超聲掃描中發送與接收的隔離及使用的方法

2023-05-29 15:46:56

專利名稱：超聲掃描中發送與接收的隔離及使用的方法
技術領域：
本發明涉及超聲成像的接收電路。尤其涉及採用不同傳感器的接收電路。
對於三維超聲成像已經有各種傳感器和相關的束成形器。當前，多數採用機械式傳感器。但是，它不能提供相關的實時成像，並且典型地要求ECG門控。也已經可以提供用於較快電子/電子操縱和體積獲取的二維傳感器陣列。例如，稀疏二維陣列或全採樣的二維陣列已經被使用。稀疏陣列的對比度解析度不佳。
全採樣二維陣列使用昂貴的附加束成形硬體。二維陣列重複發生發射束和相應的接收束。用電子學方法將這些線束控制在三維體積之內。電子操縱要求每一所使用的元件都有一系統通道。因為在二維陣列中的元件數很大，所要求的通道數也就很高。通道越多需要的電纜數也就越大。在傳感器陣列的探頭內提供束成形或部分束成形可以減少所要求的電纜數，但是對採樣二維陣列所要求的通道數和硬體數仍然很高。而且，用於探頭中的束成形的模擬延遲昂貴且體積大，這種探頭中的束成形器其可編程能力也有限。
傳感器陣列包括具有其接地電極和可用開關連接到分開的發射和接收系統通道的信號電極。通過將束成形能力內置在探頭內，作為切換工作以將發射通道同接收通道隔離的高壓三極體或二極體也被包括在該探頭內。這些高壓器件不容易同束成形電路一起集成，所以要求額外的空間。
在美國專利5,622,177中，通過使用時分多路復用降低了系統通道和電纜的數量。來自多個元件的數據被多路復用到一信號線上。但是，時分多路復用的數據有著同代表來自單一傳感器元件的信號的傳統數據不同的特性。對傳統數據所設計的接收電路在時分多路復用數據中可能會不適當地引入噪聲。
利用上述發送通道或其他發送通道，可以生成以某電壓開始而以另外電壓結尾的單極脈衝。例如，生成以零電壓值起始而以正電壓值結尾的單極脈衝。後續發送的單極脈衝是以正電壓值起始而以零電壓值結尾。這種鏡像單極發送波形可以用於相位反轉成像，例如為隔離非線性響應信息加入響應接收信號。
本發明由以下的權利要求限定，但是不能將本節的任何部分看成是對這些權利要求的限制。下面結合優選實施方案討論本發明的其他方面及其優點。


圖1是用於接收來自不同傳感器探頭的不同類型信號的超聲系統的一種實施方案的方框圖。
圖2是用於接收同單一電纜上多個傳感器元件相關的數據的方法的一種實施方案的流程圖。
圖3是有著隔離的發射和接收通道的傳感器的一種實施方案方框圖。
圖4是傳感器的一種實施方案的電路圖。
圖5是傳感器的另一種實施方案的電路圖。
圖6是代表使用圖5的隔離發射和接收通道以發射和接收聲音信息的一種實施方案的流程圖。
圖7是有著相反相位的單極脈衝的圖形表示。
圖8是多維傳感器陣列的圖形表示。
圖9是一種探頭內部的一種實施方案的透視圖，這種探頭包括同電路板連接的多維傳感器陣列。
圖10是從模塊組裝的一種多維陣列的一種實施方案的剖面圖。
圖11A和11B是利用預先切割的模塊製造多維陣列所進行的步驟的圖形表示。
可以採用上面所討論的對於多路復用的擴展而同該多路復用或其他特點無關。在下面三個通用段落中對這些獨立的擴展或特點加以說明。首先描述用於接收同不同信號格式相關的信息或用於只接收多路復用格式的接收電路。其次描述利用傳感器元件將發射路徑同接收路徑的隔離以及使用的有關方法。最後描述傳感器陣列以及製造方法。
接收電路圖1顯示超聲系統10的一種實施方案的方框圖。系統10包括基本單元12，它具有接收電路14和圖像處理器16。接收電路14能夠通過電纜22同不同類型的傳感器探頭18，20有效連接。多個接收電路14可同用於處理來自元件陣列24的信號的探頭18，20電連接。在系統10中可以提供另外不同的或少數幾個組件，如只提供一種類型的傳感器探頭18，20。
一種傳感器探頭20包括用於在聲音和電能之間轉換的壓電或微電子機械式元件24的陣列。該探頭20包括一單一元件，一線性元件陣列或一多維元件陣列。探頭20還包括復蓋該陣列的外殼。該外殼的形狀為一種手持設備或者是一種可以塞入病人空腔或心血管系統的形狀。該探頭20利用用於該陣列各元件24的電纜22連接到接收電路14。每根電纜22傳輸代表在單個元件24上接收到的聲音能量的模擬信號。來自探頭20在電纜22上提供的信令是常規信號，在元件24和接頭32之間沒有多路復用或其他的中間電路。該探頭20提供信號或其他信息，被格式化成不同於來自探頭18的信號。
探頭18包括用多路復用器26連接的線性或多維元件陣列24。在一種實施方案中，將1,536個元件24構成一個二維或多維陣列。探頭18還包括復蓋該陣列的外殼。該外殼的形狀是一種手持設備或者是一種可以塞入病人空腔或心血管系統的形狀。在一種實施方案中，傳感器探頭18包括如下面描述的那樣使用模塊製造的多維傳感器探頭，但是也可以使用基面或具有從一個PZT組件或模塊製成的分開信令的其他線性或多維陣列。
探頭18包括前置放大器35和時間增益控制37，作為多路復用之前的接收通道64。該接收通道64用元件24連接。經前置放大後的和時間增益控制的信息提供給採樣和保持電路60。該採樣和保持電路60包括用於將模擬信息從多個元件24多路復用至一個輸出上的模擬延遲。在該優選實施方案中，不存在採樣和保持功能。模擬波形在時間上用無「保持」和無「模擬延遲」操作相交替。使用採樣和保持並非一種要求，而是一種可能選擇。
在一種實施方案中，該探頭18中的接收電路耗散功率小於5瓦。在一種實施方案中，對每8個元件24提供一個多路復用器26，但是可以對所有元件或不同數量的元件提供單只多路復用器。多路復用器26包括對探頭控制28響應的模擬或數字切換網。在一種實施方案中，該多路復用器26利用時分多路復用將來自多個元件24的信號加以組合。在另一種實施方案中，可以使用現在已知的或以後研製的頻率多路復用或其他多路復用方案。探頭控制28根據時鐘信號控制該多路復用器26使來自每個元件的模擬信號被分配到時分多路復用信息幀之內的一個特定的時隙。在一種實施方案中，探頭18和相關的多路復用器26包括在美國專利5,622,177中所討論的時分多路復用探頭，現引入該專利的內容作為本文參考。在探頭18中可以提供另外不同的或較少的組件，如在探頭18中提供另外的放大器或濾波器或沒有前置放大器或時間增益控制的探頭。
該多路復用器26將時分多路復用或其他格式化數據輸出給線驅動器30。該線驅動器30包括放大器或其他設備，這些放大器或其他設備同在電纜22上傳送多路復用信息的多路復用器集成或分開。對另外的多路復用器26可以提供分開的電纜22，如192或256電纜22。
基本單元12包括超聲成像系統，如手持，車載或其它系統用於發生病人的二維或三維表示。接收電路14接收來自一個或多個傳感器探頭18，20的信息用於束成形，探測和由圖像處理器16進行的其他超聲圖像處理。
例如電路14包括接頭32，模式控制處理器34，前置放大器36，時間增益控制電路38，低通濾波器40，緩衝器42，模-數轉換器44，數字平衡器46，數字解復用器48，分析處理器50以及可選擇延遲52。還可以提供另外不同的或較少的組件。接收電路14包括上面所描述的二個或多個組件的一種或不同的組合。例如，接收電路只包括前置放大器36或只包括低通濾波器40。接收電路14能用傳感器探頭20操作，其中來自元件24的信號在傳輸至基本單元12之前可以或者不加以放大和/或加以處理。第二操作方式允許代表一組元件的時分或其他多路復用信號沿一信號信線或電纜22的傳送。該接收電路14包括該基本單元12之內的單一接收通道。並提供用於同不同電纜22和不同元件24相關的多個接收通道。
接頭32包括帶電觸點的母或公鎖用於和一束電纜22相連接。接頭32能和不同的傳感器探頭18，20相連接。例如，具有時分多路復用能力的探頭同接頭32相連接。作為另一個例子，探頭18同接頭32斷開，然後其他的探頭20被連接到接頭32。接頭32同電纜束32維持物理和電性接觸。在另一種實施方案中，為不同探頭18，20提供單獨的接頭32。同一基本單元12和接收電路14可用於接收和處理來自不同類型傳感器探頭18，20的信息。例如，接頭32同使用完全充填的二維或1.5維陣列用於成像的探頭18連接。時分多路復用允許對二維或三維成像在二個空間維度上加以操作，同時使對基本單元12通信的電纜32的數目保持最小。同樣接頭32同其他的傳感器探頭20連接用於使用沒有多路復用的信號的超聲成像。在一種實施方案中，提供多個接頭32，這種探頭帶有延遲或切換至公共接收電路14的固態開關以提供對傳感器選擇的快速接入。每個單個接頭32可以接納多路復用的傳感器18，也可以接納常規傳感器20。
模式控制處理器34包括控制處理器，總處理器，用於控制接收電路14的組件如前置放大器36和低通濾波器40的專用集成電路或其他模擬或數字器件。根據用戶輸入的布局，根據探頭控制28提供的控制信號，根據由探頭類型接頭32的探測，或者根據對從超聲探頭18，20接收到的信號的分析，模式控制處理器34按照由探頭18，20提供的數據或數據格式將接收電路14的一個或多個組件加以配置用於處理。該接收電路的特性被配置成隨該數據格式而變。
前置放大器36包括用於提供低噪聲，寬帶匹配接收器的電晶體或其他模擬或數字器件。前置放大器36可以編程或對該模式控制處理器34響應以便將該前置放大器的特性編入程序。為了用傳感器探頭20操作或用代表單個傳感器元件24的信號操作，前置放大器36被編程為具有類似於或等於元件24和電纜22的阻抗特性，如1KΩ阻抗。該阻抗符合根據對不同類型探頭20的電纜阻抗所預期的變化的一般法則。前置放大器26可以有選擇地對擁有不同電纜22，電纜長度或元件22的特定匹配的專用型探頭20加以編程。前置放大器輸入阻抗，增益和頻率響應既可以由可選擇的開關組件加以控制，也可以用改變前置放大器偏置電流加以控制。在實際中，兩者方法可以同時用在一種集成電路構造中，對於用多路復用信號操作的情況，該前置放大器36被編程使其阻抗與線驅動器30或其他的探頭18的輸出電路相匹配。例如，將前置36編程能提供大約50Ω的阻抗匹配。在另一種選擇實施方案中，由方式控制處理選擇不同的前置放大器36。
在另一種實施方案中，前置放大器36的增益特性被選為隨信號格式或探頭18，20類型而變。多路復用的傳感器18可以要求比傳統傳感器更低的前置放大器增益，因為信號在進入多路復用之前已經在傳感器內加以放大。而且，系統前置放大器36的噪聲性能也不像對有著整體前置放大器36的多路復用的傳感器18那樣嚴格，所以可以採用對噪聲的要求較低的前置放大器以節省功率，或者是將輸入阻抗，增益和頻率響應加以優化。
另一種可編程特性是前置放大器36的帶寬。對於多路復用的信息，前置放大器36是沒有帶寬限制的，或者操作在一個寬的頻帶上，如對於時分多路復用通頻具有的符號率大於傳感器中心頻率的2倍(例如大於5MHz，30MHz或100MHz或更大)。對於沒有多路復用的信息，帶寬可以是2-15MHz，如同超聲頻率或傳感器頻帶相關。前置放大器36的其他特性可以加以適配或改變使之隨從傳感器探頭18，20提供的數據格式而變。
信號控制方框可以包括在多路復用器26內，或者用前置放大器36提供電纜22中的頻率相關損失的前平衡和後平衡。在選擇性實施方案中，數字平衡器46提供後平衡。該平衡可以使符號間幹擾降至最小。例如，在驅動電纜對頻率相關電纜損失進行補償之前可以採用預強調或高頻升舉。也可以在系統接收器14內提供一種全通相位校正濾波器以進一步降低進入ADC之前的符號間幹擾。
時間增益控制38(即深度增益控制)包括可調增益放大器，用於可變放大模擬信號。對於代表單個元件24的信號，該可變增益包括40至80dB範圍，但也可以採用其他的增益以考慮每釐米超聲信號的深度衰減大約為每MHz1dB。時間增益控制38對多路復用信號操作相同或不同。當在探頭18內提供時間增益控制38時，接收電路14的時間增益控制38對多路復用信號提供較少或不提供可變增益。當時間增益控制38使用可變增益時，通過在來自多個元件24的每信號幀之內加上相同增益而考慮對時分多路復用的增益應用。
低通濾波器40包括抗模糊濾波器，它是作為一種有限脈衝響應或無限脈衝響應濾波器工作的。該低通濾波器40的頻帶將信號加以限制，所以大於1/2數字採樣速率的信號不會混入該信號頻譜。通過降低該低通濾波器的帶寬，只要感興趣的信號未被清除或降低，可以提供較高的信噪比。由探頭20所提供的感興趣的信號或代表單個元件24的信號被提供在2-15MHz頻率範圍內。低通濾波器40採用6dB以下或30MHz，15MHz或其他頻率的其他截止頻率編程。可以將帶寬編程成隨成像的類型或所用探頭20的類型而變。對於多路復用信號，如時分多路復用信息，其帶寬較大以讓多路復用信號通過同時將符號間幹擾降至最小。例如，為了提供有著如下幅度響應對稱性，即對於0＜f＜F採樣，|H(f)|＝1-|H(F採樣-f)|的Nyquist通道形狀或線性-相位低通濾波器，其帶寬為30MHz或大於30MHz，如50或100MHz，式中F樣本是該多路復用樣本率(例如96MHz)。在實際中，H(f)是對Nyquist通道的近似值，其誤差通過數字平衡器46加以校正。
緩衝器42包括放大器或用於將信號緩衝輸入到模數轉換器44中的其他模擬組件。緩衝器42提供相同的特性而同所採用的數據類型或數據格式無關，但是也可以提供隨數據格式不同而不同的可編程特性。例如，對多路復用的數據可以從42請求較快的轉換速率，可以使用可編程轉換率限制以節省非多路復用方式中的功率。
模-數轉換器44將模擬信號轉換並以任何一種現在所知的或以後研製的代碼輸出數字表示。對於代表單個元件24的數據，該模-數轉換器44根據時鐘輸入但不參考其他的定時信息對數據進行採樣。對於時分多路復用數據，該模-數轉換器44的時鐘輸入同多路復用器26同步。該同步允許來自每個不同元件24的信號適當的分開使之具有最小的交叉信號幹擾。
數位化的樣本被提供給自適數字平衡器46。該數字平衡器46包括一可編程有限脈衝響應濾波器，如利用移位寄存器54，倍增器56和加法器58實現的那樣。在選擇性實施方案中，使用處理器或其他設備實現平衡器46。數字平衡器46將時分多路復用信息加以濾波以清除符號間幹擾。加到倍增器56上的濾波係數是根據傳遞函數或者在通過操作該模擬信號的接收電路不同級或組件之後發生的元件24的符號間幹擾。在一種實施方案中，該濾波器係數是可編程的以考慮該傳遞函數中的自適應和變化。該係數的選擇是根據測試信號或其它數據考慮到如由不同探頭18所引起的傳遞函數中的探測差異，接收電路14和模擬組件的不同處理特性或由於時間和溫度而產生的改變。對於代表單個元件24的信號或沒有多路復用的信號，該數字平衡器46讓信號通過，如在有著多路復用器係數為1的單個分支中不提供延遲。
解復用器48包括數字式解復用器，如一種切換網用於將信號從在一個時分多路復用信息幀內的不同時隙分開。該解復用器48作為一種有條件的解復用器工作。接收信號被數字解復用。例如，該解復用器按照不同的輸出從不同的元件24輸出信號以用於束成形和由圖像處理器16的其他圖像處理。對於傳統信號或無多路復用的信號，解復用器48讓信息通過到達圖像處理器16用於束成形。
選擇分析處理器50包括數位訊號處理器，總處理器，專用集成電路，模擬組件，數字組件以及它們的組合，用於將該模-數轉換器44同該多路復用器26同步或為數字平衡器46選取係數。分析處理器50對測試信號進行操作。探頭控制28使多路復用器26將已知的或預定的數字或模擬測試信號傳送經過電纜22和接收電路14到達分析處理器50。
測試信號被作為校準功能的一部分加以傳輸，如根據用戶輸入或探頭18到接頭32的連接。基本單元12控制測試信號，或者探頭控制28自動發生測試信號。在選擇性實施方案中，周期性傳送測試信號。例如，對時分多路復用信息的每一幀在報頭中傳送測試信號。根據測試信號的周期性傳輸，提供同步和自適應平衡一種或二者。對於穩定性，某些相位靈敏獲取序列，如用於都卜勒處理的獲取，通過同步或平衡在調整相位中減小或不提供任何自適應和變化。
根據對測試信號的分析，接收信號的多路復用或處理之一或二者達到自適應。例如，通過將時鐘信號同步，多路復用器26的操作同模-數轉換器44的操作相適應。分析處理器50選取可選擇的延遲52，用於參照模-數轉換器44將提供給多路復用器26的時鐘信號進行相位調整。時鐘電路中的固定延遲，由於時鐘路線長度的可變延遲，多路復用器的電路延遲，多路復用信號路線長度，分組延遲，以及放大器和延遲的數位化都引發失調，導致由於模-數轉換器44而來自不同元件24的混合信號。這些失調可以隨探頭18，接收電路結構，時間，溫度以及處理而變。分析處理器50通過探測已知模式或測試信號判斷每幀的開始。利用可選擇延遲52，加到模-數轉換器44和多路復用器26上的時鐘信號的相位被加以同步。在選擇性實施方案中，該模-數轉換器的時鐘信號相對提供給多路復用器24的時鐘信號調整相位，或者使用一組或多組接收電路14去判斷多於一個多路復用器26公用的時鐘信號相對於一個模-數轉換器44的另一時鐘信號的相位。自適應時鐘調整簡化了多路復用控制電路和接收電路14以及探頭18之間的接口。只提供一時鐘線或電纜22而無需另外的和分開的調整相位的信息。在選擇性實施方案中，給探頭控制28提供分開的時鐘和調整相位信號。
在一種實施方案中，由接收電路14進行的處理被加以改變或隨分析處理器52的測試信號而自適應。例如，分析處理器50從查閱表選取係數或計算係數給數字平衡器46使用。數字平衡器提供符號調準或移去符號間幹擾。分析處理器50將已知的或被儲存的測試信號同所接收到的測試信號進行比較。然後將所接收的測試信號和所儲存的測試信號之間的差別用於選擇係數。該係數是這樣選擇，使得該接收信號沒有畸變或符號間幹擾被消除。在選擇性實施方案中，將來自多於一個分析處理器50的處理結果用於選擇係數供數字平衡器46之用。
在一種實施方案中，接收電路14包括收發開關。在以下討論的選擇性實施方案中，不提供發射和接收開關。
用2表示圖1的系統10的操作的一種實施方案的流程圖。在動作70中，各種可能的探頭18，20之一同基本單元12相連。選擇探頭18，20之一併將它附接到接頭32上。例如，用戶希望三維心臟成像，所以將與時分多路復用相關的探頭18中的二維元件陣列連接。
對與多路復用相關的探頭，測試信號在動作72內傳送。根據該測試信號，對多路復用或處理加以自適應。對於無多路復用的數據，動作72作為選擇項或不提供該項。根據探頭18的連接發射測試信號，根據用戶輸入，自動地或定期地對來自接收電路14的控制信號做出響應。例如，測試信號作為初始校準過程部分傳送或在時分多路復用信號的第一時隙的頭標中或每幀的其他時隙中傳送。將測試信號同預期的測試信號進行比較。根據比較，對該接收電路的平衡係數或其他處理加以調整或改變。另外或作為選擇，對測試信號的定時加以識別並對可選擇延遲加以確定以便使模-數轉換電路44同多路復用26同步。
在動作74中，接收電路14被配置成具有不同的特性，這種特性隨探頭的類型或從與接收電路14相連接的探頭18，20接收到的數據格式而變。當數據格式對應於多個元件，如時分多路復用數據，則根據對與單個元件或在探頭20中無幹預電路相關的數據不同的阻抗，增益，濾波，平衡，模-數轉換或其他處理對信號進行處理。各種特性的任意一個或二個或多個的組合都可以隨數據格式而改變。也可以或選擇性地改變另外的或不同的特性。動作74可以在動作72之前或之後完成。
然後將該模擬信息數位化。對於時分多路復用信息，模-數轉換器44和多路復用信息同步。然後將該多路復用信號解復用用於束成形或其他成像處理。
發射和接收隔離傳感器元件24可用於將發射通道同接收通道相隔離，這種技術既可以用於上面所討論的探頭18，20也可以用於有著不同接收電路的另一種探頭。儘管這種隔離技術對於單個元件傳感器，線性陣列或在探頭中有著有限或沒有發射或接收電路的情況是有用的，但是對於有著在探頭內裝有至少部分發射和/或接收電路的多維傳感器陣列，如上面所討論的時分多路復用探頭18那樣，使用傳感器元件24隔離發射和接收通道是特別有用的。全充填的多維傳感器陣列要求大量的發射和接收通道。通過將發射或接收電路置於探頭之內並提供多路復用，從探頭18至基本單元12的電纜22或通道的數量被降至最小。但是，發射和接收電路共同存在於一個小空間，因而使接收電路同發射電路的高壓隔離變得困難。高壓開關，如能夠承受200伏反轉電壓的切換，是難以同其他接收電路，如多路復用器，一起集成的。用傳感器元件取代高壓發射和接收開關用於將發射通道同接收通道隔離。
圖3顯示隔離或分開發射路徑62和接收路徑64的傳感器元件24。在發射路徑62和接收路徑64之間避免直接連接。元件24將路徑62，64加以隔離以允許高壓傳輸而不會使接收路徑64遭受高壓。在一種實施方案中高壓器件是作為發射路徑62部分而不是作為接收路徑64部分提供的。在選擇性實施方案中，高壓器件是在接收路徑64上提供的。
元件24包括多維或線性陣列中多個元件之一。可以將1.5維和2維陣列作為M×N元件柵網的多維陣列的代表，其中N和M均大於1。對於多維陣列，其元件可以是小的並且同線性陣列的元件24相比具有高的阻抗。由於使用多路復用器和探頭18同電纜22相關的寄生負載也不存在或得以降低。同低的阻抗相比，可以使用較小的發射脈衝器和很低功率的前置放大器以提供較低阻抗的元件阻抗。
元件24包括2個電極80和82。該電極80和82位於元件24的對立面，如一個在射程方向該元件的頂部，一個在底部。電極80同電極82沒有電連接。分開的信號跡線包括電極80和82的每一隻電極或同每一隻電極相連接。每一元件24同二個或二個以上分開的信號跡線相關聯用於相關的分開電極80，82。在選擇性實施方案中，2個或2個以上電極共用一條相同的信號跡線。一隻電極80連接到發射路徑62，另一隻電極82連接到接收路徑64。元件24沒有如由被直接接地的電極所提供的直接對地的連接。
發射路徑62同電極80連接，用於將發射波形加到元件24。該發射路徑62包括至少一條至探頭18內元件24的信號跡線。在其他的實施方案中，將另外的發射電器，如波形發生器84，切換驅動器87以及控制器88併入發射路徑62中和探頭18中。在選擇性實施方案中，將控制器88，驅動器87，波形發生器84或它們的組合置放在探頭18的外面，如放在基本單元12之內。
波形發生器84包括一個或多個高壓電晶體，如FET電晶體，用於發生單極的，雙極的或正弦波形。圖4所示是用於發生單極波形的電晶體波形發生器84的一種實施方案。二隻高壓電晶體86，如至少承受200伏電壓的CMOS FET電晶體，串聯在電壓源和地之間。在一種實施方案中，一個電晶體包括PFET，而另外一隻電晶體包括NFET。電晶體86在電極80處提供單極波形的高壓和接地驅動。因為發射波形發生器84包括開關器件，功率的消耗是最小的。對每一元件24，這種電路使用大約0.2mm2的管芯面積。對於1536個元件的二維陣列，大約使用307mm2的管芯面積。可以採用其他的集成格式，如在較小的專用集成電路中提供高壓FET電晶體組。在選擇性實施方案中，可以使用如數-模轉換器的其他設備用于波形發生。
圖5顯示用於發生雙極波形的電晶體86的網絡圖。4隻電晶體86允許發生以正壓，負壓或零壓結束的雙極波形。如果該雙極波形能夠僅以一種極性結束，如正壓，則可以使用三隻電晶體。在這些電晶體之中，圖4和圖5的Q1和Q2可以具有從漏極至源極的積分反向二極體，而電晶體Q3和Q4避免這種反向二極體配置以防止導通至該二極體。可以使用電晶體86的其他配置和網絡結構。
電晶體86的每一隻連到一參考電壓，如正電壓，負電壓或地。如圖4所示，一隻電晶體86接地，而另一隻電晶體86接到正的或負的電壓。如圖5所示，二隻電晶體86接地，一隻電晶體接正電壓，另一隻電晶體接負電壓。
驅動器87包括一電晶體或FET驅動器，用於控制波形發生器84的操作。在選擇性實施方案中，可以使用其他的驅動器。驅動器87作為專用集成電路部分被集成，但可以具有獨立的器件和包括總處理器。驅動器87能提供用於操作電晶體86的電壓變化。例如，圖4中的電晶體Q2是通過施加來自驅動器87的10伏或0伏信號而得到控制。而電晶體Q1是通過施加來自驅動器87的200伏或190伏信號而得到控制。
控制器88包括總處理器，模擬組件，數字組件，專用集成電路和它們的組合，用於控制同一個或多個元件24相關的一個或多個驅動器87。在一種實施方案中，控制器88同驅動器87集成在相同的專用集成電路上，但是也可以是分立器件。控制器88輸出二進位信號以控制驅動器87的操作和發生器84的波形。在一種實施方案中，控制器88根據從外部至探頭18提供的簡單控制信號為整個陣列或分陣列外推或選擇發射配置或波形參數。在選擇性實施方案中，該控制器位於該探頭外部。
接收路徑64包括至少單一信號跡線，該跡線同元件24上與發射路徑62相對的一個面上的電極82相連。在其他的實施方案中，接收路徑64包括一個或多個二極體90，92，前置放大器94和多路復用器96。可以將另外，不同的或較少電路作為接收路徑64部分提供，如濾波器。探頭中的電子學部分可以不包括顯示濾波器，其中傳感器元件本身可以將接收信號加以濾波，和/或放大器的自然低通響應也足以將接收信號加以濾波。該接收路徑包括在有著元件24的探頭18之中。在選擇性實施方案中，不提供多路復用器，而是在同探頭18分開的基本單元12內或在探頭18內提供前置放大器94。電纜22將接收路徑同基本單元12相連接。
二極體90和92包括肖特基二極體或其他的高電流，低電壓二極體器件。在一種實施方案中，二極體90和92沒有靜態功率消耗。二極體90和92的每一隻用相反或不同的極性接地。二極體90和92包括二極體箝位以限制在接收路徑64上電極82上的電壓波動。例如，二極體90和92將電壓的濾波限制到正或負0.2～0.7伏。在選擇性實施方案中，可以使用電晶體或其他的器件限制電極82上的電壓。
在一種實施方案中，二極體90和92同前置放大器以及多路復用器電路94和96一起被集成在專用集成電路內。可以提供其他的集成格式，如在較小的專用集成電路內提供分離的二極體陣列和分離的前置放大器/多路復用器電路。
前置放大器94包括一隻或多隻電晶體，用於放大來自電極82的信號。例如，利用7伏BiCMOS處理或其他電晶體處理提供具有電流輸出的差分BJT對。使用具有5伏電源每通道為20μA允許每通道的功耗為0.1毫瓦。可以使用有著不同消耗以及相關組件和特性的其他前置放大器。該前置放大器94也可以選擇性地，或另外包括時間或深度增益控制放大器或濾波器。對於集成在探頭18內的時間增益控制放大器，可以使用提供某些但非全部時間增益補償的低功率設備。在選擇性實施方案中，提供一種較大的，更大功率消耗可變的放大器。
多路復用器96包括切換網，如將多條發射路徑64的信號多路復用至一條電纜22上的電晶體和模擬採樣和保持電路。例如，多路復用器96包括一個8對1的多路復用器，用於將來自8個不同元件24的信號多路復用至模擬信息的一幀之內。在一種實施方案中，多路復用器96對8條接收路徑64的總的96MSPS給每一接收路徑64提供12MSPS。接收路徑64的電路沒有高壓器件並且可以在探頭18的一個小的空間內集成到專用集成電路內或其他的通用電路內。
分別將發射和接收路徑62和64連接到相對電極80和82上以將發射路徑62的高壓和高壓器件同接收路徑64的低壓器件相隔離。圖6顯示使用圖3元件24用於發射和接收的一種實施方案的流程圖。在動作100中，將高壓發射波形提供給傳感器元件24，並且在動作102中將接收路徑64的電壓加以限制。基本上，發射路徑62上的電壓在動作106內得到限制而在動作104回波信號在接收路徑64上被接收。
元件24的發射和接收操作沒有在發射和接收路徑62和64之間進行選擇的切換。根據來自控制器88的控制信號，驅動電路86使波形發生器84在動作100內發生高壓(如200伏)發射波形。在波形發生器84處於探頭18之內時，該發射波形是在該探頭18內發生。該發射波形被加到元件24的一隻電極80。另一隻電極的電壓在動作102中作為接地或D.C.參考電壓受到有效地限制。二極體90和92箝制連接到電極82的接收路徑64的電壓，使之同發射波形的高壓相比處於一個小的範圍之內。因此，元件24由於電極80和82上的電位差而發生聲音信號。元件24還將發射路徑62同接收路徑64相隔離，防止在沒有高壓切換時對接收電路的損壞。
對於隨後在動作104內接收操作，發射路徑62的電壓被加以限制。在一種實施方案中，波形發生器84的電晶體86將接地或參考電壓連接到電極80。例如，在圖4中所示波形發生器84的Q2的開關為「接通」時將電極80接地。在一種選擇性實施方案中，將另一種參考電壓，如經Q1加上的正電壓，連接到電極80以限制電極80的電壓波動或變化。儘管發射路徑和相關的電極的電壓在動作106內被加以限制，但電信號是根據由動作104中的元件24接收的聲音回波信號在電極82上發生的。因為所接收的電信號是小的，如小於0.2伏，二極體90和92避免了在接收信號內引入噪聲或將接收信號削波。接收信號被加以放大，濾波，多路復用或加以處理，用於經電纜22傳送給基本單元12。例如，放大器94將信號放大並根據時間調節該電信號的增益。多路復用器96將具有響應不同傳感器元件24的其他電信號的電信號多路復用。對同其他元件24相關的接收通道64重複同樣的過程。進行發射和接收操作而沒有進行用於連接電極的發射和接收路徑之間的選擇。在接收和發射期間，每條發射和接收路徑62和64分別實行接地，或者將電極80，82維持在參考電壓。
使用圖4中所示的波形發生器84，可以發生以零電壓或正電壓結束的單極波形。該單極波形發生器84能夠對正或零電壓狀態結束而不會對電路產生損害。一種選擇性實施方案通過交換NMOS和PMOS器件和利用負性電源允許在另和負壓之間發生單極波形。在任何一種情況下，不管該單極發射波形在0伏還是在其他電壓下結束都提供低的阻抗條件。
圖7顯示二種鏡像對稱單極波形108和110。第一單極波形108在低態或另伏水平開始，包括正電壓脈衝，返回零電壓電平，然後在高態或正電壓電平結束。隨後的單極波形110從高態或正電壓開始而在低態或零電壓結束。因為一種波形在較高電壓開始和以較低電壓結束，而另一波形108在較低電壓開始和以較高電壓結束，兩個波形有著相同的周期性，二個波形之和基本上為另值。利用在不同電壓開始的發射波形時基本考慮是電晶體86的上升和下降時間的差別以及其他性能的差異。在選擇性實施方案中，高態為另伏特而低態為負電壓。
單極波形發生器84的鏡像對稱能力為利用單極發射波形的相位反轉給組織諧波或其他諧波成像創造了條件，隨著對應於發射波的聲音能量在組織內的傳播和散射，發生該基本發射頻率的二次諧波或其他諧波的能量。與每一單極波形相對應的接收信號包括基本頻率以及諧波頻率的信息。當把響應相位反轉的發射單極波形的接收信號加以結合或相加之後，基本頻率的信息被對消，剩下的只是諧波頻率的信息。
利用簡單的單極波形提供根據發射波形的相位反翻的諧波成像。用於發生單極波形的電晶體86被設計成避免上升時間和下降時間的失配，將由波形發生器84所引入的諧波信息量減至最低。元件24的材料在一種實施方案中具有高的極性調整電壓以減少操作差異或由於最初發生在二種不同的DC偏置點(例如0和+V)的接收失配。對在基本單元內或探頭內具有發射通道的系統，和使用發射和接收切換的系統，可以使用相位反轉單極脈衝發射。
多維傳感器可以使用有著上面所討論的任何發射和接收路徑，探頭和接收電路的各種傳感器。圖8-11所示是一些這樣的多維傳感器陣列，它們用於以基於時分多路復用和元件的發射和接收路徑隔離的全採樣。時分多路復用減少了通道數或電纜22的數量而對由基本單元12進行的束成形沒有限制。分開的信號跡線或將相對電極80和82連接到發射和接收路徑允許將發射和接收電路集成在探頭18內而沒有功率消耗的發射和接收切換。可以使用多維傳感器的各個方面而同實施方案的其他方面無關，如使用沒有時分多路復用或在探頭18中的其他電路集成的特殊元件間隔。
圖8顯示元件24的一種2維陣列200。元件24沿豎向和橫向以一種柵網方式間隔開。沿豎向同沿橫向相比，可以使用不同或相同數量的元件24。沿橫方向在列204提供多個元件24。元件24沿橫方向具有間距或間隔。在一種實施方案中，使用1/2波長間距。沿橫方向從一個元件24的中心至相鄰元件24的中心提供1/2波長的距離。例如，在一組為工作在2.5MHz設計的陣列中，間距為300μm。也可以使用其他的間隔。
沿豎向在行202內提供元件24。沿豎向的間距或間隔大於沿橫向的間距或間隔。在一種實施方案中，沿橫向的間距是沿豎向間距的2/3或小於2/3，如1/2。對於上面給出的2.5MHz的中心頻率陣列例子，豎向間距是600μm或一個波長。對於大的間距，每個單個元件可以被細切割以便正確操作或維持所希望的元件24的寬厚比。在上面提供的實例中，元件24沿豎向被細切割，如在每陣列中心提供穿過大約90％的PZT材料的切割延伸，但不沿橫向細切割。也可以使用其他的細切割深度。
圖8顯示3二個元件24。在選擇性實施方案中，可以提供不同數量的元件，如在64個橫向分隔的行202中和在24個豎向間隔開的列204中共有1536個元件，或在64個橫向間隔的行202中和在3二個豎向分隔的列204共有2048個元件。
圖9顯示集成陣列200的探頭18。探頭18包括陣列200，柔性電路材料或信號跡線206，208，多塊電路板210，電容器212以及一束電纜22。這些組件包容在塑料或其他人機過程成形的探頭蓋或外殼之內。在探頭18內還可以包括少數不同的或另外的組件。
柔性電路206，208包括Kapton或其他可活動的，薄的電絕緣材料，在它的一面或兩面沉積有信號跡線。此處使用柔性電路用以描述具有一種或多種電導體的任何柔性或非剛性材料。在一種實施方案中，該柔性電路材料為50μm厚。對分開的發射和接收路徑提供各自的柔性電路材料206和208。例如，一種柔性電路206從陣列200的元件24的一側提供電極和跡線，而另一柔性電路208包括來自陣列200的元件24的反面或不同側面的電極和跡線。
圖10顯示陣列200的豎剖面和二種柔性電路206和208的相關連接。陣列200沿豎方向再細分為4個模塊222。此外，陣列200也可以沿豎向細分為不同的或較少的模塊222。例如，只使用一個，二個，3個或多個模塊。每模塊具有相關的柔性電路206和208對。每一模塊222包括沿束方向的多層，如第一匹配層218，從第一柔性電路208形成的在元件24的頂部的第一電極層，第二匹配層216，元件或壓電(PZT)層214，在從第二柔性電路208和背襯材料220形成的壓電層214的底側上的第二電極。也可以一個，多個或全部模塊222中提供另外不同的或較少的層面。例如，只使用一個或3個或多個的匹配層216，218，或者將2個匹配層216和218都放置在頂部電極和柔性電路208的頂側。
二種不同的柔性電路208和206沿一個或二個模塊側面從PZT材料或層面214朝著和沿背襯材料220摺疊。在元件24的雙側或頂部和底部對元件24的每一個提供分開的信號跡線。對元件24的每一個在其柔性電路206上提供分開的信號跡線，和對元件24的每一個在柔性電路208上提供分開的信號跡線。每一元件24獨立同沿元件24的束方向上的頂部和底部的分開的信號跡線相連接。分開的信號跡線為以元件為基礎的發射和接收路徑的隔離提供了條件。公共地同多個元件24相連接。
通過2或4層柔性電路206，208，每一模塊222背襯材料220同另一模塊222的背襯材料220相分開。通過1或2柔性電路層208將一個模塊222的PZT層214同另一模塊222的PZT層分開。PZT層214的寬度大於背襯材料220的寬度以考慮由於柔性電路206，208的不同數量所引起的不同厚度。通過具有薄的柔性電路材料，藉助於儘量減小不同模塊222的元件24之間的間隔避免了負面超聲效應。
再參照圖9，柔性電路208和206被顯示為在分離開元件200陣列的方向寬度增大。增大寬度為信號跡線同單個元件24的分隔較大提供了條件。較大的間隔提供的信號跡線間的電容耦合較小。
圖9顯示多塊印刷電路板210，如7塊電路板210。在選擇性實施方案中，在探頭18中提供單塊電路板210，不同數量的電路板210或沒有電路板。在一種實施方案中，6塊電路板210包括發射和接收電路，如上面討論的探頭集成電路。每一塊發射和接收電路板210與6個豎直彼此隔開的模塊222之一相連。在選擇性實施方案中，一塊電路板210和在不同模塊222中的元件24相連接，或者相同模塊222中的元件24同不同的電路板210相連接。第7塊電路板包括一控制邏輯電路板。該控制邏輯電路板同基本單元接口連接用於操作發射和接收電路。探頭18的印刷電路板210和其他組件被製成大小適合裝在探頭18的手柄之內。該探頭18的設計適合於用戶人機操作，如在直徑上小於4英或提供抓柄。
在一種實施方案中，該電路板包括一個或多個多路復用器，例如，提供8對1的多路復用器用於將信號多路復用從元件24至192系統通道或電纜22。在其他的實施方案中，提供或多或少的多路復用器用於有著或多或少電纜22或系統通道的情況。例如，提供64排202和32列204的陣列200帶有的多路復用器用於在256根電纜22上傳送時分多路復用信號。在具有陣列200的探頭18內提供多路復用器，使電纜22及相關的系統通道或信號線數小於陣列200的元件24的數目。例如，沿豎直方向的元件數與沿橫方向的元件數的乘積大於電纜22的數目。
利用任何已知或以下開發的接頭或連接技術將電路板210同柔性電路206及208相連接。對每一元件24使用二個或多個分開的信號跡線提供二倍於元件24數目的電連接。在陣列製造之前該接頭被附著到柔性電路206，208上。在一種實施方案中，提供球狀柵網陣列(BGA)，或其他塊矩陣形或其他結構的陣列用於將跡線焊接到柔性電路206和208上。可以使用小間距矩陣型BGA連接頭。例如，該BGA將接收路徑信號跡線接到多路復用器，然後多路復用器和印刷電路板相連，從而減少了到印刷電路板的連接數目。在另一種實施方案中，將發射或接收電路沉積或形成在柔性電路上，從而使從柔性電路206，208至印刷電路板210所需要的連接較少。還有另一種實施方案，在柔性電路和印刷電路板之間提供，如跨接線或其它互連的直接連接。
圖11A和11B表示在製造陣列200的過程中的工序。圖11A顯示元件24的三塊模塊。每一模塊222包括至少在N×M陣列中元件24的2行和2列。每一模塊222的PZT層214和相關的柔性電路208，206是對每一模塊222獨立切割的。切割包括沿橫向或豎向的一種或兩種切割以形成元件24。通過對每一模塊222分別將電極或柔性電路208，206切割，可以分別對每一模塊222加以測試。分開測試為在最後組裝之前扔棄失效模塊222創造了條件。例如，對模塊222的每一塊的每個元件24進行適配性或聲音測試。
每個分開切割的模塊222的形成如圖10所示。可以使用任何各種製造工藝，和提供的不同的組裝順序。在一種實施方案中，將第一匹配層216，壓電層214和位於該壓電層214底部的柔性電路206堆到背襯層220的頂部。使用帶有針和相關孔或模板的精密工具將這些層面對準。底部柔性電路206在兩面具有信號跡線，用於連接不同的元件24。然後將對準的層面結合或膠合在一起。
在結合之後，將柔性電路材料206的底層沿壓電層214下面的背襯層220的兩面摺疊。該背襯層220的寬度比壓電層214的寬度窄大約1或2層柔性電路206的寬度。在一種實施方案中，該柔性電路206在背襯層220的兩面被摺疊，但也可以只在一面摺疊。通過將部分模塊222通過用Teflon塗層的或有著結合材料或膠的其他結構將該底部柔性電路206緊緊地粘合到背襯材料上。作為選擇，在結合頂部柔性電路208的後來工藝中將該底部柔性電路206結合到模塊222的兩個面上。
第一匹配層216和壓電層214沿橫方向切割。例如，形成6個大的切割縫，它向該柔性電路材料206延伸但不穿透柔性電路206。沿橫向也可以形成小的切割縫。這種小的切割縫向壓電層214內部延伸大約90％。還可以使用其他的切割深度。使用環氧樹脂，矽膠或其他材料將切割的縫填充。可以使具有較高聲音阻抗的縫填充材料是因為只有在模方向的壓電層214和第一匹配層216被切割。在選擇性實施方案中，其他層沿橫向被切割並且使用較低的聲音阻抗的縫填充材料。在選擇性實施方案中，不使用縫填充材料。
第一匹配層216的表面接地，或者如有必要經處理以去除任何多餘的縫填充材料。利用針和孔或模板將頂部柔性電路208和第二匹配層218對準並結合在一起。然後將該粘合後的頂部柔性電路208結合到底部匹配層216。在選擇性實施方案中，將頂部柔性電路208和頂部匹配層218對準並結合到模塊222上的底部匹配層216，作為同填充其縫相關的一種操作。
頂部柔性電路208及相關的信號跡線相對底部柔性電路206及相關的信號跡線的位置處於足以使每一元件24在分開的信號跡線的公差之內。例如，正負50μm的公差允許沿豎方向每個元件24之間有100μm的切割區而不會有損害地切斷信號跡線。其他的公差和距離也是可能的。對準是利用精密工具的針和孔，模板或光學調準完成的。通過在模塊222兩側上提供柔性電路206，208上的信號跡線，提供了較為稀疏的信號跡線，從而允許有較大的切割窗口。在選擇性實施方案中，提供較大的信號跡線密度，並在模塊222的一面提供柔性電路206和208。
頂部柔性電路208沿壓電層214和背襯層220的一面或兩面摺疊。柔性電路208從壓電層214朝背襯層220延伸。在信號跡線是在底部柔性電路206的頂面或朝外面上和在頂部柔性電路208的底面或朝內面上時，在兩柔性電路206和208之間加入絕緣層。例如，在組裝之前或組裝期間，將25μm或其他厚度的Teflon或非導電材料加到柔性電路206的一面或兩面。因此，藉助於通過具有Teflon塗層或其他塗層的框架上部的柔性電路208被粘合到模塊222的面上。柔性電路和相關的電極都被結合到模塊222上。
然後將模塊進行豎向切割，如切割成元件24的64列204。該切割穿過柔性電路206和208以及壓電層214伸入背襯層220。在一種實施方案中，不提供小的切割縫，但可以使用小切割縫。在一種實施方案中，用顯微鏡對頂部柔性電路208進行檢查以達到在光學上將切割鋸齒對準。豎向切割同前面的橫向切割相結合規定了元件24。可以在同一時間或不同時間提供每一模塊222的豎向切割。切割使之對每一元件24有著頂部和底部分開的電極和相關的信號跡線而不會使所有的元件都接地到一個公共面上。在選擇性實施方案中，對每個元件24隻有一分開的信號跡線使用接地面。
如圖11B所示，分開切割的模塊222被加以對準。模塊222的位置沿豎向或橫向相互鄰近以形成較大的元件24陣列200。用一個或多個柔性電路206，208將每一模塊222同另一模塊222相分開。在一種實施方案中，每一模塊222代表元件24的64橫向分隔的行202和4或6豎向分隔的列204。通過將在豎向和橫向的4或6個模塊222對準，提供元件24的64×24柵網。可以使用其他數目的模塊，大小和元件柵網數，有和沒有用柔性電路206，208使模塊222分隔開。
頂部柔性電路208具有在底面形成的信號跡線，所以該柔性電路208在電性上將一個模塊222的信號跡線同另一模塊222的信號跡線相絕緣。在選擇性實施方案中，在二個模塊200之間放置絕緣體材料，如Kapton或其他材料，用於信號跡線的電性絕緣。
在對準之前，通過Teflon復蓋的框架或其他有膠或其他結合材料的框架向每一模塊222施壓。施壓使柔性電路206和208沿模塊222的兩面緊密吻合以減少模塊之間的任何分離。
模塊222被裝在框架224之內。該框架包括石墨材料，另一種導電性材料，或其他非導電性材料。4個模塊222既可以加壓配合在框架224之內，也可以裝在框架224之內。當被裝在框架224之中時，模塊222的壓電層PZT214之間的間隔為50-150μm，但也可以使用其他的間隔。該間隔是由於每一模塊222的壓電層214之間的柔性電路材料的結果。50-150μm的間隔相應於比正常的縫寬大0-100μm。可以使用其他相對寬度。減小模塊222之間的分隔就減小了豎向的射線束寬度或豎向點擴展函數。框架224將模塊222沿二個方向對準，但是在橫向上可能提較低的公差。通過手工光學對準，針和孔對準或將框224作為一種模板的精密匹配可以提供較高公差的對準。
在模塊222被對準在框架224之後，用矽膠或其他縫填充材料將單個切割的縫填充。這種縫填充材料也可以用來將模塊222相互並結合到框架224上。在選擇性實施方案中，模塊222的縫填充是在對準之前進行的。在選擇性實施方案中，不使用縫填充。而是將透鏡材料保護層，或其他聚焦或非聚焦的聲學透明材料保護層放置在陣列200之上或其周圍。例如，在陣列208之上形成高溫或室溫硫化矽膠。在陣列200被全採樣的情況下，提供另外的保護層用於不聚焦或有限聚焦。
柔性電路206，208以及相關的信號跡線連接到印刷電路板或多路復用器。該多路復用器的輸出連接到電纜22。該電纜將陣列200的元件24電連接到基本單元12。
在選擇性實施方案中，提供不同的多維陣列，具有集成在探頭18之內的多路復用器和/或用傳感器元件24提供的發射和接收路徑的隔離。多路復用允許多通道向單通道上的多路復用，如通過時分多路復用。多路復用的數量，所希望的帶寬，中心頻率以及時鐘速率決定所使用的多路復用數量。例如，具有40MHz時鐘速率的系統可以使用高至25MHz的中心頻率傳感器，假定Nyquist採樣速率高至1.6倍該中心頻率。採用多路復用技術，可以降低中心頻率以減少系統通道或電纜22的數量。在上面的例子中，2∶1的多路復用器允許使用有著120％帶寬高至12.5MHz中心頻率的傳感器，但是將使用一條電纜22的元件24的數量翻倍。3∶1的多路復用器允許使用高至8.3MHz中心頻率的傳感器，4∶1允許6.3MHz，5∶1允許5.0MHz，6∶1允許4.2MHz，7∶1允許3.6MHz，8∶1允許2.5MHz。較高的時鐘速率允許既有更多的多路復用，或者有更高的中心頻率傳感器。
某些多維陣列提供沿第一方向用N個元件排列和沿第二方向用M個元件排列的多個傳感器元件，其N個大於1和M大於1但M不等於N。例如，元件24的多PZT層線性陣列，1.5D，I-束，+-束或其他陣列具有不同的元件24分布。探頭容納元件24的陣列200。位於探頭內並連接到該多個傳感器元件24的至少二個的多路復用器使得有較大數量的元件24而較少連接到基本單元22的系統通道數或電纜22數提供了條件。
多路復用允許1.5維的傳感器陣列有較高的解析度使用，如在橫向內有著2或多於2的96元件24的豎行。例如，用2∶1時域多路復用，具有3或4行96元件24的1.5D陣列使用其頻率高至12.5MHz的192系統通道或電纜22。用96個元件24的7區段或行的7∶1多路復用，其陣列在40MHz時鐘速率系統內可用192個系統通道或電纜22工作高至3.6MHz。
具有被隔離的左右豎光闌分隔的元件24的平凹傳感器也可以得益於多路復用。例如，參見在US專利6,043,589中所描述的陣列，將其公開的內容引入此處作為參考。通過將來自具有來自另一個元件的信號的一個或多個元件的信號多路復用，二個或三個被分段的陣列可操作在較高的中心頻率和/或用更多的元件。
配置成2或更多分開的或增加線性或彎曲線性陣列的傳感器也可以得益於多路復用。第一線性陣列沿一個方向定位和第二線性陣列沿第二方向定位或者不與第一陣列平行。例如，在US專利6,014,473中所討論的各種I-束，+-束或其他陣列，此處將其公開內容引為參考，使用多路復用為更大數量的具有相同或較少電纜22的元件創造了條件。在這一實例中，一個線性陣列用於成像和一個或多個其他正交陣列提供跟蹤信息。通過多路復用，利用跟蹤陣列的系統通道或電纜的圖像解析度的丟失較少。例如，一個成像和二個跟蹤陣列每個使用具有3∶1多路復用至192根電纜22的192個元件24。
雙層或多層傳感器陣列可以得益於多路復用。在元件24的線性或其他陣列中的2或多層PZT被用於諧波成像。沿橫向的一個或多個元件24的一維陣列具有沿束方向的元件24或PZT層面。例如，在號碼為____(序號10/076,688，提交日期2002年2月14日)和5,957,851的US專利中公開的陣列使用用電極分開的元件24的多層。多路復用為較大數量的可分開尋址的PZT層和/或元件24創造了條件。一層對另一層相對定相提供給基波工作或諧波工作。
如二維陣列或單一線性陣列的元件方形柵網也可以受益於多路復用。多路復用為具有較少系統通道或電纜22的更多元件提供了條件。多路復用為二維或三維成像提更高的解析度和/或更快速的掃描。
儘管參照各種實施方案已經在上文對本發明進行了描述，但應當理解可以做出許多變化和修改而不會偏離本發明的範圍。因此，其意圖是將前面的詳盡描述理解為對本發明現在優選實施方案的一種展示而非本發明的限定。只有如下的權利要求，並包括所有的等同項，才是旨在限定本發明的範圍。
權利要求
1.一種用於超聲處理中對發送與接收進行隔離的系統，該系統包括傳感器元件(24)具有第一和第二電極(80、82)；發送路徑(62)連接到第一電極(80)；和接收路徑(64)連接到第二電極(82)，在傳感器元件(24)處接收路徑(64)與發送路徑(62)相隔離。
2.權利要求1的系統，其中發送路徑(62)含有波形發生器(84)，波形驅動電路位於探頭(18)內，傳感器元件(24)也位於探頭(18)內，並且還包含可將探頭(18)與基本單元(12)相連接的電纜(22)。
3.權利要求1的系統，其中接收路徑(64)包含至少一個放大器和濾波器，該至少一個放大器和濾波器放置位於探頭(18)內，傳感器元件(24)也位於探頭(18)內，並且還包含可將探頭(18)與基本單元(12)相連接的電纜(22)。
4.權利要求1的系統，其中發送路徑(62)含有波形發生器(84)，而接收路徑(64)含有時間增益控制電路(37)、波形發生器(84)，時間增益控制電路(37)和傳感器元件(24)在探頭(18)裡，探頭(18)與成像基本單元(12)間隔開。
5.權利要求1的系統，其中接收路徑(64)含有多路復用器(26)。
6.權利要求1的系統，其中接收路徑(64)含有至少兩個與第二電極(82)電連接的二極體(90、92)。
7.權利要求6的系統，其中至少兩個二極體(90、92)電連接在第二電極(82)與地之間，兩個二極體(90、92)含有二極體箝位電路。
8.權利要求1的系統，還包含多個附加的傳感器元件(24)，傳感器元件(24)和附加的傳感器元件(24)安排為NxM柵網，這裡N和M都大於1。
9.權利要求1的系統，其中發送路徑(62)含有至少一個電晶體(86)，可以電連接在第一電極(80)與參照電位之間。
10.權利要求1的系統，其中發送路徑(62)在傳感器元件(24)的接收操作中可以將第一電極(80)與地連接，而接收路徑(64)在傳感器元件(24)的發送操作中可以限制第二電極(82)上的電壓。
11.權利要求1的系統，其中發送路徑(62)包括至少一個高電壓部件，而接收路徑(64)沒有高電壓部件。
12.權利要求1的系統，其中發送路徑和接收路徑(62、64)沒有可以在發送路徑(62)與接收路徑(64)之間進行選擇的任何開關。
13.權利要求1的系統，其中傳感器元件(24)的所有電極(80、82)都沒有直接接地。
14.一種對發送與接收事件進行超聲隔離的方法，該方法包含(a)施加發送波形到傳感器元件(24)的第一電極(80)；(b)在(a)期間限制第二電極(82)處的電壓；(c)接收傳感器元件(24)的第二電極(82)上的電信號，第二電極(82)不同於第一電極(80)；並且(d)在(c)期間限制第一電極(80)處的電壓。
15.權利要求14的方法，還包含(e)在探頭(18)裡生成發送波形，傳感器元件(24)也在探頭(18)裡。
16.權利要求14的方法，還包含(e)利用濾波器過濾電信號，濾波器在探頭(18)裡，其中傳感器元件(24)也位於探頭(18)內。
17.權利要求14的方法，其中(a)包含以驅動電路驅動傳感器元件(24)，該驅動電路在與成像基本單元(12)分離的探頭(18)裡，探頭(18)包括傳感器元件(24)，而且還包含(e)用時間增益控制電路，隨著時間變化調整電信號的增益，時間增益控制電路在探頭(18)裡。
18.權利要求14的方法，還包含(e)利用響應於不同傳感器元件(24)的信號，對電信號進行多路復用。
19.權利要求14的方法，其中(d)包含利用至少兩個電連接到第二電極(82)的二極體對第二電極(82)箝位。
20.權利要求14的方法，其中(b)包含將第一電極(80)與參照電位進行電連接。
21.權利要求14的方法，還包含(e)對多個布置為二維陣列的傳感器元件(24)實施(a)-(d)。
22.權利要求14的方法，其中至少採用一個高電壓部件實施(a)和(d)，而在實施(b)和(c)時無高電壓部件。
23.權利要求14的方法，其中實施(a)-(d)時沒有在發送路徑(62)與接收路徑64之間進行選擇。
24.權利要求14的方法，其中(a)包含施加單極波形，單極波形以第一態開始，而單極波形的結尾是與第一態不同的第二態，第一態和第二態包含高態和低態之一，而且是不同的。
25.帶有相位反轉的發送聲能的方法，該方法包含(a)生成具有高態和低態的第一單極發送波形；(b)生成具有高態和低態的第二單極發送波形；(c)第一單極發送波形以低態開始；而(d)第二單極發送波形以高態開始。
26.權利要求25的方法，還包含(e)第一單極發送波形以高態結尾；而(f)第二單極發送波形以低態結尾。
27.權利要求25的方法，其中(a)-(d)包含生成第一和第二單極發送波形，使得施加到傳感器元件(24)上的發送波形總和基本上是零。
28.權利要求25的方法，其中(c)包含第一單極發送波形以零電壓開始，而(b)包含第二單極發送波形以正電壓開始。
全文摘要
在超聲傳感器元件24處隔離發送和接收電路的方法和系統。傳感器元件24兩相反面上的分離的電極80、82連接到分離的發送和接收通道62、64。用傳感器元件24隔離發送通道和接收通道，而不用高電壓發送和接收轉換開關。發送通道62包括接收過程中在電極處限制電壓的電路，例如可以將電極接地的開關。接收通道64包括發送過程中在電極處限制電壓的電路，阻止電壓擺動超過電極處的二極體電壓。限制電壓為發送操作或接收操作兩者之一提供了虛擬接地或直流電。利用上述發送通道或其他發送通道，可以生成以某電壓開始而以另外電壓結尾的單極脈衝。後續發送的單極脈衝是以正電壓值起始而以零電壓值結尾。
文檔編號B06B1/06GK1478440SQ03148099
公開日2004年3月3日 申請日期2003年6月27日 優先權日2002年6月27日
發明者D·A·彼得森, D A 彼得森, J·C·拉岑比, 拉岑比, R·P·亨特, 亨特, R·N·費爾普斯, 費爾普斯 申請人:美國西門子醫療解決公司