专利名称：超声波生物测定成象和标记鉴别系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及表面扫描和成象技术，尤其涉及表面扫描和成象的新的和改进的超声波方法和装置。
背景技术：
本发明的一个应用领域是指纹扫描和成象，尽管本发明的原理也可以被广泛地应用于对皮下和其他的生物测定结构进行扫描和成象。用超声波技术获取的图象的质量比用光学技术获得的图象的质量优越，这是因为超声图象较少依赖于手指的表面条件。从而通过采用超声技术，也可以同样对那些具有很干或很油手指、较赃手指或具有不规则皱纹表面的手指的人进行成象。
在提供对指纹、皮下及其他生物结构进行扫描和成象的超声方法和装置时，有几点需要特别考虑。一个是获得更高质量的图象，这样就要求系统的分辨率尽可能地高，从而合成图象的分辨率也尽可能高。另一个重要的考虑点是改进系统性能。一个例子是尽可能快地扫描，从而使时沿和不便最小，并避免对个人造成不适。这样就要求提高系统及其操作的可靠性。另外一个重要的考虑是便于制造和降低制造成本。
发明目的和概述因此，本发明的目的是提供一种对人和动物的组织进行成象的新的改进的超声方法和装置，这种方法和装置产生高分辨率和高质量的图象，扫描在很快的速率下进行，并且具有很高的可靠性，制造方便且成本低。
本发明提供了一种对人或动物具有表面的组织进行成象的超声成象系统和方法，该系统包括探测装置，它包括用来限定以支承人或动物组织的方式对其进行成象的表面的装置；紧贴支承装置的传感器装置，用来将输出超声波束传导到上述表面上，从而使波束在焦点处的大小尽可能地小，而使系统的分辨率最大；以及电动装置，通过使超声波束沿上述表面在一路径上传播的方式使传感器装置移动。一液体密罩壳装置从限定支承组织表面的装置延伸，并具有一包含传感器装置和电动装置的内部区域，该区域被不导电的液体所充满，该液体具有与水大体相同的声阻抗和足够低的粘度，从而不会阻碍传感器的运动。罩壳上还带有适合于液体的热膨胀和收缩的装置。本发明的一个发明点是，电动装置包含具有提供振动输出运动的输出传动轴的电机装置，以及将该输出传动轴与传感器装置耦连的装置，从而响应于传动轴的振动，输出超声波束沿上述表面上的一条路径传播。在电机和耦连装置之间的传动轴上安装了一个编码器装置，用来使编码器装置所提供的信息中的失真最小。耦连装置呈细长柄的形式，其结构具有足够的硬度，从而在电机传动轴振动时不会弯曲，而在柄通过液体运动时的阻力最小。
传感器沿被扫描区域的相继弧形路径振动，并且对所获得的数据进行二维线性处理。
在另一种实施例中，电机的振动输出可以用弯曲的弹簧装置来辅助，传感器可以由连续旋转的电机来移动，电机带有一个与传感器电连接的滑环转接器，传感器可以通过旋转电机与运动转换装置和线性传动装置的组合沿正交方向作线性运动。
本发明的扫描器可以应用于生物测量识别和验证系统中，其中，成象系统可以与包含记录生物测量图象的记录构件和进行比较的处理器一起使用。
在结合附图阅读了本发明的详细描述以后，读者将更清楚地理解本发明的上述以及其他的特征和优点。
附图简述
图1是按照本发明用于表面扫描和成象的超声波探测器的纵向截面但局部表现为高度方向的图；图2是去掉了图1所示探测器部件的俯视图；图3是去掉了图1所示探测器部件的仰视图；图4是图1所示探测器下面的放大纵向截面图；图5是下面放大部分从图4所示右侧取得的端部立面图；图6是图1所示探测器的耦连柄的侧面立面图；图7是图6所示柄的俯视图；图8是图1所示探测器的耦连柄与一柄位置传感器相关的闭合局部立面图；图9是图1所示探测器中使用的另一种台式形式的示意图；图10是与图1所示探测器一起使用的双线性化处理器的方框图；图11是含有图1所示探测器的系统的方框图；
图12-16是图1所示类型的探测器中扫描期间移动传感器的另一种结构的示意图；图17是一识别系统中使用本发明的扫描器的方框图；图1 8是图17所示系统无线形式的方框图；图19和图20是一识别系统中使用本发明的扫描器的方框图；以及图21是图20所示系统无线形式的方框图。
详细描述在基本超声扫描和成象系统中，探测器组件是负责移动传感器以便获得二维扫描窗的系统的一部分，该扫描窗通常具有0.75”×0.75”的尺寸，用于指纹成象。探测器组件的运动由扫描控制器的电路控制，该控制器含有驱动探测器组件的电机所需的必要的电机驱动器逻辑电路。从探测器组件的传感器得到的数据接着由进行放大、距离选通、峰值检测和A/D转换的信号处理器接收。该数据存储在高速数据缓冲随机存取存储器相接，该存储器与适合用来接收并处理源指纹数据的任何一个装置中。诸如通用计算机或海关指纹图象处理机都可以用于这一目的。所有的系统元件或子部件用电源供电，电源提供使系统运行所必须的电压。
上述系统的技术的一个应用是手指摩擦皮肤表面的肤纹或图象，即指纹。采用超声技术所获得的图象的质量比采用光学技术获得的图象的质量优越，因为这些图象较少依赖于指纹的表面情况。细节可参见1993年6月29日授权的美国专利5,224,174，其标题为“采用高分辨率的C-扫描超声波图象的表面特征测绘(Surface Feature Mapping Using High Resolution C-Scan Ultrasonography)”，该专利在此引述供参考。结果，如果某人的手指很干或很油、很赃或手指皱纹表面不规则，也可以同样成象。另外，还可以扫描人或动物的其他组织表面，例如手掌、脚趾等。
将超声用于指纹成象的第二个基本优点是用手指中发现的皮下特征来重现摩擦皮肤图象。该技术可应用于手指外表面上的皱纹细节被暂时通过削剪、损坏而改变或由于过于磨损而无法辨认的时候。紧靠皮肤下面的部分含有表面皮肤摩擦部分的所有细节；所以，通过对紧靠外表皮下面部分成象，可以获得在手指的外表面上没有缺陷的指纹图象。第二层皮肤或皮下层还包含与摩擦皮肤的肤纹对应的膺象。这一层皮肤由称为皮肤乳头(dermal papillae)的结构构成，这些皮肤乳头排列成两行，每一行落在外表面层的皱纹内。在前面描述的要求获得紧靠外表皮下的皮下图象的系统中的唯一修改是对从这一深度而不是从表面返回的超声波信号进行处理。这是通过调整距离选通门(range gate)来完成的。距离选通门是一个用来返回信号的特定部分传播到信号处理电子电路的窗口，距离选通门的时延与对手指进行成象到何种深度对应。
这一皮下成象技术对摩擦皮肤缺乏足够的分析细节的个人特别有用。这包括手指或手经受过某种创伤的个人，创伤包括如手指表面的小划伤到严重的烧伤。该技术还证明在对其他从事容易划伤手指表面皱纹职业的人进行成象是有利的。由于这些人群代表了人口的绝大部分的百分比，其他对手指表面以下成象的装置(如光学指纹阅读器)很明显是不具备这种优点的。
前述系统技术的第三个潜在的应用是全新的生物测量的开发。众所周知，人体全身血管的分布已被用作个人识别的手段。通常，这种必须用来获取这些图象的技术被认为是对人体有害的，所以这样的技术通常在市场上不会获得成功。上述系统具有很好穿透手指表面以及对血管和其他皮下结构成象的能力。这些结构数量巨大，并且包含对个人进行识别的充分的信息。全新生物测定的开发使得可以预计，这种生物测定可以证明比起采用指纹来识别个人所必须的后期处理要简单的多。这种简化导致更高的处理能力、更大的精度和更低的系统复杂性，因此使系统成本降低。
正如上面所描述的那样，在超声波扫描和成象系统中，探测器是负责使传感器移动以便获得组织成象的二维扫描窗口的系统一部分。在基本探测器结构中，配备有一个台板，它限定了一个以支承人或动物的器管以便对其进行成象的方式的表面；提供输出超声波并紧靠台板的传感器；第一移动装置，用来使传感器移动，使超声波沿第一方向在表面上传播；以及第二移动装置，用来使传感器移动，使超声波沿第二方向在表面上传播。为了使超声波能量的衰耗在超声波传播到被成象的组织时最小，将传感器放置在充满液体的区域内，即，放置在充满水的腔体内。这就要求在上述结构中，在探测器的两个位置上建立起不透水的密封装置。第一个密封装置是一个位于第一移动装置和传感器之间易变或振动的装置。第二个密封装置是一个用来形成整个液体腔体的大风箱。上述基本探测器结构见待批的美国专利申请08/147,027，其申请日是1993年11月4日，标题是“高分辨率超声波成象装置和方法(High Resolution Ultrasonic Imaging Apparatus andMethod)”，该专利申请已转让给本发明分受让人，在此引述供参考。
因此，上述结构的基本思想是采用一易变的橡胶风箱和振动密封装置，形成一紧密腔体。腔体中充满了水，而水由密封装置保持，使之不会接触由电驱动的移动装置，否则会引起短路。本发明的目的是去掉两个密封装置，即，易变的风箱和振动的密封装置，从而提高探测器的可靠性，并简化其结构和制造。按照本发明，这是通过将移动装置或电机浸入液体内来实现的，液体必须是具有低粘度以及声阻抗接近于水的非导电液体。
现在参见图1-3，按照本发明的探测器用标号10表示，它包含呈台板12的形式的装置，用来限定一个表面14，以牢固的方式支承人或动物的组织，用来对组织进行成象；传感器装置16，用来提供输出超声波，其位置紧靠支承装置12，其方式是将超声波引导即聚焦到表面14上，从而使波束的大小在它的焦点上尽可能地小，而使系统的分辨率最大。同时还配备有电驱动的移动装置，该装置用标号20表示，并与传感器装置16耦合，用将输出超声波沿表面14引导到某一路径的方式来使传感器装置16移动。下面将详细描述移动装置20。
按照本发明，配备有液密(fluid-tight)罩壳装置，该装置用标号26表示，它从台板12延伸，并具有含有传感器装置16和移动装置20的内部区域。同时，按照本发明，罩壳装置16的内部区域中充满了液体30。正如可以看到的那样，每一子部件16和20现在可以位于密封腔28内。这样就无需振动密封装置和风箱。去掉这些装置就消除了故障发生的潜在可能性，从而使系统的可靠性提高。另外，去掉这两个元件也使机械结构的整体复杂性简化，并降低了组装时间，从而使探测器12的制造成本降低。
为了使子部件16和20能够浸入在液体中工作，必须选择不导电的液体。除了不导电以外，液体还必须具有与水非常接近的声阻抗，从而不会使高频超声波衰减。液体应当具有与水接近的声相位速度，从而不会改变传感器16的焦距。液体必须具有的另一个特性是低粘度，从而不会阻碍传感器的运动。另一点重要的是，液体30必须是低空气溶解度的。有好几种液体能够满足这些要求，并且这些液体是超声波成象技术领域的技术人员所熟知的。举例来说，对上述探测器，液体是一种白色石油基矿物油，这种液体可以从Witco化学公司购得，其名称是Klearol。
罩壳26包括罩盖组件36，它含有台板12、从罩盖36起延伸并分别与底板40以及第一和第二端壁42和44相连的第一和第二侧壁38和40。侧壁和端壁通过如紧固件48的合适装置与罩盖组件36相连，将连续的密封部件或密封垫片50装配在壁和罩盖之间连接处的周围空隙中，以提供液密连接。与此类似，通过如紧固件54的合适装置将底板40与侧壁和端壁相连，并将连续的密封部件或密封垫片56装配在底板40和侧壁以及端壁之间连接处的周围空隙中，以提供液密连接。在图示的探测器组件中，端壁中的一个，特别是端壁44，有一个延长部分，它通常呈空心矩形形状，该形状是由顶板和底板60和62、一对侧壁64和66以及端罩盖组件68形成的。延长部分罩住将在下文中描述的驱动装置20的元件和其他的探测器元件。延长部分的内部通过端壁44中的小孔或通道与腔体28进行液体交换。
根据在运输、存储和使用过程中探测器所处的环境，会遇到各种不同的环境温度。显著的温度变换会引起液体30的膨胀和收缩。换言之，一旦腔体28中全部被空气充满和清洗，那么腔体就被密封了起来。因为油30由于周围环境而经受了热波动，因而油会发生热膨胀和收缩。按照本发明，罩壳26配备有用来承受液体30的热膨胀和热收缩的装置。在图示的探测器装置中，用标号76表示的易变膨胀风箱配置在从端壁44起的延长部分中。如图4和图5所示，风箱76包含一个小橡皮薄膜构件，该构件有一个筒壁部分78，其一端由壁80封闭，而另一端开口，由外部法兰82终断。如图2所示，风箱76由安装板84安装在延长顶板60中的开口处，安装板84的中央开口并用紧固件88固定。薄膜构件或风箱76可以根据需要自由移进、移出。薄膜构件76的大小被选择成具有足够的灵活性，使得能够经受探测器10所要求的温度范围内的总热膨胀。薄膜构件76由不会受碳氢基油30的劣化而影响的氯丁橡胶构成。
驱动装置20包括使传感器16运动而使超声波沿表面14在第一方向传播的第一装置，和使传感器装置16运动而使超声波沿表面在第二方向传播的第二装置。第一方向是穿入和穿出图1所示纸面的方向，而第二方向是图1的纸面中从左到右的方向。在图示的探测器组件中，第一装置90包含电机装置，用来使传感器16振动，使超声波沿表面14在弧形路径运动；而第二装置92包含的电机装置，用来使传感器16移动，使超声波沿表面14在线性路径运动。因此，探测器10对支承在表面14上的人或动物的组织进行二维扫描。
传感器16由合适的装置如粘结剂安装在探测器臂100上，探测器臂100安装在电机90的轴上，每次电机运动通过其预定旋转角时，产生要扫过的弧形。传感器直接位于放置要成象手指的台板12下。下面详细描述探测器臂100。
一旦已经扫描了一条线，呈线性激励电机形式的第二电机装置92用来使整个组件沿第二运动轴移动，扫描第二条线。重复这一过程，直到一等效的扫描区(例如0.75”×0.75”的区域)被成象为止。完成扫描以后，线性激励电机92重新卷到由位置传感器指示的开头位置上，下面进一步详细描述位置传感器。
本发明的探测器10包括用标号110表示的位置反馈装置，该装置与电机装置90协同工作，以便将反馈信息提供给对电机90的旋转位置进行控制的系统。在图示的探测器中，位置反馈装置包含编码器装置。按照本发明，编码器安装在电机90和探测器臂100之间电机90的输出轴112上。因此，光学编码器直接安装在探测器臂下，并全部浸没在液体30中。在这种连接方式中，液体30必须是光学清晰的，从而不会干扰编码器110的工作。光学编码器的放置对整个图象质量置关重要。在以前的结构中，光学编码器安装在振动电机一侧的轴上，而探测器臂则安装在振动电机的另一侧轴的相向端处。因此，轴在跨度上的任何扭曲由光学编码器所看到。这种扭曲使得探测器臂指得是一个方向，而光学编码器读取的是另一个方向。在本发明的探测器10中，编码器110直接安装在探测器臂100下面。这就减小了从探测器臂和编码器之间看到的总的轴长。这样，两个元件之间的总的轴弯曲量就最小。这样接着又使图象中的记录失真量为最小。
对光学编码器的第二个改进可以在安装技术找到。以前，编码器是通过将单套螺丝拧到电机轴上来安装的。这套螺丝不足以将光学编码器牢固地固定到电机轴上，从而导致光学编码器相对于探测器臂的相对运动。探测器10中采用的新的安装技术采用挤压固定连接件(press fitjoint)，来将编码器110固定连接到电机90的轴112上。轴在安装到编码器上之前装上小凸边，并且编码器是挤压固定在小凸边上的。结果是形成一个比起螺丝套方法强几倍的具有高完整性的连接件。
对光学编码器的第三个改进是使分辨率提高。以前，编码器是每一圈512线。然而，由于将在下文中要讨论的为了保持扫描手指所要求的分辨率而使探测器臂长度增长，光学编码器的分辨率必须增加到每圈1024线。角象素分辨率与探测器臂的长度一起产生每0.002”一个扫描取样。
光学编码器的第四个改进是加入了用于绝对位置指示的第三信道。每次扫描前，需使光学编码器的电子电路复位。这就使零参考指示成为探测器臂100和光学编码器子部件的当前位置。根据这一位置，系统软件使探测器臂扫描围绕零参考点对称的角度。因此，如果电机90每次扫描以后不回到相同的位置上，那么每次扫描所扫过的弧度就是不相同的。这就使扫过的手指的区域不同，并且产生由于将在下文中描述的双线软件所引起的图象失真。在光学编码器中加入第三信道就给出绝对位置指示。这一绝对位置计时标记可以被称为光学编码器的零参考点。于是每次扫描可以在软件中自动调节，以保持两个数值之间的差为常数。这就导致可完全重复的图象，而不会产生由于双线软件而产生的任何失真。
第五个改进涉及编码器传感器。在前述结构中，光学编码轮(optical code wheel)和编码器传感器电子电路是从市场上作为单个集成电路购得的。这种结构中是有缺陷的。具体说来，相对于编码轮安装传感器是用塑料来实现的。由于电机的振动，塑料并不能提供足够结实的安装来适应其上的应力。这样，电子电路会相对于编码轮运动而产生额外的输出脉冲。这些输出脉冲被解释为主脉冲信号，从而俘获额外的数据点。这就产生图象的线对线误记录(1ine to line misregistration)。结果，编码器传感器和光学编码轮就不再用作集成组件，而被单独安装。这就确保编码器传感器的安装可以以这样一种方式来完成，即，它足够硬，而避免了任何相对于编码轮的运动。这是通过将传感器118安装到安装有电机90的铝制电机底板120上来完成的。底板120比前述塑料安装件要硬得多，并且防止了任何传感器118的运动。编码器轮在图1和2中的标号是119。
举例来说，在上述探测器中，编码器110可以从惠普公司购得，编码轮的标号是HEDS-6140，编码器传感器118的标号是HEDS-9040。特定传感器在浸入油30中工作的能力可以通过放置清晰透明的罩盖罩在防护罩上而包衰将发光二极管和透镜因此防止油与透镜接触而漏出来得到加强。
由于其简单、使用方便以及成本低而选择光学编码器，所以，也可以采用其他的位置反馈装置。看来有前途的两种装置是容性编码轮和旋转电位器。容性编码轮就是简单的分开一小距离的两块板(电极)。电极的形状使得每一电极覆盖另一板的面积是其旋转位置的函数。这样，整个电容就随旋转位置而变化。在光学编码器的情况下，根据电极淀积方式的不同可以有绝对编码器和相对编码器。在光学编码器的情况下，容性编码器也将在油中工作。旋转电位器是一种小而低惯性装置，它安装在电机轴上，并提供一阻抗输出，该阻抗输出是角位置的函数。旋转电位器具有许多光学编码器和容性编码轮的特性。
如上所述，传感器16安装在探测器臂100的一端，其另一端固定在电机90的轴112上。负责保持超声波传感器16的细长探测器臂100必须足够硬而不会弯曲而产生超声波的运动。另外，必须获得这样的硬度，而不明显增加探测器臂的截面积，从而当它通过液体30时不会增加阻力。阻力的增加会使得从振动电机90看来使负载增加，从而降低其扫描速度。按照本发明，探测器臂100具有一种足够坚硬的结构，从而在电机90的轴112振动期间不会弯曲，而当探测器臂100运动通过液体30时具有最小的阻力。特别是，探测器臂100沿大体与电机轴112的纵轴垂直的方向延伸，即，沿从图1看时大体水平的方向延伸，并且探测器臂100包含沿大体平行于电机轴112的纵轴方向隔开的一对探测器臂部分，即，从图1看时纵向隔开，从而探测器臂100具有足够的硬度，而不会在电机轴112的振动期间弯曲。另外，探测器臂部分的表面位于大体平行于电机轴112的纵轴的平面内，即，位于从图1看时的大体垂直平面内，这些表面具有充分小的面积，从而当探测器臂100运动通过液体时的阻力最小。因此，探测器臂的这些表面限定了一个双平面探测器臂结构。
参见图1、6和7，探测器臂100包括一本体部分130，其一端配备有一个通孔或小孔132，用来将探测器臂100安装到电机90的输出轴112上。探测器臂100还包括从图1和图6沿总体垂直于孔132的纵轴方向看时从主体130的上端向外沿伸的第一探测器臂部分134，和与孔132的轴呈一角度而从本体130的下端向外延伸的第二探测器臂部分136，该角度相对于探测器臂部分134呈锐角。结果，收缩臂部分134、136之间形成了一个开口区域或空间140，并且会合起来时在探测器臂100的相向端处形成一固体部分142。通孔或小孔144配置在本体部分142中，以容纳固定在其间的传感器16。从图7看时，第一槽146从通孔144向内延伸，并与探测器臂100的顶面150中形成的第二槽148会合，以提供如图2所示用于导电体154的路径，该路径从传感器16沿探测器臂100的顶面150通过探测器臂部分134中的开孔156起延伸到外部电路。
两个探测器臂部分134和136提供了一个加强探测器臂100的装置，而当其通过液体30时增加的阻力为最小。与具有厚度等于探测器臂部分134、136的厚度之和的单个部分的探测器相比，当保持总的阻力和惯性不变时，本发明的双平面探测器臂100总的硬度明显增加。
在图1和图2所示的探测器10中，传感器16的电机以近似为+/-20°的角度振动。尽管可以控制普通无刷直流电机来提供这种运动，但它们比实际需要更复杂，并且这样更昂贵。这种复杂性还带到了控制电子电路上。所以，为电机98选择一振动电机(具有有限角旋转的电机)，以使传感器16来回运动。这些经常称为旋转螺线管或无刷转矩致动器(brushless torque actuator)的装置很简单、成本低，并且可以产生很高的转矩，而使传感器16可以更快地运动。另外，由于无需复杂的霍尔效应传感器接口逻辑电路，而使控制电路简化，而这种逻辑电路是普通的无刷直流电机所必须的。举例来说，在上述探测器10中，电机90是一种可以从Ohio州的Lucas Control System Products of Vandalia购得的无刷转矩致动器。
一旦第一电机装置或振动电机90使传感器16扫过了一条代表沿表面14的超声波路径的单一线条时，第二电机装置92就沿是第二扫描轴的线性路径使传感器16、探测器臂100和电机90形成的组件步进。电机装置92是一个线性致动器，它包含一个小直流步进电机，该电机有一个完整的(integral)的丝杠170，用来将旋转运动转换成线性运动。一旦系统控制检测到传感器16完成了一个线性扫描，则线性致动器92接受命令沿第二运动轴运动一段线。传感器16的运动接着沿相反的方向，使超声波回扫表面14。这一过程一直重复到已经扫描了所需扫描的区域为止。线性致动器92接着重新卷绕到其起始点，准备好进行新的扫描。将在下文中进行描述的传感器提供表示线性致动器92已经反绕到该起始点的位置反馈，并向系统控制提供一个信号，以停止该反绕过程。举例来说，在上述探测器中，线性致动器92可以从Hayden Swiych Instruments购得，其型号是35862。
在图1和图2中所示的探测器10中，在上述较佳扫描方式中，线性致动器92推进丝杠170，使得从图1和图2看时，是使组件传感器16、探测器臂100和电机90的组件向左运动。当完成了手指或其他组织的扫描以后，组件将处在其最左面的位置，该最左位置处，线性致动器92使丝杠170沿反向或反绕方向旋转。为了判定组件是否完全恢复到了其原来的位置，配置一个用标号180表示的位置检测装置，用来判断传感器16已经沿线性路径移动了预定距离时，即当组件完全恢复到其原来位置时用来进行传信号的组件的可探测元件的接近程度。检测装置180包含一个光电或光学传感器，该传感器有一个通过支架184固定到端壁44上的罩壳，并且具有一个面向可线性移动的组件的凹口或开口区域186，该区域中具有光束或光路。检测器180的位置使得当完全恢复到原来的位置时，编码器110的编码轮的周边进入凹口186并切断光路而形成一指示信号。因此，检测器180以一限制开关的方式工作。
探测器12中的几个电气元件，包括传感器16、电机90和92、编码器110和传感器118、以及限制开关180完全浸入在油30中工作。这样，这些元件的电连接部分也浸入在油中。每一电连接部分因此也必须从油中伸出与相应的接口电路连接起来。为此，采用两个密封装置。这些密封装置在图1中用标号190和192表示，包含必要数量的导线，从而将所有的电源线、地线和信号线与罩在油中的各个电气元件来回连接起来。唯一不采用这种方式来连接的信号是涉及超声波传感器16的电源、地和信号。这些信号承载在导体154上，该导体是一小型同轴电缆，并与其余导线分开密封起来。举例来说，在上述探测器中，密封190和192是可以从PAVE Technology Co.，Inc.购得的穿线的插头，型号是PAVE-SEAL。
如前所述，在编码器110的光学编码轮上加入第三信道提供了可重复的高质量图象所需的绝对位置指示。然而，如果编码轮的直径足够使负载惯性增大并且因此使振动电机90的扫描速度减小，那么可以采用另一种方法。该方法采用普通的2信道光学编码轮，并通过外部传感器获得了第三信道位置指示。该传感器是一个红外发光二极管和光敏反射器，图中用标号200表示。它位于探测器臂100的正下方，偏离中心位置约10°。当探测器臂不处在传感器200的上方时，不会有红外光束202的反射，并且光敏器对此作出指示。当探测器臂100的前沿覆盖传感器时，发生反射，并产生用于控制电路的信号。该信号用来锁存在要读取并与用于比较的先前存储的计数进行比较的光学编码器位的状态。结果，整个效果是与光学编码轮上配备有集成的第三信道而不增加负载惯性的情况是相同的。因此，传感器200包含有用来指示探测器臂的参考位置而与探测器臂100隔开并与探测器臂100检测耦合的装置。
支承装置或台板12形成手指与超声波传感器16的液体通道之间的界面。它必须具有足够的机械强度，以提供在扫描期间用于手指的有力支承。台板12的偏移或变形会使图象失真，并使软件的后处理更加困难。理想情况是，台板12的声阻抗尽可能与手指的皮肤匹配。另外，由于强烈要求将手指放置到台板12上而不使用任何形式的声耦合，所以台板连接必须能够完全接触手指的表面接触，使其间的气隙最小。所有这些涉及台板12传送高频超声波而不会引起显著衰耗或频率下移的能力都必须满足，以便获得高质量的手指图象。
台板12是用涂覆有薄层硅RTV的交叉连接的聚苯乙烯或有机玻璃材料制成的。聚苯乙烯或有机玻璃材料具有与人体组织很接近的声阻抗，并且厚度适合于提供必须的机械硬度，并且提供尽可能短的超声波路径，例如厚度是1/16英寸到1/8英寸。30MHz的超声波能够穿过该材料，而不会有显著的变化。为了提供与手指的最大耦合，如果需要，还可以在台板12上与人体接触的外表面上涂上薄层硅RTV。也可以采用其他类型的硅乳胶橡胶(silicon latex rubber)。RTV提高了与手指的机械耦合，而同时保持了恰当的声阻抗。RTV的厚度必须充分厚，以便能够筛选出聚苯乙烯/RTV回声，并且仅处理与RTV/手指界面有关的那些回声。RTV所需的厚度取决于传感器16的整体“Q”。举例来说，在上述系统中，台板的厚度约为1/16英寸到1/8英寸，而涂覆的厚度是约0.010-0.030英寸的标称厚度。
台板12密封在罩盖36中，从而保持探测器结构的液密完整性。台板12的外表面可以经受时间的磨损，从而要求可以进行台板12的现场掉换。这两个要求可以由两块如图9所示的台板12’来自满足，它包含第一层或内层220，该层永久密封在罩盖36上，并保持探测器结构的液密完整性。第二台板层或外台板层222通过声凝胶224或之类的材料耦连到第一层上，并且可以容易地去掉作更换。层222的外表面与要被成象的组织接触，可以与前述一样涂上如硅RTV涂层类似的涂层226。
可以根据扫描的类型采用两种形式的传感器16。频率约30MHz、孔径约0.180”并且焦距约0.25”的高频传感器可以用作指纹成象。这种传感器具有最高的分辨率，即，最小的点大小，但由于具有有限的指纹穿透深度而衰耗不显著。第二种传感器具有类似的物理特性，但频率减小到约15MHz，这种传感器可以用作目的在于膺象而不是指纹结构的皮下扫描。对于这种成象，30MHz的超声波具有显著的衰耗，从而信号处理电路的成本会非常高。所以，通过使频率下降2倍，可以接收强得多的信号。
对传感器16的主要要求是使它所产生的整个亮点尺寸最小。亮点大小是传感器的频率、孔径和整个焦距的函数，并且由下式给出d＝2.44(fL/D)λ这里，d是在零交叉点处测得的亮点大小，fL是传感器焦距，D是传感器孔径，而λ是是声波的波长。在传感器的设计中，要求保持比值fL/D尽可能地小。这可以通过采用各种已知技术来实现，比如外聚焦透镜、弯曲传感器元件或二者组合。举例来说，在上述系统中，传感器34产生在每一ASTME1065的-6db点处测得的0.002英寸的亮点大小，并且具有在峰值下-20db处测得的1周期的振铃时间(ring time)。电缆154是Cooner同轴电缆或具有约0.037英寸直径的等效电缆。一种传感器34可从Krautkramer Bransen购得，其标号是389-005-860。
如前所述，表面14的典型扫描区域具有0.75英寸乘0.75英寸的尺寸。还有一些应用场合，如由联邦调查局规定的NCIC 2000法律，即要求用最大达0.88”×1.22”的更大扫描区域。本发明的探测器12的扫描范围满足增大面积的要求。为了做到这一点，需要改变几个元件。为了将扫描长度(y轴)从0.75”增大到1.22”，线性致动器92必须具有附加的235步长(0.002”/步)。线性致动器92具有充分的行程，因此对控制电路仅需要一个软件变化。为了将扫描宽度从0.75”增加到0.88”(x轴)，需要改变几个元件。结论是，不在更大的角度下驱动振动电机90，而应当增大探测器臂100的长度。因此对于同样的扫描角度，可以扫描更大的区段。事实上，采用的最佳探测器臂长度是1.3”。这接着要求扫描角度为+/-21.3°。减小的扫描角度对增大扫描频率有好处，从而减少了整个的扫描时间。扫描角度减小的结果，使得更快更有效形式的振动电机可以应用于振动运动。探测器臂长增大到1.3”要求改变光学编码器110的分辨率，以便在所要求的空间频率下取样。光学编码器110从每圈512线增加到每圈1024线。与译码器118的电路耦合的编码轮119中的这一分辨率导致角分辨率为0.087°。这又变换成每0.002”一个取样的线性扫描分辨率。
由于超声波传感器16的弧形扫描运动，数据沿该轴即x轴以非线性方式收集。具体说来，数据不是一行一行收集，而是一弧度一弧度地收集起来的。另外，扫过扫描中心附近的象素之间的距离与扫过扫描边缘的距离是不同的。结果，必须校正这一歪斜或失真。这种校正是将一个几何空间内的象素变换成另一几何空间内的象素。自然，该变换不是一个一对一的变换。要放置到经校正的几何空间中去的象素经常是来自原始几何空间的象素之间的点。这样，必须确定数据值或灰度值。所以实际上，会出现两个线性化的轴，因此称为双线性化。第一个校正是将象素从输入几何空间放置到输出几何空间。第二个校正是确定要使用什么灰度值。
对于从输入几何空间变换成输出几何空间，这只不过是一个简单的表格查询方法。表格中的值是按照下面的方法来确定的。第一步是找到沿扫描弧的每一被扫描象素的实际坐标。例如，假设象素号256位于沿弧的0°扫描角度处。
0256＝0°X256＝0.750(英寸)sin0°Y256＝0.750(英寸)cos0°这里，0.750英寸是前述扫描弧的长度，任何一侧上的象素是相对于象素256的偏离。因此，0255＝(255-256)(90°/512)X255＝0.750(英寸)sin(-0.1758°)Y255＝0.750(英寸)cos(-0.1758°)0257＝(257-256)(90°/512)X257＝0.750(英寸)sin(-0.1758°)Y257＝0.750(英寸)cos(-0.1758°)这里，512是每一圈512行的编码器分辨率。
由于扫描取样是在每0.002英寸下进行的，下一步是通过被0.002英寸除来将前述实际坐标变换成象素坐标。
X255＝X255/0.002＝-1.15Y255＝Y255/0.002＝375X256＝X256/0.002＝0Y256＝Y256/0.002＝375于是，通过将所有的X坐标平移+256，中间象素#256的中心就位于位置256处。
X255＝-1.55+256＝254.85X256＝0+256＝256.00下一步是使Y坐标平移-265.15(在45°的扫描角处使Y＝0)；0.750(英寸)cos45°/0.002英寸-265.15Y255＝375-265.15＝109.85Y256＝375-265.15＝109.85最后，对于每一新扫描的的行，由于每行线性移动0.002英寸，Y位置从最后行偏移+1。
行1Y250＝109.85行2Y250＝110.85行3Y250＝111.85，等等因此，按照前述方法获得了将输入几何空间变换成输出几何空间的表格查询值。
关于恰当灰度值的选择，这可以通过从周围的四个数据点取加权平均来完成。这一过程是由下述等式给出的φ(i，j)＝(1-i’){j’φ(i，j+1)+(1-j’)φ(i，j)}+{j’φ(i+1，j+1)+(1-j’)φ(i+1，；)}这里，i，j＝输入图象数据点i’，j’＝输出图象数据点为了实时进行这一变换，采用高速DSP芯片。该处理器一行一行地收集数据，并将数据变换成恰当的输出，并同时校正其灰度幅度。这是实时完成的，并且与扫描器自身的扫描时间重叠，从而产生最小的通过时延。双线性化的方框图见图10中所示。
处理器的中心位于DSP芯片240周围，举例来说，该芯片可以是Motorala56166处理器。行242上来自扫描器的输入数据由数据缓冲器244接收，并通过双线数据总线246和248传送到处理器240。永久存储器或快速PROM 250存储处理器240所使用的程序。动态RAM或外存储器252存储处理器240所使用的数据。双向数据总线248与存储器250和262相连。控制器256是为DRAM 252配置的，并且译码器258与处理器240的控制相关。来自芯片240的经处理的数据在双向数据总线248和246上传送到与系统计算机的并行部分264连接的缓冲器/锁存器262。处理器240通过电平转换器(level translator)268与系统计算机的串行部分270相连。监视计时器274和调试部分276也以所示的方法与处理器相关联。
现在来看从手指的表面或接近手指的表面(比如在皮下指纹成象的情况下)扫描、获取图象的各种方式，超声波信号的衰耗量是最小。因此，为了获得最大空间分辨率，传感器16的频率很高。对于这种应用，传感器的频率约为30MHz。为了从手指表面下方结构获取图象，采用电子距离选通(range gate)，使得只有从感兴趣深度返回的那些回声才被处理。所以，对按照表面指纹图象进行处理的系统进行的唯一修改是距离选通的应用。该距离选通的定时可以通过软件来控制，使得它对正被成象的人来说是透明变化的。
在两种情况下，超声波能量在与手指呈90度角下进入手指。传感器16以这种方式取向使得可以给出最大的信号强度。然而，分别从台板12的前端和后端的镜面反射也返回到传感器16。但由于它们会被排除在距离选通以外，所以不会成为问题。然而，对于深皮下成象，当试图在特定深度下成象时，多径镜面反射会表示严重问题。所以，传感器16必须采用这种取向，将这些回声消除掉。
当感兴趣的是手指中更深处的图象时，由于高频超声波信号的衰耗如此明显，从而或者信号一起丢失，或者在系统信号处理器中发现的放大级的增益带宽乘积变得如此大以致系统的价格非常昂贵。所以对这些结构进行成象时，采用更低频率的传感器16，例如，15MHz。这就解决于在略微减小的空间分辨率的代价下高衰耗的问题。然而，由于我们对皮下组织的兴趣比在手指表面处发现的皱纹(ridge)结构的兴趣更大，所以、分辨率的丢失不是一个严重的问题。
对手指较深处成象时会出现的第二个问题是，根据要收集回声处的深度，落在声波路径中的镜面反射器的多径回声会遮蔽感兴趣的膺象。所以，需要去掉由镜面反射器产生的多径回声，使得所感兴趣的实际信号的成象能够被产生。这可以通过使传感器16旋转偏离轴一个小角度从而足以使镜面返回回声被丢失来完成。这就使由于光滑表面结构而产生的回声以某一角度被反射掉，从而返回的回声再也不会回到传感器16。只有那些沿各个方向使声波散射的回声才可以被传感器16察觉看到。所感兴趣的大多数人体内部结构都趋向于使声波散射，所以该技术对散射应用是很有效的。
制造用于使超声波聚焦的透镜的工业标准是采用固定的半径来形成透镜的曲率。透镜材料通常是用聚苯乙烯材料制成，并被加工成所要求的尺寸和曲率。这种几何尺寸用来限定传感器的焦距和亮点大小。但是，对透镜方程的分析表明，恒定半径的透镜不能给出受衍射限制的亮点尺寸。它们会产生球差，使被聚焦光束的大小模糊或放大。所以，为了将亮点的大小减小到理论最小值，必须采用非球面透镜、曲面传感器元件或曲面元件与非球面透镜的组合。
图11是超声波成象系统的方框图，探测器10是其一部分。探测器或机械扫描器10的运动受转矩控制器300的控制，该控制器300包括微控制器302、光学编码器接口304和角度校正开关306，这些将在下文中描述。信号处理器310向传感器16提供能量，来自传感器16的数据由信号处理器16接收，在信号处理器16处进行放大、距离选通、峰值检测和A/D转换。使系统运行的电压是从电源312和稳压器314得到的。图10所示的双线化处理器通过总线318与信号处理器310相连。它存储数据，并且还对弧度扫描运动所产生的任何几何失真进行校正。
转矩控制器300确保一次一次的扫描中振动电机90扫描的绝对位置一致性。组装时扫描器10经校准。校准是将探测器臂100从其中心位置处移开直到第三信道(IDENT)标记发光。IDENT标记可以作为光学编码器110的第三信道，也可以作为外部弧度限制开关200。一旦该标记发光时，就读取光学编码器110的输出。该输出代表绝对IDENT标记从零位置起的总的角度或距离。该值现在就进入到位于转矩控制器300上的角度校正或DIP开关306。
在正常运行期间，电机在每次扫描结束时停顿在一个稍微不同的亮点处。它并不是一致地返回到零位置处。结果，电机90的最后停顿点就成为下一次扫描的零位置。这样，每次扫描的位置随一次一次的扫描而不同。在由转矩控制器300提供的改进结构中，在每次扫描开始时，电机90在不对手指进行成象时刹那间振动。这时，在给出IDENT信号时由转矩控制器300读取光学编码器110的输出。这里看到的值应当与DIP开关300上存储的值一致，该DIP开关是在先前在校正时设置的。所以，转矩控制器300读取DIP开关306，并作一比较。如果这些值不一致，转矩控制器软件就将扫描角度调整一个量，使之等于开关设定值和实际读取值之间的差。这样就确保了扫描中心每次扫描时完全一致，从而产生很连贯的图象。
图12-16描述的是另一种结构，该结构提供了可能的最高的扫描速度，并且同时给出扫描装置最平衡且声音最轻的运行。在图1-8所示的探测器10中，传感器16由无刷转矩致动器90以振动方式运动。传感器16的质量、离开旋转点的距离以及在油30中的流体阻力都加到了系统的惯性负荷中。这一负荷足以满足致动器90上的巨大的转矩要求。转矩要求高到足以对无刷转矩致动器可以驱动探测器臂组件的速度进行限制。所以，按照本发明，为了帮助电机90的振动运动，可以加上一个外弹簧。有一种称为易弯轴承(flexural bearing)的弹簧特别适合于这一应用。这是一种可以沿两个方向弯曲并且如果设计恰当将具有无限寿命的弹簧。
图12示出了一种可以与电机90’一起工作以帮助电机的振动运动的弹簧装置。这种弹簧装置或易弯轴承装置安装在电机90’的外面，并且具有最简单的结构，无需对电机90’进行再次工作。如图12所示，易弯轴承装置包含支承旋转套334、336的平面交叉弹簧330、332。一个易弯轴承套334由构件340安装到电机输出轴112’。另一个易弯轴承套336安装到固定在电机90’罩壳上的外壳342上。以圆盘344形式耦合的输出由构件346连接到活动轴承套334上。圆盘344接着固定到探测器臂的一端，而另一端支承传感器。图12所示的结构提供比起单单由电机明显要大的扫描频率。
图13描述了另一种形式的与电机90’一起工作以帮助电机的振动运动的弹簧装置。该弹簧装置或易弯轴承装置用直接安装在易弯轴承上的磁铁代替了转子组件。该结构可以装在同一致动器封壳内，而不会增加整个组件的高度。与图12所示的实施例一样，易弯轴承装置包含支承旋转套334’、336’的平面交叉弹簧330’、332’。然而在本实施例中，一个易弯轴承套334’有一个电机转子磁铁350安装在套334’的外表面上，并朝向电机静态线圈(static coil)352。另一个易弯轴承套336‘安装在电机罩壳或机壳354上。以圆盘344’的形式耦合的输出由构件346’连接到活动轴承套334上。圆盘344’接着固定到探测器臂的一端，而另一端承载传感器。图13所示的结构提供比只用电机本身所获得的明显更大的扫描频率。
举例来说，在图12和图13所示的实施例中，易弯轴承包含支承旋转套的平面交叉弹簧，这种轴承可以从Lucas Aerospace Power Transmission Corp购得，其名称是“自由弯曲轴无摩擦轴承(Free-Flex Pivot frictionless bearing)”。
在图1-8所示的探测器中，电机90和线性致动器均以振动模式工作，这样消耗了大量的能量。大部分能量用于电机90、92本身的简单启动和停止，只有少部分的能量用在实际驱动传感器。为了使电机的大部分转矩要求最小并使所消耗的能量最小，建议采用连续旋转电机。
使电机连续旋转的方法有几个优点。无需高转矩、振动运动电机而用很低转矩的连续旋转电机取而代之减小了系统的整个成本。电机的RPM(每分钟转数)可以在很高的速度下驱动，这样就使扫描频率比用振动方法所获得的扫描频率要高得多。致动器转子的启动和停止中的大能量牵引被基本消除，因而减小了装置的整个功耗。滚珠轴承上的振动引起高速磨损。这样最终将影响轴承的性能，使图象质量劣化。采用连续旋转的方法将防止轴承过早损坏，从而提高了系统的整体可靠性。
实现连续旋转扫描器即连续旋转传感器的一种结构见图14所示。传感器360直接安装在与图1所示的探测器臂100类似的飞轮362上并且连续旋转。飞轮362在另一端连接到电机366的输出轴364上。当传感器360通过感兴趣的区域下方时，数据就被收集起来。这种方法能够用很低功率、很低成本的电机来驱动飞轮传感器组件。那么唯一的问题就在于如何将连续旋转的超声波传感器360的电缆370连接到信号处理器电路卡上。解决这一问题有几种方法。一个方法是采用从市场上购得的滑环。滑环的静止部分372可以安装在扫描器的底座374上，其中，静止导线376安装并连接到信号处理器电路卡上。滑环的连接部分380可以接着安装到电机轴364上，而导线370安装到引向传感器360的地方。以这种方式，当电机366旋转时，通过滑环可以保持与信号处理器的连接。
这种方法的一种变异可以通过在飞轮的周边上加上多个传感器来实现。，当传感器旋转到位时多个传感器将减小空闲时间量。因此，加入第二传感器将使扫描时间减小50％。第三传感器将使原始扫描时间减小66％，等等。实施多个传感器方法将要求对系统的电子电路进行某种简单的修改。一种修改是将加入用于将要加加的每一传感器的信号处理器电路板。当然这是一种昂贵的方法，但极易实施。另一种方法是使将脉冲发生器/接收器电子电路的前端部复用起来，并且有选择地产生脉冲，接收来自每一传感器的回声。这是最经济的解决方法。上述方法如图14a所示。
图15和图16描述的是另一种形式的探测器，其中的扫描是沿X方向和Y方向线性进行的。连续旋转电机390有一个与飞轮394连接的输出轴392，飞轮394接着驱动枢杆(pivoting arm)396。枢杆396的一端承载传感器398，该端在线性轴承支承400上来回运动。电机390旋转时，枢杆396沿线性轴承400的路径使传感器398线性来回运动。这是在不使电机390的运动反向的情况下完成的。一旦电机390被驱动到某一速度，飞轮394就克服了传感器398运动的惯性。将传感器398连接信号处理器的电缆(未图示)必须与传感器的线性运动弯进弯出同样的量。传感器的位置反馈可以象以前一样，通过将光学编码器安装到电机轴上或者采用安装到线性滑动轴承400上的线性反馈装置来实现。该装置可以是一个传感器，如线性光学编码器、LVDT、线性电位计等。第二运动轴可以接着用与图1所示探测器中同样的方式，即，采用包含电机412和使线性轴承418、420中支承的整个结构移动的螺丝414的线性致动器410来完成。因此，图15和图16所示的结构沿相互正交的方向，即X方向和Y方向，提供传感器398的线性扫描运动。
还可以有一些要求图1-11所示的探测器10在低环境温度条件下工作的应用。至少可以有一个温度传感器(如热敏电阻430)位于腔体28内，而暴露在液体30中，监测液体的温度。如果需要，还可以配置另一个温度传感器，来监测环境温度。当热敏电阻430指示液体30的温度低于所要求的水平时，控制器436向微控制器302发信号，向电机90提供脉冲能量，而不是使电机振动。电机90的这一脉冲波动，即简单地将相同极性的信号施加到电机上而不是使极性反向，会产生使液体30发热的效果。这将一直持续到热敏电阻430指示液体30的温度已经达到所要求的水平为止。
图17描述的是识别系统中构筑的本发明的扫描器，识别系统从被扫描的手指获得图象，并将其与先前被扫描的一个大数据库比较，从而确定是否一致。这些通常是大型的由司法部门、移民局等使用的识别系统被称为是“自动指纹识别系统”或AFIS。参见图17，超声波生物测定阅读器450包含按照本发明的扫描器，它包括探测器组件10、信号处理器310、转矩控制器300和电源/稳压器312、314。还配置有呈大存储装置452形式的装置，用来存储先前存储的图象即存储的指纹图象的数据库。还配置有一系统处理器装置454，它的输入与数据库存储装置452和超声波生物测定阅读器450中的处理器的输出耦合，用来将来自阅读器450的被扫描的图象与装置452中先前存储的图象比较，以确定是否一致。图17还描述了超声波生物测定阅读器450’、大型存储装置452’以及处理器454’与用来将处理器454和454’连接在一起的本地区域网装置456的第二种组合情况。
图18描述的是另一种结构，其中，超声波生物测定阅读器450和处理器454之间的硬线通信链路被无线通信链路如连接到生物测定阅读器450的输出的发射器/接收器460、连接到处理器454的输入和其间的传输媒介454的RF发射器/接收器/462所代替。结果，超声波生物测定阅读器450可以位于远端或如警车或其他远端数据输入站的移动区域中。手指放置在阅读器上，经扫描，数据以无线方式传送到AFIS处理器供处理。通信链路是双向的，并将任何合适的信息送回阅读器。也可以采用其他的无线通信链路，如光学的、超声波的，等等。
图19和图20描述的是在验证系统中构筑的本发明的扫描器，其中的手指被扫描，并与一单独的参考指纹比较，以验证被验证者是否是其自己所宣称的那个人。与识别系统相比，由于不需要要求具有高速处理器、大数据库等而必须的更大的AFIS系统的广泛的搜寻，所以在本质上，这种类型的系统不那么复杂。实现这一系统的一种方法是采用精制卡或其他类型的便携式数据存储装置，如磁条卡(mag-stripe card)、光学存储卡、半导体存储卡等。精制卡是塑料卡片，其大小与标准的信用卡相似，便于人们携带。卡的背面上看到的普通的磁条或者由单板微处理器替代或补充。该微处理器具有内部存储器，该内部存储器使得可以有两种整体系统结构。第一种选择是简单地将生物测定数据编码到精制卡的存储器中。想要验证其标识的人将其手指放置到超声波阅读器上，手指就被扫描。接着，数据从由该个人出示的精制卡中读出，而计算机用来比较这两个图象。参见图19中的描述，图中的超声波生物测定阅读器470包含按照本发明的系统，它包括探测器组件10、信号处理器310、转矩控制器300和电源稳压器312、314。呈上述精制卡形式的记录部件472具有含有被记录的生物测定图象即存储被记录的指纹图象的存储装置。处理器装置474具有从超声波生物测定阅读器接收输出信号的第一输入端和接收被记录的图象的信号表示的第二输入端，以判定被扫描的图象和被记录的图象之间是否一致。因此，在图19所示的结构中，记录部件472和处理器474实际上是分开的。
第二种选择与第一种选择类似，其主要差别在于用来比较两个图象的计算机被精制卡的处理器所替代。因此，精制卡不仅含有手指的生物测定数据，而且还负责将该数据与手指的被扫描的数据比较。参见图20，图中的精制卡或记录构件480具有包含被记录的生物测定图象的存储装置及其处理器装置482，该处理器装置482具有从超声波生物测定阅读器470’接收输出信号的一个输入端和接收被记录的图象的信号表示的第二输入端，以判定被扫描的图象和被记录的图象之间是否一致。因此，在图18所示的结构中，记录部件480和处理器482实际上是集成在一起的。
图21描述的另一种结构，其中，图19中处理器474和超声波生物测定阅读器470和记录构件472之间的硬线通信链路被无线通信链路所替代。该无线通信链路包含与生物测定阅读器470和记录部件472的输出相连的RF发射器/接收器490、与处理器474相连的RF发射器/接收器402以及连接在其间的传输媒介。RF通信链路是双向的，使得一致的结果可以被传送回阅读器子系统。也可以采用其他的无线通信链路，如光学的、超声波，等等。
从前文中可以看到，本发明可以实现所要实现的目的。尽管本发明的实施例已经在上文中详述，但这仅出于描述的目的，并非是限定性的。
权利要求
1.一种用于超声波成象系统的探测器，用来提供一输出超声波，对具有表面的人或动物的组织进行扫描，其特征在于，所述探测器包含a.通过支承所述人或动物的组织的方式限定所述表面从而对其进行成象的装置；b.提供输出超声波的传感器装置；c.电操作的动力装置，它与所述传感器装置耦合，通过沿所述表面上的路径传送所述输出超声波来使所述传感器装置运动；d.液密罩壳装置，它从所述表面限定装置延伸，并具有一个包含所述传感器装置和所述动力装置的内部区域；以及e.充满所述罩壳装置的所述内部区域的液体，所述液体的声阻抗大体等于水的声阻抗，并且具有充分低的粘性，从而不会阻碍所述传感器的运动，并且所述液体是不导电的。
2.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述液体包含矿物油。
3.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述动力装置包含a.具有输出轴的电机装置，用来提供振动输出运动；b.将所述输出轴与所述传感器装置耦合的装置，从而根据所述轴的振动，沿所述表面上的弧形路径传送所述输出超声波；以及c.移动所述传感器装置的装置，移动的方式是，沿所述表面上的线性路径，以及沿相对于所述弧形路径的径向，传送所述输出超声波。
4.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，限定所述表面的所述装置包含台板装置，所述台板装置的材料具有与正被成象的组织的声阻抗大体一致的声阻抗。
5.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述台板装置包含永久密封在所述罩壳装置中的第一部分和限定所述表面并且可以从所述第一部分上去掉以便进行更换的第二部分。
6.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，限定所述表面的所述装置包含台板装置，所述台板装置的材料本体具有与被成象组织的声阻抗大体一致的声阻抗，并且具有充分的机械强度以便支承人或动物的组织，而不发生偏移或变形。
7.如权利要求6所述的探测器，其特征在于，它还包括涂覆在所述材料本体上的涂层，它提高了所述本体与被成象组织的机械耦合，并保持声阻抗的匹配一致。
8.如权利要求3所述的探测器，其特征在于，它还包括安装在所述电机装置和所述耦合装置之间的所述电机装置的所述输出轴上的编码器装置。
9.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述传感器装置与所述动力装置耦合，所述耦合方式是，使所述传感器装置的位置紧靠所述支承装置，将所述超声波传送到所述表面上从而所述超声波在其焦点处的大小尽可能地小，以便使所述系统的分辨率最大。
10.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，它还包括位于所述罩壳中的密封装置，和从所述动力装置通过所述密封装置延伸的导电装置。
11.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，它还包括与所述罩壳相关连的装置，用以适应于所述液体的热膨胀和收缩。
12.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，它还包括位于所述罩壳的所述内部区域中的检测装置，用来监测所述液体的温度。
13.如权利要求12所述的探测器，其特征在于，它还包括与所述检测装置相连的装置，当所述检测装置指示所述液体温度低于某一预定水平时，对所述液体进行加热。
14.如权利要求12所述的探测器，其特征在于，它还包括与所述检测装置和所述电操作的动力装置相连的控制装置，用来向所述动力装置提供电源，其方式是，当所述检测装置指示所述液体温度低于某一预定水平时，使所述动力装置向所述液体放热。
15.一种用于超声波成象系统的探测器，用来提供一输出超声波，对具有表面的人或动物的组织进行扫描，其特征在于，所述探测器包含a.通过支承所述人或动物的组织的方式限定所述表面从而对其进行成象的装置；b.提供输出超声波的传感器装置；c.具有输出轴的电机装置，用来提供振动输出运动；d.将所述输出轴耦合到所述传感器装置的装置，从而根据所述轴的振动，沿所述表面上的某一路径传送所述输出超声波；以及e.安装在所述电机装置和所述耦合装置之间的所述电机装置的所述输出轴上的位置反馈装置。
16.如权利要求15所述的探测器，其特征在于，将所述输出轴耦合到所述传感器装置的所述装置包含一个臂，并且所述位置反馈装置位于所述电机装置和所述臂之间。
17.如权利要求15所述的探测器，其特征在于，所述位置反馈装置包含编码器装置。
18.如权利要求17所述的探测器，其特征在于，所述编码器装置具有零参考点，和包含可以参照所述零参考点的位置标记的附加信道，从而可以自动调节每次扫描，以保持所述定时标记和所述零参考点之间的恒定差。
19.如权利要求17所述的探测器，其特征在于，所述编码器装置包含一编码轮和编码器传感器，所述编码器传感器是相对于所述编码轮分开而坚固安装的。
20.如权利要求15所述的探测器，其特征在于，所述耦合装置使所述传感器装置的位置紧靠所述支承装置，其方式是在所述表面上传送所述超声波，从而所述超声波的大小在其焦点处尽可能地小，而使所述系统的分辨率最大。
21.如权利要求17所述的探测器，其特征在于，所述编码器装置是按压安装到所述轴上的。
22.如权利要求15所述的探测器，其特征在于，它还包括移动所述传感器装置的装置，其方式是，沿所述表面上的某一线性路径和相对于所述弧形路径的径向传送所述超声波装置。
23.如权利要求15所述的探测器，其特征在于，限定所述表面的所述装置包含台板装置，所述台板装置的材料具有与被成象的组织的声阻抗大体匹配的声阻抗。
24.如权利要求15所述的探测器，其特征在于，限定所述表面的所述装置包含台板装置，所述台板装置的材料本体具有与被成象组织的声阻抗大体匹配的声阻抗，并且具有足以支承所述组织而不发生偏移或变形的机械强度。
25.如权利要求24所述的探测器，其特征在于，它还包括涂覆在所述材料本体上的涂层，用来改善所述材料本体对被成象组织的机械耦合并保持声阻抗一致。
26.一种用于超声波成象系统的探测器，用来提供一输出超声波，对具有表面的人或动物的组织进行扫描，其特征在于，所示探测器包含a.通过支承所述人或动物的组织的方式限定所述表面从而对其进行成象的装置；b.提供输出超声波的传感器装置；c.具有输出轴的电机装置，用来提供振动输出运动，所述输出轴具有一纵轴；d.将所述输出轴耦合到所述传感器装置的装置，从而根据所述输出轴的振动，沿所述表面上的某一路径传送所述输出超声波，所述用来耦合的装置包含沿大体垂直于所述电机输出轴的所述纵轴的方向延伸的臂装置，并且所述臂装置包含沿大体平行于所述轴纵轴的方向隔开的一对臂部分，从而所述臂装置具有充分的刚度而在所述轴的振动期间不会弯折或弯曲。
27.如权利要求26所述的探测器，其特征在于，它还包括a.液密罩壳装置，它沿所述表面限定装置延伸，并具有包含所述传感器装置、所述电机装置和所述臂装置的内部区域。b.充满所述罩壳装置的所述内部区域的液体，所述液体具有与水的声阻抗大体相等的声阻抗，并具有充分低的粘度，从而不会阻碍所述传感器装置的运动，并且是不导电的；以及c.所述臂部分的表面位于与所述电机轴的纵轴大体平行的平面内，所述表面具有充分小的面积，从而当所述臂运动通过所述液体时的阻力最小。
28.如权利要求26所述的探测器，其特征在于，限定所述表面的所述装置包含台板装置，所述台板装置的材料具有与被成象组织的声阻抗大体一致的声阻抗。
29.如权利要求26所述的探测器，其特征在于，限定所述表面的所述装置包含台板装置，所述台板装置的材料本体具有与被成象的组织的声阻抗大体一致的声阻抗，并且具有支承组织的充分的机械强度，而不会发生偏移或变形。
30.如权利要求29所述的探测器，其特征在于，它还包括涂覆在所述材料本体上的涂层，所述涂层提高了将所述材料本体耦合到被成象的组织并保持声阻抗一致。
31.如权利要求26所述的探测器，其特征在于，所述臂装置沿一弧形路径移动所述传感器装置，并且包括通过沿所述表面中的某一路径和沿相对于所述弧形路径的径向方向传送所述输出超声波的方式而使所述传感器移动的装置。
32.如权利要求26所述的探测器，其特征在于，它还包括安装在所述电机装置和所述臂装置之间的所述电机装置的所述输出轴上的位置反馈装置。
33.如权利要求26所述的探测器，其特征在于，所述臂装置使所述传感器装置的位置紧靠所述支承装置，其方式是，使所述超声波在所述表面上传送，从而所述超声波的大小在其焦点处尽可能地小，而使所述系统的分辨率为最大。
34.一种用于超声波成象系统的探测器，用来提供一输出超声波，对具有表面的人或动物的组织进行扫描，其特征在于，所述探测器包含a.通过支承所述人或动物的组织的方式限定所述表面从而对其进行成象的装置；b.提供输出超声波的传感器装置；c.具有输出轴的电机装置，用来提供振动输出运动；d.将所述输出轴耦合到所述传感器装置的装置，从而根据所述输出轴的振动，沿所述表面上的某一路径传送所述输出超声波，所述耦合装置包含沿大体平行于所述平面延伸的臂装置，e.与所述臂装置隔开并且可与所述臂装置可检测地耦合用来指示所述臂装置的参考位置的装置。
35.如权利要求34所述的探测器，其特征在于，所述臂装置细长具有沿长度方向的端部，并且其中，所述指示装置包含用来检测所述端部的非接触传感装置。
36.如权利要求35所述的探测器，其特征在于，所述非接触传感装置包含光学传感装置。
37.如权利要求34所述的探测器，其特征在于，所述超声波沿所述表面上的某一弧形路径传播，所述臂装置具有沿相对于所述路径的径向而延伸的纵轴，并且其中所述指示装置位于与所述臂装置的初始位置成一预定角距离的地方。
38.如权利要求36所述的探测器，其特征在于，所述指示装置包含一发光二极管和光敏反射仪。
39.一种用于超声波成象系统的探测器，用来提供一输出超声波，对具有表面的人或动物的组织进行扫描，其特征在于，所述探测器包含a.通过支承所述人或动物的组织的方式限定所述表面从而对其进行成象的装置；b.提供输出超声波的传感器装置；c.动力装置，它与所述传感器装置耦合，用来通过使所述输出超声波沿所述表面上的某一路径传播的方式使所述传感器装置移动；d.液密罩壳装置，它从所述表面限定装置起延伸，并具有包含所述传感器装置和所述动力装置的内部区域；e.充满所述罩壳装置的所述内部区域的液体，所述液体具有与水的声阻抗大体相等的声阻抗，并且具有充分低的粘度，从而不会阻碍所述传感器装置的运动；以及f.与所述罩壳相连系的膨胀风箱装置，用来适合于所述液体的热膨胀和收缩。
40.如权利要求39所述的探测器，其特征在于，所述膨胀风箱装置位于所述罩壳的某一壁上。
41.如权利要求34所述的探测器，其特征在于，所述膨胀风箱装置包括与所述液体兼容的软材料薄膜(diaphragm)。
42.如权利要求34所述的探测器，其特征在于，所述膨胀风箱装置具有在所选温度范围中可以承受所述液体的热膨胀的尺寸。
43.一种用于超声波成象系统的探测器，用来提供一输出超声波，对具有表面的人或动物的组织进行扫描，其特征在于，所示探测器包含a.通过支承所述人或动物的组织的方式限定所述表面从而对其进行成象的装置；b.提供输出超声波的传感器装置；c.具有输出轴的电机装置，用来提供振动输出运动；d.将所述输出轴耦合到所述传感器装置的装置，从而根据所述输出轴的振动，沿所述表面上的某一路径传送所述输出超声波；e.移动所述传感器装置的装置，其方式是沿所述表面上的某一线性路径和相对于所述弧形路径的径向传播所述输出超声波；f.安装在所述电机装置的所述输出轴上并在其外部上具有可检测的元件的编码器装置；g.响应于所述可检测的元件的位置检测装置，当所述传感器装置沿所述线性路径移动了预定距离时用来发信号。
44.如权利要求43所述的探测器，其特征在于，所述编码器装置包括一光学编码器编码轮，所述可检测元件包含所述轮的周边，所述位置检测装置包含一光学传感器，当所述传感器装置已经移动了所述预定距离时，所述光学传感器提供适合于由所述编码轮周边截断的光束。
45.一种用于超声波成象系统的探测器，用来提供一输出超声波，对具有表面的人或动物的组织进行扫描，其特征在于，所示探测器包含a.通过支承所述人或动物的组织的方式限定所述表面从而对其进行成象的装置；b.提供输出超声波的传感器装置；c.具有输出轴的电机装置，用来提供振动输出运动；d.将所述输出轴耦合到所述传感器装置的装置，从而根据所述输出轴的振动，沿所述表面上的某一路径传送所述输出超声波；e.与所述电机输出轴相连系的弹簧装置，用来帮助所述电机装置的振动输出运动。
46.如权利要求45所述的探测器，其特征在于，所述弹簧装置包含易弯轴承装置。
47.如权利要求46所述的探测器，其特征在于，所述易弯轴承装置包含支承旋转套的平面交叉弹簧。
48.如权利要求47所述的探测器，其特征在于，所述套中的一个与电机轴相连，而所述套中的另一个与固定在所述电机装置罩壳上的外壳相连。
49.如权利要求47所述的探测器，其特征在于，所述套中的一个承载所述电机装置的转子磁铁，而所述套中的另一个固定在所述电机装置的罩壳上。
50.一种用于超声波成象系统的探测器，用来提供一输出超声波，对具有表面的人或动物的组织进行扫描，其特征在于，所述探测器包含a.通过支承所述人或动物的组织的方式限定所述表面从而对其进行成象的装置；b.提供输出超声波的传感器装置；c.具有输出轴的电机装置，用来提供连续旋转输出运动；d.将所述输出轴耦合到所述传感器装置的装置，从而根据所述输出轴的旋转，沿所述表面上的某一路径传送所述输出超声波；e.与所述电机轴相关联的转接器装置，用于所述传感器装置和一外部电路之间的电连接。
51.一种用于超声波成象系统的探测器，用来提供一输出超声波，对具有表面的人或动物的组织进行扫描，其特征在于，所述探测器包含a.通过支承所述人或动物的组织的方式限定所述表面从而对其进行成象的装置；b.提供输出超声波的传感器装置；c.具有输出轴的电机装置，用来提供连续旋转输出运动；d.运动转换装置，用来将所述输出轴与所述传感器装置耦合，从而根据所述轴的旋转，所述传感器往复运动，从而沿所述表面上的第一线性路径传播所述超声波；以及e.使所述传感器装置运动的装置，其方式是所述输出超声波沿与所述第一线性路径大体正交的所述表面上的第二线性路径而传播。
52.一种生物测定识别系统，其特征在于，它包含a.超声波成象系统，用来对具有一表面的人或动物的组织进行成象，并且包含探测器装置，所述探测器装置包括通过支承所述人或动物的组织的方式限定所述表面从而对其进行成象的装置；提供输出超声波的传感器装置；电操作的动力装置，它与所述传感器装置耦合，以沿所述表面上的路径传送所述输出超声波的方式，来使所述传感器装置运动；液密罩壳装置，它从所述表面限定装置延伸，并具有一个包含所述传感器装置和所述动力装置的内部区域；以及充满所述罩壳装置的所述内部区域的液体，所述液体的声阻抗大体等于水的声阻抗，并且具有充分低的粘性，从而不会阻碍所述传感器的运动，并且所述液体是不导电的；b.所述成象系统还包含转矩控制器装置，它与所述探测器装置相连，用来控制所述动力装置，提供所述表面的所述扫描；信号处理器装置，它与所述探测器装置相连，用来接收响应于所述表面的所述扫描而产生的信号和对所述信号的处理以提供一输出；c.存储先前存储的图象的数据库的装置；以及d.系统处理器装置，它输入端与所述数据库存储装置和所述处理器装置的输出端相连，用来将来自所述超声波成象系统的经扫描的图象与所述数据库存储装置中先前存储的图象比较，以确定是否一致。
53.一种生物测定验证系统，其特征在于，它包含a.超声波成象系统，用来对具有一表面的人或动物组织进行成象，并提供代表经扫描的生物测定图象的输出信号；b.所述超声波成象装置包含探测器装置，所述探测器装置包括通过支承所述人或动物的组织的方式限定所述表面从而对其进行成象的装置；提供输出超声波的传感器装置；电操作的动力装置，它与所述传感器装置耦合，以沿所述表面上的路径传送所述输出超声波的方式来使所述传感器装置运动；液密罩壳装置，它从所述表面限定装置延伸，并具有一个包含所述传感器装置和所述动力装置的内部区域；以及充满所述罩壳装置的所述内部区域的液体，所述液体的声阻抗大体等于水的声阻抗，并且具有充分低的粘性，从而不会阻碍所述传感器的运动，并且所述液体是不导电的；c.具有含有被记录的生物测定图象的存储装置的记录部件；以及d.处理器装置，它具有从所述超声波成象装置接收输出信号的第一输入端和接收所述被记录的图象的信号表示的第二输入端，以判定所述经扫描的图象和被记录的图象之间是否一致。
54.一种对具有一表面的人或动物组织进行超声波成象的方法，其特征在于，所述方法包含下述步骤a.以支承所述人或动物组织方式限定对其成象的所述表面；b.提供一超声波能量束；c.沿所述表面上的一条弧形路径传播所述超声波；d.沿所述表面上的一条线性路径和沿相对于所述弧形路径的径向方向传播所述超声波；以及e.使由沿一条弧形路径传播所述超声波的所述步骤产生的被扫描图象线性化，所述线性化包含沿两个维度改变成象中每一象素的位置，以补偿超声波的弧形运动。
55.一种对具有一表面的人或动物组织进行超声波成象的方法，其特征在于，所述方法包含下述步骤a.以支承所述人或动物组织方式限定对其成象的所述表面；b.提供一超声波能量束；c.沿所述表面上的一条弧形路径传播所述超声波；d.沿所述表面上的一条线性路径和沿相对于所述弧形路径的径向方向传播所述超声波；以及e.沿所述弧形路径传播所述超声波的所述步骤包括进行扫描位置比较和调节扫描的角度，以提供每次扫描的一致的起点位置。
全文摘要
本发明是一种对具有一表面的人或动物进行成象的超声波成象系统和方法,它包括一探测器,该探测器包含:台板(12),用来限定支承人或动物组织对其进行成象的表面;传感器(16),它紧靠支承台板,用来提供传播到上述表面上的输出超声波,从而超声波的大小在其焦点处尽可能地小,而使系统的分辨率最大;电机(90),用来沿表面上的某一路径传播超声波的方式移动传感器。液密罩壳(26)沿组织支承表面延伸,并具有包含传感器(16)和电机(90)的内部区域(28),该区域被非导电液体(30)所充满,并具有与水大体相等的声阻抗和充分低的粘度,从而不会阻碍传感器的运动。
文档编号A61B8/00GK1188401SQ96193254
公开日1998年7月22日 申请日期1996年2月13日 优先权日1995年2月15日
发明者约翰·K·施奈德, 杰拉尔德·F·马歇尔, 安德鲁·D·瓦萨罗 申请人:超声波扫描公司