专利名称：有使用单极或者双极编码激励的波束形成的超声成象系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及超声成象系统，并且特别是与增加医学超声成象中信噪比(SNR)的方法和装置有关联。
传统的超声成象系统包括发射超声束并从被研究对象接收反射声束的超声换能器单元阵列。具体地说，进行一系列的测量，其中发射一个聚焦超声波，在短的时间间隔后系统切换至接收模式，并且接收所反射的超声波，对其作波束形成并处理以供显示用。典型地，发射和接收在每次测量期间被聚焦在相同的方向，以便从沿声束或扫描线的一系列点取得数据。接收器在接收所反射的超声波时，动态地聚焦在沿着扫描线的一连串射程(范围)处。
为了进行超声成象，阵列的多个换能器单元通常排列成一行或多行，用各自的电压驱动。选择施加电压的时间延迟(或者相位)和振幅，给定行里的每个换能器单元可以在其控制之下产生各自的超声波，这些产生的超声波组合成为一个净的超声波，它沿一个优选的矢量方向传播，并且聚焦在沿该声束的选定点处。每个点火的波束形成参数都可以予以改变，从而提供最大的焦点改变，或者以别的方式改变对于每个点火所接收数据的内容，例如，通过沿着相同的扫描线发射连续的波束，使每个波束的焦点都相对于先前波束的焦点有所移动。就导向(steered array)阵列来说，改变施加电压的时间延迟和振幅，波束及其焦点在平面内运动，从而扫描该对象。就线性阵列来说，其指向垂直于该阵列的聚焦波束从一次点火到下次点火跨过阵列平移该孔径，从而对整个对象进行扫描。相同的原理适用于采用换能器探头在接收模式中接收反射声音的时候。在接收换能器单元产生的电压被求和，这样，净信号代表从物体中的单一焦点反射的超声能量。和发射模式一样，这种超声能量的聚焦接收是通过把相应的时间延迟(和/或相移)和增益赋予来自每个接收换能器单元的信号而完成的。
超声图像由多个图像扫描线组成。将聚焦的超声能量发射在关注区域的某点处，然后随着时间的流逝接收反射能量，即可取得单一的扫描线(或者只限于局部的扫描线小集合)。聚焦的发射能量被称为发射束。在发射之后的时间里，一或多个接收波束形成器以动态改变的相位旋转或延迟的方式对每个通道所接收的能量进行相干求和，以便沿所期望扫描线在和流逝时间成正比的范围内产生峰值灵敏度。作为结果产生的聚焦灵敏度图案被称为接收束。扫描线的分辨率是相关联的发射和接收波束对的指向性的结果。
波束形成器通道的输出信号被相干求和，构成在对象区域或所关注体积中的每个样品体积的一个相应像素强度值。这些像素强度值被对数压缩，扫描变换，然后作为正被扫描的解剖组织的图像被显示。
在上文所描述类型的医学超声成象系统中，合乎需要的是使SNR最优化。额外的SNR可以被用来在给定成像频率下增加渗透力，或者通过促进在更高频率的超声成像而改进分辨率。
Golay码在超声中的使用在采用单一单元的固定焦点换能器检查无生命物体的无损检测(NDE)领域是众所周知的。另外，Golay码在医学超声成象领域中也已为人所知。不过，因为动态聚焦、组织运动(在NDE中并不存在的效应)和非线性传播效应被认定会引起不能接受的代码退化，并导致相应的范围退化，所以Golay码在超声成象系统中没有得到广泛的使用。
于1998年4月20日提交且已转让给现在受让人的美国专利申请No.09/063109，披露了进行对换能器阵列的Golay编码激励从而改进医学超声成象中的SNR的方法和装置。SNR是如此得到改进的在相同的焦点位置在每个波束上连续发射一对Golay编码的基序列，然后解码波束叠加的数据。Golay编码基序列是通过在过采样之后用Golay码对和基序列进行卷积而形成的。Golay码对是一对二进制(+1，-1)序列，其特性是这两对序列的自相关之和是一个Kronecker得尔它(Δ)函数。过采样的Golay序列是每个+1和-1之间带有零的Golay序列，零的个数比基序列长度小一个大于或等于一的数值。前面提到的Golay代码对的特性比起一般代码具有两个重要的优势(1)Golay码没有射程旁瓣，并且(2)Golay码可以使用仅仅一个双极的脉冲发生器而不是较昂贵的数字一模拟转换器进行发射。
在实践中，使用编码的激励而产生的图像可能由于代码失真而有所退化。当表示正代码符号的信号和表示负代码符号的信号在非线性传播后不再相互抵消的时候，双极代码出现退化。迫切需要有一种方法能够减少由非线性传播造成的代码退化，以及在仅仅有单极脉冲发生器的系统上进行编码激励。
用于医学超声成象的编码激励是通过在不同的点火上发射在编码基序列中的不同代码或单元符号来实现的。编码的基序列通过用过采样的代码序列和基序列卷积而形成。对于每个点火，编码的基序列里的指定代码或单元符号被单位符号替换(例如1或-1)，同时其他的符号位置全部设置为零。在每次发射之后，所接收的波形乘以各自的符号，并且基于全部发射进行累积，从而合成所接收的编码波形。这种根据单极编码发射合成双极(一般是多相)代码的技术有助于减少由于非线性传播代码而引起的代码退化，并且在仅仅有单极脉冲发生器的系统上实现编码激励。这一技术的交换条件是帧频降低，原因是对于每个双极点火需要两个单极的发射点火(firings)。本发明的方法可以扩展到多相代码，单发射代码(例如Barker码)，以及空间编码的发射。
在本文中，术语“发射序列”指的是提供给脉冲发生器的单元符号(element symbol)或单位代码的序列，与此相反，术语“脉冲序列”指的是根据对发射序列的接收由脉冲发生器提供的脉冲序列。
图1是可以经编程而包含本发明的超声成象系统的框图。
图2是在美国专利申请(序列号)No.09/063109所披露类型的超声成象系统的框图。
图3-5是显示按照美国专利申请No.09/063109讲授的基序列(图3)、过采样的Golay码序列(图4)，以及经Golay编码的基序列(图5)的脉冲图。
图6和7是根据本发明的一个优选实施例供在分开的发射点火中使用的单位代码符号发射序列A和B的脉冲图。
图8和9是根据本发明的另一优选实施例供在分开的发射点火中使用的单位代码符号发射序列A和B的脉冲图。
图10是根据本发明优选实施例的将互补发射代码(例如Golay码)或所谓的单发射码(例如Barker码)之一合成的超声成象系统的前端的框图。
图11是在5比特双相位发射代码和解码滤波器的匹配滤波器系数卷积而产生的压缩脉冲的例子。
图12是根据本发明优选实施例的合成空间编码发射的数字超声成象系统的框图。
图1表示的是本发明可以被包括在内的超声成象系统。它包括具有多个单独驱动的换能器单元12的换能器阵列10，每个换能器单元在由发送器14产生的脉冲化波形激励的时候产生一个超声能量短脉冲串(burst)。从被研究的物体反射回换能器阵列10的超声能量被每个接收换能器单元12转换为电信号，并通过一组发射/接收(T/R)开关18分别加在接收器16上。T/R开关典型地是二极管，它保护接收电路免受发射电路所产生的高电压的影响。发射信号促使二极管关闭，或者把信号限定在接收器内。发送器14和接收器16在主控制器20的控制下根据操作员的指令进行操作。一个完整的扫描过程是通过获取一系列的回声而进行的，其中发送器14被暂时选通从而激励每个换能器单元12，并且其后每个换能器单元12产生的回声信号都施加给接收器16。一个通道可以在另一个通道仍然在发射的时候开始接收。接收器16将来自每个换能器单元的各个回声信号结合起来，产生被用来构成在显示器22上显示的图像某一行的单个回声信号。
在主控制器20的指引下，发送器14驱动换能器阵列10，使得超声能量以定向的聚焦波束的形式发射。要做到这一点，由发射波束形成器26向多个脉冲发生器24分配相应的时间延迟。主控制器20确定声学脉冲将被发射的条件。根据该信息，发射波束形成器26确定脉冲发生器24将要产生的每个发射脉冲的时序和振幅。每个发射脉冲的振幅都由变迹产生电路产生(未显示)。脉冲发生器24按顺序将发射脉冲经T/R开关18送给换能器阵列10的各单元，该T/R开关18保护时间增益补偿(TGC)放大器28使之免受可能在换能器阵列存在的高电压的冲击。通过以传统方法恰当地调节发射焦点时间延迟和变迹加权，超声波束可以被定向并聚焦以形成发射波束。
每个超声能量短脉冲串产生的回声信号都从沿着每个发射波束位于一连串射程的对象反射。回声信号分别由每个换能器单元12检测，并且，回声信号在时间上某点处的幅度的采样表示在特定射程处发生的反射量。由于在反射点和每个换能器单元12之间的传播通路的差异，回声信号不是被同时检测到，并且它们的振幅不相等。接收器16经在每个接收通道中的相应TGC放大器28放大各独立的回声信号。TGC放大器提供的放大量通过控制线路(未显示)加以控制。放大的回声信号馈送给接收波束形成器30。接收波束形成器的每个接收器通道都经相应的一个TGC放大器28和相应的一个换能器单元12耦合。
在主控制器20的指引下，接收波束形成器30跟踪发射波束的方向，对沿着每个波束的一连串射程处的回声信号进行抽样。接收波束形成器向每个放大的回声信号赋予适当的时间延迟和接收变迹加权，并对这些信号求和从而得到合成的回声信号，该合成信号准确地表示从沿着一个超声波束的某个射程内的一点反射的总超声能量。接收焦点时间延迟使用专用硬件实时地加以计算，或者从查表中读出。接收通道也具有在由接收波束形成器对接收脉冲求和之前将该接收脉冲滤波的电路。
在图1所示的系统中，波束形成器输出信号的频率由解调器31移动到基频带。完成这一过程的一种途径是将输入信号乘以复数正弦信号ei2pfdt，这里fd是将信号频谱移到基频带的频率移动量。解调信号被提供给信号处理器32，该信号处理器把解调信号转换成显示数据。在B模式(灰度级)中，这是进行了一些额外处理，比如边缘增强和对数压缩的信号包络。扫描转换器34接收来自信号处理器32的显示数据，并将数据转换成所希望的显示图像。特别是，扫描转换器34将声学图象数据从极坐标(R-θ)扇形格式或者笛卡尔坐标线性阵列转换为在视频速率下的恰当定标的笛卡尔坐标显示像素数据。然后经过扫描转换的声学数据被提供在显示器22上进行显示，该显示器将B-mode信号包络的时变振幅以灰度级的形式绘制出来。对于每个发射波束显示一个相应的扫描线。
在图2的系统中，发射孔径中的每个换能器单元都使用基序列的编码序列作为驱动脉冲驱动(pulse)，序列中的每个脉冲通常被称为一片(CHIP)。基序列是采用N位的发射码进行相位编码的，以便产生N片的编码序列，这些序列被存储在发射序列存储器36中。从发射序列存储器36中读出的每个编码序列在相应的发射点火期间控制多个脉冲发生器24的激活。例如，换能器单元在被聚焦于期望发射焦点位置的第一发射点火期间根据第一编码序列，并且在被聚焦于同一发射焦点位置的第二发射点火期间根据第二编码序列加以脉冲驱动。第一和第二编码序列是分别通过利用基序列与第一和第二发射代码卷积，即使用这些发射码对基序列进行相位编码而产生的。根据优选的实施例，第一和第二发射码是互补的Golay码，例如Golay码对[1，1]，和[1，-1]，并且脉冲发生器24是双极的。
脉冲发生器24驱动换能器阵列10的各单元12，使得对于每个发射点火所产生的超声能量聚焦在一个波束中。为了完成这一任务，发射焦点时间延迟38被赋予脉冲发生器产生的各自的脉冲波形。以传统方法恰当地调节发射焦点时间延迟，超声波束可以聚焦在多个发射焦点位置处，以完成在图像平面的扫描。
对于每个发射，来自换能器单元12的回声信号被馈给接收波束形成器的相应接收通道40。每个接收通道包括一个模一数转换器(未显示)。在主控制器20的指引下(图1)，接收波束形成器跟踪发射波束的方向。接收波束形成器存储器42把适当的接收焦点时间延迟赋予每个接收的回声信号，并对这些回声信号求和而得到合成的回声信号，该合成信号准确地表示了从某个发射焦点位置反射的总超声能量。对于每个发射点火，经过时间延迟的接收信号在接收波束求和器44相加。
来自连续点火的相加后的接收信号被提供给解码滤波器46，该滤波器对于第一发射点火把第一相加的接收信号与第一接收代码相关，并且对于第二发射点火将第二相加的接收信号和第二接收代码相关。被聚焦在相同发射焦点位置处的第一和第二发射点火而得到的滤波信号被矢量求和器50相加。在本文中，术语“解码器”包括解码滤波器与矢量求和器。
解码信号被解调，并被提供给信号处理器32(图1)。在B模式中，信号处理包括包络检测，边缘增强和对数压缩。在进行了信号处理和扫描转换之后，扫描线在显示器22上被显示。这一过程被重复，使得对于每个发射焦点位置(在每个束角度一个发射焦点位置的情况下)或者对于每个矢量(在每个束角度多个发射焦点位置的情况下)显示各自的扫描线。
在每个点火期间，脉冲发生器24被从发射序列存储器36或者从专门硬件提供的Golay编码基序列激励。根据来自发射序列存储器36的Golay编码基序列以及来自查表38的发射焦点延迟，脉冲发生器给构成发射孔径的换能器单元12提供Golay编码脉冲序列。每个Golay编码基序列的+1和-1单元都由脉冲发生器24转换成相位相反的脉冲。
Golay代码对并不被直接发射，而是在对该序列进行第一过采样(典型地在40MHz或dt＝0.025微秒时间样本)，然后将它们和基序列卷积从而形成Golay编码基序列之后才予以发射。与Golay代码序列本身相比，Golay编码的基序列能够更为有效地发射，这是因为在对基序列作适当的选择之后其频谱和换能器通带匹配得更好。
图3-5图解了由基序列和一对过采样的Golay序列之一卷积形成发射Golay编码基序列的情况。基序列经设计使作为结果产生的超声脉冲波形和光谱能量最优化。在图3所描写的例子中，基序列是有下列极性的脉冲序列[+1，+1，+1，+1，-1，-1，-1，-1]。对于第一点火，基序列和对应于Golay代码[+1，+1，+1，-1]的过采样Golay序列(见图4)卷积。作为结果产生的Golay编码基序列被表示在图5中。对于第二点火，基序列和对应于Golay代码[-1，+1，-1，-1]的过采样Golay序列(未表示)卷积。Golay编码基序列事先计算出来，并储存在发射序列存储器中。发射序列在激励换能器单元之后导致对于每个点火其极性由Golay序列给定的超声脉冲序列。
优选的是，如图2所示的解码滤波器46包括还进行带通滤波的有限冲击响应滤波器(FIR)，而矢量求和器50包括其输入端和该FIR滤波器的输出端耦合的缓冲存储器。
对于每个点火，译码滤波是利用和在发射期间里所采用的Golay编码基序列相对应的过采样Golay序列进行的。时间反转的过采样Golay序列被储存在存储器48中，并在适当的时间被提供给解码滤波器46。解码滤波器是执行下列相关操作的有限冲击响应滤波器x(n)*y(-n)‾=Σmx(m+n)y(m)‾----(1)]]>这里*表示卷积，而上划线表示共轭(如果x和y是复数)。相关结果在矢量求和器50中相加，形成解码信号，该解码信号然后被提供给解调器31。
在美国专利申请第09/063109号所描述的成象系统也可以通过使射频回声信号解调至基频带，并且在波束叠加之前或之后进行下采样而展开其操作。在该事件中，为相关操作而储存的过采样Golay序列被解调至基频带并且下采样。
图10是本发明实施例可适用的方框图，该实施例合成互补的发射码(例如Golay码)，并且使用单极或者双极的脉冲发生器。图10也适用于合成单发射码(例如Barker码)，并且使用单极或者双极的脉冲发生器的实施例。不过，对于互补的发射码，解码滤波器46的输出信号被送给矢量求和器50(图2)，与此相反，对于单发射码，解码滤波器46的输出信号被直接送到解调器31(图2)，而不用在从解码滤波器通过之后进行矢量求和。此外，被提供给解码滤波器的滤波器系数依所使用的发射代码类型而不同，下文对此将予以详细解释。
在本发明的优选实施例中，互补码失真通过不同的点火上发射在编码基序列(参看图5)中的不同代码符号而降低，如图6和7所示。在图6中的发射序列A对应着代码符号+1，而图7中的发射序列B对应着代码符号-1，使得从A序列减去B序列就可以得到原始编码的基序列。图10表明这可以通过从发射序列存储器连续提供发射序列A和B(图6和7)而实现。从第一发射点火(序列A)产生的波束叠加接收信号在乘法器52中乘以从代码符号存储器54取出的代码符号+1。该第一乘积信号被提供给矢量求和器56。从第二发射点火(序列B)产生的波束叠加接收信号在乘法器52中乘以从代码符号存储器54取出的代码符号-1。该第二乘积信号也被提供给矢量求和器56。矢量求和器将第一和第二乘积信号相加，以合成波形，该波形在没有代码失真的情况下，将根据图5所示的编码基序列在双极脉冲序列的单发射点火之后接收。合成的接收波形被送往解码滤波器46，如图2所示。这一过程重复进行，以合成用于互补编码基序列的接收波形。解码滤波器46在矢量求和器50的合作下将和互补发射码对应的合成接收波形解码。解码滤波器经编程，对于两个合成接收波形采用各自的一组滤波器系数。发射序列、代码符号和滤波器系数由主控制器提供。
尽管在图6和7中描写的实施例有助于减少由于非线性传播而引起的代码退化，但是如果基序列是双极的那么脉冲发生器也必须是双极的。这一限制在另一个优选实施例中被去除，在该实施例中如图8和9所示，在编码基序列中的不同单元符号在不同的点火上被发射。图8所示的发射序列A对应于+1单元符号，而图9表示的发射序列B对应于-1单元符号，使得从“A”序列减去B序列再一次得到原始编码基序列。如图10所表示，图8和9所示的发射序列A和B从发射序列存储器36中取出，而相应的单元符号(例如+1和-1)从单元符号存储器54中取出。乘法器52和矢量求和器56所合成的接收波形提供给解码滤波器46，如图2所示。这一过程重复进行，以合成用于互补编码基序列的接收波形。解码滤波器46在矢量求和器50的合作下将和互补发射码对应的合成接收波形解码。对解码滤波器编程，使其对于这两个合成接收波形采用各自的一组滤波器系数。发射序列、单元符号和滤波器系数由主控制器提供。
本发明可以延伸到双极单发射码(例如Barker码)。对于双极单发射码，一个特别设计的代码序列调制长度为P的发射短脉冲串(基序列)。N个短脉冲串的编码脉冲序列通常被当作一个N片的代码，使得编码的脉冲序列具有总长度N×P。让来自波束形成器的输出信号通过解码滤波器46(图10)而使之得到时间上的压缩，解码滤波器46是有限冲击响应滤波器。一些编码波形由匹配滤波，即使用一组是N片代码的完全相同的拷贝的FIR滤波器系数而得到最佳压缩。不过，有时更合乎需要的压缩效果是利用滤波器系数数量多于N或者滤波器系数和原始N片的代码不同的FIR滤波器进行失配滤波而得到的。解码(即压缩)滤波器的输出信号是长度等于或者接近于原始发射短脉冲串长度P、但其振幅是由长N倍的编码脉冲序列产生的压缩脉冲信号。
按照本发明的优选实施例，两个发射脉冲序列(无论是和单位单元符号的发射序列相对应的单极脉冲，还是和单位代码符号的发射序列相对应的双极脉冲)在分开的点火中发射，而不是在一次点火中发射单发射代码的双极脉冲序列。在每个发射之后，各个接收波形和图10所示的乘法器52中的相应符号相乘，并在矢量求和器56中累加从而合成波形，该波形在没有代码失真的情况下将跟在单发射代码脉冲序列的单发射点火之后接收。对于每个发射点火，发射孔径的每个换能器单元12都由脉冲发生器24的相应一个用相应的脉冲序列(单极的和双极)驱动。相应的发射序列得自于通过发射代码(例如Barker码)和基序列卷积形成的编码基序列。用来控制每个脉冲发生器24产生的脉冲的编码发射序列都被储存在发射序列存储器36中。
如图10所示在成对的发射点火之后由矢量求和器56产生的合成接收信号由解码滤波器46解码。对于单发射码，解码滤波器46产生压缩的脉冲。对于N位发射代码，解码滤波器46优选是有M个滤波器抽头(M≥n)的FIR滤波器，用于从滤波器系数存储器48接收一组M个滤波器系数。滤波器系数c0、c1、…cM-1的标量值在和N位发射代码卷积的时候，产生压缩的接收脉冲序列。
作为例证，图11表示了从Barker码系中选出的5片的代码序列。Barker码是可达N＝13的各种长度的双相位(或者二进制)的代码序列。该组Barker码的所有代码由Welch等在″Practical SpreadSpectrum Pulse Compression For Ultrasonic Tissue Imaging，″IEEE Trans Ultrason.，Ferroelect.，and Freq.Contr.卷45，第2期，1998年3月，第349-355页中阐述。如图11所示，如果5位的Barker码[1，1，1，-1，1]由匹配的FIR滤波器(即滤波器系数和发射代码的各数位相同)解码，那么所取得的压缩比率是n＝5，这相当于7dB的SNR增益。不过，如图11所见到的那样，解码器滤波器输出信号中的主脉冲被振幅较小的脉冲包围。这些小振幅的脉冲相当于在幅度上比主瓣低1/N倍的轴向或射程旁瓣。
在全部的双相位码中，Barker码的众所周知的特性是当在被匹配滤波器解码的时候具有可能的最小旁瓣。不过，对于任何单发射代码，旁瓣经常可以经失配滤波而加以抑制，其代价是信号增益和/或主瓣展宽降低(射程分辨率减少)。
图10所描述的本发明包括了合成波形的装置52，54和56，以及对合成接收信号解码的装置46，48和50(图2)，该波形在没有代码失真的情况下将跟着单发射代码脉冲序列的单发射点火之后接收。不过，本发明的简化优选实施例可以通过取消装置52，54和56并调整解码段46、48和50来执行两个功能而实现。例如，为了合成互补的发射码，图2的图表将是有效的。在后一例子中，接收信号和代码/单元符号相乘的步骤在解码段进行，办法是将用各自的解码滤波器系数矢量乘以相应的代码/单元符号而形成的合成滤波器系数储存在滤波器系数存储器中；矢量求和从而形成合成接收信号的步骤可以通过调节矢量求和器50使之对四个而不是二个矢量求和，与用于解码的矢量求和相结合一般解码。这样，图2里的装置46、48和50可以做到在功能上和装置46、48、50、52、54和56相当，所有这些除了图2的矢量求和器50外，都显示在图10中。
同样地，如果Barker码代替互补的代码被使用，装置52、54和56可以取消，办法是在如上所述的存储器48中储存合成的滤波器系数，以及在解码滤波器46之后以及在解调器之前设置一个矢量求和器。在这一场合下，矢量求和器仅需要求和两个矢量。
使用单位单元符号的方法可以延伸到在空间上编码的发射(例如使用Hadamard码)。在使用在空间上编码的发射的系统中，M组编码信号是一组接一组地从换能器阵列的M个发射单元发射的。对于每个发射，全部M个发射单元都按照对特别一组的编码同时激活。对于M个发射事件的每一事件，储存作为结果产生的散射数据。接着，储存的散射数据用编码矩阵的逆矩阵解码，进而得到每个基本信息。
图12中描写的是前述类型的系统。换能器阵列10由多个单独驱动的换能器单元12组成，每个换能器单元在由各自的脉冲发生器/接收器58产生的脉冲化波形激励的时候产生超声能量的短脉冲串。从研究对象反射回换能器阵列10的超声能量被每个接收换能器单元转换为电信号，并且分别施加给各自的脉冲发生器/接收器58。脉冲发生器/接收器58在主控制器20的控制下响应于操作员的指令进行操作。
设想在有L≥M个换能器单元的阵列里的M个发射单元，这M个单元同时被激活，以便在K＝M个发射事件的每个事件期间发射未聚焦的超声波。对于每个发射事件，不同的M单元代码矢量由控制器20施加给脉冲发生器/接收器，以便驱动发射单元。这M个M单元代码矢量构成不可逆的一个M×M矩阵Q的各列。矩阵Q-1有各列q1、q2---qM.
对于每个发射事件M，m＝1，2，---M，反向散射的信号Rmn(t)，n＝1，2，---N转换成为在一组N个接收单元处的电信号。这些电信号被放大，并被相应的脉冲发生器/接收器58发射给各自的模—数转换器60。对于每个发射事件，数字化的信号在控制器20的控制下被储存在随机存取存储器(RAM)62中。在完成对应于一个图像帧的这K个发射事件结束之后，储存在随机存取存储器62中的数据被取出，并由数字信号处理器64变换即解码成为另一个数据组Dmn(t)。数字信号处理器还在解码的图象数据上进行波束形成。解码及波束形成后的图象数据在视频监视器22上显示为单个图像帧。这一过程重复进行，以便当换能器阵列在关注的区域或体积上扫描的时候产生一连串的图像帧。
根据采用空间编码发射的系统，数据组Dmn(t)按照下列公式转换Dmn(t)=Σi=1Mqm(i)Rin(t)----(2)]]>该转换将这组K个发射事件解码，每个发射事件已经在一群M＝K个单元上发射，得到一个数据集，这里发射单元被孤立，即Dmn(t)对应于在接收单元n处接收的来自发射单元m的信号。解码的数据组Dmn(t)可以被波束形成，从而产生共焦图像。
尽管任何不可逆矩阵都能用作为编码矩阵，但是选择Hadamard矩阵作编码矩阵有明显的好处。Hadamard矩阵的各单元要么是+1，或是-1，它们可以简单地实现为发射电路的相位倒置。对称Hadamard矩阵的逆矩阵仅仅是其本身QN-1-(1/N)Q的按比例缩放的版本。一般来说，解码过程包括在所接收的数据组上进行M(M-1)个操作(加法，以及乘法运算)。不过，对于Hadamard编码，解码可以在Mlog2M个操作(仅仅是加法)中完成。Hadamard矩阵可以由下列递归产生Q2=111-1----(3)]]>Q2M=QMQMQM-QM----(4)]]>这里M＝2，4，8，16---本发明可以供前述类型的空间编码发射使用。在一个优选实施例中，图12中的控制器20经编程使一组单极的脉冲发生器在分开的点火中为编码矩阵的每一行发射两组单极脉冲。例如，为了用单极脉冲发生器达到用双极脉冲发生器所能达到的相同效应，从而分别用在一个点火中该组单元符号[+1，+1，-1，+1]脉冲式驱动一个四单元的阵列，单极脉冲发生器被激活2次在第一单极点火中，对应于在双极单元符号中的+1的三个单元被脉冲驱动(即[+1，+1，0，+1])；在第二单极点火中，仅仅对应于在双极单元符号组中的-1的单元被脉冲驱动(即
)。第一和第二点火产生的接收信号将分别乘以+1和-1，然后被求和从而合成为接收信号，该接收信号假定没有代码失真的话，已经利用双极脉冲发生器从而借助于该组单元符号[+1，+1，-1，+1]脉冲式驱动一个四单元的阵列而产生。
一般来说，前述的操作可以由图12的数字信号处理器64执行。基于控制器20的指令，数字信号处理器64将单元接收数据信号的相应组乘以相应的单元符号组，并将产生的两组单元接收数据相加从而合成数据组，该数据组如果原始编码矩阵的该行已经在单一点火中使用双极脉冲发生器发射的话应当已经产生。
虽然仅仅针对本发明的某些优选特征进行了图解以及阐述，许多的修改和变化对于本领域的技术人员来说是很一目了然的。例如，本发明不被限制在使用双相位码，单发射码和空间编码发射的射程内；也可以使用多相码。因此应当理解的是，后附的权利要求书旨在覆盖落入本发明真实精神的射程内的全部所有的修改和改变。
权利要求
1.用来对超声散射体进行成象的系统，包括包括多个换能器单元的超声换能器阵列；分别用来脉冲式驱动所述多个换能器单元的多个脉冲发生器；发射序列源，用于分别在第一和第二发射点火期间向所述脉冲发生器提供第一和第二发射序列，所述第一和第二发射点火被聚焦于发射焦点位置处，所述第一和第二发射序列的特性是所述第一发射序列和第一代码/单元符号相乘的乘积与所述第二发射序列和第二代码/单元符号的乘积进行矢量相加而得到第一编码基序列；接收器，它和所述换能器阵列耦合并经编程，分别在第一和第二发射点火之后，从构成接收孔径的选定换能器单元接收第一和第二组接收信号，并且产生分别从所述第一和第二组接收信号得出的第一和第二波束叠加信号；以第一和第二组滤波器系数编程的滤波器，用于分别对所述第一和第二波束叠加信号滤波以构成第一和第二滤波信号，所述第一组滤波器系数是通过将所述第一代码/单元符号乘以第一组解码滤波器系数而得到的，所述第二组滤波器系数是通过将所述第二代码/单元符号乘以第一组解码滤波器系数而得到的；矢量求和器，用来至少对所述第一和第二滤波信号求和，从而形成解码信号；处理器，用于形成作为至少所述解码信号的函数的图像信号；以及用来显示有一部分表示所述图像信号的图像的显示器。
2.如在权利要求书1中所述的系统，其特征在于所述发射序列源适合于在第三和第四发射点火期间向所述脉冲发生器提供第三和第四发射序列，第三和第四发射点火被聚焦于所述发射焦点位置处，所述第三和第四发射序列的特性是所述第三发射序列和第一代码/单元符号相乘的矢量乘积与所述第四发射序列和第二代码/单元符号的乘积进行矢量相加而得到第二编码基序列，所述第一和第二编码基序列是互补的；所述接收器经进一步编程，分别在第三和第四发射点火之后，从构成所述接收孔径的所述选定换能器单元接收第三和第四组接收信号，并且提供分别从所述第三和第四组接收信号得出的第三和第四波束叠加信号；所述滤波器进一步以第三和第四组滤波器系数编程，用于分别对所述第三和第四波束叠加信号滤波以构成第三和第四滤波信号，所述第三组滤波器系数是通过将所述第一代码/单元符号乘以第二组解码滤波器系数而得到的，所述第四组滤波器系数是通过将所述第二代码/单元符号乘以所述第二组解码滤波器系数而得到的；所述矢量求和器适合于对所述第一至第四滤波信号求和，从而形成所述解码信号。
3.用来对超声散射体进行成象的系统，包括包括多个换能器单元的超声换能器阵列；分别用来脉冲式驱动所述多个换能器单元的多个脉冲发生器；发射序列源，用于分别在第一和第二发射点火期间向所述脉冲发生器提供第一和第二发射序列，所述第一和第二发射点火被聚焦于发射焦点位置处，所述第一和第二发射序列的特性是Barker码和基序列进行卷积而得到一个编码基序列；接收器，它和所述换能器阵列耦合并经编程，分别在第一和第二发射点火之后，从构成接收孔径的选定换能器单元接收第一和第二组接收信号，并且产生分别从所述第一和第二组接收信号得出的第一和第二波束叠加信号；乘法器，用于分别以第一和第二单位代码符号乘以每个第一和第二波束形成信号，从而产生第一和第二乘积；矢量求和器，用来对所述乘法器的乘积相加，从而形成合成信号；解码滤波器，用于对所述合成信号解码，以产生至少一个压缩脉冲；处理器，用于形成作为至少所述至少一个压缩脉冲的函数的图像信号；以及用来显示有一部分表示所述图像信号的图像的显示器。
4.用来对超声散射体进行成象的方法，包括分别在第一和第二发射点火期间用第一和第二发射序列驱动在换能器阵列中构成一个发射孔径的第一组换能器单元，所述第一和第二发射点火被聚焦于发射焦点位置处，所述第一和第二发射序列分别由第一和第二发射序列得到，所述第一和第二发射序列的特性是所述第一发射序列和第一代码/单元符号相乘的乘积与所述第二发射序列和第二代码/单元符号的乘积进行矢量相加而得到第一编码基序列；分别在第一和第二发射点火之后，从换能器阵列中的构成接收孔径的第二组换能器单元接收第一和第二组接收信号；产生分别从所述第一和第二组接收信号得出的第一和第二波束叠加信号；通过分别施加第一和第二组滤波器系数，分别对所述第一和第二波束叠加信号滤波以构成第一和第二滤波信号，所述第一组滤波器系数是通过将所述第一代码/单元符号乘以第一组解码滤波器系数而得到的，所述第二组滤波器系数是通过将所述第二代码/单元符号乘以第一组解码滤波器系数而得到的；至少对所述第一和第二滤波信号求和，从而形成解码信号；形成作为至少所述解码信号的函数的图像信号；以及显示有一部分表示所述图像信号的图像。
5.如在权利要求书4中所述的方法，其特征在于分别在第三和第四发射点火期间用第三和第四脉冲序列驱动所述第一组换能器单元，所述第三和第四发射点火被聚焦于所述发射焦点位置处，所述第三和第四脉冲序列是分别从第三和第四发射序列得到的，所述第三和第四发射序列的特性是所述第三发射序列和第一代码/单元符号相乘的矢量乘积与所述第四发射序列和第二代码/单元符号的乘积进行矢量相加而得到第二编码基序列，所述第一和第二编码基序列是互补的；分别在所述第三和第四发射点火之后，从所述第二组换能器单元接收第三和第四组接收信号；形成分别从所述第三和第四组接收信号得出的第三和第四波束叠加信号；通过分别施加第三和第四组滤波器系数，分别对所述第三和第四波束叠加信号滤波以构成第三和第四滤波信号，所述第三组滤波器系数是通过将所述第一代码/单元符号乘以第二组解码滤波器系数而得到的，所述第四组滤波器系数是通过将所述第二代码/单元符号乘以第二组解码滤波器系数而得到的；对所述第一至第四滤波信号求和，从而形成所述解码信号。
6.用来对超声散射体进行成象的方法，包括分别在第一和第二发射点火期间用第一和第二脉冲序列驱动在换能器阵列中构成一个发射孔径的第一组换能器单元，所述第一和第二发射点火被聚焦于发射焦点位置处，所述第一和第二脉冲序列分别由第一和第二发射序列得到，所述第一和第二发射序列的特性是Barker码和基序列进行卷积以及所述第二发射序列和第二代码/单元符号的乘积而得到第一编码基序列；分别在第一和第二发射点火之后，从换能器阵列中的构成接收孔径的第二组换能器单元接收第一和第二组接收信号；产生分别从所述第一和第二组接收信号得出的第一和第二波束叠加信号；将所述第一和第二波束形成信号分别乘以所述第一和第二单元代码符号，从而产生第一和第二乘积；至少对所述第一和第二乘积求和，从而形成合成信号；对所述合成信号解码，从而产生至少一个压缩脉冲；形成作为所述至少一个压缩信号的函数的图像信号；以及显示有一部分表示所述图像信号的图像。
7.用来对超声散射体进行成象的系统，包括包括多个换能器单元的超声换能器阵列；发射器，它和所述换能器阵列耦合并经编程，在第一发射点火期间响应第一脉冲序列并且在第二发射点火期间响应第二脉冲序列脉冲式驱动构成发射孔径的选定换能器单元，所述第一和第二发射点火被聚焦于发射焦点位置处；接收器，它和所述换能器阵列耦合并经编程，分别在第一和第二发射点火之后，从构成接收孔径的选定换能器单元接收第一和第二组接收信号，并且产生分别从所述第一和第二组接收信号得出的第一和第二波束叠加信号；合成器，将所述第二波束叠加信号从第一波束叠加信号中减去，以构成第一合成信号；子系统，用于形成作为至少所述合成信号的函数的图像信号；以及用来显示有一部分表示所述图像信号的图像的显示器。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于还包括单元符号存储器，其中所述第一和第二脉冲序列是单极的，并且所述合成器包括具有第一和第二输入端以及一个输出端的乘法器，和其输入端和所述乘法器输出端耦合的矢量求和器，所述第一和第二乘法器输入端分别适用于接收所述第一波束叠加信号和在第一接收周期期间来自所述单元符号存储器的第一值，并且分别进一步适用于接收所述第二波束叠加信号和在第二接收周期期间来自所述单元符号存储器的第二值，所述第一第二值极性是相反的。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于还包括代码符号存储器，其中所述第一和第二脉冲序列是双极的，并且所述合成器包括具有第一和第二输入端以及一个输出端的乘法器，和其输入端和所述乘法器输出端耦合的矢量求和器，所述第一和第二乘法器输入端分别适用于接收所述第一波束叠加信号和在第一接收周期期间来自所述代码符号存储器的第一值，并且分别进一步适用于接收所述第二波束叠加信号和在第二接收周期期间来自所述代码符号存储器的第二值，所述第一第二值极性是相反的。
10.如权利要求7所述的系统，其特征在于所述发射器经进一步编程，在第三发射点火期间用第三脉冲序列并且在第四发射点火期间用第四脉冲序列驱动构成所述发射孔径的所述选定换能器单元，所述第三和第四发射点火被聚焦于所述发射焦点位置处，所述接收器经进一步编程，分别在所述第三和第四发射点火之后，从构成所述接收孔径的所述选定换能器单元接收第三和第四组接收信号，并且产生分别从所述第三和第四组信号得出的第三和第四波束叠加信号，所述合成器适用于从所述第三波束叠加信号中减去所述第四波束叠加信号，以构成第二合成信号，由所述子系统形成的所述图象信号是所述第一和第二合成信号的函数。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于所述第一脉冲序列和所述第二脉冲序列的反相的第一叠加基本上等于由基序列和第一发射码卷积而形成的第一编码基序列，所述第三脉冲序列和所述第四脉冲序列的反相的第二叠加基本上等于由基序列和第二发射码卷积而形成的第二编码基序列，所述第一和第二发射码是互补的，所述子系统包括用第一和第二组滤波器系数编程以分别对所述第一和第二合成信号滤波的解码滤波器，所述第一和第二组滤波器系数分别是所述第一和第二发射代码的相应函数。
12.如权利要求7所述的系统，其特征在于所述子系统包括用一组滤波器系数编程以对所述第一合成信号滤波从而构成压缩脉冲信号的解码滤波器。
13.用来对超声散射体进行成象的系统，包括包括多个换能器单元的超声换能器阵列；发射器，它和所述换能器阵列耦合并经编程，响应在第一发射点火期间设定的第一单极脉冲并且响应在第二发射点火期间设定的第二单极脉冲同时脉冲式驱动构成发射孔径的选定换能器单元；接收器，它和所述换能器阵列耦合并经编程，分别在第一和第二发射点火之后，从构成接收孔径的选定换能器单元接收第一和第二组接收信号；合成器，分别将所述第二组接收信号从第一组接收信号中减去，以构成一组合成信号；处理器，用于形成作为至少所述合成信号组的函数的图像信号；以及用来显示有一部分表示所述图像信号的图像的显示器。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于还包括单元符号存储器，所述合成器适用于为所述接收孔径中的每个换能器对第一产生信号和第二产生信号相加，所述第一产生信号是所述第一组的相应接收信号和来自所述单元符号存储器的第一值的乘积，而所述第二产生信号是所述第二组的相应接收信号和来自所述单元符号存储器的第二值的乘积，所述第一和第二值在极性上是相反的。
15.用来对超声散射体进行成象的方法，包括在第一和第二发射点火期间分别用第一和第二脉冲序列驱动在换能器阵列中构成发射孔径的第一组换能器单元；分别在第一和第二发射点火之后从在该换能器阵列中构成接收孔径的第二组换能器单元接收第一和第二组接收信号；分别从所述第一和第二组接收信号形成第一和第二波束叠加信号；将所述第二波束叠加信号从所述第一波束叠加信号中减去，以构成第一合成信号；形成作为至少所述第一合成信号的函数的图像信号；以及用来显示有一部分表示所述图像信号的图像。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述第一脉冲序列和所述第二脉冲序列分别由第一和第二发射序列而得到，所述第一发射序列和所述第二发射序列的反相结果的叠加构成第一编码基序列，
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于所述第一脉冲序列和所述第二脉冲序列分别由第一和第二发射序列而得到，所述第一发射序列和所述第二发射序列均是由Barker码和基序列卷积而形成的编码基序列而构成的。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于还包括下列步骤在第三和第四发射点火期间分别用第三和第四脉冲序列驱动所述第一组换能器单元，所述第三和第四发射点火聚焦在所述发射焦点位置；分别在所述第三和第四发射点火之后从所述第二组换能器单元接收第三和第四组接收信号；分别从所述第三和第四组接收信号形成第三和第四波束叠加信号；将所述第四波束叠加信号从所述第三波束叠加信号中减去，以构成第二合成信号；形成作为所述第一和第二合成信号的函数的图像信号。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于所述第三脉冲序列和所述第四脉冲序列分别由第三和第四发射序列而得到，所述第三发射序列和所述第四发射序列的反相结果的叠加构成第二编码基序列，
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于所述第一、第二、第三和第四脉冲序列分别由第一、第二、第三和第四发射序列而得到，所述第一、第二、第三和第四发射序列均是由第一和第二互补码和基序列卷积而形成的编码基序列而构成的。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于所述第一和第二互补码构成Golay码对。
22.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述第一和第二脉冲序列是单极的。
23.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述第一和第二脉冲序列是双极的。
24.用来对超声散射体进行成象的方法，包括在第一和第二发射点火期间分别用第一和第二单极脉冲组驱动在换能器阵列中构成发射孔径的第一组换能器单元，所述第一组换能器单元对于所述第一和第二发射点火同时被驱动；分别在所述第一和第二发射点火之后从在该换能器阵列中构成接收孔径的第二组换能器单元接收第一和第二组接收信号；分别将所述第二组接收信号从所述第一组接收信号中减去，以构成一组合成信号；形成作为至少所述合成信号组的函数的图像信号；以及用来显示表示所述图像信号的图像。
25.如权利要求24所述的方法，其特征在于将所述第二组接收信号从所述第一组接收信号中减去的步骤包括对所述接收孔径中的每个换能器的第一产生信号和第二产生信号相加的步骤，所述第一产生信号是所述第一组的相应接收信号和来自单元符号存储器的第一值的乘积，而所述第二产生信号是所述第二组的相应接收信号和来自所述单元符号存储器的第二值的乘积，所述第一和第二值在极性上是相反的。
全文摘要
医学超声成象用的编码激励通过在不同的点火上发射在编码基序列中的代码或单元符号实现。编码的基序列通过用过采样的代码序列卷积基序列而形成。对于每个点火,编码基序列里的指定代码或单元符号由单位符号替换(即1或－1),同时其他的符号位置全部设为零。在每个发射之后,所接收的波形乘以各自的符号并且累加从而合成所接收的编码波形。
文档编号G01S15/89GK1266989SQ0010430
公开日2000年9月20日 申请日期2000年3月16日 优先权日1999年3月16日
发明者R·Y·奇奥, L·J·托马斯三世 申请人:通用电气公司