專利名稱：高分辨率超聲波成象裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面掃描和成像技術(shù)，特別是涉及一種用于表面掃描和成像的新式改進(jìn)型超聲方法及其裝置。
背景技術(shù)：
雖然本發(fā)明的原理可以用于各種皮下和其它生物統(tǒng)計學(xué)結(jié)構(gòu)的掃描和成像，但是本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域之一是指紋的掃描和成像。由于超聲波圖像受手指表面狀態(tài)的影響較小，所以采用超聲波技術(shù)獲得的圖像，其質(zhì)量優(yōu)于采用光學(xué)技術(shù)獲得的圖像。這樣，不管是非常干燥的手指還是非常油膩的手指，也不管是沾滿污垢的手指還是具有不規(guī)則紋路的手指，采用超聲波技術(shù)可以獲得質(zhì)量一樣的成像。
在提供用于掃描和成像指紋、皮下和其它生物統(tǒng)計學(xué)結(jié)構(gòu)的方法和裝置時，著重考慮的是系統(tǒng)的分辨率并希望最終的圖像的分辨率越高越好。另一個著重考慮的問題是盡可能快地完成掃描以盡量縮短延遲和減少不便，并避免對受測者造成任何不適。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目標(biāo)是提供對人體和動物組織進(jìn)行成像的方法和裝置，它具有較高的圖像分辨率和極快的掃描速度。
本發(fā)明提供一種對具有一個表面的人體和動物組織成像的超聲波成像系統(tǒng)和方法，它包含探針(probe)裝置，該探針裝置包括一個通過支撐待成像的人體或動物組織來限定表面的裝置；緊靠支撐裝置的換能器裝置，該換能器裝置提供導(dǎo)向表面的輸出超聲波束從而使焦點處的波束盡可能小而系統(tǒng)的分辨率最大；以及沿兩個方向移動換能器裝置從而提供超聲波束作表面兩維掃描的移動裝置。另外還提供了與探針裝置在操作上連接的掃描控制器裝置，該掃描控制器裝置控制移動裝置以提供表面掃描；和在操作上與探針裝置連接的信號處理器裝置，該信號處理器裝置接收產(chǎn)生的信號以響應(yīng)表面掃描并處理這些信號。對于采用擺動式液壓電機(jī)來移動換能器裝置以沿精確的路徑引導(dǎo)超聲波束的移動裝置，提供了在操作上與電機(jī)相連并輸出電機(jī)角旋轉(zhuǎn)量信息的編碼器裝置。另外在電機(jī)轉(zhuǎn)軸與包含換能器裝置的液體填充區(qū)域之間提供了擺動式柔性防液體滲漏密封件，從而使電機(jī)阻力最小。可以沿上述精確路徑安置多個換能器以增加掃描速度。另一種形式的移動裝置在儲存的機(jī)械能受控釋放下工作。本系統(tǒng)及其方法可以用于指紋掃描和處理以及生物統(tǒng)計學(xué)識別與驗證系統(tǒng)，其中成像系統(tǒng)與包含所記錄的生物統(tǒng)計學(xué)圖像的記錄部件和進(jìn)行比較功能的處理器聯(lián)用?？梢詫⒍鄠€換能器裝置排列成線列或者兩維相控，并用電子學(xué)手段控制超聲波束的聚焦和指向。在指紋成像中，可以將手指放于曲面板上并使換能器裝置相對其運動，或者在與前面述及的兩維相控陣相連的平板上滾動手指，或者在曲面板上提供有關(guān)的陣列來完成從指甲的一側(cè)邊緣到另一側(cè)的掃描。
附圖的簡要說明

圖1為按照本發(fā)明的超聲波成像系統(tǒng)框圖；圖2為圖1系統(tǒng)內(nèi)探針裝置的局部剖面的示意圖；圖3為表示圖2探針裝置操作的示意圖；圖4為表示圖2探針裝置的一個方面操作的曲線圖；圖5為表示圖2探針裝置的一個方面操作的曲線圖；圖6為表示編碼器角度分辨率與探針臂長之間的一個方面關(guān)系的示意圖；圖7為表示編碼器角度分辨率與探針臂長之間的另一個方面關(guān)系的示意圖；
圖8為圖2探針裝置內(nèi)的平板的側(cè)視圖；圖9為圖8平板的頂視圖；圖10為圖2探針裝置的換能器的示意圖；圖11-13為表示圖2探針裝置中電機(jī)轉(zhuǎn)軸所用擺動密封件的示意圖；圖14和15為表示本發(fā)明系統(tǒng)兩種不同掃描模式的示意圖；圖16和17為表示通過校正透鏡焦距來減小換能器斑點尺寸的示意圖；圖18為表示圖1系統(tǒng)的信號處理器的示意圖；圖19為包含說明圖18的信號處理器操作的波形的曲線圖；圖20為圖1系統(tǒng)的一種電源式樣的示意圖；圖21為圖1系統(tǒng)的另外一種電源式樣的示意圖；圖22為表示圖1系統(tǒng)的掃描控制器的示意框圖；圖23A-23F為進(jìn)一步表示本發(fā)明的方法及其裝置的操作而給出的軟件流程圖的示意圖；圖24為用波形表示本發(fā)明方法及其裝置的系統(tǒng)時序的曲線圖；圖25為表示圖1系統(tǒng)的數(shù)據(jù)緩沖器的示意框圖；圖26為表示將多個換能器用于本發(fā)明的探針的示意圖；圖27為按照本發(fā)明的用于指紋掃描的另外一種探針結(jié)構(gòu)的局部透視示意圖；圖28為表示在識別系統(tǒng)中采用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的框圖；圖29為表示圖28無線樣式的系統(tǒng)的示意圖；圖30和31為表示在驗證系統(tǒng)中采用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的框圖；圖32為表示圖30無線樣式的系統(tǒng)的示意圖；圖33為按照本發(fā)明的彈簧驅(qū)動探針機(jī)構(gòu)透視示意圖；以及圖34為按照本發(fā)明的固態(tài)探針結(jié)構(gòu)的方框圖。
實施發(fā)明的較佳方式按照本發(fā)明的超聲波成像系統(tǒng)10示于圖1中。探針部件12是系統(tǒng)的一部分，負(fù)責(zé)移動換能器以獲取兩維掃描窗口，對于指紋成像，典型的是0.75″×0.75″。探針部件12的移動受掃描控制器14的電子裝置的控制。掃描控制器14包含驅(qū)動探針部件12的電機(jī)所需電機(jī)的驅(qū)動器邏輯，其方式將在下面描述。探針部件12的換能器輸出的數(shù)據(jù)隨后由信號處理器16接收，在那里經(jīng)過放大、范圍選通、峰值檢測和A/D轉(zhuǎn)換。該數(shù)據(jù)接著被存入與任何適于接收和處理原始指紋數(shù)據(jù)的裝置相接的高速數(shù)據(jù)緩沖隨機(jī)存取存儲器18。諸如通用計算機(jī)或者定制的指紋圖像處理器之類的裝置都可以用在這里。所有的系統(tǒng)組件和子部件都由定制的電源20供電，它提供了系統(tǒng)運行所需的電壓。下面將進(jìn)一步詳細(xì)描述每個組件。
圖1系統(tǒng)所用技術(shù)的一個應(yīng)用是獲取膚紋或手指受摩擦的那皮膚表面的圖像，即指紋。采用超聲波技術(shù)獲取的圖像，由于其受手指表面狀態(tài)的影響較小，質(zhì)量優(yōu)于用光學(xué)技術(shù)獲取的圖像。在1993年6月29日頒發(fā)的題為“采用高分辨率C-掃描超聲波成像術(shù)的表面特征標(biāo)準(zhǔn)”的美國專利No.5,224,174中對此作了詳細(xì)的討論，它已通過引用包含在這里。因此可以獲得質(zhì)量一樣的成像，不管是非常干燥的手指還是非常油膩的手指，也不管是沾滿污垢的手指還是表面紋路不規(guī)則的手指。為了獲取高質(zhì)量的指紋圖像，按照本發(fā)明所確定的，關(guān)鍵在于使換能器的斑點尺寸很小，直徑不超過0.002″。斑點尺寸直接與系統(tǒng)的分辨率有關(guān)。為了獲得這樣直徑大小的斑點尺寸，換能器必須制成具有合適的孔徑、頻率和焦距的比率。按照本發(fā)明，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在整體元件孔徑約為0.180″和焦距約為0.25″時頻率為30MHz左右最佳。按照本發(fā)明的超聲波方法及其裝置可以用于掃描人體和動物組織的其它表面，如掌心、腳趾等。
采用超聲波進(jìn)行指紋成像的第二個基本優(yōu)點是利用在手指內(nèi)發(fā)現(xiàn)的皮下特征來再現(xiàn)摩擦皮膚圖像。當(dāng)手指外表面上的紋路細(xì)節(jié)因輕微的割破伴隨損傷而暫時變化時，或者因過度潮濕而無法辨認(rèn)時，這就顯得很有用。皮膚的緊貼底面包括表面摩擦皮膚的所有細(xì)節(jié)；因此，通過對表皮的緊貼底面成像，可以獲得無任何缺陷的手指外表面的指紋圖像。皮膚的第二層或者真皮層還包括與摩擦皮膚膚紋相對應(yīng)的痕跡。該皮膚層由已知是真皮乳頭的結(jié)構(gòu)組成，它們呈雙行排列，每一行都位于表皮層的一條紋路內(nèi)。要求獲得緊貼表皮之下的皮下圖像對圖1所示系統(tǒng)唯一的修改就是對來自該深度而非表面的超聲波信號進(jìn)行處理。通過調(diào)節(jié)范圍選通器(range gate)可以實現(xiàn)這一點。范圍選通器是一個窗口，它能使某一部分的返回信號傳輸至信號處理電子線路內(nèi)；因此，范圍選通器在時間上的延遲對應(yīng)著手指內(nèi)不同深度處的成像。這將作進(jìn)一步的詳細(xì)描述對于那些摩擦皮膚缺乏足夠多的供分析細(xì)節(jié)的人來說，皮下成像技術(shù)特別有用。這包括具有遭受過從手指表面被輕微劃傷到被嚴(yán)重灼傷等程度不等的外傷的手指或手的那些人。這項技術(shù)對于在手指表面上的紋路結(jié)構(gòu)已被磨損掉的情況下的成像也是有幫助的。由于出現(xiàn)上面幾種情況的人占了相當(dāng)大比重，所以象光學(xué)指紋閱讀器這樣無法在手指面下成像的其它裝置，其性能上的弱點就非常明顯。
圖1系統(tǒng)技術(shù)的第三個潛在優(yōu)勢是在完全嶄新的生物統(tǒng)計學(xué)中的應(yīng)用。眾所周知，遍及人體的血管分布已經(jīng)被用作識別個人特征的手段。用來獲取這些圖像的技術(shù)通常在用戶看來帶有侵犯性，因此無法在商業(yè)市場上獲得成功。這里所述的系統(tǒng)能夠透入手指表面以下并對血管和其它皮下結(jié)構(gòu)成像。這些結(jié)構(gòu)的數(shù)量巨大，包含了足以正確識別個體的信息。從完全嶄新的生物統(tǒng)計學(xué)的發(fā)展可以預(yù)期，這種生物統(tǒng)計學(xué)方法在利用指紋識別個體的后處理中將會更為簡單。這種簡單特性提高了處理量，使結(jié)果更為精確并降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，由此降低了系統(tǒng)成本。為了在手指內(nèi)部一定深度成像，必須采用低頻換能器。按照本發(fā)明已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，15MHz左右頻率的超聲波由于能更為透入手指內(nèi)部更深而衰減較小，所以是優(yōu)化的選擇。
現(xiàn)在將詳細(xì)描述圖1系統(tǒng)的各種部件或組件。探針裝置或部件12包含通過支撐待成像的人體或動物組織來限定表面32的平板型裝置30，輸出超聲波束的換能器裝置34以及將換能器裝置34定位于緊靠支撐裝置30的裝置36，它將超聲波束導(dǎo)向表面32從而使得焦點附近的波束尺寸盡可能地小以使系統(tǒng)的分辨率最大。接下來定位裝置36又包括移動換能器裝置34以在表面32上沿第一方向引導(dǎo)波束的第一裝置38和移動換能器裝置34以在表面32上沿第二方向引導(dǎo)波束的第二裝置40。第一方向從圖2觀察進(jìn)出于紙面而第二方向從圖2觀察由紙面的左邊到右邊。在所示的探針部件中，第一裝置38包含使換能器34擺動以使超聲波束沿表面32精確路徑移動的電機(jī)裝置，第二裝置40包含移動換能器34以使超聲波束沿表面32上的直線路徑移動的電機(jī)裝置。探針12由此完成了對支撐于表面32上的人體或動物組織的兩維掃描。
線掃描特別是通過利用直流無刷電機(jī)38或等同的限定角扭矩電機(jī)使固定焦距的單個元件34作擺動來完成的。光學(xué)編碼器44安裝在直流無刷電機(jī)38的基座上并附著在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上以向掃描控制器14內(nèi)的控制電子電路提供有關(guān)電機(jī)38轉(zhuǎn)動位置的反饋信息。
換能器34通過合適的手段，例如粘合劑固定在探針臂48上，探針臂48附著于直流無刷電機(jī)38的轉(zhuǎn)軸上，在電機(jī)每次轉(zhuǎn)動預(yù)定角度時掃出一段圓弧。換能器直接位于放置待成像手指的平板30之下。為了盡可能地減少超聲波在傳播到手指過程中能量的衰減，整個換能器位于充滿液體的區(qū)域內(nèi)，即盛水的腔體50內(nèi)。這就需要在探針上的兩個地方安裝不透水密封件。第一密封件為通常標(biāo)以52的擺動密封件并用來密封擺動電機(jī)的轉(zhuǎn)軸。第二密封件是一個用于形成整個盛水腔體44的大型波紋軟管54。波紋軟管54的一端用例如螺絲56不透液體地緊固在電機(jī)支架58上，而另一端用螺絲62不透液體地緊固在圍繞平板30的探針外罩64上。對擺動密封件52將作詳細(xì)的描述。充液區(qū)域50包含超聲波傳導(dǎo)介質(zhì)，例如水、礦物油等。
一旦掃描完一根線，直線傳動電機(jī)型的第二電機(jī)裝置40就被用來沿第二運動軸移動整個部件，從而掃描第二根線。不斷重復(fù)該過程直到面積為0.75″×0.75″的掃描區(qū)域完成成像。在完成掃描后，直線傳動機(jī)構(gòu)40又反繞到位置傳感器68指示的開始位置處，位置傳感器68將在下面作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
需要掃描的區(qū)域是一個尺寸為0.75″×0.75″并沿X-Y軸以0.002″間隔取數(shù)據(jù)點的矩形窗口。圖2的探針構(gòu)造示出了如何利用直線傳動機(jī)構(gòu)40方便地完成Y軸移動的情形。正如將在下面進(jìn)一步詳細(xì)所描述的那樣，直線傳動機(jī)構(gòu)40是一臺帶有將電機(jī)分立的轉(zhuǎn)動步驟轉(zhuǎn)換為以0.002″為步距直線運動的帶有整體齒輪部件的步進(jìn)電機(jī)。但是，正如圖3所示，由于是由圍繞單個支點或者樞軸72轉(zhuǎn)動的探針臂48驅(qū)動的，所以換能器34作非線性運動，由此完成X軸形狀的掃描較為困難。最終的成像顯示出一定程度上的變形，其大小與換能器運動路徑圓弧所限定的曲率相當(dāng)。在這里示出的系統(tǒng)中，沿著X方向掃描0.75英寸需要有60度的圓弧。因此，必須利用線性算法校正掃描圖像的變形。算法可以用系統(tǒng)10中的軟件實現(xiàn)，其作用在于改變每個像素的位置以補(bǔ)償換能器34的圓弧運動。最初，數(shù)據(jù)在掃描時形式存儲，存儲的每行數(shù)據(jù)點代表圖像的一段圓弧。根據(jù)掃描圓弧的長度，算法計算出圖像中各像素的新位置。
特別是，由于單根掃描線的數(shù)據(jù)都已記錄一段圓弧形狀中，所以在沒有首先對圓弧運動進(jìn)行補(bǔ)償時，最終的手指圖像將會變形。為了補(bǔ)償這種運動，系統(tǒng)10的軟件執(zhí)行“線性化”子程序，該子程序?qū)⑾袼赜行У貜拇鎯ζ鲀?nèi)的當(dāng)前位置移至存儲器內(nèi)合適的位置。通過在顯示圖像之前完成這一步驟，圖像將不再變形。以下結(jié)合附圖4和5給出位移數(shù)據(jù)的算法。
沿圖4中曲線80所表示的給定掃描圓弧的數(shù)據(jù)存儲在圖5中以標(biāo)號82表示的存儲器單根直線上。中心像素右邊或左邊的每個像素必須移至事實上比中心像素低的新的存儲位置。隨之而來的是位移多少(即多少個存儲位置)的問題。為了確定這一點，必須理解的是，存儲器的每條直線都代表了與前一條線直線0.002″的位移。此外，直線上的每一點都代表了與前一點0.176°的角位移。認(rèn)識到這些，就能夠?qū)崿F(xiàn)以下的算法。
1.在存儲器中選擇待移動的點。確定其離開中心點多少個像素。
2.利用下式計算角位移＝(從中心點數(shù)起的像素個數(shù))x0.176o3.計算從頂端中心點算起的以英寸為單位的位移。
ΔY＝R-RCos4.由下式計算位移的存儲器線數(shù)線數(shù)＝ΔY/0.002與前述算法相關(guān)的是，圖4中直線84表示半徑R而量R Cos和ΔY的大小分別由圖4中的86和88表示。角位移也示于圖4中。作為掃描結(jié)果存儲的像素在圖5中的90處表示而已調(diào)整的像素，即移至新的存儲器位置的像素在圖5中的92處表示。圖5中的曲線94表示作為線性化子程序結(jié)果而存儲的數(shù)據(jù)，即已調(diào)整好的像素組。
在完成這項處理之后，所存儲的圖像不再有變形，并代表了手指真實的圖像。為了包含足夠的數(shù)據(jù)來生成面積為0.75″×0.75″的最終圖像，必須采集沿Y運動軸的額外的數(shù)據(jù)。要生成0.75″的線性在數(shù)據(jù)必須采集大約0.84″的掃描圓弧。這是因為除非該段直線上的屬于幾段圓弧的所有點都已被掃描，否則就無法生成單根線性化掃描線。對圖3仔細(xì)的研究表明，位于掃描端點處的圓弧只圖像數(shù)據(jù)的邊緣或中心有貢獻(xiàn)。因此，為了獲取足夠的待線性化的數(shù)據(jù)，必須在0.75″以外的窗口獲取額外的樣本。
對于整個掃描形狀的一個重要方面是如何完成實際數(shù)據(jù)點的定時。一種辦法是使自激的定時器以有規(guī)則的時間間隔激發(fā)換能器并采集返回的回波。定時器必須以正比于電機(jī)38速度的速率運行，電機(jī)38每隔0.002″采集一次數(shù)據(jù)點。這種方法的缺點是為了實現(xiàn)適當(dāng)?shù)牟蓸?，需要RPM(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))非常恒定的電機(jī)。這意味著在加速或改變方向時的減速期間無法采集數(shù)據(jù)。這損失了可觀的時間，從而增加了整個掃描時間。
比較好的方法和在本發(fā)明系統(tǒng)中實現(xiàn)的方式是將光學(xué)編碼器44與電機(jī)38的轉(zhuǎn)軸連接起來。光學(xué)編碼器44輸出一個對應(yīng)給定角旋轉(zhuǎn)量的脈沖。該脈沖只依賴于角旋轉(zhuǎn)量而與轉(zhuǎn)動速度無關(guān)。因此，通過選擇具有合適的角分辨率的光學(xué)編碼器并設(shè)計出長度合適的探針臂48，可以從光學(xué)編碼器產(chǎn)生與0.002″換能器位移對應(yīng)而與電機(jī)速率完全無關(guān)的脈沖。這使得成本極低、精度較差的電機(jī)可以在掃描儀中使用。而且，采用這種布局后，可以在電機(jī)38加速和減速期間采集數(shù)據(jù)，從而與前面的方法相比，掃描時間加快了很多。
下面結(jié)合圖6和7，以探針臂長度計算的實例來描述上述內(nèi)容。探針臂48的長度與光學(xué)編碼器44的分辨率和需要掃描區(qū)域的總體尺寸密切相關(guān)。對于本例的系統(tǒng)，手指成像所需的步距為0.002″而需要掃描的區(qū)域為0.75″×0.75″。光學(xué)編碼器44的分辨率為512線/轉(zhuǎn)并提供同相和90°相位差輸出。當(dāng)它與例如惠普HCTL 2020型光學(xué)譯碼器IC相接時，產(chǎn)生一個2048脈沖/轉(zhuǎn)的復(fù)合脈沖。在2048脈沖/轉(zhuǎn)下，獲得了0.175°的角度間隔。
為了在光學(xué)編碼器每個角度增量時跨越0.002″的距離，必須選取合適長度的探針臂48。探針臂長度按照下式計算，由圖6可見，探針臂長度PAL用線段102表示，角度掃描用虛弧線104表示，而所需的步距由虛直線106表示。圖6中的角度表示角度間隔。在步距為0.002″和角度間隔為0.175°時，探針臂長度PAL按照下式計算為0.65″左右sin＝0.002″/PAL＝sin0.175＝0.002/PALPAL＝0.65″與前面聯(lián)系起來，還必須考慮掃描面積大小。需要的掃描面積為0.75″×0.75″。在本實例的系統(tǒng)中，利用無刷電機(jī)38中的霍爾效應(yīng)傳感器提供有關(guān)電機(jī)位置的反饋信息。典型地是以120°的間隔放置三個霍爾效應(yīng)傳感器并以30°的分辨率提供角度位置信息。也就是說，掃描30°倍數(shù)(即30°、60°、90°等)大小的扇區(qū)是非常容易的。選擇60°的扇區(qū)尺寸并在已知所需的掃描線長度為0.75″時計算探針臂長度如下，由圖7可見，線段110表示探針臂長度PAL，虛弧線112表示角度掃描而虛直線114表示所需的掃描線長度。圖7中的角度表示角度間隔。探針臂長度PAL按照下式計算為0.75″左右sin＝0.75″/2/PAL＝sin30＝0.375″/PALPAL＝0.75″這個結(jié)果與按照圖6計算的所需探針臂長度相比，只是略有差異。實際上，將探針臂長度取為0.75″，根據(jù)圖6重新計算步距的分辨率得到的步距為0.0023″，很好地落入了指紋成像誤差允許的范圍之內(nèi)。但是，應(yīng)該指出的是，對光學(xué)編碼器44的電路略作修改，就可以用光學(xué)編碼器代替霍爾效應(yīng)傳感器提供電機(jī)的位置信息。由于光學(xué)編碼器具有高出許多的分辨率，所以扇區(qū)大小無需以30°為增量。這樣可以將探針臂長度減少到理論優(yōu)化值(0.65″)，并選擇一定大小的扇區(qū)提供0.75″長的掃描線(大約70.5°)。
如上所述，為了獲得探針構(gòu)造下的掃描圖形，采用了兩臺電機(jī)。第一電機(jī)38負(fù)責(zé)使壓電換能器沿圓弧形軌跡擺動以獲取沿X軸的單根掃描線數(shù)據(jù)。第二電機(jī)40為直線傳動機(jī)構(gòu)，用來沿Y軸將第一電機(jī)部件步進(jìn)到下一根線上以獲取第二根掃描線。不斷重復(fù)該過程直到整個區(qū)域都被掃描過。
由于具有眾多性能上的優(yōu)點，無刷直流電機(jī)與普通的直流電機(jī)相比，應(yīng)用更為廣泛。這兩種電機(jī)的主要差異在于電機(jī)線圈的換向裝置不同。要使任何直流電機(jī)，必須相對于磁場磁鐵持續(xù)切換通向電機(jī)線圈的電流。在刷型電機(jī)中，這可以借助與開槽換向器圓柱體接觸的碳刷完成，每個電機(jī)線圈與換向器相應(yīng)的匯流條相連。隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，不斷進(jìn)行切換。在這種布局下，由于電刷的磨損，速度和壽命都有所限制。在無刷電機(jī)中，對轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行檢測并連續(xù)向換向電子線路送回信號以進(jìn)行合適的切換。可以采用多種方式完成轉(zhuǎn)子位置的檢測，大多數(shù)廠家采用霍爾效應(yīng)器件。這些器件通常提供了優(yōu)化的性能、尺寸價格比。傳感器相隔120°設(shè)置并成對啟動(fire)以提供位置信息。機(jī)械轉(zhuǎn)動一圈對應(yīng)于720°的電角度。這樣提供了30°的位置反饋分辨率。
三相直流無刷電機(jī)用來使換能器作擺動以產(chǎn)生單線弧形掃描。電機(jī)內(nèi)部有三個向掃描控制器電路14提供反饋信息的霍爾效應(yīng)開關(guān)。該信息提供了相當(dāng)粗略的電機(jī)38角位置的反饋信息。根據(jù)霍爾效應(yīng)開關(guān)的狀態(tài)，掃描控制器通過電機(jī)上的三個繞組或任何一個流出或流入電流。這樣就能夠控制電機(jī)38的速度和方向。由此，通過正確地監(jiān)視霍爾效應(yīng)器件的狀態(tài)，可以使電機(jī)38在扇區(qū)內(nèi)往復(fù)擺動，扇區(qū)的大小是由霍爾效應(yīng)開關(guān)限定的最小分辨率的整數(shù)倍。本實例的系統(tǒng)掃過大約60°的扇區(qū)，這是0.75″長的掃描線所要求的。
一旦電機(jī)38使換能器34掃過一條線之后，直線傳動電機(jī)120就沿第二掃描軸步進(jìn)整個部件。直線傳動機(jī)構(gòu)40是一臺帶有連為一體的導(dǎo)引螺絲122的小型直流步進(jìn)電機(jī)120以將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為直線運動。一旦掃描控制器14檢測到換能器完成了一行線掃描，直線傳動機(jī)構(gòu)40就接受命令沿第二運動軸移動一根線。隨后換能器34沿相反的方向越過手指回掃。不斷重復(fù)該過程直到掃描完所需的區(qū)域。直線傳動機(jī)構(gòu)40隨后又反繞到初始位置以準(zhǔn)備進(jìn)行新的掃描。傳感器68提供了位置反饋信息以指示直線傳動機(jī)構(gòu)40反繞到開始位置。傳感器68向掃描控制器14提供一個信號以終止反繞過程。有好幾種傳感器適合這種應(yīng)用，包括微開關(guān)、霍爾效應(yīng)器件、光學(xué)傳感器等。在本實例中，電機(jī)38采用Globe Motors的559A104(microswitch)型，是光學(xué)編碼器44惠普的HEDS-5640型，而直線傳動機(jī)構(gòu)40是Hayden Switch Instrument的35862型。
支撐裝置或平板30將在圖8和9中詳細(xì)表示。如上所述，平板30在手指與超聲換能器34的水路徑之間形成界面。平板30必須具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度以在掃描過程中對手指提供剛性支撐。平板30的偏斜或變形會導(dǎo)致圖像變形并使軟件后處理更為困難。理想的情況是，平板30的聲阻抗必須與手指皮膚的聲阻抗盡可能匹配。而且，由于迫切需要在不用任何聲耦合元件的情況下將手指放在平板30上，所以平板界面必須能與手指表面充分接觸，盡量減少它們之間的空隙。為了獲得高質(zhì)量的手指圖像，所有這些要求連同平板30必須使高頻超聲波無明顯衰減或無頻率下移地通過的要求都必須滿足。
平板30的結(jié)構(gòu)采用交聯(lián)聚苯乙烯或有機(jī)玻璃材料130，上面覆蓋有硅酮RTV薄層132。聚苯乙烯或有機(jī)玻璃材料130自身的聲阻抗非常接近于人體組織，其適合的厚度提供了必要的機(jī)械剛性和盡可能短的超聲波傳播路徑，例如厚度為1/16到1/8英寸。30MHz的超聲波頻率在材料中傳播時發(fā)生的變化是察覺不到的。為了提供與手指的最大耦合，如果需要，可以覆蓋一層硅酮RTV薄層132。也可以采用其它類型的硅酮乳液橡膠。RTV在保持合適聲阻抗的同時還改善了與手指的機(jī)械耦合。RTV必須具有足夠的厚度以隔斷聚苯乙烯/RTV回波而只處理與RTV/手指界面有關(guān)的回波。RTV所需的厚度取決于換能器34的整體“Q”值。在本實例中，平板體130的厚度大約介于1/16-1/8英寸之間而涂層132的名義厚度大約為0.010-0.030英寸。在平板30的四周提供有一組安裝孔134。
圖10示出了換能器34的示意形式。換能器主體140置于不銹鋼外罩內(nèi)。電纜線142一頭終止于商業(yè)上稱為Microdot的接頭144內(nèi)，另一頭與外罩140內(nèi)的壓電換能器元件電氣連接，通過提供應(yīng)力釋放的由封裝化合物等構(gòu)成的殼體146加強(qiáng)了這種連接并保證了密封。根據(jù)掃描類型的不同可以采用兩種不同形式的換能器34。對于手指成像，可以采用頻率約為30MHz、孔徑約為0.180″而焦距約為0.25″的高頻換能器。該換能器提供的分辨率最高，即其斑點最小，但是由于穿透到手指內(nèi)的距離有限，所以衰減不太大。對于目標(biāo)是人工制品而非指紋結(jié)構(gòu)的皮下掃描，可以采用物理性質(zhì)相似但頻率減小為15MHz左右的第二種換能器。對于這種成像，30MHz的超聲波由于衰減得很厲害，所以信號處理器16的成本太高。因此，將頻率減小一倍就可以接收強(qiáng)得多的信號。
對于換能器34的基本要求是盡可能減少所產(chǎn)生的總體斑點尺寸。斑點尺寸是換能器頻率、孔徑和整體焦距的函數(shù)并由下式給出d＝2.44(fL/D)λ這里d是在過零點(zero crossing point)處測得的斑點尺寸，fL是換能器的焦距，D是換能器孔徑而λ是聲波的波長。在換能器的設(shè)計中，需要使fL/D的比值盡可能地小。利用各種已知的技術(shù)，例如外焦距透鏡、曲面換能器元件或者它們的結(jié)合等可以做到這一點。在本實例中，在-6db點處用/ASTME1065測得的換能器34產(chǎn)生的斑點尺寸為0.002英寸而在從峰值下降20db處測量的振鈴時間為1個循環(huán)。電纜線為Cooner同軸線或者直徑約為0.037英寸的等同物。換能器34的商業(yè)型號為Krautkramer Brasen的389-005-860型。
圖11-13更為詳細(xì)地示出了用作密封電機(jī)38的擺動軸150的擺動密封件52。為了使所用頻率下的超聲波對于此處所述的掃描能在任何相當(dāng)大的距離內(nèi)傳播，聲波必須在水中而不能在空氣中傳播。因此，從換能器34到平板30的第一或內(nèi)表面152的整個聲波路徑必須完全在水中。由于負(fù)責(zé)掃描運動的電機(jī)38和120無法浸入水中持續(xù)一段顯著的任何工作時間，所以需要不透水的密封件。密封件負(fù)責(zé)形成一個用于有限角運動的旋轉(zhuǎn)擺動軸的不透水環(huán)境。角運動大約為轉(zhuǎn)動60度。對于掃描應(yīng)用來說，在10年期間滲水不透是不可接受的。而且，由于跨于密封件不存在壓差，所以無法采用密封工業(yè)中的一些常用技術(shù)。最后，由于密封件直接加載于具有有限扭矩的3相直流無刷電機(jī)38，所以從電機(jī)38的角度看，密封件體相對于扭矩來說應(yīng)呈現(xiàn)最小的負(fù)載。
按照本發(fā)明提供長壽命絕對密封的方法是采用與連桿或電機(jī)轉(zhuǎn)軸150和器璧或類似結(jié)構(gòu)部件156沿電機(jī)轉(zhuǎn)軸方向正附著的柔性球膽52。附著方法包括夾鉗和/或粘連裝置。軟殼用一種諸如膠乳橡膠或其它橡膠之類能夠拉伸但可以阻止流體通過的柔性材料。軟殼52的附著方式使得它在兩個附著點之間是松弛的。這種松弛和材料的拉伸使得電機(jī)38在有限的轉(zhuǎn)動擺動時只受微小的曳力。
這種類型的軟殼密封件只能用于轉(zhuǎn)動并且擺動的總角度受到例如松弛度、允許的拉伸度、附著點和可以利用的電機(jī)扭矩等各種因素的限制。為這種應(yīng)用而選的材料是膠乳基產(chǎn)品，璧厚約0.020″，并且用膠乳材料中固有的防水環(huán)氧樹脂將其與連桿150和壁156密封在一起。
接下來看掃描、獲取來自手指表面或者接近手指表面(例如皮下指紋成像)的圖像的各種模式，超聲波信號的衰減量是最小的。因此，為了獲得最高的空間分辨率，換能器34的頻率要非常高。對于這一應(yīng)用，換能器的頻率約為30MHz。為了獲取緊貼手指表面的結(jié)構(gòu)的圖像，采用了圖14所示的電子范圍選通門它只允許對來自所需處理深度的那些回波進(jìn)行處理。這樣，從處理指紋圖像到處理皮下指紋圖像，系統(tǒng)的修改只涉及選通范圍的改變。這種范圍選通的時序可以由軟件控制，對于在成像的人來說這種改動是明顯的。
在這兩種情況下，如圖14所示，超聲波能量以垂直手指表面的方向進(jìn)入手指。換能器34如此取向使得信號強(qiáng)度最大。但是，分別來自平板30前后面的鏡面反射也返回至換能器34。由于可以使它們不被選通，所以對于表面成像來說不成問題。但是，對于深度皮下成像，當(dāng)試圖在某一路徑成像時，多路徑鏡面反射可能會呈現(xiàn)嚴(yán)重的問題。因此，換能器34必須適當(dāng)取向以消除這些回波。
當(dāng)所考慮的是來自手指更深部位的圖像時，高頻超聲波的衰減是如此的明顯以致于不是信號完全損失就是信號處理器16放大級的增益帶寬積很大，使得系統(tǒng)的成本過高。因此對于這類結(jié)構(gòu)的成像，要采用頻率較低的換能器34，例如頻率大約為15MHz。這樣做略微降低空間分辨率為代價解決了衰減大的問題。但是，由于所考慮的皮下結(jié)構(gòu)比起手指表面發(fā)現(xiàn)的隆起結(jié)構(gòu)要大，所以分辨率的損失并無太大的問題。
在對手指內(nèi)部深處進(jìn)行成像時可能發(fā)生的第二個問題是，根據(jù)所采集的回波所處深度的不同，來自位于聲波路徑內(nèi)的鏡面反射體的多路徑回波可能會遮蔽所考慮的特征。因此，需要去除由鏡面反射體引起的多路徑回波以使所考慮的信號成像。通過如圖15所示將換能器34轉(zhuǎn)動一個足以使鏡面反射回波覺察不到的小角度可以做到這一點。這使得平滑表面產(chǎn)生的任何回波166以一定的角度反射從而使返回的回波不再回到換能器34。由換能器34可以看到的只是那些沿所有方向散射聲波的回波168。人體內(nèi)部大多數(shù)所考慮的結(jié)構(gòu)都趨向于對聲波進(jìn)行散射，從而使得這項技術(shù)在掃描應(yīng)用中的效果非常好。
制造用于聚焦超聲波的透鏡的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是采用固定的半徑以生成透鏡曲面。透鏡材料一般由聚苯乙烯構(gòu)成并加工成所需的尺寸和曲率。透鏡的幾何尺寸決定了換能器的焦距和斑點尺寸。但是，對透鏡方程的分析表明，不變半徑的透鏡無法提供由衍射所限制的斑點尺寸。它們會引起球面象差，而球面象差具有使聚焦的波束模糊或擴(kuò)大的作用其尺寸。這種情況示于圖16。因此，為了將斑點尺寸降低到理論上的最小值，必須采用非球面鏡、曲面型換能器元件或者它們的結(jié)合。在圖17中示出了經(jīng)過校正減小了斑點尺寸的透鏡。
如上所述，系統(tǒng)控制和電子線路包括四個主要部件信號處理器16、電源20、掃描控制器14和數(shù)據(jù)緩沖器18。信號處理器16負(fù)責(zé)驅(qū)動和接收往來于超聲波換能器34的信號。在該部件中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并將數(shù)字形式的數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)緩沖器卡18。數(shù)據(jù)緩沖器卡18是能夠存儲整個指紋灰色級譜數(shù)據(jù)的高速數(shù)字RAM。這張卡在信號處理器16與任何用來對指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的后處理硬件之間起著先進(jìn)先出的作用。掃描控制器部件14負(fù)責(zé)控制換能器34的運動。正是該部件控制著整個掃描區(qū)域上的X運動和Y運動。這三個部件由能夠以合適的電流強(qiáng)度產(chǎn)生所需電壓的電源20供電。電源20具有斷開不在使用中的電壓的邏輯輸入以節(jié)省能量。是否斷開電源由掃描控制器14確定。
圖18是信號處理器16的功能性框圖，信號處理器是在超聲波換能器34與數(shù)據(jù)緩沖器18之間的連接。信號處理器16包含所有必需的硬件以驅(qū)動和接收往來于換能器的信號。信號處理器16的脈沖發(fā)生器—接收機(jī)部件202通過前述的電纜線142和接頭144與換能器34相連。脈沖發(fā)生器—接收機(jī)202的輸出端與高增益線性放大器204的輸入端相連，該放大器的輸出端與峰值檢測器/A-D轉(zhuǎn)換器部件206的輸入端相連。定時和控制部件208按照一定的控制關(guān)系與脈沖發(fā)生器/接收機(jī)202和峰值檢測器/A-D轉(zhuǎn)換器206相連。由脈沖發(fā)生器/接收機(jī)202提供單邊負(fù)下降沿脈沖以使換能器34的晶體起振。脈沖具有較快的下降時間，大約為3個納秒而幅度約為直流150伏。手指引起的回波返回?fù)Q能器34并由信號處理器的脈沖發(fā)生器/接收機(jī)202接收，在此基礎(chǔ)上由放大器204進(jìn)行線性放大。對于該信號施加范圍選通，使得只有部分信號通過峰值檢測電路206。對信號進(jìn)行負(fù)峰值檢測并將特定選通范圍內(nèi)檢測到的最大峰值轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在部件206的輸出端提供。8位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)連同線路212上的定時脈沖(DAV)經(jīng)線路210傳送到數(shù)據(jù)緩沖器18以存儲在緩沖器18的RAM存儲器中。信號處理器16的定時和控制部分208還負(fù)責(zé)產(chǎn)生范圍選通定時脈沖。范圍選通用來選擇返回的回波中由信號處理器進(jìn)行處理的部分。為處理超聲波返回信號的后一部分而對范圍選通進(jìn)行延遲，使得形成的圖像對應(yīng)于手指內(nèi)更深的部位。圖19給出了為選擇成像而使用范圍選通門的時序圖。特別是，波形220代表各種超聲波回波信號，包括響應(yīng)于換能器34發(fā)射的主脈沖超聲波信號的回波222、來自面對換能器34的平板表面30的回波224、來自平板體130與涂層132之間界面的回波226、來自被掃描的手指表面的回波228以及來自手指內(nèi)部的回波230。脈沖232和234分別是表面和皮下成像的數(shù)字范圍選通脈沖。
圖20示出了向掃描儀的線性和數(shù)字電路、超聲波換能器驅(qū)動器、X和Y掃描運動驅(qū)動電機(jī)提供電力的電源。電源可以在110或220伏交流電壓線路輸入下工作并提供與線路的隔離以符合Un-derwriters Laboratories Inc.以及其它類似機(jī)構(gòu)制訂的幾種安全檢定的要求?？梢酝ㄟ^開關(guān)或線路的跳線選擇線電壓。選擇的電源變壓器240帶有兩個初級繞組和一個頭次級繞組，額定功率為56瓦。次級繞組驅(qū)動兩個整流器網(wǎng)絡(luò)242和244。整流器242是向兩個濾波電容充電以產(chǎn)生+17V和-17V的未調(diào)整直流電壓的中心抽頭橋路。三個線性穩(wěn)壓器246、248和250將電壓降低到直流+5、+12和-5伏以滿足邏輯電路和放大器的需要。另一個整流器244是向濾波電容充電以提供大電流的未調(diào)節(jié)的+17伏電壓的全波橋路。該線路向線性調(diào)壓器252提供+12伏電壓。由穩(wěn)壓的線性驅(qū)動電機(jī)供電線路供電的PWM逆向變換(fly-back converter)254再提供用于換能器驅(qū)動器的高壓。在300伏的輸出電壓下，逆向變換器可以提供直到6毫安的電流。采用更大的變壓器鐵芯可以提高其容量。
通過將其ENBL輸入拉至接地電位可以使逆變器不工作。在必須保存電力或者逆變換器產(chǎn)生的向低電平信號放大，這是有用的。通過降低系統(tǒng)整體的基線噪聲，這樣提供的圖像保真度最高。利用簡單的反饋電阻，可以改變逆向變換器254的輸出，從而增加了整個系統(tǒng)配置的靈活性。
在一些應(yīng)用場合下需要對按照本發(fā)明的識別系統(tǒng)進(jìn)行遙控操作。這些應(yīng)用通常只包含直流電壓可向系統(tǒng)供電，并且供給識別系統(tǒng)的電流大小有一定的限制。提供能夠野外使用設(shè)備的第一步是從系統(tǒng)中去除需要大電流的電機(jī)。第二步是對于電源上加裝直流—直流轉(zhuǎn)換器代替交流變壓器。直流—直流轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將所用的直流電壓轉(zhuǎn)換為電源運行所需的合適的直流電壓。圖21給出了必要的電源操作的功能框圖。主PWM逆向轉(zhuǎn)換器260采用幾組次級繞組以產(chǎn)生模擬和邏輯供電電壓以及用于驅(qū)動壓電換能器的高壓。當(dāng)設(shè)備不用時，可以完全關(guān)閉此變換器。在休眠狀態(tài)，變換器只消耗幾個微瓦的功率。小型PWM增壓調(diào)節(jié)器262產(chǎn)生用于微控制器264的電壓。當(dāng)設(shè)備通電時，該調(diào)節(jié)器總是接通的。微控制器264內(nèi)運行的監(jiān)督軟件循環(huán)在設(shè)備休眠期間監(jiān)測設(shè)備的即將使用并在有效使用期間向主轉(zhuǎn)換器260供電。在終止使用設(shè)備后，再次斷開主轉(zhuǎn)換器以延長電池的壽命。
掃描控制器14負(fù)責(zé)控制與探針部件12相關(guān)聯(lián)的兩臺電機(jī)38和40的掃描運動。如將要說它采用8位可編程微控制器運行控制軟件。圖22給出了掃描控制器的功能框圖。微控制器270負(fù)責(zé)傳送需要的命令以控制每個電機(jī)，接收來自附著于電機(jī)上的光學(xué)編碼器和霍爾效應(yīng)傳感器的位置反饋信息，并向系統(tǒng)的其它部分提供必要的定時和控制信號。受掃描控制器控制的一個電機(jī)是負(fù)責(zé)使換能器34在一限定的角度范圍內(nèi)作往復(fù)擺動的掃描電機(jī)38?？梢杂米鞔四康牡囊环N電機(jī)是3相直流無刷電機(jī)。這類電機(jī)的效率很高，因此物理尺寸較小的電機(jī)也可以產(chǎn)生大扭矩。而且，不用電刷來完成換向可以使系統(tǒng)保持長久的可靠性。直流無刷電機(jī)包含三組繞組，為了保持其轉(zhuǎn)動需要使電流根據(jù)相互間的關(guān)系流出或流入繞組。因此，需要采用六組分立的高壓、大電流驅(qū)動器完成此項操作。對六個驅(qū)動器的控制位由8位鎖存器272驅(qū)動。鎖存器作為微控制器270所用I/O線的擴(kuò)展部分使用。這些位可以根據(jù)電機(jī)所需的運動設(shè)定為邏輯‘1’或‘0’。隨著電機(jī)位置的改變，電機(jī)內(nèi)部的傳感器對電機(jī)相對角位置提供反饋。這種應(yīng)用中用得最多的傳感器是霍爾效應(yīng)傳感器?；魻栃?yīng)傳感器輸出的是在一定分辨率內(nèi)對電機(jī)位置進(jìn)行譯碼的邏輯‘1’或‘0’。這些傳感器的狀態(tài)被驅(qū)動至微控制器270，在那里被讀取并根據(jù)它們的數(shù)值判定有關(guān)驅(qū)動輸出的下一狀態(tài)。
微控制器270運行負(fù)責(zé)掃描控制器14整體功能和建立系統(tǒng)定時的匯編語言級的軟件。圖23給出了描述軟件邏輯流程的軟件流程圖而圖24給出了系統(tǒng)的時序圖。下表描述了流程圖的各個單獨邏輯單元表1流程圖邏輯單元MPC.1開始MPC這是用于整個程序控制并在合適的時候調(diào)用必要的子程序的主程序。MPC.2初始化所有的變量和端口軟件所用的內(nèi)部計數(shù)器和寄存器連同微處理器上各個I/O線此時都進(jìn)行初始化。MPC.3反繞線性傳動機(jī)構(gòu)？通電時線性傳動機(jī)構(gòu)反繞至其開始位置。MPC.4返回錯誤代碼？反繞子程序無法成功地使線性傳動機(jī)構(gòu)反繞，則存在錯誤條件。MPC.5請求掃描線低？軟件現(xiàn)在尋找將掃描線拉有效(低)的請求。這是初始化掃描的第一個步驟。MPC.6請求掃描線高？軟件開始停止處理掃描請求直到去除掃描信號的請求。在有驅(qū)動信號的開關(guān)的情形下，必須釋放開關(guān)。MPC.7LINFWD線低？假設(shè)掃描請求未初始化，則軟件檢查第二個請求。這是一個使線性傳動機(jī)構(gòu)向前移動一步的單步請求。其目的是允許為測試目的而手動定位線性傳動機(jī)構(gòu)。MPC.8LINFWD這是對使線性傳動機(jī)構(gòu)向前移動一個位置的子程序的實際調(diào)用。MPC.9LINREV線低？現(xiàn)在由軟件檢驗用戶給出的使線性傳動機(jī)構(gòu)反向—單步行進(jìn)的第三個請求。其目的是允許為測試目的手動定位線性傳動機(jī)構(gòu)。MPC.10LINREV這是對使線性傳動機(jī)構(gòu)反向移動一個位置的子程序的實際調(diào)用。
ACQDAT—獲取數(shù)據(jù)不是一個獨立的子程序，而是主處理控制程序的一部分；但是從功能上看足以視為一個子程序，因此將分開描述。
這部分代碼的主要作用是調(diào)用必要的子程序來完成整個掃描。此外，這段代碼還負(fù)責(zé)驅(qū)動各種定時信號。MPC.11閃爍發(fā)光二極管＝錯誤代碼數(shù)字在檢測到錯誤后，直到系統(tǒng)清零前停止所有正常的處理。直到系統(tǒng)清零初始化前，錯誤代碼數(shù)字以相當(dāng)快的速度閃爍以使發(fā)光二極管忽明忽暗。這使得可以直觀指示檢測到了何種錯誤。MPC.12暫停在錯誤代碼連續(xù)閃爍之間短暫的延時之間以區(qū)分錯誤代碼。ACQ.1接通線性傳動機(jī)構(gòu)在正常工作狀態(tài)下，當(dāng)?shù)却龗呙枵埱髸r，線性傳動機(jī)構(gòu)斷電以保存電力。在開始掃描的同時，線性傳動機(jī)構(gòu)開始通電。ACQ.2使直流電機(jī)位于開始的位置在空閑時段，負(fù)責(zé)移動換能器的直流無刷電機(jī)停在于掃描圓弧中心。為準(zhǔn)備掃描，換能器被驅(qū)動到平板的兩側(cè)。ACQ.3掃描線向右換能器位于平板的最左邊?，F(xiàn)在軟件給出向平板右邊掃描的命令。ACQ.4返回錯誤代碼？如果子程序RHS無法成功地掃描該線，則存在錯誤條件，此時軟件檢測代碼中的該條件。ACQ.5步進(jìn)線性傳動機(jī)構(gòu)假定從RHS沒有檢測到錯誤代碼，則為準(zhǔn)備下一次掃描，線性傳動機(jī)構(gòu)步進(jìn)至下一條線上。ACQ.6掃描線向左換能器位于平板的最右邊?，F(xiàn)在軟件給出向平板左邊掃描的命令。ACQ.7返回錯誤代碼？如果子程序RHS無法成功地掃描該線，則存在錯誤條件，此時軟件檢測代碼中的該條件。ACQ.8遞增步進(jìn)計數(shù)器現(xiàn)在使跟蹤掃描線數(shù)的內(nèi)部計數(shù)器遞增。ACQ.9線性步進(jìn)計數(shù)為最大值？通過檢查以確定是否等于總的待掃描線數(shù)。ACQ.10使EOS*有效如果已經(jīng)等于待掃描的總線數(shù)，則完成掃描并使掃描結(jié)束有效。ACQ.11斷開直流電機(jī)此時，直流電機(jī)斷電并停止掃描。ACQ.12反繞線性傳動機(jī)構(gòu)線性傳動機(jī)構(gòu)反繞至其開始的位置。ACQ.13返回錯誤代碼？如果反繞子程序無法成功地使線性傳動機(jī)構(gòu)反繞，則存在錯誤條件。ACQ.14使EOS*無效一旦完成反繞，EOS*為準(zhǔn)備下一次掃描可使EOS*無效。ACQ.15清除步進(jìn)計數(shù)現(xiàn)將用于跟蹤掃描總線數(shù)的內(nèi)部計數(shù)器清零。RWND.1開始反繞本子程序的用途是使線性傳動機(jī)構(gòu)反繞至其初始位置。電機(jī)不反繞直到發(fā)生如下兩個事件中的一件。第一個事件是檢測出安裝在線性移動路徑端點處的位置檢測器的啟動而正常終止。一旦檢測器運行，電機(jī)向前步進(jìn)50步或者0.01″。這是為了避免整個運動機(jī)構(gòu)中的機(jī)械間隔。
終止電機(jī)反繞的第二個事件是已發(fā)布550步以上的命令。在這種情況下，發(fā)布的步進(jìn)命令的總數(shù)顯然超出了使電機(jī)完全反繞所需的命令數(shù)。此時，電機(jī)和/或相關(guān)的驅(qū)動電路或者傳感器本身出了問題；因此，軟件不再向電機(jī)發(fā)送反繞命令。RWND.2步進(jìn)電機(jī)倒退這是對負(fù)責(zé)使電機(jī)沿相反方向或反繞方向步進(jìn)步幅為0.002″的一步的子程序的調(diào)用。RWND.3限制傳感器到達(dá)？進(jìn)行檢查以確定指示線性傳動機(jī)構(gòu)初始位置的傳感器是否已到達(dá)。RWND.4倒退562條線？只要限制傳感器未啟動，就進(jìn)行檢查以確定是否已給出最大的反繞命令數(shù)。RWND.5設(shè)定錯誤代碼如果電機(jī)已經(jīng)反向562條線而未啟動限制傳感器，則存在錯誤條件并返回指示這種條件的錯誤代碼。RWND.6步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)發(fā)生了反繞的正常終止而電機(jī)現(xiàn)在又向前步進(jìn)50步以消除系統(tǒng)中任何機(jī)械間隔。RWND.7前進(jìn)50條線？檢查以確定電機(jī)是否向前步進(jìn)了總的步數(shù)。RWND.8斷開線性傳動裝置完成了反繞子程序并斷開電機(jī)的電源以節(jié)省總能量。RWND.9返回從子程序返回。LFWD.1開始LINFWD本子程序的用途是使線性傳動機(jī)構(gòu)以0。002″的步幅向前步進(jìn)。LFWD.2狀態(tài)1？檢查線性傳動機(jī)構(gòu)是否處于4個可能狀態(tài)中的狀態(tài)1。LFWD.3驅(qū)動至狀態(tài)2假定線性傳動機(jī)構(gòu)處于狀態(tài)1，則將電機(jī)驅(qū)動至狀態(tài)2。LFWD.4狀態(tài)2？檢查線性傳動機(jī)構(gòu)是否處于4個可能狀態(tài)中的狀態(tài)2。LFWD.5驅(qū)動至狀態(tài)3假定線性傳動機(jī)構(gòu)處于狀態(tài)2，則將電機(jī)驅(qū)動至狀態(tài)3。LFWD.6狀態(tài)3？檢查線性傳動機(jī)構(gòu)是否處于4個可能狀態(tài)中的狀態(tài)3。LFWD.7驅(qū)動至狀態(tài)4假定線性傳動機(jī)構(gòu)處于狀態(tài)3，則將電機(jī)驅(qū)動至狀態(tài)4。LFWD.8驅(qū)動至狀態(tài)1因為判斷電機(jī)未處于狀態(tài)1-3，所以必定處于狀態(tài)4，并因此驅(qū)動至狀態(tài)1。LFWD.9返回從子程序返回。LREV.1開始LINREV本子程序的用途是使線性傳動機(jī)構(gòu)以0.002″的步幅倒退。LREV.2狀態(tài)1？檢查線性傳動機(jī)構(gòu)是否處于4個可能狀態(tài)中的狀態(tài)1。LREV.3驅(qū)動至狀態(tài)4假定線性傳動機(jī)構(gòu)處于狀態(tài)1，則將電機(jī)驅(qū)動至狀態(tài)4。LREV.4狀態(tài)2？檢查線性傳動機(jī)構(gòu)是否處于4個可能狀態(tài)中的狀態(tài)2。LREV.5驅(qū)動至狀態(tài)1假定線性傳動機(jī)構(gòu)處于狀態(tài)2，則將電機(jī)驅(qū)動至狀態(tài)1。LREV.6狀態(tài)3？檢查線性傳動機(jī)構(gòu)是否處于4個可能狀態(tài)中的狀態(tài)3。LREV.7驅(qū)動至狀態(tài)2假定線性傳動機(jī)構(gòu)處于狀態(tài)3，則將電機(jī)驅(qū)動至狀態(tài)2。LREV.8驅(qū)動至狀態(tài)1因為判斷電機(jī)未處于狀態(tài)1-3，所以必定處于狀態(tài)4，并因此驅(qū)動至狀態(tài)3。LREV.9返回從子程序返回RHS.1開始RHS本子程序的用途是將電機(jī)驅(qū)動至平板右側(cè)并產(chǎn)生用于設(shè)定和清除MBEN的適當(dāng)控制。RHS.2初始化位置寄存器八位寄存器用來保存光學(xué)編碼器輸出的角位置數(shù)值以設(shè)定和清零MBEN定時脈沖。該寄存器由軟件在單次掃描期間數(shù)次被裝填。RHS.3啟動位置比較器一旦八位位置寄存器被裝填，就啟動比較器以開始檢查相對于位置寄存器輸出的光學(xué)編碼器輸出。RHS.4向右轉(zhuǎn)動電機(jī)該命令負(fù)責(zé)啟動電機(jī)向平板的右側(cè)轉(zhuǎn)動。RHS.5檢測到LSECTMARG？隨著電機(jī)開始向平板右側(cè)轉(zhuǎn)動，軟件監(jiān)視比較器的輸出用作檢測。一旦檢測到，軟件對位置寄存器再裝填，以準(zhǔn)備下一次位置檢測。RHS.6啟動MBEN啟動MBEN定時信號。RHS.7初始化位置寄存器位置寄存器再裝填以搜尋RMTRREV。RHS.8啟動位置比較器啟動位置比較器以尋找RMTRREV。RHS.9檢測到RMTRREV？軟件等待直到到達(dá)平板右側(cè)的電機(jī)反向點。RHS.10反向電機(jī)檢測在盡快降低電機(jī)的過程中使電機(jī)方向反轉(zhuǎn)。RHS.11初始化位置寄存器位置寄存器再裝填以搜尋RSECT-MARG。RHS.12啟動位置比較器啟動位置比較器以尋找RSECTMARG。RHS.13OE方向反轉(zhuǎn)？對于方向改變檢查光學(xué)編碼器的方向位。如果電機(jī)速度在檢測到RSECTMARG之前能夠降低和反轉(zhuǎn)，則存在錯誤條件。RHS.14設(shè)定錯誤代碼設(shè)定指示相應(yīng)的錯誤條件的錯誤代碼。RHS.15檢測到RSECTMARG？軟件等待直到檢測到平板的右側(cè)遠(yuǎn)端。一旦檢測到，就清零MBEN就清零并完成線掃描。RHS.16清零MBEN使MBEN失效。RHS.17啟動位置比較器位置寄存器再裝填以尋找RSECTMARG+10的計數(shù)。這保證了足夠的過沖以使MBEN保持足夠長時間的失效以滿足數(shù)據(jù)緩沖器的要求。RHS.18啟動位置比較器啟動位置比較器以尋找RSECTMARG+10。RHS.19OE方向反轉(zhuǎn)？對于方向改變檢查光學(xué)編碼器的方向位。如果電機(jī)速度在檢測到LSECTMARG之前能夠降低和反轉(zhuǎn)，則存在錯誤條件。RHS.20設(shè)定錯誤代碼設(shè)定指示相應(yīng)的錯誤條件的錯誤代碼。RHS.21檢測到RSECTMARG+10？軟件等待直到檢測到平板右側(cè)遠(yuǎn)端與10個附加計數(shù)之和。一旦檢測到，則電機(jī)已移動了足夠長的距離以滿足所有需要的定時要求并可在此后的任意時刻反轉(zhuǎn)。RHS.22返回從子程序返回LHS.1開始LHS本子程序的用途是將電機(jī)驅(qū)動至平板左側(cè)并產(chǎn)生用于設(shè)定和清除MBEN的適當(dāng)控制。LHS.2初始化位置寄存器八位寄存器用來保存光學(xué)編碼器輸出的角位置數(shù)值以設(shè)定和清零MBEN定時脈沖。該寄存器由軟件在單次掃描回掃期間分幾次裝填。LHS.3啟動位置比較器一旦八位位置寄存器被編碼，就啟動比較器以開始檢查相對于位置寄存器輸出的光學(xué)編碼器輸出。LHS.4向左轉(zhuǎn)動電機(jī)該命令負(fù)責(zé)啟動電機(jī)向平板的左側(cè)轉(zhuǎn)動。LHS.5檢測到LSECTMARG？隨著電機(jī)開始向平板左側(cè)轉(zhuǎn)動，軟件監(jiān)視比較器的輸出用作檢測。一旦檢測到，軟件就對位置寄存器再裝填，以準(zhǔn)備下一次位置檢測。LHS.6啟動MBEN啟動MBEN定時信號。LHS.7初始化位置寄存器位置寄存器再裝填以搜尋LMTRREV。LHS.8啟動位置比較器啟動位置比較器以尋找LMTRREV。LHS.9檢測到LMTRREV？軟件等待直到到達(dá)平板左側(cè)的電機(jī)反向點。LHS.10反向電機(jī)檢測在盡快降低電機(jī)速度使電機(jī)方向反轉(zhuǎn)。LHS.11初始化位置寄存器位置寄存器再裝填以搜尋LSECT-MARG。LHS.12啟動位置比較器啟動位置比較器以尋找LSECTMARG。LHS.13OE方向反轉(zhuǎn)？對于方向改變檢查光學(xué)編碼器的方向位。如果電機(jī)速度在檢測到LSECTMARG之前能夠降低和反轉(zhuǎn)，則存在錯誤條件。LHS.14設(shè)定錯誤代碼設(shè)定指示相應(yīng)的錯誤條件的錯誤代碼。LHS.15檢測到LSECTMARG？軟件等待直到檢測到平板的左側(cè)遠(yuǎn)端。一旦檢測到，MBEN就清零并完成線掃描。LHS.16清零MBEN使MBEN失效。LHS.17啟動位置比較器啟動位置寄存器再裝填以尋找LSECT-MARG+10的計數(shù)。這保證了足夠的過沖以使MBEN保持足夠長時間的失效以滿足數(shù)據(jù)緩沖器的要求。LHS.18啟動位置比較器啟動位置比較器以尋找LSECTMARG+10。LHS.19OE方向反轉(zhuǎn)？對于方向改變檢查光學(xué)編碼器的方向位。如果電機(jī)速度在檢測到RSECTMARG之前能夠降低和反轉(zhuǎn)，則存在錯誤條件。LHS.20設(shè)定錯誤代碼設(shè)定指示相應(yīng)的錯誤條件的錯誤代碼。LHS.21檢測到LSECTMARG+10？軟件等待直到檢測到平板左側(cè)遠(yuǎn)端與10個附加計數(shù)之和。一旦檢測到，則電機(jī)已移動了足夠長的距離以滿足所有需要的定時要求并可在此后的任意時刻反轉(zhuǎn)。LHS.22返回從子程序返回。
參見圖24的系統(tǒng)時序圖，RQSTSCAN是在START MPC程序中對掃描信號的請求，MBEN是主脈沖啟動脈沖，MBANG是主脈沖，DAV是將要描述的操作數(shù)據(jù)緩沖器18用的數(shù)據(jù)可用脈沖，LINESTEP是命令線性傳動機(jī)構(gòu)40移動到下一條掃描線的脈沖，SPINDER是控制電機(jī)38轉(zhuǎn)動方向的脈沖信號，F(xiàn)RWD/REV是控制線性傳動機(jī)構(gòu)40運動方向的脈沖信號，而EOS是ACQDAT子程序中所用的掃描結(jié)束信號。
數(shù)據(jù)緩沖器18用作FIFO(先進(jìn)先出)的數(shù)據(jù)存儲陣列。由于用來處理獲得的圖象的計算機(jī)速度通常有限，所以超聲波讀取器可能會以較后置處理器接收數(shù)據(jù)的速度更快的速度提供數(shù)據(jù)。為了避免掃描速度的降低和防止用戶將手指在平板30上放置時間過長，數(shù)據(jù)緩沖器18用作將整個掃描數(shù)據(jù)暫時存儲起來的裝置并使得后置處理器在掃描完成之后以較慢的速度讀取數(shù)據(jù)。圖25給出了數(shù)據(jù)緩沖器18的功能框圖。
數(shù)據(jù)緩沖器18被排列成8位數(shù)據(jù)的512行乘512列。當(dāng)來自信號處理器的有效數(shù)據(jù)可用時，啟動數(shù)據(jù)可用脈沖(DAV)。數(shù)據(jù)緩沖器18利用DAV脈沖將數(shù)據(jù)寫入RAM290并使地址計數(shù)器292遞增。每行最多容納512個數(shù)據(jù)點。在行的結(jié)束處，驅(qū)動主脈沖啟動脈沖(MBEN)指示數(shù)據(jù)緩沖器將移至下一行。與第一行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)點總數(shù)對應(yīng)的地址計數(shù)器292的當(dāng)前狀態(tài)現(xiàn)在存儲于九位鎖存器(未畫出)內(nèi)供后置處理器以后使用。當(dāng)?shù)诙袙呙钄?shù)據(jù)可用時，地址計數(shù)器292從前一行的最大計數(shù)減至零。如上所述，每根連續(xù)的掃描線交替遞增和遞減地址計數(shù)器292。
在所有的數(shù)據(jù)都寫入數(shù)據(jù)緩沖器18之后，現(xiàn)在后置處理器可以讀取數(shù)據(jù)。除了兩點不同之外，讀取的方式與寫入的方式相同。在讀取任何數(shù)據(jù)之前，后置處理器首先必須讀取九位數(shù)據(jù)鎖存器以確定每行讀取的數(shù)據(jù)點的個數(shù)。接著，后置處理器產(chǎn)生一個與DAV脈沖類似的用于每行的每個數(shù)據(jù)點的讀取脈沖。其次，后置處理器不管存儲的數(shù)據(jù)實際行數(shù)是多少，都必須讀取所有512行。
為了減少整個系統(tǒng)的掃描時間，必須以較快的速度掃描人體或動物的組織，即手指。這可以采用下面兩種方法中的一種來實現(xiàn)。第一種方法是增加電機(jī)38的速度。這需要功率更大的電機(jī)，這在設(shè)計中體積增加很多并且成本昂貴。第二種方法，即這里要描述的方法采用多個換能器來同時獲取手指上的幾個數(shù)據(jù)點。很簡單，如果采用兩個換能器，則每個換能器只需掃描一半的手指表面，要三個換能器則為三分之一等等。在增加換能器的同時，掃描時間相應(yīng)減少。圖26示出了多方法的示意圖。由于換能器沿圓弧掃描，所以多個換能器的方法必須保證每個換能器以相同半徑掃描。這確保了獲取的總的數(shù)據(jù)沿連續(xù)直線分布以便用線性化算法進(jìn)行處理。
特別是參見圖26，多個換能器，(這里是兩個換能器302和304)由包括餅形元件306的裝置支撐。每個換能器302或304都可以與圖2的探針裝置中的換能器34相同，而提供元件306代替探針臂48。元件306與探針擺動電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)軸，(即電機(jī)38的轉(zhuǎn)軸相連)，以繞圖26中標(biāo)號為308的樞軸作擺動。與圖2探針中的一樣，換能器302和304靠近支撐人體或動物組織，即手指的平板，以對其成像。換能器302、304沿?fù)Q能器路徑相隔，在本實例中該路徑的曲率對應(yīng)于元件306的弓形邊緣310并將換能器302和304的中心連接起來。擺動電機(jī)，(即電機(jī)38對用于圍繞軸308)轉(zhuǎn)動或擺動的元件306的輸出轉(zhuǎn)軸的校正使換能器302和304沿平板表面第一掃描路徑移動，從而使換能器路徑與第一掃描路徑對齊，并且來自換能器302和304的每個超聲波束沿部分第一掃描路徑引入使掃描部分的總和等于掃描路徑的總長度。在圖26的布局中，換能器302和304沿?fù)Q能器路徑間隔相等距離分布。因此，引導(dǎo)超聲波束的第一掃描路徑各部分是相等的并且其和等于第一掃描路徑的總長度。在圖26的布局中，換能器路徑和第一掃描路徑都呈弓形并且具有從樞軸308延伸出來的共同半徑。第二運動裝置，即具有圖2探針中的線性傳動機(jī)構(gòu)40形式的裝置，使多個換能器302和304沿表面的第二掃描路徑移動，該路徑在弓形路徑的徑向上是直線的。為了處理從換能器302和304返回的數(shù)據(jù)，可以在采樣—保持電路之前采用高速多路復(fù)用器。掃描控制器14可以用控制方式在在多個換能器之間多路復(fù)用以得出數(shù)據(jù)序列。
在某些應(yīng)用中，需要比圖3所示更大的掃描區(qū)域。例如，為了符合聯(lián)邦調(diào)查局對指紋掃描的要求，本發(fā)明的系統(tǒng)必須掃描35mm×35mm的區(qū)域并且掃描從指甲一邊到另一邊的整個表面。為了掃描整個手指表面，即從指甲一端到另一端，必須將圖2中所述平板改為曲面板。曲面板與手指的周邊充分接觸并可以掃描更大的區(qū)域。這種方法的關(guān)鍵是使換能器仍然采集來自手指表面的鏡面反射波的方法。為此，換能器必須圍繞圓柱形表面(即與手指的指甲—指甲表面對應(yīng)的曲面板)的軸轉(zhuǎn)動。這可以通過圖27所示的探針結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。
曲面板320的剖面為半圓柱形并具有適合容納待掃描手指表面的半圓柱曲形內(nèi)表面322?？v向延伸的平板320邊緣324、326與手指接觸表面322的手指甲大致對齊。平板320具有基本上與待掃描手指的縱軸一致的縱軸328。與圖2中電機(jī)38類似的擺動電機(jī)330安裝在圓柱形透鏡或板320的半徑的中心。換句話說，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)軸332的軸與板320的縱向軸一致。探針臂使換能器340恰好沿著圓柱形透鏡的表面或平板320延伸。探針臂338包括沿垂直于電機(jī)輸出轉(zhuǎn)軸332的方向延伸的第一部分342和基本上平行于轉(zhuǎn)軸322的第二部分344。換能器340可以與圖2探針中的換能器34相同。換能器340隨后沿給定的掃描線以圓形方式擺動。與平板情形一樣，電機(jī)33的整個部件、探針臂和換能器340在與圖2的線性傳動機(jī)構(gòu)40類似的固定于支撐件350上的線性傳動機(jī)構(gòu)346的控制下線性步進(jìn)并掃出第二根掃描線。
與前一種方法的圓弧運動不同，這種方法的主要區(qū)別在于圓弧掃描沿著手指的直線路徑。因此，不需要線性化程序。圖27示出了位于中心和經(jīng)過180°路徑的轉(zhuǎn)動極端處的探針臂338。在這種方法中，也采用了多個換能器以改善掃描速度。換能器現(xiàn)在可以沿直線軸安裝，每個負(fù)責(zé)掃描手指沿Y軸的一部分(即不同的掃描線)。這與前一種方法不同，在前一種方法中每個換能器掃描同一條線。
有幾種基本系統(tǒng)可以用按照本發(fā)明的系統(tǒng)和方法。這些基本系統(tǒng)基本上分為識別系統(tǒng)以及驗證系統(tǒng)，在前一系統(tǒng)中手指經(jīng)過掃描而由系統(tǒng)負(fù)責(zé)識別個人的身份，在后一系統(tǒng)中手指經(jīng)過掃描并與參考樣本比較以確認(rèn)個人身份。
圖28示出了用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的識別系統(tǒng)，它提取來自掃描手指的圖像并將其與已經(jīng)掃描的圖像構(gòu)成的大型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較以確定是否存在匹配。這樣典型的由法律強(qiáng)制機(jī)構(gòu)、移民服務(wù)處等單位使用的大型識別系統(tǒng)一般稱為AFIS或自動指紋識別系統(tǒng)。參見圖28，超聲波生物統(tǒng)計學(xué)閱讀器360包含按照本發(fā)明的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括探針部件12、信號處理器16、掃描控制器14和電源20。如果需要可以包括數(shù)據(jù)緩沖器18。以海量存儲設(shè)備362的形式提供用于存儲先前存儲的圖像(即存儲的指紋圖像)的數(shù)據(jù)庫。還提供系統(tǒng)處理器裝置364，它包含與數(shù)據(jù)庫存儲裝置362和超聲波生物統(tǒng)計學(xué)閱讀器360的處理器的輸出端相耦合的輸入端，閱讀器360的掃描圖像與設(shè)備362先前存儲的圖像比較以確定是否匹配。圖28還示出了超聲波生物統(tǒng)計學(xué)閱讀器360′、海量存儲設(shè)備362′和處理器364′與連接處理器364和364‘的局域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備366的第二種連接方式。
圖29示出了另外一種布置，其中超聲波生物統(tǒng)計學(xué)讀取器360與處理器364之間的硬線通信鏈路用無線通信鏈路代替，例如與生物統(tǒng)計學(xué)讀取器360的輸出端相連的RF發(fā)射機(jī)/接收機(jī)370，連接于處理器364與傳輸介質(zhì)374之間的RF發(fā)射機(jī)/接收機(jī)372。因此，超聲波生物統(tǒng)計學(xué)讀取器360可以位于諸如警車或其他遠(yuǎn)地數(shù)據(jù)輸入點之類的遠(yuǎn)地或移動區(qū)域。手指放置在讀取器上，經(jīng)過掃描并通過無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至AFIS處理器以供處理。通信鏈路是雙向的并向讀取器發(fā)回有關(guān)的信息?？梢圆捎弥T如光學(xué)、超聲波等其他無線通信鏈路。
圖30和31示出了用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的驗證系統(tǒng)，其中手指經(jīng)過掃描并與單個參考指紋進(jìn)行比較以確定該人的身份。由于無需大型AFIS系統(tǒng)必須進(jìn)行的廣泛搜尋，(那樣做需要高速處理器、大型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行等)，所以與識別系統(tǒng)相比，這種系統(tǒng)的復(fù)雜程度要小得多。實現(xiàn)這種系統(tǒng)的一種方法是采用智能卡或其它如磁卡、光存儲卡、半導(dǎo)體存儲卡之類的便攜式數(shù)據(jù)存儲器件。智能卡是一種大小與信用卡差不多的塑料卡?？ū趁?zhèn)鹘y(tǒng)使用的磁條用在板微處理器代替或補(bǔ)充。微處理器內(nèi)建于存儲器內(nèi)，這使得整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有兩種。第一種選擇是簡單地將生物統(tǒng)計學(xué)數(shù)據(jù)編碼入智能卡的存儲器內(nèi)。欲確定其身份者將其手指放置在超聲波讀取器上并進(jìn)行掃描。數(shù)據(jù)隨后從個人出示的智能卡讀出并由計算機(jī)比較兩種圖像。圖30示出了這種情形，其中超聲波生物統(tǒng)計學(xué)讀取器380包含了按照本發(fā)明的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括探針部件12、信號處理器16、掃描控制器14和電源20。如果需要，也可以包括數(shù)據(jù)緩沖器18。上面提及的智能卡式樣的記錄部件382具有包含所記錄的生物統(tǒng)計學(xué)圖像(即用于存儲所記錄的指紋圖像)的存儲裝置。處理器裝置384包括接收來自超聲波生物統(tǒng)計學(xué)讀取器的輸出信號的第一輸入端和接收所記錄的圖像的信號表示的第二輸入端以確定掃描圖像與記錄圖像之間是否匹配。因此，在圖30的布局中，記錄部件382與處理器384在物理上是分立的。
第二種選擇與第一種選擇差不多，其主要區(qū)別是用智能卡的處理器代替來比較兩種圖像的計算機(jī)。因此，智能卡不僅包含了手指的生物統(tǒng)計學(xué)數(shù)據(jù)而且也負(fù)責(zé)將該數(shù)據(jù)與手指的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。這示于圖31，其中智能卡或記錄部件390具有包含所記錄的生物統(tǒng)計學(xué)圖像的存儲裝置和處理器裝置392后者包含接收來自超聲波生物統(tǒng)計學(xué)讀取器380′的輸出信號的第一輸入端和接收記錄圖像信號表示的第二輸入端以確定掃描圖像與記錄圖像之間是否匹配。因此，在圖31的布局中，記錄部件390與處理器392在物理上是集成的。
圖32示出了另外一種結(jié)構(gòu)，其中用無線通信鏈路代替圖30結(jié)構(gòu)中處理器384、超聲波生物統(tǒng)計學(xué)讀取器380和記錄部件382之間的硬線通信鏈路。無線通信鏈路包含與生物統(tǒng)計學(xué)讀取器380和記錄部件382的輸出相連的RF發(fā)射機(jī)/接收機(jī)400、連接于處理器384和傳輸介質(zhì)404之間的RF發(fā)射機(jī)/接收機(jī)402。RF通信鏈路是雙向的，可以使匹配結(jié)果送回至讀取器子系統(tǒng)?？梢圆捎弥T如光學(xué)、超聲波等其它無線通信鏈路。
在有些情況下，識別/驗證系統(tǒng)需要工作在沒有交流電源可用的偏僻地區(qū)。一般在這種情況下，只有12V直流電源可用并且輸出的電流也有限。因此，需要提供一種按照本發(fā)明的低耗電型式的探針。前面提及的探針中兩個耗電最大的部分是與控制掃描運動相關(guān)的電機(jī)38和40。省去這兩臺電機(jī)探針的功率消耗可以降低幾個數(shù)量級。
按照圖33所示的本發(fā)明探針的實施例，操作者需要向系統(tǒng)供給必要的能量以進(jìn)行掃描運動。這可以通過在操作前拉伸彈簧并由彈簧在一次掃描期間向機(jī)構(gòu)提供動力實現(xiàn)。平臺410支撐著臂44上的換能器412，而平臺410沿著掃描的Y方向的兩根靜止導(dǎo)軌416、418行進(jìn)。其中一根導(dǎo)軌包含伸長的齒條420。存儲機(jī)械能的驅(qū)動彈簧422附著于平臺后部；當(dāng)伸長或釋放時，彈簧沿Y掃描方向驅(qū)動平臺410。彈簧422釋放能量的速率由調(diào)節(jié)掃描儀運動的機(jī)械阻尼器424控制。
標(biāo)號為426，用于存儲驅(qū)動彈簧422能量，(即使彈簧伸長)的裝置附著于移動平臺410的前部。拉緊的鋼絲繩430首先穿過定滑輪432再繞于彈簧驅(qū)動的張緊動滑輪434上，其由張緊彈簧436的配合，在驅(qū)動彈簧伸長和釋放狀態(tài)下將拉曳鋼絲繩拉入儀器盒中。鋼絲繩隨后繞過另一個定滑輪438并以4∶1的比率通過力放大器440(復(fù)滑車)，通過一段距離內(nèi)的力交換而減輕了驅(qū)動彈簧的拉伸。
變速箱444安裝在掃描儀平臺410的頂面。從變速箱側(cè)面突出的齒輪446與齒條420嚙合并在平臺410沿掃描Y軸方向移動時向X掃描驅(qū)動盤448輸送大部分的彈簧能量。變速箱的齒輪齒數(shù)比使得X驅(qū)動轉(zhuǎn)動約200圈平臺移動0.8英寸(齒輪比為200∶1)。
X掃描由轉(zhuǎn)臂414完成，臂414在沿掃描窗口的1英寸圓弧上攜帶換能器。X驅(qū)動盤448周邊上的銷釘454與圍繞458轉(zhuǎn)動的掃描臂414內(nèi)的槽(未畫出)嚙合。當(dāng)盤448旋轉(zhuǎn)時，它的圓周運動被轉(zhuǎn)換成臂414換能器端接近直線的運動。盤448每轉(zhuǎn)動一圈產(chǎn)生兩根X掃描線。安裝在Y掃描平臺下邊的光學(xué)編碼器(未畫出)由從平臺410延伸出來的X驅(qū)動盤轉(zhuǎn)軸460驅(qū)動。其信號用來使X掃描同步。Y掃描的開始由安裝在平臺410上的光學(xué)傳感器(未畫出)給出信號。
當(dāng)進(jìn)行掃描時，用戶將彈簧拉緊手柄464拉出直至目測指示器(未畫出)指出彈簧長度已拉足。操作者隨后釋放手柄并將手指放在掃描區(qū)域。不久，電磁線圈(未畫出)打開齒輪箱并開始掃描。
這樣，鋼絲繩430、滑輪432、434和438、張緊彈簧436以及復(fù)滑車440的布局包含了移動裝置，它與支撐裝置410和能量存儲裝置426在操作上配合以控制向支撐裝置410傳遞存儲的能量并在此之下使換能器裝置412沿線性路徑。齒條420、齒輪446、銷釘454和臂414的槽包含運動轉(zhuǎn)換裝置，它與上述移動裝置傳動耦合并響應(yīng)移動裝置的運行與換能器裝置412傳動耦合以沿相對于線性路徑的橫向路徑移動換能器裝置。橫向路徑為圓弧形而換能器412沿圓弧路徑往復(fù)移動。
換能器412可以與圖2探針中的換能器43相同，而換能器412與以圖2相似的方式位于支撐手指的板附近。
上面描述的掃描手指的探針結(jié)構(gòu)嚴(yán)格地通過機(jī)械裝置完成兩維掃描。例如，在圖2的布局中，通過采用無刷電機(jī)(或等同的有限角扭矩電機(jī))使單元件定焦距換能器擺動來完成一條線的掃描。一旦掃描完一條線，利用第二電機(jī)沿第二運動軸移動整個部件，從而掃出第二根掃描線。就長期可靠性而言，應(yīng)該考慮到換能器高速擺動問題。而且，伴隨這種運動會產(chǎn)生相當(dāng)程度的噪聲這在某些情況下要加以考慮。因此，特別需要從探針的主要是機(jī)械的掃描運動轉(zhuǎn)變?yōu)樘结樀墓虘B(tài)樣式的掃描。
研制新型掃描結(jié)構(gòu)的第一步就是用線性換能器線列代替單元件定焦距換能器。線列是具有合適的尺寸、相隔適當(dāng)距離的換能器元件的單條線，可以用來對手指的一條線進(jìn)行成像。陣列可以包含足夠多相距一定間隔的元件以避免沿著平行陣列軸的軸線運動。一旦完成整條線的成像，線列就沿第二運動軸步進(jìn)以掃描手指的第二條線。這可以由與圖2中傳動機(jī)構(gòu)40相似的線性傳動機(jī)構(gòu)完成。不斷重復(fù)該運動直到掃描完整個手指。這樣實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是避免了無刷電機(jī)引起的高速擺動。就整體可靠性和用戶感覺而言，這本身就是一種巨大的改進(jìn)。線列的另一個優(yōu)點是能夠用電子學(xué)手段聚焦波束。本領(lǐng)域內(nèi)眾所周知的是，通過延遲激發(fā)相對于外側(cè)元件而言更靠近內(nèi)部的元件，聲波的形狀有如經(jīng)過聚焦透鏡傳播。由于只能在一根軸線上進(jìn)行這種聚焦，所以第二根軸上的各個元件的尺寸必須小到足以提供所需的分辨率。
研制固態(tài)方法的第二步是采用兩維相控陣。兩維相控陣是多個具有足夠尺寸和間距的元件相互靠近排列而成的矩陣，它無需任何機(jī)械運動就能掃描整個手指。利用電子波束控制可以實現(xiàn)這一點。本領(lǐng)域內(nèi)眾所周知的是，來自兩維相控陣的超聲波束可以完全由電子裝置控制過表面。每個元件以相對于鄰近元件確定的相位關(guān)系被驅(qū)動。由此，可以使輸出偏離軸線而到空間的預(yù)定點上。第二個優(yōu)點是，與上面對于線列所述的那樣，可以通過電子學(xué)手段進(jìn)行聚焦。但是，在這種情況下，可以沿兩根軸進(jìn)行聚焦以提供對稱的斑點。
圖34示出了前述的情形，其中示出了間隔很小的換能器元件482的陣列480。陣列480代表線列或者兩維相控陣。被掃描的組織，(即手指)由合適的裝置(例如圖2探針中的平板30)以對于陣列480一定的掃描關(guān)系支撐。提供脈沖發(fā)生器/接收機(jī)部件484并與每個換能器元件482連接。部件由高壓直流電源486供電。每個脈沖發(fā)生器/接收機(jī)與模擬多路復(fù)用器488連接。還提供了多個相應(yīng)的數(shù)字式可編程延時部件490，每個都與相應(yīng)的脈沖發(fā)生器/接收機(jī)484連接。模擬多路復(fù)用器488的輸出通過放大器494與峰值檢測器/模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路496相連，其輸出為8位灰色級譜信息的信號。定時和控制電路500與多路復(fù)用器488和可編程延時部件490相連。
在發(fā)送模式下，陣列480的每個元件482以略微不同于周圍元件一個時刻被驅(qū)動。通過以線性方式差動地延遲(相移)至陣列元件的脈沖，可以用電子學(xué)手段控制最終的超聲波束。通過對陣列施加球面延間曲率，可以使波束收斂和聚焦于需要的深度。將上述兩種方法結(jié)合起來就同時完成了束掃描和束聚焦。這些技術(shù)細(xì)節(jié)都是眾所周知的并且常常為醫(yī)學(xué)界在醫(yī)學(xué)超聲波儀中采用。
在接收模式下，來自每個脈沖發(fā)生器/接收機(jī)484的回波送至模擬多路復(fù)用器488。陣列元件以類似于發(fā)送的方式讀取，每個都與相鄰的元件相差一定的時間。高速模擬多路復(fù)用器488以適當(dāng)?shù)臅r間間隔依次讀取各個陣列元素。多路復(fù)用器的輸出還被進(jìn)一步放大和進(jìn)行峰值檢測。每個單元的峰值檢測器496輸出的結(jié)果隨后加在一起以提供最終的8位數(shù)值。
模擬多路復(fù)用器488和可編程延時線路490在工業(yè)界是眾所周知的技術(shù)。典型的是采用數(shù)字計數(shù)器IC實現(xiàn)可編程延時線路。唯一的計數(shù)被裝入每個IC并向下計數(shù)至零以產(chǎn)生延時。用于這類裝置的典型IC可以是74HC161、74HC163、74HC191、74HC193等。
模擬多路復(fù)用器488也可以利用獲得的IC方便來實現(xiàn)。通常需要采用多個IC以提供足夠多的模擬輸入端。可以采用的典型模擬多路復(fù)用器是馬里蘭州Norwood的Analog Device制造的ADG409。
前述的換能器陣列方法，特別是兩維相控列方法，可以采用這樣一種布局，其中手指在平板上從一側(cè)滾動至另一側(cè)從而從指甲的一側(cè)邊緣掃描到另一側(cè)邊緣。另一種方式是可以提供如圖27中板320形狀的曲面板來容納靜止不動的手指?？梢栽谀硞€方向，即沿著弧形路徑的方向提供換能器元件的曲面列陣并提供裝置以沿板的縱軸方向移動陣列。另外一種方式是在曲面板的整個表面提供換能器元件的兩維相控列。
由此表明，本發(fā)明實現(xiàn)了欲達(dá)到的目標(biāo)。本發(fā)明的超聲波掃描和成像方法及其裝置可以以極快的速度完成掃描并提供具有極高分辨率的圖像。
權(quán)利要求書按照條約第19條的修改1.一種用于超聲波成像系統(tǒng)并提供輸出超聲波束以掃描人體或動物組織表面的探針，其特征在于所述探針包括a)以剛性方式支撐成像平面區(qū)域內(nèi)所要成像的人體或動物組織來限定所述表面的裝置；b)提供輸出超聲波束的換能器裝置；以及c)以使所述超聲波束沿總基本上是垂直于所述成像平面的方向?qū)蛩霰砻娴姆绞綄⑺鰮Q能器定位于緊靠支撐裝置從而使所述波束位于焦點處的尺寸盡可能小以提高所述系統(tǒng)在基本上垂直所述波束方向平面內(nèi)的分辨率的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的探針，其特征在于，限定所述表面的所述裝置包括由一種材料構(gòu)成的板裝置，所述材料的聲阻抗與所成像的組織的聲阻抗基本相同。
3.如權(quán)利要求1所述的探針，其特征在于，限定所述表面的所述裝置包括由一種材料構(gòu)成主體的板裝置，所述材料的聲阻抗與所成像的組織的聲阻抗基本相同并具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度來支撐組織不偏斜或變形，所述主體提供有覆蓋材料，所述覆蓋材料在保持聲阻抗匹配的同時改善了所述主體與要成像的組織之間的機(jī)械耦合。
4.如權(quán)利要求1所述的探針，其特征在于所述定位裝置包括a)用于移動所述換能器裝置以將所述波束導(dǎo)向所述表面內(nèi)的第一方向的第一裝置；以及b)用于移動所述換能器裝置以將所述波束導(dǎo)向所述表面內(nèi)的第二方向的第二裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的探針，其特征在于所述第一裝置包括使所述換能器裝置沿所述表面的弧形路徑擺動的電機(jī)裝置。
6.如權(quán)利要求5所述的探針，其特征在于所述第二裝置包括使所述換能器裝置沿所述表面的直線路徑擺動的運動裝置。
7.如權(quán)利要求6所述的探針，其特征在于所述移動裝置包括沿與所述弧形路徑的直徑方向一致的所述直線路徑引導(dǎo)所述換能器裝置的裝置。
8.如權(quán)利要求5所述的探針，其特征在于進(jìn)一步包括在操作上與所述電機(jī)裝置連接在一起的用于提供所述電機(jī)裝置角旋轉(zhuǎn)量信息的編碼器裝置。
9.如權(quán)利要求5所述的探針，其特征在于進(jìn)一步包括a)在所述換能器裝置與所述表面之間提供充液區(qū)域的裝置；以及b)在所述電機(jī)裝置與所述提供所述充液區(qū)域的裝置之間提供擺動柔性的不透水密封件。
10.一種用于超聲波成像系統(tǒng)并提供輸出超聲波束以掃描人體或動物組織表面的探針，其特征在于所述探針包括a)以剛性方式支撐位于成像平面區(qū)域內(nèi)所要成像的人體或動物組織來限定所述表面的裝置；b)沿總基本上垂直于所述成像平面的方向提供輸出超聲波束的換能器裝置；c)具有輸出軸以提供擺動輸出的電機(jī)裝置；d)將所述輸出軸與所述換能器耦合起來從而響應(yīng)所述軸的擺動使輸出超聲波束沿基本上與所述成像平面平行的方向?qū)蛩霰砻娴幕⌒温窂降难b置；e)以使所述輸出超聲波束沿基本上與所述成像平面平行的方向?qū)蛩霰砻娴闹本€路徑和相對于所述弧形路徑的半徑方向的方式移動所述換能器裝置的移動裝置。
11.如權(quán)利要求10所述的探針，其特征在于進(jìn)一步包括在操作上與所述電機(jī)裝置的所述輸出軸連接在一起的用于提供所述電機(jī)裝置角旋轉(zhuǎn)量信息的編碼器裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的探針，其特征在于所述編碼器裝置包括用于提供所述電機(jī)裝置的所述輸出軸給定的角旋轉(zhuǎn)量的輸出脈沖的光學(xué)編碼器裝置。
13.如權(quán)利要求12述的探針，其特征在于所述光學(xué)編碼器裝置的角分辨率與所述耦合裝置的尺寸如此相關(guān)聯(lián)，使得所述光學(xué)編碼器裝置的輸出脈沖與所述超聲波束沿所述弧形路徑的給定運動量對應(yīng)而與所述電機(jī)裝置的速度無關(guān)。
14.如權(quán)利要求10所述的探針，其特征在于進(jìn)一步包括a)在所述換能器裝置與所述表面之間提供充液區(qū)域的裝置；以及b)在所述電機(jī)裝置的輸出軸與所述提供所述充液區(qū)域的裝置之間提供擺動柔性的不透液密封件以使所述電機(jī)裝置的拉曳最小。
15.如權(quán)利要求4所述的探針，其特征在于提供所述充液區(qū)域的所述裝置包括器壁，所述器壁上有一個使所述輸出軸延伸出來的通孔，并且所述密封提供裝置附著于所述器壁和所述輸出軸。
16.如權(quán)利要求15所述的探針，其特征在于所述密封提供裝置采用軟外殼形式，所述軟外殼在相對的端部具有開孔并且將所述端部牢固地附著于所述軸和所述器壁上。
17.如權(quán)利要求16所述的探針，其特征在于所述軟外殼是可以拉伸的并且附著方式為使其在附著位置之間呈松弛狀態(tài)以在使所述電機(jī)裝置在拉曳最小的情況下提供有限的轉(zhuǎn)動擺動。
18.如權(quán)利要求16所述的探針，其特征在于所述軟外殼由較薄的膠乳材料構(gòu)成并粘附于所述軸和所述器壁上。
19.如權(quán)利要求10所述的探針，其特征在于進(jìn)一步包括在操作上與所述用來移動所述換能器裝置以將所述波束導(dǎo)向所述直線路徑的裝置關(guān)聯(lián)的位置傳感器裝置以建立起始和參考位置。
20.一種用于對人體或動物組織表面進(jìn)行超聲波成像的方法，其特征在于包含以下步驟a)利用超聲波束在表面的固定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行三維超聲波掃描以提供返回信號；以及b)將高分辨率的范圍選通施加到所述返回信號上以僅僅允許傳播來自緊貼組織表皮下面的返回信號部分。
c)從而在基本上垂直于超聲波束來傳播方向的平面內(nèi)產(chǎn)生圖像。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所述進(jìn)行超聲波掃描的步驟是以頻率為30MHz的超聲波能量進(jìn)行的。
22.一種用于對人體或動物組織表面進(jìn)行超聲波成像的方法，其特征在于包含以下步驟a)利用超聲波束在表面的固定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行三維超聲波掃描以提供返回信號；以及b)將高分辨率的范圍選通施加到所述返回信號上以僅僅允許傳播來自組織表面以下預(yù)定位置處的返回信號部分。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于所述完成超聲波掃描的步驟是在頻率為15MHz的超聲波能量進(jìn)行的。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于進(jìn)行所述超聲波掃描的方式為只接收散射返回部分用于成像。
25.一種用于對人體或動物組織表面進(jìn)行超聲波成像的方法，其特征在于包含以下步驟a)以剛性方式支撐在成像平面區(qū)域上所要成像的人體或動物組織來限定所述表面；b)沿總是基本上垂直于所述成像平面的方向提供輸出超聲能量波束；
c)使所述超聲波束沿基本上垂直于所述成像平面的方向?qū)蛩霰砻娴幕⌒温窂剑灰约癲)使所述超聲波束沿基本上垂直于所述成像平面的方向?qū)蛩霰砻嬷本€路徑和相對于所述弧形路徑的半徑方向。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括對掃描圖像進(jìn)行線性化，所述圖像由使所述超聲波束導(dǎo)向弧形路徑的所述步驟獲得。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于所述線性化步驟包括改變圖像中每個像素的位置以補(bǔ)償超聲波束的圓弧運動。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于所述線性化步驟包括a)作為掃描數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)，其中所存儲數(shù)據(jù)點的每一行代表圖像的一段圓弧；以及b)根據(jù)掃描圓弧的尺寸計算圖像中每個像素新位置。
29.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括對于沿所述圓弧路徑掃描表面獲得的數(shù)據(jù)點提供定時的步驟。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于通過向在所述弧形路徑上以一定的間隔激發(fā)所述超聲波束提供所述定時。
31.一種用于對人體或動物組織表面進(jìn)行成像的超聲波成像系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括a)探針裝置，包括以剛性方式支撐所要成像的人體或動物組織來限定所述表面的裝置，緊靠支撐裝置并提供導(dǎo)向所述表面的超聲波束從而使所述波束在焦點處的尺寸盡可能小以提高所述系統(tǒng)分辨率的換能器裝置以及沿兩個方向移動所述換能器從而提供所述超聲波束對所述表面的兩維掃描的移動裝置；b)在操作上與所述探針裝置連接在一起控制所述移動裝置以提供所述表面的所述掃描的掃描控制器裝置；
c)在操作上與所述探針裝置連接在一起接收為響應(yīng)所述表面的所述掃描而產(chǎn)生的信號并處理所述信號的信號處理器裝置。
32.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括與所述信號處理器裝置連接在一起以存儲來自所述信號的所述處理的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)緩沖裝置。
33.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其特征在于所述掃描控制器裝置包括a)提供控制所述移動裝置的命令信號的裝置；b)接收來自所述移動裝置的位置信息的裝置；以及c)對所述系統(tǒng)提供定時和控制信號的裝置。
34.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括在操作上與所述數(shù)據(jù)緩沖裝置連接在一起的處理器裝置，從而使所述成像系統(tǒng)可以以較快的速度掃描所述表面而與所述處理器裝置從所述緩沖裝置讀取數(shù)據(jù)的速率無關(guān)。
35.一種用于超聲波成像系統(tǒng)并提供輸出超聲波束以掃描人體或動物組織表面的探針，其特征在于所述探針包括a)以剛性方式支撐所要成像的人體或動物組織來限定所述表面的裝置；b)提供輸出超聲波束的換能器裝置；c)支撐所述換能器裝置的裝置；d)存儲機(jī)械能的裝置；e)在操作上與所述支撐裝置和所述能量存儲裝置耦合的移動裝置，它用于向所述支撐裝置以受控制的方式傳遞存儲能量來移動所述支撐裝置并使所述換能器裝置沿直線路徑運動；以及f)傳動耦合于所述移動裝置和所述換能器裝置的運動轉(zhuǎn)換裝置，它用于響應(yīng)所述移動裝置的操作，沿相對所述直線路徑的橫向路徑移動所述換能器裝置。
36.如權(quán)利要求35所述的探針，其特征在于所述運動轉(zhuǎn)換裝置包括將來自所述移動裝置的直線運動轉(zhuǎn)換為所述換能器裝置沿相對于所述直線路徑的橫向延伸的弧形路徑的擺動。
37.如權(quán)利要求35所述的探針，其特征在于所述用于存儲機(jī)械能的裝置包括彈簧裝置和在操作上與所述彈簧裝置耦合并使所述彈簧裝置拉伸以存儲能量的張緊裝置，并且所述移動裝置包含在操作上與所述彈簧裝置關(guān)聯(lián)并用于控制存儲在所述彈簧裝置中能量的釋放的阻尼器裝置和用于將所述彈簧裝置釋放的存儲能量轉(zhuǎn)換為所述支撐裝置的直線運動的力轉(zhuǎn)換裝置。
38.如權(quán)利要求35所述的探針，其特征在于所述運動轉(zhuǎn)換裝置包含相對于所述支撐裝置固定的齒條裝置和由所述支撐裝置攜帶從而在所述支撐裝置直線運動時使其轉(zhuǎn)動的小齒輪裝置。
39.如權(quán)利要求38所述的探針，其特征在于進(jìn)一步包括將所述小齒輪裝置的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為所述換能器裝置沿相對于所述支撐裝置的所述直線路徑橫向延伸的弧形路徑的擺動的裝置。
40.一種用于超聲波成像系統(tǒng)并提供輸出超聲波束以掃描人體或動物組織表面的探針，其特征在于所述探針包括a)以剛性方式支撐所要成像的人體或動物組織來限定所述表面的裝置；b)多個換能器裝置，每個都提供輸出超聲波束；c)支撐沿?fù)Q能器路徑以一定間距排列的所述換能器裝置的裝置；d)在操作上與所述支撐裝置相連并沿所述表面第一掃描路徑移動所述換能器裝置從而使所述換能器裝置與所述第一掃描路徑一致的第一移動裝置，并且來自所述多個換能器裝置的每束超聲波束沿所述第一掃描路徑的一部分引導(dǎo)從而使掃描部分的總和等于所述掃描路徑的總長度；以及
e)沿所述表面的第二掃描路徑移動所述多個換能器裝置的第二移動裝置。
41.如權(quán)利要求40所述的探針，其特征在于所述多個換能器裝置沿所述換能器路徑等間隔排列。
42.如權(quán)利要求40所述的探針，其特征在于沿其導(dǎo)引所述超聲波束的所述第一掃描路徑部分是相等的并且其總和等于所述第一掃描路徑的總長度。
43.如權(quán)利要求40所述的探針，其特征在于所述換能器路徑和所述第一掃描路徑是弧形的并具有共同的半徑。
44.如權(quán)利要求43所述的探針，其特征在于所述所述第一移動裝置提供圍繞位于所述換能器路徑和所述第一掃描路徑的公共半徑處的軸的擺動。
45.如權(quán)利要求43所述的探針，其特征在于所述第二移動裝置提供相對所述弧形路徑的半徑方向的直線運動。
46.一種生物統(tǒng)計學(xué)識別系統(tǒng)，其特征在于包含a)用于對人體或動物組織表面進(jìn)行成像的超聲波成像系統(tǒng)，它包括探針裝置，所述探針裝置包括以剛性方式支撐所要成像的人體或動物組織來限定所述表面的裝置，緊靠支撐裝置并提供導(dǎo)向所述表面的超聲波束從而使所述波束在焦點處的尺寸盡可能小以提高所述系統(tǒng)分辨率的換能器裝置以及沿兩個方向移動所述換能器從而提供所述超聲波束對所述表面的兩維掃描的移動裝置，所述成像系統(tǒng)進(jìn)一步包括在操作上與所述探針裝置連接在一起以控制所述移動裝置提供所述表面的所述掃描的掃描控制器裝置和在操作上與所述探針裝置連接在一起以接收為響應(yīng)所述表面的所述掃描而產(chǎn)生的信號并處處理所述信號的信號處理器裝置；b)存儲先前存儲圖像的數(shù)據(jù)庫的裝置；以及c)具有與所述數(shù)據(jù)庫存儲裝置和所述處理器裝置的輸出端耦合的輸入端的系統(tǒng)處理器裝置，它用來將來自所述超聲波成像系統(tǒng)的掃描圖像與所述數(shù)據(jù)庫存儲裝置中先前存儲的圖像進(jìn)行比較以確定是否匹配。
47.如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括連接在所述信號處理器裝置與所述系統(tǒng)處理器裝置之間的數(shù)據(jù)緩沖裝置，從而使所述超聲波成像系統(tǒng)可以以較快的速度掃描所述表面而與所述系統(tǒng)處理器裝置從所述數(shù)據(jù)緩沖裝置讀取數(shù)據(jù)的速率無關(guān)。
48.如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，其特征在于將另一個超聲波成像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲裝置和系統(tǒng)處理器裝置與局域網(wǎng)絡(luò)裝置結(jié)合在一起。用于將所述首先命名的系統(tǒng)處理器裝置和所述另一個系統(tǒng)處理器裝置連接起來的局域網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起。
49.如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包含在所述超聲波成像系統(tǒng)與所述系統(tǒng)處理器裝置之間提供無線通信鏈路的裝置。
50.一種生物統(tǒng)計學(xué)驗證裝置，其特征在于包含a)對人體或動物組織進(jìn)行成像并提供代表被掃描的生物統(tǒng)計學(xué)圖像的輸出信號的超聲波成像系統(tǒng)；b)空間上與所述成像系統(tǒng)分離并具有包含的記錄的生物統(tǒng)計學(xué)圖像的存儲裝置的記錄部件，所述記錄部件足夠小和足夠輕，從而便于個人攜帶，以及c)具有接收來自所述超聲波成像系統(tǒng)輸出信號的第一輸入端和接收來自所述記錄部件的表示所述記錄圖像信號的第二輸入端的處理器裝置，用來確定所述掃描和記錄圖像之間是否匹配。
51.如權(quán)利要求50所述的生物統(tǒng)計學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述記錄部件和所述處理器裝置在物理上是分立的。
52.如權(quán)利要求50所述的生物統(tǒng)計學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述記錄部件和所述處理器裝置在物理上是集成的。
53.如權(quán)利要求50所述的生物統(tǒng)計學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述超聲波成像系統(tǒng)包括a)探針裝置，其包括以剛性方式支撐所要成像的人體或動物組織來限定所述表面的裝置，緊靠支撐裝置并提供導(dǎo)向所述表面的超聲波束從而使所述波束位在焦點處的尺寸盡可能小以提高所述系統(tǒng)分辨率的換能器裝置以及沿兩個方向移動所述換能器從而提供所述超聲波束對所述表面的兩維掃描的移動裝置；b)在操作上與所述探針裝置連接在一起以控制所述移動裝置提供所述表面的所述掃描的掃描控制器裝置；c)在操作上與所述探針裝置連接在一起以接收為響應(yīng)所述表面的所述掃描而產(chǎn)生的信號并處理所述信號以提供輸出的信號處理器裝置。
54.如權(quán)利要求50所述的生物統(tǒng)計學(xué)系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括在所述處理器裝置與所述超聲波成像系統(tǒng)和所述記錄部件之間提供無線通信鏈路的裝置。
55.一種提供對象手指掃描用的輸出超聲波束的超聲波成像系統(tǒng)的探針，其特征在于所述探針包括a)剛性支撐對于手指從指甲一側(cè)邊緣到另一側(cè)邊緣的掃描的曲面支撐裝置，所述支撐裝置具有一縱軸并在所述縱軸與手指縱軸基本平行時支撐手指；b)提供輸出超聲波束的換能器裝置；c)沿基本上從所述支撐裝置的所述縱向軸徑向延伸的第一路徑移動所述換能器裝置從而使所述沿從指甲的一側(cè)邊緣向另一側(cè)邊緣的路徑引導(dǎo)超聲波束；以及d)沿基本上平行于所述支撐裝置的所述縱軸的第二路徑直線移動所述換能器裝置從而使所述超聲波束沿基本上平行于手指縱軸的路徑引導(dǎo)超聲波束。
56.如權(quán)利要求55所述的探針，其特征在于所述支撐裝置的剖面形狀基本上是半圓形的并且所述第一路徑為弧形路徑，弧長度為180度左右。
57.如權(quán)利要求55所述的探針，其特征在于進(jìn)一步包括使所述換能器裝置緊靠所述支撐裝置以將所述超聲波束導(dǎo)向手指并從而使所述波束在焦點處的尺寸盡可能小以提高所述系統(tǒng)分辨率的裝置。
58.如權(quán)利要求55所述的探針，其特征在于所述支撐裝置具有適于手指接觸的曲面和大致與指甲邊緣對齊的縱向延伸邊緣。
59.如權(quán)利要求55所述的探針，其特征在于所述換能器裝置包含沿所述支撐裝置的縱軸以一定間隔排列的多個換能器裝置。
60.一種對人體或動物組織表面進(jìn)行成像的超聲波成像系統(tǒng)，其特征在于包括a)包含多個換能器元件的換能器裝置，每個所述的換能器元件提供輸出超聲波束，并排列成陣列；b)剛性支撐所述人體或動物組織從而使其表面可以被來自所述換能器元件陣列的超聲波束掃描的裝置；以及c)激勵所述換能器元件并接收響應(yīng)表面掃描而產(chǎn)生的信號的裝置。
61.如權(quán)利要求60所述的系統(tǒng)，其特征在于所述激勵和接收裝置包括a)在操作上與每個所述換能器元件相連以激勵所述換能器元件并接收回波信號的脈沖發(fā)生器/接收機(jī)；以及b)在操作上與所述脈沖發(fā)生器/接收機(jī)相連以從每個所述脈沖發(fā)生器/接收機(jī)讀取接收到的信號的多路復(fù)用器裝置。
62.如權(quán)利要求61所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括操作上與所述多路復(fù)用器裝置相連以提供包含圖像信息的信號的峰值檢測器裝置。
63.如權(quán)利要求60所述的系統(tǒng)，其特征在于所述換能器元件的陣列包含沿相對于表面的第一方向延伸的線列并進(jìn)一步包括沿基本上與所述第一方向垂直的第二方向移動所述陣列的裝置。
64.如權(quán)利要求60所述的系統(tǒng)，其特征在于所述換能器元件的陣列包含沿待掃描的表面區(qū)域延伸的兩維陣列并進(jìn)一步包括對來自所述換能器元件陣列的超聲波束進(jìn)行電子控制的裝置。
65.如權(quán)利要求60所述的系統(tǒng)，其特征在于所述換能器元件的陣列包含沿待掃描的表面區(qū)域延伸的兩維陣列并且所述賦能和接收裝置包括a)多個用于每個所述換能器元件的脈沖器/接收機(jī)裝置，在操作上與相應(yīng)的所述換能器元件連接并向相應(yīng)的所述換能器元件賦能和接收回波信號；以及b)多根用于每個所述換能器元件的可編程延遲線路，在操作上與相應(yīng)的所述脈沖器/接收機(jī)裝置相連，所述延遲線路以不同的時間向所述換能器元件延遲賦能以提供對來自所述換能器元件的超聲波束的回掃和控制。
66.如權(quán)利要求65所述的系統(tǒng)，其特征在于a)在操作上與所述脈沖器/接收機(jī)相連以從每個所述脈沖器/接收機(jī)讀取接收的信號的多路復(fù)用器裝置。
b)在操作上與所述多路復(fù)用器裝置和所述可編程延遲線路相連以向所述多路復(fù)用器裝置和所述可編程延遲線路提供定時和控制信號的定時和控制裝置；以及c)在操作上與所述多路復(fù)用器裝置相連以提供包含圖像信息的信號的峰值檢測器裝置。
67.一種對人體或動物組織表面進(jìn)行成像的超聲波成像方法，其特征在于包括以下步驟a)提供排列成陣列的多個超聲波換能器元件，每個所述換能器元件提供輸出超聲波束；b)剛性支撐所述人體或動物組織從而使來自所述換能器列陣的超聲波束能夠掃描其表面；c)向所述換能器元件賦能；以及d)接收響應(yīng)表面掃描而產(chǎn)生的信號。
68.如權(quán)利要求67所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含對接收到的信號進(jìn)行處理以提供圖像信息的步驟。
69.如權(quán)利要求67所述的方法，其特征在于包含以下步驟a)將所述換能器元件排列成線性陣列以沿第一方向掃描所述表面的步驟；以及b)沿基本上與所述第一方向垂直的第二方向移動所述換能器元件陣列。
70.如權(quán)利要求69所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括以下步驟在合適的方式下，以不同的時間延遲向陣列的所述各個換能器元件賦能從而能夠以電子方式控制來自所述換能器的超聲波束。
71.如權(quán)利要求69所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含以下步驟在換能器元件賦能期間將球面時間延遲曲率施加到列陣上從而可以使超聲波束收斂和聚焦。
72.如權(quán)利要求69所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含以下步驟a)在合適的方式下以不同的時間延遲向陣列的所述各個換能器元件賦能；以及b)在換能器元件賦能期間將球面時間延遲曲率施加到陣列上；c)從而在表面掃描期間回掃和聚焦來自所述換能器元件的超聲波束。
73.如權(quán)利要求67所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含以下步驟將所述換能器元件陣列排列為沿待掃描表面區(qū)域延伸的兩維陣列。
74.如權(quán)利要求73所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括以下步驟在合適的方式下，以不同的時間延遲向陣列的所述各個換能器元件賦能從而能夠以電子方式控制來自所述換能器的超聲波束。
75.如權(quán)利要求73所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含以下步驟在換能器元件賦能期間將球面時間延遲曲率施加到列陣上從而可以使超聲波束收斂和聚焦。
76.如權(quán)利要求73所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含以下步驟a)在合適的方式下以不同的時間延遲向陣列的所述各個換能器元件賦能；以及b)在換能器元件賦能期間將球面時間延遲曲率施加到陣列上；c)從而在表面掃描期間回掃和聚焦來自所述換能器元件的超聲波束。
77.如權(quán)利要求67所述的方法，其特征在于所述支撐所述人體或動物組織的步驟包括將手指在平板上側(cè)面到側(cè)面地滾動從而對手指從指甲的一側(cè)邊緣掃描到另一側(cè)邊緣的步驟。
78.如權(quán)利要求67所述的方法，其特征在于所述支撐所述人體或動物組織的步驟包括將手指放于曲面板上的步驟，其中所述換能器元件陣列沿面板曲率方向排列并沿面板縱軸的方向移動從而對手指從指甲的一側(cè)邊緣掃描到另一側(cè)邊緣。
79.如權(quán)利要求67所述的方法，其特征在于所述支撐所述人體或動物組織的步驟包括將手指放于曲面板上的步驟，其中所述換能器元件陣列沿面板表面排列成兩維形式從而對手指從指甲的一側(cè)邊緣掃描到另一側(cè)邊緣。
權(quán)利要求
1.一種用于超聲波成像系統(tǒng)并提供輸出超聲波束以掃描人體或動物組織表面的探針，其特征在于所述探針包括a)以剛性方式支撐所要成像的人體或動物組織來限定所述表面的裝置；b)提供輸出超聲波束的換能器裝置；以及c)以使所述超聲波束導(dǎo)向所述表面的方式將所述換能器定位于緊靠支撐裝置從而使所述波束位于焦點處的尺寸盡可能小以提高所述系統(tǒng)分辨率的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的探針，其特征在于，限定所述表面的所述裝置包括由一種材料構(gòu)成的板裝置，所述材料的聲阻抗與所成像的組織的聲阻抗基本相同。
3.如權(quán)利要求1所述的探針，其特征在于，限定所述表面的所述裝置包括由一種材料構(gòu)成主體的板裝置，所述材料的聲阻抗與所成像的組織的聲阻抗基本相同并具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度來支撐組織不偏斜或變形，所述主體提供有覆蓋材料，所述覆蓋材料在保持聲阻抗匹配的同時改善了所述主體與要成像的組織之間的機(jī)械耦合。
4.如權(quán)利要求1所述的探針，其特征在于所述定位裝置包括a)用于移動所述換能器裝置以將所述波束導(dǎo)向所述表面內(nèi)的第一方向的第一裝置；以及b)用于移動所述換能器裝置以將所述波束導(dǎo)向所述表面內(nèi)的第二方向的第二裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的探針，其特征在于所述第一裝置包括使所述換能器裝置沿所述表面的弧形路徑擺動的電機(jī)裝置。
6.如權(quán)利要求5所述的探針，其特征在于所述第二裝置包括使所述換能器裝置沿所述表面的直線路徑擺動的運動裝置。
7.如權(quán)利要求6所述的探針，其特征在于所述移動裝置包括沿與所述弧形路徑的直徑方向一致的所述直線路徑引導(dǎo)所述換能器裝置的裝置。
8.如權(quán)利要求5所述的探針，其特征在于進(jìn)一步包括在操作上與所述電機(jī)裝置連接在一起的用于提供所述電機(jī)裝置角旋轉(zhuǎn)量信息的編碼器裝置。
9.如權(quán)利要求5所述的探針，其特征在于進(jìn)一步包括a)在所述換能器裝置與所述表面之間提供充液區(qū)域的裝置；以及b)在所述電機(jī)裝置與所述提供所述充液區(qū)域的裝置之間提供擺動柔性的不透水密封件。
10.一種用于超聲波成像系統(tǒng)并提供輸出超聲波束以掃描人體或動物組織表面的探針，其特征在于所述探針包括a)以剛性方式支撐所要成像的人體或動物組織來限定所述表面的裝置；b)提供輸出超聲波束的換能器裝置；c)具有輸出軸以提供擺動輸出的電機(jī)裝置；d)將所述輸出軸與所述換能器耦合起來從而響應(yīng)所述軸的擺動使輸出超聲波束導(dǎo)向所述表面的弧形路徑的裝置；e)以使所述輸出超聲波束導(dǎo)向所述表面的直線路徑和相對于所述弧形路徑的半徑方向的方式移動所述換能器裝置的移動裝置。
11.如權(quán)利要求10所述的探針，其特征在于進(jìn)一步包括在操作上與所述電機(jī)裝置的所述輸出軸連接在一起的用于提供所述電機(jī)裝置角旋轉(zhuǎn)量信息的編碼器裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的探針，其特征在于所述編碼器裝置包括用于提供所述電機(jī)裝置的所述輸出軸給定的角旋轉(zhuǎn)量的輸出脈沖的光學(xué)編碼器裝置。
13.如權(quán)利要求12述的探針，其特征在于所述光學(xué)編碼器裝置的角分辨率與所述耦合裝置的尺寸如此相關(guān)聯(lián)，使得所述光學(xué)編碼器裝置的輸出脈沖與所述超聲波束沿所述弧形路徑的給定運動量對應(yīng)而與所述電機(jī)裝置的速度無關(guān)。
14.如權(quán)利要求10所述的探針，其特征在于進(jìn)一步包括a)在所述換能器裝置與所述表面之間提供充液區(qū)域的裝置；以及b)在所述電機(jī)裝置的輸出軸與所述提供所述充液區(qū)域的裝置之間提供擺動柔性的不透液密封件以使所述電機(jī)裝置的拉曳最小。
15.如權(quán)利要求4所述的探針，其特征在于提供所述充液區(qū)域的所述裝置包括器壁，所述器壁上有一個使所述輸出軸延伸出來的通孔，并且所述密封提供裝置附著于所述器壁和所述輸出軸。
16.如權(quán)利要求15所述的探針，其特征在于所述密封提供裝置采用軟外殼形式，所述軟外殼在相對的端部具有開孔并且將所述端部牢固地附著于所述軸和所述器壁上。
17.如權(quán)利要求16所述的探針，其特征在于所述軟外殼是可以拉伸的并且附著方式為使其在附著位置之間呈松弛狀態(tài)以在使所述電機(jī)裝置在拉曳最小的情況下提供有限的轉(zhuǎn)動擺動。
18.如權(quán)利要求16所述的探針，其特征在于所述軟外殼由較薄的膠乳材料構(gòu)成并粘附于所述軸和所述器壁上。
19.如權(quán)利要求10所述的探針，其特征在于進(jìn)一步包括在操作上與所述用來移動所述換能器裝置以將所述波束導(dǎo)向所述直線路徑的裝置關(guān)聯(lián)的位置傳感器裝置以建立起始和參考位置。
20.一種用于對人體或動物組織表面進(jìn)行超聲波成像的方法，其特征在于包含以下步驟a)在表面的固定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行三維超聲波掃描以提供返回信號；以及b)將高分辨率的范圍選通施加到所述返回信號上以僅僅允許傳播來自緊貼組織表皮下面的返回信號部分。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于所述進(jìn)行超聲波掃描的步驟是以頻率為30MHz的超聲波能量進(jìn)行的。
22.一種用于對人體或動物組織表面進(jìn)行超聲波成像的方法，其特征在于包含以下步驟a)在表面的固定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行三維超聲波掃描以提供返回信號；以及b)將高分辨率的范圍選通施加到所述返回信號上以僅僅允許傳播來自組織表面以下預(yù)定位置處的返回信號部分。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于所述完成超聲波掃描的步驟是在頻率為15MHz的超聲波能量進(jìn)行的。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于進(jìn)行所述超聲波掃描的方式為只接收散射返回部分用于成像。
25.一種用于對人體或動物組織表面進(jìn)行超聲波成像的方法，其特征在于包含以下步驟a)以剛性方式支撐所要成像的人體或動物組織來限定所述表面；b)提供輸出超聲能量波束；c)使所述超聲波束導(dǎo)向所述表面的弧形路徑；以及d)使所述超聲波束導(dǎo)向所述表面直線路徑和相對于所述弧形路徑的半徑方向。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括對掃描圖像進(jìn)行線性化，所述圖像由使所述超聲波束導(dǎo)向弧形路徑的所述步驟獲得。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于所述線性化步驟包括改變圖像中每個像素的位置以補(bǔ)償超聲波束的圓弧運動。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于所述線性化步驟包括a)作為掃描數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)，其中所存儲數(shù)據(jù)點的每一行代表圖像的一段圓??；以及b)根據(jù)掃描圓弧的尺寸計算圖像中每個像素新位置。
29.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括對于沿所述圓弧路徑掃描表面獲得的數(shù)據(jù)點提供定時的步驟。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于通過向在所述弧形路徑上以一定的間隔激發(fā)所述超聲波束提供所述定時。
31.一種用于對人體或動物組織表面進(jìn)行成像的超聲波成像系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括a)探針裝置，包括以剛性方式支撐所要成像的人體或動物組織來限定所述表面的裝置，緊靠支撐裝置并提供導(dǎo)向所述表面的超聲波束從而使所述波束在焦點處的尺寸盡可能小以提高所述系統(tǒng)分辨率的換能器裝置以及沿兩個方向移動所述換能器從而提供所述超聲波束對所述表面的兩維掃描的移動裝置；b)在操作上與所述探針裝置連接在一起控制所述移動裝置以提供所述表面的所述掃描的掃描控制器裝置；c)在操作上與所述探針裝置連接在一起接收為響應(yīng)所述表面的所述掃描而產(chǎn)生的信號并處理所述信號的信號處理器裝置。
32.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括與所述信號處理器裝置連接在一起以存儲來自所述信號的所述處理的數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)緩沖裝置。
33.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其特征在于所述掃描控制器裝置包括a)提供控制所述移動裝置的命令信號的裝置；b)接收來自所述移動裝置的位置信息的裝置；以及c)對所述系統(tǒng)提供定時和控制信號的裝置。
34.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括在操作上與所述數(shù)據(jù)緩沖裝置連接在一起的處理器裝置，從而使所述成像系統(tǒng)可以以較快的速度掃描所述表面而與所述處理器裝置從所述緩沖裝置讀取數(shù)據(jù)的速率無關(guān)。
35.一種用于超聲波成像系統(tǒng)并提供輸出超聲波束以掃描人體或動物組織表面的探針，其特征在于所述探針包括a)以剛性方式支撐所要成像的人體或動物組織來限定所述表面的裝置；b)提供輸出超聲波束的換能器裝置；c)支撐所述換能器裝置的裝置；d)存儲機(jī)械能的裝置；e)在操作上與所述支撐裝置和所述能量存儲裝置耦合的移動裝置，它用于向所述支撐裝置以受控制的方式傳遞存儲能量來移動所述支撐裝置并使所述換能器裝置沿直線路徑運動；以及f)傳動耦合于所述移動裝置和所述換能器裝置的運動轉(zhuǎn)換裝置，它用于響應(yīng)所述移動裝置的操作，沿相對所述直線路徑的橫向路徑移動所述換能器裝置。
36.如權(quán)利要求35所述的探針，其特征在于所述運動轉(zhuǎn)換裝置包括將來自所述移動裝置的直線運動轉(zhuǎn)換為所述換能器裝置沿相對于所述直線路徑的橫向延伸的弧形路徑的擺動。
37.如權(quán)利要求35所述的探針，其特征在于所述用于存儲機(jī)械能的裝置包括彈簧裝置和在操作上與所述彈簧裝置耦合并使所述彈簧裝置拉伸以存儲能量的張緊裝置，并且所述移動裝置包含在操作上與所述彈簧裝置關(guān)聯(lián)并用于控制存儲在所述彈簧裝置中能量的釋放的阻尼器裝置和用于將所述彈簧裝置釋放的存儲能量轉(zhuǎn)換為所述支撐裝置的直線運動的力轉(zhuǎn)換裝置。
38.如權(quán)利要求35所述的探針，其特征在于所述運動轉(zhuǎn)換裝置包含相對于所述支撐裝置固定的齒條裝置和由所述支撐裝置攜帶從而在所述支撐裝置直線運動時使其轉(zhuǎn)動的小齒輪裝置。
39.如權(quán)利要求38所述的探針，其特征在于進(jìn)一步包括將所述小齒輪裝置的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為所述換能器裝置沿相對于所述支撐裝置的所述直線路徑橫向延伸的弧形路徑的擺動的裝置。
40.一種用于超聲波成像系統(tǒng)并提供輸出超聲波束以掃描人體或動物組織表面的探針，其特征在于所述探針包括a)以剛性方式支撐所要成像的人體或動物組織來限定所述表面的裝置；b)多個換能器裝置，每個都提供輸出超聲波束；c)支撐沿?fù)Q能器路徑以一定間距排列的所述換能器裝置的裝置；d)在操作上與所述支撐裝置相連并沿所述表面第一掃描路徑移動所述換能器裝置從而使所述換能器裝置與所述第一掃描路徑一致的第一移動裝置，并且來自所述多個換能器裝置的每束超聲波束沿所述第一掃描路徑的一部分引導(dǎo)從而使掃描部分的總和等于所述掃描路徑的總長度；以及e)沿所述表面的第二掃描路徑移動所述多個換能器裝置的第二移動裝置。
41.如權(quán)利要求40所述的探針，其特征在于所述多個換能器裝置沿所述換能器路徑等間隔排列。
42.如權(quán)利要求40所述的探針，其特征在于沿其導(dǎo)引所述超聲波束的所述第一掃描路徑部分是相等的并且其總和等于所述第一掃描路徑的總長度。
43.如權(quán)利要求40所述的探針，其特征在于所述換能器路徑和所述第一掃描路徑是弧形的并具有共同的半徑。
44.如權(quán)利要求43所述的探針，其特征在于所述所述第一移動裝置提供圍繞位于所述換能器路徑和所述第一掃描路徑的公共半徑處的軸的擺動。
45.如權(quán)利要求43所述的探針，其特征在于所述第二移動裝置提供相對所述弧形路徑的半徑方向的直線運動。
46.一種生物統(tǒng)計學(xué)識別系統(tǒng)，其特征在于包含a)用于對人體或動物組織表面進(jìn)行成像的超聲波成像系統(tǒng)，它包括探針裝置，所述探針裝置包括以剛性方式支撐所要成像的人體或動物組織來限定所述表面的裝置，緊靠支撐裝置并提供導(dǎo)向所述表面的超聲波束從而使所述波束在焦點處的尺寸盡可能小以提高所述系統(tǒng)分辨率的換能器裝置以及沿兩個方向移動所述換能器從而提供所述超聲波束對所述表面的兩維掃描的移動裝置，所述成像系統(tǒng)進(jìn)一步包括在操作上與所述探針裝置連接在一起以控制所述移動裝置提供所述表面的所述掃描的掃描控制器裝置和在操作上與所述探針裝置連接在一起以接收為響應(yīng)所述表面的所述掃描而產(chǎn)生的信號并處處理所述信號的信號處理器裝置；b)存儲先前存儲圖像的數(shù)據(jù)庫的裝置；以及c)具有與所述數(shù)據(jù)庫存儲裝置和所述處理器裝置的輸出端耦合的輸入端的系統(tǒng)處理器裝置，它用來將來自所述超聲波成像系統(tǒng)的掃描圖像與所述數(shù)據(jù)庫存儲裝置中先前存儲的圖像進(jìn)行比較以確定是否匹配。
47.如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括連接在所述信號處理器裝置與所述系統(tǒng)處理器裝置之間的數(shù)據(jù)緩沖裝置，從而使所述超聲波成像系統(tǒng)可以以較快的速度掃描所述表面而與所述系統(tǒng)處理器裝置從所述數(shù)據(jù)緩沖裝置讀取數(shù)據(jù)的速率無關(guān)。
48.如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，其特征在于將另一個超聲波成像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲裝置和系統(tǒng)處理器裝置與局域網(wǎng)絡(luò)裝置結(jié)合在一起。用于將所述首先命名的系統(tǒng)處理器裝置和所述另一個系統(tǒng)處理器裝置連接起來的局域網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起。
49.如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包含在所述超聲波成像系統(tǒng)與所述系統(tǒng)處理器裝置之間提供無線通信鏈路的裝置。
50.一種生物統(tǒng)計學(xué)驗證裝置，其特征在于包含a)對人體或動物組織進(jìn)行成像并提供代表被掃描的生物統(tǒng)計學(xué)圖像的輸出信號的超聲波成像系統(tǒng)；b)具有包含所記錄的生物統(tǒng)計學(xué)圖像的存儲裝置的記錄部件，所述記錄部件體積足夠小而重量足夠輕從而便于攜帶；以及c)具有接收來自所述超聲波成像系統(tǒng)輸出信號的第一輸入端和接收表示所述記錄圖像信號的第二輸入端的處理器裝置，用來確定所述掃描和記錄圖像之間是否匹配。
51.如權(quán)利要求50所述的生物統(tǒng)計學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述記錄部件和所述處理器裝置在物理上是分立的。
52.如權(quán)利要求50所述的生物統(tǒng)計學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述記錄部件和所述處理器裝置在物理上是集成的。
53.如權(quán)利要求50所述的生物統(tǒng)計學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述超聲波成像系統(tǒng)包括a)探針裝置，其包括以剛性方式支撐所要成像的人體或動物組織來限定所述表面的裝置，緊靠支撐裝置并提供導(dǎo)向所述表面的超聲波束從而使所述波束位在焦點處的尺寸盡可能小以提高所述系統(tǒng)分辨率的換能器裝置以及沿兩個方向移動所述換能器從而提供所述超聲波束對所述表面的兩維掃描的移動裝置；b)在操作上與所述探針裝置連接在一起以控制所述移動裝置提供所述表面的所述掃描的掃描控制器裝置；c)在操作上與所述探針裝置連接在一起以接收為響應(yīng)所述表面的所述掃描而產(chǎn)生的信號并處理所述信號以提供輸出的信號處理器裝置。
54.如權(quán)利要求50所述的生物統(tǒng)計學(xué)系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括在所述處理器裝置與所述超聲波成像系統(tǒng)和所述記錄部件之間提供無線通信鏈路的裝置。
55.一種提供對象手指掃描用的輸出超聲波束的超聲波成像系統(tǒng)的探針，其特征在于所述探針包括a)支撐對于手指從指甲一側(cè)邊緣到另一側(cè)邊緣的掃描的曲面支撐裝置，所述支撐裝置具有一縱軸并在所述縱軸與手指縱軸基本平行時支撐手指；b)提供輸出超聲波束的換能器裝置；c)沿基本上從所述支撐裝置的所述縱向軸徑向延伸的第一路徑移動所述換能器裝置從而使所述沿從指甲的一側(cè)邊緣向另一側(cè)邊緣的路徑引導(dǎo)超聲波束；以及d)沿基本上平行于所述支撐裝置的所述縱軸的第二路徑移動所述換能器裝置從而使所述超聲波束沿基本上平行于手指縱軸的路徑引導(dǎo)超聲波束。
56.如權(quán)利要求55所述的探針，其特征在于所述支撐裝置的剖面形狀基本上是半圓形的并且所述第一路徑為弧形路徑，弧長度為180度左右。
57.如權(quán)利要求55所述的探針，其特征在于進(jìn)一步包括使所述換能器裝置緊靠所述支撐裝置以將所述超聲波束導(dǎo)向手指并從而使所述波束在焦點處的尺寸盡可能小以提高所述系統(tǒng)分辨率的裝置。
58.如權(quán)利要求55所述的探針，其特征在于所述支撐裝置具有適于手指接觸的曲面和大致與指甲邊緣對齊的縱向延伸邊緣。
59.如權(quán)利要求55所述的探針，其特征在于所述換能器裝置包含沿所述支撐裝置的縱軸以一定間隔排列的多個換能器裝置。
60.一種對人體或動物組織表面進(jìn)行成像的超聲波成像系統(tǒng)，其特征在于包括a)包含多個換能器元件的換能器裝置，每個所述的換能器元件提供輸出超聲波束，并排列成陣列；b)支撐所述人體或動物組織從而使其表面可以被來自所述換能器元件陣列的超聲波束掃描的裝置；以及c)激勵所述換能器元件并接收響應(yīng)表面掃描而產(chǎn)生的信號的裝置。
61.如權(quán)利要求60所述的系統(tǒng)，其特征在于所述激勵和接收裝置包括a)在操作上與每個所述換能器元件相連以激勵所述換能器元件并接收回波信號的脈沖發(fā)生器/接收機(jī)；以及b)在操作上與所述脈沖發(fā)生器/接收機(jī)相連以從每個所述脈沖發(fā)生器/接收機(jī)讀取接收到的信號的多路復(fù)用器裝置。
62.如權(quán)利要求61所述的系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括操作上與所述多路復(fù)用器裝置相連以提供包含圖像信息的信號的峰值檢測器裝置。
63.如權(quán)利要求60所述的系統(tǒng)，其特征在于所述換能器元件的陣列包含沿相對于表面的第一方向延伸的線列并進(jìn)一步包括沿基本上與所述第一方向垂直的第二方向移動所述陣列的裝置。
64.如權(quán)利要求60所述的系統(tǒng)，其特征在于所述換能器元件的陣列包含沿待掃描的表面區(qū)域延伸的兩維陣列并進(jìn)一步包括對來自所述換能器元件陣列的超聲波束進(jìn)行電子控制的裝置。
65.如權(quán)利要求60所述的系統(tǒng)，其特征在于所述換能器元件的陣列包含沿待掃描的表面區(qū)域延伸的兩維陣列并且所述賦能和接收裝置包括a)多個用于每個所述換能器元件的脈沖器/接收機(jī)裝置，在操作上與相應(yīng)的所述換能器元件連接并向相應(yīng)的所述換能器元件賦能和接收回波信號；以及b)多根用于每個所述換能器元件的可編程延遲線路，在操作上與相應(yīng)的所述脈沖器/接收機(jī)裝置相連，所述延遲線路以不同的時間向所述換能器元件延遲賦能以提供對來自所述換能器元件的超聲波束的回掃和控制。
66.如權(quán)利要求65所述的系統(tǒng)，其特征在于a)在操作上與所述脈沖器/接收機(jī)相連以從每個所述脈沖器/接收機(jī)讀取接收的信號的多路復(fù)用器裝置。b)在操作上與所述多路復(fù)用器裝置和所述可編程延遲線路相連以向所述多路復(fù)用器裝置和所述可編程延遲線路提供定時和控制信號的定時和控制裝置；以及c)在操作上與所述多路復(fù)用器裝置相連以提供包含圖像信息的信號的峰值檢測器裝置。
67.一種對人體或動物組織表面進(jìn)行成像的超聲波成像方法，其特征在于包括以下步驟a)提供排列成陣列的多個超聲波換能器元件，每個所述換能器元件提供輸出超聲波束；b)剛性支撐所述人體或動物組織從而使來自所述換能器列陣的超聲波束能夠掃描其表面；c)向所述換能器元件賦能；以及d)接收響應(yīng)表面掃描而產(chǎn)生的信號。
68.如權(quán)利要求67所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含對接收到的信號進(jìn)行處理以提供圖像信息的步驟。
69.如權(quán)利要求67所述的方法，其特征在于包含以下步驟a)將所述換能器元件排列成線性陣列以沿第一方向掃描所述表面的步驟；以及b)沿基本上與所述第一方向垂直的第二方向移動所述換能器元件陣列。
70.如權(quán)利要求69所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括以下步驟在合適的方式下，以不同的時間延遲向陣列的所述各個換能器元件賦能從而能夠以電子方式控制來自所述換能器的超聲波束。
71.如權(quán)利要求69所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含以下步驟在換能器元件賦能期間將球面時間延遲曲率施加到列陣上從而可以使超聲波束收斂和聚焦。
72.如權(quán)利要求69所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含以下步驟a)在合適的方式下以不同的時間延遲向陣列的所述各個換能器元件賦能；以及b)在換能器元件賦能期間將球面時間延遲曲率施加到陣列上；c)從而在表面掃描期間回掃和聚焦來自所述換能器元件的超聲波束。
73.如權(quán)利要求67所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含以下步驟將所述換能器元件陣列排列為沿待掃描表面區(qū)域延伸的兩維陣列。
74.如權(quán)利要求73所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包括以下步驟在合適的方式下，以不同的時間延遲向陣列的所述各個換能器元件賦能從而能夠以電子方式控制來自所述換能器的超聲波束。
75.如權(quán)利要求73所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含以下步驟在換能器元件賦能期間將球面時間延遲曲率施加到列陣上從而可以使超聲波束收斂和聚焦。
76.如權(quán)利要求73所述的方法，其特征在于進(jìn)一步包含以下步驟a)在合適的方式下以不同的時間延遲向陣列的所述各個換能器元件賦能；以及b)在換能器元件賦能期間將球面時間延遲曲率施加到陣列上；c)從而在表面掃描期間回掃和聚焦來自所述換能器元件的超聲波束。
77.如權(quán)利要求67所述的方法，其特征在于所述支撐所述人體或動物組織的步驟包括將手指在平板上側(cè)面到側(cè)面地滾動從而對手指從指甲的一側(cè)邊緣掃描到另一側(cè)邊緣的步驟。
78.如權(quán)利要求67所述的方法，其特征在于所述支撐所述人體或動物組織的步驟包括將手指放于曲面板上的步驟，其中所述換能器元件陣列沿面板曲率方向排列并沿面板縱軸的方向移動從而對手指從指甲的一側(cè)邊緣掃描到另一側(cè)邊緣。
79.如權(quán)利要求67所述的方法，其特征在于所述支撐所述人體或動物組織的步驟包括將手指放于曲面板上的步驟，其中所述換能器元件陣列沿面板表面排列成兩維形式從而對手指從指甲的一側(cè)邊緣掃描到另一側(cè)邊緣。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于超聲波成像系統(tǒng)并提供輸出超聲波束以掃描人體或動物組織表面的探針，其包括以剛性方式支撐所要成像的人體或動物組織來限定所述表面的裝置；提供輸出超聲波束的換能器裝置；以及按照使所述超聲波束導(dǎo)向所述表面的方式將所述換能器定位于緊靠支撐裝置從而使所述波束位于焦點處的尺寸盡可能小以提高所述系統(tǒng)分辨率的裝置。
文檔編號G01N29/26GK1140982SQ94194743
公開日1997年1月22日 申請日期1994年11月3日 優(yōu)先權(quán)日1993年11月4日
發(fā)明者J·K·施尼德爾, F·W·基尼, R·J·達(dá)克斯, S·M·高捷維克, N·G·萊茨尼斯基, M·C·施尼德爾, D·C·沃波紹爾 申請人:尼亞加拉技術(shù)股份有限公司