專利名稱：為超聲波束形成器提供動態(tài)可變時延的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及通過對許多并行通道內(nèi)的返回信號提供時延并求和而形成超聲束的超聲成象系統(tǒng)。具體而言，本發(fā)明涉及為通道處理提供所需波束形成時延的裝置。
常規(guī)的超聲成象系統(tǒng)包括一個超聲換能器陣列，這些換能器用于發(fā)射超聲波束然后接收從所研究物體反射的波束。對于超聲成象，該陣列通常有許多排成一線的由獨立電壓驅(qū)動的換能器。通過選擇所施加電壓的時延(或相位)與幅值，可以控制各個換能器，以產(chǎn)生超聲波，這些超聲波組合成一個凈的超聲波，它沿優(yōu)選的矢量方向前進(jìn)，并且聚焦于沿該波束的某個選定點處?？梢杂枚啻伟l(fā)射，來獲取表示相同構(gòu)造信息的數(shù)據(jù)。每次發(fā)射的波束形成參數(shù)可以是不同的，以便例如通過沿同一掃描線相繼發(fā)射波束，使每一波束的聚焦點相對于前一波束的焦點有所移動，從而改變最大聚焦或改變每次發(fā)射后所接收的數(shù)據(jù)。通過改變所施加電壓的時延和幅值，可以在一平面內(nèi)移動波束以及其焦點，從而對物體進(jìn)行掃描。
同樣的原理可以應(yīng)用于換能器被用于接收反射聲(接收器模式)之時。在接收換能器處產(chǎn)生的電壓被求和，使得凈信號表示從該物體的單個焦點反射回來的超聲波。如同發(fā)射模式一樣，超聲能量的這種聚焦接收是通過向某個接收換能器的信號賦予不同的時延(和/或相移)和增益而獲得的。
這樣的掃描包括一系列的測量，發(fā)射定向超聲波，以及接收并且存儲反射超聲波。通常，發(fā)射和接收在每次測量期間被定向在同一方向，從沿超聲波束或掃描線的一系列點獲取數(shù)據(jù)。接收器在接收反射超聲波時動態(tài)聚焦于掃描線的一系列距離內(nèi)。
超聲圖象由多個圖象掃描線組成。單個掃描線(或小的局部的掃描線組)是通過將聚焦超聲能量發(fā)射到感興趣區(qū)域的某點，然后在一定時間之后接收反射能量而得到的。聚焦的發(fā)射能量稱為發(fā)射波束。在發(fā)射之后的一段時間內(nèi)，一或多個接收波束形成器對每個通道所接收的能量相干求和，動態(tài)地改變相位變化或延遲，在所希望的掃描線正比于渡越時間的距離范圍內(nèi)生成峰值靈敏度。所得到的聚焦靈敏度圖形稱為接收波束。掃描線的分辨率與相應(yīng)的發(fā)射和接收波束對的方向性有關(guān)。
掃描線由其位置和角度定義。波束與換能器面的交叉點被稱為相位中心。掃描線相對于波向線(ORTHOGONAL)的角度被稱為定向角。
波束形成延遲可以是固定的，也可以是動態(tài)的。發(fā)射延遲固定可以在特定距離處提供峰值壓力。接收延遲通常是動態(tài)的，這是由于峰值靈敏度必須跟蹤不斷增加的反射距離r，r是渡越時間t的函數(shù)r=tc2---(1)]]>這里c是成象媒質(zhì)中的聲速。渡越時間可以用量τ量化，它等于量化后的聚焦距離r=nτc2---(2)]]>這里所用的幾何結(jié)構(gòu)對于線性/扇形和彎曲的線性換能器分別示于

圖1A和1B。重要的參考點是相位中心，焦點和元素位置。相位中心總是笛卡爾坐標(biāo)系(x，z)的原點。焦點是r，元素位置是Pi。對于曲線陣列，元素位置由曲率半徑ρ和通道角Φi＝Iiρ決定，這里Ii是從相位中心沿探頭表面的距離。
Tp是聲波經(jīng)r處反射在相位中心和Pi之間傳播的時間，波束形成器必須對通道與通道之間的傳播時間Tp的差值進(jìn)行補(bǔ)償。相對延遲Td是通道i的傳播時間和相位中心的傳播時間的差值。對于圖1A所示幾何形狀，時間Tp和Td如下Td(xi,θ,r)≡1c((xi2+r2-2xirsinθ)1/2-r)---(3)]]>Tp(xi,θ,r)≡1c((xi2+r2-2xirsinθ)1/2+r)---(4)]]>Td(xi,zi,r)≡1c([xi2+(r-zi)2]1/2-r)---(5)]]>Tp(xi,zi,r)≡1c([xi2+(r-zi)2]1/2+r)---(6)]]>參照圖2，常規(guī)的超聲成象系統(tǒng)包括由多個單獨驅(qū)動的換能器單元12組成的換能器陣列10，每個換能器單元12在由發(fā)射器22產(chǎn)生的脈沖化波形饋電時生成超聲能量脈沖串。從研究物體反射回?fù)Q能器陣列10的超聲能量由每個接收換能器單元12轉(zhuǎn)換成電信號，并且通過一組發(fā)射/接收(T/R)開關(guān)26分別送往接收器24。T/R開關(guān)26通常是一些二極管，它們保護(hù)接收電子線路，使之免受發(fā)射電子線路所產(chǎn)生高電壓的影響。發(fā)射信號使這些二極管切斷或限制該信號進(jìn)入接收器的通路。發(fā)射器22和接收器24是在掃描控制器28的控制下響應(yīng)某操作者的指令而運(yùn)作的。通過獲取一系列的回波完成完整的掃描過程，其中發(fā)射器22瞬時選通，對每個換能器單元12饋電，隨后由每個換能器單元12生成的回波信號被送往接收器24。也許一個通道開始接收的同時，另一個通道仍在發(fā)射信號。接收器24將每個換能器單元的回波信號組合在一起，生成單個的回波信號，該信號用于產(chǎn)生顯示器30上一幀圖象的一行。
發(fā)射器22驅(qū)動換能器陣列10，使得所產(chǎn)生的超聲能量指向或定向于一波束中。為做到這一點，發(fā)射器22給經(jīng)各個波束形成器通道送往相繼換能器單元12的相應(yīng)脈沖波W一定時延。每個通道有其各自的與此有關(guān)的脈沖發(fā)生裝置。通過以常規(guī)方式適當(dāng)調(diào)節(jié)脈沖時延，超聲脈沖可以被定向到偏離軸36角度為θ的方向和/或聚焦到固定距離R處。通過逐漸改變連續(xù)激勵的時延，可以實現(xiàn)扇形掃描。角度θ因此遞增，將發(fā)射波束定向在一連串的方向。
每個超聲能量脈沖串被位于沿該超聲波束相繼距離處的物體反射，產(chǎn)生回波信號。這些回波信號分別為每個換能器單元12檢測到，以時間為參數(shù)的某點的回聲信號的幅度表示發(fā)生在特定距離處的反射量。但是，由于在反射點P和每個換能器單元12之間的傳播路徑不同，這些回波信號不會被同時檢測到，而且它們的幅度也不同。接收器24將單獨的回波信號放大，賦予每一個適當(dāng)?shù)臅r延，并對它們求和，得到單個的回波信號，該回波信號精確地表示了沿定向在角θ方向超聲波束的距離R處的點P所反射的超聲能量。
為了對照射在每個換能器單元12上的回波所產(chǎn)生的電信號同時求和，對接收器24的每個單獨的波束形成器通道引入時延。用于接收的波束時延和上述的發(fā)射時延相同。但是，在回波接收期間每個接收器通道的時延是連續(xù)變化的，以便對距離R處的接收波束進(jìn)行動態(tài)聚焦，由此產(chǎn)生回波信號。
在掃描控制器28的方向下，接收器24于掃描期間提供延遲，使得對接收器24的定向能夠跟蹤發(fā)射器22所定向波束的方向θ，并且提供適當(dāng)?shù)难舆t和相移，以動態(tài)聚焦于沿該波束的點P處。這樣，超聲脈沖波的每次發(fā)射都會導(dǎo)致一次信號的獲取，該信號的幅度表示沿超聲波束方向放置的某個構(gòu)造的反射聲的大小。
檢測器25將所接收信號轉(zhuǎn)換成顯示數(shù)據(jù)。在B模式(灰度)下，進(jìn)行某些處理，例如輪廓增強(qiáng)和對數(shù)壓縮，可以由此得到信號的包絡(luò)。
掃描變換器/內(nèi)插器32從檢測器25接收顯示數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為所希望的顯示圖象。特別是，掃描轉(zhuǎn)換器將聲學(xué)圖象數(shù)據(jù)從極坐標(biāo)(R-θ)扇形形式或笛卡爾坐標(biāo)線性陣列轉(zhuǎn)換成視頻速率下的適當(dāng)定標(biāo)的笛卡爾坐標(biāo)顯示象素數(shù)據(jù)。然后輸出該掃描轉(zhuǎn)換后的聲數(shù)據(jù)，顯示于顯示器30上，該顯示器將該信號的包絡(luò)的時變幅度作為灰度成象。
參照圖3，接收器包括接收波束形成部分34和信號處理器38。接收器24的接收波束形成部分34包括單獨的波束形成器通道35。每個波束形成器通道35從一個相應(yīng)的換能器單元接收模擬回波信號。波束形成器控制器50將掃描線和發(fā)射焦點數(shù)轉(zhuǎn)換成地址，存儲到通道控制存儲器(未示)中。掃描控制器28(圖2)和波束形成控制器50(圖3)由系統(tǒng)主CPU響應(yīng)于諸如改變顯示格式或連接不同的超聲探頭的用戶動作而裝載。
從圖4可以看出，每個波束形成器通道35包括一個接收通道和一個發(fā)射通道，每個通道分別包含延遲裝置40和42，它們分別在接收控制邏輯44和發(fā)射控制邏輯46的控制下提供所需要的波束形成延遲。發(fā)射情況下通常采用一個計數(shù)器使發(fā)射脈沖產(chǎn)生的開始時間推遲。對于接收，一些系統(tǒng)除延遲外或代替延遲，提供有相對相位旋轉(zhuǎn)相序。接收通道還提供電路48，用于對接收脈沖進(jìn)行變跡(apodize)或濾波。
進(jìn)入求和器36(見圖3)的信號已經(jīng)加有延遲，這樣當(dāng)它們與來自每一個其它波束形成器通道35的延遲信號相加時，相加信號指示了由沿定向波束(θ)方向設(shè)置的物體所反射的回波信號的幅度和相位。信號處理器38從求和器36接收這些波束樣本，并產(chǎn)生輸出，送往掃描變換器32(見圖2)。
根據(jù)前述的常規(guī)時延數(shù)字波束形成系統(tǒng)，每個信號處理通道35包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和被控制用于提供整數(shù)時延的FIFO。ADC和FIFO的輸入端由異步時鐘驅(qū)動，以產(chǎn)生可變時延。在需要時插入額外的時鐘周期，以增加FIFO的深度。這降低了ADC的性能，并且由于時序的緣故實施時有許多困難。
其它現(xiàn)有技術(shù)數(shù)字波束形成器在數(shù)據(jù)進(jìn)入FIFO之前將數(shù)據(jù)內(nèi)插成較高抽樣率。這增加了FIFO的所需大小。
另外，其它現(xiàn)有技術(shù)數(shù)字波束形成器對FIFO的輸出進(jìn)行內(nèi)插。FIFO延遲的動態(tài)變化在內(nèi)插器的輸入端產(chǎn)生不連續(xù)，使得內(nèi)插器性能降低。
本發(fā)明是以最少的軟件和硬件為超聲成象系統(tǒng)提供所需要的波束形成延遲的一種設(shè)備。特別是，本發(fā)明是在超聲波束形成器中提供具有子抽樣率(subsample rate)精度的動態(tài)可變時延的一種方法。
用于高性能超聲成象系統(tǒng)的接收波束形成要求時延精度為5納秒量級。但是采用非常低的抽樣周期，例如對于實際信號40MHz或在解調(diào)和/或濾波之后10MHz，也可以使接收信號完全地數(shù)字再現(xiàn)。本發(fā)明所提供的動態(tài)可變延遲的精度是抽樣周期的分?jǐn)?shù)，而不會增加實際的抽樣率。分?jǐn)?shù)延遲是通過使用以輸入抽樣率運(yùn)行的內(nèi)插器提供的。
為了在接收期間保持聚焦，超聲波束形成器必須動態(tài)地增加每個通道的延遲。本發(fā)明通過組合FIFO和內(nèi)插器并使之同步來提供所需要的動態(tài)延遲，而不會帶來不希望有的不連續(xù)性。
內(nèi)插器的優(yōu)選實施例使用“WALLACE樹”加法器，對輸入信號移位后的結(jié)果進(jìn)行累加。加法的次數(shù)少于表示等效系數(shù)所需要的比特數(shù)。這減少了與采用移位數(shù)和加法數(shù)等于系數(shù)中比特數(shù)的乘法器的常規(guī)做法相關(guān)的硬件。
該優(yōu)選實施例的另一個特征是其性能足以用在醫(yī)用成象通常采用的整個輸入頻率范圍，同時允許在該頻率范圍外的性能降低。當(dāng)輸入信號頻率改變時它并不需要進(jìn)行修改。這一特征是可選的某些實施例可能包括與頻率有關(guān)的構(gòu)造。
圖1A和1B是分別用于線性/扇形和曲線的線性換能器的波束形成幾何的圖示。
圖2是常規(guī)實時超聲成象系統(tǒng)內(nèi)的主要功能子系統(tǒng)的框圖。
圖3是圖2所描述系統(tǒng)的典型的128通道的波束形成器的框圖。
圖4是圖3所描述的常規(guī)波束形成器內(nèi)的通道處理的框圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的接收信號處理通道的框圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)插濾波器的四點立方內(nèi)插頻率響應(yīng)的圖形表示。
圖7A和7B分別是根據(jù)本發(fā)明內(nèi)插濾波器的幅度響應(yīng)和群延遲的圖形表示。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的動態(tài)波束形成延遲邏輯電路的框圖。
圖9是表示圖8所描述動態(tài)波束形成延遲邏輯電路中所包含的延遲控制邏輯電路的框圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例在圖8中描述的動態(tài)波束形成延遲邏輯電路中所包含的內(nèi)插器的框圖。
圖11是關(guān)于圖10所描述內(nèi)插器中所包含的代表性移位和加法塊的進(jìn)一步細(xì)節(jié)的框圖。
圖12是根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實施例包含于圖8所描述的動態(tài)波束形成延遲邏輯電路內(nèi)的內(nèi)插器的框圖。
參看圖5，根據(jù)本發(fā)明每個接收信號處理通道35包括一個放大器52，它對各自的超聲換能器單元所檢測到的信號進(jìn)行放大；一個模擬一數(shù)字轉(zhuǎn)換器54，它將放大后的模擬信號以某個抽樣率轉(zhuǎn)換成一串?dāng)?shù)字樣本(例如，每個數(shù)字樣本具有8位)；一個整數(shù)采樣周期延遲電路56，它用于使數(shù)字樣本延遲一段等于整數(shù)個采樣周期的時間間隔；以及分?jǐn)?shù)采樣周期延遲電路58，它用于使數(shù)字樣本延遲一段等于采樣周期的分?jǐn)?shù)的時間間隔。然后在求和器36中對用于每個處理通道的各自分?jǐn)?shù)采樣周期延遲電路的輸出進(jìn)行求和，如圖3所示。
根據(jù)本發(fā)明，整數(shù)采樣周期延遲電路包括一個動態(tài)的FIFO101和一系列脈沖定時的流水線(pipeline)寄存器102-105(見圖8)，而分?jǐn)?shù)采樣周期延遲電路包括一個內(nèi)插器107。并行接收波束形成可以由設(shè)立從每個FIFO的多個讀位置加以支持。另一個方案是讓每個接收波束有單獨的FIFO。
根據(jù)本發(fā)明廣義的概念，動態(tài)FIFO提供與距離有關(guān)的時延，以支持寬帶波束形成。這些FIFO支持40MHz抽樣率，提供±12.5納秒的“粗略”延遲精度。FIFO的初始長度由稱為“初始接收延遲”的多位控制字段控制。當(dāng)延遲增量機(jī)(未圖示)請求FIFO延遲增量時，通過使輸出樣本重復(fù)或“保持”，F(xiàn)IFO長度在輸出端得到增加，即輸出數(shù)據(jù)并未與此前的40MHz時鐘有所不同。
根據(jù)本發(fā)明，每個接收波束需要一個內(nèi)插器。內(nèi)插器通過在來自FIFO的樣本之間內(nèi)插，提供“精細(xì)”的延遲調(diào)節(jié)。根據(jù)一個優(yōu)選實施例，內(nèi)插器在來自FIFO的四個樣本之間內(nèi)插，產(chǎn)生2.75、2.5、2.25或2.0個25納秒時鐘周期的延遲。這給出±3.125納秒的延遲精度。根據(jù)該優(yōu)選實施例的內(nèi)插器系數(shù)列于表1中。
表1系數(shù)分解-20 -(16+4)-31 -32+1-28 -32+40 074 64+8+2152 128+32-8220 256-32-4256 256220 256-32-4152 128+32-874 64+8+20 0-28 -32+4-31 -32+1-20 -(16+4)0 0這些系數(shù)全都是2的冪的簡單組合，由256定標(biāo)。為了得到2.75的延遲，使用第1、5、9和13項系數(shù)；為了得到2.5的延遲，使用第2、6、10和14項系數(shù)；如此等等。
與每個波束有關(guān)的延遲計數(shù)器106(見圖8)選擇內(nèi)插系數(shù)，并且指示何時需要FIFO延遲增加。當(dāng)FIFO延遲增加“保持”FIFO輸出時，內(nèi)插器數(shù)據(jù)也必須被保持。
一個例子示于表2，該表中每一行表示40MHz時鐘信號。第一列表示所需要的動態(tài)延遲，其單位為40MHz時鐘信號，從第一行5.0開始。內(nèi)插器提供該延遲的分?jǐn)?shù)部分，另外有兩個整數(shù)延遲。接下來的四列是內(nèi)插器輸入緩沖器的內(nèi)容，最后四列是所使用的系數(shù)。在最后一行要求有FIFO延遲增量，這樣s(25)被保持在FIFO的輸出端，內(nèi)插器輸入緩沖器內(nèi)的所有數(shù)據(jù)同樣被保持。
表2時間延遲 內(nèi)插器輸入緩沖器 內(nèi)插器系數(shù)10.05.0s(6) s(5)s(4) s(3)02560011.05.0s(7) s(6)s(5) s(4)02560012.05.0s(8) s(7)s(6) s(5)02560013.05.0s(9) s(8)s(7) s(6)02560014.05.25 s(10) s(9)s(8) s(7)-28 22074 -2015.05.25 s(11) s(10) s(9) s(8)-28 22074 -2016.05.25 s(12) s(11) s(10) s(9)-28 22074 -2017.05.25 s(13) s(12) s(11) s(10) -28 22074 -2018.05.5s(14) s(13) s(12) s(11) -31 152152 -3119.05.5s(15) s(14) s(13) s(12) -31 152152 -3120.05.5s(16) s(15) s(14) s(13) -31 152152 -3121.05.5s(17) s(16) s(15) s(14) -31 152152 -3122.05.5s(18) s(17) s(16) s(15) -31 152152 -3123.05.5s(19) s(18) s(17) s(16) -31 152152 -3124.05.5s(20) s(19) s(18) s(17) -31 152152 -3125.05.5s(21) s(20) s(19) s(18) -31 152152 -3126.05.75 s(22) s(21) s(20) s(19) -20 74 220 -2827.05.75 s(23) s(22) s(21) s(20) -20 74 220 -2828.05.75 s(24) s(23) s(22) s(21) -20 74 220 -2829.05.75 s(25) s(24) s(23) s(22) -20 74 220 -2830.06.0s(25) s(24) s(23) s(22) 02560031.06.0s(26) s(25) s(24) s(23) 025600
內(nèi)插等價于對填零信號進(jìn)行線性時不變?yōu)V波。該填零信號代表已知樣值之間填有零的采樣輸入信號。填零采樣信號的頻譜在采樣率的諧頻處有輸入頻譜的高頻圖象。內(nèi)插濾波器使輸入信號的頻譜通過，同時衰減所有的圖象。這些圖象高于單元間的間隔確定的陣列設(shè)計頻率。這樣，它們產(chǎn)生柵瓣(grating lobe)。這些柵瓣的相對電平由抽樣率諧頻附近內(nèi)插濾波器的阻帶確定。
該設(shè)計的濾波器系數(shù)列示于表1中。該內(nèi)插濾波器的頻率響應(yīng)示于圖6。它的-3dB通帶范圍大于13MHz，-35dB阻帶在40、80和120MHz附近，每個26MHz寬。這樣在最糟糕的情況下CW信號的柵瓣應(yīng)為-35dB。典型信號的柵瓣比此要低得多。一個糟糕的例子是在一個40通道孔徑上的20周(cycle)PW多普勒脈沖。第一柵瓣應(yīng)再衰減-6dB，使總的電平低于-40dB。
還可以將內(nèi)插器看作為用不同的群延遲對全通的濾波器進(jìn)行的選擇。該方法也許更直觀些，這是因為它更接近于實際的實施。在該設(shè)計中，根據(jù)所需要的分?jǐn)?shù)延遲提供了四個分?jǐn)?shù)延遲。由于有四個分?jǐn)?shù)延遲，對應(yīng)地有四組四個系數(shù)，每組有一個相關(guān)的群延遲和幅度響應(yīng)。圖7A和7B給出了表1所列示系數(shù)對應(yīng)的響應(yīng)。幅度響應(yīng)較平，在直至13MHz的范圍內(nèi)波動為±0.5dB，群延遲在直至13MHz的范圍內(nèi)精確到3.25納秒。盡管這一觀點使我們對所產(chǎn)生的精度有所了解，但是它并不能如第一種方法那樣直觀地對波束形成性能(即柵瓣電平)進(jìn)行估計。與CORDIC旋轉(zhuǎn)或線性內(nèi)插相比，該方法提供全部模式下較好的性能和/或較少的硬件。
根據(jù)圖8所示的本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，動態(tài)波束形成延遲由FIFO101、流水線寄存器102-105和內(nèi)插器107提供。FIFO101提供的延遲是采樣時鐘(SCLK)周期的整數(shù)倍。寄存器102和103向內(nèi)插器107名義上的中間輸入端，IN2提供兩個采樣周期的額外延遲。內(nèi)插器107提供在中間兩個(IN2和IN3)輸入樣本之間的額外分?jǐn)?shù)延遲。盡管圖示的是四樣本的內(nèi)插器，本發(fā)明可以歸納為使用來自Q個寄存器的Q個輸入樣本，這里Q是等于或大于2的整數(shù)。然后輸入寄存器提供Q/2采樣周期的延遲，同時內(nèi)插器內(nèi)插在中間的兩個輸入端之間。
圖8所示的動態(tài)波束形成延遲邏輯電路有一個延遲計數(shù)器106，它以同步方式控制FIFO101、寄存器102-105和內(nèi)插器107?？偟难舆t可能會響應(yīng)于來自某延遲增量機(jī)(未圖示)的“延遲增量”信號，在控制時鐘(CCLK)的每次信號下有所增加。在圖9中，延遲計數(shù)器106輸出一個分?jǐn)?shù)延遲標(biāo)志和一個溢出位。在內(nèi)插器107提供從0到(L-1)/L采樣周期的L個分?jǐn)?shù)延遲選擇的情況下，該標(biāo)志為M＝log2L位。在“延遲增量”置位時每個CCLK脈沖信號作用下，延遲計數(shù)累加器108增加，以選擇下一個分?jǐn)?shù)延遲。從(L-1)溢出變?yōu)?時，溢出邏輯電路110對這一個SCLK周期的溢出位置位，以禁止經(jīng)REN讀取FIFO101以及經(jīng)CE對寄存器定時。REN停止讀取FIFO，同時仍繼續(xù)寫，這樣，每一個SCLK脈沖產(chǎn)生一個額外的FIFO延遲的樣本。REN的一個SCLK脈沖使FIFO延遲增加一個采樣周期。CE則保持內(nèi)插器輸入寄存器上的內(nèi)容，以使它們與FIFO輸出同步，使最近的四個樣本送往所希望輸出端。這與內(nèi)插器延遲從(L-1)/L切換至0分?jǐn)?shù)延遲是同時進(jìn)行的，產(chǎn)生所需要的1/L分?jǐn)?shù)延遲凈增長，而不會有不連續(xù)性。這表示于表2內(nèi)。
為了滿足實際時序的要求，CCLK必須保持與SCLK的正確關(guān)系。CCLK觸發(fā)器邊緣必須足夠早，以允許REN和CE控制輸入信號在SCLK觸發(fā)器邊緣之前建立。一般來說，CCLK的速率可以低于SCLK。CCLK頻率fc僅須足夠高以與波束形成延遲基于距離所應(yīng)有的變化率保持一致。
較好的近似是fc>Lfs16fn2(1-12fntanθ)-2---(7)]]>這里fs是SCLK頻率，fn是最小接收f數(shù)，而θ是相對寬邊而言的最大導(dǎo)引角。具有值為1.5的最小接收f數(shù)、45度的最大轉(zhuǎn)向角、40MHz的采樣率以及值為4的內(nèi)插比L的系統(tǒng)要求有10MHz的控制時鐘。
內(nèi)插器可以是諸如現(xiàn)有技術(shù)中說明的常規(guī)內(nèi)插器；但是，其優(yōu)選實施例示于圖10中。多路復(fù)用器111根據(jù)來自延遲計數(shù)器106(見圖8)的標(biāo)志選擇L個分?jǐn)?shù)延遲之一。如果該標(biāo)志為零，來自第二(Q/2)輸入寄存器的樣本直接送到輸出端。否則，使用(L-1)個移位與加法塊112至114之一的輸出。
前述方法的優(yōu)勢在于不需要多路復(fù)用器；對于每個移位和加法塊只需要移位、倒相以及一個Wallace樹加法器(見圖11)。移位器無需控制和有源電路；移位只是通過簡單地使位連接移動來進(jìn)行的。倒相過程非常簡單，Wallace樹加法器則是用于對許多數(shù)值進(jìn)行加法運(yùn)算的必須有效的VLSI設(shè)計。在圖11所示優(yōu)選實施例中，第一輸入樣本以兩種方式在相應(yīng)的塊116A、116B中被移位/倒相；第二輸入樣本以三種方式在相應(yīng)的塊116C-116E中被移位/倒相；第三輸入樣本以三種方式在相應(yīng)的塊116F-116H中被移位/倒相；第四輸入樣本以兩種方式在相應(yīng)的塊116I、116J中被移位/倒相。例如，為了得到2.75的延遲，將表1所列示的第1、5、9和13個系數(shù)分解(break down)，按如下使用移位/倒相塊116A的輸入IN1被移位4位并倒相(相當(dāng)于乘以-16)；移位/倒相塊116B的輸入IN1被移位2位并倒相(相當(dāng)于乘以-4)；移位/倒相塊116C的輸入IN2被移位6位(相當(dāng)于乘以64)；移位/倒相塊116D的輸入IN2被移位3位(相當(dāng)于乘以8)；移位/倒相塊116E的輸入IN2被移位1位(相當(dāng)于乘以2)；移位/倒相塊116F的輸入IN3被移位8位(相當(dāng)于乘以256)；移位/倒相塊116G的輸入IN3被移位5位并倒相(相當(dāng)于乘以-32)；移位/倒相塊116H的輸入IN3被移位2位并倒相(相當(dāng)于乘以-4)；移位/倒相塊116I的輸入IN4被移位6位并倒相(相當(dāng)于乘以-32)；移位/倒相塊116J的輸入IN4被移位2位(相當(dāng)于乘以4)。然后所有的移位/倒相樣本被送往Wallace樹加法器115進(jìn)行求和，例如-20(IN1)+74(IN2)+220(IN3)28(IN4)。這相當(dāng)于用限于二或三個2的冪即±2shift的和或差的系數(shù)進(jìn)行內(nèi)插。為了提高性能，可以采用更多的二的冪。
另一個替代方案利用了內(nèi)插系數(shù)的對稱性。i/L分?jǐn)?shù)延遲的系數(shù)恰好可由(L-i)/L延遲的系數(shù)依次反轉(zhuǎn)得到，這里i＜L/2。這樣，以L＝Q＝4為例，當(dāng)分?jǐn)?shù)延遲標(biāo)志大于2時，反轉(zhuǎn)邏輯電路117可以將IN1、IN2、IN3和IN4反轉(zhuǎn)，使之分別連接到移位與加法IN4、IN3、IN2和IN1輸入端。當(dāng)分?jǐn)?shù)延遲標(biāo)志i大于L/2時，多路復(fù)用器控制邏輯電路118輸出標(biāo)志L/2-i，否則僅僅使i通過。
恰當(dāng)?shù)貙σ莆慌c倒相即系數(shù)進(jìn)行選擇，可以在整個超聲成象波段上提供足夠的性能。
前文為了說明本發(fā)明對上述優(yōu)選實施例進(jìn)行披露。對于超聲成象的波束形成領(lǐng)域中的技術(shù)人員來說變化和修改是顯而易見的。所有這些變化和修改均意欲為后續(xù)的權(quán)利要求書所包含。
權(quán)利要求
1.波束形成通道，包括模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置，用于輸出以一定采樣率采樣得到的數(shù)字樣本；整數(shù)采樣周期延遲電路，它有用于接收所述數(shù)字樣本的一個輸入端和一個輸出端；分?jǐn)?shù)采樣周期延遲電路，它具有用于從所述整數(shù)采樣周期延遲電路接收所述數(shù)字樣本的一個輸入端和一個輸出端；以及一個延遲控制電路，它與所述整數(shù)采樣周期延遲電路以及所述分?jǐn)?shù)采樣周期延遲電路相連，用于輸出延遲信號，所述延遲信號動態(tài)地同步地控制所述整數(shù)采樣周期延遲電路和所述分?jǐn)?shù)采樣周期延遲電路使通過它們的信號推遲的延遲量，其中所述整數(shù)采樣周期延遲電路包括FIFO，它具有一個連接用于接收所述數(shù)字樣本的輸入端和一個輸出端；和第一寄存器，它具有一個連接至所述FIFO的所述輸出端的輸入端和一個輸出端；所述分?jǐn)?shù)采樣周期延遲電路包括一個內(nèi)插器，其第一輸入端連接至所述第一寄存器的所述輸出端。
2.如權(quán)利要求1所述的波束形成通道，還包括第二寄存器，它具有一個連接至所述第一寄存器的所述輸出端的輸入端和一個輸出端，其中所述內(nèi)插器有與所述第二寄存器的所述輸出端相連的第二輸入端。
3.如權(quán)利要求2所述的波束形成通道，還包括第三寄存器，它有一個連接至所述第二寄存器所述輸出端的輸入端和一個輸出端，和第四寄存器，它有一個連接至所述第三寄存器所述輸出端的輸入端和一個輸出端，其中所述內(nèi)插器有分別連接至所述第三和第四寄存器的所述輸出端的第三和第四輸入端。
4.如權(quán)利要求2所述的波束形成通道，其中所述內(nèi)插器輸出一個內(nèi)插后的數(shù)字樣本，該樣本是分別從所述第一和第二寄存器接收的第一和第二數(shù)字樣本的函數(shù)。
5.如權(quán)利要求2所述的波束形成通道，其中所述內(nèi)插器包括第一裝置，用于根據(jù)第一組內(nèi)插系數(shù)使來自所述第一和第二寄存器的所述第一和第二數(shù)字樣本移位和/或倒相，以產(chǎn)生第一組移位/倒相數(shù)字樣本，所述第一組移位/倒相數(shù)字樣本與根據(jù)所述第一組內(nèi)插系數(shù)使來自所述第一和第二寄存器的所述第一和第二數(shù)字樣本移位和/或倒相的結(jié)果有關(guān)；第一加法器，連接用于接收所述第一組移位/倒相數(shù)字樣本并進(jìn)行相加，產(chǎn)生第一內(nèi)插數(shù)字樣本；第二裝置，用于根據(jù)第二組內(nèi)插系數(shù)使來自所述第一和第二寄存器的所述第一和第二數(shù)字樣本移位和/或倒相，以產(chǎn)生第二組移位/倒相數(shù)字樣本，所述第二組移位/倒相數(shù)字樣本與根據(jù)所述第二組內(nèi)插系數(shù)使來自所述第一和第二寄存器的所述第一和第二數(shù)字樣本移位和/或倒相的結(jié)果有關(guān)；第二加法器，連接用于接收所述第二組移位/倒相數(shù)字樣本并進(jìn)行相加，產(chǎn)生第二內(nèi)插數(shù)字樣本；以及多路復(fù)用器，它有分別連接用于接收所述第一和第二內(nèi)插數(shù)字樣本的第一和第二輸入端，所述多路復(fù)用器響應(yīng)來自所述延遲控制電路的控制信號輸出所述第一和第二內(nèi)插數(shù)字樣本之一。
6.如權(quán)利要求5所述的波束形成通道，其中所述第一和第二加法器均為Wallace樹加法器。
7.如權(quán)利要求2所述的波束形成通道，其中所述內(nèi)插器包括第一和第二移位/倒相電路，分別連接用于接收來自所述第一和第二寄存器的所述第一和第二數(shù)字樣本，所述第一和第二移位/倒相電路均有一個輸出端；第一加法器，具有分別連接至所述第一和第二移位/倒相電路的所述輸出端的第一和第二輸入端以及一個輸出端；以及多路復(fù)用器，有一個與所述第一加法器的所述輸出端相連的第一輸入端。
8.如權(quán)利要求7所述的波束形成通道，其中所述內(nèi)插器還包括第三和第四移位/倒相電路，分別連接用于從所述第一和第二寄存器接收所述第一和第二數(shù)字樣本，所述第三和第四移位/倒相電路均有一個輸出端；以及第二加法器，具有分別連接至所述第三和第四移位/倒相電路的所述輸出端的第一和第二輸入端以及一個輸出端；以及其中所述多路復(fù)用器有一個與所述第二加法器的所述輸出端相連的第二輸入端。
9.如權(quán)利要求8所述的波束形成通道，其中所述第一和第二加法器均為Wallace樹加法器。
10.波束形成器，包括一組波束形成器通道和一個求和器，該求和器具有分別連接至所述一組波束形成器通道的一組輸入端，其中每個所述波束形成器通道包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，用于以一定采樣率輸出數(shù)字樣本；整數(shù)采樣周期延遲電路，它有一個連接用于接收所述數(shù)字樣本的輸入端和一個輸出端；分?jǐn)?shù)采樣周期延遲電路，它有一個連接用于從所述整數(shù)采樣周期延遲電路接收所述數(shù)字樣本的輸入端和一個連接至所述求和器的相應(yīng)輸入端的輸出端；以及延遲控制電路，與所述整數(shù)采樣周期延遲電路以及所述分?jǐn)?shù)采樣周期延遲電路相連，以輸出一些延遲信號，所述延遲信號動態(tài)同步地控制所述整數(shù)采樣周期延遲電路和所述分?jǐn)?shù)采樣周期延遲電路對通過它們的信號進(jìn)行延遲的延遲量，其中所述整數(shù)采樣周期延遲電路包括FIFO，它具有一個連接用于接收所述數(shù)字樣本的輸入端和一個輸出端；和第一寄存器，它具有一個連接至所述FIFO的所述輸出端的輸入端和一個輸出端；所述分?jǐn)?shù)采樣周期延遲電路包括一個內(nèi)插器，其第一輸入端連接至所述第一寄存器的所述輸出端。
11.如權(quán)利要求10所述的波束形成器，其中每個所述波束形成器通道還包括第二寄存器，它具有一個連接至所述第一寄存器的所述輸出端的輸入端和一個輸出端，其中所述內(nèi)插器具有與所述第二寄存器的所述輸出端相連的第二輸入端。
12.如權(quán)利要求11所述的波束形成器，其中每個所述波束形成器通道還包括第三寄存器，它有一個連接至所述第二寄存器所述輸出端的輸入端和一個輸出端，和第四寄存器，它有一個連接至所述第三寄存器所述輸出端的輸入端和一個輸出端，其中所述內(nèi)插器有分別連接至所述第三和第四寄存器的所述輸出端的第三和第四輸入端。
13.如權(quán)利要求12所述的波束形成器，其中所述內(nèi)插器輸出一個內(nèi)插后的數(shù)字樣本，該樣本是分別從所述第一至第四寄存器接收的第一至第四數(shù)字樣本的函數(shù)。
14.如權(quán)利要求12所述的波束形成器，其中所述內(nèi)插器包括第一裝置，用于根據(jù)第一組內(nèi)插系數(shù)使來自所述第一和第二寄存器的所述第一和第二數(shù)字樣本移位和/或倒相，以產(chǎn)生第一組移位/倒相數(shù)字樣本，所述第一組移位/倒相數(shù)字樣本與根據(jù)所述第一組內(nèi)插系數(shù)使來自所述第一和第二寄存器的所述第一和第二數(shù)字樣本移位和/或倒相的結(jié)果有關(guān)；第一加法器，連接用于接收所述第一組移位/倒相數(shù)字樣本并進(jìn)行相加，產(chǎn)生第一內(nèi)插數(shù)字樣本；第二裝置，用于根據(jù)第二組內(nèi)插系數(shù)使來自所述第一和第二寄存器的所述第一和第二數(shù)字樣本移位和/或倒相，以產(chǎn)生第二組移位/倒相數(shù)字樣本，所述第二組移位/倒相數(shù)字樣本與根據(jù)所述第二組內(nèi)插系數(shù)使來自所述第一和第二寄存器的所述第一和第二數(shù)字樣本移位和/或倒相的結(jié)果有關(guān)；第二加法器，連接用于接收所述第二組移位/倒相數(shù)字樣本并進(jìn)行相加，產(chǎn)生第二內(nèi)插數(shù)字樣本；以及多路復(fù)用器，它有分別連接用于接收所述第一和第二內(nèi)插數(shù)字樣本的第一和第二輸入端，所述多路復(fù)用器響應(yīng)來自所述延遲控制電路的控制信號，輸出所述第一和第二內(nèi)插數(shù)字樣本之一。
15.如權(quán)利要求14所述的波束形成器，其中所述第一和第二加法器均為Wallace樹加法器。
16.如權(quán)利要求12所述的波束形成器，其中所述內(nèi)插器包括第一和第二移位/倒相電路，分別連接用于接收來自所述第一和第二寄存器的所述第一和第二數(shù)字樣本，所述第一和第二移位/倒相電路均有一個輸出端；第一加法器，具有分別連接至所述第一和第二移位/倒相電路的所述輸出端的第一和第二輸入端以及一個輸出端；以及多路復(fù)用器，有一個與所述第一加法器的所述輸出端相連的第一輸入端。
17.如權(quán)利要求16所述的波束形成器，其中所述內(nèi)插器還包括第三和第四移位/倒相電路，分別連接用于從所述第一和第二寄存器接收所述第一和第二數(shù)字樣本，所述第三和第四移位/倒相電路均有一個輸出端；以及第二加法器，具有分別連接至所述第三和第四移位/倒相電路的所述輸出端的第一和第二輸入端以及一個輸出端；其中所述多路復(fù)用器有一個與所述第二加法器的所述輸出端相連的第二輸入端。
18.如權(quán)利要求17所述的波束形成器，其中所述第一和第二加法器均為Wallace樹加法器。
19.超聲成象系統(tǒng)，包括換能器陣列，連接至所述換能器陣列的波束形成器，連接至所述波束形成器的信號處理器，連接至所述信號處理器的掃描轉(zhuǎn)換器，以及連接至所述掃描轉(zhuǎn)換器的圖象顯示器，其中所述換能器陣列包括一組換能器單元，所述波束形成器包括一組波束形成器通道，選擇性地使所述波束形成器通道與所述換能器單元相連的切換電路，和有著分別與所述一組波束形成器通道相連的一組輸入端的求和裝置，其中每個所述波束形成器通道包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，用于以一定采樣率輸出數(shù)字樣本；整數(shù)采樣周期延遲電路，它有一個連接用于接收所述數(shù)字樣本的輸入端和一個輸出端；分?jǐn)?shù)采樣周期延遲電路，它有一個連接用于從所述整數(shù)采樣周期延遲電路接收所述數(shù)字樣本的輸入端和一個連接至所述求和器的相應(yīng)輸入端的輸出端；以及延遲控制電路，與所述整數(shù)采樣周期延遲電路以及所述分?jǐn)?shù)采樣周期延遲電路相連，以輸出一些延遲信號，所述延遲信號動態(tài)同步地對所述整數(shù)采樣周期延遲電路和所述分?jǐn)?shù)采樣周期延遲電路分別使通過它們的信號延遲的延遲量進(jìn)行控制，其中所述整數(shù)采樣周期延遲電路包括FIFO，該FIFO具有一個連接用于接收所述數(shù)字樣本的輸入端和一個輸出端；第一寄存器，它具有一個連接至所述FIFO的所述輸出端的輸入端和一個輸出端；和第二寄存器，它具有一個連接至所述第一寄存器的所述輸出端的輸入端和一個輸出端；所述分?jǐn)?shù)采樣周期延遲電路包括一個內(nèi)插器，其第一和第二輸入端分別連接至所述第一和第二寄存器的所述輸出端。
20.如權(quán)利要求19所述的超聲成象系統(tǒng)，其中所述內(nèi)插器包括第一裝置，用于根據(jù)第一組內(nèi)插系數(shù)使來自所述第一和第二寄存器的所述第一和第二數(shù)字樣本移位和/或倒相，以產(chǎn)生第一組移位/倒相數(shù)字樣本，所述第一組移位/倒相數(shù)字樣本與根據(jù)所述第一組內(nèi)插系數(shù)使來自所述第一和第二寄存器的所述第一和第二數(shù)字樣本移位和/或倒相的結(jié)果有關(guān)；第一加法器，連接用于接收所述第一組移位/倒相數(shù)字樣本并進(jìn)行相加，產(chǎn)生第一內(nèi)插數(shù)字樣本；第二裝置，用于根據(jù)第二組內(nèi)插系數(shù)使來自所述第一和第二寄存器的所述第一和第二數(shù)字樣本移位和/或倒相，以產(chǎn)生第二組移位/倒相數(shù)字樣本，所述第二組移位/倒相數(shù)字樣本與根據(jù)所述第二組內(nèi)插系數(shù)使來自所述第一和第二寄存器的所述第一和第二數(shù)字樣本移位和/或倒相的結(jié)果有關(guān)；第二加法器，連接用于接收所述第二組移位/倒相數(shù)字樣本并進(jìn)行相加，產(chǎn)生第二內(nèi)插數(shù)字樣本；以及多路復(fù)用器，它有分別連接用于接收所述第一和第二內(nèi)插數(shù)字樣本的第一和第二輸入端，所述多路復(fù)用器響應(yīng)來自所述延遲控制電路的控制信號輸出所述第一和第二內(nèi)插數(shù)字樣本之一。
21.在超聲波束形成器中生成時延數(shù)字樣本的方法，所述時延數(shù)字樣本對應(yīng)于其時延為采樣周期的分?jǐn)?shù)的數(shù)字樣本，所述方法包括下列步驟在第一和第二采樣周期內(nèi)獲取超聲接收信號的第一和第二數(shù)字樣本；根據(jù)第一組內(nèi)插系數(shù)對所述第一和第二數(shù)字樣本進(jìn)行移位和/或倒相，以產(chǎn)生第一組移位/倒相數(shù)字樣本，所述第一組移位/倒相數(shù)字樣本與根據(jù)所述第一組內(nèi)插系數(shù)使來自所述第一和第二寄存器的所述第一和第二數(shù)字樣本移位和/或倒相的結(jié)果有關(guān)；對所述第一組移位/倒相數(shù)字樣本相加，產(chǎn)生第一內(nèi)插數(shù)字樣本；根據(jù)第二組內(nèi)插系數(shù)使所述第一至第四數(shù)字樣本移位和/或倒相，以產(chǎn)生第二組移位/倒相數(shù)字樣本，所述第二組移位/倒相數(shù)字樣本與根據(jù)所述第二組內(nèi)插系數(shù)使來自所述第一和第二寄存器的所述第一和第二數(shù)字樣本移位和/或倒相的結(jié)果有關(guān)；對所述第二組移位/倒相數(shù)字樣本相加，產(chǎn)生第二內(nèi)插數(shù)字樣本；以及對所述第一和第二內(nèi)插數(shù)字樣本進(jìn)行多路復(fù)用，將其中之一輸出。
全文摘要
相控陣扇形掃描超聲系統(tǒng)包括對應(yīng)于超聲換能器陣列每個單元的單獨接收通道。每個接收通道賦予每個相應(yīng)單元所產(chǎn)生的回波信號一個延遲,然后求和,形成定向的動態(tài)聚焦和動態(tài)加窗的接收波束。接收機(jī)有包括一組波束形成器通道的波束形成器。該波束形成器通過組合FIFO和內(nèi)插器并使之同步,對每個通道動態(tài)地增加延遲。內(nèi)插器使用“Wallace樹”,對移位后的輸入信號累加。加法次數(shù)少于表示等價系數(shù)所需比特數(shù)。
文檔編號G01S7/523GK1191970SQ9712594
公開日1998年9月2日 申請日期1997年12月29日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月30日
發(fā)明者S·C·米勒, G·A·利勒加爾德, D·C·米龍 申請人:通用電氣公司