用於操作二維換能器陣列的系統和方法
2023-10-05 13:28:49
專利名稱：用於操作二維換能器陣列的系統和方法
技術領域：
本發明總體涉及二維換能器陣列。特別地，本發明涉及用於在二維換能器陣列內
尋址單個換能器單元的技術。
背景技術：
醫學超聲成像系統通過發射聲波到對象中，並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送發射波又接收反射波。這種掃描包括一系列測量，在所 述測量中，超聲波被發射，系統在短時間間隔後切換到接收模式，和反射的超聲波被接收、 波束成形，並被處理以用於顯示。 換能器單元典型地由輸入電壓波形單獨驅動。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生超聲波，這些超聲波結合起來形成淨超聲波， 它沿優選向量方向傳輸並聚焦於對象的選定區域中。相似地，換能器接收到的反射波可被 數學處理，以使得該淨信號指示從對象中的單個焦點區反射的聲波。如同發射模式一樣，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，並對所得到的波形求和而達到 超聲能量的這種集中接收。 由超聲成像系統形成的圖像的質量或解析度部分地是陣列中換能器數目的函數。 因此，為了達到高圖像質量，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射和接收電路。製造大量電連接的技術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目。因此，提供用於在大型二維換能器陣列中尋 址換能器的改進技術將是有益的。
發明內容
根據本技術的實施例，公開了用於在二維陣列中尋址換能器的系統和方法。根據 本技術的一個方面，換能器按行和列安排，列被耦合到共享的發射和接收電路，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、專用的發射電路，列被耦合 到共享的接收電路。在這兩個實施例中，用於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目減少了。
當參照附圖閱讀以下詳細說明時，本發明的這些和其它特徵、方面和優點將變得 容易理解，所有附圖中相同符號代表相同的部分，其中 圖1是示例性超聲設備，它包括具有根據本發明各方面的用於尋址單個換能器的 改進技術的二維換能器陣列； 圖2是根據本發明各方面的圖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，示出了根據本發明各方面的圖2中所示換能器陣列的行
選擇定時(timming)和相應的電壓輸出；
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圖4是圖3中所示的電壓對時間的圖的擴展視圖，其示出了根據本發明各方面的 換能器的頭三行的行選擇定時； 圖5示出了根據本發明各方面的二維換能器陣列的替換實施例； 圖6-8示出了根據本發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
這裡公開的技術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製造。根據這裡公開的實施例，可以製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 以通過開關而被耦合到信號總線上，所述開關通過選擇電路而被激活。通過提供技術上挑 戰性較小且更經濟的、對陣列中換能器進行尋址的技術，可以製造與現有超聲技術相比大 得多的換能器陣列，使能夠實現具有大型二維換能器陣列的新的超聲技術和設備。
圖1是利用根據本發明各方面的用於尋址換能器的改進技術的包括大型二維換 能器陣列的示例性超聲設備。如圖1所示，改進的超聲設備10可靠近病人12的組織放置， 並通過通信電纜16與監視器14耦合。監視器14允許超聲設備10的操作者重建和觀看由 超聲設備IO接收的信號所生成的超聲圖像。另外，監視器14也可通過通信電纜16給超聲 設備10提供控制信號。超聲設備10可包括外殼18，所述外殼用於容納換能器陣列20並使 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，外殼可包括諸如矽基聚合物、聚 氯乙烯的彈性聚合物，或諸如聚乙烯的聚烯烴。外殼18還可包括用於使超聲設備10保持 在合適位置的粘性襯墊。替換地，超聲設備IO可通過鬆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，並通過外殼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，並且可包括多達大約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域內幾個圖像切片的超 聲圖像，不用移動超聲設備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是根據本發明各方面的圖1中所示的大型二維換能器陣列20的框圖。換能 器陣列20包括以網格設置的換能器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26有選擇地被耦合到列總線24 上。開關26可以是任意類型的固態或其它合適的開關，諸如場效應電晶體或者微機電系統 (MEMS)開關，並且能夠傳遞高電壓(50-200V)以支持傳輸電壓。每個開關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可以通過經由行總線25給柵極發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。通過控制位於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的每一列通過發射和接收(T/R)開關34耦合到發射電路 37和接收電路38，發射和接收(T/R)開關34決定列總線24是被耦合到發射電路37上還 是接收電路38上。發射電路37可包括控制邏輯30，其被配置為控制經由列總線24而被 發送到換能器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 衝發生器36發送一個或多個控制信號，脈衝發生器36的輸出被耦合到列總線24，並被配 置為輸出多個預定的離散電壓電平。來自控制邏輯30的信號使得脈衝發生器36的輸出電 壓逐步達(st印through)到預定的電壓電平以產生想要的輸出電壓波形。在一些實施例 中，脈衝發生器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，脈衝發 生器36可輸出包括幾個電壓電平並接近正弦波形的波形。在另外其它實施例中，脈衝發生 器36可生成模擬輸出波形。而且，可以配置控制邏輯30和/或脈衝發生器36來為每個列 總線24產生不同的波形。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 出波形之間產生相位延遲，從而使總體超聲波形聚焦到特定的感興趣區域。
接收電路38可包括數據獲取電路32，所述數據獲取電路32從換能器22接收代表 從病人12反射的超聲波的數據。然後，數據獲取電路32可由該數據生成超聲圖像。數據 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據，以便將超聲圖像聚焦到 病人內的特定感興趣區域。接收電路38還可包括用於將從換能器接收到的電壓波形轉換 為適用於數據獲取電路32的數字形式的電路。在一些實施例中，接收電路38可包括放大 器40和模數轉換器(ADC)42。放大器40可接收來自換能器22的電壓信號，並可將該信號 放大到對於ADC 42適當的電平。ADC 42然後將從換能器22接收的信號轉換成可被發送到 數據獲取電路32以便處理的數位訊號。 T/R開關34通過控制列總線24是被耦合到發射電路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。在發射階段，T/R開關34將來自脈衝發生器36的 輸出信號耦合到列總線24，輸出信號由此被發射到由行選擇電路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 收到的信號然後在被中繼到數據獲取電路32之前而被ADC 40數位化。
使用如上所述的尋址技術，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，對於100X100的換能器陣列，互連數目可以從 IO，OOO減少到200。這將大大節省製造成本，並且允許製造與典型超聲設備相比更大的換 能器陣列。在一些實施例中，超聲設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。 獲取超聲數據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34將一個或多個列總線24耦合到脈衝發生器36的輸出，並且控制邏輯30生成其後被 發送給列總線24的輸出波形。然後，行選擇電路28激活開關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從脈衝發生器36接收輸出電壓 波形，並將最終得到的超聲波形發射到病人12。在下面將要關於圖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。行選擇電路然後激活開關26的一個或多行，從而將所選換能器22耦合到列總線24。然後，所選換能器22接收從病人12反射的超聲波形，並將得到的電信號發射到接收電路38，接收電路38將該信號數位化並處理以產生超聲圖像。正如在發射階段，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，示出了根據本發明各方面的圖2中所示換能器陣列的行選擇定時和相應的電壓輸出。為了本說明的目的，假設超聲換能器的100X100矩陣。曲線圖46所包括的是由圖2中顯示的其中一個脈衝發生器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)後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可以大約等於100伏。因此，將會理解，在一些實施例中，圖2中所示的開關26將是高電壓開關。列總線輸出48是近似於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，應該注意的是，為了方便起見，曲線圖46隻顯示了列總線輸出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"的時間段內保持激活，在這個時間內，被激活的行上的換能器根據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。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，由於列總線電壓響應於來自脈衝發生器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於平滑的波形。 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行在零時刻後被迅速接通，在這個時刻列總線信號48躍到初始電壓電平。當第1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，每一行在等於或者少於被除以行數的周期時間的時間段裡保持激活，這種情況下是T，k/100。然而，在換能器22被關閉後，換能器22的輸出保持在激活周期期間達到的最後電壓電平。 一個周期時間58(T。y。J過後，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，直到輸出波形完成發射為止。重要的是要注意，儘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，並且在每個連續的時間間隔T。y&後重新被激活。如可以從曲線圖中觀察到的，儘管第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，因為它們都是在採樣輸出電壓波形。然而，將會理解，根據切換間隔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於或少於列總線的切換間隔54(Tbus)。
圖4是圖3中所示曲線圖的擴展圖，它示出了根據本發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行在零時刻剛剛之後的選擇期間跨換能器的電壓。如圖4所示，列總線信號48零時刻之後，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行被關閉而第2行被接通。在T = 0. 3納秒時，第2行被關閉而第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，其中反射的超聲波形被換能器22接收，且換能器22生成相應的電壓信號，所述電壓信號經由列總線24而被傳遞到接收電路38。為了避免混疊(aliasing)，換能器22的採樣率可以大於接收的超聲波形頻率的兩倍。因此，對於五兆赫茲的超聲波形來說，換能器22的採樣率可能大於約10百萬採樣每秒(MSPS)。因此，對於100行的換能器陣列20，行選擇電路的切換頻率將近似於10億採樣每秒(GSPS)。另外，因為每列換能器共享相同的ADC 42，ADC 42的採樣率也將近似於1GSPS。
圖5是示出了根據本發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都與專用發射脈衝發生器36相關聯。不從列總線24獲取發射信號，每個專用脈衝發生器36響應於來自相關聯的控制邏輯30的驅動信號而向相關聯的換能器22提供輸出電壓波形。控制邏輯30可被編程，以響應於來自發射同步電路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，來自發射同步電路27的同步信號可同時觸發控制邏輯30，使得換能器22同時發射輸出波形。並且，通過為每個驅動單元定製控制邏輯30和/或脈衝發生器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送到全部的行。控制邏輯30然後開始驅動脈衝發生器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。並且，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34，和/或通過用來控制換能器行選擇的開關26而被耦合到列總線24。除了驅動脈衝發生器36，控制邏輯30還可控制T/R開關34。例如，在發射階段期間，控制邏輯30可將信號發送到T/R開關，所述T/R開關將換能器22耦合到脈衝發生器36的輸出。並且，在發射階段期間，所有換能器34可被同時耦合到相應的脈衝發生器36，因為發射資源未被共享。在接收階段期間，控制邏輯30可將信號發送到T/R開關34，所述T/R開關將換能器22耦合到列總線24。根據T/R開關34的激活速度，可以代之以使用低電壓MOSFET行選擇開關。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。如上關於圖3所述，換能器22的輸出可被發送到接收電路，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的採樣率可以是換能器22採樣率乘以換能器陣列20中的行數。假設換能器採樣率為10MSPS和100行的換能器22，則ADC 42的採樣率將為約1GSPS。並且，由數據獲取電路32接收的數據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，並能夠提供接收的採樣數據的一些預處理。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可在採樣數據被從換能器陣列20接收時，暫時將採樣數據存儲在模擬存儲設備中。這樣，ADC的處理速度可被降低，和/或數據可在被發送到數據獲取電路32之前而被預處理，這將在後面進一步解釋。
圖6示出了根據本發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可包括模擬存儲設備的陣列74，諸如採樣和保持(S/H)放大器76和ADC 42。在一些實施例中，模擬存儲設備可包括模擬隨機存取存儲器(RAM)。陣列74可包括用於換能器陣列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的相應行和列相對應的行和列。每個S/H放大器76可經由列總線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的數據，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的數據，等等。S/H放大器76可通過適當方式而被耦合到它們相應的列總線24。例如，列總線24可被多路復用到特定列的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可被串聯設置並經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，且接收的數據樣本被存儲在S/H放大器76的相應行中。當S/H放大器76的行獲取了新的數據樣本之後，每個S/H放大器76然後將數據樣本發送到相關聯的ADC 42，以便將模擬數據轉換為數位訊號。被數位化的樣本然後經由數據線44而被發送到數據獲取電路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到數據獲取電路32的一個數據線44。另外，因為每個S/H放大器76與分離的ADC 42配對，ADC 42的處理速率可能等於換能器22的採樣率。例如，假設換能器的採樣率為IOMSPS，ADC 42的處理速率也可以是接近10MSPS而不論換能器22的行數是多少。 圖7示出了根據本發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採樣保持(S/H)放大器76的陣列74，所述陣列被以對應於換能器陣列20的相應行和列的行和列設置，且每個S/H放大器76可經由列總線24接
8收來自換能器陣列20的其中一個換能器22的反射波形數據。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的行接收數據樣本後，S/H放大器76的該行然後被順次讀出到ADC 42。 S/H放大器76的每一行可通過任意適當的方式而被耦合到它們的ADC42。例如，S/H放大器76的該行可被多路復用到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並經由移位寄存器而被耦合到一起。這樣，從S/H放大器陣列74到數據獲取電路32的數據線44的數目可被減少。另外，還將理解，以這種方式採集的採樣數據可以在被發送到數據獲取電路之前從交織的列重新安排為交織的行。 圖8示出了根據本發明各方面的接收電路38的又一實施例。在這裡所示的實施例中，換能器陣列20的每個列總線24被耦合到模擬RAM庫(bank)80，其包括用於換能器陣列20中每個換能器22的模擬RAM82。每個RAM 82包括一系列連續的存儲地址，其被配置為存儲由換能器陣列20中的相應換能器22接收的反射波形數據。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的數據可被保存到相應的RAM 82中。因此，每個RAM庫80可包括用於將換能器陣列20中的每一行耦合到RAM庫80中對應的RAM 82的電路。例如，在一些實施例中，RAM庫80可包括多路復用電路，其將列總線順次耦合到適當的RAM 82，並通過行選擇電路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後，用於每個換能器22的反射波形將會被存儲在單獨RAM 82中。該波形然後從RAM 82中被讀出，並被發送到數據獲取電路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，然後讀出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那一行中的整個數據集都已經被讀出並求和為止。當數據被求和時，求和器86的輸出被發送到ADC 42，其將數據數位化並將該數據發送到數據獲取電路32。被發送到數據獲取電路32的數據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，直到所有數據均已被從每個模擬RAM庫80讀出為止。參照圖8所描述的技術使得ADC 42的採樣率能夠被降低，因為輸出數據的處理可以在接收全部反射波形之後發生，因此其不依賴於換能器22的採樣率。並且，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，且數據獲取電路32隻包括一個用於接收反射數據的輸入。這樣將會降低接收電路38和數據獲取電路32的成本和複雜度。 圖8所示接收電路38的另一個優點是其還可用於實現波束成形，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)並被加到一起，以產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，可通過將數據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中的數據。這樣，當數據隨後順次從RAM 82中被讀出時，數據的移位將使得該數據被發送到與其它波形相比具有特定時間延遲的求和器。因此，由數據移位引入的時間延遲將依賴於換能器22的採樣率和數據被移位的存儲器地址的數目。
在一個實施例中，數據移位通過設置如指針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據樣本的位置。因此，模擬RAM 82可包括
足夠用於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的所有輸出數據
均已被存儲到模擬RAM 82之後，想要的延遲將已經被實現。當反射波形數據從每個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。 本發明的技術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。其它技術效果包括接收的超
聲數據的預處理，以便能夠降低模數轉換器和數據獲取電路的處理速度。 所寫的該說明使用例子公開本發明，包括最佳模式，也使本領域技術人員能實現
本發明，包括製造和使用任何設備或系統，並實施任何引用的方法。本發明的可專利範圍由
權利要求定義，並可包括本領域技術人員想到的其它例子。如果這些其它例子沒有不同於
權利要求字面語言的結構元素，或者他們包括與權利要求字面語言無實質差別的等同結構
元素，則這些其它例子應該在權利要求的範圍中。 元件列表
10超聲設備
12病人
14監視器
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
27發射同步電路
28行選擇電路
30控制邏輯
32數據獲取電路
34發射合接收開關
1010超聲設備
36脈衝發生器
37發射電路
38接收電路
40放大器
42模數轉換器
44數據線
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模擬存儲設備陣列
76採樣和保持放大器
80RAM庫
82RAM
84指針
86求和器
11。
權利要求
一種超聲成像設備(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的發射電路(37)和相應的接收電路(38)，發射電路(37)被配置為生成輸出電壓信號以驅動換能器(22)產生輸出超聲波，接收電路(38)被配置為接收由換能器(22)響應於反射超聲波而生成的輸入電壓信號；多個開關(26)，每個開關(26)被串聯地耦合在一個換能器(22)和相應的列總線(24)之間；多個被電耦合到開關(26)的行總線(25)，每個行總線(25)將單行上的開關(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)耦合到它們相應的列總線(24)。
2. 根據權利要求1的超聲成像設備(IO)，其中發射電路(37)包括被配置為輸出多個 預定的電壓電平的脈衝發生器(36)。
3. 根據權利要求1的超聲成像設備(IO)，其中開關(26)是微機電系統開關。
4. 根據權利要求l中的超聲成像設備(IO)，其中接收電路(38)包括用於每個列總線 (24)的模數轉換器(42)。
5. 根據權利要求1的超聲成像設備(IO)，其中接收電路(38)包括多個模擬存儲設備， 每個模擬存儲設備可被耦合到相應的換能器(22)並被配置為存儲由相應換能器(22)生成 的輸入電壓信號的數據樣本。
6. 根據權利要求1的超聲成像設備(IO)，其中接收電路(38)包括多個模擬存儲設備， 每個模擬存儲設備可被耦合到相應的換能器(22)並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換能器(22)生成的輸入電壓信號相對應的數據樣本。
7. 根據權利要求6的超聲成像設備(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備並被配置為將來自模擬存儲設備的數據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)的輸出的模數轉換器(42)，其被配置為將被求和的數據轉換為數位訊號。
8. —種操作超聲成像設備(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，並生成 與反射的超聲波形相對應的接收的電壓波形；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. 根據權利要求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 一個發送到多個超聲換能器(22)的其中之一。
10. 根據權利要求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
根據本技術的實施例，公開了用於尋址二維換能器陣列(20)中換能器(22)的系統和方法。根據本技術的一個方面，換能器(22)按行和列排列，列被耦合到共享的發射和接收電路(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 優先權日2008年12月17日
發明者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