CN102187250A - 具有高压换能器的低压超声系统 - Google Patents

具有高压换能器的低压超声系统 Download PDF

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Abstract

一种超声诊断成像系统具有低压超声信号通路，该低压超声信号通路包括前端电路，该前端电路以低压发射器驱动探头信号导体并具有输入耦合到信号导体的低压接收器或前置放大器。发射高压产生于系统主机中并由探头线缆耦合到探头中的高压发射器，这些发射器具有耦合到信号导体的低压输入和耦合到换能器阵列的元件的输出。发射/接收开关位于探头中并与高压发射器并联耦合。

Description

具有高压换能器的低压超声系统
本发明涉及医疗诊断超声系统，具体而言，涉及具有低压信号通路的超声系统，该低压信号通路与具有集成高压电子线路的换能器一起工作。
医疗诊断超声系统使用探头，探头利用压电换能器元件发射和接收超声波。压电换能器元件需要高压发射器电路来实现发射信号电平，信号电平将以充分大的能量穿透组织，以导致可以由换能器元件感测到的返回回波信号。较低的发射电压导致超声波对组织的较弱穿透、会造成模糊图像的差信噪比水平或完全没有来自更大深度的可探测回波信号。因此，当前的高性能超声系统以较高的电压驱动信号来驱动其换能器元件，这些电压驱动信号一般大约为80伏或更高。另一方面，接收器电子线路由非常灵敏的低压电路构成。此外，接收器电子线路必须与发射器电路连接到相同的换能器元件。这些不同的需求的结果是必需要有发射/接收开关。发射/接收开关常常由二极管形成，通常在接收回波信号时是闭合的，而在发射器工作时是打开的，以将接收器与高压电路隔离。
在过去，超声系统的发射器和接收器电路是由印刷电路板上的分立式半导体部件形成的。但是随着半导体工艺的进展，集成超声系统发射器和接收器电路的能力也在进展。当前，可以利用全部集成在同一集成电路上的高压发射器电路、低压接收器电路和发射/接收开关来构造超声系统。不过，这种集成也并非没有其局限性。在同一IC上组合高压和低压电子线路限制了能够使用的IC工艺选择。此外，因为发射器必须通过探头线缆驱动探头的换能器元件，所以仅仅为了驱动线缆就必须消耗充分高的功率。在很多超声系统中，大约三分之二的发射功率仅仅用于提供线缆中损耗的功率。这种显著高的功率驱动能力需要很大尺寸和成本的集成电路。因此，期望减小超声系统中高压电路的尺寸和成本。
根据本发明的原理，提供了一种诊断超声系统，其在系统主机的超声信号通路中仅使用低压电路。高压发射器电路位于探头中。因此，系统主机中用于信号通路的仅有的高压电路是向探头中的发射电路供应高压的高压电源。这减小了整个系统的功耗，因为系统主机中的高压发射器不再驱动探头线缆中的导体。系统封装可以更小，使用的功率更少，并且需要的冷却更少。
在附图中：
图1以方框图形式示出了典型超声诊断成像系统的信号通路；
图2以方框图形式示出了典型超声系统的波束形成器前端电路、线缆和1D阵列探头换能器；
图3以方框图形式示出了典型超声系统的波束形成器前端电路、线缆和2D阵列探头换能器；
图4以方框图形式示出了根据本发明原理构造的超声系统的波束形成器前端电路、线缆和1D阵列探头换能器；
图5以方框图形式示出了根据本发明原理构造的另一种超声系统的波束形成器前端电路、线缆和1D阵列探头换能器；
图6以方框图形式示出了根据本发明原理构造的超声系统的波束形成器前端电路、线缆和2D阵列探头换能器；
图7示出了适用于本发明超声系统的探头中的高压FET发射器电路；
图8示出了适用于本发明超声系统的探头中的高压运算放大器发射器电路。
首先参考图1，以方框图形式示出了典型的超声系统信号通路。探头10包括发射和接收超声能量的换能器阵列12。换能器阵列12可以是发射和从图像平面接收能量的一维(1D)换能器元件阵列/或发射和从用于2D或3D成像的体区域接收超声的二维(2D)阵列。1D阵列探头可以包括无源匹配部件和复用器，以在特定时间将特定阵列元件连接到探头线缆14的导体。探头还可以具有前置放大器，以提升接收到的回波信号的电平。2D阵列探头一般将包含微波束形成电路，以在探头中执行一些波束形成并减少将3D图像信号耦合到系统主机中的波束形成器20本来需要的线缆导体的数量。
系统主机可以采用几种构造，从手持式或便携单元，到膝上计算机状的构造，或者基于推车的系统。系统主机包括探头线缆14所连接到的波束形成器20。波束形成器20执行两项功能：发射和接收。发射波束形成器将利用提供以超声进行期望的组织穿透所需的高能量信号驱动换能器阵列的元件。为此目的，从高压电源22为发射波束形成器供应高压。通过线缆14的导体驱动探头中的换能器元件；发射波束形成器必须供应能量以驱动线缆和元件，其中发射器中有对应的功耗。波束形成器20还包括接收波束形成器，其对阵列元件接收的并通过线缆14的导体耦合到波束形成器20的回波信号进行波束形成。将相干的经波束形成的回波信号耦合到信号处理器30，信号处理器30执行信号处理功能，例如滤波、检测、信号合成和多普勒处理。经处理的回波信号被耦合到图像处理器40，图像处理器40将信号处理成期望的图像格式以进行显示。在图像显示器50上显示所得的图像信号。系统主机中的超声信号通路就这样开始于探头线缆14到主机的连接，并结束于超声图像在显示器50上的显示，其中在主机处向探头10及其线缆14发送信号并从探头10及其线缆14接收信号。
图2更详细地示出了系统主机的前端24，在此连接到探头线缆14和换能器阵列12。图2将探头10示出为具有1D阵列换能器，其中仅有一个元件12′被示为通过前端电子线路24连接到波束形成器20的其通道。前端电子线路包括图中所示的三个部件：发射器26、发射/接收(T/R)开关和前置放大器28。为了发射，由高压电源22为发射器26供电，以利用用于换能器元件12′的适当发射信号驱动线缆14的导体。在发射期间，打开T/R开关以保护前置放大器不受高压发射信号影响。在发射之后，在阵列元件12′接收回波信号时，发射器不工作，并且闭合T/R，以从阵列元件12′向前置放大器28施加低电平回波信号。经放大的回波信号被波束形成器20的接收波束形成器的通道处理。在这一实施例中，可以看出，到线缆14的导体的信号连接是高压连接，以符合由发射器26供应的元件12′的高压驱动需求。发射器26、T/R开关和前置放大器28可以由分立式部件形成或形成于单一单片高压IC上，或由分立式部件和IC的组合形成。
图3示出了耦合到用于3D成像的2D阵列探头时的图2的系统主机。在这种情况下，探头10包括微波束形成器11以在用于2D阵列换能器的探头内提供至少一些波束形成。阵列换能器的两个元件12′被示为连接到微波束形成器11。为了发射，由主机发射器26产生的高压驱动信号通过线缆14耦合到衰减器17，衰减器17将驱动电压电平衰减到适于微波束形成器的电平。针对个体换能器元件12′将发射信号适当地延迟延迟τ。微波束形成器中的发射开关T1...Tn在发射期间闭合，而微波束形成器中的接收器开关R1......Rn和T/R开关此时打开，如系统主机中的T/R开关那样。换能器元件12′然后被由高压电源22供电的微波束形成器的发射器16以必需的高压发射信号驱动。在回波接收期间，发射开关T1...Tn打开，而接收开关R1...Rn和T/R开关闭合。所接收到的回波被微波束形成器中的前置放大器18放大，被微波束形成器延迟延迟τ，并且在延迟的输出处被组合以至少形成部分波束形成的回波信号。在接收期间闭合衰减器开关以绕过衰减部件，经波束形成的信号通过线缆14的导体耦合到系统主机，其中它们通过闭合的T/R开关耦合到前置放大器28，并继续耦合到接收波束形成器以完成波束形成。在这一配置中，需要高压部件，以用于系统主机发射器26，并且还用于微波束形成器11中的发射信号通路。在图示的示例中，仅有微波束形成器的延迟级和前置放大器18以及主机前置放大器28不必是高压部件。由于本示例中所有其余微波束形成器部件都是高压部件，一般将高压工艺用于微波束形成器IC的所有部件。
图4中示出了本发明的针对具有1D阵列换能器的超声系统的实施例。本发明通过将所有高压电路功能重新定位到换能器探头而实现了超声波前端电路的新划分。这将减少系统主机的空间、成本和功率需求，而不是仅仅将它们转移到换能器。主机中的高压电路限于电源。将主机信号通路限于低压电路将允许将更先进的(低压)IC技术用于主机功能，从而为额外的集成和成本/功率节约提供了机会。较大和昂贵的高压IC技术的使用仅限于需要它的那些电路——用于1D换能器的发射器和T/R开关以及用于2D换能器的微波束形成器。将发射器定位在换能器中还消除了与驱动线缆相关的功耗，从而减少了给定性能水平下的总体功耗。在图4的示例中，用于波束形成器20的每个通道的系统主机前端电路24包括低压发射器26′和低压前置放大器28。取消了主机中的T/R开关，因为不需要针对来自发射器的高压而保护前置放大器28。用于前端部件的低压取决于系统设计者使用的半导体技术，但通常将在3.5到5伏的范围内。高压电源仍然存在于系统主机中，但其不是用于向系统主机中的高压信号部件供电，而是用于借助探头线缆14的电压供应导体60向探头10供应高压。于是可以看出，在系统主机的信号通路中不再有任何高压部件。
在图4的探头10中，高压供应导体60用于向发射器16递送供应电压。探头10内部实线框中勾画的部件是一个探头通道的那些部件，要理解，探头通道的数量与来自系统主机的信号导体相同。在探头发射期间闭合发射开关T1以向发射器16的输入施加低压驱动信号，发射器16通过以高压发射信号驱动换能器元件12′而作出响应。在发射期间打开T/R开关以防止高压发射信号被施加到低压信号通路。在超声发射之后，在换能器元件12′接收回波信号时，打开发射开关T1并闭合T/R开关，后者绕过发射器并向线缆14的信号导体递送回波信号。如果需要，可以在T/R开关和线缆导体之间提供前置放大器。所接收的回波信号由线缆14传导到接收器前置放大器28以进行放大，并随后接受波束形成。可以将低压IC用于系统主机的前端电路24，其通过不需要系统主机T/R开关而得以简化。当然，不再有与驱动线缆14的信号导体相关联的任何高压功耗。
图5是本发明的具有增强的孔径控制的系统主机的示例。对探头中的开关的控制提供了在方位角、仰角(elevation)方面或这两方面平移探头孔径的能力。它还带来了以增加的深度动态扩展孔径的能力。如所周知的，可以对孔径(或射束)中心任一侧上的元件进行同等延迟；中心任一侧上的延迟彼此为镜像。于是，在图5中，通过发射开关T1和Tn，通过线缆14的信号导体将发射器26′产生的低压发射信号耦合到高压发射器16的输入。由来自高压电源22的供应电压通过供应电压导体60为发射器16供电。同时提供发射信号以驱动换能器元件12′和12″。在接收时，打开发射开关T1和Tn以防止所接收的信号驱动发射器16，并且闭合T/R以绕过发射器16并向线缆14的信号导体递送所接收的回波信号。可以在同一线缆导体上组合在波束形成中被同等延迟的两个接收信号。通过线缆14将所接收的回波信号耦合到接收器前置放大器28，在此对它们进行放大以随后由波束形成器20进行波束形成。
或者，可以使用图5中的电路来控制用于换能器的活动孔径平移，其中阵列元件12的数量大于波束形成器通道24的数量。在元件12′要连接到波束形成器通道时，将在发射时闭合开关T1，并将闭合对应的T/R开关以进行接收；与元件12″相关联的两个开关都将被打开。相反，在元件12″要连接到同一波束形成器通道时，将在发射时闭合开关Tn，并将闭合对应的T/R开关以进行接收；与元件12′相关联的两个开关都将被打开。于是，通过适当控制这四个独立的开关，可以激活每个微波束形成器通道和相关联的阵列元件，并可以使活动孔径在换能器阵列间步进移动。
图6是本发明的系统主机的示例，其利用2D阵列换能器工作，以进行3D成像。在这一图示中，每个探头通道包括多个微波束形成器通道，其利用多个换能器元件工作。在这一示例中，低压系统主机前端24的发射器26′直接驱动线缆14和微波束形成器通道的延迟τ，而无需图3所示的高压衰减器。这是因为没有高压驱动信号要衰减；取消了衰减器及其控制开关。在发射期间，闭合发射开关T1...Tn，以向高压发射器16的输入施加经延迟的驱动信号，并且打开接收开关R1...Rn和T/R开关以将前置放大器18与发射信号隔离开。发射器16然后以高压发射信号驱动换能器元件12′。在接收时，发射开关T1...Tn打开，而接收开关R1...Rn和T/R开关闭合。换能器元件12′接收的回波信号被前置放大器18放大，被适当地延迟延迟τ，并且被组合以形成至少部分波束形成的回波信号。这些信号通过线缆14的信号导体被耦合到接收器前置放大器28以进行放大并完成波束形成过程。可以看出，仅需要将发射器16和图6的微波束形成器11的T/R开关制作为高压部件。
在图7和8中示出了用于图4、5和6的发射器16的适当高压输出电路。图7示出了互补驱动的FET电路，其包括FET半导体72和74。在FET的源-漏电极两端耦合互补高压HV+和HV-。将互补的上下驱动信号施加到FET的栅电极以利用期望的脉冲波形驱动半导体。FET的中间连接相耦合以驱动被偏置到地的换能器元件12′。图8示出了运算放大器80，由互补的HV+和HV-供应电压为其供电，以作为线性放大器工作，以用于产生期望的波形形状。输入驱动信号被施加到运算放大器80的“+”输入，而来自输出的反馈通路向回与电阻器82一起耦合到运算放大器的“-”输入。偏置电阻器84从反馈通路耦合到地。运算放大器80的输出驱动被偏置到地的换能器元件12′。要认识到，在使用互补高压时，线缆14将具有针对每个所供应的高压的电压供应导体。

Claims (15)

1.一种具有低压系统主机信号通路的超声诊断成像系统，其包括：
超声系统主机，所述超声系统主机具有多个低压发射器输出和低压接收器输入，每个低压发射器输出和低压接收器输入均耦合到探头信号导体；
耦合到探头高压供应导体的高压电源；以及
具有换能器元件的阵列、高压发射器和多个发射/接收开关的超声探头，每个高压发射器均耦合到所述高压供应导体并具有耦合到探头信号导体的输入和耦合到换能器元件的输出，并且每个发射/接收开关均耦合于换能器元件和探头信号导体之间。
2.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述超声探头还包括多个前置放大器，每个前置放大器均耦合于换能器元件和探头信号导体之间。
3.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述超声探头还包括多个延迟，每个延迟均耦合于换能器元件和探头信号导体之间。
4.根据权利要求1所述的超声诊断成像系统，其中，所述超声系统主机配置有多个波束形成器通道，每个波束形成器通道均适于耦合到探头信号导体，
其中，每个波束形成器通道均包括低压发射器和低压接收器，所述低压发射器具有耦合到用于所述通道的探头信号导体的输出，所述低压接收器具有耦合到用于所述通道的探头信号导体的输入。
5.根据权利要求4所述的超声诊断成像系统，其中，所述探头信号导体和所述高压供应导体包含在所述超声探头的线缆内。
6.根据权利要求5所述的超声诊断成像系统，其中，所述超声探头配置有多个探头通道，每个探头通道均具有换能器元件并耦合到相应的探头信号导体，
其中，探头通道还包括串联耦合于探头信号导体和换能器元件之间的发射开关和高压发射器以及与所述高压发射器并联耦合的发射/接收开关。
7.根据权利要求6所述的超声诊断成像系统，其中，所述高压供应导体耦合到所述高压发射器中的每个。
8.根据权利要求7所述的超声诊断成像系统，其中，每个探头通道还包括第二换能器元件，
其中，每个探头通道还包括串联耦合于用于该通道的探头信号导体和用于该通道的第二换能器元件之间的第二发射和第二高压发射器以及与所述第二高压发射器并联耦合的第二发射/接收开关。
9.根据权利要求7所述的超声诊断成像系统，其中，每个探头通道包括多个换能器元件，
其中，探头通道还包括多个微波束形成器通道，每个微波束形成器通道包括耦合到用于该探头通道的探头信号导体的延迟元件、串联耦合于所述延迟元件和换能器元件之间的发射开关和高压发射器，以及彼此串联耦合并与所述高压发射器并联耦合的前置放大器和发射/接收开关。
10.一种超声诊断成像系统，其包括：
超声系统主机，包括：
高压电源；
多个前端输入/输出，每个输入/输出均耦合到低压发射器的输出和前置放大器或接收器的输入；
耦合到所述前端输入/输出的波束形成器；
信号处理器；以及
显示器；以及
超声探头，包括：
探头线缆，所述探头线缆具有耦合到所述高压电源的供应导体和耦合到所述前端输入/输出的多个信号导体；
多个换能器元件；
多个高压发射器，每个高压发射器均耦合到所述供应导体并均具有耦合到信号导体的输入和耦合到换能器元件的输出；以及
多个发射/接收开关，每个发射/接收开关均与高压发射器并联耦合。
11.根据权利要求10所述的超声诊断成像系统，其中，所述超声系统主机前端的所述低压发射器和前置放大器或接收器被制作成低压集成电路。
12.根据权利要求10所述的超声诊断成像系统，其中，所述超声探头的所述高压发射器和所述发射/接收开关被制作成高压集成电路。
13.根据权利要求10所述的超声诊断成像系统，其中，所述电源供应两个互补的高压，
其中，探头线缆还包括用于这两个互补的电压的第一和第二供应导体。
14.根据权利要求10所述的超声诊断成像系统，其中，所述高压发射器每个均包括脉冲输出级。
15.根据权利要求10所述的超声诊断成像系统，其中，所述高压发射器每个均包括输出级，所述输出级包括具有输入和输出并由互补的高压供电的线性放大器。
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