超声成像系统技术方案

一种用于通过受试者的骨物质对软组织进行成像的超声成像系统。成像系统经由超声探头以多个入射角向受试者的骨材料发射超声波，使超声波可以作为纵波和横波两者穿过骨骼并反射回骨骼，纵波和横波都结合起来用于成像。该系统包括将换能器元件连接到可商购的超声驱动系统的开关，这允许成像系统利用具有比超声探头更少的电发射通道/电接收通道的超声驱动系统。主机控制器处理所接收到的超声波信号，以通过物质形成受试者的软组织的图像。图像重建方法与跟踪信息一起，允许创建全脑二维图像、二维正交图像或三维图像，以及延时四维图像或断层摄影超声图像。像或断层摄影超声图像。像或断层摄影超声图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超声成像系统
[0001]优先权要求
[0002]本申请根据35 U.S.C.
§
119要求于2018年12月28日提交的名称为“可用于经颅超声成像的矩阵成像模式超声系统(Matrix Imaging Mode Ultrasound System Usable for Transcranial Ultrasound Imaging)”的美国临时专利申请第62/786,193号的优先权的权益，该申请的全部内容并入本文。
[0003]关于联邦政府资助的研究的声明
[0004]本专利技术是在美国陆军的美国医学研究采购活动(USA MED Research Acquisition Activity(USAMRA))授予的合同W81XWH
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15
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C
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0115，题为“用于前线战场区域的便携式脑超声成像”下，在政府支持下完成的。政府对本专利技术有一定的权利。


[0005]本专利技术涉及超声成像系统，更具体地，涉及双波超声成像系统。

技术介绍

[0006]当常规护理包括成像时，包括创伤性脑损伤(TBI)在内的各种脑部疾病的结果会得到改善。例如，针对中风、脑积水和TBI等脑部疾病的诊断成像实践依赖于计算机断层摄影(CT)和磁共振成像(MRI)成像，但这些成像方式成本高昂，而且在CT的情况下，还伴随着风险(例如，患者暴露于大剂量的电离辐射)，因此，在损伤或疾病过程中的重复成像，虽然医学上(诊断上)是可取的，但此类风险对患者安全来说是禁忌的。此外，在野战医院或农村地区进行CT成像和MR成像的机会通常有限。超声波是非电离的，通常被认为是一种安全的成像方式。然而，颅骨的存在带来了许多挑战。
[0007]经颅超声成像受限于可以使用典型成像频率的颞侧或枕下声窗。替代声窗受到颅骨形态和颅骨厚度的可变性的影响。可以通过使用多个换能器同时通过两个时间窗口成像来进行改进，从而获得威利斯环的三维图像。自20世纪中期以来，经颅多普勒(TCD)已被用于无创测量动脉脑血流速度，并广泛用于诊断中风和评估再通。然而，这种技术可获得的视场是有限的，并且存在由颅骨引起的成像伪影。三维(3D)超声成像的发展改善了血管成像，但传统的超声成像技术无法进入大脑的大部分区域，并且对于大量患者来说，颅骨厚度完全混淆了超声成像。
[0008]对于传统的超声成像，由于强反射，颅骨和周围组织之间的巨大声学失配导致“法向入射”(当超声波的传输方向垂直于骨骼表面平面时
‑
90度)下大约在30％到80％的声功率损失。与来自骨组织界面的反射相比，来自大脑结构内的回波的信号较弱，这也会混淆有效的成像。颅骨也在高度缩小，进一步减少了从颅骨下方结构返回的信号。传输的超声波在穿过颅骨时的失真会导致伪影和波束赋形挑战。当超声波波长大小接近与由颅骨引起的相移相同的数量级时，这些失真效果会恶化。自适应波束赋形技术已经被提出来应对这些挑战。提出的另一种方法是利用来自气泡发射的信号来辅助聚焦，这些信号是通过将传输的光束聚焦穿过颅骨并且进入待成像的感兴趣区域而产生的。与美国专利No.7,175,599相关
的先前测试已经证明了使用横波对窦性混浊进行单元件A模式经颅骨检测和通过颅骨检测心室边界。本专利的专利技术还需要使用单独的机械定位装置，以沿着超声主波束的传输线对准线性区域。然而，该方案尚未证明在生成临床有用的图像方面有效。可能存在其他缺点。

技术实现思路

[0009]本专利技术的双波超声成像系统用于通过患者/受试者的骨物质来对软组织进行成像，该系统经由超声探头以在从(当超声波的传播方向垂直于骨骼层时的)“法向”入射角到小于、大于和等于纵向临界角的一系列入射角(定义为骨骼层法向与超声波传输方向之间的角度，超过该角度时，没有纵波传播通过骨骼层)的多个“入射角”(超声波相对于骨骼表面法向的传播方向)发射纵向超声波，使得超声波向患者/受试者的骨骼材料(例如患者/受试者的颅骨)传递。当纵向超声波从法向到骨骼表面的平面以30
°
和60
°
之间的入射角传输时，纵波被转换为横波传播通过骨骼，然后该纵波在离开骨骼的内表面时被转换回纵波。有证据表明，当纵波以约25和约30之间的入射角传输时，超声波会以纵波和横波两者的形式传播通过骨骼。本公开的超声探头被配置为确保发射的超声波根据入射到骨骼的角度以横波或纵波的形式传播通过骨骼，然后超声波以横波和纵波两者的形式从软组织解剖结构散射或反射回来，以再次传播回骨骼层。
[0010]尽管纵波在传播通过骨骼时会遭受明显的衰减和失真，但它们具有反射比横波更强信号的优点，因此，本公开并非试图机械地或电子地抑制可能以与骨骼层法向成小于纵波临界角的角度传播的纵向超声波的传输，而是有意地以多个角度将纵向超声波传输到患者的颅骨中，多个角度包括与骨骼表面的平面的法向成0
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约60度的角，并且应用成像算法来校正纵波失真，接收来自颅骨内部特征的反射或反向散射的纵波和转换的横波，并在图像重建中利用所有反射波以及转换的横波和纵波二者。本公开不需要使用单独的机械定位装置来传输与骨骼层法向成各种角度的纵向超声波，并且允许超声医师自由移动手持换能器探头以实现更大的视场，以便产生全脑二维(2D)图像、2D正交图像或三维(3D)图像，以及正交2D超声图像、3D超声图像或断层摄影超声图像中任一种的延时四维(4D)图像。
[0011]双波超声成像系统旨在创建和使用四种不同的发射/接收组合唯一地用于经骨成像：1)零波转换
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以首先纵波的形式传播通过骨骼的角度传输纵波，然后以纵波的形式反射并传播回骨骼，以反射的纵波的形式被换能器接收(图29)；2)发射(Tx)双波转换
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以横波的形式传播通过骨骼的角度传输纵波，在离开骨骼的内表面时转换为纵波，然后以纵波传播并离开骨骼的外表面的角度反射回来，以纵波的形式被换能器接收(图30)；3)接收(Rx)双波转换
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以纵波的形式传播通过骨骼的角度传输纵波，然后以横波的形式传播回骨骼的角度反射回来，然后在离开骨骼的外表面时从横波转换回纵波，以纵波的形式被换能器接收(图31)；和4)四波转换
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以横波的形式传播通过骨骼的角度传输纵波，然后离开骨骼的内表面并转换为纵波，然后以横波的形式传播回骨骼的角度反射回来，然后在离开骨骼的外表面时再次转换回纵波，以纵波的形式被换能器接收(图32)。
[0012]由于反射和反向散射的超声波可以以多种角度入射到骨骼层上，为了区分超声波通过骨骼的传播模式，采用了“合成接收孔径(synthetic receive aperture)”。合成接收孔径是一种处理算法，该处理算法用于控制哪些换能器元件有助于图像重建。使用算法来确定可能源自每个像素或体素的反射超声波在骨骼层上的入射角。这用于根据源自该体素
的超声波通过骨骼的传播模式(即纵向模式或横向模式)来控制哪些元件有助于重建每个像素或体素。
[0013]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种超声成像系统，包括：超声换能器探头，所述超声换能器探头包括被配置为接触受试者的面，所述面包括换能器元件的阵列，所述换能器元件的阵列包括至少一个第一发射垫、至少一个第二发射垫和至少一个接收垫，所述至少一个第一发射垫包括至少一个第一有源换能器元件，所述至少一个第二发射垫包括至少一个第二有源换能器元件，其中，所述至少一个第一有源换能器元件能够相对于所述受试者的骨骼以第一入射角发射纵向超声波，使得波能够作为横波传播通过所述骨骼，其中，所述至少一个第二有源换能器元件能够以相对于所述骨骼的第二入射角发射纵向超声波，使得所述波能够作为纵波传播通过所述骨骼；主机控制器；超声驱动系统；超声换能器探头；超声系统开关，所述超声系统开关将所述超声驱动系统连接到所述超声换能器探头，其中，所述主机控制器经由所述超声驱动系统控制所述超声换能器探头的操作；其中，所述主机控制器命令所述超声驱动系统生成射频(RF)信号，由所述换能器探头使用所述RF信号来生成超声波；其中，当接收到来自主机控制器的命令时，所述超声驱动系统使所述超声换能器探头以所述第一入射角和所述第二入射角生成超声波；其中，所述超声驱动系统经由所述超声系统开关捕获由所述超声换能器探头的所述至少一个接收垫接收到的超声波所产生的电信号，并将所接收到的电信号数字化；以及其中，所述主机控制器基于所述数字化的接收到的电信号形成所述受试者的图像。2.如权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述第一入射角大于纵波临界角，并且所述第一入射角小于横波临界角，其中，所述第二入射角小于所述纵波临界角。3.如权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述至少一个第一发射垫被配置为接收超声波。4.如权利要求3所述的超声成像系统，所述至少一个第一发射垫还包括第一居中垫和偏离所述第一居中垫的附加垫，其中，所述第一居中垫和所述附加垫能够被配置为发射、接收或发射和接收两者。5.如权利要求1所述的超声成像系统，包括设置在所述超声换能器和所述受试者之间的凝胶垫或凝胶。6.如权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述受试者的骨骼是头部。7.如权利要求1所述的超声成像系统，其中，由所述主机控制器形成的所述图像包括像素或体素。8.如权利要求8所述的超声成像系统，包括：耦合到所述主机控制器的位置跟踪系统，其中，所述主机控制器基于来自所述位置跟踪系统的跟踪信息将所述图像的所述像素或体素与全局坐标系共同配准。9.如权利要求9所述的超声成像系统，其中，所述主机控制器内插与所述全局坐标系共同配准的所述像素或体素以形成更大的蒙太奇图像。10.如权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述超声换能器探头具有多个通道，其中，所述多个通道中的每个通道对应于所述换能器元件的阵列的单个换能器元件。
11.如权利要求11所述的超声成像系统，其中，所述超声系统开关包括熔断器以限制要施加到所述换能器元件的阵列的单个换能器元件的最大电压。12.如权利要求11所述的超声成像系统，其中，所述超声系统开关监测所述通道以确定传递的超声波已在分配的时间内完成。13.如权利要求11所述的超声成像系统，其中，所述超声系统开关被配置为在通道之间快速切换以允许将单个通道用于发射和接收。14.如权利要求14所述的超声成像系统，其中，所述超声系统被配置为在传递RF信号之后在从所述第一通道的所述换能器元件传递的超声波接收到反射超声波之前从第一通道切换到第二通道。15.如权利要求1所述的超声成像系统，其中，所述超声系统开关选择性地将来自所述超声驱动系统的所述RF信号与所述换能器元件的阵列耦合。16.如权利要求1所述的超声成像系统，所述超声系统开关具有多个通道，其中，所述通道对应于所述换能器元件的阵列的换能器元件的总数，所述超声系统开关包括：多个接口，所述多个接口中的每个接口被配置为与所述换能器元件的阵列中的不同段连接；接口，所述接口被配置为连接所述超声驱动系统；以及其中，所述超声系统开关被配置为限制能够从所述超声驱动系统向所述换能器元件的阵列施加电压的方式。17.一种超声换能器探头，包括：面，所述面被配置为接触受试者；以及换能器元件的阵列，所述换能器元件的阵列包括至少一个第一发射垫、至少一个第二发射垫以及至少一个接收垫，所述第一发射垫包括至少一个第一有源换能器元件，至少一个第二垫包括至少一个第二有源换能器元件，其中，所述至少一个第一有源换能器元件能够相对于所述受试者的骨骼以第一入射角传递纵向超声波，以产生通过所述骨骼的横波，其中，所述至少一个第二有源换能器元件能够相对于所述受试者的所述骨骼以第二入射角传递纵向超声波，从而产生通过所述骨骼的纵波。18.如权利要求17所述的超声换能器探头，其中，所述至少一个接收垫具有第一覆盖区并且所述至少一个第一发射垫具有第二覆盖区，所述第二覆盖区小于所述第一覆盖区。19.如权利要求17所述的超声换能器探头，其中，所述第一有源换能器元件和所述第二有源换能器元件的形状均为矩形。20.如权利要求17所述的超声换能器探头，其中，所述第一有源换能器元件和所述第二有源换能器元件均被配置为发射纵向超声波并且均被配置为接收反射的纵向超声波。21.如权利要求17所述的超声换能器探头，其中，所述换能器元件的阵列中的每个换能器元件是有源换能器元件。22.如权利要求17所述的超声换能器探头，其中，至少一个第一垫位于所述面的中央，其中，所述至少一个第二垫偏离所述至少一个第一垫，其中，所述第二入射角小于横向临界角。23.如权利要求22所述的超声换能器探头，其中，所述第二入射角大于纵向临界角。24.如权利要求23所述的超声换能器探头，其中，所述第二入射角小于纵向临界角。
25.如权利要求23所述的超声换能器探头，其中，所述换能器元件的阵列被配置为接收四波转换纵向超声波。26.一种超声成像方...

【专利技术属性】
技术研发人员：库勒沃，
申请(专利权)人：奥创生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：