專利名稱：帶空間抖顫的超聲掃描變換的制作方法
相關(guān)的專利申請這是1996年6月28日申請的國際專利申請PCT/US96/11166的部分繼續(xù)申請，其中所述國際專利申請PCT/US96/11166是1996年2月12日申請的美國專利申請第08/599,816號的部分繼續(xù)申請，而這份美國專利申請又是1995年6月29日申請的美國專利申請第08/496,804號和第08/496,805號的部分繼續(xù)申請，在此通過引證將上述專利申請的全部內(nèi)容并入本文。
本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)常規(guī)的超聲成象系統(tǒng)通常包括通過電纜與安裝在大支架上的控制臺處理和顯示單元耦合的手持掃描頭。該掃描頭通常包括超聲換能器陣列，該換能器陣列將超聲能量發(fā)射到正在成象的區(qū)域并且接收從該區(qū)域返回的超聲能量。這些換能器將收到的超聲能量轉(zhuǎn)換成低電平的電信號，該電信號通過電纜傳送給處理單元。處理單元運用適當?shù)牟ㄊ尚渭夹g(shù)(如動態(tài)聚焦)將來自換能器的信號合并，以便產(chǎn)生感性趣區(qū)域的圖象。
典型的常規(guī)超聲系統(tǒng)包括具有大量的超聲換能器例如128個的換能器陣列。每個換能器都與它自己的處理電路系統(tǒng)相連，該電路系統(tǒng)定位在控制臺處理單元中。該處理電路系統(tǒng)通常包括驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路在發(fā)射模式中將精確定時的驅(qū)動脈沖發(fā)送給換能器以便啟動超聲信號的發(fā)射。這些定時發(fā)射脈沖從控制臺處理單元沿著電纜發(fā)送到掃描頭。在接收模式中，波束成形電路將適當?shù)难舆t引入每個來自換能器的低電平電信號，對這些信號進行動態(tài)聚焦，以致隨后能夠產(chǎn)生精確圖象。
對于相控陣掃描頭或彎曲的線性掃描頭，超聲信號以其固有的極坐標形式(r，θ)被接收和數(shù)字化。就顯示而言，這種表示法是不方便的，所以為了進一步處理將它變換成直角坐標表示法(x，y)。這種直角坐標表示法是針對各種顯示器和硬拷貝設(shè)備的動態(tài)范圍和亮度進行過數(shù)字校正的。還可以儲存和恢復這些數(shù)據(jù)，以便再次顯示。在極坐標(r，θ)與直角坐標(x，y)之間進行變換時，必須由(r，θ)值計算(x，y)值，因為在(r，θ)數(shù)組中的點與在直角坐標網(wǎng)(x，y)上的點是不一致的。
在早期掃描變換系統(tǒng)中，訪問(x，y)坐標方格上的每個點并且利用對應(yīng)于最鄰近該點的兩個θ值的數(shù)值借助線性內(nèi)插計算該點的數(shù)值或利用(r，θ)數(shù)組中最鄰近的四個點的數(shù)值借助二次線性內(nèi)插計算該點的數(shù)值。完成這項工作的方法是利用有限狀態(tài)機產(chǎn)生(x，y)遍歷圖，利用雙向移位寄存器將(r，θ)數(shù)據(jù)子樣保存在大量的數(shù)字邏輯和存儲器單元中，以便控制該過程和保證異步接收的正確的(r，θ)數(shù)據(jù)子樣在適合每個(x，y)點的正確時間到達以便內(nèi)插。這種早期的儀器可能是不靈活的而且是不必要地復雜。盡管有大量的控制硬件，但只可能有一條通過(x，y)數(shù)組的路徑。
本發(fā)明的概述在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，在完成波束成形和掃描變換之后將變換成顯示格式的掃描數(shù)據(jù)直接傳送給計算機。在優(yōu)選的實施方案中，掃描變換完全可以利用個人計算機上的軟件完成。此外，可以插入帶附加硬件的電路板，以便提供選定的掃描變換功能或完成全部的掃描變換處理。就許多應(yīng)用而言，軟件系統(tǒng)是優(yōu)選的，因為這樣可以將附加硬件最小化，于是個人計算機可以是一個便攜式平臺，例如膝上計算機或掌上計算機。
掃描變換優(yōu)先采用空間抖顫處理技術(shù)來完成，下面將更詳細介紹?？臻g抖顫將簡化對掃描變換的計算要求，同時保持的分辨率和質(zhì)量。因此，掃描變換不需要更復雜的內(nèi)插技術(shù)就能夠在個人計算機上完成，而且仍然能夠以適合實時超聲成象的幀速完成變換。
掃描變換程序優(yōu)先包括輸入數(shù)組、再映射數(shù)組和輸出數(shù)組。再映射數(shù)組是一個索引數(shù)組即指針數(shù)組，該數(shù)組是輸出圖象的尺寸，它用于確定在哪里得到每個來自輸入數(shù)組的象素。在再映射數(shù)組中每個位置上的數(shù)字指出將以同一位置進入輸出數(shù)組的每個象素在輸入數(shù)組中的提取位置。因此，可以認為再映射數(shù)組和輸出數(shù)組具有相同的幾何形狀，而輸入數(shù)組和輸出數(shù)組具有相同的數(shù)據(jù)類型，即實際的圖象數(shù)據(jù)。
輸入數(shù)組具有每幀超聲圖象的新數(shù)據(jù)，這意味著它處理這些數(shù)據(jù)并且將這些數(shù)據(jù)逐幀放到輸出數(shù)組中。按照本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，大約每1/30秒有一幀新的超聲圖象。所以，只要用新的輸入數(shù)據(jù)組計算新的輸出圖象的例行運算能夠以每秒大約30幀的幀速完成，再映射數(shù)組的數(shù)據(jù)就可以比較緩慢地生成(但是仍然應(yīng)在大約1秒以下)。這樣將允許使用常規(guī)的個人計算機完成生成再映射數(shù)組的數(shù)據(jù)的任務(wù)，而不會犧牲綜合性能，也不必用附加硬件來完成這項任務(wù)。在具有數(shù)字信號處理器(DSP)的計算系統(tǒng)中，DSP可以完成再映射數(shù)組的計算。
此外，某些掃描變換功能可以用硬件來完成，該硬件安裝在電路板上并且被插在個人計算機中。這種電路板即插件是可以插拔的并且被用作接口，以便將數(shù)據(jù)以適當?shù)姆绞絺魉徒oPC總線控制器。
附圖的簡要說明象在附圖中描述的那樣，通過下面對本發(fā)明的優(yōu)選實施方案更具體的介紹，將更加明確本發(fā)明的上述目標和其它目標以及本發(fā)明的特征和優(yōu)點。在附圖中相同的參考符號在不同的附圖中始終指的是同一個零部件。這些附圖不一定按比例制圖，而是將重點放在說明本發(fā)明的原則上。


圖1是在超聲成象系統(tǒng)中使用的常規(guī)的成象陣列的方框圖。
圖2A是依據(jù)本發(fā)明說明線性的超聲換能器陣列和矩形掃描區(qū)之間的關(guān)系的示意圖。
圖2B是依據(jù)本發(fā)明說明彎曲的線性超聲換能器陣列和彎曲的掃描區(qū)之間的關(guān)系的示意圖。
圖2C是依據(jù)本發(fā)明說明線性的超聲換能器陣列和梯形掃描區(qū)之間的關(guān)系的示意圖。
圖2D是說明相控陣掃描區(qū)的示意圖。
圖3是本發(fā)明的超聲成象系統(tǒng)優(yōu)選實施方案的示意圖。
圖4A是本發(fā)明的超聲成象系統(tǒng)優(yōu)選實施方案的功能方框圖。
圖4B是本發(fā)明的超聲成象系統(tǒng)另一個優(yōu)選實施方案的功能方框圖。
圖5A是依據(jù)本發(fā)明的波束成形和濾波電路的示意圖。
圖5B是依據(jù)本發(fā)明的波束成形和濾波電路的另一個優(yōu)選實施方案的示意圖。
圖5C是依據(jù)本發(fā)明的波束成形和濾波電路的又一個優(yōu)選實施方案的示意圖。
圖5D是依據(jù)本發(fā)明的低通濾波器的示意圖。
圖5E是依據(jù)本發(fā)明的接口電路板的一個實例。
圖5F是依據(jù)本發(fā)明的波束成形集成電路的優(yōu)選實施方案。
圖6是依據(jù)本發(fā)明的濾波器的通頻帶的圖解說明。
圖7A是覆蓋在顯示上的輸入點的示意圖。
圖7B是具有變換成象素的輸入數(shù)據(jù)的圖7A所示顯示的示意圖。
圖8是通用的圖象再映射體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)選實施方案示意圖。
圖9A和圖9B是依據(jù)本發(fā)明說明再映射數(shù)組計算技術(shù)的流程圖。
圖10是輸出幀計算引擎的流程圖。
圖11A和圖11B是在本發(fā)明的超聲成象系統(tǒng)中使用的兩種可由用戶選擇的顯示表達式格式的示意圖。
圖12是優(yōu)選的用戶圖形界面的功能方框圖。
圖13說明用于超聲成象控制的對話框。
圖14A至圖14D說明輸入系統(tǒng)信息的顯示框。
圖15A至圖15C說明輸入探頭或視場數(shù)據(jù)的附加對話框。
圖15D至圖15J說明用于本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的附加的顯示和對話框。
圖16說明本發(fā)明優(yōu)選實施方案的成象和顯示操作。
圖17A至圖17C說明依據(jù)本發(fā)明的集成探頭系統(tǒng)的優(yōu)選實施方案。
圖18說明用于超聲系統(tǒng)的發(fā)射/接收電路的64信道的集成控制器。
圖19說明發(fā)射和接收電路的另一種優(yōu)選實施方案。
圖20說明依據(jù)本發(fā)明多普勒聲納系統(tǒng)。
圖21說明以依據(jù)本發(fā)明的快速傅里葉變換脈沖多普勒處理系統(tǒng)為基礎(chǔ)的彩色流譜。
圖22說明依據(jù)本發(fā)明的波形生成處理系統(tǒng)。
圖23是用于依據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生彩色流譜的系統(tǒng)。
圖24是用于依據(jù)本發(fā)明計算彩色流譜的處理流程圖。
圖25是采用交叉相關(guān)法產(chǎn)生彩色流譜的處理流程圖。
本發(fā)明的詳細描述在超聲成象系統(tǒng)中使用的N個壓電式超聲換能器18(1)-18(N)組成的成象陣列18的示意方框圖示于圖1。這個壓電換能器元件陣列18(1)-18(N)產(chǎn)生以窄波束180在成象目標(通常是人體組織的某個區(qū)域)或傳播媒質(zhì)中傳播的聲脈沖。這些脈沖是作為球形波185以大致恒定的速度傳播的。來自成象點Ip(即反射體)的回聲以返回信號形式被同一換能器元件陣列18或另一個接收陣列檢測并且能夠以一種指示反射結(jié)構(gòu)位置的方式顯示出來。
在傳播媒質(zhì)中來自成象點Ip的回聲在不同的傳播時間之后到達接收陣列的每個換能器元件18(1)-18(N)。到達每個換能器元件的傳播時間是不同的，該傳播時間取決于每個換能器元件和成象點Ip之間的距離。這對于典型的超聲傳播媒質(zhì)即軟體組織是正確的，在這種場合聲速至少是比較恒定的。此后，收到的信息將以某種指示反射結(jié)構(gòu)位置的方式顯示出來。
在二維的B-模式掃描中，這些脈沖可以沿著大量的視線發(fā)射出去，如圖1所示。如果對回聲進行采樣并將它們的幅度作為亮度進行編碼，那么可以在陰極射線管(CRT)或監(jiān)視器上將灰度圖象顯示出來。一幀圖象通常包含128條以0.75°角距形成90°扇形圖象的這種掃描線。因為水中的聲速是1.54×105cm/sec，對于16cm的深度往返一次的時間將是208μs。因此，沿著128條視線(一幀圖象)獲得數(shù)據(jù)的總時間是26.6ms。如果系統(tǒng)中其它的信號處理器的速度足以保持這樣的數(shù)據(jù)獲取率，那么可以以相當于標準電視圖象的速率產(chǎn)生二維圖象。例如，如果將超聲波成象儀用于通過一對肋骨之間的胸壁觀察反射的或背散射的聲波，那么心臟的搏動能夠?qū)崟r成象。
就垂直方向圖固定而水平方向圖主要由延遲轉(zhuǎn)向控制的轉(zhuǎn)向陣列而言，超聲波發(fā)射器通常是一個壓電換能器18(1)-18(N)的線性陣列(通常隔開半個波長)。常規(guī)陣列的波束輻射(方位)圖主要是通過這樣的方式給每個換能器元件18(1)-18(N)施加延遲發(fā)射脈沖予以控制，以致來自所有發(fā)射器的能量在成象點Ip加到一起產(chǎn)生需要的波束形狀。所以，需要一個延時電路與每個換能器元件18(1)-18(N)相連，以便沿預定方向產(chǎn)生所需的發(fā)射輻射圖。
如上所述，同一換能器元件18(1)-18(N)陣列18可以用于接收返回信號。源于成象點的反射(即回波)波束能量的波形在延時之后到達每個換能器元件，其中所述延時等于從成象點到換能器元件的距離除以假定在媒質(zhì)中恒定的聲波傳播速度。與發(fā)射模式類似，對每個換能器元件這個延時是不同的。應(yīng)當在每個接收換能器元件處對路徑長度的這些差別進行補償，其方法是對每個接收器收到的來自任何給定深度的具體成象點的反射能量進行調(diào)焦。每個接收元件的延遲都是從該元件至陣列中心的實測距離和垂直于該陣列實測的視線張角方向的函數(shù)。
波束成形操作和聚焦操作都涉及形成被所有的換能器觀察到的散射波形的和，但是，在進行這種疊加時，這些波形必須被差分延遲以使它們?nèi)及聪辔坏诌_并且必須在疊加時加權(quán)。因此，需要能將不同的延遲加到每個信道上并能隨時改變那個延遲的波束成形電路。在回波沿著給定方向從較深的組織返回時，接收陣列將隨著深度變化連續(xù)改變它的焦點。這種方法被稱為動態(tài)聚焦。
在形成接收波束之后，以常規(guī)方式將它數(shù)字化。收到的每個脈沖的數(shù)字表達式都是一個時間序列，這個時間序列與作為距離函數(shù)以波束形成的方位角從場測量點返回的超聲能量的背散射橫截面相對應(yīng)。連續(xù)脈沖指向不同的方向，覆蓋從-45°到+45°的視場。在某些系統(tǒng)中，用計算在同一點獲得的連續(xù)觀察數(shù)據(jù)的時間平均值(稱之為持久性加權(quán))來改進圖象質(zhì)量。
圖2A至圖2D是說明在本發(fā)明中使用的各種換能器陣列配置與它們相應(yīng)的掃描成象區(qū)域之間的關(guān)系的示意圖。圖2A說明產(chǎn)生矩形掃描成象區(qū)180A的線性陣列18A。一個這樣的陣列通常包括128個換能器。
圖2B是說明彎曲的線性換能器陣列18B與所得到的截面彎曲的掃描成象區(qū)180B之間的關(guān)系的示意圖。陣列18B通常也包括128個換能器。
圖2C表示線性換能器陣列18C與梯形掃描成象區(qū)180C之間的關(guān)系。在這個實施方案中陣列18C通常是由192個(而不是128個)毗鄰的換能器構(gòu)成的。這個線性陣列被用于產(chǎn)生梯形掃描區(qū)180C，其方法是將圖2A所示的線性掃描與相控陣掃描結(jié)合起來。在一個實施方案中，在陣列18C對置端上的64個換能器被用在相控陣配置中，以便形成180C區(qū)邊緣處的弧邊三角形部分。中間的64個換能器在線性掃描模式中使用，以便完成180C區(qū)的矩形部分。因此，梯形區(qū)180C是利用小開度掃描法(sub-aperture scaning approach)實現(xiàn)的，在這種方法中任何時候都只有64個換能器是有效的。在一個實施方案中，交替激活由64個換能器組成的毗鄰換能器組。這就是說，首先將1至64號換能器激活。接下來，將64至128號換能器激活。下一步，將2至65號換能器激活，然后激活65至129號換能器。這個方案繼續(xù)進行，直至128至192號換能器被激活為止。接下來，一次又一次地從1至64號換能器開始下一輪掃描過程。
圖2D說明換能器的線性短陣18D，按照本發(fā)明該線性短陣將用于完成相控陣成象。為了產(chǎn)生扇形區(qū)180D線性陣列18D是經(jīng)波束轉(zhuǎn)向處理使用的。
圖3是本發(fā)明的超聲成象系統(tǒng)10的示意圖。該系統(tǒng)包括與便攜式數(shù)據(jù)處理和顯示單元14耦聯(lián)的手持掃描頭12，其中便攜式數(shù)據(jù)處理和顯示單元可以是便攜式計算機。此外，數(shù)據(jù)處理和顯示單元14可以包括個人計算機或其它與適合顯示超聲圖象的CRT對接的計算機。數(shù)據(jù)處理器顯示單元14還可以是小巧輕便的單片單元，該單元小到足以允許用戶手持或佩戴在身上。雖然圖3展示的是外置式掃描頭，但是本發(fā)明的掃描頭也可以是適合通過體腔插入身體在人體內(nèi)部成象的內(nèi)置掃描頭。例如，該掃描頭可以是用于心臟成象的食道探頭。
掃描頭12通過電纜16與數(shù)據(jù)處理器14相連。在替代實施方案中，系統(tǒng)10包括一個在掃描頭12和數(shù)據(jù)處理和顯示單元14之間起耦合作用的接口單元13(用虛線表示)。接口單元13優(yōu)選包含控制器和包括數(shù)字信號處理器(DSP)的處理電路系統(tǒng)。接口單元13能夠完成需要的信號處理任務(wù)并且能夠?qū)⑿盘栞敵鎏峁┙o數(shù)據(jù)處理單元14和/或掃描頭12。對于用掌上計算機的用戶，接口單元13優(yōu)選內(nèi)部的卡或芯片組。在使用臺式計算機或膝上計算機時，接口單元13可以當作外部設(shè)備。
手持殼體12包括換能器部分15A和手柄部分15B。換能器部分15A保持在低于41℃的溫度下，以致與患者皮膚接觸的外殼部分的溫度不超過這個溫度。手柄部分15B的溫度不超過第二個較高的溫度，優(yōu)選50℃。
圖4A是本發(fā)明的超聲成象系統(tǒng)10的一個實施方案的功能方框圖。如圖所示，掃描頭12包括超聲換能器陣列18，該陣列將超聲信號發(fā)射到感性趣區(qū)域即成象靶11(如人體組織中某個區(qū)域)中并且接收從成象靶返回的反射超聲信號。掃描頭12還包括換能器驅(qū)動電路系統(tǒng)20和脈沖同步電路系統(tǒng)22。脈沖同步電路22將一系列精確的定時脈沖和延遲脈沖發(fā)送給高壓驅(qū)動電路20。當驅(qū)動電路20收到每個脈沖時，該高壓驅(qū)動電路被激活，將高壓驅(qū)動信號發(fā)送給換能器陣列18中的每個換能器，激活該換能器將超聲信號發(fā)射到成象靶11中。
成象靶11反射的超聲回波由陣列18中的超聲換能器探測。每個換能器將收到的超聲信號變換成有代表性的電信號，該電信號被發(fā)送到前置放大電路24和隨時間變化的增益控制(TGC)電路系統(tǒng)25。前置放大電路系統(tǒng)24將來自換能器陣列18的電信號的電平設(shè)置在適合后處理的電平上，而TGC電路系統(tǒng)25用于補償聲脈沖在穿過人體組織時的衰減，該電路系統(tǒng)還驅(qū)動產(chǎn)生行式映象的波束成形電路26(下面將予以介紹)。經(jīng)過調(diào)節(jié)的電信號被發(fā)送到波束成形電路系統(tǒng)26，該電路系統(tǒng)將適當?shù)谋娌钛舆t引入收到的每個信號，對這些信號進行動態(tài)調(diào)焦，以致能夠產(chǎn)生精確的圖象。在并入的國際專利申請PCT/US96/11166中更詳細地介紹了將辨差延遲引入收到的信號和由脈沖同步電路系統(tǒng)22產(chǎn)生的脈沖信號時所用的波束成形電路系統(tǒng)26和諸延遲電路。
在一個優(yōu)選的實施方案中，經(jīng)過動態(tài)聚焦和加和的信號被送到A/D轉(zhuǎn)換器27，該A/D轉(zhuǎn)換器將經(jīng)過加和的信號數(shù)字化。然后，將數(shù)字化的信號數(shù)據(jù)從A/D轉(zhuǎn)換器27經(jīng)電纜16送到彩色多普勒處理電路36。應(yīng)當注意，在借助電纜16直接傳送經(jīng)過加和的模擬信號的替代實施方案中，不使用A/D轉(zhuǎn)換器27。在數(shù)據(jù)處理和顯示單元14中，數(shù)字信號在解調(diào)電路28中經(jīng)過解調(diào)后，被送到數(shù)據(jù)處理和顯示單元14中的掃描變換電路37。
如圖所示，掃描頭的存儲器29儲存來自控制電路21和數(shù)據(jù)處理及顯示單元14的數(shù)據(jù)。掃描頭存儲器29將儲存數(shù)據(jù)提供給脈沖同步電路系統(tǒng)22、TGC 25和波束成形電路系統(tǒng)26。
掃描變換電路系統(tǒng)37將來自波束成形電路系統(tǒng)26的數(shù)字化的信號數(shù)據(jù)從極坐標(r，θ)變換成直角坐標(x，y)。在變換之后，可以將直角坐標數(shù)據(jù)送到非必選的信號后處理平臺30，在那里將它格式化，以便在顯示器32上顯示或在視頻壓縮電路34中壓縮。后處理30也可以利用下面介紹的掃描變換軟件來完成。
在數(shù)據(jù)處理單元14中的脈沖多普勒處理器或連續(xù)多普勒處理器36接收來自A/D變換器27的數(shù)字信號數(shù)據(jù)。脈沖多普勒處理器或連續(xù)多普勒處理器36產(chǎn)生移動目標組織11(如流動的血液)成象所用的數(shù)據(jù)。在優(yōu)選的實施方案中，用脈沖多普勒處理產(chǎn)生流譜。脈沖多普勒處理器36將經(jīng)它處理的數(shù)據(jù)傳送給掃描變換電路系統(tǒng)28，在那里將數(shù)據(jù)的極坐標轉(zhuǎn)譯成適合顯示或視頻壓縮的直角坐標。
控制電路[優(yōu)選個人計算機(如臺式機、膝上機或掌上機)內(nèi)部的微處理器38形式]控制超聲成象系統(tǒng)10的高級操作。微處理器38或DSP將延遲和掃描變換存儲器初始化?？刂齐娐?8借助掃描頭存儲器27控制引入脈沖同步電路系統(tǒng)22和波束成形電路系統(tǒng)26的辨差延遲。
微處理器38還控制存儲器40，該存儲器儲存掃描變換電路系統(tǒng)28使用的數(shù)據(jù)。應(yīng)當理解，存儲器40可以是單一的存儲器也可以是多存儲器電路。微處理器38還有與信號后處理電路系統(tǒng)30和視頻壓縮電路系統(tǒng)34相連的界面，以便控制它們各自的功能。視頻壓縮電路系統(tǒng)34將數(shù)據(jù)壓縮，以便將圖象數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸信道傳輸?shù)竭h程站以供顯示和分析。傳輸信道可以是調(diào)制解調(diào)的或無線的蜂窩通信信道或其它已知的通信方法。
本發(fā)明的便攜式超聲成象系統(tǒng)10優(yōu)選電池44供電。電池44輸出的原電池電壓驅(qū)動穩(wěn)壓電源46，該穩(wěn)壓電源將經(jīng)過調(diào)整的功率提供給成象系統(tǒng)10的各個子系統(tǒng)，包括在掃描頭12中的那些子系統(tǒng)。因此，供給掃描頭的功率可以由數(shù)據(jù)處理和顯示單元14經(jīng)電纜16提供。
圖4B是本發(fā)明的超聲成象系統(tǒng)的另一個優(yōu)選實施方案的功能方框圖。在改進的掃描頭12’中，解調(diào)電路系統(tǒng)被軟件取代，該軟件將由改進的數(shù)據(jù)處理和顯示單元14’中的微處理器38執(zhí)行。具體地說，來自A/D轉(zhuǎn)換器27的數(shù)字化的數(shù)據(jù)流將由FIFO存儲器37分配緩沖區(qū)。微處理器執(zhí)行軟件指令以便完成解調(diào)、掃描變換、彩色多普勒處理、信號后處理和視頻壓縮。因此圖4A中的許多硬件功能都可以由儲存在圖4B的存儲器40中的軟件取代，從而降低了對系統(tǒng)10’的硬件尺寸和重量的要求。
圖5A、5B和5C描述超聲系統(tǒng)的波束成形電路系統(tǒng)的補充優(yōu)選實施方案。其中每個實施方案都要求將采集的模擬數(shù)據(jù)從中頻(IF)降頻到基帶頻率或變頻。降頻或變頻是借助下述方法完成的首先將采樣數(shù)據(jù)乘以一個復值(用輸入乘法器的復值指數(shù)表示)，然后經(jīng)過濾波從數(shù)據(jù)中濾除已經(jīng)變頻到鄰近頻率的圖象。這種處理的輸出適用于最低的輸出采樣率并且適用于隨后的顯示或多普勒處理。
在圖5A中，用一組采樣電路56捕捉數(shù)據(jù)54，該數(shù)據(jù)子樣在制作在集成電路50上的基于CCD的處理電路中用一組電荷代表。數(shù)據(jù)被放進一條或多條延遲線并且在適當?shù)臅r候利用儲存和控制電路系統(tǒng)62和可編程的延遲電路58輸出到非必選的插值濾波器60。插值濾波器可以用于對聲波的往返時間提供精確的判斷并借此對來自敏感元件陣列的返回信號提供較好的聚焦。圖5A只描繪出處理器陣列中的兩個處理信道52。來自插值濾波器的輸出在模擬數(shù)據(jù)加和結(jié)點66處合并，以便提供來自該處理器陣列的經(jīng)過波束成形的輸出數(shù)據(jù)。
利用超聲換能器獲得的數(shù)據(jù)類似于用換能器中心頻率調(diào)制的帶寬適度的信號輸出。換能器的中心頻率即特征頻率與IF是等價的。在模擬信號采樣系統(tǒng)中(例如利用CCDs)，Ω＝2πfI/fS，其中fI是中頻，fS是采樣頻率。數(shù)值n對應(yīng)于子樣序號(即n＝0，1，2，3，4，…)。乘法器68的輸出被稱為同相子樣(I)或正交子樣(Q)。一般的說，I和Q兩者的值將不是零。但是，選擇IF等于fS/4時乘法器的輸出將按重復順序I、Q、-I、-Q、I、Q、-I、…僅僅產(chǎn)生I的值或Q的值。事實上，輸入數(shù)據(jù)僅僅借助1和-1進行換算。因此，如果輸入數(shù)據(jù)是按順序采樣的，即a
、a[1]、a[2]、a[3]、a[4]、…a[n]，那么輸出數(shù)據(jù)是a
、j*a[1]、-a[2]、-j*a[3]、a[4]、…、a[n]，輸出數(shù)據(jù)是a
、j*a[1]、-a[2]、-j*[3]、a[4]、…。
I和Q的輸出74、76每個都經(jīng)過低通濾波70、72，以便去除混入基帶的信號圖象。低通濾波器的系數(shù)可以利用最小均方判據(jù)(LMS或L2-norm判據(jù))或切比雪夫判據(jù)(L-infinity norm判據(jù))進行設(shè)計。在實踐中，符合需要的是盡量減少獲得預定的濾波器特性所必需的系數(shù)的數(shù)目。
用CCD提供的低通濾波器的實例用圖5D予以說明。器件90由13態(tài)的抽頭延遲線組成，由5個固定加權(quán)乘法器94落實濾波系數(shù)。象在圖6的說明中所能看到的那樣，通頻帶中的波動在0.5dB以下，而抑制帶的衰減小于全標度的-30dB。
然后，至少借助因子2為低通濾波器的輸出分樣。大于2的分樣可以證明超聲信號的帶寬是否是限帶寬的，是否被限制到遠遠小于采樣頻率的一半的程度。對于大多數(shù)超聲信號，往往采用大于2的分樣因子，因為與采樣頻率相比超聲信號的帶寬是比較窄的。
為了降低低通濾波器的時鐘頻率，可以交換分樣和低通濾波(器)的次序。通過使用濾波器組，可以選擇I和Q的低通濾波系數(shù)，以致每個濾波器僅僅每隔一個接受一個在其輸入端的數(shù)據(jù)。在選擇分樣率為2時，這種“備選時鐘”模式允許放寬設(shè)計限制。如果分樣因子大于2(即信號帶寬≤≤fS/2時)這些限制可以進一步放寬。
經(jīng)過降頻的輸出數(shù)據(jù)繼續(xù)進行進一步的處理，這些處理可以包括信號包絡(luò)線的檢測或多普勒處理。為了顯示，信號包絡(luò)線(也被稱為信號幅度)作為I和Q輸出的平方和的平方根被計算出來。對于IF＝fS/4時的情況(即或者I＝0或者Q＝0的情況)，包絡(luò)線的檢測變得無足輕重。I和Q的數(shù)據(jù)往往是多普勒處理的輸入，多普勒處理也使用信號包絡(luò)線以便在信號的正和/或負邊頻帶中提取信息。在圖5A中，在超聲信號波束成形之后只需要一個降頻級。
在圖5B中，降頻級被放在采樣電路56后面的每個處理信道52中。如前所述，在這種情況下可以精確地完成I和Q數(shù)據(jù)86、88的生成，而且系統(tǒng)速度要快得多。這種方法的主要優(yōu)點是基于超聲信號的帶寬以及選擇低通濾波和分樣因子可以將每條處理信道中的數(shù)據(jù)率降低到最低。在這個執(zhí)行過程中，所有的處理信道52在濾波級中都將使用相同的復值乘數(shù)和一致的系數(shù)和分樣因子。象上述的執(zhí)行過程那樣，為了提供波束成形的輸出，對復值數(shù)據(jù)進行延遲處理和插值處理。
在圖5C中描繪的超聲波的前期處理與圖5B所描繪的幾乎一致。差別在于插值級85、87已被取消，而是用復值乘數(shù)選擇獨特的值來代替，以便更精確地計算處理信道的延遲。這種方法的不足是乘法器的輸出將總是呈現(xiàn)非零的I值和Q值。這是在復平面圖中圍繞著乘法器輸入的單位圓改變采樣率的結(jié)果。因此，這種方法可以對每條信道中的采樣延遲進行更精確地計算，但是要以在每條處理信道的輸出端都產(chǎn)生復值數(shù)據(jù)為代價。這種改進與上述的執(zhí)行過程相比可能需要更多的后處理來完成包絡(luò)線和多普勒檢測。
在波束成形電路或濾波電路的輸出端與計算機之間提供接口的系統(tǒng)的優(yōu)選實施方案應(yīng)當為計算機提供插件(PCMCIA)。
圖5E所示的電路板700說明一種實施方案，在這個實施方案中，差分接收器702在電纜上接收來自掃描頭并經(jīng)過波束成形處理的16位的數(shù)字數(shù)據(jù)。時鐘信號也與經(jīng)過變換的差分數(shù)據(jù)一起在寄存器704處被接收。第一門電路陣列708以一半數(shù)據(jù)率將16位變換成32位。32位數(shù)據(jù)經(jīng)時鐘選通進入FIFO 712，該FIFO棧輸出追加數(shù)據(jù)(add-on data)716。第二門電路陣列710具有全部控制信號的存取口和至PCI總線控制器的輸出端714。這個具體的實例利用16位的數(shù)據(jù)，但是這種設(shè)計也適用于32位或更多位的數(shù)據(jù)。
此外，還可以使用適合插在個人計算機、膝上計算機或掌上計算機的槽或口中的插件。在這個實施方案中，差分接收器將數(shù)據(jù)輸入寄存器，該寄存器將數(shù)據(jù)傳送給FIFO、然后再傳送給插件上的總線控制器。來自總線控制器的輸出直接與計算機的PCI總線相連。使用差分驅(qū)動器和接收器使掃描頭與接口板(即插件)互連的替代方法是利用被稱為“firewire”的IEEE 1394標準電纜。
集成的波束成形電路740的優(yōu)選實施方案的實例用圖5F予以說明。電路740包括定時電路742和附著在加和電路754每側(cè)的5個延遲電路760。每個電路760包括采樣電路746、CCD延遲線752、控制和存儲電路750、解碼器748和時鐘驅(qū)動電路744。該電路系統(tǒng)被接觸片756包圍著，以便提供通往該微型電路系統(tǒng)的入口。象在前面通過引證并入的專利申請所陳述的各種實施方案中介紹那樣，該集成電路優(yōu)選面積小于20mm2且能夠安裝在掃描頭中的單板上。利用類似的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)16、32或64條延遲線的集成電路。
圖7A是疊加在顯示上的輸入點的示意圖。如圖所示，從超聲波束180收到的輸入點Ip不與在常規(guī)顯示器32上呈矩形排列的象素點P精確對齊。因為顯示器32只顯示象素化的數(shù)據(jù)，所以輸入點Ip必須變換成直角坐標格式。
圖7B是圖6的顯示的示意圖，其輸入數(shù)據(jù)已經(jīng)變換成象素。如圖所示，為了形成圖象，每個成象點Ip都在顯示器32上分配到一個相應(yīng)的象素點P。
掃描變換的一個目的是完成坐標的空間變換，在使用不平的線性掃描頭(如相控陣掃描頭、梯形掃描頭或彎曲的線性掃描頭)時需要這種變換。為了進行這種變換，必須按一種順序讀數(shù)據(jù)，而按另一種順序?qū)戄敵鰯?shù)據(jù)。許多現(xiàn)有的系統(tǒng)必須在運行中產(chǎn)生變換順序，這樣將降低靈活性并且使梯形掃描圖案變得更困難。
因為掃描變換要為數(shù)據(jù)重新排序，所以也可以對數(shù)據(jù)進行旋轉(zhuǎn)、面位顯示(pan)和圖象放大(zoom)處理。為了觀看掃描頭在圖象的頂部、左側(cè)、右側(cè)或底部或者成任意角度描繪的圖象，旋轉(zhuǎn)是有用的。圖象放大(zooming)和面位顯示(panning)通常用于更靠近地研究圖象的各個部分。
除了深入目標某個區(qū)域的圖象放大之外，能夠在熒屏的不同區(qū)域同時看到多個畫面也是有用的。在熒屏上往往顯示完整的圖象，但某些區(qū)域用推攝取景(zoomed-in-view)的圖象代替。這種特征通常被稱為“畫中畫(window-in-a window)”。當前的高級系統(tǒng)提供一個具有這種能力的窗口，但是優(yōu)選的是成象系統(tǒng)提供任意數(shù)量的圖象放大區(qū)，其中每個區(qū)域都具有任意的尺寸和形狀。
使用不規(guī)則的掃描圖案可以簡化系統(tǒng)設(shè)計并允許更充分地利用掃描頭。具體地說，這允許減少或隱藏與深部區(qū)域成象相關(guān)的停滯時間。在深部區(qū)域成象的情況下，波束被發(fā)射出去，但是要在某個較遲的時刻才能被接收，在此之前該波束必須有時間行進到最大深度然后返回。如果在這個停滯時間內(nèi)照射并重建其它區(qū)域，就可以更有效的利用該系統(tǒng)并且能夠獲得更高的幀速或更多的橫向采樣。這可能使掃描圖案變得不規(guī)則(雖然是固定的且顯然是能夠計算的)。下面介紹的靈活的掃描變換將針對這種情況自動進行校正。
圖8是通用的圖象重建技術(shù)的優(yōu)選實施方案的示意圖。按照本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，優(yōu)選的是在波束成形之后直接將數(shù)據(jù)送到PC機中，用軟件完成其余的操作。這樣一來，附加硬件被減少到最低限度，于是計算機可以是小型的便攜式平臺，如膝上計算機或掌上計算機。
優(yōu)選的是，有一個輸入數(shù)組142、一個再映射數(shù)組144和一個輸出數(shù)組146。再映射數(shù)組144是一個索引數(shù)組或指針數(shù)組，該數(shù)組是輸出圖象的尺寸，它被用于確定在哪里得到來自輸入數(shù)組142的每個象素。在再映射數(shù)組144中每個位置上的數(shù)字指出將以相同位置進入輸出數(shù)組146的每個象素在輸入數(shù)組的提取位置。因此，可以認為再映射數(shù)組144和輸出數(shù)組146具有相同的幾何關(guān)系，而輸入數(shù)組142和輸出數(shù)組146具有相同的數(shù)據(jù)類型，即實際的圖象數(shù)據(jù)。
輸入數(shù)組142具有適合每幀超聲圖象的新數(shù)據(jù)，這意味著它處理這些數(shù)據(jù)并且將它們逐幀放到輸出數(shù)組146中。按照本發(fā)明，新的超聲圖象幀以每秒至少20幀的速度形成，優(yōu)選的是每幀大約1/30秒。但是，再映射數(shù)組144僅僅在更新掃描頭的類型或取景參數(shù)(即圖象放大和面位顯示)時才被更新。因此，只要從一組新的輸入數(shù)據(jù)計算新的輸出圖象的例行操作能夠以每秒大約30幀的幀速完成，再映射數(shù)組144的數(shù)據(jù)可以比較緩慢地生成，(但是仍然在大約一秒以下，否則它可能變得麻煩)。這意味著在不損害總體性能的情況下可以用通用的個人計算機來完成再映射數(shù)組144的數(shù)據(jù)的計算任務(wù)，而且不必將附加硬件用于這項任務(wù)。在具有數(shù)字信號處理器(DSP)的計算系統(tǒng)中，DSP可以完成再映射數(shù)組144的計算。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，用于輸入數(shù)組142的輸入存儲器可以是兩組靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)或一組視頻隨機存取存儲器(VRAM)，其中輸入是串行存取而輸出是隨機存取。但是，VRAM組可能速度太慢而且刷新成本太高。雖然隨機存取的SRAM也將運行，但用于再映射數(shù)組144的再映射存儲器優(yōu)選的是體現(xiàn)在VRAM中的順序存取存儲器或動態(tài)隨機存儲器(DRAM)。用于輸出數(shù)組146的輸出存儲器可以是幀緩沖器或先進先出(FIFO)緩沖器。在運行中掃描變換基本上是一經(jīng)請求即執(zhí)行的。掃描變換優(yōu)先選擇借助軟件在PC機上完成。但是，如果用硬件進行掃描變換，那么PC機僅僅儲存數(shù)據(jù)，因此降低了系統(tǒng)的復雜性。因此，按照本發(fā)明體系結(jié)構(gòu)優(yōu)選的是只有兩個隨機存取的輸入緩沖器、一個順序存取的再映射緩沖器和頂替輸出緩沖器供流水線技術(shù)使用的小型FIFO(如果有)或位。這意味著幀輸出緩沖器在PC機的存儲器中。
按照本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，在超聲掃描變換中使用采用誤差擴散的空間抖顫技術(shù)。典型的抖顫是在象素亮度域中進行的。但是，按照本發(fā)明抖顫用在超聲掃描變換中，以便在空間域方面而不是在象素亮度域方面逼近象素。空間抖顫用于逼近落在兩個輸入數(shù)據(jù)點之間的值。發(fā)生這種情況僅僅是因為采樣半徑是不連續(xù)的而顯示屏上的象素可能落在兩個半徑之間需要經(jīng)過濾波。為了在縱向采樣點之間插值必須使用空間抖顫。
請回憶一下，再映射數(shù)組144儲存著每個輸出點對輸入點的映射。輸入數(shù)據(jù)點通常是在極坐標系中，而輸出點則在直角坐標系中。雖然再映射數(shù)組144僅僅包含進入輸入數(shù)組142的索引，但是可以把它們看作包含半徑值(r)和角度值(θ)。在想象中，這些數(shù)值具有任意精度而且不必與實際采樣點對應(yīng)?，F(xiàn)在考慮必須將這些任意精度的數(shù)字變換成整數(shù)值。整數(shù)半徑值對應(yīng)于離散子樣，這些子樣已被取出而且受系統(tǒng)的半徑采樣密度限制。整數(shù)角度值對應(yīng)于離散的半徑線，這些半徑線是被掃描的并因此受掃描角度限制。如果應(yīng)用空間抖顫，這些浮點值可以變換成固定的整數(shù)值而沒有非自然信號，這種信號是在進行沒有誤差擴散的離散圓整時出現(xiàn)的。
圖9A至圖9B是流程圖，說明按照本發(fā)明再映射數(shù)組的計算技術(shù)。在步驟205，檢查掃描頭看看是否已有改變。如果掃描頭已經(jīng)改變，那么繼續(xù)執(zhí)行步驟210，在這個步驟中給出新掃描頭的類型配置。在完成步驟210之后，或者掃描頭配置沒有改變(步驟205)，那么繼續(xù)執(zhí)行步驟215。在步驟215，檢查顯示窗看看是否有圖象放大、面位顯示或新的畫中畫特征。如果有，繼續(xù)執(zhí)行步驟220，在這個步驟用戶輸入新的取景參數(shù)。在完成步驟220之后，或者在步驟215中顯示窗沒有改變，繼續(xù)執(zhí)行步驟225，在這個步驟中清除再映射數(shù)組，以便指出輸入數(shù)組與輸出數(shù)組之間的新關(guān)系。
在步驟230，該程序選擇待處理的窗口W。在步驟235，將所有的行誤差值LE和所有的采樣誤差值SE都初始化到零。在步驟240，點計數(shù)器P被初始化到窗口W左上角的象素點。
在步驟245，應(yīng)用程序計算視野V中每個點的浮點行號LFP和采樣偏置SFP。對于相控陣，這將是半徑r和角度θ。在步驟250，前期的延伸誤差項LE、SE(下面予以討論)被加到點P的浮點值LFP、SFP上，在步驟255被圓整到最接近的整數(shù)LR、SR，這對整數(shù)對應(yīng)于實際采樣點。在步驟260，應(yīng)用程序計算圓整誤差LRE＝LFP-LRSRE＝SFP-SR。
延伸 誤 差LE(右)＝LE(右)+LRE*7/16LE(下左)＝LE(下左)+LRE*3/16LE(下)＝LE(下)+LRE*5/16LE(下右)＝LE(下右)+LRE*1/16SE(右)＝SE(右)+SRE*7/16SE(下左)＝SE(下左)+SRE*3/16SE(下)＝SE(下)+SRE*5/16SE(下右)＝SE(下右)+SRE*1/16在步驟265，誤差朝當前點P的右、左下、下和右下方的象素點延伸。
在步驟270，應(yīng)用程序在掃描數(shù)據(jù)排序索引的基礎(chǔ)上計算數(shù)據(jù)索引REMAP(P)＝INDEX(LR，SR)。
在步驟275，檢查執(zhí)行情況，看看在該窗口內(nèi)是否有更多的點。如果有更多的點待處理，在步驟280將指針P加1，到下一個點。然后返回到步驟245。一旦窗口內(nèi)所有的點都已經(jīng)過處理，繼續(xù)執(zhí)行步驟285。
在步驟285，檢查執(zhí)行情況，看看是否有更多的窗口待處理。如果有，返回到步驟230。否則，繼續(xù)往下進行。
因為抖顫將一個源(one source)變換成每個輸出象素，所以同樣的再映射體系結(jié)構(gòu)可以用于使實時的掃描變換用軟件完成成為可能，即使在便攜式計算機上也是如此。因此，復雜的抖顫操作只是在初始化期間或者在取景參數(shù)發(fā)生變化的時候才被執(zhí)行。但是抖顫的好處卻出現(xiàn)在所有的圖象中。
圖10是輸出幀計算引擎的流程圖。在步驟305，經(jīng)過波束成形和解調(diào)處理的輸入數(shù)據(jù)被讀入存儲器。在步驟310，輸出象素索引P被初始化。在步驟315，按照下式設(shè)置輸出數(shù)組，使它等于經(jīng)過再映射的輸入數(shù)組，OUTPUT(P)＝INPUT[REMAP(P)]。
在步驟320，輸出象素索引P加1。在步驟325，檢查象素索引P，看看該圖象是否已經(jīng)形成。如果沒有形成，返回步驟315。一旦圖象中所有象素都已經(jīng)過計算，繼續(xù)執(zhí)行步驟330，在這個步驟中輸出圖象進行非必選的平滑處理。最后，在步驟335顯示輸出圖象。
雖然抖顫確實清除了那些伴隨子樣圓整發(fā)生的非自然信號(機器條紋(mach-banding)和網(wǎng)紋圖案)，但是抖顫可能引入高頻噪聲。正是這種高頻噪聲的平均值可提供平滑過渡效果。對于未經(jīng)過訓練的眼睛，這些非自然信號遠不如用簡單圓整或最近點法獲得的那些非自然信號那么令人討厭的，但是對于超聲技術(shù)專業(yè)人員可能是要不得的。
在再映射處理之后借助低通空間濾波使圖象平滑可以將這些非自然信號將大大減少，甚至可能消除。這種濾波器可以是一種能夠與需要的輸入分辨率特性匹配的箱式濾波器或者非對稱濾波器。這類濾波器可以在與特殊位置的點坐標的方向或角度匹配的直線域中應(yīng)用。
基本上，具有一個匹配的濾波器是符合要求的，該濾波器的濾波范圍相當于或正比于正在抖顫的點之間的距離。因此，高放大率優(yōu)選有相當大的平滑濾波器陪伴，反之，在采樣半徑r或角度θ的間隔都相當小(在一個象素的數(shù)量級上)的場合，可能就不需要濾波。
因為再映射操作基本上是兩次加載和一次儲存，所以它可以用標準的個人計算機完成。用匯編語言編碼時再映射算法業(yè)已證明在基于166Mhz Pentium芯片的PC機上運行將獲得非常接近實時操作的結(jié)果。此外，用匯編語言編寫的解調(diào)程序已經(jīng)在PC機上完成了解調(diào)，而且接近實時操作。文本和圖標受下述操作影響將一些固定數(shù)值即顏色儲存在輸入緩沖器的始端，然后映射到即將使用這些顏色的那些地方。如果生效，各種形狀即文本被繪制在再映射數(shù)組中，該數(shù)組將被打開并且無需計算就能自動地疊加在所有的圖象上。
圖11A和圖11B是在本發(fā)明的顯示器32上可能出現(xiàn)的顯示格式的示意圖。本發(fā)明的系統(tǒng)具有可由用戶選擇的多窗顯示格式，而不是象早期的超聲成象系統(tǒng)那樣只顯示一個數(shù)據(jù)窗。圖11A表示可選擇的多窗顯示，其中三個信息窗同時顯示在顯示器上。窗口A顯示標準的B-掃描圖象，而窗口B顯示二維的多普勒彩色流譜的M-掃描圖象。窗口C是用戶信息窗，它將命令選擇傳遞給用戶并且便于用戶手控選擇。圖11B是非必選的單窗顯示，其中整個顯示屏僅僅用于提交B-掃描圖象。這種顯示可以非必選地同時展示B模式掃描圖象和彩色多普勒掃描圖象，其方法是將兩種顯示重疊起來或者利用熒屏分割特征并排顯示。
圖12是優(yōu)選的用戶圖形界面的功能方框圖。虛擬控制400包括超聲圖象控制顯示410、探頭型號性能顯示420和探頭特殊性能顯示500。虛擬控制顯示400優(yōu)先作為在窗口環(huán)境中的對話框被編碼。
圖13說明用于超聲圖象控制410的對話框。通過超聲圖象控制顯示410，用戶可以對探頭類型412、分區(qū)顯示414、解調(diào)濾波器416和算法選項418進行選擇。還可以通過這個對話框完成超聲掃描初始化。
探頭型號性能顯示420包括型號425、安全信息430、圖象的綜合脈沖幅度(IPA)數(shù)據(jù)435、多普勒IPA數(shù)據(jù)440、彩色IPA數(shù)據(jù)445、探頭的幾何形狀450、圖象區(qū)數(shù)據(jù)455、多普勒區(qū)數(shù)據(jù)460、彩色區(qū)數(shù)據(jù)465、圖象切趾法470、多普勒切趾法475和彩色切趾法480。這些型號性能優(yōu)先作為對話框被編譯成代碼。通過型號性能對話框425用戶可以輸入探頭型號的一般調(diào)整。
圖14A說明用于輸入取景探頭型號性能的對話框。輸入的參數(shù)將下載給超聲探頭。
圖14B說明用于輸入和查看安全信息430的對話框。如圖所示，用戶可以輸入一般調(diào)整432和每種控制標準的波束寬度數(shù)據(jù)表434。
圖14C說明用于輸入和查看圖象IPA數(shù)據(jù)435的對話框。這個對話框顯示波束成形的輸出值，作為圖象顯示區(qū)的功能針對不同的驅(qū)動電壓列出，單位是伏特。類似的對話框用于輸入多普勒IPA數(shù)據(jù)440和彩色IPA數(shù)據(jù)445。
圖14D說明用于影響圖象切趾功能470的對話框。如圖所示，用戶可以輸入和查看一般調(diào)整472和矢量信息474。用戶可以選擇用于打開數(shù)組窗(即切趾法)的有效單元。
探頭特殊性能顯示500包括用于輸入探頭特殊性能的對話框510、圖象視場(FOV)數(shù)據(jù)520、多普勒FOV數(shù)據(jù)530和彩色FOV數(shù)據(jù)540。通過探頭特性對話框510用戶可以輸入一般調(diào)整512、成象靜態(tài)信息514、多普勒靜態(tài)信息516和FOV調(diào)整518。
圖15A說明用于輸入和查看探頭特殊信息的對話框?？梢灾С秩我鈹?shù)量的探頭。
圖15B至圖15C說明用于輸入圖象FOV數(shù)據(jù)的對話框。如圖所示，用戶可以輸入一般調(diào)整522、斷點PGC數(shù)據(jù)524、分區(qū)邊界526和分區(qū)持續(xù)時間528。用于顯示多普勒和彩色FOV數(shù)據(jù)的對話框530、540是類似的而且兩者都是一般調(diào)整532和542、斷點TGC數(shù)據(jù)534和544、以及PRF數(shù)據(jù)536和546的入口。
圖15D至圖15J說明依據(jù)本發(fā)明的補充窗口和用于控制超聲成象系統(tǒng)的控制面板。圖15D展示感性趣區(qū)域的觀察窗和與掃描圖象并排的控制面板。圖15E展示對多普勒視場和其它可選擇設(shè)定的各種控制。圖15F展示彩色視場控制。圖15G展示探頭的性能。圖15H展示探頭的彩色IPA數(shù)據(jù)。圖15I展示用于線性陣列的探頭幾何學設(shè)定。圖15J展示用于多普勒切趾法的調(diào)整。
圖16說明依據(jù)本發(fā)明成象系統(tǒng)的優(yōu)選實施方案的圖象放大特征。在這個具體的圖示說明中，幻象的詳細特征(即顯示在熒屏32上的患者體內(nèi)的解剖學特征600)可以在顯示窗內(nèi)或顯示窗上進行選擇和放大。在這個具體實例中，用戶選擇區(qū)域602并且將它在窗口609中放大?？梢杂幸淮笈@樣的區(qū)域同時被放大并且以分開的或重疊的窗口同時顯示在熒屏32上。如果同時使用兩個掃描頭，不同的視野可以同時顯示，或者將以前錄制的圖象從存儲器中調(diào)出并顯示在實時提交的圖象的旁邊。
為了提供小尺寸、低功耗和最大限度的掃描靈活性，設(shè)計了集成的前端探頭法的體系結(jié)構(gòu)，包括1)發(fā)射時分區(qū)聚焦；2)驅(qū)動各種探頭(諸如線性的/彎曲型線性的，線性的/梯形的)和扇區(qū)掃描的能力；3) 提供B-模式顯示、M-模式顯示、彩色流譜(color flow map)顯示和多普勒聲納圖(Doppler Sonogram)顯示的能力；4)多種供選擇的脈沖形狀和頻率；以及5)不同的發(fā)射順序。用于前端集成系統(tǒng)700的各種實施方案展示在圖17A、17B和17C中。本發(fā)明獨有的模塊是分別與波束成形芯片702、發(fā)射/接收芯片704、前置放大器/TGC芯片706對應(yīng)的部件。
標明“前端探頭”(前端控制器)的部件借助產(chǎn)生提供給模塊702、704、706和存儲器單元708的時鐘信號和控制信號直接控制超聲掃描頭的例行操作。這些信號用于保證連續(xù)的數(shù)據(jù)輸出和指出出現(xiàn)在存儲器單元輸出端的數(shù)據(jù)預定供哪個模塊使用。掃描頭710的高級控制以及初始化、數(shù)據(jù)處理功能和顯示功能是由通用主機(諸如臺式PC機、膝上機和掌上機)720提供的。因此，前端控制器還與主機接口(例如借助PCT總線或FireWire714)，以便允許主機將控制數(shù)據(jù)寫入掃描頭的存儲器單元并接收返回數(shù)據(jù)。這是在初始化時以及在用戶選擇不同的掃描方案、需要改變參數(shù)(諸如分區(qū)的數(shù)量和/或位置、或掃描頭類型)時完成的。為了在來自波束成形器的數(shù)據(jù)必須借助限制帶寬的鏈路傳送給主機時防止數(shù)據(jù)丟失，前端控制器還提供緩沖功能和數(shù)據(jù)流控制功能。
所述系統(tǒng)允許實現(xiàn)兩種不同的功能，彩色流譜(CFM)功能和多普勒聲納圖(DS)功能。圖17A展示基于硬件的配置722，其中專用的多普勒處理芯片安裝在后端插件724上并被用作主機720的協(xié)處理器，以便完成CFM計算和DS計算。圖17B展示軟件配置，其中CFM計算和DS計算是由主機完成的。
圖17C展示另一種集成系統(tǒng)，其中換能器陣列和各前端處理單元未被集成到一個殼體中，而是借助同軸電纜連接起來。如圖所示，前端單元包括前端控制器、存儲器和三個模塊704(發(fā)射/接收芯片)、706(前置放大器/TGC芯片)和702(波束成形芯片)。
“FireWire”指的是在串行鏈路上提供高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎ESE標準1394。這允許將體積大成本低的市售零件用于接口。該標準支持異步的數(shù)據(jù)傳輸模式。這種模式可以用于向探頭存儲器發(fā)送指令和系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)。它還可以用于查詢掃描頭的狀態(tài)并獲得關(guān)于諸如掃描頭上的按鈕或其它輸入設(shè)備被激活之類的補充信息。此外，異步數(shù)據(jù)傳輸模式可以用于檢測所用探頭的類型。等時傳輸模式可以用于將從波束成形器返回的數(shù)據(jù)傳輸給主機。如果多普勒處理器放在探頭內(nèi)，那么經(jīng)多普勒處理的數(shù)據(jù)可以用FireWie傳送。另外，可以借助主機中的軟件或硬件對數(shù)據(jù)進行多普勒處理。FireWire標準也有無線版本，它允許借助光學鏈路進行無繩通信。在利用無線的FireWire將探頭連接到主機上時，這可以用于提供更大的自由。
前置放大器/TGC芯片在實現(xiàn)時是由32個并行的低噪聲低功率的前置放大器/TGC單元構(gòu)成的集成電路。每個單元具有60dB的可編程增益、低于1.5nVI
的噪聲電壓和低于每個接收器信道11mW的耗散。
如圖18所示，多信道發(fā)射/接收芯片由全局計數(shù)器、全局存儲器和雙信道并行發(fā)射/接收控制器組成。在每個控制器740內(nèi)有局部存儲器745、延遲比較器、頻率計數(shù)器&比較器、脈沖計數(shù)器&比較器、相位選擇器、發(fā)射/接收多路選擇開關(guān)(T/R開關(guān))和電平倒相器單元。
全局計數(shù)器742將主時鐘和位值同時傳送給每個信道處理器740。全局存儲器744控制發(fā)射頻率、脈沖數(shù)、脈沖順序和發(fā)射/接收選擇。局部延遲比較器746將延遲選擇提供給每條信道。例如，采用60MHz的時鐘和10位的全局計數(shù)器，可以將不超過17μs的延遲提供給每條信道。局部頻率計數(shù)器748提供可編程的發(fā)射頻率。一個帶比較器的4位計數(shù)器最多可以提供16種不同的頻率選擇。例如，采用60MHz主時鐘，一個4位的計數(shù)器經(jīng)過編程可以提供不同的發(fā)射頻率，如60/2＝30MHz、60/3＝20MHz、60/4＝15MHz、60/5＝12MHz、60/6＝10MHz等。局部脈沖計數(shù)器750提供不同的脈沖順序。例如，一個帶比較器的6位計數(shù)器能夠提供可編程的發(fā)射脈沖寬度，從一個脈沖至64個脈沖。局部相位選擇器提供子時鐘延遲分辨率。
盡管通常由發(fā)射芯片的時鐘周期確定延遲分辨率，但是一種被稱為可編程的子時鐘延遲分辨的技術(shù)允許延遲分辨率比時鐘周期更精確。采用可編程的子時鐘延遲分辨技術(shù)，用基于每條信道編程的時鐘相位選通頻率計數(shù)器的輸出。在最簡單的形式中，采用二相時鐘，而頻率計數(shù)器的輸出是用斷言時鐘(assenedclock)選通或是用非斷言時鐘(deasserted clock)選通。另一種辦法是采用多個斜移時鐘(skewed clocks)?？梢赃x擇每條信道一個，并且用它選通來自頻率計數(shù)器的不精確的定時信號。例如，對于60Mhz的主時鐘，二比一的相位選擇器提供8ns的延遲分辨率而四比一的相位選擇器提供4ns的延遲分辨率。
用于發(fā)射脈沖的集成的發(fā)射/接收選擇開關(guān)754、T/R開關(guān)和高電平倒相器750也被展示出來?？梢圆捎靡黄軌蛱幚?4信道驅(qū)動器和32信道接收器的發(fā)射/接收芯片，每條信道具有一個圖18所示的控制器。
在另一種配置中(如圖19所示)，T/R多路選擇開關(guān)和高壓倒相器在另外的芯片上與其它的元器件分開，以便允許采用高壓半導體技術(shù)(如擊穿電壓高的硅CMOS/JFET或GaAs技術(shù))生產(chǎn)這些元器件。
脈沖多普勒超聲成象的基本方法用圖20予以說明。波形由包含N個脈沖770的脈沖串組成。在每個脈沖之后按需要采集不同距離(深度)的子樣。在該距離波門內(nèi)材料中的速度分布按時間展開作為二維的聲納圖772被顯示出來，其中水平軸代表時間而垂直軸代表速度(該速度是借助多普勒頻移估算的)。借助移動距離波門和改變其大小可以對不同的區(qū)域提出質(zhì)疑。如圖20所示，采用一個距離波門的多普勒處理就能夠產(chǎn)生多普勒聲納圖。將N個超聲脈沖的序列以脈沖重復頻率fprf沿著給定的視線張角發(fā)射出去。返回的回波經(jīng)距離波門選通后，只使用來自一個距離區(qū)間的回波，這意味著為了提取多普勒信息只處理與選定距離的區(qū)域(例如從深度d至d+δd)對應(yīng)的沿著選定的視線張角從換能器陣列返回的信號。借助計算收到的來自散射體的回波的多普勒頻移，可以獲得選定區(qū)域內(nèi)散射體的速度分布。這就是說，對收到的時域信號進行傅里葉變換776將提供頻率信息，包括所需的多普勒頻移fd。在感性趣的區(qū)域內(nèi)散射體的速度分布可以從下述關(guān)系式獲得fd＝2(v/c)fc其中c是傳輸介質(zhì)中的聲速，fc是換能器的中心頻率。例如，如果N＝16、fprf＝1kHz，使用上式將產(chǎn)生顯示16ms多普勒數(shù)據(jù)的聲納圖772。如果每N/fprf秒重復一次該過程，那么連續(xù)的多普勒聲納圖可以產(chǎn)生。
另一個實施方案涉及適合彩色流譜應(yīng)用的脈沖多普勒處理。符合臨床要求的是能夠?qū)崟r地顯示大范圍的流速和流譜。適合用超聲波處理這項任務(wù)的方法被稱為色流映射(CFM)。色流映射技術(shù)是上述單一選通系統(tǒng)的延伸。在CFM中，速度評估不僅沿著一個方向或線段進行，而且在許多覆蓋感性趣區(qū)域的方向(多條掃描線)上進行。速度信息通常是彩色編碼的(例如紅色表示朝換能器流動，bulc away)并且重疊在顯示底層組織的B-模式圖象上。
基于脈沖多普勒處理的彩色流譜780示于圖21。借助在不同深度采樣并將子樣保存在用于附加處理的存儲空間中可以將圖20所示的單一距離區(qū)間基本系統(tǒng)推廣，以便對大量的距離波門進行測量。注意，這并不增加探測時間，因為數(shù)據(jù)是從同一條RF線采集的。讓波束掃過某個區(qū)域就有可能在感性趣的二維區(qū)域中組合成速度圖象。在操作時，并行處理沿著一個方向來自J個距離區(qū)間782的數(shù)據(jù)。在處理完N個脈沖回波之后，輸出表示一個J×N對數(shù)據(jù)的距離對多普勒的分布，該分布可以依次用于產(chǎn)生一個J×N對數(shù)據(jù)的速度分布輪廓。每個深度dk(k＝1，2，…J)的平均速度用于在彩色流譜上產(chǎn)生一個點即一個方格；在每個方格中，標準偏差用于評估湍流度。如果該程序每N/fprf秒對每J個距離區(qū)間(例如，間隔開J/2個距離區(qū)間)和對感性趣區(qū)域中的每條掃描線重復一次，那么可以產(chǎn)生二維的彩色流譜圖。
值得注意的是，正象Jorgen A.Jensen在出版物“Estimation ofBlood Velocities Using Ultrasound”(University Press 1996)中介紹的那樣，交叉相關(guān)技術(shù)可以代替基于FFT的計算用于產(chǎn)生類似的彩色流譜，在此通過引證將該文內(nèi)容并入。
距離波門的大小和位置可以由用戶確定。這種選擇確定發(fā)射的脈沖寬度和脈沖重復頻率。距離波門的大小是由脈沖寬度確定的。脈沖的持續(xù)時間為Tp＝2Ig/C＝Mfc其中Ig是波門寬度，M是正弦周期數(shù)。波門的深度確定能以多快的速度獲得脈沖回波線。最大速度是fprf＝c/2d0其中d0是至波門的距離。
用于脈沖多普勒超聲成象的同屬波形用圖22表示，其中波形包括N個脈沖的脈沖串800。在脈沖串中的每個脈沖之后依據(jù)需要采集與距離一樣多的深度子樣。圖22還展示適合這種成象技術(shù)的常規(guī)信號處理器的方框圖810，其中每個換能器接收的返回回波在同相和正交解調(diào)前進行采樣并且相干地加和起來。將降頻/基帶回波變換成數(shù)字表達式，然后儲存在緩沖存儲器中，直至包括相干間隔的全部脈沖回波都被接收為止。然后，從存儲器中讀出對每個深度采集的N個脈沖回波，施加加權(quán)序列v(n)，以便控制多普勒旁瓣，然后再計算N-point FFT。在來自一個相干間隔的深度子樣通過多普勒濾波器進行處理期間，來自下一個相干間隔的回波正在通過濾波器進行處理，來自下一個相干間隔的回波抵達并儲存在第二輸入存儲器中。FFT818的輸出被轉(zhuǎn)到顯示單元，或為了隨后的顯示計算多普勒子樣的時間平均值。
在此介紹的CDP器件將完成在圖22的虛線框中指出的全部功能，A/D變換功能除外，該功能是不必要的，因為CDP器件提供模擬采樣數(shù)據(jù)的功能。這個CDP脈沖多普勒處理器(PDP)器件具有計算矩陣乘矩陣的能力，所以它所具有的能力比實現(xiàn)虛線框內(nèi)所示功能所需要的能力大得多。
PDP器件計算兩個實數(shù)值矩陣的乘積，其方法是將由第一矩陣的列與第二矩陣相應(yīng)的行形成的外積加和起來。
為了介紹PDP在多普勒濾波問題中的應(yīng)用，我們首先將多普勒濾波方程變成實值矩陣運算的和。完成多普勒濾波的方法是對每個感性趣的深度計算經(jīng)過加權(quán)處理的脈沖回波的離散傅里葉變換(DFT)。如果我們用g(kj)表示深度-多普勒子樣，其中k是多普勒指數(shù)，0≤k≤N-1，而j是深度索引，于是g(k,j)=Σn=0n-1v(n)f(n,j)exp(-j2πkn/N)]]>加權(quán)函數(shù)可以與DFT的核合并，以便獲得元素由下式給定的多普勒濾波變換系數(shù)矩陣W(k，n)＝Wk，n＝ν(n)exp(-j2πkn/N)。經(jīng)多普勒濾波后信號的實分量和虛分量現(xiàn)在可以寫成gr,kj=Σn=0N-1(Wr,knfr,nj-Wi,knfi,nj)]]>gr,kj=Σn=0N-1(Wr,knfr,nj+Wi,knfi,nj)]]>在上式中，加雙腳標的變量全可以看作是矩陣的指數(shù)。所以，在矩陣表達式中，多普勒濾波可以表示成矩陣的乘積運算。人們可以看到PDP器件可以用于完成每個矩陣乘法運算，借此實現(xiàn)多普勒濾波操作。
在本發(fā)明中介紹的PDP器件的方框圖示于圖22。該器件包括J級CCD抽頭延遲線、J個CCD倍增D/A轉(zhuǎn)換器(MDACs)、J×K個累加器、J×K個多普勒子樣緩沖器和并行輸入串行輸出(PISO)的輸出移位寄存器。MDACs共享公用的8位數(shù)字輸入設(shè)備，來自系數(shù)矩陣的元素也在該輸入設(shè)備上傳輸。抽頭延遲線完成采樣和保存功能，將在時間上連續(xù)的模擬輸入信號變換成經(jīng)過采樣的模擬信號。
在超聲成象系統(tǒng)中用于色流映射的雙PDP部件840示于圖23。在這個部件中，在一個脈沖返回期間，頂部的PDP元件計算Wkfr和Wifk形式的項(如上方所示)，而底部PDP元件計算-Wifi和Wkfi形式的項。然后將每個元件的輸出加和，以便交替地獲得gr和gi。
多普勒和彩色流譜處理涉及相當繁重的計算量。這種處理可以利用通用微處理器用軟件完成。有優(yōu)化矩陣-矩陣運算的指令(諸如Inter MMX功能部件組)可以大大改進綜合性能。以FFT計算算法為基礎(chǔ)計算彩色流譜的軟件流程圖用圖24予以說明。在初始化900之后，獲得降頻數(shù)據(jù)902并且使指針P位于掃描線的起點904，計算該數(shù)據(jù)的平均值并儲存906，施加加權(quán)函數(shù)908，計算FFT910，針對每個頻率計算數(shù)值z(k)912，然后計算第一和第二要素914以及用顏色顯示它們916。指針加1并且按照要求處理每條掃描線。
以交叉相關(guān)計算為基礎(chǔ)計算彩色流譜的軟件流程圖用圖25予以說明。
在初始化940之后，獲得掃描線數(shù)據(jù)942，然后獲得距離區(qū)間數(shù)據(jù)944。交叉相關(guān)計算946和求平均948，然后計算速度分布950。獲得第一和第二要素952并且顯示它們954。增加距離區(qū)間數(shù)據(jù)956，然后重復該過程。
盡管已經(jīng)具體地展示了本發(fā)明并且參照本發(fā)明的優(yōu)選實施方案做了介紹，但是熟悉這項技術(shù)的人應(yīng)當理解在不脫離本發(fā)明的權(quán)利要求書所定義的精神和范圍可以在形式和細節(jié)上做各種各樣的變化。
權(quán)利要求
1.一種將超聲掃描數(shù)據(jù)變換成顯示格式的方法，該方法包括下述步驟a)提供一個由來自超聲器件的輸入數(shù)據(jù)組成的輸入數(shù)組；以及b)對輸入數(shù)據(jù)進行空間抖顫處理，以便將該輸入數(shù)據(jù)變換成由輸出數(shù)據(jù)組成的輸出數(shù)組。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中空間抖顫步驟包括圓整位置數(shù)據(jù)，從任意精度的數(shù)值圓整成帶余數(shù)值的整數(shù)值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中空間抖顫步驟進一步包括通過輸出數(shù)據(jù)傳播余數(shù)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中空間抖顫步驟包括由輸入數(shù)組中的第一數(shù)值計算輸出數(shù)組中的第一位置；以及利用第一位置計算輸出數(shù)組中的第二位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中第一和第二位置代表毗鄰顯示的象素位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中空間抖顫步驟是在通用計算機上完成的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中通用計算機是一種便攜式計算機。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中提供輸入數(shù)組的步驟進一步包括按極坐標接收來自超聲器件的輸入數(shù)據(jù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，該方法進一步包括將輸出數(shù)組變換成輸入數(shù)組。
10.根據(jù)權(quán)利要求9方法，其中所述變換步驟包括根據(jù)變化將再映射數(shù)組初始化到顯示格式。
11.根據(jù)權(quán)利要求1方法，該方法進一步包括提供掃描變換電路，該電路對輸入數(shù)據(jù)進行空間抖顫處理。
12.一種將超聲波掃描數(shù)據(jù)變換成顯示格式的方法，該方法包括提供由輸入超聲數(shù)據(jù)組成的輸入數(shù)組；提供個人計算機，該計算機經(jīng)過編程完成輸入超聲數(shù)據(jù)的變換；以及將由輸入超聲數(shù)據(jù)組成的輸入數(shù)組變換成具有顯示格式的輸出數(shù)組。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，該方法進一步包括以至少每秒20幀的速度對大量的輸入超聲數(shù)據(jù)幀進行變換。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，該方法進一步包括以大約每秒30幀或更高的速度進行變換。
15.一種超聲成象系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個發(fā)射和接收超聲信號的換能器陣列；一個與換能器陣列電連接的波束成形電路，該電路形成待成象目標的電子表象；一個可編程的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)接收所述電子表象，給計算機編制完成電子表象掃描變換的程序，以便將所述電子表象變換到顯示格式。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中可編程的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是個人計算機。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中可編程的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是具有鍵盤和液晶顯示器的便攜式計算機。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，其中可編程的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是掌上計算機。
19.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，該系統(tǒng)進一步包括接口電路。
20.根據(jù)權(quán)利要求15的系統(tǒng)，該系統(tǒng)進一步包括手持機殼，該手持機殼包括換能器陣列和波束成形電路。
全文摘要
一種超聲成象系統(tǒng),該系統(tǒng)包括一種掃描變換處理,這種掃描變換處理將超聲數(shù)據(jù)變換成標準的顯示格式并且可以在個人計算機上通過給該計算機編制程序?qū)碜詷O坐標的數(shù)據(jù)變換成適合在計算機監(jiān)視器上顯示的笛卡爾坐標得以完成。這些數(shù)據(jù)是由掃描頭總成提供的,該掃描頭總成內(nèi)藏一個超聲波換能器陣列和與之相連的電路系統(tǒng),該電路系統(tǒng)包括在發(fā)射模式中使用的脈沖同步電路系統(tǒng)和在接收模式中使用的波束成形電路系統(tǒng),前者將用于發(fā)射超聲脈沖,而后者將動態(tài)聚焦從正在成象的感性趣區(qū)域返回的超聲波回波信號。
文檔編號G01S7/52GK1242079SQ97180984
公開日2000年1月19日 申請日期1997年12月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月23日
發(fā)明者杰弗瑞·吉爾伯特, 艾利斯·M·羌, 史蒂文·R·布羅德斯通 申請人:垓技術(shù)公司