使用具有波束扫描反转的机械探针的三维超声波成像制造技术

一种用于三维扫描的超声波探针，包括来回机械扫掠的一维阵列换能器。当该阵列换能器在一个方向扫掠时，该阵列通过从左向右扫描的图像平面来扫描该体积区域。当该阵列换能器在相反方向扫掠时，反转波束扫描的方向以便通过从右向左扫描的图像平面来扫描该体积区域。该波束扫描方向的反转使得该被扫描平面实质上对齐，从而减少了扫描伪影。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及超声波诊断成像，更特别地，涉及具有机械振荡阵列的三维超声波成像。已经利用电子操纵和机械操纵的探针建立了实时三维超声波诊断成像系统。在扫描快速运动目标例如心脏时，电子波束操纵是非常有利的。例如在US专利5993390(Savord)、6013032(Savord)、6102860(Mooney)、6126602(Savord)和6375617(Fraser)中记载了用于心脏扫描的具有二维阵列的实时三维扫描探针。对于希望有大孔径(aperture)的3D腹部扫描，机械波束操纵是有利的。US专利5460179(Okunuki等人)示出了一种在探针内机械扫掠(sweep)弯曲一维阵列的3D成像探针。当该1D阵列被扫过时，它以正常方式扫描图像平面，然后处理这些平面以形成覆盖该探针的图像平面被扫过的体积的三维图像。然而，在扫描时机械扫掠阵列探针带来了由于机械动作而产生的问题。当探针在移动中扫描时，扫描平面将不会与换能器动作的方向正交，而是与该方向成轻微偏角。这是因为该探针是位于沿着其每个发射和接收波束传播的路径的轻微不同的位置。如果该探针在两个传播方向上扫描，则在回程扫掠中的平面将比前进扫掠倾斜不同的角度。这种困难本身经常表现为，当散斑图案从一次扫掠变化到另一次扫掠时图像中的闪烁或闪光效应。可以通过步进(stepping)分离的扫描位置之间的换能器阵列来消除这个问题，但是该换能器阵列扫掠的启动和停止将会导致不能接受的扫掠速率并进而导致不能实现可以接受的实时成像。因此，希望能够以提供实时3D帧速率的速度扫掠换能器而不产生失真图像伪影(artifacts)。为了提供平滑的实时三维成像，希望以相对较高的扫描速率在整个成像体系上扫描该阵列换能器。然而，较高的成像速率将会意味着，利用比在较慢的扫描速率期间更少的波束扫描该体积区域，这导致该3D图像的空间分辨率的降低。希望能够在较高的扫描速率扫描该换能器阵列以实现平滑实时扫描，尤其是存在该物体动作的情况下，同时仍然保持比较慢的扫描速率更大的波束密度和更高的空间分辨率。根据本专利技术的原理，一种三维超声波成像探针包括扫掠被成像的体积区域的阵列换能器。当该换能器被扫过时，它的波束扫描方向是周期性反转的。在一个示例性实施例中，每当该阵列的传播方向反转时反转该波束扫描方向。在另一实施例中，对每个连续的扫描平面反转该波束扫描方向。根据本专利技术的另一方面，根据在该阵列换能器被扫描时的多次扫掠期间采集的回波数据产生超声波图像。从而，由于使用了更多数量的接收波束来产生图像，该3D图像可以显示更高的分辨率。根据本专利技术的另一方面，在3D图像数据的产生中，该来自多次扫掠的回波数据的扫描变换使用了该接收回波的相对的时间和空间特性。在附图中附图说明图1以框图形式示出了根据本专利技术的原理构建的超声波诊断成像系统；图2示出了用于三维扫描的阵列换能器的机械振荡；图3示出了机械振荡阵列换能器以进行三维扫描的机构；图4a-4d示出了由本专利技术的三维成像探针的不同波束扫描方向得到的扫描平面；图5示出了利用对于连续的扫描平面的波束扫描方向反转来对体积区域进行的扫描；图6示出了用于三维成像的具有扫描变换器的三维成像系统的接收器；图7示出了来自周围采集数据值的三维图像值的扫描变换；和图8示出了用于形成图像显示值的三维回波数据的扫描转换，其中结合了该数据的空间和时间特性。首先参照图1，以框图形式示出了根据本专利技术的原理构建的超声波诊断成像系统10。该系统10包括通过连接电缆16耦合到探针或扫描头14的超声波处理器12。该超声波处理器12包括以超声波频率生成信号以便由扫描头14发射的发射器18，和检测由扫描头14接收的信号的接收器36。为了在接收器36工作的同时将发射器18与扫描头14分离，发射器分离单元22将发射器18与电缆16去耦。相应地，当发射器18工作时，接收器保护单元24将接收器36与电缆16去耦。控制器26与发射器18、接收器36、发射器分离单元22和接收器保护单元24交互以协调这些部件的操作。控制器26类似地与显示系统28交互以允许可视显示由处理器12接收的信号。扫描头14包括换能器组件30，其包括一个或多个压电元件，配置成当被换能器18所产生的信号激励时以预期方向发射超声波脉冲，并且将该脉冲的反射部分转换为可以被接收器36检测的电信号。该换能器组件30可以包括换能器元件的一维阵列，该元件被设置成平面、凸面或者甚至是凹面布置。此外，换能器组件30可以包括其他更高维阵列的元件，例如1.5或者甚至是二维阵列。仍然参照图1，扫描头14进一步包括定位致动器32，耦合到换能器组件30以便将换能器组件30定位在预期方向，并且进一步重复扫描预期方向上的解剖区域从而形成该区域的实时图像。该定位致动器32通过电缆16耦合到控制器26以将来自控制器26的控制输入传输到致动器32，从而可以控制换能器组件30的移动。例如，可以通过控制传输到致动器32的电压或电流而控制该致动器32。替代地，可以通过将来自控制器26的控制信号传输到位于扫描头14内的单独的控制器而控制该致动器32，该单独的控制器进一步控制传输到致动器32的电流或电压。扫描头14还包括耦合到换能器组件30的定位传感器34。定位传感器34确定换能器组件30被定位致动器32移动时的方向定向，并且类似地通过电缆16耦合到控制器26以将定位输入信号提供到控制器26。现在转到图2，示出了具有机械振荡阵列换能器的探针的部分侧视图。在图2中，轴线102从图2向上突出，从而使得换能器组件30以扫描角106扫描。扫描角106可以以轴线102为中心，从而使得换能器组件30对应于传动轴48(结合图3讨论)的完整旋转而从轴线102扫掠到扫掠角度限制。替代地，可以通过控制定位致动器42以小于该传动轴48的完整旋转的第一方向旋转，然后以与该第一方向相对的第二方向旋转传动轴48，从而以小于扫描角106的扫描角扫掠换能器组件30。因此，可以方便地获得小于扫描角106的扫描角，其中扫描角106是可获得的最大扫描角。仍然参照图2，还可以控制定位致动器42(见图3)以中心在另一轴线上的一个角度扫掠换能器组件30，该另一轴线以相对于轴线102的角度定向，从而使得换能器组件30可以扫描进入当以中心在轴线102上的角扫描换能器组件30时不能被充分扫描的解剖区域。例如，在上腹部或胸部区域进行超声波扫描时，经常很难正确定位扫描头以避免来自肋骨或其他组织的干扰反射。因而认为该关于与扫描头的支撑结构46的纵轴不一致的轴线扫描的性能是特别有利的。图3是适于在本专利技术的构建实施例中使用的、图2的3D机械探针的横截面立体图。该探针40包括机械耦合到换能器组件30和定位传感器44的定位致动器42。换能器组件30、定位致动器42和定位传感器44被定位在支撑结构46内。定位致动器42包括从定位传感器44沿探针40的纵轴向上延伸的传动轴48。传动轴48被轴承50可旋转地支撑在探针40的支撑结构46内，该轴承50被定位在传动轴48各个末端附近。定位致动器42还包括相对于支撑结构46固定的电枢结构52，和耦合到传动走48的永磁场结构54。当该电枢结构52被选择性供电时，会产生以预期旋转方向旋转传动轴48的转矩，从而使得传本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过一维阵列换能器的扫描而采集三维图像数据集的超声波诊断成像系统，包括：　　　　阵列换能器，包括在方位角方向和垂直于该方位角的上升维度上延伸的换能器元件阵列；　　　　耦合到该阵列换能器的运动设备，其用于在实质上在该上升维度的往返方向上扫掠该阵列换能器；和　　　　耦合到该阵列换能器的发射器，其用于使得该阵列换能器在方位角方向上发射波束序列，其中当该换能器在一个往返方向上扫掠时发射第一波束序列，而当该换能器在另一个往返方向上扫掠时发射第二波束序列。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-11-21 60/524,4051.一种通过一维阵列换能器的扫描而采集三维图像数据集的超声波诊断成像系统，包括阵列换能器，包括在方位角方向和垂直于该方位角的上升维度上延伸的换能器元件阵列；耦合到该阵列换能器的运动设备，其用于在实质上在该上升维度的往返方向上扫掠该阵列换能器；和耦合到该阵列换能器的发射器，其用于使得该阵列换能器在方位角方向上发射波束序列，其中当该换能器在一个往返方向上扫掠时发射第一波束序列，而当该换能器在另一个往返方向上扫掠时发射第二波束序列。2.如权利要求1所述的超声波诊断成像系统，其中该阵列换能器包括一维阵列换能器；和其中该运动设备包括振荡机构，其用于在从第一反转位置到第二反转位置的前进方向上和从第二反转位置到第一反转位置的反向方向上扫掠该阵列换能器。3.如权利要求2所述的超声波诊断成像系统，其中该发射器还包括这样一个发射器，其用于当该运动设备在前进方向上扫掠该阵列换能器时，使得该阵列换能器从该阵列换能器的左侧向该阵列换能器的右侧发射波束序列，以及当该运动设备在反向方向上扫掠该阵列换能器时，使得该阵列换能器从该阵列换能器的右侧向该阵列换能器的左侧发射波束序列。4.如权利要求3所述的超声波诊断成像系统，其中该发射器还包括这样一个发射器，其用于当该阵列换能器在前进方向上扫掠时使得该阵列换能器扫描一系列扫描平面，和当该阵列换能器在反向方向上扫掠时使得该阵列换能器扫描同一系列扫描平面。5.如权利要求3所述的超声波诊断成像系统，其中该发射器还包括这样一个发射器，其用于当该阵列换能器在前进方向上扫掠时使得该阵列换能器扫描一系列扫描平面，和当该阵列换能器在反向方向上扫掠时使得该阵列换能器扫描平行的一系列扫描平面。6.如权利要求2所述的超声波诊断成像系统，其中该发射器还包括这样一个发射器，其用于当该运动设备在前进方向上扫掠该阵列换能器时，使得该阵列换能器从该阵列换能器的左侧向该阵列换能器的右侧反复发射波束序列，以及当该运动设备在反向方向上扫掠该阵列换能器时，使得该阵列换能器从该阵列换能器的右侧向左侧反复发射波束序列。7.如权利要求6所述的超声波诊断成像系统，其中该发射器还包括这样一个发射器，其用于当该阵列换能器在前进方向上扫掠时使得该阵列换能器扫描一系列扫描平面，和当该阵列换能器在反向方向上扫掠时使得该阵列换能器扫描同一系列扫描平面。8...

【专利技术属性】
技术研发人员：B埃林顿，B库茨，P德特默，
申请(专利权)人：皇家飞利浦电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]