專利名稱：超聲動態(tài)彈性成像探頭及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)學超聲成像的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，傳統(tǒng)用于醫(yī)學超聲成像(又叫回波成像)的電子探頭由N個壓電換能器陣 元排成一直線或曲線陣列。探頭只有一種換能器，通過電子的方法控制聲束的掃描和聚焦， 在接收時檢測縱波，利用回波幅度成像法或多普勒成像法重建出聲像圖，提供解剖結(jié)構(gòu)信 息或動力學信息。但不能提供組織硬度或彈性的有關(guān)生物力學特性。在動態(tài)彈性成像技術(shù)中，超聲波的另一種作用是用來激勵組織產(chǎn)生瞬時變化，例 如產(chǎn)生超聲輻射力。利用超聲輻射力激勵物體組織運動，產(chǎn)生橫向傳播的剪切波，再檢測剪 切波傳播所引起的組織縱向位移，重建出組織彈性物理量，并對之成像，提供組織的彈性信 肩、ο雖然可以使用傳統(tǒng)的電子探頭，給予不同于回波幅度法或多普勒法的激勵實現(xiàn)動 態(tài)彈性成像。然而，傳統(tǒng)電子探頭是只由一組換能器陣元組成，因為組織對超聲的衰減隨著 頻率的增加而增大，為了保證圖像的空間分辨力必須使用足夠高的超聲頻率，這樣就導致 了在較深的深度處無法產(chǎn)生足夠強的剪切波，影響彈性圖像的信噪比，質(zhì)量無法令人滿意。 概括地，對現(xiàn)有彈性成像技術(shù)來說，傳統(tǒng)探頭存在以下幾個方面的缺點(1)機械壓力的穿透深度受到限制，通常只能達到潛在探測深度的一半。(2)因內(nèi)部的剪切波源傳播范圍有限，造成探測區(qū)域的深度受到限制。(3)為了產(chǎn)生可檢測的剪切波而采用過強的聲場會產(chǎn)生空化效應，對病人造成傷 害。(4)過強的超聲激勵會超出國家標準。因此傳統(tǒng)的探頭不是彈性成像的最佳選擇。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種既可保證高質(zhì)量的傳統(tǒng)超聲成像，又能提供定量的動 態(tài)彈性成像、符合國家聲功率標準的超聲動態(tài)彈性成像探頭，本發(fā)明還提供了一種超聲動 態(tài)彈性成像方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為超聲動態(tài)彈性成像探頭，探頭內(nèi) 包括頻率較高的成像換能器和頻率較低的激勵換能器，所述的成像換能器位于中間，所述 的激勵換能器位于成像換能器的兩旁；成像換能器和激勵換能器在耦合模式下同步工作， 激勵換能器產(chǎn)生的超聲輻射力在組織內(nèi)產(chǎn)生剪切波，剪切波的橫向傳播引起組織的縱向位 移；成像換能器發(fā)射超聲波檢測組織的縱向位移，然后根據(jù)波動方程重建出彈性物理量，從 而獲取組織的彈性圖像。所述的成像換能器和激勵換能器均排成線性陣列的形式。所述的成像換能器陣列和激勵換能器陣列的每個陣元都是獨立電子控制的，并可實現(xiàn)同步。所述的激勵換能器的諧振頻率是成像換能器諧振頻率的1/2以下。所述的激勵換能器的諧振頻率為IMHz 4MHz，成像換能器的諧振頻率為5MHz 12MHz。所述的成像換能器和激勵換能器都采用獨立電子聚焦。所述的激勵換能器的電子聚焦深度可調(diào)范圍為10_40mm，激勵換能器的電子聚焦 深度可調(diào)范圍為10-40mm。所述的激勵換能器與成像換能器的數(shù)量比為2 2 2 5之間的范圍。所述的激勵換能器與成像換能器的數(shù)量比為2 3。一種超聲動態(tài)彈性成像方法，采用兩種頻率不同的換能器，兩種換能器工作在耦 合模式下，其中較低頻率的換能器工作于激勵模式，其產(chǎn)生的超聲輻射力在組織內(nèi)產(chǎn)生剪 切波，剪切波的橫向傳播引起組織的縱向位移；較高頻率的換能器工作于成像模式，其發(fā)射 超聲波檢測組織的縱向位移，然后根據(jù)波動方程重建出彈性物理量，從而獲取組織的彈性 圖像。 本發(fā)明的成像換能器可在標準模式下工作，用于傳統(tǒng)超聲成像。成像換能器和激 勵換能器在耦合模式下同步工作，可用于動態(tài)彈性成像。激勵換能器使用較低頻率的聚焦 超聲束激勵組織，由于聲傳播的非線性，產(chǎn)生的超聲輻射力在組織內(nèi)產(chǎn)生剪切波，剪切波的 橫向傳播引起組織的縱向位移，成像換能器發(fā)射超聲波檢測此位移，然后根據(jù)波動方程可 以重建出彈性物理量，此物理量的分布反映了定量的組織彈性性質(zhì)，讓彈性定量測量成為 可能，從而獲取組織的彈性圖像。本發(fā)明用于激發(fā)組織的換能器，與成像換能器相比，可以聚焦于更遠處，在相同的 聚焦深度處可以有更強的聲強。有這樣的一種特性，使得聲場區(qū)域加大，場強增加，從而可 以降低發(fā)射聲強。本發(fā)明用于激發(fā)組織的換能器的諧振頻率是成像換能器諧振頻率的1/2以下。利 用這個特性，在輻射壓力產(chǎn)生方面，激發(fā)組織的換能器會更加有效，可以聚焦于更深的深度。本發(fā)明采用了由較低頻率的換能器激勵組織產(chǎn)生剪切波，所產(chǎn)生的剪切波強度更 大，有效激勵范圍更廣，同時由傳統(tǒng)的較高頻率的換能器對剪切波的傳播成像，彈性圖像的 信噪比高，圖像質(zhì)量高，符合國家聲功率標準。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細的描述。圖1是超聲動態(tài)彈性成像探頭的冠面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是超聲動態(tài)彈性成像探頭的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖1、圖2所示，本發(fā)明所述的超聲動態(tài)彈性成像探頭，該探頭用于回波成像和 彈性成像。更具體地說，該探頭可以用于表淺組織如胸部、腹部、頸部的組織成像。探頭內(nèi) 包括頻率較高的成像換能器1和頻率較低的激勵換能器2。所述的成像換能器1和激勵換能器2均排成線性陣列的形式。這種線性陣列可以是直的，或者彎的，甚至是能適應探測物 體的幾何特性的特定形狀。激勵換能器2被排成兩排，位于成像換能器1的兩旁。所述的成像換能器位于探頭的中間，如入口表面，用于成像。成像換能器陣列可以 由192個換能器組成，每個陣元X方向的寬度為0. 2mm，Y方向為4mm。為了清晰起見，在圖 1中，X方向和Y方向的尺寸是不一樣的。這些換能器是借助插入探頭的多路復用器或者與 探頭連接的回波成像系統(tǒng)，通過192路獨立的電子線路來控制的。有這樣的特性，成像換能 器陣列提供一個高質(zhì)量的2維胸部回波圖像。所述的激勵換能器用來產(chǎn)生一種超聲輻射壓以致產(chǎn)生橫波在組織內(nèi)的傳播。激勵 換能器陣列位于成像換能器的兩旁，每邊各有64個組成一排，共有128個。每個陣元X方向 的寬度為0. 6mm，Y方向為2mm。成像換能器用于成像，激勵換能器用于激勵組織運動，它們 的掃描平面是同一平面，因此應該緊挨著，但如果嵌入成像換能器中，會引起相互干擾，而 且同類陣元間隔過大，所以激勵換能器只能排在成像換能器的兩側(cè)。成像換能器可采用常 規(guī)尺寸，目的是與傳統(tǒng)的成像模式兼容，為了用戶使用的方便，整個探頭的厚度不宜太大， 一般控制在Icm以內(nèi)，因此激勵換能器的厚度選擇是2mm。所述的成像換能器1和激勵換能器2都屬于超聲換能器系列。它們的諧振頻率都 大于20kHz，但它們有不同的頻率間隔。兩類換能器是不同的，可以用超聲諧振頻率、幾何特 性和尺寸大小來區(qū)分。成像換能器1的諧振頻率范圍為5MHz 12MHz，過高頻率的換能器 的成本也相應越高。如用于淺表器官的成像，成像換能器1的諧振頻率可選為8MHz。激勵 換能器的諧振頻率是成像換能器的1/2以下，諧振頻率范圍為IMHz 4MHz。如用于淺表器 官的成像，激勵換能器2的諧振頻率可選為4MHz。所述的激勵換能器與用于成像換能器的數(shù)量比可以選擇為2 2 2 5之間 的范圍，比較合適的選擇是2 3。這樣決定的依據(jù)是，激勵換能器只是用于激勵組織的運 動，其陣元密度不需達到成像換能器的密度，可以降低對換能器陣元制作工藝的要求，同時 也兼顧了激勵脈沖的聚焦性能。如圖2中探頭的側(cè)面圖所示，成像換能器1以及成像換能器1兩旁的每對激勵換 能器2都是電子耦合的，分別通過獨立的電子線路Cl和C2控制。因此，控制激勵換能器的 64個電子線路與成像換能器的192個電子線路不同，探頭由擁有256個獨立電子線路的回 波成像系統(tǒng)來控制的，可以實現(xiàn)同步。成像換能器和激勵換能器都是通過電子聚焦的方式 來調(diào)焦的，其中用于淺表器官的換能器，成像換能器的電子聚焦深度可調(diào)范圍為10-40mm， 激勵換能器的聚焦深度可調(diào)范圍為10-40mm。在標準模式下，成像換能器1單獨工作，與傳統(tǒng)的超聲探頭相同，用于傳統(tǒng)超聲成像。在耦合模式下，成像換能器1和激勵換能器2同步工作，用于將組織10連續(xù)的瞬 時變化動態(tài)彈性成像。激勵換能器2用于激發(fā)組織的運動，產(chǎn)生剪切波，工作于激勵模式， 其產(chǎn)生的聚焦超聲束由于聲的非線性傳播引起的超聲輻射力在組織內(nèi)產(chǎn)生剪切波，剪切波 的橫向傳播引起組織的縱向位移。成像換能器工作于成像模式，發(fā)射超聲波檢測組織的縱 向位移，然后根據(jù)波動方程重建出彈性物理量，從而獲取組織的彈性圖像。本發(fā)明探頭所產(chǎn)生的剪切波強度更大，有效激勵范圍更廣，特別適合剪切彈性成 像。這與本發(fā)明所追求的目標相符合。在運用彈性成像方法時，聚焦處的場強不如離焦區(qū)域的場強重要。上述的壓力場產(chǎn)生了一個剪切源。本發(fā)明的探頭，在離焦區(qū)剪切波的衰減速度比傳統(tǒng)探頭的慢得多，在傳播距離超 過2cm后，本發(fā)明的探頭的切變場的強度是傳統(tǒng)探頭的4倍。這使得剪切波在成像平面外 的衍射減少了。這樣，可以產(chǎn)生一個更高質(zhì)量的橫波，同時局部的壓力強度較小。調(diào)整后的 聲功率范圍有限，這是非常有利的。為了使彈性成像技術(shù)得到令人滿意的應用，有必要關(guān)注剪切源的穿透深度，集中 注意力在產(chǎn)生深度盡可能深的橫波上。這要求激勵換能器的工作頻率要比用于回波成像的 成像換能器的低。否則，在傳統(tǒng)探頭的情況下，由于超聲的衰減，聚焦深度被限制在成像深 度的一半左右。不同的應用，換能器的排列可能會改變。成像換能器陣列和激勵換能器陣列可能 互相疊加在一起。在這種情況下，只有成像的換能器對操作者是可見的，激勵換能器被“藏” 在成像的換能器后面。每種換能器的數(shù)量和形狀可能是多種多樣的。可能用多一些的成像 換能器而少一點的激勵換能器，反過來也一樣。全部或部分的激勵換能器，盡管明確地用于產(chǎn)生壓力，但工作在耦合模式下也可 以用來生成回波圖像，比如在產(chǎn)生壓力的前后，這比只用成像換能器在橫向方向能覆蓋更 寬的圖像區(qū)域。在圖2中所提出的探頭在耦合模式下，在三個不同的圖像平面使同步成像 成為可能。除了激勵換能器能產(chǎn)生壓力外，成像換能器，全部或部分也可以用來產(chǎn)生壓力?？傊景l(fā)明雖然例舉了上述優(yōu)選實施方式，但是應該說明，雖然本領(lǐng)域的技術(shù)人 員可以進行各種變化和改型，除非這樣的變化和改型偏離了本發(fā)明的范圍，否則都應該包 括在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種超聲動態(tài)彈性成像探頭，其特征在于探頭內(nèi)包括頻率較高的成像換能器和頻率較低的激勵換能器，所述的成像換能器位于中間，所述的激勵換能器位于成像換能器的兩旁；成像換能器和激勵換能器在耦合模式下同步工作，激勵換能器產(chǎn)生的超聲輻射力在組織內(nèi)產(chǎn)生剪切波，剪切波的橫向傳播引起組織的縱向位移；成像換能器發(fā)射超聲波檢測組織的縱向位移，然后根據(jù)波動方程重建出彈性物理量，從而獲取組織的彈性圖像。
2.按照權(quán)利要求1所述的超聲動態(tài)彈性成像探頭，其特征在于所述的成像換能器和 激勵換能器均排成線性陣列的形式。
3.按照權(quán)利要求2所述的超聲動態(tài)彈性成像探頭，其特征在于所述的成像換能器陣 列和激勵換能器陣列的每個陣元都是獨立電子控制的，并可實現(xiàn)同步。
4.按照權(quán)利要求1所述的超聲動態(tài)彈性成像探頭，其特征在于所述的激勵換能器的 諧振頻率是成像換能器諧振頻率的1/2以下。
5.按照權(quán)利要求4所述的超聲動態(tài)彈性成像探頭，其特征在于所述的激勵換能器的 諧振頻率為IMHz 4MHz，成像換能器的諧振頻率為5MHz 12MHz。
6.按照權(quán)利要求1至5中任一項所述的超聲動態(tài)彈性成像探頭，其特征在于所述的 成像換能器和激勵換能器都采用獨立電子聚焦。
7.按照權(quán)利要求6所述的超聲動態(tài)彈性成像探頭，其特征在于所述的激勵換能器的 電子聚焦深度可調(diào)范圍為10_40mm，激勵換能器的電子聚焦深度可調(diào)范圍為10_40mm。
8.按照權(quán)利要求1至5中任一項所述的超聲動態(tài)彈性成像探頭，其特征在于所述的 激勵換能器與成像換能器的數(shù)量比為22 25之間的范圍。
9.按照權(quán)利要求8所述的超聲動態(tài)彈性成像探頭，其特征在于所述的激勵換能器與 成像換能器的數(shù)量比為2 3。
10.一種超聲動態(tài)彈性成像方法，其特征在于采用兩種頻率不同的換能器，兩種換能 器工作在耦合模式下，其中較低頻率的換能器工作于激勵模式，其產(chǎn)生的超聲輻射力在組 織內(nèi)產(chǎn)生剪切波，剪切波的橫向傳播引起組織的縱向位移；較高頻率的換能器工作于成像 模式，其發(fā)射超聲波檢測組織的縱向位移，然后根據(jù)波動方程重建出彈性物理量，從而獲取 組織的彈性圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超聲動態(tài)彈性成像探頭及成像方法。本發(fā)明的探頭內(nèi)包括頻率較高的成像換能器和頻率較低的激勵換能器，所述的成像換能器位于中間，所述的激勵換能器位于成像換能器的兩旁；成像換能器和激勵換能器在耦合模式下同步工作，激勵換能器產(chǎn)生的超聲波輻射力在組織內(nèi)產(chǎn)生剪切波，剪切波的橫向傳播引起組織的縱向位移；成像換能器發(fā)射超聲波檢測組織的縱向位移，然后根據(jù)波動方程重建出彈性物理量，從而獲取組織的彈性圖像。本發(fā)明采用了由較低頻率的換能器激勵組織產(chǎn)生剪切波，所產(chǎn)生的剪切波強度更大，有效激勵范圍更廣，同時由傳統(tǒng)的較高頻率的換能器對剪切波的傳播成像，彈性圖像的信噪比高，圖像質(zhì)量高，符合國家聲功率標準。
文檔編號A61B8/00GK101912278SQ20101025240
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月12日
發(fā)明者林春漪, 陳慶武 申請人:陳慶武