CN1231183C - 手持式数字波束合成超声诊断设备 - Google Patents

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Abstract

该手持式超声设备封装在一便携式单元内，能执行B超和多普勒成像功能。它包括置于手持式封装内的换能器阵列，该换能器阵列带有连接到阵列各阵元的集成电路收发器以接收回波信号。数字波束合成器也置于手持式封装内，将阵列各阵元接收到的回波信号形成超声扫描线。

Description

手持式数字波束合成超声诊断设备
本文是对1996年6月28日提交的案号为08/672,782的美国专利申请的部分继续。
本发明涉及医学超声诊断系统，特别是完全集成化的手持式超声诊断设备。
众所周知，现代超声诊断系统庞大而复杂。当今先进的超声系统即使是置于为便于携带的手推车上，其重量亦达数百磅。在过去，超声系统都是相对较小的桌面单元，与一台个人电脑的尺寸相当，比如本发明的受让者Advanced Technology Laborarories公司生产的一些系统。但是这些设备却不具备当今先进的超声系统的许多高级性能，如彩色多普勒成像和三维显示能力。随着超声系统变得越来越复杂，它也变得越来越笨重。
然而，随着数字电路集成密度的不断增大，现在就能预见到微型超声系统的出现，其尺寸甚至比甚早期的更小。医生们习惯使用手持式超声扫描探头进行工作，它的大小仅与一只电动剃须刀差不多。因此，假如能继续使用相似的扫描探头，把整个的超声系统压缩进一个与其大小相当的单元中，是很合适的。这样的超声设备如果还能尽可能多地保留当今高级超声系统的一些特性，比如消斑、彩色多普勒和三维成像能力，那就更加理想了。
依据本发明的原理，本文提供一种诊断超声设备，它在一个手持单元内展示了先进超声系统的许多特性。该设备能制作成单一单元，或者在一优选实施例中，制成有两个子部分的单元，其中一部分包含换能器，波束合成器和图像处理器，另一部分包含显示器和两个子部分的电源。在两个子部分结构中，换能器/处理器部分能够用一只手来操纵，连接两部分的电缆将图像传输至显示器显示，显示器可以手持或者放置在适于观察超声图像的最佳位置。电缆还从显示器部分向换能器/处理器部分提供电源。
在一优选实施例中，包括换能器直至视频输出的整个超声系统制作在四种类型的专用集成电路(ASIC)上：连接到阵列换能器各阵元的发射/接收ASIC，；执行和控制带有多个延迟通道的发射波束合成和接收波束合成的前端ASIC；对超声信号进行诸如滤波处理的数字信号处理ASIC；接收处理过的超声信号并产生超声图像数据的后端ASIC。图像既可以在标准监视器上也可以在液晶显示屏(LCD)上显示。实际上包含ASIC的单元的电路部分能够制作在单块印刷电路板上，减少由连接器和电缆带来的传统问题。这种高级的超声仪器能制作成一个重量少于5磅的手持式单元。
各图说明如下：
图1用框图的形式描述了本发明的一个手持式超声系统的体系结构；
图2a和图2b分别是本发明的一个手持式超声系统的正视图和侧视图，该系统封装在一个单体单元中；
图3a和图3b分别是换能器的正视图和侧视图，它用于本发明的一个手持式双体单元超声系统。
图4描述了本发明的一个手持式双体封装超声系统的两个部分；
图5是图1中超声系统的发射/接收ASIC的示意图；
图6是图1中超声系统的前端ASIC的框图；
图7描述由发射/接收ASIC和前端ASIC提供的换能器孔径控制；
图8是图6中前端ASIC上的帧序列发生器和RF头序列发生器的框图；
图9是图6中前端ASIC上的行序列发生器、TGC序列发生器、串行总线序列发生器和地址序列发生器框图；
图10是图6中前端ASIC上的波束合成器通道的求和网络框图；
图11是图6中前端ASIC上的其中一个动态聚焦控制器框图；
图12是图6中前端ASIC上的其中一个动态加权控制器框图；
图13是一个典型的聚焦控制曲线，用于解释图11中的动态聚焦控制器；
图14是一个典型的加权函数曲线，用于解释图12中的动态加权控制器；
图15描述一个优选的数字延迟器，用于本发明的波束合成器；
图16是图1所示超声系统的用户控制键列表。
首先参阅图1，本发明的手持式超声系统的体系结构如图所示。只有恰当地选择系统的功能和特性并有效地利用集成电路和超声技术，就能将整个超声系统封装在一个单体手持式单元中。换能器阵10的使用有赖于它的固态特性、电路控制能力、可变孔径、图像性能以及可靠性。可使用的换能器阵有平面线性阵或凸面弧形线性阵。在一优选实施例中使用的是凸面弧形阵，它能提供宽范围的扇形扫描场。在该优选实施例中，虽然提供了足够的电路延迟能力用于控制和使诸如相控的平面换能器阵进行聚焦，但弧形换能器阵的几何曲率毕竟还是减少了波束合成器对延迟控制的需要。换能器阵单元连接到发射/接收ASIC 20，该ASIC驱动这些换能器阵元并接收它们收到的回波信号。发射/接收ASIC 30还控制换能器阵10中处于激活状态的发射阵孔径和接收阵孔径，并控制接收回波信号的增益，发射/接收ASIC最好位于距离换能器阵元几英寸之内的地方，封装在一起且恰好位于换能器之后是最佳的。
发射/接收ASIC 20接收到的回波信号提供给相邻的前端ASIC30，它将各个独立换能器阵元的回波信号数字化并合成为波束，形成连续的扫描线信号。前端ASIC 30还通过提供给发射/接收ASIC的控制信号，控制发射波形的时序、孔径以及超声波束的聚焦。在描述的实施例中，前端ASIC 30为其它的ASIC提供时序信号和时间增益控制。电源和电池管理子系统80监视并控制给换能器阵提供的电源，从而控制施加给病人的声能量并尽量减少系统的能量消耗。存储器32连接到前端ASIC 30，用于存储波束合成器使用的数据。
合成为波束后的扫描线信号从前端ASIC 30连接到相邻的数字信号处理ASIC 40。数字信号处理ASIC 40对扫描线信号进行滤波，并在该优选实施例中提供了好几种先进的处理手段，包括综合孔径合成、频率复合、多普勒处理如功率多普勒(彩色功率血管成像)处理及消斑。
然后，B超和多普勒信息传输到相邻的后端ASIC 50进行扫描转换并产生视频输出信号。存储器42连接到后端ASIC 50用于存储三维功率多普勒成像(3D CPA)所需的数据。后端ASIC还将一些文字数字信息加到显示屏上，诸如时间、日期以及病人身份。图像处理器将深度和聚焦标记以及箭头之类的信息叠加在超声图像上。一帧帧超声图像存储在连接到后端ASIC 50的视频存储器50里，以使能够回调它们并进行实时电影回放。这些视频信息能以多种制式进行视频输出，包括NTSC和PAL电视制式、用于LCD显示屏60或视频监视器的RGB驱动信号。
后端ASIC 50还包括超声系统的中央处理器，即一个RISC(精简指令集控制器)处理器502。RISC处理器连接到前端ASIC和数字信号处理ASIC，控制整个手持式单元的处理过程和控制功能并使之同步。程序存储器52连接到后端ASIC 50上存储程序数据，RISC处理器使用这些程序操作或控制单元。后端ASIC 50还连接到一个配置成红外发射器或PCMCIA接口56的数据接口上。该接口允许连接其它的模块或功能，或与该手持式超声单元进行通讯。接口56能够连接到调制解调器或通讯线路上，从远处发射和接收超声信息。该接口能连接其它的数据存储设备，使单元增加新的功能，如增加一个超声信息分析软件包。
RISC处理器还连接到单元的用户控制器70，接收用户输入以指挥和控制该手持式超声系统的操作。
在一优选实施例中，手持式超声系统的电源由充电电池或交流适配器提供。充电电池由电源子系统80进行维护并向单元各部分提供电源。电源子系统包括一个直流变换器，将低电池电压转变为较高的电压并加在发射/接收ASIC 20上，驱动换能器阵10的各阵元。
图2a和图2b描述了具有单体结构的单元87，其中放置如图1所示的超声系统。单元的正面如图2a所示，其上面一部分包含LCD显示屏60，下面一部分81包含用户控制器86。用户控制器使用户可以接通或关闭单元的电源，进行操作特性选择，如模式选择(B超或多普勒)、彩色多普勒扇形扫描或帧速率选择以及选择诸如三维显示的特殊功能。用户控制器还能输入时间、日期和病人的数据。十字状的四向控制键象操纵杆一样，移动屏幕上的箭头或从用户菜单中选择各种功能。也可选择使用鼠标球或轨迹垫来实现在多个方向上控制箭头与选择别的控制。控制器上还有几个按钮和开关用于一些特定功能，如图像锁定、存储、从电影回放存储器中回放图像序列。
在单元87的底部是凸面弧形换能器阵10的孔径84。使用时，换能器孔径抵住病人并进行扫描，在LCD显示屏60上显示超声图像。
图2b是单元87的侧视图，给出了单元的厚度。该单元大致高20.3cm，宽11.4cm，厚4.5cm。它包含了带有弧形换能器阵探针的完全功能超声系统的所有组成部分，采用单体封装，其重量小于5磅。重量的大部分是单元里的内置电池。
图3和图4描述了第二种封装结构，它把超声系统分为两个独立的部分。下面一部分81包括换能器阵、直到视频信号输出端的电路和用户控制。该部分如图3a所示，在其底部能看到附带的凸面弧形换能器阵。图3b是其侧视图。该部分大约高11.4cm，宽9.8cm，厚2.5cm。其重量接近传统的超声扫描探头。它通过电缆90连接到如图4所示的上面一部分83。该部分83包括LCD显示屏82和电池盒88。电缆90把视频信号从下面一部分81传输到上面一部分显示出来，并从电池盒88为下面一部分提供电源。这种双体结构单元的好处是使用者能够象使用传统扫描探头一样在病人的身上操作下面一部分和换能器84，同时把上面一部分放在便利的静止位置以供观察。电池盒放入上面一部分，减轻了下面一部分的重量，易于在病人的身上进行操作。
显而易见，还有其它一些系统封装结构。例如，可以把前端ASIC30、数字信号处理ASIC 40和后端ASIC 50封装在同一个部分内，同时前端ASIC上的波束合成器能连接不同换能器。这样，不同的换能器就能与数字波束合成器、数字滤波器和图像处理器一起使用，用于诊断成像的各种处理过程。显示屏能与前面三个ASIC一起封装，或者把后端ASIC的输出连接到一个分离的显示设备上。图4的结构还能够变成将用户控制放在显示屏和电池盒部分上的形式，并把其它和超声有关的ASIC放置在带有换能器阵的部分内。
现在参阅图5，它进一步详细地描述了发射/接收ASIC 20A。ASIC20A的信号通道分为四个相同的部分：S1、S2、S3和S4。图中给出了S1的内部细节。S1包括两个二选一多路发射复用器408和410，每一个对八(8)条发射输入线其中一条上的脉冲信号作出响应。每个二选一多路发射复用器有两个输出端，S1内两个二选一多路发射复用器的四个输出端分别触发四个脉冲发生器402，404和414，416，这些脉冲发生器的输出连接在一些AS IC的插脚上，这些插脚与换能器阵元连接。在所描述的实施例中，二选一多路发射复用器408同时连接驱动换能器阵元1或阵元65，410同时连接驱动换能器阵元33或阵元97。该ASIC中其它部分的两个二选一多路发射复用器也都类似的连接到四个换能器阵元上。由于每一个换能器阵元带有各自的脉冲发生器，ASIC20可以同时独立驱动它所连接的16个换能器阵元中的8个阵元。
与每一部分中脉冲发生器连接的换能器阵元插脚还与其中的一个四选一多路接收复用开关412连接。在超声发射期间，脉冲发生器驱动换能器阵元，发射允许线上的信号同时将该ASIC上的所有四选一多路接收复用开关置于对高电压驱动脉冲的高阻状态，从而把别的接收信号通道与这些高电压脉冲隔离开，该ASIC上的这些四选一多路接收复用开关都连接在发射允许线上。该ASIC上所有的四选一多路接收复用开关还与ASIC上的接收测试插脚连接，通过该测试插脚可以将一测试信号输入接收信号通道并传输至接收器系统。在回波接收期间，每个四选一多路接收复用开关把四个换能器阵元其中一个上的接收信号通过第一级TGC 422耦合到与它连接的一个一选十六多路复用器418上。该ASIC上的第一级TGC的增益由加在该ASIC的TGC1插脚上的电压控制，该插脚TGC1在一设计好的实施例中包括两个施加微分控制电压的插脚。该ASIC上各部分的一选十六多路复用器都将接收到的回波信号发送至16根总线440中的其中一根上。图的右侧画出了16根总线线路上的两条，它们与滤波电路222连接。经过滤波的总线信号传输至连接两个第二级TGC 424和426的插脚上，这两个TGC的增益由加在一或两个TGC2插脚上的电压控制。所描述的实施例中的第二级TGC的输出连接到一些输出插脚上，这些插脚与超声系统的波束合成器的通道相连。
ASIC 20A还包括一个控制寄存器430，它通过一串行总线从波束合成器接收控制信号。控制寄存器将这些控制信号分配给ASIC上所有的多路复用器，如Ctrl.输入箭头所示。
设计好的ASIC 20A实施例中有一些电源插脚和电压偏置插脚以及地线连接处，这些并未在图中画出。
使用本发明的ASIC的系统是一种N选一和一选M的体系结构，这里N是换能器阵元数除以最大孔径包括的阵元数，M是波束合成器的通道数。这些ASIC可用多种方式将具有任意多个阵元的各种换能器阵连接到通道数不同的各种波束合成器上。图7中的系统是这种多样性的一个举例，图中所示换能器10′连接八个发射/接收ASIC 20A-20H(如箭头506和504所示)，其总线440还通过这些ASIC上十六个二级TGC连接到一个十六通道的波束合成器500上(为清楚起见，这些二级TGC分开表示，虽然它们实际上集成在ASIC上)。本例中，八个发射/接收ASIC连接到换能器阵10′上，分别驱动它上面的128个阵元，每个发射/接收ASIC有十六个插脚连接到这些阵元上。八个发射/接收ASIC上的二选一多路发射复用器能够同时驱动64个阵元，因此可以使得换能器阵具有64阵元的发射孔径，由图中的换能器阵元1-4…29-36…61-64表示。这个64阵元孔径的中心在阵元32和33之间。这种排列能够在发射每一束超声波时驱动一个64阵元孔径的所有阵元。八个发射/接收ASIC 20A-20H上的控制寄存器可以便利地用于使一条八线数据总线上的数据线与波束形成器分离，每根线都是一个特定控制寄存器的串行总线，因此可同时加载八个控制寄存器。
64阵元孔径上完整的回波信号可用各种方式接收。其一是使用折叠合成孔径。在第一束波发出后，接收到阵元17-32上的回波，并与阵元48-33上的回波叠合。也就是说，阵元17和阵元48上的回波信号可以两路复用一条总线，阵元18和阵元47两路复用另一条总线，如此类推，等等。这十六个经折叠合成后的信号由波束合成器适当延迟、相加形成一个聚焦信号。在第二束波发出后，该孔径的外层阵元进行同样的接收、延迟、相加并与第一个聚焦信号相加形成一个完整的孔径。
这种N选一和一选M的体系结构可以通过使用折叠合成孔径技术或通过使用美国专利4,542,653中描述的粗孔径接收技术，用八通道波束合成器500代替十六通道波束合成器。使用后一种技术时，在波束发射期间，相邻的独立激励的阵元把它们的接收信号联接起来并使用相同的聚焦延迟，从而组成一对。这实际上意味着在接收时换能器阵的节距增加了一倍。它还增加了接收波束图案的栅瓣电平，但这些都未对发射波束和接收波束造成太大的影响，相反，系统还从这个大的接收孔径获得了更高的灵敏度。如果栅瓣证明是不利的，可以通过使用非周期孔径来减小它，该孔径的横截面上组成各阵元组的阵元数是不同的。非周期孔径将把栅瓣效果混合成均匀的背景图案。
在折叠孔径中，通过对一选十六多路复用器进行编程，把四个阵元的接收信号传输到同一个求和总线上，输入到八通道波束合成器的每一通道上。这就允许将阵元17和阵元18的接收信号与阵元47和阵元48的接收信号在同一求和总线上进行合成，并将四个信号输入到波束合成器的一个通道上。照这样作，可同时使用粗孔径技术和折叠孔径技术。在波束发射之后，可得到32阵元的接收孔径，或者用两个波束发射，通过折叠孔径技术得到64阵元的接收孔径。如果只使用一个精细接收孔径，折叠和合成孔径技术限制接收孔径只能有32个阵元，单独使用折叠孔径技术或合成孔径技术限制孔径只能有16个阵元。
这样可以看到，在所描述的实施例中，发射/接收ASIC 20A可以操作16个换能器阵元，数个这样的ASIC可以操作更多的换能器阵元，例如6个ASIC能控制96个换能器阵元。
图6是前端ASIC 30的框图。该图表示出了前端ASIC 30其中的一部分30a。前端ASIC总共有八个类似的部分，它们对来自发射/接收ASIC 20的八条求和总线上的信号进行波束合成。每个回波信号输出到A/D转换器310的输入端口，把回波信号转换成数字信号。A/D转换器与波束合成器集成在同一集成电路块上，减少了集成电路的外连接插脚。一条波束合成器通道只需要一个模拟信号输入插脚而对于相干叠加信号只需要一组数字输出插脚。从每个阵元(对折叠孔径或粗孔径是一对或一组阵元)的A/D转换器输出的数字信号由A/D CLK时钟信号控制输入到先进先出(FIFO)寄存器312中。A/D CLK信号由动态聚焦控制器314提供，它通过延迟时钟信号的起始时间进行初始延迟，然后通过控制信号采样时间进行所接收回波信号的动态聚焦。FIFO寄存器312的长度决定于换能器的中心频率、孔径的尺寸、换能器阵的曲率以及控制波束的需要。比如，较高的中心频率和凸面弧形阵将减少控制延迟的需要并因此减少FIFO寄存器的长度。从FIFO寄存器312出来的延迟回波信号传输到乘法器316进行加权处理，加权值由动态加权控制器318提供。在使用其它的外层阵元扩展孔径的大小和沿扫描线不断增加的深度上接收回波信号时一样，动态加权值对回波信号的加权都要考虑有源阵元的数目、孔径中阵元的位置以及需要的变迹函数。然后，经延迟和加权的信号与来自其它阵元的经适当延迟和加权的信号以及一些其它的回波信号进行叠加，这些其它的回波信号来自串联在加法器320上的延迟器。合成波束后的回波信号与同步溢出位一起在RF数据总线上生成，作为输出扫描线信号。每个扫描线回波信号序列都伴随一个标志信息，它由ASIC上的RF头序列生成器产生，用于区分被产生的扫描线数据的类型。比如，它能标出扫描线是B超回波数据还是多普勒数据。
如果需要，其它的一些数字采样存储器也能用于为波束合成器提供延迟。例如可以用双端口随机存取存储器存储接收到的数字回波采样，然后按时间或按次序从存储器读出这些数据，而所述的时间或序列给来自换能器阵元的信号提供需要的延迟。
前端ASIC上的每部分30a都包括用于四个换能器阵元的发射控制电路302-308。这样，八个部分可同时为总共32个换能器阵元提供发射控制，从而决定最大发射孔径。发射控制电路产生具有预定时长和周期的波形，它在适当的时间激励脉冲发生器产生一个发射声信号，在需要的聚焦深度上进行聚焦。如图7所示，当总共有64个发射输入线的发射/接收ASIC 20A-20H只使用一个具有32个发射控制电路的前端ASIC时，每个发射控制电路都连接到一对多路发射复用器如408和410的两个输入端上，使用控制寄存器430的控制信号对这两个多路发射复用器进行编程，使它们对于每列发射波都是一个导通，另一个截止。这样就把一对二选一多路发射复用器有效地转换成一个四选一多路复用器在工作，从而提供一个最大达32个独立受控阵元的发射孔径。
前端ASIC 30包括一个通用控制部分330，它为该ASIC上的八个波束合成器通道的发射和接收功能提供总体控制。控制部分330由后端ASIC 50上的RISC处理器控制，并在它的控制下接收数据。产生特定图像帧的数据表存储在随机存取存储器(RAM)里，在RISC处理器的指令下加载到控制部分330。控制部分330包括一些序列发生器，用于发射和接收功能。帧序列发生器332产生其它序列发生器使用的信息，该信息能区分要产生的图像的类型。例如，帧序列发生器可以加载一些数据，这些数据定义下一帧图像数据是散置在四个一组的多普勒扫描线之间的B模式扫描线，同时扫描行序列是所有偶数号扫描线都跟在所有奇数号扫描线之后。这一信息提供给行序列发生器334，该行序列发生器控制获取扫描线所需的时序。在扫描线获取期间，行序列发生器控制TGC序列发生器336，因此它将产生符合要求的TGC控制数据。TGC序列发生器发出的TGC控制数据由一个数模转换器(DAC)338转换成电压信号，加在发射/接收ASIC 20的TGC控制输入端口。地址序列发生器342控制新扫描线数据到波束合成器的各种实时寄存器的加载过程，诸如TGC序列发生器寄存器、动态聚焦和动态加权控制器寄存器、以及串行总线序列发生器340，该串行总行序列发生器在串行总线上产生串行数据，用于系统的发射/接收ASIC上的控制寄存器。前端ASIC上所有执行实时操作功能的寄存器都是双重缓冲的。发射/接收ASIC上的寄存器也是双重缓冲的，这使控制数据能够在控制数据线领先于扫描线的期间置于串行总线上或加载到各寄存器。
前端ASIC的控制部分包含一个时钟发生器350，它产生一系列同步时钟信号使系统的所有操作同步。为防止系统上距离很近的设备之间相互干扰或串线，视频输出信号的频率与时钟发生器的时钟信号的频率同步，因此一个频率的谐波不会在另一个的频率范围内产生干扰成分。连接到前端ASIC 30的晶振器(未画出)提供高频如60MHz的主频信号，系统的所有时钟信号都可由它产生。
图8是图6的前端ASIC上的帧序列发生器和RF头序列发生器的框图。在本图和后续图中，虚线9表示ASIC的边界，虚线上的圆圈表示ASIC的端口(插脚)。
每一帧图像包括一组PRI，每个PRI包括发射超声波和接收该波从人体反射回来的回波。一帧图像或者其它诸如多普勒频谱的序列的获取，从接收数据以及RISC总线102上来自RISC处理器的命令开始。一些称为“转移地址”的RAM地址存储在转移地址寄存器104中。每个转移地址都是RAM32中一组数据的起始地址，每组数据用于一特定的扫描进程。如果需要，寄存器104中的这些转移地址可以被RISC处理器提供的新的转移地址刷新。扫描进程的起始地址加载到起始地址寄存器106中，该寄存器又从地址寄存器104中选择一个地址加载到帧地址计数器108中。帧地址计数器108接着从RAM32中读取一组自转移地址寄存器104提供的地址起始的帧控制数据。
帧控制数据包括五个控制字，这些控制字为即将生成的帧数据和生成后的数据建立波束合成器，并增加一些不同的RF头数据字。帧序列发生器产生的帧数据控制其它的序列发生器产生下一个PRI，单个PRI是由换能器阵发射超声波、接收超声波回波和对回波进行波束合成组成的一个完整周期，其中的回波来自发射波。五个控制字和它们的数据块如下：
字0：
  L-SYNAP   T-DTYPE   RF-MODE   PRI-MARKERS
L-SYNAP数据决定是否使用合成孔径。T-TYPE数据决定系统的TGC控制。RF-MODE数据为初始的PRI指定后续RF头的数目。PRI-MARKERS数据标定PRI的边界并加载到PRI标记寄存器112中。
字符1：
  FTRIGGER   SUMENA   SOSEL   FLOOP
系统的测试和校准处理由FTRIGGER数据决定。SUMENA数据决定从另一个波束合成器ASIC来的回波数据是否与该ASIC上的回波数据进行求和。SOSEL数据决定内部和外部信号是否要移出延迟回波数据来求和。FLOOP数据指定当前PRI的重复次数并加载到帧循环计数器中。
字符2：
  L-DTYPE   L-HOLDOFF
L-DTYPE数据决定PRI产生超声数据的类型，比如是2D回波数据还是多普勒数据。L-HOLDOFF数据决定PRI开始前引入的任意延迟时间。
字符3：
  A-MODE   A-MSEL   A-ZONE   A-RAY
A-MODE数据指定地址序列发生器使用的数据块的起始地址。A-MSEL数据决定扫描线的方向是由地址序列发生器的M-line寄存器决定还是由A-RAY字段数据决定。A-ZONE数据决定发射聚焦区。A-RAY数据定义射线(扫描线)相对于换能器孔径的方向，此时换能器的孔径由A-MSEL决定。
字符4：
    JUMP-BITS
JUMP-BITS数据与转移掩模寄存器118的各比特一起决定RAM 32中下一个帧控制数据块的起始地址并加载到转移位寄存器114中。
接着从RAM 32中读出数目可变的RF头数据字符并加载到RF头序列发生器344中。正如上面所解释的，在PRI数据之前，序列发生器344将RF头数据置于RF输出总线上，以通知后面的处理器它们正在接收的数据是哪种类型。
在读出所有这些数据字符后，帧序列发生器控制逻辑器检查RISC处理器是否已经发出了停止命令。如果没有发出停止命令，帧序列发生器控制逻辑器120通过行序列控制总线124启动行序列发生器。
RISC处理器使用图8中帧序列发生器上的其它几个寄存器对波束合成器操作进行实时控制。例如，它可以把PRI标记器标记掩模数据加载到PRI标记器标记掩模寄存器中。当该掩模数据标记的PRI边界与PRI标记寄存器中的PRI边界象帧序列控制逻辑器认定的那样相互匹配时，波束合成器根据这些掩模数据决定是响应还是忽略该匹配，实施实时控制如刷新TGC函数。RISC处理器能够把转移掩模数据加载到转移掩模寄存器118中，该寄存器选择转移位寄存器114中转移位的位数，将下一个PRI指向起始地址位于转移地址寄存器104中的特定数据块。RISC处理器还能将实时命令加载到触发控制寄存器122中，当该寄存器被触发脉冲触发后，向帧序列控制逻辑器发出命令如终止、开始、边界终止、复位、M模式刷新或TGC刷新。
一旦触发行序列发生器，帧序列发生器就监测实时指令寄存器122中由RISC处理器发出的指令，并等待接收行序列发生器发出的行结束(EOL)信号，收到EOL信号后，帧序列发生器重新开始接收下一个PRI的帧控制数据或终止接收。
图9描述了对这些行数据、TGC、地址以及串行总线序列发生器进行的操作。行序列发生器334由行序列控制逻辑器130和行信号寄存器132两个主要组成部分。使用行序列发生器目的是产生用于控制PRI总的时序的信号。操作开始时，行序列发生器读出一个RF信号延迟字，它控制RF总线限定信号相对于行序列控制信号RFDVALN和RFZVALN的延迟。然后，行序列发生器等待由L-HOLDOFF数据指定的任何延迟期。在延迟期之后，行序列控制逻辑器130为行信号寄存器、TGC序列发生器和地址序列发生器开始周期性地访问RAM中的数据。周期中的各时段如图9a所示。在周期开始的两个L时段期间，行序列控制逻辑器从RAM32读取两个控制数据字。第一个字是存储在行信号寄存器32中的行信号字0。行信号字0中有控制PRI时序的信号。下面的表1给出了一个实例，表示行信号字0的位标志数据。在行信号字符0之后的下一个存储地址中是行信号字1，它包含一个控制信号LSIGDUR，该信号决定直到下一次刷新行信号字前的时间间隔。
在行信号寄存器被加载之后，行信号字0中的TGCSQEN信号使TGC序列发生器336开始工作。在图9a中的W时段，TGC序列发生器给RISC处理器提供一段时间，把新的TGC曲线写进外部RAM 32中。这就允许在扫描动作期间修正TGC曲线。TGC增益控制字的前半段定义发射/接收ASIC上第一级TGC的增益，TGC增益控制字的后半段定义第二级TGC的增益。在图9a的T时段，TGC序列发生器把增益控制字写进两个数模转换器338a和338b中，然后这两个转换器按命令产生控制电压，用于发射/接收ASIC上的二级TGC放大器。
位数  名称      功能
0      PRIRSTN    PRI重置
1      RDEN       启用接收延迟
2      SOEN       移出启用
3      TDEN       启用发射延迟
4    TGCRSTN    TGC重置
5    SERLD      串行总线加载
6    RFDEN      启RF数据
7    RFDVALN    RF数据有效
8    RFZVALN    RF区有效
9    EOLN       行结束
10   ADDSQEN    启用地址序列发生器
11   TGCSQEN    启用TGC序列发生器
12   LSEQPIN1   行序列发生器插脚1
13   LSEQPIN2   行序列发生器插脚2
14   TX_ON      发射/接收开关控制
15   ---        未使用
       表1
串行总线序列发生器340在地址序列发生器342的控制下，从外部RAM 32加载控制数据。串行总线序列发生器把并行控制数据转化成串行控制数据并将结果以串行的形式发送到发射/接收ASIC上双缓冲寄存器中的保持寄存器中。行信号字0中的SERLD信号还提供给发射/接收ASIC并把发射/接收ASIC上保持寄存器中的信息发送到它上面的工作寄存器中。
ADDSQEN信号命令地址序列发生器在图9a中地址序列发生器的时段A期间，把新的控制数据加载到前端ASIC上的实时寄存器中，地址序列发生器时段A包含图9中序列发生器时段的绝大部分。地址序列发生器完成上述操作是通过在内部寄存器总线142上对寄存器寻址，同时使用源地址计数器144对RAM 32中的数据记录顺序进行访问。然后，将被寻址的RAM地址处的数据加载到一些被寻址的寄存器中，比如动态聚焦寄存器314和314X，动态加权寄存器318和318X，发送控制寄存器302、304、306和308等等。通过这种方式控制波束合成器ASIC上的内部寄存器发射并接收下一个PRI。
PRIRSTN信号是一个时间标志，标志发射事件和接收事件。TDEN信号、发射延迟以及存储在发射控制电路上寄存器中的波形数据，一起控制发射控制线路上的动作，使之发射需要的聚焦超声波形。
在由控制信号LSIGDUR决定的PRI时段中，行信号寄存器中的内容被周期性地刷新。在PRI的结尾，行信号寄存器132中的行信号字0发出一个行结束信号EOLN给帧序列发生器，标志当前的PRI结束，而这即把波束合成器的控制返回给帧序列发生器，以供下一PRI用。序列发生器继续以这种方式操作，直到获得一帧完整的图像数据(对图像操作而言)。
图10描述求和网络320，它把来自前端ASIC上八个通道的延迟回波数据连接起来形成一个连续的回波采样。累加器网络在累加器552的输出端把ASIC上的所有延迟回波相加起来。累加器554紧接在累加器552之后，它把来自另一个波束合成器ASIC的求和回波加进来。这个附加的累加器554允许多个前端ASIC串联起来形成一个有很多通道的波束合成器如一个16通道或32通道的波束合成器。例如，ASIC 30的八个ASIC能够串联起来形成一个64通道的波束合成器。
图11描述了一个前端ASIC上的动态聚焦控制器314如何进行操作。动态聚焦控制器根据一个熟知的动态聚焦延迟变量的指数方程控制数字延迟器312的时间延迟，该方程曲线如图14所示。正如曲线150所描述的，每一个数字延迟在一个相对高的水平开始，然后随时间下降。指数曲线150被一些小圈分成数段，如图13中沿其横坐标所示的那样，各段中的焦距不同。如该曲线或各线段所示，当从不断增加的距离上接收回波时，焦距变化的速率随时间降低。
按图11的布置，通过把存储在内部聚焦数据RAM 152中的两个数值加载到一个编码器和动态聚焦控制器的一个计数器中，实现上述功能。其中一个数值定义聚焦曲线段的长度，被加载到编码器154和段长度计数器156中。另一个数值定义聚焦速率和各曲线段中焦点的刷新次数，加载到编码器154中。该编码器使用由内部RAM提供的这两个数值产生一个刷新间隔值，即两次聚焦刷新之间的时间间隔。刷新间隔值由聚焦计数器进行重复倒计时，在计数器倒计到末尾时产生一个聚焦刷新信号，同时触发一个命令给控制状态设备160去刷新焦距。然后，控制状态设备160向采样状态设备发出一个命令，调节采样间隔的相位，接着采样状态设备发出一个与时钟信号CLK2有合适相位关系的采样脉冲。
当在目前的聚焦曲线段中产生采样脉冲时(见图13)，段长度计数器156正对段长度进行计数。当段长度计数器计数到段的末尾时，它向聚焦刷新计数器发出一个段结束信号，把下一个刷新间隔加载到计数器158中。段结束情况亦通知控制状态计数器160和地址计数器153，后者计数增加以访问定聚焦数据RAM 152中的下一个地址，从而为下一个聚焦段产生一些数值。
RISC处理器提供的采样率被控制状态设备160也应在采样脉冲中予以考虑，采样率表示系统的控制时钟频率与标称采样频率之比。
控制状态设备160的使能输入端口的一个信号在PRI开始时的初始延迟期内禁止动态聚焦控制器，该延迟由延迟计数器164计数。当计数器164完成初始延迟的计数后，启用控制状态设备160，它再依次启用段长度计数器156和聚焦刷新计数器158，从而针对下一个PRI开始工作。
图12和图15描述了动态加权控制器318如何工作。延迟数字回波信号的输出是通过置位行信号字0内的移出使能信号位SOEN而开始的。SOEN信号激活图15中的行采样存储器190上的读取地址计数器194。该图描述了一个用于数字延迟器312的双端RAM。本例中的双端RAM通过连续地访问接收到的回波信号的存储地址工作在FIFO方式。通过赋予地址计数器192时序，将接收到的回波写到存储器190中一个地址连续的区域。当输入使能信号启动写入放大器196时，送往写放大器196的数据入输入端的回波信号存到由写入地址计数器192确定的区域中。类似地，如果需要也可以同时按一定的顺序从存储器190中读取存储的回波信号，该顺序是在用输出使能信号读读出放大器198时，通过读取地址计数器194的计数增加来接收这些信号的顺序。
SOEN信号出现之时，读取地址计数器194开始工作，采样输出时钟使该计数器计数增加。在称之为“加权延迟”的初始输出期间，读取地址计数器194的计数增加到一个特定起始地址，从它开始的数据要提取求和。在这个加权延迟周期期间，输出使能信号还没有为存储器激活读出放大器198。因此，这时存储器不进行回波采样输出，因此存储器此时的非活动输出状态还节省了电能。
当预定的加权延迟期结束并且读取地址计数器194指向待求和回波序列的合适的起始地址时，输出使能信号激活存储器的读出放大器198，同时从存储器190中读取回波信号并传输给乘法器316。这些回波信号在图12中称为“延迟样本”，因为它们在加权延迟期后产生。同时，采样输出时钟脉冲传输给图12中的采样计数器172。这个采样输出时钟在图12中称为延迟采样输出时钟，同样是因为它在加权延迟期后产生。
采样计数器172对输出回波样本的时钟脉冲进行计数，它计入延迟样本加权被保持恒定的时段。采样计数器172的计数与时段长度寄存器176中的当前时段数进行比较。在该时段期间，加权数据表178为乘法器316产生一个加权数，对存储器190输出的样本进行加权。当比较器174产生一个信号表示当前加权时段的结束时，比较器产生一个信号使时段选择控制器182和加权选择控制器184选择一个新的计数时段和权重用于对回波信号进行加权。这使得延迟采样在新的加权时段由新的权重加权。
时段选择控制器182和加权选择控制器184都是可编程控制器，新的控制数据可以从RAM 32加载到它们中。比较器174在当前时段结束时产生一个信号，此时时段选择控制器182将根据它的控制数据把寄存器176增加到一个新的时段长度或保持它的当前输出长度。在当前PRI的末尾，行序列发生器将以时段长度寄存器176的初始值重新设置它。加权选择控制器184也类似地通过加权选择数据表178的一个地址序列有选择地增加。当加权选择控制器产生一个新的地址时，该地址用于加权数据表178，将其中被寻址处的加权值传输给乘法器316，乘法器使用该值对回波采样进行加权。加权选择控制器中地址的使用通过乘法器316，多路复用器186还用于使加权数据表178在测试或校准序列期间产生一个“0”或“1”的加权值。
图14中的曲线180举例表示按图12的布置使用的加权函数。如曲线所示，对初始加权延迟时段184，这种布置未产生加权值，从双端RAM存储器190未产生回波值。初始时段后的曲线增加到第一加权水平181，然后随时间延长加权水平越来越高。同时，曲线180上水平台阶表示的加权不变的时段不断延长。应当清楚，可以使用零加权，初始阶段使用零加权能有效地延长加权延迟时段183。
RISC处理器50位于后端ASIC上，它用于调节手持超声系统所有的时序。RISC处理器连接到其它所有位于ASIC上的主要功能区，从而调节时序并将一些必需的数据加载到缓冲器或寄存器中，以完成用户需要的各种处理过程或显示。用于操作RISC处理器的程序数据存储在程序存储器52中，它能够被RI SC处理器访问。RISC处理器的时序由位于前端ASIC 30上的时钟发生器350产生的时钟信号提供。RISC处理器还通过PCMCIA或/和红外发射接口进行通讯，通过它们，处理器可以访问其它的程序数据或进行图像信息的远程发送。例如，该接口与遥测链路或调制解调器连接用于从手持单元向远方发送超声图像。
RISC处理器的操作处于用户的控制之下，用户通过在用户控制器70上输入命令或信息进行控制。图16中的表描述了各种控制功能、控制类型以及对它们的说明。值得庆幸的是许多功能是通过菜单进行操作的，比如病人数据输入、电影回放操作以及3D检查，从而尽量减少手持单元上的键或控制按钮的数目。为进一步简化单元，针对一些特定诊断应用预编程了一些操作功能，它们在选定这些特定应用时将自动进行操作。例如，选择B超成像将自动调用频率复合和深度补偿滤波功能，而当选择多普勒操作时，自动将一个四阶滤波器设置成隔离(wall)滤波器。通过菜单选择特定诊断应用时能够自动调用一些特定的设置特性比如TGC控制特性及聚焦区。

Claims (24)

1.一种手持式超声诊断设备，包括：
置于外壳内的一个换能器阵，采用多个换能器阵元通过一个声学窗口检测病人；
置于所述外壳内的数字波束合成器，用于数字延迟和组合由所述换能器阵的阵元接收到的回波信号以形成超声束；
与所述换能器阵相连的一个收发电路，用于控制换能器阵的激励，并接收来自所述换能器阵的回波，其中所述收发电路将从所述换能器阵的相邻阵元接收的信号组合，从而提供一个换能器节距，所述相邻阵元是由收发电路单独激励的，该节距在接收模式中比在发射模式中更粗；
图像处理电路，用于对所述超声束进行处理从而得到经过处理的超声信号；以及
显示器，用于观看所述经过处理的超声信号的表达，
其中所述图像处理电路和所述显示器都位于所述外壳中。
2.权利要求1的手持式超声诊断设备，其特征在于所述的数字波束合成器包括一数字延迟设备，用于数字延迟从所述换能器阵的各阵元接收的回波信号。
3.权利要求2的手持式超声诊断设备，其特征在于数字波束合成器包括多个数字延迟设备，所述多个数字延迟设备被连接用于接收从不同换能器阵元来的回波信号，
数字延迟设备串联联接以求和延迟回波信号。
4.权利要求2的手持式超声诊断设备，其特征在于数字延迟设备包括多个数字FIFO寄存器。
5.权利要求2的手持式超声诊断设备，其特征在于数字延迟设备包括多个数字存储设备。
6.权利要求5的手持式超声诊断设备，其特征在于数字存储设备包括双端随机存取存储器。
7.权利要求2的手持式超声诊断设备，其特征在于推迟把接收到的回波信号存储到所述的数字存储设备的开始时间，从而提供初始延迟。
8.权利要求1的手持式超声诊断设备，其特征在于数字波束合成器包括对接收回波信号进行动态聚焦的装置。
9.权利要求8的手持式超声诊断设备，其特征在于还包括多个模拟到数字(A/D)转换器，用于把接收到的回波信号转换成数字样本，其中所述的动态聚焦装置包括控制该A/D转换器的信号采样时间的装置。
10.权利要求1的手持式超声诊断设备，其特征在于数字波束合成器还包括以动态接收孔径效果函数把接收的回波信号加权的装置。
11.权利要求10的手持式超声诊断设备，其特征在于数字波束合成器包括多个通道，其中每个通道都包括一数字延迟设备，其中加权设备包括连接到每个数字延迟设备输出端的多路复用器。
12.权利要求1的手持式超声诊断设备，其特征在于换能器阵具有多个发射孔径，每个孔径包含一组相邻的换能器阵元，
其中一组所述的相邻换能器阵元中的每个阵元都连接到所述多个多路发射复用器中的一个不同的多路发射复用器，
由此在超声波序列发射期间，一组中的所有所述换能器利用所述的多个多路发射复用器激发。
13.权利要求1的手持式超声诊断设备，还包括多个多路接收复合器，它们都连接在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响应换能器孔径选择信号，从而把选定的换能器阵元接收的回波信号耦合到所述波束合成器，组合到超声波束中。
14.权利要求13的手持式超声诊断设备，其特征在于所述换能器阵具有多个接收孔径，每个接收孔径由一组相邻的换能器阵元组成，
其中，所述一组相邻的换能器阵元中的每个阵元都连接到所述多个多路接收复用器中的一个不同的多路接收复用器，
由此在超声扫描线接收期间，由一组换能器接收的回波信号都利用所述的多个多路接收复用器连接到所述的波束合成器。
15.权利要求13的手持式超声诊断设备，其特征在于多路接收复用器连接形成折叠接收孔径。
16.权利要求13的手持式超声诊断设备，其特征在于还包括带通滤波电路，该带通滤波电路被连接用于对由所述换能器阵的所述阵元接收的回波信号进行滤波。
17.权利要求1的手持式超声诊断设备，其特征在于所述收发电路使用N选一和一选M的结构设计，其中N是换能器通道数除以最大孔径尺寸，M是波束合成器的通道数。
18.权利要求1的手持式超声诊断设备，其特征在于换能器阵包括弧形换能器阵。
19.权利要求1的手持式超声诊断设备，该设备还包括：
波束合成集成电路芯片，包括：
多个A/D转换器，它们的一些输入端被连接用于从所述换能器阵接收信号；
多个数字延迟器，被连接用于接收所述A/D转换器产生的数字信号；以及
求和电路，被连接用于组合从所述数字延迟器来的数字信号。
20.权利要求19的手持式超声诊断设备，其特征在于波束合成集成电路芯片包括制作在一个集成电路芯片上的八个A/D转换器和八个数字延迟器。
21.权利要求19的手持式超声诊断设备，其特征在于波束合成集成电路芯片包括多组制作在一个集成电路芯片上的八个A/D转换器和八个数字延迟器。
22.权利要求19的手持式超声诊断设备，其特征在于在接收模式中所述换能器的节距增加了一倍。
23.权利要求22的手持式超声诊断设备，其特征在于在接收模式中栅瓣电平增加。
24.权利要求23的手持式超声诊断设备，其特征在于通过一个非周期孔径来减小所述栅瓣，其中所述非周期孔径把所述栅瓣效果混合成均匀的图案背景。
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