超声波接收波束形成器的制作方法

专利名称：超声波接收波束形成器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及超声波图像处理。更具体地，本发明的实施例 涉及对接收到的超声波波束进行聚焦的系统及方法。
背景技术：
使用超声波成像时，使用换能器将超声波波束发送入待检査的介 质，例如人体。超声波波束在人体内的某部位中的各种断面产生反射。 将接收到的超声波回声转换为电信号，该电信号经过多个处理步骤， 最终转换成可显示或打印用于检査的图像。
换能器超声波换能器是小矩形压电元件的阵列。阵列中的一个子 集的元件用于发送或接收超声波波束，分别称为发送或接收孔径。孔 径内每个元件所接收到的信号经过放大和滤波，被输入到多信道接收 波束形成器的信道。
波束形成器为来自孔径中每个元件的信号分配不同的延迟(dday) 和切趾权重(apodizationweight),以形成沿线性方向聚焦的波束(beam)。 为加速图像形成过程，最好是由相同组的接收信号同时形成沿不同方 向聚焦的多个波束(平行波束)。直接实施要求不同的信道为每个孔 径元件和每个平行波束所用，这使得波束形成器的成本、尺寸和功耗 与换能器阵列中的元件数和平行波束数的乘积成比例增加。由于期望 增加孔径中的元件数和平行波束数，因此波束形成器的复杂性成为超 声波成像系统的限制因素。
为了减少波束形成器的成本、尺寸和功耗，众所周知的是共享信 道的硬件或部分信道以形成两个或多个平行波束。但是，这样仍然要 为孔径中每个换能器元件增加一组信道硬件组件。
为了降低波束形成器的复杂性，使用合成孔径技术。合成孔径为 每个接收孔径使用多发送进程，每次发送后，信号为不同子集的接收 孔径的元件所接收。由多发送/接收进程中接收的信号重构波束。这样会减少接收信道数，却增加了辅助电路。这种方法还会遇到运动伪差， 运动伪差的校正会使得波束形成器电路更加复杂。
通过对来自关于孔径中心对称的元件的信号进行求和，并且对来 自两个元件的信号的每个和使用一个信道，信道的数量可以减少两倍。 然而，这种方法只在波束未被操纵时工作，而不适用于平行波束。

发明内容
发明人发现，人们期望有一种系统和方法能够降低超声波接收波 束形成器的硬件复杂度。每个接收波束形成器的信道复用来自两个或 多个孔径元件的信号采样，并将它们存储在存储器的不同区域。以时 分复用方式延迟和切趾该信号，在输出口进行解复用，并在不同的求
和单元中以提高采样频率(upsameped rate)单独地进行求和。之后作时 间对位并输出该部分和，并求和以生成波束总数，在插值滤波器中滤 波并抽取该波束和以生成波束形成信号。
本发明的一个方面是接收波束形成器。根据此方面，接收波束形
成器包含一个或多个波束形成器信道A ，此处将全部数量的换能器元
TV
件E的信号采样耦合到多个波束形成器的输入N;每个波束形成器信
道包括多个波束形成器输入N，用于以预定采样频率,接收源自多个 换能器元件E的信号采样，每个信道波束形成器输入N与唯一的换能 器元件E相关联；复用器，具有与多个波束形成器输入信道N相对应 并被耦合到多个波束形成器输入信道N的多个输入，以及输出；复用 器被配置用于以频率N/，，复用来自多个波束形成器输入信道N接收 到的换能器元件的信号采样；延迟存储器，具有耦合到复用器输出的 输入、延迟控制输入、以及输出，延迟存储器被配置用于以频率A^存 储接收到的换能器元件信号采样；切趾乘法器，具有耦合到延迟存储 器输出的输入，切趾控制输入以及输出，该切趾乘法器被配置用于接 收来自切趾控制输入的切趾权重，该切趾控制输入与由该延迟存储器 输出的每个换能器元件的信号采样相对应，并以切趾权重，来切趾(相 乘)该换能器元件的信号采样，多个解复用器寄存器对应多个信道波 束形成器输入N，同时每个解复用器寄存器与换能器元件相关联；解复用寄存器，具有耦合到切趾乘法器输出的输入，以及输出，每个解
复用器寄存器被配置用于存储换能器元件的切趾的信号采样；与多个
解复用器寄存器相对应的多个求和控制器，每个求和控制器具有耦合 到解复用器寄存器输出的输入、延迟控制输入、以及输出，每个求和 控制器被配置用于通过在每对输入到求和控制器的信号采样之间插入
L-l零值采样来提高每个切趾的换能器元件的信号采样的采样频率，此 处L为内插系数，存储全部延时的延时控制输入的二次采样部分，并 根据二次采样部分输出换能器元件的切趾的信号采样，或零值采样； 与多个求和控制器相对应的一个或多个子求和器，每个子求和器具有
多个与信道数工相对应的输入，以及输出，每个耦合到有相同延迟的
信道求和控制器的输出的输入，每个子求和器被配置用于对来自具有 相同时间延迟的信道求和控制器的已延迟、已切趾、以及提高采样频
率的换能器元件信号采样一起进行求和；与一个或多个子求和器相对 应的一个或多个延迟器，每个延迟器有耦合到子求和器输出的输入， 以及输出，每个延迟器被配置用于对其已延迟、已切趾、提高采样频 率、已求和的换能器元件信号采样，与在多个延迟中的所有其余已延 迟、已切趾、提高采样频率、已求和的换能器元件信号采样进行时间 对位；求和器，具有一个或多个与多个延迟器相应的输入，每个输入 耦合到延迟器输出，以及输出，该求和器被配置用于对所有的该多个 己延迟、已切趾、提高采样频率、己求和以及并且己进行时间对位的 换能器元件信号采样进行求和；插值滤波器，具有耦合到求和器输出 的输入以及接收波束形成器输出，插值滤波器被配置用于以预定采样 频率/,对已求和的信号采样进行滤波，并输出波束形成信号；切趾控
制器，具有耦合到一个或多个形成器信道的切趾乘法器的切趾控制输 出，该切趾控制器被配置用于输出切趾权重给每个波束形成器信道的 切趾乘法器，用于每个从延迟存储器输出的每个已延迟换能器元件的 信号采样；延迟控制器，具有延迟控制输出，输出耦合到一个或多个 波束形成器信道的延迟存储器和求和控制器，该延迟控制器被配置用 于以频率w/;，并以预定的延迟，输出来自属于每个换能器元件的每个
波束形成器信道的延迟存储器的信号采样，并利用二次采样部分控制每个波束形成器信道的求和控制器，以生成部分和，其中以频率iy/;操 作切趾乘法器、解复用寄存器和求，以及求和控制器。
本发明的另一方面为波束形成方法。根据此方面，波束形成方法
包括以预定采样频率/、从相应数量的换能器元件N接收若干信号采
样；在延迟存储器的预定部分以频率ivy;存储接收到的与每个换能器元
件相对应的信号采样；在预定延迟之后以预定的次序输出所存储的与 每个换能器元件相对应的信号采样；通过将与换能器元件相对应的每
个延迟信号采样与权重相乘，切趾自延迟存储器输出的每个延迟的信
号采样；对已切趾、已延迟的信号采样进行内插，通过在每对己延迟 与己切趾的信号采样之间插入L-l的零值采样，来提高与每个换能器 元件相对应的已延迟并且已切趾信号采样的采样频率，此处L为内插 系数；对与每个换能器元件相对应的每个已延迟、已切趾、以及提高 采样频率的信号采样进行时间对位；对与每个换能器元件相对应的所 有的已进行时间对位、已延迟、已切趾、和提高采样频率的信号采样 进行求和；以及对该已求和信号采样进行滤波以形成波束形成信号。 本发明的另一方面为波束形成方法。根据此方面，该波束形成方
法包括以预定采样频率y;.接收从相应数量的换能器元件获取的多个信
号采样流E;将信号采样流E划分到多个信道，每个信道N占有多个 信号流；对每个信道，在延迟存储器的预定部分以频率iV/,存储接收到 的与每个换能器元件相对应的信号采样；以预定的次序在预定的延迟 之后，输出所存储的与每个换能器元件相对应的信号采样；通过将与 换能器元件相对应的每个延迟信号采样与权重相乘，来切趾自延迟存 储器输出的每个已延迟的信号采样；通过在每对已延迟与已切趾的信 号采样之间，插入L-l的零值信号采样，来提高与每个换能器元件相 对应的该已延迟与已切趾信号采样的采样频率，其中，L为内插系数; 在每个信道中，将每个己延迟、己切趾以及提高采样频率的信号采样 流与来自另一个信道的已延迟、已切趾、以及提高采样频率的信号采 样流进行求和；对每个已延迟、己切趾以及提高采样频率的信号采样 流进行时间对位；对所有的已时间对位、已延迟、已切趾和提高采样频率的信号采样进行求和；以及对已求和信号进行滤波以形成波束形
成信号。
本发明的一个方面为输出平行波束的接收波束形成器。根据此方 面，接收波束形成器包含一个或多个波束形成器信道"l，此处将换能
器元件e的信号采样总数耦合到多个波束形成器输入信道n;每个波
束形成器信道包括多个用于以采样频率y;接收源自多个换能器元件e
的信号采样的波束形成器输入n，每个波束形成器的输入n与唯一的 换能器元件e相关联；复用器，具有与多个波束形成器输入信道n相 应并被耦合到多个波束形成器输入信道n的多个输入，以及输出，复 用器被配置用于复用在多个波束形成器输入信道n以频率n,接收到
的换能器元件的信号采样，此处^ = |， L是内插系数，并且P是平行 波束输出数；延迟存储器，具有耦合到复用器输出、延迟控制输入，
以及输出，该延迟存储器被配置用于以频率ivy;存储接收到的换能器元
件的信号采样，并以频率L/,输出每个换能器元件的信号采样P次(每 次在预定延迟之后输出)；切趾乘法器，具有耦合到延迟存储器输出 的输入、切趾控制输入、以及输出，该切趾乘法器被配置用于接收来 自与由延迟存储器输出的每个换能器元件的信号采样相对应的切趾控 制输入的切趾权重，并利用切趾权重，切趾(相乘)该换能器元件的 信号采样；对每个平行波束P，有与多个波束形成输入信道n相对应 多个解复用寄存器，同时与换能器元件相对应的每个解复用寄存器， 每个解复用寄存器具有耦合到切趾乘法器输出的输入，以及输出，用 于存储换能器元件的切趾的信号采样的每个解复用器寄存器，与多个 解复用寄存器对应的多个求和控制器，每个求和控制器具有耦合到解 复用器寄存器输出的输入、延迟控制输入、以及输出。通过在每对输 入到求和控制器的信号采样之间插入L-l的零值采样，每个求和控制 器被配置用来提高每个已切趾换能器元件的信号采样频率，此处L为 内插系数，根据二次采样延迟部分，存储来自于全部延迟的延迟控制 输入的专用于每个波束P的二次采样部分，并输出换能器元件的切趾 信号采样或零值信号采样。每个信道中多个子求和器对应多个求和控制器，每个子求和器具有多个与信道数^相对应的输入，每个被耦合
到来自具有相同时间延迟的信道求和控制器的输出的输入以及输出， 每个子求和器用于对来自具有相同延迟的信道求和控制器的已延迟、
已切趾、提高采样频率的换能器元件信号采样一起进行求和；与多个 求和控制器相对应的多个延迟器，每个延迟器具有耦合到求和控制器 输出的输入以及输出。配置每个延迟来将其已延迟、已切趾、提高采 样频率的换能器元件信号采样与多个延迟中的其余全部已延迟、己切 趾、提高采样频率的换能器元件信号采样进行时间对位；求和器具有 与多个延迟相对应的输入以及输出，每个输入耦合到一个延迟器输出。 求和器用于对已延迟、己切趾、提高采样频率以及时间对位的所有换 能器元件信号采样进行求和；插值滤波器，具有耦合到求和器输出的 输入，以及接收波束形成器的输出，插值滤波器被配置用于对己求和 的信号采样进行滤波和釆样，并以预定的频率为夂输出波束形成信号； 切趾控制器，具有耦合到切趾乘法器的切趾控制输出，切趾控制器被 配置用来将切趾权重输出到切趾乘法器，用于自针对每个波束P输出 的延迟存储器的每个已延迟的换能器元件的信号采样；延迟控制器， 具有耦合到延迟存储器以及每个求和控制器的延迟控制输出，延迟控 制器被配置用来根据预定的延迟以专用于每个波束P的频率M输出来
自于属于每个换能器元件的延迟存储器的信号采样，并用二次采样部 分来控制每个求和控制器，以生成具体到每个波束P的部分和，其中
以频率丄y;操作切趾乘法器、解复用寄存器与求和控制器。
本发明的另一个方面是平行波束的形成方法。根据此方面，该平 行波束形成方法包括以预定的采样频率X接收源自于相应数量的换能 器元件E的多个信号采样，确定待形成的平行波束P的数量，确定每
个信道A^I输入信号的数量，此处L是内插系数，将信号采样流E划
分到多个信道，每个信道N占有多个信号流；对于每个信道，在延迟 存储器的预定部分N以频率iV/;存储所接收的与每个换能器元件相对 应的信号采样，输出与每个换能器元件相对应的已存储的信号采样P 次，每次对应不同的波束P，并根据预定的数量进行延迟；通过为每个换能器元件将与换能器元件相对应的每个已延迟信号采样与每个换能 器元件的权重相乘，对自延迟存储器输出的每个已延迟信号采样进行 切趾，通过在每对属于同样换能器元件的已延迟以及已切趾的信号采 样之间插入L-l零值采样，来提高与每个换能器元件相对应的已延迟 以及已切趾的信号采样的采样频率P次，每次对应不同的波束P，此处 L为内插系数，对每个波束P，对所有信道对应的已延迟、已切趾和提 高采样频率的信号采样流求和，以形成子和，对每个已延迟、已切趾 和提高采样频率的信号采样流的每个子和进行时间对位，对已延迟、 己切趾的信号采样的所有己进行时间对位的子和进行求和；以及对已 求和信号采样进行滤波以形成波束形成信号。
在附图以及以下的说明书中将详细地描述本发明的一个或多个实 施例，根据说明书和附图，以及权利要求，本发明的其它特征、目的、 以及优点将是显而易见的。


图1显示了传统的数字接收波束形成器架构。
图2显示了另一种数字接收波束形成器架构。 图3显示了本发明的示意性的数字接收波束形成器架构。 图4是图3所示的波束形成器的输入操作的时序图。 图5是图3所示的波束形成器的输出操作的时序图。 图6显示了本发明的输出P个平行波束形成信号的示意性数字接 收波束形成器架构。
具体实施例方式
以下将参照附图详细描述本发明的实施例，其中全部附图中相同 的附图标记表示相同的元件。在详细描述本发明的实施例之前，应但 理解，本发明在其应用中不限于下面的描述或附图所示的示例中阐述 的细节。本发明还能够以各种应用或各种方式实施或执行其他的实施 例。此外，应但理解，本文所使用的措辞和术语仅出于说明的目的， 并不应当视为限制。本文所用的"包括"、"包含"或"具有"及其它变体， 意味着包含随后所列出的项及其等价物以及附加的项。"安装"、"连接"和"耦合"等术语被广泛使用，包含了直接和间接的安装、连接和耦合。 另外，"连接"和"耦合"也不限于物理或机械连接或耦合。
还应理解，某些组件和项如果他们是硬件元件，则被示意说明和 描述成与本领域中共同实践的一样。但是，本领域普通技术人员在阅 读该详细说明的基础上将了解，在至少一个实施例中，方法和系统中 的组件可以用软件或硬件方式来实现。
图1显示了传统的数字接收波束形成器架构101的方框图。波束
形成器101包含多个(E个)信道103-1、 103-2、 103-3、…、103-E (统 称为103)和信道求和单元105。每个信道103接收作为输入的经放大、 滤波和数字化(离散时间)的信号107-1、 107-2、 107-3、…、107匿E， 这些信号来自超声波换能器阵列的元件(图中未表示出来)。每个信 道103包括双端口延迟存储器109、内插器lll、切趾乘法器113、延 迟控制器115和切趾控制器117。在实际的实施中，可以使用通常在 32到1024范围内的大的信道数E。
双端口延迟存储器109提供可编程的延迟，通过增加采样周期或
间隔 ;，其中r,-^，以及x是采样频率或采样率，为每秒所获取的样
本数。采样频率X通常是换能器中心频率/。的4倍。延迟存储器109 的时间分辨率为A/D (模/数)转换器的采样周期，这是众所周知的整 数延迟，采用数字延迟线来实施，此处该延迟为采样的整数倍。数字 延迟线通常采用循环缓冲来实施，并且通过在存储器中以从地址0开 始的连续地址，将输入采样写入存储器来实现，并且在其后从地址与 期望的(整数倍)延迟相对应的存储器中读出取样。
延迟存储器109的容量M取决于所要求的最大延迟。在大部分医 学应用中，当输入信号采样频率接近换能器中心频率4倍时，存储容 量为M=256的采样是足够充分的。每个波束的信号采样总数远大于 256，而以循环的方式使用该存储器。当被写入的存储地址超过255时， 写地址指针会循环归O。为了实现精确的波束形成，要求延迟精度等于
或好于;，表示延迟增加了采用周期z;的四分之一。更一般地，所要求的延迟精度为+，此处L为整数，表示内插系数，在本发明中，常
用L:4。
内插器ill提供的延迟增长小于采样周期z;，即众所周知的二次采 样延迟。内插器在采样点或在两次采样之间L-l个等份分隔点中的一 个，提供采样值，这取决于延迟控制器115提供的二次采样控制信号 121。每个信道一组连续的采样，通常为4个，由起始地址对应于整数 延迟减一的存储器109进行读取，耦合到两次取样之间的时间内对信 号进行计算或内插的内插器lll。延迟分两步实现，首先是整数采样延 迟，其次是二次采样延迟。延迟控制器115提供包括，表示整数采样 延迟(通常为0到255)的读地址信号119，以及表示二次采样延迟(当 L=4时通常为0到3)的控制信号121的延迟信号。
切趾控制器117根据孔径中每个元件的位置生成时变切趾权重。 通常通过切趾控制器117，由系统控制单元提供的少量参数开始计算该 权重。通常使用分段线形拟合电路(piecewise linear approximation circuit)来生成时变权重，但也可使用其它方法，例如，元件的切趾权 重从起始至某个波深(beamdepth)可以是0，以后直到该波深结束取 非零值。
求和单元105对所有信道103的输出进行求和，以生成波束形成 信号的输出123。求和单元105由树形排列、直线形排列或其它本领域 己知的另一个多输出加法器结构的加法器和寄存器组成。
由此可见，用于医疗的超声波成像中的超声波形成器架构101需 要大量的硬件资源。如果内插器111使用4抽头(tap)插值内核，并 且以高于输入采样频率/、4倍操作，并具有4个内插系数L，则内插器
lll要求一个乘法器。由于乘法器消耗了大片硅面积，这使得实施它们 是很昂贵的，为经济起见，应该最小量地使用乘法器。
图2显示了另一种传统数字接收波束形成器架构201。该形成器 201为图1中波束形成器101的改进，基于数字信号处理的内插译码， 此处内插可看作为依据紧随低通滤波的系数L(在每对内插输入采样之 间插入L-1的零值采样，此处通常L-4)提高采样频率的序列。因为滤 波操作的线性，在信道求和之前或之后执行滤波，具有同样的结果。波束形成器架构201包括多个信道203-1、 203-2、 203-3、 ...、 203-E (通称为203)，求和单元205以及插值滤波器(低通滤波器)225。 每个信道203接收作为输入的来自超声波换能器阵列的元件(图中未 表示出来)的已放大、己滤波并且已数字化(离散时间)的信号107-1、 107-2、 107-3、 ...、 107-E。每个信道203包括双端口延迟存储器209、 求和控制器211、切趾乘法器213、延迟控制器215和切趾控制器217。
波束形成器架构201中的求和单元205以采样频率义的L倍进行 操作，即L,，与采样频率的系数提高到L相一致。对于每个输入信 号采样，有L个信道输出采样，因而允许延迟解析比采样频率乂大L 倍。然而可以使用任意整数采样系数L，以使用L-4为例。
在每个信道203,整数延迟是通过延迟控制器215从延迟存储器 209中选取合适的信号采样来实现的。而二次采样延迟则是通过从延迟 存储器209读取延迟信号采样来创建的，利用切趾控制器217选取的 权重对信号采样213进行切趾，并将已延迟、加权的信号采样加到提 高采样频率信道输出223中的L采样中的一个。至于该已延迟、加权 的信号采样要加到L采样中的哪一个输出，是由求和控制单元211在 由延迟控制器215产生的二次采样延迟信号221的控制下实施该选择。 求和控制单元211由门装置，如与(AND)门，和控制电路组成(可 选择地，可以将门装置集成在求和单元205，而求和控制单元211中仅 保留控制电路)。控制电路将二次采样延迟信号221同切趾信号流中 代表当前采样位置(0到L-1)的信号进行比较，并允许在切趾信号流 里，将已延迟、切趾的信号仅加在正确的信号采样中，而在其它信号 采样中插入0。执行控制电路的一个简单实现方法是利用查找表，例如， 如果1^=4，则可用16字长的査找表。
插值滤波器225可以是(4xL)抽头的以提高的采样频率"乂操 作的有限脉冲响应(finite impulse response, FIR)的低通滤波器，减少 (抽取)提高采样频率的加法器205输出中的信号采样的数量，采样 频率回退到/;。插值滤波器225仅需要计算求和单元205的每个Z"输 出，执行滤波器225所需要的乘法器/加法器数量减少到4 (未图示)。在加法器205之后，在每个信道103中波束形成器201的架构使 用单个值滤波器225取代内插器111，从而减少了硬件资源的数量。只 需从每个信道203的延迟存储器209的输出取样中读取一个取样。用 如果提高到4倍采样频率，通常要求4个乘法器的后求和 (post-summation)插值滤波器225，来取代每一个都要求一个乘法器 的插值滤波器lll，减少了电路中乘法器的总数。例如，对于32信道 的波束架构201，相对于图1所示的波束形成器架构101，将减少28 个乘法器(32-4=28个乘法器)。然而，每个孔径元件需要一个切趾乘 法器213。
图3显示了根据本发明的数字接收波束形成器架构301，其将切趾 乘法器的数量减少为原来的l。如果用于实现架构301的电路技术能
够比输入采样频率乂.快N倍操作(此处N可以是L的整数倍)，拥有 iVxM字的双端口延迟存储器是可用的(此处M是换能器元件所需的 最大尺寸，通常为256)，那么N个换能器孔径元件就可以共享一个
信道，而信道数量可以从E减少到且(此处E是孔径中元件的数量)， 因而切趾乘法器的数量减少为原来的l。
波束形成器301包含多个信道303-1、 ...、 303-且(通称303，图
中只显示了第一个303-1和最后一个303-^两个信道)，求和单元305，
子求和加法器335-1、 335-2、 335-3、 ...、 335-N (通称335)，延迟单 元325-1、 325-2、 325-3、…、325-N以及插值滤波器322。波束形成器 301—共有E个输入(图3中只示出了前N个输入)，与孔径元件相 关联的每个输入107-1、 107-2、 107-3、 ...、 107-N。每个信道单元303 从超声波感应阵列(未图示)的E个孔径元件接收作为输入的N个经
放大、滤波并数字化的信号107-1、 107-2..... 107-N，并且包括复用
器308、双端口延迟存储器309、求和控制器311-1、 311-2、 311-3、...、 311-N (通称311)、切趾乘法器313、延迟控制器315、切趾控制器 317以及解复用寄存器312-1、 312-2、 312-3、…、312-N (通称312)。每个信道303的双端口延迟存储器309被均分成N个大小相等的 区域，分别分配给N个输入107中的一个。
波束形成器301中的每个信道303，以时分复用方式复用308，并 延迟309以及切趾313输入信号107。之后在输出端该复用信号被解复 用312，被选通311，并被耦合到N个子求和加法器335-1、 335-2、 335-3、…、335-N。通过延迟单元325-1、 325-2、 325-3、…、325-N 对该子求和加法器335的输出进行时间对位(例如使用移位寄存器来 实现)，并进行求和305。该求和信号被耦合到计算该输出波束形成信 号323的插值滤波器322滤波。
信道303的时分复用操作是基于比输入信号采样的采样频率X高 N倍的时钟电路(未图示)。图4显示了N:4的情况下的信道输入时 序，以及1024字的延迟存储器309。来自超声波换能器元件的信号的 采样107-1、 107-2、 107-3、 ...、 107-N以采样时钟频率/5到达输入端， 被复用308，并在输入控制器(未图示)生成的写地址指针401的控制 下，被写入双端口延迟存储器309的不同部分。所有信道都需要单独 的一组输入控制信号(写地址)。允许给每个信号采样107分配一个
电路时钟周期T^ (采样时钟的丄)，用于写入到存储器309。
写地址指针401(如果M=256则为[9:8]比特)的两个最高有效位 (Most Significant Bits, MSB)用于控制复用器308，其不断从一次写 入改变到下一次写入，以为代表不同孔径元件的信号采样选择存储器 309的不同区域。最低有效位([7:0])在每个采样周期仅增长一次，每 N个电路时钟增长一次，以将每个元件的输入取样写入分配给每个元 件的存储器分区(例如四等分)的连续地址。
应该理解到，由于电路时钟的原因，可能要在本发明框图的不同 位置插入寄存器，在此情况下，本领域技术人员知道，需要相应地调 整时序图。对时序图做修改例如寄存器的插入，以及时序图相应的调 整不会影响本发明的实质。
信道的输出操作是在每个信道的延迟315与切趾控制器317的控 制下进行的。根据每个超声波换能器的探针与操作模式，信道315与 切趾控制器317可以用系统控制器(未图示)生成的参数进行编程。延迟315和切趾控制器317在主时钟控制器(未图示)生成"开始"信
号的时候，开始他们的每个发送/接收事件的操作，之后他们自动操作 直到发送/接收事件结束。
与输入一样，输出操作也是时分复用的。在每一个采样周期，延
迟控制器315和切趾控制器317为换能器元件生成延迟和切趾控制信 号319、 321， N个电路时钟的每一个都会在采样时钟周期内出现，。 在N-4的例子中，主时钟控制器(未画出)生成的2-位(bit)信号识 别出四个换能器元件107-1、 107-2、 107-3以及107-4中哪一个在每个 电路时钟周期内都被处理，并且也用作为双端口存储器读地址指针401 中的两个最高有效位。为了扩展，例如，如果E=128，主时钟控制器 (未画出)生成的信号将是7位而不是2位。从各个由延迟控制器315 的整数延迟319指示的存储器309的四等分中的地址，读取属于各个 时钟周期内被处理的元件的信号，乘上由切趾控制器317生成的各个 切趾权重，并存储在四个输出解复用寄存器312-1、 312-2、 312-3、 312-4 其中的一个。延迟的二次采样部分被存储在每个元件的不同求和控制 单元311-1、 311-2、 311-3、 311-4中，之后所存储的值被用于选取四个 采样中的一个，按照延迟采样被添加到其中的提高采样频率的求和序 列。
求和控制单元311可以是2位的寄存器，以存储二次采样延迟， 以及用查找表可以实现的比较器(未图示)。该查找表将存储于寄存 器中的二次采样延迟与当前提高采样频率的采样数(例如4个内插值 系数L为0， 1， 2， 3)进行比较；当比较器探测到四个信号中一个， 按照该采样求和，接着同样地添加二次采样延迟，就将使得已解复用、 已延迟和已切趾的信号被加入到各自的子求和加法器335。执行求和的 门装置可以在求和控制单元311中或子求和加法器335中。
图5显示了N二I^4时的信道输出操作的时序图。为便于理解，只 示出了一个输出信号的波形转换。
由于时分复用，元件0到1、 1到2和2到3之间有一个电路时钟 延迟，因而出现在子求和加法器335-l输出的元件l， 5， 9，...的求和 信号会比出现在子求和加法器335-2等的输出的元件的求和信号2， 6， 10，...早一个电路时钟。作为补偿，子求和加法器335-1的输出被延迟N-l个电路时钟周期325-1，子求和加法器335-2的输出做N-2个电路 时钟周期延迟325-2等等，以致当N个子求和被添加到一起的时候，
他们都是时间对位的。
可以根据现有的延迟生成算法来设计延迟控制器315，例如分段线
性拟合或中值算法或者其它。多重延迟生成器可以是时分复用的，来 为多种元件生成延迟，或者优选地，增强延迟生成器来依次地为所有 元件生成延迟。切趾控制器317通常为分段线性拟合型，并且对于延 迟控制器315，可使用多种复用延迟切趾生成器或增强切趾生成器。很 多情况下，可以配置该设计，以致在信道输入端复用的元件在几何上 相邻；然而对于一个信道的所有多路复用元件，使用相同切趾但是不 同延迟是可接受的，结果是更简单的切趾控制器317。
图3中的波束形成器也可以生成P个平行波束。第一种情况下， 当电路运行以PxZ倍采样频率/运行时，此处P为平行波束数量，L 为内插系数，仅当N-L时，元件被复用到每个信道，然而可以以时分 复用方式生成P个平行波束。例如，如果期望的平行波束数量为2 (P=2)，并且波束形成器的输入数N二4，则该架构必须运行8倍的采 样频率乂。采样周期7;期间的前4个电路时钟周期(1-4)被用于处理
来自使用第一组延迟的四个换能器元件，并切趾权重以形成第一个波 束，而同样的时间周期7;内的接下来4个电路时钟周期(5-8)被用于
处理使用第二组延迟的四个换能器元件，并切趾权重来形成第二个波 束。求和单元305、子求和加法器335以及插值滤波器322则会交替处
理第一波束一个信号和第二波束的一个信号。
如果必须生成P个平行波束，而电路只以采样频率的L倍运行， 然而必须在每信道所处理的换能器元件数与平行波束数之间进行权
衡，即一个信道只能处理A^,个元件。
图6示出了本发明的另一种实施例601，在此修改波束形成器架构
301以处理每个信道的A^I个孔径元件，来生成P个平行波束。波束
形成器601包含多个信道603-1，…，(通称603，图中只示出 了第一个和最后一个信道)，P个求和单元605-l， ...， 605-P, L= (P)(N)个子求和加法器635-1，…，635-N,和635-(PN-N+1)，…635-PN， 以及延迟单元625-1， ...， 625-N和625- (PN-N+1) ， ...， 625-PN和 P个插值滤波器622-1，…，622-P。
每个信道603接收作为输入的A^I个来自超声波换能器阵列(未
画出)的E个孔径元件的子集的经放大、滤波以及数字化的信号 107-1，…，107-N，并包括复用器608，双端口延迟存储器609，求和 控制器611-1，…，611-N和611- (PN-N+1)，…，611-PN，切趾乘 法器613，延迟控制器615，切趾控制器617和解复用寄存器612-1，...， 612-N和612- (PN-N+1)，…，612-PN。
每个信道603的双端口延迟存储器609被分成N个区域，每个分 别分配给N个输入107中的一个。
被束形成器601的每个信道603以时分复用方式复用608，并延迟 609以及切趾613N个输入信号107。然后在输出端该复用信号被解复 用612，被选通611，并被耦合到N个子求和加法器635-1， ...， 635-N 和635-(PN-N+1) ， ...， 635-PN。由各自的信道603处理该N个信号 107中的每一个P次，每次对应P个输出平行波束的一个。图6示出了 PxW个解复用寄存器612，以及被组合成每组N个单元共P组的求和 控制器611每组处理一个平行波束的信号。通过迟延单元625-1，...， 625-N和625- (PN-N+1)，…，625-PN (如采用移位寄存器)来对子 求和加法器635的输出作时间对位，并一起求和605。该PxiV个子求 和加法器635和延迟单元625也被组合成PxiV组，同时每P组耦合到 一个求和单元605。每个求和信号被耦合到P个插值滤波器622-1，...，
622- P中的一个，在他们的输出端分别生成波形形成信号623-1，...，
623- P。
如果用于构造图6所示架构的电路元件能以大于工x,的操作频率 运行，可采用时分复用方式操作该架构来生成为P个求和组中的每一 个生成两个或多个平行波束。
图3和图6所示本发明的实施例描述为最有效的情形，其电路时
钟频率是内插系数L乘以采样频率乂的整数倍(A=《xZx,)，并且 所有电路时钟周期都得到了利用。如果可用的电路时钟频率大于最小需要，或不是内插系数L的整数倍，通过在额外时钟周期内保持电路 处于空闲状态，仍可应用本发明的架构。如果延迟存储器和复用器的
运行频率为采样频率的整数倍但小于Zx^ ，然而本发明架构依然可以 应用，只是每个信道输入数N要进行相应减少。
前述己对本发明的一个或多个实施例进行了描述，然而，应该能 够理解，在不背离本发明的精神与范畴的情况下，可对本发明进行各 种变更。相应地，其它实施例也在后述权利要求的范围内。
权利要求
1、一种接收波束形成器，包括一个或多个波束形成器信道此处总数量的换能器元件E的信号采样被耦合到多个信道波束形成器输入N，每个波束形成器信道的包括多个信道波束形成器输入N，被配置用来以预定的采样频率fs接收来自多个换能器元件E的信号采样，每个信道形成器输入N与唯一的换能器元件E相关联；复用器，具有与多个信道波束形成器输入N相对应的并且耦合到多个信道波束形成器输入N的多个输入，以及一个输出，该复用器被配置用于复用在多个信道波束形成器输入N以频率Nfs接收到的换能器元件信号采样；延迟存储器，具有耦合到复用器输出的输入、延迟控制输入以及输出，该延迟存储器被配置用来以频率Nfs存储接收到的换能器元件信号采样；切趾乘法器，具有耦合到延迟存储器输出的输入、切趾控制输入以及输出，切趾乘法器被配置用于从与延迟存储器输出的每个换能器元件的信号采样相对应的切趾控制输入接收切趾权重，并利用切趾权重来切趾(相乘)对该换能器元件的信号采样；与多个信道波束形成器输入N相对应多个解复用寄存器，每个解复用寄存器与换能器元件相关联，每个解复用寄存器具有耦合到切趾乘法器输出的输入以及输出，每个解复用寄存器被配置用于存储换能器元件的切趾信号采样；与多个解复用寄存器相对的多个求和控制器，每个求和控制器具有耦合到解复用寄存器输出的输入、延迟控制输入以及输出，通过在每对输入到求和控制器的信号采样之间插入L-1的零值采样，此处L为内插系数，每个求和控制器被配置以提高每个已切趾的换能器元件信号采样的采样频率，并根据二次采样部分，存储来自全部延迟的延迟控制输入的二次采样部分，输出换能器元件的切趾信号采样或零值采样；以及与多个求和控制器相对应一个或多个子求和器，每个子求和器具有与信道的数量相对应的多个输入，以及输出，每个输入被耦合到具有相同时间延迟的信道求和控制器的输出，每个子求和器被配置用于对来自具有相同时间延迟的信道求和控制器的已延迟、已切趾、以及提高采样频率的换能器元件信号采样一起进行求和；与一个或多个子求和器相对应的一个或多个延迟器，每个延迟器具有耦合到子求和器输出的输入，以及输出，每个延迟被配置用于将其已切趾、高采样频率、求和的换能器元件信号采样与多个延迟器中的所有其它已延迟、已切趾、提高采样频率、求和的换能器元件信号采样作时间对位；求和器，具有一个或多个与多个延迟器相对应的输入，每个输入被耦合到延迟器输出，以及输出，求和器被配置用于对全部已延迟、已切趾、提高采样频率、求和以及时间对位的换能器元件信号采样进行求和；插值滤波器，具有耦合到求和器输出的输入，以及接收波束形成器输出，该插值滤波器被配置用于以预定的采样频率fs，对已求和的信号采样进行滤波并输出波束形成信号；切趾控制器，具有耦合到一个或多个信道波束形成器的切趾乘法器的切趾控制输出，切趾控制器用于将切趾权重输出到每个波束形成器信道的切趾乘法器，用于从延迟存储器输出的每一已延迟的换能器元件信号采样；以及延迟控制器，具有耦合到一个或多个波束形成器信道的延迟存储器与求和控制器的延迟控制输出，该延迟控制器被配置用于以预定的延迟，并以频率Nfs从属于每个换能器元件的每个波束形成器信道的延迟存储器输出信号采样，并用二次采样部分来控制每个波束形成器信道的求和控制器，以生成部分和，其中以频率Nfs操作切趾乘法器、解复用器寄存器和求和控制器。
2、 根据权利要求1所述的接收波束形成器，其中，每个波束形成 器信道的延迟存储器，进一步包括与信道波束形成器输入N的数量相 应的多个预定存储区域。
3、 根据权利要求2所述的接收波束形成器，其中，预定存储区域 被配置为循环存储器。
4、 根据权利要求1所述的接收波束形成器，其中，插值滤波器被 配置为低通滤波器。
5、 根据权利要求1所述的接收波束形成器，其中预定延迟是可编 程的。
6、 一种波束形成方法，包括接收以预定的采样频率,从相应数量的换能器元件N获取的多个 信号采样；在延迟存储器的预定区域中以频率^^存储与每个换能器元件相 对应的接收的信号采样；以预定的次序，在预定的延迟之后输出所存储的与每个换能器元 件相对应的信号采样；通过将与换能器元件相对应的每个已延迟的信号采样与权重相 乘，切趾自延迟存储器输出的每个已延迟的信号采样；通过在每对己延迟和已切趾的信号采样之间插入L-1的零值采样， 此处L为内插系数，提高与每个换能器元件相对应的已延迟和已切趾 信号采样的采样频率；对与每个换能器元件相对应的已延迟、已切趾以及提高采样频率 的信号采样进行时间对位；对与每个换能器元件相对应的全部已进行时间对位、已延迟、已切趾、以及提高采样频率的信号采样进行求和；以及 过滤已求和的信号采样以形成波束形成信号。
7、 根据权利要求6所述的波束形成方法，其中，利用低通滤波器 来进行滤波。
8、 根据权利要求6所述的波束形成方法，其中，预定延迟是可编 程的。
9、 一种波束形成方法，包括接收以预定的采样频率《从相应数量的换能器元件获取的多个信号采样流E;将信号采样流E划分到多个信道，每个信道N占有多个信号流； 对于每个信道在延迟存储器的预定部分以频率W乂存储与每个换能器元件 相对应的接收到的信号采样；以预定的次序在预定的延迟之后，输出所存储的与每个换能器元件相对应的信号采样；通过将与换能器元件相对应的每个延迟的信号采样与权重相 乘，来切趾自延迟存储器输出的每个已延迟的信号采样；通过在每对已延迟和已切趾的信号采样之间插入L-l的零值 采样，来提高与每个换能器元件相对应的已延迟和已切趾的信号 采样的采样频率，其中，L为内插系数；在每个信道中，将每个已延迟、已切趾以及提高采样频率的信号 采样流与来自另一个信道的已延迟、已切趾、以及提高采样频率的信 号采样流进行求和；对每个已延迟、已切趾以及提高采样频率和已求和的信号采样流 进行时间对位；对所有的已时间对位、已延迟、己切趾和提高采样频率的信号采 样进行求和；以及以及对已求和的信号采样进行滤波以形成波束形成信号。
10、 根据权利要求9所述的波束形成方法，其中，利用低通滤波 器进行过滤。
11、 根据权利要求9所述的波束形成方法，其中，预定延迟是可 编程的。
12、 一种输出平行波束的接收波形成器，包括 一个或多个波束形成器信道工，此处全部数量的换能器元件E信号采样被耦合到多个信道波束形成器输入N;每个波束形成器信道包 括多个波束形成器输入N，被配置用于以预定的采样频率/、接收来自多个换能器元件E的信号采样，每个波束形成器的输入N与唯一的换能器元件E相关联；复用器，具有与多个波束形成器输入N相应并被耦合到多个 波束形成器输入N的多个输入，以及一个输出，复用器被配置用 于复用在多个波束形成器输入N以频率N/,接收到的换能器元件信号采样，此处^ = |， L是内插系数，并且P是平行波束输出的 数量；延迟存储器，具有耦合到复用器输出的输入、延迟控制输入以及输出，该延迟存储器被配置用于以频率iy/;存储接收到的换能 器元件信号采样，并以频率L,输出每个换能器元件信号采样p次，每次在预定延迟之后输出；切趾乘法器，具有耦合到延迟存储器输出的输入、切趾控制 输入、以及输出，该乘法器被配置用于接收来自与由延迟存储器 输出的每个换能器元件的信号采样相对应的切趾控制输入的切趾 权重，并利用切趾权重，来切趾(相乘)该换能器元件的信号采 样；对每个平行波束p:与多个信道波束形成输入N相对应多个解复用寄存器， 每个解复用寄存器与换能器元件相对应，每个解复用寄存器具有 耦合到切趾乘法器输出的输入，以及输出，每个解复用器寄存器 被配置用于存储换能器元件的切趾的信号采样；与多个解复用寄存器对应的多个求和控制器，每个求和 控制器具有耦合到解复用器寄存器输出的输入、延迟控制输入、以及输出，通过在每对输入到求和控制器的信号采样之间插入L-l的零值采样，每个求和控制器被配置用来提高每个己切趾的换能器元件的信号采样频率，此处L为内插系数，根据二次采样延迟 部分，存储专用于来自全部延迟的延迟控制输入的每个波束P的 二次采样部分，并输出换能器元件的切趾的信号采样或零值信号 采样；每个信道中与多个求和控制器对应的多个子求和器，每个子 求和器具有多个与信道数A相对应的输入以及一个输出，每个输入被耦合到来自具有相同时间延迟的信道求和控制器的输出，每 个子求和器用于对来自具有相同延迟的信道求和控制器的已延 迟、已切趾、提高采样频率的换能器元件信号采样一起进行求和；与多个求和控制器相对应的多个延迟器，每个延迟器具有耦 合到求和控制器输出的输入，以及一个输出，每个延迟器被配置 用于将其已延迟、已切趾、提高采样频率的换能器元件信号采样 与多个延迟器中的其余全部己延迟、已切趾、提高采样频率的换 能器元件信号采样进行时间对位；求和器，具有与多个延迟器相对应的输入以及一个输出，将 每个输入耦合到延迟输出，求和器用于对己延迟、已切趾、提高 采样频率以及时间对位的所有换能器元件信号采样进行求和；插值滤波器，具有耦合到求和器输出的输入，以及接收波束 形成器输出，插值滤波器被配置用于对已求和的信号采样进行滤波和抽取，并以预定的采样频率为y;输出波束形成信号；切趾控制器，具有耦合到切趾乘法器的切趾控制输出，切趾控制 器被配置用于将切趾权重输出到切趾乘法器，用于自专用于每个波束P 的延迟存储器输出的每个已延迟的换能器元件信号采样；以及延迟控制器，具有耦合到延迟存储器以及每个求和控制器的延迟 控制输出，配置延迟控制器来根据预定的延迟以专用于每个波束P的 频率仏从属于每个换能器元件的延迟存储器输出信号采样，并用二次采样部分来控制每个求和控制器，以生成专用于每个波束p的部分和， 其中以频率W.操作切趾乘法器、解复用寄存器与求和控制器。
13、 根据权利要求12所述的接收波束形成器，其中，每一个波束 形成器信道的延迟存储器进一步包括与信道波束形成器输入n的数量 相应的多个预定的存储区域。
14、 根据权利要求13所述的接收波束形成器，其中，预定的存储 区域被配置为循环存储器。
15、 根据权利要求12所述的接收波束形成器，其中，插值滤波器 被配置为低通滤波器。
16、 根据权利要求12所述的接收波束形成器，其中，预定延迟是 可编程的。
17、 一种平行波束形成方法，包括以预定的采样频率,接收来自于相应数量的换能器元件e的多个信号采样；确定待形成的平行波束p的数量；确定每个信道a^I输入信号的数量，此处l是内插系数；将信号采样流e划分到多个信道，每个信道n占有多个信号流； 对每个信道-在延迟存储器的预定部分n以频率ivy;存储所接收的与每个换能器元件相对应的信号采样；输出与每个换能器元件相对应的已存储的信号采样p次，每 次对应不同的波束p，并根据预定的数量进行延迟；通过将与换能器元件相对应的每个己延迟采样与每个换能器 元件的预定权重相乘，切趾自延迟存储器输出的每个已延迟的信 号采样；通过在每对属于相同换能器元件的已延迟以及已切趾的信号 采样之间插入L-l零值采样，来提高与每个换能器元件相对应的 已延迟以及已切趾的信号采样的采样频率P次，每次对应不同的 波束P，此处L为内插系数； 对每个波束P:对所有信道对应的已延迟、已切趾以及提高采样频率的信号 采样流求和，以形成子和；对每个已延迟、已切趾以及提高采样频率的信号采样流的每 个子和进行时间对位；对已延迟、已切趾的信号采样流的所有已进行时间对位的子 和进行求和；以及对已求和的信号采样进行滤波以形成波束形成信号。
全文摘要
本发明提供一种超声波接收波束形成器，其中在每个波束形成器信道的输入端复用来自两个或更多个孔径元件的信号，在延迟存储器的不同分区进行存储，以时分复用方式延迟以及切趾，在信道输出端进行解复用，并在以提高的采样频率运行的不同求和单元进行求和。然后对该部分和进行时间对位，进行求和以生成全部的提高采样频率的波束总数，在插值滤波器中进行滤波、抽取以生成波束形成信号。
文档编号A61B8/00GK101427928SQ20081017555
公开日2009年5月13日 申请日期2008年11月7日 优先权日2007年11月7日
发明者R·亚历山德鲁 申请人:阿洛卡株式会社