[发明专利]具有二维阵列探头的扩展视场超声成像

说明书

本发明涉及医疗诊断超声系统，并且，更具体地说，涉及执行全景或者扩展视场(EFOV)成像的超声系统。

二维扩展视场(EFOV)或者全景超声成像是用于可视化不能在常规超声成像中完全观看到的较大或者较长结构(例如，股动脉、颈动脉)的有用工具。在二维(2D)全景成像中，如在美国专利6,442,289(Olsson等)中所述，通过沿着2D图像的平面(方位维度)手动扫描具有一维超声换能器阵列的探头而采集大量2D图像。对所采集的重叠图像进行组合，从而通过利用探头运动估计生成全景图像，典型地，通过评估连续重叠图像之间的配准(registration)对探头运动估计进行测量。如在美国专利6,516,215(Roundhill)中所示，在宽纵横比显示器上可以较好地观看超长的图像。使用一维超声换能器的常规扩展视场成像的一个局限是只能沿着一个成像平面追踪运动，假定该一个成像平面与运动方向一致。如果运动方向与换能器的成像平面不一致，则全景图像中将存在几何失真，并且减少了精确测量的可能性。

对较长结构成像的另一种方式是通过徒手(free-hand)扫描。在徒手扫描中，在垂直于图像平面的方向上(即，在立面(elevational)维度上)手动地扫描超声探头，以获得来自彼此大致平行的不同平面的一系列图像。可以合并这些图像以创建已知为徒手3D成像的三维(3D)体(volume)。在美国专利Re.36,564(Schwartz等)中描述了徒手扫描。徒手3D成像具有从不同取向和平面显示解剖结构的能力，而不需要临床医生根据2D图像经过思考来解释该结构的3D取向。徒手3D扫描可以生成其大小仅受超声系统的可及声音窗口和数据存储大小限制的体积，并且因此相对于常规3D超声成像具有若干临床上的优点，在常规3D超声成像中，体积大小受探头的最大机械或者电子扫描角度限制。

如果将要从徒手3D全景图像中进行距离或体积的精确测量，则应该对图像采集进行校准，使得结构的大小和取向在几何上是精确的。在经校准的3D全景成像中，探头运动追踪和重构对于产生经校准的体积是重要的。超声探头的追踪提供了运动估计，这些运动估计直接用于补偿探头扫描期间的探头运动。为了最小化与伪像(artifact)相关的图像质量损失，可靠的3D体积重构也很关键。此外，提供有助于在目标结构上扫描的实时用户反馈也很重要。

例如，在美国专利5,899,861(Friemel等)和美国专利6,572,549(Jong等)中已经提出了针对3D全景成像使用1D阵列探头的徒手采集。在该方法中，通过估计从不同立视平面顺序采集的图像中斑点图案的去相关率，对探头运动进行追踪。然而，对于斑点图案(speckle pattern)，保持连续图像中的部分相关是必须的，尤其在探头快速扫描期间，这并不总是可能的。另外，基于斑点去相关的运动估计也不是非常可靠，并且受诸如来自明亮镜面反射体的那些伪像的强烈影响。为了获得更加可靠的运动追踪，如在美国专利6,517,491(Thiele等)中所描述的，可以将外部定位传感器(例如，磁或光)附着到1D阵列探头。然而，这些追踪设备会受到干扰和低灵敏度影响，并且精确性差。该方法还需要将额外的设备附加到探头和系统两者上，这也不太方便。

近来，通过引入电子操纵(steer)的2D阵列探头已经取代了机械1D阵列探头。二维阵列换能器可以通过波束的定相操纵在三个维度上电子扫描体积区域。不必在身体上机械地扫描探头以采集3D图像，并且在探头中不存在移动部件。2D阵列探头可以实时生成3D体积图像，并且还可以采集更小的三维体积，如在美国专利5,993,390(Savord等)中所描述的，这些更小的三维体积可以缝合在一起以生成具有血流协调循环显示(coordinated looping display)的更大体积的图像。然而，2D阵列探头具有与机械1D阵列探头相同的局限，该局限是视场受限于探头下面的区域。

另一种3D成像的方法是最近提出的I-波束或者E-波束探头，其包括主成像阵列以及如在美国专利6,102,865(Hossack等)中所描述的两个或三个相邻的垂直追踪阵列。然而，该方法的局限在于其仅能估计由追踪阵列的取向设定的预置方向上的探头运动。此外，由于多个阵列必须制造在单个探头中并且同时操作，所以这样的系统比较昂贵。探头位置精度受限于追踪阵列的大小，追踪阵列通常远小于成像阵列。