專(zhuān)利名稱(chēng)：具有集成的波束形成的多維cmut陣列的制作方法
成的波束形成的多維CMUT陣列
相關(guān)申請(qǐng)
本專(zhuān)利文件是于2005年12月7日提交的序列號(hào)為11/295， 794的 申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)，并且本專(zhuān)利文件請(qǐng)求于2006年4月26日提交 的序列號(hào)為60/795,407的臨時(shí)美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)的在35 U.S.C§ 119(e) 規(guī)定下的提交日的利益。前述所有申請(qǐng)通過(guò)引用結(jié)合于此。
背景技術(shù)：
本實(shí)施例涉及多維換能器陣列。波束形成可被提供用于多維的電 容膜超聲換能器 (CMUT , capacitive membrane ultrasound transducer )陣歹寸。
許多臨床應(yīng)用要求高的容積采集速率。尤其是用于放射學(xué)的二維 陣列具有巨大的通道計(jì)數(shù)和單元尺寸，其由于阻抗不匹配而不能夠驅(qū) 動(dòng)線纜。用于完全采樣的二維陣列的線纜不切實(shí)際得大。
傳統(tǒng)的陣列在其幀率上受到尼奎斯特空間采樣和掃描區(qū)域限制。 當(dāng)掃描容積的二維陣列被考慮時(shí)，波束的數(shù)量常常可超過(guò)10000。典型 的容積可能要花數(shù)秒鐘來(lái)采集。表示一行聲回波的數(shù)據(jù)集從發(fā)射機(jī)點(diǎn) 火(transmitter firing)獲得。對(duì)方形換能器，如果要求M個(gè)波束 來(lái)填充平面，則至少需要M2個(gè)波束來(lái)填充容積。典型的波束是2個(gè)波 長(zhǎng)寬，并且典型的換能器可為200個(gè)波長(zhǎng)長(zhǎng)，給定M-100。典型的波 束要求0.2ms來(lái)采集。尤其是在心臟病學(xué)中，并行接收波束形成可以 有幫助，但是數(shù)據(jù)采集仍然太慢。
固定的發(fā)射聚焦(transmit focus)構(gòu)成分辨率問(wèn)題。在心臟病 學(xué)中，沒(méi)有時(shí)間用于多于一個(gè)焦區(qū)(focal zone)，因此在大部分圖 像中，圖像是焦點(diǎn)沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)的。如果為了改進(jìn)連貫性(coherence)而 需要Z個(gè)焦區(qū)，則總共N^Z2個(gè)點(diǎn)火(firing)組成容積圖像。對(duì)于典 型的成像深度，這導(dǎo)致每秒0. 5/Z2個(gè)容積的最大成像速度。
其它采集技術(shù)可被使用。機(jī)械驅(qū)動(dòng)可以搖動(dòng)探針手柄內(nèi)部的一維 換能器。該容積可以通過(guò)無(wú)約束地掃描一維陣列利用在成像系統(tǒng)中或 通過(guò)位置感測(cè)所執(zhí)行的探針位置估計(jì)來(lái)采集。波束形成可在探針手柄中執(zhí)行。然而，采集的速度受到空間波束采樣要求和聲音在組織中的 速度的限制。如果沒(méi)有通道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)波束形成被執(zhí)行，那么在 成像系統(tǒng)中沒(méi)有通道信息可用。僅僅可用的數(shù)據(jù)是通過(guò)在重建算法中 將通道數(shù)據(jù)組合而建立的波束。原始通道數(shù)據(jù)的可用性在諸如相位畸
變校正、運(yùn)動(dòng)/流估計(jì)和彈性成像(elastography)的各種各樣的臨床 情形中是重要的。
在合成發(fā)射孔徑(STA)成像儀中，兩個(gè)或更多點(diǎn)火建立容積數(shù)據(jù) 集。這可提供超過(guò)每秒1000個(gè)容積的成像速度。然而，在沒(méi)有高級(jí)通 道信號(hào)處理技術(shù)的情況下，信噪比可受損害。

發(fā)明內(nèi)容
通過(guò)介紹，下面描述的優(yōu)選實(shí)施例包括用于產(chǎn)生針對(duì)醫(yī)學(xué)診斷超 聲信息的信息的方法、系統(tǒng)、換能器陣列和接收波束形成器。為了產(chǎn) 生表示容積的信息，共同陣列(co-array)或合成發(fā)射孔徑處理在一 維中被執(zhí)行，并且傳統(tǒng)的波束形成在另一維被執(zhí)行。例如，發(fā)射孔徑 在方位(in azimuth)聚焦，但是在高程(in elevation)是未聚焦 的或者發(fā)散的。多維陣列接收到反射的回波。這些回波針對(duì)在方位的 聚焦而在子陣列中被波束形成。所得到的部分波束形成的信息從被探 針殼體被提供給成像系統(tǒng)，用于至少在高程完成波束形成。將在高程
在第一二面，用于產(chǎn)生丄^成像的^聲信息的方法被提供。對(duì)于 二維接收孔徑，數(shù)據(jù)在方位被波束形成。發(fā)射孔徑在高程被合成。
在第二方面，用于醫(yī)療診斷超聲成像的超聲換能器陣列被提供。 電容膜超聲換能器元件的二維網(wǎng)格在探針殼體上或在其內(nèi)。多個(gè)接收 通道電路與所述元件連接且可操作來(lái)沿第一維至少部分波束形成。接 收通道電路在探針殼體之內(nèi)。至少一個(gè)發(fā)射元件是與二維網(wǎng)格的元件 分離的。發(fā)射元件可操作來(lái)沿不同于第一維的第二維產(chǎn)生基本上未聚 焦的波束。
在第三方面， 一種用于產(chǎn)生用于三維成像的超聲信息的方法被提 供。沿第一維度聚焦且沿不同于第一維的第二維未聚焦的聲能被發(fā)射。 部分接收波束形成在元件的子陣列中被執(zhí)行。部分接收波束形成形成 了表示二維平面的數(shù)據(jù)，所述二維平面沿著與第一維成一定角度的第二維伸展。然后，波束形成沿第二維被執(zhí)行。
在第四方面，用于醫(yī)療診斷超聲成像的超聲換能器陣列被提供。 電容膜超聲換能器元件的二維網(wǎng)格在探針殼體上或在其內(nèi)。那些元件 在襯底上或在其中。多個(gè)西格瑪-德?tīng)査?shù)轉(zhuǎn)換器在襯底上或在其 中。多個(gè)接收通道電路與這些轉(zhuǎn)換器連接并且可操作來(lái)沿著至少第一 維至少部分地波束形成。接收通道電路在襯底上或在其中。
本發(fā)明由隨后的權(quán)利要求來(lái)限定，并且本部分的任何內(nèi)容都不應(yīng) 該被視為對(duì)那些權(quán)利要求的限制。本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)組合優(yōu)選 的實(shí)施例在下面被討論，并可隨后組合地或獨(dú)立地被請(qǐng)求保護(hù)。


部件和圖形不一定成比例，而是將重點(diǎn)放在示出本發(fā)明的原理上。 此外，在這些圖形中，相同的參考編號(hào)標(biāo)明了貫穿不同視圖的相對(duì)應(yīng) 的部分。
圖i是用于三維成像的醫(yī)療診斷超聲系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的框圖； 圖2 - 5是發(fā)射和接收孔徑以及相對(duì)應(yīng)的用于產(chǎn)生三維成像的信息 的換能器陣列的圖形表示；
圖6是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的經(jīng)食管探針的圖形表示；以及
圖7是用于產(chǎn)生三維成像的超聲信息的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施例方式
集成換能器探針殼體中的部分波束形成能力和使用合成發(fā)射孔徑 可供更通用的三維成像所用。聚焦波束在一個(gè)維度上被發(fā)射，而未聚 焦波束在正交維度上被發(fā)射。利用低功率的模數(shù)轉(zhuǎn)換(諸如西格瑪-德?tīng)査D(zhuǎn)換器)和部分波束形成，對(duì)于每個(gè)發(fā)射事件形成接收平面。 由于部分波束形成，線纜計(jì)數(shù)和對(duì)于從換能器探針到計(jì)算機(jī)或其它成 像系統(tǒng)的通信的帶寬要求較低。
在一個(gè)實(shí)施例中，提供了合成孔徑成像、電容膜換能器(cMUT) 和集成電子裝置的組合。具有完全采樣的接收孔徑的合成孔徑成像可 增加采集速度并且考慮到所有位置處的更大的聚焦。接收來(lái)自沒(méi)有完 全波束形成的完全采樣陣列的數(shù)據(jù)可允許高級(jí)信號(hào)處理算法被提供在成像系統(tǒng)中，所述高級(jí)信號(hào)處理算法諸如是相位畸變校正、矢量流和 自適應(yīng)成《象。
圖1示出了具有用于醫(yī)療診斷超聲成像的系統(tǒng)的超聲換能器陣列
12。該系統(tǒng)是用于三維成像，但是可用于二維或其它超聲成像。該系 統(tǒng)包括探針殼體IO和成像或后端系統(tǒng)中的部件。后端為醫(yī)療診斷成像 儀、專(zhuān)用于這個(gè)整個(gè)系統(tǒng)的成像系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)或工作站。在一個(gè)實(shí)施 例中，探針殼體10與超聲成像系統(tǒng)的可釋放的換能器連接器連接。探 針殼體10中的電子裝置、適配器和/或成像系統(tǒng)中的軟件使用部分波 束形成的樣本來(lái)產(chǎn)生圖像。在其它實(shí)施例中，后端包括總線、數(shù)據(jù)輸 入、接收機(jī)或?qū)Ｓ糜诓僮鱽?lái)自探針殼體10的數(shù)據(jù)輸出的其它裝置。
該系統(tǒng)包括探針殼體IO、換能器陣列12、模數(shù)轉(zhuǎn)換器14、波束形 成器16、接口 18、第一存儲(chǔ)器20、波束形成器22、第二存儲(chǔ)器24、 顯示處理器26和顯示器28。附加的、不同的或更少的部件可被提供。 例如，存儲(chǔ)器20和24被組合?？墒褂迷谔结槡んw10與后端之間的其 它分離，諸如把存儲(chǔ)器20和波束形成器22置于探針殼體中。
探針殼體10是塑料、玻璃纖維、環(huán)氧樹(shù)脂或其它現(xiàn)在公知或以后 開(kāi)發(fā)的材料。探針殼體10包括增強(qiáng)患者接觸和提供電隔離的聲學(xué)窗口、 薄區(qū)域、不同材料區(qū)域或者被定位鄰近換能器陣列12的發(fā)射面的其它 部分。殼體被成形用于手持操作，諸如提供用于被用戶(hù)持有而按尺寸 制作和成形的緊握區(qū)域。諸如為了持有陣列12，可提供一個(gè)或多個(gè)更 大的區(qū)域。在其它實(shí)施例中，探針殼體10被成形用于插入身體內(nèi)，諸 如經(jīng)食管的、術(shù)中的、腔內(nèi)的(endo-cavity)導(dǎo)管或其它探針形狀。
探針殼體10封入換能器陣列12和其它電子裝置，諸如模數(shù)轉(zhuǎn)換 器14、波束形成器16和接口 18。在一個(gè)實(shí)施例中，電子裝置是直接 鄰近換能器陣列12的。例如，至少某些電子裝置被形成在與陣列12 相同的半導(dǎo)體或芯片上。作為另一個(gè)例子，倒裝芯片鍵合或其它連接 在陣列12與模數(shù)轉(zhuǎn)換器14之間被提供。在其它實(shí)施例中，諸如在導(dǎo) 管中，電子裝置中的一些與陣列12被間隔數(shù)英寸或英尺，諸如在導(dǎo)管 手柄中的電子裝置。陣列12或其它電子裝置可在探針殼體10之內(nèi)、 在其上或靠著它。
換能器陣列12是元件的多維陣列。這些元件分布在矩形網(wǎng)格中， 諸如NxM矩形網(wǎng)格中，其中N和M大于l且相等或不相等。三角形、六邊形或其它分布網(wǎng)格(distribution grid)可被4吏用。這些元件是 壓電的或電容膜超聲換能器。壓電元件可為單晶體、陶瓷塊、多層、 薄膜或其它現(xiàn)在公知或以后開(kāi)發(fā)的換能器元件。電容膜超聲換能器可 由完整膜、波束或?yàn)榱艘苿?dòng)而與間隙相鄰的其它可移動(dòng)結(jié)構(gòu)形成。電 容隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)移動(dòng)而變化，從而產(chǎn)生電信號(hào)。電位的變化可導(dǎo)致機(jī) 械結(jié)構(gòu)的移動(dòng)。其它現(xiàn)在公知或以后開(kāi)發(fā)的微電子機(jī)械裝置可被用于 電容膜超聲換能器。該cMUT利用任何半導(dǎo)體工藝或其它工藝來(lái)形成。
換能器陣列12包括發(fā)射元件30和接收元件32。發(fā)射元件30的結(jié) 構(gòu)與接收元件32的結(jié)構(gòu)相同或不同。例如，發(fā)射元件30是環(huán)形元件 54，且接收元件32在規(guī)則間隔的多維網(wǎng)格中。作為另一例子，發(fā)射元 件30是壓電元件，而接收元件32是cMUT元件。在另一例子中，發(fā)射 和接收元件30、 32是被形成為相同多維網(wǎng)格的部分的cMUT元件。
發(fā)射元件30提供發(fā)散的波束。通過(guò)散焦或限制多個(gè)發(fā)散元件30， 對(duì)于給定的發(fā)射事件，較大容積可被聲穿透。通過(guò)利用多維接收孔徑 進(jìn)行接收，容積可被更快速地掃描.在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射元件30提 供沿一個(gè)維度(例如方位)聚焦和沿另一維度(例如高程)的發(fā)散波 形或者聚焦不良。在圖6的實(shí)施例中，發(fā)射機(jī)提供在方位的電子聚焦。 在高程，緊密的聚焦通過(guò)接收機(jī)的平面中的陣列曲率來(lái)實(shí)現(xiàn)。波束隨 后在高程發(fā)散，從而產(chǎn)生"扇形波束"輻照?qǐng)D案。這些維度可為正交 的、成銳角的或相互具有其它關(guān)系。在其它實(shí)施例中，發(fā)射元件30提 供在方位和高程的發(fā)散的或容積掃描。發(fā)散波束可被聚焦來(lái)為對(duì)特定 多掃描線容積提供容積或平面波掃描。可使用在方位和在高程都被聚 焦的波束。
發(fā)射和接收元件30、 32可為相同的元件，諸如被用來(lái)發(fā)射的元件 也被用于接收。在其它實(shí)施例中，對(duì)于給定的發(fā)射和作出響應(yīng)的接收 順序，發(fā)射元件30與接收元件32分離。發(fā)射和接收孔徑是不同的。 在又一實(shí)施例中，發(fā)射元件30是與接收元件32不同的裝置。例如， 圖2和3示出具有分離的發(fā)射元件30和接收元件32的換能器陣列12 的不同實(shí)施例。發(fā)射元件30與多維陣列的接收元件32是分離的，例 如與二維網(wǎng)格中的接收元件32的陣列分離。該分離考慮到高概率發(fā)射 機(jī)和高靈敏度接收機(jī)，而無(wú)需妥協(xié)來(lái)使用相同元件實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收操 作。附加地，壓電發(fā)射元件可在硅接收機(jī)的條件下被提供。硅可被通過(guò)背面磨削(back-grinding)來(lái)變薄，以便最小化硅層對(duì)發(fā)射機(jī)性能 的影響。
分離的發(fā)射和接收元件30、 32和/或由發(fā)射元件提供的發(fā)散掃描 提供共同陣列或合成發(fā)射孔徑操作。共同陣列等于發(fā)射和接收孔徑的 巻積(convolution)。合成發(fā)射孔徑的發(fā)射元件可位于陣列12的邊 緣上或在接收孔徑之外。例如，圖3示出在多維陣列的接收元件32的 轉(zhuǎn)角處的發(fā)射機(jī)30。四個(gè)全方位(onmi-directional )元件30被定位 在完全采樣接收陣列的元件32的轉(zhuǎn)角處。發(fā)射元件30發(fā)射半球形波。 發(fā)射元件32與波長(zhǎng)相比是小的或者是相控圓環(huán)陣(已示出)，其中時(shí) 間延遲被布置來(lái)使發(fā)出的波束散焦。虛擬點(diǎn)源被合成。
接收元件32各自獨(dú)立地被采樣并被用于波束形成?？商鎿Q地，多 路復(fù)用的讀出使用一個(gè)互連以給定的高程行(elevation row)輸送方 位通道(azimuth channel)。每行中的接收元件32通過(guò)時(shí)間或頻率 多路復(fù)用被獨(dú)立地接收。較大數(shù)目的線纜可被提供，以便每條線纜多 路復(fù)用更少的通道。子陣列波束形成、子陣列混合或其它現(xiàn)在公知或 以后開(kāi)發(fā)的信息組合可被用來(lái)限制線纜的數(shù)目。
圖3的換能器陣列12可具有等于相同尺寸的傳統(tǒng)成像孔徑的分辨 率的分辨率。為了實(shí)現(xiàn)正好與該孔徑相同的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)(point-spread function)，合成發(fā)射孑l^圣陣歹寸中的變跡函數(shù)(apod i zing funct ion ) 被設(shè)定為等于傳統(tǒng)陣列的發(fā)射和接收變跡函數(shù)的乘積。
圖2示出了分離的發(fā)射和接收孔徑的另一例子。線性陣列的發(fā)射 元件30沿一個(gè)維度(諸如方位維度)被間隔。在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射 元件30的陣列形成沿其軸線被切成兩半的管狀的發(fā)射機(jī)。利用一維發(fā) 射陣列的發(fā)射元件30,波束在一個(gè)維度(例如高程)被散焦且在另一 維度(例如方位)可被聚焦，而不是在方位和在高程都發(fā)散的波束。 被聚焦的掃描在一個(gè)維度上被提供，但是如在圖2中設(shè)想的被散焦的 波束或合成發(fā)射孔徑可被用在另一維度。大的、彎曲的發(fā)射元件30可 提供更多功率密度。
接收孔徑被發(fā)射元件30分裂或分離。分離的多維陣列接收元件32 被提供在發(fā)射元件30的每側(cè)。盡管被示出通常為橢圓，其它孔徑形狀 (例如正方形或矩形)也可被提供。
一維陣列的發(fā)射元件30提供沿一維的聚焦。多維模式中的接收元件32可提供獨(dú)立的操作。為減少線纜計(jì)數(shù)，在方位聚焦但在高程未波 束形成的接收波束被使用。發(fā)射孔徑通常形成在方位聚焦和/或轉(zhuǎn)向 (steered)、但在高程未聚焦的聲能的平面。對(duì)于接收孔徑中的每個(gè) 高程定位，波束被在方位聚焦和/或轉(zhuǎn)向來(lái)形成。對(duì)于給定的發(fā)射和接 收事件，表示聲穿透平面的樣本是輸出而無(wú)需在高程波束形成。
圖4示出了另一換能器陣列12。在方位被定相的三個(gè)線性發(fā)射機(jī) 提供在方位的給定點(diǎn)處的緊密聚焦，同時(shí)保持在高程的大角度擴(kuò)展。 這種裝置可被視為虛擬線源。邊緣上的發(fā)射元件30形成兩個(gè)多維發(fā)射 陣列。對(duì)于cMUT，偏壓被用來(lái)在發(fā)散的垂直方向上進(jìn)行聚焦或轉(zhuǎn)向， 諸如在美國(guó)專(zhuān)利No. 7， 087， 023中所公開(kāi)的那樣，該美國(guó)專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi) 容通過(guò)結(jié)合引用于此?？商鎿Q地，可使用延遲或定相。發(fā)散波束通過(guò) 電子控制被形成，以提供在高程有某種或沒(méi)有聚焦的虛擬線源。兩個(gè) 或四個(gè)或更多發(fā)散陣列可被提供。
接收元件32包括也可被用作發(fā)射元件30的元件。可替換地，發(fā) 射陣列在接收陣列之上或之下。例如，在接收陣列之下的發(fā)射陣列沿 接收陣列邊緣的線將聲能聚焦。超過(guò)接收陣列，所發(fā)射的能量發(fā)散。 在高程，這些發(fā)散孔徑是散焦的，產(chǎn)生其原點(diǎn)在接收孔徑的任一端的 虛擬線源。
通過(guò)在時(shí)間上延遲圖4的三個(gè)發(fā)射機(jī)之一來(lái)產(chǎn)生方位波束，以產(chǎn) 生與那些在常規(guī)超聲掃描儀中類(lèi)似的波束。 一個(gè)或多個(gè)方位焦區(qū)被選 擇來(lái)以足夠的連貫性和景深覆蓋感興趣的深度范圍。在高程，發(fā)射孔 徑并不形成聚焦的波束。相反，發(fā)散的、圓柱形波被產(chǎn)生。由三次點(diǎn) 火合成高程孔徑 一次來(lái)自上部線源， 一次來(lái)自中間線發(fā)射機(jī)以及一 次來(lái)自下部源。
發(fā)射元件30的可選的中央陣列可供更好的近場(chǎng)掃描使用。單個(gè)陣 列或非虛擬線源允許在方位聚焦，諸如配備有虛擬線源。對(duì)于高程， 能量從發(fā)射元件的正面發(fā)散。與利用虛擬線源進(jìn)行的掃描分離，近場(chǎng) 掃描由發(fā)射元件30的中央陣列來(lái)提供。多個(gè)發(fā)射事件可被使用?？商?換地，全部三個(gè)發(fā)射陣列被用來(lái)合成高程孔徑，或者發(fā)射陣列沒(méi)有合 成地被4吏用。
對(duì)于自然組織諧波成像(NTHI)，響應(yīng)于在基頻的聲穿透的諧波 傳播和/或反射被檢測(cè)。然而，諧波響應(yīng)比在基頻的響應(yīng)弱。為了最大化發(fā)射功率，虛擬線源的偏壓線散焦可被改變來(lái)產(chǎn)生在高程以及在方 位會(huì)聚的波束。在這樣的裝置中，產(chǎn)生與在有透鏡的一維相控陣的聚 焦處類(lèi)似的、被發(fā)射的密度。
通過(guò)分離發(fā)射和接收元件30、 32,用于掃描的電子裝置的復(fù)雜性 可被減低。然而，在某些情況下，解剖學(xué)窗口太小而不能考慮到并不 使用陣列12的整個(gè)范圍來(lái)接收的換能器。圖5示出了可使用較少面積 的換能器陣列12的另一實(shí)施例。不是由與接收孔徑(見(jiàn)圖4)相組合 的頂部和底部的線源點(diǎn)火來(lái)產(chǎn)生共同陣列，而是發(fā)射元件30的虛擬線 源在接收孔徑之內(nèi)(諸如在中心)被提供。如果高程線源的間隔被減 少，則這可導(dǎo)致高度分辨率(elevation resolution)的某種損失。
在另一實(shí)施例中，陣列12的全部元件被用于發(fā)射和接收。發(fā)射和 接收元件30、 32是相同的元件。為抑制發(fā)射孔徑的復(fù)雜度，偏壓線極 性散焦被用于高程孔徑中，而波束形成聚焦被應(yīng)用到在方位的元件。 在高程的散焦考慮到使用在高程的合成發(fā)射孔徑。形成的虛擬線源被 定位在高程孔徑的中心，但也可被定位在孔徑內(nèi)的任何位置。可替換 地，集成發(fā)射機(jī)可為每個(gè)元件獨(dú)立地提供聚焦和散焦延遲。
圖6示出用在經(jīng)食管探針中的、圖2的換能器陣列12的一個(gè)實(shí)施 例。該換能器是具有集成預(yù)放大和方位波束形成的成人經(jīng)食管(TEE)的 設(shè)計(jì)。中心頻率是4. 5MHz。發(fā)射通過(guò)產(chǎn)生在方位的傳統(tǒng)聚焦的、64個(gè) 元件的、彎曲的PZT陣列54來(lái)完成。該P(yáng)ZT陣列54是半管式發(fā)射機(jī)。 在高程，PZT陣列54是彎曲的，使得緊密聚焦在接收cMUT陣列52的 表面處或其附近被產(chǎn)生。當(dāng)聲音傳播超過(guò)接收陣列52的表面時(shí)，發(fā)射 波束在高程散焦。
在圖2-6中，多維網(wǎng)格的接收元件32被提供。以NxM的矩形網(wǎng) 格來(lái)提供元件32,其中N和M都大于1。接收元件32形成完全采樣的 接收孔徑，但可以和稀疏采樣一起使用。接收孔徑可通過(guò)一個(gè)或多個(gè) 發(fā)射陣列分離，諸如接收孔徑在兩個(gè)或更多個(gè)不同的襯底上。
在一個(gè)實(shí)施例中，接收元件32是cMUT元件。用來(lái)形成膜和相關(guān) 聯(lián)的間隙的半導(dǎo)體襯底可集成電子裝置，諸如包含預(yù)放大、A/D轉(zhuǎn)換和 波束形成的接收通道電路。來(lái)自2D陣列的最大數(shù)量的信息是所期望的， 諸如通過(guò)提供盡可能少的波束形成。利用二維陣列，在給定2D孔徑大 小和尼奎斯特空間采樣的情況下，某個(gè)波束形成或信號(hào)組合可被用于減少數(shù)據(jù)率或接收機(jī)通道密度。集成電路技術(shù)可附加地或可替換地被 用于處理帶寬和所涉及的布線的密度。硅換能器通過(guò)被直接制造在單 片結(jié)構(gòu)的電子裝置的頂部而能夠以集成電路密度連接到芯片中。與陣 列在相同襯底上的電子裝置考慮到在輸出到其它電子裝置之前的至少 某個(gè)數(shù)據(jù)壓縮或波束形成。
在一個(gè)實(shí)施例中，預(yù)放大器和西格瑪-德?tīng)査?shù)轉(zhuǎn)換器被提供給 相同襯底上的每個(gè)元件，諸如直接在每個(gè)元件下。當(dāng)輸出時(shí)，這些信 號(hào)是數(shù)字的。如由應(yīng)用和/或系統(tǒng)性能所要求的、遞送或多或少的波束 形成的任何種類(lèi)的數(shù)字處理可被提供在相同的芯片或襯底上。帶寬和 動(dòng)態(tài)范圍可通過(guò)在轉(zhuǎn)換到數(shù)字前提供模擬形式的解調(diào)而被進(jìn)一步優(yōu) 化。
在另一實(shí)施例中，多維網(wǎng)格中的cMUT的完全采樣的接收貼片 (tile)被提供。該陣列使用不損害相同襯底上的電子裝置的低溫工 藝被建造。所述cMUT下的電子裝置包括預(yù)放大器、到基帶的I/Q混頻 器和包括時(shí)間變化增益的西格瑪-德?tīng)査嗀/D。這些電子裝置被集成在 相對(duì)應(yīng)的元件之下，使得只有數(shù)字信號(hào)穿過(guò)長(zhǎng)距離到達(dá)孔徑或襯底中 發(fā)生互連或數(shù)字處理的那側(cè)。
相同芯片上的、用于保存互連密度的數(shù)字處理電子裝置可提供帶 寬的減少，以考慮到通過(guò)光或電的方式到系統(tǒng)的連接。這種單片裝置 (IC+換能器)可為探針中的唯一的有源元件，或者其它芯片或電路被 提供在探針殼體中?？商鎿Q地，半導(dǎo)體襯底可考慮到與其它半導(dǎo)體(諸 如與倒裝芯片鍵合)的連接。在其它實(shí)施例中，PZT型元件被使用。電 路還可被連接在探針殼體10上或在其內(nèi)。
接收通道電路與接收元件32連接。接收通道電路應(yīng)用變跡、延遲 和/或模數(shù)轉(zhuǎn)換。在一個(gè)實(shí)施例中，使用了探針內(nèi)的電路，其被示出在
美國(guó)專(zhuān)利No_____或____(代理參考編號(hào)為2007P02360或2007P02358 )
中，這些美國(guó)專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合于此。接收通道電路對(duì)于 每個(gè)元件是相同的或不同的。例如，對(duì)于每個(gè)接收元件，接收通道電 路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器14、延遲和放大器。作為另一實(shí)例，來(lái)自接收元件 32的信號(hào)通過(guò)匹配放大器來(lái)調(diào)節(jié)，這些放大器應(yīng)用由模數(shù)轉(zhuǎn)換器14的 輸入規(guī)格和互連以及"芯片上，，線輸出放大器(on-chip line output amplifier)的特征所限定的增益和帶寬成形。接收通道電路在探針殼體IO之內(nèi)，諸如在相同的半導(dǎo)體、相同的 板中或者與陣列12分離。例如，模數(shù)轉(zhuǎn)換器14和/或波束形成器16 被形成在與用于陣列12的接收元件32的襯底相鄰或在其內(nèi)的一個(gè)或 多個(gè)半導(dǎo)體芯片中。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器14是以尼奎斯特速率或更高的速率采樣的多位轉(zhuǎn)換 器。在一個(gè)實(shí)施例中，使用過(guò)采樣轉(zhuǎn)換器(over sampling converter )，
諸如西格瑪-德?tīng)査D(zhuǎn)換器。例如，使用在美國(guó)專(zhuān)利No-----或___-(代
理參考編號(hào)為2007P02360或2007P02358 )中所公開(kāi)的轉(zhuǎn)換器14中的 任意轉(zhuǎn)換器，這些美國(guó)專(zhuān)利的公開(kāi)通過(guò)引用結(jié)合于此。單個(gè)轉(zhuǎn)換器14 被提供用于每個(gè)通道，諸如用于與多層PZT接收元件的連接。在其它 實(shí)施例中，利用外部采樣保持電路，多個(gè)轉(zhuǎn)換器14可被提供給每個(gè)通 道。
接收通道也可包括針對(duì)硅換能器的偏壓源。該偏壓源是直流電壓 源、分壓器、變壓器或其它現(xiàn)在已知或以后開(kāi)發(fā)的固定的或可編程的 偏壓的源。偏壓源可包括多路復(fù)用器。相同的或不同的偏壓被提供給 接收孔徑的每個(gè)元件。例如，不同的偏壓可被應(yīng)用來(lái)提供聚焦或散焦， 諸如在美國(guó)專(zhuān)利No. 7， 087， 023中所公開(kāi)的那樣。該偏壓也可被用于在
合成發(fā)射孔徑中的空間編碼。
波束形成器16可包括降頻轉(zhuǎn)換器(例如同相和正交解調(diào)器)、放 大器、延遲、相位旋轉(zhuǎn)器、加法器、過(guò)采樣重建濾波器(例如低通濾 波器)、尖峰形成濾波器(spiking filter)或其組合。例如，在美
國(guó)專(zhuān)利No_____或____(代理參考編號(hào)為2007P02360或2007P02358 )
中所公開(kāi)的波束形成器之一被提供。降頻轉(zhuǎn)換器被提供在模數(shù)轉(zhuǎn)換之 前或之后。過(guò)采樣的數(shù)據(jù)通過(guò)選擇與相對(duì)延遲相關(guān)聯(lián)的單位數(shù)據(jù)的窗 口被延遲。所延遲的數(shù)據(jù)被部分重建和抽取(decimated)。來(lái)自不同 通道的部分重建的數(shù)據(jù)隨后被求和，用于波束形成。波束形成的樣本 被進(jìn)一步重建和抽取，諸如被抽取到尼奎斯特速率。
可使用有或沒(méi)有基于西格瑪-德?tīng)査霓D(zhuǎn)換的其它波束形成器。例 如，尼奎斯特采樣值被變跡、相對(duì)延遲和跨通道地被求和。
波束形成器16可操作來(lái)至少部分地沿第一維波束形成，諸如在方 位波束形成。在其它維度(諸如高程)，波束形成器16輸出并行的采 樣?？商鎿Q地，部分波束形成(例如子陣列波束形成)沿多個(gè)維度被提供或者沒(méi)有執(zhí)行。
為了傳輸?shù)匠上裣到y(tǒng)，接口 18格式化波束形成器16所輸出的數(shù) 據(jù)。來(lái)自多個(gè)元件的數(shù)據(jù)被多路復(fù)用到至成像儀的串行光學(xué)連接中。 可使用頻率多路復(fù)用、時(shí)間多路復(fù)用或者無(wú)多路復(fù)用。無(wú)線或有線傳 輸可被使用。
發(fā)射電路(諸如脈沖發(fā)生器、波形發(fā)生器、開(kāi)關(guān)、延遲、相位旋 轉(zhuǎn)器、放大器和/或其它裝置)在探針殼體10之內(nèi)。來(lái)自成像系統(tǒng)的 控制信號(hào)控制發(fā)射電路的操作?？商鎿Q地，發(fā)射波形在探針殼體之外 被產(chǎn)生。
數(shù)據(jù)從探針殼體IO無(wú)線地或在一條或多條線上(例如同軸電纜或 總線)上被輸出。數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器20中。存儲(chǔ)器20是雙端口的 RAM或其它存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于三維方位通道、高程通道和樣本數(shù)目。
諸如數(shù)字信號(hào)處理器陣列、波束形成器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列或通 用處理器的處理器22完成波束形成功能。例如，執(zhí)行利用在高程維進(jìn) 行合成發(fā)射孔徑處理的波束形成。在方位維的進(jìn)一步波束形成也可被 提供。波束形成通過(guò)專(zhuān)用的波束形成硬件和/或通過(guò)軟件被提供。軟件 控制下的波束形成可不要求慣用的波束形成ASIC，并且可更容易地允 許引入新算法，而無(wú)需昂貴和耗時(shí)的ASIC重新設(shè)計(jì)。這樣的算法能夠 在波束空間或通道空間中操作，并且可運(yùn)行整個(gè)范圍的到簡(jiǎn)單波束形 成和流動(dòng)成像的高值加法?？商峁┗冃Ｕ?、運(yùn)動(dòng)校正的相關(guān)函數(shù)、 應(yīng)變成像(strain imaging)和矢量流、針對(duì)超分辨率的波束間濾波 (beam-to-beam f i 1 tering f or super-resolut ion )或自適應(yīng)偽像取 消(artifact canceling)。
來(lái)自處理器22的數(shù)據(jù)輸出被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器24中，諸如被存儲(chǔ)在 高速緩存、系統(tǒng)存儲(chǔ)器、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、光學(xué)介質(zhì)、圖形存儲(chǔ)器或其它 存儲(chǔ)器。數(shù)據(jù)表示波束，諸如具有方位波束、高程波束和樣本數(shù)目的 軸的數(shù)據(jù)陣列。輸出的波束形成的數(shù)據(jù)可替換地為笛卡爾坐標(biāo)格式。
顯示處理器26是圖形處理單元、通用處理器、數(shù)字信號(hào)處理器或 用于再現(xiàn)(rendering)的其它處理器。處理器26可把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到笛 卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)或由極坐標(biāo)格式的數(shù)據(jù)來(lái)再現(xiàn)。三維再現(xiàn)被執(zhí)行，諸如 通過(guò)表面再現(xiàn)或者投影(例如最大密度投影)。其它類(lèi)型的成像可被 提供，諸如二維成像或任意角度的剖面。其它工藝可被提供，諸如分割、降斑(speckle reduction)或其它濾波。
再參考圖6，示出了用于在高程的合成發(fā)射孔徑和在探針殼體10 內(nèi)針對(duì)方位的波束形成的換能器陣列12的一個(gè)實(shí)施例。發(fā)射和接收陣 列52、 54在中心頻率4. 5MHz是可操作的。接收陣列54的孔徑直徑是 大約9. 6mm。元件寬度是0. 6個(gè)波長(zhǎng)。最大成像深度是160mm。
探針殼體與成像系統(tǒng)之間的線纜的數(shù)目由接收多路復(fù)用來(lái)確定。 64將系統(tǒng)連接到彎曲的半管。發(fā)射機(jī)也可被用于接收，以避免返回聲 波的空間采樣中的間隙。發(fā)射陣列是在方位被間隔的64個(gè)元件的半管。 這些元件如所示出的那樣被成形(例如四分之一圓)，以在陣列尖端 或正面產(chǎn)生線源。對(duì)于48 x 48的接收陣列，2304個(gè)接收元件被提供。 邊緣上(諸如轉(zhuǎn)角處)的元件可被丟棄或不被使用，以減少接收元件 的數(shù)目，諸如減少到1666個(gè)接收元件。
使用在這里說(shuō)明的波束形成，64個(gè)發(fā)射事件被提供來(lái)掃描容積， 所述容積用于接收針對(duì)每個(gè)發(fā)射事件的單個(gè)方位波束(即該發(fā)射覆蓋 用于接收在一個(gè)方位角的平面之內(nèi)的波束的該方位角的那個(gè)平面)。 也就是說(shuō)，在傳統(tǒng)探針采集波束所花費(fèi)的時(shí)間上，換能器采集切片。 響應(yīng)于每個(gè)發(fā)射事件，可接收兩個(gè)或更多方位波束，諸如針對(duì)兩個(gè)或 更多(例如4個(gè))方位平面或角度進(jìn)行接收。例如，接收通道對(duì)于每 次發(fā)射可形成四個(gè)在方位上被間隔的波束，以減少掃描時(shí)間。1666個(gè) 接收元件被分組為子孔徑，用于在每個(gè)子孔徑內(nèi)的方位波束形成。每 個(gè)子孔徑包括全部孔徑的子集，例如在圖2中水平定向的一行元件。 這產(chǎn)生48個(gè)數(shù)字輸出。其它子孔徑方案是可能的。子孔徑波束形成發(fā)
生在探針殼體內(nèi)。通道數(shù)據(jù)作為每個(gè)子孔徑的部分波束形成的結(jié)果是 高程的輸出。在方位的波束形成被提供在陣列12處，以減少帶寬。高
程波束形成被提供在成像系統(tǒng)中。分辨率獨(dú)立于高程深度。
對(duì)于B-模式成像，每秒可掃描292個(gè)容積。對(duì)于具有超過(guò)發(fā)射孔 徑的X的8次點(diǎn)火(根據(jù)估計(jì)的脈沖重復(fù))的彩色或流動(dòng)成像，容積可 以每秒被掃描73次。這樣的掃描速率可允許基本上實(shí)時(shí)的三維心臟成 像。
可輸出通道數(shù)據(jù)，而不是部分波束形成的數(shù)據(jù)。例如，也可輸出 來(lái)自方位波束形成之前的方位通道數(shù)據(jù)。二維畸變校正可使用方位通 道數(shù)據(jù)。因?yàn)楦叱滩ㄊ纬煽赡懿辉谔结槡んw中發(fā)生，所以高程通道數(shù)據(jù)也可用于畸變校正。
圖6的實(shí)施例也示出了可選的冷卻管50、 56。氣體、液體或其它 物質(zhì)冷卻電子裝置和換能器陣列12。接收陣列54的楔形襯底協(xié)助把發(fā) 射能量聚焦為線源，該楔形襯底包括轉(zhuǎn)換器14和波束形成器16并具 有接收陣列54。這些結(jié)構(gòu)為了滿(mǎn)足監(jiān)管要求的操作可被冷卻。
如上面說(shuō)明的圖6提供了特定實(shí)施例。其它實(shí)施例可具有相同的 或不同的特征。
在一個(gè)實(shí)施例中，電容膜超聲換能器的基本上完全采樣的二維陣 列被用來(lái)成像。波束形成對(duì)于二維接收孔徑而在方位被執(zhí)行。在高程， 發(fā)射孔徑被合成。發(fā)射孔徑的合成對(duì)應(yīng)于使用稀疏發(fā)射孔徑(諸如點(diǎn) 或線)來(lái)與接收一起在區(qū)域中發(fā)射?？墒褂弥T如由以下文獻(xiàn)所公開(kāi)的 任何發(fā)射孑L徑合成..R. T- Hoctor和S. A- Kassam的"The unifying role of the coarray in aperture synthesis for coherent and incoherent imaging"(出版在IEEE Proc. ， 78(4)， 735-752 (1990)); F. Ahmad 和 S. A. Kassam 的 "Coarray analysis of wideband pulse—echo imaging systems " ( 1996 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 6， 3185-3188 ); G. R. Lockwood和F. S. Foster的"Optimizing sparse two-dimensional transducer arrays using an effective aperture approach" ( 出版在 Proceedings of the IEEE Ultrasonics. Symposium, 1497—1501 (1994)) ; S. Nikolov和J. A. Jensen的 "Application of different spatial sampling patterns for sparse-array transducer design" ( Ultrasonics 37(10)， 667—671， (2000)); EP1300690/WO0068931;或EP1194920/WO0068931。其它發(fā) 射孔徑合成可被用于高程或其它維度。
在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射點(diǎn)火以單個(gè)方位角采集2D數(shù)據(jù)集(高程平 面)。MZ波束產(chǎn)生焦區(qū)Z的容積,從而使得成像速度為大約每秒50/Z 個(gè)容積。高速容積采集可協(xié)助心臟病學(xué)診斷或其它醫(yī)療成像應(yīng)用。使 用沿一個(gè)維度的合成發(fā)射孔徑成像可提供整個(gè)所采集容積的聚焦，使 得給定換能器的孔徑和帶寬能從組織提取的所有信息可用，并且可使 得各種高級(jí)信號(hào)處理方法成為可能。
圖7示出了一種用于產(chǎn)生三維成像的超聲信息的方法。該方法利用圖1的系統(tǒng)或不同的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方法使用圖2-6的換能器陣列 12或不同的換能器陣列。不同的、更少的或附加的動(dòng)作可被提供。在 換能器探針殼體(例如60 - 70 )中所執(zhí)行的一個(gè)或多個(gè)動(dòng)作可在后端 系統(tǒng)中被執(zhí)行。這些動(dòng)作以所示的順序或不同的順序被執(zhí)行。
在動(dòng)作60，聲能被發(fā)射。為了進(jìn)行合成發(fā)射孔徑處理，聲能沿著 至少一個(gè)維度是基本上未聚焦的。"基本上未聚焦的"是來(lái)自要被成 像的最淺的深度的發(fā)散波束、平面波或者覆蓋多個(gè)掃描線(例如10個(gè) 或更多)的波束形狀。聲能可在其它維度被聚焦，諸如沿著一個(gè)或多 個(gè)(例如直到4個(gè))在方位上被間隔的掃描線或平面而在方位上被聚 焦。聚焦在要被成像的區(qū)域之內(nèi)。不同的維度在一個(gè)實(shí)施例中是正交 的(例如方位和高程)或者是非正交的(諸如相互間成銳角)。
發(fā)射響應(yīng)于被施加到至少一個(gè)元件的電波形被產(chǎn)生。不同的或相 同的波形可凈皮施加到多個(gè)元件。波形可相對(duì)地被定時(shí)和^皮變跡，以提 供想要的聚焦或聚焦不良?？商鎿Q地或附加地，有或無(wú)透鏡的發(fā)射孔 徑的元件的大小或數(shù)目提供了想要的聚焦或聚焦不良。
在一個(gè)實(shí)施例中，半管式發(fā)射孔徑提供沿著一個(gè)維度的發(fā)散的波 束形狀。沿著另一維度的元件陣列允許聚焦。在其它實(shí)施例中，單獨(dú) 的發(fā)射元件或小的發(fā)射元件陣列通常聲穿透要被成像的容積。聲穿透 可在任何方向上被聚焦成細(xì)波束、散焦波束或被聚焦在平面中，或著 是未聚焦的。
發(fā)射對(duì)于整個(gè)容積被執(zhí)行一次。在其它實(shí)施例中，發(fā)射對(duì)于整個(gè) 容積被執(zhí)行多次。發(fā)射對(duì)于容積內(nèi)的多個(gè)子區(qū)域中的每個(gè)可被重復(fù)一 次或多次，諸如對(duì)于沿著方位維度堆疊的多個(gè)平面中的每個(gè)發(fā)射一次 或多次。
在動(dòng)作62，聲回波響應(yīng)于發(fā)射被接收?；夭◤脑馐艿桨l(fā)射波束的 區(qū)域返回。因?yàn)榘l(fā)射波束沿著至少一個(gè)維度是未聚焦的，所以該區(qū)域 至少是平面區(qū)域，但也可為容積。接收對(duì)于每個(gè)發(fā)射被執(zhí)行，因此對(duì) 于相同或不同的容積或子區(qū)域可被重復(fù)。
利用多維換能器陣列執(zhí)行接收。在一個(gè)實(shí)施例中，陣列是微電子 機(jī)械元件，諸如是cMUT陣列或具有電相互作用的其它小的或納米級(jí)結(jié) 構(gòu)。該陣列是基本上完全取樣的，諸如被發(fā)射線性陣列分成兩半的接 收孔徑，其中每一半都被完全取樣。該陣列的元件把接收到的聲能換能成為電信號(hào)。
在動(dòng)作64,來(lái)自接收元件的電信號(hào)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。在一個(gè)實(shí) 施例中，執(zhí)行西格瑪-德?tīng)査D(zhuǎn)換，但也可提供其它轉(zhuǎn)換。西格瑪-德 爾塔轉(zhuǎn)換輸出單位樣本，但可提供多位樣本。在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于 每個(gè)元件僅僅執(zhí)行一個(gè)轉(zhuǎn)換，但是對(duì)每個(gè)接收元件的多個(gè)或并行轉(zhuǎn)換 也可被提供，以增加動(dòng)態(tài)范圍。
轉(zhuǎn)換發(fā)生在放大之前或之后。放大提供更可能在噪聲水平之上的 接收信號(hào)。放大和/或轉(zhuǎn)換可包括用于深度增益補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間變化水平。 在一個(gè)實(shí)施例中，在西格瑪-德?tīng)査D(zhuǎn)換器之內(nèi)的反饋水平根據(jù)用于實(shí) 現(xiàn)至少部分的深度增益補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間改變。可使用數(shù)字或模擬放大。
數(shù)字信號(hào)在轉(zhuǎn)換之后輸出，且任何濾波被波束形成和合成。波束 形成是部分的，或者針對(duì)少于整個(gè)孔徑被執(zhí)行。例如，在動(dòng)作68，沿 著一個(gè)維度(諸如在方位)提供波束形成。對(duì)于另一維度，使用合成 孔徑發(fā)射。對(duì)于這個(gè)維度所提供的波束形成與沿第一維度的波束形成 分離地或在其之后被執(zhí)行。
在動(dòng)作66，合成的信噪比可通過(guò)空間發(fā)射編碼、波束形成之前的 時(shí)間編碼(temporal coding)、運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償或其組合被增加。因?yàn)榘l(fā)射 孔徑可小于接收孔徑和/或與其分離，所以噪聲水平可大于更多聚焦的 發(fā)射波束。盡管大量數(shù)據(jù)可以較少數(shù)目的點(diǎn)火(例如在圖3中示出的 四個(gè)發(fā)射機(jī)中的每個(gè)的僅僅一次點(diǎn)火或者在圖2和6中示出的發(fā)射機(jī) 對(duì)于每個(gè)方位平面的一次或多次點(diǎn)火)來(lái)采集，但是信噪比可能由于 所發(fā)射能量的寬度而是更小的。如果成像儀具有面積為At的孔徑，且 每個(gè)散焦的發(fā)射機(jī)的面積是A。，則所發(fā)射的功率減少因子AT/AD。此夕卜， 發(fā)射孔徑的聚焦增益損失。這些效果(當(dāng)組合時(shí))可提供30dB的信號(hào) 損失。
在一個(gè)實(shí)施例中，信噪比通過(guò)空間編碼增加。發(fā)射能量通過(guò)同時(shí) 從不同的發(fā)射孔徑進(jìn)行發(fā)射而增加，諸如從圖3的四個(gè)發(fā)射陣列進(jìn)行 發(fā)射。任何空間編碼可被使用，諸如在美國(guó)專(zhuān)利No. 5, 851, 187和 6， 048， 315中所公開(kāi)的那樣，這些美國(guó)專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合于 此。在沒(méi)有編碼的情況下，圖像可通過(guò)來(lái)自在圖3的分離的點(diǎn)火上的 四個(gè)發(fā)射元件30中的每個(gè)的數(shù)據(jù)的總和來(lái)形成?？臻g編碼允許一次用 全部四個(gè)發(fā)射元件30來(lái)發(fā)射，從而可能恢復(fù)6dB的信噪比。四次點(diǎn)火仍然被使用，但是來(lái)自每個(gè)元件的聲能在相位、極性或其它編碼矩陣
方面是不同的。接收到的信號(hào)的信號(hào)處理分離出與不同的發(fā)射元件30 相關(guān)聯(lián)的反射。解碼是編碼矩陣的逆矩陣和數(shù)據(jù)的乘法。 一個(gè)矩陣是 阿達(dá)瑪(Hadamard)矩陣。
在另一實(shí)施例中，時(shí)間編碼被用來(lái)增加信噪比。脈沖壓縮(即具 有長(zhǎng)時(shí)間帶寬乘積的發(fā)射代碼的使用)允許將信號(hào)與不同發(fā)射元件30 分離。諸如chirps、 Golay代碼和Barker代碼的各種編碼方案可被使 用。通過(guò)在波束形成之前執(zhí)行"尖峰形成濾波"或?qū)νǖ罃?shù)據(jù)執(zhí)行代 碼操作的求逆，可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的時(shí)間帶寬乘積，伴隨信噪比的改善。 為了更低的成本解決方案，可在波束形成或部分波束形成之后應(yīng)用該 求逆。時(shí)間不變性的缺乏可限制可實(shí)現(xiàn)的時(shí)間帶寬乘積。
在另一實(shí)施例中，信噪比通過(guò)改變用于空間編碼的cMUT換能器的 偏壓來(lái)增加。如果多點(diǎn)火的多路復(fù)用換能器(multi-firing multiplexed transducer)(見(jiàn)圖5)或其它c(diǎn)MUT換能器陣列被使用， 則通過(guò)使用cMUT特定的、僅僅接收的、類(lèi)似于空間發(fā)射編碼的實(shí)施方 案能夠增加信噪比。不是從由芯片上MUX所選擇的某元件接收，而是 選擇一組元件。為了說(shuō)明，考慮2x2的元件矩陣。在四次點(diǎn)火之上， 偏壓極性被切換到一模式，使得接收到的數(shù)據(jù)的線性組合由每個(gè)元件 再建該信號(hào)。例如可使用阿達(dá)瑪編碼。因?yàn)樵趦H僅MUX的情況下會(huì)使 用四次點(diǎn)火來(lái)收集數(shù)據(jù)，所以在采集速率方面沒(méi)有增加。對(duì)于每次點(diǎn) 火，接收區(qū)域活動(dòng)四次，從而導(dǎo)致6dB的SNR增益。更大的處理增益 可從選擇更大的子孔徑中獲得。
在另一實(shí)施例中，信噪比通過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償被增加。來(lái)自順序發(fā)射機(jī) 點(diǎn)火的數(shù)據(jù)被連貫地組合，如果F是增加的點(diǎn)火數(shù)目，則產(chǎn)生10 1og,。 F dB的改善。對(duì)F>4 (大概地)，組織運(yùn)動(dòng)被預(yù)測(cè)來(lái)保存連貫性。對(duì) 于多次點(diǎn)火，數(shù)據(jù)之間的連貫性應(yīng)該在整個(gè)容積上被保持，因?yàn)槊看?點(diǎn)火對(duì)整個(gè)容積都有貢獻(xiàn)，而不是如在波束間掃描儀中那樣僅僅對(duì)單 個(gè)波束有貢獻(xiàn)。
組織運(yùn)動(dòng)通過(guò)相關(guān)來(lái)確定，諸如使用絕對(duì)差的最小和來(lái)搜索最佳 匹配。其它運(yùn)動(dòng)估計(jì)技術(shù)可被使用，諸如數(shù)據(jù)集之間的互相關(guān)。數(shù)據(jù) 在組合之前被移位來(lái)抵消發(fā)射事件之間的運(yùn)動(dòng)。橫向運(yùn)動(dòng)可通過(guò)零滯 后自相關(guān)方法來(lái)估計(jì)?？墒褂眉夹g(shù)的組合。在其它實(shí)施例中，沒(méi)有提供用于增加信噪比 的附加過(guò)程。
在動(dòng)作68,提供了接收波束形成。在一個(gè)實(shí)施例中，接收波束形 成對(duì)于整個(gè)孔徑是完整的。在其它實(shí)施例中，接收波束形成是部分的， 諸如在多個(gè)子孔徑中的每個(gè)之內(nèi)的波束形成。部分波束形成的另一例 子是對(duì)于在多維陣列中的接收，沿著一個(gè)維度進(jìn)行波束形成。相對(duì) 延遲和變跡沿著一個(gè)維度(諸如方位)被應(yīng)用，或者子孔徑的某個(gè)其 它形狀被配置，諸如矩形或六邊形。相對(duì)延遲的和變跡了的接收信號(hào) 被求和。沿著該維度的波束形成聚焦和/或轉(zhuǎn)向沿著該維度的接收波 束。在其它維度，不提供波束形成或提供不同的波束形成。在一個(gè)例 子中，每個(gè)高程間隔的波束形成的輸出對(duì)應(yīng)于二維平面的樣本，所述 二維平面以被轉(zhuǎn)向的角度沿著第二維度(例如高程)延伸。
在一個(gè)實(shí)施例中，部分接收波束形成利用元件的間隔子陣列而在 方位被執(zhí)行。每個(gè)子陣列對(duì)應(yīng)于在聚焦方向(例如方位)上延伸的一 行元件。多于一行的元件可被包括在一個(gè)或多個(gè)子陣列中。子陣列均 沿著接收孔徑的整個(gè)方位范圍延伸?？商鎿Q地，多個(gè)子陣列沿著方位 #皮間隔。
部分接收波束形成被換能器探針中的電路執(zhí)行。波束形成是模擬 的或數(shù)字的。對(duì)于數(shù)字波束形成，電信號(hào)利用西格瑪-德?tīng)査D(zhuǎn)換器、 過(guò)采樣轉(zhuǎn)換器或多位轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換。
在動(dòng)作70，波束形成的信號(hào)從探針殼體被傳輸?shù)匠上裣到y(tǒng)、計(jì)算 機(jī)或其它裝置。該傳輸是通過(guò)分離的線纜進(jìn)行的，諸如針對(duì)每個(gè)子陣 列波束和的線纜。在其它實(shí)施例中，該傳輸是通過(guò)總線，針對(duì)串行發(fā) 射被多路復(fù)用或被無(wú)線發(fā)射。由于部分波束形成，要被發(fā)射的、來(lái)自 多維接收孔徑的數(shù)據(jù)量被減少?？商鎿Q地，進(jìn)一步的處理(諸如在其 它維度的波束形成)為了進(jìn)一步的數(shù)據(jù)減少而在探針殼體中被執(zhí)行。
在動(dòng)作72，完整的波束和被確定。來(lái)自子陣列的數(shù)據(jù)輸出相對(duì)地 被延遲和被變跡。所得到的樣本被求和。利用高程子陣列和前面的在 方位的部分波束形成，波束形成沿著高程維度被執(zhí)行。
與換能器探針?lè)蛛x的成像系統(tǒng)(諸如計(jì)算機(jī))執(zhí)行波束形成。因 為提供以沿一個(gè)維度部分波束形成為形式的通道數(shù)據(jù)被提供，所以通 道相關(guān)過(guò)程可在波束形成之前被執(zhí)行。高程孔徑被合成。多階段波束形成是數(shù)字的。數(shù)字重建對(duì)于容積的三維成像實(shí)時(shí)地 被提供。波束形成的數(shù)據(jù)被再現(xiàn)。例如，數(shù)據(jù)被插值或變換為平均間 隔的網(wǎng)格。數(shù)據(jù)通過(guò)投影或表面再現(xiàn)而被再現(xiàn)?？商鎿Q地，可提供二 維成像。
雖然本發(fā)明通過(guò)參考各種實(shí)施例已經(jīng)在上面被說(shuō)明，但是應(yīng)該被 理解的是，許多變化和修改能夠被做出，而沒(méi)有偏離本發(fā)明的范圍。 如在這里使用的那樣，"與...連接"包括直接的或間接的連接。例如， 一個(gè)或多個(gè)硬件或軟件部件可在兩個(gè)相連的部件之間。
因此意圖是上述的詳細(xì)說(shuō)明被視為示意性的而不是限定性的， 并且應(yīng)該被理解的是是隨后的權(quán)利要求(包括所有等價(jià)物)意圖來(lái) 限定本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1. 一種用于產(chǎn)生三維成像的超聲信息的方法，該方法包括對(duì)于二維接收孔徑，在方位進(jìn)行波束形成(68)；以及在高程合成(72)發(fā)射孔徑。
2. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其中，波束形成(68)和合成(72) 包括采集(60)表示與單個(gè)發(fā)射成方位角的高程平面的數(shù)據(jù)組。
3. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其中，波束形成(68)包括利用 基本上完全采樣的、電容膜超聲換能器(12)的二維陣列進(jìn)行波束形 成(68)。
4. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其中，波束形成(68)包括在 方位對(duì)間隔的子陣列進(jìn)行部分波束形成(68)，在換能器(12)探針 之內(nèi)進(jìn)行部分波束形成(68);并且其中，合成(72)包括在與換能 器(12)探針?lè)蛛x的成像系統(tǒng)之內(nèi)在高程進(jìn)行合成(72)。
5. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其中，波束形成(68)和合成(72) 包括重復(fù)地發(fā)射(60 )基本上沿第一維未聚焦并沿第二維聚焦的聲能； 響應(yīng)于發(fā)射(60)，利用基本上完全采樣的、微電子機(jī)械元件的 二維陣列來(lái)重復(fù)地接收(62)。
6. 按照權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括 西格瑪-德?tīng)査?shù)轉(zhuǎn)換(64 )接收到的電信號(hào)，所述波束形成(68 )和合成(72)對(duì)被轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行操作。
7. 按照權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括 從半管式發(fā)射孔徑發(fā)射(60);以及用在基本上完全采樣的、裂口接收孔徑中的元件的二維陣列接收 (62)，裂口是橫過(guò)半管式發(fā)射孔徑。
8. 按照權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括 通過(guò)空間發(fā)射編碼、在波束形成(68)之前的時(shí)間編碼、對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償或其組合來(lái)增加(66)合成(72)的信噪比。
9. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其中，波束形成(68)和合成(72) 響應(yīng)于電容膜超聲換能器(12)的二維陣列；進(jìn)一步包括通過(guò)改變換能器(12)的偏壓進(jìn)行空間編碼。
10. —種用于醫(yī)療診斷超聲成像的超聲換能器(12)陣列，所述 換能器(12)陣列包括探針殼體(10);在探針殼體(10)上或在探針殼體(10)內(nèi)的、電容膜超聲換能 器(12)元件的二維網(wǎng)格；多個(gè)接收通道電路，其與所述元件相連接并且可操作來(lái)沿著第一 維至少部分地波束形成，所述接收通道電路在探針殼體(10)之內(nèi)； 以及與所述二維網(wǎng)格的元件分離的至少一個(gè)發(fā)射元件(30)，發(fā)射元件 (30)可操作來(lái)產(chǎn)生沿不同于第一維的第二維基本上未聚焦的波束。
11. 按照權(quán)利要求IO所述的換能器(12)陣列，其中，接收通道電路可操作來(lái)在笫二維輸出并行采樣。
12. 按照權(quán)利要求IO所述的換能器(12)陣列，其中，至少一個(gè) 發(fā)射元件(30)包括在換能器(12)元件的接收孔徑之外的多個(gè)元件。
13. 按照權(quán)利要求IO所述的換能器(12)陣列，其中，至少一個(gè) 發(fā)射元件(30)包括壓電元件。
14. 按照權(quán)利要求IO所述的換能器(12)陣列，其中，至少一個(gè) 發(fā)射元件(30)包括半管式發(fā)射機(jī)。
15. 按照權(quán)利要求IO所述的換能器(12)陣列，其中，至少一個(gè) 發(fā)射元件(30)包括沿第一維間隔的發(fā)射元件(30)的線性陣列，并 且其中所述二維網(wǎng)格通過(guò)所述線性陣列分離。
16. 按照權(quán)利要求IO所述的換能器(12)陣列，其中，所述接收 通道電路包括西格瑪-德?tīng)査?shù)轉(zhuǎn)換器(14)。
17. 按照權(quán)利要求IO所述的換能器(12)陣列，其中，所述接收 通道電路包括可操作來(lái)為了進(jìn)行空間編碼而改變偏壓極性的偏壓源。
18. —種用于產(chǎn)生三維成像的超聲信息的方法，所述方法包括 發(fā)射(60)沿第一維聚焦和沿不同于第一維的第二維未聚焦的聲能；在元件的子陣列進(jìn)行部分接收波束形成(68)，所述部分接收波 束形成(68)形成表示沿與第一維成一定角度的第二維延伸的二維平面的數(shù)據(jù)；然后沿著第二維進(jìn)行波束形成(72)。
19. 按照權(quán)利要求18所述的方法，其中，部分接收波束形成(68) 包括在換能器(12)探針之內(nèi)的部分接收波束形成(68)，并且其中， 波束形成(72)包括在與換能器(12)探針?lè)蛛x的成像系統(tǒng)中的波束 形成(72)。
20. —種用于醫(yī)療診斷超聲成像的超聲換能器(12)陣列，所述 換能器(12)陣列包括探針殼體(10);在探針殼體(10)上或在探針殼體(10)內(nèi)的、電容膜超聲換能 器(12)元件的多維網(wǎng)格，所述元件在襯底上或在襯底中；在所述襯底上或在所述襯底中的多個(gè)西格瑪-德?tīng)査?shù)轉(zhuǎn)換器 (14 );以及多個(gè)接收通道電路，所述多個(gè)接收通道電路與轉(zhuǎn)換器(14)連接 并且可操作來(lái)沿著至少第一維至少部分波束形成，所述接收通道電路 在探針殼體(10)中。
21. 按照權(quán)利要求20所述的超聲換能器(12)，進(jìn)一步包括在襯 底上或在襯底中的多個(gè)預(yù)放大器，并且所述多個(gè)預(yù)放大器電連接在所 述元件和轉(zhuǎn)換器(14)之間。
22. 按照權(quán)利要求20所述的超聲換能器(12)，進(jìn)一步包括電連 接在所述元件和轉(zhuǎn)換器(14)之間的多個(gè)混頻器。
23. 按照權(quán)利要求20所述的超聲換能器(12)，其中，所述接收 通道電路在所述襯底上或在所述襯底中。
24. 按照權(quán)利要求20所述的超聲換能器(12)，其中，所述元件在多維網(wǎng)格中是完全采樣的。
全文摘要
為了產(chǎn)生表示容積的信息，共同陣列或合成發(fā)射孔徑過(guò)程(72)在一個(gè)維度被執(zhí)行，且波束形成(68)在另一維度被執(zhí)行。例如，發(fā)射孔徑在方位聚焦，但在高程是未聚焦的或發(fā)散的。多維陣列(12)接收所反射的回波。所述回波對(duì)于在方位聚焦的子陣列被波束形成(68)。所得到的部分波束形成的信息被從探針殼體(10)提供給成像系統(tǒng)，用于完成至少在高程的波束形成(72)。
文檔編號(hào)G01S15/89GK101443678SQ200780014968
公開(kāi)日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2007年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月26日
發(fā)明者C·M·W·達(dá)夫特, I·拉達(dá)鮑姆, P·A·沃納, 劉東來(lái) 申請(qǐng)人:美國(guó)西門(mén)子醫(yī)療解決公司