CN102631218A - 超声波诊断装置和超声波图像产生方法 - Google Patents

超声波诊断装置和超声波图像产生方法 Download PDF

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Abstract

一种超声波诊断装置包括：超声波探头，包括换能器阵列；发射机，用于从所述换能器阵列向对象发送超声波束；图像产生器，用于基于已从所述对象接收到超声回波的所述换能器阵列所输出的接收信号，来产生超声波图像；温度传感器，用于检测所述超声波探头的内部温度；通道选择器，用于从所述超声波探头的多个通道中选择可同时用于接收的通道；以及控制器，用于控制所述通道选择器，以在由所述温度传感器检测到的所述超声波探头的内部温度增加时以及在测量深度变浅时，减少所选的可同时用于接收的通道的数目。

Description

超声波诊断装置和超声波图像产生方法
技术领域
本发明涉及超声波诊断装置和超声波图像产生方法，且具体地涉及减少在超声波诊断装置的超声波探头中产生的热量，所述超声波诊断装置用于基于通过从超声波探头的换能器阵列发送和接收超声波所产生的超声波图像，来给出诊断。
背景技术
常规上，在医疗领域中采用使用超声波图像的超声波诊断装置。大体上，该类型的超声波诊断装置包括具有内置换能器阵列的超声波探头和连接到超声波探头的装置本体。超声波探头向对象发送超声波，从对象接收超声回波，以及装置本体对接收信号进行电处理，以产生超声波图像。
使用这种超声波诊断装置，随着换能器阵列发送超声波，在换能器阵列中产生热。
通常将超声波探头装入具有可以由操作者单手容易握住的尺寸的外壳中，这是因为操作者一般是在通过单手握住超声波探头，将换能器阵列的超声波发送/接收面与对象表面接触时，来进行诊断的。因此，换能器阵列中产生的热可以使得超声波探头的外壳内的温度升高。
近些年来，已提出了一种具有超声波探头的超声波诊断装置，该超声波探头具有用于信号处理的内置电路板，以在经由无线或有线通信向装置本体发送接收信号之前，实现对从换能器阵列输出的接收信号的数字处理，从而降低噪声影响并获得高质量的超声波图像。
在对接收信号的处理期间，实现这种类型数字处理的超声波探头还要经受电路板中热的产生，且因此需要抑制外壳中的温度上升，以确保板上的电路的稳定操作。
关于对抗超声波探头中温度上升的措施，参考JP 2005-253776 A，其描述了一种超声波诊断装置，其中，根据超声波探头的表面温度来自动改变用于致动换能器阵列的条件。通过在表面温度上升时降低例如致动电压、发送孔(aperture)的数目、发送脉冲的重复频率以及帧速率，将超声波探头的表面温度保持在恰当的温度。
发明内容
然而，在JP 2005-253776 A中描述的装置(其中，改变用于致动发送换能器阵列的条件)不能应付由在执行上述数字处理的超声波探头中的接收过程所产生的热。
本发明的目的是消除与现有技术相关的上述问题，并提供一种超声波诊断装置和超声波图像产生方法，能够获取高质量超声波图像，同时抑制在超声波探头内部的温度上升。
根据本发明的一种超声波诊断装置，包括：
超声波探头，包括换能器阵列；
发射机，用于从所述换能器阵列向对象发送超声波束；
图像产生器，用于基于已从所述对象接收到超声回波的所述换能器阵列所输出的接收信号，来产生超声波图像；
温度传感器，用于检测所述超声波探头的内部温度；
通道选择器，用于从所述超声波探头的多个通道中选择可同时用于接收的通道；以及
控制器，用于控制所述通道选择器，以随着由所述温度传感器检测到的所述超声波探头的内部温度增加以及测量深度变浅，减少所选的可同时用于接收的通道的数目。
根据本发明的一种产生超声波图像的方法，包括以下步骤：
检测包括换能器阵列在内的超声波探头的内部温度；
从所述超声波探头的多个通道中选择可同时用于接收的通道，以随着检测到的所述超声波探头的内部温度增加和测量深度变浅，减少所选的可同时用于接收的通道的数目；以及
从所述换能器阵列向对象发送超声波束并基于已从所述对象接收到超声回波的所述换能器阵列所输出的接收信号，来产生超声波图像。
附图说明
图1是示出了根据本发明的实施例1的超声波诊断装置的配置的框图。
图2示出了根据测量深度被分为三个区域的成像区域。
图3是示出了根据实施例1的在超声波探头内部的温度随时间的变化以及温度阈值的图。
图4示出了在实施例1中选择的可用通道和不可用通道。
图5示出了在实施例2中选择的可用通道和不可用通道。
具体实施方式
下面将基于附图来描述本发明的实施例。
图1示出了根据本发明的实施例1的超声波诊断装置的配置。该超声波诊断装置包括超声波探头1和经由无线通信连接到超声波探头1的诊断装置本体2。
超声波探头1包括多个超声波换能器3，它们构成单维或二维换能器阵列的多个通道，且换能器3经由通道选择器4连接到接收信号处理器5，接收信号处理器5进而经由并行/串行转换器6连接到无线通信单元7。换能器3经由发送驱动器8连接到发送控制器9，且接收信号处理器5连接到接收控制器10，同时无线通信单元7连接到通信控制器11。通道选择器4、并行/串行转换器6、发送控制器9、接收控制器10和通信控制器11连接到探头控制器12。超声波探头1具有内置温度传感器13，用于检测超声波探头1内部的温度，且温度传感器13连接到探头控制器12。
温度传感器13优选地位于接收信号处理器5附近，在超声波诊断装置的操作期间，预期此处温度上升。
每个换能器3都根据从发送驱动器8供应的致动信号来发送超声波，并从对象接收超声回波，以输出接收信号。每个换能器3由振荡器构成，该振荡器包括压电体和在压电体的两端上分别提供的电极。压电体可以由例如以下各项构成：以PZT(锆钛酸铅)为代表的压电陶瓷、以PVDF(聚偏二氟乙烯)为代表的聚合压电器件、以及以PMN-PT(铌镁酸铅钛酸铅固溶，lead magnesium niobate lead titanatesolid solution)为代表的单晶。
当向每个振荡器的电极供应脉冲电压或连续波电压时，压电体膨胀并收缩从而引起振荡器产生脉冲或连续超声波。将这些超声波合并以形成超声波束。当接收到传播的超声波时，每个振荡器膨胀并收缩以产生电信号，然后将电信号作为超声波接收信号加以输出。
发送驱动器8包括例如多个脉冲器，并基于由发送控制器9选择的发送延迟模式来调整针对相应换能器3的致动信号的延迟量，使得从换能器3发送的超声波形成覆盖对象组织区域的宽超声波束，并向换能器3供应调整过的致动信号。
通道选择器4包括将换能器3与对应接收信号处理器5连接和断开的多个开关，且根据来自探头控制器12的指令，在换能器阵列的通道中选择可同时用于接收的通道，以将所选通道的换能器3连接到对应的接收信号处理器5。
在接收控制器10的控制下，接收信号处理器4的单个通道允许对应换能器3输出的接收信号经历正交检测或正交采样过程，以产生复基带信号，对复基带信号采样以产生包含与组织区域相关的信息在内的采样数据，并向并行/串行转换器6供应该采样数据。通过对复基带信号进行采样所获得的数据执行高效的编码数据压缩，接收信号处理器5可以产生采样数据。
并行/串行转换器6将具有多个通道的接收信号处理器5所产生的并行采样数据转换为串行采样数据。
无线通信部7基于串行采样数据执行载波调制，以产生发送信号，并向天线供应该发送信号，使得天线发送无线电波，以发送串行采样数据。本文可以采用的调制方法包括：ASK(幅移键控)、PSK(相移键控)、QPSK(正交相移键控)以及16QAM(16正交幅度调制)。
无线通信单元7通过与诊断装置本体2的无线通信向诊断装置本体2发送采样数据，从诊断装置本体2接收各种控制信号，并向通信控制器11输出接收到的控制信号。通信控制器11控制无线通信单元7，以使用由探头控制器12设置的发送波强度来发送采样数据，并向探头控制器12输出由无线通信单元7接收到的各种控制信号。
温度传感器13检测超声波探头1的内部温度，并将其输出至探头控制器12。
探头控制器12根据从诊断装置本体2发送的控制信号来控制超声波探头1的各种组件。探头控制器12根据由温度传感器13检测到的超声波探头1的内部温度T和测量深度，来控制接收用通道选择器4的开关的开/关操作。
超声波探头1具有未示出的内置电池，其向超声波探头1内的电路供电。
超声波探头1可以是外部型探头(比如线性扫描型、凸面扫描型和扇形扫描型)，或者是例如用于超声波内窥镜的径向扫描型的探头。可以将多个换能器3连接到单个复用器，以切换用于发送的可用通道。
另一方面，诊断装置本体2包括经由串行/并行转换器15连接到数据存储单元16的无线通信单元14。数据存储单元16连接到图像产生器17。图像产生器17经由显示控制器18连接到监视器19。无线通信单元14还连接到通信控制器20；串行/并行转换器15、图像产生器17、显示控制器18以及通信控制器20连接到装置控制器21。装置控制器21连接到用于操作者执行输入操作的操作单元22以及用于存储操作程序的存储单元23。
无线通信单元14通过与超声波探头1的无线通信向超声波探头1发送各种控制信号。无线通信部14对天线接收到的信号解调，以输出串行采样数据。
通信控制器20控制无线通信单元14，以使用由装置本体控制器21设置的发送无线电波强度来发送各种控制信号。
串行/并行转换器15将从无线通信单元14输出的串行采样数据转换为并行采样数据。数据存储单元16由存储器、硬盘等构成，且存储由串行/并行转换器15转换的采样数据的至少一帧。
图像产生器17对从数据存储单元16读出的采样数据的每一帧执行接收定焦(reception focusing)，以产生表示超声波诊断图像的图像信号。图像产生器17包括调相求和器24和图像处理器25。
调相求和器24根据由装置控制器21设置的接收方向，从多个之前存储的接收延迟模式中选择一个接收延迟模式，且基于所选接收延迟模式，向由采样数据所表示的复基带信号提供相应的延迟，并将它们求和，以执行接收定焦。该接收定焦获得了将超声回波进行良好定焦的基带信号(声线信号)。
图像处理器25根据调相求和器24产生的声线信号，产生作为B模式图像信号，所述B模式图像信号是与对象内部的组织相关的断层成像图像信息。图像处理器25包括STC(灵敏度时间控制)部和DSC(数字扫描转换器)。STC部根据超声波的反射位置的深度，对声线信号由于距离造成的衰减进行校正。DSC将STC校正过的声线信号转换为与普通电视信号的扫描方法兼容的图像信号(光栅转换)，并通过所需图像处理(比如对比度处理)来产生B模式图像信号。
显示控制器18使监视器19根据图像产生器17产生的图像信号来显示超声波诊断图像。监视器19包括例如显示设备(比如，LCD)，并在显示控制器18的控制下显示超声波诊断图像。
尽管这种诊断装置本体2中的串行/并行转换器15、图像产生器17、显示控制器18、通信控制器20和装置控制器21分别由CPU和用于使CPU执行各种类型处理的操作程序构成，它们也可以由数字电路构成。前述操作程序存储在存储单元23中。存储单元23中的记录介质可以是除了内置硬盘之外的软盘、MO、MT、RAM、CD-ROM、DVD-ROM等。
现在，将描述根据实施例1的在超声波探头1的内部温度T和测量深度以及同时可用通道的数目N之间的关系。
假定如图2所示将成像区域分为三个区域：浅层区域A、中间区域B以及深层区域C，且假定如图3所示在高于对象体表温度T0(约33℃)的一侧上提前设置了三个温度阈值：第一温度阈值Tth1、第二温度阈值Tth2以及第三温度阈值Tth3(从第一至第三，温度是增加的)。将第一温度阈值Tth1、第二温度阈值Tth2和第三温度阈值Tth3分别设置为例如37℃、40℃和43℃。
逐步设置在换能器阵列的全部通道的数目中的可同时用于接收的通道的数目N，以在超声波探头1的内部温度T增加时和在测量深度降低时，减少该数目N。当例如换能器阵列具有总共48个通道时，根据超声波探头1的内部温度T和测量深度，将可同时用于接收的通道的数目N分别设置为如表1所示的值。
表1
  T0≤T＜Tth1   Tth1≤T＜Tth2   Tth2≤T＜Tth3
 浅层区域A   24通道   16通道   8通道
 中间区域B   32通道   24通道   16通道
 深层区域C   48通道   32通道   24通道
从而，当超声波探头1的内部温度T是T0≤T＜Tth1时，对于浅层区域A，将可同时用于接收的通道的数目N设置为24，对于中间区域B，将可同时用于接收的通道的数目N设置为32，以及对于深层区域C，将可同时用于接收的通道的数目N设置为48。类似地，当超声波探头1的内部温度T是Tth1≤T＜Tth2时，对于浅层区域A，将数目N设置为16，对于中间区域B，将数目N设置为24，以及对于深层区域C，将数目N设置为32；当超声波探头1的内部温度T是Tth2≤T＜Tth3时，对于浅层区域A，将数目N设置为8，对于中间区域B，将数目N设置为16，以及对于深层区域C，将数目N设置为24。
当超声波探头1的内部温度T达到或超过第三温度阈值Tth3时，终止超声波的发送和接收。
可以提前从诊断装置本体2的操作单元22输入针对单个温度范围中的浅层区域A、中间区域B和深层区域C的可同时用于接收的通道的数目N，并将其存储在存储单元23中作为同时可用通道的数目的表。
发送驱动器8在没有作为中间设备的通道选择器4的情况下直接连接到换能器3，且使用换能器阵列的全部通道来执行超声波的发送。
接下来，将描述实施例1的操作。
当开始超声波诊断时，首先由温度传感器13来检测超声波探头1的内部温度T，并将其经由探头控制器12、通信控制器11和无线通信单元7无线发送至诊断装置本体2。将诊断装置本体2的无线通信单元14接收到的内部温度T经由通信控制器20输入到装置本体控制器21。
装置本体控制器21读取在存储单元23中存储的同时可用通道的数目的表，以根据输入的超声波探头1的内部温度T针对浅层区域A、中间区域B和深层区域C中每一个区域来设置可同时用于接收的通道的数目N。从装置本体控制器21经由通信控制器20和无线通信单元14向超声波探头1无线发送同时可用通道的数目N，并将其经由超声波探头1的无线通信单元7和通信控制器11输入至探头控制器12。
发送驱动器8由探头控制器12经由发送控制器9来操作，且根据从发送驱动器8供应的致动信号，从换能器阵列的全部通道的换能器3发送超声波。从而，在探头控制器12控制通道选择器4的单个开关的开/关操作，使得同时可用通道的数目变为根据测量深度设置的数目N时，从已从对象接收到超声回波的换能器3输出接收信号。因为在接收的较早阶段，接收到来自浅层区域A的超声回波，因此将与针对浅层区域A的同时可用通道的数目N相对应的通道选择器4的开关接通，同时将其余开关断开。当在接收到来自浅层区域A的超声回波之后开始接收来自中间区域B的超声回波时，将与针对中间区域B所设置的同时可用通道的数目N相对应的通道选择器4的开关接通，同时将其余开关断开。当开始接收来自深层区域C的超声回波时，将与针对深层区域C所设置的同时可用通道的数目N相对应的通道选择器4的开关接通，同时将其余开关断开。
当例如超声波探头1的内部温度T位于表面温度T0(约33℃)和第一温度阈值Tth1(37℃)之间时，如图4所示，通道选择器4进行开/关控制，以交替形成可用通道L1和不可用通道L2，针对浅层区域A，在换能器阵列的总共48个通道中确保24个通道作为数目N的同时可用通道。对于中间区域B，在每三个通道中，形成两个可用通道L1和一个不可用通道L2，确保32个通道作为数目N的同时可用通道。对于深层区域C，接通通道选择器4的全部开关，以选择换能器阵列的全部通道作为可用通道L1，确保48个通道作为数目N的同时可用通道。
从而，即使在同时可用通道的数目N改变时，探头控制器12也进行对通道选择器4的单个开关的开/关控制，以选择在换能器阵列的全部通道上大致均匀间隔的所需数目的同时可用通道。
将来自通道选择器4所选的同时可用通道L1的换能器3的接收信号供应到对应的接收信号处理器5，以产生采样数据，该采样数据在从无线通信单元7无线发送到诊断装置本体2之前，通过并行/串行转换器6被转换为串行数据。将诊断装置本体2的无线通信单元14接收到的采样数据通过串行/并行转换器15转换为并行数据，并存储在数据存储单元16中。此外，逐帧从数据存储单元16中读出采样数据，且图像产生器17产生图像信号，基于该图像信号，显示控制器18使监视器19显示超声波诊断图像。
当超声波探头1的内部温度T增加到等于或高于第一温度阈值Tth1(37℃)且低于第二温度阈值Tth2(40℃)的温度时，通道选择器4针对浅层区域A、中间区域B和深层区域C分别形成16、24和32个同时可用通道L1，以类似方式产生超声波诊断图像。当超声波探头1的内部温度T增加到等于或高于第二温度阈值Tth2(40℃)且低于第三温度阈值Tth3(43℃)的温度时，通道选择器4针对浅层区域A、中间区域B和深层区域C分别形成8、16和24个同时可用通道L1，以类似方式产生超声波诊断图像。
当超声波探头1的内部温度T增加到等于或高于第三温度阈值Tth3(43℃)的温度时，终止超声波的发送和接收，直到内部温度T降低到低于第三温度阈值Tth3。
如上所述，由温度传感器13检测超声波探头1的内部温度T，且随着内部温度T增加，相应减少可同时用于接收的通道的数目N，使得相应减低接收信号处理器5中的功耗，且超声波探头1的外壳中产生的热也相应减少。从而，可以在继续超声波诊断的同时抑制超声波探头1中的温度上升。
此外，由于随着测量深度变浅，相应减少了可同时用于接收的通道的数目N，因此可以抑制超声波探头1中的温度上升，且将图像质量的下降保持到最小。
此外，由于无论同时可用通道的数目N如何选择所需数目的同时可用通道使其在换能器阵列的全部通道范围内大致上均匀间隔(如图4所示)，可以沿其扫描方向在成像区域的整个范围内大致上均匀间隔的位置处提供发送焦点，以在成像区域的整个范围上形成声线。从而，尽管同时可用通道的数目N的降低可能降低图像质量，仍可以产生图像质量在整个屏幕上大致一致的超声波诊断图像。
实施例2
尽管通道选择器4被控制为选择在换能器阵列的全部通道上大致均匀间隔的所需数目的同时可用通道，然而本发明不限于此；如图5所示，可以控制通道选择器4以选择在换能器阵列的全部通道中位于其中心和两侧的所需数目的通道。
当例如超声波探头1的内部温度T位于表面温度T0(约33℃)和第一温度阈值Tth1(37℃)之间时，针对浅层区域A，在换能器阵列的总共48个通道中选择位于中心的24个通道作为可用通道L1，同时将位于其两侧的其余通道选择为不可用通道L2；针对中间区域B，在换能器阵列的总共48个通道中选择位于中心的32个通道作为可用通道L1，同时将位于其两侧的其余通道选择为不可用通道L2；针对深层区域C，在换能器阵列的全部48个通道选择为可用通道L1。
当超声波探头1的内部温度T增加到等于或高于第一温度阈值Tth1(37℃)且低于第二温度阈值Tth2(40℃)的温度时，针对浅层区域A、中间区域B和深层区域C，从位于中心的通道中分别选择16、24和32个通道作为可用通道L1，同时将其两侧的其余通道选择为不可用通道。类似地，当超声波探头1的内部温度T增加到等于或高于第二温度阈值Tth2(40℃)且低于第三温度阈值Tth3(43℃)时，针对浅层区域A、中间区域B和深层区域C，从位于中心的通道中分别选择8、16和24个通道作为可用通道L1，同时将其两侧的其余通道选择为不可用通道。
在从位于中心的通道中如此选择所需数目的同时可用通道的情况下，即使改变了同时可用通道的数目，也可以在不降低图像质量的情况下，获得诊断所需的中心区域的超声波诊断图像。
尽管在实施例1和2中，诊断装置本体2的存储单元23存储了同时可用通道的数目的表，但是可以在超声波探头1中存储同时可用通道的数目的表，使得探头控制器12可以根据由温度传感器13检测到的超声波探头1的内部温度T，来针对浅层区域A、中间区域B和深层区域C中每一个区域设置可同时用于接收的可用通道的数目N。
尽管实施例1和2中描述的超声波探头1包括作为示例的具有总共48个通道的换能器阵列，通道的数目48仅作说明之用，且可以将本发明类似地应用于包括具有另一数目通道的换能器阵列在内的超声波探头。
尽管在实施例1和2中，根据测量深度将成像区域分为三个区域：浅层区域A、中间区域B和深层区域C，且使用三个温度范围T0≤T＜Tth1、Tth1≤T＜Tth2、Tth2≤T＜Tth3来判断超声波探头1的内部温度T，本发明受限于此；可以根据测量深度将成像区域分为两个或四个区域，同时可以使用两个温度范围或四个或更多温度范围来判断超声波探头1的内部温度T。在任何这些情况中，设置可同时用于接收的通道的数目N，以随着超声波探头1的内部温度T的增加和测量深度的降低来逐步减少同时可用通道的数目N。
尽管在实施例1和2中通过无线通信将超声波探头1和诊断装置本体2彼此相连，本发明不限于此，且超声波探头1可以经由连接电缆连接到诊断装置本体2。这种配置消除了提供诸如以下组件的必要：超声波探头1的无线通信单元7和通信控制器11以及诊断装置本体2的无线通信单元14和通信控制器20。

Claims (8)

1.一种超声波诊断装置，包括：
超声波探头，包括换能器阵列；
发射机，用于从所述换能器阵列向对象发送超声波束；
图像产生器，用于基于已从所述对象接收到超声回波的所述换能器阵列所输出的接收信号，来产生超声波图像；
温度传感器，用于检测所述超声波探头的内部温度；
通道选择器，用于从所述超声波探头的多个通道中选择可同时用于接收的通道；以及
控制器，用于控制所述通道选择器，以随着由所述温度传感器检测到的所述超声波探头的内部温度增加以及测量深度变浅，减少所选的可同时用于接收的通道的数目。
2.根据权利要求1所述的超声波诊断装置，其中，所述控制器控制所述通道选择器，以选择所需数目的可同时使用的通道，使得所选择的可同时使用的通道在所述超声波探头的多个通道的整个范围内大致均匀间隔。
3.根据权利要求1所述的超声波诊断装置，其中，所述控制器控制所述通道选择器，以从所述超声波探头的多个通道中选择位于中心的通道和所述位于中心的通道两侧的其他通道，以确保所需数目的可同时使用的通道。
4.根据权利要求1所述的超声波诊断装置，其中，所述控制器控制所述发射机从所述多个通道中的全部通道发送超声波。
5.一种产生超声波图像的方法，包括以下步骤：
检测包括换能器阵列的超声波探头的内部温度；
从所述超声波探头的多个通道中选择可同时用于接收的通道，以随着检测到的所述超声波探头的内部温度增加和测量深度变浅，减少所选的可同时用于接收的通道的数目；以及
从所述换能器阵列向对象发送超声波束，并基于已从所述对象接收到超声回波的所述换能器阵列所输出的接收信号，来产生超声波图像。
6.根据权利要求5所述的产生超声波图像的方法，其中，选择在所述超声波探头的多个通道的整个范围内大致均匀间隔的所需数目的可同时使用的通道。
7.根据权利要求5所述的产生超声波图像的方法，其中，从所述超声波探头的多个通道中选择位于中心的通道和所述位于中心的通道两侧的其他通道，以确保所需数目的可同时使用的通道。
8.根据权利要求5所述的产生超声波图像的方法，其中，从所述超声波探头的多个通道中的全部通道发送超声波。
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