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CN101443678B - 具有集成的波束形成的多维cmut阵列 - Google Patents

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CN101443678B CN2007800149688A CN200780014968A CN101443678B CN 101443678 B CN101443678 B CN 101443678B CN 2007800149688 A CN2007800149688 A CN 2007800149688A CN 200780014968 A CN200780014968 A CN 200780014968A CN 101443678 B CN101443678 B CN 101443678B
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Abstract

为了产生表示容积的信息，共同阵列或合成发射孔径过程(72)在一个维度被执行，且波束形成(68)在另一维度被执行。例如，发射孔径在方位聚焦，但在高程是未聚焦的或发散的。多维阵列(12)接收所反射的回波。所述回波对于在方位聚焦的子阵列被波束形成(68)。所得到的部分波束形成的信息被从探针壳体(10)提供给成像系统，用于完成至少在高程的波束形成(72)。

Description

具有集成的波束形成的多维CMUT阵列
相关申请
本专利文件是于2005年12月7日提交的序列号为11/295,794的申请的部分继续申请，并且本专利文件请求于2006年4月26日提交的序列号为60/795,407的临时美国专利申请的在35U.S.C§119(e)规定下的提交日的利益。前述所有申请通过引用结合于此。
背景技术
本实施例涉及多维换能器阵列。波束形成可被提供用于多维的电容膜超声换能器(CMUT，capacitive membrane ultrasoundtransducer)阵列。
许多临床应用要求高的容积采集速率。尤其是用于放射学的二维阵列具有巨大的通道计数和单元尺寸，其由于阻抗不匹配而不能够驱动线缆。用于完全采样的二维阵列的线缆不切实际得大。
传统的阵列在其帧率上受到尼奎斯特空间采样和扫描区域限制。当扫描容积的二维阵列被考虑时，波束的数量常常可超过10000。典型的容积可能要花数秒钟来采集。表示一行声回波的数据集从发射机点火(transmitter firi ng)获得。对方形换能器，如果要求M个波束来填充平面，则至少需要M2个波束来填充容积。典型的波束是2个波长宽，并且典型的换能器可为200个波长长，给定M＝100。典型的波束要求0.2ms来采集。尤其是在心脏病学中，并行接收波束形成可以有帮助，但是数据采集仍然太慢。
固定的发射聚焦(transmit focus)构成分辨率问题。在心脏病学中，没有时间用于多于一个焦区(focal zone)，因此在大部分图像中，图像是焦点没有对准的。如果为了改进连贯性(coherence)而需要Z个焦区，则总共M2Z2个点火(firing)组成容积图像。对于典型的成像深度，这导致每秒0.5/Z2个容积的最大成像速度。
其它采集技术可被使用。机械驱动可以摇动探针手柄内部的一维换能器。该容积可以通过无约束地扫描一维阵列利用在成像系统中或通过位置感测所执行的探针位置估计来采集。波束形成可在探针手柄中执行。然而，采集的速度受到空间波束采样要求和声音在组织中的速度的限制。如果没有通道数据存储的实时波束形成被执行，那么在成像系统中没有通道信息可用。仅仅可用的数据是通过在重建算法中将通道数据组合而建立的波束。原始通道数据的可用性在诸如相位畸变校正、运动/流估计和弹性成像(elastography)的各种各样的临床情形中是重要的。
在合成发射孔径(STA)成像仪中，两个或更多点火建立容积数据集。这可提供超过每秒1000个容积的成像速度。然而，在没有高级通道信号处理技术的情况下，信噪比可受损害。
发明内容
通过介绍，下面描述的优选实施例包括用于产生针对医学诊断超声信息的信息的方法、系统、换能器阵列和接收波束形成器。为了产生表示容积的信息，共同阵列(co-array)或合成发射孔径处理在一维中被执行，并且传统的波束形成在另一维被执行。例如，发射孔径在方位(in azimuth)聚焦，但是在高程(in elevation)是未聚焦的或者发散的。多维阵列接收到反射的回波。这些回波针对在方位的聚焦而在子阵列中被波束形成。所得到的部分波束形成的信息从被探针壳体被提供给成像系统，用于至少在高程完成波束形成。将在高程的通道数据提供给成像系统提供了对于基于通道的处理有用的数据。
在第一方面，用于产生三维成像的超声信息的方法被提供。对于二维接收孔径，数据在方位被波束形成。发射孔径在高程被合成。
在第二方面，用于医疗诊断超声成像的超声换能器阵列被提供。电容膜超声换能器元件的二维网格在探针壳体上或在其内。多个接收通道电路与所述元件连接且可操作来沿第一维至少部分波束形成。接收通道电路在探针壳体之内。至少一个发射元件是与二维网格的元件分离的。发射元件可操作来沿不同于第一维的第二维产生基本上未聚焦的波束。
在第三方面，一种用于产生用于三维成像的超声信息的方法被提供。沿第一维度聚焦且沿不同于第一维的第二维未聚焦的声能被发射。部分接收波束形成在元件的子阵列中被执行。部分接收波束形成形成了表示二维平面的数据，所述二维平面沿着与第一维成一定角度的第二维伸展。然后，波束形成沿第二维被执行。
在第四方面，用于医疗诊断超声成像的超声换能器阵列被提供。电容膜超声换能器元件的二维网格在探针壳体上或在其内。那些元件在衬底上或在其中。多个西格玛-德尔塔模数转换器在衬底上或在其中。多个接收通道电路与这些转换器连接并且可操作来沿着至少第一维至少部分地波束形成。接收通道电路在衬底上或在其中。
本发明由随后的权利要求来限定，并且本部分的任何内容都不应该被视为对那些权利要求的限制。本发明的其它方面和优点组合优选的实施例在下面被讨论，并可随后组合地或独立地被请求保护。
附图说明
部件和图形不一定成比例，而是将重点放在示出本发明的原理上。此外，在这些图形中，相同的参考编号标明了贯穿不同视图的相对应的部分。
图1是用于三维成像的医疗诊断超声系统的一个实施例的框图；
图2-5是发射和接收孔径以及相对应的用于产生三维成像的信息的换能器阵列的图形表示；
图6是根据一个实施例的经食管探针的图形表示；以及
图7是用于产生三维成像的超声信息的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
集成换能器探针壳体中的部分波束形成能力和使用合成发射孔径可供更通用的三维成像所用。聚焦波束在一个维度上被发射，而未聚焦波束在正交维度上被发射。利用低功率的模数转换(诸如西格玛-德尔塔转换器)和部分波束形成，对于每个发射事件形成接收平面。由于部分波束形成，线缆计数和对于从换能器探针到计算机或其它成像系统的通信的带宽要求较低。
在一个实施例中，提供了合成孔径成像、电容膜换能器(cMUT)和集成电子装置的组合。具有完全采样的接收孔径的合成孔径成像可增加采集速度并且考虑到所有位置处的更大的聚焦。接收来自没有完全波束形成的完全采样阵列的数据可允许高级信号处理算法被提供在成像系统中，所述高级信号处理算法诸如是相位畸变校正、矢量流和自适应成像。
图1示出了具有用于医疗诊断超声成像的系统的超声换能器阵列12。该系统是用于三维成像，但是可用于二维或其它超声成像。该系统包括探针壳体10和成像或后端系统中的部件。后端为医疗诊断成像仪、专用于这个整个系统的成像系统、计算机或工作站。在一个实施例中，探针壳体10与超声成像系统的可释放的换能器连接器连接。探针壳体10中的电子装置、适配器和/或成像系统中的软件使用部分波束形成的样本来产生图像。在其它实施例中，后端包括总线、数据输入、接收机或专用于操作来自探针壳体10的数据输出的其它装置。
该系统包括探针壳体10、换能器阵列12、模数转换器14、波束形成器16、接口18、第一存储器20、波束形成器22、第二存储器24、显示处理器26和显示器28。附加的、不同的或更少的部件可被提供。例如，存储器20和24被组合。可使用在探针壳体10与后端之间的其它分离，诸如把存储器20和波束形成器22置于探针壳体中。
探针壳体10是塑料、玻璃纤维、环氧树脂或其它现在公知或以后开发的材料。探针壳体10包括增强患者接触和提供电隔离的声学窗口、薄区域、不同材料区域或者被定位邻近换能器阵列12的发射面的其它部分。壳体被成形用于手持操作，诸如提供用于被用户持有而按尺寸制作和成形的紧握区域。诸如为了持有阵列12，可提供一个或多个更大的区域。在其它实施例中，探针壳体10被成形用于插入身体内，诸如经食管的、术中的、腔内的(endo-cavity)导管或其它探针形状。
探针壳体10封入换能器阵列12和其它电子装置，诸如模数转换器14、波束形成器16和接口18。在一个实施例中，电子装置是直接邻近换能器阵列12的。例如，至少某些电子装置被形成在与阵列12相同的半导体或芯片上。作为另一个例子，倒装芯片键合或其它连接在阵列12与模数转换器14之间被提供。在其它实施例中，诸如在导管中，电子装置中的一些与阵列12被间隔数英寸或英尺，诸如在导管手柄中的电子装置。阵列12或其它电子装置可在探针壳体10之内、在其上或靠着它。
换能器阵列12是元件的多维阵列。这些元件分布在矩形网格中，诸如N×M矩形网格中，其中N和M大于1且相等或不相等。三角形、六边形或其它分布网格(distribution grid)可被使用。这些元件是压电的或电容膜超声换能器。压电元件可为单晶体、陶瓷块、多层、薄膜或其它现在公知或以后开发的换能器元件。电容膜超声换能器可由完整膜、波束或为了移动而与间隙相邻的其它可移动结构形成。电容随着机械结构移动而变化，从而产生电信号。电位的变化可导致机械结构的移动。其它现在公知或以后开发的微电子机械装置可被用于电容膜超声换能器。该cMUT利用任何半导体工艺或其它工艺来形成。
换能器阵列12包括发射元件30和接收元件32。发射元件30的结构与接收元件32的结构相同或不同。例如，发射元件30是环形元件54，且接收元件32在规则间隔的多维网格中。作为另一例子，发射元件30是压电元件，而接收元件32是cMUT元件。在另一例子中，发射和接收元件30、32是被形成为相同多维网格的部分的cMUT元件。
发射元件30提供发散的波束。通过散焦或限制多个发散元件30，对于给定的发射事件，较大容积可被声穿透。通过利用多维接收孔径进行接收，容积可被更快速地扫描。在一个实施例中，发射元件30提供沿一个维度(例如方位)聚焦和沿另一维度(例如高程)的发散波形或者聚焦不良。在图6的实施例中，发射机提供在方位的电子聚焦。在高程，紧密的聚焦通过接收机的平面中的阵列曲率来实现。波束随后在高程发散，从而产生“扇形波束”辐照图案。这些维度可为正交的、成锐角的或相互具有其它关系。在其它实施例中，发射元件30提供在方位和高程的发散的或容积扫描。发散波束可被聚焦来为对特定多扫描线容积提供容积或平面波扫描。可使用在方位和在高程都被聚焦的波束。
发射和接收元件30、32可为相同的元件，诸如被用来发射的元件也被用于接收。在其它实施例中，对于给定的发射和作出响应的接收顺序，发射元件30与接收元件32分离。发射和接收孔径是不同的。在又一实施例中，发射元件30是与接收元件32不同的装置。例如，图2和3示出具有分离的发射元件30和接收元件32的换能器阵列12的不同实施例。发射元件30与多维阵列的接收元件32是分离的，例如与二维网格中的接收元件32的阵列分离。该分离考虑到高概率发射机和高灵敏度接收机，而无需妥协来使用相同元件实现发射和接收操作。附加地，压电发射元件可在硅接收机的条件下被提供。硅可被通过背面磨削(back-grinding)来变薄，以便最小化硅层对发射机性能的影响。
分离的发射和接收元件30、32和/或由发射元件提供的发散扫描提供共同阵列或合成发射孔径操作。共同阵列等于发射和接收孔径的卷积(convolution)。合成发射孔径的发射元件可位于阵列12的边缘上或在接收孔径之外。例如，图3示出在多维阵列的接收元件32的转角处的发射机30。四个全方位(omni-directional)元件30被定位在完全采样接收阵列的元件32的转角处。发射元件30发射半球形波。发射元件32与波长相比是小的或者是相控圆环阵(已示出)，其中时间延迟被布置来使发出的波束散焦。虚拟点源被合成。
接收元件32各自独立地被采样并被用于波束形成。可替换地，多路复用的读出使用一个互连以给定的高程行(elevation row)输送方位通道(azimuth channel)。每行中的接收元件32通过时间或频率多路复用被独立地接收。较大数目的线缆可被提供，以便每条线缆多路复用更少的通道。子阵列波束形成、子阵列混合或其它现在公知或以后开发的信息组合可被用来限制线缆的数目。
图3的换能器阵列12可具有等于相同尺寸的传统成像孔径的分辨率的分辨率。为了实现正好与该孔径相同的点扩展函数(point-spreadfunction)，合成发射孔径阵列中的变迹函数(apodizing function)被设定为等于传统阵列的发射和接收变迹函数的乘积。
图2示出了分离的发射和接收孔径的另一例子。线性阵列的发射元件30沿一个维度(诸如方位维度)被间隔。在一个实施例中，发射元件30的阵列形成沿其轴线被切成两半的管状的发射机。利用一维发射阵列的发射元件30，波束在一个维度(例如高程)被散焦且在另一维度(例如方位)可被聚焦，而不是在方位和在高程都发散的波束。被聚焦的扫描在一个维度上被提供，但是如在图2中设想的被散焦的波束或合成发射孔径可被用在另一维度。大的、弯曲的发射元件30可提供更多功率密度。
接收孔径被发射元件30分裂或分离。分离的多维阵列接收元件32被提供在发射元件30的每侧。尽管被示出通常为椭圆，其它孔径形状(例如正方形或矩形)也可被提供。
一维阵列的发射元件30提供沿一维的聚焦。多维模式中的接收元件32可提供独立的操作。为减少线缆计数，在方位聚焦但在高程未波束形成的接收波束被使用。发射孔径通常形成在方位聚焦和/或转向(steered)、但在高程未聚焦的声能的平面。对于接收孔径中的每个高程定位，波束被在方位聚焦和/或转向来形成。对于给定的发射和接收事件，表示声穿透平面的样本是输出而无需在高程波束形成。
图4示出了另一换能器阵列12。在方位被定相的三个线性发射机提供在方位的给定点处的紧密聚焦，同时保持在高程的大角度扩展。这种装置可被视为虚拟线源。边缘上的发射元件30形成两个多维发射阵列。对于cMUT，偏压被用来在发散的垂直方向上进行聚焦或转向，诸如在美国专利No.7,087,023中所公开的那样，该美国专利的公开内容通过结合引用于此。可替换地，可使用延迟或定相。发散波束通过电子控制被形成，以提供在高程有某种或没有聚焦的虚拟线源。两个或四个或更多发散阵列可被提供。
接收元件32包括也可被用作发射元件30的元件。可替换地，发射阵列在接收阵列之上或之下。例如，在接收阵列之下的发射阵列沿接收阵列边缘的线将声能聚焦。超过接收阵列，所发射的能量发散。在高程，这些发散孔径是散焦的，产生其原点在接收孔径的任一端的虚拟线源。
通过在时间上延迟图4的三个发射机之一来产生方位波束，以产生与那些在常规超声扫描仪中类似的波束。一个或多个方位焦区被选择来以足够的连贯性和景深覆盖感兴趣的深度范围。在高程，发射孔径并不形成聚焦的波束。相反，发散的、圆柱形波被产生。由三次点火合成高程孔径：一次来自上部线源，一次来自中间线发射机以及一次来自下部源。
发射元件30的可选的中央阵列可供更好的近场扫描使用。单个阵列或非虚拟线源允许在方位聚焦，诸如配备有虚拟线源。对于高程，能量从发射元件的正面发散。与利用虚拟线源进行的扫描分离，近场扫描由发射元件30的中央阵列来提供。多个发射事件可被使用。可替换地，全部三个发射阵列被用来合成高程孔径，或者发射阵列没有合成地被使用。
对于自然组织谐波成像(NTHI)，响应于在基频的声穿透的谐波传播和/或反射被检测。然而，谐波响应比在基频的响应弱。为了最大化发射功率，虚拟线源的偏压线散焦可被改变来产生在高程以及在方位会聚的波束。在这样的装置中，产生与在有透镜的一维相控阵的聚焦处类似的、被发射的密度。
通过分离发射和接收元件30、32，用于扫描的电子装置的复杂性可被减低。然而，在某些情况下，解剖学窗口太小而不能考虑到并不使用阵列12的整个范围来接收的换能器。图5示出了可使用较少面积的换能器阵列12的另一实施例。不是由与接收孔径(见图4)相组合的顶部和底部的线源点火来产生共同阵列，而是发射元件30的虚拟线源在接收孔径之内(诸如在中心)被提供。如果高程线源的间隔被减少，则这可导致高度分辨率(elevation resolution)的某种损失。
在另一实施例中，阵列12的全部元件被用于发射和接收。发射和接收元件30、32是相同的元件。为抑制发射孔径的复杂度，偏压线极性散焦被用于高程孔径中，而波束形成聚焦被应用到在方位的元件。在高程的散焦考虑到使用在高程的合成发射孔径。形成的虚拟线源被定位在高程孔径的中心，但也可被定位在孔径内的任何位置。可替换地，集成发射机可为每个元件独立地提供聚焦和散焦延迟。
图6示出用在经食管探针中的、图2的换能器阵列12的一个实施例。该换能器是具有集成预放大和方位波束形成的成人经食管(TEE)的设计。中心频率是4.5MHz。发射通过产生在方位的传统聚焦的、64个元件的、弯曲的PZT阵列54来完成。该PZT阵列54是半管式发射机。在高程，PZT阵列54是弯曲的，使得紧密聚焦在接收cMUT阵列52的表面处或其附近被产生。当声音传播超过接收阵列52的表面时，发射波束在高程散焦。
在图2-6中，多维网格的接收元件32被提供。以NxM的矩形网格来提供元件32，其中N和M都大于1。接收元件32形成完全采样的接收孔径，但可以和稀疏采样一起使用。接收孔径可通过一个或多个发射阵列分离，诸如接收孔径在两个或更多个不同的衬底上。
在一个实施例中，接收元件32是cMUT元件。用来形成膜和相关联的间隙的半导体衬底可集成电子装置，诸如包含预放大、A/D转换和波束形成的接收通道电路。来自2D阵列的最大数量的信息是所期望的，诸如通过提供尽可能少的波束形成。利用二维阵列，在给定2D孔径大小和尼奎斯特空间采样的情况下，某个波束形成或信号组合可被用于减少数据率或接收机通道密度。集成电路技术可附加地或可替换地被用于处理带宽和所涉及的布线的密度。硅换能器通过被直接制造在单片结构的电子装置的顶部而能够以集成电路密度连接到芯片中。与阵列在相同衬底上的电子装置考虑到在输出到其它电子装置之前的至少某个数据压缩或波束形成。
在一个实施例中，预放大器和西格玛-德尔塔模数转换器被提供给相同衬底上的每个元件，诸如直接在每个元件下。当输出时，这些信号是数字的。如由应用和/或系统性能所要求的、递送或多或少的波束形成的任何种类的数字处理可被提供在相同的芯片或衬底上。带宽和动态范围可通过在转换到数字前提供模拟形式的解调而被进一步优化。
在另一实施例中，多维网格中的cMUT的完全采样的接收贴片(tile)被提供。该阵列使用不损害相同衬底上的电子装置的低温工艺被建造。所述cMUT下的电子装置包括预放大器、到基带的I/Q混频器和包括时间变化增益的西格玛-德尔塔A/D。这些电子装置被集成在相对应的元件之下，使得只有数字信号穿过长距离到达孔径或衬底中发生互连或数字处理的那侧。
相同芯片上的、用于保存互连密度的数字处理电子装置可提供带宽的减少，以考虑到通过光或电的方式到系统的连接。这种单片装置(IC+换能器)可为探针中的唯一的有源元件，或者其它芯片或电路被提供在探针壳体中。可替换地，半导体衬底可考虑到与其它半导体(诸如与倒装芯片键合)的连接。在其它实施例中，PZT型元件被使用。电路还可被连接在探针壳体10上或在其内。
接收通道电路与接收元件32连接。接收通道电路应用变迹、延迟和/或模数转换。在一个实施例中，使用了探针内的电路，其被示出在美国专利No.____或____(代理参考编号为2007P02360或2007P02358)中，这些美国专利的公开内容通过引用结合于此。接收通道电路对于每个元件是相同的或不同的。例如，对于每个接收元件，接收通道电路包括模数转换器14、延迟和放大器。作为另一实例，来自接收元件32的信号通过匹配放大器来调节，这些放大器应用由模数转换器14的输入规格和互连以及“芯片上”线输出放大器(on-chip line outputamplifier)的特征所限定的增益和带宽成形。
接收通道电路在探针壳体10之内，诸如在相同的半导体、相同的板中或者与阵列12分离。例如，模数转换器14和/或波束形成器16被形成在与用于阵列12的接收元件32的衬底相邻或在其内的一个或多个半导体芯片中。
模数转换器14是以尼奎斯特速率或更高的速率采样的多位转换器。在一个实施例中，使用过采样转换器(over sampling converter)，诸如西格玛-德尔塔转换器。例如，使用在美国专利No.____或____(代理参考编号为2007P02360或2007P02358)中所公开的转换器14中的任意转换器，这些美国专利的公开通过引用结合于此。单个转换器14被提供用于每个通道，诸如用于与多层PZT接收元件的连接。在其它实施例中，利用外部采样保持电路，多个转换器14可被提供给每个通道。
接收通道也可包括针对硅换能器的偏压源。该偏压源是直流电压源、分压器、变压器或其它现在已知或以后开发的固定的或可编程的偏压的源。偏压源可包括多路复用器。相同的或不同的偏压被提供给接收孔径的每个元件。例如，不同的偏压可被应用来提供聚焦或散焦，诸如在美国专利No.7,087,023中所公开的那样。该偏压也可被用于在合成发射孔径中的空间编码。
波束形成器16可包括降频转换器(例如同相和正交解调器)、放大器、延迟、相位旋转器、加法器、过采样重建滤波器(例如低通滤波器)、尖峰形成滤波器(spiking filter)或其组合。例如，在美国专利No.____或____(代理参考编号为2007P02360或2007P02358)中所公开的波束形成器之一被提供。降频转换器被提供在模数转换之前或之后。过采样的数据通过选择与相对延迟相关联的单位数据的窗口被延迟。所延迟的数据被部分重建和抽取(decimated)。来自不同通道的部分重建的数据随后被求和，用于波束形成。波束形成的样本被进一步重建和抽取，诸如被抽取到尼奎斯特速率。
可使用有或没有基于西格玛-德尔塔的转换的其它波束形成器。例如，尼奎斯特采样值被变迹、相对延迟和跨通道地被求和。
波束形成器16可操作来至少部分地沿第一维波束形成，诸如在方位波束形成。在其它维度(诸如高程)，波束形成器16输出并行的采样。可替换地，部分波束形成(例如子阵列波束形成)沿多个维度被提供或者没有执行。
为了传输到成像系统，接口18格式化波束形成器16所输出的数据。来自多个元件的数据被多路复用到至成像仪的串行光学连接中。可使用频率多路复用、时间多路复用或者无多路复用。无线或有线传输可被使用。
发射电路(诸如脉冲发生器、波形发生器、开关、延迟、相位旋转器、放大器和/或其它装置)在探针壳体10之内。来自成像系统的控制信号控制发射电路的操作。可替换地，发射波形在探针壳体之外被产生。
数据从探针壳体10无线地或在一条或多条线上(例如同轴电缆或总线)上被输出。数据被存储在存储器20中。存储器20是双端口的RAM或其它存储器。数据对应于三维：方位通道、高程通道和样本数目。
诸如数字信号处理器阵列、波束形成器、现场可编程门阵列或通用处理器的处理器22完成波束形成功能。例如，执行利用在高程维进行合成发射孔径处理的波束形成。在方位维的进一步波束形成也可被提供。波束形成通过专用的波束形成硬件和/或通过软件被提供。软件控制下的波束形成可不要求惯用的波束形成ASIC，并且可更容易地允许引入新算法，而无需昂贵和耗时的ASIC重新设计。这样的算法能够在波束空间或通道空间中操作，并且可运行整个范围的到简单波束形成和流动成像的高值加法。可提供畸变校正、运动校正的相关函数、应变成像(strain imaging)和矢量流、针对超分辨率的波束间滤波(beam-to-beam filtering for super-resolution)或自适应伪像取消(artifact canceling)。
来自处理器22的数据输出被存储在存储器24中，诸如被存储在高速缓存、系统存储器、硬盘驱动器、光学介质、图形存储器或其它存储器。数据表示波束，诸如具有方位波束、高程波束和样本数目的轴的数据阵列。输出的波束形成的数据可替换地为笛卡尔坐标格式。
显示处理器26是图形处理单元、通用处理器、数字信号处理器或用于再现(rendering)的其它处理器。处理器26可把数据转换到笛卡尔坐标系统或由极坐标格式的数据来再现。三维再现被执行，诸如通过表面再现或者投影(例如最大密度投影)。其它类型的成像可被提供，诸如二维成像或任意角度的剖面。其它工艺可被提供，诸如分割、降斑(speckle reduction)或其它滤波。
再参考图6，示出了用于在高程的合成发射孔径和在探针壳体10内针对方位的波束形成的换能器阵列12的一个实施例。发射和接收阵列52、54在中心频率4.5MHz是可操作的。接收阵列54的孔径直径是大约9.6mm。元件宽度是0.6个波长。最大成像深度是160mm。
探针壳体与成像系统之间的线缆的数目由接收多路复用来确定。64将系统连接到弯曲的半管。发射机也可被用于接收，以避免返回声波的空间采样中的间隙。发射阵列是在方位被间隔的64个元件的半管。这些元件如所示出的那样被成形(例如四分之一圆)，以在阵列尖端或正面产生线源。对于48×48的接收阵列，2304个接收元件被提供。边缘上(诸如转角处)的元件可被丢弃或不被使用，以减少接收元件的数目，诸如减少到1666个接收元件。
使用在这里说明的波束形成，64个发射事件被提供来扫描容积，所述容积用于接收针对每个发射事件的单个方位波束(即该发射覆盖用于接收在一个方位角的平面之内的波束的该方位角的那个平面)。也就是说，在传统探针采集波束所花费的时间上，换能器采集切片。响应于每个发射事件，可接收两个或更多方位波束，诸如针对两个或更多(例如4个)方位平面或角度进行接收。例如，接收通道对于每次发射可形成四个在方位上被间隔的波束，以减少扫描时间。1666个接收元件被分组为子孔径，用于在每个子孔径内的方位波束形成。每个子孔径包括全部孔径的子集，例如在图2中水平定向的一行元件。这产生48个数字输出。其它子孔径方案是可能的。子孔径波束形成发生在探针壳体内。通道数据作为每个子孔径的部分波束形成的结果是高程的输出。在方位的波束形成被提供在阵列12处，以减少带宽。高程波束形成被提供在成像系统中。分辨率独立于高程深度。
对于B-模式成像，每秒可扫描292个容积。对于具有超过发射孔径的1/2的8次点火(根据估计的脉冲重复)的彩色或流动成像，容积可以每秒被扫描73次。这样的扫描速率可允许基本上实时的三维心脏成像。
可输出通道数据，而不是部分波束形成的数据。例如，也可输出来自方位波束形成之前的方位通道数据。二维畸变校正可使用方位通道数据。因为高程波束形成可能不在探针壳体中发生，所以高程通道数据也可用于畸变校正。
图6的实施例也示出了可选的冷却管50、56。气体、液体或其它物质冷却电子装置和换能器阵列12。接收阵列54的楔形衬底协助把发射能量聚焦为线源，该楔形衬底包括转换器14和波束形成器16并具有接收阵列54。这些结构为了满足监管要求的操作可被冷却。
如上面说明的图6提供了特定实施例。其它实施例可具有相同的或不同的特征。
在一个实施例中，电容膜超声换能器的基本上完全采样的二维阵列被用来成像。波束形成对于二维接收孔径而在方位被执行。在高程，发射孔径被合成。发射孔径的合成对应于使用稀疏发射孔径(诸如点或线)来与接收一起在区域中发射。可使用诸如由以下文献所公开的任何发射孔径合成：R.T.Hoctor和S.A.Kassam的“The unifyingrole of the coarray in aperture synthesis for coherent andincoherent imaging”(出版在IEEE Proc.，78(4)，735-752(1990))；F.Ahmad和S.A.Kassam的“Coarray analysis of widebandpulse-echo imaging systems”(1996I EEE InternationalConference on Acoustics，Speech，andSignal Processing，6，3185-3188)；G.R.Lockwood和F.S.Foster的“Optimizingsparsetwo-dimensional transducer arrays using an effective apertureapproach”(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 forsparse-array transducer design”(Ultrasonics37(10)，667-671，(2000))；EP1300690/WO0068931；或EP1194920/WO0068931。其它发射孔径合成可被用于高程或其它维度。
在一个实施例中，发射点火以单个方位角采集2D数据集(高程平面)。MZ波束产生焦区Z的容积，从而使得成像速度为大约每秒50/Z个容积。高速容积采集可协助心脏病学诊断或其它医疗成像应用。使用沿一个维度的合成发射孔径成像可提供整个所采集容积的聚焦，使得给定换能器的孔径和带宽能从组织提取的所有信息可用，并且可使得各种高级信号处理方法成为可能。
图7示出了一种用于产生三维成像的超声信息的方法。该方法利用图1的系统或不同的系统来实现。该方法使用图2-6的换能器阵列12或不同的换能器阵列。不同的、更少的或附加的动作可被提供。在换能器探针壳体(例如60-70)中所执行的一个或多个动作可在后端系统中被执行。这些动作以所示的顺序或不同的顺序被执行。
在动作60，声能被发射。为了进行合成发射孔径处理，声能沿着至少一个维度是基本上未聚焦的。“基本上未聚焦的”是来自要被成像的最浅的深度的发散波束、平面波或者覆盖多个扫描线(例如10个或更多)的波束形状。声能可在其它维度被聚焦，诸如沿着一个或多个(例如直到4个)在方位上被间隔的扫描线或平面而在方位上被聚焦。聚焦在要被成像的区域之内。不同的维度在一个实施例中是正交的(例如方位和高程)或者是非正交的(诸如相互间成锐角)。
发射响应于被施加到至少一个元件的电波形被产生。不同的或相同的波形可被施加到多个元件。波形可相对地被定时和被变迹，以提供想要的聚焦或聚焦不良。可替换地或附加地，有或无透镜的发射孔径的元件的大小或数目提供了想要的聚焦或聚焦不良。
在一个实施例中，半管式发射孔径提供沿着一个维度的发散的波束形状。沿着另一维度的元件阵列允许聚焦。在其它实施例中，单独的发射元件或小的发射元件阵列通常声穿透要被成像的容积。声穿透可在任何方向上被聚焦成细波束、散焦波束或被聚焦在平面中，或着是未聚焦的。
发射对于整个容积被执行一次。在其它实施例中，发射对于整个容积被执行多次。发射对于容积内的多个子区域中的每个可被重复一次或多次，诸如对于沿着方位维度堆叠的多个平面中的每个发射一次或多次。
在动作62，声回波响应于发射被接收。回波从遭受到发射波束的区域返回。因为发射波束沿着至少一个维度是未聚焦的，所以该区域至少是平面区域，但也可为容积。接收对于每个发射被执行，因此对于相同或不同的容积或子区域可被重复。
利用多维换能器阵列执行接收。在一个实施例中，阵列是微电子机械元件，诸如是cMUT阵列或具有电相互作用的其它小的或纳米级结构。该阵列是基本上完全取样的，诸如被发射线性阵列分成两半的接收孔径，其中每一半都被完全取样。该阵列的元件把接收到的声能换能成为电信号。
在动作64，来自接收元件的电信号被转换成数字信号。在一个实施例中，执行西格玛-德尔塔转换，但也可提供其它转换。西格玛-德尔塔转换输出单位样本，但可提供多位样本。在一个实施例中，对于每个元件仅仅执行一个转换，但是对每个接收元件的多个或并行转换也可被提供，以增加动态范围。
转换发生在放大之前或之后。放大提供更可能在噪声水平之上的接收信号。放大和/或转换可包括用于深度增益补偿的时间变化水平。在一个实施例中，在西格玛-德尔塔转换器之内的反馈水平根据用于实现至少部分的深度增益补偿的时间改变。可使用数字或模拟放大。
数字信号在转换之后输出，且任何滤波被波束形成和合成。波束形成是部分的，或者针对少于整个孔径被执行。例如，在动作68，沿着一个维度(诸如在方位)提供波束形成。对于另一维度，使用合成孔径发射。对于这个维度所提供的波束形成与沿第一维度的波束形成分离地或在其之后被执行。
在动作66，合成的信噪比可通过空间发射编码、波束形成之前的时间编码(temporal coding)、运动补偿或其组合被增加。因为发射孔径可小于接收孔径和/或与其分离，所以噪声水平可大于更多聚焦的发射波束。尽管大量数据可以较少数目的点火(例如在图3中示出的四个发射机中的每个的仅仅一次点火或者在图2和6中示出的发射机对于每个方位平面的一次或多次点火)来采集，但是信噪比可能由于所发射能量的宽度而是更小的。如果成像仪具有面积为AT的孔径，且每个散焦的发射机的面积是AD，则所发射的功率减少因子AT/AD。此外，发射孔径的聚焦增益损失。这些效果(当组合时)可提供30dB的信号损失。
在一个实施例中，信噪比通过空间编码增加。发射能量通过同时从不同的发射孔径进行发射而增加，诸如从图3的四个发射阵列进行发射。任何空间编码可被使用，诸如在美国专利No.5,851,187和6,048,315中所公开的那样，这些美国专利的公开内容通过引用结合于此。在没有编码的情况下，图像可通过来自在图3的分离的点火上的四个发射元件30中的每个的数据的总和来形成。空间编码允许一次用全部四个发射元件30来发射，从而可能恢复6dB的信噪比。四次点火仍然被使用，但是来自每个元件的声能在相位、极性或其它编码矩阵方面是不同的。接收到的信号的信号处理分离出与不同的发射元件30相关联的反射。解码是编码矩阵的逆矩阵和数据的乘法。一个矩阵是阿达玛(Hadamard)矩阵。
在另一实施例中，时间编码被用来增加信噪比。脉冲压缩(即具有长时间带宽乘积的发射代码的使用)允许将信号与不同发射元件30分离。诸如chirps、Golay代码和Barker代码的各种编码方案可被使用。通过在波束形成之前执行“尖峰形成滤波”或对通道数据执行代码操作的求逆，可以实现更长的时间带宽乘积，伴随信噪比的改善。为了更低的成本解决方案，可在波束形成或部分波束形成之后应用该求逆。时间不变性的缺乏可限制可实现的时间带宽乘积。
在另一实施例中，信噪比通过改变用于空间编码的cMUT换能器的偏压来增加。如果多点火的多路复用换能器(multi-firingmultiplexed transducer)(见图5)或其它cMUT换能器阵列被使用，则通过使用cMUT特定的、仅仅接收的、类似于空间发射编码的实施方案能够增加信噪比。不是从由芯片上MUX所选择的某元件接收，而是选择一组元件。为了说明，考虑2x2的元件矩阵。在四次点火之上，偏压极性被切换到一模式，使得接收到的数据的线性组合由每个元件再建该信号。例如可使用阿达玛编码。因为在仅仅MUX的情况下会使用四次点火来收集数据，所以在采集速率方面没有增加。对于每次点火，接收区域活动四次，从而导致6dB的SNR增益。更大的处理增益可从选择更大的子孔径中获得。
在另一实施例中，信噪比通过运动补偿被增加。来自顺序发射机点火的数据被连贯地组合，如果F是增加的点火数目，则产生10log10F dB的改善。对F>4(大概地)，组织运动被预测来保存连贯性。对于多次点火，数据之间的连贯性应该在整个容积上被保持，因为每次点火对整个容积都有贡献，而不是如在波束间扫描仪中那样仅仅对单个波束有贡献。
组织运动通过相关来确定，诸如使用绝对差的最小和来搜索最佳匹配。其它运动估计技术可被使用，诸如数据集之间的互相关。数据在组合之前被移位来抵消发射事件之间的运动。横向运动可通过零滞后自相关方法来估计。
可使用技术的组合。在其它实施例中，没有提供用于增加信噪比的附加过程。
在动作68，提供了接收波束形成。在一个实施例中，接收波束形成对于整个孔径是完整的。在其它实施例中，接收波束形成是部分的，诸如在多个子孔径中的每个之内的波束形成。部分波束形成的另一例子是：对于在多维阵列中的接收，沿着一个维度进行波束形成。相对延迟和变迹沿着一个维度(诸如方位)被应用，或者子孔径的某个其它形状被配置，诸如矩形或六边形。相对延迟的和变迹了的接收信号被求和。沿着该维度的波束形成聚焦和/或转向沿着该维度的接收波束。在其它维度，不提供波束形成或提供不同的波束形成。在一个例子中，每个高程间隔的波束形成的输出对应于二维平面的样本，所述二维平面以被转向的角度沿着第二维度(例如高程)延伸。
在一个实施例中，部分接收波束形成利用元件的间隔子阵列而在方位被执行。每个子阵列对应于在聚焦方向(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个或多个子阵列中。子阵列均沿着接收孔径的整个方位范围延伸。可替换地，多个子阵列沿着方位被间隔。
部分接收波束形成被换能器探针中的电路执行。波束形成是模拟的或数字的。对于数字波束形成，电信号利用西格玛-德尔塔转换器、过采样转换器或多位转换器被转换。
在动作70，波束形成的信号从探针壳体被传输到成像系统、计算机或其它装置。该传输是通过分离的线缆进行的，诸如针对每个子阵列波束和的线缆。在其它实施例中，该传输是通过总线，针对串行发射被多路复用或被无线发射。由于部分波束形成，要被发射的、来自多维接收孔径的数据量被减少。可替换地，进一步的处理(诸如在其它维度的波束形成)为了进一步的数据减少而在探针壳体中被执行。
在动作72，完整的波束和被确定。来自子阵列的数据输出相对地被延迟和被变迹。所得到的样本被求和。利用高程子阵列和前面的在方位的部分波束形成，波束形成沿着高程维度被执行。
与换能器探针分离的成像系统(诸如计算机)执行波束形成。因为提供以沿一个维度部分波束形成为形式的通道数据被提供，所以通道相关过程可在波束形成之前被执行。高程孔径被合成。
多阶段波束形成是数字的。数字重建对于容积的三维成像实时地被提供。波束形成的数据被再现。例如，数据被插值或变换为平均间隔的网格。数据通过投影或表面再现而被再现。可替换地，可提供二维成像。
虽然本发明通过参考各种实施例已经在上面被说明，但是应该被理解的是，许多变化和修改能够被做出，而没有偏离本发明的范围。如在这里使用的那样，“与...连接”包括直接的或间接的连接。例如，一个或多个硬件或软件部件可在两个相连的部件之间。
因此意图是：上述的详细说明被视为示意性的而不是限定性的，并且应该被理解的是：是随后的权利要求(包括所有等价物)意图来限定本发明的精神和范围。

Claims (22)

1.一种用于产生三维成像的超声信息的方法，该方法包括：
对于二维接收孔径，在方位进行波束形成(68)；
在高程合成(72)发射孔径，
从发射元件阵列发射(60)，所述发射元件阵列被布置成形成沿其轴线被切成两半的管状的发射机；以及
用基本上完全采样的、裂口接收孔径中的元件的二维阵列接收(62)，裂口是横过所述发射元件阵列。
2.按照权利要求1所述的方法，其中，波束形成(68)和合成(72)包括采集(60)表示与单个发射成方位角的高程平面的数据组。
3.按照权利要求1所述的方法，其中，波束形成(68)包括利用基本上完全采样的、电容膜超声换能器(12)的二维阵列进行波束形成(68)。
4.按照权利要求1所述的方法，其中，波束形成(68)包括：在方位对间隔的子阵列进行部分波束形成(68)，在换能器(12)探针之内进行部分波束形成(68)；并且其中，合成(72)包括在与换能器(12)探针分离的成像系统之内在高程进行合成(72)。
5.按照权利要求1所述的方法，其中，波束形成(68)和合成(72)包括：
重复地发射(60)基本上沿第一维未聚焦并沿第二维聚焦的声能；
响应于发射(60)，利用基本上完全采样的、微电子机械元件的二维阵列来重复地接收(62)。
6.按照权利要求1所述的方法，进一步包括：
西格玛-德尔塔模数转换(64)接收到的电信号，所述波束形成(68)和合成(72)对被转换的电信号进行操作。
7.按照权利要求1所述的方法，进一步包括：
通过空间发射编码、在波束形成(68)之前的时间编码、对运动进行补偿或其组合来增加(66)合成(72)的信噪比。
8.按照权利要求1所述的方法，其中，波束形成(68)和合成(72)响应于电容膜超声换能器(12)的二维阵列；
进一步包括：
通过改变换能器(12)的偏压进行空间编码。
9.一种用于医疗诊断超声成像的超声换能器(12)阵列，所述换能器(12)阵列包括：
探针壳体(10)；
在探针壳体(10)上或在探针壳体(10)内的、电容膜超声换能器(12)元件的二维网格；
多个接收通道电路，其与所述电容膜超声换能器元件相连接并且可操作来沿着第一维至少部分地波束形成，所述接收通道电路在探针壳体(10)之内；以及
与所述二维网格的电容膜超声换能器元件分离的至少一个发射元件(30)，发射元件(30)可操作来产生沿不同于第一维的第二维基本上未聚焦的波束，其中所述至少一个发射元件(30)包括发射元件阵列，所述发射元件阵列被布置成形成沿其轴线被切成两半的管状的发射机。
10.按照权利要求9所述的换能器(12)阵列，其中，接收通道电路可操作来在第二维输出并行采样。
11.按照权利要求9所述的换能器(12)阵列，其中，所述发射元件阵列在换能器(12)元件的接收孔径之外。
12.按照权利要求9所述的换能器(12)阵列，其中，至少一个发射元件(30)是至少一个压电元件。
13.按照权利要求9所述的换能器(12)阵列，其中，所述发射元件阵列沿第一维间隔，并且其中所述二维网格通过所述发射元件阵列分离。
14.按照权利要求9所述的换能器(12)阵列，其中，所述接收通道电路包括西格玛-德尔塔模数转换器(14)。
15.按照权利要求9所述的换能器(12)阵列，其中，所述接收通道电路包括可操作来为了进行空间编码而改变偏压极性的偏压源。
16.按照权利要求9所述的换能器(12)阵列，其中，
所述电容膜超声换能器元件在衬底上或在衬底中；
所述换能器(12)阵列还包括在所述衬底上或在所述衬底中的多个西格玛-德尔塔模数转换器(14)。
17.按照权利要求16所述的换能器(12)阵列，进一步包括在所述衬底上或在所述衬底中的多个预放大器，并且所述多个预放大器电连接在所述电容膜超声换能器元件和转换器(14)之间。
18.按照权利要求16所述的换能器(12)阵列，进一步包括电连接在所述电容膜超声换能器元件和转换器(14)之间的多个混频器。
19.按照权利要求16所述的换能器(12)阵列，其中，所述接收通道电路在所述衬底上或在所述衬底中。
20.按照权利要求16所述的换能器(12)阵列，其中，所述电容膜超声换能器元件在多维网格中是完全采样的。
21.一种用于产生三维成像的超声信息的方法，所述方法包括：
发射(60)沿第一维聚焦和沿不同于第一维的第二维未聚焦的声能；
在元件的子阵列中进行部分接收波束形成(68)，所述部分接收波束形成(68)形成表示沿与第一维成一定角度的第二维延伸的二维平面的数据；
沿着第二维进行波束形成(72)，
从发射元件阵列发射，所述发射元件阵列被布置成形成沿其轴线被切成两半的管状的发射机；以及
用基本上完全采样的、裂口接收孔径中的元件的二维阵列接收(62)，裂口是横过所述发射元件阵列。
22.按照权利要求21所述的方法，其中，部分接收波束形成(68)包括在换能器(12)探针之内的部分接收波束形成(68)，并且其中，波束形成(72)包括在与换能器(12)探针分离的成像系统中的波束形成(72)。
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