述系统还 包括扫描器前端，包括通道波束合成器，将经度和绵度方向的控制信号输入 到构成二维阵列的每个换能器阵元。
7、 根据权利要求1所述的医疗图像扫描系统，其特征在于，所述系统还 包括扫描器前端，包括通道波束合成器，将控制信号输入到每个换能器阵元。 通道信号多路器，排列在所述通道波束合成器和换能器阵元之间，对所 述通道波束合成器发送到换能器阵元的控制信号进行多路复合。
8、 根据权利要求1至7中任意一项所述的医疗图像扫描系统，其特征在 于，所述系统还包括第二维多路器，用于对沿第一维排列的多路器产生的信号进行切换和求 和，产生信号获取用于重建三维图像的容积数据集。
9、 根据权利要求1至7中任意一项所述的医疗图像扫描系统，其特征在 于，所述系统还包括第二维多路器，用于对沿第一维排列的多路器产生的信号进行切换和求 和，产生信号重建三维图像,；第 一 维多路器和第二维多路器的切换和求和电路，所述电路总数是 (K+K*J),其中K是沿第一维的换能器阵元总数，J表示沿第一维采用等相 延时特性曲线求和的沿第二维的换能器阵元总数。
10、 根据权利要求1所述的医疗图像扫描系统，其特征在于，所述系统 还包括二维阵列探头，由排列成经度和绵度方向的换能器阵元构成，其中，沿 经度和绵度的任意一方向的换能器阵元总数范围大约在4 512，最好形成大 约N x M的阵列，其中32〉N>4, 512>M>32。
11、 一种配置医疗图像扫描系统的方法，其特征在于，所述方法包括以 下步骤由排列成经度和绵度方向的换能器阵元构建二维阵列探头； 沿所述经度或炜度方向的第一维排列多路器，将换能器阵元传送到系统 前端通道，并将沿第二维指定的换能器阵元发出的信号求和到第一维中。
12、 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，排列多路器的步骤进一 步包括采用等相延时特性曲线，将沿所述第二维指定的换能器阵元发出的信号 求和到第一维中。
13、 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，排列多路器的步骤进 一步包括创建等相延时特性曲线，通过应用所述等相延时特性曲线，将沿所述第 二维指定的换能器阵元发出的信号求和到第一维中。
14、 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，排列多路器的步骤进 一步包括沿第一维创建焦点位于无穷远的等相延时特性曲线，通过应用所述等相 延时特性曲线，将沿所述第二维指定的换能器阵元发出的信号求和到第一维中。
15、 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 将通道波束合成器连接并应用到扫描器前端，将控制信号输入到每个换能器阵元。
16、 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 将通道波束合成器连接并应用到扫描器前端，将经度和绵度方向的控制信号输入到构成二维阵列的每个换能器阵元。
17、 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 将通道波束合成器连接并应用到扫描器前端，将控制信号输入到每个换能器阵元；在通道波束形成器和换能器阵元之间排列通道信号多路器，对所述通道 波束合成器发送到换能器阵元的控制器信号进行多路复合。
18、 根据权利要求11至17任意一项所述的方法，其特征在于，所述方 法还包4舌连接并应用第二维多路器，对沿第一维排列的多路器产生的信号进行切 换和求和，产生信号获取用于重建三维图像的容积数据集。
19、 根据权利要求11至17任意一项所述的方法，其特征在于，所述方 法还包括连接并应用第二维多路器，对沿第一维排列的多路器产生的信号进行切 换和求和，产生信号重建三维图像；设置第一维多路器和第二维多路器的切换和求和电路，所述电路总数是 (K+K*J)/J，其中K是沿第一维的换能器阵元总数，J表示沿第一维釆用等-相延时特性曲线求和的沿第二维的换能器阵元总数。
20、 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述由排列成经度和纬 度的换能器阵元构建二维阵列探头的步骤进一步包括设置经度和绰度的任意一方向的换能器阵元总数范围大约在4 512,最好形成大约NxM的阵列，其中32〉N〉4， 512〉M>32。
全文摘要
本发明涉及医疗器械技术领域，提供了一种采用二维阵列探头的医疗图像扫描系统及方法，所述系统包括二维阵列探头，由排列在经度和纬度方向上的换能器阵元构成；多路器，沿所述经度或纬度方向的第一维排列，将换能器阵元传送到系统前端通道，并将沿第二维指定的换能器阵元发出的信号求和到第一维中。本发明提供的采用二维阵列探头的医疗图像扫描系统及方法，能改进波束分辨率，方便进行图像重建，提供高质量的准确图像。
文档编号A61B8/00GK101422389SQ200810169480
公开日2009年5月6日 申请日期2008年10月15日 优先权日2007年10月16日
发明者周文平, 姚锦钟, 陈志强 申请人:深圳市开立科技有限公司