專利名稱：對(duì)可操控的體積區(qū)域進(jìn)行三維超聲掃描的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲診斷成像，特別涉及掃描對(duì)象的三維(3D)區(qū)域的可操控的活動(dòng)的圖像。
活動(dòng)的實(shí)時(shí)3D成像成為商業(yè)上可應(yīng)用的已有若干年。活動(dòng)的3D成像，要比標(biāo)準(zhǔn)2D成像更加存在著圖像質(zhì)量與幀速率之間的取舍。為了良好的質(zhì)量，希望在整個(gè)圖像場(chǎng)上發(fā)送和接收大量良好地聚焦的掃描線。對(duì)于高的實(shí)時(shí)幀速率(這在對(duì)諸如心臟那樣的活動(dòng)對(duì)象成像時(shí)是特別有用的)，則希望在短的時(shí)間段內(nèi)發(fā)送和接收?qǐng)D像的所有的掃描線。然而，掃描線的發(fā)送和接收受到聲音速度是1540m/s的物理定律的限制。因此，取決于圖像的深度(這確定了在等待圖像全部深度內(nèi)回波返回所需要的時(shí)間)，發(fā)送和接收?qǐng)D像的所有的掃描線需要一個(gè)確定的時(shí)間量，這會(huì)導(dǎo)致顯示的幀速率變?yōu)榈偷脽o(wú)法接受。這個(gè)問(wèn)題的解決方案是減小掃描線的數(shù)目和提高多線接收的程度。這將增加幀速率，但可能要以圖像質(zhì)量的惡化為代價(jià)。在3D成像中，問(wèn)題甚至更尖銳，因?yàn)闉榱巳繏呙梵w積區(qū)域，可能需要成百或數(shù)千條掃描線。另一個(gè)解決方案是使掃描的空間的體積變窄，以減小掃描線的數(shù)目，這也將增加幀速率。但這會(huì)不希望地只提供超聲檢查對(duì)象很小一部分組織的視圖。
如前所述，這個(gè)進(jìn)退兩難的境地在為諸如跳動(dòng)的心臟那樣的活動(dòng)對(duì)象成像時(shí)表現(xiàn)得最明顯。對(duì)于心臟的3D成像的進(jìn)退兩難的問(wèn)題的一種創(chuàng)造性的解決方案在美國(guó)專利5993390中描述。在這個(gè)專利中采用的方法是把心跳周期劃分成12個(gè)位相。在十二分之一心跳周期期間被掃描的心臟的區(qū)域產(chǎn)生基本上靜止(非模糊)的圖像。該專利的發(fā)明人確定，九個(gè)這樣的區(qū)域包括了典型的心臟的全部體積。因此，通過(guò)掃描心臟以得到在心跳周期的12個(gè)位相的每個(gè)位相期間的這九個(gè)子體積中的一個(gè)子體積。在這九個(gè)心跳的周期內(nèi)，根據(jù)心跳周期的12個(gè)位相的每個(gè)位相的子體積分片合起來(lái)成為心臟的一個(gè)完整的3D圖像。當(dāng)完整的圖像按位相接連地被實(shí)時(shí)顯示時(shí)，給觀眾呈現(xiàn)的是心臟的實(shí)時(shí)圖像。然而，這是一個(gè)重放的圖像，而不是心臟的當(dāng)前活動(dòng)的圖像。因此，希望能夠?qū)σ粋€(gè)足以包括心臟的體積區(qū)域來(lái)進(jìn)行當(dāng)前活動(dòng)的3D成像。
按照本發(fā)明的原理，將實(shí)時(shí)地獲取心臟的當(dāng)前活動(dòng)的子體積。這些子體積可以在最大的體積區(qū)域內(nèi)被操控，而同時(shí)超聲探頭在選定的聲音窗口內(nèi)保持為靜止的。這使得用戶能夠找到用于觀看最大體積區(qū)域的最好的聲學(xué)區(qū)域，然后通過(guò)在該區(qū)域內(nèi)操控活動(dòng)的3D子體積而審查該區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施例中，子體積是在預(yù)定的增量的位置上可操控的。在另一個(gè)實(shí)施例中，子體積對(duì)最大體積區(qū)域是連續(xù)地可操控的。第一顯示實(shí)施例是結(jié)合使得用戶能夠直觀地感知子體積的位置上同時(shí)發(fā)生的3D和2D圖像而描述的。另一個(gè)顯示實(shí)施例是使得用戶能夠選擇多個(gè)想要的觀看取向而描述的。
在圖上

圖1顯示按照本發(fā)明的原理構(gòu)建的超聲診斷成像系統(tǒng)。
圖2以框圖形式顯示按照本發(fā)明的原理構(gòu)建的超聲診斷成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
圖3以框圖形式顯示在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中的3D探頭和波束成形器的主要的單元。
圖4顯示可以由二維矩陣換能器進(jìn)行掃描的體積區(qū)域。
圖5以頂端視圖顯示包括心臟的體積區(qū)域。
圖6顯示把圖4和5的體積區(qū)域劃分成三個(gè)子體積。
圖7顯示圖6的子體積的立面圖。
圖8a-8c是圖6的三個(gè)子體積的超聲圖像。
圖9a-9c顯示被用來(lái)掃描圖8a-8c的三個(gè)子體積的波束平面傾斜度。
圖10顯示在獲取圖8a-8c的三個(gè)子體積使用的多線接收。
圖11-22是按照本發(fā)明的、以不同的取向的二維和三維圖像的屏幕照相；和圖11a-22a顯示可以通過(guò)圖11-22的圖像取向得到的心臟圖。
圖23是顯示用于連續(xù)地操控遍及最大體積區(qū)域中的子體積的控制序列的框圖。
圖24顯示通過(guò)連續(xù)操控而重新定位的子體積。
首先參照?qǐng)D1，圖上顯示按照本發(fā)明的原理構(gòu)建的超聲系統(tǒng)。超聲系統(tǒng)包括主機(jī)架或機(jī)架60，包含系統(tǒng)的大多數(shù)電子電路。機(jī)架60安裝有輪子，以便于移動(dòng)。圖像顯示器62被安裝在機(jī)架60上。不同的成像探頭可以插入到機(jī)架60的三個(gè)連接頭64中。機(jī)架60包括具有鍵盤和控制裝置的控制面板，總體上用標(biāo)號(hào)66表示，聲譜儀操作員通過(guò)它們操縱超聲系統(tǒng)，并輸入有關(guān)病人或正在進(jìn)行的檢查的類型的信息。在控制面板66的背面是觸摸屏顯示器68，在其上顯示可編程軟鍵，用于進(jìn)行如下面描述的特定的控制功能。聲譜儀操作員只要觸摸顯示器上的軟鍵的圖像就可選擇在觸摸屏顯示器68上的軟鍵。在觸摸屏顯示器的底部是一行按鈕，它們的功能按照在觸摸屏上緊接在每個(gè)按鈕上方的軟鍵標(biāo)簽而變化。
在圖2上顯示本發(fā)明的超聲系統(tǒng)的主要的單元的框圖。超聲發(fā)射機(jī)10通過(guò)收/發(fā)(T/R)開關(guān)12被耦合到換能器陣列14。換能器陣列14是換能器單元的二維陣列(矩陣陣列)，用于執(zhí)行三維掃描。換能器陣列14把超聲能量發(fā)送到要被成像的體積區(qū)域，并接收來(lái)自區(qū)域內(nèi)各種結(jié)構(gòu)和器官所反射的超聲能量。發(fā)射機(jī)10包括發(fā)送波束成形器，它控制延時(shí)時(shí)序，施加到換能器陣列的各單元的信號(hào)通過(guò)該時(shí)序而被定時(shí)，從而發(fā)送具有所需操控方向和焦點(diǎn)的波束。通過(guò)適當(dāng)?shù)匕延砂l(fā)射機(jī)10施加到每個(gè)換能器單元的脈沖延時(shí)，發(fā)射機(jī)10沿所需發(fā)送掃描線發(fā)送聚焦的超聲波束。換能器陣列14通過(guò)收/發(fā)(T/R)開關(guān)12被耦合到超聲接收機(jī)16。來(lái)自體積區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的反射超聲能量由換能器單元在不同的時(shí)間被接收。換能器單元把接收的超聲能量變換成接收的電信號(hào)，這些信號(hào)被接收機(jī)16放大和提供給接收波束成形器20。來(lái)自每個(gè)換能器單元的信號(hào)被分別延時(shí)，然后由波束成形器20相加，以提供波束成形信號(hào)，它是沿給定的接收掃描線的點(diǎn)的反射的超聲能量電平的代表。正如在技術(shù)上已知的，被施加到收到的信號(hào)的延時(shí)在超聲能量接收期間可以變化以實(shí)施動(dòng)態(tài)聚焦。處理過(guò)程對(duì)引導(dǎo)到全部體積區(qū)域上的多個(gè)掃描線重復(fù)進(jìn)行，以提供生成體積區(qū)域的圖像用的信號(hào)。因?yàn)閾Q能器是二維的，接收掃描線在方位和仰角上被操控而形成三維掃描圖案。波束成形信號(hào)可能經(jīng)受諸如濾波和多卜勒處理那樣的信號(hào)處理，并被存儲(chǔ)在圖像數(shù)據(jù)緩存器28，該緩存器存儲(chǔ)對(duì)于最大體積區(qū)域的不同的體積分段或子體積的圖像數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)從圖像數(shù)據(jù)緩存器28被輸出到顯示系統(tǒng)30，它根據(jù)圖像數(shù)據(jù)生成感興趣區(qū)域的三維圖像，以便在圖像顯示器62上顯示。顯示系統(tǒng)30包括掃描變換器，它把來(lái)自波束成形器20的扇區(qū)掃描信號(hào)變換成傳統(tǒng)的光柵掃描顯示信號(hào)。顯示系統(tǒng)30還包括體積呈現(xiàn)器。系統(tǒng)控制器32響應(yīng)用戶輸入和內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)提供系統(tǒng)的總體控制。系統(tǒng)控制器32執(zhí)行定時(shí)和控制功能，典型地包括微處理器和相關(guān)的存儲(chǔ)器。系統(tǒng)控制器32還響應(yīng)由系統(tǒng)用戶經(jīng)由人工或話音控制而從控制板與觸摸屏顯示器36接收到的信號(hào)。ECG設(shè)備34包括被附著到病人的ECG電極。ECG設(shè)備34提供ECG波形給系統(tǒng)控制器32，用于在心臟檢查期間顯示。ECT信號(hào)也可以在某些檢查期間用來(lái)使成像與病人的心跳周期同步。
圖3是當(dāng)為3D成像而操作矩陣陣列時(shí)超聲系統(tǒng)的更詳細(xì)的框圖。圖1的二維換能器陣列14的單元被劃分成被連接到M個(gè)組內(nèi)發(fā)送處理器的M個(gè)發(fā)送子陣列30A，和被連接到N個(gè)組內(nèi)接收處理器的N個(gè)接收子陣列30B。具體地，發(fā)送子陣列311，312，...，31M分別被連接到組內(nèi)發(fā)送處理器381，382，...，38M，它們又被連接到發(fā)送波束成形器40的信道411，412，...，41M。接收子陣列421，422，...，42N分別被連接到組內(nèi)接收處理器441，442，...，44N，它們又被連接到接收波束成形器20的處理信道481，482，...，48N。每個(gè)組內(nèi)發(fā)送處理器38i包括一個(gè)或多個(gè)數(shù)字波形生成器，提供發(fā)送波形；和一個(gè)或多個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)器，用于放大發(fā)送的脈沖，以便激勵(lì)所連接的換能器單元。替換地，每個(gè)組內(nèi)發(fā)送處理器38i包括可編程延時(shí)線，接收來(lái)自常規(guī)的發(fā)送波束成形器的信號(hào)。例如，來(lái)自發(fā)射機(jī)10的發(fā)送輸出可被連接到組內(nèi)發(fā)送處理器，而不是換能器單元。每個(gè)組內(nèi)接收處理器44i可包括相加延時(shí)線或幾個(gè)被連接到相加單元(相加接合點(diǎn))的可編程延時(shí)單元。每個(gè)組內(nèi)接收處理器44i把各個(gè)換能器信號(hào)延時(shí)，使延時(shí)的信號(hào)相加，并把相加的信號(hào)提供到接收波束成形器20的一個(gè)信道48i。替換地，一個(gè)組內(nèi)接收處理器把相加的信號(hào)提供到并行接收波束成形器的幾個(gè)處理信道48i。并行接收波束成形器被構(gòu)建成同時(shí)合成幾個(gè)接收波束(多線)。每個(gè)組內(nèi)接收處理器44i還可包括幾個(gè)相加延時(shí)線(或幾組可編程的延時(shí)單元，每組被連接到相加接合點(diǎn))，用于同時(shí)接收來(lái)自幾個(gè)點(diǎn)的信號(hào)。系統(tǒng)控制器32包括微處理器和相關(guān)的存儲(chǔ)器，系統(tǒng)控制器被設(shè)計(jì)成控制超聲系統(tǒng)的操作。系統(tǒng)控制器32經(jīng)由總線53把延時(shí)命令提供到發(fā)送波束成形器信道，并且還經(jīng)由總線54把延時(shí)命令提供到組內(nèi)發(fā)送處理器。延時(shí)數(shù)據(jù)操控在楔形的發(fā)送圖案、平行四邊形的發(fā)送圖案、或包括三維發(fā)送圖案的其它圖案的發(fā)送掃描線上生成的發(fā)送波束并使它們聚焦。系統(tǒng)控制器32還經(jīng)由總線55把延時(shí)命令提供到接收波束成形器的信道，并且經(jīng)由總線56把延時(shí)命令提供到組內(nèi)接收處理器。施加的相對(duì)延時(shí)控制合成的接收波束的操控和聚焦。每個(gè)接收波束成形器信道48i包括活動(dòng)的增益放大器，它控制增益作為接收信號(hào)深度的函數(shù)；和延時(shí)單元，它把聲音數(shù)據(jù)延時(shí)，以達(dá)到合成的波束的波束操控和動(dòng)態(tài)聚焦。相加單元50接收來(lái)自波束成形器信道481，482，...，48N的輸出，并把輸出相加，以便把最終得到的波束成形器信號(hào)提供到圖像生成器30。波束成形器信號(hào)代表沿接收掃描線合成的接收超聲波束。圖像生成器30構(gòu)建由通過(guò)扇形圖案、平行四邊形圖案、或包括三維圖案的其它圖案合成的多個(gè)來(lái)回波束探測(cè)的區(qū)域的圖像。發(fā)送和接收波束成形器兩者都可以是模擬或數(shù)字波束成形器，正如例如在美國(guó)專利No.4,140,022；5,469,851；5,469,851中描述的，所有這些專利在此引用以供參考。
系統(tǒng)控制器通過(guò)利用在發(fā)送波束成形器信道41i中的“粗”延時(shí)值和在組內(nèi)發(fā)送處理器38i中的“細(xì)”延時(shí)值來(lái)控制換能器單元的時(shí)序。有幾種方式生成用于換能器單元的發(fā)送脈沖。在發(fā)射機(jī)10中的脈沖生成器可以把脈沖延時(shí)信號(hào)提供到移位寄存器，后者提供幾個(gè)延時(shí)值給發(fā)送子陣列30A。發(fā)送子陣列提供用于驅(qū)動(dòng)發(fā)送換能器單元的高壓脈沖。替換地，脈沖生成器可以提供脈沖延時(shí)信號(hào)到被連接到發(fā)送子陣列的延時(shí)線。延時(shí)線提供延時(shí)值到發(fā)送子陣列，發(fā)送子陣列提供用于驅(qū)動(dòng)發(fā)送換能器單元的高壓脈沖。在另一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)射機(jī)可以提供成形的波形信號(hào)到發(fā)送子陣列30A。有關(guān)圖3的發(fā)送和接收電路的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)可以在美國(guó)專利No.6,126,602中找到。
圖4顯示掃描體積區(qū)域80的二維矩陣陣列換能器70。通過(guò)上述的換能器和成像系統(tǒng)的相控陣操作，矩陣陣列可以使得波束掃描棱錐體積區(qū)域80。從棱錐的頂端到它的基底的高度確定了要成像的區(qū)域的深度，它根據(jù)諸如頻率與波束的滲透深度那些因素進(jìn)行選擇。棱錐的邊的傾斜由施加到波束的操控程度確定，后者進(jìn)而又通過(guò)考慮到操控波束時(shí)可得到的延時(shí)和換能器在離軸(急劇傾斜)波束操控時(shí)的靈敏度而被選擇。
諸如體積區(qū)域80那樣的最大體積區(qū)域可以具有足夠的尺寸以包容3D成像用的整個(gè)心臟，如圖5所示，其中心臟100以頂端掃描方式顯示。心臟100的三個(gè)腔室被顯示在圖5的心臟圖形上，包括右心室(RV)、左心房(LA)、和左心室(LV)。在圖上還顯示主動(dòng)脈(AO)和它的主動(dòng)脈瓣膜102、以及在LA與LV之間的瓣膜104。然而，對(duì)于掃描整個(gè)最大體積區(qū)域80以觀看整個(gè)心臟所需要的時(shí)間可能太慢，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)成像，或可能花費(fèi)太長(zhǎng)時(shí)間以致于出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)人工產(chǎn)物，或這兩種情況都兼有。按照本發(fā)明的原理，最大體積區(qū)域被劃分成子體積B(背后)、C(中心)、和F(前面)，如圖6所示。雖然體積區(qū)域80在方位(AZ)方向例如可以跨越60°的角度，但子體積將跨越較小的角度。在圖6的實(shí)施例中，子體積每個(gè)跨越30°的角度。這意味著，對(duì)于相同的波束密度和深度，每個(gè)子體積可以用整個(gè)體積區(qū)域80的一半的時(shí)間來(lái)掃描。這將導(dǎo)致顯示器的實(shí)時(shí)幀速率加倍。子體積可以被做成為相鄰的或重疊的。例如，如果最大體積區(qū)域的角度是90°，可以利用每個(gè)30°的三個(gè)相鄰的子體積。替換地，對(duì)于60°的最大體積區(qū)域，三個(gè)20°子體積可被用于甚至更高的幀速率。在圖6的實(shí)施例中，B和F子體積是在最大體積區(qū)域80的中心處相鄰的，以及C子體積是在區(qū)域80的中心處作為中心的。正如下面說(shuō)明的，區(qū)域80的這種劃分對(duì)3D體積提供恒定且容易理解的參考，使聲譜儀操作員獲益。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，對(duì)每個(gè)子體積的選擇只要在超聲系統(tǒng)的觸摸屏68上扳動(dòng)單個(gè)控制裝置使得聲譜儀操作員能夠移動(dòng)子體積的序列而不用移動(dòng)探頭。在心臟成像時(shí)，對(duì)身體的可接受的聲學(xué)窗口進(jìn)行定位常常是挑戰(zhàn)性的。由于心臟被肋骨所包圍，肋骨不是超聲的良好的輸送體，因此通常必須找到通過(guò)肋骨或在肋骨下面供探頭用的孔。這在3D成像時(shí)是特別困難的，因?yàn)椴ㄊ谘鼋?EL)和方位兩個(gè)方面都要被操控。一旦聲譜儀操作員發(fā)現(xiàn)到可接受的心臟的聲學(xué)窗口，在掃描期間保持探頭接觸5窗口是很有好處的。在本發(fā)明的實(shí)施例中，聲譜儀操作員可以對(duì)聲學(xué)窗口定位而同時(shí)以傳統(tǒng)的方式掃描心臟。一旦在2D成像期間找到可接受的聲學(xué)窗口，系統(tǒng)就通過(guò)觸動(dòng)按鈕而切換到3D成像；不需要移動(dòng)探頭。然后，用戶可以通過(guò)單個(gè)按鈕從背后移動(dòng)到中心再到前面的子體積，觀察活動(dòng)的3D成像中的每個(gè)子體積，而在任何時(shí)間都不需要移動(dòng)探頭。
圖7顯示如上所述地形成的B，C，F(xiàn)子體積的每個(gè)子體積的每個(gè)方位中心面的剖面。當(dāng)三個(gè)子體積被形成為如圖6所示時(shí)，這些中心面唯一地對(duì)應(yīng)于每個(gè)子體積背后子體積B的中心面是向左傾斜的直角三角形，前面子體積F的中心面是向右傾斜的直角三角形，以及中心子體積C的中心面是對(duì)稱的。正如下面說(shuō)明的，這些面的形狀使得聲譜儀操作員能夠立即理解被觀看的子體積。圖8a，8b和8c顯示當(dāng)顯示三個(gè)子體積時(shí)在顯示屏幕62上的屏幕照相。在這些和隨后的圖上，為了說(shuō)明清晰起見，圖像從它們的常規(guī)的超聲顯示格式進(jìn)行了黑/白顛倒。正如剛才說(shuō)明的，在圖8a上的F子體積看起來(lái)是向右傾斜的，在圖8c上的B子體積看起來(lái)是向左傾斜的，而在圖8b上的C子體積看起來(lái)是對(duì)稱地平衡的。
當(dāng)選擇觀看不同的子體積時(shí)，發(fā)送和接收波束的波束面的傾斜被改變以獲取想要的子體積。圖9a是垂直于矩陣換能器的平面的視圖，它顯示在用于3D掃描的θ-平面上的波束掃描空間。在這個(gè)波束掃描空間中，在通過(guò)孔90的中心的水平線上的一行波束，在仰角面上垂直于換能器的面延伸，但在方位上從左到右，從-45°到0°(在中心)到+45°被逐步地操控，因?yàn)閾Q能器是作為相控陣換能器操作的。同樣，在垂直線上在孔90的中心的下面的一列波束在方位上垂直于換能器的面延伸，但在仰角面上從陣列的底部到頂部，從-45°到0°(在中心)到+45°被逐步操控。在圖9a上，從0°到+30°傾斜的一組波束面用來(lái)掃描前面子體積F。在這個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)仰角波束面在方位角上傾斜，從-30°到+30°延伸。當(dāng)探頭逐步掃描中心子體積C時(shí)，發(fā)送波束面從-15°傾斜到+15°傾斜延伸，如圖9b所示。當(dāng)探頭逐步掃描背后子體積B時(shí)，所使用的發(fā)送波束面是從-30°到0°，如圖9c所示。在這些圖的每個(gè)圖上，在波束面上的波束在方位上從-30°到+30°對(duì)稱地傾斜。然而，在所建立的實(shí)施例中，可以使用其它傾斜和/或子體積可以在方位上按希望向左或向右非對(duì)稱地傾斜。由于發(fā)送和接收波束傾斜的選擇由系統(tǒng)控制器和發(fā)射機(jī)以電子方式完成，當(dāng)進(jìn)行這種改變時(shí)，同樣不需要從它的聲學(xué)窗口移動(dòng)探頭。
在線性陣列實(shí)施例中，其中所有的波束都垂直于換能器的平面，發(fā)送和接收孔沿陣列逐步發(fā)送和接收在空間上不同的子體積。
在所構(gòu)建的實(shí)施例中，使用4X多線來(lái)增加波束密度，這意味著，響應(yīng)于每個(gè)發(fā)送的波束形成四個(gè)接收波束。圖10顯示典型的4X多線圖案，其中每個(gè)發(fā)送波束，在本圖上是T1和T2，導(dǎo)致四個(gè)接收波束，用位于每個(gè)發(fā)送波束周圍的四個(gè)x表示。
按照本發(fā)明的另一方面，每個(gè)3D子體積顯示還伴隨有兩個(gè)2D圖像，這幫助聲譜儀操作員對(duì)所觀看的圖像定向。如前所述，聲譜儀操作員從2D掃描心臟開始，移動(dòng)探頭，直至找到適當(dāng)?shù)穆晫W(xué)窗口為止。在這種探查工作模式下，矩陣陣列探頭發(fā)送和接收以垂直于陣列中心為取向的單個(gè)2D圖像面。一旦找到聲學(xué)窗口，2D圖像就是在圖6的最大體積區(qū)域80的中心圖像面。用戶然后觸動(dòng)在觸摸屏幕68上的“3D”按鈕，切換到3D成像，在屏幕上出現(xiàn)單個(gè)3D圖像。用戶然后可以觸動(dòng)在觸摸屏幕上的“圖像”按鈕，查看多個(gè)顯示選項(xiàng)。在所構(gòu)建的實(shí)施例中，這些按鈕之一具有在其上的三個(gè)三角形(“3Δ”)，以及當(dāng)按鈕被觸動(dòng)時(shí)，顯示屏幕顯示示于圖11的三個(gè)圖像，它們是B/W顛倒的實(shí)際屏幕照相。在屏幕的頂部中心是前面子體積F 3D圖像。在屏幕的左下方是子體積F的表面110’的2D圖像110。當(dāng)三個(gè)子體積被選擇為如圖6所示時(shí)，圖像110也是最大體積區(qū)域80的中心圖像，并且也是在初始2D探查模式中使用的引導(dǎo)2D方位圖像面。在顯示的右下方是子體積F的中心截面的2D圖像112，這在所顯示的實(shí)施例中是正視參考圖像?？梢钥吹?，圖像112顯示結(jié)合圖7討論的前面子體積的不同的剖面。因此，這些正交的2D圖像110和112向用戶提供熟悉的2D輔助以理解3D子體積圖像F的取向。子體積F是在圖11上由從矩陣陣列換能器70延伸到心臟圖形100的虛線所跨越的子體積。
在這時(shí)也是在觸摸屏幕68上表示為“前面”的按鈕用于F圖像視圖。當(dāng)用戶觸摸這個(gè)按鈕時(shí)，它改變到“中心”按鈕，以及圖12的顯示出現(xiàn)在顯示屏幕62上。這時(shí)該顯示切換到在屏幕頂部的3D中心子體積C。2D圖像110是這個(gè)子體積從子體積C的近端到遠(yuǎn)端的中心截面的圖像，被表示為110’。對(duì)稱的2D圖像114是從左到右通過(guò)子體積中心的不同的對(duì)稱截面。子體積C是在圖12a上由從矩陣換能器70延伸到心臟圖形100的虛線所跨越的子體積。
當(dāng)中心按鈕再次被觸摸時(shí)，它改變?yōu)樽x“背后”，以及圖13的圖像顯示呈現(xiàn)在顯示器頂部所顯示的3D子體積B。2D圖像110仍舊是在這個(gè)實(shí)施例中的最大體積的中心面(圖6)，而且也是在子體積B右面的外表面110’。從左到右通過(guò)子體積B的不同的中心截面被顯示為116。在這個(gè)顯示上所顯示的體積子區(qū)域是在圖13a上由從矩陣換能器70延伸到心臟圖形100的虛線所跨越的區(qū)域。
連續(xù)觸動(dòng)前面/中心/背后按鈕，將把顯示不斷切換到這三個(gè)圖像顯示。圖像的序列可以由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者選擇。例如，在所構(gòu)建的實(shí)施例中，初始圖像顯示是背后子體積的顯示，選擇開關(guān)把顯示順序切換到背后/中心/前面視圖。因此，聲譜儀操作員可以通過(guò)三個(gè)高的幀速率逐步接連地切換子體積，從而以活動(dòng)的3D的形式觀看到整個(gè)心臟。
在圖11-13的每個(gè)圖像顯示中，活動(dòng)的3D子體積的觀看角度可以由用戶調(diào)節(jié)。圖像初始地出現(xiàn)在附圖上看見的透視圖上，但然后可以由用戶通過(guò)旋轉(zhuǎn)控制板66上的跟蹤球而改變。當(dāng)跟蹤球被操縱時(shí)，3D子體積呈現(xiàn)為在顯示器上旋轉(zhuǎn)，使得用戶能夠從前面、背后、側(cè)面、或其它旋轉(zhuǎn)觀看的透視圖觀看每個(gè)子體積中的組織圖像。這是通過(guò)響應(yīng)跟蹤球的運(yùn)動(dòng)改變動(dòng)態(tài)視差呈現(xiàn)觀看方向而完成的。
按照本發(fā)明的再一個(gè)方面，3D圖像取向可以按照用戶的喜好而變化。例如，成人心臟科專家通常喜歡觀看以心臟的頂點(diǎn)和圖像的頂點(diǎn)都位于屏幕頂上的頂端視圖，如以前的圖11-13所示。在這個(gè)取向上，心臟基本上以顛倒的取向被觀看。另一方面，小兒科心臟專家通常喜歡觀看心臟的頂端和圖像的頂端兩者都在屏幕的底部，這時(shí)心臟以它的正面朝上的組織方向觀看。為了使得每個(gè)用戶能夠按他或她習(xí)慣地觀看心臟，本發(fā)明的實(shí)施例將具有上/下顛倒按鈕。在下面描述的實(shí)施例中，超聲系統(tǒng)還具有左/右反向按鈕，它也在下面被描述。
當(dāng)用戶觸摸觸摸屏幕68上的上/下顛倒按鈕時(shí)，在掃描變換和3D呈現(xiàn)中用于顯示的掃描線的處理次序被顛倒，顯示被切換成如圖14所示。在這個(gè)視圖上，3D子體積F被顛倒，心臟的頂端位于圖像底部，如圖14a的矩陣陣列70和心臟圖形100所示。最大體積區(qū)域80的中心面210也相應(yīng)的地顛倒，并仍舊顯示顛倒了的子體積F的表面210’的視圖。同樣地，子體積F的不同的中心截面212也被顛倒。圖形的顛倒也使得在顯示屏幕上圖形左右方向反向，使得組織仍以原先的意義保持在圖像上。在所顯示的實(shí)施例中，顛倒(和反向，如下面討論的)將使得“背后”子體積變?yōu)椤扒懊妗弊芋w積，以及反之亦然。
觸動(dòng)觸摸屏上表示“前面”的按鈕，這時(shí)將使得按鈕改變到“中心”，并使得顯示切換到顛倒的3D中心子體積C，如圖15所示。子體積C的2D前面-到-背后中心面210被顛倒，就像不同的左面到右面截面212那樣。子體積C是在圖15a上從矩陣陣列換能器70延伸到心臟圖形100的虛線之間得到的子體積。
再次觸動(dòng)觸摸屏按鈕使得按鈕改變到“背后”，并使得顯示改變到圖16所示圖形。顛倒的3D子體積B是如在圖16a上從矩陣陣列換能器70延伸到心臟圖形100的虛線所示地得到的子體積。2D中心面210在本實(shí)施例中是顛倒的子體積的側(cè)面210’，以及子體積B的不同的截面212也被顛倒。
按照本發(fā)明的再一方面，3D圖像的左-右方向也可以反向。當(dāng)觸摸屏幕68上的左/右反向按鈕被觸動(dòng)時(shí)，在掃描變換和呈現(xiàn)顯示處理中使用的掃描線的次序被反向，使得圖像改變從左到右的意義。這有效地使得前面變?yōu)楸澈?，以及?duì)于3D子體積反之亦然。例如，圖17顯示在左/右反向后的3D子體積F。子體積被觀看為好像組織的方向被反向，如圖17a的心臟的反向圖像100’所示。在圖17上中心面210和不同的截面312在顯示線序列中相應(yīng)地反向。
順序通過(guò)前面/中心/背后按鈕序列將接著會(huì)出現(xiàn)顛倒的3D子體積C圖像，如圖18所示，也會(huì)出現(xiàn)顛倒的中心面圖像310和左到右截面312。圖像反向由圖18a的顛倒的心臟圖形100’表示。當(dāng)觸摸屏幕按鈕第三次被觸動(dòng)時(shí)，顛倒的3D背后子體積圖像B出現(xiàn)，如圖19所示，一起出現(xiàn)的還有顛倒的中心面圖像310和背后截面圖像312。這些圖像的取向是好像心臟被顛倒，如圖19a所示。
最后，上/下顛倒的圖像也可以被左右反向，如圖20、21和22對(duì)前面、中心和背后子體積所顯示的。在這個(gè)序列中，心臟呈現(xiàn)為好像被顛倒和反向，如圖20a、21a和22a的心臟圖形100’所顯示的。通過(guò)上/下顛倒和左/右反向，要掃描的對(duì)象可以從任何的取向被觀看，就好像用戶從身體的不同的視角掃描組織那樣。
上述的實(shí)施例使得聲譜儀操作員有效地逐步遞增地放置最大體積區(qū)域的子體積。不是逐步進(jìn)行一系列離散定位的取向，而是可以希望能連續(xù)地改變子體積的取向。這是當(dāng)用戶處在3D模式時(shí)通過(guò)觸動(dòng)在觸摸屏幕68上的“體積操控”按鈕而完成的。在體積操控模式下，用戶可以操縱在控制面板66上的連續(xù)控制，諸如旋鈕或跟蹤球，以便來(lái)回掃描所顯示的體積。在構(gòu)建的實(shí)施例中，在觸摸屏幕68下面的一個(gè)旋鈕被用作為體積操控，而在觸摸屏幕旋鈕上方的的標(biāo)簽則把旋鈕標(biāo)識(shí)為體積操控。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入體積操控模式時(shí)，在屏幕上顯示的3D子體積可以通過(guò)控制旋鈕被重新取向。當(dāng)體積操控旋鈕向右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所顯示的子體積呈現(xiàn)為從它的頂點(diǎn)向右擺動(dòng)，當(dāng)體積操控旋鈕向左轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，所顯示的子體積向左擺動(dòng)。子體積可以在顛倒的、未顛倒的、反向的或未反向的觀看透視圖上這樣被操控。運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為連續(xù)的，相應(yīng)于旋鈕的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。
用于這種體積操控的連續(xù)模式的控制序列顯示于圖23的流程圖。在系統(tǒng)處在這種模式時(shí)，系統(tǒng)控制器連續(xù)地監(jiān)視體積操控旋鈕的任何改變。如果沒有感知到運(yùn)動(dòng)，則這種監(jiān)視繼續(xù)，如步驟501所示。如果感知到把手位置的改變(“是”)，則控制器在步驟502檢驗(yàn)，查看子體積是否處在允許進(jìn)行體積操控的最大體積區(qū)域的極限(例如，與最大體積80的邊接觸)。如果子體積被操控到它的極限，則系統(tǒng)回退到監(jiān)視旋鈕位置的改變，這時(shí)只有在旋鈕改變到另外方向時(shí)才移動(dòng)子體積。如果沒有達(dá)到限制位置，則在步驟503，使得用于發(fā)送和接收波束成形器的波束操控角度按照旋鈕位置的改變遞增，以便沿稍微不同的取向操控體積。這個(gè)體積的幾何改變?cè)诓襟E503被傳送到顯示系統(tǒng)的掃描變換器，使得新獲取的透視圖像將以它們的新的取向被顯示。波束成形器控制器在步驟504計(jì)算新的體積取向的第一波束位置和波束的停止與開始取向。在步驟506，設(shè)置用于發(fā)送和接收波束成形器的新的波束參數(shù)。然后，系統(tǒng)開始獲取和顯示在它的新的取向上的3D子體積，諸如在圖24的屏幕照相上顯示的子體積，而系統(tǒng)控制器則為隨后的改變繼續(xù)監(jiān)視體積操控旋鈕。對(duì)于這種操作模式，聲譜儀操作員可以在最大體積區(qū)域的極限范圍內(nèi)以電子方式來(lái)回掃描3D子體積，以便獲取在最大體積區(qū)域內(nèi)高的幀速率30圖像，而不需要移動(dòng)探頭離開它的聲學(xué)窗口。在所構(gòu)建的實(shí)施例中，可在跨越大到90°的最大體積區(qū)域內(nèi)掃描跨越大到57°的角度的子體積。
權(quán)利要求
1.一種用于三維成像的超聲診斷成像系統(tǒng)，包括矩陣陣列換能器，用來(lái)使以電子方式可操控的波束掃描身體的體積區(qū)域；被耦合到換能器的控制器，它控制陣列換能器掃描體積區(qū)域的波束操控角度；被耦合到控制器的用戶控制器，通過(guò)它用戶可以在各種角度范圍內(nèi)連續(xù)地改變波束操控角度以便掃描由控制器控制的體積區(qū)域；以及被耦合到換能器的圖像處理器，它用來(lái)產(chǎn)生被掃描的體積區(qū)域的一系列活動(dòng)的3D圖像。
2.權(quán)利要求1的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中圖像處理器響應(yīng)于用戶控制而產(chǎn)生相應(yīng)于體積區(qū)域被掃描時(shí)的波束操控角度的一系列3D圖像。
3.權(quán)利要求2的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中圖像處理器包括響應(yīng)于用戶控制的掃描變換器。
4.權(quán)利要求3的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中矩陣陣列用來(lái)使波束以電子方式在從最大的左面角度延伸到最大的右面角度的一個(gè)最大范圍的波束操控角度內(nèi)進(jìn)行掃描；其中控制器控制換能器掃描一個(gè)子體積，該子體積跨越波束操控角度的一個(gè)范圍，該范圍小于最大范圍并被包括在最大范圍之內(nèi)。
5.權(quán)利要求4的超聲診斷成像系統(tǒng)，其中子體積位置響應(yīng)于用戶控制裝置而可變，以便連續(xù)地掃過(guò)從最大的左面角度延伸到最大的右面角度的范圍內(nèi)被掃描的子體積。
6.權(quán)利要求5的超聲診斷成像系統(tǒng)，還包括控制面板，其中用戶控制包括在控制板上的旋鈕。
7.一種改變用矩陣陣列換能器掃描的體積區(qū)域的位置的方法，包括掃描一個(gè)包括多個(gè)波束掃描角度的范圍的體積區(qū)域，該區(qū)域小于但位于最大的波束掃描角度范圍內(nèi)；產(chǎn)生被掃描的體積區(qū)域的3D圖像；調(diào)節(jié)連續(xù)可變的用戶控制裝置；響應(yīng)用戶控制裝置的調(diào)節(jié)而調(diào)整波束掃描角的范圍以掃描具有不同波束掃描角度范圍的不同的體積區(qū)域，該區(qū)域小于但位于最大的波束掃描角范圍之內(nèi)；掃描不同的體積區(qū)域；以及產(chǎn)生不同的體積區(qū)域的3D圖像。
8.權(quán)利要求7的方法，還包括響應(yīng)于用戶控制裝置的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)波束成形器的參數(shù)。
9.權(quán)利要求8的方法，還包括響應(yīng)用戶控制裝置的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)掃描變換器的參數(shù)。
10.權(quán)利要求7的方法，其中調(diào)節(jié)波束掃描角度的范圍還包括檢驗(yàn)查看波束掃描角度是否處在最大范圍的波束掃描角度的極限；以及還包括如果新的波束掃描角度超過(guò)最大范圍的波束掃描角度的極限，則不調(diào)節(jié)波束掃描角度的范圍并掃描同一個(gè)體積區(qū)域，其中掃描不同的體積區(qū)域包括掃描同一個(gè)體積區(qū)域；以及其中產(chǎn)生不同的體積區(qū)域的3D圖像包括產(chǎn)生同一個(gè)體積區(qū)域的3D圖像。
11.權(quán)利要求7的方法，其中掃描體積區(qū)域包括掃描包括在60°到90°的最大范圍的波束操控角度內(nèi)跨越20°到30°的范圍的波束操控角度范圍的體積區(qū)域；以及其中調(diào)節(jié)波束操控角度范圍包括掃描不同的體積區(qū)域，它們都跨越20°到30°的相同范圍。
12.權(quán)利要求7的方法，其中調(diào)節(jié)可連續(xù)可變的用戶控制裝置包括在由最大范圍的波束操控角度所規(guī)定的角度內(nèi)掃描所顯示的3D立體圖像。
全文摘要
一種三維超聲成像系統(tǒng)，產(chǎn)生對(duì)象的體積區(qū)域的可操控的3D活動(dòng)圖像。該系統(tǒng)包括一個(gè)用戶控制裝置，它可由用戶連續(xù)調(diào)整以便在一個(gè)以電子方式操控的矩陣陣列換能器的左面和右面波束操控角度之間掃描該顯示的3D體積。
文檔編號(hào)G01S7/52GK101065068SQ200580034159
公開日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2005年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月8日
發(fā)明者劉令南, D·普拉特 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司