使用三態(tài)發(fā)送脈沖器用于任意波形生成的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請根據(jù)35U.S.C.§119(e)要求于2013年7月19日提交的第61/856,488號美國 臨時申請的權(quán)益，該美國臨時申請通過引用整體并入本文。
[0003] 背景
技術(shù)領(lǐng)域
[0004] 本公開涉及用于將任意波形編碼成適合于根據(jù)各種保真度標(biāo)準(zhǔn)控制三態(tài)RF超聲 發(fā)送器的序列的方法，以及涉及相關(guān)的超聲系統(tǒng)。
[0005] 相關(guān)領(lǐng)域的描述
[0006] 超聲成像已發(fā)展成用于診斷多種疾病狀態(tài)和狀況的有效工具。由于改善圖像質(zhì)量 和對各種類型的組織區(qū)分的能力的推動，超聲設(shè)備的市場多年來穩(wěn)定增長。遺憾的是，仍然 存在超聲系統(tǒng)可用的、設(shè)備成本太高以至于無法被廣泛采用的許多應(yīng)用。示例是諸如乳腺 癌檢測、前列腺成像、肌肉骨骼成像和介入放射學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域及其它領(lǐng)域，超 聲成像的診斷效果取決于用于區(qū)分和識別各種組織類型的優(yōu)良的空間分辨率和對比度分 辨率。僅在更昂貴的超聲系統(tǒng)中才能找到這些性能，這些超聲系統(tǒng)具有更廣泛的處理能力。
[0007] 超聲成像一直是需要大量的信號和圖像處理方法，尤其對于采用多達(dá)128個或更 多個換能器元件的陣列系統(tǒng)，每個換能器元件具有獨特的信號處理需求。過去的十年轉(zhuǎn)到 了在除了在市場最底層的系統(tǒng)之外的幾乎所有系統(tǒng)中提高數(shù)字信號處理的精確度和靈活 性。從長遠(yuǎn)來看，通過利用高度整合的數(shù)字電路，這種轉(zhuǎn)變具有降低系統(tǒng)成本的潛力。遺憾 的是，超聲系統(tǒng)的低制造量導(dǎo)致用于這些獨特電路的開銷和固定成本巨大，因此轉(zhuǎn)到數(shù)字 信號處理未能顯著地降低系統(tǒng)成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 根據(jù)本公開的一方面，提供了一種方法，該方法包括:在相應(yīng)的超聲接收器裝置處 執(zhí)行編碼程序，該編碼程序?qū)⒂脩糁付ǖ牟ㄐ无D(zhuǎn)換成適合于發(fā)送器增加保真度的二元或三 元符號序列；利用在超聲時鐘間隔的相應(yīng)均勻序列處的正電壓電平、負(fù)電壓電平或靜態(tài)電 壓電平的相應(yīng)序列，將符號值的二元或三元序列提供至一個或多個超聲換能器元件；以及 在一個或多個超聲換能器元件處接收符號值的二元或三元序列，以使得聲學(xué)信號生成到介 質(zhì)中。
[0009] 根據(jù)本公開的另一方面，提供了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:至少一個超聲探頭，配置 為在聲學(xué)介質(zhì)中產(chǎn)生聲學(xué)波形，探頭包括超聲換能器元件;相應(yīng)的超聲接收器裝置，配置為 執(zhí)行編碼程序，該編碼程序配置為將用戶指定的波形轉(zhuǎn)換成適合于實現(xiàn)增加的保真度的二 元或三元符號序列；以及發(fā)送器電路，配置為接收符號值的二元或三元序列，該符號值的二 元或三元序列配置為利用在超聲時鐘間隔的相應(yīng)均勻序列處的正電壓電平、負(fù)電壓電平或 靜態(tài)電壓電平的相應(yīng)序列，來激勵超聲換能器元件，以及將聲學(xué)信號或波形生成到聲學(xué)介 質(zhì)，諸如水或組織中。
【附圖說明】
[0010] 通過結(jié)合附圖的以下詳細(xì)描述，本公開的前述特征和優(yōu)點以及其它特征和優(yōu)點將 由于變得更易于理解而更加顯而易見，在附圖中：
[0011] 圖1是旨在單向換能器補(bǔ)償和雙向換能器補(bǔ)償?shù)摹⒈竟_的第一實現(xiàn)方式；
[0012] 圖2是旨在雙向DAC合成使用模型的、本公開的第二實現(xiàn)方式；
[0013] 圖3是旨在任意波形生成方法的、本公開的第三實現(xiàn)方式，用于以差分成像方案合 成平穩(wěn)RF信號；
[0014] 圖4是根據(jù)本公開的編碼程序的架構(gòu)圖；
[0015] 圖5A-5B示出了根據(jù)本公開的方法的、用于后續(xù)實驗的符號的示例性集合；
[0016] 圖6是用于多個序列的共同IR估算以及獨立估算的示圖；
[0017] 圖7是在水容器中實現(xiàn)的本公開的方法的示例性示圖；
[0018] 圖8示出了用于本公開的程序的系統(tǒng)架構(gòu)的高階表示；
[0019] 圖9是面向像素的處理的一個實施方式的、基于軟件架構(gòu)的示意性表示；
[0020] 圖10是根據(jù)面向像素的處理形成的插接模塊的圖示；
[0021] 圖11是用于根據(jù)面向像素的處理形成的128元件線性陣列的采集數(shù)據(jù)的示意性表 示；
[0022] 圖12是在面向像素的處理中使用的像素映射過程的示圖。
【具體實施方式】
[0023] 為了提供對各種公開的實現(xiàn)方式的全面理解，在以下描述中闡述了某些具體細(xì) 節(jié)。然而，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到的是，可以在不存在這些具體細(xì)節(jié)中的一個或多個 的情況下，或者可利用其它方法、部件、材料等實踐該實現(xiàn)方式。在其它情況下，與如在本文 中討論的數(shù)模轉(zhuǎn)換器和水容器有關(guān)的、公知的結(jié)構(gòu)或部件或它們二者未被示出或描述，以 避免不必要地模糊對實現(xiàn)方式的描述。
[0024] 除非上下文另有要求，否則在本說明書及跟著的權(quán)利要求的全文中，詞語"包括 (comprise)"及其變型(諸如"包括(comprises)"和"包括(comprising)"）應(yīng)以開放性包括 的意義來理解，即，諸如"包括，但不限于"。前述情況等同地應(yīng)用于詞語"包括(including)" 和"具有(having)"。
[0025] 在本說明書的全文中所提及的"一個實現(xiàn)方式"或"實現(xiàn)方式"意為結(jié)合該實現(xiàn)方 式描述的特定的特征、結(jié)構(gòu)或特點包含在至少一個實現(xiàn)方式中。因此，出現(xiàn)在本說明書的全 文中的各處的短語"在一個實現(xiàn)方式中"或"在實現(xiàn)方式中"不一定都是指代相同的實現(xiàn)方 式。此外，在一個或多個實現(xiàn)方式中，特定的特征、結(jié)構(gòu)或特點可以任何適當(dāng)?shù)姆绞浇M合。
[0026] 本文中公開的編碼方法和系統(tǒng)需要換能器元件的脈沖響應(yīng)(IR)方面的知識。公開 了脈沖響應(yīng)估算方法，并且方法的結(jié)果用于引入優(yōu)化三態(tài)脈沖器序列的編碼算法。編碼算 法基于來自通信學(xué)的、已知為"均衡器"的受限去卷積概念，并結(jié)合了混合脈寬調(diào)制(PWM)符 號調(diào)制和量化方案。使用飛利浦(Philips)L7_4換能器的聲學(xué)水容器實驗演示了在重現(xiàn)窗 口化線性頻率調(diào)制(LFM)掃描信號時-21.7 dB歸一化均方根誤差(NRMSE)的保真度。
[0027]本文中公開的三態(tài)編碼概念已在由美國華盛頓州雷德蒙市的維拉聲學(xué)公司 (Verasonics Inc.)制造的優(yōu)質(zhì)超聲系統(tǒng)(Vantage Ultrasound System)上實現(xiàn)。與數(shù)模轉(zhuǎn) 換器(DAC)驅(qū)動的線性RF放大器相比，本公開的三態(tài)發(fā)送器架構(gòu)需要非顯而易見地選擇其 脈沖序列以達(dá)到相對于連續(xù)值設(shè)計波形的保真度。在此演示的過程利用了高的發(fā)送器時鐘 頻率(相對于換能器帶寬來說的）以實現(xiàn)該目的。
[0028] 發(fā)送器描述
[0029] 給出了發(fā)送器操作的簡要描述。描述了指示問題的數(shù)學(xué)性的使用模型。然后估算 和編碼算法被引入超聲系統(tǒng)中。記錄了實現(xiàn)算法的實驗方法并且隨后討論了結(jié)果。
[0030] 由維拉聲學(xué)公司開發(fā)的優(yōu)質(zhì)超聲系統(tǒng)發(fā)送器允許時鐘間隔為4納秒的三個電壓電 平[+V，0，-V]的任意序列的規(guī)格。每個采集事件可具有針對換能器頭部上的每個換能器元 件所獨有的并且針對該事件所獨有的序列。根據(jù)波形的復(fù)雜性、存儲限制和供電能力，該序 列可具有任意長度。內(nèi)部存儲格式的選擇幫助節(jié)省發(fā)送器存儲器的使用。
[0031] 脈沖序列選擇的限制是輸入正電壓電平狀態(tài)、負(fù)電壓電平狀態(tài)或零電壓電平狀態(tài) 所需的3-時鐘最小狀態(tài)延時。另一個限制是所達(dá)到的電壓大約是所達(dá)到的狀態(tài)的電壓的5-時鐘滑動平均(running average)。
[0032] 使用模型
[0033] 編碼器優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)所采用的保真度度量是取決于使用模型或者操作模式或場 景的設(shè)計選擇，所有這些設(shè)計選擇均特定于應(yīng)用。在此考慮的這些度量包括：（1)參考波形 (處于歸一化均方根誤差)相對于聲壓的接近度；（2)參考波形的預(yù)測聲壓相對于實際達(dá)到 的聲壓的接近度；以及(3)在輸入處出現(xiàn)的RF信號的平穩(wěn)分量相對于模擬接收器增益級的 接近度。前兩個度量在本文中作為如下問題被討論，該問題在此分別稱為單向換能器補(bǔ)償 問題以及單向DAC合成問題。另外，其雙向?qū)?yīng)物類似地將參考信號與接收的數(shù)據(jù)作比較而 不與聲壓作比較。
[0034] 圖1中示出了配置為解決單向和雙向換能器補(bǔ)償問題的本公開的示圖。圖2中給出 了解決雙向DAC合成使用模型的建議的方法或程序的示圖。
[0035] 在圖1中，示出了用于系統(tǒng)10的收發(fā)信道對的部件以說明單向和雙向換能器補(bǔ)償 使用模型。圖1示出了數(shù)字波形規(guī)格部件12,其包括符號為正的值、符號為負(fù)的值或靜態(tài)值 的編碼的二元或三元脈沖序列，該編碼的二元或三元脈沖序列限定在均勻間隔開的離散時 鐘時間間隔處。也示出了XDCR 14，XDCR 14是超聲換能器探頭，其被構(gòu)造為產(chǎn)生和接收聲學(xué) 波形。SDCR 14包含連接有收發(fā)信道對的元件。脈沖器16被插入在數(shù)字波形規(guī)格部件12與 XDCR 14之間并且包括發(fā)送器電路，該發(fā)送器電路被構(gòu)造為將三元或二元脈沖序列轉(zhuǎn)化成 實際物理發(fā)送電壓事件，反過來，在發(fā)送期間該實際物理發(fā)送電壓事