[发明专利]带有△∑反馈控制的成束超声成像器

说明书

本发明的领域

本发明涉及超声成像，较具体地涉及超声成像信号的△∑调制。

Ⅰ．背景

许多相干阵列系统(声学的或电磁的)都利用某种形式的动态聚焦来产生具有衍射极限分辨率的图像。其例子有超声、声纳、和雷达系统。本公开的以下部分将主要集中于超声相干阵列成像系统，但其原理也可应用于声纳、雷达或其他相干阵列成像系统。

目前的医用超声系统通过发射振动脉冲及其后对反射能量的接收和处理来产生人体内软组织的图像。对于每次发射，发射的振动脉冲往往限于一个沿着特定导向角方向的单个焦点。反之，反射信号是被连续记录的，接收时可进行阵列再聚焦。动态接收聚焦是这样完成的：在对所有单元上的RF(射频)信号相加之前改变各个通道的时间(距离)延迟以形成接收束。

最新技术的完整超声成像系统使用了大量专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、微控制器(μC)、缓存器等等，它们被总成在一组由一个改型通信总线(通常是VME总线)连接的印刷电路板上。图1一般地示出了各个处理单元的方框图，这些处理单元提供了现今医生能从高质量超声成像器期望到的大范围的功能。本公开首先注重将是前端处理器，或更具体地是成束器。已经存在许多关于各种不同成束体系和各种例如多普勒和颜色流处理器等下游处理单元的实现方法的技术。

最新技术系统采用了类似图2所示的成束方案，其中每个通道上的一个高速多位模数转换对输入的超声信号进行采样。然后，这些采样样本在被一组管道式数字加法器相加之前被几种方法中的一种方法延时。延时结构补偿了通道相对于所需接收焦点的几何位置。当对阵列求和时，恰当延时后的各个信号将产生相干干涉。不过，当发射脉冲进入到组织中时这些延时必需要改变。要实现动态地改变延时量是困难的。但存在着大量体现了各种使用至今的方法的以往技术。较早的系统(约1980年以前)采用模拟延时及求和，这存在着对像质有不利影响的信噪比问题和温度漂移问题。虽然目前的全数字系统大为改善了像质，但所需的成束硬件和处理硬件有数量多、昂贵和功耗大等问题。

本发明提出的系统利用过采样△∑调制和对接收图像成束的动态延时，解决了上述这些问题。△∑调制器中的反馈控制或数字输出的重新编码减少了动态延时改变所导致的失真。

借助于预调制，本发明的基本过采样方法得到了进一步改进，使带宽可以与量化声有效地平衡。而且还包含了多级的成束，使得可以有效地使用二维阵列。一个延时级用于竖向成束，另一个延时级用于水平(方位)成束。最后，利用已有的接收调相电路首次能实现了正确的发射调相，从而减少了系统的复杂性的功耗。

Ⅱ．本发明的概述

为补偿成像系统的△∑调制器中动态延时信号流的失真，提供了一种设备和方法。该方法包括两个步骤：改变△∑调制器正在产生的比特流的一部分的长度，以及调节△∑处理器的反馈大小或对所处理的数字信号样本重新编码以补偿变化了的延时量。

首先通过描述过采样接收成束器的部件和操作来给出该系统的全貌。还将简单地讨论将这些部件用于发射目的。将详细地讨论关于△∑模数转换器(A／D)及其在系统中的应用情况。还将给出改进其性能的方法。还将说明该系统的一些其他重要细节，例如，对阵列消旁瓣，对样本流延时和执行必要的算法等的方法。

本节将重复参考图3，该图示出了所提议成束器的一种系统级的方案。这里将给出发射操作和接收操作的一般讨论。以下两节中将把该讨论扩展到对每个功能元件的详细说明。作为例子，我们假定有源传感器是一个64×8单元的1．5维阵列，它依次地沿着水平方向步进，总共跨越一个192×8单元的阵列，由此扫出一个线性扇区(对于平面阵列)或一个偏置扇区(对于弯曲阵列)请注意，对这一系统给出的具体策略可以容易地修改得能适合于任意阵列布局。

在整个本公开的讨论中，都存在着易于修改的特例。例如，阵列中竖向单元的数目是可改变的，可以不用8个单元而用7个单元。以下是系统参数的一个清单，应该认为这些参数都是可变的；

阵列几何布局和构形一影响扫描模态和正确成束所需的延时量。

发射样本率一影响发射信号的信号／量化噪声比(SQNR)和模式存储器的大小及数据路径的带宽要求。

接收样本率一影响△∑调制器所设定的数字信号的SQNR。还影响钟频和系统的数据路径带宽。

并行／串行和串行／并行转换电路系统中到处使用的电路，用于改变钟频和数据的比特宽度。所有这种电路都能制作成能为并行／串行转换和串行／并行转换提供不同的钟频比。