ITMI972773A1

ITMI972773A1 - Metodo ed apparato per fornire ritardi variabili dinamicamente per formatore di fasci di ultrasuoni

Info

Publication number: ITMI972773A1
Application number: IT97MI002773A
Authority: IT
Inventors: Steven C Miller; Gregory A Lillegard; Daniel C Milon
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1996-12-30
Filing date: 1997-12-16
Publication date: 1999-06-16
Also published as: NO976115L; JP4039643B2; NO976115D0; IL122693A; JPH10293170A; US5844139A; DE19756024A1; CN1184474C; IL122693A0; KR19980064032A; IT1296867B1; CN1191970A

Description

DESCRIZIONE

Questa invenzione riguarda in generale sistemi generatori di immagini ad ultrasuoni che formano fasci di ultrasuoni mediante ritardo e somma di segnali di ritorno in una molteplicità di canali paralleli. In particolare, l’invenzione riguarda mezzi per fornire i richiesti ritardi formatori di fascio per elaborare i canali.

Convenzionali sistemi generatori di immagini ad ultrasuoni comprendono una rete di trasduttori ultrasonici che sono usati per trasmettere un fascio di ultrasuoni e quindi ricevere il fascio riflesso dall’oggetto in studio. Per generazione di immagini ad ultrasuoni, la rete tipicamente ha una molteplicità ditrasduttori disposti su una linea e azionati da tensioni separate. Scegliendo il ritardo (o fase) e l’ampiezza delle tensioni applicate, i singoli trasduttori possono essere controllati per produrre onde ultrasoniche che si combinano a formare un'onda ultrasonica complessiva la quale si propaga lungo una preferita direzione vettoriale ed è fócalizzata ad un punto prescelto lungo il fascio. Raffiche multiple possono essere usate per acquisire dati rappresentanti la medesima informazione anatomica. I parametri formatori di fascio di ciascuna delle raffiche possono essere variati per fornire un cambiamento nel fuoco massimo o altrimenti cambiare il contenuto dei dati ricevuti per ciascuna raffica, per esempio trasmettendo fasci successivi lungo la medesima linea di analisi, dove il punto focale di ciascun fascio è spostato rispetto al punto focale del fascio precedente. Cambiando il ritardo e l’ampiezza delle tensioni applicate, il fascio con il suo punto focale può essere mosso in un piano per analizzare l’oggetto.

I medesimi principi si applicano quando il trasduttore è impiegato per ricevere il suono riflesso (modo di ricevitore). Le tensioni prodotte ai trasduttori riceventi sono sommate in modo che il segnale netto è indicativo dell’ultrasuono riflesso da un singolo punto focale nell’oggetto. Come con il modo di trasmissione, questa ricezione focalizzata di energia ultrasonica è ottenuta impartendo un separato ritardo (e/o spostamenti di fase) e guadagni al segnale proveniente da ciascun trasduttore ricevente.

Tale analisi comprende una serie di misura in cui è trasmessa l’onda ultrasonica direzionata e l’onda ultrasonica riflessa è ricevuta e memorizzata. Tipicamente la trasmissione e la ricezione sono dirette nella medesima direzione durante ciascuna misura per acquisire dati da una serie di punti lungo un fascio acustico o linea di analisi. Il ricevitore è focalizzato dinamicamente ad una successione di distanze lungo la riga di analisi quando le onde ultrasoniche riflesse sono ricevute.

Un’immagine ultrasonica è composta da linee multiple di analisi di immagine. Una singola linea di analisi (o piccolo gruppo localizzato di linee di analisi) è acquisita trasmettendo energia ultrasonica focalizzata ad un punto nella regione di interesse e ricevendo l’energia riflessa fuori tempo. L’energia di trasmissione focalizzata è riferita ad un fascio trasmesso. Durante il tempo dopo la trasmissione, uno o più formatori di fascio ricevuto sommano coerentemente l’energia ricevuta da ciascun canale, con rotazione di fase o ritardi variabili dinamicamente, per produrre una sensibilità di picco lungo le desiderate linee di analisi a distanze proporzionali al tempo trascorso. II risultante schema di sensibilità focalizzata è chiamato fascio ricevuto. La risoluzione di una linea di analisi è un risultato della direzionalità dell’associata coppia di fasci trasmesso e ricevuto.

Le linee di analisi sono definite da loro posizione e angolo. L’intersezione di un fascio con una faccia di un trasduttore è indicata come centro di fase. L’angolo di una linea di analisi rispetto alla normale è indicato come angolo di direzione.

Ritardi formatori di fascio possono essere fissi o dinamici. Ritardi di trasmissione sono fissi per fornire pressione di picco ad una particolare distanza. I ritardi di ricezione sono tipicamente dinamici dato che la sensibilità di picco deve seguire la distanza crescente r dalle riflessioni in funzione del tempo trascorso t:

(1)

dove c è la velocità del suono nel mezzo rappresentato. Il tempo trascorso può essere quantizzato mediante una quantità τ, che è equivalente alle distanze focali quantizzate:

<2>

La geometria qui usata è mostrata nelle figure 1A e 1B per trasduttori lineari a settore e trasduttori lineari curvi, rispettivamente. I punti di riferimento importanti sono il centro di fase, il punto focale e la posizione deH’elemento. Il centro di fase sarà sempre l’origine del sistema di coordinate cartesiane (x, z). "Il punto focale è r e la posizione dell’elemento è pj. Per reti curve la posizione dell’elemento è determinata dal raggio di curvatura p e dall’angolo di canale Φ; = \Jf , dove lj è la distanza dal centro di fase lungo la faccia della sonda.

Il formatore di fascio deve compensare le differenze tra canale e canale nel tempo di propagazione Tp del suono propagantesi tra il centro di fase e pj attraverso un riflettore nel punto r. Il ritardo relativo Td è la differenza tra il tempo di propagazione per il canale i e il tempo di propagazione per il centro di fase. Per la geometria di figura 1 A, i tempi Tp e Td sono i seguenti:

Considerando la figura 2, un convenzionale sistema generatore di immagini ad ultrasuoni contiene una rete di trasduttori 10 comprendente una pluralità di elementi trasduttori 12 azionati separatamente, ciascuno dei quali produce una raffica di energia ultrasonica quando eccitati da una forma d’onda ad impulsi prodotta da un trasmettitore 22. L’energia ultrasonica riflessa verso la rete 10 di trasduttori dall’oggetto sotto studio è convertita in una segnale elettrico da ciascun elemento trasduttore ricevente 12 ed applicata separatamente ad un ricevitore 24 attraverso un gruppo di commutatori 26 di trasmissione e ricezione (T/R). I commutatori T/R 26 sono tipicamente diodi che proteggono l’elettronica del ricevitore dalle alte tensioni generate dall’elettronica del trasmettitore. Il segnale trasmesso obbliga i diodi ad eliminare o limitare il segnale al ricevitore. Il trasmettitore 22 e il ricevitore 24 sono azionati sotto controllo di un controllore di analisi 28 sensibile a comandi da parte di un operatore umano. Un’analisi completa è eseguita acquisendo una serie di echi in cui il trasmettitore 22 è acceso momentaneamente per eccitare ciascun elemento trasduttore 12 e i successivi segnali di eco prodotti da ciascun elemento trasduttore 12 sono applicati al ricevitore 24. Un canale può iniziare la ricezione mentre un altro canale sta ancora trasmettendo. II ricevitore 24 combina i separati segnali di eco da ciascun elemento trasduttore per produrre un singolo segnale di eco che è usato per produrre una riga in un’immagine di un monitore di visualizzazione 30.

Il trasmettitore 22 aziona la rete di trasduttori 10 in modo che l’energia ultrasonica prodotta è diretta, o direzionata, in un fascio. Per realizzare questo, il trasmettitore 22 impartisce un ritardo alle rispettive forme d’onda pulsate W che sono applicate a successivi elementi trasduttori 12 attraverso rispettivi canali formatori di fascio. Ciascun canale ha un rispettivo generatore di impulsi associato al medesimo. Regolando i ritardi degli impulsi opportunamente in un modo convenzionale, il fascio ultrasonico può essere diretto via da un asse 36 per un angolo Θ e/o focalizzato ad una distanza fissa R. Un’analisi di settore è eseguita cambiando progressivamente i ritardi nelle eccitazione successive. L’angolo Θ è quindi cambiato di incrementi per guidare il fascio trasmesso in una successione di direzioni.

I segnali di eco prodotti da ciascuna raffica di energia ultrasonica si riflettono da oggetti posizionati a distanze successive lungo il fascio ultrasonico. I segnali di eco sono rivelati separatamente da ciascun elemento trasduttore 12 e l’ampiezza del segnale di eco in un particolare punto nel tempo rappresenta la quantità di riflessione capitante ad una particolare distanza. A causa delle differenze e dei percorsi di propagazione tra un punto di riflessione P e ciascun elemento trasduttore 12, tuttavia, questi segnali di eco non saranno rivelati contemporaneamente e le loro ampiezze non saranno uguali. Il ricevitore 24 amplifica i separati segnali di eco, impartisce il corretto ritardo a ciascuno e li somma, fornendo un singolo segnale di eco che indica precisamente l’energia ultrasonica totale riflessa dal punto P posizionato ad una distanza R lungo il fascio ultrasonico orientato all’angolo Θ.

Per sommare contemporaneamente i segnali elettrici prodotti dagli echi incidenti su ciascun elemento trasduttore 12, sono introdotti ritardi in ciascun separato canale formatore di fascio del ricevitore 24. I ritardi di fascio per ricezione sono i medesimi ritardi dei ritardi di trasmissione sopra descritti. Tuttavia, il ritardo di ciascun canale di ricevitore è variabile continuamente durante la ricezione dell’eco per fornire una fecalizzazione dinamica del fascio ricevente alla distanza R dalla quale esce il segnale di eco.

Sotto la direzione del controllore di analisi 28, il ricevitore 24 fornisce ritardi durante l’analisi in modo che il direzionamento del ricevitore 24 traccia la direzione Θ del fascio diretto dal trasmettitore 22 e fornisce i ritardi opportuni e gli sfasamenti per focalizzare dinamicamente al punto P lungo il fascio. Quindi, ciascuna trasmissione di una forma d’onda ultrasonica ad impulsi risulta nell’ acquisizione di un segnale con un’ampiezza che rappresenta la quantità del suono riflesso dalla parte anatomica localizzata lungo il fascio ultrasonico.

Un rivelatore 25 converte il segnale ricevuto in dati di visualizzazione. Nel modo B (scala di grigi) questo sarebbe Γ inviluppo del segnale con qualche elaborazione addizionale, come esaltazione dei bordi e compressione logaritmica.

Un convertitore ed interpolatore di analisi 32 riceve i dati visualizzati dal rivelatore 25 e converte i dati neirimmagine desiderata per la visualizzazione. In particolare, il convertitore di analisi converte i dati acustici di immagine da coordinate polari (R-θ) in formato di settore o da un complesso lineare di coordinate cartesiane in dati di pixel dì visualizzazione di coordinate cartesiane messe in scala opportuna alla frequenza video. Questi dati acustici analizzati e convertiti sono quindi emessi per visualizzazione su un monitore di visualizzazione 30 che rappresenta l’ampiezza variabile nel tempo dell’inviluppo del segnale come scala di grigi.

Considerando la figura 3, il ricevitore comprende una sezione ricevente 34 formatrice di immagini e un elaboratore di segnali 38. La sezione ricevente 34 formatrice di fascio del ricevitore contiene separati canali 35 formatori di fascio. Ciascun canale 35 formatore di fascio riceve il segnale analogico di eco da un rispettivo elemento trasduttore. Il controllore 50 formatore di fascio converte la linea di analisi e trasmette i numeri di fuoco ad indirizzi in una memoria di controllo di canale (non mostrata). Il controllore di analisi 28 (figura 2) e il controllore 50 formatore di fascio (figura 3) sono caricati dalla CPU del sistema ospite in risposta ad azioni dell’utente, come cambiamento del formato di visualizzazione o collegamento ad una differente sonda ultrasonica.

Come visto in figura 4, ciascun canale 35 formatore di fascio comprende un canale ricevente e un canale trasmittente, ciascun canale contenendo mezzi di ritardo 40 e 42 rispettivamente che sono controllati, per fornire i necessari ritardi formatori di fascio, dalla logica 44 di controllo di ricevitore e dalla logica 46 di controllo di trasmettitore rispettivamente. La trasmissione è tipicamente eseguita usando un contatore per ritardare l’inizio della generazione deU’impulso di trasmissione. Alcuni sistemi possono anche applicare rotazioni relative di fase in aggiunta a, o al posto di ritardi alla ricezione. I canali riceventi hanno anche una circuiteria 48 per apodizzare e filtrare gli impulsi ricevuti.

I segnali entranti nel sommatore 36 (vedere figura 3) sono stati ritardati in modo che quando questi sono sommati con i segnali ritardati da ciascuno degli altri canali 35 formatori di fascio, i segnali sommati indicano l’ampiezza e la fase del segnale di eco riflessa dalla parte anatomica posizionata lungo il fascio direzionato (Θ). L’elaboratore di segnali 38 riceve i campioni di fascio dal sommatore 36 e produce un’uscita al convertitore di analisi 32 (vedere figura 2).

Secondo il precedente convenzionale sistema formatore di fascio digitale a ritardo, ciascun canale 35 elaboratore di segnali comprende un convertitore da analogico a digitale (ADC) e un circuito FIFO che è controllato per fornire ritardi interi. Gli ingressi dell’ADC e del FIFO sono pilotati da clock asincroni per produrre ritardi variabili. Ulteriori cicli di clock sono inseriti quando necessario per aumentare la profondità del FIFO. Questo degrada le prestazioni degli ADC e presenta parecchie difficoltà di realizzazione a causa della scansione.

Altri formatori di fascio digitali di tecnica anteriore interpolano i dati ad una frequenza di campionamento maggiore prima di introdurli nel FIFO. Questo aumenta le dimensioni necessarie del FIFO.

Ancora, altri formatori di fasci digitali di tecnica anteriore interpolano l’uscita del FIFO. Cambiamenti dinamici nel ritardo del FEFO creano delle discontinuità all’ingresso deH’interpolatore, degradando le prestazioni del medesimo interpolatore.

La presente invenzione è un apparato per generare i richiesti ritardi formatori di fascio per un sistema generatore di immagini ultrasoniche con circuiteria e programmazione minime. In particolare, l’invenzione è un metodo per fornire ritardi variabili dinamicamente con una precisione entro i campioni in un formatore di fasci ultrasonici.

Il formatore di fascio ricevuto per un sistema generatore di immagini ultrasoniche ad alte prestazioni richiede una precisione di ritardo dell’ordine di 5nsec. Tuttavia, il segnale .ricevuto può essere completamente rappresentato, digitalmente, con periodi di campionamento molto minori: come 40 MHz per un segnale reale o 10 MHz dopo demodulazione e/o filtraggio. L’invenzione fornisce ritardi variabili dinamicamente con una precisione che è una frazione del periodo di campionamento, senza aumentare l’effettiva frequenza di campionamento. I ritardi frazionari sono fomiti mediante l’uso di un . interpolatore funzionante alla frequenza di campionamento di ingresso.

Per mantenere la focalizzazione durante la ricezione, il formatore di fascio ultrasonico deve aumentare dinamicamente i ritardi a ciascun canale. La presente invenzione fornisce il richiesto ritardo dinamico senza introdurre discontinuità non volute, combinando e sincronizzando un FIFO e un interpolatore.

La realizzazione preferita dell’ interpolatore usa sommatoli “ad albero di Wallace” per accumulare versioni spostate di bit degli ingressi. Il numero di aggiunte è minore del numero di bit che sarebbe necessario per rappresentare coefficienti equivalenti. Questo riduce la circuiteria relativa ad una realizzazione convenzionale che contiene moltiplicatori con spostamenti e aggiunte uguaglianti il numero di bit nei coefficienti.

Un’altra caratteristica della presente realizzazione è che la sua prestazione è adeguata sulla gamma completa di frequenze di ingresso utilizzate convenzionalmente per generazione di immagini mediche, pur consentendo degradazione all’esterno di quella gamma di frequenza. Questo non richiede modifiche quando il segnale di ingresso cambia frequenza. Questa caratteristica è facoltativa: alcune realizzazione possono comprendere configurazioni dipendenti dalla frequenza.

Le figure 1A e 1B sono diagrammi mostranti la geometria formatrice di fascio per trasduttori lineari a settore e trasduttori lineari curvi rispettivamente.

La figura 2 è uno schema a blocchi mostrante i maggiori sotto sistemi funzionali entro un convenzionale sistema generatore di immagini ultrasoniche in tempo reale.

La figura 3 è uno schema a blocchi di un tipico formatore di fascio a 128 canali per il sistema illustrato in figura 2.

La figura 4 è uno schema a blocchi dell’elaboratore di canale nel convenzionale formatore di fascio illustrato in figura 3.

La figura 5 è uno schema a blocchi di un canale elaboratore di segnale ricevuto secondo la presente invenzione.

La figura 6 è un grafico mostrante la risposta di frequenza per interpolazione cubica su quattro punti di un filtro di interpolazione secondo l’invenzione.

Le figure 7 A e 7B sono grafici mostranti la risposta di ampiezza e di ritardo di gruppo, rispettivamente, per un filtro di interpolazione secondo l’invenzione.

La figura 8 è uno schema a blocchi mostrante la logica di ritardo dinamico formatore di fascio secondo la realizzazione preferita dell’ invenzione.

La figura 9 è uno schema a blocchi mostrante la logica di controllo di ritardo incorporata nella logica di ritardo dinamico formatore di fascio illustrato in figura 8. e

La figura 10 è uno schema a blocchi mostrante l’interpolatore incorporato nella logica di ritardo dinamico formatore di fascio illustrata in figura 8 secondo una realizzazione preferita dell 7 invenzione.

La figura 11 è uno schema a blocchi illustrante ulteriori ritardi di un rappresentativo blocco di spostamento e aggiunta incorporato nell’interpolatore illustrato in figura 10.

La figura 12 è uno schema a blocchi mostrante l’interpolatore incorporato nella logica di ritardo dinamico formatore di fascio illustrata in figura 8 secondo un’altra realizzazione preferita dell 'invenzione.

Considerando la figura 5, ciascun canale 35 elaboratore di segnale ricevuto secondo la presente invenzione comprende un amplificatore 52 che amplifica il segnale rivelato da un rispettivo elemento trasduttore di ultrasuoni; un convertitore 54 da analogico a digitale che converte un segnale analogico amplificato in un treno di campioni digitali ad una frequenza di campionamento (per esempio ciascun campione digitale avendo 8 bit); un circuito di ritardo 56 di periodi interi di campionamento per ritardare i campioni digitali di un intervallo di tempo uguale ad un numero intero di periodi di campionamento e un circuito di ritardo 58 di periodi frazionari di campionamento per ritardare i campioni digitali di un intervallo di tempo uguale ad una frazione del periodo di campionamento. Le uscite dei rispettivi circuiti di ritardo frazionario di periodo di campionamento per ciascun canale di elaborazione sono quindi sommati nel sommatore 36, mostrato in figura 3.

Secondo la presente invenzione, il circuito di ritardo di periodi interi di campionamento comprende un registro FIFO dinamico 101 e una serie di registri di spostamento scanditi 102-105 (vedere figura 8), mentre il circuito di ritardo di periodi frazionari di campionamento comprende un interpolatore 107. Una formazione di fascio ricevuto in parallelo potrebbe essere sostenuta avendo località multiple di lettura da ciascun FIFO. Un’alternativa sarebbe di avere dei FIFO separati per ciascun fascio ricevuto.

Secondo l’ampio concetto dell’invenzione, i FIFO dinamici forniscono un ritardo dipendente dalla distanza per sostenere una formazione di fascio a larga banda. I FIFO sostengono una frequenza di campionamento di 40 MHz per fornire una precisione “grossolana” di ritardo di 12,5 nsec. Le lunghezze iniziali dei FIFO sono controllate da campi di controllo a bit multipli chiamati “ritardo iniziale di ricezione”. Quando una macchina di incremento di ritardo (non mostrata) richiede un incremento di ritardo di FIFO, la lunghezza del FIFO è aumentata all’uscita con una ripetizione o “tenuta” del campione di uscita, cioè i dati di uscita non cambiano dal periodo precedente il clock di 40 MHz.

Secondo l’invenzione, si richiede un interpolatore per ciascun fascio ricevuto. L’interpolatore fornisce la regolazione “fine” di ritardo per interpolazione tra campioni provenienti dal FIFO. Secondo una realizzazione preferita, l’interpolatore si interpola tra quattro campioni proveniente dal FIFO per produrre un ritardo di 2,75, 2,5, 2,25 o 2,0 periodi di clock di 25nsec. Questo fornisce una precisione di ritardo di 3,125 nsec. I coefficienti di interpolatore secondo la realizzazione preferita sono elencati nella tabella 1.

Questi coefficienti sono tutti semplici combinazioni di potenze del numero 2, messi in scala del numero 256. Per ottenere un ritardo di 2,75, si usano il 1°, il 5°, il 9° e il 13° coefficiente. Per ottenere un ritardo di 2,5, si usano il 2°, il 6°, il 10? e il 14° coefficiente; e così via.

Il contatore di ritardo 106 (vedere figura 8) associato con ciascun fascio sceglie i coefficienti di interpolazione e indica quando si richiede un aumento di ritardo di FIFO. Quando un aumento di ritardo di FIFO “tiene” l’uscita del FIFO, i dati di interpolatore devono pure essere tenuti.

Un esempio è mostrato in tabella 2, dove ciascun riga rappresenta un impulso di clock di 40 MHz. La prima colonna indica il desiderato ritardo dinamico in unità di impulsi di clock di 40 MHz, iniziando alla prima riga con 5,0. L’interpolatore fornisce la porzione frazionaria di questo ritardo, con due addizionali ritardi interi. Le successive quattro colonne sono il contenuto delle memorie di ingresso dell’ interpolatore e le ultime quattro colonne sono i coefficienti usati. Un incremento di ritardo di FEFO si richiede nell’ultima riga, quindi s(25) è tenuto all’uscita del FIFO, come pure tutti i dati nella memoria di ingresso dell’interpolatore.

L’ interpolazione è equivalente ad applicare un filtro lineare invariante nel tempo ad un segnale riempito di zeri. Il segnale riempito di zeri rappresenta il segnale di ingresso campionato con zeri tra i valori noti di campionamento. Lo spettro del segnale campionato riempito di zeri ha delle immagini ad alta frequenza dello spettro di ingresso ad armoniche della frequenza di campionamento. Il filtro di interpolazione lascia passare lo spettro del segnale di ingresso mentre attenua tutte le altre immagini. Queste immagini sono al di sopra della frequenza di progetto della rete determinata dalla distanziatura tra gli elementi. Quindi, questi producono lobi reticolati. Il livello relativo di questi lobi reticolati è determinato dalle bande di arresto del filtro di interpolazione attorno alle armoniche della frequenza di campionamento.

I coefficienti del filtro per questo sistema sono elencati nella tabella 1. La risposta di frequenza di questo filtro di interpolazione è mostrata in figura 6. Questo ha una banda passante a -3 dB ad una frequenza superiore a 13 MHz e una banda di arresto a -35 dB attorno a 40, 80 e 120 MHz, ciascuna larga 26MHz. Quindi, un segnale ad onda continua (GW) avrebbe lobi reticolati a -35 dB nel caso peggiore. I lobi reticolati di un tipico segnale sono molto più bassi. Un esempio di caso peggiore sarebbe una raffica di onda pulsata (PW) Doppler su un’apertura di canale 40. Il primo lobo reticolato sarà attenuato di addizionali -6dB, rendendo il livello complessivo minore di -40dB.

Un altro modo per considerare l’interpolatore è come una selezione di filtri passa tutto con differenti ritardi di gruppo. Questa soluzione può essere più intuitiva poiché è più vicina alla realizzazione effettiva. In questo progetto si applicano quattro coefficienti secondo il ritardo frazionario desiderato. Poiché ci sono quattro ritardi frazionari disponibili, ci sono quattro gruppi di quattro coefficienti, ciascuno con un’associata risposta di ritardo di gruppo e di ampiezza. Le figure 7A e 7B mostrano le risposte per i coefficienti elencati nella tabella 1. La risposta di ampiezza è piana entro 0,5 dB fino a 13 MHz e il ritardo di gruppo è corretto entro 3,25 nsec. fino a 13 MHz. Benché questa soluzione fornisca una percezione della precisione risultante, non porta ad una stima delle prestazioni del formatore di fascio (cioè dei livelli dei lobi reticolati) così direttamente come la prima soluzione. Rispetto alla rotazione cordale o all’ interpolazione lineare, questa soluzione fornisce migliori prestazioni e/o minore circuiteria in tutti i modi.

Secondo una realizzazione preferita dell’ invenzione mostrata in figura 8, ritardi dinamici formatori di fascio sono fomiti dal FIFO 101, dai registri di scorrimento 102-105 e dall’interpolatore 107. Il FIFO 101 fornisce i ritardi che sono un numero intero di periodi di clock di campionamento (SCLK). I registri 102 e 103 forniscono un. ritardo addizionale di due periodi di campionamento a ΓΝ2, l’ingresso nominale centrale dell’interpolatore 107. L’interpolatore 107 fornisce un addizionale ritardo frazionario tra i due campioni di ingresso centrali (IN2 e IN3). Benché sia mostrato un interpolatore a quattro campioni, l’invenzione può essere generalizzata per l’uso di Q campioni di ingresso da Q registri, 2Q è un numero intero uguale a 2 o più. I registri di ingresso dovrebbero quindi fornire Q/2 periodi di ritardo di campionamento, mentre l’interpolatore interpola tra i due ingressi centrali.

La logica di ritardo dinamico formatore di fascio mostrata in figura 8 ha un contatore di ritardo 106 che controlla il FIFO 101, i registri 102-105 e l’interpolatore 107 in modo sincrono. Il ritardo complessivo può essere aumentato in risposta ad un segnale di “incremento di ritardo” proveniente da una macchina di incremento di ritardo (non mostrata) a ciascun impulso di un clock di controllo (CCLK). Il contatore di ritardo 106 mostrato in figura 9 emette un indice frazionario di ritardo e un bit di esubero. Nel caso generale dove l’interpolatore 107 fornisce un selezione di L ritardi frazionari da 0 a (L-l)/L periodi di campionamento, allora l’indice è M = log2L bit. Ciascun tempo CCLK si scandisce con un prefissato “incremento di ritardo”, l’accumulatore 108 del contatore di ritardo si incrementa per scegliere il successivo ritardo frazionario. Quando si esubera da (L-l) a 0, la logica 110 di esubero scrive il bit di esubero per un periodo di SCLK per disabilitare la lettura del FIFO 101 attraverso il collegamento REN e scandire il registro attraverso il collegamento CF. Il collegamento REN arresta la lettura del FIFO, mentre continua a scrivere, producendo un campione ulteriore di ritardo di FIFO per impulso di SCLK. Un impulso di SCLK sul collegamento REN aumenta il ritardo di FEFO di un periodo di campionamento. Il segnale CF mantiene i contenuti sui registri di ingresso dell’interpolatore per tenerli sincronizzati con l’uscita del FIFO, con i quattro campioni più vicini all’uscita desiderata. Questo accade contemporaneamente con la commutazione di ritardo di interpolatore dal ritardo frazionario (L-l)/L a 0, producendo il desiderato incremento netto di 1/L ritardi frazionari senza discontinuità. Questo è illustrato nella tabella 2. Per soddisfare limiti pratici di temporizzazione, il segnale CCLK deve avere una relazione corretta con il segnale SCLK. Il fronte di innesco del segnale CCLK deve capitare abbastanza in anticipo per consentire agli ingressi di controllo REN e CF di formarsi prima del fronte di innesco del segnale SCLK. In generale, il segnale CCLK deve svolgersi ad una frequenza minore del segnale SCLK. La frequenza fC del segnale CCLK ha solo la necessità di essere abbastanza alta da seguire la frequenza che i ritardi di formazione di fascio devono cambiare sulla distanza.

Una buona approssimazione è:

dove /s è la frequenza di SCLK, /„ è il numero / di minima ricezione e Θ è l’angolo massimo di direzione rispetto ad un lato ampio. Un sistema che abbia un numero minimo di ricezione / di 1,5, un angolo massimo di direzione di 45°, una frequenza di campionamento di 40 MHz e un rapporto di interpolazione L di 4, richiede un clock di controllo a 10 MHz.

L’interpolatore può essere un interpolatore convenzionale, come descritto nella tecnica anteriore; tuttavia, la realizzazione preferita è mostrata in figura 10. Un multiplessatore 111 sceglie uno degli L ritardi frazionari secondo l’indice dal contatore di ritardo 106 (vedere figura 8). Se l’indice è 0, il campione dal secondo registro di ingresso (Q/2) è passato direttamente all’uscita. Altrimenti, si usa l’uscita di uno degli (L-l) blocchi di spostamento e aggiunta da 112 a 114.

Un vantaggio del metodo precedente è che non sono necessari moltiplicatori; solo spostamenti, inversioni e un addizionatore ad albero di Wallace sono necessari per il blocco di spostamento e addizione (vedere figura 11). Gli spostatoli di bit non richiedono controllo o circuiteria attiva; gli spostamenti sono eseguiti semplicemente spostando il collegamento dei bit. L’inversione è molto semplice e un addizionatore ad albero di Wallace è il più efficiente sistema in circuito VLSI per addizionare parecchi valori. Nella realizzazione preferita mostrata in figura 11, il primo campione di ingresso è spostato o invertito in due modi nei rispettivi blocchi 116A, 116B; il secondo campione di ingresso è spostato o invertito in tre modi nei rispettivi blocchi da 116C a 116E; il terzo campione di ingresso è spostato o invertito in tre modi nei rispettivi blocchi 116F- 116H e il quarto campione di ingresso è spostato o invertito in due modi nei rispettivi blocchi 1161, 116J. Per esempio, per ottenere un ritardo di 2,75, il primo, il quinto, il nono e il tredicesimo coefficiente elencati nella tabella 1 sono suddivisi e usati come segue: l’ingresso INI al blocco di spostamento e inversione 116A è spostato di 4 bit ed invertito (cioè equivalente alla moltiplicazione per -16); l’ingresso INI al blocco di spostamento e inversione 116B è spostato di 2 bit e invertito (cioè equivalente alla moltiplicazione per -4); l’ingresso IN2 al blocco di spostamento e inversione 116 C è spostato di 6 bit (cioè equivalente alla moltiplicazione per 64); l’ingresso IN2 al blocco di spostamento e inversione 116D è spostato di 3 bit (cioè equivalente alla moltiplicazione per 8); l’ingresso IN2 al blocco di spostamento o inversione 116E è spostato di un bit (cioè equivalente alla moltiplicazione per 2); l’ingresso IN3 al blocco di spostamento o inversione 116F è spostato di 8 bit (cioè equivalente alla moltiplicazione per 256); l’ingresso IN3 al blocco di spostamento o inversione 116G è spostato di 5 bit ed invertito (cioè equivalente alla moltiplicazione per -32); l’ingresso IN3 al blocco di spostamento o inversione 116H è spostato di 2 bit e invertito (cioè equivalente alla moltiplicazione per -4); l’ingresso IN4 al blocco di spostamento o inversione 1161 è spostato di 6 bit e invertito (cioè equivalente alla moltiplicazione per -32) e l’ingresso IN4 al blocco di spostamento o inversione 116J è spostato di 2 bit (cioè equivalente alla moltiplicazione per 4). Tutti i campioni spostati o invertiti sono quindi fomiti ad un sommatore ad albero di Wallace 115 per sommare, per esempio, -20 (INI) 74 (IN2) 220 (IN3) 28 (ΓΝ4). Questo è equivalente ad interpolare con coefficienti che sono limitati alla somma o alla differenza di due o tre potenze del 2, cioè 2 spostamenl°. Si può usare un numero maggiore di potenze del 2 per migliori prestazioni.

Una soluzione alternativa si avvantaggia della simmetria dei coefficienti di interpolazione. I coefficienti per il ritardo frazionario i/L sono solo invertiti di ordine dai coefficienti per il ritardo (L-i)/L, dove i < L/2. Quindi, per l’esempio L =Q=4, quando l’indice frazionario di ritardo è maggiore di 2, la logica di inversione 117 può invertire INI, IN2, IN3 e IN4 per collegamento agli ingressi di spostamento e addizione IN4, IN3, IN2 e INI rispettivamente. La logica 118 di controllo di multiplessatore emette l’indice L/2-i quando l’indice i di ritardo frazionario è maggiore di L/2 e lascia altrimenti passare solo i.

Una selezione corretta degli spostamenti e delle inversioni, cioè dei coefficienti, può fornire adeguate prestazioni ai capi dell’intera banda di generazione di immagini da ultrasuoni.

Le precedenti realizzazioni preferite sono state descritte per lo scopo di illustrazione. Variazioni e modifiche saranno facilmente evidenti agli esperti nel ramo della formazione di fasci per generazione di immagini da ultrasuoni. Tutte tali variazioni e modifiche si intendono comprese entro le rivendicazioni qui sotto esposte.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Un canale formatore di fascio comprendente mezzi di conversione da analogici a digitali per emettere dei campioni digitali ad una frequenza di campionamento, un circuito di ritardo di un numero intero di periodi di campionamento avente un ingresso collegato per ricevere detti campioni digitali e avente un’uscita, un circuito di ritardo di un numero frazionario di periodi di campionamento avente un ingresso collegato per ricevere detti campioni digitali da detto circuito di ritardo di periodi interi di campionamento e avente un’uscita e un circuito di controllo di ritardo collegato a detto circuito di ritardo di periodi interi di campionamento e a detto circuito di ritardo di periodi frazionari di campionamento per emettere segnali di ritardo che controllano dinamicamente in modo sincrono la quantità per cui detto circuito di ritardo di periodi interi di campionamento e detto circuito di ritardo di periodi frazionari di campionamento ritarderanno rispettivamente un segnale passante attraverso il medesimo, in cui detto circuito di ritardo di periodi interi di campionamento comprende un circuito FIFO avente un ingresso collegato per ricevere detti campioni digitali e avente un’uscita e un primo registro avente un ingresso collegato a detta uscita di detto circuito FIFO e avente un’uscita e detto circuito di ritardo di periodi frazionari di campionamento comprende un interpolatore avente un primo ingresso collegato a detta uscita di detto primo registro.
2. Il canale formatore di fascio come definito nella rivendicazione 1, comprendente inoltre un secondo registro avente un ingresso collegato a detta uscita di detto primo registro e avente un’uscita, in cui detto interpolatore ha un secondo ingresso collegato a detta uscita di detto secondo registro.
3. Il canale formatore di fascio come definito nella rivendicazione 2, comprendente inoltre un terzo registro avente un ingresso collegato a detta uscita di detto secondo registro e avente un’uscita e un quarto registro avente un ingresso collegato a detta uscita di detto terzo registro e avente un’uscita, in cui detto interpolatore ha terzi e quarti ingressi collegati rispettivamente a dette uscite di detti terzi e quarti registri.
4. Il canale formatore di fascio come definito nella rivendicazione 2, in cui detto interpolatore emette un campione digitale interpolato che è una funzione del primo e secondo campione digitale ricevuto da detto primo e secondo registro rispettivamente.
5. Il canale formatore di fascio, come definito nella rivendicazione 2, in cui detto interpolatore comprende: primi mezzi per spostare e/o invertire detti primi e secondi campioni digitali da detto primo e secondo registro secondo un primo gruppo di coefficienti di interpolazione per produrre una prima molteplicità di campioni digitali spostati/invertiti che sono dipendenti dai risultati dello spostamento e/o inversione di detto primo e secondo campione digitale da detto primo e secondo registro secondo detto primo gruppo di coefficienti di interpolazione; un primo sommatore collegato per ricevere e addizionare detta prima molteplicità di campioni digitali spostati o invertiti per produrre un primo campione digitale interpolato; secondi mezzi per spostare e/o invertire detti primi e secondi campioni digitali da detti primi e secondi registri in accordo con un secondo gruppo di coefficienti di interpolazione per produrre una seconda molteplicità di campioni digitali spostati/invertiti che dipendono dai risultati di spostamento e/o inversione di detti primi e secondi campioni digitali da detti primi e secondi registri in accordo con detto secondo gruppo di coefficienti di interpolazione; un secondo sommatore collegato per ricevere e addizionare detta seconda molteplicità di campioni digitali spostati o invertiti per produrre un secondo campione digitale interpolato; e un multiplessatore avente un primo e un secondo ingresso collegati rispettivamente per ricevere detto primo e secondo dei campioni digitali interpolati, detto multiplessatore emettendo uno di detto primo e secondo dei campioni digitali interpolati in risposta ad un segnale di controllo da detto circuito di controllo di ritardo.
6. Il canale formatore di fascio, come definito nella rivendicazione 5, in cui detto primo e secondo sommatore è un sommatore ad albero di Wallace.
7. Il canale formatore di fascio come definito nella rivendicazione 2, in cui detto interpolatore comprende: primi e secondi circuiti spostatori di bit e invertitori collegati per ricevere detto primo e secondo campione digitale da detto primo e secondo registro, ciascuno di detti primo e secondo circuito spostatore di bit e invertitore aventi un’uscita; un primo sommatore avente primi e secondi ingressi collegati a dette uscite di detto primo e secondo circuito spostatore di bit ed invertitore rispettivamente ed avente un’uscita; e un multiplessatore avente un primo ingresso collegato a detta uscita di detto primo sommatore.
8. Il canale formatore di fascio come definito nella rivendicazione 7, in cui detto interpolatore comprende inoltre: un terzo e un quarto circuito spo statore di bit ed invertitore collegati rispettivamente per ricevere detti primo e secondo campione digitale da detto primo e secondo registro, ciascuno di detti terzi e quarti circuiti spostatori di bit ed invertitori avendo un’uscita; e un secondo sommatore avente un primo e un secondo ingresso collegato a dette uscite di detto terzo e quarto circuito spostatore di bit ed invertitore rispettivamente ed avente un’uscita, in cui detto multiplessatore ha un secondo ingresso collegato a detta uscita di detto secondo sommatore.
9. Il canale formatore di fascio come definito nella rivendicazione 8, in cui ciascuno di detti primi e secondi sommatoli è un sommatore ad albero di Wallace.
10. Formatore di fascio comprendente una molteplicità di canali formatori di fascio ed un sommatore avente una molteplicità di ingressi collegati rispettivamente a detta molteplicità di canali formatori di fascio, in cui ciascuno di detti canali formatori di fascio comprende: mezzi di conversione da analogico a digitale per emettere dei campioni digitali ad una frequenza di campionamento; un circuito di ritardo di periodi interi di campionamento avente un ingresso collegato per ricevere detti campioni digitali ed avente un’uscita; un circuito di ritardo di periodi frazionari di campionamento avente un ingresso collegato per ricevere detti campioni digitali da detto circuito di ritardo di periodi interi di campionamento ed avente un’uscita collegata ad un rispettivo ingresso di detto sommatore; e un circuito di controllo di ritardo collegato a detto circuito di ritardo di periodi interi di campionamento e a detto circuito di ritardo di periodi frazionari di campionamento per emettere dei segnali di ritardo che controllano sincronamente in modo dinamico la quantità per cui il detto circuito di ritardo di periodi interi di campionamento e detto circuito di ritardo di periodi frazionari di campionamento ritarderanno rispettivamente un segnale passante attraverso i medesimi, in cui detto circuito di ritardo di periodi interi di campionamento comprende un circuito FIFO avente un ingresso collegato per ricevere detti campioni digitali ed avente un’uscita ed un primo registro avente un ingresso collegato a detta uscita di detto circuito FIFO ed avente un’uscita e detto circuito di ritardo di periodi frazionari di campionamento comprende un’interpolatore avente un primo ingresso collegato a detta uscita di detto primo registro.
11. Il formatore di fascio, come definito nella rivendicazione 10, in cui detti canali formatori di fascio comprendono inoltre un secondo registro avente un ingresso collegato a detta uscita di detto primo registro ed avente un’uscita, in cui detto interpolatore ha un secondo ingresso collegato a detta uscita di detto secondo registro.
12. Il formatore di fascio come definito nella rivendicazione 11, in cui ciascuno di detti canali formatori di fascio comprende inoltre un terzo registro avente un ingresso collegato a detta uscita di detto secondo registro ed avente un’uscita e un quarto registro avente un ingresso collegato a detta uscita di detto terzo registro ed avente un’uscita, in cui detto interpolatore ha un terzo e un quarto ingresso collegati rispettivamente a dette uscite di detto terzo e quarto registro.
13. Il formatore di fascio, come definito nella rivendicazione 12, in cui detto interpolatore - emette un campione digitale interpolato che è una funzione dei campioni digitali dal primo al quarto ricevuti da detti registri dal primo al quarto rispettivamente.
14. Il formatore di fascio, come definito nella rivendicazione 12, in cui detto interpolatore comprende: primi mezzi per spostare e/o invertire detti primi e secondi campioni digitali da detti primi e secondi registri in accordo con un primo gruppo di coefficienti di interpolazione per produrre una prima molteplicità di campioni digitali spostati o invertiti che dipendono dai risultati dello spostamento e/o inversione di detti primi e secondi campioni digitali da detti primi e secondi registri in accordo con detto primo gruppo di coefficienti di interpolazione; un primo sommatore collegato per ricevere e addizionare detta prima molteplicità di campioni digitali spostati o invertiti per produrre un primo campione digitale interpolato; secondi mezzi per spostare e/o invertire detti primi e secondi campioni digitali da detti primi e secondi registri in accordo con un secondo gruppo di coefficienti di interpolazione per produrre una seconda molteplicità di campioni digitali spostati o invertiti che dipendono dai risultati di spostamento e/o inversione di detti primi e secondi campioni digitali da detti primi e secondi registri in accordo con detto secondo gruppo di coefficienti di interpolazione; un secondo sommatore collegato per ricevere e sommare detta seconda molteplicità di campioni digitali spostati o invertiti per produrre un secondo campione digitale interpolato; e un multiplessatore avente un primo e un secondo ingresso collegati rispettivamente per ricevere detti primi e secondi campioni digitali interpolati, detto multiplessatore emettendo uno di detti primi e secondi campioni digitali interpolati in risposta ad un segnale di controllo da detto circuito di controllo di ritardo.
15. Il formatore di fascio, come definito nella rivendicazione 14, in cui ciascuno di detti primo e secondo sommatore è un sommatore ad albero di Wallace.
16. Il formatore di fascio come definito nella rivendicazione 12, in cui detto interpolatore comprende: un primo e un secondo circuito spostatore di bit ed invertitore collegati rispettivamente per ricevere detti primi e secondi campioni digitali da detto primo e secondo registro, ciascuno di detto primo e secondo circuito spostatore di bit ed invertitore avendo un’uscita; un primo sommatore avente un primo e un secondo ingresso collegati a dette uscite di detto primo e secondo circuito spostatore di bit ed invertitore ed avente un’uscita; e un multiplessatore avente un primo ingresso collegato a detta uscita di detto primo sommatore.
17. Il formatore di fascio, come definito nella rivendicazione 16, in cui detto interpolatore comprende inoltre: terzi e quarti circuiti spostatoli di bit ed invertitori collegati rispettivamente per ricevere detti primi e secondi campioni digitali da detto primo e secondo registro, ciascuno di detti terzi e quarti circuiti spostatoli di bit ed invertitori avendo un’uscita; e un secondo sommatore avente un primo e un secondo ingresso collegato a dette uscite di detto terzo e quarto circuito spostatore di bit ed invertitore rispettivamente ed avente un’uscita, in cui detto multiplessatore ha un secondo ingresso collegato a detta uscita di detto secondo sommatore.
18. Il formatore di fascio, come definito nella rivendicazione 17, in cui ciascuno di detti primi e secondi sommatoli è un sommatore ad albero di Wallace.
19. Il sistema ultrasonico di generazione di immagini comprendente una rete di trasduttori, un formatore di fascio collegato a detta rete di trasduttori, un elaboratore di segnali collegato a detto formatore di fascio, un convertitore di analisi collegato a detto elaboratore di segnali e un monitore di visualizzazione collegato a detto convertitore di analisi, in cui detta rete di trasduttori comprende una molteplicità di elementi trasduttori e detto formatore di fascio comprende una molteplicità di canali formatori di fascio, una circuiteria di commutazione per collegare a scelta detti canali formatori di fascio a detti elementi trasduttori e mezzi sommatoli aventi una molteplicità di ingressi collegati rispettivamente a detta molteplicità di canali formatori di fascio, in cui ciascuno di detti canali formatori di fascio comprende: mezzi di conversione da analogico a digitale per emettere dei campioni digitali ad una frequenza di campionamento; un circuito di ritardo di periodi interi di campionamento avente un ingresso collegato per ricevere detti campioni digitali ed avente un’uscita; un circuito di ritardo di periodi frazionari di campionamento avente un ingresso collegato per ricevere detti campioni digitali da detto circuito di ritardo di periodi interi di campionamento e avente un’uscita collegata ad un ingresso rispettivo di detto sommatore; e un circuito di controllo di ritardo collegato a detto circuito di ritardo di periodi interi di campionamento e a detto circuito di ritardo di periodi frazionari di campionamento per emettere dei segnali di ritardo che controllano dinamicamente in modo sincrono la quantità per cui detto circuito di ritardo di periodi interi di campionamento e detto circuito di ritardo di periodi frazionari di campionamento ritarderanno rispettivamente un segnale passante attraverso i medesimi, in cui detto circuito di ritardo di periodi interi di campionamento comprende un circuito FIFO avente un ingresso collegato per ricevere detti campioni digitali ed avente un’uscita, un primo registro avente un ingresso collegato a detta uscita di detto FIFO e avente un’uscita e un secondo registro avente un ingresso collegato a detta uscita di detto primo registro ed avente un’uscita e detto circuito di ritardo di periodi frazionari di campionamento comprende un interpolatore avente un primo e un secondo ingresso collegati rispettivamente a dette uscite di detto primo e secondo registro.
20. Il sistema ultrasonico di generazione di immagini, come definito nella rivendicazione 19, in cui detto interpolatore comprende; un primo mezzo per spostare e/o invertire detti primi e secondi campioni digitali da detto primo e secondo registro in accordo con un primo gruppo di coefficienti di interpolazione per produrre una prima molteplicità di campioni digitali spostati o invertiti che dipendono dai risultati di spostamento e/o inversione di detto primo e secondo campione digitale da detti primi e secondi registri in accordo con un primo gruppo di coefficiente di interpolazione; un primo sommatore collegato per ricevere e sommare detta prima molteplicità di campioni digitali spostati o invertiti per produrre un primo campione digitale interpolato; secondi mezzi per spostare e/o invertire detti primi e secondi campioni digitali da detto primo e secondo registro in accordo con un secondo gruppo di coefficienti di interpolazione per produrre una seconda molteplicità di campioni digitali spostati o invertiti che dipendono da risultati dello spostamento e/o inversione di detti primi e secondi campioni digitali da detto primo e secondo registro in accordo con un secondo gruppo di coefficienti di interpolazione; un secondo sommatore collegato per ricevere e sommare detta seconda molteplicità di campioni digitali spostati o invertiti per produrre un secondo campione digitale interpolato; e un multiplessatore avente un primo e un secondo ingresso collegati rispettivamente per ricevere detto primo e secondo campione digitale interpolato, detto multiplessatore emettendo uno di detti primi e secondi campioni digitali interpolati in risposta ad un segnale di controllo da detto circuito di controllo di ritardo.
21. Metodo per generare un campione digitale ritardato nel tempo in un formatore di fascio di ultrasuoni corrispondente ad un campione digitale avente un ritardo che è una frazione di un periodo di campionamento, comprendente le fasi di; acquisire primi e secondi campioni digitali di un segnale di ultrasuoni ricevuto in un primo e un secondo periodo di campionamento; spostare di bit e/o invertire detto primo e secondo campione digitale in accordo con un primo gruppo di coefficienti di interpolazione per produrre una prima molteplicità di campioni digitali spostati di bit o invertiti che dipendono dai risultati dello spostamento e/o inversione di detto primo e secondo campione digitale da detti primi e secondi registri in accordo con un primo gruppo di coefficienti di interpolazione; sommare detta prima molteplicità di campioni digitali spostati di bit o invertiti per produrre un primo campione digitale interpolato; spostare di bit e/o invertire detti campioni digitali dal primo al quarto in accordo con un secondo gruppo di coefficienti di interpolazione per produrre una seconda molteplicità di campioni digitali spostati di bit o invertiti che dipendono dai risultati dello spostamento e/o inversione di detti primi e secondi campioni digitali da detti primi e secondi registri in accordo con detto secondo gruppo di coefficienti di interpolazione; sommare detta seconda molteplicità di campioni digitali spostati di bit o invertiti per produrre un secondo campione digitale interpolato; e multiplessare uno di detti primi e secondi campioni digitali interpolati ad un’uscita.