CN101410061B - 用于超声接收波束形成器的延时控制器 - Google Patents

Abstract

一种超声系统，包括具有元件阵列和位于两个相邻元件之间的波束原点的超声换能器，每个元件用于将所接收的能量转换为回波信号；和波束形成器，其包括具有初始控制器电路的初始控制器，用于根据从减小的表计算初始参数的过程来计算初始参数；具有延时电路和延时控制器的至少一个信道；以及求和器，用于将相位对准的信号求和以形成波束形成信号。

Description

用于超声接收波束形成器的延时控制器

技术领域

【0001】本发明涉及超声成像，并且，更具体地，涉及用于超声成像的所接收到的超声波束的聚焦。 

背景技术

【0002】在超声成像中，使用换能器来将超声波束发射到待检查的介质中，例如，人体的一个区域；接收由介质中各种间断面反射的超声回波；并且，将反射的超声回波转换为电信号。然后，电信号经历许多处理步骤并最终被转换为可以显示于诸如阴极射线管的设备上或可以被打印的图像，以便由医师进行检查。 

【0003】超声换能器通常由小型矩形压电元件的阵列组成。用于发射或接收超声波束的这些元件的子集分别被称作发射或接收孔径。典型地，发射和接收孔径的几何中心重合，并且所述超声波束表示为源于孔径中心处的线性波束轴。 

【0004】由多通道接收波束形成器执行接收操作。所述多通道接收波束形成器对各种接收孔径元件所接收的信号施加延时和权数，并将它们求和以得到沿所期望的波束轴方向的聚焦信号。延时的目的是补偿由介质的关注点到孔径的不同元件的传播路径的差异而导致的到达时间的差异。为了获得沿波束轴方向在多个深度聚焦的超声波束，所述接收延时根据深度而进行变化，使得所有被求和以获得来自波束轴上的点的回波的信号从该相同的点到达。这称作动态接收聚焦，并且图像质量严重依赖于动态接收延时的精度或等价于回波到达时间。本领域公知期望得到1/32F_c的延时精度，其中F_c为换能器频率特征的中心频率。 

【0005】所接收的信号可以采用诸如模拟的和数字的各种方法进行延时，但是在所有情况下，延时或到达时间，控制器不得不产生所期望的延时控制信号。实际的波束形成器使用从少量预先计算的初始参数开始实时计算动态延时的电路。一个这种电路基于一种计算机图形算法，该算法在由Van Aken发表在IEEE Computer Graphics and Applications Magazine(计算机图形和应用杂志)第4卷第9期24-35页(1984年9月)上的题 为“An efficient ellipse-drawing algorithm(一种有效的椭圆生成算法)”的文章中进行了介绍，并适于超声成像，如在Ki Jeon等人发表于Ultrasonic Imaging(超声成像)1994年第16期第231-248页的题为“Anefficient real-time focusing delay calculation in ultrasonic imagingsystems(在超声成像系统中的一种有效的实时聚焦延时计算)”的文章中进行了描述。这种延时产生方法的变形和改进在以下文献中进行了描述：授予Park等人的题为“Real time digital reception focusig method andapparatus adopting the same(实时数字接收聚焦的方法和采用该方法的装置)”的美国专利No.5669384；授予Bae的题为“Focusing delaycalculation method for real-tim edigital focusing and apparatusadopting the same(用于实时数字聚焦的聚焦延时计算方法及采用该方法的装置)”的美国专利No.5836881；H.Feldkamper等人在Proc.IEEEUltrason.Symp.2000年第2期第1763-1766页发表的题为“Low powerdelay calculation for digital beamforming in handheld ultrasoundsystems(在手持超声系统中用于数字波束形成的低功率延时计算)”；B.Tomov和J.J ensen在Proc.SPIE，2003年第5035卷第491-500页发表的题为“Delay generation methods with reduced memory requirements(具有减少的存储器需求的延时产生方法)”；以及授予J.Petrofsky的题为“Method and apparatus for distributed focus control with slopetracking(使用斜率追踪进行分布式聚焦控制的方法和装置)”的美国专利No.5724972。总的来说，这些方法通过向所期望的量(到达时间/延时)增加或从中减去一个非零值或零值以从一个深度向下一个深度来迭代计算所期望的量，所述非零值或零值依赖于也是通过迭代计算得到的判定量的符号。 

【0006】这些现有技术的延时产生方法的第一个缺点就是它们的精度有限。原始方法的误差可能达到采样周期T＝1/F的一半，其中F为采样频率。在超声成像中，F通常为中心频率的四倍(F＝4F_c)。这导致精度为1/8F_c，比所期望的1/32F_c要差四倍。上述现有技术的方法试图通过组合而改善这一结果，例如增加采样率并增强算法复杂度(因此，增加电路复杂度)，正如本领域普通技术人员所认识到的那样，这二者都不是所期望的。 

【0007】这些现有技术方法的第二个缺点是相对较大数量的初始参数，也就是说，每个阵列元件和每个波束方向至少两个参数。对典型的具 有128个元件的相控阵列，每个波束方向需要256个初始参数。 

【0008】因此，需要在4F_c采样频率下具有至少1/32F_c精度和具有减少的初始参数数量的用于计算延时或到达时间的方法和电路。 

发明内容

【0009】根据本发明的一个方面，在超声成像系统中一般包括超声换能器，所述超声换能器具有元件阵列和位于两个相邻元件之间的波束原点，每个元件用于将所接收到的能量转换为回波信号，一种用于计算定时函数的过程，该过程一般包括以下步骤：为第一左侧元件和第一右侧元件计算在整数值深度(n)处的距离(d_n)，所述距离(d_n)是从所述波束原点到超声波束的波束轴上点测得的；估计从第一左侧元件和第一右侧元件的中心到所述波束轴上所述点测得的距离

；将所述距离

与所述整数值深度(n)相加以产生到达时间；从所述整数值深度(n)中减去所述距离

以产生延时；将所述到达时间加上常数(C₂)；将所述延时加上常数(C₁)。 

【0010】根据本发明的另一个方面，超声系统一般包括：超声换能器，所述超声换能器具有元件阵列和位于两个相邻元件之间的波束原点，每个元件用于将所接收到的能量转换为回波信号；和波束形成器，包括具有用于计算初始参数的初始控制器电路的初始控制器；至少一个具有延时电路和延时控制器的信道，用于根据权利要求1-7的过程计算定时函数；以及求和器，用于将相位对准信号相加以形成波束形成信号。 

【0011】根据本发明的又一方面，在超声成像系统中，一般包括超声换能器，所述超声换能器具有元件阵列和位于两个相邻元件之间的波束原点，每个元件用于将所接收到的能量转换为回波信号，用于从减小的参数表计算初始参数的过程，该过程一般包括以下步骤：为处于波束原点左侧的第一左侧元件和处于波束原点右侧的第一右侧元件的至少一个初始参数设置至少一个增量值；在存储器存储设备中存储该用于第一左侧元件和第一右侧元件的至少一个增量；为用于所述第一左侧元件和第一右侧元件的至少一个波束转向角计算所述至少一个初始参数；在存储器存储设备中存储该用于第一左侧元件和第一右侧元件的至少一个初始参数；以及，基于所存储的用于第一左侧元件和第一右侧元件的至少一个初始参数来计算用于至少一个位于所述第一左侧元件左侧的下一个左侧元件和至少一 个位于所述第一右侧元件右侧的下一个右侧元件的至少一个波束转向角的至少一个附加的初始参数。 

【00012】根据本发明的又一方面，超声系统一般包括超声换能器，所述超声换能器一般具有元件阵列和位于两个相邻元件之间的波束原点，每个元件用于将所接收到的能量转换为回波信号；和波束形成器，包括具有用于根据权利要求15-23的过程计算初始参数的初始控制器电路的初始控制器；至少一个具有延时电路和延时控制器的信道；以及求和器，用于将相位对准信号相加以形成波束形成信号。 

【00013】本发明的一个或多个实施例的细节在附图和下面的描述中进行了阐述。根据描述和附图以及权利要求，本发明的其他特征、目标和优点将变得清晰。 

附图说明

【00014】图1解释说明在相控阵列成像中用于计算回波到达时间的几何学； 

【00015】图2示出沿波束轴的深度和从波束轴上的点到用于中心元件和偏离孔径中心的元件的接收元件的中心的距离之间的关系； 

【00016】图3示出典型的接收波束形成器的框图； 

【00017】图3a示出波束形成器信道总的框图； 

【00018】图4示出根据本发明的方法计算从波束轴上的点到元件中心的距离的电路； 

【00019】图5示出包括本发明的方法的延时控制器的框图； 

【00020】图6示出用于数个阵列元件的初始深度处的几何学；以及 

【00021】图7示出根据本发明的方法计算初始参数的电路。 

【00022】在各幅图中，相同的参考数字和标记表示相同的元件。 

具体实施方式

【00023】通过模拟，发现对于在医学超声成像中使用的绝大多数成像几何学而言，当焦点沿波束轴移动距离Δ时，焦点到孔径元件的距离增加(1-1/2ⁱ)Δ到Δ中的任意一个值，其中i为2到4范围内的整数。这一发现导致算法的产生，该算法为每一个深度位置迭代计算回波到达时间或延时，根据也是迭代计算得到的决策准则而增加两个常数(1-1/2ⁱ)Δ 或Δ中的一个。本发明的方法的延时误差或到达时间误差小于采样周期的1/8。本发明的算法仅涉及简单的数学操作，也就是说，加法和减法。此处还描述了具有更高精度并且不增加或少量增加复杂度的本发明的方法的变化。 

本发明所提出的方法的初始参数与每个元件到阵列中心的距离成比例。这允许从每个波束方向的减少数量的仅有4个参数开始，使用简单的数学计算来为所有元件生成初始参数。 

现在参照图1，相控阵列10可包含中心元件12和位于中心元件12左侧和右侧的至少一个元件11。每个元件11包括一个与中心元件12距离x的中心14。由于相控阵列通常具有偶数个元件且实际的中心落在两个元件11之间，因此中心元件12是理论上的，用于解释目的。所示垂直轴13用于提供参照系的目的，例如，笛卡尔坐标系。理论上，如图1所示，超声波束可源自阵列中心12的孔径(未示出)并传播距离r到达点P。然后，超声波束可被反射离开介质(未示出)并传播距离d到达元件11的中心14。元件11的中心14可位于相对于垂直轴13的坐标x。从阵列中心12到点P的超声波束可称作波束轴16。所述波束轴16相对于垂直轴13的转向角为θ。在该例子中，x的值可以为负数。利用距离r和d以及角θ，本领域普通技术人员可以计算出从波束轴16上的点P到相控阵列10的元件11的回波的到达时间。 

所述超声波束穿过介质的总传播时间，或到达时间，在下面的公式(1)中示出： 

t＝(r+d)/c    (1) 其中t为超声波束的总传播时间；r为从阵列中心孔径到点P的距离；d为从点P到元件中心的距离；以及，c为超声波束的速度。 

对于波束形成应用，必须使用下面提供的公式(2)来为具有间隔Δr的离散值r估计t： 

Δr＝cT/2    (2) 其中Δr为在两个采样时间之间沿波束轴16的双向传播时间；T为时间单位；且，c为超声波束的速度。 

我们选择T＝1/F作为时间单位，且选择cT/2作为超声波束 在两个方向(即向前和反射)在时间T传播的距离单位。利用这些单位，令r为整数值n＝0，1，...且令t为如下公式(3)和(4)所示的值： 

t_n＝(n+d_n)/2    (3) 其中 

$d_n=\sqrt{n^2+x^2-2\mathrm{nx}\sin \mathrm{\θ}}---\left(4\right)$ 其中t_n为到达时间；n为作为整数值测得的阵列中心孔径到点P的距离；d_n为点P到元件中心的距离；且，x为以cT/2为单位测得的元件中心到孔径中心的距离。 

本领域普通技术人员将认识到可由简单的计数器实时计算n。因此，为了获得到达时间t_n，需要一种方法来计算d_n。然而，由于涉及到乘法和平方根操作，使用公式(4)直接计算d_n是不可行的。 

现在参照图2，图中示出了沿着波束轴的深度n和相控阵列10的两个元件距离d_n之间的关系。虚线对应于孔径中心12处的元件。实线对应于位于偏离相控阵列10的中心12的位置处的元件11。对于虚线表示的中心元件，d_n＝n随n线性变化，斜率为S＝1，其中当n增加1时，d_n增加1。对于偏离孔径中心的元件11，d_n的初始斜率小于1，并且斜率随着深度逐渐增加而趋近于1。如同本领域普通技术人员所知的那样，在超声成像中通常从非零深度n_f＝2f|x|开始向超声波束增加元件的贡献，其中f的值通常在1到3的范围内选择，且|x|为元件到孔径中心12的元件的距离。 

人们发现，对于普遍适用于超声成像中的许多阵列几何形状和对于大于或等于1的f值，d_n对n的曲线的斜率至少为7/8＝1-1/2³。该最小斜率值可有利地用于本发明中以提供用于估计d的高精度且简单的算法。 

7/8到1的斜率范围可产生下述公式5的第一算法，用于当d_n为已知且n＞n_f时来估计d_n+1。我们将d_n的估计值标记为 

第一算法        (5) 

初始化(在n＝nf处) 

n＝n_f

${\hat{d}}_n=d_n$

更新(对任意n＞n_f) 

如果 $d_n>={\hat{d}}_n,$ 则S＝1，否则S＝7/8 

${\hat{d}}_{n+1}={\hat{d}}_n+S$

n＝n+1 

当d的估计值从一个深度值n到下一个深度值增加1时，其可能超过d的确切值；然而，由于d的确切值也可增加至少7/8，误差不会大于差值(1-7/8)＝1/8。相反地，当所述估计值增加7/8时，该估计值可能小于d的确切值，然而由于d的确切值的增加不能大于1，所以误差的绝对值将再次小于1/8。这使得最大绝对定时误差小于T/16＝1/64F_c，且超过了典型的超声成像系统的精度要求。 

注意到公式(5)的第一算法同现有技术之间的不同在于：斜率(增量)S的选择是在0和(常数或依赖于深度的)非零值之间。本发明的第一算法将两个非零斜率(增量)S值之一用于距离d_n的迭代计算。 

上述公式(5)的第一算法依赖于在每个深度n的确切值d_n的获取，这正是我们试图首先要解决的问题。为了克服这一问题，我们应用本领域普通技术人员所熟知的技术，我们将d的确切值平方和估计值平方进行比较，而不是基于d的确切值和估计值的比较来判定斜率S。然而，同现有技术不同的是，可以像公式(8)所示和下面示出的公式(10)的第二算法那样计算该判定量(确切值平方与估计值平方的差值)。 

通过将上述公式(4)的两边同时平方，用n+1替换n并将各项重新组合，我们发现d的确切值的平方可以像如下那样在公式(6)中迭代的计算出来： 

$d_{n+1}^2=d_n^2+2n+K---\left(6\right)$

其中K＝1-2xSinθ    (d1)对给定的波束和元件是常数。 

还可在如下的公式(7)中迭代计算出估计值的平方： 

${\hat{d}}_{n+1}^2={\hat{d}}_n^2+2S{\hat{d}}_n+S^2---\left(7\right)$ 其中S为斜率＝7/8或1，如公式(5)的第一算法中所选择的那样。 

由于我们在公式(6)和(7)中使用两个平方变量只是为了判定的目的，我们仅对迭代计算它们的差值感兴趣。通过方便地组合各项并使用公式(6)和(7)，我们得到公式(8)如下： 

$d_{n+1}^2-{\hat{d}}_{n+1}^2=(d_n^2-{\hat{d}}_n^2)+(2(n-{\hat{d}}_n)+K)+s{\hat{d}}_n/4-S^2$ (8) 其中： 

如果 $d_n>={\hat{d}}_n$ 则s＝0，S＝1 

否则s＝1，S＝7/8 其中s为在深度n估计的差值的符号位。 

在公式(8)的推导中，我们利用如下事实：当S＝7/8时减去 

等价于减去 

并加回 操作仅涉及算术移位而没有乘法。 

我们引入符号： 

$D_n\text{=}{d}_n^2-{\hat{d}}_n^2---\left(d2\right)$

$A_n=2(n-{\hat{d}}_n)+K---\left(d3\right)$ 并且注意到An可像下面在公式(9)中那样迭代地更新： 

A_n+1＝A_n+2(1-S)    (9) 其中如上所述，S为7/8或1。 

利用这些修改和符号，用于计算 

的第二算法变为如下的公式(10)： 

第二算法：    (10) 

1.初始化(在n＝n_f处) 

n＝n_f

${\hat{d}}_n=d_n$

A_n＝2(n-d_n)+K 

D_n＝0 

2.更新(n＞n_f) 

如果D_n≥0 

$D_{n+1}=D_n+A_n+{\hat{d}}_n/4-49/64$

A_n+1＝A_n

${\hat{d}}_{n+1}={\hat{d}}_n+1$ 否则 

D_n+1＝D_n+A_n-1 

A_n+1＝A_n+1/4 

${\hat{d}}_{n+1}={\hat{d}}_n+7/8$

n＝n+1 

为了示例的目的，基于最小斜率7/8对所述第二算法进行了解释。然而，本领域普通技术人员应当意识到，可以容易地修改该算法以由其它形式为1-1/2ⁱ的最小斜率值操作，其中i＝0，1，2...，且优选i＝3。例如，所述修改可涉及第二算法中所用常数的改变。这样，如果容许f的值大于1.4，则可使用最小斜率15/16，且提供进一步减小的误差的优点。在可选方式中，3/4的最小斜率值也可能产生足够小的误差并容许较小的f值。还可使用不同于1-1/2ⁱ形式的最小斜率；然而，替代的最小斜率可能使第二算法的应用变得复杂。还注意到，最大误差与T成比例，并且因此通过增加采样频率F可使其进一步减小。 

【00079】现在参照图4，示出了实现第二算法的电路200。该图为电路的简化表示，仅示出数据路径并省略了本领域普通技术人员所公知的定时和控制信号。本领域普通技术人员还将意识到由于有些多路器可与它们 所馈给的算术单元包含于同一物理电路中，因此总的电路复杂性可以得到简化，例如，当使用查找表现场可编程门阵列实现该电路时。在波束开始前，可控制多路器212和221来分别传递初始值A_nf和(其中n＝n_f)，且可控制加法器213和223以将这些初始值不经修改的分别传递至寄存器214和224。同时，可清除寄存器236以将判定量D_n初始化为0。然后该电路可以以采样时钟速度来为所有大于n_f的深度估计d_n，也就是，每个时钟估计一次。 

【00080】在使用电路200的第二算法的运行期间，可在控制逻辑(未示出)中使用D_n的最高有效(符号)位以像第二算法规定的那样来选择斜率S。例如，当该位为0时，门电路211关闭；控制多路器222以传递斜率值1；门电路233关闭；并且控制多路器232以传递斜率平方(S2)值1。除法

为算术移位，其通过将寄存器224的输出位连接至门电路233的输入而简单地实现。电路200中使用的逻辑格式可为整数，数字的小数部分由整数的最低有效位表示。优选地，使用3个最低有效位来表示小数部分，但是如本领域普通技术人员所理解的那样，根据应用和精确度的要求，可以使用更多的位。表示各种量的整数部分的最高有效位的数量可根据深度位置的最大数目而变化。优选地，典型的医用超声系统部件211具有1位(其他所有位都硬连接)，部件212，213和214每个都具有14位，部件222具有4位(其他所有位都硬连接)，部件232具有4位(其他所有位都硬连接)，以及其他部件每个具有16位，且对所有这些部件，最低的3个有效位表示所表示量的小数部分。 

【00081】尽管描述了图4的电路200作为第二算法的优选实施例，但第二算法可由其他电路实现或者作为在嵌入于医疗超声系统中的计算机上执行的程序，这对本领域普通技术人员是显而易见的。特别的，如果电路200运行在大于超声采样率的时钟频率下，则可以时间多路复用方式使用比图4所示更少的算术单元，如同本领域普通技术人员所认识和理解的那样，至少有一个算术单元执行所述算法的多于一个的算术运算。 

【00082】至此，仅描述了估计图1的距离d的方法。然而，本发明的方法可应用于超声接收波束形成器中。现在参照图3，示出了一种典型的接收波束形成器30的框图。接收波束形成器30可包括多个信道31，求和器32和初始控制器33。现在参照图3a，示出了图3的信道的通用结构。 信道31可包括延时块36和延时控制器38。在传输波束之前，初始控制器33根据波束特性初始化每个信道的延时控制器，所述波束特性例如，转向角、阵列几何形状以及在连接至该信道的元件孔径中的位置。在波束传输发生后，回波开始到达阵列元件。回波可以被转换为电信号，进行诸如放大和滤波的预处理，然后经过预处理的电信号可馈入波束形成器信道31的输入端。在延时控制器38的控制下，延时块36可进一步处理并延时该信号，使得信号经过相位对准到达求和器32输入端，其中信号被求和以形成波束形成信号。 

如同本领域普通技术人员所认识到的那样，本发明的第二算法可通过诸如延时控制器38中的电路200或电路200的变化包括，其中可以根据实现延时块36的特定方法的方式使用第二算法，这对本领域普通技术人员是熟知的。例如，延时块36可包括模拟延时线路和模拟多路器的布置以提供粗延时，或者可与模拟混合器组合以提供精细相位延时。在本发明的方法的实现的另一实例中，延时块36可包含用于将电信号转换为其数字表示的模数转换器(未示出)，用于在采样周期的分辨率下提供粗延时的存储器存储单元(未示出)，以及用于提供诸如子采样的精细延时的插补器(未示出)。在本发明的方法的另一实现中，模数转换器的时钟可为相位调制的以提供精细延时，然后数字信号可被写入提供粗延时的存储器存储单元(未示出)。这种转换器、存储器存储单元和插补器对本领域普通技术人员是熟知的，并在技术文献和许多专利中进行了详细的描述。延时控制器38产生的控制信号可通常为如下三种类型中的一种：延时(δ)、到达时间(t)、或判定量D_n的符号。判定量Dn的符号可直接通过使用电路200来执行第二算法而获得。现在将更详细地解释其他控制信号的计算，也就是，延时(δ)和到达时间(t)。 

再次参照图1，公式(11)中示出了到相对于孔径中心的侧向元件的回波的延时δ： 

δ＝(d-r)/c    (11) 或者，使用前面定义的时间和距离单位，如公式(12)所示： 

δ_n＝(d_n-n)/2    (12) 

为了补偿延时，延时的负值可被施加至所述信号，并被常 数C₁偏置以施加于所有信道，使得物理延时为正。因此，延时控制器38不得不产生公式(13)所示的控制信号： 

del_n＝C₁-d_n/2+n/2    (13) 

其可以使用图5的延时控制器58获得。所述延时控制器58可包括实施本发明的第二算法的图4的电路200、深度计数器51、减法器52和定时/控制块(未示出)。在波束开始前将深度计数器51预设为2C₁，然后在每个采样时钟处增加。通过选择适当的位来执行公式(13)的被2除。可对多个延时控制器38使用单个深度计数器51以进一步简化该电路。在上述的公式(3)中示出了到达时间的计算。出于实现的原因，有时对公式(13)增加常数C₂，且图3a的延时控制器的实现与图5中所示和上面所述的延时控制器58类似，只是减法器块52被替换为加法器，这对本领域普通技术人员是可以理解的。 

如上所述，波束形成器30的操作可从初始控制器33运行初始化开始。每个信道的延时控制器38可需要用于变量An和 以及初始深度值n_f的初始值，在该初始深度值n_f下，信道31可以被激活。对于128元件的相控阵列和128个转向角，这需要64×3×128个参数，其中使用转向角的对称性来将参数数量减少至一半。四舍五入至2次方导致每个探头32K字的存储器需求。这种存储器需求表示相当大的成本，特别是在低端便携超声系统或其他紧凑型的超声系统设计中，这些设计中空间和功率都不足。还存在其他缺点，例如，当需要加载新参数表的从一个换能器探头至另一个的切换时，长的停滞时间。 

现在参照图6，为了减少参数的数目，我们可利用各种元件在深度n＝n_f的几何学的优点。图6示出了相控阵列100的中心110(此后称为大写字母“O”)左侧的前三个元件(以及它们的中心L_i，其中i＝0，1，...)和右侧的前三个元件(以及它们的中心R_i，其中i＝0，1，...)，包括波束轴112和至少一个指示深度n_fi的点N_i。指示深度n_fi的点对于元件是等价的，其中所述元件关于孔径中心对称，如公式(14)所示的定义n_fi： 

n_fi＝2f*OL_i＝2f*OR_i＝ON_i    (14) 

再次参照图1和上述的定义，可以看出对于阵列中心110的左侧的元件i(i＝0，1，...)的公式(15)、(16)和(17)如下： 

OL_i＝X_i    (15) 

ON_i＝n_fi＝2f|X_i|＝2f*OL_i    (16) 

L_iN_i＝d_nfi    (17) 

三角形OL_iN_i和OL_jN_j具有相同的角 

且由公式(15)和(16)，有OL_i/OL_j＝ON_i/On_j＝x_i/x_j；因此，两个三角形相似；并且因此，由公式(17)有d_nfi/d_nfj＝L_iN_i/L_jN_j＝x_i/x_j。因此，n_fi和d_nfi都随着他们到波束原点的距离|x_i|的距离成比例的增长。这现在提供了一种从它们对左侧元件0的值(n_f0和d_nf0)和元件到元件间的增量Δn_f和Δd_nf开始对每个左侧元件计算两个参数n_fi和d_nfi的方法。为了保证整数采样位置，n_f0被四舍五入(使得f稍微偏离于准确的特定值)，且考虑到x₀为距离，即，元件间的节距的一半，我们得到公式(18)和(19)： 

Δn_f＝2n_f0    (18) 

Δd_nf＝d_nf1-d_nf0    (19) 其中根据公式(4)在公式(20)和(21)中计算d_nf1和d_nf0。 

n_fi＝n_f0+i×Δn_f    (20) 

d_nfi＝d_nf0+i×Δd_nf    (21) 

根据公式(6)的K_i的定义(d1)，表达式K_i随带符号的值x_i而成比例变化，且可以根据公式(22)以类似的方式进行计算： 

K_i＝K₀-i×ΔK    (22) 其中ΔK＝2×节距×sinθ 

然后通过A_ni的定义(d 3)由n_fi、d_nfi和K_i得到A_ni。 

同样的方法可应用于阵列右侧的元件，即R_i，其中i＝0，1，...应当注意到对于此处描述的对称的孔径，相控阵列100的左侧和右侧的n_f0和Δn_f相同，但是当转向角为非零值时，d_nf0和Δd_nf不同。还应当注意到， 对于右侧的K₀和ΔK与对左侧的相同。然而，当实现右侧的K₀和ΔK时，公式(22)的形式稍有不同，如公式(22’)所示： 

K_i＝K₀+(i+1)×ΔK    (22’) 

因此，无论相控阵列中的元件数量，每个转向方向仅需要八(8)个参数。对于上述128个元件的相控阵列和128个转向角的示例而言，这导致64×8＝0.5K字的总存储器大小。由于对称性，仅需要128/2＝64组参数。因此，实现了以附加的算术电路为代价使得存储器减少了64倍。当使用诸如现场可编程门阵列的技术实现所述初始控制器时，在超声接收波束形成器中实现第二算法是有利的，其中，逻辑和算术单元是容易获得的且便宜，而存储器则相对稀有。 

通过利用第一左侧/右侧元件的节距(Δx)等于距离x₀的二倍，参数表大小可以进一步减小。如上所示，考虑到有用的参数随元件而变化且与元件的位置x成比例，可知可从如下的公式(23)-(25)所示的增量来计算初始参数值： 

n_f0＝Δn_f/2    (23) 

d_nf0＝Δd_nf/2  (24) 

K₀＝1-ΔK/2    (25) 

注意到对于相控阵列100的右侧的元件，其Δd_nf可以不同于对左侧元件，且可使用加法器来取代减法器以计算K₀，如下面公式(25’)所示： 

K₀＝1+ΔK/2    (25’) 

因此，在初始表中仅需要增量，将存储器需求又减小了两倍，达到256字，或总共减小了128倍。 

在本发明的初始算法(即，第二算法)的一些实现中，乘法器可轻易获得且可使用公式(20)、(21)、(22)直接进行初始参数的计算。然而，乘法器通常是昂贵的。为了避免涉及乘法的计算，公式(20)、(21)和(22)被公式(26)的第三个算法取代，其通过将增量Δn_f、Δ d_nf、ΔK反复与相应的参数相加，而迭代地计算初始参数： 

第三算法：    (26) 

1.为第一左侧元件进行设置 

将Δn_f、Δd_nf、ΔK加载至增量寄存器 

将第一左侧元件值加载至累加器 

n_fi＝Δn_f0/2 

d_nfi＝Δd_nf0/2 

K_i＝1-ΔK/2 

计算An的第一左侧值 

A_nfi＝2(n_fi-d_nfi)+K_i

2.对第一左侧元件之后的所有左侧元件进行迭代计算 

n_fi＝n_fi+Δn_f

d_nfi＝d_nfi+Δd_nf

K_i＝K_i-ΔK 

A_nfi＝2(n_fi-d_nfi)+K_i

3.为第一右侧元件进行设置 

将Δn_f、Δd_nf、ΔK加载至增量寄存器 

将第一右侧元件值加载至累加器 

n_fi＝Δn_f0/2 

d_nfi＝Δd_nf0/2 

K_i＝1+ΔK/2 

计算An的第一左侧值 

A_nfi＝2(n_fi-d_nfi)+K_i

4.对所有右侧元件进行迭代计算 

n_fi＝n_fi+Δn_f

d_nfi＝d_nfi+Δd_nf

Ki＝Ki+ΔK 

A_nfi＝2(n_fi-d_nfi)+K_i

尽管通过公式(20)、(21)、(22)和迭代的初始算法，即上面的公式(26)的第三算法，对计算初始参数的方法进行了解释，显而易见，对于本领域普通技术人员而言基于本发明的成比例原则的其他可替换的公式是可以想到并实施的。 

【000144】现在参照图7，示出了电路70，其可实现公式(26)的迭代的初始算法。电路70为简化的示意图，仅示出参数存储器、寄存器和算术单元，且省略了本领域普通技术人员所公知的定时和控制电路以及信号。在公式(26)的迭代的初始算法的设置阶段1和3，可从参数存储器71读取增量，并将其加载至多个移位寄存器72、73和74。同时，将累加器寄存器78和79重置为0，并将累加器寄存器80预设为1。下一步，移位寄存器72、73和74下移一位，以将增量除以2，然后，可根据公式(23)、(24)、(25)和(25’)分别计算累加器寄存器78、79、80的初始值。其后，移位寄存器可上移一位以恢复所述增量值。然后，电路70可继续执行公式(26)的迭代的初始算法的迭代计算阶段2和4。算术单元75、76和77可执行初始算法的步骤2和4的前三(3)个操作。算术单元75、76可包括加法器，算术单元77可包括加法器/减法器。例如，加法器75将Δn_f反复加到n_fi的值以得到更加远离孔径中心的下一个元件的相应值。减 法器81和加法器82可计算An的量。尽管该电路特别适于实现在现场可编程门阵列集成电路中，本领域普通技术人员应当清楚，本发明的迭代的初始算法可使用本领域普通技术人员熟知的其他电路或作为可在分立或嵌入于超声系统、诸如超声扫描器等的超声系统部件中的计算机上执行的计算机实现的程序实现。 

【000145】已经对1D(一维)相控阵列换能器和源于孔径中心的波束轴的扫描几何学描述了本发明的到达时间/延时计算算法和初始算法。然而，本领域普通技术人员应当理解，该算法可以扩展到其他配置，下面将对其中的一些进行简要的讨论。 

【000146】在有些情况下，期望产生其波束轴源自非孔径中心的孔径上不同位置的波束。在这种情况下，各种元件的位置的x值必须相对于波束原点而不是孔径中心进行测量，但除了(18)，(23)，(24)，(25)，(25’)外，本发明公开中使用的公式保持正确。因此，延时/到达时间算法保持正确。除了依赖于在两个元件中间的波束原点部分外，基于比例的初始算法也保持正确。因此，如果波束原点不是正好位于两个元件的中间，则n_f0将对波束原点左侧和右侧具有不同的值，因此需要一个额外的初始参数。类似地，由增量计算第一左侧/右侧参数不再如此简单，增加表的大小以包含第一左侧/右侧值和增量可能更方便。如果从波束原点到最近的元件中心的距离为节距/2ⁱ的形式，则初始算法及其通过电路70的实现经过少量修改后仍可使用，这对本领域普通技术人员是显而易见的。 

【000147】当转向角θ为0，即没有转向时，通过不影响第二算法公式的对定义(d1)的下述修改，基于第二算法的到达时间/延时计算算法也适用于诸如曲线的凸起的阵列： 

【000148】

               (d1-凸起) 

其中R为凸起阵列的半径和

为元件中心相对于波束轴的角度位置。 

【000149】对于凸起阵列，基于所述阵列的曲线几何学来计算初始参数，且从初始值和增量来推导所有元件参数的方法不再适用。 

【000150】最后，可将第二算法扩展至包括1.5维、1.75维和2维阵列。当然，要考虑到阵列平面中的元件和在某个方位角和仰角转向且原点在阵列平面中的波束。如果我们构建一个包含波束轴和元件中心的平面，则波束原点和波束轴将在该平面上表现出与图1中所示的几何学相同的几何关系，且还可用于使用本发明的第二算法来推导到达时间/延时计算算 法。然后，如同本领域普通技术人员所认识到的那样，将以不同于所描述的用于相控阵列的方式来计算初始参数。 

【000151】已经描述了本发明的一个或多个实施例。然而，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种修改。因此，其他实施例也包含在下述权利要求的范围内。

Claims (25)

1.一种产生回波到达时间或延时控制信号的方法，其中所述回波由超声换能器中的元件所接收到的能量转换而成，所述超声换能器包括元件的阵列和波束原点，该方法包括步骤：

计算整数值深度n，所述深度n从超声换能器的波束原点到超声波束的波束轴上的点测得；

估计代表确切距离d_n的距离

所述距离

从超声换能器的元件的中心到所述波束轴上所述点测得；

将所述估计的距离

与所述整数值深度n相加以产生到达时间控制信号或从所述整数值深度n中减去所述估计的距离

以产生延时控制信号。

2.权利要求1的方法，其中所述计算步骤包括根据下述公式将所述距离的确切值d_n的平方与所述距离的估计值

的平方进行比较：

$d_{n+1}^2-{\hat{d}}_{n+1}^2=(d_n^2-{\hat{d}}_n^2)+(2(n-{\hat{d}}_n)+K)+s{\hat{d}}_n/4-S^2$

其中n为从所述波束原点到沿所述波束轴的点的所述深度，其中K=1-2xsinθ，其中θ为所述波束轴相对于所述阵列的垂直轴的转向角，其中S为所述确切距离d_n相对于所述深度n的斜率，其中s为在所述深度n评估的公式中所示的差值的符号位，且其中x为从所述元件的中心到所述波束原点测得的距离。

3.权利要求2的方法，其中所述比较步骤包括：

确定所述距离的确切值d_n大于或等于所述距离的估计值

基于该确定，设置所述s的值等于零；以及

基于该确定，设置所述斜率S的值等于1。

4.权利要求2的方法，其中所述比较步骤包括：

确定所述距离的确切值d_n小于所述距离的估计值

基于该确定，设置所述s的值等于1；以及

基于该确定，设置所述斜率S的值等于7/8。

5.权利要求1的方法，其中所述计算步骤包括根据下述公式将所述距离的确切值d_n的平方与所述距离的估计值

的平方进行比较：

$d_{n+1}^2-{\hat{d}}_{n+1}^2=(d_n^2-{\hat{d}}_n^2)+(2(n-{\hat{d}}_n)+K)+s{\hat{d}}_n/2^{i/1}-S^2$

其中n为从所述波束原点到沿着所述波束轴的点的所述深度，其中K=1-2xsinθ，其中θ为所述波束轴相对于所述阵列的垂直轴的转向角，其中S为具有根据公式1-1/2ⁱ的值的斜率，i=0，1，2…，其中s的值等于1，以及其中x为从所述元件的中心到所述波束原点测得的距离。

6.权利要求5的方法，其中所述比较步骤包括：

确定所述距离的确切值d_n小于所述距离的估计值

以及

基于该确定，设置所述s的值等于1且设置所述斜率S等于根据所述公式1-1/2ⁱ的值，其中i=0，1，2…。

7.权利要求1或权利要求2的方法，其中所述换能器为曲线阵列且所述计算步骤还包括根据下面的公式将所述距离的确切值d_n的平方与所述距离的估计值

的平方进行比较：

$d_{n+1}^2-{\hat{d}}_{n+1}^2=(d_n^2-{\hat{d}}_n^2)+(2(n-{\hat{d}}_n)+K)+s{\hat{d}}_n/4-S^2$

其中n为从所述波束原点到沿所述波束轴的点的所述深度，其中S为所述斜率，其中s为符号位，其中

其中R为凸起阵列的半径，

为所述元件的所述中心相对于所述波束轴的角度位置，并且转向角θ=0。

8.一种超声系统，包括：

超声换能器，包括元件的阵列和波束原点，每个所述元件用于将所接收的能量转换为回波信号；和

波束形成器，包括：

初始控制器，具有用于计算初始参数的初始控制器电路；

至少一个信道，包括延时电路和延时控制器，用于：

计算整数值深度n，所述深度n从超声换能器的波束原点到超声波束的波束轴上的点测得；

估计从超声换能器元件的中心到所述波束轴上所述点测得的表示确切距离d_n的距离

将所述估计的距离

与所述整数值深度n相加以产生到达时间控制信号或从所述整数值深度n中减去所述估计的距离

以产生延时控制信号；和

基于到达时间控制信号或延时控制信号处理与所述元件相关的回波信号；以及

求和器，用于将所处理的回波信号求和以形成波束形成信号。

9.权利要求8的超声系统，其中所述延时控制器包括用于以采样时钟速度估计距离

的延时控制器电路，所述延时控制器电路包括：

第一门电路和至少一个第一多路器，用于接收和传输至少一个初始值到至少一个第一加法器；

至少一个第一寄存器，用于接收和传输所述至少一个初始值到第二加法器；

至少一个第二寄存器，用于接收和传输所述至少一个初始值经过第二门电路到达加法器/减法器；

至少一个第二多路器，用于将平方斜率值传输到所述加法器/减法器；

至少一个第三加法器，用于从所述第二加法器和所述加法器/减法器接收所述至少一个初始值；和

至少一个第三寄存器，用于接收所述至少一个初始值。

10.权利要求9的超声系统，其中所述至少一个第一寄存器包括传输An初始值的寄存器和用于传输

初始值的寄存器，其中，A_n=2（n-d_n）+K，K=1-2xsinθ，θ为所述波束轴相对于所述阵列的垂直轴的转向角，且x为从所述元件的中心到所述波束原点测得的距离。

11.权利要求9的超声系统，其中所述延时计算电路包括用于将为前一深度计算的前一延时更新至少一个更新值的装置。

12.权利要求8的超声系统，其中所述延时为相对于来自阵列中心元件的回波信号的参考延时而估计的延时。

13.权利要求8的超声系统，其中所述超声换能器包括选自包括相控阵列、线性阵列、二维阵列和曲线阵列的组中的一种阵列。

14.一种用于计算初始参数的方法，其中所述初始参数用来初始化接收波束形成器信道的延时控制器，该方法包括步骤：

为位于所述波束原点左侧的第一左侧元件和位于所述波束原点右侧的第一右侧元件的至少一个初始参数设置至少一个增量值；

在存储器存储设备中存储用于所述第一左侧元件和所述第一右侧元件的所述至少一个增量；

针对所述第一左侧元件和所述第一右侧元件的至少一个波束转向角计算所述至少一个初始参数；

在所述存储器存储设备中存储用于所述第一左侧元件和所述第一右侧元件的所述至少一个初始参数；以及

基于所存储的用于所述第一左侧元件和所述第一右侧元件的所述至少一个初始参数，为位于所述第一左侧元件左侧的至少一个下一个左侧元件和位于所述第一右侧元件右侧的至少一个下一个右侧元件计算用于所述至少一个波束转向角的至少一个附加初始参数，

其中所述至少一个初始参数包括下述：初始深度n_fi，从元件中心到所述初始深度上的点测得的初始距离d_nfi，以及根据公式A_nfi=2（n_fi-d_nfi）+K_i计算的初始量，其中K_i=1-2x_isinθ，θ为波束转向角，x为从所述元件中心到所述波束原点测得的距离，且i=0，1，2…，以及

其中所述至少一个增量包括下述：用于所述第一左侧元件的初始距离增量Δd_nfL，用于所述第一右侧元件的初始距离增量Δd_nfR，用于所述第一左侧元件和所述第一右侧元件的初始深度增量Δn_f，以及用于所述第一左侧元件和所述第一右侧元件的K增量ΔK，其中用于所述第一左侧元件的所述初始深度n_f0L和用于所述第一右侧元件的所述初始深度n_f0R都与从所述第一左侧元件或所述第一右侧元件的中心到所述波束原点测得的距离x成比例。

15.权利要求14的方法，其中所述存储步骤还包括：

存储用于所述第一左侧元件的初始距离增量Δd_nfL；

存储用于所述第一右侧元件的初始距离增量Δd_nfR；

存储用于所述第一左侧元件和所述第一右侧元件二者的初始深度增量Δn_f；和

存储用于所述第一左侧元件和所述第一右侧元件二者的K增量ΔK。

16.权利要求15的方法，其中计算所述至少一个初始参数的步骤还包括：

根据公式n_f0L=Δn_f/2来计算用于所述第一左侧元件的初始深度n_f0L；

根据公式d_nf0L=Δd_nfL/2来计算用于所述第一左侧元件的初始距离d_nf0L；

根据公式K_0L=1-ΔK/2来计算用于所述第一左侧元件的量K_0L；

根据公式n_f0R=Δn_f/2来计算用于所述第一右侧元件的初始深度n_f0R；

根据公式d_nf0R=Δd_nfR/2来计算用于所述第一右侧元件的初始距离d_nf0R；和

根据公式K_0R=1+ΔK/2来计算用于所述第一右侧元件的量K_0R；

其中用于所述第一左侧元件的所述初始深度n_f0L和用于所述第一右侧元件的所述初始深度n_f0R与从所述第一左侧元件或所述第一右侧元件的中心到所述波束原点所测得的距离x成比例，

其中从所述第一左侧元件的中心到所述波束原点所测得的距离x等于从所述第一右侧元件的中心到所述波束原点所测得的所述距离x。

17.权利要求14的方法，其中所述存储步骤还包括：

为所述第一左侧元件存储初始深度n_f0L、初始距离d_nf0L、量K_0L、初始距离增量Δd_nfL；

为所述第一右侧元件存储初始深度n_f0R、初始距离d_nf0R、量K_0R、初始距离增量Δd_nfR，

为所述第一左侧元件和所述第一右侧元件二者存储初始深度增量Δn_f；以及

为所述第一左侧元件和所述第一右侧元件二者存储K增量ΔK，

其中用于所述第一左侧元件的所述初始深度n_f0L和用于所述第一右侧元件的所述初始深度n_f0R与从所述第一左侧元件或所述第一右侧元件的中心到所述波束原点所测得的距离x成比例。

18.权利要求14的方法，其中计算所述至少一个附加初始参数的步骤还包括：

根据公式n_fi=n_foL+i×Δn_f来计算用于所述至少一个下一个左侧元件的下一个初始深度n_f0L；

根据公式d_nfi=d_nf0L+i×Δd_nfL来计算用于所述至少一个下一个左侧元件的下一个初始距离d_nf0L；

根据公式K_i=K_0L-i×ΔK来计算用于所述至少一个下一个左侧元件的下一个量K_0L；

根据公式n_fi=n_foR+i×Δn_f来计算用于所述至少一个下一个右侧元件的下一个初始深度n_f0R；

根据公式d_nfi=d_nf0R+i×Δd_nfR来计算用于所述至少一个下一个右侧元件的下一个初始距离d_nf0R；以及

根据公式K_i=K_0R+i×ΔK来计算用于所述至少一个下一个右侧元件的下一个量K_0R；

其中用于所述至少一个下一个左侧元件的所述下一个初始深度n_f0L和用于所述至少一个下一个右侧元件的所述下一个初始深度n_f0R与从所述第一左侧元件或所述第一右侧元件的中心到所述波束原点所测得的距离x成比例。

19.权利要求14的方法，其中计算所述至少一个附加初始参数的步骤还包括：

根据公式n_fi=n_f(i-1)L+Δn_f来计算用于所述至少一个下一个左侧元件的下一个初始深度n_f0L；

根据公式d_nfi=d_nf(i-1)L+Δd_nfL来计算用于所述至少一个下一个左侧元件的下一个初始距离d_nf0L；

根据公式K_i=K_(i-1)L-ΔK来计算用于所述至少一个下一个左侧元件的下一个量K_0L；

根据公式n_fi=n_f(i-1)R+Δn_f来计算用于所述至少一个下一个右侧元件的下一个初始深度n_f0R；

根据公式d_nfi=d_nf(i-1)R+Δd_nfR来计算用于所述至少一个下一个右侧元件的下一个初始距离d_nf0R；和

根据公式K_i=K_(i-1)R+ΔK来计算用于所述至少一个下一个右侧元件的下一个量K_0R；

其中用于所述至少一个下一个左侧元件的所述下一个初始深度n_f0L和用于所述至少一个下一个右侧元件的所述下一个初始深度n_f0R与从所述第一左侧元件或所述第一右侧元件的中心到所述波束原点所测得的距离x成比例。

20.权利要求14的方法，其中所述至少一个波束转向角包括至少一对对称的波束的波束转向角。

21.超声系统，包括：

具有元件阵列和位于两个相邻元件之间的波束原点的超声换能器，每个所述元件用于将所接收的能量转换为回波信号；和

波束形成器，包括：

包括初始控制器电路的初始控制器，用于：

为位于所述波束原点左侧的第一左侧元件和位于所述波束原点右侧的第一右侧元件的至少一个初始参数设置至少一个增量值；

在存储器存储设备中存储用于所述第一左侧元件和所述第一右侧元件的所述至少一个增量；

针对所述第一左侧元件和所述第一右侧元件的至少一个波束转向角计算所述至少一个初始参数；

在所述存储器存储设备中存储用于所述第一左侧元件和所述第一右侧元件的所述至少一个初始参数；以及

基于所存储的用于所述第一左侧元件和所述第一右侧元件的所述至少一个初始参数，为位于所述第一左侧元件左侧的至少一个下一个左侧元件和位于所述第一右侧元件右侧的至少一个下一个右侧元件计算用于所述至少一个波束转向角的至少一个附加初始参数；

至少一个信道用以接收所述至少一个初始参数和所述至少一个附加初始参数，所述至少一个信道中的每一个信道包括延时电路和延时控制器；和

求和器，用于从所述至少一个信道中的每一个信道接收信号并用于将该信号求和以形成波束形成信号，

其中所述至少一个初始参数包括下述：初始深度n_fi，从元件中心到所述初始深度上的点测得的初始距离d_nfi，以及根据公式A_nfi=2（n_fi-d_nfi）+K_i计算的初始量，其中K_i=1-2x_isinθ，θ为波束转向角，x为从所述元件中心到所述波束原点测得的距离，且i=0，1，2…，以及

其中所述至少一个增量包括下述：用于所述第一左侧元件的初始距离增量Δd_nfL，用于所述第一右侧元件的初始距离增量Δd_nfR，用于所述第一左侧元件和所述第一右侧元件的初始深度增量Δn_f，以及用于所述第一左侧元件和所述第一右侧元件的K增量ΔK，其中用于所述第一左侧元件的所述初始深度n_f0L和用于所述第一右侧元件的所述初始深度n_f0R都与从所述第一左侧元件或所述第一右侧元件的中心到所述波束原点测得的距离x成比例。

22.权利要求21的超声系统，其中所述初始控制器电路包括：

所述存储器存储设备具有来自所述阵列的至少一个元件的多个增量；

至少一个移位寄存器，用于接收来自所述存储器存储设备的所述多个增量，然后向下移位，对每个所述增量进行除法操作以产生多个移位寄存器输出；

至少一个累加器寄存器，用于接收所述移位寄存器输出，并计算多个初始参数值；以及

至少一个减法器和至少一个加法器，用于接收所述多个初始参数值和用于执行迭代计算以为所述至少一个元件的每个产生至少一个初始参数。

23.权利要求22的装置，其中用于向下移位每个所述增量的所述至少一个移位寄存器下移1位，并将每个所述增量除以2。

24.权利要求22的装置，其中所述增量包括下述：Δn_f、Δd_nf和ΔK。

25.权利要求22的装置，其中用于执行迭代计算的所述至少一个减法器和所述至少一个加法器使用算术移位。

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