CN1003610B - 超声显象设备的收发装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超声显象仪的收发装置，该显象仪采用脉冲回波法工作，显示物体的断层图象，包括有连接于第一电连接装置的一个换能器阵列。为了用同一台超声显象设备能进行不同类型的扫描，同时产生高质量的图象，该收发装置包括以下部分；经一个线阵列连接于回声信号处理电路的发射信号发生器接在线阵列与第一电连接装置之间的信号传输装置，以及第二电连接装置。

Description

超声显象设备的收发装置

本发明涉及超声显象仪的收发装置。该显象仪采用脉冲回波法工作，用以显示物体的断层图象。它包括以下装置：一个并排排列着换能器元件的阵列，根据送给换能器元件的发射信号，将多束超声脉冲射入目标物，并接收这些脉冲因物体内部声阻不一致而反射的回声，然后根据接收到的回声产生电信号;再有第一电连接装置，用于在换能器元件与收发装置的电子线路之间，传送发射信号和回声信号，该连接装置既可以是固定连接形式的，也可以是由第一控制信号来控制进行连接的。

包括上述那种收发装置的超声显象仪已为人们所知（德国公开说明书2654280，欧洲专利申请-公布号0006197）。然而，在这些人们所了解的显象仪中，采用的收发装置通常只有一种专门的扫描方式，例如，直线型扫描或扇型扫描方式。但是，进行不同方式的扫描，特别是对医疗检查来说，常常显示出极大的优越性。事实上，这种不同的扫描方式对进行诊断是必要的。由于超声显象仪的价格比较贵，所以人们期望有一种收发装置，可以实现用同一台超声显象仪进行不同方式的扫描，特别是扇型扫描和复合型扫描。为了获得高质量的图象，这种系统还应包括超声波的聚焦装置，尤其是接收特性的动态聚焦装置。如果要制作这种设备，而只是把现有技术中那些装置，以及相应的处理发射信号和回声信号的电子电路简单地连接在一起，进行不同方式的扫描，那么具体积之大，以及线路结构之复杂是非常显著的。这将会带来两个严重的问题：（a）设备的制作费用急剧增加，（b）大量的串联电子元件将对信噪比产生极为不利的影响，图象质量也会相应地变坏。

因此，本发明的目的就是提供前面所指出的那种新的收发装置，利用这种装置只需增加很少的费用，就可实现用同一台超声显象仪，进行不同方式的扫描，尤其是复合型扫描和扇型扫描，并且能够得到高质量的超声图象。

为了达到这一目的，根据本发明，该收发装置具有如下特点：

一个发射信号产生器，它按照第二控制信号，通过许多输出端，发出选取的具有预定时间间隔的发射信号，一个发射信号通过一个输出端。

一个回声信号处理电路，该电路有许多输入端，还包括第一可变延迟器，送入回声信号处理电路输入端的回声信号，经过此延迟器，可由第三控制信号选取延迟。

一个线阵列，每根连线将发射信号产生器的一个输出端与回声信号处理电路的一个输入端相连。

信号传输器，接在线阵列与第一电连接装置之间，这个信号传输器包括第二可变延迟器，发射信号和回声信号经过此延迟器，可由第四控制信号选取延迟。

以及，第二电连接装置，由它将发射信号产生器，第一、第二延迟器，在必要时也将第一电连接装置，均连接于控制电路，控制电路发送第二、第三、第四控制信号，在必要时也发送第一控制信号。

应用本发明的收发装置，只需增加少许费用，就可使用同一台超声显象仪进行不同的扫描，尤其是复合型扫描或扇型扫描，乃至线型扫描，且产生高质量的超声图象。（根据所选的扫描方法，所需要的仅是配备一个适合此项用途的换能器阵列）。

本发明的其它优点和特点，参阅附图，从下面对实施例的阐述中，可清楚地看到。

图1是一个方块示意图，说明本发明装置的原理。

图2是图1中发射信号产生器〔14〕的一个方块示意图。

图3表示图2中延迟线〔32〕输出端的一些脉冲信号。

图4图解说明图2中方块〔32〕和〔33〕的一个较好实施例。

图5是图1中延迟器〔26-1〕的一个方块示意图。

图6表示一些信号波形，用以解释产生发射信号的方法。

图7是图1中方块〔19〕的一个较好实施例的线路图，它表示了接收特性的动态聚焦装置。

图8图解说明图1中方块〔21〕的一个较好实例。

图1是本发明收发装置的方块示意图，它还给出了该收装置与超声显象仪中的一组换能器元件〔11〕和控制电路〔28〕的连接方式。

显象仪依靠脉冲回波原理工作，目的在于产生物体的断层图象。为此，采用了一个有许多彼此邻接的换能器元件的阵列，并将该阵列用于物体。通常采用直线型换能器阵列，但只要在收发装置设计中作了考虑，也可采用非直线型阵列。

在进行扇型扫描时，所有的换能器阵列元件都同时与收发装置接通。但进行线型扫描或复合型扫描时，有着彼此相邻的换能器元件的各换能器组依次与收发装置接通。

对于扇型扫描，图1中的换能器阵列〔11〕代表了用于此目的的换能器阵列所有元件1-N的总数。这种情况中，每个换能器元件通常固定地与具有N根总线的阵列〔12〕中的一根相连，此阵列以下称为总线〔12〕。

对线型扫描或复合型扫描来说，图1中的换能器阵列〔11〕表示依次使用的多组换能器元件的一组，每组由N个换能元件组成。在这种情况中，换能器元件组〔11〕中的每个元件，经过阵列〔13〕中的一个开关与总线〔12〕的一根线路接通。开关阵列〔13〕由控制电路〔28〕经线路〔29〕送入的第一控制信号进行控制。

如图1所示，本发明的收发装置包括一个发射信号产生器〔14〕，回声信号处理电路〔17〕，由M根总线组成的阵列〔24〕，信号传输器〔25〕。以下将总线阵列〔24〕简称为总线〔24〕。

根据由控制电路〔28〕经线路〔15〕送入的第二控制信号，发射信号产生器〔14〕发出多组选取的具有预定时间间隔的发射信号，这些信号由许多输出端〔16〕输出，每组信号中的每一个发射信号每次由一个输出端输出。

回声信号处理电路〔17〕具有许多输入端〔18〕，还包括第一可变延迟器〔19〕、〔21〕，利用这些延迟器，可根据控制电路〔28〕经线路〔22〕、〔23〕送来的第三控制信号，对送入输入端〔18〕的回声信号选取延迟。图1表示了用于回声信号处理电路一个输入端的延迟器〔19〕，其它大多数输入端也装有这种延迟器。另一方面，图1中方块〔21〕代表了这种延迟器，由它可对输入到回声信号处理电路〔17〕输入端的所有回声信号进行有选取的粗定量延迟。

总线〔24〕将发射信号产生器〔14〕的每个输出端与回声信号处理电路〔17〕的一个输入端相连。

信号传输器〔25〕置于总线〔24〕与总线〔12〕之间，用于传输发射信号和回声信号，传输器〔25〕包括可变延迟器〔26-1〕、〔26-2〕至（26-M〕，由这些延迟器，根据控制电路经线路〔27〕送入的第四控制信号，可以对发射信号和回声信号进行细定量选取延迟。图1仅表示了方块〔26-1〕的连接，其它方块〔26-2〕至〔26-M〕也有类似的连接，但图1未示出。如图1所示，每个方块〔26-1〕，〔26-2〕等都连接在（a）总线〔12〕的至少二根线上，（b）总线〔24〕的所有线上。

用直线型换能器阵列进行扇型扫描，当然是将超声脉冲依次射向许多不同的方向，对接收到的回声信号进行处理，然后在显示器上显示。用直线型换能器阵列进行复合型扫描，其方法也是类似的，但不是用单一的一组换能器元件进行，而是依次用不同的换能器元件组进行发射和接收。这种方法在美国专利说明书NO4，070，905中已有阐述。

当用一组彼此相邻的换能器元件发射超声波时，每次发射的超声束的方向，由送入换能器元件中的发射信号的相对时间间隔确定。因此，沿已定方向发射超声波时，就要将相对于参考信号具有不同延迟的发射信号送入换能器元件。与每个发射信号相关的延迟是根据需要发射的方向和阵列中换能器元件的相对位置而确定的。对回声信号也要有类似的处理过程，以正确地测出由回声波携带的图象信息。为此，在不同的时刻对这些信号进行延迟，与回声信号相关的特殊延迟是依据接收方向和阵列中换能器元件的相对位置而确定的。这些具有不同延迟的回声信号然后相加再送入显示器。

如下面所详细讲述，图1中所示的本发明收发装置包括的延迟器，可对发射信号和回声信号实现上述延迟。

在一个改善了超声图象质量的较好实施例中，图1中的收发装置有以下附加延迟器：

（a）延迟器，能够实现发射信号的附加延迟，因此可聚焦发射的超声束。

（b）延迟器，能够对回声信号实现随时间变化的附加延迟，因此可动态聚焦接收特性。

送入图1中一个换能器元件的典型发射信号，其总延迟包括：由发射信号产生器〔14〕产生的粗定量延迟增量和信号传输器〔25〕中产生的细定量延迟增量。

由换能器传送的，并在图1所示的收发装置中处理过的典型回声信号，其总延迟也包括：一部分在信号传输器〔25〕中产生，一部分在延迟器〔19〕中产生的细定量延迟增量和在延迟器〔21〕中产生的粗定量延迟增量。

上述本发明收发装置的工作过程和原理表明，其下述特点使得线路大为简化。

（a）信号传输器〔25〕，由它传送发射信号和回声信号，且每个发射信号和回声信号的总延迟的一部分在这里产生。

（b）至少有两个换能器元件与〔26-1〕，〔26-2〕等每个延迟器相连。

下面参照附图，对图1所示电路的一个最佳实施例进行说明。

换能器组〔11〕包括32个换能器元件，其中每个元件可经过开关阵列〔13〕中的一个开关与总线〔12〕中的一根线相连。因此，总线〔12〕就有32根线。

总线〔24〕有16根线，每根线将发射信号产生器〔14〕的一个输出端与回声信号处理电路〔17〕的一个输入端相连。

图2是图1中发射信号产生器的方块图，它包括一个脉冲发生器〔31〕，数字延迟电路〔32〕，如一个移位寄存器，和一个多路转换系统〔33〕。根据时钟脉冲，脉冲发生器〔31〕在其输出端将第一脉冲〔39〕送出。图3表示了这种脉冲。脉冲信号〔39〕经线路〔41〕到达延迟电路〔32〕的输入端时，脉冲〔39-1〕、〔39-2〕至〔39-28〕在其28个输出端〔42-1〕至〔42-28〕（见图4）送出，并且具有相对于第一脉冲信号〔39〕各不相同的粗定量延迟。这些脉冲也示于图3。在延迟电路〔32〕输出端，连续脉冲的时间间隔为200毫微秒。未延迟的脉冲〔39〕由延迟电路〔32〕的另一输出端输出。根据由线路〔15〕送来的第二控制信号，多路转换系统〔33〕有选择地将延迟电路〔32〕的16个输出端与发射信号产生器的输出端〔16-1〕、〔16-2〕至〔16-16〕接通，因此接通了总线〔24〕的16个线路。图4直观地表示了多路转换系统〔33〕的结构及其连接。在附图中可以看到，系统〔33〕包括由数字多路转换器〔43-1〕至〔43-5〕，〔44-1〕至〔44-3〕，〔45-1〕至〔45-3〕，〔46-1〕至〔46-5〕组成的阵列。系统〔33〕连接于〔a〕延迟电路〔32〕的输入端及其抽头〔42〕至〔42-28〕、（b）发射信号产生器的输出端〔16-1〕至〔16-16〕。控制多路转换器阵列〔33〕功能的控制信号是经线路15送入的，线路15在图2中仅示意性地用了一根线表示。多路转换器的转换比，在图4中分别表示各分组转换器的一个方块中，以示各分组转换器转换比的区别。

图5是图1中延迟器〔26-1〕的方块图。根据图1，这种延迟器能与至少一对换能器元件和总线〔24〕的所有线路相连。如图5所示，延迟器〔26-1〕包括：一个延迟线〔54〕，如带有第一、第二两组抽头〔55〕、〔56〕的LC延迟线;一个第一多路转换器系统〔51〕，由它可将总线阵列〔24〕的每根线，有选择地与延迟线〔54〕的第一组抽头〔55〕中的一个接通;一个第二多路转换器系统〔57〕，由它可将至少两个换能器元件中的每一个有选择地与延迟线〔54〕的第二组抽头〔56〕中的一个接通。多路转换器系统〔51〕包括一个多路转换器〔52〕，多路转换器〔52〕由适当的连接方式，（a）连接总线〔24〕的16根线，（b）经一个双向放大器〔61〕连接于多路转换器〔53〕，多路转换器〔53〕经过适当的连接，与延迟线〔54〕的抽头组〔55〕相连。多路转换器系统〔57〕也包括两个多路转换器〔58〕、〔59〕，由适当的连接方式与延迟线〔54〕的抽头组〔56〕相接。多路转换器〔58〕、〔59〕又各经一个双向放大器〔62〕、〔63〕分别与总线〔12〕的一根线相连。多路转换器〔52〕、〔53〕、〔58〕、〔59〕是端口化的模拟多路转换器。图5中各方块内标出了每个多路转换器的转换比。由延迟线路传送的信号，其不同的细定量延迟，可通过选取连接多路转换器系统〔51〕、〔57〕中的多路转换器的接点生产。第一组抽头〔55〕中的抽头提供50毫微秒的延迟增量，而第二组抽头〔56〕中的抽头提供25毫微秒的延迟增量。多路转换系统〔51〕和〔57〕的控制信号是经许多线传送的，图5中仅用线〔27〕表示。这些控制信号由控制电路〔28〕发出，并在换能器阵列〔11〕发射每个超声脉冲之前，存储在寄存器中〔图5中未表示〕。发送发射信号和回声信号的控制信号都存储在这些寄存器中，但发送发射信号的控制信号通常与发送回声信号的控制信号是不同的。

图6表示许多信号波形，用以说明延迟器〔26-1〕传送的发射信号，图6的上部表示脉冲〔61〕，它作为参考脉冲，以确定其它脉冲在时间上的位置。图6中的脉冲〔62〕是图1中发射信号产生器〔14〕产生，并由总线〔24〕中的一根线路传送的脉冲;前面讲到的多路转换系统〔51〕、〔57〕的控制作用再将该脉冲经延迟线路〔54〕传送给换能器元件i;其结果是它经过了一定的延迟，如125毫微秒的延迟，这种脉冲在图6中表示为脉冲〔63〕。类似地，脉冲〔64〕是由脉冲〔62〕得到的，并送入换能器元件i+1。从图6中还可看到，这种脉冲〔64〕通常也有一个延迟，例如比脉冲〔63〕延迟75毫微秒。所有发射脉冲都是负极性的，由于这个原因，发射脉冲不会由回声信号处理电路〔17〕进行处理。

图5中多路转换器〔52〕有两个重要作用。在扫描过程中发射的超声束或接收特性必须是在扫描面上可旋转的，例如对扇型扫描或复合型扫描，因而多路转换器〔52〕能保证发射或接收的方向可向左或向右旋转。根据图1中本发明的电路安排，如果没有多路转换器〔52〕，这种转动是不可能的，因为在其中装有进行发射信号和回声信号的粗定量延迟增量的装置，使发射的超声束或相应的接收特征，能从垂直方向开始向一个方向偏移，即向右或左，前面提到的延迟器的设置可使电路简化。对于那些连续使用不同换能器组的扫描，如复合扫描或线型扫描，多路转换器〔52〕还可使传输通道周期地轮换，以使发射信号和回声信号获得恰当的延迟。这是必要的，因为在这些扫描过程中，换能器元件是周期性地轮换使用。

回声信号的传输通道是从每个换能器元件延伸至总线〔24〕中的某一根线。延迟器〔26-1〕，〔26-2〕等的作用，类似于上面对发射信号所述的传输作用，但图5中多路转换器〔53〕、〔59〕、〔58〕的工作过程通常不同于它们在传输发射信号时的工作过程。在这种情况中，回声信号经总线〔24〕各线被送入图1中回声信号处理电路〔17〕的输入端〔18-1〕，〔18-2〕至〔18-16〕，回波信号是正极性的，因此可以由电路〔17〕进行处理。如上所述，电路〔17〕包括对接收特性进行动态聚焦的装置，在图1中，这些装置由一个输入端的可变延迟线〔19〕表示。图7中对回声信号处理电路〔17〕的一半输入端示意性地画出了相对应的进行动态聚焦的装置，电路〔17〕的另一半输入端也有同样的装置。由图7可见，送入回声信号处理电路〔17〕的回声信号可由可变延迟线〔71〕至〔77〕进行延迟。这些延迟线包括商品化的LC延迟线，这些延迟线提供的延迟，是在接收期间，由开关组〔83〕适当地控制、逐次进行变换的。这样便实现了接收特性的动态聚焦。图7给出了方框〔71〕至〔77〕这些延迟线各接点处的毫微秒数量级延迟。图7中的每个延迟线都与一个前置缓冲放大器〔81〕和一个后置缓冲放大器〔82〕连接。输入端〔18-8〕没有装置延迟线，进入该输入端的回声信号是由缓冲放大器〔84〕、〔85〕传输的。输出端〔91-1〕至〔91-8〕的信号被送入图1中延迟器〔21〕的输入端。

回声信号的传输通道由阵列的16个输出端（前面已根据图7对其中的二分之一加以说明）通至图1中延迟器〔21〕的16个输入端。图8具体表示了这些延迟器的结构。很明显，由线路〔91-1〕至〔91-16〕送来的回声信号，可经模拟多路转换器〔92-1〕至〔92-16〕送来的回声信号，可经模拟多路转换器〔92-1〕至〔92-4〕、〔93-1〕至〔93-4〕、〔94-1〕至〔94-4〕、〔95-1〕至〔95-4〕阵列有选择地送入输出放大器〔98〕的输入端或者延迟线〔101〕、〔102〕、〔103〕的接点，这些延迟线可根据适当的控制，经开关〔105〕、〔106〕形成串联。这些延迟线对回声信号产生粗定量延迟，其量值为200毫微秒。控制图3中多路转换器的控制信号，是由图1中线〔23〕所代表的许多线传送的。图8中多路转换器的转换比表示在各组多路转换器的一个小方框中。为了简化，图8中没有示出多路转换器与延迟线〔101〕至〔103〕的换点的所有连接情况，而仅表示了其中的一小部分。输出放大器〔98〕的输出端〔104〕输出的信号，是图1中换能器元件〔11〕送出的所有回声信号经回声信号处理电路17处理之后的总和。在图8的线路中装有缓冲放大器〔96-1〕至〔96-5〕和〔97-1〕至〔97-3〕。延迟线〔103〕的输出经控制开关〔107〕与输出放大器〔98〕的输入端相连。输出端〔104〕输出的信号以一种公知方式作进一步的处理，即在送入超声显象仪的显示装置之前，要经过具有时变放大倍数的放大处理，振幅压缩处理和正处理。

当然，上述收发装置可使用不同的换能器阵列和不同的发射频率，发射频率以在2.5至5MH之间为佳。每个换能器元件宽0.4mm，总共有32个换能器元件的阵列，适于进行发射频率为2.8MH的扇型扫描。每个换能器宽0.6mm，总共有156个换能器，组成以32个为一组依次选取使用的换能器阵列，适于进行发射频率为3MH的复合型扫描。

在图1中所示收发装置的其它形式中，换能器阵列〔11〕的元件数N与总线阵列〔24〕的线数M之比，可以取其它值，在前面的示例中，该比值为N∶M＝2∶1。

Claims (19)

1、一种用于以脉冲回声法工作而产生物体断层图象的超声显象设备的收发装置，包括下列装置：

一个换能器元件阵列〔11〕，换能器元件并排排列，根据送入的发射信号，将多束超声脉冲射入物体，接收因物体内部声阻不一致而产生的回声，根据接收的回声产生回声电信号，以及，在换能器元件与收发装置电路之间，用于传输发射信号、回声信号的第一电连接装置，该连接装置即可以是固定连接形式的，也可以是由第一控制信号来控制进行连接的，其特征在于：

（a）一个发射信号产生器，根据第二控制信号，由许多输出端输出选取的具有预定时间间隔的多组发射信号，且每个发射信号通过一个输出端;

（b）一个回声信号处理电路，具有许多输入端，还包括第一可变延迟器，利用此延迟器，根据第三控制信号，可对到达回声信号处理电路输入端的回声信号进行选择延迟;

（c）一个线阵列，每根线将发射信号产生器的一个输出端与回声信号处理电路的一个输入端相连;

（d）信号传输器，接在线阵列和第一电连接装置之间，该信号传输器包括第二可变延迟器，利用这个可变延迟器，根据第四控制信号，可对发射信号和回声信号进行选择延迟;

（e）第二电连接装置，由它将发射信号产生器，第一、第二延迟器，在必要时也将第一电连接装置，均连接于控制电路，控制电路发送第二、第三、第四控制信号，在必要时也发送第一控制信号。

2、根据权利要求1所述的装置，其中第一可变延迟器包括对换能器阵列接收特性的动态聚焦的装置。

3、根据权利要求1所述的装置，其中线阵列的线数（M）小于与该装置相连接的换能器元件数（N）。

4、根据权利要求1所述的装置，其中用于至少每对相邻换能器元件的信号传输器包括以下组件：

一个具有第一组、第二组接点的延迟线，第一多路转换器系统，经过这个多路转换器系统，线阵列中每根线可以有选择地接通延迟线第一组接点〔55〕中的一个接点。

5、根据权利要求1所述的装置，其中发射信号产生器包括：

一个脉冲发生器，根据时钟脉冲，在其输出端发送第一脉冲;

一个延迟电路，其输入端与脉冲发生器的输出端相连，由它可将脉冲发生器送来的第一脉冲，变换成相对于第一脉冲具有不同延迟的许多脉冲，每个这样取得的脉冲由延迟电路的许多输出端中的一个送出;以及一个多路转换系统，利用此系统，延迟电路的一些输出端可选择地与发射信号产生器的输出端相连。

6、根据权利要求1所述的装置，其中第一可变延迟器包括：

一个可变延迟线阵列，每个延迟线具有一个输出端，其每个输入端与回声信号处理电路的一个输入端相连接;

一个固定延迟线阵列，其线路间采用串联连接，每个延迟线有许多接点做为输入端;

一个多路转换器系统，经此系统，可变延迟线的输出端能够选择地与固定延迟线的接点接通。

7、根据权利要求1所述的装置，其中发射信号和回声信号的细定量延迟可由第二可变延迟线执行。

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