声学信号相位旋转处理器的制作方法

以下总体涉及声学，并且针对超声成像的具体应用进行描述；然而，以下还适用于声纳、雷达、非破坏性评估、和/或其他相位相干性声学信号相干检测和/或处理应用。
背景技术：
：超声成像系统提供关于被检查的物体或对象的内部特性的有用的信息。超声B-模式图像包括与反射的声学信号在每个成像点处的幅度有关的灰度信息。图像对比的不同形式(例如，组织弹性、声音速度、光学吸收、空间相干性等)提供额外的有用的信息。超声图像的质量取决于许多因素。这样的因素的范例包括但不限于声学传播、反射、以及衍射现象的物理学。超声图像的质量还受声学回波被前端模拟/数字硬件进行采样的方法影响。超声图像的质量还受随后由波束形成器对采样的声学回波进行处理的方法影响。文献已经集中于波束形成策略。这些策略在从被动技术(例如切趾、空间复合、频率复合、编码激励等)到数据自适应技术(例如，最小方差无失真响应、Capon、相干性处理、相位相干性处理、空间相干性处理等)的范围变动。然而，这些技术中的大部分，如果不是全部的话，提供分辨率、对比、信噪比(SNR)、计算复杂性、和/或伪影抑制之间的平衡。医学超声中的趋势已经是实时3D成像的进展和大的换能器元件计数(例如，大于一千个(1000)换能器元件)二维(2D)相位阵列的应用。遗憾的是，在阵列中使用这样的大数量的换能器元件所消耗的处理需求以及硬件复杂性强加了对在数据处理期间采用的处理策略的更进一步限制。技术实现要素：本申请的各方面解决以上问题和其他问题。在一个方面中，一种超声成像系统包括多个处理链，包括针对每个换能器元件信道的至少一个处理链。所述多个处理链中的处理链包括：相位旋转处理器，其通过借助于相位相加或相减的相位旋转来集中在对应的换能器元件信道上接收的模拟RF信号的N-比特数字表示，并且输出经集中的N-比特量化值，其中，N是预定的正整数。在另一方面中，一种方法包括，通过包括相位相加或相减的相位旋转来对模拟RF超声信号的仅相位的多个数字表示进行处理，由此生成针对所述多个数字表示的量化值；并且根据所述量化值生成针对所述多个数字表示的集中的量化值。在另一方面中，一种系统包括装置，所述装置包括显示器、具有指令的存储器、以及对所述指令进行处理的处理器。所述处理器响应于执行所述指令而通过借助于相位相加或相减并且没有相乘的相位旋转来集中相位相干性模拟信号的N-比特数字表示，根据经集中的N-比特数字表示来确定相位相干性信息；并且经由所述显示器显示所述相位相干性信息。本领域技术人员在阅读并且理解所附说明书后，将认识到本申请的其他方面。附图说明本申请在所述附图的图中以范例并非限制的方式进行图示，在附图中，相似的标记指示类似的元件，并且其中：图1示意地图示了至少包括I/O采样器、数字转换器、相位旋转处理器和相干性处理器的超声成像系统；图2图示了I/O采样器、数字转换器、相位旋转处理器和相干性处理器的示例性配置；图3示出了针对2-比特相位数字化而被数字转换器分为四分之一圆的单位圆；图4示出了针对3-比特相位数字化而被数字转换器分为八分之一圆的单位圆；图5图示了用于针对信道的I/Q样本对的2-比特相位数字化的示例性数字转换器；图6图示了用于信道的I/Q样本对的3-比特相位数字化的示例性子数字转换器；图7示意地图示了被配置为手持设备的超声成像系统；图8示意地图示了包括单独的探头、控制台和显示器的超声成像系统；并且图9图示了用于声学信号相位相干性处理的示例性方法。具体实施方式图1示意地图示了诸如超声成像系统100的声学系统。备选地或额外地，所述声学系统能够包括声纳、雷达、非破坏性评估、和/或其他相位相干性声学信号检测和/或处理系统。图示的超声成像系统100包括一个或多个换能器阵列102。一个或多个换能器阵列102能够包括但不限于1D阵列、1.5D阵列、1.75D阵列、2D阵列、和/或(一个或多个)其他阵列中的一个或多个。换能器阵列102中的每个包括一个或多个换能器元件104。元件的阵列能够包括线性的、弯曲的、和/或其他形状的阵列、和/或完全填充的、稀疏的等等的阵列。超声成像系统100还包括发射电路106，发射电路106控制换能器阵列102的一个或多个换能器元件104的激励以发射超声信号。超声成像系统100还包括接收电路108，所述接收电路108具有将RF模拟(回波)信号从换能器元件104发送到超声成像系统100的其他部件以便进行处理的信道。超声成像系统100还包括I/Q采样器110。在一个实例中，I/Q采样器110在模拟域中采集样本的I/Q对。这能够利用各种方法来实现。Ranganathan,K等人的“DirectsampledI/Qbeamformingforcompactandverylow-costultrasoundimaging”(IEEETrans.Ultrasonics,Ferroeclectrics,andFreq.Control，第51卷(9),2004年9月,第1082-94页)中描述了合适的方法的范例。借助于该方法，基于标称载波频率以四分之一周期的采样间隔对回波进行采样，以产生复合的IQ数据对，相对于在每个信道以高采样率进行采样的完整时间记录被存储的配置，这降低了采样速率。例如，对于每个信号周期的一个I/Q对和5MHz的中心频率，相对于以40MHz采集均匀地间隔开的样本的配置，数据带宽中的四(4)的量级的减少能够被实现。本文中也预期其他方法。超声成像系统100还包括数字转换器112。数字转换器112将接收电路108的每个信道上的每个I/Q对的相位量化为N-比特(其中N是正整数)表示。如在下面更详细地描述的，这能够通过至少一组比较器并且取决于N的值、一组模拟极性逆变器而被实现。相位数字转换器112的相位分辨率对应于用来数字化针对每个I/Q对的相位信息的比特数。示例性比特数包括每个I/Q样本对的二(2)、三(3)、四(4)、或更多。每个I/Q样本对的二或3-比特可以提供数据带宽的相对于具有10-12比特幅度分辨率的配置的6.7至12减少的因子。在I/Q采样器110被省略并且传统的延迟(例如，RF采样方案(诸如40MHz)、IQ解调等)和求和波束形成器被使用的配置中，数字转换器112能够对延迟和切趾(加权)操作之后的相位信息进行量化。在另一范例中，相位量化不必在延迟和切趾之后。本文中也预期其他方法。超声成像系统100还包括相位旋转处理器114。相位旋转处理器114接收与针对换能器元件104中的每个的接收电路108的每个信道上的信号的相位(而非幅度)相关联的N-比特量化值。如在下面更详细地描述的，相位旋转处理器114例如通过相位旋转来集中(时间延迟)针对接收电路108的信道的N-比特量化值。在一个实例中，这能够在没有任何相乘的情况下通过相位相加或相减来实现，但是相乘能够被应用。被应用的延迟/被应用的相位旋转可以遵循预定的或其他延迟曲线。超声成像系统100还包括相位相干性处理器116。相位相干性处理器116对接收信道1081、…、108i、…、108K的时间对齐的N-比特量化值进行处理，生成表示潜在的N-比特量化值的相位相干性的信号。对于更低的N值，相位相干性处理器116相对于更高的N值处理更少的数据。计算复杂性的节省致使该处理很好地适于更大的数据应用，诸如处理利用2D阵列、体积成像等采集的数据。超声成像系统100还包括显示器118。相位相干性处理器116经由显示器118视觉地呈现相干性信息。超声成像系统100还包括用户接口120。用户接口120包括(一个或多个)输入装置(例如，鼠标、键盘、触摸控制装置等)，所述输入装置允许用户与系统100互动。超声成像系统100还包括控制器122。控制器122对一个或多个换能器阵列102、一个或多个换能器元件104、发射电路106、接收电路108、I/O采样器110、数字转换器112、相位旋转处理器114、相干性处理器116、显示器118、和用户接口120进行控制。这包括控制这些部件中的一个或多个用于A-模式、B-模式、C-扫描、和/或其他超声成像，包括相位相干成像。I/Q采样器110、数字转换器112、相位旋转处理器114、或相干性处理器116中的至少一个通过硬件(例如，ASIC、IC、FPGA等)和/或一个或多个计算机处理器(例如，微处理器、控制处理单元、控制器等)来实现，所述一个或多个计算机处理器执行被编码在或被记录在计算机可读存储介质(其不包括暂态介质)例如物理计算机存储器上的一个或多个计算机可读指令，这引起一个或多个计算机处理器执行在本文中描述的各种动作和/或功能、和/或其他动作和/或功能。额外地或备选地，一个或多个计算机处理器能够执行由暂态介质(例如信号或载波)携带的指令。转向图2，图示了换能器元件104的子集，接收电路108、I/Q采样器110、针对子集的数字转换器112和相位旋转处理器114、以及相干性处理器116的范例。在该范例中，换能器元件104的子集包括换能器元件1041、…、104i、…、104K(其中K是正整数，并且i＝1至K)。换能器元件104的子集接收对应于结构204的回波202。在图示的范例中，换能器元件1041、…、104K中的每个包括其自己的处理链2061、…、206i、…、206K。处理链2061、…、206i、…、206K中的每个包括接收信道1081、…、108i、…、108K和子-I/Q采样器1101、…、110i、…、110K，并且子-I/Q采样器1101、…、110i、…、110K中的每个包括子-数字转换器1121、…、112i、…、112K和子-相位旋转处理器1141、…、114i、…、114K。在变型中，处理链能够包括多于一个子-I/Q采样器110、子-数字转换器112和/或子-相位旋转处理器114。图示的相位数字转换器112将相位信息量化为N-比特表示。在该范例中，相位数字转换器112基于将单位圆分为2N个区段来对相位信息进行量化。结合图3和4示出了这样的范例。在图3中，对于2-比特相位数字化，单位圆302被分为四分之一圆304、306、308和310。轴312表示I/Q对的I样本，并且轴314表示I/Q对的Q样本。采样的I/Q对的相位能够被量化为如在表1中示出的四个四分之一圆。在表1中，“+”指示正极性，而“-”指示负极性，两者都是关于模拟参考。IQ相位量化数字表示++0°11-+90°01--180°00+-270°10表1：针对2-比特相位数字化的相位量化。在图4中，针对3-比特相位数字化，单位圆302被分为八分之一圆402、404、406、408、410、412、414和416。针对3-比特相位数字化，I/Q对的相位能够根据表2被量化为8个八分之一圆。在表2中，“+”和“-”具有与在表1中相同的意义，但是添加了第三比较以确定I与Q样本之间的相对量值。IQ|I|？|Q|相位量化数字表示++|I|>|Q|0°111++|I|<|Q|45°110-+|I|<|Q|90°010-+|I|>|Q|135°011--|I|>|Q|180°001--|I|<|Q|225°000+-|I|<|Q|270°100+-|I|>|Q|315°101表2：针对3-比特相位数字化的相位量化。在表2中，虽然在3-比特情况下相位的数字化针对每个相位区间(phasebin)产生独一无二的数字值，但是二进制值增量不与增加的相位成顺序。在该范例中，二进制值遵循格雷编码的形式，其中仅单个比特在当在相邻的四分之一圆(2-比特的情况)或八分之一圆(3-比特的情况)之间转变时的时候发生改变。这能够在利用查询表(LUT)或数字逻辑进行处理之前被考虑。图5示出了图2中的子数字转换器1121、…、112i、…、112K中的一个的范例，其用于利用表1的相位量化对在模拟域中采集的样本的I/Q对进行2-比特相位数字化。为了简洁和解释目的，图5将会参考子-数字转换器112i进行描述。然而，该描述应用于所有子-数字转换器1121、…、112i、…、112K。在变型中，子-数字转换器1121、…、112i、…、112K中的至少一个是能够不同的。I比较器502包括接收I样本506的正输入部或第一输入部504和接收参考信号510的负输入部或第二输入部508。参考信号510能够是电压、电流或其他量。在该范例中，参考信号510是电接地的。在其他实施例中，其他参考信号能够被使用。I比较器502基于输入信号确定样本506相对于参考信号是正还是负。I比较器502输出表示该确定的信号(b0)512。Q比较器514包括接收Q样本518的正输入部或第一输入部516和接收参考信号522的负输入部或第二输入部520。在该范例中，参考信号522与参考信号510相同。在变型中，参考信号522能够与参考信号510不同。Q比较器514基于输入信号确定Q样本518相对于参考信号是正还是负。Q比较器514输出表示该确定的信号(b1)524。图6示出了图2的子-数字转换器1121、…、112i、…、112K中的一个的范例，其用于利用表2的相位量化对在模拟域中采集的样本的I/Q对进行3-比特相位数字化。为了简洁和解释目的，图6将会参考子-数字转换器112i进行描述。然而，该描述应用于所有子-数字转换器1121、…、112i、…、112K。在变型中，子-数字转换器1121、…、112i、…、112K中的至少一个能够是不同的。图6包括具有额外的比较器600以及模拟极性逆变器604和606的图5的电路。额外的比较器600包括正输入部或第一输入部608和负输入部或第二输入部610。正输入部或第一输入部608接收模拟极性逆变器604的输出作为输入。负输入部或第二输入部610接收模拟极性逆变器606的输出作为输入。额外的比较器600比较极性逆变器604与606的输出，并且产生表示I与Q模拟样本之间的量值的输出信号(b2)602。模拟极性逆变器604和606能够用来帮助确定I与Q模拟样本的相对量值。这能够通过以下来实现：如果模拟样本为正则使模拟样本不变或者如果模拟样本为负则逆变模拟样本。对I和Q的正/负确定已经通过比较器502和514来实现，因此它们的输出512(b0)和524(b1)能够分别作为控制信号612和614用来确定极性逆变器604和606是否执行极性逆变。即，控制信号612(或614)引起极性逆变器604(或606)响应于控制信号612(或614)为负而执行极性逆变。在一个实例中，极性逆变器604和606包括一对单位增益缓冲器，一个逆变并且一个非逆变，其输出基于控制信号而被多路复用。在另一实例中，极性逆变器604和606通过切换电容技术被实施，以执行逆变。如果接收电路108是不同的(相比于单端的)，那么极性逆变器604和606能够通过交换信号路径的两个不同的分支的一组开关被实施。该方法将会增加极小的面积并不消耗额外的静态功率，两者对于高信道数系统是有利的。比较器502、514和600应当具有足够的增益、低噪声和极小偏移以减少量化噪声，所述量化噪声是在区分区间边界附近的相位方面的误差。然而，相比于用于10-比特中的类似的比较器电路或更大的高速模数逆变器，速度要求被显著缓解。图3-6和表1和2示出了用于2和3-比特相位数字化的范例。然而，应认识到，数字转换器112(图1和2)能够针对多于3比特的相位量化进行实施。这样的变化可以包括额外的电路。返回到图2，子-相位旋转处理器1141、…、114i、…、114K分别集中(时间延迟)接收信道1081、…、108i、…、108K的N-比特量化值。在该范例中，子-相位旋转处理器1141、…、114i、…、114K中的每个被配置为通过在没有任何倍增的情况下通过相位相加或相减的相位旋转来集中接收信道1081、…、108i、…、108K中的对应的一个的N-比特量化值。然而，倍增能够被应用。在该范例中，图示的子-相位旋转处理器1141…114i…114K中的每个仅包括每个信道的单个或一个复合权重。在变型中，子-相位旋转处理器1141…114i…114K可以包括FIR处理器(每个信道上具有多个抽头(tap)、权重)，所述FIR处理器使用每个信道上的多个样本(复合相位)作为到相干性处理器内的输入。相位相干性处理器116处理时间对齐的N-比特量化值，并且生成表示潜在的N-比特量化值的相位相干性的值。在一个实例中，这包括用为了示出关于感兴趣的组织或区域的相关信息的方式来对数据进行分析。这样的信息表示用于超声成像的图像对比的新的形式，指示感兴趣的组织是否存在。这样的信息还包括在B-模式下不清楚并且没有斑点伪影的信息。合适的相位相干性处理方法的范例包括但不限于相位相干性因子方法、符号相干性因子方法、和短滞后空间相干性(SLSC)度量方法。相位相干性因子和符号相干性因子方法测量预先对信道数据中的相位的散布进行求和。SLSC度量方法利用预先求和的相位旋转数据的短滞后处的真实(非复合)数据来计算归一化的互相关。仅相位SLSC度量方法利用具有变化的比特分辨率的复合相位进行计算。考虑到计算预先求和的数据的互相关的计算负担，该方法(仅相位)的优点是降低的计算复杂性，更不用说降低前端接收电子器件的复杂性的显著可能。能够对仅相位集中的数据进行计算的另一相干性度量是正交相干性因子(QCF)。M元件的一维(1D)孔隙的QCF因子方法能够如下地进行计算。在包括MIQ对的集中的复合孔隙数据的情况下，其中数据是具有N-比特量化的仅相位表示，针对IQ数据(四分之一圆抽取)的1.5-比特量化能够如下地被实现：如果I＝＝0，则I＝0；如果I>0，则I＝1；如果I<0，则I＝-1；如果Q＝＝0，则Q＝0；如果Q>0，则Q＝1，并且如果Q<0，则Q＝-1。对于1.5-比特表示和跨过孔隙的完全相干性，I和Q分量能够被如下地相干性地求和：和(IQ)＝M+jM，其中j是sqrt(-1)。得到的向量的量值能够如下地被计算并且被归一化。对于1.5-比特表示和跨过孔隙的完全相干性，QCF(k)＝Sqrt((M+jM)(M-jM))/sqrt(2)M＝sqrt(2)M/sqrt(2)M＝1，其中k表示最终图像中的一个位置处的QCF，并且为1的QCF值表示完全相干性。延伸SLSC度量以与纯复合相位数据一起工作，一维(1D)集中的孔隙数据xIQ(m)(m＝1：M元件)的归一化的互相关矩阵R能够被如下地计算：其中*表示复共轭。在纯相位信息的情况下，这些互相关降为简单的相位相加和相减。相位的N-比特量化也可以降低计算复杂性。SLSPC因子能够通过计算来自相关矩阵R的各种度量来进行计算。一种这样的度量是在其中计算每个滞后的平均相关值的相干性曲线，并且然后该曲线从0滞后被积分到某一指定的滞后，导致对应于空间相位相干性的值。高值指示高相位相干性(目标)，而低值将会指示跨过孔隙的空间相位相干性。来自矩阵R的其他有用度量也可以被使用，包括特征值分析或甚至矩阵分解和预先求和的数据到一组相关的特征向量上的之后的投影。该类型的特征向量滤波和子空间投影在信号处理文献中是众所周知的。相位相干性处理器116经由显示器118视觉地呈现相干性信息。备选方法是使用相干性信息作为加权函数以应用于幅度反射率图像，这导致改善的图像对比、提高的分别率、和伪影/杂波减少。预期变型。在一个变型中，对于接收信道1081、…、108i、…、108K中的每个，I/Q采样器110包括刚好两个采样和保持电路以采集I和Q模拟样本。在另一变型中，前置放大级可以用来减轻比较器噪声和偏移，这在存在低幅度信号的情况下回会变得更显著。在另一变型中，压缩器-限制器用来维持比较器输入处的大信号摆幅同时避免失真。这可以在接收信道1081、…、108i、…、108K上存在宽动态范围的情况下改善相位数字转换器的准确性。在另一变型中，非理想电路行为的影响被考虑，特别是对于诸如时钟噪声、保持基底的贡献以及采样和保持电路中的电荷注入变得显著的小幅度信号。在另一变型中，混合方法可以被使用，其中单个M-比特幅度数字化与N-比特相位数字化一起被执行。该数字值可以基于在期望的时间常数或时间窗内的峰值或均方根幅度，并且可以在波束形成或其他信号处理中用来与更大幅度的信号不同地加权更低幅度的信号。例如，M＝1可以充当“质量”比特，例如，以将信号幅度“抑制”在噪底之下。在另一变型中，相位相干性处理器114结合传统的非相位产生的前端系统来使用。利用该变型，相位相干性处理器114产生关于来自传统的非相位产生的前端系统的仅相位信息。同样地，相位相干性处理器114利用列举的和/或相干性处理器用为了示出关于感兴趣的组织或区域的相关信息的方式来对数据进行分析。在本文中描述的方法在超声成像的背景下进行描述。这样，在本文中描述的方法可以用于医学成像，包括诊断成像、流程引导成像和与处置相关的成像。然而，在本文中描述的方法还适用于包括一个或多个换能器、计算机、显示器和用户接口、和/或微弱地散射并且被嵌入连续散射的介质中的信号的其他系统。例如，在本文中描述的仅相位相干性处理也能够用于雷达和声纳中，其中给定典型波形模糊函数和真实世界场景中的相关的杂波，返回回波的时间多普勒分析会是困难的。在本文中描述的仅相位相干性处理也能够用于非破坏性评估中和/或、在如在本文中描述的波束形成期间、或在阵列分析不能完成的情况下使用，将相干性结果应用于匹配的滤波器输出。借助于该方法，相位相干性因子可以利用预先求和的匹配的滤波器结果进行计算。一般来说，在本文中描述的仅相位相干性处理能够被应用于任何相干性范围发现声学方法和/或系统。在图7中，超声成像系统100被包括在具单个外壳或壳体702的手持设备中，所述外壳或壳体702容纳并且物理地支撑系统100中的一个或多个换能器阵列102、一个或多个换能器元件104、发射电路106、接收电路108、I/Q采样器110、数字转换器112、相位旋转处理器114、相干性处理器116、显示器118、用户接口120和控制器122。Walker等人的标题为“IntuitiveUltrasonicImagingSystemandRelatedMethodThereof”并且于2003年3月6日提交的US7699776中描述了手持设备的范例，在此通过引用将其整体并入。本文中也预期其他手持设备。在图8中，超声成像系统100包括控制台802和经由通信信道806与之接口连接的单独的换能器探头804。超声换能器探头804包括具有一个或多个换能器元件104的一个或多个换能器阵列102。控制台802包括发射电路106、接收电路108、I/Q采样器110、数字转换器112、相位旋转处理器114、相干性处理器116和用户接口120。显示器118被示为与控制台802和换能器探头804分开，并且经由通信信道808与控制台802联系。在变型中，超声换能器探头804额外地或备选地是控制台802和换能器探头804的一部分。图9图示了根据本文中的公开内容的示例性方法。应理解，以下动作被提供用于解释性目的并不是进行限制。这样，所述动作中的一个或多个可以省略，一个或多个动作可以被添加，一个或多个动作可以以不同的顺序(包括与另一动作同时地)发生等。在902处，一个或多个换能器元件被激励以将信号发射到视场或检查区域内。在904处，对应于与视场内的结构相互作用的信号的回波被一个或多个换能器元件接收。在906处，如在文本中描述的那样和/或以另外的方式从回波采集I/Q对。在908处，如在本文中描述的那样例如经由2或3-比特和/或以另外的方式对I/Q对进行数字化。在910处，如在文本中描述的那样和/或以另外的方式对数字化的数据进行相位旋转。在912处，如在文本中描述的那样和/或以另外的方式根据数字化的数据确定相位相干性信息。在914处，如在文本中描述的那样和/或以另外的方式视觉地呈现相位相干性信息。以上可以以计算机可读指令的方式实施，所述计算机可读指令被编码或嵌入在计算机可读存储介质上，所述计算机可读指令当由(一个或多个)计算机处理器执行时，(一个或多个)处理器执行所描述的动作。额外地或备选地，计算机可读指令中的至少一个由信号、载波或其他暂态介质承载。已经参考优选实施例描述了本发明。他人在阅读和理解以上具体实施方式的情况下可能想到修改或替代。本文旨在将本发明解释为包括所有这种修改和替代，只要它们落入权利要求书及其等价方案的范围之内。当前第1页1 2 3