專利名稱：用于超聲射束三維掃描的機構和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是針對用于在3D空間區(qū)域內在自由方向上掃描超聲射束的技術和方法。該技術特別適用于3D醫(yī)學超聲成像，并且也適用于其它超聲成像領域或者其它需要使物體在3D空間中機械運動的領域。
背景技術：
通過以3D的方式掃描脈沖超聲射束，并且在每個射束方向上記錄反向散射超聲波信號，可以實現(xiàn)生物結構的三維(3D)超聲成像。這種原理在50年代就已被描述過，并且使用該方法的一些儀器已經(jīng)制成。
在3D圖像中，由于有時人們想從任何方向(透視)看到物體，并且小的物體可以在多個射束方向上被查看，所以重要的是超聲射束圍繞射束軸線在所有方向上對稱地實現(xiàn)最大限度聚焦。通過在垂直方向即與二維(2D)掃描平面正交的方向上對線性傳感器陣列中的組成元件進行分組，可獲得這種對稱聚焦。2D掃描平面通常被稱為方位角掃描面，而與2D掃描平面正交的方向被稱為垂直方向。在垂直方向上具有分組組成元件的線性陣列被稱為1.5D或1.75D陣列，這取決于組成元件圍繞方位角中平面(azimuth midplane)被對稱地或單獨地調整。分組組成元件所產(chǎn)生的問題是組成元件的尺寸減小，這會增加組成元件的阻抗并且因此增加噪音。分組也引起組成元件的總數(shù)大，導致在陣列組成元件和電子束形成裝置之間存在大量導線。這樣增加了電纜損耗，以及因此而導致陣列靈敏度損失。
通過同心環(huán)形元件陣列即所謂的環(huán)形陣列，可以利用更少并且更大的元件獲得射束的對稱聚焦。更大的元件可提供更低的元件阻抗，并且因此減少噪音及電纜損耗。利用環(huán)形陣列的另一個優(yōu)點是其被覆蓋在一個圓頂部件中，以使陣列本身不會像線性陣列通常那樣被推壓在人體或者其它對象上。這樣，與線性陣列相比，環(huán)形陣列可以使用由具有更低特性阻抗的材料構成的機械襯墊支承，因而環(huán)形陣列吸音襯墊損耗較小并且可以獲得更高的靈敏度。
由于采用了大元件和低阻抗襯墊材料，因此同線性陣列相比，環(huán)形陣列可以提供圍繞射束軸線的射束對稱聚焦的更高靈敏度。同線性陣列相比，增加的靈敏度反過來又使得能夠使用更高的超聲頻率，并且因此對于給定的深度可得到更好的分辨率。少量的元件也減少了連接電纜的數(shù)量并且因此導致陣列的制造成本更低。
發(fā)明內容
利用環(huán)形陣列進行3D射束掃描的問題是，射束方向的掃描需要機械移動陣列。因此，利用小尺寸的整體掃描機構進行射束的3D掃描是困難的，所以本發(fā)明提供了對該問題的解決方法。利用本發(fā)明的特定實施例，環(huán)形陣列射束可以在一個3D扇面內被掃描，該3D扇面在垂直方向和方位角方向具有200度以上的張角，其中掃描頭的尺寸僅略微大于陣列的主動發(fā)射孔。窄的掃描頭和寬的掃描角提供了一種小且易于操縱的探頭，并且在被用于腔內和外科成像時具有特別的優(yōu)點，其中探頭被放置在探頭轉向的可能性有限的窄通路中，例如貫穿陰道、貫穿直腸、貫穿食管、貫穿胃和貫穿腸成像，以及狹窄手術創(chuàng)口的成像。
圖1示出了依據(jù)本發(fā)明的特定實施例，其中傳感器或傳感器陣列圍繞由第一軸限定的方位角軸線旋轉，該第一軸在裝于可移動叉架內的軸承內旋轉。其中，圖1a示出了叉架在一個滑動系統(tǒng)中移動，以使陣列繞一條與方位角軸線正交并且靠近方位角軸線的垂直軸線旋轉。圖1b示出了叉架在一個滑動系統(tǒng)中滑動，以使陣列繞一條與方位角軸線正交并且與方位角軸線相隔一段距離的垂直軸線旋轉。圖1c示出了叉架繞第二軸的旋轉，以使陣列繞垂直軸線旋轉。圖1d示出叉架圍繞滾轉軸線的組合旋轉。
圖2示出了控制系統(tǒng)的例子，其用于驅動傳感器圍繞方位角軸線旋轉以隨從于方位角基準信號。
圖3示出了一個具有圍繞著帶輪的柔性帶的系統(tǒng)，該帶輪連接到電機上，以使叉架在滑動系統(tǒng)中移動。
具體實施例方式
本發(fā)明的一個特定實施例將參照附圖進行描述。在圖1a中101表示一個環(huán)形陣列，其連接到電機的轉子102上，該電機連接到一個軸103上，該軸可在安裝于叉架105上的軸承104中自由移動。陣列圍繞軸103旋轉可在一個被稱為方位角方向(azimuthdirection)的角度方向上、并在一個被稱為平經(jīng)面(azimuth plane)的2D平面內掃描超聲射束。叉架105安裝在允許軸移動的滑動系統(tǒng)106中。在這個特定實施例中，叉架具有圓形形狀，因而叉架滑動通過滑動系統(tǒng)將產(chǎn)生軸103繞著與之正交的軸線107的旋轉，從而可以在被稱為垂直方向的方向上對射束進行角度掃描。此外，在這個特定實施例中，所述軸可以繞一條相對于滑動系統(tǒng)而言位于與所述軸所在一側相同的一側的軸線旋轉，并且軸線107穿過軸103的中心。相對于傳感器陣列101的發(fā)射聲學表面孔113的尺寸而言，該實施例可以使機構具有緊湊尺寸。
圖1b示出一個改型實施例，其中滑動系統(tǒng)102沿著叉架121滑動，這種設置使得軸103可以繞一條相對于滑動系統(tǒng)而言位于與軸103的軸線所在一側相反的一側的軸線122旋轉。這種滑動系統(tǒng)的優(yōu)點是，同圖1a中的掃描系統(tǒng)相比，射束掃描區(qū)域的寬度在探頭表面上變寬了。但是圖1a中的掃描系統(tǒng)可產(chǎn)生外部尺寸較小的探頭。
圖1a中的轉子102包括一組永磁體，它們以相反的極性順序圍繞轉子分布，其中，在圖中三個磁體108是可見的。轉子102的旋轉導致磁體在一組電磁體的磁極之間滑動，所述電磁體包括具有圍繞線圈110的鐵芯109。在圖1a中，為清楚去除了一些磁體，并且一些磁體的鐵芯109被顯示為不帶有線圈，而另一些磁體顯示出圍繞鐵芯的線圈110。在圖1b中示出了整體電磁系統(tǒng)123的實施例。通過按照本領域技術人員公知的標準方法控制線圈中的電流，會有扭矩作用到轉子上，使傳感器陣列圍繞軸線103旋轉。
對于這個特定實施例，圖1a中一個反射光柵111被設置在轉子的周圍。光柵被包含在單元112內的發(fā)光二極管照亮。從光柵反射的光被單元112內的彼此偏置一段距離的兩個光檢測二極管接收。通過監(jiān)測從兩個檢測二極管發(fā)出的信號，人們既可以觀察轉子的移動方向，又可以依據(jù)公知的原理以定位光柵111的反射條紋之間的角度的1/4為步距測得其旋轉角度。
因此，系統(tǒng)既提供了一個電機以產(chǎn)生作用到軸103的扭矩，又提供了一個位置測量系統(tǒng)以測量傳感器陣列圍繞所述軸的軸線的旋轉方向和角度。因此，電機和位置測量系統(tǒng)可以連接到一個反饋控制系統(tǒng)上，以便在反饋控制下實現(xiàn)傳感器陣列圍繞軸103的旋轉。這使得陣列能夠圍繞所述周的軸線進行精確的轉向，例如，利用如圖2中示出的電控系統(tǒng)。
在這幅圖中，傳感器陣列的方位角在單元209中測量出，以產(chǎn)生一個實測方位角信號202，其中該單元209包括圖1a中以111和112表示的部分。實測方位角信號202與方位角基準信號201在單元210中進行比較，由于在基準位置和實測位置之間存在不同，所以會產(chǎn)生一個角位置誤差203。位置誤差信號被發(fā)送到控制單元204，其向電機驅動單元206提供輸入信號205，電機驅動單元206向圖1b中的電機電磁系統(tǒng)123提供一組電驅動信號207。因此，控制系統(tǒng)驅動轉子方位角，使之隨從于方位角基準值。
為在圖1a中的垂直方向上掃描射束，叉架在滑動系統(tǒng)106中移動。用于控制依據(jù)本實施例的滑動的系統(tǒng)在圖3中示出。兩個柔性帶301和302連接在叉架105上，以致在其中一個帶被牽拉時，叉架在滑動系統(tǒng)106中滑動。這種滑動導致軸103在方位角旋轉軸線上的運動，其中，在這個特定實施例中，所述軸圍繞與其軸線正交的垂直軸線107旋轉。圍繞方位角軸線103和叉架垂直軸線107的組合旋轉，可在方位角方向和垂直方向上對射束進行3D扇面掃描。在本實施例中，兩個柔性帶連接在一起形成一個圍繞帶輪303的環(huán)路，該帶輪連接到旋轉電機304上。電機304的角度受控旋轉(例如通過類似圖2中的控制系統(tǒng))可導致傳感器圍繞垂直軸線107的受控旋轉。
依據(jù)本發(fā)明的用于移動方位角旋轉軸線103的第三種方法在圖1c中描述，其中，叉架105連接到第二軸125上，該第二軸可在軸承系統(tǒng)126中旋轉，以使陣列113圍繞垂直軸線127和方位角軸線103旋轉。
依據(jù)本發(fā)明的用于移動方位角旋轉軸線103的第四種方法在圖1d中描述，其中，叉架105被設置在軸承系統(tǒng)130中，以允許叉架和因此使方位角軸線103圍繞與方位角軸線正交的滾轉軸線131旋轉。圍繞方位角軸103和滾轉軸線131的組合旋轉，可產(chǎn)生射束方向的3D掃描。通過與電機直接連接、或者通過一個齒輪或一組帶輪而與電機連接，可獲得圍繞滾轉軸線131的旋轉。
權利要求書(按照條約第19條的修改)1、一種超聲探頭，其用于在3D空間中掃描超聲射束的方向和聚焦，包括一個超聲傳感器陣列(101，113)，其發(fā)射超聲射束并通過傳感器陣列的前表面接收到來的超聲波；所述傳感器陣列被第一軸(103)支撐，所述第一軸在一個軸承系統(tǒng)(104)內旋轉所述傳感器陣列；其特征在于，所述軸承系統(tǒng)安裝在一個叉架(105)中，所述叉架可移動，以改變所述第一軸(103)的軸線的角位置；第一電機(102，110，123)被設置在傳感器陣列的后面，并且具有一個轉子(102)，所述轉子可旋轉地連接著所述傳感器陣列，以及一個定子(110)，所述定子連接著所述叉架(105)以使傳感器陣列繞所述第一軸(103)的軸線旋轉；一個角位置傳感元件(111)可旋轉地連接著所述傳感器陣列(101，113)，以指示傳感器陣列和所述超聲射束繞所述軸線的旋轉角度；由此，使傳感器陣列在3D空間區(qū)域內沿任何方向自由定向和受控。
2、如權利要求1所述的超聲探頭，其特征在于，軸承系統(tǒng)包括安裝在叉架(105)內相對位置上的兩個軸承(104)，所述第一電機(102，110)、所述傳感器陣列(101，113)和所述傳感元件(111)在所述兩個軸承(104)之間設置在第一軸(103)上。
3、如權利要求1或2所述的超聲探頭，其特征在于，超聲波陣列是一個環(huán)形陣列(101)。
4、如權利要求1、2或3所述的超聲探頭，其特征在于，叉架(105)通過繞安裝在軸承(126)內的第二軸(125)旋轉而被移動。
5、如權利要求1、2或3所述的超聲探頭，其特征在于，叉架(105)通過在一個滑動系統(tǒng)中滑動而被移動。
6、如權利要求1至5中任一所述的超聲探頭，其特征在于，第二電機(304)用于移動所述叉架(105)，通過施加在所述第一和第二電機上的電驅動信號而使傳感器陣列(101)在3D空間區(qū)域內沿任何方向自由定向。
7、如權利要求5或6所述的超聲探頭，其特征在于，叉架是圓形的，滑動系統(tǒng)(106)以下述方式相對于叉架安裝，即通過所述滑動使第一軸繞著一條相對于滑動系統(tǒng)而言位于與第一軸相同的一側并且與第一軸正交的軸線旋轉。
8、如權利要求5或6所述的超聲探頭，其特征在于，滑動系統(tǒng)以下述方式相對于叉架安裝，即通過所述滑動使第一軸繞著一條相對于滑動系統(tǒng)而言位于與第一軸相反的一側并且與第一軸正交的軸線旋轉。
9、如權利要求5或6所述的超聲探頭，其特征在于，滑動系統(tǒng)以下述方式相對于叉架安裝，即通過所述滑動使第一軸橫向移動，所述橫向移動可能是在所述第一軸旋轉的基礎上附加的運動。
10、如權利要求1所述的超聲探頭，其特征在于，叉架(105)被可操縱地連接到至少一個柔性帶(301，302)上，通過牽拉柔性帶使叉架移動。
11、權利要求10所述的超聲探頭，其特征在于，叉架的一側連接到柔性帶上，并且另一側連接到彈簧系統(tǒng)上，通過彈簧系統(tǒng)以及柔性帶的牽拉之間的組合動作使叉架雙向移動，其中通過柔性帶的牽拉使叉架在一個方向上移動，并且在柔性帶的牽拉被釋放后，彈簧在相反方向上牽拉叉架。
12、權利要求10所述的超聲探頭，其特征在于，叉架(105)的每一側分別連接到單獨的柔性帶(301，302)上，并且通過有選擇地牽拉柔性帶中的一個實現(xiàn)叉架的雙向移動。
13、如權利要求10、11或12所述的超聲探頭，其特征在于，通過所述第二電機(304)牽拉柔性帶(301，302)。
14、如權利要求4-13中任一所述的超聲探頭，其特征在于，第二軸的軸承系統(tǒng)(130)安裝在一個使第二軸的軸承系統(tǒng)通過移動而改變位置和方向的滑動系統(tǒng)中，第三電機連接著所述滑動系統(tǒng)，以使第二軸的軸承系統(tǒng)(130)通過移動而改變位置和方向。
15、如權利要求6-14中任一所述的超聲波探頭，其中第一軸(103)的角位置和叉架(105)的位置被測量(209)，位置信號被發(fā)送到一個反饋控制器(204)中，反饋控制器提供用于第一和第二電機的驅動信號(207)，以改變超聲射束的方向，從而使第一軸和叉架的實測位置緊密隨從于基準信號(201)。
權利要求
1.一種超聲傳感探頭，其用于在3D空間中掃描超聲射束的方向和聚焦，其特征在于，一個超聲傳感器陣列，其連接到第一軸上，所述第一軸可在裝于叉架中的軸承內旋轉，所述叉架可移動，以帶動第一軸移動，由此，使傳感器陣列在3D空間區(qū)域內沿任何方向自由定向。
2.如權利要求1所述的超聲傳感探頭，其特征在于，叉架通過繞安裝在軸承內的第二軸旋轉而被移動。
3.如權利要求2所述的超聲傳感探頭，其特征在于，第二軸的軸線與第一軸的軸線的正交。
4.如權利要求3所述的超聲傳感探頭，其特征在于，第二軸的軸線與第一軸的軸線交叉。
5.如權利要求1所述的超聲傳感探頭，其特征在于，叉架通過在一個滑動系統(tǒng)中滑動而被移動。
6.如權利要求1所述的超聲傳感探頭，其特征在于，超聲波陣列是一個環(huán)形陣列。
7.如權利要求1所述的超聲傳感探頭，其特征在于，第一電機與第一軸連接，以使連接在超聲傳感器陣列上的第一軸在軸承內旋轉，第二電機用于移動所述叉架，通過施加在各電機上的電驅動信號而使傳感器陣列在3D空間區(qū)域內沿任何方向自由定向。
8.如權利要求7所述的超聲傳感探頭，其特征在于，第一電機的定子安裝在叉架上，第一電機的轉子安裝在第一軸上，以使連接在超聲傳感器陣列上的第一軸在軸承內旋轉。
9.如權利要求5所述的超聲傳感探頭，其特征在于，叉架是圓形的，滑動系統(tǒng)以下述方式相對于叉架安裝，即通過所述滑動使第一軸繞著與第一軸正交的軸線旋轉。
10.如權利要求5所述的超聲傳感探頭，其特征在于，滑動系統(tǒng)以下述方式相對于叉架安裝，即通過所述滑動使第一軸在包含第一軸的平面內橫向移動。
11.如權利要求5所述的超聲傳感探頭，其特征在于，滑動系統(tǒng)以下述方式相對于叉架安裝，即通過所述滑動使第一軸繞著一條相對于滑動系統(tǒng)而言位于第一軸所在一側并且與第一軸正交的軸線旋轉。
12.如權利要求1所述的超聲傳感探頭，其特征在于，叉架連接到至少一個柔性帶上，通過牽拉柔性帶使叉架移動。
13.權利要求12所述的超聲傳感探頭，其特征在于，叉架的一側連接到柔性帶上，并且另一側連接到彈簧系統(tǒng)上，通過彈簧系統(tǒng)以及柔性帶的牽拉之間的組合動作使叉架雙向移動，其中通過柔性帶的牽拉使叉架在一個方向上移動，并且在柔性帶的牽拉被釋放后，彈簧在相反方向上牽拉叉架。
14.權利要求12所述的超聲傳感探頭，其特征在于，叉架的每一側分別連接到單獨的柔性帶上，并且通過有選擇地牽拉柔性帶中的一個實現(xiàn)叉架的雙向移動。
15.如權利要求12到14中任一所述的超聲傳感探頭，其特征在于，通過電機牽拉柔性帶。
16.如權利要求12所述的超聲傳感探頭，其特征在于，第二軸的軸承系統(tǒng)安裝在一個使第二軸的軸承系統(tǒng)通過移動而改變位置和方向的滑動系統(tǒng)中，第三電機連接著所述滑動系統(tǒng)，以使第二軸的軸承系統(tǒng)通過移動而改變位置和方向。
17.如權利要求7所述的超聲波探頭，其中第一軸的角位置和叉架的位置被測量，位置信號被發(fā)送到一個反饋控制器中，反饋控制器提供用于電機的驅動信號，以改變超聲射束的方向，從而使第一軸和叉架的實測位置緊密隨從于基準信號。
全文摘要
一種超聲波探頭，可在3D空間區(qū)域內掃描超聲射束，其特征在于，一個超聲傳感器陣列安裝到第一軸上，所述第一軸可在裝于可移動叉架中的軸承中旋轉。叉架可在一個軸承內繞第二軸旋轉，或者通過一個滑動系統(tǒng)移動，或者是兩者的組合。第一軸和叉架可連接到兩個分開的電機上，以便在3D空間區(qū)域內電動調整陣列方向。位置測量系統(tǒng)連接到軸和叉架上，以便利用反饋控制系統(tǒng)調整射束的方向。
文檔編號A61B8/12GK1688255SQ02829603
公開日2005年10月26日 申請日期2002年7月15日 優(yōu)先權日2002年7月15日
發(fā)明者比約恩·A·J·安格爾森, 通尼·F·約翰森, 斯蒂格·舍爾德 申請人:伊格爾超聲公司