在asic上用于超声波束成形的德尔塔延迟方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]在此公开的主题一般涉及超声成像，并且更具体地，涉及使用波束成形组件用于超声成像的专用集成电路。
[0002]医用诊断超声是这样一种成像模态，其使用超声波探查病人身体的声学特性并产生对应的图像。声波脉冲的产生和返回的回波的检测通常通过位于探头中的多个换能器元件完成。这种换能器元件能够将电能转换成机械能用于传输并且能将机械能转换回电能用于接收的目的。一些超声探头包括多达数千换能器元件，其设置成线性阵列或2D元件矩阵。
[0003]由于所得图像的质量和分辨率在很大程度上是这种阵列中换能器元件尺寸和数量的函数，先进系统通常包含尽可能最大数量的换能器元件。然而，由于每个换能器元件通常与控制电路连接，换能器元件数量的增加导致相关联的控制电路复杂度的增加。
【发明内容】
[0004]在一个实施例中，提供了一种超声探头。超声探头包括多个换能器元件和与多个换能器元件耦合的专用集成电路(ASIC)。ASIC也包括多个延迟单元和多个波形发生器，每个波形发生器配置成生成并发送具有不同参数的波形到多个延迟单元中的至少一个。多个延迟单元中的每一个从波形发生器或邻近延迟单元接收波形，对波形施加附加的延迟，并使延迟波形对邻近延迟单元、多个换能器元件中的一个或多个、或上述两者可用。
[0005]在另一实施例中，提供了一种超声探头。超声探头包括多个换能器元件和多个电耦合的延迟单元。多个延迟单元的每一个配置成接收波形信号并输出波形信号至多个换能器元件中的一个或多个以及多个延迟单元的邻近单元。超声探头也包括多个波形发生器，其配置成传送波形信号至多个延迟单元的子集。
[0006]在另一实施例中，提供了一种系统。系统包括与超声系统一起使用的探头，和通过双向导管与探头在通信上耦合的成像系统。探头包括换能器元件阵列以及一个或多个被配置成生成多个延迟差分波形的波形发生器。此外，探头包括多个延迟单元，其配置成接收多个延迟差分波形中的一个，增加可选增量延迟，并使得到的延迟波形对邻近延迟单元和换能器元件阵列可用。
【附图说明】
[0007]当参照附图阅读以下的详细描述时，其中附图的相似特征通篇表示相似部件，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中:
[0008]图1示出根据本公开的实施例的超声成像系统；
[0009]图2示出根据本公开的实施例的超声成像系统探头的电路；
[0010]图3示出根据本公开的实施例的超声成像系统的探头的波形延迟电路；
[0011]图4示出根据本公开的实施例的波形延迟电路的火延迟单元；
[0012]图5示出根据本公开的实施例的波形延迟电路的dj￡迟单元；
[0013]图6示出根据本公开的实施例的波形延迟电路的dj￡迟单元；
[0014]图7示出根据本公开的实施例的具有全局波形输入线的一系列4延迟单元；
[0015]图8示出根据本公开的实施例的延迟曲线图，其可允许在专用集成电路上通过脉冲发生器产生的超声脉冲的波束成形；
[0016]图9示出根据本公开的实施例的延迟曲线图，其可允许通过超声成像系统产生的超声脉冲的波束成形并且对应形成延迟曲线的大量延迟和精细延迟；
[0017]图10示出根据本公开的实施例的延迟曲线图，其可允许通过超声成像系统产生的超声脉冲的波束成形并且对应形成延迟曲线的大量延迟和精细延迟；
[0018]图11示出根据本公开的实施例的延迟曲线图，其可允许通过超声成像系统产生的超声脉冲的波束成形并且对应形成延迟曲线的大量延迟和精细延迟；并且
[0019]图12示出根据本公开的实施例的延迟曲线图，其可允许通过超声成像系统产生的超声脉冲的波束成形并且对应形成延迟曲线的大量延迟和精细延迟。
【具体实施方式】
[0020]如下面进一步详细描述的，提供了与成像系统在通信上耦合的超声探头的各种实施例，其关于靠近超声探头的波形生成。在一个实施例中，超声探头是电子的，可重用的，能够用于多个独立换能器元件的精确波形计时和复杂波形整形，并能够传送模拟或数字数据至成像系统。公开的实施例包括各种探头，其容纳专用集成电路(ASIC)上的一个或多个波形发生器。上述特征，除其它以外，还可具有减少与超声阵列结合使用的ASIC的尺寸、复杂度和功耗的效果。确定大小并配置ASIC以在相对低的功耗下在小的空间中工作。然而，用于超声阵列的激励序列和用于操纵和/或聚焦超声波束的信号处理负载相对较高。
[0021]在具体的实施例中，超声阵列和其关联的发送和接收处理电路(即关联的ASIC)可大小上接近一比一实现，使得用在ASIC上的每个元件互连的发送/接收电路的阵列可与阵列本身直接耦合。随着阵列元件数量的增加，关联的ASIC的复杂度也增加。然而，可实现超声探头，其中为超声阵列中的每个阵列元件包含专用波形发生器，这样的设置导致每个元件的大量电路，以及来自专用波形发生器信号从ASIC外设至阵列核心的信号的可能复杂路由。此外，这种布置可以是功率密集和空间限定的。
[0022]在此提供超声探头和关联的ASIC，其使用德尔塔延迟(delta delay、Δ delay)技术以解决一些或全部上述问题。例如，在提供的ASIC中，德尔塔延迟电路块接收数字编码波形并使此波形对邻近德尔塔延迟块可用。在某些实施例中，每一德尔塔延迟块在传送波形至邻近块之前可增加可选延迟。这种德尔塔延迟块可每个元件提供一个，或在ASIC上存在的元件组提供一个。以这种方式，ASIC可产生确定超声阵列中子元件的激励序列的信号。利用激励序列，ASIC可操纵和聚焦超声束以产生期望的波束成形形状。在此公开的技术使用德尔塔延迟块，利用减少数量的波形发生器传送波形信号至超声阵列的子元件。波形发生器数量的减少使得ASIC功率敏感性较小并使得所需电路占据较小的空间。
[0023]如图1所示，超声成像系统10可包括各种组件，其包括在超声检查期间接触病人的手持探头12。在描绘的实施例中，手持探头12通过诸如有线或无线通信链路与超声系统或站14通信，其中超声系统或站14控制探头12的操作和/或处理通过探头12获取的数据。
[0024]在一个实施例中，探头12包括朝向或接触病人表面，其包括具有多个换能器元件18的换能器阵列16，当通过探头12中ASIC的波形发生器产生的脉冲式波形激励时，换能器元件中的每一个都能产生声学能量。例如从病人的组织反射回换能器阵列16的声学能量，通过阵列16的换能器元件18转换成电信号，并且电信号传送至站14的接收电路22用于进一步处理以产生一个或多个超声图像。如将理解的，在此使用的术语“电路”可描述硬件、软件、固件或这些的某个组合，其配置或设计成提供所述功能，诸如发送波束成形、接收波束成形和/或扫描转换。
[0025]接收电路22在控制器28的控制下操作，其可响应从操作人员如通过一个或多个用户输入设备30 (如键盘、触摸屏、鼠标、按钮、开关等等)接收的命令而操作。此外，在一些实施例中，控制器28可发送数字波形或控制信号至探头12中的ASIC。在一个实施例中，控制器28可实施为一个或多个处理器，例如与站14的其它相应电路和/或组件通信的通用或专用处理器。
[0026]在操作中，通过使用探头12和站14执行超声扫描以获得响应于传送至病人组织的声学能量产生的一系列回波。在这种扫描中，对换能器元件18供能以传送声学能量。在结构或结构界面反射后，声学能量可产生回波信号。由每个换能器元件18接收的回波信号传送至接收电路22。来自每个换能器元件18的单独回波信号在接收电路22合并成信号，其用于在站14中或与站14通信的显示器34上显示图像中生成线。
[0027]在一个实施例中，发送电路20可配置成操作换能器阵列16使得发射的声学能量被引导或操纵为束。例如，探头12中的ASIC可施加相应时间延迟以产生施加于相应换能器元件18的暂时偏移脉冲式波形。这些暂时偏移导致相应换能器元件18的激励时间不同，使得由换能器阵列16发射的声学能量的波前在相对于换能器阵列16表面的特定方向上有效地操纵或引导。因此，通过调整与对相应传感器元件18供能的脉冲式波形相关的时间延迟，超声束可被引导朝向或背离与换能器阵列16表面成特定角度(Θ)相关的轴并聚焦在距离病人组织固定距离R处。在这种实施中，扇形扫描可通过在连续激励中逐渐改变的时间延迟来执行。因此，逐渐改变角度Θ以操纵在连续操纵方向中的发射束。
[0028]由声学能量的每个突发产生的回波信号通过结构或结构界面反射，其中结构或结构界面位于沿超声束的连续范围。回波信号通过每个换能器元件18单独感测并且特定时间点的回波信号幅度样本表示特定范围处发生的反射量。然而，由于反射结构和每个换能器元件18之间传播路径的差异，这些回波可能不被同时检测。因此，在一个实施例中，接收电路22放大单独的回波信号，对每一个信号施加合适的时间延迟，并对其求和以产生单个回波信号，其表示从位于范围R的点或结构