具有稀疏阵列探测器的超声成像制造技术

换能器元件的稀疏阵列可有益于提供具有宽总孔径并且包含可管理数量的换能器元件的超声换能器探头。利用基于点源脉冲(ping)的多孔径超声成像技术可以有效地利用由体压电材料或微元件阵列制造的稀疏阵列，以执行实时体积成像。

Ultrasound imaging with sparse array detectors

A sparse array of transducer elements can be beneficial to providing an ultrasonic transducer probe with a wide total aperture and a manageable number of transducer elements. Point source pulse (ping) based multi-aperture ultrasound imaging technology can effectively utilize sparse arrays made of bulk piezoelectric materials or micro-element arrays to perform real-time volume imaging.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有稀疏阵列探测器的超声成像相关申请的交叉引用本申请要求2016年1月27日申请的、申请号为62/287,694、专利技术名称为“UltrasoundImagingUsingApparentPoint-SourceTransmitTransducer”的美国临时专利申请，以及2016年3月18日申请的、申请号为62/310,482、专利技术名称为“Real-TimeThree-DimensionalUltrasoundImaging”的美国临时专利申请的权利，两者均以其整体内容通过引用并入本文。援引加入本说明书中提到的所有出版物和专利申请都通过引用整体并入本文，如同每个单独的出版物或专利申请都被明确地和单独地指出通过引用并入一样。
本申请总体上涉及超声成像领域，尤其涉及使用超声换能器元件的稀疏阵列的基于点源脉冲(ping-based)的超声成像。
技术介绍
在传统的基于扫描线的超声成像中，将聚焦的超声能量束发射到待检查的身体组织中，检测并且绘制沿相同线返回的回声以沿扫描线形成图像的一部分。可以通过重复这个过程并沿扫描平面内的一系列扫描线组合图像部分而形成完整的图像。必须通过插值估算连续扫描线之间的任何信息。通过组合来自多个相邻切片的图像(其中每个切片处于不同的扫描平面中)，扩展相同的过程以获得三维体积的超声图像。同样，必须通过插值估算来自连续扫描平面之间任何空间的任何信息。因为在捕获完整的2D(二维)切片之间经过了时间，所以获得移动物体的3D(三维)图像数据可能显著受损。所谓的“4D”(四维)成像系统(其中第四维度为时间)努力产生3D体积空间的运动图像(即视频)。基于扫描线的成像系统还具有固有的帧速率限制，其在试图对移动物体进行4D成像时产生困难。由于这些和其他因素，现有的2D和3D超声成像系统和方法的一些局限性包括较差的时间和空间分辨率、成像深度、斑点噪声、较差的横向分辨率、模糊的组织与其他这类的问题。伴随多孔径成像的产生，已经在超声成像领域中进行了显著的改进，其示例在上述引用的申请人的在先专利和申请中示出和描述。多孔径成像方法和系统允许从物理地与逻辑地分离的孔发射并接收超声波信号。
技术实现思路
本文的系统和方法的各种实施例提供了以足以捕获移动物体细节的帧速率执行高分辨率三维超声成像的能力。由于需要发射和接收许多扫描线以获得单个二维平面，因此将传统的基于扫描线的超声成像方法限制在相对慢的帧速率。由于需要对许多2D切片进行成像，因此扩展这种技术以从完整的3D体积获得成像数据将导致甚至更慢的帧速率。作为一个示例，假设需要从深度范围为5cm至15cm处的边长为10cm的组织立方体收集数据。如果从公共中心发射扫描线，则将要探究的形状将是截棱锥，而不是在近端区域和远端区域具有相当厚度的形状。可以以在立方体的远端面上间隔2mm(或更小)的光束对组织进行采样。为了覆盖远端表面，需要至少50×50个定向光束或2500个定向脉冲。在大约2500脉冲/秒的最大脉冲速率的情况下(可能受到组织中声音的速度，预期的信号衰减和背景噪声水平的限制)，可以在大约一秒钟内收集所有所需的数据。这种收集时间可能对非移动组织，例如骨骼、肝脏等是足够的，但不够快速足以捕捉动脉或例如肾脏尤其是心脏的器官，或移动的关节或肌肉中的运动。另一方面，利用基于点源脉冲的成像，在三维中基本均匀地传播的单个点源脉冲(ping)可以声穿透整个体积，并且动态波束成型(聚焦)可以识别回声返回的源。使用基于点源脉冲的成像技术，可能需要最少三个点源脉冲中来获得3D体积的数据，同时可能需要最少两个点源脉冲中来获得2D切片的数据。实际上，可以使用十到五十(或更多)个点源脉冲而实现预期的图像质量。例如，以每秒2500个点源脉冲的速率使用25个点源脉冲可能仅需要0.01秒，以获取整个10cm立方体组织的所有数据。对于该特定的示例，数据收集可能比基于扫描线的方法快100倍。使用基于点源脉冲的超声成像技术，可以显著增加2D和3D帧速率，以允许实时地成像3D体积。而且，通过应用多孔径成像技术(例如，通过多个空间地或物理地分离的声学窗口发射和接收超声波信号)，相较于单孔径技术，可以显著改善这种实时3D图像的分辨率。基于点源脉冲的多孔径超声成像可以提供如上所述的非常强大的实时三维成像能力。可以通过使用具有总体尺寸远大于传统超声探头的换能器探头实现基于点源脉冲的多孔径超声成像的优点。例如，基于点源脉冲的多孔径超声成像可以有利地与具有超过100cm2的有效成像表面的探头一起使用。传统上，探头中的超声元件尽可能靠近地隔开，通常地显著小于(并且通常不超过)所使用的超声频率的波长的一半。然而，在如此大的探头中使用传统的元件间的间距需要电缆太厚以至于电缆不可使用。尽管可以使用一些技巧以减少电缆中所需的单个导体的数量，但是更好的解决方案是增加元件之间允许的间距，从而减少阵列中元件的总数。具有传统基于扫描线的成像方法的稀疏阵列的使用承受实质性的复杂化、假象和低分辨率，因此通常不实用。基于对稀疏阵列基于扫描线的相控阵技术的使用的研究，可以期望具有基于点源脉冲的多孔径超声成像技术的稀疏阵列的使用承受相似的困难，但事实并非如此。事实上，稀疏阵列可以非常有效地用于如本文所描述的基于点源脉冲的多孔径超声成像技术。在一些实施例中，换能器元件的稀疏阵列可有益于提供具有宽总孔径并且包含可管理数量的换能器元件的超声探头。以下公开内容提供了超声探头结构的各种实施例，制造这种探头的方法，以及使用这种探头以执行高帧速率、高分辨率、实时2D、3D和4D超声成像的方法。提供一种超声换能器探头，包括超声换能微元件阵列，其中每个微元件均具有小于500微米的直径，第一组微元件电连接至第一信号导体，第二组微元件电连接至第二信号导体，第二信号导体与第一信号导体电分离，第三组微元件位于第一组和第二组之间，第三组微元件与任何信号导体永久断开。在一些实施方案中，每个微元件均具有在25微米至200微米之间的直径。在其他实施例中，第一组的一些微元件的尺寸与第一组的其他微元件的尺寸不同，其中微元件的尺寸对应于其基本工作频率。在一个实施例中，第一组的微元件连接至第一接地导体，第二组的微元件连接至第二接地导体，第二接地导体不电连接至第一接地导体。在另一个实施例中，第一组微元件包括比第二组更多的微元件。在一些实施例中，第一组微元件共同地形成专用发射元件，并且第二组微元件共同地形成专用接收元件。在一个实施例中，探头包括通过开关电连接至第一信号导体的第四组微元件，当开闭合合时，使得第四组与第一组形成组合元件。在一些实施例中，第四组的微元件共同地围绕第一组的微元件。在另一个实施例中，第四组微元件与第一组微元件相邻。在一个实施例中，第四组微元件与第一组微元件邻接。在一些实施例中，组合元件具有与单独的第一组不同的形状。在其他实施例中，组合元件具有与第一组的形状相同但尺寸不同的形状。还提供一种超声成像系统，包括换能器探头，其具有第一阵列段和通过开放空间的间隙与第一阵列段分开的第二阵列段，固定至至少一个结构外壳元件的第一与第二阵列段将第一和第二阵列相对于彼此刚性地保持在固定位置，以及成像控制系统，其包含指令以：将未聚焦的超声点源脉冲从接近点源的发射孔发射入待成像物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声换能器探头，包括：超声换能微元件阵列，其中每个微元件具有小于500微米的直径；第一组微元件，其电连接至第一信号导体；第二组微元件，其电连接至第二信号导体，所述第二信号导体与所述第一信号导体电分离；第三组微元件，其位于所述第一组微元件和所述第二组微元件之间，所述第三组微元件永久地与任意信号导体断开。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.01.27 US 62/287,694;2016.03.18 US 62/310,4821.一种超声换能器探头，包括：超声换能微元件阵列，其中每个微元件具有小于500微米的直径；第一组微元件，其电连接至第一信号导体；第二组微元件，其电连接至第二信号导体，所述第二信号导体与所述第一信号导体电分离；第三组微元件，其位于所述第一组微元件和所述第二组微元件之间，所述第三组微元件永久地与任意信号导体断开。2.根据权利要求1所述的换能器探头，其中，每个微元件具有介于25微米到200微米之间的直径。3.根据权利要求1所述的换能器探头，其中，所述第一组微元件的一些微元件的尺寸与所述第一组微元件的其他微元件的尺寸不同，其中，微元件的尺寸对应于其基本工作频率。4.根据权利要求1所述的换能器探头，其中，所述第一组微元件的微元件连接至第一接地导体，并且所述第二组微元件的微元件连接至第二接地导体，所述第二接地导体不电连接至所述第一接地导体。5.根据权利要求1所述的换能器探头，其中，所述第一组微元件包括比所述第二组微元件多的微元件。6.根据权利要求1所述的换能器探头，其中，所述第一组微元件共同地形成专用发射元件，并且所述第二组微元件共同地形成专用接收元件。7.根据权利要求1所述的换能器探头，进一步包括通过开关电连接至所述第一信号导体的第四组微元件，当所述开闭合合时，使得所述第四组微元件与所述第一组微元件形成组合元件。8.根据权利要求7所述的换能器探头，其中，所述第四组微元件的微元件共同地围绕所述第一组微元件的微元件。9.根据权利要求7所述的换能器探头，其中，所述第四组微元件邻近所述第一组微元件。10.根据权利要求9所述的换能器探头，其中，所述第四组微元件与所述第一组微元件邻接。11.根据权利要求7所述的换能器探头，其中，所述组合元件具有与单独的所述第一组微元件不同的形状。12.根据权利要求7所述的换能器探头，其中，所述组合元件具有与所述第一组微元件的形状相同的形状，但与所述第一组微元件的尺寸不同。13.一种超声成像系统，包括：换能器探头，其具有第一阵列段和第二阵列段，所述第一阵列段和所述第二阵列段通过开放空间的间隙分隔开，所述第一阵列段和第二阵列段固定至至少一个结构壳体元件，所述结构壳体元件将所述第一阵列和第二阵列相对于彼此刚性地保持在固定位置；以及成像控制系统，其包含指令以：将未聚焦的超声点源脉冲从接近点源的发射孔发射至待成像的物体中，利用所述第一阵列段和所述第二阵列段两者上的接收换能器元件接收来自直接位于间隙下方的反射器的点源脉冲的回声，通过组合来自由两个阵列段上的接收元件接收的回声的回声数据而产生间隙下方区域的体积图像。14.根据权利要求13所述的系统，其中，每个阵列段包括微元件阵列。15.一种超声成像探头，包括：超声换能器元件的稀疏阵列，其中少于50％的潜在元件位置由有源换能器元件占据，所述稀疏阵列具有指定为发射元件的多个第一元件和指定为接收元件的多个第二元件，并且其中，不超过N个接收元件与任意一个发送元件等距，其中，N是1到100之间的整数。16.根据权利要求15所述的探头，其中，N是1、2、3、4或5。17.根据权利要求15所述的探头，其中，相邻元件之间的间距为伪随机距离。18.根据权利要求15所述的探头，其中，相邻元件之间的间距为基于非重复数字序列的非重复距离。19.根据权利要求15所述的探头，其中，所述发射元件和所述接收元件由体压电材料制成。20.根据权利要求15所述的探头，其中，每个发射元件和每个接收元件由多个微元件构成。21.根据权利要求20所述的探头，其中，至少一个发射元件或至少一个接收元件由微元件的两个子组构成。22.根据权利要求20所述的探头，其中，至少一个发射元件或至少一个接收元件包括以第一频率操作的多个第一微元件和以不同于所述第一频率的第二频率操作的多个第二微元件。23.根据权利要求15所述的探头，其中，所述指定的发射元件的至少两个配置成发射与所述发射元件的其余部分不同的超声频率。24.根据权利要求15所述的探头，其中，相邻元件之间的间距是不规则的。25.一种超声成像探头，包括:超声换能器元件的稀疏阵列，其中，相邻的换能器元件的间隔距离大于最大波长的一半，所述阵列的任意元件被配置为以所述最大波长进行操作，所述稀疏阵列具有指定为发射元件的多个第一元件和指定为接收元件的多个第二元件。26.根据权利要求25所述的探头，其中，相邻元件之间的间距为伪随机距离。27.根据权利要求25所述的探头，其中，相邻元件之间的间距是基于非重复数序列的非重复距离。28.根据权利要求25所述的探头，其中，所述发射元件和所述接收元件由体压电材料制成。29.根据权利要求25所述的探头，其中，每个发射元件和每个接收元件由多个微元件构成。30.根据权利要求29所述的探头，其中，至少一个发射元件或至少一个接收元件由微元件的两个子组构成。31.根据权利要求29所述的探头，其中，至少一个发射元件或至少一个接收元件包括以第一频率操作的多个第一微元件和以不同于第一频率的第二频率操作的多个第二微元件。32.根据权利要求25所述的探头，其中，所述指定的发射元件的至少两个配置成发射与所述发射元件的其余部分不同的超声频率。33.根据权利要求25所述的探头，其中，相邻元件之间的间距是不规则的。34.一种超声成像方法，包括：在第一时间从接近点源的发射孔发射第一超声点源脉冲；在所述第一时间和第二时间之间利用第一换能器元件接收所述第一超声点源脉冲的回声，所述第一换能器元件通过第一信号导体联接至第一接收通道；在所述第二时间闭合开关以将第二换能器元件连接至所述第一信号导体，所述第二换能器元件围绕所述第一换能器元件；在所述第二时间和第三时间之间利用所述第一换能器元件和所述第二换能器元件接收所述第一超声点源脉冲的回声；并且从在所述第一时间和所述第三时间之间接收的所述回声产生图像，并显示所述图像。35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一换能器元件具有圆形形状，并且所述第二换能器元件具有与所述第一换能器元件同心的环形形状。36.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一换能器元件包括电连接至所述第一信号导体的第一组微元件。37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述第二换能器元件包括能够经由所述开关电连接至...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·F·施佩希特，H·A·戴维斯，J·R·考尔，S·亚当，D·史密斯，E·戈科博亚，
申请(专利权)人：毛伊图像公司，
类型：发明
国别省市：美国,US