利用折射率可變透鏡的超聲成像的製作方法
2023-05-18 11:23:06
專利名稱：利用折射率可變透鏡的超聲成像的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用折射率可變透鏡產生超聲圖像的方法。本發明還涉及一種包括布置為產生超聲圖像的折射率可變透鏡的成像系統，以及一種適於使得計算機系統能夠控制這種成像系統的電腦程式產品，該計算機系統包括具有與其相關聯的數據存儲裝置的至少一個計算機。
背景技術：
常規的超聲是通過利用元件陣列以脈衝回波的方式聚焦並操縱超聲波束來執行的。通過對由陣列接收的信號延遲並求和來形成波束。可以通過對同一接收數據施加不同延遲而針對單個發射事件形成多個接收波束。當今系統通常使用2或4個接收波束(或多條線)以增加幀率。已經提出將流體聚焦技術用於超聲成像。可以根據兩種具有不同聲速的不混溶液體來構造流體聚焦透鏡。在液體之間的界面處發生折射，其可以被用於聚焦或操縱超聲波束。當在液體和外殼之間施加電壓時，電潤溼令彎月面移動。這允許通過改變電壓來控制焦點深度和界面傾斜度。流體聚焦技術因此提供了非常靈活的折射率可變透鏡，其在例如光學和超聲成像的各種成像中具有眾多應用。流體聚焦技術特別適合於需要小孔徑(較大透鏡會產生重力透鏡效應的問題)的高頻應用。這種情況的示例包括利用基於導管的探頭進行心臟內成像。對於心臟內成像(特別是病灶監測)，要求非常高的軸向解析度，並且因此要求非常高的超聲頻率。典型的中心頻率為25MHz。這對應於62μπι的波長·。為了構造常規的相控陣列，需要· /2 = 31 μ m的元件間距，從技術角度考慮，這是極度具有挑戰性的。流體聚焦技術提供了一種優質的解析度——其允許粗略地操縱波束以形成圖像，但仍然可以使用高頻單元件換能器。令人遺憾的是，由於固定的焦點，流體聚焦透鏡僅能夠一次在單方向上被操縱，因而接收多條線是不可能的。另外，不可能執行動態接收聚焦(由此在接收線時接收焦點被移動至更深處)。因此，所得到的圖像在發射和接收兩者中具有固定的焦點，而這限制了其遠離焦點的解析度。因此，利用折射率可變透鏡產生超聲圖像的改進方法將是有利的，這種用途的更高效和/或可靠的方法將是尤其有利的。
發明內容
因此，本發明優選試圖單獨地或者以任何組合的方式緩解、減輕或消除上述缺點中的一個或多個。具體而言，可以將本發明的目的視為提供一種用於利用折射率可變透鏡產生超聲圖像的方法，該方法解決了現有技術中需要相對小的換能器進行高頻率超聲應用的上述問題。在本發明的第一方面中，通過提供用於利用折射率可變透鏡產生超聲圖像的方法來獲得這一目的和若干其他目的，該方法包括從換能器陣列發射多個發射波束，每個發射波束以沿著陣列的不同位置為中心，並且每個發射波束包括多個橫向間隔開的線位置，該橫向間隔開的線位置與另一波束的橫向間隔開的線位置在空間上相關，每個發射波束通過具有相關聯的透鏡形狀的折射率可變透鏡而被發射；利用換能器陣列接收回波信號，每個回波信號通過具有相關聯的透鏡形狀的折射率可變透鏡而被接收；通過以下操作在接收波束的橫向間隔開的線位置處產生回波信號的多個接收線·1)同時處理響應於一個發射波束接收的回波信號；或者2)重複地發射與同一發射波束對應的發射事件，並且針對其每一個接收來自不同方向的回波信號；針對額外的發射波束，重複地產生回波信號的多個接收線；組合來自在空間上相關的不同發射波束的接收線的回波信號，以產生圖像數據； 以及利用圖像數據產生圖像。本發明特別地，但非專有地，提供一種用於利用其尺寸比迄今針對高頻率應用所需的換能器更大的換能器進行高頻率超聲成像的方法是有利的。該換能器陣列不必是「良好採樣的(well-sampled) 」；S卩，具有與被接收的超聲信號的中心波長可比的寬度或尺寸。 這在非常高的頻率時尤其重要，在這種情況下良好採樣的陣列將需要非常難於製造的極小的元件。當重複地發射發射波束並從不同方向接收回波信號以在波束的橫向間隔開的線位置處產生回波信號的多個接收線時，即當以順序的方式獲得回信號時，以相對簡單的方式實現處理是可能的。在一個實施例中，所述換能器陣列中的至少換能器的子組可以具有寬度W，該寬度顯著大於發射脈衝的中心波長的一半。具體而言，寬度W可以比發射脈衝的中心波長的一半至少大5、10、15或20倍。因此，本發明使得能夠優選以高頻率實現用於超聲成像的換能器的簡化的硬體實施。在特定的實施例中，陣列中的所有換能器，即不止子組，可以具有寬度W，該寬度顯著大於發射脈衝的中心波長的一半。在特定實施例中，在所述陣列中的換能器的最小數量，N_元件，可以由以下不等式給出；N_ 元件=D/ff > (N_ 發射-l)/2*l/(M_sa，gla)其中D是發射孔徑，W是至少在換能器的子組中的每個換能器的寬度，丄發射是來自發射的在空間上相關的回波信號被組合的發射的數量，以及M_sa, gla是折射透鏡和換能器陣列的操縱角度和柵瓣角度之間的最大接受關係。根據這些參數，因此可能實現用於有利地實施本發明的陣列中最小數量的換能器。應該注意的是，每個換能器的寬度，W，可以比迄今所見到的尤其是用於高頻率發射的換能器的寬度大。通常，陣列中換能器的數量，丄元件，可以高於5、10、15或20。優選地，發射波束可以是超聲高頻率脈衝，優選具有至少IOMHz、20MHz、25MHz、30MHz、40MHz或50MHz處的中
心頻率。任選地，所述換能器陣列中的至少換能器的子組具有高於0. 1,0. 2或0. 3mm的寬度W。通常，換能器具有幾乎相同的形狀和尺寸，但也有可能不是這種情況。通常，折射透鏡和換能器陣列的操縱角度和柵瓣角度之間的最大接受關係，M，可以根據超聲成像設計的特定選擇而處於大約5-40%，優選10-35%，更優選15-25%的間隔中。一般而言，來自發射的在空間上相關的回波信號被組合的發射的數量，丄發射，可以選自包括2、4、8、16、32、64和128的組。例如，本發明人已經針對N_發射=4獲得了具有低信噪比(SNR)的有利結果。在一些實施例中，折射率可變透鏡的透鏡形狀可以針對不同發射波束變化，S卩，透鏡可以使得成像波束的粗略操縱成為可能。優選地，折射率可變透鏡可以是流體透鏡，優選是電潤溼液體透鏡。在第二方面中，本發明涉及一種布置為用於產生超聲圖像的成像系統，包括折射率可變透鏡，以及換能器陣列，其用於從其發射多個發射波束，每個發射波束以沿著陣列的不同位置為中心，並且每個發射波束包括多個橫向間隔開的線位置，該橫向間隔開的線位置與另一波束的橫向間隔開的線位置在空間上相關，每個發射波束通過具有相關聯的透鏡形狀的折射率可變透鏡而被發射；該系統布置為用於利用換能器陣列接收回波信號，每個回波信號通過具有相關聯的透鏡形狀的折射率可變透鏡而被接收；通過以下操作在接收波束的橫向間隔開的線位置處產生回波信號多個接收線同時處理響應於一個發射波束接收的回波信號；或者重複地發射與同一發射波束對應的發射事件，並且針對其每一個接收來自不同方向的回波信號，針對額外的發射波束，重複地產生回波信號的多個接收線；組合來自空間上相關的不同發射波束的接收線的回波信號，以產生圖像數據；以及利用圖像數據產生圖像。在第三方面中，本發明涉及一種電腦程式產品，其適於使得包括具有與其相關聯的數據存儲裝置的至少一個計算機的計算機系統能夠控制根據本發明的第三方面的成像系統。本發明的這一方面特別的但非專有的，優勢在於可以通過電腦程式產品實施本發明，該電腦程式產品使得計算機系統能夠執行本發明的第二方面的操作。因此，預期通過將電腦程式產品安裝在控制所述裝置的計算機系統上而改變某些已知的成像系統從而根據本發明進行操作。可以在任何類型的計算機可讀介質，例如，基於磁性或光學的介質上，或者通過諸如網際網路的基於計算機的網絡，提供這種電腦程式產品。本發明的第一、第二和第三方面的每一個均可以與任何其他方面組合。本發明的這些和其他方面通過參考以下描述的實施例將是顯而易見並得以闡明。
現在通過參考附圖，將僅以示例的方式解釋本發明，在附圖中圖1是根據本發明包括換能器陣列的具有折射率可變透鏡的成像系統的示意圖；圖2-4是根據本發明圖示用於產生超聲圖像的方法的示意圖；圖5是根據陣列操縱角度和換能器陣列的柵瓣角度之間的關係示出相對幅度的曲線圖；圖6是圖示說明根據本發明動態接收回波信號的示意圖；圖7是根據本發明的方法的流程圖。
具體實施例方式圖1是具有擁有流體1和流體2的折射率可變透鏡6的成像系統10的示意圖。 在該實施例中，電潤溼透鏡及進一步細節以及關於該透鏡的參考可以在屬於同一申請人的 WO 20047051323 和 WO 2008/0/4455，題為 「Apparatus for forming Variable Fluid Meniscus Configurations」中找到。兩個參考均通過引用被全文併入本文。透鏡6具有在透鏡6的側邊所指示的適當的電壓控制。在透鏡6之下放置換能器4的陣列5。透鏡6用於實現粗略的操縱。其操縱發射波束並且在接收期間保持指向相同的方向。遍及多元件陣列良好地對準來自軸上(以及來自接收焦點深度)的回波。由多通道接收波束形成器7接收陣列元件上的信號。該波束形成器通常是數據採樣波束形成器。通過改變在不同元件上接收的信號之間的相對延遲，接收波束形成器操縱接收波束遠離軸上方向(如流體聚焦透鏡所定義的)是可能的。另外， 接收波束形成器7通過在接收事件期間改變元件間的延遲能夠實現動態接收聚焦。波束形成器7示出為在透鏡6之下，但在實際成像系統中，例如導管，波束形成器可以放置為遠離透鏡6。可以在屬於同一申請人的W02007/133878中找到用於實施本發明的適當的波束形成器7。W02007/133878通過引用被全文併入本文。可以在圖2所示的發射-接收示意圖中表示常規的掃描過程。發射波束和接收波束在同一方向上。在連續圖像線之間兩者被平移相同的量。這一序列由發射-接收示意圖 (右側)上的星形表示，該星形位於斜率為-ι的直線上。通過發射和接收具有不同角度方向，或者(所示地)具有不同橫向偏移的波束可以形成圖像。圖3是根據本發明使用虹波束形成器(用於圖解說明的目的)進行採集的發射-接收示意圖。多線波束形成器能夠針對單個發射事件形成若干接收線。通過對每一個相同通道的接收數據應用不同組的延遲而形成不同的接收線。這些接收線對應於具有不同方向或不同橫向偏移的接收波束。對於常規成像，這些多線通常被用於增加往返線密度。例如，可以使用兩條接收波束，每者在發射波束的兩側。接收波束之間的間隔等於發射波束之間的間隔。連續發射事件的接收波束有3個是交疊的。從給定發射事件接收的線被圍在包圍表示回波信號的星形的方框中。根據本發明，以特殊的配置使用多線。在圖3中示出了具有虹多線波束形成器的示例。接收波束是平行的，並且以等於發射間隔的量分開。連續發射的接收波束有3個是交疊的。考慮第一發射的第4個(最右側)接收線。對於其他三個發射也形成該接收線。 其被圖4的發射-接收示意圖中的水平包圍框高亮。本發明作用於來自這四個發射-接收事件的信號。由於被組合的信號對應於同一接收波束，因此可以將組合視為發生在發射空間中。因此，根據本發明組合來自空間相關的不同發射波束的接收線的回波信號可以有益地應用於產生圖像數據。在一個實施例中，可以在一次發射事件中進行對與給定發射波束對應的回波信號的數據採集，即，接收四個回波信號。在另一實施例中，發射事件可以引起若干回波信號，但首先只接收一個，並且之後發生基本相同的發射事件，接收圖3或4的「列」(接收方向)中的另一回波信號。重複這一過程以順序地獲得與給定發射波束對應的回波信號。這一順序採集對於簡化處理可能是有益的。圖5是根據陣列操縱角度和換能器陣列的柵瓣角度之間的關係示出相對幅度的曲線圖，即對於不同操縱角度的主瓣和柵瓣的強度。X軸是操縱角度與柵瓣角度的比例 (= /W(弧度))。W是換能器的寬度。零角度對應於以與發射相同的方向操縱接收。為 1的值對應於在柵瓣方向操縱接收。垂直線示出經驗法則一操縱的角度小於柵瓣角度的 20%是可接受的。操作頻率取為25MHz，則波長 為62 μ m。假定希望通過組合以奈奎斯特(Nyquist) 間距而間隔開的4個發射來執行本發明。這需要多線以(最大)(N_發射-1)/2*·Τχ與發射方向間隔開，其中，Ν_發射是所組合的發射的數量，而· Tx是角發射間隔。對於Ν_發射 =4，最大多線間隔=(4-1)/2* · Tx = 3/2* · Tx0如果組合的發射以奈奎斯特間隔開，· Tx = · /D，其中D是發射孔徑。因此，最大多線間隔=3/2*·/!)。為了滿足柵瓣要求，需要0. 2* · /W > 3/2* · /DD/W > 3/(2*0. 2) = 7. 5D/W為發射陣列中的陣列元件的數量。因此，元件的數量應該大於或等於8，N_元件·8。例如，如果孔徑為1. 5mm,則所需的元件尺寸或寬度為1. 5/8 = 0. 1875mm。利用標準切割方法製造具有這一間距的壓電元件是可行的。圖6為圖示說明動態接收回波信號的示意圖。慣性效應限制能夠調整流體聚焦透鏡的速度。這意味著接收焦點通常是固定的。本發明可以用於通過在接收信號的時間上改變元件間的延遲而實現動態聚焦。這一點在圖6中示出，其中，從包含對象的介質內的不同深度接收的波前具有不同曲率。通過改變元件間的延遲，本發明可以使得回波被良好地對準，無論其來自的深度如何。所需的延遲的量對於這一相控陣列配置是相當小的。例如，目標1位於2mm的深度，則目標和陣列邊緣之間的距離為· (22+0. 752) = 2. 136mm，從而陣列中心和邊緣之間的延遲差為2. 136-2 = 0. 136mm ·2 ·。對於位於IOmm深度的目標3 (通常感興趣的最大深度)，該差甚至會更小·(102+0.752) = 10.(^8mm，從而中心和邊緣之間的延遲差為0. 028mm · 1/2 ·。本發明也允許使用動態切趾法(apodization)。在接收事件期間擴大接收孔徑逐漸地向總和中添加更多元件。本發明還可以應用於聚焦發射波束。如果將陣列元件單獨地連接到發射器，那麼可以對由每個元件發射的波形進行相控或者時移，以實現發射聚焦。可以對發射進行聚焦或者發散。發射切趾法也是可能的。也可以利用環形換能器陣列實現本發明。這允許在接收上使用動態聚焦以及切趾法。這還允許在發射上使用不同的固定的焦點深度以及切趾法。本發明可以在超聲成像領域，特別是心臟內基於導管的成像中使用。已經在用於房顫處置的電生理程序的治療監控中使用這種設備。圖7是根據本發明用於利用參見圖1的折射率可變透鏡6產生超聲圖像的方法的流程圖，包括Sl從換能器陣列5發射多個發射波束，Txl-Tx4，參見圖2_4，每個發射波束以沿著陣列的不同位置為中心，並且每個發射波束包括多個橫向間隔開的線位置，該橫向間隔開的線位置與另一波束的橫向間隔開的線位置空間相關，每個發射波束通過具有相關聯的透鏡形狀的折射率可變透鏡6而被發射；S2利用換能器陣列5接收回波信號，每個回波信號通過具有相關聯的透鏡形狀的折射率可變透鏡6而被接收；S3通過以下操作在接收波束的橫向間隔開的線位置處產生多個回波信號接收線·同時處理響應於一個發射波束接收的回波信號；或者重複地發射與同一發射波束對應的發射事件並且針對其每一個接收來自不同方向的回波信號，S4針對額外的發射波束，重複地產生多個回波信號接收線；S5組合來自空間相關的不同發射波束的接收線的回波信號，以產生圖像數據；以及S6利用圖像數據產生圖像。可以以包括硬體、軟體、固件或任何這些的組合來以任何合適的形式實現本發明。 可以以在一個或多個數據處理器和/或數位訊號處理器上運行的計算機軟體來實現本發明或本發明的某些特徵。可以任何合適的方式在物理上、功能上和邏輯上實現本發明的實施例的元件和部件。事實上，可以在單個單元中、多個單元中或者作為其他功能單元的部分來實現該功能。因此，本發明可以在單個單元中實現，或者可以在物理上及功能上分布在不同單元和處理器間。儘管已經結合特定實施例描述了本發明，但並非旨在將其限於這裡所述的特定形式。相反，本發明的範圍不僅限於所附權利要求。在權利要求中，「包括」不排除其他元件或步驟的存在。另外，儘管可以在不同權利要求中包括單個特徵，但將其組合可能是有利的， 包括在不同權利要求中並不暗示特徵的組合是不可行的和/或不利的。此外，單數指代不排除多個。因此，「一」、「一個」、「第一」、「第二」等指代不排除多個。另外，不應將權利要求中的附圖標記解釋為限制範圍。
權利要求
1.一種用於利用折射率可變透鏡(6)產生超聲圖像的方法，包括從換能器陣列( 發射多個發射波束(Txl-Tx4)，每個發射波束以沿著所述陣列位的不同位置為中心，並且每個發射波束包含多個橫向間隔開的線位置，該橫向間隔開的線位置與另一波束的橫向間隔開的線位置在空間上相關，每個發射波束通過具有相關聯的透鏡形狀的所述折射率可變透鏡(6)而被發射；利用所述換能器陣列( 接收回波信號，每個回波信號通過具有相關聯的透鏡形狀的所述折射率可變透鏡(6)而被接收；通過以下操作在接收波束的所述橫向間隔開的線位置處產生回波信號的多個接收線·同時處理響應於一個發射波束而接收的所述回波信號；或者重複地發射與同一發射波束對應的發射事件，並且針對其每一個接收來自不同方向的回波信號，針對額外的發射波束，重複地產生回波信號的多個接收線；組合來自在空間上相關的不同發射波束的接收線的回波信號，以產生圖像數據；以及利用所述圖像數據產生圖像。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述換能器陣列中的至少換能器的子組具有寬度W，該寬度顯著大於發射脈衝的中心波長的一半。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的方法，其中，所述陣列中的換能器的最小數量， Ν_元件，由以下不等式給出；Ν_ 元件=D/ff > (Ν_ 發射-1) /2*1/ (M_sa，gla)其中D是發射孔徑，W是至少在所述換能器的子組中的每個換能器的寬度，1發射是來自發射的在空間上相關的回波信號被組合的發射的數量，以及M_sa, gla是所述折射透鏡和所述換能器陣列的操縱角度和柵瓣角度之間的最大接受關係。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，所述陣列中的所述換能器的數量，N_元件，高於 5、10、15 或 20。
5.根據權利要求3所述的方法，其中，所述發射波束為超聲高頻率脈衝，優選具有至少 20MHz、25MHz、30MHz、40MHz 或 50MHz 處的中心頻率。
6.根據權利要求3所述的方法，其中，所述換能器陣列中的至少換能器的子組具有高於 0. lmm、0. 2mm 或 0. 3mm 的寬度 W。
7.根據權利要求3所述的方法，其中，所述折射透鏡和所述換能器陣列的操縱角度和柵瓣角度之間的最大接受關係，M，可以處於大約5-40%，優選10-35%，更優選15-25%的間隔中。
8.根據權利要求3所述的方法，其中，來自發射的在空間上相關的回波信號被組合的發射的數量，1發射，選自包括2、4、8、16、32、64和128的組。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，所述折射率可變透鏡的透鏡形狀針對不同發射波束而變化。
10.根據權利要求1所述的方法，其中，所述折射率可變透鏡是流體透鏡，優選電潤溼液體透鏡。
11.一種布置為用於產生超聲圖像的成像系統(10)，包括 折射率可變透鏡(6)，以及換能器陣列(5)，用於從其發射多個發射波束(Txl-Tx4)，每個發射波束以沿著所述陣列的不同位置為中心，並且每個發射波束包括多個橫向間隔開的線位置，該橫向間隔開的線位置與另一波束的橫向間隔開的線位置在空間上相關，每個發射波束通過具有相關聯的透鏡形狀的所述折射率可變透鏡(6)而被發射； 所述系統布置為用於利用所述換能器陣列( 接收回波信號，每個回波信號通過具有相關聯的透鏡形狀的所述折射率可變透鏡(6)而被接收；通過以下操作在接收波束的所述橫向間隔開的線位置處產生回波信號的多個接收線·同時處理響應於一個發射波束接收的所述回波信號；或者重複地發射與同一發射波束對應的發射事件，並且針對其每一個接收來自不同方向的回波信號，針對額外的發射波束，重複地產生回波信號的多個接收線；組合來自在空間上相關的不同發射波束的接收線的回波信號，以產生圖像數據；以及利用所述圖像數據產生圖像。
12.—種電腦程式產品，其適於使得包括具有與其相關聯的數據存儲裝置的至少一個計算機的計算機系統能夠控制根據權利要求11所述的成像系統。
全文摘要
本發明涉及通過從換能器陣列(5)發射多個發射波束(Tx1-Tx4)並且利用該換能器陣列(5)通過具有相關聯的透鏡形狀的折射率可變透鏡(6)接收回波信號來產生超聲圖像。通過將來自空間相關的發射波束的接收線的回波信號進行組合，本發明使得能夠利用圖像數據產生圖像。本發明對於利用其尺寸比迄今針對高頻率應用所需的換能器相對更大的換能器進行高頻率超聲成像是有益的。該換能器陣列不必是「良好採樣的」；即，具有與被接收的超聲信號的中心波長可比的寬度或尺寸。這在非常高的頻率時尤其重要，在這種情況下良好採樣的陣列將需要非常難於製造的極小的元件。
文檔編號G10K11/30GK102326093SQ201080008238
公開日2012年1月18日 申請日期2010年2月16日 優先權日2009年2月20日
發明者J·羅貝爾, M·R·伯切, Y·S·史 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司