專利名稱：超聲動(dòng)態(tài)彈性成像探頭及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)超聲成像的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，傳統(tǒng)用于醫(yī)學(xué)超聲成像(又叫回波成像)的電子探頭由N個(gè)壓電換能器陣 元排成一直線或曲線陣列。探頭只有一種換能器，通過電子的方法控制聲束的掃描和聚焦， 在接收時(shí)檢測縱波，利用回波幅度成像法或多普勒成像法重建出聲像圖，提供解剖結(jié)構(gòu)信 息或動(dòng)力學(xué)信息。但不能提供組織硬度或彈性的有關(guān)生物力學(xué)特性。在動(dòng)態(tài)彈性成像技術(shù)中，超聲波的另一種作用是用來激勵(lì)組織產(chǎn)生瞬時(shí)變化，例 如產(chǎn)生超聲輻射力。利用超聲輻射力激勵(lì)物體組織運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生橫向傳播的剪切波，再檢測剪 切波傳播所引起的組織縱向位移，重建出組織彈性物理量，并對(duì)之成像，提供組織的彈性信 肩、ο雖然可以使用傳統(tǒng)的電子探頭，給予不同于回波幅度法或多普勒法的激勵(lì)實(shí)現(xiàn)動(dòng) 態(tài)彈性成像。然而，傳統(tǒng)電子探頭是只由一組換能器陣元組成，因?yàn)榻M織對(duì)超聲的衰減隨著 頻率的增加而增大，為了保證圖像的空間分辨力必須使用足夠高的超聲頻率，這樣就導(dǎo)致 了在較深的深度處無法產(chǎn)生足夠強(qiáng)的剪切波，影響彈性圖像的信噪比，質(zhì)量無法令人滿意。 概括地，對(duì)現(xiàn)有彈性成像技術(shù)來說，傳統(tǒng)探頭存在以下幾個(gè)方面的缺點(diǎn)(1)機(jī)械壓力的穿透深度受到限制，通常只能達(dá)到潛在探測深度的一半。(2)因內(nèi)部的剪切波源傳播范圍有限，造成探測區(qū)域的深度受到限制。(3)為了產(chǎn)生可檢測的剪切波而采用過強(qiáng)的聲場會(huì)產(chǎn)生空化效應(yīng)，對(duì)病人造成傷 害。(4)過強(qiáng)的超聲激勵(lì)會(huì)超出國家標(biāo)準(zhǔn)。因此傳統(tǒng)的探頭不是彈性成像的最佳選擇。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種既可保證高質(zhì)量的傳統(tǒng)超聲成像，又能提供定量的動(dòng) 態(tài)彈性成像、符合國家聲功率標(biāo)準(zhǔn)的超聲動(dòng)態(tài)彈性成像探頭，本發(fā)明還提供了一種超聲動(dòng) 態(tài)彈性成像方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為超聲動(dòng)態(tài)彈性成像探頭，探頭內(nèi) 包括頻率較高的成像換能器和頻率較低的激勵(lì)換能器，所述的成像換能器位于中間，所述 的激勵(lì)換能器位于成像換能器的兩旁；成像換能器和激勵(lì)換能器在耦合模式下同步工作， 激勵(lì)換能器產(chǎn)生的超聲輻射力在組織內(nèi)產(chǎn)生剪切波，剪切波的橫向傳播引起組織的縱向位 移；成像換能器發(fā)射超聲波檢測組織的縱向位移，然后根據(jù)波動(dòng)方程重建出彈性物理量，從 而獲取組織的彈性圖像。所述的成像換能器和激勵(lì)換能器均排成線性陣列的形式。所述的成像換能器陣列和激勵(lì)換能器陣列的每個(gè)陣元都是獨(dú)立電子控制的，并可實(shí)現(xiàn)同步。所述的激勵(lì)換能器的諧振頻率是成像換能器諧振頻率的1/2以下。所述的激勵(lì)換能器的諧振頻率為IMHz 4MHz，成像換能器的諧振頻率為5MHz 12MHz。所述的成像換能器和激勵(lì)換能器都采用獨(dú)立電子聚焦。所述的激勵(lì)換能器的電子聚焦深度可調(diào)范圍為10_40mm，激勵(lì)換能器的電子聚焦 深度可調(diào)范圍為10-40mm。所述的激勵(lì)換能器與成像換能器的數(shù)量比為2 2 2 5之間的范圍。所述的激勵(lì)換能器與成像換能器的數(shù)量比為2 3。一種超聲動(dòng)態(tài)彈性成像方法，采用兩種頻率不同的換能器，兩種換能器工作在耦 合模式下，其中較低頻率的換能器工作于激勵(lì)模式，其產(chǎn)生的超聲輻射力在組織內(nèi)產(chǎn)生剪 切波，剪切波的橫向傳播引起組織的縱向位移；較高頻率的換能器工作于成像模式，其發(fā)射 超聲波檢測組織的縱向位移，然后根據(jù)波動(dòng)方程重建出彈性物理量，從而獲取組織的彈性 圖像。 本發(fā)明的成像換能器可在標(biāo)準(zhǔn)模式下工作，用于傳統(tǒng)超聲成像。成像換能器和激 勵(lì)換能器在耦合模式下同步工作，可用于動(dòng)態(tài)彈性成像。激勵(lì)換能器使用較低頻率的聚焦 超聲束激勵(lì)組織，由于聲傳播的非線性，產(chǎn)生的超聲輻射力在組織內(nèi)產(chǎn)生剪切波，剪切波的 橫向傳播引起組織的縱向位移，成像換能器發(fā)射超聲波檢測此位移，然后根據(jù)波動(dòng)方程可 以重建出彈性物理量，此物理量的分布反映了定量的組織彈性性質(zhì)，讓彈性定量測量成為 可能，從而獲取組織的彈性圖像。本發(fā)明用于激發(fā)組織的換能器，與成像換能器相比，可以聚焦于更遠(yuǎn)處，在相同的 聚焦深度處可以有更強(qiáng)的聲強(qiáng)。有這樣的一種特性，使得聲場區(qū)域加大，場強(qiáng)增加，從而可 以降低發(fā)射聲強(qiáng)。本發(fā)明用于激發(fā)組織的換能器的諧振頻率是成像換能器諧振頻率的1/2以下。利 用這個(gè)特性，在輻射壓力產(chǎn)生方面，激發(fā)組織的換能器會(huì)更加有效，可以聚焦于更深的深度。本發(fā)明采用了由較低頻率的換能器激勵(lì)組織產(chǎn)生剪切波，所產(chǎn)生的剪切波強(qiáng)度更 大，有效激勵(lì)范圍更廣，同時(shí)由傳統(tǒng)的較高頻率的換能器對(duì)剪切波的傳播成像，彈性圖像的 信噪比高，圖像質(zhì)量高，符合國家聲功率標(biāo)準(zhǔn)。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。圖1是超聲動(dòng)態(tài)彈性成像探頭的冠面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是超聲動(dòng)態(tài)彈性成像探頭的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1、圖2所示，本發(fā)明所述的超聲動(dòng)態(tài)彈性成像探頭，該探頭用于回波成像和 彈性成像。更具體地說，該探頭可以用于表淺組織如胸部、腹部、頸部的組織成像。探頭內(nèi) 包括頻率較高的成像換能器1和頻率較低的激勵(lì)換能器2。所述的成像換能器1和激勵(lì)換能器2均排成線性陣列的形式。這種線性陣列可以是直的，或者彎的，甚至是能適應(yīng)探測物 體的幾何特性的特定形狀。激勵(lì)換能器2被排成兩排，位于成像換能器1的兩旁。所述的成像換能器位于探頭的中間，如入口表面，用于成像。成像換能器陣列可以 由192個(gè)換能器組成，每個(gè)陣元X方向的寬度為0. 2mm，Y方向?yàn)?mm。為了清晰起見，在圖 1中，X方向和Y方向的尺寸是不一樣的。這些換能器是借助插入探頭的多路復(fù)用器或者與 探頭連接的回波成像系統(tǒng)，通過192路獨(dú)立的電子線路來控制的。有這樣的特性，成像換能 器陣列提供一個(gè)高質(zhì)量的2維胸部回波圖像。所述的激勵(lì)換能器用來產(chǎn)生一種超聲輻射壓以致產(chǎn)生橫波在組織內(nèi)的傳播。激勵(lì) 換能器陣列位于成像換能器的兩旁，每邊各有64個(gè)組成一排，共有128個(gè)。每個(gè)陣元X方向 的寬度為0. 6mm，Y方向?yàn)?mm。成像換能器用于成像，激勵(lì)換能器用于激勵(lì)組織運(yùn)動(dòng)，它們 的掃描平面是同一平面，因此應(yīng)該緊挨著，但如果嵌入成像換能器中，會(huì)引起相互干擾，而 且同類陣元間隔過大，所以激勵(lì)換能器只能排在成像換能器的兩側(cè)。成像換能器可采用常 規(guī)尺寸，目的是與傳統(tǒng)的成像模式兼容，為了用戶使用的方便，整個(gè)探頭的厚度不宜太大， 一般控制在Icm以內(nèi)，因此激勵(lì)換能器的厚度選擇是2mm。所述的成像換能器1和激勵(lì)換能器2都屬于超聲換能器系列。它們的諧振頻率都 大于20kHz，但它們有不同的頻率間隔。兩類換能器是不同的，可以用超聲諧振頻率、幾何特 性和尺寸大小來區(qū)分。成像換能器1的諧振頻率范圍為5MHz 12MHz，過高頻率的換能器 的成本也相應(yīng)越高。如用于淺表器官的成像，成像換能器1的諧振頻率可選為8MHz。激勵(lì) 換能器的諧振頻率是成像換能器的1/2以下，諧振頻率范圍為IMHz 4MHz。如用于淺表器 官的成像，激勵(lì)換能器2的諧振頻率可選為4MHz。所述的激勵(lì)換能器與用于成像換能器的數(shù)量比可以選擇為2 2 2 5之間 的范圍，比較合適的選擇是2 3。這樣決定的依據(jù)是，激勵(lì)換能器只是用于激勵(lì)組織的運(yùn) 動(dòng)，其陣元密度不需達(dá)到成像換能器的密度，可以降低對(duì)換能器陣元制作工藝的要求，同時(shí) 也兼顧了激勵(lì)脈沖的聚焦性能。如圖2中探頭的側(cè)面圖所示，成像換能器1以及成像換能器1兩旁的每對(duì)激勵(lì)換 能器2都是電子耦合的，分別通過獨(dú)立的電子線路Cl和C2控制。因此，控制激勵(lì)換能器的 64個(gè)電子線路與成像換能器的192個(gè)電子線路不同，探頭由擁有256個(gè)獨(dú)立電子線路的回 波成像系統(tǒng)來控制的，可以實(shí)現(xiàn)同步。成像換能器和激勵(lì)換能器都是通過電子聚焦的方式 來調(diào)焦的，其中用于淺表器官的換能器，成像換能器的電子聚焦深度可調(diào)范圍為10-40mm， 激勵(lì)換能器的聚焦深度可調(diào)范圍為10-40mm。在標(biāo)準(zhǔn)模式下，成像換能器1單獨(dú)工作，與傳統(tǒng)的超聲探頭相同，用于傳統(tǒng)超聲成像。在耦合模式下，成像換能器1和激勵(lì)換能器2同步工作，用于將組織10連續(xù)的瞬 時(shí)變化動(dòng)態(tài)彈性成像。激勵(lì)換能器2用于激發(fā)組織的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生剪切波，工作于激勵(lì)模式， 其產(chǎn)生的聚焦超聲束由于聲的非線性傳播引起的超聲輻射力在組織內(nèi)產(chǎn)生剪切波，剪切波 的橫向傳播引起組織的縱向位移。成像換能器工作于成像模式，發(fā)射超聲波檢測組織的縱 向位移，然后根據(jù)波動(dòng)方程重建出彈性物理量，從而獲取組織的彈性圖像。本發(fā)明探頭所產(chǎn)生的剪切波強(qiáng)度更大，有效激勵(lì)范圍更廣，特別適合剪切彈性成 像。這與本發(fā)明所追求的目標(biāo)相符合。在運(yùn)用彈性成像方法時(shí)，聚焦處的場強(qiáng)不如離焦區(qū)域的場強(qiáng)重要。上述的壓力場產(chǎn)生了一個(gè)剪切源。本發(fā)明的探頭，在離焦區(qū)剪切波的衰減速度比傳統(tǒng)探頭的慢得多，在傳播距離超 過2cm后，本發(fā)明的探頭的切變場的強(qiáng)度是傳統(tǒng)探頭的4倍。這使得剪切波在成像平面外 的衍射減少了。這樣，可以產(chǎn)生一個(gè)更高質(zhì)量的橫波，同時(shí)局部的壓力強(qiáng)度較小。調(diào)整后的 聲功率范圍有限，這是非常有利的。為了使彈性成像技術(shù)得到令人滿意的應(yīng)用，有必要關(guān)注剪切源的穿透深度，集中 注意力在產(chǎn)生深度盡可能深的橫波上。這要求激勵(lì)換能器的工作頻率要比用于回波成像的 成像換能器的低。否則，在傳統(tǒng)探頭的情況下，由于超聲的衰減，聚焦深度被限制在成像深 度的一半左右。不同的應(yīng)用，換能器的排列可能會(huì)改變。成像換能器陣列和激勵(lì)換能器陣列可能 互相疊加在一起。在這種情況下，只有成像的換能器對(duì)操作者是可見的，激勵(lì)換能器被“藏” 在成像的換能器后面。每種換能器的數(shù)量和形狀可能是多種多樣的?？赡苡枚嘁恍┑某上?換能器而少一點(diǎn)的激勵(lì)換能器，反過來也一樣。全部或部分的激勵(lì)換能器，盡管明確地用于產(chǎn)生壓力，但工作在耦合模式下也可 以用來生成回波圖像，比如在產(chǎn)生壓力的前后，這比只用成像換能器在橫向方向能覆蓋更 寬的圖像區(qū)域。在圖2中所提出的探頭在耦合模式下，在三個(gè)不同的圖像平面使同步成像 成為可能。除了激勵(lì)換能器能產(chǎn)生壓力外，成像換能器，全部或部分也可以用來產(chǎn)生壓力?？傊景l(fā)明雖然例舉了上述優(yōu)選實(shí)施方式，但是應(yīng)該說明，雖然本領(lǐng)域的技術(shù)人 員可以進(jìn)行各種變化和改型，除非這樣的變化和改型偏離了本發(fā)明的范圍，否則都應(yīng)該包 括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種超聲動(dòng)態(tài)彈性成像探頭，其特征在于探頭內(nèi)包括頻率較高的成像換能器和頻率較低的激勵(lì)換能器，所述的成像換能器位于中間，所述的激勵(lì)換能器位于成像換能器的兩旁；成像換能器和激勵(lì)換能器在耦合模式下同步工作，激勵(lì)換能器產(chǎn)生的超聲輻射力在組織內(nèi)產(chǎn)生剪切波，剪切波的橫向傳播引起組織的縱向位移；成像換能器發(fā)射超聲波檢測組織的縱向位移，然后根據(jù)波動(dòng)方程重建出彈性物理量，從而獲取組織的彈性圖像。
2.按照權(quán)利要求1所述的超聲動(dòng)態(tài)彈性成像探頭，其特征在于所述的成像換能器和 激勵(lì)換能器均排成線性陣列的形式。
3.按照權(quán)利要求2所述的超聲動(dòng)態(tài)彈性成像探頭，其特征在于所述的成像換能器陣 列和激勵(lì)換能器陣列的每個(gè)陣元都是獨(dú)立電子控制的，并可實(shí)現(xiàn)同步。
4.按照權(quán)利要求1所述的超聲動(dòng)態(tài)彈性成像探頭，其特征在于所述的激勵(lì)換能器的 諧振頻率是成像換能器諧振頻率的1/2以下。
5.按照權(quán)利要求4所述的超聲動(dòng)態(tài)彈性成像探頭，其特征在于所述的激勵(lì)換能器的 諧振頻率為IMHz 4MHz，成像換能器的諧振頻率為5MHz 12MHz。
6.按照權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的超聲動(dòng)態(tài)彈性成像探頭，其特征在于所述的 成像換能器和激勵(lì)換能器都采用獨(dú)立電子聚焦。
7.按照權(quán)利要求6所述的超聲動(dòng)態(tài)彈性成像探頭，其特征在于所述的激勵(lì)換能器的 電子聚焦深度可調(diào)范圍為10_40mm，激勵(lì)換能器的電子聚焦深度可調(diào)范圍為10_40mm。
8.按照權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的超聲動(dòng)態(tài)彈性成像探頭，其特征在于所述的 激勵(lì)換能器與成像換能器的數(shù)量比為22 25之間的范圍。
9.按照權(quán)利要求8所述的超聲動(dòng)態(tài)彈性成像探頭，其特征在于所述的激勵(lì)換能器與 成像換能器的數(shù)量比為2 3。
10.一種超聲動(dòng)態(tài)彈性成像方法，其特征在于采用兩種頻率不同的換能器，兩種換能 器工作在耦合模式下，其中較低頻率的換能器工作于激勵(lì)模式，其產(chǎn)生的超聲輻射力在組 織內(nèi)產(chǎn)生剪切波，剪切波的橫向傳播引起組織的縱向位移；較高頻率的換能器工作于成像 模式，其發(fā)射超聲波檢測組織的縱向位移，然后根據(jù)波動(dòng)方程重建出彈性物理量，從而獲取 組織的彈性圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超聲動(dòng)態(tài)彈性成像探頭及成像方法。本發(fā)明的探頭內(nèi)包括頻率較高的成像換能器和頻率較低的激勵(lì)換能器，所述的成像換能器位于中間，所述的激勵(lì)換能器位于成像換能器的兩旁；成像換能器和激勵(lì)換能器在耦合模式下同步工作，激勵(lì)換能器產(chǎn)生的超聲波輻射力在組織內(nèi)產(chǎn)生剪切波，剪切波的橫向傳播引起組織的縱向位移；成像換能器發(fā)射超聲波檢測組織的縱向位移，然后根據(jù)波動(dòng)方程重建出彈性物理量，從而獲取組織的彈性圖像。本發(fā)明采用了由較低頻率的換能器激勵(lì)組織產(chǎn)生剪切波，所產(chǎn)生的剪切波強(qiáng)度更大，有效激勵(lì)范圍更廣，同時(shí)由傳統(tǒng)的較高頻率的換能器對(duì)剪切波的傳播成像，彈性圖像的信噪比高，圖像質(zhì)量高，符合國家聲功率標(biāo)準(zhǔn)。
文檔編號(hào)A61B8/00GK101912278SQ20101025240
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月12日
發(fā)明者林春漪, 陳慶武 申請(qǐng)人:陳慶武