CN100405080C - 具有合成的扫描头接线的诊断超声波成像系统 - Google Patents

Abstract

一种诊断超声波成像系统，包括具有多个转换器单元的扫描头。例如时分复用器这样的信号合成器被耦合到每个转换器单元。该信号合成器将来自转换器单元的信号合成为一个复合信号，并通过无线或其他通信链路将该复合信号耦合到超声波处理器。例如时分解复用器这样的信号分离器被耦合到该链路，并由该复合信号恢复出来自转换器单元的每个信号。

Description

具有合成的扫描头接线的诊断超声波成像系统

技术领域

本发gh明涉及诊断超声波成像系统，特别是涉及具有相对较少信道的通信链路来将超声波扫描头耦合到超声波处理器的系统。

发明背景

超声波诊断成像系统广泛应用于超声波成像和测量。例如，心脏病学家，放射学家和产科医生分别使用超声波成像系统来检查心脏，各种腹部器官，或生长的胎儿。通过将扫描头贴在患者皮肤上可从这些系统获得诊断图像，并开动位于扫描头内的超声波转换单元，从而将超声波能量输送到患者体内。相应的，超声回波被身体的内部结构反射出来，返回的声回波通过扫描头内的转换单元被转换为电信号。

图1表示根据现有技术的超声波成像系统10。扫描头12包括支撑转换器部件16的处理部分14。转换器部件16通常由晶体材料，例如钛酸钡或锆钛酸铅(PZT)形成，该材料构造形成压电转换器单元阵列18，能够发送和接收超声频率的信号。这样形成的转换器单元18可以被排列成线性阵列，或者被排列成各种形式的二维结构。扫描电线20一端耦合到扫描头12，对端耦合到超声波处理器22，从而使处理器22和扫描头12进行通信。超声波处理器22包含波束生成器24，它能够与扫描头12交换信号，从而聚焦转换器部件16发射出的超声波信号。通过控制在每个单元上施加电压的相对时延，从而将它们合成，以产生聚焦在被扫描人体内选择点上的净超声波信号，从而实现聚焦。这样实现的聚焦点可以根据每个连续的发送器激励而移动，从而可以按照人体的不同深度将发送的信号扫描过人体，而不用移动转换器。当转换器从人体的内部区域接收返回的回波时也可应用类似的原理。在转换器单元18产生的电压被分别延时然后相加，从而通过人体内单个接收聚焦点反射的声回波来控制该净信号。然后将聚焦信号传送到位于超声波处理器22内的图像处理器26，用于随后的附加处理，该附加处理是在可视显示器28上显示人体扫描区域的可视图像之前。系统控制器30与波束形成器24和图像处理器26相互作用，来控制波束形成信号的处理和来自波束形成器24的数据流。

需要具有更细致分辨率的诊断图像和要求二维转换器单元阵列的三维诊断图像，这种需要引起了具有转换器部件的系统的发展，所述转换器部件包含大量单独的转换器单元18。结果，转换器部件16可能包含许多单独的转换器单元18，其数目在几百个到三千个的范围之间。通常，转换器部件16中的每个转换器单元18都必须通过一个单独的同轴线被耦合到处理器22。由于所有的同轴线都再扫描电缆20中延伸，因此扫描电缆20的直径随着转换器单元18的数目增加而增加。从而，随着转换器部件16的尺寸增加，由于电缆灵活性降低和电缆尺寸、重量增加，在超声波处理期间，扫描电缆20变得更加难以操作。随着转换器阵列的尺寸和复杂性逐步增加，扫描电缆20的直径和重量会变得相当大。

使扫描头12变得易于操作的一种方法是，在扫描头12和超声波处理器22之间使用通信链路，而不使用同轴电缆。例如，除了同轴电缆之外可以使用射频或光学链路。然而，这种将信号从大量转换器单元18中的每一个都耦合到处理器22的需要，由于某些原因这可能会引起其他问题。例如，很难避免射频链路之间的交叉耦合，并且很难保持光学链路所需要的扫描头12和和超声波处理器22之间的直线视线。因此，虽然射频或光学链路可以解决扫描电缆的重量和灵活性问题，但也引起了难以解决的其他问题。

一些现有的超声波成像系统在扫描头12中使用一定电路来减少在扫描头12和超声波处理器22之间延伸的电缆20中的同轴线数量。其中一些现有的超声波成像系统初始时就被设计成用于具有相对较少数目的转换器单元的扫描头。当研制具有大量转换器单元18的扫描头12时，通过在扫描头12中设置一个复用器(未示出)可以使该扫描头12与现存的超声波处理器22一起使用。然后，通过使用复用器来选择性地将不同组的转换器单元18耦合到超声波处理器22，使用来自孔径的信号合成波束，该孔径由扫描头12中少于总数的转换器单元18构成。然后通过多路发送和循环接收来获得超声波图像，其中发送孔径，接收孔径，或两者一起，都利用每个循环的复用器来重新定位。

虽然这种方法在将具有相对较多数目转换器单元18的扫描头应用到具有较少数目的波束生成器24输入信道的超声波处理器时很成功，但这种成功所需价格很高。特别是，需要执行多路发送和接收循环来获得每个超声波图像，这大大减少了超声波成像系统的桢频，从而在获得超声波图像相对比较耗费时间。另外，该系统在任何时刻都不能使用扫描头中的整个可用孔径。

现有超声波成像系统中使用的可以减少扫描电缆20中的同轴电缆数目的另一种方法是，在扫描头12中设置处理电路，该电路能够至少执行波束生成器24的某些处理功能。来自转换器单元18的预处理信号导致转换器单元18输出的信号被合成，从而产生必须通过同轴电缆耦合的较少数目的信号。结果，使用扫描头12中的预处理电路来减少扫描电缆20中的同轴电缆数目。虽然这种方法可减少扫描电缆20中的同轴线数目，但仍存在显著的缺点。例如，超声波处理器22依据获得图像的类型和其他因素可与扫描头11连接的灵活性减少了，因为通过扫描头12的设定至少某些功能性是固定的。并且，在转换器单元18部件全部或部分失效的情况下，不得不与失效的转换器单元18一起丢掉包含相对较昂责的预处理电路的扫描头12。

因此，非常需要一种扫描头，即使使用大量转换器单元，也能够通过相对较细的电缆或相对较少信道的通信链路将扫描头耦合到超声波处理器，而不必同时将所有的转换器单元通过相对较粗的电缆耦合到超声波处理器而牺牲灵活性和功能性。

发明概述

一种超声波诊断成像系统和方法，用于将来自超声波扫描头中的各转换器单元的信号合成为复合信号，并将该复合信号耦合到超声波处理器。然后在该超声波处理器将该复合信号分离为它的构成分量，从而恢复转换器单元输出的原始信号。结果，可以使用具有相对较少信道的通信链路，例如具有相对较少的同轴电缆来，将来自该扫描头的复合信号耦合到超声波处理器。来自转换器单元的信号可以通过时分复用在扫描头被合成然后在超声波处理器被分离。

附图简介

图1是传统的诊断超声波成像系统，使用比较粗，重和不灵活的电缆将扫描头连接到超声波处理器。

图2是根据本发明一个实施例的诊断超声波成像系统的框图，使用比较细，轻和灵活的电缆将扫描头连接到超声波处理器。

图3是使用时分复用的图2所示系统中使用的扫描头和部分超声波处理器的一个实施例的框图。

图4是表示图3的扫描头和处理器的操作的波形图。

图5是图3中的时分复用例子中使用的扫描头和部分超声波处理器的一个实施例的框图。

图6是图3中的时分复用例子中使用的扫描头和部分超声波处理器的另一实施例的框图。

图7是图3中的时分复用例子中使用的扫描头和部分超声波处理器的又一实施例的框图。

图8是图3中的时分复用例子中使用的扫描头的又一实施例的框图。

图9是使用频分复用的图2所示系统中使用的扫描头和部分超声波处理器的一个实施例的框图。

图10是表示图9的扫描头和处理器的操作的频谱示意图。

发明详述

图2示出了根据本发明的诊断超声波成像系统40的一个实施例。该系统40非常类似于图1的系统10。因此，为简明起见，相同的部件使用相同的参考标号，并不再重复说明它们的结构和操作。图2的系统40与图1的系统10区别在于，使用了一个不同的扫描头44，能够允许较细的扫描电缆46将扫描头44耦合到超声波处理器50。扫描头44与图1的系统10中使用的扫描头12基本相同，除了包括一个信号合成器52，以下将说明它的各种实施例。类似地，超声波处理器50与图1的系统10中使用的超声波处理器22基本相同，除了用到信号分离器56，以下将说明它的各种实施例。

图3示出了信号合成器52和信号分离器56的一个实施例。该实施例中，利用时分复用器60来实现信号合成器52，利用时分解复用器64来实现信号分离器56。复用器60和解复用器64通过信号线66和至少一个控制线68彼此耦合，这些线路都通过扫描电缆46延伸(图2)。

下面将参照图4来说明复用器60和解复用器64的操作。如图4所示，通过各转换器单元18产生多个信号S1，S2...SN。转换器单元18与时分复用器60的各输入端耦合，时分复用器在t1，t2...tN；t1+Δt，t2+Δt...tN+Δt；t1+2Δt，t2+2Δt...tN+2Δt；等各个时刻对信号取样。这些信号可能在扫描头中被进行其它处理，例如放大。然后将这些信号施加到信号线66，并通过信号线66耦合到时分解复用器64。解复用器64将来自转换器单元18的信号施加到各输出端，从而再现转换器单元18产生的信号。时间Δt被选择为来自转换器18的信号中最高频率分量的至少两倍的倒数，从而所有的频率分量都将通过信号线66被耦合。所需的信号线66的数目依赖于转换器单元18的数目，来自转换器18的信号中的最高频率分量，和信号线66的带宽。在一个实施例中，以20MHz频率对来自转换器18的信号取样，从而这些取样可以保留10MHz以内的所有信号频率分量。信号线66的带宽为500MHz。结果，信号线66可以耦合来自25个转换器18的信号。扫描头44具有200个转换器单元18，这就要求8个信号线66。特别有利的信号线是光纤链路，它的宽频谱能够通过波分复用(WDM)和其他光学复用技术而容纳许多转换器单元的信道。

来自波束生成器24的信号可以耦合到扫描头44，从而以基本相同的方式传送超声波能量脉冲。实际上，在本发明的一些实施例中，可以以相同的电路来实现复用器60和解复用器64。为简明起见，说明将从扫描头44接收的信号耦合到超声波处理器50的本发明的各个实施例。然而，应当理解也可使用相同的技术将来自超声波处理器50的发送信号耦合到扫描头44。同样，包括时间信息的发送信号通过波束生成器24以数字形式产生，因此这些信号可以被有效地耦合到扫描头44。

图5中示出了时分复用器60和时分解复用器64一个实施例。时分复用器60通过传统的复用电路70来实现，复用电路70具有与各转换器单元18耦合的多个输入端，和与信号线66耦合的信号输出端。复用电路70通过来自计数器72的信号控制，计数器72通过来自超声波处理器50的CLK信号进行计时，并通过来自超声波处理器50中其他电路(未示出)的RST信号被复位。超声波处理器50中的时分解复用器64类似的通过解复用电路76来实现，解复用电路76由来自计数器78的信号控制。计数器78通过对计数器72进行计时和复位的相同CLK和RST信号进行计时和复位。

在操作中，计数器72，78通过RST脉冲被初始化复位，从而计数器72将第一转换器单元18耦合到信号线66，解复用器76将信号线66耦合到第一输出端。然后计数器72，78通过CLK脉冲被连续递增，从而使复用器70将连续的转换器单元18耦合到信号线66。同时，解复用器76将信号线66耦合到对应的解复用器76的输出端。解复用器76的输出端被耦合到超声波处理器50的相同部件，例如波束生成器24，从而能够耦合具有比较粗，重和不灵活的扫描电缆20的传统扫描头12。

图6表示与图5的时分复用器60一起使用的时分解复用器64的另一实施例。时分解复用器64通过模数(“A/D”)转换器80来实现，该转换器80由施加到计数器72的相同CLK信号来控制。该实施例中，时分复用器60按照与图5所示相同的方式来操作。A/D转换器80判断信号线66上出现的取样幅度，并产生对应的数值。该数值被施加到超声波处理器50中的电路，该处理器位于通常与扫描头耦合的电路的“下游”。例如，来自转换器单元18的信号通常被耦合到波束生成器24中的A/D转换器。在图6的实施例中，A/D转换器80的输出将被耦合到波束生成器24中通常连接A/D转换器输出的相同位置。

在操作中，超声波处理器50初始时将RST脉冲施加到计数器72。然后计数器72将一个数值施加到复用器70，从而使复用器70将第一转换器单元18耦合到信号线66。然后第一CLK脉冲递增计数器72，使复用器70将第二转换器单元18耦合到信号线66。然而，在计数器72和复用器70响应CLK脉冲之前，该CLK脉冲使A/D转换器80输出一个数字字，指示来自第一转换器单元18的信号取样的幅度。以相同的方式可获得来自其余转换器单元18的取样幅度对应的数字。

图7示出了时分解复用器的另一个实施例。在取样频率为20MHz，通信链路带宽为500MHz的例子中，使用以500MHz操作的A/D转换器是非常昂贵的。以80MHz的较低频率操作的A/D转换器更为实用和经济。在该较低频率，扫描头中的模拟复用器60’可用来复用多路信号，例如将来自24个转换器单元的24路信号复用到一个信号电缆。在电统的超声波系统一侧，模拟解复用器64’以调制频率的分数倍进行操作，例如复用器60’的频率的六分之一，以产生六路模拟输出，每个输出包括四路时分复用的信号。用于解复用器64’的时钟信号可以通过将计数器78的输出划分为M个来实现，如图7的M分电路79所示。解复用器输出被耦合到六个A/D转换器，每个A/D转换器都按与解复用器64’相同的频率操作，该例子中为复用器60’的频率的六分之一。然后按上述说明将每个A/D转换器的输出流中的四路时分复用信道在数字域中解复用。

图8表示与图5，6或7的时分解复用器64一起使用的时分复用器60的另一个实施例。图8的时分复用器60执行的功能与图5的时分复用器60执行功能的不同在于，对转换器单元18输出信号的取样时刻。在图5的时分复用器60中，来自转换器单元18的信号以不同的时刻被取样。当处理来自波束生成器24中的转换器单元18的信号时，必须考虑获得取样的相对延时。结果，波束生成器24中的信号处理比传统的诊断超声波成像系统更为复杂，其中来自转换器单元18的信号可以在任何时刻被取样。

图8的时分复用器60通过取样保持(“S/H”)电路90，复用电路92和计数器94来实现，计数器94可控制复用电路92的操作。在操作中，超声波处理器50产生一个RST脉冲，从而使S/H电路90同时对所有转换器单元18的各输出信号进行取样。RST脉冲还复位计数器94，从而使复用电路92将S/H电路90的第一输出耦合到信号线66。随后的CLK脉冲顺序地将S/H电路90的其余输出耦合到信号线66。在S/H电路90的所有输出都被耦合到信号线66之后，再产生RST脉冲，用于再次对所有转换器单元18的输出信号进行取样。

图2的信号合成器52和信号分离器56的上述实施例使用了时分复用。然而，信号合成器52和信号分离器56也可使用其它的方式，例如频分复用。例如，参见图9，每个转换器单元18都被耦合到各调制器100，该调制器100可以是，例如频率调制器，相位调制器或幅度调制器。调制器100的输出被耦合到加法器102。每个调制器100都工作在不同的频带，并调制该频带内的载波信号，例如通过来自个转换器单元18的信号进行幅度调制(“AM”)，频率调制(“FM”)或相位调制(“PM”)。AM可以是双边带幅度调制，或将带宽效率加倍，单边带幅度调制。如图10所示，第一调制器100a在f0+Δf到f0+Δf的频率带内工作，第二调制器100b在f0+Δf到f0+2Δf的频率带内工作。频带Δf的宽度被选择为是来自转换器单元18的信号的最高频率分量的至少两倍，从而所有的频率分量都可通过信号线66被耦合。

虽然图9的实施例在文中描述了，每个转换器单元18都产生对应于反射后超声波幅度的电压，但也可使用其它的技术。例如，转换器单元18可以是能够利用MEMS技术制造的可变电抗声学转换器单元。每个可变电抗声学转换器单元的电容可以是超声波幅度的函数。每个可变电抗声学转换器单元可以用在振荡器电路(未示出)中，以确定振荡器的工作频率。因此振荡器的工作频率将表示超声回波的幅度。来自振荡器的信号将被用来调制各调制器100。

加法器102输出的复合信号通过信号线66耦合到一组解调器108，其中每个解调器都被提供到每个调制器100。每个解调器108都工作在对应于调制器100工作的相同频带，因此每个解调器108由对应的转换器单元18恢复输出信号。解调器108输出的信号被耦合到超声波处理器50中的波束生成器24，该耦合位置与转换器单元18通过扫描电缆20分别耦合信号的位置相同。

如上所述可以看出，虽然这里举例说明了本发明的特定实施例，但在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以进行各种修改。例如，虽然已描述的各种信号合成器和信号分离器的例子都通过信号线彼此耦合，但也可使用其它的通信链路。例如信号合成器可以通过射频或光学通信链路耦合到信号分离器。相应地，本发明仅由随后的权利要求进行限定。

Claims (11)

1.一种诊断超声波成像系统，包括：

具有多个转换器单元的扫描头，每个转换器单元都具有转换器单元接线端，所述扫描头还具有与该转换器单元接线端相耦合的时分复用器，该时分复用器被构造为可将来自多个转换器单元的信号合成为较少数目的合成输出信号；

与该时分复用器相耦合的通信链路，以便接收每个合成输出信号；

与该通信链路相耦合的时分解复用器，以便接收每个合成输出信号，该时分解复用器还经由所述通信链路耦合到所述时分复用器以便进行同步，并且被构造为可将每个合成输出信号分离为各个输出信号，各输出信号对应于被合成以便产生该合成输出信号的多个信号；和

超声波处理器，进行耦合以接收来自时分解复用器的各个输出信号。

2.根据权利要求1的诊断超声波成像系统，其中该时分复用器包括：

第一复用电路，具有多个第一接线端和与该通信链路耦合的第二接线端，所述多个第一接线端耦合到各个转换器单元的转换器单元接线端，第一复用电路响应于施加到控制输入的第一数字控制信号，将第二接线端耦合到多个第一接线端中的每个接线端。

3.根据权利要求1的诊断超声波成像系统，其中该时分复用器包括：

取样保持电路，具有多个输入端，每个输入端都与各转换器单元相耦合，该取样保持电路可进行操作来保持来自每个转换器单元的信号取样，并将该取样提供到各个输出端；

第一复用电路，具有多个第一接线端和一个第二接线端，所述多个第一接线端耦合到该取样保持电路的各个输出端，第一复用电路响应于施加到控制输出的第一数字控制信号，将第二接线端耦合到多个第一接线端中的每个接线端。

4.根据权利要求2或3的诊断超声波成像系统，其中该时分解复用器包括：

第二复用电路，具有与超声波处理器相耦合的多个第一接线端和与该通信链路耦合的第二接线端，该第二复用电路响应于施加到控制输入的第二数字控制信号，将第二接线端耦合到多个第一接线端中的每个接线端。

5.根据权利要求2或3的诊断超声波成像系统，其中该时分解复用器包括模数转换器，该模数转换器具有与该通信链路相耦合的输入端和与该超声波处理器相耦合的数字输出端，该模数转换器响应于时钟信号，将从该通信链路接收的电压电平转换为对应的数字值，并将该数字值提供到数字输出端。

6.一种将来自超声波扫描头中各转换器单元的信号耦合到超声波处理器的方法，该方法包括以下步骤：

在扫描头处，将来自多个转换器单元的信号合成为复合信号；

将来自该扫描头的复合信号通过射频通信链路耦合到超声波处理器；和

在超声波处理器处，与所述合成步骤同步地将该复合信号分离为多个分量，每个分量都对应于来自各转换器单元的信号。

7.一种将来自超声波扫描头中各转换器单元的信号耦合到超声波处理器的方法，该方法包括以下步骤：

在扫描头处，将来自多个转换器单元的信号时分复用为复合信号；

通过通信链路将来自该扫描头的复合信号耦合到所述超声波处理器；和

在所述超声波处理器处，与所述合成步骤同步地将该复合信号时分解复用为多个分量，每个分量都对应于来自各转换器单元的信号。

8.根据权利要求7的方法，其中对来自转换器单元的信号进行时分复用的操作包括：

对来自多个转换器单元的信号进行取样；

对该取样进行合成；和

将来自扫描头的取样耦合到超声波处理器。

9.根据权利要求8的方法，其中对来自多个转换器单元的信号进行取样的操作包括，对来自多个转换器单元的信号进行顺序取样。

10.根据权利要求8的方法，其中对来自多个转换器单元的信号进行取样的操作包括，对来自多个转换器单元的信号进行同时取样。

11.根据权利要求7的方法，其中对该复合信号进行时分解复用的操作包括：

周期性地确定该复合信号的幅度；

产生对应于每个经确定幅度的数值；和

通过超声波处理器的各接线端将每个数字值耦合到所述超声波处理器。

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