專利名稱：手持式數(shù)字波束合成超聲診斷設(shè)備的制作方法
本文是對(duì)1996年6月28日提交的案號(hào)為08/672,782的美國(guó)專利申請(qǐng)的部分繼續(xù)。
本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)超聲診斷系統(tǒng)，特別是完全集成化的手持式超聲診斷設(shè)備。
眾所周知，現(xiàn)代超聲診斷系統(tǒng)龐大而復(fù)雜。當(dāng)今先進(jìn)的超聲系統(tǒng)即使是置于為便于攜帶的手推車上，其重量亦達(dá)數(shù)百磅。在過去，超聲系統(tǒng)都是相對(duì)較小的桌面單元，與一臺(tái)個(gè)人電腦的尺寸相當(dāng)，比如本發(fā)明的受讓者Advanced Technology Laborarories公司生產(chǎn)的一些系統(tǒng)。但是這些設(shè)備卻不具備當(dāng)今先進(jìn)的超聲系統(tǒng)的許多高級(jí)性能，如彩色多普勒成像和三維顯示能力。隨著超聲系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，它也變得越來(lái)越笨重。
然而，隨著數(shù)字電路集成密度的不斷增大，現(xiàn)在就能預(yù)見到微型超聲系統(tǒng)的出現(xiàn)，其尺寸甚至比甚早期的更小。醫(yī)生們習(xí)慣使用手持式超聲掃描探頭進(jìn)行工作，它的大小僅與一只電動(dòng)剃須刀差不多。因此，假如能繼續(xù)使用相似的掃描探頭，把整個(gè)的超聲系統(tǒng)壓縮進(jìn)一個(gè)與其大小相當(dāng)?shù)膯卧?，是很合適的。這樣的超聲設(shè)備如果還能盡可能多地保留當(dāng)今高級(jí)超聲系統(tǒng)的一些特性，比如消斑、彩色多普勒和三維成像能力，那就更加理想了。
依據(jù)本發(fā)明的原理，本文提供一種診斷超聲設(shè)備，它在一個(gè)手持單元內(nèi)展示了先進(jìn)超聲系統(tǒng)的許多特性。該設(shè)備能制作成單一單元，或者在一優(yōu)選實(shí)施例中，制成有兩個(gè)子部分的單元，其中一部分包含換能器，波束合成器和圖像處理器，另一部分包含顯示器和兩個(gè)子部分的電源。在兩個(gè)子部分結(jié)構(gòu)中，換能器/處理器部分能夠用一只手來(lái)操縱，連接兩部分的電纜將圖像傳輸至顯示器顯示，顯示器可以手持或者放置在適于觀察超聲圖像的最佳位置。電纜還從顯示器部分向換能器/處理器部分提供電源。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，包括換能器直至視頻輸出的整個(gè)超聲系統(tǒng)制作在四種類型的專用集成電路(ASIC)上連接到陣列換能器各陣元的發(fā)射/接收ASIC，；執(zhí)行和控制帶有多個(gè)延遲通道的發(fā)射波束合成和接收波束合成的前端ASIC；對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行諸如濾波處理的數(shù)字信號(hào)處理ASIC；接收處理過的超聲信號(hào)并產(chǎn)生超聲圖像數(shù)據(jù)的后端ASIC。圖像既可以在標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)視器上也可以在液晶顯示屏(LCD)上顯示。實(shí)際上包含ASIC的單元的電路部分能夠制作在單塊印刷電路板上，減少由連接器和電纜帶來(lái)的傳統(tǒng)問題。這種高級(jí)的超聲儀器能制作成一個(gè)重量少于5磅的手持式單元。
各圖說明如下

圖1用框圖的形式描述了本發(fā)明的一個(gè)手持式超聲系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)；圖2a和圖2b分別是本發(fā)明的一個(gè)手持式超聲系統(tǒng)的正視圖和側(cè)視圖，該系統(tǒng)封裝在一個(gè)單體單元中；圖3a和圖3b分別是換能器的正視圖和側(cè)視圖，它用于本發(fā)明的一個(gè)手持式雙體單元超聲系統(tǒng)。
圖4描述了本發(fā)明的一個(gè)手持式雙體封裝超聲系統(tǒng)的兩個(gè)部分；圖5是圖1中超聲系統(tǒng)的發(fā)射/接收ASIC的示意圖；圖6是圖1中超聲系統(tǒng)的前端ASIC的框圖；圖7描述由發(fā)射/接收ASIC和前端ASIC提供的換能器孔徑控制；圖8是圖6中前端ASIC上的幀序列發(fā)生器和RF頭序列發(fā)生器的框圖；圖9是圖6中前端ASIC上的行序列發(fā)生器、TGC序列發(fā)生器、串行總線序列發(fā)生器和地址序列發(fā)生器框圖；圖10是圖6中前端ASIC上的波束合成器通道的求和網(wǎng)絡(luò)框圖；圖11是圖6中前端ASIC上的其中一個(gè)動(dòng)態(tài)聚焦控制器框圖；圖12是圖6中前端ASIC上的其中一個(gè)動(dòng)態(tài)加權(quán)控制器框圖；圖13是一個(gè)典型的聚焦控制曲線，用于解釋圖11中的動(dòng)態(tài)聚焦控制器；圖14是一個(gè)典型的加權(quán)函數(shù)曲線，用于解釋圖12中的動(dòng)態(tài)加權(quán)控制器；圖15描述一個(gè)優(yōu)選的數(shù)字延遲器，用于本發(fā)明的波束合成器；圖16是圖1所示超聲系統(tǒng)的用戶控制鍵列表。
首先參閱圖1，本發(fā)明的手持式超聲系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖所示。只有恰當(dāng)?shù)剡x擇系統(tǒng)的功能和特性并有效地利用集成電路和超聲技術(shù)，就能將整個(gè)超聲系統(tǒng)封裝在一個(gè)單體手持式單元中。換能器陣10的使用有賴于它的固態(tài)特性、電路控制能力、可變孔徑、圖像性能以及可靠性?？墒褂玫膿Q能器陣有平面線性陣或凸面弧形線性陣。在一優(yōu)選實(shí)施例中使用的是凸面弧形陣，它能提供寬范圍的扇形掃描場(chǎng)。在該優(yōu)選實(shí)施例中，雖然提供了足夠的電路延遲能力用于控制和使諸如相控的平面換能器陣進(jìn)行聚焦，但弧形換能器陣的幾何曲率畢竟還是減少了波束合成器對(duì)延遲控制的需要。換能器陣單元連接到發(fā)射/接收ASIC20，該ASIC驅(qū)動(dòng)這些換能器陣元并接收它們收到的回波信號(hào)。發(fā)射/接收ASIC30還控制換能器陣10中處于激活狀態(tài)的發(fā)射陣孔徑和接收陣孔徑，并控制接收回波信號(hào)的增益，發(fā)射/接收ASIC最好位于距離換能器陣元幾英寸之內(nèi)的地方，封裝在一起且恰好位于換能器之后是最佳的。
發(fā)射/接收ASIC20接收到的回波信號(hào)提供給相鄰的前端ASIC30，它將各個(gè)獨(dú)立換能器陣元的回波信號(hào)數(shù)字化并合成為波束，形成連續(xù)的掃描線信號(hào)。前端ASIC30還通過提供給發(fā)射/接收ASIC的控制信號(hào)，控制發(fā)射波形的時(shí)序、孔徑以及超聲波束的聚焦。在描述的實(shí)施例中，前端ASIC30為其它的ASIC提供時(shí)序信號(hào)和時(shí)間增益控制。電源和電池管理子系統(tǒng)80監(jiān)視并控制給換能器陣提供的電源，從而控制施加給病人的聲能量并盡量減少系統(tǒng)的能量消耗。存儲(chǔ)器32連接到前端ASIC30，用于存儲(chǔ)波束合成器使用的數(shù)據(jù)。
合成為波束后的掃描線信號(hào)從前端ASIC30連接到相鄰的數(shù)字信號(hào)處理ASIC40。數(shù)字信號(hào)處理ASIC40對(duì)掃描線信號(hào)進(jìn)行濾波，并在該優(yōu)選實(shí)施例中提供了好幾種先進(jìn)的處理手段，包括綜合孔徑合成、頻率復(fù)合、多普勒處理如功率多普勒(彩色功率血管成像)處理及消斑。
然后，B超和多普勒信息傳輸?shù)较噜彽暮蠖薃SIC50進(jìn)行掃描轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生視頻輸出信號(hào)。存儲(chǔ)器42連接到后端ASIC50用于存儲(chǔ)三維功率多普勒成像(3D CPA)所需的數(shù)據(jù)。后端ASIC還將一些文字?jǐn)?shù)字信息加到顯示屏上，諸如時(shí)間、日期以及病人身份。圖像處理器將深度和聚焦標(biāo)記以及箭頭之類的信息疊加在超聲圖像上。一幀幀超聲圖像存儲(chǔ)在連接到后端ASIC50的視頻存儲(chǔ)器50里，以使能夠回調(diào)它們并進(jìn)行實(shí)時(shí)電影回放。這些視頻信息能以多種制式進(jìn)行視頻輸出，包括NTSC和PAL電視制式、用于LCD顯示屏60或視頻監(jiān)視器的RGB驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
后端ASIC50還包括超聲系統(tǒng)的中央處理器，即一個(gè)RISC(精簡(jiǎn)指令集控制器)處理器502。RISC處理器連接到前端ASIC和數(shù)字信號(hào)處理ASIC，控制整個(gè)手持式單元的處理過程和控制功能并使之同步。程序存儲(chǔ)器52連接到后端ASIC50上存儲(chǔ)程序數(shù)據(jù)，RISC處理器使用這些程序操作或控制單元。后端ASIC50還連接到一個(gè)配置成紅外發(fā)射器或PCMCIA接口56的數(shù)據(jù)接口上。該接口允許連接其它的模塊或功能，或與該手持式超聲單元進(jìn)行通訊。接口56能夠連接到調(diào)制解調(diào)器或通訊線路上，從遠(yuǎn)處發(fā)射和接收超聲信息。該接口能連接其它的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，使單元增加新的功能，如增加一個(gè)超聲信息分析軟件包。
RISC處理器還連接到單元的用戶控制器70，接收用戶輸入以指揮和控制該手持式超聲系統(tǒng)的操作。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，手持式超聲系統(tǒng)的電源由充電電池或交流適配器提供。充電電池由電源子系統(tǒng)80進(jìn)行維護(hù)并向單元各部分提供電源。電源子系統(tǒng)包括一個(gè)直流變換器，將低電池電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高的電壓并加在發(fā)射/接收ASIC20上，驅(qū)動(dòng)換能器陣10的各陣元。
圖2a和圖2b描述了具有單體結(jié)構(gòu)的單元87，其中放置如圖1所示的超聲系統(tǒng)。單元的正面如圖2a所示，其上面一部分包含LCD顯示屏60，下面一部分81包含用戶控制器86。用戶控制器使用戶可以接通或關(guān)閉單元的電源，進(jìn)行操作特性選擇，如模式選擇(B超或多普勒)、彩色多普勒扇形掃描或幀速率選擇以及選擇諸如三維顯示的特殊功能。用戶控制器還能輸入時(shí)間、日期和病人的數(shù)據(jù)。十字狀的四向控制鍵象操縱桿一樣，移動(dòng)屏幕上的箭頭或從用戶菜單中選擇各種功能。也可選擇使用鼠標(biāo)球或軌跡墊來(lái)實(shí)現(xiàn)在多個(gè)方向上控制箭頭與選擇別的控制?？刂破魃线€有幾個(gè)按鈕和開關(guān)用于一些特定功能，如圖像鎖定、存儲(chǔ)、從電影回放存儲(chǔ)器中回放圖像序列。
在單元87的底部是凸面弧形換能器陣10的孔徑84。使用時(shí)，換能器孔徑抵住病人并進(jìn)行掃描，在LCD顯示屏60上顯示超聲圖像。
圖2b是單元87的側(cè)視圖，給出了單元的厚度。該單元大致高20.3cm，寬11.4cm，厚4.5cm。它包含了帶有弧形換能器陣探針的完全功能超聲系統(tǒng)的所有組成部分，采用單體封裝，其重量小于5磅。重量的大部分是單元里的內(nèi)置電池。
圖3和圖4描述了第二種封裝結(jié)構(gòu)，它把超聲系統(tǒng)分為兩個(gè)獨(dú)立的部分。下面一部分81包括換能器陣、直到視頻信號(hào)輸出端的電路和用戶控制。該部分如圖3a所示，在其底部能看到附帶的凸面弧形換能器陣。圖3b是其側(cè)視圖。該部分大約高11.4cm，寬9.8cm，厚2.5cm。其重量接近傳統(tǒng)的超聲掃描探頭。它通過電纜90連接到如圖4所示的上面一部分83。該部分83包括LCD顯示屏82和電池盒88。電纜90把視頻信號(hào)從下面一部分81傳輸?shù)缴厦嬉徊糠诛@示出來(lái)，并從電池盒88為下面一部分提供電源。這種雙體結(jié)構(gòu)單元的好處是使用者能夠象使用傳統(tǒng)掃描探頭一樣在病人的身上操作下面一部分和換能器84，同時(shí)把上面一部分放在便利的靜止位置以供觀察。電池盒放入上面一部分，減輕了下面一部分的重量，易于在病人的身上進(jìn)行操作。
顯而易見，還有其它一些系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)。例如，可以把前端ASIC30、數(shù)字信號(hào)處理ASIC40和后端ASIC50封裝在同一個(gè)部分內(nèi)，同時(shí)前端ASIC上的波束合成器能連接不同換能器。這樣，不同的換能器就能與數(shù)字波束合成器、數(shù)字濾波器和圖像處理器一起使用，用于診斷成像的各種處理過程。顯示屏能與前面三個(gè)ASIC一起封裝，或者把后端ASIC的輸出連接到一個(gè)分離的顯示設(shè)備上。圖4的結(jié)構(gòu)還能夠變成將用戶控制放在顯示屏和電池盒部分上的形式，并把其它和超聲有關(guān)的ASIC放置在帶有換能器陣的部分內(nèi)。
現(xiàn)在參閱圖5，它進(jìn)一步詳細(xì)地描述了發(fā)射/接收ASIC20A。ASIC20A的信號(hào)通道分為四個(gè)相同的部分S1、S2、S3和S4。圖中給出了S1的內(nèi)部細(xì)節(jié)。S1包括兩個(gè)二選一多路發(fā)射復(fù)用器408和410，每一個(gè)對(duì)八(8)條發(fā)射輸入線其中一條上的脈沖信號(hào)作出響應(yīng)。每個(gè)二選一多路發(fā)射復(fù)用器有兩個(gè)輸出端，S1內(nèi)兩個(gè)二選一多路發(fā)射復(fù)用器的四個(gè)輸出端分別觸發(fā)四個(gè)脈沖發(fā)生器402,404和414,416，這些脈沖發(fā)生器的輸出連接在一些ASIC的插腳上，這些插腳與換能器陣元連接。在所描述的實(shí)施例中，二選一多路發(fā)射復(fù)用器408同時(shí)連接驅(qū)動(dòng)換能器陣元1或陣元65,410同時(shí)連接驅(qū)動(dòng)換能器陣元33或陣元97。該ASIC中其它部分的兩個(gè)二選一多路發(fā)射復(fù)用器也都類似的連接到四個(gè)換能器陣元上。由于每一個(gè)換能器陣元帶有各自的脈沖發(fā)生器，ASIC20可以同時(shí)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)它所連接的16個(gè)換能器陣元中的8個(gè)陣元。
與每一部分中脈沖發(fā)生器連接的換能器陣元插腳還與其中的一個(gè)四選一多路接收復(fù)用開關(guān)412連接。在超聲發(fā)射期間，脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)換能器陣元，發(fā)射允許線上的信號(hào)同時(shí)將該ASIC上的所有四選一多路接收復(fù)用開關(guān)置于對(duì)高電壓驅(qū)動(dòng)脈沖的高阻狀態(tài)，從而把別的接收信號(hào)通道與這些高電壓脈沖隔離開，該ASIC上的這些四選一多路接收復(fù)用開關(guān)都連接在發(fā)射允許線上。該ASIC上所有的四選一多路接收復(fù)用開關(guān)還與ASIC上的接收測(cè)試插腳連接，通過該測(cè)試插腳可以將一測(cè)試信號(hào)輸入接收信號(hào)通道并傳輸至接收器系統(tǒng)。在回波接收期間，每個(gè)四選一多路接收復(fù)用開關(guān)把四個(gè)換能器陣元其中一個(gè)上的接收信號(hào)通過第一級(jí)TGC422耦合到與它連接的一個(gè)一選十六多路復(fù)用器418上。該ASIC上的第一級(jí)TGC的增益由加在該ASIC的TGC1插腳上的電壓控制，該插腳TGC1在一設(shè)計(jì)好的實(shí)施例中包括兩個(gè)施加微分控制電壓的插腳。該ASIC上各部分的一選十六多路復(fù)用器都將接收到的回波信號(hào)發(fā)送至16根總線440中的其中一根上。圖的右側(cè)畫出了16根總線線路上的兩條，它們與濾波電路222連接。經(jīng)過濾波的總線信號(hào)傳輸至連接兩個(gè)第二級(jí)TGC424和426的插腳上，這兩個(gè)TGC的增益由加在一或兩個(gè)TGC2插腳上的電壓控制。所描述的實(shí)施例中的第二級(jí)TGC的輸出連接到一些輸出插腳上，這些插腳與超聲系統(tǒng)的波束合成器的通道相連。
ASIC20A還包括一個(gè)控制寄存器430，它通過一串行總線從波束合成器接收控制信號(hào)?？刂萍拇嫫鲗⑦@些控制信號(hào)分配給ASIC上所有的多路復(fù)用器，如Ctrl.輸入箭頭所示。
設(shè)計(jì)好的ASIC20A實(shí)施例中有一些電源插腳和電壓偏置插腳以及地線連接處，這些并未在圖中畫出。
使用本發(fā)明的ASIC的系統(tǒng)是一種N選一和一選M的體系結(jié)構(gòu)，這里N是換能器陣元數(shù)除以最大孔徑包括的陣元數(shù)，M是波束合成器的通道數(shù)。這些ASIC可用多種方式將具有任意多個(gè)陣元的各種換能器陣連接到通道數(shù)不同的各種波束合成器上。圖7中的系統(tǒng)是這種多樣性的一個(gè)舉例，圖中所示換能器10＇連接八個(gè)發(fā)射/接收ASIC20A-20H(如箭頭506和504所示)，其總線440還通過這些ASIC上十六個(gè)二級(jí)TGC連接到一個(gè)十六通道的波束合成器500上(為清楚起見，這些二級(jí)TGC分開表示，雖然它們實(shí)際上集成在ASIC上)。本例中，八個(gè)發(fā)射/接收ASIC連接到換能器陣10＇上，分別驅(qū)動(dòng)它上面的128個(gè)陣元，每個(gè)發(fā)射/接收ASIC有十六個(gè)插腳連接到這些陣元上。八個(gè)發(fā)射/接收ASIC上的二選一多路發(fā)射復(fù)用器能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)64個(gè)陣元，因此可以使得換能器陣具有64陣元的發(fā)射孔徑，由圖中的換能器陣元1-4…29-36…61-64表示。這個(gè)64陣元孔徑的中心在陣元32和33之間。這種排列能夠在發(fā)射每一束超聲波時(shí)驅(qū)動(dòng)一個(gè)64陣元孔徑的所有陣元。八個(gè)發(fā)射/接收ASIC20A-20H上的控制寄存器可以便利地用于使一條八線數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)線與波束形成器分離，每根線都是一個(gè)特定控制寄存器的串行總線，因此可同時(shí)加載八個(gè)控制寄存器。
64陣元孔徑上完整的回波信號(hào)可用各種方式接收。其一是使用折疊合成孔徑。在第一束波發(fā)出后，接收到陣元17-32上的回波，并與陣元48-33上的回波疊合。也就是說，陣元17和陣元48上的回波信號(hào)可以兩路復(fù)用一條總線，陣元18和陣元47兩路復(fù)用另一條總線，如此類推，等等。這十六個(gè)經(jīng)折疊合成后的信號(hào)由波束合成器適當(dāng)延遲、相加形成一個(gè)聚焦信號(hào)。在第二束波發(fā)出后，該孔徑的外層陣元進(jìn)行同樣的接收、延遲、相加并與第一個(gè)聚焦信號(hào)相加形成一個(gè)完整的孔徑。
這種N選一和一選M的體系結(jié)構(gòu)可以通過使用折疊合成孔徑技術(shù)或通過使用美國(guó)專利4,542,653中描述的粗孔徑接收技術(shù)，用八通道波束合成器500代替十六通道波束合成器。使用后一種技術(shù)時(shí)，在波束發(fā)射期間，相鄰的獨(dú)立激勵(lì)的陣元把它們的接收信號(hào)聯(lián)接起來(lái)并使用相同的聚焦延遲，從而組成一對(duì)。這實(shí)際上意味著在接收時(shí)換能器陣的節(jié)距增加了一倍。它還增加了接收波束圖案的柵瓣電平，但這些都未對(duì)發(fā)射波束和接收波束造成太大的影響，相反，系統(tǒng)還從這個(gè)大的接收孔徑獲得了更高的靈敏度。如果柵瓣證明是不利的，可以通過使用非周期孔徑來(lái)減小它，該孔徑的橫截面上組成各陣元組的陣元數(shù)是不同的。非周期孔徑將把柵瓣效果混合成均勻的背景圖案。
在折疊孔徑中，通過對(duì)一選十六多路復(fù)用器進(jìn)行編程，把四個(gè)陣元的接收信號(hào)傳輸?shù)酵粋€(gè)求和總線上，輸入到八通道波束合成器的每一通道上。這就允許將陣元17和陣元18的接收信號(hào)與陣元47和陣元48的接收信號(hào)在同一求和總線上進(jìn)行合成，并將四個(gè)信號(hào)輸入到波束合成器的一個(gè)通道上。照這樣作，可同時(shí)使用粗孔徑技術(shù)和折疊孔徑技術(shù)。在波束發(fā)射之后，可得到32陣元的接收孔徑，或者用兩個(gè)波束發(fā)射，通過折疊孔徑技術(shù)得到64陣元的接收孔徑。如果只使用一個(gè)精細(xì)接收孔徑，折疊和合成孔徑技術(shù)限制接收孔徑只能有32個(gè)陣元，單獨(dú)使用折疊孔徑技術(shù)或合成孔徑技術(shù)限制孔徑只能有16個(gè)陣元。
這樣可以看到，在所描述的實(shí)施例中，發(fā)射/接收ASIC20A可以操作16個(gè)換能器陣元，數(shù)個(gè)這樣的ASIC可以操作更多的換能器陣元，例如6個(gè)ASIC能控制96個(gè)換能器陣元。
圖6是前端ASIC30的框圖。該圖表示出了前端ASIC30其中的一部分30a。前端ASIC總共有八個(gè)類似的部分，它們對(duì)來(lái)自發(fā)射/接收ASIC20的八條求和總線上的信號(hào)進(jìn)行波束合成。每個(gè)回波信號(hào)輸出到A/D轉(zhuǎn)換器310的輸入端口，把回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換器與波束合成器集成在同一集成電路塊上，減少了集成電路的外連接插腳。一條波束合成器通道只需要一個(gè)模擬信號(hào)輸入插腳而對(duì)于相干疊加信號(hào)只需要一組數(shù)字輸出插腳。從每個(gè)陣元(對(duì)折疊孔徑或粗孔徑是一對(duì)或一組陣元)的A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)由A/D CLK時(shí)鐘信號(hào)控制輸入到先進(jìn)先出(FIFO)寄存器312中。A/D CLK信號(hào)由動(dòng)態(tài)聚焦控制器314提供，它通過延遲時(shí)鐘信號(hào)的起始時(shí)間進(jìn)行初始延遲，然后通過控制信號(hào)采樣時(shí)間進(jìn)行所接收回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)聚焦。FIFO寄存器312的長(zhǎng)度決定于換能器的中心頻率、孔徑的尺寸、換能器陣的曲率以及控制波束的需要。比如，較高的中心頻率和凸面弧形陣將減少控制延遲的需要并因此減少FIFO寄存器的長(zhǎng)度。從FIFO寄存器312出來(lái)的延遲回波信號(hào)傳輸?shù)匠朔ㄆ?16進(jìn)行加權(quán)處理，加權(quán)值由動(dòng)態(tài)加權(quán)控制器318提供。在使用其它的外層陣元擴(kuò)展孔徑的大小和沿掃描線不斷增加的深度上接收回波信號(hào)時(shí)一樣，動(dòng)態(tài)加權(quán)值對(duì)回波信號(hào)的加權(quán)都要考慮有源陣元的數(shù)目、孔徑中陣元的位置以及需要的變跡函數(shù)。然后，經(jīng)延遲和加權(quán)的信號(hào)與來(lái)自其它陣元的經(jīng)適當(dāng)延遲和加權(quán)的信號(hào)以及一些其它的回波信號(hào)進(jìn)行疊加，這些其它的回波信號(hào)來(lái)自串聯(lián)在加法器320上的延遲器。合成波束后的回波信號(hào)與同步溢出位一起在RF數(shù)據(jù)總線上生成，作為輸出掃描線信號(hào)。每個(gè)掃描線回波信號(hào)序列都伴隨一個(gè)標(biāo)志信息，它由ASIC上的RF頭序列生成器產(chǎn)生，用于區(qū)分被產(chǎn)生的掃描線數(shù)據(jù)的類型。比如，它能標(biāo)出掃描線是B超回波數(shù)據(jù)還是多普勒數(shù)據(jù)。
如果需要，其它的一些數(shù)字采樣存儲(chǔ)器也能用于為波束合成器提供延遲。例如可以用雙端口隨機(jī)存取存儲(chǔ)器存儲(chǔ)接收到的數(shù)字回波采樣，然后按時(shí)間或按次序從存儲(chǔ)器讀出這些數(shù)據(jù)，而所述的時(shí)間或序列給來(lái)自換能器陣元的信號(hào)提供需要的延遲。
前端ASIC上的每部分30a都包括用于四個(gè)換能器陣元的發(fā)射控制電路302-308。這樣，八個(gè)部分可同時(shí)為總共32個(gè)換能器陣元提供發(fā)射控制，從而決定最大發(fā)射孔徑。發(fā)射控制電路產(chǎn)生具有預(yù)定時(shí)長(zhǎng)和周期的波形，它在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間激勵(lì)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)發(fā)射聲信號(hào)，在需要的聚焦深度上進(jìn)行聚焦。如圖7所示，當(dāng)總共有64個(gè)發(fā)射輸入線的發(fā)射/接收ASIC20A-20H只使用一個(gè)具有32個(gè)發(fā)射控制電路的前端ASIC時(shí)，每個(gè)發(fā)射控制電路都連接到一對(duì)多路發(fā)射復(fù)用器如408和410的兩個(gè)輸入端上，使用控制寄存器430的控制信號(hào)對(duì)這兩個(gè)多路發(fā)射復(fù)用器進(jìn)行編程，使它們對(duì)于每列發(fā)射波都是一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)截止。這樣就把一對(duì)二選一多路發(fā)射復(fù)用器有效地轉(zhuǎn)換成一個(gè)四選一多路復(fù)用器在工作，從而提供一個(gè)最大達(dá)32個(gè)獨(dú)立受控陣元的發(fā)射孔徑。
前端ASIC30包括一個(gè)通用控制部分330，它為該ASIC上的八個(gè)波束合成器通道的發(fā)射和接收功能提供總體控制?？刂撇糠?30由后端ASIC50上的RISC處理器控制，并在它的控制下接收數(shù)據(jù)。產(chǎn)生特定圖像幀的數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)里，在RISC處理器的指令下加載到控制部分330?？刂撇糠?30包括一些序列發(fā)生器，用于發(fā)射和接收功能。幀序列發(fā)生器332產(chǎn)生其它序列發(fā)生器使用的信息，該信息能區(qū)分要產(chǎn)生的圖像的類型。例如，幀序列發(fā)生器可以加載一些數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)定義下一幀圖像數(shù)據(jù)是散置在四個(gè)一組的多普勒掃描線之間的B模式掃描線，同時(shí)掃描行序列是所有偶數(shù)號(hào)掃描線都跟在所有奇數(shù)號(hào)掃描線之后。這一信息提供給行序列發(fā)生器334，該行序列發(fā)生器控制獲取掃描線所需的時(shí)序。在掃描線獲取期間，行序列發(fā)生器控制TGC序列發(fā)生器336，因此它將產(chǎn)生符合要求的TGC控制數(shù)據(jù)。TGC序列發(fā)生器發(fā)出的TGC控制數(shù)據(jù)由一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)338轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，加在發(fā)射/接收ASIC20的TGC控制輸入端口。地址序列發(fā)生器342控制新掃描線數(shù)據(jù)到波束合成器的各種實(shí)時(shí)寄存器的加載過程，諸如TGC序列發(fā)生器寄存器、動(dòng)態(tài)聚焦和動(dòng)態(tài)加權(quán)控制器寄存器、以及串行總線序列發(fā)生器340，該串行總行序列發(fā)生器在串行總線上產(chǎn)生串行數(shù)據(jù)，用于系統(tǒng)的發(fā)射/接收ASIC上的控制寄存器。前端ASIC上所有執(zhí)行實(shí)時(shí)操作功能的寄存器都是雙重緩沖的。發(fā)射/接收ASIC上的寄存器也是雙重緩沖的，這使控制數(shù)據(jù)能夠在控制數(shù)據(jù)線領(lǐng)先于掃描線的期間置于串行總線上或加載到各寄存器。
前端ASIC的控制部分包含一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器350，它產(chǎn)生一系列同步時(shí)鐘信號(hào)使系統(tǒng)的所有操作同步。為防止系統(tǒng)上距離很近的設(shè)備之間相互干擾或串線，視頻輸出信號(hào)的頻率與時(shí)鐘發(fā)生器的時(shí)鐘信號(hào)的頻率同步，因此一個(gè)頻率的諧波不會(huì)在另一個(gè)的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生干擾成分。連接到前端ASIC30的晶振器(未畫出)提供高頻如60MHz的主頻信號(hào)，系統(tǒng)的所有時(shí)鐘信號(hào)都可由它產(chǎn)生。
圖8是圖6的前端ASIC上的幀序列發(fā)生器和RF頭序列發(fā)生器的框圖。在本圖和后續(xù)圖中，虛線9表示ASIC的邊界，虛線上的圓圈表示ASIC的端口(插腳)。
每一幀圖像包括一組PRI，每個(gè)PRI包括發(fā)射超聲波和接收該波從人體反射回來(lái)的回波。一幀圖像或者其它諸如多普勒頻譜的序列的獲取，從接收數(shù)據(jù)以及RISC總線102上來(lái)自RISC處理器的命令開始。一些稱為“轉(zhuǎn)移地址”的RAM地址存儲(chǔ)在轉(zhuǎn)移地址寄存器104中。每個(gè)轉(zhuǎn)移地址都是RAM32中一組數(shù)據(jù)的起始地址，每組數(shù)據(jù)用于一特定的掃描進(jìn)程。如果需要，寄存器104中的這些轉(zhuǎn)移地址可以被RISC處理器提供的新的轉(zhuǎn)移地址刷新。掃描進(jìn)程的起始地址加載到起始地址寄存器106中，該寄存器又從地址寄存器104中選擇一個(gè)地址加載到幀地址計(jì)數(shù)器108中。幀地址計(jì)數(shù)器108接著從RAM32中讀取一組自轉(zhuǎn)移地址寄存器104提供的地址起始的幀控制數(shù)據(jù)。
幀控制數(shù)據(jù)包括五個(gè)控制字，這些控制字為即將生成的幀數(shù)據(jù)和生成后的數(shù)據(jù)建立波束合成器，并增加一些不同的RF頭數(shù)據(jù)字。幀序列發(fā)生器產(chǎn)生的幀數(shù)據(jù)控制其它的序列發(fā)生器產(chǎn)生下一個(gè)PRI，單個(gè)PRI是由換能器陣發(fā)射超聲波、接收超聲波回波和對(duì)回波進(jìn)行波束合成組成的一個(gè)完整周期，其中的回波來(lái)自發(fā)射波。五個(gè)控制字和它們的數(shù)據(jù)塊如下字0
L-SYNAP數(shù)據(jù)決定是否使用合成孔徑。T-TYPE數(shù)據(jù)決定系統(tǒng)的TGC控制。RF-MODE數(shù)據(jù)為初始的PRI指定后續(xù)RF頭的數(shù)目。PRI-MARKERS數(shù)據(jù)標(biāo)定PRI的邊界并加載到PRI標(biāo)記寄存器112中。字符1
系統(tǒng)的測(cè)試和校準(zhǔn)處理由FTRIGGER數(shù)據(jù)決定。SUMENA數(shù)據(jù)決定從另一個(gè)波束合成器ASIC來(lái)的回波數(shù)據(jù)是否與該ASIC上的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行求和。SOSEL數(shù)據(jù)決定內(nèi)部和外部信號(hào)是否要移出延遲回波數(shù)據(jù)來(lái)求和。FLOOP數(shù)據(jù)指定當(dāng)前PRI的重復(fù)次數(shù)并加載到幀循環(huán)計(jì)數(shù)器中。字符2
L-DTYPE數(shù)據(jù)決定PRI產(chǎn)生超聲數(shù)據(jù)的類型，比如是2D回波數(shù)據(jù)還是多普勒數(shù)據(jù)。L-HOLDOFF數(shù)據(jù)決定PRI開始前引入的任意延遲時(shí)間。字符3
A-MODE數(shù)據(jù)指定地址序列發(fā)生器使用的數(shù)據(jù)塊的起始地址。A-MSEL數(shù)據(jù)決定掃描線的方向是由地址序列發(fā)生器的M-line寄存器決定還是由A-RAY字段數(shù)據(jù)決定。A-ZONE數(shù)據(jù)決定發(fā)射聚焦區(qū)。A-RAY數(shù)據(jù)定義射線(掃描線)相對(duì)于換能器孔徑的方向，此時(shí)換能器的孔徑由A-MSEL決定。字符4
JUMP-BITS數(shù)據(jù)與轉(zhuǎn)移掩模寄存器118的各比特一起決定RAM32中下一個(gè)幀控制數(shù)據(jù)塊的起始地址并加載到轉(zhuǎn)移位寄存器114中。
接著從RAM32中讀出數(shù)目可變的RF頭數(shù)據(jù)字符并加載到RF頭序列發(fā)生器344中。正如上面所解釋的，在PRI數(shù)據(jù)之前，序列發(fā)生器344將RF頭數(shù)據(jù)置于RF輸出總線上，以通知后面的處理器它們正在接收的數(shù)據(jù)是哪種類型。
在讀出所有這些數(shù)據(jù)字符后，幀序列發(fā)生器控制邏輯器檢查RISC處理器是否已經(jīng)發(fā)出了停止命令。如果沒有發(fā)出停止命令，幀序列發(fā)生器控制邏輯器120通過行序列控制總線124啟動(dòng)行序列發(fā)生器。
RISC處理器使用圖8中幀序列發(fā)生器上的其它幾個(gè)寄存器對(duì)波束合成器操作進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。例如，它可以把PRI標(biāo)記器標(biāo)記掩模數(shù)據(jù)加載到PRI標(biāo)記器標(biāo)記掩模寄存器中。當(dāng)該掩模數(shù)據(jù)標(biāo)記的PRI邊界與PRI標(biāo)記寄存器中的PRI邊界象幀序列控制邏輯器認(rèn)定的那樣相互匹配時(shí)，波束合成器根據(jù)這些掩模數(shù)據(jù)決定是響應(yīng)還是忽略該匹配，實(shí)施實(shí)時(shí)控制如刷新TGC函數(shù)。RISC處理器能夠把轉(zhuǎn)移掩模數(shù)據(jù)加載到轉(zhuǎn)移掩模寄存器118中，該寄存器選擇轉(zhuǎn)移位寄存器114中轉(zhuǎn)移位的位數(shù)，將下一個(gè)PRI指向起始地址位于轉(zhuǎn)移地址寄存器104中的特定數(shù)據(jù)塊。RISC處理器還能將實(shí)時(shí)命令加載到觸發(fā)控制寄存器122中，當(dāng)該寄存器被觸發(fā)脈沖觸發(fā)后，向幀序列控制邏輯器發(fā)出命令如終止、開始、邊界終止、復(fù)位、M模式刷新或TGC刷新。
一旦觸發(fā)行序列發(fā)生器，幀序列發(fā)生器就監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)指令寄存器122中由RISC處理器發(fā)出的指令，并等待接收行序列發(fā)生器發(fā)出的行結(jié)束(EOL)信號(hào)，收到EOL信號(hào)后，幀序列發(fā)生器重新開始接收下一個(gè)PRI的幀控制數(shù)據(jù)或終止接收。
圖9描述了對(duì)這些行數(shù)據(jù)、TGC、地址以及串行總線序列發(fā)生器進(jìn)行的操作。行序列發(fā)生器334由行序列控制邏輯器130和行信號(hào)寄存器132兩個(gè)主要組成部分。使用行序列發(fā)生器目的是產(chǎn)生用于控制PRI總的時(shí)序的信號(hào)。操作開始時(shí)，行序列發(fā)生器讀出一個(gè)RF信號(hào)延遲字，它控制RF總線限定信號(hào)相對(duì)于行序列控制信號(hào)RFDVALN和RFZVALN的延遲。然后，行序列發(fā)生器等待由L-HOLDOFF數(shù)據(jù)指定的任何延遲期。在延遲期之后，行序列控制邏輯器130為行信號(hào)寄存器、TGC序列發(fā)生器和地址序列發(fā)生器開始周期性地訪問RAM中的數(shù)據(jù)。周期中的各時(shí)段如圖9a所示。在周期開始的兩個(gè)L時(shí)段期間，行序列控制邏輯器從RAM32讀取兩個(gè)控制數(shù)據(jù)字。第一個(gè)字是存儲(chǔ)在行信號(hào)寄存器32中的行信號(hào)字0。行信號(hào)字0中有控制PRI時(shí)序的信號(hào)。下面的表l給出了一個(gè)實(shí)例，表示行信號(hào)字0的位標(biāo)志數(shù)據(jù)。在行信號(hào)字符0之后的下一個(gè)存儲(chǔ)地址中是行信號(hào)字1，它包含一個(gè)控制信號(hào)LSIGDUR，該信號(hào)決定直到下一次刷新行信號(hào)字前的時(shí)間間隔。
在行信號(hào)寄存器被加載之后，行信號(hào)字0中的TGCSQEN信號(hào)使TGC序列發(fā)生器336開始工作。在圖9a中的W時(shí)段，TGC序列發(fā)生器給RISC處理器提供一段時(shí)間，把新的TGC曲線寫進(jìn)外部RAM 32中。這就允許在掃描動(dòng)作期間修正TGC曲線。TGC增益控制字的前半段定義發(fā)射/接收ASIC上第一級(jí)TGC的增益，TGC增益控制字的后半段定義第二級(jí)TGC的增益。在圖9a的T時(shí)段，TGC序列發(fā)生器把增益控制字寫進(jìn)兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器338a和338b中，然后這兩個(gè)轉(zhuǎn)換器按命令產(chǎn)生控制電壓，用于發(fā)射/接收ASIC上的二級(jí)TGC放大器。
位數(shù)名稱 功能0 PRIRSTNPRI重置1 RDEN 啟用接收延遲2 SOEN 移出啟用3 TDEN 啟用發(fā)射延遲
4TGCRSTNTGC重置5SERLD 串行總線加載6RFDEN 啟用RF數(shù)據(jù)7RFDVALNRF數(shù)據(jù)有效8RFZVALNRF區(qū)有效9EOLN 行結(jié)束10 ADDSQEN啟用地址序列發(fā)生器11 TGCSQEN啟用TGC序列發(fā)生器12 LSEQPIN1 行序列發(fā)生器插腳113 LSEQPIN2 行序列發(fā)生器插腳214 TX_ON 發(fā)射/接收開關(guān)控制15 - - - 未使用表1串行總線序列發(fā)生器340在地址序列發(fā)生器342的控制下，從外部RAM32加載控制數(shù)據(jù)。串行總線序列發(fā)生器把并行控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成串行控制數(shù)據(jù)并將結(jié)果以串行的形式發(fā)送到發(fā)射/接收ASIC上雙緩沖寄存器中的保持寄存器中。行信號(hào)字0中的SERLD信號(hào)還提供給發(fā)射/接收ASIC并把發(fā)射/接收ASIC上保持寄存器中的信息發(fā)送到它上面的工作寄存器中。
ADDSQEN信號(hào)命令地址序列發(fā)生器在圖9a中地址序列發(fā)生器的時(shí)段A期間，把新的控制數(shù)據(jù)加載到前端ASIC上的實(shí)時(shí)寄存器中，地址序列發(fā)生器時(shí)段A包含圖9中序列發(fā)生器時(shí)段的絕大部分。地址序列發(fā)生器完成上述操作是通過在內(nèi)部寄存器總線142上對(duì)寄存器尋址，同時(shí)使用源地址計(jì)數(shù)器144對(duì)RAM32中的數(shù)據(jù)記錄順序進(jìn)行訪問。然后，將被尋址的RAM地址處的數(shù)據(jù)加載到一些被尋址的寄存器中，比如動(dòng)態(tài)聚焦寄存器314和314X，動(dòng)態(tài)加權(quán)寄存器318和318X，發(fā)送控制寄存器302、304、306和308等等。通過這種方式控制波束合成器ASIC上的內(nèi)部寄存器發(fā)射并接收下一個(gè)PRI。
PRIRSTN信號(hào)是一個(gè)時(shí)間標(biāo)志，標(biāo)志發(fā)射事件和接收事件。TDEN信號(hào)、發(fā)射延遲以及存儲(chǔ)在發(fā)射控制電路上寄存器中的波形數(shù)據(jù)，一起控制發(fā)射控制線路上的動(dòng)作，使之發(fā)射需要的聚焦超聲波形。
在由控制信號(hào)LSIGDUR決定的PRI時(shí)段中，行信號(hào)寄存器中的內(nèi)容被周期性地刷新。在PRI的結(jié)尾，行信號(hào)寄存器132中的行信號(hào)字0發(fā)出一個(gè)行結(jié)束信號(hào)EOLN給幀序列發(fā)生器，標(biāo)志當(dāng)前的PRI結(jié)束，而這即把波束合成器的控制返回給幀序列發(fā)生器，以供下一PRI用。序列發(fā)生器繼續(xù)以這種方式操作，直到獲得一幀完整的圖像數(shù)據(jù)(對(duì)圖像操作而言)。
圖10描述求和網(wǎng)絡(luò)320，它把來(lái)自前端ASIC上八個(gè)通道的延遲回波數(shù)據(jù)連接起來(lái)形成一個(gè)連續(xù)的回波采樣。累加器網(wǎng)絡(luò)在累加器552的輸出端把ASIC上的所有延遲回波相加起來(lái)。累加器554緊接在累加器552之后，它把來(lái)自另一個(gè)波束合成器ASIC的求和回波加進(jìn)來(lái)。這個(gè)附加的累加器554允許多個(gè)前端ASIC串聯(lián)起來(lái)形成一個(gè)有很多通道的波束合成器如一個(gè)16通道或32通道的波束合成器。例如，ASIC30的八個(gè)ASIC能夠串聯(lián)起來(lái)形成一個(gè)64通道的波束合成器。
圖11描述了一個(gè)前端ASIC上的動(dòng)態(tài)聚焦控制器314如何進(jìn)行操作。動(dòng)態(tài)聚焦控制器根據(jù)一個(gè)熟知的動(dòng)態(tài)聚焦延遲變量的指數(shù)方程控制數(shù)字延遲器312的時(shí)間延遲，該方程曲線如圖14所示。正如曲線150所描述的，每一個(gè)數(shù)字延遲在一個(gè)相對(duì)高的水平開始，然后隨時(shí)間下降。指數(shù)曲線150被一些小圈分成數(shù)段，如圖13中沿其橫坐標(biāo)所示的那樣，各段中的焦距不同。如該曲線或各線段所示，當(dāng)從不斷增加的距離上接收回波時(shí)，焦距變化的速率隨時(shí)間降低。
按圖11的布置，通過把存儲(chǔ)在內(nèi)部聚焦數(shù)據(jù)RAM152中的兩個(gè)數(shù)值加載到一個(gè)編碼器和動(dòng)態(tài)聚焦控制器的一個(gè)計(jì)數(shù)器中，實(shí)現(xiàn)上述功能。其中一個(gè)數(shù)值定義聚焦曲線段的長(zhǎng)度，被加載到編碼器154和段長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器156中。另一個(gè)數(shù)值定義聚焦速率和各曲線段中焦點(diǎn)的刷新次數(shù)，加載到編碼器154中。該編碼器使用由內(nèi)部RAM提供的這兩個(gè)數(shù)值產(chǎn)生一個(gè)刷新間隔值，即兩次聚焦刷新之間的時(shí)間間隔。刷新間隔值由聚焦計(jì)數(shù)器進(jìn)行重復(fù)倒計(jì)時(shí)，在計(jì)數(shù)器倒計(jì)到末尾時(shí)產(chǎn)生一個(gè)聚焦刷新信號(hào)，同時(shí)觸發(fā)一個(gè)命令給控制狀態(tài)設(shè)備160去刷新焦距。然后，控制狀態(tài)設(shè)備160向采樣狀態(tài)設(shè)備發(fā)出一個(gè)命令，調(diào)節(jié)采樣間隔的相位，接著采樣狀態(tài)設(shè)備發(fā)出一個(gè)與時(shí)鐘信號(hào)CLK2有合適相位關(guān)系的采樣脈沖。
當(dāng)在目前的聚焦曲線段中產(chǎn)生采樣脈沖時(shí)(見圖13)，段長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器156正對(duì)段長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)段長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到段的末尾時(shí)，它向聚焦刷新計(jì)數(shù)器發(fā)出一個(gè)段結(jié)束信號(hào)，把下一個(gè)刷新間隔加載到計(jì)數(shù)器158中。段結(jié)束情況亦通知控制狀態(tài)計(jì)數(shù)器160和地址計(jì)數(shù)器153，后者計(jì)數(shù)增加以訪問定聚焦數(shù)據(jù)RAM152中的下一個(gè)地址，從而為下一個(gè)聚焦段產(chǎn)生一些數(shù)值。
RISC處理器提供的采樣率被控制狀態(tài)設(shè)備160也應(yīng)在采樣脈沖中予以考慮，采樣率表示系統(tǒng)的控制時(shí)鐘頻率與標(biāo)稱采樣頻率之比。
控制狀態(tài)設(shè)備160的使能輸入端口的一個(gè)信號(hào)在PRI開始時(shí)的初始延遲期內(nèi)禁止動(dòng)態(tài)聚焦控制器，該延遲由延遲計(jì)數(shù)器164計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器164完成初始延遲的計(jì)數(shù)后，啟用控制狀態(tài)設(shè)備160，它再依次啟用段長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器156和聚焦刷新計(jì)數(shù)器158，從而針對(duì)下一個(gè)PRI開始工作。
圖12和圖15描述了動(dòng)態(tài)加權(quán)控制器318如何工作。延遲數(shù)字回波信號(hào)的輸出是通過置位行信號(hào)字0內(nèi)的移出使能信號(hào)位SOEN而開始的。SOEN信號(hào)激活圖15中的行采樣存儲(chǔ)器190上的讀取地址計(jì)數(shù)器194。該圖描述了一個(gè)用于數(shù)字延遲器312的雙端RAM。本例中的雙端RAM通過連續(xù)地訪問接收到的回波信號(hào)的存儲(chǔ)地址工作在FIFO方式。通過賦予地址計(jì)數(shù)器192時(shí)序，將接收到的回波寫到存儲(chǔ)器190中一個(gè)地址連續(xù)的區(qū)域。當(dāng)輸入使能信號(hào)啟動(dòng)寫入放大器196時(shí)，送往寫放大器196的數(shù)據(jù)入輸入端的回波信號(hào)存到由寫入地址計(jì)數(shù)器192確定的區(qū)域中。類似地，如果需要也可以同時(shí)按一定的順序從存儲(chǔ)器190中讀取存儲(chǔ)的回波信號(hào)，該順序是在用輸出使能信號(hào)讀讀出放大器198時(shí)，通過讀取地址計(jì)數(shù)器194的計(jì)數(shù)增加來(lái)接收這些信號(hào)的順序。
SOEN信號(hào)出現(xiàn)之時(shí)，讀取地址計(jì)數(shù)器194開始工作，采樣輸出時(shí)鐘使該計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)增加。在稱之為“加權(quán)延遲”的初始輸出期間，讀取地址計(jì)數(shù)器194的計(jì)數(shù)增加到一個(gè)特定起始地址，從它開始的數(shù)據(jù)要提取求和。在這個(gè)加權(quán)延遲周期期間，輸出使能信號(hào)還沒有為存儲(chǔ)器激活讀出放大器198。因此，這時(shí)存儲(chǔ)器不進(jìn)行回波采樣輸出，因此存儲(chǔ)器此時(shí)的非活動(dòng)輸出狀態(tài)還節(jié)省了電能。
當(dāng)預(yù)定的加權(quán)延遲期結(jié)束并且讀取地址計(jì)數(shù)器194指向待求和回波序列的合適的起始地址時(shí)，輸出使能信號(hào)激活存儲(chǔ)器的讀出放大器198，同時(shí)從存儲(chǔ)器190中讀取回波信號(hào)并傳輸給乘法器316。這些回波信號(hào)在圖12中稱為“延遲樣本”，因?yàn)樗鼈冊(cè)诩訖?quán)延遲期后產(chǎn)生。同時(shí)，采樣輸出時(shí)鐘脈沖傳輸給圖12中的采樣計(jì)數(shù)器172。這個(gè)采樣輸出時(shí)鐘在圖12中稱為延遲采樣輸出時(shí)鐘，同樣是因?yàn)樗诩訖?quán)延遲期后產(chǎn)生。
采樣計(jì)數(shù)器172對(duì)輸出回波樣本的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，它計(jì)入延遲樣本加權(quán)被保持恒定的時(shí)段。采樣計(jì)數(shù)器172的計(jì)數(shù)與時(shí)段長(zhǎng)度寄存器176中的當(dāng)前時(shí)段數(shù)進(jìn)行比較。在該時(shí)段期間，加權(quán)數(shù)據(jù)表178為乘法器316產(chǎn)生一個(gè)加權(quán)數(shù)，對(duì)存儲(chǔ)器190輸出的樣本進(jìn)行加權(quán)。當(dāng)比較器174產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)表示當(dāng)前加權(quán)時(shí)段的結(jié)束時(shí)，比較器產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)使時(shí)段選擇控制器182和加權(quán)選擇控制器184選擇一個(gè)新的計(jì)數(shù)時(shí)段和權(quán)重用于對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行加權(quán)。這使得延遲采樣在新的加權(quán)時(shí)段由新的權(quán)重加權(quán)。
時(shí)段選擇控制器182和加權(quán)選擇控制器184都是可編程控制器，新的控制數(shù)據(jù)可以從RAM32加載到它們中。比較器174在當(dāng)前時(shí)段結(jié)束時(shí)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，此時(shí)時(shí)段選擇控制器182將根據(jù)它的控制數(shù)據(jù)把寄存器176增加到一個(gè)新的時(shí)段長(zhǎng)度或保持它的當(dāng)前輸出長(zhǎng)度。在當(dāng)前PRI的末尾，行序列發(fā)生器將以時(shí)段長(zhǎng)度寄存器176的初始值重新設(shè)置它。加權(quán)選擇控制器184也類似地通過加權(quán)選擇數(shù)據(jù)表178的一個(gè)地址序列有選擇地增加。當(dāng)加權(quán)選擇控制器產(chǎn)生一個(gè)新的地址時(shí)，該地址用于加權(quán)數(shù)據(jù)表178，將其中被尋址處的加權(quán)值傳輸給乘法器316，乘法器使用該值對(duì)回波采樣進(jìn)行加權(quán)。加權(quán)選擇控制器中地址的使用通過乘法器316，多路復(fù)用器186還用于使加權(quán)數(shù)據(jù)表178在測(cè)試或校準(zhǔn)序列期間產(chǎn)生一個(gè)“0”或“1”的加權(quán)值。
圖14中的曲線180舉例表示按圖12的布置使用的加權(quán)函數(shù)。如曲線所示，對(duì)初始加權(quán)延遲時(shí)段184，這種布置未產(chǎn)生加權(quán)值，從雙端RAM存儲(chǔ)器190未產(chǎn)生回波值。初始時(shí)段后的曲線增加到第一加權(quán)水平181，然后隨時(shí)間延長(zhǎng)加權(quán)水平越來(lái)越高。同時(shí)，曲線180上水平臺(tái)階表示的加權(quán)不變的時(shí)段不斷延長(zhǎng)。應(yīng)當(dāng)清楚，可以使用零加權(quán)，初始階段使用零加權(quán)能有效地延長(zhǎng)加權(quán)延遲時(shí)段183。
RISC處理器50位于后端ASIC上，它用于調(diào)節(jié)手持超聲系統(tǒng)所有的時(shí)序。RISC處理器連接到其它所有位于ASIC上的主要功能區(qū)，從而調(diào)節(jié)時(shí)序并將一些必需的數(shù)據(jù)加載到緩沖器或寄存器中，以完成用戶需要的各種處理過程或顯示。用于操作RISC處理器的程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在程序存儲(chǔ)器52中，它能夠被RISC處理器訪問。RISC處理器的時(shí)序由位于前端ASIC 30上的時(shí)鐘發(fā)生器350產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)提供。RISC處理器還通過PCMCIA或/和紅外發(fā)射接口進(jìn)行通訊，通過它們，處理器可以訪問其它的程序數(shù)據(jù)或進(jìn)行圖像信息的遠(yuǎn)程發(fā)送。例如，該接口與遙測(cè)鏈路或調(diào)制解調(diào)器連接用于從手持單元向遠(yuǎn)方發(fā)送超聲圖像。
RISC處理器的操作處于用戶的控制之下，用戶通過在用戶控制器70上輸入命令或信息進(jìn)行控制。圖16中的表描述了各種控制功能、控制類型以及對(duì)它們的說明。值得慶幸的是許多功能是通過菜單進(jìn)行操作的，比如病人數(shù)據(jù)輸入、電影回放操作以及3D檢查，從而盡量減少手持單元上的鍵或控制按鈕的數(shù)目。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化單元，針對(duì)一些特定診斷應(yīng)用預(yù)編程了一些操作功能，它們?cè)谶x定這些特定應(yīng)用時(shí)將自動(dòng)進(jìn)行操作。例如，選擇B超成像將自動(dòng)調(diào)用頻率復(fù)合和深度補(bǔ)償濾波功能，而當(dāng)選擇多普勒操作時(shí)，自動(dòng)將一個(gè)四階濾波器設(shè)置成隔離(wall)濾波器。通過菜單選擇特定診斷應(yīng)用時(shí)能夠自動(dòng)調(diào)用一些特定的設(shè)置特性比如TGC控制特性及聚焦區(qū)。
權(quán)利要求
1．一臺(tái)手持式超聲設(shè)備包括外殼；置于所述外殼內(nèi)并通過一聲學(xué)窗口檢測(cè)病人的換能器陣；置于所述外殼內(nèi)的接收器，用于從所述的換能器陣各陣元接收回波；以及置于所述外殼內(nèi)且與所述接收器相連的數(shù)字波束合成器，用于數(shù)字延遲和聯(lián)接由所述的換能器陣元接收到的回波信號(hào)以形成超聲束。
2．權(quán)利要求1中的手持式超聲設(shè)備，其特征在于所述的數(shù)字波束合成器包括一數(shù)字延遲設(shè)備，用于數(shù)字延遲從所述換能器陣的各陣元接收的回波信號(hào)。
3．權(quán)利要求2中的手持式超聲設(shè)備，其特征在于數(shù)字波束合成器包括多個(gè)數(shù)字延遲設(shè)備，用于接收從各換能器陣元來(lái)的回波信號(hào)，數(shù)字延遲設(shè)備串聯(lián)聯(lián)接以求和延遲回波信號(hào)。
4．權(quán)利要求2中的手持式超聲設(shè)備，其特征在于數(shù)字延遲設(shè)備包括多個(gè)數(shù)字FIFO寄存器。
5．權(quán)利要求2中的手持式超聲設(shè)備，其特征在于數(shù)字延遲設(shè)備包括多個(gè)數(shù)字存儲(chǔ)器。
6．權(quán)利要求5中的手持式超聲設(shè)備，其特征在于數(shù)字存儲(chǔ)器包括雙端隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。
7．權(quán)利要求2中的手持式超聲設(shè)備，其特征在于推遲把接收到的回波信號(hào)存儲(chǔ)到所述的數(shù)字存儲(chǔ)設(shè)備的開始時(shí)間，從而提供初始延遲。
8．權(quán)利要求1中的手持式超聲設(shè)備，其特征在于數(shù)字波束合成器包括提供對(duì)接收回波信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚焦的裝置。
9．權(quán)利要求8中的手持式超聲設(shè)備，其特征在于還包括多個(gè)模擬到數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器用于把接收到的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字樣本，其中所述的動(dòng)態(tài)聚焦裝置包括控制該A/D轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)間的裝置。
10．權(quán)利要求1中的手持式超聲設(shè)備，其特征在于數(shù)字波束合成器還包括以動(dòng)態(tài)接收孔徑效果函數(shù)把接收的回波信號(hào)加權(quán)的裝置。
11．權(quán)利要求10中的手持式超聲設(shè)備，其特征在于數(shù)字波束合成器包括多個(gè)通道，其中每個(gè)通道都包括一數(shù)字延遲設(shè)備，其中加權(quán)設(shè)備包括連接到每個(gè)數(shù)字延遲設(shè)備輸出端的多路復(fù)用器。
12．權(quán)利要求1中的手持式超聲設(shè)備，其特征在于陣列換能器具有多個(gè)發(fā)射孔徑，每個(gè)孔徑由相鄰的多個(gè)陣元組成，其中各組所述的相鄰換能器陣元中的每個(gè)陣元都連接到不同的所述多個(gè)多路發(fā)射復(fù)合器的不同多路復(fù)用器，由此在超聲波序列發(fā)射期間，一組所述換能器陣元利用所述多路發(fā)射復(fù)用器激發(fā)。
13．權(quán)利要求1中的手持式超聲設(shè)備，還包括連接在多個(gè)換能器陣元和所述波束合成器之間的多個(gè)多路接收復(fù)合器，其特征在于所述多路接收復(fù)用器響應(yīng)換能器孔徑選擇信號(hào)，從而把選定的換能器陣元接收的回波信號(hào)傳輸?shù)剿霾ㄊ铣善?，?lián)接成超聲波束。
14．權(quán)利要求13中的手持式超聲設(shè)備，其特征在于陣列換能器具有多個(gè)接收孔徑，每個(gè)接收孔徑由一組換能器陣元組成，其中，所述相鄰陣元組中的所有陣元都連接到不同的所述多路接收復(fù)用器，由此在超聲掃描線接收期間，每組陣元換能器接收的回波信號(hào)都利用所述的多個(gè)多路接收復(fù)用器連接到所述的波束合成器。
15．權(quán)利要求13中的手持式超聲設(shè)備，其特征在于多路接收復(fù)用器連接形成折疊接收孔徑。
16．權(quán)利要求13中的手持式超聲設(shè)備，其特征在于還包括帶通濾波電路，對(duì)所述陣列換能器的所述陣元接收的回波信號(hào)進(jìn)行濾波。
17．手持式超聲設(shè)備包括外殼；位于所述外殼內(nèi)并通過聲學(xué)窗口檢測(cè)病人的陣列換能器；置于所述外殼內(nèi)的收發(fā)電路，它恰好位于所述陣列換能器之后且連接到該陣列換能器各陣元，以激勵(lì)所述陣元發(fā)射超聲波或從該陣元接收回波；以及置于所述外殼內(nèi)的數(shù)字波束合成器，它連接到所述收發(fā)電路，控制所述陣列換能器發(fā)射超聲波，或延遲該陣列換能器陣元接收的回波信號(hào)并加以組合形成超聲束。
18．權(quán)利要求17中的手持式超聲設(shè)備，其特征在于陣列換能器包括弧形陣列換能器。
19．超聲成像系統(tǒng)的集成電路包括位于所述集成電路上的多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器；位于該集成電路上的多個(gè)數(shù)字延遲器，連接接收A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)；以及求和電路，連接用于組合來(lái)自所述數(shù)字延遲器的數(shù)字信號(hào)。
20．權(quán)利要求19中的集成電路，其特征在于集成電路還包括多個(gè)連接到所述A/D轉(zhuǎn)換器輸入端的模擬輸入插腳，以及多個(gè)輸出插腳，這些輸出插腳提供由所述求和電路產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)。
21．權(quán)利要求19中的集成電路，其特征在于數(shù)字延遲器包括多個(gè)數(shù)字延遲線。
22．權(quán)利要求21中的集成電路，其特征在于數(shù)字延遲線路包括FIFO寄存器。
23．權(quán)利要求21中的集成電路，其特征在于數(shù)字延遲線包括多個(gè)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。
24．權(quán)利要求23中的集成電路，其特征在于隨機(jī)存取存儲(chǔ)器包括雙端口RAM。
25．手持式超聲成像設(shè)備包括陣列換能器；以及波束合成集成線路芯片，它包括多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，它們具有一些輸入端口以連接接收從所述換能器來(lái)的信號(hào)；多個(gè)數(shù)字延遲器，連接接收所述A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)；以及求和電路，連接用于組合從所述數(shù)字延遲器來(lái)的數(shù)字信號(hào)；以及外殼，用于放置所述陣列換能器和所述集成電路。
26．權(quán)利要求25中的手持式超聲成像設(shè)備，還包括位于所述外殼內(nèi)的第二個(gè)波束合成集成電路，它包括多個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，它們具有一些輸入端口以連接接收從所述換能器來(lái)的信號(hào)；多個(gè)數(shù)字延遲器，連接接收所述A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)；以及求和電路，連接用于組合從所述數(shù)字延遲器來(lái)的數(shù)字信號(hào)；以及互連器，用于把所述第二個(gè)波束合成集成電路芯片的求和電路連接到所述第一波束合成集成芯片的求和電路上。
27．權(quán)利要求25中的超聲成像設(shè)備，其特征在于波束合成集成電路芯片包括制作在一個(gè)集成電路芯片上的八個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和八個(gè)數(shù)字延遲器。
28．權(quán)利要求25中的超聲成像設(shè)備，其特征在于波束合成集成電路芯片包括多組制作在一個(gè)集成電路芯片上的八個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和八個(gè)數(shù)字延遲器。
全文摘要
該手持式超聲設(shè)備封裝在一便攜式單元內(nèi),能執(zhí)行B超和多普勒成像功能。它包括置于手持式封裝內(nèi)的換能器陣列,該換能器陣列帶有連接到陣列各陣元的集成電路收發(fā)器以接收回波信號(hào)。數(shù)字波束合成器也置于手持式封裝內(nèi),將陣列各陣元接收到的回波信號(hào)形成超聲掃描線。
文檔編號(hào)G10K11/00GK1212146SQ9810897
公開日1999年3月31日 申請(qǐng)日期1998年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月27日
發(fā)明者W·R·奧勒, J·庫(kù)格林, L·格雷瑟, S·G·達(dá)尼爾森, B·W·利特勒, L·S·普夫盧格拉思 申請(qǐng)人:索諾塞特公司