能与不同的超声系统一起操作的二维超声换能器阵列

摘要

一种矩阵阵列换能器探头具有换能器元件的二维阵列，所述换能器元件被耦合到能针对每个元件来调节的延迟。可控开关矩阵将多个经不同延迟的元件信号组合以形成片组信号并且以这种方式来产生多个片组信号。所述开关矩阵考虑完成波束形成的系统波束形成器的通道的数量来确定片组配置，并且考虑将要在每个片组中使用的元件的配置来设定元件延迟。可以以两个阶段来完成片组信号的形成，包括具有硬线连接的信号组合器的阶段。所述矩阵阵列探头可以与不同大小的系统波束形成器或者与针对具体的波束形成器配置而被配置的不同探头中使用的相同换能器堆叠一起操作。

说明书

技术领域

本发明涉及医学诊断超声系统，并且具体而言涉及能与不同的超声系 统波束形成器操作的矩阵阵列换能器探头。

背景技术

超声阵列换能器可以被配置为换能器元件的单一的行、用于对二维 (2D)图像平面进行成像的一维(1D)阵列、或者用于对三维区域进行成 像的换能器元件的二维(2D)阵列。2D阵列包括沿方位角方向和高度方向 两者延伸的元件，所述元件可以被完全独立地操作以沿任何方位角方向或 高度方向聚焦和操纵波束。这些阵列可以被以平的或弯曲的取向来配置。 本发明涉及2D阵列换能器，所述2D阵列换能器可以沿方位角和高度操纵 并且聚焦以扫描2D图像平面和三维体积感兴趣区域两者。

具有大量的元件的二维阵列换能器并且甚至1D阵列由于它们的大量 换能器元件而带来问题。由于这些元件中的每个必须是独立受控来发射和 接收的，所以必须为每个元件提供单独的信号线。1D阵列可以包括具有 100-200个元件的行，需要100-200条信号线，所述信号线可以被安置在相 对较小且较轻的探头线缆中，但是可能需要与具有相对较少的通道的系统 波束形成器一起操作。2D阵列可以在具有一个维度中的100-200行元件以 及另一个维度中的100-200列元件，总计几千个独立的元件。对于手持并且 必须由声谱仪操纵的探头，几千条信号线的线缆是不实际的。本发明的实 现方法通过使用微型波束形成器集成电路克服了这些问题，所述微型波束 形成器集成电路被附接到执行对被称为片组(patch)的元件组的部分波束 形成的2D阵列。被独立地延迟并且加和的来自每个片组的元件的信号经过 标准大小的线缆被传导到超声系统波束形成器，在所述超声系统波束形成 器中来自每个片组的加和信号被应用到系统波束形成器的通道，所述系统 波束形成器完成波束形成操作。比如在US专利5229933(Larson,III)、US 专利5997479(Savord等)、US专利6013032(Savord)和US专利6126602 (Savord等)中说明的，在探头中的微型波束形成器与系统波束形成器的 通道之间对全部波束形成操作的划分使得能够在探头和超声系统之间使用 具有相对较少数量的信号线的线缆。

超声探头大体上被设计有预定的配置，所述配置与对应的系统波束形 成器配置一起操作。比如，64元件1D阵列探头将与64通道系统波束形成 器一起操作，并且128元件阵列探头将与128通道系统波束形成器一起操 作。期望有能够与不同的系统波束形成器一起操作的具有可变配置的探头。 US专利7517317(Lazenby等)中示出了得到可变2D阵列探头的一种方法。 在该专利中，2D阵列的元件能被分成元件的块，所述元件的块可以由开关 选择性地连接在一起，以使得来自多个元件的信号被组合到单个输出上。 较大数量的元件在针对较低数量的波束形成器通道的较小数量的输出上被 连接在一起，并且较小数量的元件在针对较高数量的波束形成器通道的较 大数量的输出上被连接在一起。阵列的间距受被连接在一起的元件的数量 影响。当间距增大时，波束的旁瓣增大，进而增大杂波并且减小最终图像 的清晰度和分辨率。波束可以被操纵和聚焦的程度也是受限制的。因此期 望能够将2D矩阵阵列配置为与不同的系统波束形成器一起操作而不存在 这些有害的影响。

发明内容

根据本发明的原理，一种超声矩阵阵列换能器探头与微型波束形成器 一起操作，以处理来自换能器元件的可变片组(patch)的信号，所述换能 器元件的可变片组对应系统波束形成器而变化，所述探头与所述系统波束 形成器一起操作。来自每个元件的所述信号被选择性地延迟，其中，来自 将被用在同一片组中的元件的信号被相对于所述片组的公共时间或相位基 准而不同地延迟。经不同地延迟的信号被组合以产生微型波束形成的片组 信号。以这种方式形成的片组信号的数量也被选择性地控制以与用来完成 所述波束形成过程的所述系统波束形成器的通道的数量相对应。本发明的 一种实现方式使得同样的矩阵阵列堆叠的微型波束形成器能够与不同的超 声系统或与所述系统的性价比最大的探头线缆一起使用。

附图说明

在附图中：

图1以方框图的形式图示了本发明的2D弯曲阵列换能器和微型波束形 成器探头。

图2是图示了部分波束加和(beamsum)微型波束形成器的概念的方框 图。

图3图示了根据本发明的原理构造的微型波束形成器矩阵阵列探头和 超声系统。

图4图示了根据本发明的原理的、用于将具有不同大小的2D阵列的微 型波束形成的片组耦合到系统波束形成器通道的交叉点开关矩阵。

图5图示了具有用于与48导体线缆或48通道系统波束形成器一起使 用的不同大小的片组2D矩阵阵列换能器。

图6图示了具有用于与12导体线缆或12通道系统波束形成器一起使 用的不同大小的片组2D矩阵阵列换能器。

图7图示了具有用于与8导体线缆或8通道系统波束形成器一起使用 的统一大小的片组2D矩阵阵列换能器。

图8图示了根据本发明的原理构造的微型波束形成器矩阵阵列探头和 超声系统的第二范例，该第二范例针对预定数量的线缆导体或系统波束形 成器通道而被硬线连接。

图9a图示了具有八个统一大小的片组的第一孔径的2D矩阵阵列换能 器。

图9b图示了将图9a的孔径平移到阵列上的不同位置之后的图9a的2D 矩阵阵列换能器。

具体实施方式

首先参考图1，以方框图的形式示出了根据本发明的原理构建的超声系 统。探头10具有二维阵列换能器12，在该范例中，二维阵列换能器12在 高度维度中是弯曲的，例如US专利7927280(Davidsen)所示。阵列的元 件被耦合到被定位在探头中换能器阵列后面的微型波束形成器14。该微型 波束形成器将计时发射脉冲施加到阵列的元件以沿期望的方向发射波束， 并且将波束发射到阵列前面的三维图像场中的期望的焦点。来自发射出的 波束的回波由阵列元件来接受并且被耦合到微型波束形成器14的延迟，其 中，所述回波被分别地延迟。包括片组的一组换能器元件的被延迟信号被 组合以形成片组的部分加和信号。如在本文中使用的，术语“片组”指一 组换能器元件，所述一组换能器元件被一起操作并且使它们的信号相对于 基准而分别地被延迟，并且所述信号接着由微型波束形成器组合以形成针 对探头导体或超声系统波束形成器通道的一个信号。在典型的实现方式中， 通过将来自片组的元件的被延迟信号耦合到公共总线来完成组合，消除了 对于加法电路或其他复杂电路的需要。每个片组的总线被耦合到线缆16的 导体，所述线缆16的导体将片组信号传导到系统主帧。在所述系统主帧中， 片组信号被数字化并且被耦合到系统波束形成器22的通道，系统波束形成 器22将每个片组信号适当地延迟。被延迟的片组信号接着被组合以形成相 干操纵并聚焦的接收波束。由信号和图像处理器24来处理来自3D图像场 的波束信号，以产生用于在图像显示器30上显示的2D或3D图像。对超 声系统参数的控制(例如探头选择、波束操纵和聚焦、以及信号和图像处 理)是在被耦合到系统的多个模块的控制器26的控制下完成的。在探头10 的情况下，在如下面更充分地描述的线缆16的数据线上从系统主帧来提供 这种控制信息中的一些。用户借助于控制面板20来控制这些操作参数中的 许多。

图2图示了部分加和微型波束形成器的概念。图2的附图由虚线32和 34切成三个区域。探头10的部件在线32的左边被示出，系统主帧的部件 在线34的右边被示出，并且线缆16在两条线之间被示出。探头的二维矩 阵阵列12被分成连续的换能器元件。附图中示出了阵列12的片组中的五 个，每个包括九个邻近的元件。附图中示出了针对片组12a、12c和12e的 微波波束形成器通道。片组12a的九个元件被耦合到在DL1处被指示的微 波波束形成器的九条延迟线。类似地，片组12c和片组12e的九个元件被耦 合到在DL2和DL3处被指示的延迟线。由这些延迟线赋予的延迟是多个变 量(例如阵列的大小、元件间距、片组的间隔和维度、波束操纵范围以及 其他)的函数。延迟线分组为DL1、DL2和DL3，每个将来自他们的各自 片组的元件的信号延迟到针对片组的公共时间或相位基准。接着来自每组 延迟线的九个被延迟的信号由各自的加法器Σ组合以形成来自片组元件的 阵列部分加和信号。每个部分加和信号被施加在单独的总线15a、15b和15c 上，所述总线中的每条被耦合到线缆16的导体，所述导体将部分加和信号 传导到系统主帧。在系统主帧中，每个部分加和信号被施加到系统波束形 成器22的延迟线22a、22b、22c。这些延迟线将部分加和信号聚焦成在系 统波束形成器加法器22s的输出处的公共波束。接着完全形成的波束被转发 到信号和图像处理器以用于进一步处理和显示。尽管利用9元件片组示出 了图2的范例，但是应当意识到构造的微型波束形成器系统大体将拥有具 有更大数量(例如12、20、48或70个元件或者更多)的元件的片组。片 组的元件可以互相邻近、隔开或者甚至以棋盘图样混合，其中，“奇数”计 数的元件被组合在一个片组中并且“偶数”计数的元件被组合在另一个片 组中。片组可以是正方形、长方形、钻石形、六边形或任何其他期望的形 状。

图3图示了根据本发明的原理构造的矩阵阵列探头10和主帧超声系统 00。二维矩阵阵列12使它的独立换能器元件耦合到微型波束形成器14的 可控延迟线DL。探头中的微型波束形成器控制器40通过一条或多条线42 来接收控制信号。微型波束形成器控制器通过线44来施加控制信号，线44 针对换能器元件信号来设定延迟线DL的延迟。这些延迟对于期望的片组大 小和形状是适当的。被延迟的换能器元件信号被耦合到开关矩阵32，开关 矩阵32将来自同一片组的元件的信号引导到一个输出34。例如，如下面图 所示，期望组合192个元件的被延迟信号以形成单个片组信号。开关矩阵 2的开关闭合以将期望的192个元件的被延迟信号连接到公共总线上。通 过由微型波束形成器控制器40提供的线46上的片组开关控制信号来控制 开关闭合以及片组配置。图4中示出了使得任何被延迟元件信号能够被用 在任何片组中的非常灵活的开关矩阵。图4图示了交叉点开关矩阵，所述 交叉点开关矩阵适合于选择性地将来自探头微型波束形成器14的被延迟信 号耦合到线缆16的导体和系统波束形成器22的通道。2D矩阵阵列换能器 的每个元件(例如元件0、元件1、……元件M)被耦合到对每个接收到的 信号赋予适当的延迟的微型波束形成器14的延迟电路14’。每个被延迟元 件信号被通过线112、114、……120传导到电子开关的臂，例如122、124、…… 126和132、134、……136。线上的电子开关中的一个闭合以将来自该元件 的信号耦合到选定的系统波束形成器通道，例如系统通道0、系统通道 1、……系统通道N。通过选择性地闭合交叉点开关矩阵中的期望的开关， 任何被延迟元件信号可以被施加在总线102、104、……110上，以与总线 上的其他信号加和；并且任何被延迟元件信号可以被施加到线缆导体并且 因此被施加到系统波束形成器22的通道以用于完成波束形成操作。因此开 关矩阵32能够将M个换能器元件的被延迟信号引导到N个片组信号输出 32，由线缆16将N个片组信号输出32耦合到系统波束形成器22。

可以是一米长或更长的探头的线缆16在探针连接器36处终止。线缆 的片组信号传导体在探头连接器36的连接器块38的管脚处终止。被定位 在探头连接器中的是含有为超声系统识别探头和它的具体特性的数据(探 头ID)的EPROM 50，探头被连接到所述超声系统。EPROM 50还被耦合 到连接器块38的管脚。当探头连接器36被插入到超声系统100的配合连 接器中时，连接器块38被耦合到系统的配合块138，并且片组信号由此被 连接到系统波束形成器22。系统波束形成器控制器28被耦合到系统波束形 成器以控制系统波束形成器的操作。系统波束形成器控制器还被耦合以从 探头的EPROM 50接收探头ID数据，所述探头ID数据为控制器识别探头 并且使得波束形成器22能够被建立以用于与具体探头一起操作。在该范例 中，系统波束形成器控制器进一步地被耦合到探头线缆的一个或多个导体， 以向矩阵阵列探头提供关于系统波束形成器的信息。如在42处指示的，该 系统信息被耦合到微型波束形成器控制器40以使得微型波束形成器控制器 能够建立矩阵阵列探头以用于与它被连接到的超声系统一起操作。

图3的矩阵阵列探头和超声系统的操作如下。当探头连接器36被插入 到超声系统100中时，来自超声系统的能量为矩阵阵列探头部件供能。 EPROM向超声系统提供探头ID信息，并且系统现在知晓已经被连接的探 头的类型。设想作为范例，系统波束形成器22具有128通道，并且矩阵阵 列探头10具有被由线缆16中的128个片组信号传导体耦合到连接器块38 的128个片组输出34。由于在该范例中微型波束形成器具有最大128个输 出34，在输出34处可以产生128个被延迟并且加和的片组信号，所以该微 型波束形成器可以向系统波束形成器提供最大128个部分加和片组信号以 用于完成波束形成过程。该部分加和片组信号的最大数量可以由具有128 个或更多个波束形成器通道的系统波束形成器来处理。在该范例中，系统 波束形成器控制器建立系统波束形成器以针对由探头提供的128个部分加 和片组信号来进行最终的波束形成。系统波束形成器控制器28通过线缆16 和线42来通知探头系统波束形成器具有128通道，并且微型波束形成器控 制器40通过建立微型波束形成器延迟DL和开关矩阵32的开关来做出响 应，以向系统波束形成器22提供来自128个输出34中的全部的128个部 分加和片组信号。接着利用128个探头片组和片组输出信号以及128通道 系统波束形成来进行成像。

设想作为另一个范例，超声系统100具有48通道系统波束形成器。矩 阵阵列探头现在必须被配置为与具有比微型波束形成器能够提供的最大 128个片组输出信号更少的通道的该波束形成器一起操作。微型波束形成器 控制器40通过线42来获知48通道系统波波束形成器，并且通过这样来做 出响应，即设定开关矩阵32的开关以使得在128个输出34中的48个上产 生48个片组的部分加和片组信号。对于片组信号不需要剩余的输出。通过 由微型波束形成器控制器提供的线44上的延迟控制信号来设定延迟线DL 的延迟。该延迟对于2D矩阵阵列的元件分组而成的48个片组中的那些是 适当的。图5中示出了一个这样的48个片组元件配置，该配置说明了对具 有不同大小的48个片组的使用。较小的片组被定位在阵列换能器的中心， 并且较大的片组在沿方位方向的侧边上。附图的垂直维度是高度方向。开 关矩阵32的开关将来自每个片组的元件的独立延迟的信号组合，并且将输 出34中的48个上的最终部分加和信号耦合。承载这48个片组信号线缆的 导体被由探头连接器块38和138耦合到系统波束形成器22的48个通道的 输入。接着利用48通道系统波束形成进行成像。

因此可以看出当本发明的矩阵阵列探头与具有大于或等于矩阵阵列探 头可以产生的片组信号的最大数量的通道计数的系统波束形成器一起操作 时，微型波束形成器控制器设定被延迟信号的延迟和加和以产生它的片组 信号的最大数量，所述片组信号被耦合到系统波束形成器以完成波束形成。 当矩阵阵列探头与具有小于最大值的通道计数的系统波束形成器一起操作 时，微型波束形成器控制器设定被延迟信号的延迟和加和以产生小于最大 值的若干部分波束形成的片组信号。

图6图示了当对于12通道系统波束形成器只需要十二个片组时的矩阵 阵列换能器12的片组配置。在该情况下，延迟和开关矩阵被设定为提供在 开关矩阵输出34中的十二个上的十二个部分加和片组信号。十二个片组信 号被通过线缆16传导并且被施加到12通道系统波束形成器的通道输入。 图7图示了另一矩阵阵列片组配置，在所述配置中2D阵列12的元件中的 全部被分组为八个均一大小的片组。接着延迟线DL和开关矩阵32在128 (“N”)个开关矩阵输出中的八个上并且在被应用到8通道系统波束形成器 的八个通道输入的线缆导体上产生八个片组信号。

尽管图3的矩阵阵列探头被视为能够与各个不同的系统波束形成器一 起操作，但是备选地期望将矩阵阵列探头配置为仅与一个系统波束形成器 一起使用。这可以利用图3中示出的相同的探头部件中的多数来完成，具 体利用相同的矩阵换能器阵列和微型波束形成器堆叠来完成。因此，相同 的换能器堆叠可以被用于针对不同超声系统的不同探头。专用探头配置还 可以提供低成本矩阵阵列探头。常见的情况是探头线缆是探头的最贵的部 件，其中，成本随线缆中的导体的数量而成比例变化。例如，如果矩阵阵 列探头旨在严格地与8通道系统波束形成器一起使用，那么对于片组信号 在线缆中只需要八个信号传导体而不是128个信号传导体。通过使用仅具 有八个片组信号传导体而不是全部128个导体的线缆来减少整个矩阵阵列 探头成本。

具有诸如图3的开关矩阵32的开关矩阵的换能器堆叠可以通过这样来 与各个不同的系统波束形成器一起使用，即配置矩阵32的开关以使得从矩 阵阵列的M个元件到N个片组输出信号的被延迟信号的M:N组合造成最 终期望的数量的片组信号输出。比如，N可以是与系统波束形成器的通道 数量相匹配的8个、16个、48个或者任何其他数量的片组输出。也可能通 过将信号组合划分为两个阶段来使用同一128输出开关矩阵，其中，开关 矩阵32产生128个片组信号，接着由第二信号组合器将所述128个片组信 号进一步组合为最终的较少数量的期望片组信号。当矩阵阵列探头仅与一 个系统波束形成器配置一起操作时，该第二信号组合器可以是如图8所示 的硬线连接的信号组合器60。比如，硬线连接的信号组合器60可以是印刷 电路板或者柔性电路，在其中由p.c.b或柔性电路的经连接的布线62来将 信号组合。经连接的布线62的数量产生在输出64处的期望的片组信号的 最终数量。在图8的矩阵阵列探头中，开关矩阵32对开关矩阵32的128 个输出34进行M：128信号组合，并且第二信号组合器60通过组合128 个片组信号来进一步地减少片组信号的数量，以产生片组信号的最终期望 的固定数量N。比如，如果图8的矩阵阵列探头仅与8通道系统波束形成 器一起操作，那么第二信号组合器60将具有产生八个片组输出64的八组 经连接的布线62。八个片组输出64被耦合到线缆16的N个片组信号传导 体，其中，N是八。当探头连接器36被插入到具有8通道系统波束形成器 的超声系统中时，通过线缆传导的八个片组信号被连接到系统波束形成器 的八个通道。因此可以使用每个探头中的同一矩阵阵列换能器12、延迟线 DL、开关矩阵32和微型波束形成器控制器40，而利用不同的硬线连接的 第二信号组合器60和针对每个不同的系统波束形成器的通道数量的探头线 缆，来构造针对不同通道计数系统波束形成器的一系列探头。因此，同一 换能器堆叠可以被用在具有廉价硬线连接的组合器和与系统波束形成器通 道配置相匹配的减少的导体线缆中。如果期望，则不同的探头连接器36和 减少的管脚计数连接器块38还可以被用于进一步地减少成本。

图9a和图9b图示了针对如图8所示构造的矩阵阵列探头的片组配置。 这些配置说明了使用矩阵阵列12上的八个片组以用于与8通道系统波束形 成器一起使用。在该范例中，八个片组中的每个包括48个换能器元件，1536 个元件的矩阵阵列12的八个片组的有效孔径中总共有384个元件。延迟线 DL的延迟被针对片组大小和位置来调节，并且开关矩阵32的开关被设定 为将来自开关矩阵的128个输出中的每个上的三个换能器元件的被延迟信 号组合。因此开关矩阵提供M：128被延迟信号组合，其中，M是八个片 组的384个元件。接着硬线连接的第二组合器60执行128：N组合，其中， N是八，将开关矩阵输出34中的十六个组合为在输出64处的一个最终片 组信号。接着八个片组信号被通过线缆16的八个片组信号传导体(N＝8) 传导，以用于完成8通道系统波束形成器中的波束形成。

图9b示出了相同的具有八个片组的孔径，但是其中，所述孔径向右偏 移两个元件。有效孔径被以这种方式沿高度方向在阵列上平移以进行线性 阵列扫描。为了利用该经重新定位的孔径来扫描，必须针对新的经平移的 片组位置来设定延迟DL和开关矩阵的开关。一旦矩阵32的延迟和开关已 经被针对新的片组位置来设定，则从新的孔径位置来发射并接收另一个波 束，并且第二组合器60如之前那样进行128：8组合以向系统波束形成器 提供八个新的片组信号。不仅可以如图9a和图9b所示逐波束地改变孔径， 如2012年5月9日提交的US专利申请序号61/644524中描述的，还可以 在接收波束期间改变孔径从而根据增大的波束深度随着接收信号来使孔径 增长；在此通过引用将该申请内容并入。