專利名稱：手持式超聲診斷儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)用超聲診斷系統(tǒng)，特別是涉及完全集成的手持式超聲診斷儀器。
眾所周知，現(xiàn)代的超聲診斷系統(tǒng)都是大且復(fù)雜的儀器。今日之高級(jí)超聲系統(tǒng)，盡管安裝在車上便于攜帶，但仍重達(dá)數(shù)百磅。過(guò)去，由本發(fā)明的受讓人Advanced Technology Laboratories公司制造的諸如ADR4000超聲系統(tǒng)等超聲系統(tǒng)都是小型的臺(tái)式裝置，大小與個(gè)人計(jì)算機(jī)相當(dāng)。但是，這類儀器缺少今日高級(jí)超聲系統(tǒng)的許多先進(jìn)性能，諸如彩色多普勒成像和三維顯示能力。隨著超聲系統(tǒng)已變得越來(lái)越專業(yè)化，它們也變得越笨重了。
但是，由于數(shù)字電子設(shè)備的密度進(jìn)一步增加，現(xiàn)在可以預(yù)見(jiàn)到將來(lái)的超聲系統(tǒng)的尺寸將進(jìn)一步縮小，使得比甚早期的同類系統(tǒng)還小。醫(yī)生們習(xí)慣于用電剃刀大小的手持式超聲掃描頭進(jìn)行工作。與所熟悉的掃描頭一致，能夠?qū)⒄麄€(gè)超聲系統(tǒng)壓縮成掃描頭大小的裝置將是有價(jià)值的。而這類超聲儀器保留盡可能多的當(dāng)今專業(yè)性超聲系統(tǒng)的各種性能，諸如消斑、彩色多普勒和三維成像能力，將是更有價(jià)值的。
根據(jù)本發(fā)明的原理，給出一個(gè)超聲診斷儀品，它在手持單元中呈現(xiàn)了高級(jí)超聲系統(tǒng)的許多性能。該儀器可被制成單一單元，或者在優(yōu)選實(shí)施方案中，該儀器是一個(gè)分為兩部分的單元，一部分包括換能器、成束器(beamformer)和圖象處理器，另一部分包括顯示器和這兩部分的電源。在這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)中，換能器/處理器單元可用一只手加以操縱，在這兩部分之間的纜線使得視頻顯示于顯示單元上，后一單元可手持或如此放置便于最佳地觀看超聲圖象。該纜線也為顯示單元的換能器/處理器單元提供能量。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，超聲系統(tǒng)從換能器直至視頻輸出被制造于四種專用集成電路上(ASIC)發(fā)送/接收ASIC，連接至陣列換能器的各元件；前端ASIC，執(zhí)行和控制形成束的發(fā)送和接收；數(shù)字信號(hào)處理ASIC，提供對(duì)超聲信號(hào)的處理諸如濾波等；和后端ASIC，接收處理過(guò)的超聲信號(hào)并生成超聲圖象數(shù)據(jù)。圖象可顯示于標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)視器或液晶顯示器(LCD)上。由于該單元的電子器件是一些ASIC，因而它們可以制造于單個(gè)的印刷電路板上，從而消除了通常由連接器和纜線帶來(lái)的一些問(wèn)題。該專業(yè)化的超聲儀器可制成為重量小于五磅的手持單元。附圖中

圖1給出構(gòu)成本發(fā)明的手持超聲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的框圖；圖2a和2b是封裝成單個(gè)單元的本發(fā)明手持超聲系統(tǒng)的正視和側(cè)視圖；圖3a和3b是本發(fā)明兩單元手持超聲系統(tǒng)的換能器單元的正視和側(cè)視圖；圖4給出兩單元封裝結(jié)構(gòu)的本發(fā)明手持超聲系統(tǒng)的兩個(gè)單元；圖5是圖1超聲系統(tǒng)的發(fā)送/接收ASIC的簡(jiǎn)圖；圖6是圖1超聲系統(tǒng)的前端ASIC的框圖；圖7給出發(fā)送/接收及前端ASIC提供的孔徑控制；圖8是圖1超聲系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理ASIC的框圖；圖9示意了用于去毛刺(flash suppression)的最小一最大濾波器；圖10a-10c是示意去毛刺處理器的操作的波形；圖11是數(shù)字信號(hào)處理ASIC的B模式處理的流程圖；圖12是數(shù)字信號(hào)處理ASIC的多普勒處理的流程圖；圖13是圖1超聲系統(tǒng)的后端ASIC的框圖；圖14示意了根據(jù)本發(fā)明的Rθ掃描轉(zhuǎn)換；圖15示意了掃描轉(zhuǎn)換器的掃描線插入；圖16是根據(jù)本發(fā)明的掃描轉(zhuǎn)換的另一示意；圖17a和17b示意了組合的B模式和多普勒?qǐng)D象；圖18示意了組合的B模式和多普勒掃描線；圖19和20使用兩維圖象幀示意了三維再現(xiàn)；圖21示意了在三維成像期間幀緩沖存儲(chǔ)器的分區(qū)情況；圖22是圖1超聲系統(tǒng)的用戶控制的圖表。
首先參看圖1，圖中給了本發(fā)明手持超聲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。只有經(jīng)過(guò)對(duì)各功能和性能的審慎選擇和對(duì)集成電路和超聲技術(shù)的有效利用，才可以使整個(gè)超聲系統(tǒng)封裝于單個(gè)的手持單元中。根據(jù)其固態(tài)、電子控制能力、可變孔徑、圖象性能和可靠性，選用換能器陣列10.可以使用平的或弧形線性陣列。在優(yōu)選實(shí)施方案中該陣列是弧形陣列，它給出一個(gè)寬扇形掃描場(chǎng)。盡管該優(yōu)選實(shí)施方案提供了充分的延遲能力以控制和聚焦諸如相控陣之類的平陣列，但是弧形陣列的幾何彎曲減少了對(duì)成束器的延遲要求。該陣列的各元件與發(fā)送/接收ASIC20相連，該發(fā)送/接收ASIC驅(qū)動(dòng)換能器元件并接收這些元件所接收的回波。發(fā)送/接收ASIC30也控制陣列10的發(fā)送和接收孔徑以及所接收回波信號(hào)的增益。發(fā)送/接收ASIC優(yōu)選地距各換能器元件數(shù)英寸之內(nèi)，優(yōu)選地在同一外殼內(nèi)，且恰好在換能器后。
發(fā)送/接收ASIC20接收的回波被送往相鄰的前端ASIC30，它將各換能器元件的回波成束為掃描線信號(hào)。前端ASIC30也控制發(fā)送波形、時(shí)序、孔徑和聚焦。在所示意實(shí)施方案中前端ASIC30提供用于其它ASIC的時(shí)序信號(hào)，時(shí)間增益控制，并且監(jiān)視和控制提供給換能器陣列的能量，由此控制提供給病人的聲能量并且使該單元的功率消耗最小。存儲(chǔ)器裝置32和前端ASIC30相連，它存放成束器所用的數(shù)據(jù)。
成束后的掃描線信號(hào)被從前端ASIC30耦合至相鄰的數(shù)字信號(hào)處理ASIC40。數(shù)字信號(hào)處理ASIC40對(duì)掃描線信號(hào)濾波，并且在該優(yōu)選實(shí)施方案中也提供數(shù)個(gè)先進(jìn)性能，包括合成孔徑形成，頻率復(fù)合，諸如功率多普勒(彩色功率管)處理的多普勒處理，和斑點(diǎn)抑制。
然后超聲B模式和多普勒信息被送往相鄰的后端ASIC50，用于掃描變換并產(chǎn)生視頻輸出信號(hào)。存儲(chǔ)器裝置42和后端ASIC50相連接以提供在三維功率多普勒(3DCPA)成像中所用的存儲(chǔ)空間。后端ASIC也把諸如時(shí)間、日期和病人標(biāo)識(shí)的字母數(shù)字混合信息加至顯示器。圖形處理器用諸如深度和聚焦標(biāo)號(hào)以及光標(biāo)等信息重疊在超聲圖象之上。在與后端ASIC50相連的視頻存儲(chǔ)器54內(nèi)存放了許多幀超聲圖象，它們可以被調(diào)用并且按現(xiàn)場(chǎng)的影像環(huán)(Cineloop)實(shí)時(shí)序列重放。在視頻輸出端可以得到各種制式的視頻信息，包括NTSC和PAL電視制式和用于LCD顯示器60或視頻監(jiān)視器的RGB驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
后端ASIC50也包括用于超聲系統(tǒng)的中央處理器，即RISC(精簡(jiǎn)指令集控制器)處理器。RISC處理器與前端和數(shù)字信號(hào)處理ASIC相連，控制并使整個(gè)手持單元的處理和控制功能同步。程序存儲(chǔ)器52與后端ASIC50相連，存放由RISC處理器用于操作和控制該單元的程序數(shù)據(jù)。后端ASIC50也與結(jié)構(gòu)為PCMCIA接口56的數(shù)據(jù)端相連。該接口允許其它模塊和功能可與手持超聲單元相連。接口56可連接至調(diào)制解調(diào)器或通信鏈路，以向遠(yuǎn)方發(fā)送或從遠(yuǎn)方接收超聲信息。該接口也可容納其它數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置，以向該單元添加新的功能，諸如超聲信息分析包。
RISC處理器也與單元的用戶控制70相連，接收用戶輸入指令以指導(dǎo)和控制手持超聲系統(tǒng)的操作。
手持超聲系統(tǒng)的能量在優(yōu)選實(shí)施方案中由充電電池提供。電池能量被貯存起來(lái)并由能量子系統(tǒng)80提供給單元的各組件。能量子系統(tǒng)80包括DC變換器，將低電池電壓變換成較高電壓，并將它提供給發(fā)送/接收ASIC20以驅(qū)動(dòng)換能器陣列10的各元件。
圖2a和2b給出用于容納圖1超聲系統(tǒng)的單塊單元80。該單元的前面示于圖2a中，包括一個(gè)含有LCD顯示器60的上部83。下部81包括表示為86的用戶控制。用戶控制允許用戶接通和關(guān)斷單元，選擇諸如模式(B模式或多普勒)、彩色多普勒扇區(qū)或幀率之類的操作特性，以及諸如三維顯示等特定功能。用戶控制也允許輸入時(shí)間、日期以及病人數(shù)據(jù)。圖中顯示為十字形的一個(gè)四路控制的作用如同操縱桿一般，用于操縱屏蔽上的光標(biāo)或從用戶菜單選擇各功能?；蛘呖梢杂檬髽?biāo)球或履帶塊，來(lái)提供光標(biāo)或多個(gè)方向上的其它控制?？刂破鞯膸讉€(gè)按鈕和開(kāi)關(guān)專用作特定功能，例如穩(wěn)定一幅圖象及存放與重放Cineloop存儲(chǔ)器的圖象序列。
在單元80底部是弧形換能器陣列10的孔徑84。使用時(shí)，換能器孔徑應(yīng)貼病人放置，以對(duì)病人進(jìn)行掃描，并且超聲圖象顯示于LCD顯示器60上。
圖2b是單元80的側(cè)視圖，給出單元的深度。單元大約20.3cm高，11.4cm寬，4.5cm深。該單元包括帶有弧形陣列換能器探頭的全能超聲系統(tǒng)的所有元件，其單一封裝重量小于5磅。該重量的大部分是裝于單元內(nèi)部的電池重量所致。
圖3和4給出第二種封裝形式，其中超聲系統(tǒng)裝于兩個(gè)分開(kāi)的部分內(nèi)。較低部分81包括換能器陣列，通向視頻信號(hào)輸出端的電子器件，以及用戶控制。該較低部分示于圖3a中，弧形換能器孔徑可見(jiàn)于底部。較低部分也示于圖3b的側(cè)視圖中。該較低部分尺寸大約為11.4cm高×9.8cm寬×2.5cm厚。該單元的重量與常規(guī)的超聲掃描頭相當(dāng)。該較低部分與圖4中所示的上部分83經(jīng)電纜90相連。上部分83包括LCD顯示器82和電池盒88.電纜90將較低單元81的視頻信號(hào)耦合至上部分以便顯示，并且從電池盒88為較低單元提供能量。該兩部分單元較好，因?yàn)橛脩艨梢园赐ǔ呙桀^的方式操縱較低單元和換能器84于病人身上，同時(shí)以一個(gè)方便的固定位置手持上單元，以便觀看。通過(guò)置電池盒于上單元中，較低單元的重量得以減輕，且易于在病人身上操縱。
其它系統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)便可一目了然。例如，前端ASIC30、數(shù)字信號(hào)處理ASIC40以及后端ASIC50可以置于共同的外殼內(nèi)，使前端ASIC的成束器可以與不同的陣列換能器相連。這使得不同的換能器可與數(shù)字成束器、數(shù)字濾波器用于不同診斷成像過(guò)程的圖象處理器一起使用。顯示器可置于三個(gè)ASIC所在的外殼內(nèi)，或者后端ASIC的輸出端可與一個(gè)單獨(dú)的顯示裝置相連。
現(xiàn)在參看圖5，圖中更為詳細(xì)地給出發(fā)送/接收ASIC20的結(jié)構(gòu)。該ASIC包括十六個(gè)部分，每一部分與陣列10的六個(gè)換能器元件相連。所示意部分20a在該圖的左側(cè)端子上與元件1、17、33、49、65和81相連。由于每部分有六個(gè)元件，整個(gè)ASIC可與一個(gè)96元件的換能器一起工作。每一部分可被布置成與例如八個(gè)元件一起工作，在此情況下ASIC可控制128個(gè)元件的換能器。對(duì)于某掃描線在傳輸超聲脈沖之前，來(lái)自前端ASIC30的串行數(shù)據(jù)流在時(shí)鐘作用下經(jīng)該圖的右側(cè)處的發(fā)送數(shù)據(jù)入和時(shí)鐘端輸入發(fā)送孔徑選擇邏輯206。發(fā)送孔徑選擇邏輯206使用該數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)置3∶1發(fā)送多路選通器(mux)208和210中用于對(duì)特定掃描線有效的換能器元件的多路開(kāi)關(guān)。例如，待發(fā)送的下一個(gè)掃描線可以有包括元件1-32的發(fā)送孔徑。這要求發(fā)送多路選通器208閉合某開(kāi)關(guān)，使脈沖發(fā)生器202連接至元件1端，發(fā)送多路選通器210閉合另一開(kāi)關(guān)，使脈沖發(fā)生器204與元件17端相連。類似地，該ASIC的其它十五個(gè)部件內(nèi)的發(fā)送多路選通器將使脈沖發(fā)生器與元件端2-16和18-32相連。
在所連接的元件1和17將被激活時(shí)，脈沖發(fā)生器202和204的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由前端ASIC施加至信號(hào)1入和信號(hào)2入端。對(duì)于單極脈沖發(fā)生器，驅(qū)動(dòng)信號(hào)可被施加至這些端子上，然后在適當(dāng)時(shí)刻由施加于使能1和使能2端的信號(hào)啟動(dòng)這些脈沖發(fā)生器?；蛘撸捎谇‘?dāng)時(shí)刻將互補(bǔ)的波形施加至這些成對(duì)端子上。這些驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為邏輯電平信號(hào)施加給脈沖發(fā)生器輸入端，然后通過(guò)施加被加至多路選通器208和210的高壓HV而被變換成高壓驅(qū)動(dòng)波形。也可以將脈沖發(fā)生器和多路選通器功能制成單個(gè)的單元，由此，這些多路選通器的每個(gè)開(kāi)關(guān)實(shí)際上便是一個(gè)高壓脈沖發(fā)生器。換句話說(shuō)，這意味著每個(gè)多路選通器將包括三個(gè)單獨(dú)控制的脈沖發(fā)生器。或者，可以除去發(fā)送多路選通器的輸入端處的兩個(gè)脈沖發(fā)生器，并由發(fā)送多路選通器輸出端處的六個(gè)脈沖發(fā)生器代替，但是所示意的實(shí)施方案便利地只需要兩個(gè)低壓脈沖發(fā)生器。繼續(xù)包括元件1-32的孔徑的例子，如果元件1位于孔徑的邊緣而元件17更靠近孔徑的中央，則元件1將在時(shí)間上比元件17早一些被加以脈沖，以產(chǎn)生聚焦的發(fā)送超聲波形。
在該掃描線的發(fā)送之前，來(lái)自前端ASIC的一個(gè)數(shù)字型數(shù)據(jù)流在時(shí)鐘作用下經(jīng)與邏輯214相連的接收數(shù)據(jù)入和時(shí)鐘端輸入接收孔徑選擇邏輯214。接收孔徑選擇邏輯使用于恰當(dāng)接收孔徑的6∶1接收多路選通器212和1∶8接收多路選通器218內(nèi)的開(kāi)關(guān)閉合。類似于發(fā)送孔徑選擇邏輯，接收孔徑選擇邏輯包括緩沖存儲(chǔ)，使得與該ASIC正接收當(dāng)前掃描線的回波的同時(shí)可以接收用于下一掃描線的數(shù)據(jù)。所例示的實(shí)施方案是為一個(gè)十六個(gè)元件折疊成的接收孔徑而設(shè)計(jì)的，由1∶8接收多路選通器218的輸出端處的八個(gè)數(shù)據(jù)總線線路表示。6∶1接收多路選通器212的輸入端與部分201的六個(gè)元件端相連，并且通過(guò)在多路選通器輸入端集成發(fā)送/接收網(wǎng)絡(luò)而免受大的驅(qū)動(dòng)電壓的影響。接收孔徑選擇邏輯214使多路選通器212的一個(gè)輸入端與多路選擇器輸出端相連，并且從所選擇元件接收的信號(hào)被送給第一時(shí)間增益控制(TGC)放大器216。該TGC放大器的增益由施加至該ASIC的TGC控制端的控制信號(hào)加以控制。放大器216提供的放大倍數(shù)按通常方式隨著回波接收深度的增加而增加。放大后的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)1∶8接收多路選通器218的切換而連接至數(shù)據(jù)總線線路220之一。
數(shù)據(jù)總線220的每根線與該ASIC上的每個(gè)1∶8接收多路選通器的同一對(duì)應(yīng)輸出端相連。多路選通器218的各輸出端記為1-8。每個(gè)1∶8接收多路選通器的輸出端1被連接至同一根數(shù)據(jù)線；每個(gè)1∶8接收多路選通器的輸出端2與數(shù)據(jù)總線的另一根線相連；如此等等。優(yōu)選實(shí)施方案系統(tǒng)使用十六個(gè)元件折疊成的孔徑，各掃描線垂直于換能器發(fā)送。這意味著，該孔徑的兩個(gè)元件在操作中將具有相同的接收相位；接收孔徑的十六個(gè)元件將配成對(duì)，共有八個(gè)接收相位。例如，如果所接收的掃描線位于包括元件1-16的一個(gè)孔徑的中心，則元件1和16將有相同的接收時(shí)序。由元件1接收的回波將通過(guò)多路選通器212被連接，由TGC放大器216放大，經(jīng)過(guò)多路選通器218連接，并在多路選通器218的輸出端8產(chǎn)生一個(gè)電流輸出。同時(shí)，由元件16接收的回波將經(jīng)過(guò)該ASIC的另一部分的各多路選通器被連接，同樣地由另一個(gè)TGC放大器放大，并且于另一個(gè)1∶8接收多路選通器的輸出端8處產(chǎn)生一個(gè)電流輸出。這兩個(gè)電流憑借折疊的孔徑而具有相同相位，并且在與接收多路選通器的輸出端8相連的數(shù)據(jù)線上合并.
每個(gè)數(shù)據(jù)線上的電流由諸如以222表示的濾波器網(wǎng)絡(luò)濾波并轉(zhuǎn)換成電壓。在優(yōu)選實(shí)施方案中濾波器網(wǎng)絡(luò)222位于該ASIC的外部并與其中一個(gè)端子相連，以便可以容易地選擇和改變其各元件以及其濾波性能。濾波性能是一個(gè)帶通特性，經(jīng)選擇與換能器的通帶相匹配。例如，對(duì)于3.5MHz的換能器，通帶可從1.5MHz延伸至5.5MHz。該濾波器通過(guò)濾波器阻抗與一電流源相連，使電流信號(hào)變換成單一電壓。該電壓經(jīng)另一(或同一)ASIC端子重新進(jìn)入該ASIC，并施加于第二TGC放大器224的輸入端。使用兩個(gè)TGC放大器使得兩個(gè)級(jí)聯(lián)放大器能夠工作在較寬動(dòng)態(tài)范圍上。在所例示的實(shí)施方案中單個(gè)的TGC控制將相同的控制特性施加于TGC放大器216和224上，但是也可以向這兩個(gè)放大器分別施加不同的TGC特性。放大后的回波信號(hào)被送至該ASIC的最后輸出端，在該處它們由帶通濾波器226濾波，并于前端ASIC的成束器的輸入端處送至模數(shù)(A/D)變換器。
發(fā)送/接收ASIC20的分離部分可以包含于各個(gè)ASIC內(nèi)，或加以組合使得幾個(gè)部分均被集成于同一ASIC上。所有十六個(gè)部分優(yōu)選集成于單一ASIC芯片中。
這樣可以看到，在優(yōu)選實(shí)施方案中，發(fā)送/接收ASIC20采用一個(gè)96元件的換能器陣列工作，并且使用32個(gè)元件的發(fā)送孔徑以及16個(gè)元件折疊成的接收孔徑。對(duì)于采用如下所討論的合成孔徑，系統(tǒng)在發(fā)送和接收均呈現(xiàn)出一個(gè)32元件的孔徑。
前端ASIC30的細(xì)節(jié)表示于圖6中，該圖給出前端ASIC30的一部分30a，前端ASIC有八個(gè)這類的部分，將發(fā)送/接收ASIC20的八個(gè)輸出形成射束。各回波信號(hào)輸出端與A/D變換器310的輸入端相連，回波信號(hào)經(jīng)A/D變換器變換成數(shù)字信號(hào)，各元件(或在折疊的孔徑中各對(duì)元件)的數(shù)字信號(hào)通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)A/D CLK的作用移入到先進(jìn)先出(FIFO)寄存器312內(nèi)。A/D CLK信號(hào)由動(dòng)態(tài)聚焦時(shí)序電路314提供，該時(shí)序電路314將時(shí)鐘信號(hào)的啟動(dòng)推遲以提供一個(gè)初始延遲，然后控制信號(hào)采樣時(shí)間以對(duì)所接收的回波信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚焦。FIFO寄存器312的長(zhǎng)度由該初始延遲，換能器中心頻率，孔徑大小，陣列的曲率，以及聲束方向控制要求等確定。例如，較高的中心頻率和弧形陣列將減少延遲要求，并進(jìn)而減少FIFO寄存器的長(zhǎng)度.延遲后的回波信號(hào)從FIFO寄存器312出來(lái)后便被送往乘法器316，在該處回波信號(hào)被存放在動(dòng)態(tài)加權(quán)寄存器318中的動(dòng)態(tài)加權(quán)值加權(quán)。動(dòng)態(tài)加權(quán)值對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，以便在計(jì)入動(dòng)態(tài)接收孔徑的影響之后對(duì)回波信號(hào)歸一化，隨著回波從沿掃描線增加的深度所接收，動(dòng)態(tài)接收孔徑也因加入另外的外側(cè)元件而延展。然后延遲且加權(quán)后的回波信號(hào)與其它元件的適當(dāng)延遲和加權(quán)后的回波信號(hào)以及級(jí)聯(lián)連接的任何其它的延遲級(jí)的回波信號(hào)經(jīng)求和電路320相加。成束后的回波信號(hào)與同步溢出位一起生成輸出掃描線數(shù)據(jù)，并送入RF數(shù)據(jù)總線。伴隨掃描線回波信號(hào)的每一個(gè)序列的是該ASIC上的RF標(biāo)題序列發(fā)生器提供的識(shí)別信息，它辨別生成的掃描線數(shù)據(jù)的類型。例如，RF標(biāo)題可以辨別掃描線為B模數(shù)回波數(shù)據(jù)或多普勒數(shù)據(jù)。
如果需要，可以用其它數(shù)字存儲(chǔ)裝置提供成束器延遲。可以用雙端的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器來(lái)存放所接收的數(shù)字回波樣本，然后這些樣本按一定時(shí)間或序列從存儲(chǔ)器中讀出，所說(shuō)時(shí)間或序列為各換能器元件的信號(hào)提供所需的延遲。
前端ASIC的每個(gè)部分30a包括用于該陣列四個(gè)換能器元件的發(fā)送控制電路302-308。那么八個(gè)部分即可以同時(shí)對(duì)陣列的32個(gè)元件提供發(fā)送控制，由此確定最大的發(fā)送孔徑。發(fā)送控制電路以所需的發(fā)送頻率生成波形，并且啟動(dòng)于適當(dāng)時(shí)間激勵(lì)脈沖發(fā)生器的信號(hào)，以生成于所需深度處聚焦的發(fā)送的聲信號(hào)。
前端ASIC包括對(duì)發(fā)送和接收功能提供全面控制的公用控制部分330。該控制部分330由位于后端ASIC的RISC處理器控制并且在其控制下接收數(shù)據(jù).某個(gè)特定圖象幀的數(shù)據(jù)表存放于隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)32中，在RISC處理器的支配下載入控制部分330.控制部分330包括用于發(fā)送和接收功能的順序的一些序列發(fā)生器。幀序列發(fā)生器332生成被其它序列發(fā)生器使用的、辨別待生成的圖象幀的類型的信息。例如，幀序列發(fā)生器可以裝有這樣的數(shù)據(jù)，它將下一幀定義成散置于以四個(gè)多普勒掃描線為一組的各組之間的B模數(shù)掃描線，并且掃描線的順序是所有偶數(shù)掃描線跟隨在所有奇數(shù)掃描線之后。該信息被送往線序列發(fā)生器334，它控制按正確順序發(fā)送和接收的掃描線.為準(zhǔn)備一個(gè)新的掃描線，線序列發(fā)生器控制TGC序列發(fā)生器336，使之能夠產(chǎn)生TGC控制數(shù)據(jù)所需的序列。來(lái)自TGC序列發(fā)生器的TGC控制數(shù)據(jù)由數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)338轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并被送往發(fā)送/接收ASIC20的TGC控制輸入端。線序列發(fā)生器334也控制串行總線序列發(fā)生器340，該發(fā)生器340為發(fā)送/接收ASIC上的發(fā)送和接收孔徑選擇邏輯電路306和214在串行總線上產(chǎn)生串行數(shù)據(jù)。接收/發(fā)送(RT)寄存器加載器342控制用于新的掃描線的數(shù)據(jù)加載到這兩個(gè)ASIC的各個(gè)寄存器中的過(guò)程，所說(shuō)寄存器包括孔徑選擇邏輯電路206和214，發(fā)送控制電路302-308，動(dòng)態(tài)聚焦時(shí)序電路314和動(dòng)態(tài)加權(quán)寄存器318。所有執(zhí)行實(shí)時(shí)功能的寄存器均是雙倍緩沖。如前所討論，各寄存器都是經(jīng)過(guò)緩沖的，使得控制數(shù)據(jù)可置于串行總線之上，并于控制數(shù)據(jù)被使用的掃描線之前的那條線期間載入到各寄存器中。
前端ASIC30包括電流監(jiān)視電路346，該電路用A/D轉(zhuǎn)換器348對(duì)HV總線上的電流采樣。由于在檢測(cè)到過(guò)大電流值的情況下電流監(jiān)視器減少或完全切斷高壓電源，由此使病人免受過(guò)熱換能器或難以接受的高聲輸出值的影響，從而確保了病人的安全。
前端ASIC在其控制部分包括時(shí)鐘生成器350，它生成若干個(gè)同步時(shí)鐘信號(hào)，系統(tǒng)的全部操作均與之同步。為避免系統(tǒng)的緊密分布的各裝置之間出現(xiàn)干擾和相互影響，掃描線發(fā)送頻率與視頻輸出信號(hào)頻率同步，因此一個(gè)頻率的諧波不會(huì)在其它頻率處產(chǎn)生干擾分量。一個(gè)(未示出的)晶體振蕩器與前端ASIC30相連，以提供諸如60MHz的高頻基準(zhǔn)，由此生成系統(tǒng)的所有時(shí)鐘信號(hào)。
發(fā)送/接收和前端ASIC20和30由32個(gè)元件的弧形陣列生成合成折疊孔徑的操作結(jié)合圖7加以說(shuō)明。在該圖中，各ASIC正控制包括32個(gè)元件的換能器孔徑，這32個(gè)元件是弧形陣列10的標(biāo)號(hào)由25至32然后由1至24的元件。匯集整個(gè)孔徑的掃描線信息需要由全部32個(gè)元件組成兩個(gè)發(fā)送序列。為了進(jìn)行發(fā)送，線序列發(fā)生器334、串行總線序列發(fā)生器340、以及RT寄存器加載器342將正確的發(fā)送多路選通器數(shù)據(jù)裝入到前端ASIC上的十六個(gè)發(fā)送孔徑選擇邏輯電路206和32個(gè)發(fā)送控制器。然后孔徑選擇邏輯控制32個(gè)發(fā)送多路選通器，使脈沖發(fā)生器和標(biāo)號(hào)為25-32及1-14的元件即所需發(fā)送孔徑相連。脈沖發(fā)生器由發(fā)送控制電路控制產(chǎn)生脈沖，從而產(chǎn)生聚焦于圖7的點(diǎn)F處的聲波。
在第一脈沖發(fā)送之后，回波由中間的一組標(biāo)號(hào)為1-16的元件所接收，這些元件于此時(shí)被十六個(gè)6∶1接收多路選通器和1∶8接收多路選通器連接到8個(gè)輸出數(shù)據(jù)線。當(dāng)十六個(gè)接收信號(hào)經(jīng)過(guò)初始TGC放大器時(shí)它們是分離的，其中八個(gè)TGC放大器在圖7中位于216′所表示的一行中。然后相同相位的信號(hào)根據(jù)折疊孔徑成對(duì)地混合，在折疊孔徑處各對(duì)線一起出現(xiàn)于成束器延遲線的輸入端，圖7中以370表示了四個(gè)這樣的成束器延遲線。在所例示的實(shí)例中，掃描線360從元件8和9之間的陣列孔徑的中心延伸。這意味著元件8和9所接收的回波信號(hào)同相，并可以混合。類似地，成對(duì)的元件7和10、成對(duì)的元件6和11、成對(duì)的元件5和12也可以混合。這樣，在第一發(fā)送脈沖之后，元件1-16所接收的回波被八個(gè)延遲FIFO所延遲并且由求和電路320相加。然后該半徑被存放起來(lái)，以接收另一半孔徑。
另一個(gè)聲脈沖由該孔徑的所有32個(gè)元件發(fā)送。在該第二脈沖之后，接收多路選通器將元件25-32及17-24的回波連接至成束器。根據(jù)折疊孔徑的對(duì)稱性，來(lái)自元件32的回波和來(lái)自元件17的回波配對(duì)，且將這兩個(gè)回波混合。同樣，元件31的回波和元件18的回波配對(duì)，如此等等，直至位于最邊緣的一對(duì)元件25和24。
這十六個(gè)接收回波，在由折疊孔徑配對(duì)成八個(gè)信號(hào)之后，由八個(gè)延遲FIFO適當(dāng)延時(shí)并且相加以形成掃描線的另一半孔徑。這兩部分孔徑作為回波分量沿這兩個(gè)序列的掃描線的位置的函數(shù)進(jìn)行相加。這樣，通過(guò)分別地接收孔徑的內(nèi)十六個(gè)元件的回波以及外十六個(gè)元件的回波并且加以混合，一個(gè)完整的孔徑即得以形成。通過(guò)在兩次接收間隔期間保持TGC控制的相同狀態(tài)，可以生成一個(gè)精確成束的合成孔徑信號(hào)。動(dòng)態(tài)加權(quán)和動(dòng)態(tài)聚焦對(duì)兩個(gè)接收序列的影響不同，這是由于在兩個(gè)序列期間接收元件在孔徑上的位置不同。由于從一個(gè)序列到另一個(gè)序列接收元件沿孔徑的位置不同，在兩個(gè)序列期間FIFO所施加的延遲也不同。
參照?qǐng)D8，其中示出數(shù)字信號(hào)處理ASIC 40的框圖。來(lái)自前端ASIC30的掃描線信號(hào)被一個(gè)歸一化電路接收，在該電路中它們與系數(shù)存儲(chǔ)器408提供的可變系數(shù)相乘，以對(duì)于孔徑變化歸一化所接收的信號(hào)。當(dāng)換能器正以淺深度沿掃描線接收信號(hào)時(shí)，為了接收回波信號(hào)使用一個(gè)相對(duì)小的孔徑，諸如四個(gè)或八個(gè)換能器元件組成的孔徑。當(dāng)沿掃描線的接收深度增加時(shí)，孔徑逐漸增大，使得整個(gè)32元件的孔徑被用于最大深度。歸一化電路將基于孔徑變化的范圍，使所接收的掃描線信號(hào)與諸如因子四或八之類的適當(dāng)系數(shù)相乘，以便對(duì)于該孔徑變化影響將這些信號(hào)歸一化。
當(dāng)超聲系數(shù)按B模式進(jìn)行操作來(lái)形成組織和器官的結(jié)構(gòu)性圖象時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器按圖11所示流程圖進(jìn)行操作。在圖8中歸一化的回波信號(hào)遵循著兩個(gè)路徑，其中之一與四倍乘濾波器412相連，另一路徑經(jīng)多路選通器422與第二四倍乘濾波器414相連。每個(gè)倍乘濾波器包括起FIR(有限脈沖響應(yīng))濾波器作用的乘法器和累加器。掃描線回波信號(hào)順序地移入到乘法器中，與系數(shù)存儲(chǔ)器408提供的系數(shù)相乘，所得乘積在位于該乘法器輸出端處的累加器中進(jìn)行累加。用于濾波器412的系數(shù)被選成為使回波信號(hào)與一個(gè)余弦函數(shù)相乘，用于濾波器414的系數(shù)被選成為使回波信號(hào)與一正弦函數(shù)相乘，為I和Q正交信號(hào)檢測(cè)作準(zhǔn)備。這些四倍乘濾波器按速率低于乘法器的輸入速率的速度生成累加后的信號(hào)，由此進(jìn)行抽取(decimation)帶通濾波。當(dāng)信號(hào)帶寬超過(guò)顯示監(jiān)視器的顯示帶寬時(shí)，由于混疊使得圖象各行閃爍。抽取濾波的設(shè)計(jì)目的在于減少信號(hào)帶寬以及數(shù)據(jù)速率以匹配于監(jiān)視器的顯示帶寬。通過(guò)向乘法器提供一系列輸入信號(hào)和系數(shù)并且累加中間積，濾波器的有效長(zhǎng)度可被增加。例如，輸入信號(hào)1-8可連續(xù)地由第四倍乘器加權(quán)且乘積在第四累加器中累加；輸入信號(hào)3-10可由第三倍乘器加權(quán)且乘積在第三累加器中累加；輸入信號(hào)5-12可由第二乘法器加權(quán)，乘積在第二累加器中累加；輸入信號(hào)7-14可由第一乘法器加權(quán)，乘積在第一累加器中累加。由此數(shù)據(jù)速率被抽取為其一半，而且各乘法器和累加器實(shí)際上起八抽頭濾波器的作用。這樣可以看到濾波器的實(shí)際抽頭數(shù)是乘法器數(shù)(本例中為四)和抽取率(本例中為二)的乘積。
此外，該濾波器通過(guò)其帶寬限制作用減少了射頻噪聲和量化噪聲。在濾波器412和414的輸出端處產(chǎn)生I和Q回波信號(hào)樣本，如果需要，由增益級(jí)416和418的乘法器加以放大，然后存于射頻存儲(chǔ)器420中。Q樣本經(jīng)多路選通器426存于射頻存儲(chǔ)器中。
當(dāng)待形成合成孔徑圖象時(shí)，來(lái)自孔徑的第一部分的掃描線的I和Q樣本(見(jiàn)上述對(duì)圖7的討論)存于射頻存儲(chǔ)器中，直至接收到來(lái)自孔徑另一半的I和Q樣本。當(dāng)從第二部分孔徑接收到樣本時(shí)，這些樣本與其空間對(duì)應(yīng)的相應(yīng)物經(jīng)加法器424被混合。該存儲(chǔ)器的大小由于存放經(jīng)抽取濾波后的孔徑信號(hào)而被保持為最小，這使得需要用于存放掃描線信號(hào)樣本的存儲(chǔ)器大小減少。
在用于整個(gè)孔徑的I和Q樣本已形成后，回波信號(hào)從加法器424被連接至檢測(cè)和壓縮電路428。該電路包括兩個(gè)移位寄存器和一個(gè)乘法器，據(jù)此形成一個(gè)CORDIC處理器，用于執(zhí)行形如(I2+Q2)1/2的包絡(luò)線檢測(cè)。例如可參見(jiàn)J.E.Volder發(fā)表于IRE Trans.On Elect.Computers(1959年九月)上的“CORDIC三角計(jì)算方法”。所檢測(cè)到的信號(hào)被壓縮并換算，使所檢測(cè)的信號(hào)被映射到顯示灰度級(jí)的所需范圍內(nèi)。
在檢測(cè)和壓縮映射之后，這些灰度級(jí)信號(hào)在FIR濾波器432中作低通濾波，然后存放于圖象幀存儲(chǔ)器430中。如果所選的掃描模式利用單個(gè)發(fā)送焦點(diǎn)，則灰度級(jí)信號(hào)被送往后端ASIC50，以進(jìn)行掃描變換。在離開(kāi)ASIC40之前，灰度級(jí)信號(hào)可以被無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器436幀平均，IIR濾波器436利用圖象幀存儲(chǔ)器430作為幀緩沖器并且包含一個(gè)乘法器和兩個(gè)加法器，以實(shí)行形為Fout＝(1-α)Fout-1+αFnew＝Fout-1+α(Fnew-Fout-1)的逐幀平均。這里乘法器系數(shù)是α。如果系數(shù)是一個(gè)二進(jìn)制數(shù)(例如0.5，0.25，0.125)則Fout可由一次加法-移位-加法操作獲得。
如果使用多個(gè)聚焦區(qū)，則各接收的掃描線段被存放于射頻存儲(chǔ)器420中，直至來(lái)自整個(gè)顯示深度的掃描線段都被接收為止。優(yōu)選地，一個(gè)完整聚焦區(qū)的掃描線段的獲取是在發(fā)送和接收來(lái)自另一聚焦區(qū)的段之前。當(dāng)一個(gè)掃描線的所有段都被獲得之后，從存儲(chǔ)器中讀出每個(gè)完整的掃描線，并由FIR濾波器432對(duì)之進(jìn)行濾波，該FIR濾波器432對(duì)段之間的邊界進(jìn)行平滑以獲得更合意、無(wú)人工痕跡的圖象。
如果多區(qū)聚焦和合成孔徑都被采用，那么該孔徑的兩部分的掃描線段均是在整個(gè)聚焦區(qū)上接收，并且存儲(chǔ)于射頻存儲(chǔ)器420內(nèi)。然后相應(yīng)的掃描線段從其它的聚焦區(qū)接收，并與來(lái)自第一接收聚焦區(qū)的段結(jié)合。然后所完成的掃描線被FIR濾波器432濾波，使各段之間的邊界平滑。
用戶可以選擇用某些圖象增強(qiáng)特征處理灰度級(jí)圖象，這些增強(qiáng)特征包括與深度有關(guān)的濾波或去斑，諸如美國(guó)專利4,561,019中描述的頻率復(fù)合技術(shù)。這些可選的處理技術(shù)使得采用濾波器412和414成為必要，以便分別地對(duì)各掃描線信號(hào)進(jìn)行帶通濾波并且以絕對(duì)值檢測(cè)代替正交檢測(cè)。在進(jìn)行與深度有關(guān)的濾波時(shí)，所接收的回波信號(hào)與濾波器412和414中的余弦函數(shù)相乘，但是系數(shù)如此選擇使得一個(gè)濾波器在高通帶產(chǎn)生輸出信號(hào)，而另一濾波器則在低的通帶產(chǎn)生輸出信號(hào)。由這兩個(gè)濾波器生成的輸出信號(hào)的形式為I1＝h1(t)coswHt及I2＝h2(t)coswLt。這兩個(gè)輸出信號(hào)在增益級(jí)416和418由互補(bǔ)的時(shí)變?cè)鲆婵刂坪瘮?shù)加以放大。高頻通帶信號(hào)I1初始的放大倍數(shù)較大，然后隨著所接收回波信號(hào)的深度沿掃描線增大該增益被減小。相反地，低頻通帶信號(hào)I2起始是一個(gè)低電平，然后隨著高頻增益衰減它被按隨深度增加的方式放大。這樣，淺深度處的信號(hào)呈現(xiàn)一個(gè)相對(duì)高的通帶，而來(lái)自較深深度的信號(hào)將通過(guò)相對(duì)較低的通帶，這使得較大深度處的高頻噪聲得以降低。在電路428的CORDIC處理器內(nèi)的檢測(cè)采用絕對(duì)值檢測(cè)進(jìn)行，將I1和I2平方，然后對(duì)結(jié)果求和。在求和之后，信號(hào)被對(duì)數(shù)壓縮，以獲得所需灰度級(jí)映射特性。或者，通過(guò)分離的通帶的信號(hào)由加法器424相加，然后在檢測(cè)和壓縮電路428內(nèi)被絕對(duì)值檢測(cè)所檢測(cè)并且被映射。
可以采用相同的處理器通過(guò)頻率復(fù)合技術(shù)提供去斑功能。選擇濾波器412、414之一的系數(shù)使得在高頻通帶對(duì)所接收的信號(hào)濾波，選擇其它濾波器的系數(shù)使得在鄰接的低頻通帶對(duì)所接收信號(hào)進(jìn)行濾波。選擇增益級(jí)416、418的系數(shù)，使這兩個(gè)通帶的響應(yīng)均等。高和低通帶的信號(hào)被耦合至檢測(cè)和壓縮電路，在該處通過(guò)如上所述的絕對(duì)值檢測(cè)單獨(dú)地對(duì)各通帶進(jìn)行檢測(cè)，然后檢測(cè)后的信號(hào)被對(duì)數(shù)壓縮以獲得所需的灰度級(jí)映射特性，并且在空間上相加。
用于功率多普勒(CPA)顯示的多普勒回波信號(hào)的處理過(guò)程示于圖8及圖12的流程圖中。反復(fù)地，例如八次，對(duì)各掃描線矢徑進(jìn)行掃描，以便沿該矢徑調(diào)集多普勒信息的一個(gè)集合?；夭ㄐ盘?hào)的每個(gè)接收的掃描線由歸一化電路410進(jìn)行歸一化并且在濾波器412中進(jìn)行抽取帶通濾波。該集合的每個(gè)掃描線均被存放于射頻存儲(chǔ)器420中直至已對(duì)一個(gè)完整的集合進(jìn)行了累加。每個(gè)集合的掃描線經(jīng)多路選通器422耦合至四倍乘濾波器414，該濾波器進(jìn)行wall濾波并通過(guò)矩陣濾波進(jìn)行多普勒功率估計(jì)。wall濾波是通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)某朔ㄆ飨禂?shù)來(lái)進(jìn)行的，而矩陣濾波則具有形式y(tǒng)1y2y3...yn=a11a12a13…a1nb11b12b13…b1nc11c12c13…c1n............z11z12z13…z1n·x1x2x3...xn]]>這里x1…xn是來(lái)自掃描線集合的空間準(zhǔn)直信號(hào)，y1…yn是輸出多普勒值。在一優(yōu)選實(shí)施方案中，采用一個(gè)四倍乘濾波器進(jìn)行矩陣濾波，而且濾波是順序且遞增實(shí)施的。中間積按上述進(jìn)行了累加，由此延伸了濾波器長(zhǎng)度。例如，在用四倍乘濾波器處理上述矩陣時(shí)，初始形成中間積a11x1+a12x2+a13x3+a14x4，并在累加器中相加。然后乘法器形成積a15x5+a16x6+a17x7+a18x8，并在累加器中與此前計(jì)算的中間積相加。通過(guò)如此累加中間積，四倍乘法器和累加器可延伸為任意所需長(zhǎng)度的濾波器，僅受實(shí)際可行的最大處理時(shí)間限制。多普勒值經(jīng)增益級(jí)418和多路選通器426連接至檢測(cè)和壓縮電路428，在該處通過(guò)絕對(duì)值檢測(cè)，檢測(cè)到沿掃描線每個(gè)回波位置處的多普勒信號(hào)幅值，絕對(duì)值檢測(cè)的形式為y=Σn1-nyn2]]>然后使用檢測(cè)和壓縮電路428的CCRDIC處理器將多普勒值Y壓縮并作比較換算。
一旦多普勒信號(hào)幅值已被檢測(cè)到并經(jīng)FIR濾波器432濾波，所得到的值被空間存儲(chǔ)，而圖象干擾信號(hào)則由消除被顯示信號(hào)中大的逐幀變化的毛刺抑制處理器434消去。毛刺抑制處理的優(yōu)選技術(shù)是min-man濾波，如圖9的毛刺抑制處理器的詳細(xì)圖解所示。Min-max濾波，形態(tài)濾波的一種，只對(duì)一個(gè)多普勒?qǐng)D象幀序列的瞬態(tài)信號(hào)進(jìn)行的。圖9示意了在某特定樣本容積(Volume)位置處對(duì)瞬態(tài)數(shù)據(jù)處理的過(guò)程，將正在處理的幀標(biāo)記為幀F(xiàn)n-1。當(dāng)接收到一個(gè)來(lái)自新幀F(xiàn)n的多普勒信號(hào)時(shí)，將該信號(hào)與前一幀F(xiàn)n-1的值相比較，兩者的最小值由最小選擇器630選擇。該最小值Min1表示為Min1(Fn，F(xiàn)n-1)。該最小值Min1與存于圖象緩沖器A中的此前選定的最小值Min2(Fn-1，F(xiàn)n-2)相比較，這兩個(gè)值的最大者由最大值選擇器636選擇。由此，該選擇器636選擇兩個(gè)最小值中的最大值，表示為min-max值。該min-max值由減法器638減去當(dāng)前幀F(xiàn)n-1的多普勒信號(hào)值。比較器640將該差值與信號(hào)偏差閾值T進(jìn)行比較。如果差值超過(guò)閾值T，則比較器640生成min-max值代替當(dāng)前幀的多普勒信號(hào)值。如果差值并未超過(guò)閾值T，則使用當(dāng)前幀值Fn-1。當(dāng)該選擇進(jìn)行之后，Min1值代替前Min2值鎖存入圖象緩沖器A中，新幀值Fn鎖存入圖象緩沖器B，對(duì)于當(dāng)前幀中的其它樣本容積位置繼續(xù)該過(guò)程，然后是下一幀。
考慮下面的多普勒信號(hào)值序列(1)也許有助于理解該處理過(guò)程，該序列是在一給定樣本容積位置處隨著時(shí)間推移所接收到的0，1，2，15，7，4，8，5，7，25，8(1)這里第一值0是幀F(xiàn)n的值，第二值1是幀F(xiàn)n-1的。當(dāng)對(duì)一對(duì)連續(xù)值檢查兩個(gè)值中最小值時(shí)，即得出下列最小值序列(2)0，1，2，15，7，4，8，5，7，25，8(1)0，1，2，7，4，4，5，5，7，8 (2)這表明序列(1)的前兩個(gè)值0和1的最小值為0，這也是序列(2)中的第一值。序列(1)的第二和三值1和2的最小值為1，即序列2的第二個(gè)值。序列(1)的第三和第四值2和15有最小值2，即最小值序列(2)的第三個(gè)值。然后對(duì)最小值序列(2)中的連續(xù)值進(jìn)行比較，以確定這兩者中的最大值，如min-max序列(3)所示0，1，2，15，7，4，8，5，7，25，8(1)0，1，2，7，4，4，5，5，7，8 (2)1，2，7，7，4，5，5，7，8(3)這樣可以看到該最小值序列的前兩個(gè)值0和1有最大值1，即min-max序列(3)中的第一個(gè)值。最小值1和2的最大值為2，最小值2和7的最大值7，依次類推。
從min-max序列(3)可以看到，第一序列的第四、七和十值的突然偏移15、8和25在min-max序列中已被消去。在例示實(shí)施方案中，當(dāng)前值與min-max值的差與閾值相比較，如果差值超過(guò)閾值則使用min-max值。在該數(shù)值實(shí)例中，該差值是第一和第三序列的差。如果所用的閾值是例如6，則15和25的每個(gè)偏移在處理器輸出中將由min-max值代替。其它情況下將沿用原始值。
對(duì)于信號(hào)變化在預(yù)期范圍之內(nèi)的情況，上述的min-max處理將采用所接收的多普勒信號(hào)，但對(duì)于突發(fā)性信號(hào)偏移應(yīng)代以min-max值以進(jìn)行平滑，如圖10所示。圖10a給出多普勒?qǐng)D象內(nèi)一給定位置處的信號(hào)值的序列650。序列650中摻雜有突發(fā)偏移642、644及646，這些突發(fā)偏移是猝發(fā)(掃描頭運(yùn)動(dòng))或其它噪聲源的產(chǎn)物。圖9的min-max濾波器將min-max值代替這些不希望有的偏移，如圖10b中不希望有的偏移之下的以信號(hào)序列650′表示的實(shí)線。由于不希望有的偏移由min-max值代替，圖10c給出經(jīng)處理便于顯示的信號(hào)電平序列650′。min-max處理器的一個(gè)好處在于它僅對(duì)正的偏移起作用。代表多普勒功率的局部瞬時(shí)變化的局部峰和谷均由該濾波技術(shù)予以保留。
圖像幀存儲(chǔ)器430能夠存放灰度級(jí)幀或者功率多普勒幀。各幀可由IIR濾波器436瞬時(shí)濾波，該IIR濾波器436如前所述逐點(diǎn)地進(jìn)行幀平均。然后經(jīng)瞬時(shí)濾波的圖象信息被送往后端ASIC50，以進(jìn)行掃描變換及顯示。
操作數(shù)字信號(hào)處理ASIC40以便分別進(jìn)行B模式(兩維)回波和多普勒處理的過(guò)程分別概述于圖11和12的流程圖中。圖11和12各流程圖塊中的數(shù)值指的是圖8的該ASIC框圖的標(biāo)以數(shù)值的處理器。
數(shù)字信號(hào)處理ASIC的圖象幀存儲(chǔ)器430與下文討論的后端ASIC的幀緩沖存儲(chǔ)器共享同一結(jié)構(gòu)及實(shí)施工藝。為利用該共同性及因此而產(chǎn)生的ASIC制造和密度上的效能，圖像幀存儲(chǔ)器430及其相關(guān)的去毛刺處理器434及IIR濾波器436可置于后端ASIC50中，由此在FIR-432的輸出端處劃分?jǐn)?shù)字信號(hào)處理ASIC及后端ASIC。
參看圖13，其中給出后端ASIC50的框圖。由數(shù)字信號(hào)處理器ASIC40產(chǎn)生的經(jīng)處理的B模式掃描線被送往緩沖器510，它存有用于掃描轉(zhuǎn)換的兩個(gè)連續(xù)掃描線。為了對(duì)集成電路面積、功率要求、掃描轉(zhuǎn)換功能所需的散熱進(jìn)行優(yōu)化，采用了直接的線性插值算法和僅需用于尋址的加法器和累加器的簡(jiǎn)單變換技術(shù)。在使用圖1所示的弧形陣列轉(zhuǎn)換器10的情況下，圖14所示的掃描扇區(qū)560按下列方式進(jìn)行掃描變換。圖14中，扇區(qū)560的徑向掃描線轉(zhuǎn)換成圖13的幀緩沖存儲(chǔ)器530的x、y坐標(biāo)，其邊界在圖14中被定義為Dx和Dy。扇區(qū)560的徑向掃描線從虛頂點(diǎn)564發(fā)出，其中一條掃描線以矢徑V表示。對(duì)于弧形陣列，在虛頂點(diǎn)和表面線(換能器位置)562之間沒(méi)有數(shù)據(jù)點(diǎn)，盡管對(duì)于相控陣列掃描頭該頂點(diǎn)應(yīng)在Dx、Dy圖象區(qū)內(nèi)。在線性陣列情況下并沒(méi)有頂點(diǎn)，平行的掃描線及插入線可以簡(jiǎn)單地記錄入幀緩沖存儲(chǔ)器530中。下面的實(shí)例說(shuō)明了為進(jìn)行掃描變換，陣列中最復(fù)雜的，即弧形陣列10的掃描變換。從該實(shí)例中其它陣列格式的掃描變換應(yīng)顯而易見(jiàn)。
在圖14中，掃描線由極坐標(biāo)R、θ定義，這些極坐標(biāo)應(yīng)被變換成顯示屏的xs、ys坐標(biāo)。極坐標(biāo)的原點(diǎn)在頂點(diǎn)564，而屏坐標(biāo)原點(diǎn)位于顯示區(qū)域頂部中點(diǎn)的(0，0)。屏坐標(biāo)原點(diǎn)在y方向上與頂點(diǎn)偏差距離y0，并位于Dx，Dy圖象區(qū)的頂部中點(diǎn)。在弧形陣列的情況下，沿每個(gè)矢量V的彎曲段的內(nèi)徑Roc沒(méi)有有效的數(shù)據(jù)點(diǎn)。在初始距離Roc(低于表面級(jí)562)之外，有有效的回波數(shù)據(jù)存在，它們位于掃描變換器存儲(chǔ)器530的適當(dāng)?shù)牡刂诽?。例如，在圖14矢量V端點(diǎn)處的點(diǎn)有極坐標(biāo)R、θ，它們被轉(zhuǎn)換成屏坐標(biāo)xs、ys，并位于掃描變換器存儲(chǔ)器的該地址處。
在掃描變換之前，存于兩級(jí)緩存器510中的兩條掃描線用于插入一些間插掃描線。圖15所示的線性插值方案αL1+(1-α)L2已被證實(shí)可得到滿意結(jié)果。優(yōu)選的實(shí)施表達(dá)式為L(zhǎng)2+α(L1-L2)，它僅需單個(gè)的乘法器。在圖15的實(shí)例中，在每對(duì)接收的掃描線中插入七條掃描線。所示意的掃描線L1位于扇區(qū)560的徑向邊界。從該邊界掃描線徑向向外(圖中向左)的插入掃描線是通過(guò)按圖15中掃描線L1向左依次為7/8、3/4、5/8、1/2、3/8、1/4和1/8的權(quán)重，對(duì)掃描線L1上的數(shù)據(jù)值加權(quán)得到的。在掃描線對(duì)之間，插入的掃描線是L1和L2加權(quán)后的組合，如圖中給出加權(quán)值7/8L1+1/8L2，3/4L1+1/4L2等等。插入步驟包括，沿掃描線取如R1的數(shù)據(jù)值，對(duì)之進(jìn)行加權(quán)如7/8之類的權(quán)重，然后將它與從下一掃描線的空間對(duì)應(yīng)且互補(bǔ)加權(quán)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行相加。按此方式沿掃描線向下繼續(xù)插入直至結(jié)束為止，然后對(duì)下一掃描線進(jìn)行插入過(guò)程。插入后的掃描線一經(jīng)產(chǎn)生，即置于幀緩沖存儲(chǔ)器530中。
圖13給出兩線緩沖器510，該緩沖器510保存兩個(gè)掃描線L1和L2，而線插入器512則使用緩沖后的掃描線以產(chǎn)生插入后的掃描線。插入過(guò)程所用的權(quán)重由掃描變換控制器520的線插入加權(quán)存儲(chǔ)器522提供。當(dāng)將插進(jìn)的插入線已生成后，兩線緩沖器510中最早的掃描線由新的相鄰掃描線代替。由于在兩線緩沖器510中存放兩個(gè)掃描線的位置是交替更新的，被保留掃描線所用的權(quán)重按反順序簡(jiǎn)單地用于下一間隔。圖15中可以看到，例如，掃描線L2在線L1和L2之間的間隔中按從1/8到7/8的遞增的權(quán)重加權(quán)。在線L1由新線L3代替時(shí)，掃描線L2在下一間隔中按相反順序，從7/8到1/8的遞減順序加權(quán)。這就不必在緩沖器510中將保留的掃描線從一個(gè)區(qū)域移去另一區(qū)域；僅需用新的掃描線代替舊線即可。
因此，在掃描線序列中適當(dāng)時(shí)間所接收的掃描線不作變化地通過(guò)線插入器512。
當(dāng)掃描線產(chǎn)生于線插入器512的輸出端時(shí)，它們的數(shù)據(jù)值按下列方式掃描變換至幀緩沖存儲(chǔ)器530內(nèi)的各存放位置。徑向掃描線的極坐標(biāo)經(jīng)下式關(guān)聯(lián)于存儲(chǔ)器530的直角坐標(biāo)x＝Rsinθ與y＝Rcosθ這里R是沿相對(duì)圖14中y軸成θ角延伸的矢徑的徑向距離。求解R，然后在x的表達(dá)式中替換R得出R＝y(tǒng)/cosθx＝y(tǒng)tanθ這些表達(dá)式用于在R、xs和ys累加器中增值，以提供簡(jiǎn)單的掃描變換尋址。
當(dāng)線插入器開(kāi)始輸出掃描線時(shí)，來(lái)自沿該掃描線的所選定R地址的掃描線數(shù)據(jù)被存于幀緩沖存儲(chǔ)器530內(nèi)xs、ys地址處。數(shù)據(jù)存放開(kāi)始于存儲(chǔ)器區(qū)Dx、Dy的第一行(y＝1)，并順序地沿存儲(chǔ)器各行繼續(xù)。這樣，ys累加器簡(jiǎn)單對(duì)開(kāi)始于1的整數(shù)累加。R累加器被初始化為值yocosθ，它使第一掃描線地址從各掃描線的頂點(diǎn)偏移至與圖14中的存儲(chǔ)器的第一行對(duì)齊的掃描線的樣本。用于存儲(chǔ)器530的xs地址被初始化為值y0tanθ，即在圖14中沿存儲(chǔ)器第一行與R、θ矢徑V相交的交點(diǎn)。用于初始化數(shù)值的y0值由初始化存放裝置526提供。
根據(jù)這些起始地址值，尋址線插入器512的R累加器增加常數(shù)1/cosθ，順序地從待存放的一個(gè)R、θ掃描線數(shù)值進(jìn)入下一個(gè)。尋址幀緩沖存儲(chǔ)器530的ys累加器增加整數(shù)值，而用于存儲(chǔ)器530的xs累加器增加常數(shù)1/tanθ，進(jìn)入幀緩沖存儲(chǔ)器的每個(gè)新存放地址。
掃描變換過(guò)程還涉及另外兩個(gè)步驟。一個(gè)是對(duì)照計(jì)及換能器陣列的彎曲半徑Roc的掃描線的一個(gè)常數(shù)檢查R地址。如圖14所示，扇區(qū)560的最外邊緣處的邊界掃描線開(kāi)始于Dx，Dy顯示區(qū)的頂行，但弧形陣列的所有其它掃描線均由于該陣列的彎曲而自頂部下方開(kāi)始。為計(jì)入這一點(diǎn)，對(duì)于R地址的單元中每條掃描線均計(jì)算彎曲引起的偏差。當(dāng)R地址累加器產(chǎn)生其初始R地址時(shí)，將這些地址與所算Roc偏差比較。R地址累加器產(chǎn)生的R地址被忽略，直至第一個(gè)R地址超過(guò)Roc為止，從這一點(diǎn)起掃描線的數(shù)據(jù)值被存入存儲(chǔ)器530中。
在掃描線數(shù)據(jù)值被寫(xiě)入存儲(chǔ)器530的選定地址位置之前，被執(zhí)行的另一步驟是檢查此前是否向選定地址位置寫(xiě)入了一個(gè)數(shù)據(jù)值。當(dāng)每個(gè)圖象幀作掃描變換時(shí)，使用一個(gè)對(duì)應(yīng)于幀緩沖存儲(chǔ)器中地址位置的位be的一個(gè)單位圖。當(dāng)新的數(shù)據(jù)值寫(xiě)入存儲(chǔ)器中某位置時(shí)，用于該地址位置的相應(yīng)位be被置位，表明對(duì)于該幀已有一個(gè)數(shù)據(jù)值進(jìn)入了存儲(chǔ)器中。如果在該幀期間另一掃描線的掃描變換尋址同一存儲(chǔ)器位置，則該be位告訴寫(xiě)控制器528已有一個(gè)數(shù)據(jù)值進(jìn)入了該幀的該位置。這將使寫(xiě)控制器中止新數(shù)據(jù)值的進(jìn)入，或覆蓋此前存放的數(shù)據(jù)值，視用戶或掃描控制器設(shè)計(jì)者選擇的協(xié)議而定。掃描變換器可以采用這樣一種協(xié)議，用新的數(shù)據(jù)值代替此前輸入的值，或僅輸入第一數(shù)據(jù)值而忽略所有后來(lái)值。另一協(xié)議是當(dāng)掃描線從邊緣向圖象中央行進(jìn)時(shí)，用新值覆蓋舊值，然后當(dāng)掃描線從圖象中央往邊緣行進(jìn)時(shí)，輸入所發(fā)現(xiàn)的第一值并放棄后來(lái)值。在一優(yōu)選實(shí)施方案中，該協(xié)議是簡(jiǎn)單地將第一數(shù)據(jù)值輸入到各存儲(chǔ)器位置，而忽略后來(lái)的用新數(shù)據(jù)覆蓋該位置的企圖。
當(dāng)所有掃描線均被寫(xiě)入存儲(chǔ)器530之后，be位圖全部為1。在下一圖象幀期間，當(dāng)該新幀的數(shù)據(jù)值寫(xiě)入存儲(chǔ)器的存放位置時(shí)，這些位變?yōu)?。因此，無(wú)需在各幀之間使be位圖復(fù)位；對(duì)于相鄰圖象幀，使用互補(bǔ)的be位值來(lái)映射數(shù)據(jù)輸入。
掃描變換過(guò)程的操作示于圖16中，其中兩個(gè)掃描線矢徑Vθ0和Vθ45均從弧形換能器陣列10延伸。由各框構(gòu)成的矩陣在空間上代表在掃描變換器緩沖存儲(chǔ)器530中的存儲(chǔ)器位置。掃描線Vθ0從陣列的中心延伸并與存儲(chǔ)器矩陣正交，并標(biāo)識(shí)為以θ＝0°角延伸。當(dāng)掃描線數(shù)據(jù)樣本已在數(shù)字信號(hào)處理ASIC40中作如上述的限帶處理之后，沿掃描線矢徑的檢測(cè)樣本隨后將落入存儲(chǔ)器530列中的連續(xù)的存儲(chǔ)器位置中。在相繼的y地址2到6處的相繼掃描線R值R2、R3、R4、R5和R6表示了這一點(diǎn)。如果掃描線數(shù)據(jù)未被限帶以匹配于顯示的帶寬，則當(dāng)R地址累加器524逐行增加時(shí)一些中間樣本將被跳過(guò)。這樣，如果掃描線數(shù)據(jù)在其前面的處理中未作比例換算，那么它可在掃描變換期間作換算。
在矢徑Vθ45處的另一掃描線相對(duì)于第一矢徑成45°角延伸。在該角度可以看到該處的樣本比沿掃描線矢徑在存儲(chǔ)器矩陣中的框(位置)多。存儲(chǔ)器矩陣的各行按y整數(shù)值從2到6在圖中所示掃描線間隔上被尋址。對(duì)于每行y，利用掃描線角度的正切tan45°，將存儲(chǔ)器的x地址遞增常數(shù)ytanθ。這導(dǎo)致對(duì)于圖中所示的Vθ45掃描線部分產(chǎn)生一個(gè)從7到11的數(shù)x地址序列。沿掃描線的R地址遞增如上所述的常數(shù)y/cosθ，分?jǐn)?shù)部分被截去，生成由實(shí)心圈所標(biāo)出的選定R地址?？梢钥吹?，R4值未被使用，R5和R6值存于x、y地址為7、2和8、3處。R7值被跳過(guò)，下面的三個(gè)R值R8、R9和R10被存于行4、5和6。接下來(lái)的R值R11被跳過(guò)，然后一個(gè)掃描線值存入到下一行中。已發(fā)現(xiàn)，對(duì)于掃描變換器存儲(chǔ)器中每個(gè)位置，R值分?jǐn)?shù)部分的截去將選擇最精確的掃描線R值，即在一個(gè)像素容限內(nèi)。
幀緩沖存儲(chǔ)器530內(nèi)的各存儲(chǔ)器位置存入了所接收或插入的一個(gè)超聲掃描線的一個(gè)數(shù)據(jù)值和兩個(gè)附加位。這兩個(gè)附加位中，一個(gè)被置位，以識(shí)別所存放的數(shù)據(jù)值是黑白還是彩色數(shù)據(jù)值；0標(biāo)志數(shù)據(jù)值是一個(gè)黑白像素，1標(biāo)志數(shù)據(jù)值是一個(gè)彩色像素。當(dāng)對(duì)于彩色像素該位被置位時(shí)，該像素處的數(shù)據(jù)值訪問(wèn)彩圖查找表532，該表選擇用于顯示的恰當(dāng)?shù)募t(R)、綠(G)、和藍(lán)(B)信號(hào)值。0值導(dǎo)致顯示該數(shù)據(jù)值為灰度像素。另一個(gè)附加位是如前所述的be位，對(duì)于每個(gè)圖象幀它對(duì)數(shù)據(jù)值進(jìn)入存儲(chǔ)器進(jìn)行映射。寫(xiě)控制電路528讀取該be位，以根據(jù)掃描變換器所使用的協(xié)議確定新的數(shù)據(jù)值是否將寫(xiě)入存儲(chǔ)器中。
在掃描變換后的幀已被組合之后該幀從緩沖存儲(chǔ)器530中讀出。彩色像素查找彩圖查找表532中的R、G和B值，然后將它們送往視頻處理器550?；叶燃?jí)像素直接傳送給視頻處理器。在視頻處理器中，超聲圖象與來(lái)自圖形重疊緩沖器540的圖形重疊。該圖形信息可以包括時(shí)間、日期、病人標(biāo)志、尺度標(biāo)號(hào)、多普勒窗輪廓、光標(biāo)，以及其它對(duì)用戶有益的圖形信息。然后可將超聲圖象及其圖形信息制成為輸出信號(hào)，用于顯示?？梢圆捎枚喾N輸出信號(hào)制式，包括NTSC視頻制式、PAL制式或RGB制式。輸出信號(hào)產(chǎn)生于視頻處理器550的數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出端，它們可以是基帶或調(diào)制載波信號(hào)。這些信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)單元自有的LCD顯示器60，也可以產(chǎn)生于輸出端以送往外部的單獨(dú)監(jiān)視器。該單元包括一個(gè)視頻存儲(chǔ)器552，用于對(duì)用戶指定用于存儲(chǔ)和重放的實(shí)時(shí)圖象序列的Cineloop存儲(chǔ)和重放。
手持系統(tǒng)產(chǎn)生的超聲圖象可以是一個(gè)B模式灰度級(jí)圖象、功率多普勒?qǐng)D象、灰度級(jí)與功率多普勒?qǐng)D象信息的組合，或三維功率多普勒?qǐng)D象。當(dāng)生成一個(gè)組合式灰度和功率多普勒?qǐng)D象時(shí)，用戶將在整個(gè)扇區(qū)內(nèi)指定一個(gè)子扇區(qū)窗，功率多普勒信號(hào)將自這里匯集并顯示。在圖17中這樣的一個(gè)子扇區(qū)602用扇區(qū)600的加陰影的子扇區(qū)表示。子扇區(qū)602a可以從扇區(qū)600的頂部完全地延伸至底部，如圖17a所示，在此情況下，子扇區(qū)掃描線是功率多普勒線，而且在子扇區(qū)602a兩側(cè)的掃描線，諸如以604表示的線組仍生成為灰度級(jí)線。在該優(yōu)選實(shí)施方案中，功率多普勒子扇區(qū)窗的高度也可由用戶控制，允許在子扇區(qū)各邊毗連處生成灰度級(jí)圖象信息，如圖17b的子扇區(qū)602b所示。此外，在子扇區(qū)窗的范圍上功率多普勒信息混有B模式灰度級(jí)信息。圖18結(jié)合圖13表示了這一點(diǎn)。當(dāng)接收到該子扇區(qū)區(qū)域上的功率多普勒信息的掃描線時(shí)，功率多普勒信號(hào)存放于3D功率多普勒存儲(chǔ)器502中。當(dāng)重疊于子扇區(qū)上的B模式數(shù)據(jù)的掃描線被接收之后，這些掃描線被送往混合電路504。空間共同存在的功率多普勒信號(hào)同時(shí)送往混合電路，通過(guò)將數(shù)據(jù)混合于一起，即生成作為功率多普勒和灰度級(jí)信息混合物的掃描線數(shù)據(jù)。圖18中給出兩個(gè)這樣的接收且混合后的掃描線θi和θi+1。如這些線所示，各線的頂(近場(chǎng))部分610和各線的較低(遠(yuǎn)場(chǎng))部分612僅包括灰度級(jí)數(shù)據(jù)。在每個(gè)接收線的中間部分614，灰度級(jí)和功率多普勒信息混合在一起。例如，如果功率多普勒信息將以純紅色顯示而灰度級(jí)信息以不同亮度級(jí)顯示，則這兩種類型數(shù)據(jù)的混合可導(dǎo)致亮紅色、暗紅色、淺紅色、或者是紅色的精確改變與某種亮度級(jí)的其它組合。由于接收的掃描線信息被混合，因此混合后的各線被送往兩線緩沖器510，進(jìn)行中間掃描線的插入和掃描轉(zhuǎn)換。插入后的各線諸如插入掃描線620按圖15所示方式被置于兩個(gè)接收掃描線的中間。這樣，當(dāng)各線均經(jīng)掃描變換且彼此相鄰地顯示時(shí)，每線的混合區(qū)域?qū)鬟f描繪于功率多普勒子扇區(qū)602中的身體某區(qū)域的血流和組織結(jié)構(gòu)方面的信息。
一個(gè)圖象邊界加工過(guò)程應(yīng)值得注意。當(dāng)多普勒掃描線信息重疊于灰度級(jí)掃描線信息之上時(shí)，為了正確地填充該圖象區(qū)域，多普勒信息區(qū)域的開(kāi)始部分應(yīng)疊加于最后一個(gè)灰度級(jí)線的頂部。當(dāng)多普勒掃描線區(qū)域完成之后，最后一個(gè)多普勒掃描線應(yīng)被圖象的灰度級(jí)部分的剩余者的第一掃描線所重疊。
本發(fā)明的手持超聲系統(tǒng)也能夠按三維投影制式再現(xiàn)功率多普勒?qǐng)D象。對(duì)于三維再現(xiàn)，應(yīng)對(duì)一系列的空間連續(xù)且大致平行的功率多普勒?qǐng)D象幀進(jìn)行掃描，并將接收的掃描線存于3D功率多普勒存儲(chǔ)器502中。該序列的各幀并不單獨(dú)進(jìn)行掃描變換并保存，這是因?yàn)閽呙柁D(zhuǎn)換后的圖象及其插入的掃描線需要相當(dāng)可觀的存儲(chǔ)區(qū)。相反，對(duì)于三維投影圖象的每個(gè)視角，都將重復(fù)地對(duì)該幀序列的各掃描線進(jìn)行掃描變換。由于是對(duì)每一幀進(jìn)行掃描變換，它立即被移交進(jìn)行三維顯示。由所接收的掃描線組成的各幀重復(fù)地進(jìn)行掃描變換，并再生成遞增的不同視角的三維圖象，以呈現(xiàn)看起來(lái)正繞其某個(gè)或某些軸旋轉(zhuǎn)的某部分身體的三維圖象。
通過(guò)實(shí)例，假定在Z方向在不斷遞增的深度獲得6個(gè)平行圖象幀。圖19示意表示了與Z方向平行排成一線、正延伸入圖內(nèi)的這些圖象幀。因此這些圖象幀完全對(duì)齊，使得僅有頂部的圖象幀700是可見(jiàn)的；其它圖象幀702-710在圖象幀700之后。各圖象幀均包括一個(gè)圖象扇區(qū)712，其中之一在圖19頂部可見(jiàn)。
現(xiàn)在假定，圖19的各圖象幀700-710繞重心y軸旋轉(zhuǎn)，如圖20所示。由于旋轉(zhuǎn)被遮蓋的幀702-710的邊緣現(xiàn)在是可見(jiàn)的。旋轉(zhuǎn)使Z軸的取向移到旋轉(zhuǎn)后的方向Zθ。在本發(fā)明的手持超聲系統(tǒng)中，由該旋轉(zhuǎn)后的圖象組形成一個(gè)三維投影圖象，并投影使得似乎是觀看者正通過(guò)觀看窗720并以視角722觀看圖象平面。可以看到，旋轉(zhuǎn)時(shí)扇區(qū)712在x軸方向有所壓縮，如圖20的扇區(qū)712所示，它允許采用美國(guó)專利5,485,842的掃描變換技術(shù)，以再生三維圖象。根據(jù)本發(fā)明，三維再現(xiàn)是通過(guò)在累加器中對(duì)地址常數(shù)進(jìn)行有效累加，對(duì)平面幀數(shù)據(jù)尋址來(lái)完成的。
為便于示意說(shuō)明，關(guān)于繞y軸的旋轉(zhuǎn)將給出一個(gè)三維處理的實(shí)例。這意味著當(dāng)圖象幀組作角度θ旋轉(zhuǎn)時(shí)，掃描變換后的圖象將具有同樣的y行坐標(biāo)，或yθ＝y(tǒng)0。其它坐標(biāo)以矩陣形式表示zθxθ-xcθ=cosθsinθ-sinθcosθzx-xcd----(4)]]>這里Zθ和Xθ是Q角旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系統(tǒng)的x和y坐標(biāo)，Z是序列中一個(gè)圖象幀的數(shù)值，XCθ是視窗720中圖象幀組的重心，xcd是某個(gè)圖象幀的中心。求解x得出x=xθcosθ+xcd-xcθcosθ+ztanθ----(5)]]>其中后三項(xiàng)是用于對(duì)三維投影的x地址初始化的常數(shù)。
來(lái)自多普勒?qǐng)D象幀的接收掃描線進(jìn)行如前所述的掃描變換，掃描變換及插入后的平面圖象被投影到一個(gè)3D緩沖器中，它存放了三維投影圖象。掃描變換后的像素逐行、逐像素地加以處理，以將多普勒值投影到三維圖象呈現(xiàn)中的相應(yīng)位置。平面圖象及3D緩沖器的各行由一個(gè)簡(jiǎn)單地累加整數(shù)的y地址累加器順序地尋址，從而順序地處理圖象行1、圖象行2，等等。3D緩沖器的x地址由一個(gè)計(jì)數(shù)器在每行上按整數(shù)形式遞增，該計(jì)數(shù)器按序列1、2、3等等計(jì)數(shù)。
平面圖象的x地址開(kāi)始于由表達(dá)式(5)的后三個(gè)常數(shù)項(xiàng)形成的一個(gè)初始值。3D緩沖器的每個(gè)投影圖象呈現(xiàn)一個(gè)不同的投影角θ，這樣就算出常數(shù)tanθ并將之用于處理投影圖象。3D圖象重心的中心xco對(duì)于一給定3D投影圖象序列來(lái)說(shuō)是已知常數(shù)，對(duì)于每個(gè)平面圖象來(lái)說(shuō)每個(gè)平面圖像xcd的中心是一個(gè)已知常數(shù)。這樣，從表達(dá)式(5)，用于變換平面圖象的x地址開(kāi)始于xinit=xcd-xcθcosθ+ztanθ----(6)]]>給定的平面圖象和給定視角θ的xinit值被計(jì)算出來(lái)并存儲(chǔ)起來(lái)，并用于初始化在平面圖象的每行y中的第一個(gè)x地址位置。相繼的地址可由該初始x地址，通過(guò)向前一地址加入恒定值1/cosθ并且將平面圖象的每個(gè)尋址值重新定位到三維投影圖象每行上連續(xù)的x地址位置而產(chǎn)生的。當(dāng)每行完成之后，y行地址增1，平面圖象的x地址重新初始化為xinit，并且對(duì)平面圖象的每一行該過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，直至整個(gè)圖象已被重新定位到投影圖象為止。
在一個(gè)平面圖象已被重新定位到投影圖象之后，值z(mì)tanθ增加到下一個(gè)z值。這樣，ztanθ值序列將從tanθ繼續(xù)至2tanθ至3tanθ等等，貫穿平面圖象序列。每個(gè)新的ztanθ值用于根據(jù)表達(dá)式(6)計(jì)算用于序列中的下一個(gè)平面圖象的新的xinit值。
將平面圖象信息組合成投影圖象有多種方法。其中之一是最大亮度技術(shù)，通過(guò)它，如果來(lái)自前一平面圖象的一個(gè)數(shù)值已存放于投影圖象位置中，待存放于同一位置中的下一值與該此前存放值進(jìn)行比較。兩個(gè)值中大者被存放。這樣，在再現(xiàn)的投影圖象中的每個(gè)位置處投影圖象將包含最大亮度值。
第二個(gè)組合技術(shù)是一種平均技術(shù)，它將半透明特性賦予投影圖象。用于給定投影圖象位置的每個(gè)新值與此前存于該位置的數(shù)值進(jìn)行平均，所得圖象反映的不是最大亮度，而是通過(guò)該平面圖象組的平均亮度。根據(jù)平面圖象處理是從該組的前面的還是后面的圖象開(kāi)始，投影圖象的加權(quán)將根據(jù)離觀看者最近的平面圖象的權(quán)重最大，或者離觀看者最遠(yuǎn)的平面圖象的權(quán)重最大，或者這些值可以根據(jù)其z值離視窗720的距離加權(quán)。觀看者選用哪一種技術(shù)，將因各人偏愛(ài)不同而不同。
上述三維圖象技術(shù)由于僅需存放接收的掃描線而有利地節(jié)約了存儲(chǔ)器空間。由于插值是在每個(gè)投影圖象形成之時(shí)進(jìn)行的，因此對(duì)于完全插值的圖象組無(wú)需擴(kuò)充存儲(chǔ)量。對(duì)于每個(gè)投影圖象，通過(guò)簡(jiǎn)單地使地址累加器增加常數(shù)，本發(fā)明性技術(shù)實(shí)現(xiàn)了有效的尋址。
根據(jù)本發(fā)明的三維成像的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案通過(guò)將幀緩沖存儲(chǔ)器530劃分成圖21所示的四個(gè)象限，充分利用了該存儲(chǔ)器。例如，接收掃描線的第一幀被插值及掃描變換到標(biāo)記為B1的存儲(chǔ)器區(qū)。區(qū)域B1中的掃描變換后的第一平面圖象被重新定位至標(biāo)記為A1的存儲(chǔ)器區(qū)域內(nèi)的三維投影坐標(biāo)。在第一平面圖象進(jìn)行三維投影的同時(shí)，接收掃描線的第二幀被插值并經(jīng)掃描變換至存儲(chǔ)器區(qū)域B2。然后，當(dāng)區(qū)域B2中的掃描變換后的第二平面圖象被投影到區(qū)域A1的投影坐標(biāo)的同時(shí)，接收掃描線的第三幀被掃描變換至B1存儲(chǔ)器區(qū)域。存儲(chǔ)器區(qū)B1和B2交替地由連續(xù)的圖象幀使用，直至在A1區(qū)域中形成整個(gè)投影圖象。
然后，A1區(qū)域中的投影圖象被逐線讀出，用于視頻顯示。當(dāng)A1投影圖象被讀出時(shí)，存儲(chǔ)區(qū)B1和B2又交替地對(duì)接收的幀進(jìn)行掃描變換，并在A2存儲(chǔ)區(qū)組合下一個(gè)視角θ的第二個(gè)投影圖象。在來(lái)自A1存儲(chǔ)區(qū)的第一投影圖象被顯示且下一投影角處的第二投影圖象已在A2存儲(chǔ)區(qū)中完全組成之后，從區(qū)域A2讀出第二投影圖象，并顯示。該過(guò)程繼續(xù)用區(qū)B1和B2對(duì)接收的幀進(jìn)行掃描變換，在A1存儲(chǔ)區(qū)中形成第三投影角度的第三投影圖象。這樣，緩沖存儲(chǔ)器的所有四個(gè)象限被交互使用，有效地生成一幅三維投影，它看起來(lái)在觀看者前繞y軸旋轉(zhuǎn)。
對(duì)于同時(shí)繞兩個(gè)軸旋轉(zhuǎn)的情況，必須對(duì)平面圖象進(jìn)行第二次投影，使坐標(biāo)從中間坐標(biāo)系θ旋轉(zhuǎn)至最終坐標(biāo)系。例如，在平面圖象組已繞y軸旋轉(zhuǎn)θ角之后，通過(guò)繞x軸旋轉(zhuǎn)角，該圖象坐標(biāo)作了第二次變換。對(duì)于第二次坐標(biāo)變換x被設(shè)定等于xθ，矩陣表達(dá)式(5)中的z值被設(shè)成zθ，矩陣左端的zθ被設(shè)成z。對(duì)矩陣表達(dá)式求解y，并進(jìn)行第二次坐標(biāo)變換得到經(jīng)兩次旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)值。對(duì)于每個(gè)投影圖象的每個(gè)平面圖象來(lái)說(shuō)所需進(jìn)行的第二次坐標(biāo)變換將使產(chǎn)生三維圖象所用的時(shí)間增加。
應(yīng)當(dāng)理解的是，不必對(duì)每個(gè)平面圖象內(nèi)的扇區(qū)712外的像素進(jìn)行坐標(biāo)變換。由于掃描變換后的不同圖象對(duì)應(yīng)相同的扇區(qū)，而且該扇區(qū)在每個(gè)圖象上占據(jù)已知的坐標(biāo)，因此可以通過(guò)僅對(duì)扇區(qū)內(nèi)的圖象信息進(jìn)行變換和投影，提高處理速度。
后端ASIC50是RISC處理器500的所在地，RISC處理器500用于協(xié)調(diào)手持超聲系統(tǒng)所有操作的時(shí)序。RISC處理器與各ASIC的所有其它主要功能區(qū)相連，以協(xié)調(diào)處理時(shí)序，并且使緩沖器和寄存器裝入實(shí)施用戶所期望類型的處理和顯示所需的數(shù)據(jù)。供RISC處理器操作用的程序數(shù)據(jù)存于程序存儲(chǔ)器52中，RISC處理器可對(duì)它進(jìn)行訪問(wèn)。RISC處理器的時(shí)序由來(lái)自前端ASIC30的時(shí)鐘發(fā)生器的時(shí)鐘信號(hào)提供。RISC處理器也通過(guò)PCMCIA接口通信，通過(guò)該接口處理可以遠(yuǎn)程訪問(wèn)附加的程序數(shù)據(jù)或發(fā)送圖象信息。例如，PCMCIA接口可與遙測(cè)鏈路或調(diào)制解調(diào)器相連，向遠(yuǎn)端發(fā)送手持單元的超聲圖象。
RISC處理器在用戶控制下，通過(guò)用戶在用戶控制70上所做的指令和輸入進(jìn)行操作。圖22便是有關(guān)控制功能、控制類型及其說(shuō)明的一個(gè)圖表。應(yīng)當(dāng)理解的是，一些功能，諸如病人數(shù)據(jù)輸入、Cineloop操作及3D觀察將通過(guò)菜單控制進(jìn)行操作，以減少小型手持單元上的鍵數(shù)或按鈕控制數(shù)。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化該單元，對(duì)于特定診斷應(yīng)用可以對(duì)一些操作功能預(yù)編程，而且當(dāng)某特定應(yīng)用被選時(shí)這些操作功能將自動(dòng)執(zhí)行。例如，選擇B模式成像將自動(dòng)調(diào)用頻率復(fù)合和與深度有關(guān)的濾波功能，另一方面當(dāng)選擇多普勒操作時(shí)自動(dòng)建立一個(gè)四倍乘濾波器作為Wall濾波器。例如，特定臨床應(yīng)用的菜單選擇可以自動(dòng)調(diào)用諸如TGC控制特性及聚焦區(qū)之類的特定特征設(shè)置。
權(quán)利要求
1.便攜超聲系統(tǒng)，包括一個(gè)陣列換能器；和一個(gè)成束器，用于將所說(shuō)陣列換能器的各元件所接收的回波信號(hào)加以延遲并組合，其中所說(shuō)換能器與所說(shuō)成束器位于同一外殼內(nèi)。
2.權(quán)利要求1所述的便攜超聲系統(tǒng)，其中所說(shuō)陣列換能器是一個(gè)線性陣列。
3.權(quán)利要求1所述的便攜超聲系統(tǒng)，其中所說(shuō)陣列換能器是一個(gè)弧形線性陣列。
4.權(quán)利要求1所述的便攜超聲系統(tǒng)，其中所說(shuō)成束器是一個(gè)數(shù)字成束器，它將數(shù)字回波信號(hào)延遲并加以組合。
5.手持超聲系統(tǒng)，包括一個(gè)陣列換能器；和一個(gè)成束器，用于將所說(shuō)陣列換能器的各元件所接收的回波信號(hào)加以延遲和組合，其中所說(shuō)陣列換能器和所說(shuō)成束器位于一或多個(gè)重量少于10磅(4.5千克)的外殼內(nèi)。
6.權(quán)利要求5所述的手持超聲系統(tǒng)，還包括一個(gè)數(shù)字濾波器，它與所說(shuō)成束器的輸出端相連并與所說(shuō)成束器位于同一外殼內(nèi)。
7.權(quán)利要求5所述的手持超聲系統(tǒng)，還包括一個(gè)圖象處理器，它與所說(shuō)數(shù)字濾波器的輸出端相連，并與所說(shuō)數(shù)字濾波器位于同一外殼內(nèi)。
8.權(quán)利要求7所述的手持超聲系統(tǒng)，還包括與所說(shuō)圖象處理器輸出端相連的圖象顯示器。
9.權(quán)利要求8所述的手持超聲系統(tǒng)，其中所說(shuō)成束器、所說(shuō)數(shù)字濾波器、以及所說(shuō)圖象處理器位于第一外殼內(nèi)，所說(shuō)圖象顯示位于第二外殼內(nèi)。
10.權(quán)利要求5所述的手持超聲系統(tǒng)，其中所說(shuō)成束器是一個(gè)數(shù)字成束器，它將數(shù)字回波信號(hào)延遲并加以組合。
11.權(quán)利要求10所述的手持超聲系統(tǒng)，還包括一個(gè)數(shù)字濾波器和一個(gè)圖象處理器，位于所說(shuō)數(shù)字成束器所在的同一外殼內(nèi)。
12.權(quán)利要求11所述的手持超聲系統(tǒng)，其中所說(shuō)圖象處理器包括數(shù)字掃描變換器。
13.手持超聲系統(tǒng)，包括一個(gè)換能器；一個(gè)B模式信號(hào)處理器；和一個(gè)多普勒信號(hào)處理器，其中所說(shuō)B模式信號(hào)處理器和所說(shuō)多普勒信號(hào)處理器位于同一手持外殼中。
14.權(quán)利要求13所述的手持超聲系統(tǒng)，其中所說(shuō)共同手持外殼的重量小于10磅(4.5千克)。
15.權(quán)利要求14所述的手持超聲系統(tǒng)，還包括位于所說(shuō)共同手持外殼內(nèi)的一個(gè)數(shù)字成束器。
全文摘要
在一個(gè)便攜單元中提供一手持超聲儀器,它可進(jìn)行B模式和多普勒成像。在優(yōu)選實(shí)施方案中,一個(gè)陣列換能器,數(shù)字成束器,數(shù)字濾波器及圖象處理器包裝于一或多個(gè)重量不大于10磅(4.5千克)的外殼內(nèi)。
文檔編號(hào)A61B8/06GK1170560SQ97113678
公開(kāi)日1998年1月21日 申請(qǐng)日期1997年6月25日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月28日
發(fā)明者L·S·普夫盧格雷施, J·蘇凱 申請(qǐng)人:先進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室有限公司