专利名称:具有上变频中频放大的组织特征跟踪收发器的制作方法
本发明涉及医学超声图象，特别是用于超声信号实时处理的方法及设备。
多年来，临床超声系统已经与脉冲或连续波(CW)超声技术相结合用于组织结构和血流的成象。因为被检查的组织是色散介质，发入组织里而后从组织分界面上反射回来的信号受到明显的衰减，即声音信号在物体里走的路径越长，信号衰减和改变得越大，以前的系统已经包含了象时控增益这样的补偿技术，用来对体内组织中信号的预测衰减进行校正。类似地，其它校正技术的应用也已获得了不同程度的成功。无论至今使用的哪种校正技术，都存在某些问题，这些问题中典型的是，在被检查的标本表面和超声探头的转换器表面之间所引起的多重反射，进而，对较深的信号穿透层，信号衰减严重，常使关键的图象信息模糊不清和使图象散焦。
由申请人以前申请的专利No.616，581中采用的名为“组织特征追踪收发器”的方法，包括有组织现象的特征分析。其中，由于穿过组织介质，发射的脉冲以频率扭曲的形式返回。无论其中描述的系统多么有效，由于技术上和经济上的原因也需要进一步的改进。
尽管在从前公开中描述的方法在整个图象质量和整个图象的均匀度方面做了很大的改进，但是下列限制的存在引起了实施上及经济上的一些问题1)当采用滤波器跟踪时，因为所需的元件值变化等于频率范围的平方，所以滤波器的电感或电容(饱和扼流圈或变容二极管)必须在很大范围内变动。在频率跟踪偏移的过程中，由此引起的阻抗变化是显著的。如果频率变化的百分比能够减小，电路元件参数的变化也可减小。
2)必须跟踪低通和高通的截止频率，以维持恒定的带宽。
3)不管检测器的复杂程度如何，它必须以基带射频信号工作。因为视频频率(包络线)信息与回波序列底部的最低载波频率如此地接近，所以在设计具有良好上升时间性能并能抑制载波波动(例如二次谐波)的带宽检测器时存在着实际的问题，能满足短的上升时间及低波动准则的检测器必须包括费用较高的高阶低通滤波器。如果可能加大视频(包络线)信息和载波频率之间的区别，就可以在解调后用一个简单一阶低通滤波器得到所需的检测器性能。
4)在任何实用接收器的设计中，给定一种简单的无屏蔽的封装方法，总是面临在没有自由反馈的极高增益条件下如何设计接收器的问题。对于给定组成及尺寸的元件，如果能确定另一种使从输出返回到射频前端输入的串音较小的设计方案，则仅由于这个原因就能实现这样一种设计。
5)超声脉冲接收器常常需要用在工作于若干不同超声频率下的图象系统中，象3.5，5和7.5兆赫。直到现在，不是使用宽带接收器，就是使用带有简单固定频率切换式滤波器的接收器。一种工作在若干范围内且设计简单的组织跟踪接收器是非常需要的。
本发明中的超声收发器，对从体内组织界面上反射的信号提供了一种可变频率、固定带宽的接收，改善了对多重界面反射的抑制，随之也改善了极深穿透深度上的信号分辨率。本发明进一步提供了比以前所知的更大动态范围内的信号复原。
此外，本发明描述了一种具有检测信号的超声收发器，它本身消除由于转换器脉冲响应和组织反射影响产生的发射脉冲信号间的相互作用，增强了轴向信号的分辨率。
根据本发明所做的设备体现在提供这些特点的硬件里。作为一个采集所接收的信号，并且将其变成较高中频的接收器有一恒定的带宽，这这种变到较高频率的变换随时间而变，以至于在维持前述恒定带宽需要的同时，接收频谱的一部分也改变了，按照本发明的上变频超外差接收器的特定细节是增强了信号的处理，减少了实现时的伪信号和经济消耗，因此本发明在提供一种简单且性能价格比合理的系统的同时也使所需的信号处理得以增强。
参照图示，仔细阅读下列描述可以较好地理解本发明的这些和其它的特点，这里图1是本发明的上变频异步收发器的框图;
图2所示是本发明的上变频处理的信号分量;
图3所示是本发明的一个实施方案中的包络线检测;
图4所示是变换器的三种工作方式;
图5所示是本发明的一个实施方案中，在所用频率范围下不同滤波器的带宽。
本发明包括1984年6月4日由同一发明人申请、目前正在审理的专利No.616，581中描述的收发器，此处作为对比文献。
图1描述含括一个脉冲接收器的改进型最佳功能设计，脉冲接收器的功能在别处曾综述过。AG1主时钟640、脉冲发生器642、探头晶体644、TR/ATR开关646、带通滤波器648、射频预放大器652、时控增益(TCG)斜坡发生器650的功能与以前公布的专利申请No.616，581中收发器的设计是一样的。时控增益控制由射频放大器652(一般是莫托洛拉公司的MC1350)接收，返回的回声频谱仅由通频带在2-7兆赫的宽带带通滤波器654粗略地限制一下，这个滤波器作为频选器，它的功能主要是防止带外信号(如无线电广播干扰)使放大器652过载并引起后级交调失真。656产生一个“组织特征控制”(TSC)斜坡，这个信号频率调制一个变容二极管控制的压控振荡器(VCO)658，它在系统中的作用是一个上变频超外差接收器中的本机振荡器、压控振荡器658的输出，与导线659上放大后的射频回声信号在平衡调制器660(一般是莫托洛拉公司的MC1595)中结合，在664点产生和、差频信号。平衡调制器用于混合级，因为这种方法产生和、差分量，并且不需要带阻滤波器或陷波器就能抑制引线661处的本机振荡器的输出信号661点处的上变频信号加到带通滤波器662上，该滤波器滤除和频而让差频通过。从这个带通滤波器出来的引线663上的输出被送进“中频”(从一般下变频超外差接收器中借用的术语)放大器664(也是MC1350)，引线665的输出加到一个和滤波器662一样的带通滤波器666上。第二个滤波器666的目的是使662滤波函数的边缘下降得更加陡峭，使之能最大限度地消除和频。输出667加到时数压缩器678(常用德克萨斯仪器公司的441)，再加到视频检测器680，输出由电路682分解，在684上得到“模拟视频输出”。电路682包括用来控制对比度、具有增益调整的放大器690，后面的滤波器692给出使图象信号增强的分解时间函数(如方框692中所示)信号由放大器694缓冲，它也接受消隐信号，在扫描逆程里禁止输出视频信号，滤波器662和666消除和频信号的功能是重要的，因为改进和频信号的消除大大简化了680上的最优包络线检出和682中的分解问题。
为了评价和频充分消除的重要性，将频率的上变频处理模型化示于图2，下降的回声频谱700和17兆赫附近下降的本机振荡器频率702混合，在14兆赫差频处产生一个恒定的“中频”频谱704。频谱706位于19～21兆赫的和频应当从中频放大过程中消除，否则6兆赫附近的外差将会出现在检测器的输出中。
图3将其清晰化。典型的引入射频回声信号720的信号具有3兆赫载波频率和一微秒的持续时间，视频或图象包络线信息(象素细节)由722给出。经过滤波只通过差频的720的上变频等效波由724给出。波形724的意义在于它包含了原始包络线722和14兆赫高频载波的完全重新构成。这样一个波形通过一个简单的检测器产生原始包络线(728)的近乎完备的视频复现。如果和频分量进入中频放大器，结果的波形730就产生一个6兆赫外差信号732，它造成包括6兆赫波动成份的“不干净”检测734。检测器的输出728或734必须没有6兆赫或17兆赫的波动成份，因为后处理分解对检测器输出的高频波动成份有预加强作用。但是在加陡边缘、改善中频带通曲线方面比在检测级里使用高阶低通滤波器方面所用空间及费用较少，在中频级使用较多的带通滤波也对消除残余的本机振荡信号有好处，由于在点676(图1)的本机振荡的出现能预偏解调器680(图1)，因此由于不断出现振荡器馈送，在一30分贝范围内人为地屏蔽信号检测是重要的。由于振荡器残余在频率上比中频高，因此振荡器的馈送很容易被抑制，所以使用差频而不是和频信号;因为可以用一种非常直接的方法得到具有很高波动频率(2×14兆赫)的真正的包络线重构，所以使用上变频接收器(而不是传统的下变频型);因为需要较少的滤波器且中频的电感也较小，所以滤波更加经济;因为全部接收器的设计本身就是宽带的(大约等于百分之十的相对带宽)，所以调整不是临界的。使用这种类型的超外差接收器具有这样一个优点在处理过程中信号及早地从引入的射频频谱中移走，它与直接基带射频(或TRF)接收器，甚至传统的下变频超外差机相比，反馈问题是最小的。此外，通过将一个可切换的直流偏置引入到组织特性控制斜坡波形中去，上变频接收器可以用于多个不同的频率范围(3.5、5、7.5兆赫，图4)，这可以通过使用作用在发生器656(图1)上的操作开关688来实现。
如果不用频率范围开关688，全部接收器将工作于单一选择的超声转换频谱下，宽带带通滤波器648或654将其通带减小，仅覆盖较有限的范围以使图象失真最小，用于宽带带通滤波器648或654的选择综述于图5。
一般情况下(接收器在三个频率范围内可切换)宽带带通滤波器648或654的频率响应800是足够的宽，可以容纳组织特征处理的每一种频率。例如，如果接收器以3.5兆赫晶体工作，则通带802，804，806将在整个接收器中起作用;当接收器切换到5兆赫方式，类似一套移动通带在808区域起作用。显然，滤波器648或654的全部频率响应800仅需要和通过对本机振荡器编程的方法实现的可选通带一样宽。应该注意的是对本机振荡器658编程的方法比动态地调整高通和低通滤波器区段的方法，在移动接收器通带频谱方面是更经济的。
在医学超声诊断领域中，预选滤波器后的振荡器调节一般是允许的，这仅仅因为阻带对通带幅值比要比受实际信号衰减问题影响的商业(短波)通讯系统中“强相邻载波”问题要小。
超声波中“强相邻载波”信号的主要来源是当邻近回声成象时，与感兴趣的高频信息谱(3.5-4.8兆赫)一同出现的低频分量(1.6～2.3兆赫)。因为这种强低频分量在幅值上很少超过高频分量，所以允许所有频率通过预选器(图1中648、652、654)进入平衡调制器一般也不存在太大的问题。
当在极宽的动态范围(在任何给定深度上大约60分贝，在整个回声序列范围内大约85～105分贝)内考虑超声接收器的设计时，对由进入调制器的低频分量引起的交互调制失真进行完全绝对的抑制变得重要了。为了达到这种较高的接收器性能指标，也许要考虑图1的上变频接收器设计，这种上变频接收器包括一个“追踪预选器”(替换图1中的648，652)，它带有一个可调射频电路，该电路由从斜坡发生器656的引线657上来的信号控制。用将一个窄通带可调预选器和全上变频特征相结合的方法，大体上能在给定带宽(上升时间指标)下取得最大可能的动态范围(减小图象失真和噪声)。
本发明的这些和其它实施方案是在本发明的范围内。本技术领域：
一般技术人员进一步的实施方案和替代显然是在本发明中的，本发明只受后面的权利要求
所限制。
权利要求
1.为与超声转换器一起使用，一种选择带宽的超声收发器包括用于产生具有选择幅值及频率的超声信号的装置；激励所述转换器通过介质传输所述超声信号的装置，其中该转换器接收到介质中传输信号的反射后提供一个反射信号；用于接收所述反射信号的装置，它包括从有一个连续可变的选择频率的所述反射信号频率分量中选择频率分量的超过差接收器装置，它按照所述可变选择频率分量提供输出信号；其中所述的检测器装置输出信号描述了所述介质的反射特性，幅值变化和相对时间间隔给出在相应介质深度上介质的反射性。
2.在权利要求
1的选择带宽超声收发器中，相应于发射信号的反射信号中的信号频率分量被有选择地剔除。
3.在权利要求
1的选择带宽超声收发器中，所述的超外差接收器装置包括一个上变频接收器，它有高于所述反射信号频率的中频，所述中频是由所选带通的中频滤波器决定的。
4.在权利要求
1的选择带宽超声收发器中，所述中频滤波器具有恒定带宽。
5.在权利要求
1的选择带宽超声收发器中，所述超外差接收器装置接收随时间下降的频率范围，对应于所接收的来自介质中越来越深反射层的反射信号。
6.在权利要求
5的超声收发器中，所述单音脉冲特性用来产生具有分解脉冲响应特性的检测滤波器输出信号。
7.在权利要求
6的超声收发器中进一步包括，按照所述检测滤波器输出信号显示图象的装置。
专利摘要
一种改进的超声收发器，通过对所接收的信号作选择性滤波，来对所接收的回声信号进行可变频率、恒定带宽的滤波，从而使图象得以增强。收发器将接收到的信号上变频到较高的增量频率，对其进行恒定带宽的滤波，从而检测出所接收的信号。然后对得出的信号进行显示，伪重复图象数目得以减少，从较深组织界面传来的信号质量得以增强。而后，最终的信号经过最后处理，来增强用于显示结构特征的信息。
文档编号G01S15/00GK86102114SQ86102114
公开日1987年4月1日 申请日期1986年3月4日
发明者特伦斯·马特苏克 申请人:迪马克斯公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan