KR19980087413A - 디지털 빔 형성기를 장착한 휴대용 초음파 진단장치 - Google Patents

디지털 빔 형성기를 장착한 휴대용 초음파 진단장치 Download PDF

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KR19980087413A
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윌리엄 알. 오글
래리 그레이셀
블레이크 더블유. 리틀
저스틴 코프린
스티븐 지. 대니엘슨
로린 에스. 플루그래스
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그래디 케빈 제이.
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Abstract

휴대용 초음파 장치가 바이너리(B) 모드와 도플러 영상처리를 함께 수행하는 휴대 가능한 유니트로 만들어졌다. 그 장치는 반향신호의 수신을 위한 배열의 소자들에게 연결된 집적회로 트랜시버와 함께 휴대용 봉입구에 장착된 트랜스듀서 배열을 포함하고 있다. 디지털 빔 형성기는 그 배열의 소자들에 의해 수신된 반향 신호로부터 초음파 주사선을 형성하기 위하여 휴대용 봉입구내에 있다.

Description

디지털 빔 형성기를 장착한 휴대용 초음파 진단장치
본 출원은 1996년 6월 28일에 제출된 미국특허출원번호 08/672,782의 일부 계속출원이다.
본 발명은 의료용 초음파 진단시스템, 특히 완전히 통합된 휴대용 초음파 진단장치에 관한 것이다.
잘 알려진 바와같이, 현대의 초음파 진단 시스템은 대형이고, 복잡한 기구들이다. 오늘날의 특제 초음파 시스템은 이동을 위하여 카아트(carts)에 설치되어 있지만 수백 파운드의 무게가 나간다. 과거에, 어드반스트 테크놀로지 래보래토리스 인코퍼레이티드, 즉 본 발명의 양수인에 의해 제조된 에이디알 4000 초음파 시스템과 같은 초음파 시스템은 개인 컴퓨터 크기의 작은 데스크 탑 유니트이었다. 그러나, 그와 같은 장치들은 컬러 도플러 이미징(color Doppler imaging)과 삼차원 디스플레이 능력과 같은 오늘날의 특제 초음파 시스템의 많은 첨단 기능이 빠져 있었다. 초음파 시스템은 더욱 복잡하게 되었으므로 부피가 더 커지게 되었다.
그러나, 디지털 전자장치의 밀도가 계속 증가함에 따라, 초음파 시스템이 초기의 제품보다 언제 훨씬 작은 크기로까지 축소될 수 있는지 지금 예측할 수 있다.
의사는 대략 전기면도기 크기의 휴대 초음파 스캔헤드(scanhead)를 가지고 일하는 것에 익숙해져 있다. 전체의 초음파 시스템을 스캔헤드 크기의 유니트로 축소시킬 수 있는 것이 바람직하며, 익숙한 스캔헤드와 일치될 것이다. 그와 같은 초음파 장치가 작은 반점 감소, 컬러 도플러 및 3차원 이미징 능력과 같은, 오늘날의 복잡한 초음파 시스템의 특징을 가능한 한 많이 보유하는 것이 더욱 바람직할 것이다.
본 발명의 원리에 따라서, 휴대용 유니트로 특제 초음파 시스템의 많은 특징을 나타내는 초음파 진단장치가 만들어진다. 그 장치는 하나의 유니트로 제조될 수 있으며, 바람직한 실시예에서 장치는 두 부분의 유니트, 하나는 트랜스듀서, 빔 형성기 및 영상 프로세서(image processor)를 포함하고 있으며, 다른 것은 디스플레이와 양 유니트를 위한 전원을 포함하고 있다. 그와 같은 구성에서 트랜스듀서/프로세서 유니트는 한 손으로 조종될 수 있으며, 두 유니트 사이의 케이블이 디스플레이 유니트에 영상(video)이 나타나도록 하며, 그 디스플레이 유니트는 초음파 영상의 최적 관측을 위하여 적당한 장소에 놓여진다. 그 케이블은 또한 디스플레이 유니트로부터 트랜스듀서/프로세서 유니트에 대한 에너지를 공급한다.
바람직한 실시예에서, 초음파 시스템은 트랜스듀서에서 영상 출력까지 네 종류의 응용 주문형 집적회로(에이직)들로 만들어진다: 배열 트랜스듀서의 소자에 연결되어 있는 송신/수신 에이직, 다수의 지연 채널로 송신과 수신 빔을 형성하고 조절하는 전위 에이직, 필터링과 같이 초음파 신호의 처리를 제공하는 디지털 신호 처리 에이직 및 처리된 초음파 신호을 수신하고 초음파 영상 데이터를 만드는 후치(後置) 에이직. 영상은 표준 모니터 또는 액정 디스플레이(LCD)에서 표시될 수 있다. 그 유니트의 전자부품은 에이직들로 이루어져 있으므로 하나의 인쇄회로 기판위에 만들어질 수 있어서, 커넥터(connectors)와 케이블로 인해 종래 일어나는 문제를 제거할 수 있다. 이 복잡한 초음파 장치는 무게가 5파운드 이하인 휴대용 유니트로 제조될 수 있다.
도 1은 본 발명의 휴대용 초음파 시스템의 구조를 블록도 형태로 나타낸다.
도 2a와 2b는 하나의 유니트로 패키지된 본 발명의 휴대용 초음파 장치의 정면도와 측면도이다.
도 3a와 3b는 본 발명의 두 유니트로 구성된 휴대용 초음파 시스템의 트랜스듀서 유니트의 정면도와 측면도이다.
도 4는 두 유니트 패키지로 구성된 본 발명의 휴대 초음파 시스템의 두 유니트를 나타낸다.
도 5는 도 1의 초음파 시스템의 송신/수신 에이직(응용 주문형 집적회로: ASIC)의 약도이다.
도 6은 도 1의 초음파 시스템의 전위(前位) 에이직의 블록도이다.
도 7은 송신/수신 및 전위 에이직에 의해 제공된 애퍼처(aperture)제어를 나타낸다.
도 8은 도 6의 전위 에이직의 프레임과 고주파 헤더 시퀀서(RF header sequencers)의 블록도이다.
도 9는 도 6의 전위 에이직의 라인, TGC, 시리얼 버스(serial bus)와 번지 시퀀서(address sequencers)의 블록도이다.
도 10은 도 6의 전위 에이직의 빔 형성기 채널에 대한 가산 네트워크(summing network)의 블록도이다.
도 11은 도 6의 전위 에이직의 다이나믹 포커스 컨트롤러(dynamic focus controllers)중 하나의 블록도이다.
도 12는 도 6의 전위 에이직의 다이나믹 웨이트 컨트롤러(dynamic weight controllers)중 하나의 블록도이다.
도 13은 도 11의 다이나믹 포커스 컨트롤러(dynamic focus controllers)를 설명하기 위하여 사용되는 전형적인 포커스 제어 곡선이다.
도 14는 도 12의 다이나믹 웨이트 컨트롤러(dynamic weight controllers)를 설명하기 위하여 사용되는 전형적인 웨이팅 함수(weighting function)곡선이다.
도 15는 본 발명의 빔 형성기를 위한 바람직한 디지털 지연 장치(digital delay device)를 나타낸다.
도 16은 도 1의 초음파 시스템의 사용자 제어 방법에 대한 도표이다.
도 1에 본 발명의 휴대용 초음파 시스템의 구조가 나타나 있다. 기능과 특징의 현명한 선택과, 집적회로와 초음파 기술의 효율적인 이용을 통하여서만이 전체의 초음파 시스템을 하나의 휴대용 유니트속에 집어넣는 것이 가능하다. 트랜스듀서 배열(10)이 고상(solid state), 전자 제어 능력, 가변 애퍼처, 영상 성능과 신뢰성을 위하여 사용된다. 편평한 또는 곡선 배열이 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 배열은 곡선배열이며, 넓은 부위의 스캐닝 영역을 제공한다. 바람직한 실시예는 위상 배열(phased array)과 같은 편평한 배열을 조종하고 초점을 맞추기 위하여 충분한 지연 능력을 제공하지만, 곡선 배열의 기하학적 곡률은 빔 형성기에서 지연을 조종할 필요를 감소시킨다. 배열 소자들은 트랜스듀서 소자를 구동하고 소자에 의해 수신된 반향(echoes)을 수신하는 송신/수신 에이직(20)에 연결되어 있다. 송신/수신 에이직(20)은 배열(10)의 액티브 송신/수신 에퍼처와 수신된 반향 신호의 게인(gain)을 제어한다. 송신/수신 에이직은 트랜스듀서 소자로부터 인치(inches)내에 바람직하게는 동일한 봉입구(enclosure)내, 트랜스듀서 바로 뒷편에 위치한다.
송신/수신 에이직(20)에 의해 수신된 반향은 인접한 전위 에이직(30)에 보내지며, 그것은 동기 주사선 신호(coherent scanline signals)로 개개의 트랜스듀서 소자로부터의 반향을 디지털화하고 빔(beam)화한다. 전위 에이직(30)은 또한 송신/수신 에이직으로부터 보내진 제어 신호를 통하여 송신 파형 타이밍(transmit waveform timing), 초음파 빔의 애퍼처과 포커싱(focusing)을 제어한다. 예시된 실시예에서 전위 에이직(30)은 다른 에이직을 위한 타이밍 신호과 시간 게인 제어를 제공한다. 전원 및 배터리 관리 서브시스템(80)은 트랜스듀서 배열에 공급되는 전력을 모니터하고 제어하는데, 이것으로 환자에게 가해지는 음향에너지를 조절하고 그 유니트의 전력 소모를 최소화한다. 메모리장치(32)는 전위 에이직(30)에 연결되어 있으며, 빔 형성기에 의해 사용된 데이터를 저장한다.
빔화된 주사선 신호는 전위 에이직(30)에서 인접한 디지털 신호 처리 에이직(40)까지 결합(coupled)된다. 디지털 신호 처리 에이직(40)은 주사선 신호를 필터링하고, 바람직한 실시예에서 합성 애퍼처 형성, 주파수 조합, 파워 도플러(컬러 파워 앤지오(angio))처리와 같은 도플러 처리 및 작은 반점 감소를 포함하는 몇가지 첨단의 특징을 제공한다.
초음파 바이너리(B) 모드와 도플러 정보는 스캔 변환과 영상 출력신호의 생산을 위하여 인접한 후치 에이직(50)까지 결합된다. 메모리장치(42)는 3차원 파워 도플러(3D CPA) 이미징에 사용되는 저장(storage)을 제공하기 위해 후치 에이직(50)까지 결합된다. 후치 에이직은 또한 시간, 날짜, 환자 신분증명과 같은 문자와 숫자 정보를 디스플레이에 추가시킨다. 그래픽(graphics) 프로세서는 깊이, 포커스 마아커 및 커서(cursors)와 같은 정보로 초음파 영상을 오버레이한다. 초음파 영상의 프레임(frames)은 후치 에이직(50)에까지 결합된 영상 메모리(54)에 저장되며, 그들을 라이브 사인루우프R실시간 시퀀스(live CineloopRrealtime sequence)로 되불러서 재생시킬 수 있게 한다. 영상 정보는 액정 디스플레이(60) 또는 비디오 모니터을 위한 NTSC 및 PAL 텔레비젼 포맷과 적·녹·청(red-green-blue: RGB) 드라이브 신호를 포함하는 몇가지 포맷으로 영상 출력이 가능하다.
후치 에이직(50)은 또한 초음파 시스템을 위한 중앙 프로세서와 리스크(RISC: reduced instruction set controller) 프로세서(502)를 포함하고 있다. 리스크 프로세서는 휴대용 유니트를 통하여 처리와 제어 기능을 조정하고 동기화(synchronize)하기 위하여 전위 및 디지털 신호 처리 에이직들에 결합되어 있다. 프로그램 메모리(52)는 그 유니트를 작동하고 제어하기 위하여 리스크 프로세서에 의해 사용되는 프로그램 데이터를 저장하기 위하여 후치 에이직(50)에 결합되어 있다. 후치 에이직(50)은 적외선 송신기(infrared transmitter)로 배열된 데이터 포트(port) 또는 개인 컴퓨터 메모리 카드 인터페이스(PCMCIA interface)(56)와 결합되어 있다. 이 인터페이스는 다른 모듈과 기능이 부착되거나 휴대용 초음파 유니트와 통신하게 한다. 이 인터페이스(56)는 먼 위치에서 초음파 정보를 송신하고 수신하기 위하여 모뎀 또는 통신 링크(link)와 연결될 수 있다. 인터페이스는 그 유니트에 초음파 정보 분석 패키지와 같은 신기능을 더하기 위하여 다른 데이터 저장 장치를 받아들일 수 있다.
리스크 프로세서는 휴대용 초음파 시스템의 작동을 지시하고 제어하기 위한 사용자 입력을 받아들이기 위하여 그 유니트의 사용자 조종장치(70)에 결합되어 있다.
바람직한 실시예에서 휴대용 초음파 시스템을 위한 전력은 재충전 배터리 또는 교류 전류 어댑터(a.c. adapter)에 의해 공급된다. 배터리 전력은 전원 서브 시스템(80)으로부터 그 유니트의 부품까지 공급된다. 전원 서브시스템(80)은 저 배터리 전압을 고 전압으로 변환시키는 직류전류 변환기를 포함하고 있으며, 고 전압이 트랜스듀서 배열(10)의 소자를 구동하기 위하여 송신/수신 에이직(20)까지 공급된다.
도 2a와 2b는 도 1의 초음파 시스템을 수용하기 위한 원피스 유니트(87)를 나타낸다. 그 유니트의 앞면은 도 2a에 나타나 있으며, 액정 디스플레이(60)를 포함하는 상부(83)를 포함하고 있다. 하부(81)는 86에 나타나 있는 것과 같이 사용자 조종장치를 포함하고 있다. 사용자 조종장치는 사용자가 유니트를 켜고 꺼고, 모드(B모드 또는 도플러), 컬러 도플러 섹터 또는 프레임 속도(frame rate)와 같은 작동 특성, 3차원 디스플레이와 같은 특수 기능을 선택할 수 있게 한다. 사용자 조종장치는 또한 시간, 날짜 및 환자 데이터의 입력을 가능하게 한다. 십자형으로 나타난 네 방향 조종 단추는 스크린 상에서 커서를 움직이거나 사용자 메뉴에서 기능을 선택하기 위한 조이스틱으로 작동한다. 다른 방도로는 마우스 볼 또는 트랙 패드(track pad)가 커서와 다른 조종을 다양한 방향으로 움직이게 하기 위하여 사용될 수 있다. 조종장치의 몇가지 버튼과 스위치는 사인루우프 메모리로부터 영상을 멈추고 영상 시퀀스를 저장하고 재생시키는 특수 기능을 위한 것이다.
곡선의 트랜스듀서 배열(10)의 애퍼처(84)는 유니트(87)의 바닥에 있다. 사용시에, 트랜스듀서 애퍼처는 환자를 스캔하기 위하여 환자를 향하게 유지되고, 초음파 영상은 액정 디스플레이(60)에 표시된다.
도 2b는 유니트 87의 측면도이며, 유니트의 두께를 나타낸다. 유니트는 대략 높이가 20.3센티미터, 폭은 11.4센티미터, 두께는 4.5센티미터이다. 이 유니트는 무게가 5파운드 이하인 하나의 패키지내에, 곡선 배열 트랜스듀서 탐침을 갖춘 완전히 작동되는 초음파 시스템의 모든 구성 요소를 포함하고 있다. 이 무게의 대부분은 유니트내에 있는 배터리에 의한 것이다.
도 3과 4는 초음파 시스템이 2개의 별도 부분으로 되어 있는 두번째 패키징배치를 나타낸다. 하부(81)는 트랜스듀서 배열, 영상 신호 출력까지의 전자장치 및 사용자 조종장치를 포함하고 있다. 이 하부는 도 3a에 나타나 있는데, 바닥에 곡선형 트랜스듀서 배열의 애퍼처가 보인다.
하부는 도 3b의 측면도에 나타나 있다. 이 하부는 대략 높이 11.4센티미터, 넓이 9.8센티미터, 두께 2.5센티미터를 나타낸다. 이 유니트는 보통의 초음파 스캔헤드와 대략 동일한 무게를 가지고 있다. 이 하부는 케이블(90)로 도 4에 나타나 있는 것과 같이 상부(83)에 연결되어 있다. 상부(83)는 액정 디스플레이(82)와 배터리팩(88)을 포함하고 있다. 케이블(90)은 디스플레이를 위하여 하부 유니트(81)로부터 상부 유니트까지 영상 신호를 결합하고, 배터리 팩(88)으로부터 하부 유니트를 위한 전력을 제공한다. 관찰을 위하여 상부 유니트를 편리한 위치에 고정하면서, 종래의 스캔헤드와 동일한 방법으로 환자에 대해 하부 유니트와 트랜스듀서(84)를 사용자가 움직일 수 있기 때문에, 이 두부분 유니트는 이점이 있다. 배터리 팩을 상부 유니트에 위치시킴으로써, 하부 유니트는 가벼워지고 환자의 몸위에서 쉽게 움직일 수 있다.
다른 시스템 패키징 배치들도 쉽게 알수 있을 것이다. 예를 들어, 전위 에이직(30), 디지털 신호 처리 에이직(40) 및 후치 에이직(50)이 전위 에이직의 빔 형성기가 다른 배열 트랜스듀서에 연결할 수 있는 상태로, 공통 봉입구에 위치할 수 있다. 이것은 다른 트랜스듀서가 다른 진단 이미징 절차를 위해 디지털 빔 형성기, 디지털 필터, 영상 프로세서와 함께 사용될 수 있도록 한다. 디스플레이는 세개의 에이직과 동일한 봉입구내에 위치할 수 있으며, 또는 후치 에이직의 출력은 별도의 디스플레이 장치에 연결될 수 있다. 도 4의 배치는 트랜스듀서 배열을 포함하는 유니트내에 초음파 에이직들이 위치된 상태로, 사용자 조종장치를 디스플레이와 배터리 팩 유니트에 재위치시키도록 변경시킬 수 있다.
도 5를 참고로 할 때, 송신/수신 에이직(20A)이 자세히 나타나 있다. 에이직(20A)의 신호 통로는 4개의 동일부분 S1, S2, S3 및 S4로 나누어진다. 이 도면에서 S1부분은 내부가 자세히 나타나 있다. S1부분은 두개의 2:1 송신 멀티플렉서(multiplexers)(408과 410)를 포함하고 있으며, 그 각각은 8개의 송신 인 라인(Transmit In lines)중 하나에서의 펄서(pulser)신호에 응답하고 있다. 각각의 2:1 송신 멀티플렉서는 펄서(402, 404 및 414, 416)를 구동하는 두개의 출력이 있으며, 그 출력은 트랜스듀서 소자가 연결된 에이직 핀에 결합되어 있다. 예시된 실시예에서, 2:1 송신 멀티프렉서(408)는 소자 1 또는 소자 65를 구동하기 위하여 결합되어 있으며, 2:1 송신 멀티플렉서(410)는 소자 33 또는 소자 97을 구동하기 위하여 결합되어 있다. 에이직의 다른 부분의 2:1 송신 멀티플렉서는 각각 비슷하게 4개의 트랜스듀서 소자에 결합되어 있다. 각각의 트랜스듀서 소자에 대하여 하나의 별도의 펄서로, 에이직(20A)은 그것이 연결되어 있는 16개 트랜스듀서 소자중 8개를 독립적으로 동시에 구동시킬 수 있다.
각 부분의 필서가 결합되어 있는 트랜스듀서 소자 핀은 또한 4:1 수신 멀티플렉서 및 스위치(412)의 입력과 결합되어 있다. 펄서가 초음파 송신중 트랜스듀서 소자를 구동하고 있을 때, 에이직에서의 4:1 수신 멀티플렉서 및 스위치의 모두에 결합되어있는 송신 온 라인(Transmit On line)에서의 신호는 그들 모두를 고전압 구동 펄스에게 고 임피던스를 제공하는 상태로 스위치하며, 그것에 의해서 이 고전압 펄스로부터 나머지의 수신 신호 통로를 차단한다. 모든 4:1 수신 멀티플렉서 및 에이직의 스위치들은 또한 에이직의 수신 테스트 핀에 결합되어 있으며, 테스트 신호는 수신 신호 통로에 투입될 수 있으며, 수신 시스템을 통하여 전파한다. 반향 수신중에 각각의 4:1 수신 멀티플렉서 및 스위치는 4개의 트랜스듀서 소자들중 하나의 신호를 결합하고, 그것은 1차 TGC 스테이지(416)를 경유하여 1:16 멀티플렉서(418)에 결합된다. 에이직에서 1차 TGC 스테이지의 게인은 한 실시예에서 차동 조정 전압의 적용을 위하여 2개의 핀으로 구성되어 있는 에이직의 TGC1 핀에 적용되는 전압에 의해 조정된다. 에이직의 각 경로의 각 부분의 1:16 멀티플렉서는 가산 버스(Sum Bus)(440)의 16개 라인중 하나에서 반향 신호를 받는다. 16개 가산 버스 라인중 두개가 도면의 오른쪽에 나타나 있으며, 필터회로(222)에 결합된다. 필터된 버스 신호는 2개의 이차 TGC 스테이지(424와 426)까지 연결되는 입력 핀에 결합되고, 그것의 게인은 하나 또는 2개의 TGC2 핀에 가해지는 전압에 의해 조절된다. 예시된 실시예에서 이 2차의 TGC 스테이지의 출력은 초음파 시스템의 빔 형성기의 채널에 연결되는 출력 핀에 연결되어 있다.
에이직(20A)은 또한 빔 형성기로부터 시리얼 버스(serial bus)에 대한 제어 신호를 받는 제어 레지스터(control register)(430)를 포함하고 있다. 제어 레지스터는 제어 입력 화살표에 의해 나타난 바와 같이 에이직의 모든 멀티플렉서에게 제어 신호를 분배한다.
에이직(20A)의 조립된 실시예는 공급과 바이어스(bias)전압 및 접지 연결을 위한 수 많은 핀을 가지고 있는데, 도면에는 나타나 있지 않다.
본 발명의 에이직들을 사용하는 시스템은 N:1, 1:M 구성을 나타내는데, N은 트랜스듀서 소자의 수를 최대 애퍼처 크기로 나눈 것이며, M은 빔 형성기 채널의 수이다. 이 에이직들은 여러개 소자의 다양한 종류의 트랜스튜서 배열을 수많은 방법으로 다른 수의 채널을 가진 빔 형성기에게 연결시키기 위하여 사용될 수 있다. 이 다양성의 예가 도 7의 시스템에 나타나 있으며, 그것은 8개의 송신/수신 에이직(20A-20H)에 결합된(화살표 506,504에 의해 지적된 바와같이) 트랜스듀서(10')를 나타내며, 그것의 가산 버스(440)는 16개 채널의 빔 형성기(500)까지 에이직의 16개 2차 TGC 스테이지에 의해 결합된다(예시의 간명화를 위하여 이차 TGC 스테이지는 사실상 에이직 위에 집적화되어 있지만 별도로 설명된다). 이 실시예에서 트랜스듀서 소자에 연결을 위하여 16개의 핀을 각각 가지는 8개의 송신/수신 에이직들은 트랜스듀서 배열(10')의 모든 128개 소자를 별도로 구동하기 위해서 연결되어 있다. 8개 에이직들의 2:1 송신 멀티플렉서는 동시에 64개 소자를 구동할 수 있으며, 도면에서 트랜스듀서 소자 1-4…29-36…61-64로 나타난 64개 소자의 송신 애퍼처를 가지도록 트랜스듀서 배열을 작동시킬 수 있다. 이 64개 소자의 애퍼처는 중심이 소자 32와 33사이에 있다. 이 배열은 각각의 송신된 초음파에 대하여 64개 소자 애퍼처의 모든 소자들을 구동시킬 수 있다. 8개 에이직(20A-20H)의 제어 레지스터는 빔 형성기로부터 8개 라인 데이터 버스(bus)의 라인들을 분리시키기 위하여 편리하게 결합될 수 있으며, 각각의 라인은 특수한 제어 레지스터를 위한 시리얼 버스로서 작용하며, 그것에 의하여 모든 8개의 제어 레지스터가 동시에 로드(load)될 수 있게 한다.
전체의 64개 소자 애퍼처에 대한 반향 신호 수신은 몇가지 방법으로 수행될 수 있다. 하나는 중첩된 합성 애퍼처(folded synthetic aperture)를 채용하는 것이다. 1차 파 송신후에 소자 17-32에 반향이 수신되고 소자 48-33으로부터 온 반향과 함께 중첩된다. 즉 한 가산 버스 라인은 그것에 다중(多重)된 소자들(17과 48)로부터 반향을 받으며, 다른 가산 버스 라인은 그것에 다중된 소자들(18과 47)로부터 반향을 받을 것이며, 그외 위와 동일하게 계속될 것이다. 이들 16개의 중첩된 신호는 집속(focused)신호를 만들기 위하여 빔 형성기에 의해서 적절히 지연되고 조합된다. 이차 파 송신후에 애퍼처의 외부 소자들은 지연되고, 서로서로 조합되고, 중첩된 수신과 최초 집속 신호가 애퍼처를 완료시키기 위하여 사용된다.
이 N:1, 1:M 에이직 구성은 미국특허 4,542,653에 기술되어있는 것과 같이,중첩된 합성 애퍼처 기술의 이용에 의해, 또는 조(粗:coarse) 애퍼처 수신 기술의 이용에 의해 16개 채널 빔 형성기 대신에 8개 채널 빔 형성기(500)와 함께 이용될 수 있다. 이 기술에서, 빔 송신중 독립적으로 여기된 인접한 소자들은 그들의 수신 신호를 조합하고 그들에 대해 동일한 포커싱 지연을 이용함으로써 수신중 한쌍으로 된다. 실제로, 이것은 트랜스듀서 피치(pitch)가 2배로 수신동안 더 거칠게되는 것을 의미한다. 이것은 수신된 빔 패턴의 회절격자 로브(grating lobes)수준을 상승시키지만, 조합된 송신과 수신 빔 패턴은 여전히 받아 들일 수 있으며, 시스템은 더 큰 수신 애퍼처의 더 높은 감도에 의해 이익을 얻을 것이다. 회절격자 로브가 적합하지 않다면, 그들은 비주기적인 애퍼처를 사용함으로써 감소될 수 있으며, 그룹으로 조합된 소자의 수는 애퍼처를 통하여 그룹마다 변화한다. 비주기적인 애퍼처는 회전격자 로브 효과를 균일한 영상 배경에 효율적으로 혼합할 것이다.
하나의 그와 같은 배치에서 4개의 트랜스듀서 소자에 의해 수신되는 신호는 8개의 빔 형성기 채널중 각각의 입력에 적용하기 위하여 1:16 멀티플렉서를 적절히 프로그래밍함으로써 동일한 가산 버스 라인까지 향하게 된다. 이것은 소자 17과 18로부터 수신된 신호가 동일한 가산 버스 라인 위에 있는 소자 47과 48로부터의 수신신호와 한 빔 형성기 채널의 입력에 결합된 모든 4개의 신호와 조합되도록 한다. 이와같이, 거친 수신 및 중첩 애퍼처의 양기술이 동시에 채용된다. 32개 소자 애퍼처는 하나의 송신파, 또는 합성 애퍼처 기술에 의해 형성된 64개 소자 애퍼처는 두파 송신으로 수신될 수 있다. 미세 수신 애퍼처만이 사용되면, 수신 애퍼처는 중첩 및 합성 애퍼처 기술의 이용일 경우 32개 소자, 또는 중첩 또는 합성 애퍼처 기술만으로는 16개 소자에 한정된다.
예시된 실시예에서, 송신/수신 에이직(20A)은 16개 트랜스듀서 소자와 함께 작동하며, 이 에이직의 몇개는 많은 수의 소자들의 트랜스듀서 배열과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, 이 에이직중 6개는 예를 들어 96개 소자의 트랜스듀서 배열을 제어할 수 있다.
전위 에이직(30)의 블록도가 도 6에 나타나 있다. 이 도면은 전위 에이직(30)의 한 부분(30a)을 나타낸다. 송신/수신 에이직(20)으로부터 8개의 가산 버스 라인 신호의 빔 형성을 제공하기 위하여 전위 에이직에 8개의 그와 같은 부분이 있다. 각각의 반향 신호 출력이 아날로그/디지털 변환기(310)의 입력에 결합되어 있으며, 그곳에서 반향 신호가 디지털 데이터로 변환된다. 아날로그/디지털 변환기는 빔 형성기 그 자체와 동일한 집적회로에 위치하고 있으며, 그것은 집적회로의 외부 연결 핀을 최소화한다. 하나의 아날로그 입력핀만이 각 빔 형성기 채널에 필요하며, 디지털 출력핀의 한 세트만이 동기적으로 가산된(coherently summed) 출력신호에 대해 필요로 한다. 각 소자(또는 중첩 또는 거친 애퍼처에서의 각 쌍 또는 그룹의 소자들)에 대한 아날로그/디지털 변환기로부터 디지털 데이터는 클록 신호 (A/D CLK)에 의해 먼저 선입선출(First in, first out: FIFO) 레지스터(312)에 이동된다. 아날로그/디지털 클록 신호는 최초의 지연을 제공하기 위하여 클록 신호의 시동을 지연시키고, 수신된 반향 신호의 다이나믹 포커싱(dynamic focusing)을 제공하기 위하여 신호 샘플링 시간을 제어하는 다이나믹 포커스 컨트롤러(314)에 의해 제공된다. 선입선출 레지스터(312)의 길이는 트랜스듀서 센터 주파수, 애퍼처 크기, 배열의 곡률 및 빔 제어 필요에 의해 결정된다. 예를들어, 더 높은 센터 주파수와 구부러진 배열은 지연 제어 요구와 선입선출 레지스터의 길이를 감소시킬 것이다. 선입선출 레지스터(312)로부터의 지연 반향 신호는 반향 신호가 다이나믹 웨이트 컨트롤러(318)에 의해 제공되는 다이나믹 웨이트 값에 의해 가중되는 승산기(multiplier)(316)에 결합되어 있다. 다이나믹 웨이트 값은 액티브 소자의 수, 애퍼처에서의 소자의 위치 및 원하는 어포디제이션(apodization) 함수의 효과를 고려하여 반향 신호를 가중하는데, 이것은 반향이 주사선을 따라서 심도를 증가시키는 것으로부터 수신될 때 애퍼처도 추가적인 외부 소자의 포함에 의해 확장하기 때문이다. 지연되고 가중된 반향 신호는 다른 소자로부터 적절하게 지연되고 가중된 반향 신호와 가산기(320)를 통하여 직렬로 결합된 어떤 다른 지연 스테이지로부터의 반향 신호와 함께 가산된다. 빔 형성된 반향 신호는 동위상의 오버플로 비트(overflow bits)와 함께 고주파 데이터 버스상에 출력 주사선 데이터로써 만들어진다. 주사선 반향 신호의 각 시퀀스를 수반하는 것은 만들어지는 주사선 데이터의 종류를 확인하는 에이직상 고주파 헤더 시퀀서에 의해 제공되는 정보를 확인하는 것이다. 예를 들어, 고주파 헤더는 바이너리 모드 반향 데이터 또는 도플러 데이터로써 주사선을 확인할 수 있다.
원하다면, 다른 디지털 및 샘플된 데이터 저장장치가 빔 형성기의 지연을 제공하기 위하여 사용될 수 있다. 이중 포트의 램(random access memory)은 수신된 디지털 반향 샘플을 저장하기 위하여 사용될 수 있으며, 그들은 트랜스듀서 소자로부터의 신호에 대한 원하는 지연을 제공하는 시간 또는 시퀀스로 메모리로부터 읽혀진다.
전위 에이직의 각 부분(30a)은 배열의 4개의 트랜스듀서 소자를 위한 송신 제어 회로(302-308)를 포함하고 있다. 이와같이 8개의 부분은 동시에 배열의 32개 소자에 대한 송신 제어를 제공하며, 그것에 의하여 최대의 송신 애퍼처를 결정한다. 송신 제어 회로는 원하는 포커스 깊이에서 포커스되는 송신 음향 신호를 만들기 위하여 적절한 시간에 펄서를 활성화시키는 미리 정해진 유지시간과 주기성을 가진 파형(waveforms)을 만든다. 32개의 송신 제어 회로를 가진 단 하나의 전위 에이직이 도 7에서 나타난 바와 같이 64개의 송신 인 라인 전부를 가지는 8개의 송신/수신 에이직(20A-20H)과 함께 사용될 때, 각각의 송신 제어 회로는 송신 멀티플렉서(408,410)의 각 쌍의 2개 입력에 결합되며, 송신 멀티플렉서의 하나는 제어 레지스터(430)의 제어 신호를 통하여 각 송신된 파에 대하여 가능하게, 다른 하나는 불가능하게 프로그램된다. 이것은 효율적으로 2:1 송신 멀티플렉서의 각 쌍을 4:1 송신 멀티플렉서로서 작동하도록 변환하며, 32개의 독립적으로 제어되는 소자들의 최대 송신 애퍼처를 준다.
전위 에이직(30)은 에이직상에 8개의 빔 형성기 채널의 송신 및 수신기능을 위한 전체 제어를 제공하는 공통 제어 부분(330)을 포함하고 있다. 제어 부분(330)은 후치 에이직(50)에 위치하는 리스크 프로세서에 의해 제어되며, 리스크 프로세서의 제어하에서 데이터를 수신한다. 특수한 영상 프레임을 위한 데이터 표는 램(32)에 저장되며, 리스크 프로세서의 지령하에 제어 부분(330)에 로드된다. 제어 부분(330)은 송신 및 수신기능을 위한 수많은 시퀀서를 포함하고 있다. 프레임 시퀀서(332)는 만들어지는 영상 프레임의 종류를 확인하는 다른 시퀀서에 의해 사용되는 정보를 만들어낸다. 예를 들어, 프레임 시퀀서는 4개의 도플러 주사선의 그룹 사이에 산재되는 바이너리 모드 주사선으로 다음 프레임을 한정하는 데이터로 로드될 수 있으며, 주사선의 시퀀스는 모든 짝수의 주사선에 의해 뒤따르는 모든 홀수 주사선일 것이다. 이 정보는 라인 시퀀서(334)에 공급되며, 그것은 원하는 주사선을 얻기 위하여 필요한 타이밍을 조절한다. 주사선 획득중에 라인 시퀀서는 TGC 제어 데이터의 원하는 시퀀스를 만들어내도록 TGC 시퀀서(336)를 제어한다. TGC 시퀀서로부터의 TGC 제어 데이터는 디지털/아날로그 변환기(338)에 의해 전압 신호로 변환되며 송신/수신 에이직(20)의 TGC 제어 입력 터미널에 적용된다. 번지 시퀀서(address sequencer)(342)는 TGC 시퀀서의 레지스터, 다이나믹 포커스 및 다이나믹 웨이트 컨트롤러, 시스템의 송신/수신 에이직의 제어 레지스터를 위한 시리얼 버스위에 시리얼 데이터를 만들어내는 시리얼 버스 시퀀서(340)와 같은 빔 형성기의 여러가지 실시간 레지스터들에 새로운 주사선을 위한 데이터를 로딩하는 것을 제어한다. 실시간 기능을 수행하는 전위 에이직상의 모든 레지스터는 이중으로 버퍼(buffer)된다. 송신/수신 에이직의 레지스터는 제어 데이터가 시리얼 버스에 올려질 수 있고 제어 데이터가 이용되는 주사선을 그 라인이 선행하는 중에 여러 레지스터에 로드될 수 있도록 또한 이중으로 버퍼된다.
전위 에이직은 시스템의 모든 작업이 동기화되는 복수의 동기 클록 신호를 만들어내는 클록 발진기(350)를 제어 부분에 포함하고 있다. 그 시스템의 가까이 위치한 장치사이에서 간섭과 누화(crosstalk)를 방지하기 위하여, 영상 출력 신호 주파수는 클록 발진기의 클록 신호에 동기화되며, 그래서 한 주파수의 고조파(harmonics)는 다른 것에 간섭 성분을 만들지 않을 것이다. 결정 진동자(표시되지 않음)는 시스템의 모든 클록 신호가 파생되는 60 메가헤르쯔(MHz)와 같은 기본적인 고주파수를 제공하기 위하여 전위 에이직(30)에 결합되어 있다.
도 8은 도 6의 전위 에이직의 프레임과 고주파 헤더 시퀀서의 블록도이다. 이 도면과 다음의 도면들에서, 파선(9)은 에이직의 경계를 나타내며, 파선상의 원은 에이직의 터미널(핀)을 표시한다.
각 영상 프레임은 펄스 반복 간격(pulse repetition interval:PRI)의 그룹으로 이루어져 있으며, 각 펄스 반복 간격은 초음파의 송신과 그 파에 대한 신체로부터의 반향의 수신을 포함하고 있다. 영상 프레임 또는 스펙트럼 도플러와 같은 다른 시퀀서의 획득은 테이터의 수신과 리스크 버스(102)상의 리스크 프로세서로부터의 지령에 의해 개시된다. 점프 번지(jump addresses)라고 불리는 수많은 램 번지는 점프 번지 레지스터(104)에 저장된다. 각 점프번지는 특수 주사 과정에 이용되는 램(32)의 데이터 블록의 실행개시 번지(starting address)이다. 레지스터(104)에서의 점프 번지는 원한다면 리스크 프로세서에 의해 제공되는 새로운 점프 번지로 갱신될 수 있다. 주사 과정을 위한 출발 번지는 최초의 번지 레지스터(106)에 로드되며, 그것은 레지스터(104)의 번지중 하나가 프레임 번지 카운터(108)에 로드되도록 선택된다. 프레임 번지 카운터(108)는 점프 번지 레지스터(104)에 의해 제공되는 번지로 시작하는 램(32)으로부터 프레임 제어 데이터 블록을 순차적으로 읽는다.
프레임 제어 데이터는 가변수의 고주파 헤더 데이터 단어에 더하여, 만들어지는 프레임 데이터와 생산의 끝에 행해지는 것에 대한 빔 형성기를 설정하는 5개의 제어 단어를 구성한다. 프레임 시퀀서의 프레임 데이터는 다음의 펄스 반복 간격의 생산을 위한 다른 시퀀서를 좌우하며, 여기서 하나의 펄스 반복 간격은 트랜스듀서 배열에 의한 초음파의 송신과 송신된 파로부터의 반향의 수신과 빔 형성의 전체 사이클이다. 5개의 제어 단어와 그들의 데이터 분야는:
단어 O:
L-SYNAP T-DTYPE RF-MODE PRI-MARKERS
L-SYNAP 데이터는 합성 애퍼처가 사용되어야 하는 지를 결정한다. T-DTYPE 데이터는 TGC 제어를 위한 시스템을 좌우한다. RF-MODE 데이터는 최초의 펄스 반복 간격 시퀀스를 위하여 따르는 고주파 헤더의 수를 지정한다. PRI-MARKERS 데이터는 펄스 반복 간격 경계를 확인하며, 펄스 반복 간격 마아커 레지스터(112)에 로드된다.
단어 1:
FTRIGGER SUMENA SOSEL FLOOP
FTRIGGER 데이터는 테스트와 검정(calibration)공정을 위한 시스템을 좌우한다. SUMENA 데이터는 또 다른 빔 형성기 에이직으로부터의 반향 데이터가 에이직의 반향 데이터와 가산되어야 하는지를 결정한다. SOSEL 데이터는 내부 또는 외부신호가 가산을 위하여 지연된 반향 데이터를 시프트아웃(shift out)되어야 하는 지를 결정한다. FLOOP 데이터는 현재의 펄스 반복 간격을 반복하는 횟수를 지정하며, 프레임 루우프 카운터(loop counter)(110)에 로드된다.
단어 2:
L-DTYPE L-HOLDOFF
L-DTYPE 데이터는 2 차원 반향 데이터 또는 도플러 데이터와 같은 펄스 반복 간격에 의해 만들어진 초음파 데이터의 종류를 결정한다. L-HOLDOFF 데이터는 펄스 반복 간격의 시동전에 초래되는 어떤 지연시간을 결정한다.
단어 3:
A-MODE A-MSEL A-ZONE A-RAY
A-MODE 데이터는 번지 시퀀서에 의해 사용되는 데이터 블록의 실행개시 번지를 지정한다. A-MSEL 데이터는 주사선 방향이 번지 시퀀서의 M-라인 레지스터 또는 A-RAY 필드 데이터에 의해 결정되는지를 결정한다. A-Z0NE 데이터는 송신 초점대(focal zone)를 결정한다. A-Ray 데이터는 A-MSEL에 의해 지정될 때 트랜스듀서 애퍼처에 대한 광선(주사선)의 방향을 한정한다.
단어 4:
JUMP-BITS
점프 마스크 레지스터(jump mask register)(118)의 비트(bits)와 함께 JUMP-BITS 데이터는 램(32)에서 프레임 제어 데이터의 다음 블록의 실행개시 번지를 결정하며, 점프 비트 레지스터(114)에 로드된다.
가변수의 고주파 헤더 데이터 단어들이 램(32)으로부터 다음에 읽혀지며, 고주파 헤더 시퀀서(344)에 로드된다. 위에서 설명한 바와 같이, 고주파 헤더 데이터는 프로세서들이 수신하고 있는 펄스 반복 간격 데이터의 종류를 다음의 프로세서에게 알리기 위한 펄스 반복 간격 데이터를 선행하는 시퀀서(344)에 의해 고주파 출력 버스에 올려진다.
이 데이터 단어들의 모두가 읽혀진 후에, 프레임 시퀀서 제어 논리회로는 리스크 프로세서가 중지 지령(stop command)을 내렸는지 알기 위해 체크한다. 중지 지령이 없다면, 프레임 시퀀서 제어 논리회로(120)는 라인 시퀀서 제어 버스(124)에 의하여 라인 시퀀서를 시동시킨다.
리스크 프로세서는 빔 형성기의 운전에 대하여 실시간 제어를 위하여 도 8의 프레임 시퀀서의 몇가지 다른 레지스터를 사용한다. 예를 들어, 프로세서는 펄스 반복 간격 마아커 마스크 데이터를 펄스 반복 간격 마이커 마스크 레지스터(116)에 로드할 수 있다. 이 마스크 데이터에 의해 나타나는 펄스 반복 간격 경계가 펄스 반복 간격 마아커 레지스터의 펄스 반복 간격 경계와 부합(match)할 때, 프레임 시퀀서 제어 논리회로에 의해 인정되는 것과 같이, 빔 형성기는 TGC 기능을 갱신하는 것과 같은 실시간 기능을 실행하기 위하여, 마스크 데이터에 의해 결정되는 것과 같이, 그 부합에 반응하거나 무시할 것이다. 리스크 프로세서는 점프 번지 레지스터(104)에서 특수 블록 데이터 실행개시 번지에 다음의 펄스 반복 간격을 지시하는 점프 비트 레지스터(114)에서 점프 비트의 비트를 선택하는 점프 마스크 레지스터(118)로 점프 마스크 데이터를 로드할 수 있다. 리스크 프로세서는 트리거 제어 레지스터(122)에 실시간 지령을 로드할 수 있으며, 트리거 펄스에 의해 유발될 때, 중지, 시동, 경계상에서 중지, 재시동, 엠-모드(M-mode) 갱신 또는 TGC 갱신과 같은 지령을 이행하기 위하여 그 지령은 프레임 시퀀서 제어 논리회로에 발해진다.
라인 시퀀서가 일단 시동되면, 프레임 시퀀서가 리스크 프로세서로부터의 지령에 대하여 실시간 지령 레지스터(122)를 모니터하고 라인 시퀀서로부터의 라인의 끝(EOL)신호의 수신을 기다리며, 라인 시퀀서는 프레임 시퀀서가 다음의 펄스 반복 간격을 위한 프레임 제어 데이터를 검색하거나 포착을 중단하도록 한다.
라인, TGC, 번지 및 시리얼 버스 시퀀서 조작이 도 9에 나타나 있다. 라인 시퀀서(334)는 2개의 주 소자, 라인 시퀀서 제어 논리회로(130) 및 라인 신호 레지스터(132)를 가지고 있다. 라인 시퀀서의 목적은 펄스 반복 간격의 전체 타이밍을 제어하기 위하여 사용되는 신호를 만드는 것이다. 작동의 시작에 있어서, 라인 시퀀서는 라인 시퀀서 제어 신호 RFDVALN 과 RFZVALN 에 관련된 고주파 버스 정성자(qualifier) 신호의 지연을 제어하는 고주파 신호 지연 단어를 읽는다. 그리고나서, 라인 시퀀서는 L-HOLDOFF 데이터에 의해 지령되는 어떤 지연 주기 동안 기다린다. 지연주기를 뒤따라서, 라인 시퀀서 제어 논리회로(130)는 라인 신호 레지스터, TGC 시퀀서 및 번지 시퀀서에 대한 램 데이터 접근의 반복사이클을 시동한다. 그 사이클의 간격은 도 9a에 나타나 있다. 그 사이클의 초기에서 L은 라인 시퀀서 제어 논리회로가 램(32)으로부터 2개의 제어 데이터 단어를 읽는 동안의 간격을 표시한다. 최초의 단어는 라인 신호 레지스터(132)에 저장되는 라인 신호 단어 O이다. 라인 신호 단어 O는 펄스 반복 간격의 타이밍을 지배하는 신호를 포함하고 있다. 라인 신호 단어 O의 비트 지정의 예가 아래 표 1에 나타나 있다. 라인 신호 단어 O를 뒤따라서 다음의 메모리 번지에 라인 신호 단어 1이 있는데, 그것은 라인 신호 단어의 다음의 갱신까지 시간 간격을 결정하는 제어 신호 LSIGDUR 를 포함하고 있다.
라인 신호 레지스터가 로드된 후에 라인 신호 단어 O의 TGCSQEN 신호는 TGC 시퀀서(336)를 사용가능케 한다. 도 9a의 W 간격 동안, TGC 시퀀서는 외부램(32)에 새로운 TGC 곡선 기입 항목을 기록하는 기회를 리스크 프로세서에 제공한다. 이 특징은 액티브 주사 동안 TGC 곡선의 변경을 가능케한다. TGC 게인 제어 단어의 최초의 1/2은 송신/수신 에이직의 최초의 TGC 스테이지의 게인을 한정하며, 두번째 TGC 게인 제어단어의 1/2은 2번째 TGC 스테이지의 게인을 한정한다. 도 9a의 T 간격동안 TGC 시퀀서는 2개의 디지털/아날로그 변환기(338a와 338b)에 게인 제어 단어를 기록하며, 그들은 송신/수신 에이직에 있는 TGC 증폭기(amplifiers)의 2개 뱅크들(banks)을 위한 지령된 제어 전압을 생성한다.
비트 명칭 기능
0 PRIRSTN 재조정
1 RDEN 수신 지연 이네이블
2 SOEN 시프트 아웃 이네이블
3 TDEN 송신 지연 이네이블
4 TGCRSTN TGC 재조정
5 SERLD 시리얼 버스 로드
6 RFDEN RD 데이터 이네이블
7 RFDVALN RF 데이터 유효
8 RFZVALN FR 존 유효
9 EOLN 엔드 오브 와인
10 ADDSQEN 번지 시퀀서 이네이블
11 TGCSQEN TGC 시퀀서 이네이블
12 LSEQPIN1 라인 시퀀서 핀1
13 LSEQPIN2 라인 시퀀서 핀2
14 TX_ON 송신/수신 스위치 제어
15 --- 사용안함
시리얼 버스 시퀀서(340)는 번지 시퀀서(342)의 제어하에서 외부램(32)으로부터 제어 데이터가 로드된다. 시리얼 버스 시퀀서는 제어 데이터의 병렬/시리얼 변환을 행하며, 그 결과를 시리얼 형태로 송신/수신 에이직의 이중 버퍼 레지스터의 유지 레지스터에 송신한다. 라인 신호 단어 O로부터의 SERLD 신호가 송신/수신 에이직에 또한 제공되며, 송신/수신 에이직에서 유지 레지스터에서 작업 레지스터로 정보의 전송을 위하여 사용된다.
ADDSQEN 신호는 도 9의 시퀀서의 대부분의 시간을 구성하는, 도 9a의 번지 시퀀서 간격 A 동안 전위 에이직상의 실시간 레지스터에 새로운 제어 데이터를 로드하기 위하여 번지 시퀀서(342)를 지령한다. 번지 시퀀서는 램(32)에 데이터 기입항목의 시퀀스를 번지 지정하기 위해 원시번지 카운터(144)를 사용하면서 내부 번지 버스(142)에 레지스터를 번지 지정함으로써 이것을 한다. 번지 지정된 램 위치에서의 데이터는 다이나믹 포커스 레지스터(314,314x), 다이나믹 웨이트 레지스터(318,318x) 및 송신 제어 레지스터(302,304,306,308등)와 같은 번지 지정된 레지스터에 그 다음에 로드된다. 이 방법으로 빔 형성기 에이직에 있는 내부 레지스터는 다음의 펄스 반복 간격을 송신/수신 하도록 조건이 설정된다.
PRIRSTN 신호는 송신과 수신의 이벤트가 표시되는 시간 표시자이다. 송신 제어 회로의 레지스터에 저장되는 송신 지연과 파형 데이터와 함께, TDEN 신호는 원하는 초점을 맞춘 초음파 빔을 송신하기 위하여 송신 제어 회로의 활성화를 지배한다.
라인 신호 레지스터의 내용은 제어 신호 LSIGDUR 에 의해 정해지는 간격으로 펄스 반복 간격 동안 주기적으로 갱신된다. 펄스 반복 간격의 끝에 라인 신호 레지스터(132)에서의 라인 신호 단어 O는 현재의 펄스 반복 간격의 끝을 표시하기 위하여 프레임 시퀀서에 라인 신호 EOLN 의 끝을 발하며, 그것은 다음의 펄스 반복 간격을 위한 프레임 시퀀서에 빔 형성기의 제어를 되돌린다. 시퀀서는 영상 데이터의 전체 프레임(영상 작업의 경우에)이 얻어질때까지 이 방식으로 계속 작동한다.
도 10은 동기 반향 샘플을 형성시키기 위하여 전위 에이직에 있는 8개의 채널로부터 지연된 반향 값을 조합하는 가산 네트워크(320)를 나타낸다. 가산기의 네트워크는 가산기(552)의 출력에서 에이직에 모든 지연 반향을 가산한다. 이 가산기는 다른 빔 형성기 에이직으로부터 가산된 반향을 더하는 또 다른 가산기(554)에 의해 계승된다. 이 추가된 가산기(554)는 수많은 전위 에이직이 16개 또는 32개 채널의 빔 형성기와 같은 수많은 채널을 가진 빔 형성기를 형성하도록 직렬로 연결되게 한다. 예를 들어, 8개의 에이직(30)이 64개 채널의 빔 형성기를 형성하도록 직렬로 연결될 수 있다.
도 11은 전위 에이직의 다이나믹 포커스 컨트롤러(314)들중 하나의 작동을 나타낸다. 다이나믹 포커스 컨트롤러는 다이나믹 포커스 지연 변화에 대한 잘 알려진 지수방정식에 따라서 디지털 딜레이(312)의 시간 지연을 제어하며, 그것은 도 13에 그림으로 나타나 있다. 곡선 150가 나타내는 바와 같이, 각 디지털 딜레이의 지연은 상대적으로 높은 수준에서 출발하며, 그 다음에 시간과 함께 감소된다. 지수곡선 150은 포커스가 변하는 동안 도 13의 가로 좌표를 따라서 나타난 것과 같이 수많은 세그먼트들로 원에 의해 분할된다. 곡선과 세그먼트가 나타내는 것과 같이, 포커스 변화율은 반향이 증가하는 거리로부터 수신되므로 시간에 따라 감소된다.
도 11의 배치는 내부 포커스 데이터 램(152)에 저장된 두개의 값을 부호기(encoder)와 다이나믹 포커스 컨트롤러의 카운터에 로딩함으로써 이 기능을 이행한다. 이 값들의 하나는 초점 곡선 세그먼트의 길이를 한정하며, 부호기(154)와 세그먼트 길이 카운터(156) 양쪽에 로드된다. 두번째 값은 포커스 속도, 세그먼트중 초점 갱신의 수를 한정하며, 부호기(154)에 로드된다. 부호기는 갱신 간격 값을 내는 내부램(152)과 초점 갱신 사이의 시간간격에 의해 제공되는 2개의 값을 사용한다.
갱신 간격값은 포커스 갱신 카운터에 의해 반복적으로 초읽기가 되며, 카운터의 최종 카운트에 포커스 갱신신호가 만들어지며, 그 포커스는 갱신하기 위하여, 제어 상태 장치(control state machine)(160)에 지령을 발한다. 제어 상태 장치 (160)는 그 다음에 샘플링 간격의 위상(phase)을 조정하기 위하여 샘플 상태 장치(sample state machine)에 지령을 발하며, 샘플 상태 장치(162)는 그 다음에 원하는 위상 관계를 가진 샘플 펄스를 클록 신호 CLK2에 발한다.
샘플링 펄스가 현재의 포커스 세그먼트 동안 만들어지고 있으므로(도 13참조), 세그먼트 길이 카운터(156)은 세그먼트의 지속시간을 세고 있다. 세그먼트 길이 카운터가 세그먼트의 끝에 도달할 때, 다음의 갱신 간격을 카운터(158)에 로드하기 위하여 포커스 갱신 카운터에 종료 세그먼트 신호를 발한다.
다음의 초점 세그먼트를 위한 수치를 만들어내는 포커스 데이터 램(152)의 다음 위치를 지정하기 위하여 카운트를 증분시키는 번지 카운터(153)에서와 같이, 제어 상태 장치(160)는 세그먼트의 끝을 통지받는다.
공칭 샘플 주파수에 대한 시스템의 마스터 클록 주파수의 비율을 나타내는 코드인, 리스크 프로세서에 의해 제공되는 샘플링 비율은 제어 상태 장치(160)에 의해 샘플링 펄스율로 인수분해된다.
다이나믹 포커스 컨트롤러는 딜레이 카운터(164)에 의해 카운트되는 펄스 반복 간격의 시동시에 최초의 지연 기간을 위한 제어 상태 장치(160)의 입력 가능(enable input)의 신호에 의해 금지된다. 카운터(164)가 이 최초의 지연을 카운트한 후에, 제어 상태 장치(160)는 사용가능하게 되며, 그것은 세그먼트 길이 카운터(156)와 포커스 갱신 카운터(158)가 현재의 펄스 반복 간격을 위한 작업을 차례차례 시작하게 할 수 있다.
다이나믹 웨이트 컨트롤러(318)의 작동은 도 12와 15에 나타나 있다. 지연된 디지털 반향 신호의 출력은 라인 신호 단어 O에서 시프트아웃 이네이블(shift out enable) 신호 비트 SOEM의 세팅으로 시작한다. SOEM 신호는 도 15에 있는 라인 샘플 메모리(190)의 번지 판독 카운터(194)를 활성화시킨다. 이 도면은 디지털 딜레이(312)를 위하여 사용되는 2중 포트의 램을 나타낸다. 이 예에서 2중 포트의 램은 수신된 반향 신호의 저장 번지를 위한 순차 번지 지정의 이용에 의해 선입선출의 방식으로 작동된다. 수신된 반향은 번지 기록(Write Address) 카운터(192)를 클로킹함으로써 메모리(190)의 연속적으로 번지지정된 위치로 기록된다. 기록 증폭기(196)의 데이터 인(Data In) 입력에 공급되는 반향 신호는 기록 증폭기(196)가 입력 가능(Input Enable) 신호에 의하여 사용가능케 될 때 번지 기록 카운터(192)에 의해 번지 지정된 위치에 기록될 것이다. 비슷하게, 원하다면 동시에, 저장된 반향 신호는 센스 증폭기(198)를 읽기 위해 출력 가능(Output Enable) 신호를 가하면서 주소 판독 카운터(194)를 증분함으로써 그들이 수신되고 있는 순서로 메모리(190)로부터 읽혀질 수 있다.
SOEN 신호의 발생으로 번지 판독(Read Address)카운터(194)는 활성화가 되며 샘플 아우트 클록(Sample Out clock)에 의해 증분된다. 가중 지연 주기(weight delay period)라고 칭하는 최초의 출력 주기동안 번지 판독 카운터(194)는 가산을 위하여 데이터가 취해지는 실행개시 번지에 증분된다. 이 가중 지연 주기동안, 출력 가능(Output Enable)신호는 메모리를 위한 센스 증폭기(198)를 활성화시키지 않는다. 따라서, 메모리는 이때에 반향 샘플을 출력하지 않고, 전력은 이때에 메모리의 비활성 출력상태에 의해 보존된다.
예정된 가중 지연 주기가 끝나고 번지 판독 카운터(194)가 가산되는 반향의 시퀀스를 위한 원하는 실행개시 번지를 지적하고 있을 때 출력 가능 신호는 메모리 센스 증폭기(198)를 활성화시키며, 반향 신호는 메모리(190)로부터 읽혀지며, 승산기(multipliers)(316)에 가해진다. 이 반향 신호는 가중 지연 주기를 뒤따라서 발생하는 이유에 의해 도12에서 지연 샘플(delayed samples)이라고 칭하여진다. 동시에, 샘플 아우트 클록 펄스는 도 12에서 샘플 카운터(172)에 가해진다. 이 샘플아우트 클록은 가중 지연 주기를 뒤따라서 발생하는 이유에 의해 도 12에서 지연 샘플아우트 클록이라고 칭해진다.
출력 반향 샘플의 클로킹은 지연 샘플의 가중이 일정하게 유지되는 간격을 카운트하는 샘플 카운터(172)에 의해 카운트된다. 샘플 카운터(172)의 카운트는 간격 길이 레지스터(176)에 의해 제공되는 현재 간격의 카운트와 비교된다. 그 간격동안 가중 데이터 표(178)가 메모리(190)에 의해 출력되는 샘플을 가중시키기 위하여 승산기(316)에 대한 가중치를 내고 있다. 비교기(comparator)(174)가 현재 가중 간격의 끝을 나타내는 신호를 낼때, 비교기로부터의 신호는 간격 선정 컨트롤러(182)와 가중 선정 컨트롤러(184)가 카운트되는 새로운 간격과 반향 신호를 가중하기 위하여 사용되는 가중치를 선정하게 한다. 이것은 지연샘플이 새로운 가중 간격에 대한 새로운 가중치에 의해 곱해지도록 한다.
간격 선정 컨트롤러(182)와 가중 선정 컨트롤러(184)는 새로운 제어 데이터가 램(32)으로부터 로드될 수 있는 프로그램 가능한 컨트롤러이다. 비교기(174)가 현재 간격의 끝에서 신호를 낼 때, 간격 선정 컨트롤러(182)는 새로운 간격 길이로 레지스터(176)를 증분시키거나, 간격 선정 컨트롤러(182)의 제어 데이터에 따라서 레지스터(176)를 현재 출력 길이에 유지시킬 것이다. 현재 펄스 반복 간격의 끝에 라인 시퀀서는 간격 길이 레지스터(176)를 실행개시 간격 값으로 되돌릴 것이다. 가중 선정 컨트롤러(184)는 가중 선정 데이터 표(178)에 대하여 번지의 시퀀스를 통하여 선택적으로 증분시키기 위하여 비슷하게 작동한다. 가중 선정 컨트롤러는 새로운 번지를 만들어낼때, 신 번지는 가중 데이터 표(178)에 적용되며, 데이터 표에서 번지지정된 위치의 가중치는 반향 샘플을 가중시키기 위하여 그 값을 사용하는 승산기(316)에 적용된다. 가중 선정 컨트롤러(184)로부터의 번지는 멀티플렉서(186)를 경유하여 적용되며, 그것은 또한 시험 또는 검정 시퀀스 동안 가중 데이터 표(178)가 1 또는 0의 가중치를 만들어내도록 사용된다.
도 12의 배치에 의해 실행되는 가중 함수의 예가 도 14에 곡선 180으로 나타나 있다. 이 곡선이 나타내는 것과 같이, 최초의 가중 지연 간격(183)에 대하여 아무런 반향 값이 이중 포트 램 메모리(190)로부터 만들어지지 않으므로, 그 배치에 의해 가중치는 만들어지지 않는다. 이 최초 간격후에 그 곡선은 첫번째 수준 181까지 증분되고, 시간이 진행됨에 따라 더 큰 가중치로 증분된다. 동시에, 곡선 180에 있는 수평 단계 수준에 의해 나타나는 가중치가 변하지 않는 간격은 더욱더 길어진다. 0의 가중치가 또한 사용될 수 있으며, 그들의 최초 용도는 효율적으로 가중 지연 간격 183을 증가시키는 것이라는 것을 이해해야 할 것이다.
후치 에이직(50)은 휴대용 초음파 시스템이 모든 작업의 타이밍을 조절하기 위하여 사용되는 리스크 프로세서(502)를 포함하고 있다. 리스크 프로세서는 그 에이직들의 모든 다른 주요 기능 부위에 연결되어 프로세스 타이밍을 조정하고 사용자에 의해 요구되는 처리와 디스플레이 종류를 수행하는데 필요한 데이터로 버퍼(buffer)와 레지스터에 로드한다. 리스크 프로세서의 조작을 위한 프로그램 데이터는 리스크 프로세서에 의해 접근되는 프로그램 메모리(52)에 저장된다. 리스크 처리기를 위한 타이밍은 전위 에이직(30)에 있는 클록 발진기(clock generator)(350)로부터의 클록 신호에 의해 제공된다. 리스크 프로세서는 또한 개인용 컴퓨터 메모리카드(PCMCIA) 및/또는 적외선 송신기 인터페이스를 통하여 통신하며, 그 프로세서는 그들에 의해 추가의 프로그램 데이터에 접근하거나 멀리 이미지 정보를 송신할 수 있다. 예를 들어, 그 인터페이스는 휴대용 유니트에서 먼 위치까지 초음파 이미지의 송신을 위하여 원격 측정 링크 또는 모뎀에 연결될 수 있다.
리스크 처리기는 사용자 조종장치(70)에서 사용자에 의해 만들어진 지령과 기입항목에 의해 사용자 조종하에서 작동된다. 조종 기능, 조종의 종류 및 그 설명을 나타내는 차아트가 도 16에 나타나 있다. 환자데이터 기입항목, 사인루우프 조작 및 3차원 관찰 등과 같은 수많은 기능이 소형 휴대용 유니트에서 키의 수나 버튼 조작을 최소화 하기 위하여 메뉴 조작을 통하여 작동되는 것이 인정될 수 있을 것이다. 그 유니트를 더욱 간소화하기 위하여, 수 많은 조작 기능이 특수 진단 용도에 맞추어 미리 프로그램화되었고 특별한 용도가 선정될 때 자동적으로 작동할 것이다. 마이너리(B) 모드 이미징의 선정은 예를 들어 도플러 조작이 선정될 때 4개의 멀티플렉서 필터는 윌(wall)필터로 자동적으로 시동되면서 주파수 조합과 깊이 의존 필터링을 자동적으로 호출할 것이다. 예를 들어, 특수 임상 용도의 메뉴선정은 TGC 제어특성과 초점대와 같은 특수한 특징 세팅을 자동적으로 호출할 수 있다.
현대의 초음파 진단 시스템은 대형이고, 복합한 기구들로 이루어져 있다. 그런데 본 발명에서는 전기 면도기 크기의 스캔헤드를 가지고 있지만, 특제 초음파 시스템이 많은 특징을 가지고 있는 무게가 5파운드 이하인 휴대용 초음파 진단장치를 제조할 수 있었다.

Claims (28)

  1. 봉입구; 상기 봉입구내에 위치하고 음향 윈도를 통하여 환자에게 접근하는 배열 트랜스듀서; 상기 봉입구내에 위치하고 상기 배열 트랜스듀서의 소자들로부터 반향을 수신하기 위한 수신장치; 그리고 상기 봉입구내에 위치하고, 상기 수신장치에 결합되어 있고, 초음파 빔을 만드는 상기 배열 트랜스듀서의 상기 소자들에 의해 수신되는 반향 신호를 디지털 방식으로 지연 및 조합시키기 위한 디지털 빔 형성기로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 디지털 빔 형성기가 상기 배열 트랜스듀서의 소자들로부터 수신된 반향 신호를 디지털 방식으로 지연시키는 디지털 지연장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 디지털 빔 형성기가 다른 트랜스듀서 소자들로 부터 반향신호를 수신하기 위하여 결합된 복수의 디지털 지연장치를 포함하고, 상기 디지털 지연장치가 지연 반향 신호를 가산하기 위하여 직렬로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 디지털 지연 장치가 복수의 디지털 선입선출 레지스터로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 디지털 지연장치가 복수의 디지털 저장장치로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 디지털 저장장치가 2중 포트의 랜덤 액세스 기억장치(램)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 장치.
  7. 제 2 항에 있어서, 수신된 반향신호의 상기 디지털 저장장치로의 저장개시가 초기 지연을 주기 위하여 늦추어 지는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 디지털 빔 형성기가 수신된 방향 신호의 다이나믹 포커싱을 제공하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 수신된 반향 신호를 디지털 샘플로 변환하기 위한 복수의 아날로그/디지털 변환기를 더 포함하고, 상기의 다이나믹 포커싱 수단이 상기의 아날로그/디지털 변환기의 신호 샘플링 시간을 제어하는 방식으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 디지털 빔 형성기가 동적 수신 애퍼처의 효과의 함수로서 수신 반향 신호를 가중시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 디지털 빔 형성기가 복수의 채널을 포함하고 있으며, 각 채널은 하나의 디지털 지연장치를 포함하고 있으며, 상기 가중수단은 각 디지털 지연장치의 출력에 결합된 하나의 멀티플렉서로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 배열 트랜스듀서가 일군의 인접한 트랜스듀서 소자들로 각각 구성된 복수의 송신 애퍼처들을 가지고 있으며, 일군의 상기 인접 트랜스듀서 소자들의 각 소자는 복수의 상기 송신 멀티플렉서들의 서로 다른 하나에 결합되어 있으며, 일군의 상기 트랜스듀서들은 초음파 송신 시퀀스동안 복수의 상기 송신 멀티플렉서들에 의해 모두 여기되는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 복수의 트랜스듀서 소자들과 각각 결합되어 있는 복수의 수신 멀티플렉서들과 상기 빔 형성기를 더 포함하며, 상기 수신 멀티플렉서는 상기 트랜스듀서 소자들중 선정된 것에 의해 수신되는 반향신호를 초음파 빔에서 조합되도록 상기 빔 형성기에 결합시키기 위한 트랜스듀서 애퍼처 선정 신호에 응답하는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 배열 트랜스듀서는 일군의 인접 트랜스듀서 소자들로 각각 구성된 복수의 수신 애퍼처들을 가지고 있으며, 일군의 상기 인접 트랜스듀서 소자들의 각 소자는 복수의 상기 수신 멀티플렉서들의 서로 다른 하나에 결합되어 있으며, 일군의 트랜스듀서들에 의해 수신된 반향 신호는 초음파 주사선의 수신동안 복수의 상기 수신 멀티플렉서에 의해 상기 빔 형성기에 모두 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 장치.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 수신 멀티플렉서가 중첩된 수신 애퍼처를 형성하기 위하여 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 장치.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 배열 트랜스듀서의 상기 소자들에 의해 수신된 반향 신호를 필터링하기 위하여 결합된 대역(bandpass)필터회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 장치.
  17. 봉입구; 상기 봉입구내에 위치하고 음향 윈도를 통하여 환자에게 접근하는 배열 트랜스듀서; 초음파 송신을 위해 상기 소자들을 여기하고, 상기 소자들로부터 반향을 수신하기 위하여, 상기 배열 트랜스듀서 바로 뒤 상기 봉입구내에 장치되어 있는 상기 배열 트랜스듀서의 소자들에 연결되어 있는 트랜시버(transceiver)회로; 그리고 상기 배열 트랜스듀서에 의한 초음파 송신을 제어하고, 초음파 빔을 만들기 위하여 상기 트랜스듀서의 상기 소자들에 의해 수신된 반향신호를 지연하고 조합하기 위하여, 상기 봉입구내에 장착되고 상기 트랜시버 회로에 결합되어 있는 디지털 빔 형성기로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 배열 트랜스듀서가 곡선형의 배열 트랜스듀서로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 장치.
  19. 집적회로에 위치하는 복수의 아날로그/디지털 변환기; 상기 집적회로에 위치하고, 상기 아날로그/디지털 변환기에 의해 만들어진 디지털 신호를 수신하기 위하여 결합되어 있는 복수의 디지털 지연장치; 그리고 상기 디지털 지연장치로부터의 디지털 신호를 조합하기 위하여 결합된 가산회로로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 초음파영상 시스템을 위한 집적회로.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 집적회로가 상기 아날로그/디지털 변환기의 입력장치에 결합된 복수의 아날로그 입력 핀들과, 상기 가산회로에 의해 만들어진 디지털 신호가 제공되는 복수의 출력핀들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집적회로.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 디지털 지연장치가 복수의 디지털 지연선들로 이루어진 것을 특징으로 하는 집적회로.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 디지털 지연선들이 선입선출 레지스터로 이루어진 것을 특징으로 하는 집적회로.
  23. 제 21 항에 있어서, 상기 디지털 지연선들이 복수의 랜덤 액세스 기억장치(램)로 이루어진 것을 특징으로 하는 집적회로.
  24. 제 23 항에 있어서, 랜덤 액세스 기억장치(램)가 2중 포트의 램들로 이루어진 것을 특징으로 하는 집적회로.
  25. 배열 트랜스듀서와 빔 형성 집적회로 칩으로 구성되어 있으며, 상기 칩은 상기 배열 트랜스듀서로부터 신호를 수신하기 위하여 결합된 입력을 가지는 복수의 아날로그/디지털 변환기; 상기 아날로그/디지털 변환기에 의해 만들어진 디지털 신호를 수신하기 위하여 결합된 복수의 디지털 지연; 상기 디지털 지연으로부터 디지털 신호를 조합하기 위하여 결합된 가산회로; 그리고 상기 배열 트랜스듀서와 상기 집적회로를 집어넣는 봉입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 영상장치.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 봉입구내에 집어 넣은 제 2의 빔 형성 집적회로 칩을 더 포함하며, 상기 칩은 상기 배열 트랜스듀서로 부터 신호를 수신하기 위하여 결합되는 입력을 가지는 복수의 아날로그/디지털 변환기; 상기 아날로그/디지털 변환기에 의해 만들어지는 디지털 신호를 수신하기 위하여 결합되는 복수의 디지털 지연; 상기 디지털 지연으로부터 디지털 신호를 조합하기 위하여 결합된 가산회로; 그리고 상기 제 1의 빔 형성 집적회로 칩의 가산회로에 상기 제 2의 빔 형성 집적회로의 가산회로를 연결하기 위한 상호접속을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 영상장치.
  27. 제 25 항에 있어서, 상기 빔 형성 집적회로 칩이 8개의 아날로그/디지털 변환기와, 1차 집적회로 칩 상에 제조된 8개의 디지털 지연을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 영상장치.
  28. 제 25 항에 있어서, 상기 빔 형성 집적회로 칩이 8개의 아날로그/디지털 변환기와, 1차 집적회로 칩상에 제조된 8개의 디지털 지연의 배수를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 초음파 영상장치.
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