专利名称：使用子阵列的多行波束形成扩展的制作方法
技术领域：
本公开内容总体上涉及超声波系统中的微波束形成并且尤其涉及一种用于借助新颖的后处理技术来增加图像分辨率的方法。
背景技术：
相控阵列超声波成像系统把超声波能量脉冲指向物体(典型情况下为人体)，并且根据从身体的组织和结构所反射的能量来创建身体的图像。可以借助于“波束形成(beamforming)”来沿着“扫描行”集中所发送的能量，所述“波束形成”即通过向单个传感器的输出应用各种时间延迟来沿着扫描行集中传感器阵列的技术。
当今使用的大部分可买到的相控阵列超声波成像系统被称为“多行波束形成”的技术来改进它们的图像帧更新速率。此技术依赖于这样的事实，虽然所发送的能量沿着扫描行只可以集中在单个点上，然而可以在沿着该行的每个点动态地集中接收器。因而，可以在由发送波束所覆盖的区域内定位多个接收波束。
用于实现这种“N度多行接收”波束形成器的最通用技术是产生单行波束形成器的N个拷贝并且并行地操作所述拷贝，或者构建比单行波束形成器所要求的要快N倍的硬件并且在每个发送事件运行所述硬件N次。由Lipschutz在专利(美国专利号5,469,851)中描述了此技术的例子。
此公开内容提供了这种系统和方法，用于只使用N/M完全能力的波束形成器来产生N个多行波束，所述波束形成器能够根据元素子组来生成部分和。M取决于在成像频率的波长中所测量的换能器的每个信道的元件间距。所公开的主题通过把必要波束形成器的数目减少为M分之一来降低常规的数字多行波束形成技术的成本和功率需求。
根据本公开内容，这些及其它优点以及附加发明特征将变得更加清楚。
为了更完整地理解本公开内容及其优点，现在结合附图来参考下列简短描述，其中相同的参考数字指代相同的特征。
图1图示了使用所要求主题的示例性波束形成器。
图2图示了在图1中所引入的波束形成器系统的多行扩展器组件。
图3是用于实现所要求主题的实施例的过程的流程图。
具体实施例方式
此公开内容提供了用于再分组接收器信道并且多次处理每个子信道以便根据单组接收器信号来生成多个扫描行的超声波波束形成器的例子。所公开的主题通常使用N/M完全能力波束形成器来产生N个多行扫描行。M取决于在成像频率的波长中所测量的换能器的每个信道接收器的元件间距。下述例子使用一百二十八(128)个信道相控阵列波束形成器，不过该技术适用于任意数目的信道。
结合附图根据其余详细说明，本发明的其它方面、目的和优点将变得更加清楚。
图1图示了使用所要求主题的示例性波束形成系统100。在此例子中，N是四(4)并且每个子组由十六个(16)信道组成。在波束形成中不会产生显著误差的情况下，M可以大到二(2)。为了降低常规的数字多行波束形成器系统的成本和功率需求，所公开的技术把这种系统中必要的波束形成器的数目减少为M分之一。
波束形成器系统100包括一百二十八个(128)信道接收器102，用于接收从一个或多个发送器(未示出)所发送的能量。遍及此说明书，借助于方括号(“[]”)内的数字来指代具体信道和信道子组，例如信道0-7被指代为“ch
”而信道0、7、15和23被指代为ch
。
接收器102的信道ch
被再分成四个(4)三十二(32)信道子组，每个子组由2个单扫描行(1X)波束形成器来处理。更具体地说，信道ch
105由1X波束形成器111和113来处理，信道ch[32-63]106由1X波束形成器113和114来处理，信道ch[64-95]107由1X波束形成器115和116来处理，信道ch[96-127]108由1X波束形成器117和118来处理。
波束形成器111、113、115和117分别向多行扩展器132输出信号121、123、125和127。下面结合图2更详细地描述了多行扩展器132。多行扩展器132的输出包括两个(2)波束形成器信号141和142，所述波束形成器信号141和142被发送到数字信号处理器146以便进一步处理。波束形成器信号141和142表示根据接收器102的128个信道ch
所产生的两个(2)不同的扫描行。
依照类似方式，波束形成器112、114、116和118分别向多行扩展器134输出信号122、124、126和128。下面结合图2更详细地描述了多行扩展器134。多行扩展器134的输出包括两个(2)波束形成器信号143和144，所述波束形成器信号143和144被发送到数字信号处理器146以便进一步处理。波束形成器信号143和144表示根据接收器102的128个信道ch
所产生的两个(2)不同的扫描行。
遍及本说明书的其余部分，信号141被指代为“波束A”，信号142被指代为“波束B”，信号143被指代为“波束C”并且信号144被指代为“波束D”。通过从接收器102产生四个(4)不同的扫描行，系统100与典型的多行波束形成系统相比能够利用较少的硬件来增加合成图像的分辨率。此特征在被设计成用于实时再现三维(“3D”)图像的波束形成系统中是特别有意义的。
图2更详细地图示了波束形成器系统100的多行扩展器132，它们都在上面结合图1引入。扩展器132的输入包括信道ch
，被组织为子组121、123、125和127(图1)。扩展器132的输出包括两个(2)波束形成器信号，波束A 141和波束B 142(图1)。
子组121、123、125和127均被发送到两个(2)延迟块。特别地是，子组121被发送到延迟子模块151和152，子组123被发送到延迟子模块153和154，子组125被发送到延迟子模块155和156并且子组127被发送到延迟子模块157和158。
延迟子模块151-158的每个由延迟控制模块(DCM)161-164之一控制，所述延迟控制模块随后由主延迟控制(MDC)模块180控制。特别地是，延迟子模块151和152由DCM 161控制，延迟子模块153和154由DCM 162控制，延迟子模块155和156由DCM 163控制，并且延迟子模块157和158由DCM 164控制。延迟子模块151-158均由它们各自的DCM 161-164控制以调整施加到每个子组121、123、125和127的延迟量。所施加的具体延迟是期望成像深度的函数。DMC 151-158分别生成信号171-178。
示例性的求和模块166和168组合来自各自子组的输出以便形成完全波束形成的结果波束A 141和波束B 142。特别地是，求和模块166组合信号171、173、175和177以便生成波束A 141并且求和模块168组合信号172、174、176和178以便形成波束B 142。
依照这种方式，波束形成器系统100从接收器102产生四个(4)不同的扫描行，即波束A 141、波束B 142、波束C 143和波束D 144，与典型的波束形成系统相比利用较少的硬件增加了系统100的分辨率。如上面结合图1所述，此技术在被设计成用于实时再现三维(“3D”)图像的波束形成系统中是特别有意义的，这是因为使用与典型的单扫描行波束形成系统相同的发送器和接收器硬件来生成多个扫描行。
下表示出了在这种情况下具有四十(40)个信道接收器(未示出)的波束形成系统所估算的时延误差。四十(40)个信道被再分组为五个(5)组，每组具有八个(8)信道。在此例子中，所产生波束的固定角度等于零度(0°)并且焦深等于八十(80)毫米(mm)。实际角度为两度(2°)并且实际深度是八十(80)mm。信道间距是0.250mm，声速是0.650usec/mm，完全能力波束形成器延迟量化为0.006usec并且多行扩展器延迟量化等于0.025usec。
上表的意义在于误差率小于或非常接近于系统的容差(在这种情况下为0.25usec)，并因而实际上是不可检测的。
图3是用于实现所要求主题的实施例的过程200的流程图。过程200在“开始”块202开始并且立即进行到“接收信号”块204，在此期间接收来自波束形成系统(诸如图1的波束形成系统100)中的一组发射器的信号。在“组信号”块206期间，在块204期间所接收的信号被分组为子组，每个子组典型情况下表示彼此邻近的发送器。在上面结合图1和2所描述的例子中，存在四个(4)子组，不过可以使用其它数目的子组。
在“定义扫描行”块208期间，根据换能器和子组的数目，来确定可以根据可用数据所产生的不同扫描行的数目。在图1和2的例子中，定义了两个(2)不同的扫描行，不过此数目可以取决于换能器和子组的数量而改变。在“处理子组”块210期间，在块206中所定义的每个子组的块204期间所接收的每个信号被拆分，使得对于在块208中所定义的每个扫描行来说存在不同的信号。换句话说，使用上面例子，复制每个信号使得每个扫描行可以由所有信号的拷贝组成。然后，对应于每个扫描行的每个信号被时延适当的量以便产生各自的扫描行。
在“相关信号”块212期间，来自每个子组的时延信号根据它们各自的扫描行而被相关并且用于表示每个扫描行的信号被一起求和以便生成每个扫描行。在“产生多行输出”块214期间，根据时延以及求和的信号组来生成扫描行，每个扫描行由来自每个信号的信息组成。依照这种方式，根据单组信号来生成多个扫描行。最后，在“结束”块299中，过程200完成。
在此文档的范围内，“存储器”或“记录介质”可以是任何装置，用于包含、存储、传送、传播或传输供指令执行系统、设备或装置使用或结合其使用的程序和/或数据。存储器和记录介质可以是但不局限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、设备或装置。存储器和记录介质还包括但不局限于例如以下所述便携式计算机软盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪速存储器)和便携式光盘只读存储器或其上可以存储程序和/或数据的其它适当的介质。
另外，本公开发明的方法可以用软件、硬件或软件和硬件的组合来实现。硬件部分可以使用专门逻辑来实现；软件部分可以被存储在存储器中并且由适当的指令执行系统来执行，所述指令执行系统诸如但不局限于微处理器。
在本发明所描述实施例的上下文内(特别是在以下权利要求的上下文中)术语“一个”和“一种”和“所述”及类似指代物的使用将被解释为覆盖了单个和多个的情况，除非这里另外表明或者清楚地与上下文相矛盾。除非另有说明否则术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”将被解释为开放术语(即，意指“包括但不限于”)。除非这里另有表明，否则这里数值范围的列举仅仅意在充当用于分别指代属于该范围的每个独立值的简写方法，并且每个独立值被并入说明书中就好像分别地在这里列举一样。除非这里另有表明或上下文清楚地相矛盾，否则这里所描述的所有方法可以依照任何适当的次序来执行。这里所提供的任何和所有例子或示例性语言(例如“诸如”)的使用仅仅意在更好地阐明本发明的实施例并且除非另外声明否则并不限制本发明的范围。说明书中的任何语言都不应当被解释为表明任何所未要求的元素对于实施本发明来说是必要的。
这里描述了本发明的优选实施例，包括发明人所知用于实现本发明的最佳方式。当阅读上述描述时，那些优选实施例的变化对本领域普通技术人员来说是显而易见的。发明人预计到技术人员可以适当地使用这种变化，并且发明人意欲本发明可以在这里所特别描述之外的情况下实施。例如，可以实现不同数目的信道、延迟子模块、求和子模块和输出波束。据此，本发明包括适用法律所允许的所附权利要求中讲述主题的所有修改和等效物。此外，除非这里另有表明或上下文清楚地相矛盾，否则本发明包含上述元素在其所有可能变化中的任何组合。
权利要求
1.一种使用子阵列来多行波束形成的方法，包括接收多个信号，每个信号对应于换能器阵列中的唯一换能器；把多个换能器中的换能器和相应的信号分组为子阵列，其中每个子阵列内的换能器是相邻的；对应于图像定义两个或更多个不同的扫描行；处理每个信号子阵列使得每个子阵列生成两个或更多个波束，每个波束对应于两个或更多个扫描行中的不同扫描行；使所述信号相关到子组中，每个子组对应于所述两个或更多个扫描行中的不同扫描行；求和每个子组内的分量信号；并且对应于所述图像产生多行输出，其中对应于相应的新子组，多行输出的每行对应于特定的扫描行。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述换能器阵列是一百二十八个(128)信道相控阵列波束形成器。
3.如权利要求2所述的方法，其中存在十六个(16)子阵列。
4.如权利要求3所述的方法，其中十六个(16)子阵列中的每个子阵列包括八个(8)信道。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述多行输出是四个(4)行输出。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述换能器阵列中的换能器处于lambda/2间距。
7.如权利要求1所述的方法，还包括根据在成像频率的波长中所测量的换能器的每个信道间隔来优化所述波束形成器的输出。
8.一种多行波束形成系统，包括换能器阵列，其中每个换能器对应于所反射的信号产生信号；用于把换能器阵列中的换能器和相应的信号分组为子阵列的逻辑，其中每个子阵列内的换能器是相邻的；两个或更多个波束，每个波束对应于特定的子阵列和相应的唯一扫描行；用于使所述信号相关到子组中的逻辑，每个子组对应于不同的波束；用于求和每个子组内的分量信号的求和模块；和多行输出，其中所述多行输出中的每行对应于不同的扫描行。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述换能器阵列是一百二十八个(128)信道相控阵列波束形成器。
10.如权利要求9所述的系统，其中存在十六个(16)子阵列。
11.如权利要求10所述的系统，其中十六个(16)子阵列中的每个子阵列包括八个(8)信道。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述多行输出是四个(4)行输出。
13.如权利要求8所述的系统，其中所述换能器阵列中的换能器处于lambda/2间距。
14.如权利要求8所述的系统，还包括用于根据在成像频率的波长中所测量的换能器的每个信道间隔来优化所述波束形成系统的输出的逻辑。
15.一种计算机程序产品，包括存储器，在所述存储器上所存储的、用于接收多个信号的逻辑，每个信号对应于换能器阵列中的唯一换能器；在所述存储器上所存储的、用于把多个换能器中的换能器和相应的信号分组为子阵列的逻辑，其中每个子阵列内的换能器是相邻的；在所述存储器上所存储的、用于对应于图像定义两个或更多个不同扫描行的逻辑；在所述存储器上所存储的、用于处理每个信号子阵列使得每个子阵列生成两个或更多个波束的逻辑，每个波束对应于两个或更多个扫描行中的不同扫描行；在所述存储器上所存储的、用于使所述信号相关到子组中的逻辑，每个子组对应于两个或更多个扫描行中的不同扫描行。在所述存储器上所存储的、用于求和在每个子组内分量信号的逻辑；和在所述存储器上所存储的、用于对应于所述图像产生多行输出的逻辑，其中对应于相应的新子组，多行输出中的每行对应于特定的扫描行。
16.如权利要求15所述的计算机程序产品，其中所述换能器阵列是一百二十八个(128)信道相控阵列波束形成器。
17.如权利要求16所述的计算机程序产品，其中存在十六个(16)子阵列，十六个(16)子阵列中的每个子阵列包括八个(8)信道。
18.如权利要求17所述的计算机程序产品，其中所述多行输出是四个(4)行输出。
19.如权利要求15所述的计算机程序产品，其中所述换能器阵列中的换能器处于lambda/2间距。
20.如权利要求5所述的计算机程序产品，还包括在所述存储器上所存储的、用于根据在镜像频率的波长中所测量的换能器的每个信道间隔来优化所述波束形成器的输出的逻辑。
全文摘要
提供了一种多行波束形成器(100)，用于通过在由发送波束所覆盖的区域内定位多个接收波束来产生多行输出(141－144)。使用N/M完全能力波束形成器(111－116)通过根据所述波束形成器(111－116)的元件的子组(105－108)生成部分和(121－128)来产生N个多行波束，其中M取决于在成像频率的波长中所测量的每个信道的元件间距。
文档编号G01S7/52GK1977185SQ200580021893
公开日2007年6月6日 申请日期2005年6月28日 优先权日2004年6月30日
发明者T·J·亨特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司