[发明专利]具有改善的换能器架构的超声成像系统

说明书

本发明提供了一种换能器组件。换能器组件包括孔，该孔包括多个换能器元件。换能器组件还包括多个第一级求和器，其中每个换能器元件被配置为可切换地耦合到多个第一级求和器中的至少四个。换能器组件还包括多个第二级求和器，其中多个第一级求和器中的每一个的输出被配置为可切换地耦合到所多个第二级求和器中的一个的输入。

背景技术

本文所公开的主题整体涉及超声成像，并且更具体地，涉及改善的换能器组件架构，用于构建此类架构的技术以及用于有效地产生超声图像的技术。

本章节旨在向读者介绍可能与本公开的各个方面相关的本领域的各个方面，这些方面在下文有所描述和/或受权利要求书保护。相信该讨论有助于向读者提供背景信息，以有利于更好地理解本公开的各个方面。因此，应当理解，这些陈述将以这种方式来阅读，而不是作为现有技术的承认来阅读。

医疗诊断超声是采用超声波来探测患者的身体的声学特性并产生对应的图像的成像模式。超声波脉冲的产生和返回回波的检测通常通过位于超声组件中的多个换能器元件来实现。该超声组件包括换能器元件、声匹配层、信号连接和各种其它部件，在一些情况下包括电子电路，其通常被称为超声探头或超声换能器。如本文所用，术语“探头”和“换能器组件”可互换使用。探头中的换能器元件通常包括能够将电能转换成机械能以用于传输并且能够将机械能转换成电能以用于接收目的的机电元件。

超声成像系统通常采用换能器元件阵列来传输超声波束，并且随后从被询问对象(例如，患者的器官或部位)接收反射的波束或回波。应当理解，换能器元件阵列可被布置成一维或二维阵列。“二维”(2D)超声探头通常具有矩形感测元件，其中元件面的两个维度均为设计操作频率下的波长量级。尽管也使用了三角形网格或其它几何形状，但元件通常被布置成矩形网格以便于制造。可使用2D探头以电子方式在两个维度上进行扫描，从而形成三维(“体积”)图像。相比较而言，“一维”(1D)探头中的矩形元件的一个维度比波长大得多。这些探头仅在一个维度上以电子方式进行扫描，从而形成二维(“切片”)图像。

探头的孔是其换能器元件跨越的区域。根据针对探头的预期应用来选择孔尺寸。例如，心脏探头通常足够小以能够在受检者的肋骨之间使用。腹部探头和乳房探头通常大得多。对于给定的换能器孔区域，2D探头利用远多于1D探头的元件，量级为N²相对于N个元件，其中N可以为64个或更多个。这是一个主要的复杂问题，因为将2D阵列中的每个元件连接到控制台中的波束形成电路将采用不切实际的笨重的电缆束(或不切实际的较大的无线传输带宽)。

这种限制的一种常规解决方案是将2D元件分组为“子孔”，以部分地波束形成每个子孔内的元件信号从而形成子孔信号，并且将该较小数量的子孔信号返回到控制台，在控制台处它们被组合以产生一个或多个波束和。子孔分组的固定模式是换能器阵列的最简单架构，因为其可由换能器元件和子孔波束形成电路之间的硬连线连接来实现。然而，通常期望能够以编程方式配置子孔分组。例如，实现子孔径处理的专用集成电路(ASIC)设计和制造起来昂贵，因此希望针对不止一个2D探头设计使用一个ASIC设计，每个探头设计均可受益于子孔的不同布置。此外，对于某些类型的探头，可能有利的是将孔分成基本上不同尺寸的子孔，而不是采用近似相同尺寸的子孔。

图1示出了利用子孔径处理的超声系统10的一种潜在架构的简化框图。具体地，M×N交叉开关12(也称为“交叉点开关”或有时称为“矩阵开关”)是具有M个输入和N个输出的电路，该电路允许将输入信号中的任一个路由到输出信号中任一个。如图所示，M是换能器元件的数量且N是系统通道的数量，其中N>>M。交叉开关12允许一个以上的输入连接到同一输出。在系统10的该架构中隐含的是，延迟块16的输出处的延迟元件信号可通过将延迟元件信号连接到公共线而进行电求和。如所理解的那样，系统10的架构允许将由各个延迟块16表示的延迟元件信号的任何组合在一起求和，产生N个信号，这些信号以无线方式或通过探头电缆被发送到控制台18并且进一步由控制台18形成波束。对应于每个求和的元件信号的元件14表示子孔，通常为邻接的实心区域。但是，这种架构有几个缺点。