專利名稱：改進的超聲換能器的制作方法
技術領域：
本發明涉及實時醫學超聲成像系統。具體地涉及采用電機驅動陣列的這樣的系統的實施方式。
背景技術：
超聲是用于產生體內器官的圖像掃描的非侵入性技術。有許多類型的實時超聲系統支持各式各樣的超聲換能器。這些系統可分成電子系統和機械系統，電子系統諸如充分利用電子技術來形成波束和引導超聲波束的相控陣列換能器、曲線陣列換能器和線性陣列換能器；機械系統中，換能器或換能器陣列被機械地移動以引導波束。機械掃描儀是實時成像系統傳統上最簡單的和最便宜的類型。這些系統使用一個或多個壓電晶體，所述壓電晶體發射感應超聲信號，并接收從成像主體返回的回聲。為了使其有效，超聲信號有顯著的方向性并可被描述為超聲波束。利用電磁電機以重復的方式移動晶體以便波束覆蓋要被成像的區域。電機可以是任何類型，這取決于所需要的運動特征。 已知有使用步進電機、DC電機和線性電機的裝置。一般地，機械超聲掃描儀采用兩種技術中的一種來移動波束和產生圖像。第一種技術是旋轉輪換能器，其中一個或多個晶體旋轉360°使得從晶體發射的波束掃出圓形。該圓的扇區組成要被成像的區域。只有當該扇區被掃過時才發射和接收超
聲信號。第二種類型的機械超聲掃描儀采用振動換能器，其中單個晶體通過電磁電機來回移動使得由換能器發射的超聲波束掃過感興趣的區域。—百多年以前發明了電磁電機。這些電機仍然在工業中占據著重要的位置，但應該被視為到了技術發展的極限。在機械驅動的超聲掃描儀中的性能改進不能期望于在這樣的電機中的逐步改進。傳統的電磁電機難以以非常小的尺寸制造出來，而這對于在便攜式超聲探測器中使用是非常期望的。電磁電機很難精確地控制且具有較低的位置分辨率。它們還具有高速和低轉矩特征并具有較慢的響應。電磁電機中的各種局限性引起當前的單晶機械換能器的許多問題。這樣的換能器易于受到配準偽影的影響，因為電機空轉發生的虛假的明顯的反射，因此產生于連續的掃描的圖像幀可能不完全一致。這也可能導致使圖像看起來令人疲勞的圖像抖動。電機有噪音且將振動傳遞到與患者接觸的超聲探測器。這可使患者感到不安或不舒服。另外，由于電機中的搖晃和位置誤差，任何形式的多普勒成像都是不可行的。不使用電機的電子系統包括相控陣列換能器、曲線換能器和線性換能器，它們克服了機械系統的許多問題，包括圖像配準、執行多普勒成像的能力、振動和噪聲。然而，電子系統具有其他缺點。它們制造起來更加昂貴，具有相對較高的功率消耗，以及它們相對較大，因為，為了實現令人滿意的性能，它們包括大量換能器元件和相關的電子通道。本發明的公開內容在本發明的一種形式中，提出了一種類型的超聲換能器探測單元，所述超聲換能器探測單元包括主體部分以及用于發射和接收超聲波信號的至少一個換能器，所述換能器以重復的運動相對于主體部分機械移動以聲穿透區域，其中換能器的運動能夠被控制以小于1毫米的誤差返回到相對于主體部分的選定位置。超聲波電機的運動非常精確，并能夠被定位到納米級精度。超聲波電機具有極好的響應時間，因此能夠迅速地移動和停止。在另一優選形式中，可以說本發明在于超聲換能器探測單元，該超聲換能器探測單元包括主體部分和至少一個用于發射和接收超聲波信號的換能器，其中換能器通過超聲波電機以重復的運動相對于主體部分移動。超聲多普勒分析給出關于要素(通常是要成像的身體內的血液的運動)的信息。 若換能器本身隨著開動的電磁電機的振動而移動，則不能獲取有用的信息。從多條掃描線中提取多普勒信息。因此，能夠精確地從身體的相同區域獲取重復的掃描線是必要的。優選地，所述探測單元適于產生適合處理的掃描線數據，以允許顯示門控多普勒、 功率多普勒、脈沖波多普勒、彩色多普勒和雙工多普勒信息中的至少一個。在線性陣列換能器超聲探測器中，為了提供較高分辨率的圖像而不犧牲圖像的覆蓋范圍；或為了提供較寬的圖像覆蓋范圍而不犧牲分辨率，需要更多的掃描線并因此需要更多的換能器元件。提供附加的元件是昂貴的。較大的換能器本身就比較昂貴，而且接入和控制附加元件所需要的附加的配線和電子器件(通常稱為通道)也是昂貴的。具有較少的、相對較遠地分開設置的元件的陣列換能器用較少的成本提供良好的圖像寬度，但犧牲了圖像中的掃描線的數量并因此犧牲了橫向分辨率。在另一形式中，可以說本發明在于包括換能器的陣列的超聲成像裝置，其中相鄰的換能器之間的距離大于產生具有選定分辨率的超聲圖像所需要的相鄰掃描線的最小間距，該裝置適于產生至少具有所選定的分辨率的超聲圖像。不管換能器陣列的稀疏性質，提供所期望的分辨率的能力通過換能器陣列的機械運動來實現。在另一優選形式中，可以說本發明在于包括具有換能器陣列的超聲換能器單元的超聲換能器探測單元，其中換能器單元適于以往復運動沿著線性軸移動選定的線性距離， 在沿著線性軸的換能器之間的線性間距具有與所述線性距離類似的大小，所述換能器單元適于操作以在每一往復運動期間獲取多條掃描線。優選地，往復運動由多個分離的步驟組成，只有當所述換能器靜止時才獲取掃描線。優選地，換能器的運動由線性超聲波電機驅動。可選地，換能器的運動由旋轉超聲波電機驅動。在另一形式中，可以說本發明在于超聲掃描的方法，其中提供了具有至少一個超聲換能器的陣列，該換能器通過超聲波電機以重復的運動相對要成像的身體移動，產生用于顯示的超聲圖像，該圖像包括通過換能器在沿著該運動的路徑上的連續點處所獲取的掃描線，每一換能器向圖像提供多條掃描線。
優選地，所述方法還包括以下步驟用戶選擇作為多普勒窗口的圖像區域；移動換能器并獲取圖像掃描線，控制換能器在停止位置停止使得由換能器獲取的掃描線將落入多普勒窗口，換能器在停止位置獲取用于多普勒和光譜處理的多條掃描線，再次移動換能器并獲取掃描線，換能器返回到停止位置并獲取用于多普勒和雙工處理的另外的多條掃描線，以足以允許繼續多普勒成像的精度來使換能器返回到停止位置，處理掃描線以向用戶提供具有多普勒信息的超聲圖像的顯示。附圖的簡要描述圖Ia示出現有技術的換能器。圖Ib示出在圖Ia中示出的現有技術類型的換能器的超聲場的示意圖。圖加示出現有技術的線性分段陣列換能器的示意圖。圖2b示出在圖加中示出的現有技術類型的換能器的超聲場的示意圖。圖3示出包含本發明的超聲掃描設備。圖4示出圖3的掃描頭的換能器滑動器。圖fe示出根據本發明的超聲換能器陣列的示意圖。圖恥示出圖4的超聲換能器滑動器的運動的示意圖。圖6a示出本發明的曲線型換能器陣列的示意圖。圖6b示出圖6a的超聲換能器滑動器的運動的示意圖。圖7a、7b、7c示出根據本發明的換能器陣列滑動器的三種可能的布置的示意圖。圖示出包含本發明的使用線性超聲波電機的換能器頭的橫截面圖。圖8b示出包含旋轉電機的超聲探測單元掃描頭的剖視圖。圖8c示出包含直接驅動環狀換能器陣列的旋轉超聲波電機的實施方式的示意圖。圖9示出具有曲線形的換能器和包括連接到主顯示器的USB接口的超聲探測單元掃描頭的系統框圖。
圖10示出具有單通道超聲元件和包括連接到主顯示器的USB接口的超聲探測單元掃描頭的系統框圖。圖11示出具有曲線形的換能器及包括陀螺儀和連接到主顯示器的USB接口的超聲探測單元掃描頭的系統框圖。圖12示出包括到主顯示器的無線接口的超聲探測單元掃描頭的可選實施方式的系統框圖。圖13示出具有集成的顯示器的超聲探測單元掃描頭的系統框圖。圖14是FPGA定時和控制單元的框圖。圖15是圖1中的系統的DSP軟件的框圖。圖16a、16b和16c示出可包含在本發明的設備中的不同的換能器形狀的掃描轉換要求。圖17示出多普勒處理窗口。實現本發明的最佳方式圖Ia示出在早期的超聲掃描儀中使用的簡單的、單晶超聲換能器的示意圖。該換能器具有探測單元主體100，探測單元主體100支撐圓形的超聲晶體101。該晶體相對較大。
圖Ib示出圖Ia中的單元的橫截面，其表示出由換能器產生的超聲場。該布置具有幾個可利用的特征。由晶體產生的超聲波束在波束在遠場103中發散之前具有相對較長的、均勻的近場102。橫向分辨率在非發散場是最佳的，因此較長的近場是有利的。此外，遠場的發散相對較慢，當與具有較快地發散的遠場的換能器相比時，這提高了在該區域中的橫向分辨率。然而，這樣的布置只產生一條掃描線。為了掃描一區域，有必要在要掃描的整個區域上移動換能器，從而在不同的位置獲取掃描線，并且有必要保持對運動的非常精確的跟蹤使得掃描線能夠以正確的空間關系顯示以形成超聲圖像。這可使用具有精確的位置控制的大型的關節臂實現。這些是有效的，但嚴重限制了能夠部署超聲的方式和位置。為了避免需要這樣的臂，使用晶體陣列以形成換能器將是可行的。這將允許不使用笨重的關節臂來掃描區域，或者不需要跟蹤位置探頭，因為晶體之間的位置關系，因此掃描線，將是固定的。然而，大型晶體意味著將從掃描區域收集相對較少的掃描線，這顯著減少了圖像的實用性。在實踐中，通過使用分段線性陣列解決該問題，如在圖2中圖示的。分段線性陣列由單個的、矩形塊的壓電材料201制成的換能器組成。該壓電材料被分成若干單獨的換能器元件202。每一元件被獨立地電連接到超聲驅動電子器件，并可被單獨地激勵以產生掃描線 203。與圖1中的晶體的寬度相比，每一單獨的元件相對狹窄，從而允許從給定的區域收集更多的掃描線。然而，較小的換能器元件具有較少可利用的波束形狀。如在圖2b中所示，波束203 具有較短的近場205以及更發散的遠場204。這導致橫向的分辨率降低，使其不可利用。現有技術包括以下方案，即涉及將元件按組激發以改善波束形狀以及按非常特定的模式激發元件以形成和電引導波束穿過掃描區域。在現有技術中，每一換能器元件的信號與若干鄰近的元件(通常為32個)的信號組合，以產生一條掃描線。所有這些方案導致對由原始裝置的圓形晶體換能器提供的接近理想的波束形狀的妥協。精密的控制和信號處理技術被用于抵消這些問題，但這些技術引入了額外的成本和復雜度。由于需要提供大量的換能器元件(每一換能器元件需要精確的、匹配的電連接)，這些方案同時使換能器的物理設計引入了非常大的復雜度和成本。現在參考圖3，其示出了包含本發明的實施方式的超聲成像裝置300的示圖。該成像裝置包括顯示單元301和探測單元302。這些通過通信電纜303連接。顯示單元具有顯示器304。顯示屏可以是觸摸屏，其允許用戶控制顯示單元和探測單元的功能。在圖示的實施方式中，控制構件306被以按鈕和滾輪的形式設置在顯示單元上。控制構件305被設置在探測單元上。這兩個控制構件之一可以沒有。探測單元302包括或被連接到探測單元掃描頭308。掃描頭308包括換能器，其沒有限制，可以是具有多個換能器元件的陣列換能器、單個元件換能器或分開的、單獨的換能器的陣列。掃描頭308包括前面板307，該前面板307在掃描期間接觸患者。前面板是透聲的。在換能器元件和要成像的身體之間提供最好的可行的聲耦合是可取的。在使用中，探測單元緊靠患者的身體，其鄰近要被成像的身體的內部，前面板307與患者的皮膚接觸。在探測單元中的電子器件刺激來自換能器的超聲能量的發射。該波束由要被成像的特征作為回聲反射回換能器。換能器接收這些回聲，所述回聲被放大并被轉換成數字的掃描線數據。裝置300可手持使用。探測單元和顯示單元具有可舒服地握在用戶手中的大小和重量。探測單元的重量小于500克，優選小于200克。在優選實施方式中，該裝置的總重量小于500克。探測單元和顯示單元可用多種方式成形，但為了方便手持使用，每一單元的線性尺寸不超過15厘米。優選地，線性尺寸不超過12厘米。在另外的優選實施方式中，線性尺寸不超過10厘米。圖4示出圖3中的超聲掃描裝置探測單元的掃描頭。掃描頭401包括換能器滑動器402，所述換能器滑動器402具有換能器晶體404。可具有少至一個換能器晶體，其最大數量僅受到實際考慮的成本、大小和復雜度的限制。通過導軌403引導并限制滑動器以往復方式運動。滑動器在使用中以往復方式被驅動，以使來自換能器的波束覆蓋要成像的區域。 可以通過任何方便的方式驅動滑動器做往復運動。在優選實施方式中，電機使換能器移動以使超聲波束掃過要成像的區域。用于控制電機的電子器件設置在探測單元中。電機可以是線性電機或旋轉電機。在優選實施方式中，線性電機是線性超聲波電機。在另一實施方式中，旋轉電機是超聲波電機。在優選實施方式中，線性電機是線性超聲波電機。線性超聲波電機可以是駐波型或行波型，如在超聲波電機領域中的技術人員所了解的。超聲波電機通過激勵振動部分的振動而工作。該振動部分可以是定子或者滑動器，但最常見的是定子。滑動器或沖頭等效于旋轉電機中的轉子。在電動機械的電機中，滑動器和定子之間的接觸是不需要的，但在超聲波電機中，這樣的接觸是提供原動力所必要的。定子和滑動器通常通過彈簧加載被綁定在一起。有兩種主要類型的超聲波電機——駐波型和行波型。在駐波型中，駐波被引入定子。在定子的表面上存在具有相同的期望的振動方向和幅度的點。在這些點處應用或形成觸頭或推動器。與滑動器的摩擦接觸只在這些點發生， 這導致在滑動器提供一連串的有角微脈沖，從而在期望的方向上推動滑動器。相比較而言，行波型結合了在時間和空間上都具有90度相位差的兩種駐波。在定子中引入行波。在這種情況下，定子的任何表面粒子由于縱波和橫波的耦合以橢圓軌跡行進。定子和滑動器之間的接觸沿著滑動器的長度，所述滑動器被連續驅動。在本說明書中使用術語“超聲波電機”。對具有相同的工作原理但在大小、配置和 /或應用方面有所改變的裝置可使用其他術語。這些術語包括但不限制于壓電電機、壓電制動器、壓電驅動器和超聲波制動器。在本說明書中所使用的術語“超聲波電機”涵蓋可用于描述可用于執行本發明的由超聲波驅動而運動的裝置的所有這些以及任何其他可能的術語。在一實施方式中，電機是電磁電機。可將聲學匹配的潤滑劑設置在掃描頭的前面板409的內側，以填充換能器元件 404和面板409之間的間隙。
9
在另一實施方式中，具有低摩擦系數和聲學匹配特性的固體材料條被設置在掃描頭的前面板409的內側，以填充換能器元件404和面板409之間的間隙。在該實施方式中，換能器陣列是具有8個壓電元件的陣列。在其他實施方式中，可采用其他數量和其他類型的換能器元件。在特定的實施方式中，可使用電容式微機械超聲波換能器(CMUTS)。在傳統的線性陣列換能器超聲探測器中，每一換能器元件按具有若干鄰近的元件的組(通常為32個)進行激發，以產生一條掃描線。掃描線之間的橫向距離與陣列中的接連的換能器元件之間的線性距離成比例。為了提供較高分辨率的圖像而不犧牲圖像的覆蓋范圍；或者為了提供較寬的圖像覆蓋范圍而不犧牲分辨率，需要更多的掃描線并因此需要更多的換能器元件。提供附加的元件是昂貴的。較大的換能器本身就比較昂貴，而且接入和控制附加元件所需要的附加的配線和電子器件(通常稱為通道)也是昂貴的。具有較少的、相對較遠地分開設置的元件的陣列換能器用較少的成本提供良好的圖像寬度，但犧牲了圖像中的掃描線的數量并因此犧牲了橫向分辨率。傳統的線性陣列系統具有包括大量晶體的換能器，每一換能器被裁切成矩形形狀。這允許換能器陣列元件的最接近的可行間隔，不移動陣列就能提供較密間隔的掃描線。 然而，這產生具有非對稱模式的聲音波束形狀。使用圓形晶體是可取的，其中波束形狀是圓形和對稱的。對于晶體來說相對較大也是可取的，以給出最深的場。對于傳統的超聲系統來說，這些要求是相沖突的。使用具有較少的、相對較遠地分開設置的元件的陣列換能器并移動換能器，允許換能器元件之間的相對較寬的間隙被掃描線“填滿”，據此提供與具有多個通道的系統類似的性能和圖像大小，從而大大降低成本和復雜度。掃描線的密度不由換能器元件的物理尺寸或元件的間隔或數量限制。可使用具有期望的幾何形狀的較大的晶體。本發明的換能器形成被定義為換能器的陣列的稀疏陣列，其中鄰近的換能器或換能器元件之間的距離大于產生具有期望分辨率的超聲圖像所需要的鄰近掃描線的最小間距。使用單獨的換能器的稀疏陣列使得在線性陣列中利用圓形換能器變得可行。圖5示出當前發明的超聲換能器陣列和其使用方式的示意圖。參考圖5a，具有換能器滑動器501，其支撐超聲換能器502-505或與超聲換能器502-505 —體地形成。每一換能器能夠發射超聲能量和從要被成像的身體接收所產生的回聲，以收集掃描線506-509。 可以有少至一個換能器晶體，其最大數量僅受到實際考慮的成本、大小和復雜度的限制。換能器形成稀疏陣列。換能器以間距1 552排列。可移動換能器滑動器以使線性陣列的覆蓋范圍的寬度是被設計為S 5M的距離。這就是能夠通過陣列的全程運動所覆蓋的總寬度。滑動器被連續地或逐步地移動距離I。當移動時或在每一步驟，換能器元件發射和接收超聲能量以接收掃描線，所述掃描線是從沿著伸入要成像的身體中的線的不同深度處的特征返回的一系列的回聲強度值。滑動器被以往復方式驅動，以使來自換能器的波束覆蓋要成像的區域。滑動器可以通過任何方便的方式被驅動做所述往復運動。圖恥示出移動換能器滑動器的效果。換能器滑動器501的一系列的虛線圖表示超聲滑動器通過距離I的移動。每一換能器被驅動以發射和接收一系列的掃描線a，b，c...， η。所有的換能器的這些η條掃描線的組合產生覆蓋距離S的掃描組。距離S是可由探測單元產生的B模式超聲圖像的寬度。在換能器單次橫越距離1期間捕獲的所有掃描線形成掃描組。每一掃描組中的掃描線被處理并作為超聲圖像顯示在顯示屏304上。顯示為超聲掃描圖像的圖像實質上是在其由換能器獲取時具有相同的空間關系的一系列的掃描線的顯示。為了顯示為掃描圖像的一部分，每一掃描線必須包括指示換能器元件的相對位置的數據或者與指示換能器元件的相對位置的數據相關，在指示換能器元件的相對位置的數據被收到時換能器元件接收到掃描線數據。這可通過本領域中的任何已知的方式完成。可使用基于對電機的旋轉位置或線性位置的了解的方法，或可通過例如線性編碼器的裝置直接監測滑動器的位置。每一掃描組對應一單幀超聲圖像。在相同的換能器的接連的激發之間，換能器滑動器移動的距離，例如在獲取的掃描線a和b之間的距離和在獲取的掃描線b和c之間的距離足夠小以提供期望的圖像分辨率。可應用后處理以用多種方法增強圖像。滑動器以往復方式移動。在滑動器每一次經過要成像的區域時獲取新的掃描組。 掃描組按它們所接收的順序顯示以形成實時顯示。在現有技術的線性陣列換能器超聲探測器中，如在圖2中所示，掃描線之間的橫向距離與陣列中的接連的換能器元件之間的線性距離成比例。為了提供較高分辨率的圖像而不犧牲圖像的覆蓋范圍；或者為了提供較寬的圖像覆蓋范圍而不犧牲分辨率，需要更多的掃描線并因此需要更多的換能器元件。提供附加的元件是昂貴的。較大的換能器本身就比較昂貴，而且接入和控制附加元件所需要的附加的配線和電子器件(通常稱為通道)也是昂貴的。具有較少的、相對較遠地分開設置的元件的陣列用較少的成本提供良好的圖像寬度，但犧牲了圖像中的掃描線的數量。如所描述的移動換能器，允許換能器元件之間的相對較寬的間隙被掃描線“填滿”，據此提供與具有較多通道的系統類似的性能和圖像大小，從而大大降低成本和復雜度。掃描線的密度不受換能器元件的物理尺寸或元件的間隔或數量限制。為了顯示為掃描圖像的一部分，在掃描線被接收的空間關系中，每一掃描線必須包括指示換能器元件的相對位置的數據或者與指示換能器元件的相對位置的數據相關，在指示換能器元件的相對位置的數據被收到時換能器元件接收到掃描線數據。這可通過本領域中的任何已知的方式完成。可使用基于對電機的旋轉位置或線性位置的了解的方法，或可通過例如線性編碼器的裝置直接監測滑動器的位置。該數據可作為掃描線數據的一部分；作為獨立的數據流被傳輸到顯示單元；或者可通過顯示單元中的處理器推斷和計算信肩、ο由圖5中的線性稀疏陣列捕獲的圖像具有S 554的最大寬度，其是換能器滑動器的寬度加上由滑動器行進的距離。該寬度可通過增加滑動器501的寬度來增加，但這樣增加了成本。另外，較大的滑動器需要較大的探測單元，從易于使用的觀點來看，這是不可取的。
圖6示出適用于曲線型掃描頭形狀因子的本發明的示意圖；換能器滑動器600附接了一個或多個換能器。圖示的實施方式具有4個換能器 605-608。換能器滑動器被成型為圓弧。每一換能器能夠發射和接收超聲能量以產生單個的超聲掃描線601-604。換能器滑動器被包含并形成超聲探測單元的一部分，如在圖3中所
7J\ ο在使用中，換能器滑動器繞著穿過圓的中心的軸旋轉，該圓是換能器形成弧的圓。 這可通過使用支點在該中心處的旋轉臂完成。可選地，換能器滑動器可通過弧形的導架引導。可采用限制滑動器沿著圓弧的路徑移動的其他方式。使滑動器旋轉的電力由電機提供， 在優選實施方式中，電機是超聲波電機。圖6b示出旋轉的換能器滑動器610，其換能器615-618產生掃描線611-614，該滑動器610疊加在滑動器600的原始位置上。在圓外側放置換能器意味著被超聲波束覆蓋的總區域是圓的扇區。這允許比換能器的探測單元的寬度更寬的覆蓋范圍。滑動器的曲率越大，掃描區域的寬度可超出探測單元的寬度的量越大。所接收的掃描線被處理以作為超聲圖像顯示，該超聲圖像具有類似于所熟知的圓形超聲圖像的扇區的形狀因子。換能器滑動器通過電機驅動做往復運動以實現對要成像的區域的實時覆蓋。實質上在一次往復運動期間捕獲的所有掃描線被顯示以形成圖像幀。隨著掃描線被接收，幀的接連顯示給出實時顯示。實現了大約每秒20幀的實時幀速率。較高的幀速率是有可能的。圖7示出關于本發明的實施方式的換能器陣列滑動器的三種可能的可選實施方式，其中換能器滑動器是超聲波電機的滑動器。具有換能器陣列滑動器700，單獨的換能器 701機械地附接到其上或與滑動器整體形成。如在圖7a中所示，滑動器可包括整體形成的或機械附接到滑動器700的主體的摩擦條703。摩擦條與觸頭或推動器702接觸。該觸頭由壓電驅動器705驅動。壓電驅動器由適當的信號激勵，以使緊靠摩擦條的驅動器的振動以往復方式驅動滑動器。壓電驅動器包括附接到壓電材料的兩個電極706、707。在壓電材料的底部有一第三、公共電極(未示出)。將驅動信號施加到一個電極上，而另一電極保持懸空，引起在驅動器中建立駐波，駐波引起觸頭振動使得滑動器在一個方向上被驅動。對另一電極的類似的激勵引起滑動器在相反的方向上被驅動。彈簧或其他裝置(未示出)迫使摩擦條緊靠觸頭。滑動器由框架或導架(未示出)限制以便以往復方式移動。在可選實施方式中，如在圖7b中所示，滑動器700可由倚靠滑動器700的邊緣的導軌709、710限制和引導，其形成超聲波電機的一部分。有剛性附接到導軌上的壓電制動器715-718。壓電制動器具有電極和壓電材料。施加超聲波頻率的電信號引起壓電材料振動，并將振動傳遞到附接的導軌。成對的滑動器邊緣和軌道709、710形成線性超聲波電機的接觸表面。通過將電信號施加到電極715-718在軌道中產生振動。行波被引入導軌且滑動器通過在該波上“沖浪” 進行移動。被引入的波的相位確定了行波的方向并因此確定了滑動器的行進方向。在所有的實施方式中，軌道還為滑動器提供了物理支撐和線性引導。還提供有彈簧或類似的工具(未示出)以使接觸表面保持接觸。
12
在圖7c中示出了另一實施方式。超聲波電機滑動器730由振動材料構造而成，在該實施方式中為壓電材料。可以采用其他的超聲波振動結構。滑動器由導軌720支撐和引導。附接到滑動器的是激勵電極721、722。還提供了公共漏電極(未示出)。超聲波頻率的電壓信號被施加到電極721，以將超聲波引入滑動器，從而在一個方向上驅動滑動器700和軌道720之間的相對運動。施加到電極722的電壓信號用于在相反的方向上驅動滑動器。如所示，滑動器是超聲波電機的滑動器，但應該理解的是，換能器可由機械地附接到超聲波電機的滑動器的背襯元件支撐。在這種情況下，電機滑動器的大小和背襯元件的大小不具有實質的關系。圖8a示出本發明的一實施方式，其中超聲波電機的滑動器與換能器陣列分離。掃描頭810包括超聲波電機820，該超聲波電機820由激勵電極814、振動驅動器815及由框架和導軌支撐的滑動器818組成。滑動器包括摩擦層819，摩擦層819便于振動驅動器815 和滑動器818之間的驅動摩擦。電機820被附接到電路板(PCB)Sll上，電路板811位于掃描頭810內并通過定位導架812支撐。PCB包括或附接到超聲波電機控制電路816。該控制電路將信號供給激勵電極814以驅動電機820。附接到滑動器的是換能器陣列817。組成陣列的換能器可以是任何合適的類型。換能器附接到背襯元件，背襯元件機械地連接到電機的滑動器818。由于主PCB機械地連接到電機和超聲換能器，并且電機能夠獨立于附件進行操作，該布置簡化了系統的裝配和生產。換能器被電連接到PCB 811上的電路，該電路激勵換能器產生超聲波輸出并接收和處理從換能器返回的電信號。在圖示的實施方式中，提供了非液體減摩裝置以允許換能器陣列容易地滑過聲窗 813，在使用中，聲窗813與患者接觸。這沒有限制，其可以是固體潤滑劑，或者聲窗的材料可本質上提供低摩擦。可將聲學匹配的潤滑劑設置在掃描頭的前面板的內側，以填充換能器和面板之間的間隙。在另一實施方式中，具有低摩擦系數和聲學匹配特性的固體材料條被設置在掃描頭的前面板的內側，以填充換能器和前面板之間的間隙。在其他實施方式中，柔軟的、不透液體的薄膜可設置在換能器陣列817和電機820 之間，以形成帶有聲窗的封閉區。該封閉區包圍換能器陣列。因此由于電機防液體侵害，換能器陣列可以浸沒在液體中，這提供了在換能器陣列的換能器和聲窗之間的聲耦合。在這種情況下，換能器陣列在使用中不需要接觸聲窗。在換能器和聲窗之間的任何間隙將不會在接收到的超聲信號中引起顯著的混響，因為該間隙會被聲學匹配的液體填充。在圖示的實施方式中，換能器陣列是具有8個壓電換能器的陣列。在其他實施方式中，可以采用其他數量和其他類型的換能器元件。在特定的實施方式中，可以使用電容式微機械超聲波換能器(CMUTQ或其他基于MEMS的換能器。參考圖8b，滑動器可由旋轉電機驅動，在優選實施方式中，旋轉電機是超聲波電機。往復運動(即滑動器805的線性運動)的范圍大約等于d(驅動盤803的直徑)。 換能器元件808的數量是N。接連的換能器元件之間的線性距離是I。為了實現以相同的掃描線密度完全覆蓋要掃描的區域，1應該小于或等于d是必要的。優選地，1應該大約等于d。優選地d 1 = S/N所使用的換能器元件的數量可以根據包括覆蓋面積、電機速度、盤大小和電機響應時間的若干因素改變。在圖示的實施方式中，具有安裝在滑動器805上的8個3mm的圓形晶體808的7. 5MHz掃描頭與6mm寬的盤803組合，提供具有48mm(8X6mm)覆蓋范圍的掃描頭。超聲電機800的旋轉運動被轉化成往復運動。驅動盤803具有從一面突出的離心針804。盤被附接到由旋轉電機驅動的軸802上。換能器元件陣列安裝其上的滑動器805 包括槽807。盤的離心針804位于槽中。盤的旋轉導致針將往復運動傳遞到滑動器。滑動器通過每一側上的軌道806被限制做在二維平面上的除了往復運動以外的運動。包含換能器陣列的掃描頭部分可使用液體介質填充，以消除移動的換能器元件 808和掃描頭的保護性前面板809之間的任何空氣界面。換能器陣列區由電機轉子802周圍的鉛封801與電機800隔開。這防止液體介質進入和可能損壞電機。在另一些實施方式中，可將換能器實現為使得陣列以曲線型模式移動。這在圖6 中示意性地圖示了。在這樣的實施方式中，滑動器被成型為圓形的一部分，而若使用導軌，導軌和前面板被成型為圓弧。可使用旋轉電機或者線性電機來驅動滑動器。對于線性電機來說，滑動器和導架可形成線性電機，或者可提供獨立的線性電機。在使用旋轉電機的情況下，關于圖示的使用旋轉電機的實施方式，滑動器可具有槽，該槽接受偏移針驅動。該槽的橫截面是梯形的以適應驅動針的固定方向。在滑動器部分的曲率半徑足夠小的情況下，旋轉電機可通過直接驅動轉子臂來移動滑動器。旋轉電動機軸可用于驅動全環狀滑動器。該滑動器將在外面上具有換能器。這些換能器可被分組以形成圓弧形式的曲線型陣列，或者它們可以被均勻分配在環狀滑動器的圓周周圍。在優選實施方式中，電機使換能器陣列滑動器以往復方式移動穿過要掃描的區域的寬度。依次激發每一換能器元件。每次激發導致數據的單個掃描線被收集。激發每一換能器元件之間的延遲應該至少足以允許回聲從要成像的身體內的那一深度返回，該深度是需要獲取圖像的位置。重復激發過程。一般地，在滑動器的單次往復運動所花費的時間內， 每一換能器元件會被激發很多次。優選地，激發被定時，使得在每一接連的往復運動時，每一換能器元件的激發實質上在關于探測單元主體的相同的位置。優選地，換能器元件的接連的激發之間的延遲與來自換能器元件的波束的寬度相關，使得要掃描的區域的整個長度被聚焦波束覆蓋。在可選的實施方式中，所述系統通過在換能器滑動器靜止時獨立地激發每一換能器元件進行操作，以獲取一組掃描線。接著，電機將滑動器移動一步，在換能器元件被再次激發之前滑動器停止，從而獲取第二組掃描線。這樣繼續下去直到覆蓋距離1。重復該過程。確定步的大小以提供在要成像的區域的所要求的掃描線密度。在使用中可以改變步的大小以優化掃描系統的特征，例如幀速率或電機速度。
然后，組合所有的關于滑動器的單次全程所獲取的掃描線，以形成實時超聲顯示的一幀。為了顯示為掃描圖像的一部分，每一掃描線必須包括指示換能器元件的相對位置的數據或者與指示換能器元件的相對位置的數據相關，在指示換能器元件的相對位置的數據被收到的時刻換能器元件接收到掃描線數據。這可通過本領域中的任何已知的方式完成，例如，滑動器的位置可通過例如線性編碼器的裝置直接監測。所使用的步的數量通過所需要的掃描線密度和換能器元件的間距I的大小確定。所使用的換能器元件的數量可以根據包括覆蓋面積、電機速度、所需要的掃描線密度和電機響應時間的若干因素改變。在換能器的一次全程運動中所獲取的所有掃描線構成用于顯示的單幀。這意味著換能器的激發速率總的來說被確定為元件的數量、幀速率和用于覆蓋期望密度的元件之間的距離所需要的掃描線的數量的乘積。其他的元件激發方案是可能的。其中，這能夠被完成而在掃描線之間沒有不當的干擾，可以每次激發不止一個元件。沒有限制，實現該激發的方式是傳輸要編碼的脈沖，例如使用Barker碼、Golay碼或Gold碼進行編碼，使得來自獨立的換能器的脈沖之間的相關性非常低。在另一實施方式中，滑動器的長度小于圖像寬度S的量大于換能器元件的間距I。 滑動器的長度可能更小。掃描頭和軌道覆蓋全部的圖像寬度。按漸進的步子驅動滑動器以覆蓋所需要的圖像寬度。在該實施方式中，換能器陣列的元件可以按照鄰近的元件給出期望的掃描線密度的間距布置。在這種情況下，滑動器可移動與在陣列的每一完全激發之間所述滑動器的全部長度相等的數量。在最一般的情況下，換能器可由單個元件組成。這在當前不是優選的實施方式，因為超聲波電機的局限性之一是它們具有低線性速度和旋轉速度。這造成對超聲波晶體能夠掃描感興趣的區域的速度的限制，并因此限制了系統幀速率。因此使用包含不止一個晶體的陣列，減小了晶體的往返距離并降低了電機速度要求，這是當前優選的，但在電機設計中的進一步的改進可以使該可選實施方式可行。通過電激勵換能器元件以產生超聲脈沖，然后在產生另一脈沖之前傾聽回聲，來實現脈沖波多普勒成像。這在單個位置快速完成，并且返回的回聲中的變化的頻率偏移用于檢測被成像的特征中的運動，例如血流。這些模式對于現有技術的電機驅動的換能器系統是不可行的，因為現有技術的電機驅動的換能器系統不能保持靜止，也不能快速且精確地重新定位。這能夠通過本發明的設備來實現，因為超聲波電機具有非常好的響應時間并能夠非常精確地定位，而誤差在納米范圍內。這允許當發送和接收超聲脈沖時換能器在已知位
置完全靜止。彩色多普勒將實時成像與多普勒成像相結合。當顯示一條或多條掃描線的多普勒信息的同時，在全部的圖像區域顯示實時圖像。這對于使用移動換能器的任何現有技術系統來說是不可能的，因為多普勒要求傳輸元件在已知的位置保持靜止，而實時掃描要求換能器移動。在提供彩色多普勒功能的實施方式中，換能器陣列被控制移動來為用戶在顯示器上產生實時移動圖像。用戶能夠選擇顯示圖像的區域以獲取彩色多普勒信息。位于選定區域的上方的選定的換能器的元件激發所需數量的脈沖并接收必要的回聲以獲取運動信息， 該運動信息成為彩色多普勒頻移數據。當獲取多普勒信息時，換能器陣列是靜止的。然后， 實時掃描操作繼續，換能器通過超聲波電機進行移動。當換能器陣列移動時，獲取實時圖像掃描線。當換能器移動了選定的距離時，換能器停止，并且選定的元件再次激發多個脈沖， 從而獲取多普勒信息。這樣繼續下去直到獲取全部的實時圖像幀和該幀的子集的多普勒信息。然后，重復該過程以獲取實時圖像顯示。彩色多普勒信息和實時信息組合在單一顯示中，如在本領域中所知道的。超聲波電機的快速響應和優良的定位精度允許換能器逐步完全停止、激發所需數量的超聲脈沖、傾聽回聲，然后移動到下一條線，而同時執行實時成像。一般地，當使用彩色多普勒時會降低實時幀速率。使用超聲波電機的實施方式還可使用曲線型陣列，其中線性滑動器用曲線型滑動器代替，曲線型滑動器具有安裝在其上面或加工為滑動器的一部分的N個換能器元件。軌道和前面板也將按曲線型結構制造。超聲波電機容易按不同的形狀和大小制造。在滑動器本身是電機的一部分的實施方式中，不需要專門布置或成型的滑動器來允許滑動器由外部的電機驅動。在可選實施方式中，與曲線型滑動器分離的線性超聲波電機可用于使曲線型滑動器移動通過圓弧。在連續的旋轉中，滑動器可被驅動通過整圓。在這種情況下，只有當換能器在要掃描的身體上方時，換能器才會起作用。這對于微曲線形的掃描頭來說特別重要，曲線形的掃描頭具有相對緊密的曲率半徑以允許肋骨之間的成像。可提供兩個或多個換能器，每一個具有不同的運行頻率，允許以不同的頻率同時掃描或分開掃描。如對其他實施方式所描述的，多普勒成像也是可行的。在一實施方式中，軌道形成為圓形以及滑動器被驅動以連續地旋轉也是可能的。 在這種情況下，只有當換能器在要掃描的身體上方時，換能器才會起作用。這對于微曲線形的掃描頭來說特別重要，微曲線形的掃描頭具有相對緊密的曲率半徑以允許肋骨之間的成像。可提供兩個或多個換能器，每一個具有不同的運行頻率，允許以不同的頻率同時掃描或分開掃描。如對其他實施方式所描述的，多普勒成像也是可行的。在圖8c中示出的另一實施方式中，提供了超聲波旋轉電機，其中電機的轉子直接支撐換能器的環形陣列。如在圖8c中所示，超聲波電機由支撐超聲換能器851的轉子852 組成。轉子環繞壓電環諧振器852。壓電諧振器連接到鋼推動器854。在諧振器852中引入駐超聲波，使得環在半徑方向上擴張和收縮。推動器以導致推動器進行橢圓運動的方式振動。推動器緊靠轉子853，使得轉子通過轉子和推動器之間的摩擦嚙合而旋轉。該旋轉電機在圓中驅動換能器851，使之經過光學窗855。只有當換能器與超聲窗對齊并因此在聲穿透要成像的目標的一部分的位置時，每一超聲換能器才被激活。超聲波電機的效率不受尺寸的影響，因此它們在微型電機領域中具有優勢。這允許構造小尺寸和低重量的裝置。超聲波電機不產生在電磁電機的運行中固有的電磁干擾。對超聲系統來說這是一優點，即在超聲系統中，所接收的電信號固有地具有低功率和易受干擾影響。對手持超聲系統來說這具有另一優點，即減小了在電子組件和電機之間屏蔽的需要，這減小了尺寸、重量
16和成本。為了產生用于掃描的超聲能量，超聲換能器元件通過高壓電源激勵。該高壓電源供電的電壓大小一般在大約幾十伏或幾百伏。在采用超聲波電機的那些實施方式中，形成超聲波電機的超聲波元件也通過可能具有類似的輸出特性的高壓電源驅動。在另一些實施方式中，超聲換能器元件和超聲波電機由公共電源驅動。這造成較低的成本。在圖9中，示出了本發明的實施方式的體系結構。框圖示出了探測單元，該探測單元包括掃描頭901和探測單元主體903。可能還有主機單元(未示出)，其提供顯示器和至少一部分用戶接口，使用USB接口 920將它們連接到系統。對于探測單元來說，較小的尺寸和重量是可取的以方便手持使用。在一實施方式中，探測單元的尺寸大約是15CmX8CmX3Cm。在另一實施方式中，探測單元的重量是500g 或更小。在優選實施方式中，探測單元的尺寸大約是llCmX6CmX2Cm，重量是大約200g。掃描頭901包括換能器906，換能器906被布置為滑動器元件905上的換能器陣列。滑動器元件由超聲波電機908驅動。滑動器905的位置由位置編碼器907監測。換能器906連接到多路復用器909。激勵換能器以產生超聲輸出的電信號和來自換能器的響應于接收到的回聲的電信號通過多路復用器909。多路復用器可被設置在探測主體903內，或者省略，以在掃描頭901和探測單元主體903之間設置更多的連接為代價。用戶控制超聲掃描系統是通過用戶接口，用戶接口可被整體設置在主機單元上、 整體設置在探測單元上，或被分離或復制在探測單元和主機單元之間。在圖示的實施方式中，有包含在探測單元的用戶控制面板902，該面板包括啟動和停止掃描的鎖定按鈕，提供增量、減量和選擇功能的一組按鈕，以及“后退”按鈕。這些按鈕用于對系統的基本控制，包括但不限于啟動和停止掃描、深度調節、增益調節、操作模式選擇和預設選擇以及其他基本設置中的一些或全部。用戶控制面板902將識別按鈕的狀態的數據發送到微控制器930，在該實施方式中，微控制器930是組合的微控制器/DSP器件(例如來自德州儀器的0MAP3525 應用處理器)的一部分。微控制器監測控制面板的狀態并提供適當的命令來控制適當的電子電路以允許用戶控制超聲系統。在此需要圖形用戶界面，這顯示在主機單元上。微控制器930包含用于在掃描期間控制裝置的操作的一組參數。在最初起動時， 創建了默認的一組參數，這些默認的參數然后能夠由用戶在掃描之前或在掃描期間修改。 這些參數包括但不限于運行頻率、活躍的掃描模式、增益曲線、掃描深度、多普勒門深度和角度(若需要)、彩色多普勒范圍(若需要)、功率多普勒范圍(如需要)和M模式脈沖重復率。可利用的掃描模式可包括但不限于B模式、M模式和使用脈沖波多普勒的可利用的模式中的任何一個或所有的，所述脈沖波多普勒包括彩色多普勒、功率多普勒和光譜多普勒以及雙工多普勒。當掃描被激活或參數改變時，微控制器將相關的參數傳遞給數字信號處理器 (DSP)931和現場可編程門陣列(FPGA)932。當用戶通過按控制面板上的按鈕或者通過激活主機上的控件開始掃描時，微控制器將命令和任何更新的配置參數一起發送到DSP和現場可編程門陣列(FPGA)以激活掃描。 DSP被配置為根據參數接收和處理超聲數據，參數可包括關于多普勒處理的參數。微控制器和FPGA —起提供控制掃描頭超聲波電機的功能。超聲波電機的位置編碼器908產生與超聲波電機在任意時刻的位置成比例的值。帶有時間戳的所述位置保存在FPGA中的寄存器中，并且微控制器讀取該信息以計算速度。將該速度與期望的速度作比較。 電機控制單元910被指示改變施加到超聲波電機908的驅動信號的電壓和頻率，以實現期望的速度。圖14示出FPGA的功能。FPGA接收并解碼超聲波電機的位置編碼器907的輸出， 以及將信息提供給微控制器，以便微控制器重新計算超聲波電機的驅動信號。FPGA包括時序狀態機145，時序狀態機145使用解碼的位置信息以確定產生從換能器輸出的下一超聲脈沖序列的適當時間，這可通過驅動發射脈沖控制器144實現。發射脈沖控制器144產生對應于所需產生的掃描線的類型的控制信號。對于B模式掃描線，產生通過高壓電源(HV電源)934提供的電壓且在成像頻率的單一脈沖。這些電壓通常高達+-100V。對于多普勒，以多普勒成像頻率產生具有若干脈沖(常為8個脈沖) 的序列。這些多普勒脈沖通常比B模式脈沖具有更長的持續時間。在Tx脈沖發生器933 激發之前預配置多路復用器，以將發送脈沖引導到適當的圓形換能器晶體。換能器晶體906 響應于發射到要成像的身體中的電脈沖產生超聲波波形。超聲波波形被聲阻抗中的改變反射，產生回聲，該回聲在換能器晶體906處以較低的壓力被接收。晶體將該低壓波形轉換成電信號，該電信號通過多路復用器被引導到輸入保護電路935。輸入保護電路保護敏感的低噪聲放大器(LNA) 936免受高壓發射脈沖的影響，而讓低電壓接收信號通過。在現有技術中，已知若干輸入保護電路。低噪聲放大器(LNA)提供對較小的接收信號的放大，而幾乎沒有將噪聲添加到輸出信號。LNA通常是單端的，并且產生差模輸出電壓用于饋送到時間增益放大器(TGA)937。 TGA提供進一步的放大，所提供的放大率取決于時間。當超聲信號通過組織傳播時會衰減， TGA通過根據自從接收脈沖開始的時間增加增益來補償該衰減，衰減與回聲反射的深度成比例。時間增益放大器的輸出被濾波以去掉盡可能多的噪聲并防止失真。通常使用帶通濾波器938。濾波器的輸出被輸入到模/數轉換器939。優選采樣頻率至少為成像頻率的4 倍。模/數轉換器的輸出被輸入到FPGA 932中的先進先出存儲器(FIFO) 147。FPGA將一些頭信息添加到每一完整的掃描線，所述頭信息包括掃描線的類型(例如，B模式或多普勒型)、電機位置編碼器輸入(若需要)和時間計數。該信息可在處理的后期根據配置參數使用。DSP從FPGA FIFO讀取掃描線，并根據配置參數對數據進行適當的處理。圖10是不具有實時超聲能力但使用較低成本的單通道系統的系統的配置，在所述單通道系統中，超聲波束相對于系統靜止。提供了單個換能器1001，其與探測單元主體處于固定的關系。還提供了陀螺儀1002。當換能器產生脈沖波時，通過在弧中移動探測單元 (掃描頭1003與患者的接觸點實質上是不變的)來創建圖像。這將產生掃描線序列，所述掃描線整體構成扇區圖像。陀螺儀提供關于每一掃描線的相對位置的信息，從而允許掃描線被組合為圖像。圖11示出本發明的另一實施方式，其中掃描頭1101包含電機908和陀螺儀1103。 陀螺儀被定位使得它提供垂直于從換能器陣列1102產生的B模式圖像的圖像平面的角度測量。通過提供陀螺儀，該系統能夠根據2D圖像掃描的序列構建3D圖像，以及確定體積。 在使用中，對于圖9中的系統，產生一系列B模式圖像。探測單元在垂直于B模式圖像的圖
18像平面的弧中移動。另外，該操作類似于在圖9中所描述的系統。參考圖14，FPGA時序狀態機145連接到其中提供陀螺儀的實施方式中的陀螺儀上。陀螺儀角度測量與先進先出(FIFO)存儲器147中的超聲掃描線信息相結合，并被數字信號處理器(DSP)讀取。在使用單個換能器的情況下，陀螺儀信息被用來組合掃描線以形成扇區圖像。在使用換能器陣列的情況下，陀螺儀信息被用來將B模式扇區圖像組合成體積的表示，該體積的表示也可用于需要3D體積計算的任何應用。圖12示出本發明的可選實施方式，其中，到主機顯示器和控制系統的接口是通過無線接口。提供了由微控制器930控制的無線接口模塊1202。提供了天線1201用于信號傳輸。該接口提供了到主機單元的通信和來自主機單元的通信。盡管可能需要提供一個 USB接口用于接入第三方硬件，但不需要USB接口用于與主機單元的通信。在目前的優選實施方式中，所使用的無線協議是WiFi Direct。圖13示出本發明的可選實施方式，其中沒有主機單元。提供了顯示器1301，其與探測單元整合在一起。還提供了增強的用戶控制模塊1302。這包括之前所描述的實施方式的控制面板的功能，但還包括允許在缺少主機單元的情況下完全控制系統的功能。控制模塊可包括顯示在顯示器1301上的圖形用戶界面。該顯示器可以是觸摸屏，其能夠將輸入提供給用戶界面。在不同的實施方式中，DSP的操作將改變。在連接主機控制與顯示系統的情況下， 可通過主機單元執行某些處理和控制功能及顯示功能。在不使用主機的情況下，所有的功能由探測單元執行，這增加了在DSP上的載荷。主機和探測單元之間的功能分離的限制來自主機的處理能力及用于在主機和探測單元之間的傳輸的可用帶寬。一般地，設計算法的實施和分支以最小化主機的處理需求和傳輸所需要的帶寬。圖15示出用于處理組合的B模式/多普勒型的算法、其中超聲探測單元和主機顯示系統之間的任務分開。在B模式處理鏈中的第一步是使用HR帶通濾波器過濾數字的輸入rf掃描線數據。根據連接到系統的換能器和成像頻率調節濾波器。例如，對于3MHz成像頻率，可使用1 到5MHz的帶通濾波器。對于8MHz成像頻率，可使用4. 5到11. 5MHz的帶通濾波器。在濾波之后，生成rf掃描線數據的包絡線。優選方法是使用Hilbert變換生成rf掃描線的同相(I)分量和正交(Q)分量。最終的包絡線通過對I分量的平方和Q分量的平方求和并取結果的平方根來生成。
包絡線=I2+ρ2有若干用于生成Hilbert變換的算法。優選實施方式是使用HR逼近。作為包絡線生成的一部分，掃描線可被降低采樣或抽取。降低采樣2-4個因數是可能的，這取決于所使用的掃描變換算法。在優選實施方式中，使用雙線性插值法的掃描變換將掃描線降低采樣4個因數。可選實施方式是降低采樣2個因數并使用計算較不密集的插值算法，例如根據在像素區域內部的采樣點的平均值計算像素強度，并在相鄰的像素之間插入其他像素的算法。在降低采樣之后，掃描線被從模/數字大小壓縮成8位字大小，以將信號映射到期望的灰度等級用于顯示。
然后，降低采樣的掃描線通過掃描轉換被轉換成矩形圖像顯示。該掃描轉換的執行分為2個階段。第一階段是將圖像轉換成具有高分辨率的壓縮的矩形陣列，優選地具有小于超聲脈沖的軸向分辨率的一半的像素分辨率。常用的掃描轉換算法是2X2雙線性插值法，其將掃描線點從極坐標系映射到直角坐標系。參考圖16a，示出了來自相位陣列或較小的直徑環形換能器的理想化的掃描。掃描區域1602可看作具有原點1601的圓的扇區。 實際上，換能器不是點源，而是其與掃描深度相比較小。每一掃描線1603的位置在極坐標中可用長度r和角度θ表征。參考圖16b，示出了關于具有曲率半徑R和寬度W的曲線型陣列的扇區掃描1604。該掃描是截去頂端的圓的扇區。每一掃描線1605可用極坐標中的長度R+r和角度θ表征。圖16c示出關于線性陣列的具有掃描線1608的理想化的掃描1607。該表征坐標是線性的，但一般不會對應于期望用于顯示的線性坐標系。在圖16所示出的每一種情況中，要求掃描轉換以將所需要的掃描線數據轉換成用于向用戶顯示的圖像的像素數據。對于扇形的圖像來說，壓縮算法通過忽略不包含實際的圖像數據的圖像區域來減小圖像大小。有若干方法可以用于執行該算法，一種是簡單的格式，其中每一像素行包含具有起始像素和有效數據的像素數量的頭。該技術產生接近2的壓縮比率。另一可提供合理結果的無損技術是行程編碼。可使用LZW編碼或諸如png的基于Huffman的編碼。根據系統配置，對高分辨率壓縮矩形陣列進行不同的處理。該陣列存儲在本地存儲器中，通常有高達100個壓縮幀被本地存儲。同時，當前幀從超聲探測器傳輸到主機顯示系統。主機顯示系統通過將圖像解壓縮到高分辨率緩沖區、從高分辨率緩沖區插值到臨時的顯示圖像緩沖區、運用任意灰度級調整、結合任何多普勒圖像信息(若需要)并最終寫到顯示緩沖區來完成該處理。圖15還示出用于處理和顯示分布在B模式圖像上的多普勒信息所需要的步驟。 當生成多普勒信息時，系統生成具有一致相位的多普勒脈沖序列并處理接收到的一組掃描線。原始輸入的rf掃描線被正交編碼，通過將回聲信號乘以換能器激勵頻率的余弦和正弦函數來提取同相(I)和正交(Q)分量。來自正交編碼器的I和Q輸出被低通濾波，并被抽取或降低采樣。降低采樣率為4產生了令人滿意的結果，但可以采用其他因數。降低采樣器的輸出被保存到緩沖區，直到接收到一組完整的掃描線。盡管可以調整組的大小，但通常一組是8條掃描線。使用壁濾波器對數據組進行濾波。壁濾波器的功能是減少來自例如腹壁的較大、較慢移動的特征的影響。在圖示的實施方式中，壁濾波器是HR類型的高通濾波器。可選地使用狀態空間模型UR濾波器，其減小了 UR濾波器的瞬態響應長度。狀態空間初始化使用步初始化方案提供了令人滿意的衰減。在優選實施方式中，使用自相關技術處理所濾波的一組掃描線以生成速度、功率和湍流信息。所述一組掃描線的多普勒功率被計算如下
權利要求
1.一種超聲換能器探測單元，其包括主體部分以及用于發射和接收超聲波信號的至少一個換能器，其中所述換能器通過超聲波電機以重復的運動相對于所述主體部分移動。
2.如權利要求1所述的探測單元，其中具有被布置成陣列的多個換能器。
3.如權利要求2所述的探測單元，其中所述換能器的陣列以往復運動沿著線性軸移動選定的線性距離，在沿著所述線性軸的所述陣列的所述換能器之間的線性間距具有與所述線性距離近似相同的大小，所述探測單元被操作以在每一往復運動期間獲取多條掃描線。
4.如權利要求2所述的探測單元，其中所述電機適于周期性地將所述換能器的運動停止在至少一個停止位置，當所述換能器停止在所述停止位置時，至少一個換能器發射和接收適合于提供多普勒信息的超聲波信號。
5.如權利要求1所述的探測單元，其中所述探測單元適于產生適合于處理的掃描線數據，以允許顯示門控多普勒、功率多普勒、脈沖波多普勒、彩色多普勒和雙工多普勒信息中的至少一個。
6.如權利要求1所述的探測單元，其中所述探測單元的重量小于500克。
7.如權利要求1所述的探測單元，其中所述探測單元的重量小于200克。
8.如權利要求1所述的探測單元，其中所述探測單元具有方便手持的大小。
9.如權利要求8所述的探測單元，其中所述探測單元具有15厘米的最大線性尺寸。
10.如權利要求8所述的探測單元，其中所述探測單元具有12厘米的最大線性尺寸。
11.一種超聲換能器探測單元，其包括具有換能器的陣列的超聲換能器單元，其中所述換能器單元以往復運動沿著線性軸移動選定的線性距離，在沿著所述線性軸的所述換能器單元的所述換能器之間的線性間距具有與所述線性距離近似相同的大小，所述探測單元被操作以在每一往復運動期間獲取多條掃描線。
12.如權利要求5所述的探測單元，其中所述往復運動由多個分離的步驟組成，只有當所述換能器靜止時才獲取掃描線。
13.如權利要求5或權利要求12所述的探測單元，其中所述換能器的運動由旋轉電機驅動。
14.如權利要求5或權利要求12所述的探測單元，其中所述換能器的運動由線性電機驅動。
15.如權利要求13或14所述的探測單元，其中所述電機是超聲波電機。
16.一種超聲換能器探測單元，其包括主體部分以及用于發射和接收超聲波信號的至少一個換能器、適于以重復運動相對所述主體部分機械地移動所述換能器以聲穿透要成像的身體區域的電機組件，所述電機組件適于周期性地將所述換能器的運動停止在多個停止位置，其中所述換能器的運動能夠被控制以小于1毫米的誤差返回到相對于所述主體部分的選定的停止位置。
17.如權利要求16所述的探測單元，其中所述換能器的運動能夠被控制以小于500納米的誤差返回到相對于所述主體部分的選定的停止位置。
18.如權利要求16所述的探測單元，其中所述換能器的運動能夠被控制以小于100納米的誤差返回到相對于所述主體部分的選定的停止位置。
19.一種超聲掃描方法，其中提供具有至少一個超聲換能器的陣列，所述換能器通過超聲波電機以重復的運動相對于要成像的身體移動，產生用于顯示的超聲圖像，所述圖像包括由所述換能器在沿著所述運動的路徑的連續點上獲取的掃描線，每一換能器為所述圖像提供多條掃描線。
20.如權利要求19所述的方法，還包括以下步驟用戶選擇作為多普勒窗口的所述圖像的區域；所述換能器被移動并獲取圖像掃描線，所述換能器被控制以停止在停止位置使得由所述換能器獲取的掃描線落入所述多普勒窗口內，所述換能器在所述停止位置獲取多條掃描線用于多普勒處理，所述換能器被再一次移動并獲取掃描線，所述換能器返回到所述停止位置并獲取用于多普勒處理的另外多條掃描線，返回到所述停止位置具有足以允許連續的多普勒成像的精度，所述掃描線被處理以向用戶提供帶有多普勒信息的超聲圖像的顯不。
21.如權利要求20所述的方法，其中有多個停止位置。
22.如權利要求19所述的方法，其中所述超聲掃描功能包括B模式以及門控多普勒、功率多普勒、脈沖波多普勒、彩色多普勒、雙工多普勒和3D體成像中的至少一個。
23.如權利要求19所述的方法，其中所述換能器的陣列的運動是以分離的步驟進行的。
24.一種使用超聲換能器的稀疏陣列產生超聲圖像的方法，所述方法包括以下步驟 通過激發所述換能器中的至少一個換能器并接收從要成像的身體返回的超聲回聲來獲取超聲掃描線，將所述陣列移動一步進距離， 從所述換能器獲取另外的超聲掃描線，重復獲取掃描線和移動所述陣列的步驟并直到所述陣列移動選定的距離，所述選定的距離實質上大于所述步進距離，以和所述掃描線被捕獲的空間關系成比例的空間關系顯示所獲取的掃描線， 重復所述步驟以顯示實時超聲圖像。
25.如權利要求M所述的方法，其中所述陣列以一系列分離的步驟移動，只有當所述陣列靜止時才獲取掃描線。
26.如權利要求M所述的方法，其中，在來自用戶的開始和停止命令之間實質上連續地移動所述陣列并獲取掃描線數據。
27.一種包括換能器的陣列的超聲成像裝置，其中在相鄰的換能器之間的距離大于產生具有選定分辨率的超聲圖像所需要的相鄰的掃描線的最小間距，所述裝置適于產生至少具有所述選定分辨率的超聲圖像。
28.如權利要求27所述的裝置，其中所述換能器的陣列由滑動器元件支撐，所述滑動器元件能夠沿著線性路徑以往復運動機械地移動選定的線性距離，在沿著所述線性路徑的所述換能器的陣列的所述換能器之間的線性間距與所述線性距離具有近似相同的大小，所述探測單元被操作以在每一往復運動期間獲取多條掃描線。
29.如權利要求觀所述的裝置，其中所述滑動器由線性電機驅動。
30.如權利要求觀所述的設備，其中所述滑動器由旋轉電機驅動。
31.如權利要求四或權利要求30所述的設備，其中所述電機是超聲波電機。
32.如權利要求觀所述的設備，其中所述滑動器具有曲線形狀且所述線性路徑是曲線路徑。
33.如權利要求27所述的設備，其中所述換能器的陣列由盤支撐，將所述換能器布置在所述盤的邊緣上以在沿著所述盤的直徑的投影方向上獲取掃描線，所述盤適于旋轉使得由每一換能器獲取的所述掃描線掃過圓的扇區。
34.如權利要求33所述的設備，其包括控制器，所述控制器用于控制對所述換能器的激勵以獲取掃描線，使得所述換能器只有當定位在延伸到要成像的身體中的圓的扇區上方時才起作用。
35.如權利要求33所述的設備，其中所述盤是環狀盤。
36.一種產生超聲掃描的方法，其中提供了具有至少一個超聲換能器的陣列，所述換能器通過超聲波電機以重復運動相對于要成像的身體移動，產生用于顯示的超聲圖像，所述圖像包括由所述換能器在沿著所述運動的路徑的連續點上獲取的掃描線，每一換能器為所述圖像提供多條掃描線。
37.一種使用超聲換能器的稀疏陣列產生超聲圖像的方法，所述方法包括以下步驟通過激發所述換能器中的至少一個換能器并接收從要成像的身體返回的超聲回聲來獲取超聲掃描線，將所述陣列移動一步進距離，從所述換能器獲取另外的超聲掃描線，重復獲取掃描線和移動所述陣列的步驟并直到所述陣列移動選定的距離，所述選定的距離實質上大于所述步進距離，以和所述掃描線被捕獲的空間關系成比例的空間關系顯示所獲取的掃描線，重復所述步驟以顯示實時超聲圖像。
38.如權利要求37所述的方法，其中所述陣列以一系列分離的步驟移動，只有當所述陣列靜止時才獲取掃描線。
39.如權利要求37所述的方法，其中在來自用戶的開始和停止命令之間實質上連續地移動所述陣列并獲取掃描線數據。
40.一種超聲掃描裝置，其實質上如在說明書中參考附圖中的任何一個或多個所描述的，且如通過附圖中的任何一個或多個所示出的。
41.一種超聲換能器探測單元，其實質上如在說明書中參考附圖中的任何一個或多個所描述的，且如通過附圖中的任何一個或多個所示出的。
42.一種產生超聲圖像的方法，其實質上如在說明書中參考附圖中的任何一個或多個所描述的，且如通過附圖中的任何一個或多個所示出的。
全文摘要
一種具有換能器的超聲成像裝置，所述換能器通過超聲波電機以重復運動移動，所述超聲成像裝置包括換能器陣列，其中相鄰的換能器之間的距離大于產生具有期望分辨率的超聲圖像所需要的相鄰掃描線的最小間距，陣列的運動允許裝置產生具有至少所期望的分辨率的超聲圖像。
文檔編號A61B8/00GK102458258SQ201080028231
公開日2012年5月16日 申請日期2010年6月21日 優先權日2009年6月23日
發明者斯圖爾特·巴特利特, 約翰·帕克, 艾薩·艾爾-阿克盧克 申請人:西格諾斯蒂克斯有限公司