[发明专利]射束形成器

说明书

名称为“多相位并行处理的数字射束形成器”的美国申请93P7418已转让给本申请的受让人，该申请的主题与本申请的主题是相同的。

本发明涉及时域接收射束形成器，它使用了数字信号处理技术，即模数转换器、数字存储器、加法器、乘法器、滤波器等等，更具体地涉及到在医用超声波诊断系统中的数字接收射束形成器的方法和装置。

系统中射束形成的目的是形成一个窄的射束，在存在来自其它位置的噪声和干扰的情况下，以改善从所需位置来的信号的接收。射束形成可在能量发射或接收进程中进行。本发明涉及的是在接收过程中形成的射束。

射束形成在许多应用场合都有用，例如：雷达、声纳、通信、地球物理学、天文物理学等等。本发明是关于超声波成像中的射束形成。使用医用超声波成像装置，病人体中的剖析结构可被显示和分析。该装置发射非常高的频率(一般为2MHz到10MHz)的声波到病人体中，然后对被测体内结构反射的回波进行处理。该装置的目的是要显示和/或分析该返回的回波。有许多种显示可用于医用超声波诊断装置，但一种可能是最有用的是被检测剖析结构的、选择的剖面的两维图象。该重要的操作模式称为回波或B模式。使用该操作模式，许多病人体内的剖析缺陷都可被检测。另外，这些缺陷的尺寸可或多或少被精确地确定。在该操作模式中，从所选择剖面来的所有回波被处理和显示。在该操作模式中对于其性能而言最苛刻的操作参数是分辨单元的尺寸。该分辨单元的尺寸可由动态聚集和动态(匹配的)滤波来减小(由此增加分辨率)。这些技术用数字射束形成器比用模拟射束形成器容易实施。

在某些临床应用中，剖析缺陷会相当小并被从较大剖面结构反射的回波覆盖。可是，通过将血管中的血液的流速进行相当大的改变，就可使血管中或附近的剖析缺陷自身变明显。已知有一种多普勒移位回波处理技术可用于确定运动物体的速度。用于血流的多普勒移位显示使其更容易地检测相当小的解剖学上的异常。该操作模式，现在一般称为彩色流，比如授予给金(Kim)的US专利4800891所描述的，它允许从剖析结构的大选择剖面聚集有关血速的多普勒信息。可是，困难的是需要足够的超声波数据来产生足够高的帧速率的、精确高分辨血流图象。为了从小的剖面区域得到有关血流速度更精确的多普勒信息，例如要使用公开在1986年6月的HewlettPackard杂志的第35-40页上的、由Halberg和Thiele撰写的文章所公知的多普勒处理技术。用该技术，可将更多时间用于所选择的小区域。该多普勒数据通常由FFT技术处理并由频谱显示。该多普勒数据也可表示为声频信号。

射束形成的质量对超声波成像装置的前述操作模式的精确性、分辨率和其它参数有很大影响。常规射束形成器提供电子时延，以匹配超声波压力场的信号的传播延迟，它是从某个方向出现在超声波射束形成器上的。该时延(或空间处理)加大了与背景噪声和方向性干扰有关的相关波前的振幅。在模拟射束形成器中，这由模拟延迟线和求和网络表完成。这些模拟部件在许多不同方面限制了现代超声波诊断设备，因此是不希望的。它们相当贵、不稳定、且容易受环境和年代的影响。模拟部分也需要仔细的制造和安装。模拟延迟线的使用也限制了现代超声波装置所需的灵活性。为了支持前述的主要操作模式，在模拟射束形成器中必须作出许多妥协。另外，用模拟处理技术来实施射束形成器的话，为增加实时超声波设备的帧速率而必需的并行处理花费要大。

数字部件的性能和可靠性的增强以及成本的减少使得数字射束形成更可能替代传统的模拟射束形成。精确性、稳定性和灵活性是数字信号处理技术的主要优点。当前的标准数字电路可工作在超过30MHz的尼奎斯特速率上。对于RF取样和现代超声波信号的处理时间来说，这些取样频率是足够高的。可是，为适当地匹配数字射束形成器中的传播延迟而需要的取样速率比实际的信号结构的尼奎斯特速率大几倍，即高于100MHz。与所需精度关联的这些处理速度仍然高于目前可获得的模拟-数据转换器(ADCs)的性能。通过使用标准的数字成分的并行处理可用这些速度来完成其它的数字功能(比如不是ADCS)。