用于多线成像的具有微射束形成器的超声换能器探头的制作方法
用于多线成像的具有微射束形成器的超声换能器探头的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及医学诊断超声系统，并且具体地涉及一种用于多线成像的具有微射束形成器的超声换能器探头。
【背景技术】
[0002]超声阵列换能器可以被配置为单行换能器元件，用于对二维(2D)图像平面进行成像一维(ID)阵列，或用于对三维区域进行成像的换能器元件的二维(2D)阵列。2D阵列包括在方位和海拔两个方向上延伸的元件，其能够被完全独立地操作以在任何方位或海拔方向上聚焦和操纵射束。这些阵列能够被配置在平坦或弯曲取向。本发明提出使用被耦合到阵列元件组的微射束形成器的阵列换能器，其响应于单一传送事件部分地对用于多个接收线的形成的元件组进行射束形成。
[0003]具有大量元件的二维阵列换能器以及ID阵列造成归因于其大量换能器元件的问题。由于在传送和接收中必须单个地控制这些元件中的每个，对于每个元件必须提供单独的信号线。ID阵列可以包括一行100-200个元件，要求100-200个信号线，其能够被容纳相对小且轻的探头缆线，但可以需要与相对少的通道的系统射束形成器一起操作。2D阵列可以具有在一个维度上100-200行元件，以及在其他维度中100-200列的元件，总计几千个单个元件。数千信号线的缆线对于手持式并且必须由超声医师操纵的探头是不实用的。本发明的实施方案通过使用被附接到换能器阵列的微射束形成器集成电路克服了这些问题，所述微射束形成器集成电路执行元件组的部分射束形成，所述元件组被称为贴片。每个贴片的单个延迟和汇总信号通过标准尺寸缆线被传导到超声系统射束形成器，其中，来自每个贴片的汇总信号被应用到系统射束形成器的通道，其完成射束形成操作。比如，在美国专利5，229，933 (Larson，III)、美国专利5，997，479 (Savord等人)、美国专利6, 013, 032 (Savord)和美国专利6，126，602 (Savord等人)中图示了探头中的微射束形成器和系统射束形成器的通道之间的全射束形成操作的该分区，其使能够使用在探头和超声系统射束形成器之间具有相对较少数量的信号线的缆线。
[0004]常常期望响应于单一传送事件来接收多条扫描线，或增加显示的帧速率或增加扫描线的密度。能够以若干方式根据更少数量的传送事件形成多条接收线。如在美国专利5, 318, 033 (Savord)中描述的，一个技术是在实际接收线之间插入合成接收线。在该专利示出的实施方案中，在每对实际接收线之间插入两个合成接收线。不要求对先前接收线进行缓冲的用于多线接收的另一技术，是当接收回波时通过应用回波信号的单独不同延迟从一个传送事件接收回波时，射束形成多条线。不同延迟能够产生在不同方向上操纵的多个不同的射束。如在美国专利4，644，795 (Augustine)中描述的一个技术是传送一个“宽”射束，其声穿透多个扫描线位置。根据沿着多条扫描线接收到的回波形成多个射束。如在美国专利7，537，567 (Jago等人)中描述的另一技术是在不同方向上同时传送多个射束，并且在多个方向上同时形成接收射束。在两种情况下，当接收回波以不同地进行延迟，然后单独地汇总所述回波以同时形成多个接收射束时，通过不同延迟对回波进行延迟。
[0005]具有微射束形成器的超声探头一般被设计具有预定的配置，其与对应的系统射束形成器配置一起操作。具有微射束形成器的商用探头具有许多微射束形成器输出端，所述许多微射束形成器输出端与许多射束形成器通道匹配。例如，64-元件ID阵列探头可以被配置具有八个贴片，八个单个换能器元件中一个，提供来自八个贴片输出端的八个部分射束形成信号，所述八个贴片输出端被耦合到例如8-通道系统射束形成器的八个通道。但是当系统射束形成器正在执行多线射束形成时，问题出现。在这种情况下，不同系统射束形成器通道将不同延迟应用到部分射束形成信号(部分总射束)以形成在不同程度上操纵的多线，例如一个被操纵到传送射束的中心的左边，以及一个被操纵到中心的右边。因为超声射束形成使用关于接收的扩张孔径，其以针对近场中开始接收的小孔径开始，并且当从增加的场深度接收回波时，通过将额外的元件添加到孔径来扩张所述孔径，问题出现。根据传送和接收射束的位置，在接收期间在近场中使用的少数元件能够是相同微射束形成器贴片的元件，其被连接到仅仅系统射束形成器的单一通道。由此，仅仅单一延迟，单一通道的单一延迟，能够被应用到在近场中接收到的回波。随着孔径扩张，添加的元件将最终是被耦合到不同系统射束形成器通道的相邻贴片的元件，使不同延迟能够被应用，并且问题消失。将期望总是用多个微射束形成器贴片的元件接收近场信号，不管射束的位置，使得从回波接收的开端，甚至从近场总是能够形成多线。
【发明内容】
[0006]根据本发明的原理，超声换能器探头利用具有微射束形成器的阵列换能器，所述微射束形成器具有被耦合到系统射束形成器的通道的部分射束汇总贴片输出端。每个贴片的元件具有在传统贴片配置中的标准连接，但是也能够被选择性地切换以被连接到至少一个相邻贴片的汇总节点。这使传统贴片的元件被选择性地耦合到不同贴片，并且因此被选择性地耦合到系统射束形成器的多个单独通道。然后系统射束形成器能够，甚至在近场中，同时形成多条接受多线。
【附图说明】
[0007]在附图中:
[0008]图1以方框图的形式图示了本发明的2D弯曲阵列换能器和微射束形成器探头。
[0009]图2是图示部分射束汇总微射束形成器的理念的方框图。
[0010]图3图示了标准微射束形成器配置的三个贴片。
[0011]图4图示了具有标准贴片配置的微射束形成器的多线射束形成的问题。
[0012]图5A-图5C图示了根据本发明的原理当用扩张孔径接收用于多线形成的回波时，本发明的微射束形成器。
[0013]图6以方框图的形式图示了根据本发明的原理构建的微射束形成器。
[0014]图7图示了当被配置用于与更大数量的通道的系统射束形成器一起操作的本发明的微射束形成器。
[0015]图8图示了当被配置用于与更少数量的通道的系统射束形成器一起操作的本发明的微射束形成器。
【具体实施方式】
[0016]首先参考图1，以方框图的形式示出了根据本发明的原理构建的超声系统。探头10具有二维阵列换能器12，在该范例中，所述二维阵列换能器在海拔维度上是弯曲的，诸如在美国专利7，927，280 (Davidsen)中示出的。阵列的元件被耦合到位于在换能器阵列后面的探头的微射束形成器14。微射束形成器将定时传送脉冲应用到阵列的元件以在期望方向上传送射束，以及应用到在阵列前面的三维图像域中的期望聚焦点。来自传送射束的回波通过阵列元件接收并且被耦合到微射束形成器14的延迟，在那儿将其单个地进行延迟。包括贴片的换能器元件组的延迟信号被组合以形成针对贴片的部分汇总信号。在该实施例中的贴片的元件被一起操作，并且具有其关于参考单个地进行延迟的信号，以及然后通过微射束形成器进行组合以形成来自探头导体的贴片或超声系统射束形成器通道的一个信号。在通常的实施方案中，通过将来自贴片的元件的延迟信号耦合到公用总线或汇总节点进行组合，排除了汇总电路或其他复杂电路的需要。每个贴片的汇总节点被耦合到缆线16的导体，其将部分汇总射束贴片信号传导到系统主机。在系统主机中，贴片信号被数字化，并且被耦合到系统射束形成器22的通道，其恰当地对每个贴片信号进行延迟。然后延迟的贴片信号被组合以形成相干的操纵和聚焦接收射束。通过系统图像处理器24处理来自3D图像 域的射束信号，以产生2D或3D图像，用于在图像显示器30上显示。在控制器26的控制下进行超声系统参数(诸如探头选择)、射束操纵和聚焦以及信号和图像处理的控制，所述控制器26被耦合系统的各个模块。在探头10的情况下，该控制信息中的一些从系统主机经由缆线16的数据线被提供到微射束形成器。用户借助于控制面板20控制这些操作参数中的许多。
[0017]图2图示了部分汇总的微射束形成器的理念。图2的附图被虚线33和35分成三个区域。探头10的部件被示出在线33的左侧，系统主机的部件被示出在线35的右侧，以及缆线16被示出在两条线之间。探头的换能器阵列12的元件被划分成相连换能器元件的贴片。在附图中示出阵列12的贴片中的五个，每个包括九个相邻元件。在附图中示出贴片12a、12c和12e的微射束形成器通道。贴片12a的九个元件被耦合到在DLl处指示的微射束形成器的九条延迟线。类似地，贴片12c和12e的九个元件被耦合到在DL2和DL3处指示的延迟线。通过这些延迟线传递的延迟是众多变量(诸如，阵列的尺寸、元件间距、贴片的间隔和维度、射束操纵和聚焦的范围等)的函数。延迟线组DL1、DL2和DL3的每个将来自其相应贴片的元件的信号延迟到公共时间或贴片的相位参考。然后通过相应汇总器Σ将来自每个延迟线组的九个延迟信号进行组合以形成来自元件贴片的阵列的部分汇总信号。每个部分汇总信号被放到单独的总线15a、15b和15c上，其中的每个被耦合到缆线16的导体，所述导体将部分汇总信号传导到系统主机。在系统主机中，每个部分汇总信号被应用到系统射束形成器22的通道的延迟线22a、22b、22c。这些延迟线将部分汇总信号操纵并且聚焦成在系统射束形成器汇总器22s的输出端的公共射束。然后完全形成的射束被转发到系统图像处理器用于进一步信号处理和显示。尽管图2的范例被示出具有9个元件贴片，将认识到，构建的微射束形成器系统常常将具有更大数量的元件(诸如16、32、48或70个元件或更多)的贴片。贴片的元件能够彼此相邻、空间分开或甚至以棋盘样式混合，其中“奇数”编号的元件被组合在一个贴片中，以及“偶数”编号的元件被组合在另一贴片中。贴片能够是正方形、矩形、菱形、六边形或任何其他期望的形状。
[0018]图3是标准配置的探头阵列换能器和微射束形成器的简化图示。线52、54、56和58指示在微射束形成器的三个贴片之间的边界。暗区域62、64和66表示每个贴片的元件和延迟线。在该范例中，每个贴片含有十六个元件和延迟线。每个贴片的元件和延迟线被耦合到汇总节点，三个贴片被指示为72、74和76。汇总节点组合贴片的元件和延迟线的十六个信号，并且产生一个射束汇总输出信号，其被耦合到系统射束形成器的通道，如由输出箭头82、84和86指示的。
[0019]用该描述，图4图示了当试图用标准配置的微射束形成器产生多线接收信号时遇到的问题。在图4中，阴影三角形63、65、67描绘三个贴片的十六个元件和延迟线，每个贴片的元件和延迟线被耦合到公共汇总输出。向上指向的宽箭头2、2’和2”指示在不同时间并且从沿着阵列的不同点传送的三个传送射束，以扫描在阵列前面的图像域。在该范例中，每个传送射束声穿透位于传送射束的中心的任一侧的两个多线位置4(4’、4”)和6(6’、6”)。然后响应于每个传送射束，接收两条多线，其被称为2x多线。也可以采用更高阶多线，诸如4x、8x或16x多线。在传送射束2被传送之后，在近场中开始接收回波，并且回波被不同地延迟并且在系统射束形成器中汇总，使得接收多线被操纵以沿着两条多线位置接收。
[0020]能够看到，传送射束2”位于贴片65的中心。当通过围绕该贴片位置的元件接收回波以被形成接收多线4”和6”时，能够看到，通过相同贴片65的元件至少在近场接收它们。由此，在近场中接收到的信号将被延迟并且在贴片的输出端84被组合成一个射束汇总信号，以及被耦合到系统射束形成器的单一通道，所述系统射束形成器将其延迟应用到所述信号。类似地，在传送射束2’的任一侧的两个多线位置4’和6’将具有仅通过贴片65的元件接收的其近场回波。该问题在传送射束2的实例中不发生，其被集中在贴片63和65之间的边界。来自在传送射束的中心的任一侧上的多线位置4和6的近场回波将通过贴片63和65的元件被接收，并且被耦合到两个系统射束形成器通道，其中，不同延迟能够被应用到单独的射束汇总信号。对于该具体传送射束和其多线，因为不同多线的射束操纵能够在近场中开始，不将具有近场伪影。
[0021]图5A-5D图示了根据本发明如何能够克服该近场多线射束操纵问题。在图5A中，射束2’已经被传送，其被集中在贴片64。在传送射束的中心的任一侧将要接收两个多线4’和6’。在近场中，通过贴片64的仅仅四个元件和延迟初始地执行近场回波接收，两个到传送射束中心的左边，以及两个到传送射束中心的右边。到射束中心的右边的两个元件以其标准配置被耦合到贴片64的汇总节点。而到射束中心的左边的两个元件被耦合到贴片64的左边的贴片62的汇总节点72。在总射束输出端84处产生被耦合到汇总节点74的两个接收和延迟信号的汇总，并且在总射束输出端82处产生被耦合到汇总节点72的两个接收和延迟信号的汇总。由于这两个输出端被耦合到系统射束形成器的不同通道，通过系统射束形成器能够对它们进行不同地延迟以产生不同的多线，使接收到的回波信号能够被转变到传送射束的中心的任一侧。为了将来自到传送射束中心的左边的元件的接收和延迟信号连接到相邻贴片62的汇总节点72，两个位置开关能够被用于每个信号路径。当开关被设置在其名义上位置时，在正常配置中来自元件的信号被耦合到贴片64的汇总节点74。当开关被设置在其第二位置时，信号被耦合到相邻贴片62的汇总节点72。
[0022]如前所述，当从更大深度接收回波时，射束形成器系统的接收孔径被扩张。在该范例中，当从更大深度接收回波时，通过将额外的元件添加在原始四个元件的任一侧，孔径被进一步扩张。图5B图示了到传送射束中心的右边的三个元件被耦合到汇总节点74或贴片64，以及到传送射束中心的左边的三个元件被耦合到贴片62的汇总节点72。两个射束汇总被耦合到来自输出端82和84的系统射束形成器的两个通道。如图5C和所示，该孔径扩张以更大的深度继续添加传送射束中心的任一侧的一个和然后另一元件。如在该范例的开始，到射束中心的左边的元件和延迟所有被耦合到相邻节点72的汇总节点72和射束汇总输出端82，并且到射束中心的右边的元件和延迟所有被耦合到微射束形成器的贴片64的汇总节点74和射束汇总输出端84。由此系统射束形成器能够沿着射束中心的恰当侧面继续操纵每个多线，甚至在回波接收的最浅深度。
[0023]在图6中以方框图的形式图示了能够对接收到的回波信号进行分区的本发明的实施方案。阵列换能器12的元件被示出，其被耦合到超声探头的微射束形成器14的延迟DLo如由延迟控制线44指示的，微射束形成器控制器40通过延迟控制部分控制应用延迟的大小。微射束形成器经由一个或多个线42接收来自主系统的控制信号。开关矩阵32包括每个被耦合以接收来自相应延迟DL的信号的开关。尽管开关能够被形成为机械开关，在构建的实施例中，它们以半导体的形式被制造为模拟闸阀。在该优选实施方案中，每个开关的臂具有三个可能设置、位置a、b和C。位置b是名义上、一直向前的位置，其将元件和延迟耦合到其通常汇总节点。在先前范例中，这意味着，当开关被设置在该位置时，贴片64的元件和延迟被耦合到汇总节点74和输出端84。设置到a位置的开关将其元件和延迟耦合到在一直向前贴片的一侧的贴片，以及设置到c位置的开关将其元件和延迟耦合到在另一侧的贴片。比如 ，当贴片64的开关被设置到位置a，开关的信号被耦合到左边的贴片62的汇总节点72，以及当开关被设置到位置C，其信号被耦合到右边的贴片66的汇总节点76。在图6的实施方案中，将开关矩阵顶部示出的所有开关设置到b位置将其延迟DL耦合到微射束形成器的输出线34b，其经由缆线16的线被耦合到系统微射束形成器的一个通道。当所有这些开关被耦合到输出线34b时，所有其信号将被组合成在该线上的一个射束汇总信号。类似地，当在顶部的开关被设置在位置a时，其信号将被组合在输出线34a上并且经由缆线被耦合到系统射束形成器的另一通道，以及当开关被设置在c位置时，其信号将被组合在输出线34c上并且经由缆线被耦合到系统射束形成器的第三通道。如将由下面描述的范例图示的，在开关矩阵32中的三个位置的开关的使用，其提供将信号指向两个相邻贴片中的任一个的能力，提供部分射束汇总形成的更大的弹性。将认识到，只要贴片在两侧具有其他贴片，该控制设置是可能的，所述控制设置通过贴片开关使能够控制来自微射束形成器控制器在线46上的信号。在阵列的端部，贴片将没有贴片超过贴片的端部，并且不能够完全执行该控制。除了该边界条件外，该控制胜过阵列和其贴片的长度的剩余。
[0024]将来自贴片的元件的信号不仅耦合到其自己的贴片而且到在两侧的邻近贴片的能力能够实现重新配置不同系统射束形成器配置的贴片尺寸的能力。在先前范例中，能够看出，每个贴片名义上由十六个元件组成，并且由此微射束形成器产生来自名义上贴片尺寸的16:1射束汇总。比如，如图7所示，如果探头与两倍数量通道的系统射束形成器一起操作，通过转变到8:1射束汇总能够充分利用增加数量的通道。在该范例中，能够看到，中间贴片64的元件和延迟中的八个被耦合到贴片的汇总节点74和输出端84。贴片的元件和延迟中的四个被耦合到左边的贴片62的汇总节点72和其输出端82，连同贴片62的四个元件和延迟一起。类似地，贴片64的元件和延迟中的另四个被耦合到右边的贴片66的汇总节点76和其输出端86，连同贴片66的四个元件和延迟一起。能够看到，来自阵列元件的信号的该切换产生8:1汇总信号以及探头的孔径的重新定义。
[0025]图8的布置适应减少数量的系统射束形成器通道的情况。在该范例中，如在第一范例中仅仅半数通道的系统射束形成器是可利用的。如该范例所示，然后通过设置开关以耦合信号能够使通过系统射束形成器通道处理的信号的数量加倍。贴片64的所有元件和延迟被设置到其名义上b位置，将所有其信号耦合到贴片的汇总节点74和输出端84。额外地，通过将其开关设置到c位置，邻近贴片62的八个元件和延迟也被耦合到汇总节点74，以及通过将其开关设置到a位置，其他邻近贴片66的八个元件和延迟被耦合到汇总节点74。由此在微射束形成器输出端84处产生32:1射束汇总信号，并且将其耦合到系统射束形成器通道，现在其在探头中以更大贴片尺寸操作。
【主权项】
1.一种超声换能器探头和系统包括: 换能器元件的阵列，其被配置为换能器元件的多个相邻贴片； 微射束形成器，其被耦合到矩阵阵列的所述换能器元件，所述微射束形成器包括: 多个可控制延迟，其被耦合到所述阵列的元件以产生延迟的回波信号； 多个可控制开关，其被耦合以将延迟的回波信号指向给定贴片的汇总节点，或邻近所述给定贴片的贴片的汇总节点；以及 微射束形成器输出端，其从每个汇总节点被耦合；以及 系统射束形成器，其具有多个通道，每个通道被耦合以接收来自微射束形成器输出端的部分射束汇总信号。2.根据权利要求1所述的超声换能器探头和系统，其中，所述换能器元件的阵列和所述微射束形成器位于所述换能器探头中，并且所述系统射束形成器位于所述超声系统中。3.根据权利要求2所述的超声换能器探头和系统，其中，所述微射束形成器还包括微射束形成器控制器，所述微射束形成器控制器控制所述可控制延迟和所述可控制开关。4.根据权利要求2所述的超声换能器探头和系统，其中，所述换能器元件的阵列还包括换能器元件的二维阵列。5.根据权利要求2所述的超声换能器探头和系统，其中，所述换能器元件的阵列还包括换能器元件的一维阵列。6.根据权利要求1所述的超声换能器探头和系统，其中，所述汇总节点还包括微射束形成器输出线。7.根据权利要求1所述的超声换能器探头和系统，其中，所述汇总节点还包括微射束形成器输出总线。8.根据权利要求1所述的超声换能器探头和系统，其中，所述换能器元件的阵列能够操作用于传送在所述给定贴片上集中的射束； 其中，第一多个可控制开关被控制以将来自在所述射束中心的第一侧上的元件的信号指向所述给定贴片的汇总节点； 其中，第二多个可控制开关被控制以将来自在所述射束中心的第二侧上的元件的信号指向相邻贴片的汇总节点；并且 其中，所述系统射束形成器被配置为处理从贴片接收的射束汇总信号以形成多线信号。9.根据权利要求8所述的超声换能器探头和系统，其中，所述系统射束形成器还被配置为操纵接收到的回波信号，以沿着位于传送射束中心的任一侧的多线而被接收。10.根据权利要求1所述的超声换能器探头和系统，其中，每个贴片具有名义上数量的换能器元件； 其中，所述给定贴片的第一多个延迟回波信号被指向所述给定贴片的所述汇总节点；其中，所述给定贴片的第二多个延迟回波信号被耦合到第一相邻贴片的所述汇总节点；以及 其中，所述给定贴片的第三多个延迟回波信号被耦合到第二相邻贴片的所述汇总节点， 其中，所述系统射束形成器被配置为以小于所述名义上数量的换能器元件的贴片尺寸操作。11.根据权利要求10所述的超声换能器探头和系统，其中，所述名义上数量的换能器元件是十六个。12.根据权利要求11所述的超声换能器探头和系统，其中，小于所述名义上数量的所述贴片尺寸是八个换能器元件。13.根据权利要求1所述的超声换能器探头和系统，其中，每个贴片具有名义上数量的换能器元件； 其中，所述给定贴片的多个延迟回波信号被指向所述给定贴片的所述汇总节点； 其中，第一相邻贴片的多个延迟回波信号被耦合到所述给定贴片的所述汇总节点；以及 其中，第二相邻贴片的多个延迟回波信号被耦合到所述给定贴片的所述汇总节点， 其中，所述系统射束形成器被配置为以大于所述名义上数量的换能器元件的贴片尺寸操作。14.根据权利要求13所述的超声换能器探头和系统，其中，所述名义上数量的换能器元件是十六个。15.根据权利要求13所述的超声换能器探头和系统，其中，大于所述名义上数量的所述贴片尺寸是三十二个换能器元件贴片。
【专利摘要】一种阵列换能器探头具有换能器元件，所述换能器元件被布置在换能器元件组的相邻贴片中。探头中的微射束形成器被耦合到阵列的元件以传送超声射束并且将由换能器元件接收到的回波信号进行延迟。在标准配置中，每个贴片的元件被耦合到所述贴片的汇总节点。每个贴片的元件也可以被耦合到一个或多个相邻贴片的汇总节点。对于多线接收，有源孔径的元件中的一些被耦合到一个贴片的汇总节点，并且有源孔径的其他元件被耦合到另一贴片的汇总节点。该耦合将至少两个不同贴片信号提供到系统射束形成器的通道用于多线处理。
【IPC分类】G01S7/52, G01S15/89, G10K11/34
【公开号】CN104903741
【申请号】CN201380063136
【发明人】S·R·弗里曼, B·J·萨沃德
【申请人】皇家飞利浦有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月29日
【公告号】EP2926160A2, US20150297183, WO2014087306A2, WO2014087306A3
【技术领域】
[0001]本发明涉及医学诊断超声系统，并且具体地涉及一种用于多线成像的具有微射束形成器的超声换能器探头。
【背景技术】
[0002]超声阵列换能器可以被配置为单行换能器元件，用于对二维(2D)图像平面进行成像一维(ID)阵列，或用于对三维区域进行成像的换能器元件的二维(2D)阵列。2D阵列包括在方位和海拔两个方向上延伸的元件，其能够被完全独立地操作以在任何方位或海拔方向上聚焦和操纵射束。这些阵列能够被配置在平坦或弯曲取向。本发明提出使用被耦合到阵列元件组的微射束形成器的阵列换能器，其响应于单一传送事件部分地对用于多个接收线的形成的元件组进行射束形成。
[0003]具有大量元件的二维阵列换能器以及ID阵列造成归因于其大量换能器元件的问题。由于在传送和接收中必须单个地控制这些元件中的每个，对于每个元件必须提供单独的信号线。ID阵列可以包括一行100-200个元件，要求100-200个信号线，其能够被容纳相对小且轻的探头缆线，但可以需要与相对少的通道的系统射束形成器一起操作。2D阵列可以具有在一个维度上100-200行元件，以及在其他维度中100-200列的元件，总计几千个单个元件。数千信号线的缆线对于手持式并且必须由超声医师操纵的探头是不实用的。本发明的实施方案通过使用被附接到换能器阵列的微射束形成器集成电路克服了这些问题，所述微射束形成器集成电路执行元件组的部分射束形成，所述元件组被称为贴片。每个贴片的单个延迟和汇总信号通过标准尺寸缆线被传导到超声系统射束形成器，其中，来自每个贴片的汇总信号被应用到系统射束形成器的通道，其完成射束形成操作。比如，在美国专利5，229，933 (Larson，III)、美国专利5，997，479 (Savord等人)、美国专利6, 013, 032 (Savord)和美国专利6，126，602 (Savord等人)中图示了探头中的微射束形成器和系统射束形成器的通道之间的全射束形成操作的该分区，其使能够使用在探头和超声系统射束形成器之间具有相对较少数量的信号线的缆线。
[0004]常常期望响应于单一传送事件来接收多条扫描线，或增加显示的帧速率或增加扫描线的密度。能够以若干方式根据更少数量的传送事件形成多条接收线。如在美国专利5, 318, 033 (Savord)中描述的，一个技术是在实际接收线之间插入合成接收线。在该专利示出的实施方案中，在每对实际接收线之间插入两个合成接收线。不要求对先前接收线进行缓冲的用于多线接收的另一技术，是当接收回波时通过应用回波信号的单独不同延迟从一个传送事件接收回波时，射束形成多条线。不同延迟能够产生在不同方向上操纵的多个不同的射束。如在美国专利4，644，795 (Augustine)中描述的一个技术是传送一个“宽”射束，其声穿透多个扫描线位置。根据沿着多条扫描线接收到的回波形成多个射束。如在美国专利7，537，567 (Jago等人)中描述的另一技术是在不同方向上同时传送多个射束，并且在多个方向上同时形成接收射束。在两种情况下，当接收回波以不同地进行延迟，然后单独地汇总所述回波以同时形成多个接收射束时，通过不同延迟对回波进行延迟。
[0005]具有微射束形成器的超声探头一般被设计具有预定的配置，其与对应的系统射束形成器配置一起操作。具有微射束形成器的商用探头具有许多微射束形成器输出端，所述许多微射束形成器输出端与许多射束形成器通道匹配。例如，64-元件ID阵列探头可以被配置具有八个贴片，八个单个换能器元件中一个，提供来自八个贴片输出端的八个部分射束形成信号，所述八个贴片输出端被耦合到例如8-通道系统射束形成器的八个通道。但是当系统射束形成器正在执行多线射束形成时，问题出现。在这种情况下，不同系统射束形成器通道将不同延迟应用到部分射束形成信号(部分总射束)以形成在不同程度上操纵的多线，例如一个被操纵到传送射束的中心的左边，以及一个被操纵到中心的右边。因为超声射束形成使用关于接收的扩张孔径，其以针对近场中开始接收的小孔径开始，并且当从增加的场深度接收回波时，通过将额外的元件添加到孔径来扩张所述孔径，问题出现。根据传送和接收射束的位置，在接收期间在近场中使用的少数元件能够是相同微射束形成器贴片的元件，其被连接到仅仅系统射束形成器的单一通道。由此，仅仅单一延迟，单一通道的单一延迟，能够被应用到在近场中接收到的回波。随着孔径扩张，添加的元件将最终是被耦合到不同系统射束形成器通道的相邻贴片的元件，使不同延迟能够被应用，并且问题消失。将期望总是用多个微射束形成器贴片的元件接收近场信号，不管射束的位置，使得从回波接收的开端，甚至从近场总是能够形成多线。
【发明内容】
[0006]根据本发明的原理，超声换能器探头利用具有微射束形成器的阵列换能器，所述微射束形成器具有被耦合到系统射束形成器的通道的部分射束汇总贴片输出端。每个贴片的元件具有在传统贴片配置中的标准连接，但是也能够被选择性地切换以被连接到至少一个相邻贴片的汇总节点。这使传统贴片的元件被选择性地耦合到不同贴片，并且因此被选择性地耦合到系统射束形成器的多个单独通道。然后系统射束形成器能够，甚至在近场中，同时形成多条接受多线。
【附图说明】
[0007]在附图中:
[0008]图1以方框图的形式图示了本发明的2D弯曲阵列换能器和微射束形成器探头。
[0009]图2是图示部分射束汇总微射束形成器的理念的方框图。
[0010]图3图示了标准微射束形成器配置的三个贴片。
[0011]图4图示了具有标准贴片配置的微射束形成器的多线射束形成的问题。
[0012]图5A-图5C图示了根据本发明的原理当用扩张孔径接收用于多线形成的回波时，本发明的微射束形成器。
[0013]图6以方框图的形式图示了根据本发明的原理构建的微射束形成器。
[0014]图7图示了当被配置用于与更大数量的通道的系统射束形成器一起操作的本发明的微射束形成器。
[0015]图8图示了当被配置用于与更少数量的通道的系统射束形成器一起操作的本发明的微射束形成器。
【具体实施方式】
[0016]首先参考图1，以方框图的形式示出了根据本发明的原理构建的超声系统。探头10具有二维阵列换能器12，在该范例中，所述二维阵列换能器在海拔维度上是弯曲的，诸如在美国专利7，927，280 (Davidsen)中示出的。阵列的元件被耦合到位于在换能器阵列后面的探头的微射束形成器14。微射束形成器将定时传送脉冲应用到阵列的元件以在期望方向上传送射束，以及应用到在阵列前面的三维图像域中的期望聚焦点。来自传送射束的回波通过阵列元件接收并且被耦合到微射束形成器14的延迟，在那儿将其单个地进行延迟。包括贴片的换能器元件组的延迟信号被组合以形成针对贴片的部分汇总信号。在该实施例中的贴片的元件被一起操作，并且具有其关于参考单个地进行延迟的信号，以及然后通过微射束形成器进行组合以形成来自探头导体的贴片或超声系统射束形成器通道的一个信号。在通常的实施方案中，通过将来自贴片的元件的延迟信号耦合到公用总线或汇总节点进行组合，排除了汇总电路或其他复杂电路的需要。每个贴片的汇总节点被耦合到缆线16的导体，其将部分汇总射束贴片信号传导到系统主机。在系统主机中，贴片信号被数字化，并且被耦合到系统射束形成器22的通道，其恰当地对每个贴片信号进行延迟。然后延迟的贴片信号被组合以形成相干的操纵和聚焦接收射束。通过系统图像处理器24处理来自3D图像 域的射束信号，以产生2D或3D图像，用于在图像显示器30上显示。在控制器26的控制下进行超声系统参数(诸如探头选择)、射束操纵和聚焦以及信号和图像处理的控制，所述控制器26被耦合系统的各个模块。在探头10的情况下，该控制信息中的一些从系统主机经由缆线16的数据线被提供到微射束形成器。用户借助于控制面板20控制这些操作参数中的许多。
[0017]图2图示了部分汇总的微射束形成器的理念。图2的附图被虚线33和35分成三个区域。探头10的部件被示出在线33的左侧，系统主机的部件被示出在线35的右侧，以及缆线16被示出在两条线之间。探头的换能器阵列12的元件被划分成相连换能器元件的贴片。在附图中示出阵列12的贴片中的五个，每个包括九个相邻元件。在附图中示出贴片12a、12c和12e的微射束形成器通道。贴片12a的九个元件被耦合到在DLl处指示的微射束形成器的九条延迟线。类似地，贴片12c和12e的九个元件被耦合到在DL2和DL3处指示的延迟线。通过这些延迟线传递的延迟是众多变量(诸如，阵列的尺寸、元件间距、贴片的间隔和维度、射束操纵和聚焦的范围等)的函数。延迟线组DL1、DL2和DL3的每个将来自其相应贴片的元件的信号延迟到公共时间或贴片的相位参考。然后通过相应汇总器Σ将来自每个延迟线组的九个延迟信号进行组合以形成来自元件贴片的阵列的部分汇总信号。每个部分汇总信号被放到单独的总线15a、15b和15c上，其中的每个被耦合到缆线16的导体，所述导体将部分汇总信号传导到系统主机。在系统主机中，每个部分汇总信号被应用到系统射束形成器22的通道的延迟线22a、22b、22c。这些延迟线将部分汇总信号操纵并且聚焦成在系统射束形成器汇总器22s的输出端的公共射束。然后完全形成的射束被转发到系统图像处理器用于进一步信号处理和显示。尽管图2的范例被示出具有9个元件贴片，将认识到，构建的微射束形成器系统常常将具有更大数量的元件(诸如16、32、48或70个元件或更多)的贴片。贴片的元件能够彼此相邻、空间分开或甚至以棋盘样式混合，其中“奇数”编号的元件被组合在一个贴片中，以及“偶数”编号的元件被组合在另一贴片中。贴片能够是正方形、矩形、菱形、六边形或任何其他期望的形状。
[0018]图3是标准配置的探头阵列换能器和微射束形成器的简化图示。线52、54、56和58指示在微射束形成器的三个贴片之间的边界。暗区域62、64和66表示每个贴片的元件和延迟线。在该范例中，每个贴片含有十六个元件和延迟线。每个贴片的元件和延迟线被耦合到汇总节点，三个贴片被指示为72、74和76。汇总节点组合贴片的元件和延迟线的十六个信号，并且产生一个射束汇总输出信号，其被耦合到系统射束形成器的通道，如由输出箭头82、84和86指示的。
[0019]用该描述，图4图示了当试图用标准配置的微射束形成器产生多线接收信号时遇到的问题。在图4中，阴影三角形63、65、67描绘三个贴片的十六个元件和延迟线，每个贴片的元件和延迟线被耦合到公共汇总输出。向上指向的宽箭头2、2’和2”指示在不同时间并且从沿着阵列的不同点传送的三个传送射束，以扫描在阵列前面的图像域。在该范例中，每个传送射束声穿透位于传送射束的中心的任一侧的两个多线位置4(4’、4”)和6(6’、6”)。然后响应于每个传送射束，接收两条多线，其被称为2x多线。也可以采用更高阶多线，诸如4x、8x或16x多线。在传送射束2被传送之后，在近场中开始接收回波，并且回波被不同地延迟并且在系统射束形成器中汇总，使得接收多线被操纵以沿着两条多线位置接收。
[0020]能够看到，传送射束2”位于贴片65的中心。当通过围绕该贴片位置的元件接收回波以被形成接收多线4”和6”时，能够看到，通过相同贴片65的元件至少在近场接收它们。由此，在近场中接收到的信号将被延迟并且在贴片的输出端84被组合成一个射束汇总信号，以及被耦合到系统射束形成器的单一通道，所述系统射束形成器将其延迟应用到所述信号。类似地，在传送射束2’的任一侧的两个多线位置4’和6’将具有仅通过贴片65的元件接收的其近场回波。该问题在传送射束2的实例中不发生，其被集中在贴片63和65之间的边界。来自在传送射束的中心的任一侧上的多线位置4和6的近场回波将通过贴片63和65的元件被接收，并且被耦合到两个系统射束形成器通道，其中，不同延迟能够被应用到单独的射束汇总信号。对于该具体传送射束和其多线，因为不同多线的射束操纵能够在近场中开始，不将具有近场伪影。
[0021]图5A-5D图示了根据本发明如何能够克服该近场多线射束操纵问题。在图5A中，射束2’已经被传送，其被集中在贴片64。在传送射束的中心的任一侧将要接收两个多线4’和6’。在近场中，通过贴片64的仅仅四个元件和延迟初始地执行近场回波接收，两个到传送射束中心的左边，以及两个到传送射束中心的右边。到射束中心的右边的两个元件以其标准配置被耦合到贴片64的汇总节点。而到射束中心的左边的两个元件被耦合到贴片64的左边的贴片62的汇总节点72。在总射束输出端84处产生被耦合到汇总节点74的两个接收和延迟信号的汇总，并且在总射束输出端82处产生被耦合到汇总节点72的两个接收和延迟信号的汇总。由于这两个输出端被耦合到系统射束形成器的不同通道，通过系统射束形成器能够对它们进行不同地延迟以产生不同的多线，使接收到的回波信号能够被转变到传送射束的中心的任一侧。为了将来自到传送射束中心的左边的元件的接收和延迟信号连接到相邻贴片62的汇总节点72，两个位置开关能够被用于每个信号路径。当开关被设置在其名义上位置时，在正常配置中来自元件的信号被耦合到贴片64的汇总节点74。当开关被设置在其第二位置时，信号被耦合到相邻贴片62的汇总节点72。
[0022]如前所述，当从更大深度接收回波时，射束形成器系统的接收孔径被扩张。在该范例中，当从更大深度接收回波时，通过将额外的元件添加在原始四个元件的任一侧，孔径被进一步扩张。图5B图示了到传送射束中心的右边的三个元件被耦合到汇总节点74或贴片64，以及到传送射束中心的左边的三个元件被耦合到贴片62的汇总节点72。两个射束汇总被耦合到来自输出端82和84的系统射束形成器的两个通道。如图5C和所示，该孔径扩张以更大的深度继续添加传送射束中心的任一侧的一个和然后另一元件。如在该范例的开始，到射束中心的左边的元件和延迟所有被耦合到相邻节点72的汇总节点72和射束汇总输出端82，并且到射束中心的右边的元件和延迟所有被耦合到微射束形成器的贴片64的汇总节点74和射束汇总输出端84。由此系统射束形成器能够沿着射束中心的恰当侧面继续操纵每个多线，甚至在回波接收的最浅深度。
[0023]在图6中以方框图的形式图示了能够对接收到的回波信号进行分区的本发明的实施方案。阵列换能器12的元件被示出，其被耦合到超声探头的微射束形成器14的延迟DLo如由延迟控制线44指示的，微射束形成器控制器40通过延迟控制部分控制应用延迟的大小。微射束形成器经由一个或多个线42接收来自主系统的控制信号。开关矩阵32包括每个被耦合以接收来自相应延迟DL的信号的开关。尽管开关能够被形成为机械开关，在构建的实施例中，它们以半导体的形式被制造为模拟闸阀。在该优选实施方案中，每个开关的臂具有三个可能设置、位置a、b和C。位置b是名义上、一直向前的位置，其将元件和延迟耦合到其通常汇总节点。在先前范例中，这意味着，当开关被设置在该位置时，贴片64的元件和延迟被耦合到汇总节点74和输出端84。设置到a位置的开关将其元件和延迟耦合到在一直向前贴片的一侧的贴片，以及设置到c位置的开关将其元件和延迟耦合到在另一侧的贴片。比如 ，当贴片64的开关被设置到位置a，开关的信号被耦合到左边的贴片62的汇总节点72，以及当开关被设置到位置C，其信号被耦合到右边的贴片66的汇总节点76。在图6的实施方案中，将开关矩阵顶部示出的所有开关设置到b位置将其延迟DL耦合到微射束形成器的输出线34b，其经由缆线16的线被耦合到系统微射束形成器的一个通道。当所有这些开关被耦合到输出线34b时，所有其信号将被组合成在该线上的一个射束汇总信号。类似地，当在顶部的开关被设置在位置a时，其信号将被组合在输出线34a上并且经由缆线被耦合到系统射束形成器的另一通道，以及当开关被设置在c位置时，其信号将被组合在输出线34c上并且经由缆线被耦合到系统射束形成器的第三通道。如将由下面描述的范例图示的，在开关矩阵32中的三个位置的开关的使用，其提供将信号指向两个相邻贴片中的任一个的能力，提供部分射束汇总形成的更大的弹性。将认识到，只要贴片在两侧具有其他贴片，该控制设置是可能的，所述控制设置通过贴片开关使能够控制来自微射束形成器控制器在线46上的信号。在阵列的端部，贴片将没有贴片超过贴片的端部，并且不能够完全执行该控制。除了该边界条件外，该控制胜过阵列和其贴片的长度的剩余。
[0024]将来自贴片的元件的信号不仅耦合到其自己的贴片而且到在两侧的邻近贴片的能力能够实现重新配置不同系统射束形成器配置的贴片尺寸的能力。在先前范例中，能够看出，每个贴片名义上由十六个元件组成，并且由此微射束形成器产生来自名义上贴片尺寸的16:1射束汇总。比如，如图7所示，如果探头与两倍数量通道的系统射束形成器一起操作，通过转变到8:1射束汇总能够充分利用增加数量的通道。在该范例中，能够看到，中间贴片64的元件和延迟中的八个被耦合到贴片的汇总节点74和输出端84。贴片的元件和延迟中的四个被耦合到左边的贴片62的汇总节点72和其输出端82，连同贴片62的四个元件和延迟一起。类似地，贴片64的元件和延迟中的另四个被耦合到右边的贴片66的汇总节点76和其输出端86，连同贴片66的四个元件和延迟一起。能够看到，来自阵列元件的信号的该切换产生8:1汇总信号以及探头的孔径的重新定义。
[0025]图8的布置适应减少数量的系统射束形成器通道的情况。在该范例中，如在第一范例中仅仅半数通道的系统射束形成器是可利用的。如该范例所示，然后通过设置开关以耦合信号能够使通过系统射束形成器通道处理的信号的数量加倍。贴片64的所有元件和延迟被设置到其名义上b位置，将所有其信号耦合到贴片的汇总节点74和输出端84。额外地，通过将其开关设置到c位置，邻近贴片62的八个元件和延迟也被耦合到汇总节点74，以及通过将其开关设置到a位置，其他邻近贴片66的八个元件和延迟被耦合到汇总节点74。由此在微射束形成器输出端84处产生32:1射束汇总信号，并且将其耦合到系统射束形成器通道，现在其在探头中以更大贴片尺寸操作。
【主权项】
1.一种超声换能器探头和系统包括: 换能器元件的阵列，其被配置为换能器元件的多个相邻贴片； 微射束形成器，其被耦合到矩阵阵列的所述换能器元件，所述微射束形成器包括: 多个可控制延迟，其被耦合到所述阵列的元件以产生延迟的回波信号； 多个可控制开关，其被耦合以将延迟的回波信号指向给定贴片的汇总节点，或邻近所述给定贴片的贴片的汇总节点；以及 微射束形成器输出端，其从每个汇总节点被耦合；以及 系统射束形成器，其具有多个通道，每个通道被耦合以接收来自微射束形成器输出端的部分射束汇总信号。2.根据权利要求1所述的超声换能器探头和系统，其中，所述换能器元件的阵列和所述微射束形成器位于所述换能器探头中，并且所述系统射束形成器位于所述超声系统中。3.根据权利要求2所述的超声换能器探头和系统，其中，所述微射束形成器还包括微射束形成器控制器，所述微射束形成器控制器控制所述可控制延迟和所述可控制开关。4.根据权利要求2所述的超声换能器探头和系统，其中，所述换能器元件的阵列还包括换能器元件的二维阵列。5.根据权利要求2所述的超声换能器探头和系统，其中，所述换能器元件的阵列还包括换能器元件的一维阵列。6.根据权利要求1所述的超声换能器探头和系统，其中，所述汇总节点还包括微射束形成器输出线。7.根据权利要求1所述的超声换能器探头和系统，其中，所述汇总节点还包括微射束形成器输出总线。8.根据权利要求1所述的超声换能器探头和系统，其中，所述换能器元件的阵列能够操作用于传送在所述给定贴片上集中的射束； 其中，第一多个可控制开关被控制以将来自在所述射束中心的第一侧上的元件的信号指向所述给定贴片的汇总节点； 其中，第二多个可控制开关被控制以将来自在所述射束中心的第二侧上的元件的信号指向相邻贴片的汇总节点；并且 其中，所述系统射束形成器被配置为处理从贴片接收的射束汇总信号以形成多线信号。9.根据权利要求8所述的超声换能器探头和系统，其中，所述系统射束形成器还被配置为操纵接收到的回波信号，以沿着位于传送射束中心的任一侧的多线而被接收。10.根据权利要求1所述的超声换能器探头和系统，其中，每个贴片具有名义上数量的换能器元件； 其中，所述给定贴片的第一多个延迟回波信号被指向所述给定贴片的所述汇总节点；其中，所述给定贴片的第二多个延迟回波信号被耦合到第一相邻贴片的所述汇总节点；以及 其中，所述给定贴片的第三多个延迟回波信号被耦合到第二相邻贴片的所述汇总节点， 其中，所述系统射束形成器被配置为以小于所述名义上数量的换能器元件的贴片尺寸操作。11.根据权利要求10所述的超声换能器探头和系统，其中，所述名义上数量的换能器元件是十六个。12.根据权利要求11所述的超声换能器探头和系统，其中，小于所述名义上数量的所述贴片尺寸是八个换能器元件。13.根据权利要求1所述的超声换能器探头和系统，其中，每个贴片具有名义上数量的换能器元件； 其中，所述给定贴片的多个延迟回波信号被指向所述给定贴片的所述汇总节点； 其中，第一相邻贴片的多个延迟回波信号被耦合到所述给定贴片的所述汇总节点；以及 其中，第二相邻贴片的多个延迟回波信号被耦合到所述给定贴片的所述汇总节点， 其中，所述系统射束形成器被配置为以大于所述名义上数量的换能器元件的贴片尺寸操作。14.根据权利要求13所述的超声换能器探头和系统，其中，所述名义上数量的换能器元件是十六个。15.根据权利要求13所述的超声换能器探头和系统，其中，大于所述名义上数量的所述贴片尺寸是三十二个换能器元件贴片。
【专利摘要】一种阵列换能器探头具有换能器元件，所述换能器元件被布置在换能器元件组的相邻贴片中。探头中的微射束形成器被耦合到阵列的元件以传送超声射束并且将由换能器元件接收到的回波信号进行延迟。在标准配置中，每个贴片的元件被耦合到所述贴片的汇总节点。每个贴片的元件也可以被耦合到一个或多个相邻贴片的汇总节点。对于多线接收，有源孔径的元件中的一些被耦合到一个贴片的汇总节点，并且有源孔径的其他元件被耦合到另一贴片的汇总节点。该耦合将至少两个不同贴片信号提供到系统射束形成器的通道用于多线处理。
【IPC分类】G01S7/52, G01S15/89, G10K11/34
【公开号】CN104903741
【申请号】CN201380063136
【发明人】S·R·弗里曼, B·J·萨沃德
【申请人】皇家飞利浦有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2013年11月29日
【公告号】EP2926160A2, US20150297183, WO2014087306A2, WO2014087306A3
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