專利名稱：用于操作二維換能器陣列的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及二維換能器陣列。特別地，本發(fā)明涉及用于在二維換能器陣列內(nèi)
尋址單個換能器單元的技術(shù)。
背景技術(shù)：
醫(yī)學超聲成像系統(tǒng)通過發(fā)射聲波到對象中，并接收和處理所反射的聲波而形成圖 像。典型地，多個超聲換能器既發(fā)送發(fā)射波又接收反射波。這種掃描包括一系列測量，在所 述測量中，超聲波被發(fā)射，系統(tǒng)在短時間間隔后切換到接收模式，和反射的超聲波被接收、 波束成形，并被處理以用于顯示。 換能器單元典型地由輸入電壓波形單獨驅(qū)動。通過在輸入波形之間實施時間延遲 和幅度差別，單個換能器單元可被控制以產(chǎn)生超聲波，這些超聲波結(jié)合起來形成凈超聲波， 它沿優(yōu)選向量方向傳輸并聚焦于對象的選定區(qū)域中。相似地，換能器接收到的反射波可被 數(shù)學處理，以使得該凈信號指示從對象中的單個焦點區(qū)反射的聲波。如同發(fā)射模式一樣，通 過將各種時間延遲和增益施加到從換能器單元接收的信號，并對所得到的波形求和而達到 超聲能量的這種集中接收。 由超聲成像系統(tǒng)形成的圖像的質(zhì)量或分辨率部分地是陣列中換能器數(shù)目的函數(shù)。 因此，為了達到高圖像質(zhì)量，需要大量的換能器單元。而且，換能器陣列中的每個換能器通 過單獨的電連接而被耦合到發(fā)射和接收電路。制造大量電連接的技術(shù)難度和花費會限制可 被包括在典型換能器陣列中的換能器的數(shù)目。因此，提供用于在大型二維換能器陣列中尋 址換能器的改進技術(shù)將是有益的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本技術(shù)的實施例，公開了用于在二維陣列中尋址換能器的系統(tǒng)和方法。根據(jù) 本技術(shù)的一個方面，換能器按行和列安排，列被耦合到共享的發(fā)射和接收電路，而行被耦合 到行選擇電路。在另一實施例中，每個換能器被耦合到分離的、專用的發(fā)射電路，列被耦合 到共享的接收電路。在這兩個實施例中，用于可通信地將換能器連接到信號生成和接收電 路的單個電互連的數(shù)目減少了。


當參照附圖閱讀以下詳細說明時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將變得 容易理解，所有附圖中相同符號代表相同的部分，其中 圖1是示例性超聲設(shè)備，它包括具有根據(jù)本發(fā)明各方面的用于尋址單個換能器的 改進技術(shù)的二維換能器陣列； 圖2是根據(jù)本發(fā)明各方面的圖1中所示的二維換能器陣列的框圖； 圖3是電壓對時間的圖，示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的圖2中所示換能器陣列的行
選擇定時(timming)和相應(yīng)的電壓輸出；
3
圖4是圖3中所示的電壓對時間的圖的擴展視圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的 換能器的頭三行的行選擇定時； 圖5示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的二維換能器陣列的替換實施例； 圖6-8示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的在換能器陣列中使用的接收電路的替換實施例。
具體實施例方式
這里公開的技術(shù)可以使換能器陣列在不用為每個換能器使用單獨的專用電子處 理器件的情況下而被制造。根據(jù)這里公開的實施例，可以制造使用多個信號總線的二維換 能器陣列，其中每個信號總線可以被幾個換能器共享。為了使單個換能器起作用，換能器可 以通過開關(guān)而被耦合到信號總線上，所述開關(guān)通過選擇電路而被激活。通過提供技術(shù)上挑 戰(zhàn)性較小且更經(jīng)濟的、對陣列中換能器進行尋址的技術(shù)，可以制造與現(xiàn)有超聲技術(shù)相比大 得多的換能器陣列，使能夠?qū)崿F(xiàn)具有大型二維換能器陣列的新的超聲技術(shù)和設(shè)備。
圖1是利用根據(jù)本發(fā)明各方面的用于尋址換能器的改進技術(shù)的包括大型二維換 能器陣列的示例性超聲設(shè)備。如圖1所示，改進的超聲設(shè)備10可靠近病人12的組織放置， 并通過通信電纜16與監(jiān)視器14耦合。監(jiān)視器14允許超聲設(shè)備10的操作者重建和觀看由 超聲設(shè)備IO接收的信號所生成的超聲圖像。另外，監(jiān)視器14也可通過通信電纜16給超聲 設(shè)備10提供控制信號。超聲設(shè)備10可包括外殼18，所述外殼用于容納換能器陣列20并使 換能器陣列20能夠靠近病人12的組織放置。外殼18可包括薄的柔性材料，所述材料允許 超聲設(shè)備10適合病人12的組織。在一些實施例中，例如，外殼可包括諸如硅基聚合物、聚 氯乙烯的彈性聚合物，或諸如聚乙烯的聚烯烴。外殼18還可包括用于使超聲設(shè)備10保持 在合適位置的粘性襯墊。替換地，超聲設(shè)備IO可通過松緊帶或皮帶而被保持在合適位置。
換能器陣列20被放置在外殼18中，并通過外殼18保持與病人12靠近。換能器陣 列20也可以是柔性的，以便提供與病人12組織的良好的接觸。在一個實施例中，換能器陣 列20可高達大約6"高6"寬，并且可包括多達大約1， 000， OOO個換能器，排列成1000X1000 的矩陣。大量換能器能夠自動掃描，其中操作員為了獲得感興趣區(qū)域內(nèi)幾個圖像切片的超 聲圖像，不用移動超聲設(shè)備10。而是，幾個圖像切片可通過電掃描換能器陣列20的行而獲 得。為了減少換能器陣列20中用到的電互連的數(shù)目，換能器可以如下面所述地被耦合到幾 個信號總線或共享互連。 圖2是根據(jù)本發(fā)明各方面的圖1中所示的大型二維換能器陣列20的框圖。換能 器陣列20包括以網(wǎng)格設(shè)置的換能器22。為了方便起見，只顯示了換能器陣列20的兩行和 兩列。然而，將會理解，根據(jù)本實施例的換能器陣列可包括幾個行和幾個列，從而總共包括 多達幾百萬個換能器22。換能器22可以是任何類型的超聲換能器，諸如，例如電容性微機 械超聲換能器(cMUTS)或壓電換能器。 在單獨一列上的每個換能器22可被耦合到列總線24上，列總線24是將該列中 的每個換能器22連接到電路的電互連，所述電路被配置為向換能器22發(fā)送超聲信號和從 換能器22接收超聲信號。每個換能器22可以通過開關(guān)26有選擇地被耦合到列總線24 上。開關(guān)26可以是任意類型的固態(tài)或其它合適的開關(guān)，諸如場效應(yīng)晶體管或者微機電系統(tǒng) (MEMS)開關(guān)，并且能夠傳遞高電壓(50-200V)以支持傳輸電壓。每個開關(guān)26的柵極可被耦合到行總線25上，行總線25是將換能器的每行耦合到行選擇電路28的電連接。行選擇 電路28可以通過經(jīng)由行總線25給柵極發(fā)送信號來選擇性地激活一行或多行換能器22，從 而將換能器22的所選行耦合到列總線24。通過控制位于列總線和行總線上的信號，換能器 22可被單獨尋址或者一次一行或多行地被尋址。 列總線24將換能器22的每一列通過發(fā)射和接收(T/R)開關(guān)34耦合到發(fā)射電路 37和接收電路38，發(fā)射和接收(T/R)開關(guān)34決定列總線24是被耦合到發(fā)射電路37上還 是接收電路38上。發(fā)射電路37可包括控制邏輯30，其被配置為控制經(jīng)由列總線24而被 發(fā)送到換能器22的輸出電壓波形的生成。為了生成輸出電壓波形，控制邏輯30可以給脈 沖發(fā)生器36發(fā)送一個或多個控制信號，脈沖發(fā)生器36的輸出被耦合到列總線24，并被配 置為輸出多個預(yù)定的離散電壓電平。來自控制邏輯30的信號使得脈沖發(fā)生器36的輸出電 壓逐步達(st印through)到預(yù)定的電壓電平以產(chǎn)生想要的輸出電壓波形。在一些實施例 中，脈沖發(fā)生器36可生成包括0、 +￥和4三個電壓電平的方波。在其它實施例中，脈沖發(fā) 生器36可輸出包括幾個電壓電平并接近正弦波形的波形。在另外其它實施例中，脈沖發(fā)生 器36可生成模擬輸出波形。而且，可以配置控制邏輯30和/或脈沖發(fā)生器36來為每個列 總線24產(chǎn)生不同的波形。例如，在一些實施例中，控制邏輯30可以在每個列總線24的輸 出波形之間產(chǎn)生相位延遲，從而使總體超聲波形聚焦到特定的感興趣區(qū)域。
接收電路38可包括數(shù)據(jù)獲取電路32，所述數(shù)據(jù)獲取電路32從換能器22接收代表 從病人12反射的超聲波的數(shù)據(jù)。然后，數(shù)據(jù)獲取電路32可由該數(shù)據(jù)生成超聲圖像。數(shù)據(jù) 獲取電路32也可將相位延遲和信號增益變化引入接收到的數(shù)據(jù)，以便將超聲圖像聚焦到 病人內(nèi)的特定感興趣區(qū)域。接收電路38還可包括用于將從換能器接收到的電壓波形轉(zhuǎn)換 為適用于數(shù)據(jù)獲取電路32的數(shù)字形式的電路。在一些實施例中，接收電路38可包括放大 器40和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)42。放大器40可接收來自換能器22的電壓信號，并可將該信號 放大到對于ADC 42適當?shù)碾娖健DC 42然后將從換能器22接收的信號轉(zhuǎn)換成可被發(fā)送到 數(shù)據(jù)獲取電路32以便處理的數(shù)字信號。 T/R開關(guān)34通過控制列總線24是被耦合到發(fā)射電路37還是接收電路38而控制 到列總線和來自列總線的信號的路由。在發(fā)射階段，T/R開關(guān)34將來自脈沖發(fā)生器36的 輸出信號耦合到列總線24，輸出信號由此被發(fā)射到由行選擇電路28選擇的換能器22的行 上。在接收階段，T/R開關(guān)34將列總線24耦合到放大器40。由放大器40從換能器22接 收到的信號然后在被中繼到數(shù)據(jù)獲取電路32之前而被ADC 40數(shù)字化。
使用如上所述的尋址技術(shù)，可以在不用為每個換能器22使用單獨互連的情況 下，選擇性地激活單獨的換能器22。例如，對于100X100的換能器陣列，互連數(shù)目可以從 IO，OOO減少到200。這將大大節(jié)省制造成本，并且允許制造與典型超聲設(shè)備相比更大的換 能器陣列。在一些實施例中，超聲設(shè)備可被配置為同時尋址整個換能器陣列20或換能器20 中諸如單獨的行或列的期望子集。 獲取超聲數(shù)據(jù)的過程可包括兩個階段輸出階段和接收階段。在輸出階段，T/R開 關(guān)34將一個或多個列總線24耦合到脈沖發(fā)生器36的輸出，并且控制邏輯30生成其后被 發(fā)送給列總線24的輸出波形。然后，行選擇電路28激活開關(guān)26的一個或多個行，從而將 所選換能器22耦合到列總線24上。接著，所選換能器22從脈沖發(fā)生器36接收輸出電壓 波形，并將最終得到的超聲波形發(fā)射到病人12。在下面將要關(guān)于圖3進行進一步描述的一
5些實施例中，行選擇電路28可通過在輸出波形生成過程中短時間段順次地激活換能器22的每行而掃描整個陣列20。 在接收階段，T/R開關(guān)34將一個或多個列總線24耦合到接收電路38的輸入。行選擇電路然后激活開關(guān)26的一個或多行，從而將所選換能器22耦合到列總線24。然后，所選換能器22接收從病人12反射的超聲波形，并將得到的電信號發(fā)射到接收電路38，接收電路38將該信號數(shù)字化并處理以產(chǎn)生超聲圖像。正如在發(fā)射階段，行選擇電路28可被配置為在反射超聲波形的接收過程中，通過短時間段順次激活換能器22的每一行來掃描整個陣列20。參考示出了尋址換能器的示例性方法的圖3和4可以更好地理解行選擇定時。
圖3是電壓對時間的圖，示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的圖2中所示換能器陣列的行選擇定時和相應(yīng)的電壓輸出。為了本說明的目的，假設(shè)超聲換能器的100X100矩陣。曲線圖46所包括的是由圖2中顯示的其中一個脈沖發(fā)生器36生成的列總線輸出48的圖。如圖3中所示，列總線輸出48是在1/4個輸出周期56(T。ut)后從零時刻的零電壓開始升到正電壓Vpos。在一些實施例中，Vp。s可以大約等于100伏。因此，將會理解，在一些實施例中，圖2中所示的開關(guān)26將是高電壓開關(guān)。列總線輸出48是近似于正弦波形的階梯狀輸出。在替換實施例中，列總線輸出48可以是模擬信號或方波信號。另外，應(yīng)該注意的是，為了方便起見，曲線圖46只顯示了列總線輸出48的1/4。在所示的示例性實施例中，列總線信號的輸出頻率可以大約是5兆赫茲。因此，在所示實施例中，列總線信號的輸出周期可以大約是200納秒，1/4周期56 (也就是列總線輸出48從零升到Vp。s的時間)大約是50納秒。
如上面討論的，換能器陣列20的行可以在列總線信號48輸出期間被掃描，也就是被順次激活。每次激活一行，該行在此處稱作"行激活間隔"的時間段內(nèi)保持激活，在這個時間內(nèi)，被激活的行上的換能器根據(jù)列總線電壓而被充電或放電。周期時間58(T。y。J代表掃描整個換能器陣列20所花費的時間數(shù)。在一些實施例中，整個換能器陣列20每10納秒可被掃描一次，這樣使得100行的換能器陣列22的行激活間隔為0. 1納秒。在一些實施例中，如圖3所示，換能器陣列20可以在列總線信號48的輸出期間被掃描幾次。這樣，由于列總線電壓響應(yīng)于來自脈沖發(fā)生器36的輸出電壓波形變化，換能器22可被激活幾次。換能器22每次被激活時，換能器22根據(jù)激活間隔期間存在的列總線電壓進行充電或者放電。因為換能器是容性的，換能器22濾除由行選擇電路28的切換引入的高頻分量，從而換能器22的輸出超聲波形近似于平滑的波形。 曲線圖46示出了隨著100個行被順次激活時被施加到第1行和第50行的換能器22上的電壓。軌跡50代表被施加到第1行上的電壓，軌跡52代表被施加到第50行上的電壓。如曲線圖46所示，第1行在零時刻后被迅速接通，在這個時刻列總線信號48躍到初始電壓電平。當?shù)?行保持激活時，第1行的換能器22充電，直到它們達到列總線24的電壓電平為止。因為全部100個行在周期58期間被激活，每一行在等于或者少于被除以行數(shù)的周期時間的時間段里保持激活，這種情況下是T，k/100。然而，在換能器22被關(guān)閉后，換能器22的輸出保持在激活周期期間達到的最后電壓電平。 一個周期時間58(T。y。J過后，第1行再次被接通，將第1行提升到那個時刻列總線上存在的電壓電平。該過程在換能器22的每一行上繼續(xù)，直到輸出波形完成發(fā)射為止。重要的是要注意，盡管事實是每個換能器行在掃描周期期間在稍有不同的時刻上被激活，不同行之間的輸出波形的相位差非常小。參考軌跡52代表的第50行，可以更好地理解這一點。
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如曲線圖46所示，第50行在T。y。le/2時刻被激活，并且在每個連續(xù)的時間間隔T。y&后重新被激活。如可以從曲線圖中觀察到的，盡管第1行和第50行在不同的時刻被接通，但是這兩個波形之間存在非常小的相位延遲，因為它們都是在采樣輸出電壓波形。然而，將會理解，根據(jù)切換間隔54，換能器行之間少量的相位延遲會由列總線信號48引入。通常，換能器輸出波形之間的相位延遲等于或少于列總線的切換間隔54(Tbus)。
圖4是圖3中所示曲線圖的擴展圖，它示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的頭三行換能器的行選擇定時。圖4顯示了第1、2、3行在零時刻剛剛之后的選擇期間跨換能器的電壓。如圖4所示，列總線信號48零時刻之后，立刻增加到第一 電壓增量V"接下來，軌跡50所代表的第1行、軌跡62所代表的第2行和軌跡64所代表的第3行被依次接通。如上所述，當前所描述的實施例假設(shè)換能器陣列20具有100行，周期時間(Teyele)58為10納秒。因此，當前所描述的實施例中的行激活間隔59大約為0. 1納秒。換句話說，行選擇電路28以0. 1納秒的增量順次激活連續(xù)的換能器行。因此，如曲線圖60所示，第1行在T = 0. 1納秒時被接通。在T = 0. 2納秒時，第1行被關(guān)閉而第2行被接通。在T = 0. 3納秒時，第2行被關(guān)閉而第3行被接通，等等。在一些實施例中，列總線信號48的上升時間66(THse)可能比行激活間隔59短，由此使得列總線信號48能夠在換能器行被接通之前穩(wěn)定在每個增量電壓電平(例如電壓V》。 順次選擇單個行的同樣過程可以在接收階段實現(xiàn)，其中反射的超聲波形被換能器22接收，且換能器22生成相應(yīng)的電壓信號，所述電壓信號經(jīng)由列總線24而被傳遞到接收電路38。為了避免混疊(aliasing)，換能器22的采樣率可以大于接收的超聲波形頻率的兩倍。因此，對于五兆赫茲的超聲波形來說，換能器22的采樣率可能大于約10百萬采樣每秒(MSPS)。因此，對于100行的換能器陣列20，行選擇電路的切換頻率將近似于10億采樣每秒(GSPS)。另外，因為每列換能器共享相同的ADC 42，ADC 42的采樣率也將近似于1GSPS。
圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的大型二維換能器陣列的替換實施例。在圖5所示的實施例中，陣列20中的每個換能器22都與專用發(fā)射脈沖發(fā)生器36相關(guān)聯(lián)。不從列總線24獲取發(fā)射信號，每個專用脈沖發(fā)生器36響應(yīng)于來自相關(guān)聯(lián)的控制邏輯30的驅(qū)動信號而向相關(guān)聯(lián)的換能器22提供輸出電壓波形?？刂七壿?0可被編程，以響應(yīng)于來自發(fā)射同步電路27的同步信號生成全輸出波形，其可通信地通過全局控制線23而被耦合到控制邏輯30。在該實施例中，來自發(fā)射同步電路27的同步信號可同時觸發(fā)控制邏輯30，使得換能器22同時發(fā)射輸出波形。并且，通過為每個驅(qū)動單元定制控制邏輯30和/或脈沖發(fā)生器36，每個換能器22的波形可以被更加個體化(individualized)。 在替換實施例中，發(fā)射同步電路27可被去除。在該實施例中，輸出超聲波形的開始將會由行選擇電路28來控制，其將同步信號通過行總線25發(fā)送到控制邏輯30。如本實施例所描述的，同步信號可順次或幾乎同時被發(fā)送到全部的行?？刂七壿?0然后開始驅(qū)動脈沖發(fā)生器36的程序，以生成輸出波形。 每個換能器22的輸出可被耦合到列總線24，其將輸出信號從換能器22路由到接收電路38。并且，每個換能器22可通過用來控制到達和來自換能器22的信號路由的T/R開關(guān)34，和/或通過用來控制換能器行選擇的開關(guān)26而被耦合到列總線24。除了驅(qū)動脈沖發(fā)生器36，控制邏輯30還可控制T/R開關(guān)34。例如，在發(fā)射階段期間，控制邏輯30可將信號發(fā)送到T/R開關(guān)，所述T/R開關(guān)將換能器22耦合到脈沖發(fā)生器36的輸出。并且，在發(fā)射階段期間，所有換能器34可被同時耦合到相應(yīng)的脈沖發(fā)生器36，因為發(fā)射資源未被共享。在接收階段期間，控制邏輯30可將信號發(fā)送到T/R開關(guān)34，所述T/R開關(guān)將換能器22耦合到列總線24。根據(jù)T/R開關(guān)34的激活速度，可以代之以使用低電壓MOSFET行選擇開關(guān)。在接收階段期間，一次只有一行換能器22可被耦合到列總線24。這樣，在反射的超聲波形的接收期間，行選擇電路28可順次將換能器22 —次一行地耦合到列總線24。如上關(guān)于圖3所述，換能器22的輸出可被發(fā)送到接收電路，其可包括放大器40和ADC 42。
如圖2和5所示，在一些實施例中，接收電路38對每個列總線24來說將是共同的，而接收電路38將由被耦合到列總線24的換能器共享。因此，如上所述，接收電路38的采樣率可以是換能器22采樣率乘以換能器陣列20中的行數(shù)。假設(shè)換能器采樣率為10MSPS和100行的換能器22，則ADC 42的采樣率將為約1GSPS。并且，由數(shù)據(jù)獲取電路32接收的數(shù)據(jù)將會被交織在幾行中。然而，在其它實施例中，接收電路38可被安排為使能夠使用具有降低的處理速度的ADC 42，并能夠提供接收的采樣數(shù)據(jù)的一些預(yù)處理。例如，圖6和7中所示接收電路38示出了接收電路38的替換實施例，其中接收電路38可在采樣數(shù)據(jù)被從換能器陣列20接收時，暫時將采樣數(shù)據(jù)存儲在模擬存儲設(shè)備中。這樣，ADC的處理速度可被降低，和/或數(shù)據(jù)可在被發(fā)送到數(shù)據(jù)獲取電路32之前而被預(yù)處理，這將在后面進一步解釋。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的接收電路38的替換實施例。如圖6所示，接收電路38可包括模擬存儲設(shè)備的陣列74，諸如采樣和保持(S/H)放大器76和ADC 42。在一些實施例中，模擬存儲設(shè)備可包括模擬隨機存取存儲器(RAM)。陣列74可包括用于換能器陣列20中每個換能器22的成對的一個S/H放大器76和一個ADC 42。如此，S/H陣列74可被安排為與換能器陣列20的相應(yīng)行和列相對應(yīng)的行和列。每個S/H放大器76可經(jīng)由列總線24接收來自換能器陣列20中其中一個換能器22的反射波形。例如，陣列74第1列中的S/H放大器76可接收來自換能器陣列20的第1列中換能器22的數(shù)據(jù)，陣列74第2列中的S/H放大器76接收來自換能器陣列20第2列中換能器22的數(shù)據(jù)，等等。S/H放大器76可通過適當方式而被耦合到它們相應(yīng)的列總線24。例如，列總線24可被多路復(fù)用到特定列的S/H放大器76。又例如，列總線24可饋送到諸如電荷耦合器件(CCD)那樣的通道。再例如，特定列的S/H放大器76可被串聯(lián)設(shè)置并經(jīng)由移位寄存器而被耦合，且列總線24可被耦合到移位寄存器列的輸入。 在接收階段期間，換能器陣列20的列總線24被耦合到換能器陣列20的特定行的換能器22，且接收的數(shù)據(jù)樣本被存儲在S/H放大器76的相應(yīng)行中。當S/H放大器76的行獲取了新的數(shù)據(jù)樣本之后，每個S/H放大器76然后將數(shù)據(jù)樣本發(fā)送到相關(guān)聯(lián)的ADC 42，以便將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。被數(shù)字化的樣本然后經(jīng)由數(shù)據(jù)線44而被發(fā)送到數(shù)據(jù)獲取電路32。上述過程一行一行地順次進行。將會理解，對換能器陣列20中的每個換能器22，都會有從S/H陣列74到數(shù)據(jù)獲取電路32的一個數(shù)據(jù)線44。另外，因為每個S/H放大器76與分離的ADC 42配對，ADC 42的處理速率可能等于換能器22的采樣率。例如，假設(shè)換能器的采樣率為IOMSPS，ADC 42的處理速率也可以是接近10MSPS而不論換能器22的行數(shù)是多少。 圖7示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的接收電路38的另一個實施例。與圖6所示實施例相似，圖7中所示實施例也可包括采樣保持(S/H)放大器76的陣列74，所述陣列被以對應(yīng)于換能器陣列20的相應(yīng)行和列的行和列設(shè)置，且每個S/H放大器76可經(jīng)由列總線24接
8收來自換能器陣列20的其中一個換能器22的反射波形數(shù)據(jù)。然而，在圖7所示實施例中，S/H放大器76的每一行都與一個ADC 42配對。 在該實施例中，在換能器76的行接收數(shù)據(jù)樣本后，S/H放大器76的該行然后被順次讀出到ADC 42。 S/H放大器76的每一行可通過任意適當?shù)姆绞蕉获詈系剿鼈兊腁DC42。例如，S/H放大器76的該行可被多路復(fù)用到ADC 42。又例如，S/H放大器76的行可形成諸如CCD通道那樣的通道。再例如，S/H放大器76的行可被安排成串聯(lián)并經(jīng)由移位寄存器而被耦合到一起。這樣，從S/H放大器陣列74到數(shù)據(jù)獲取電路32的數(shù)據(jù)線44的數(shù)目可被減少。另外，還將理解，以這種方式采集的采樣數(shù)據(jù)可以在被發(fā)送到數(shù)據(jù)獲取電路之前從交織的列重新安排為交織的行。 圖8示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的接收電路38的又一實施例。在這里所示的實施例中，換能器陣列20的每個列總線24被耦合到模擬RAM庫(bank)80，其包括用于換能器陣列20中每個換能器22的模擬RAM82。每個RAM 82包括一系列連續(xù)的存儲地址，其被配置為存儲由換能器陣列20中的相應(yīng)換能器22接收的反射波形數(shù)據(jù)。當換能器陣列20中的行在接收階段期間順次被行選擇電路28激活時，來自換能器22的數(shù)據(jù)可被保存到相應(yīng)的RAM 82中。因此，每個RAM庫80可包括用于將換能器陣列20中的每一行耦合到RAM庫80中對應(yīng)的RAM 82的電路。例如，在一些實施例中，RAM庫80可包括多路復(fù)用電路，其將列總線順次耦合到適當?shù)腞AM 82，并通過行選擇電路28使之與換能器陣列20的行的激活相一致。在一些實施例中，RAM庫82的多路復(fù)用電路可部分地由行選擇電路28控制。在反射波形接收完成后，用于每個換能器22的反射波形將會被存儲在單獨RAM 82中。該波形然后從RAM 82中被讀出，并被發(fā)送到數(shù)據(jù)獲取電路32，如下所述。 在一些實施例中，接收電路38可包括求和器86，當反射波形被從模擬RAM庫80讀出時，求和器將一次一行地相加反射波形。例如，RAM庫80可讀出RAM庫80單行中每個RAM82的第一存儲器地址，然后讀出RAM庫80同一行中每個RAM 82的第二存儲器地址，等等，直到存儲在RAM 82那一行中的整個數(shù)據(jù)集都已經(jīng)被讀出并求和為止。當數(shù)據(jù)被求和時，求和器86的輸出被發(fā)送到ADC 42，其將數(shù)據(jù)數(shù)字化并將該數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)獲取電路32。被發(fā)送到數(shù)據(jù)獲取電路32的數(shù)據(jù)由此將是代表一整行換能器22的合成波形。每一行被順次求和，直到所有數(shù)據(jù)均已被從每個模擬RAM庫80讀出為止。參照圖8所描述的技術(shù)使得ADC 42的采樣率能夠被降低，因為輸出數(shù)據(jù)的處理可以在接收全部反射波形之后發(fā)生，因此其不依賴于換能器22的采樣率。并且，通過將每個列的輸出合成為相加的信號，只有一個ADC 42被使用，且數(shù)據(jù)獲取電路32只包括一個用于接收反射數(shù)據(jù)的輸入。這樣將會降低接收電路38和數(shù)據(jù)獲取電路32的成本和復(fù)雜度。 圖8所示接收電路38的另一個優(yōu)點是其還可用于實現(xiàn)波束成形，通過該過程超聲波束可指向特定方向，即特定方向上的超聲設(shè)備10的靈敏度將會增大。為了完成波束成形，兩個或更多反射波形會被移相(即時間移位)并被加到一起，以產(chǎn)生代表從特定方向反射的波的合成波形。在圖8的接收電路38中，可通過將數(shù)據(jù)跨一個或多個存儲器地址移位而將時間延遲引入到被存儲在每個RAM 82中的數(shù)據(jù)。這樣，當數(shù)據(jù)隨后順次從RAM 82中被讀出時，數(shù)據(jù)的移位將使得該數(shù)據(jù)被發(fā)送到與其它波形相比具有特定時間延遲的求和器。因此，由數(shù)據(jù)移位引入的時間延遲將依賴于換能器22的采樣率和數(shù)據(jù)被移位的存儲器地址的數(shù)目。
在一個實施例中，數(shù)據(jù)移位通過設(shè)置如指針84所示的起始存儲器地址來完成。指
針84決定模擬RAM 82中存儲反射波形的第一數(shù)據(jù)樣本的位置。因此，模擬RAM 82可包括
足夠用于保存全反射波形加上最大時間延遲的存儲器。在來自換能器22的所有輸出數(shù)據(jù)
均已被存儲到模擬RAM 82之后，想要的延遲將已經(jīng)被實現(xiàn)。當反射波形數(shù)據(jù)從每個RAM 82
被順次讀出時，該讀出過程將會在每個RAM 82的第一存儲器地址上開始。 本發(fā)明的技術(shù)效果包括在換能器陣列中尋址一個或多個換能器，以生成超聲波和
/或接收反射的超聲波，其中該換能器被耦合到共享的電互連。其它技術(shù)效果包括接收的超
聲數(shù)據(jù)的預(yù)處理，以便能夠降低模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)獲取電路的處理速度。 所寫的該說明使用例子公開本發(fā)明，包括最佳模式，也使本領(lǐng)域技術(shù)人員能實現(xiàn)
本發(fā)明，包括制造和使用任何設(shè)備或系統(tǒng)，并實施任何引用的方法。本發(fā)明的可專利范圍由
權(quán)利要求定義，并可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它例子。如果這些其它例子沒有不同于
權(quán)利要求字面語言的結(jié)構(gòu)元素，或者他們包括與權(quán)利要求字面語言無實質(zhì)差別的等同結(jié)構(gòu)
元素，則這些其它例子應(yīng)該在權(quán)利要求的范圍中。 元件列表
10超聲設(shè)備
12病人
14監(jiān)視器
16電纜
18外殼
20換能器陣列
22換能器
23控制線
24列總線
25行總線
26開關(guān)
27發(fā)射同步電路
28行選擇電路
30控制邏輯
32數(shù)據(jù)獲取電路
34發(fā)射合接收開關(guān)
1010超聲設(shè)備
36脈沖發(fā)生器
37發(fā)射電路
38接收電路
40放大器
42模數(shù)轉(zhuǎn)換器
44數(shù)據(jù)線
46曲線圖
48列總線輸出
50軌跡
52軌跡
54切換間隔
56輸出周期
58周期時間
59行激活間隔
60曲線圖
62軌跡
64軌跡
66上升時間
74模擬存儲設(shè)備陣列
76采樣和保持放大器
80RAM庫
82RAM
84指針
86求和器
11。
權(quán)利要求
一種超聲成像設(shè)備(10)，包括二維換能器陣列(20)，包括多個按行和列排列的換能器(22)；多個電耦合到換能器(22)的列總線(24)，每個列總線(24)將單列的換能器(22)可通信地耦合到相應(yīng)的發(fā)射電路(37)和相應(yīng)的接收電路(38)，發(fā)射電路(37)被配置為生成輸出電壓信號以驅(qū)動換能器(22)產(chǎn)生輸出超聲波，接收電路(38)被配置為接收由換能器(22)響應(yīng)于反射超聲波而生成的輸入電壓信號；多個開關(guān)(26)，每個開關(guān)(26)被串聯(lián)地耦合在一個換能器(22)和相應(yīng)的列總線(24)之間；多個被電耦合到開關(guān)(26)的行總線(25)，每個行總線(25)將單行上的開關(guān)(26)電耦合到行選擇電路(28)，該行選擇電路被配置為選擇性地將一行或多行換能器(22)耦合到它們相應(yīng)的列總線(24)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的超聲成像設(shè)備(IO)，其中發(fā)射電路(37)包括被配置為輸出多個 預(yù)定的電壓電平的脈沖發(fā)生器(36)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的超聲成像設(shè)備(IO)，其中開關(guān)(26)是微機電系統(tǒng)開關(guān)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l中的超聲成像設(shè)備(IO)，其中接收電路(38)包括用于每個列總線 (24)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(42)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的超聲成像設(shè)備(IO)，其中接收電路(38)包括多個模擬存儲設(shè)備， 每個模擬存儲設(shè)備可被耦合到相應(yīng)的換能器(22)并被配置為存儲由相應(yīng)換能器(22)生成 的輸入電壓信號的數(shù)據(jù)樣本。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的超聲成像設(shè)備(IO)，其中接收電路(38)包括多個模擬存儲設(shè)備， 每個模擬存儲設(shè)備可被耦合到相應(yīng)的換能器(22)并包括多個存儲器單元(82)，所述存儲 器單元被配置為存儲多個與由相應(yīng)換能器(22)生成的輸入電壓信號相對應(yīng)的數(shù)據(jù)樣本。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的超聲成像設(shè)備(10)，其中接收電路(38)包括求和器(86)，所述求 和器被耦合到模擬存儲設(shè)備并被配置為將來自模擬存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)樣本求和以生成一個 或多個合成波形；禾口被耦合到求和器(86)的輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(42)，其被配置為將被求和的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
8. —種操作超聲成像設(shè)備(10)的方法，包括通過多個可選擇地耦合到信號總線的超聲換能器(22)接收反射的超聲波形，并生成 與反射的超聲波形相對應(yīng)的接收的電壓波形；在生成該接收的電壓波形期間，順次將多個超聲換能器(22)的每一個耦合到信號總線。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，包括生成多個輸出電壓波形，和將多個輸出電壓波形的每 一個發(fā)送到多個超聲換能器(22)的其中之一。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8的方法，包括生成輸出電壓波形和將輸出電壓波形發(fā)送到信號總 線，該信號總線可選擇地被耦合到多個超聲換能器(22);在生成輸出電壓波形期間，順次將多個超聲換能器(22)的每一個耦合到信號總線。
全文摘要
根據(jù)本技術(shù)的實施例，公開了用于尋址二維換能器陣列(20)中換能器(22)的系統(tǒng)和方法。根據(jù)本技術(shù)的一個方面，換能器(22)按行和列排列，列被耦合到共享的發(fā)射和接收電路(37，38)上，而行被耦合到行選擇電路(28)上。在另一實施例中，每個換能器(22)被耦合到分離的專用的發(fā)射電路(37)上，列被耦合到共享的接收電路(38)上。
文檔編號B06B3/04GK101745501SQ20091026061
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者B·H·海德, R·G·沃德尼基, R·S·勒萬多夫斯基 申請人:通用電氣公司