超声成像系统和方法技术方案

一种超声成像系统，具有超声换能器的阵列，其包括换能器的子阵列的集合。每个换能器(100)具有模拟缓存器(106)。换能器的每个子阵列具有从超声换能器的阵列之内到超声换能器的阵列外部的信号路径(102、104)，其包括在缓存器(106)之间的一个或多个跳变。为了减少从超声换能器的阵列内部到外围的信号线长度，提供了在缓存器(106)之间的至少一些多个跳变。每个缓存器跳变引入延迟，但是防止信号劣化，从而能够跨换能器阵列的大面积ASIC来传输大量模拟信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超声成像系统和方法
本专利技术涉及超声成像系统，并且特别具有超声传感器的大面积阵列。
技术介绍
基于对专科超声医师的减少的需求，提出了大面积超声作为一种方法以实现可再现、快速、高质量的图像化和易用性。这样的系统还可以被设计成自动查找最佳操作条件。所述系统是大面积的，从而其能够覆盖身体的大面积，因此能够从待搜索的最佳角度来查看并且以可重复的自动方式来使用。超声探头通常被实施为被耦合到CMOSASIC的超声换能器。超声换能器也能够被实施为CMOS工艺的部分，如电容微机械超声换能器(CMUT)设备的情况。大面积超声探头能够由单个大块硅构成，或者能够由探头的多个个体瓦块构成。图1示出了ASIC形式的大面积超声系统，其具有例如800×800个换能器的阵列，每个阵列的尺寸为250μm×250μm，给出20cm×20cm的ASIC。阵列的动态孔径(即，在任何给定时间点同时读出的换能器集合)是较小的阵列，例如换能器的50×50子阵列1。为了读出该元件集合，提供了2500个模数转换器(ADC)，被示为换能器阵列外部(外围)的区域2。还有被示为区域4的100个低电压差分信号发射器。如在图2中所示的，替代在公共硅衬底上的探头阵列，可以提供单独探头的阵列。如在平面图中所示的，存在由间隙8间隔开的个体探头6。如在两个侧视图中所示的，这使得能够引入弯曲以适合人类身体。这种类型系统的问题是如何以足够的速度从大面积ASIC系统获取数据，所述大面积ASIC系统比当前的商用系统大得多，以实现快速超声成像。即使大面积系统具有更多的个体探头，但是在任何给定时间仅有一小部分探头将被开启。如上文所提到的，大约50×50个元件的超声孔径可能是合适的，即使整个系统可能具有256倍多的元件，即，在以上范例中为800×800。当ASIC非常大时，成像时间也变大，例如对于乳房筛查和监测而言太大。在当前的系统中，每个乳房的扫描时间通常为30分钟。因此，期望更快的成像。同样地，特定的成像模式具有更高速度的要求，例如，弹性成像和向量流成像。因此，为了提供乳房成像中的快速检查的能力，需要将成像速度提高两个数量级。诸如向量流和弹性成像的成像模式需要甚至更高的速度改进，例如，高于1000Hz的操作。这些期望的速度增加对于传输来自超声探头阵列的信号造成特定问题。能够进行关于成像的一些非常基本的假设，诸如0.5mm的超声波长，1.25cm的孔径，具有约1度的角度分辨率。在这种情况下，覆盖+/-30度的成像流程相当于60次扫描。假设需要10cm深度，声速为1500m/s，则发送-接收时间为134μs，因此大约为200μs。对于3D成像，需要在两个正交角度下进行扫描，因此所需的扫描时间变为60×60×0.0002＝0.72秒。如果大面积系统具有800×800个元件，并且孔径为50×50换能器，如在以上范例中，那么在50个元件在x方向和y方向的步骤中跨整个系统的扫描给出16×16＝256个步骤。因此，整体成像时间变为3.1分钟。如果不要求3D成像，则可以跨2D阵列来扫描1D系统。采用与以上相同的参数，20cm×20cm大面积阵列以及250μm的元件间距，则800次1D扫描在一个方向(x轴)上需要60*800*0.0002＝9.6秒。为了覆盖y轴方向，这需要重复若干次，例如，20cm/1.25cm＝16，因此，总时间为9.6×16＝153.6秒，即2.6分钟。其他成像模式可以使该时间更长。鉴于这些时间远大于呼吸或运动时间，即使在待成像的器官相对静止时，也可能存在成像伪影。如果考虑心脏或血流成像(3D向量流)，则情况更加严重。因此，需要在大面积环境中进行超快成像。超快成像能够使用平面或发散波发射并且使用相干复合来构造例如20次发射的图像。如果能够一次接收图像中的所有点，则上述60×60×0.0002＝0.72秒的时间段能够被缩短为20×0.0002＝4ms。然后，整个成像时间变为1.6秒。因此，呼吸运动将更容易适应。在例如心脏的快速移动的器官的情况下，可能仅在少量位置中需要所述孔径以减少总体时间。一种标准ASIC方法是对片块中的许多元件执行模拟微波束形成，以减少模拟输出的数量。例如，模拟波束形成可以被应用于上文所讨论的50×50孔径内的片块。每个片块能够是相当大数量的元件，例如8×9＝72。例如，较小的完整ASIC可以具有9216个元件。标准超声系统常常限于128个模拟输出，因此其通过将元件分组为72个元件大小(72*128＝9216)的矩形片块而在ASIC上执行模拟波束形成。当然，这些数字仅仅是范例。然后，在具有128个ADC的超声系统中在芯片外执行数字波束形成。通过以这种方式将输出信道的数量减少到128，能够从探头ASIC以模拟方式读取频率高达40Mhz的模拟信号。然而，如果需要超快成像，则在大的片块上使用平面波相干复合、微波束形成变得容易出错并且图像质量受损。这在角度更大的近场中变得特别尖锐。因此，特别是在大的片块尺寸下，微波束形成不太有用。可以优选具有诸如2×2(对于50×50孔径为625信道)或3×3(对于50×50孔径为278信道)的小片块尺寸的微波束形成。在图1中，ADC块2被示为在与换能器阵列相同的ASIC上。然而，情况并非必须如此。主要问题是如果ADC块2位于ASIC上，则将大量信号从超声孔径传送到ADC块2；或者如果ADC块在ASIC外部，则传送到模拟线路驱动器以将数据传输出ASIC。在这样的大ASIC中，线路负载将非常大。通过范例的方式，使用网纹缝合的典型0.18μmCMOS技术可以具有用于金属跟踪的线宽，其将非常大，例如1μm，线间距为2μm。假设需要读出所有2500个元件，则2×50条差分线将占用200μm的空间。如果个体元件尺寸为250μm，那么利用具有高金属堆栈的CMOS工艺，这应当没有问题。如果需要在一列元素的空间中读出50个数据元素，这意指能够在50个元素的宽度内读出2500个数据元素。因此，无论孔径在ASIC内的哪个位置，都能够以简单的方式将数据跟踪到ASIC的边缘。考虑到线路负荷，针对0.18μmCMOS6金属工艺的一些典型值是(其中金属1最接近基板)：范例金属宽度和电阻-金属1至40.1Ohms/Sq-金属50.05Ohms/Sq-金属60.01Ohms/Sq范例寄生电容-金属对金属100aF/μm-金属对下部金属50aF/μm2具有以上金属5的特性的金属能适用于大面积场景。供应将需要顶部金属，并且将非常宽，例如最小宽度为3μm。也可以使用金属1至4，但是电阻相当高。计算跨20cmASIC的导线跟踪的寄生电容和电阻，揭示以下内容：寄生电容可以将跨20cm的一根电线的电容估计为：200aF/μm*200000μm+100aF/μm2*1μm*200000μm＝40pF+20pF＝60pF。假设每个换能器有一个开关，其将需要具有低导通电阻，可以假设栅极/源极/漏极电容为50fF。跨阵列的垂直方向将为800，使得晶体管的电容将为40pF。因此，总垂直轨道电容大约为100pF。如果也使用水平轨道，则这翻倍。寄生电阻垂直导线电阻大约为0.05Ohms/sq*200000sq＝10KOhms。再次地，如果也使用水平轨道，则这翻倍。这意指垂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声成像系统，包括：超声换能器的阵列(50)，其包括换能器的子阵列(52)的集合；以及模拟缓存器的阵列，其具有与每个换能器相关联并且在本地被定位在各自换能器的位置处的模拟缓存器，其中，换能器的每个子阵列(52)具有信号路径(56)的集合，针对每个换能器具有一条信号路径，从所述超声换能器的阵列之内到所述超声换能器的阵列外部，所述信号路径针对所述换能器中的至少一些换能器包括在所述模拟缓存器之间的多个跳变。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.04 EP 16154161.01.一种超声成像系统，包括：超声换能器的阵列(50)，其包括换能器的子阵列(52)的集合；以及模拟缓存器的阵列，其具有与每个换能器相关联并且在本地被定位在各自换能器的位置处的模拟缓存器，其中，换能器的每个子阵列(52)具有信号路径(56)的集合，针对每个换能器具有一条信号路径，从所述超声换能器的阵列之内到所述超声换能器的阵列外部，所述信号路径针对所述换能器中的至少一些换能器包括在所述模拟缓存器之间的多个跳变。2.根据权利要求1所述的成像系统，包括模数转换器的存储库(58)的阵列，其中，所述信号路径(56)的集合通向模数转换器的存储库或存储库的集合。3.根据权利要求2所述的成像系统，其中：所述超声换能器的阵列(50)被提供为集成电路，并且所述模数转换器的存储库(58)的阵列被提供为所述集成电路的部分；或者所述模数转换器的存储库(58)的阵列被提供在相对于所述超声换能器的阵列(50)的单独的基板上。4.根据任一前述权利要求所述的成像系统，其中，所述跳变沿着从每个换能器到所述阵列外部的路径均匀地散布。5.根据任一前述权利要求所述的成像系统，其中，模拟缓存器的每个集合(54)的每个缓存器包括具有单位增益的差分放大器或者采样与保持电路。6.根据任一前述权利要求所述的成像系统，其中，所述超声换能器的阵列包括超声换能器的行和列，并且在所述超声换能器的阵列之内的所述信号路径(36)形成列。7.根据权利要求6所述的成像系统，还包括被定位在所述超声换能器的阵列的区域外部的行中的模拟缓存器的第二阵列(60)。8.根据权利要求1至5中的任一项所述的成像系统，其中，每个换能器包括电路，所述电路包括：所述模拟缓存器；切换布置；以及用于控制所述切换布置的寄存器，其中，所述切换布置能被选择性地配置为...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·A·费什，G·J·J·M·阿诺尔杜森，S·F·乌祖诺夫，E·D·托泰夫，
申请(专利权)人：皇家飞利浦有限公司，
类型：发明
国别省市：荷兰,NL