CN1242978A - 手持式超声诊断仪器用超声阵列换能器收发机 - Google Patents

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Abstract

在便携单元中配备一手持式超声仪器,它进行B模式及多普勒成像。该仪器包括一个安装于手持式外壳内的换能器阵列,一集成电路收发机被连接至阵列的各阵元并刚好位于换能器的后方。收发机由安装于手持外壳内的数字波束合成器控制,并向该波束合成器提供回波信号。

Description

手持式超声诊断仪器用超 声阵列换能器收发机
这是于1996年6月28日提交的美国专利申请(序列号08/672,782)的部分延续。
本发明涉及医学超声诊断系统，具体而言，涉及完全集成的手持式超声诊断仪器。
众所周知，现代的超声诊断系统都是一些大且复杂的仪器。当今的高级超声系统一般可重达数百磅，它们为便于携带通常安装于手推车上。过去，超声系统是一些较小的台式装置，大小跟个人计算机相当，比如本发明的受让人Advanced Technology Laboratories公司所制造的ADR 4000超声系统。但是，这些仪器缺少当今高级超声系统所具备的许多先进性能，比如彩色多普勒成像和三维显示能力。但随着超声系统变得越来越专业化，它们也变得庞大了。
由于模拟和数字电子仪器的元件集成密度不断增大，现在就能预见到这样一个时代的到来，即超声系统将能够被小型化，甚至比甚早期原型还要小。医生们习惯于用大小与电动剃须刀相当的手持式超声扫描探头工作。因此希望能够将整个超声系统压缩成扫描探头大小的单元，使之与所熟悉的扫描探头一致。此外，还希望使这样的超声仪器能够尽可能地保留当今专业化超声系统的许多性能，比如消斑、彩色多普勒及三维成像能力。
根据本发明的原理，提供一超声诊断仪器，该仪器在手持单元展示了高级超声系统所具有的许多性能。该仪器可被制成单个单元，或者在一优选实施例中，该仪器是两部分组成的单元，其中一单元包括换能器、波束合成器和图像处理器，另一单元包括显示器和这两部分所用电源。在这样一种结构中，换能器/处理器单元可以用一只手加以操纵，通过两个单元之间的电缆使得视频图像能够显示于显示单元上，而后一单元则被手持或适当放置以便于观看超声图像。电缆还从显示单元向换能器/处理器单元提供能量。
在一优选实施例中，超声系统从换能器直至视频输出端，被制造于四种专用集成电路(ASIC)上：与阵列式换能器各阵元相连的发送/接收ASIC，执行且控制发送和接收波束合成的前端ASIC，对超声信号进行例如滤波的处理工作的数字信号处理ASIC，接收处理后的超声信号并且生成超声图像数据的后端ASIC。模拟发送/接收ASIC的优选结构为多路复用的N：1，1：M结构。图像可以显示于标准显示器或液晶显示器(LCD)上。尽管该单元的各电子器件是由ASIC组成的，它们仍可以制造在少量或甚至是单个印制电路板上，从而减少了通常情况下由连接器和电缆所带来的问题。这一专业化的超声仪器可被制成手持式单元，其重量小于五磅。
附图中：
图1以框图形式示意了本发明的手持式超声系统的体系结构：
图2a和2b是按单一单元封装的本发明手持式超声系统的前视图和侧视图；
图3a和3b是本发明的双单元手持式超声系统的换能器单元的前视图及侧视图；
图4示意了双单元封装形式的本发明手持式超声系统的两个单元；
图5是图1超声系统的发送/接收ASIC的简图；
图6是图1超声系统的前端ASIC的框图；
图7示意了发送/接收以及前端ASIC所提供的孔径控制；
图8是本发明第二实施例的框图；
图9示意的是图8的与换能器阵列和波束合成器相连的ASIC；和
图10是图1超声系统的用户控制表。
首先参看图1，该图给出了本发明的手持式超声系统的体系结构。仅仅通过审慎选择各功能和性能并且有效利用集成电路和超声技术，是可以将整个超声系统封装于单个手持单元中的。根据其固体物理性态、电子控制能力、可变孔径、图像性能和可靠性要求，选用换能器阵列10。可以采用平面或弧形线性阵列。在一优选实施例中，该阵列是一弧形阵列，它提供宽广的扇形扫描场。虽然本优选实施例提供了充分的延迟能力，对诸如相控阵的平面阵列定向和聚焦，但是弧形阵列的几何曲率降低了对波束合成器的定向延迟要求。阵列的各阵元与发送/接收ASIC 20相连，该ASIC驱动这些换能器阵元并且接收这些阵元所接收的回波。发送/接收ASIC 30还控制阵列10的发送与接收孔径以及所接收回波信号的增益。发送/接收ASIC优选位于换能器阵元的数英寸之内，优选在同一外壳内，并且就在换能器的后面。
发送/接收ASIC 20所接收的回波被送往相邻的前端ASIC 30，该ASIC将来自各换能器阵元的回波聚束成扫描线信号。前端ASIC 30通过为发送/接收ASIC提供的控制信号，控制发送波形、时序、孔径和对超声束的聚焦。在所示意的实施例中，前端ASIC 30提供其它ASIC用的时序信号和时间增益控制。电源和电池管理子系统80监视并控制送往换能器阵列的功率，由此控制被送往病人的声能量并且使单元的功率消耗降至最低。存储器装置32与波束合成器用来存放数据的前端ASIC30相连。
合成波束后的扫描信号从前端ASIC 30耦合到相邻的数字信号处理ASIC 40。数字信号处理ASIC 40对扫描线信号滤波，并且在该优选实施例中还提供一些先进的性能，包括合成孔径形成，频率复合，诸如功率多普勒(彩色功率血管成像)处理之类的多普勒处理，以及消斑。
然后，B超和多普勒信息被耦合到相邻的后端ASIC 50，进行扫描转换并且产生视频输出信号。存储器装置42被耦合到后端ASIC 50，提供在三维功率多普勒(3D CPA)成像中所用的存储工作。后端ASIC还向显示器发送数字字母信息，比如时间、日期以及病人身份证明等等。图形处理器用诸如深度与聚焦标记和光标等信息叠加在超声图像上。各超声图像帧存储在与后端ASIC 50相连的视频存储器54内，使得它们可以被再调用并且实施电影回放。在视频输出端可以得到数种制式的视频信息，包括NTSC和PAL电视制式以及LCD显示器60或视频监视器用的RGB驱动信号。
后端ASIC 50还包括超声系统的中央处理器，一个RISC(精简指令集控制器)处理器502。该RISC处理器与前端ASIC及数字信号处理ASIC相连，控制并使整个手持式单元中的各处理及控制功能同步。一程序存储器52与后端ASIC 50相连，以存放RISC处理器所使用的程序数据，从而操作并控制该单元。后端ASIC 50还与一配置成红外发射器或PCMCIA接口56的数据端口相连。该接口允许其它模块和功能添加到手持式超声单元上或与之通讯。接口56可以连接至调制解调器或通讯链路，以发送和接收来自远方的超声信息。接口还接受其它数据存放装置，为单元添加新的功能，比如超声信息分析软件包。
RISC处理器还与单元的用户控制70相连，以接受用户输入，指导并控制手持式超声系统的各项操作。
在一优选实施例中手持式超声系统的电源由充电电池提供。电池将来自电源子系统80的电能贮藏起来，并将它送往单元的各部件。电源子系统80包括一直流变换器，它将低的电池电压转换成较高电压，该较高电压被送往发送/接收ASIC20，以驱动换能器阵列10的各阵元。
图2a和2b示意了用于容纳图1超声系统的整块式单元80。单元的前端表示于图2a中，它包括含LCD显示器60的上部83。下部81包括以86指示的各用户控制。用户控制允许用户开启与关断单元，选择诸如模式(B模式或多普勒)、彩色多普勒扇区或帧速率之类的操作特性，以及诸如三维显示之类的特殊功能。用户控制还允许输入时间、日期以及病人数据。以十字表示的四向控制按钮起操纵杆的作用，用于操纵屏幕上的光标或从用户菜单选择各种功能。或者可以使用鼠标球或轨道块(track pad)提供在多个方向上的光标控制和其它控制。这些控制中有数个按钮和开关专用于特殊功能，比如稳定图像以及存储并且从CineLoop存储器实施电影回放。
在单元80的底部是弧形换能器阵列10的孔径84。使用时，换能器孔径抵靠病人放置以对病人进行扫描并且超声图像显示于LCD显示器60上。
图2b是单元80的侧视图，表示单元的厚度。单元约20.3厘米高，11.4厘米宽，4.5厘米厚。该单元在重量小于五磅的整体封装下，包含了带有弧形阵列换能器探针的全能型超声系统的所有阵元。这一重量的大部分是单元内置的电池所致。
图3和4示意了第二个封装方案，其中超声系统被置于两个单独的部分中。下部81包括换能器阵列，直至视频信号输出的电子装置，以及用户控制。该下部示于图3a中，在其底部可见到弧形换能器阵列。该下部在图3b中以侧视图给出。该下部约11.4厘米高，9.8厘米宽，2.5厘米厚。该单元的重量与常规超声扫描探头相当。该下部与图4所示上部83经电缆90相连。上部83包括LCD显示器82和电池盒88。电缆90将来自下部单元81的视频信号耦合到上部单元供显示用，并且从电池盒88为下部单元提供电能。该双部分单元较为便利，这是因为用户可以按常规扫描探头的方式操纵下部单元和换能器84在病人身上的运动，同时使上部单元处于方便的静止位置，以便观察。将电池盒放置于上部单元内，减轻了下部单元的重量，从而可以轻易地操纵扫描探头，使之在病人身体上运动。
其它系统封装方案也将一目了然。例如，前端ASIC30、数字信号处理ASIC40以及后端ASIC50可以置于共同的外壳内，使前端ASIC的波束合成器可与不同的阵列换能器相连。这使得对于不同的诊断成像过程可以有不同的换能器与数字波束合成器、数字滤波器以及图像处理器一起使用。显示器可以位于上述三个ASIC所在的同一外壳内，或者可以将后端ASIC的输出端连接到单独的显示装置。
现在参考图5，图中更为详细地表示了发送/接收ASIC。该ASIC由六个部分组成，每一部分与阵列10的六个换能器阵元相连。所示意的部分20a在该图的左侧的端子处与阵元1、17、33、49、65和81相连。对于每部分6个阵元的情况，整个ASIC可以与96个换能器阵元一起工作。每个部分可以配置成与八个阵元一起工作，在此情况下该ASIC可以控制128个阵元的换能器。在发送某个扫描线的超声脉冲之前，来自前端ASIC 30的串行数据流在该图右侧的发送数据输入端被在时钟控制下送入发送孔径选择逻辑器206。发送孔径选择逻辑器206使用这一数据，为那些对特定扫描线起作用的换能器阵元设置3：1多路发送复用器208和210内的多路复用器开关。例如，待发送的下一扫描线可以有包括阵元1-32的发送孔径。这要求多路发送复用器208闭合一开关将脉冲装置202连接至阵元1端子，发送多路复用器210闭合一开关将脉冲装置204连接至阵元17端子。按类似方式，该ASIC的其它15个部分内的多路发送复用器将脉冲装置连接至阵元端子2-16和18-32。
在连接好的阵元1和17拟被激励时，脉冲装置202和204的驱动信号被前端ASIC送往信号1输入端口和信号2输入端子。对于单极脉冲装置，驱动信号将被送往每个脉冲装置的单输入端。或者，当使用双极驱动信号时，在该图中用每个脉冲装置的成对输入端子表示，在适当时间互补波形被送往成对端子。这些驱动信号作为逻辑电平信号送往脉冲装置输入端，然后通过施加高电压HV被转换成高电压驱动波形并被送往多路复用器208和210。还可以把脉冲装置和多路复用器单元制成单个单元，由此多路复用器的每个开关实际上是一高压脉冲装置。换句话说，这意味着每个多路复用器将包括三个单独控制的脉冲装置。或者，在多路发送复用器输入端处的两个脉冲装置可以略去，代之以多路发送复用器输出端处的6个脉冲装置，但是，所示意的实施例从便利角度上讲只需要两个低电压脉冲装置。继续谈论有着阵元1-32的孔径的例子，如果阵元1处于孔径的边缘而阵元17更接近孔径的中心，阵元1将比阵元17在时间上早一些加以脉冲，以产生聚焦的发送超声波形。
在发送该扫描线之前，来自前端ASIC的数字数据流送往接收孔径选择逻辑214的接收数据输入端子按时钟送入接收孔径选择逻辑214。接收孔径选择逻辑器为恰当的接收孔径闭合6：1多路接收复用器212和1：8多路接收复用器218内的开关。象发送孔径选择逻辑器那样，接收孔径选择逻辑器也包括缓冲存储器，使得当该ASIC正接收当前扫描线的回波之时下一扫描线的数据也可被接收。所示意的实施例是针对16个阵元的折叠式接收孔径而设计的，如图由1：8多路接收复用器218的输出端处的8个数据总线表示。6：1多路接收复用器212的输入端与20a的6个阵元相连，并且通过在多路复用器输入端处汇集发送/接收网络而免遭高驱动电压的影响。接收孔径选择逻辑器214将多路复用器212的输入端之一与多路复用器的输出端相连，并且来自选定阵元的接收信号被送往第一时间增益控制(TGC)放大器216。该TGC放大器的增益由送往该ASIC的TGC控制端的控制信号控制。放大器216所提供的放大倍数随着超声回波被接收深度的增加，按常规方式增加。然后放大的回波信号经1：8接收多路复用器218的切换而被耦合到数据总线220之一上。
每条数据总线220与该ASIC上的每个1：8多路接收复用器的相同的对应输出端相耦连。多路复用器218的各输出端分别标以1-8。每个1：8接收多路复用器的输出端1与相同的一个数据线相耦合；每个1：8接收多路复用器的输出端2与另一条数据线耦合；如此等等。该优选实施例系统使用16个阵元的折叠式孔径，其扫描线正交于换能器发送声波的方向。这意味着该孔径的两个阵元在工作时将有着相同的接收相位；接收孔径的16个阵元将被组对，使之有8个接收相位。例如，如果所接收的扫描线位于有着阵元1-16的合成孔径的中心，那么阵元1和16将有相同的接收时序。阵元1所接收的回波经多路复用器212接收，由TGC放大器216放大，通过多路复用器218，并且在多路复用器218输出端8处生成电流输出。同时，阵元16所接收的回波经过该ASIC的另一部分的多路复用器，由另一TGC放大器作同样的放大，并且在另一1：8接收多路复用器的输出端8处生成电流输出。依据折叠孔径对这两个电流加以相同的相位，并且在与多路接收复用器的输出端8相耦合的数据线上组合起来。
每个数据线上的电流被由诸如以222表示的滤波器网络滤波并转换成电压。在该优选实施例中滤波器网络222外加并耦接于该ASIC的端子上，使得其各组件并且进而是它的滤波特性可以方便地加以选择和改变。所述滤波特性是经选择与换能器通带相匹配的带通特性。例如对于一个3.5MHz换能器，该通带可以从1.5MHz延伸至5.5MHz。滤波器经滤波器阻抗连接至一电流源，将电流信号转换成单一电压。该电压经另一(或同一)ASIC端子重新进入该ASIC，并被加至第二AGC放大器224的输入端上。使用两个TGC放大器级联可以使得它们具有较宽动态范围。在所示意的实施例中，单一TGC控制端向两个TGC放大器216和224施加相同的控制特性，但是向这两个放大器施加单独的且不同的TGC特性也是可以的。放大后的回波信号被送往该ASIC的最后输出端，在该处它们被带通滤波器226滤波，并且被耦合到前端ASIC上波束合成器输入端处的模/数(A/D)变换器。
发送/接收ASIC20的各独立部分可以被包含于单独的ASIC内，或加以组合使得几个部分被集成在同一ASIC上。所有16个部分优选地集成到单个ASIC芯片上。
这样可以看到，在优选实施例中，发送/接收ASIC20与一个96阵元换能器阵列一起工作，并且采用一个32阵元发送孔径和一个16阵元折叠式接收孔径。在采用下文将讨论的合成孔径的情况下，该系统在发送和接收端均呈现出一个32阵元的孔径。
图6给出前端ASIC30的细节。该附图给出前端ASIC30的一个部分30a。前端ASIC上共有8个这样的部分，它们对来自发送/接收ASIC20的8个输出进行聚束。每个回波输出信号被耦合到A/D转换器310的输入端，在该处回波信号被转换成数字数据。来自每个阵元(或折叠孔径中的每对阵元)在时钟信号A/D CLK的作用下移入先进先出(FIFO)寄存器312内。A/D CLK信号由动态聚焦时序电路314提供，该电路推迟时钟信号的开始以给出一初始延迟，然后对所接收的回波信号进行动态聚焦。FIFO寄存器312的长度由初始延迟、换能器中心频率、孔径尺寸、阵列的曲率以及波束定向要求决定。例如，较高的中心频率和弧形阵列将降低定向延迟要求并进而减小FIFO寄存器的长度。来自FIFO寄存器312的延迟后的回波信号被耦合到多路复用器316，在该处根据动态权重寄存器318内存放的动态权重值给回波信号加权。在考虑了动态接收孔径的各种影响，比如有源元件数、阵元在孔径内的位置以及期望的切趾函数之后用这些动态权重值对回波信号加权，这是因为随着附加的外侧阵元的加入，回波沿扫描线的接收深度增加而导致孔径扩展。然后延迟且加权后的回波信号与来自其它阵元的适当延迟并加权的回波信号以及来自任何其它经求和电路320级联连接的延迟级的回波信号相加。波束合成后的回波信号与同步溢出位作为输出扫描线数据产生于RF数据总线上。伴随每个扫描线回波信号序列的是该ASIC上RF头序列发生器提供的识别信息，该信息标记了所产生扫描线数据的类型。例如，RF头可以表明扫描线是B模式回波数据或多普勒数据。
如果需要，可以用其它数字存储装置来提供波束合成器延迟。可以用一个双端口随机存取存储器来存放所接收数字回波样本，随后这些样本可以在为来自各换能器阵元的信号提供所需时延的时间或序列时从存储器中读出。
前端ASIC的每个部分30a包括该阵列4个换能器阵元的发送控制电路302-308。这样8个部分同时为阵列的32个阵元提供发送控制，由此确定最大发送孔径。发送控制电路按期望发送频率并在恰当时刻产生脉冲波形，以生成聚焦于期望聚焦深度处的发送声信号。
前端ASIC包括一共同的控制部分330，该部分为发送和接收功能提供总的实时控制。控制部分330由位于后端ASIC上的RISC处理器控制，并在其控制下接收数据。扫描之前，某一成像模式的数据表被载入到随机存取存储器(RAM)32中，在RISC处理器的指令下它们被调入到控制部分330。然后对各线的扫描控制受到控制，并使之实时变化。控制部分330包括一些用于发送和接收功能序列的序列发生器。帧序列发生器332生成被其它序列发生器所用的信息，该信息识别拟生成的图像帧的类型。例如帧序列发生器可以载入数据，该数据将下一帧定义为插入在由4个多普勒扫描线组成的各组之间的B模式扫描线，并且扫描线序列为所有奇数扫描线后跟以所有的偶数扫描线。该信息被送往线序列发生器314，该序列发生器控制按正确序列发送和接收的扫描线。在准备新的扫描线时，线序列发生器控制TGC序列发生器336，使得它将产生TGC控制数据的期望序列。来自TGC序列发生器的TGC控制数据由数模转换器(DAC)338转换成电压数据并送至发送/接收ASIC 20的输入端。线序列发生器334还控制着串行总线序列发生器340，串行总线序列发生器340为发送/接收ASIC上的发送和接收孔径选择逻辑电路206和214在串行总线上产生串行数据。接收/发送(RT)寄存器加载器342控制新扫描线数据加载到两个ASIC上包括孔径选择逻辑电路206和214、发送控制电路302-308、动态聚焦时序电路314以及动态加权寄存器318在内的各寄存器内的过程。所有执行实时功能的寄存器均是双重缓冲的。如上所述，各个寄存器都是带缓冲的使得控制数据可以在控制数据所针对的扫描线的前一扫描线期间被放至串行总线上并被加载到各个寄存器内。
前端ASIC 30包括一电流监视电路346，该电路采用A/D转换器348对HV总线上的电流采样。在检测到过量电流值的情况下，电流监视器通过减少或完全切断高电压电源来确保病人安全，由此保护病人免受过热换能器或出奇高的声输出值。电流监视电路还可以被置于电源和电池管理子系统80内。
前端ASIC在其控制部分包括一时钟发生器350，该时钟发生器产生多个同步时钟信号，系统的所有操作均是根据这些同步时钟信号进行同步的。为避免系统的密排装置之间发生干扰及交扰，视频输出信号频率与时钟发生器的时钟信号保持同步，这样一频率的谐波将不会在另一频率处产生干扰分量。一个晶体振荡器(未示出)与前端ASIC 30相耦合，以提供比如60MHz的基准高频，根据它可以衍生出系统的所有时钟信号。
发送/接收及前端ASIC 20和30为从弧形阵列的32个阵元产生折叠与合成孔径扫描线的操作示意于图7中。在该图中，这些ASIC正对一换能器孔径进行控制，换能器孔径包括32个阵元，它们分别是弧形阵列10的25至32以及1至24。收集整个孔径内的扫描线信息要求包含所有32个阵元的两个发送序列。为了发送，线序列发生器334、串行总线序列发生器340、RT寄存器加载器342将正确的多路发送复用器数据载入到16个发送孔径选择逻辑电路206和前端ASIC上的32个发送控制器。然后孔径选择逻辑电路控制32个多路发送复用器，使脉冲装置连接到期望发送孔径的标以25-32和1-24的阵元。脉冲装置由发送控制电路加以脉冲，以使产生一聚焦于图7点F处的声波。
在第一次脉冲发送之后，中间标以1-16的阵元组接收到回波，在该时这些阵元正被16个6：1多路接收复用器和1：8多路接收复用器连接到8个输出数据线。16个接收信号在经过初始TGC放大器时是独立的，其中的8个在图7中处于216’表示的该行内。如此定相的信号然后由按折叠孔径进行成对组合，在折叠孔径处成对的线一起出现在波束合成器延迟线的输入端处，其中的4对以370表示。在所示意的实例中，扫描线360从阵列孔径的位于阵元8和9之间的中心延伸。这意味着阵元8和9所接收的回波信号是同相的，并且可以加以组合。同样，成对阵元7和10、成对阵元6和11以及成对阵元5和12所接收的回波也可以加以组合。这样，在第一次发送脉冲之后，阵元1-16所接收的回波被8个延迟FIFO延迟，并由求和电路320相加。这半个孔径被存放起来，以接收另一半孔径。
另一声脉冲被孔径的所有32个阵元发送。在这第二脉冲之后，多路接收复用器现在将来自阵元25-32和17-24的回波耦合到波束合成器。根据折叠孔径的对称性，来自阵元32的回波与来自阵元17的回波成对出现，并且两者被组合起来。同样，来自阵元31的回波和来自阵元18的回波成对，如此等等，直至最外侧的成对阵元25和24。
16个接收回波经折叠孔径配对成8个信号，它们由8个延迟FIFO加以适当的延迟并且求和，以形成扫描线的另一半孔径。这两部分孔径按回波分量沿这两个序列的扫描线的位置的函数进行相加。这样，通过将来自孔径的内16个阵元的回波与来自外16个阵元的回波分别接收并加以组合，形成完整的一个孔径。一个精确聚束的合成孔径信号是通过在两次接收期间保持相同的TGC控制条件而产生的。由于在两个序列期间接收阵元的孔径位置不同，动态加权和动态聚焦对这两个接收序列的影响不同。FIFO在两个序列期间所施加的延迟，因从一序列到另一序列接收阵元在孔径上的位置不同而不同。
图8示出了一优选的发送/接收ASIC 20A。ASIC 20A的信号路径被分为4个相同的部分S1、S2、S3和S4。在该附图中给出了S1的内部细节。部分S1包括两个2：1多路发送复用器408和401，其每一个对八(8)个“发送输入”线之一上的脉冲装置信号起反应。每个2：1多路发送复用器有两个输出端，它们驱动脉冲装置402、404和414、416，这些脉冲发生器的输出端耦合到与换能器阵元相连的ASIC管脚。在所示意的实施例中，2：1多路发送复用器408用于驱动阵元1或65，2：1多路发送复用器410用于驱动阵元33或阵元97。该ASIC其它部分的2：1多路发送复用器类似地连接至4个换能器阵元上。由于每个换能器阵元有一独立的脉冲装置，ASIC 20A可以独立地且同时驱动16个换能器阵元中与之相连的8个阵元。
与每部分的脉冲装置相连的换能器阵元管脚还被耦合到4：1多路接收复用器和开关412的输入端。当超声发送期间脉冲装置正驱动换能器阵元时，与该ASIC上所有的4：1多路接收复用器和开关相耦合的“发送接通”线上的信号将它们切换至对于高电压驱动脉冲呈现高阻抗的状态，由此使其它接收信号路径与这些高电压脉冲隔离。该ASIC的所有4：1多路接收复用器和开关还与I.C.的接收测试脚相连，通过该管脚可将测试信号注入到接收信号路径并使之经接收机系统传播。在回波接收期间每个4：1多路接收复用器和开关将4个换能器阵元中与之相连的一个的信号经第一TGC级416耦合到1：16多路复用器418。该ASIC上第一TGC级的增益由施加在该ASIC上的TGC1管脚上的电压控制，在所构设的实施例中该TGC1管脚包括两个分别施加微分控制电压的管脚。ASIC每部分的1：16多路复用器各自将所接收的回波信号送往求和总线440的十六条(16)线之一上。图的右侧还表示了十六条求和总线中的两条，它们被连接至滤波器电路222。滤波后的总线信号被连接至引向两个第二TGC级424和426的输入管脚，其增益由加在一或两个TGC2管脚上的电压控制。这些第二TGC级的输出端在所示意的实施例上被连接至导向超声系统的波束合成器的通道1和2的输出管脚。
ASIC 20A还包括一控制寄存器430，该寄存器接收来自波束合成器的串行总线上的控制信号。控制寄存器按图中所示的Ctrl.输入箭头向该ASIC的所有多路复用器提供控制信号。
ASIC 20A的一构成实施例有一些管脚，作电源和偏压以及地连接用，该图中未示出。
采用本发明的ASIC的一系统具有一个N：1，1：M体系结构，此处N是换能器阵元数与最大孔径具有的阵元数的除数，M是波束合成器通道数。这些ASIC可以用于将种种由不同数目阵元组成的换能器阵列与不同数目通道构成的波束合成器按多种方式相连。这种通用性的一个例子表示于图9系统中，在该图中一个换能器10’与8个ASIC 20A-20H相连(如箭头506、504表示)，其求和总线440经这些ASIC的十六个第二TGC级耦合到十六个通道波束合成器500。(为清楚说明起见，这些第二TGC级是单独表示的，但是它们实际上是集成于ASIC上的)在本例中8个ASIC均有供与换能器阵元相连用的十六个管脚，这些ASIC独立地驱动换能器阵列10’的所有128个阵元。8个ASIC的2：1多路发送复用器能够同时驱动64个阵元，因此可以使换能器阵列有64个阵元的发送孔径，附图中由换能器阵元1-4…29-36…61-64表示。这64阵元孔径定心于阵元32和33之间。这一排列方案能够为每个发送超声波驱动64阵元孔径中所有的阵元。八个ASIC20A-20H的控制寄存器可以便利地使八线式数据总线的各线与波束合成器分离，每条线对于特定的控制寄存器起串行总线的作用，由此可以同时加载所有8个控制寄存器。
在整个64阵元孔径上的回波信号接收工作可以按数种方式完成。其一是采用如图7所示的折叠式合成孔径。在第一次声波发送之后接收阵元17-32上的回波并将它与来自阵元48-33的回波叠加在一起。即，求和总线之一线将使来自阵元17和48的回波多路复用到其上，另一条线将使来自阵元18和47的回波多路复用到其上，如此等等。这16个叠合信号被适当延迟并加以组合，以生成聚焦信号。在第二次声波发送之后，孔径的各外侧阵元被用于折叠接收，延迟并且彼此组合并与第一聚焦信号组合以完成整个孔径。
通过采用折叠式与合成孔径技术，或美国专利4,542,653中所描述的粗孔径接收技术，该N：1、1：MASIC体系结构可以与一个8通道波束合成器500而不是16通道波束合成器结合使用。按这一技术，在接收期间通过组合相邻阵元所接收到的信号并且赋予它们同样的聚焦延迟，使在波束发送期间被独立激励的这些相邻阵元被配对。实际上，这意味着换能器强度在接收期间被增大了一倍。尽管这提高了所接收波束图案的栅瓣的电平，但是组合后的发送与接收波束图案仍是可以接受的，并且系统也将得益于较大接收孔径所带来的较高灵敏度。如果栅瓣被证实是有害的，可以用非周期性的孔径加以消除，所谓的非周期性孔径是指在孔径上以组形式结合起来的阵元对于不同的组是不相同的。非周期性孔径实际上把栅瓣效果混合成均匀的图像背景。
在一个这样的排列方案中，通过对1：16多路复用器作适当的编程，四个换能器阵元所接收的信号被送往求和总线上的同一线，以便加于八个波束合成器通道中每一个的输入端。这使得来自阵元17和18的接收信号与来自阵元47和48的接收信号在求和总线的同一根线上相组合，并且所有四个信号被耦合到一个波束合成器通道的输入端。这样，可以同时采用粗接收与折叠孔径技术。单独的一次发送波之后可以接收到一个三十二阵元的孔径，或者采用合成孔径技术由两次波发送形成一个64阵元的孔径。如果仅使用一个精细的接收孔径，那么接收孔径在采用折叠式与合成孔径技术的情况下被限制为三十二阵元，或者在仅采用折叠式或合成孔径技术时为16个阵元。
图6的前端ASIC为每个接收通道配备了四个发送控制电路，总计有32个发送控制电路。这些32个发送控制电路可以在一个发送控制电路与每一对多路发送复用器408和410的两个输入端相耦合并且编程由控制寄存器430的控制信号启动其中一个多路发送复用器并禁止另一发送多路复用器的情况下，与图9的八个发送/接收ASIC的六十四个脉冲装置输入器相连。这实际上将每对2：1多路发送复用器变成为一个4：1多路发送复用器，从而由32个单独控制的阵元获得最大的发送孔径。
前述实例适用于指向与阵列的孔径中心线正交的接收波束情况。如果接收波束与该正交线偏离并且聚焦，那么不能采用折叠孔径技术，这是因为在整个有源孔径上必须采用变化的时延。
对于本领域的技术人员来说ASIC20A的改进方案也将是一目了然的。如果所有的换能器阵元拟被同时且独立地驱动，那么可以取消这些2：1发送多路复用器，并且直接驱动脉冲装置402、404、414、416。对于32通道的波束合成器可以使1：16多路复用器扩展至1：32，32通道波束合成器可以通过折叠式与粗孔径技术控制64阵元孔径，而不会降低帧速率。4：1多路接收复用器与开关可以被分割为两个2：1多路接收复用器与开关，它们每一个分别与其自己的多路总线复用器相耦合。这样的改进将使不同的孔径能够在不同的且较高的图象帧速率下工作。
后端ASIC50具有RISC处理器502，该RISC处理器的作用是协调手持式超声系统的所有操作的时序关系。RISC处理器连接至这些ASIC的所有其它主要功能区域，以便协调处理时序并且在缓冲器和寄存器中载入执行用户所期望的处理类型及显示用的数据。操作RISC处理器用的程序数据存储于由RISC处理器访问的程序存储器52。RISC处理器的时序由来自前端ASIC30上时钟发生器的时钟信号提供。RISC还经一红外光接口通讯，通过该接口该处理器可以远端访问额外的程序数据或发送图像信息。例如，红外接口可以与遥测链路相连，以便将超声图像从手持单元送往某远方地点。还可以根据需要采用PCMCIA数据接口或以之代替红外接口，进行数据通讯。
RISC处理器可以在用户控制下根据用户在用户控制70上所作的输入数据及指令进行操作。图10给出有关控制功能、控制类型及其说明的一个图表。应当理解，一些功能，比如病人数据的输入、电影回放以及3D观察，将通过菜单控制进行，以使小型手持单元上的键或按钮控制数最小。为进一步简化该单元，针对特定诊断应用预编程了一些操作功能，这些操作功能将在选择特定应用时自动执行。比如，选择B模式成像将自动地激发频率复合以及深度相关的滤波，而当选择多普勒操作时将自动建立一个四倍乘滤波器作为Wall滤波器用。对特定临床应用的菜单选择可以自动地调用诸如TGC控制特性和聚焦区之类的特定特征设置。

Claims (39)

1.手持式超声装置，它包括：
外壳；
阵列式换能器，该阵列换能器位于所述外壳内并且通过一声学窗口访问病人；
收发机电路，它安装于所述外壳内且与所述阵列换能器的各阵元相连，用于激励所述阵元使之发送超声波并从所述阵元接收回波；以及
波束合成器，它安装于所述外壳内并且与所述收发机电路相耦合，用于控制所述阵列换能器对超声波的发送并且使所述阵列换能器的各所述阵元接收到的回波信号延迟并且加以组合以形成超声波束。
2.权利要求1所述的手持式超声装置，其特征在于所述收发机电路被制造于一集成电路上。
3.权利要求2所述的手持式超声装置，其特征在于所述波束合成器被制造于一集成电路上。
4.权利要求3所述的手持式超声装置，其特征在于所述收发机电路包括对所述波束合成器作出响应从而有选择地激励所述换能器阵元的换能器阵元驱动器，和一多路复用器电路，该多路复用器电路与所述换能器阵元驱动器、所述换能器阵元以及与所述波束合成器相耦合从而交替地使所述换能器阵元被所述驱动器激励并且为所述波束合成器接收回波信号。
5.权利要求4所述的手持式超声装置，其特征在于所述多路复用器电路包括一个耦合于换能器阵元驱动器和多个所述换能器阵元之间用于将来自所述驱动器的激励信号耦合到所述换能器阵元中选定的一个阵元的多路发送复用器；以及耦合于多个换能器阵元和所述波束合成器之间用于使所述换能器阵元之一所接收的回波信号耦合到所述波束合成器的多路接收复用器。
6.权利要求5所述的手持式超声装置，还包括多个多路发送复用器，每个多路发送复用器连接于一换能器阵元驱动器和多个所述换能器阵元之间用于使来自相应驱动器的激励信号耦合到选定换能器阵元，
其特征在于所述多路发送复用器对换能器孔径选择信号作出反应从而确定所述阵列换能器的发送孔径。
7.权利要求6所述的手持式超声装置，其特征在于所述阵列换能器有多个发送孔径，每个发送孔径由一组相邻的换能器阵元形成，
其中所述相邻换能器阵元组的每个阵元被耦合到所述多个多路发送复用器中不同的多路发送复用器，
由此一组中的各所述换能器阵元在一超声波发送序列期间均由所述多个多路发送复用器激励。
8.权利要求6所述的手持式超声装置，还包括一个数据存储装置，它与所述多路发送复用器相耦合，用于在正接收前一发送波束的回波信号的同时接收一个发送波束所用的所述换能器孔径选择信号。
9.权利要求5所述的手持式超声装置，还包括多个多路接收复用器，它们每一个都耦合到多个换能器阵元和所述波束合成器之间，
其特征在于所述多路接收复用器对换能器孔径选择信号作出反应，用于将所选定的所述换能器阵元所接收的回波信号耦合到所述波束合成器从而在一超声波束中加以组合。
10.权利要求9所述的手持式超声装置，其特征在于所述阵列换能器有多个接收孔径，每个接收孔径由一组相邻换能器阵元形成，
其中所述一组相邻换能器阵元的每个阵元被耦合到所述多个多路接收复用器中不同的一个上，
由此一组换能器所接收的回波信号在接收超声扫描线期间全部由所述多个多路接收复用器耦合到所述波束合成器上。
11.权利要求9所述的手持式超声装置，其特征在于还包括一个数据存储装置，它与所述多路接收复用器相耦合，用于在正接收前一发送扫描线的回波信号的同时接收为一扫描线所用的所述换能器孔径选择信号。
12.权利要求9所述的手持式超声装置，其特征在于所述多路接收复用器被连接以形成一折叠式接收孔径。
13.权利要求12所述的手持式超声装置，其特征在于各对所述多路接收复用器与拟接收具有同一接收相位的回波信号的不同阵元相连；并且
其中每对中的两个多路接收复用器所接收的回波信号在波束合成过程中于延迟之前被组合起来。
14.权利要求3所述的手持式超声装置，其特征在于所述收发机电路包括一个对所述波束合成器作出反应并与所述换能器阵元相耦合的高压多路复用器电路，使所述换能器阵元被激励从而发送超声波的波束合成器。
15.权利要求2所述的手持式超声装置，其特征在于所述收发机电路还包括一个时间增益电路，它用于接收回波信号以便在接收回波扫描线期间控制加于所述回波信号上的增益。
16.权利要求15所述的手持式超声装置，其特征在于所述时间增益控制电路包括第一和第二级联的TGC放大器。
17.权利要求1所述的手持式超声装置，其特征在于还包括带通滤波器电路，用于对所述阵列换能器的所述阵元所接收的回波信号滤波。
18.权利要求2所述的手持式超声装置，其特征在于还包括带通滤波器电路，它与所述收发机集成电路相耦合，以对所述阵列换能器的所述阵元所接收的回波信号滤波。
19.权利要求2所述的手持式超声装置，其特征在于所述带通滤波器电路还包括将回波电流信号转换成回波电压信号的装置。
20.手持式超声装置，包括：
外壳；
一阵列换能器，它位于所述外壳内并且经一声学窗口访问病人；
收发机电路，它安装于所述外壳内并且恰好位于所述阵列换能器的后方并且与所述阵列换能器的各阵元相连，用于激励所述阵元使之发送超声波并且从所述阵元接收回波；以及
波束合成器，它安装于所述外壳内并且与所述收发机电路相耦合，用于控制所述阵列换能器对超声波的发送并且将所述阵列换能器的所述阵元所接收的回波信号组合成一超声波束。
21.权利要求20所述的手持式超声装置，其特征在于所述收发机电路以集成电路形式制成。
22.权利要求21所述的手持式超声装置，其特征在于所述波束合成器包括一数字波束合成器。
23.权利要求20所述的手持式超声装置，其特征在于所述阵列换能器包括一弧形线性阵列换能器。
24.超声成像系统，包括阵列换能器，波束合成器，以及一发送/接收集成电路，该发送/接收集成电路与所述阵列换能器和所述波束合成器耦合用于将激励信号多路复用到所述换能器阵列的各阵元并且将来自所述换能器阵列各阵元的回波信号多路复用到所述波束合成器的各通道，发送/接收集成电路包括：
多个多路发送复用器，它们位于所述集成电路上，对激励指令信号作出反应，并且具有与各个所述换能器阵元相耦合的输出端，用于选择性地激励所述阵列换能器的各阵元；
回波数据总线，位于所述集成电路上并且与所述波束合成器各通道相耦合；以及
多个多路接收复用器，它们位于所述集成电路上并且与各个所述换能器阵元相耦合并且具有连接至所述回波数据总线的输出端，用于有选择地将所述换能器阵元所接收的回波信号定向输送到所述波束合成器各通道。
25.权利要求24所述的超声成像系统，其特征在于还包括多个TGC放大器，它们位于所述集成电路上用于可变地放大所接收的回波信号。
26.权利要求24所述的超声成像系统，还包括位于所述集成电路上与所述多路复用器相耦合用于向所述多路复用器提供控制信号的控制寄存器。
27.权利要求24所述的超声成像系统，还包括与所述阵列换能器和所述波束合成器相耦合并且呈现N：1，1：M体系结构的一或多个所述发送/接收集成电路，这里N是所述换能器阵列的阵元数除以所述换能器阵列的一个孔径的阵元数的除数，而M是波束合成器的通道数。
28.权利要求27所述的超声成像系统，其特征在于所述换能器阵列有128个阵元。
29.权利要求28所述的超声成像系统，其特征在于M是8的整数倍。
30.权利要求29所述的超声成像系统，其特征在于M等于16。
31.权利要求29所述的超声成像系统，其特征在于构成一孔径的换能器阵元数为64。
32.权利要求24所述的超声成像系统，还包括将两个所述换能器阵元所接收的回波信号定向输出到所述数据总线的一条公共线上的装置。
33.权利要求32所述的超声成像系统，其特征在于所述定向装置包括形成拟用于波束合成的折叠孔径的装置。
34.权利要求32所述的超声成像系统，其特征在于所述定向装置包括在进行波束合成之前将相邻换能器阵元接收的回波信号组合起来的装置。
35.权利要求24所述的超声成像系统，还包括控制多路发送复用器以形成小节距发送孔径的装置，以及控制所述多路接收复用器以形成一个或多个大节距接收孔径的装置，折叠孔径，或合成孔径。
36.超声诊断成像系统，在其中包括有着多个换能器阵元的超声阵列换能器，控制所述换能器对超声波的发送并且对所述换能器对回波信号的接收作出反应的发送/接收集成电路，所述发送/接收集成电路包括：
位于所述集成电路上的多个换能器脉冲装置，它们具有与所述换能器阵元的相应阵元相耦合的输出端，用于有选择激励所述换能器阵元以发送定向或聚焦的超声波；以及
位于所述集成电路上的多个接收器，它们具有与所述换能器阵元相耦合的输入端，用于接收来自所述相应的换能器阵元的回波信号。
37.根据权利要求36所述的超声诊断成像系统，在该系统中，其特征在于所述接收器包括多个放大器，用于将从所述相应的换能器阵元接收的回波信号放大。
38.根据权利要求36所述的超声诊断成像系统，其特征在于所述接收器还包括将从所述相应的换能器阵元耦合到接收波束合成器的各通道的装置。
39.根据权利要求38所述的超声诊断系统，其特征在于所述换能器脉冲装置有多个对发送波束合成器提供的信号作出反应的输入端，用于有选择地激励所述换能器阵元以发送定向或聚焦的超声波。
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