基于高密度CMUT柱面阵的乳腺三维超声CT成像系统

摘要

本发明为一种基于高密度CMUT柱面阵的乳腺三维超声CT成像系统，涉及MEMS传感器领域。该系统包括CMUT柱面阵探测器、配置电路、计算机控制系统和检测床，CMUT柱面阵探测器由512排环形阵列装配完成，每排环形阵列上等间距地分布着2048个CMUT阵元，CMUT阵元采用以硅‑硅键合为核心的微机械加工技术制作而成。CMUT柱面阵包围在乳房四周进行三维全自动电子扫查，在超声成像领域将具有很好的成本和性能优势。本发明设计合理，能够有效提高乳腺超声断层成像的分辨率，缩短检测时间，具有高灵敏度、高特异性以及成本低的特点，具有很好的实际应用及推广价值。

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS传感器技术领域，具体是一种基于高密度CMUT柱面阵的乳腺三维超声CT成像系统。

背景技术

近年来，超声计算机断层扫描成像（USCT）作为一种新型的乳腺癌影像技术得到快速发展，以乳腺横断面体层成像为主，具有CT技术的不受层面上下组织干扰的优势，成像分辨率高；同时利用了超声波穿透性好的特点，对乳腺内不同组织密度的衰减系数差异大，因此具有高的密度分辨率特性，其远远优于X射线，能够分辨微小钙化点。依托计算机的快速数据处理技术，USCT能够实现三维动态高分辨率成像，同时超声波安全可靠，可短期内多次测量。

高密度的超声换能器阵列、全自动电子扫描控制方法和快速有效的图像重建算法是乳腺USCT系统实现的基础，但是已见报道的乳腺USCT系统的图像分辨率不高，图像重建时间较长，主要有以下两个原因：第一，现有的USCT系统中全部采用压电超声换能器，压电陶瓷是当前超声换能器中最常用的材料，但是制作数千个高一致性阵元的压电换能器阵列存在工艺难度大、成本高、功耗大的问题，更难以制作高密度压电换能器面阵，而且随着器件工作频率的增加，阵元间距不断减小，对于压电材料而言，这种小尺寸面积限制了发射能量并减小了接收灵敏度，很难达到较大的工作动态范围；第二，现有的USCT系统数据采集方式一般为平行束扫描和扇束扫描，获得多个角度下的切片数据仍需要旋转或沿Z轴方向平移，这样就会引入不必要的机械干扰。另外，乳房直径一般为10~15cm，在这个传播距离下，单一阵元发射超声信号能量有限，导致接收信号幅值很小，甚至检测不到信号，进而导致图像分辨率低。

发明内容

本发明的目的是为了解决当前乳腺USCT系统图像分辨率低，图像重建时间长等问题，而提供一种低成本、高灵敏度、高特异性的基于高密度CMUT柱面阵的乳腺三维超声CT成像系统。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于高密度CMUT柱面阵的乳腺三维超声CT成像系统，包括CMUT柱面阵探测器、配置电路、计算机控制系统和检测床；

CMUT柱面阵探测器包括CMUT柱面阵和安装座，CMUT柱面阵安装在安装座内；CMUT柱面阵由512排环形阵列装配完成，每排环形阵列上等间距地分布着2048个CMUT阵元；CMUT阵元采用以硅-硅键合为核心的微机械加工技术制作而成，具体制备方法包括步骤：1）取SOI片和氧化硅片，在氧化硅片的顶部氧化层上刻蚀得到SiO

配置电路包括超声信号发射/接收电路系统、数据采集电路系统、数据储存电路系统和FPGA芯片，超声信号发射/接收电路系统与CMUT柱面阵连接，CMUT柱面阵再与数据采集电路系统连接，数据采集电路系统再与数据储存电路系统连接，数据储存电路系统再与FPGA芯片连接FPGA芯片再分别与超声信号发射/接收电路系统和数据采集电路系统连接；

计算机控制系统与配置电路连接；

CMUT柱面阵探测器安装在检测床上，检测床内注有水，CMUT柱面阵探测器浸没在水中。

作为优选的技术方案，CMUT阵元封装在封装结构内，封装结构包括PVC外壳，PVC外壳内的底部设置有环氧树脂基座，环氧树脂基座与PVC外壳内壁之间设置有铝箔，CMUT阵元安装在PVC外壳内的环氧树脂基座上，CMUT阵元上的电缆密封穿出，PVC外壳的顶部壳口密封设置有聚氨酯橡胶帽，PVC外壳内位于环氧树脂基座与聚氨酯橡胶帽之间的空间内注有硅油。

作为优选的技术方案，CMUT柱面阵的检测孔径为20cm。

本发明系统创造性地采用了基于MEMS技术的高密度CMUT柱面阵列技术、全自动电子扫描技术和多模态融合图像重建技术，同步实时采集乳腺组织的声阻抗、衰减、声速等参数，实现亚毫米级高分辨率的乳腺超声图像。对于基于MEMS技术的高密度CMUT柱面阵列技术：CMUT阵元是采用基于柔性衬底的高密度TSV互联集成制造方法制作而成的，该制作方法利用了SOI器件层均匀性好的优点，保证了器件振动薄膜结构的一致性，CMUT阵元的灵敏度比压电换能器高一倍，带宽提高50%。对于全自动电子扫描技术：面向乳腺超声CT的四象N元自适应相控波束合成方法，对乳腺组织进行快速扫描与ROI聚焦扫描，包括对乳腺组织进行线性扫描和环形扫描，既可以通过对线阵512阵元的自动扫描控制来获取多个垂直超声断层成像序列，也可以对环阵2048阵元的自动扫描控制来获取多个水平超声断层成像序列，实现对乳腺亚毫米病灶的快速精准定位，解决微小病变组织精准定位难题。对于多模态融合图像重建技术：声阻抗、声速、衰减多模态图像特征增强与三维重构方法，实现高分辨率图像重构，将乳腺病变组织成像分辨率比目前美国超声CT系统提高一倍以上。

本发明系统中的CMUT柱面阵由512排环形阵列装配完成，每排环形阵列上等间距地分布着2048个CMUT阵元；为获得更好的指向性和透射性能，采用多通道电路实现信号的聚焦发射和接收，通过4次电子旋转扫描，实现2048通道的模拟同步采集。既可以采集到反射信号也可以采集到透射信号，采集到的超声信号中包含声阻抗、衰减、声速和频率等参数，通过多模态融合超声断层成像算法处理，获得平面内高分辨率乳腺组织图像。采用相同的扫描方式，依次完成乳房的512排扫描，运用数据处理技术和三维重建技术，最终得到乳腺组织在三维方向上的尺寸、位置、密度等图像。

本发明系统中的CMUT阵元很好地克服了传统压电换能器的一些缺点，具有高灵敏度、宽频带、一致性好、微型化集成度高、易于制作二维面阵等众多优点。利用MEMS工艺制作2048×512阵元的CMUT柱面阵作为乳腺超声CT成像设备的核心器件，CMUT柱面阵包围在乳房四周进行三维全自动电子扫查，在超声成像领域将具有很好的成本和性能优势。

本发明设计合理，能够有效提高乳腺超声断层成像的分辨率，缩短检测时间，具有高灵敏度、高特异性以及成本低的特点，具有很好的实际应用及推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明系统的整机结构示意简图。

图2为本发明系统中CMUT阵元的制备工艺方法示意图。

图3为本发明系统中CMUT阵元的封装结构示意图。

图4为本发明系统中CMUT柱面阵探测器的结构示意图。

图5为本发明系统中配置电路系统框图。

图6为本发明系统的平面内扫描序列示意图。

图7为本发明系统基于小波变换的图像融合示意图。

图中：1-CMUT柱面阵探测器、2-配置电路、3-计算机控制系统、4-检测床、5-CMUT柱面阵、6-底座、7-圆桶型基底、8-透声水密封层、9-支架、10-水、11-PVC外壳、12-环氧树脂基座、13-铝箔、14-聚氨酯橡胶帽、15-硅油、16-CMUT阵元。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，一种基于高密度CMUT柱面阵的乳腺三维超声CT成像系统，包括CMUT柱面阵探测器1、配置电路2、计算机控制系统3和检测床4。

CMUT柱面阵探测器1包括CMUT柱面阵5和安装座，CMUT柱面阵5安装在安装座内；CMUT柱面阵5由512排环形阵列装配完成，每排环形阵列上等间距地分布着2048个CMUT阵元16；CMUT阵元16采用以硅-硅键合为核心的微机械加工技术制作而成，具体的工艺流程图如图2所示：1）取SOI片和氧化硅片，在氧化硅片的顶部氧化层上刻蚀得到SiO

配置电路2包括超声信号发射/接收电路系统、数据采集电路系统、数据储存电路系统和FPGA芯片，超声信号发射/接收电路系统与CMUT柱面阵5连接，CMUT柱面阵5再与数据采集电路系统连接，数据采集电路系统再与数据储存电路系统连接，数据储存电路系统再与FPGA芯片连接，FPGA芯片再分别与超声信号发射/接收电路系统和数据采集电路系统连接，如图5所示。

计算机控制系统3与配置电路2连接，计算机控制系统3的功能有操作软件及控制电路系统、图像重建算法、图像显示、记录、打印系统等。

CMUT柱面阵探测器1安装在检测床4上，检测床4上设置有注排水孔，通过注排水孔向检测床4内注有水10，CMUT柱面阵探测器1浸没在水10中；由于空气与乳腺组织密度差别较大，阻抗较大，超声波信号在空气中传播无法穿透乳腺，所以使得乳腺与CMUT柱面阵探测器1之间通过耦合水介质实现耦合，以保证超声波传播到乳腺组织前能量损耗最小。

CMUT阵元16封装在封装结构内，封装结构包括PVC外壳11，PVC外壳11内的底部设置有环氧树脂基座12，环氧树脂基座12与PVC外壳11内壁之间设置有铝箔13，CMUT阵元16安装在PVC外壳11内的环氧树脂基座12上，CMUT阵元16上的电缆密封穿出，PVC外壳11的顶部壳口密封设置有聚氨酯橡胶帽14，PVC外壳11内位于环氧树脂基座12与聚氨酯橡胶帽14之间的空间内注有硅油15，如图3所示。

CMUT柱面阵5的水下声学封装主要包括对聚氨酯橡胶帽的设计与灌封、电缆的密封、封装外壳的设计制作以及CMUT柱面阵5的整体封装技术。成阵时，为了避免安装误差，减小CMUT阵元16拼接引起的偏差，确定最优的CMUT柱面阵5结构的参数，通过精密定位实现组装，构成柱面阵。

配置电路2用来控制CMUT柱面阵5阵元的发射与接收，通过4次电子旋转扫描，实现2048通道的模拟同步采集，如图6所示，这样既可以采集到反射信号也可以采集到透射信号，采集到的超声信号中包含声阻抗、衰减、声速和频率等参数，通过多模态融合超声断层成像算法处理，获得平面内高分辨率乳腺组织图像。采用相同的扫描方式，依序完成乳房的512排扫描，从而实现三维乳腺全自动电子扫描。

在乳腺超声断层成像中，通过透射断层成像和反射断层成像可以得到不同模态的图像，不同模态的图像反映了组织模型不同的特点。透射断层图像反映了乳腺病变组织中的组织内部特性信息，而反射断层图像则体现了乳腺病变组织的边缘信息，这两类信息具有很强的互补性。乳腺组织内部特性信息主要集中在低频分量上，而边缘信息主要集中在高频分量上。因此，本发明系统采用基于小波变换的图像融合技术，将反射超声断层图像、声速图像和衰减图像融合在一起，得到信息量更丰富的乳腺癌变组织融合图像。基于小波变换的图像融合流程图如图7所示，首先将反射图像和透射图像进行小波分解，得到高频和低频的小波系数矩阵，对高低频小波系数矩阵分别采用不同的融合规则，得到新的小波变换系数矩阵，再对新得到的小波系数矩阵进行小波逆变换得到融合以后的断层图像。

上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。