具有数字接口的超声波变送器的制作方法

专利名称：具有数字接口的超声波变送器的制作方法
技术领域：
本公开涉及超声波装置，并且更具体地，涉及具有细线接口的超声波 装置。
背景技术：
超声波医疗装置正日益普及。在日期为1998年3月3日的美国专利 5，772，412以及日期为2002年10月29日的美国专利6，471，651中示出了 典型的超声波装置，所述专利在此通过引用并入于此。
超声波医学装置的典型实施具有与该装置的主处理单元分离的变送 器部分。传统上，对发往/来自患者的原始超声波信号的模拟和数字信号 处理在主处理单元中执行。原始超声波信号通过到主处理单元的线缆传送
到扫描头变送器或从扫描头变送器传送出。将超声波变送器与超声波处理 单元的主体连接的线缆必须相当长，因为处理单元是不容易移动的，而且
扫描头必须放置在多个位置中所关注的解剖部位上。因为线缆为位于变送 器头中的变送器的许多独立元件来承载发送和接收信号，所以线缆还典型 地既大且重。通常超过六英尺的长度与该线缆的重量结合在一起，给声镨 仪使用者带来显著的压力和疲劳。该线缆还使系统增加了显著的成本和复 杂性。
现有线缆的另一问题是，它们典型地包含大量的独立同轴导线，这些 同轴导线昂贵并且难以连接到单个连接器。因为在系统上为了不同的应用 而使用多个变送器，所以线缆上通常需要连接器。由于大量的互连线以及 信号的敏感性，因此连接器又大、又复杂而昂贵。因此，整个线缆昂贵、 组装和修理麻烦，而且难以使用。
前述大量的独立导线起因于这样的期望，即，利用电子波形单独地激 励变送器阵列中的元件，以便以受控方式来产生变送器元件的机械运动， 从而产生随后以期望的方向发送至患者身体的超声波能量。也就是说，可 以形成超声波发送束，以将超声波能量聚焦在空间中的特定点或区域，并 且可以形成超声波接收束，以沿着一个或多个线或方向来收集数据，从而 获得关于所关注的特定结构的信息，例如形成其图像。超声波能量从内部 器官(和其他所关注的项目)反射返回到变送器元件，在此其被转换回电 信号，以便随后由处理单元进行处理。变送器和处理器单元之间的信号必 须无显著失真、衰减或干扰地通过连接线缆上传和下传。

发明内容
本发明涉及这样的系统和方法，其中信号处理功能性被划分，使得超 声波信号处理的一部分包含在超声波系统的变送器部件内，从而减少对在 超声波系统的变送器和主体之间连接的大量高性能导线、或其他相对高的
带宽、高保真度带宽的需要。通过使用以下来促进
具体实施例方式允许 在小变送器尺寸的情况下进行适当的功率管理的独特架构；以及采用集成 电珞汰术上可能的高集成度、允许以少量高度集成电路来实施其而在IC 外部几乎没有外部部件的架构。
在一个实施例中，设置在变送器部件内的信号处理功能性包括发送电 路、接收器电路、以及用于控制和产生束形成的超声波信号的束形成器。 可替换的实施例根据在变送器部件和主处理单元之间的信号传输之前或 之后所期望的处理级别，在变送器部件内^:置附加的或可替换的信号处理
功能性。通过以此方式来划分系统，变送器扫描头的输出成为数字数据流。 所有敏感的模拟信号被保持紧邻于发送/接收器电路和变送器元件，从而 消除任何显著的信号劣化，从而允许性能提高。数字数据流还可以被转换 成串行高速比特流(例如，通过4吏用数据压缩、复用、编码等等)，以进一 步减小在变送器部件和主单元之间的接口上的导线数目和/或线缆或其他 承载信号的链路的带宽。因而可以利用具有极低导线数的线缆和连接器。 另外，线缆上的信号是数字的，因此线缆不要求那么高的保真度，从而进 一步减小了线缆和连接器的成本和尺寸。
本发明的实施例利用前述的信号处理功能性的重新分配，以在变送器 和对应的主处理单元之间分配重量。因此，变送器部件可以具有期望量的
质量(mass)，例如，为了改善用户体睑、改进与被扫描对象的接口、更传 统的重量等等。同样，例如为了提供更便携的单元、在主处理单元和变送 器部件之间的更好的重量平衡等，主处理单元可以具有减小的质量。
根据本发明的实施例，可以利用分布式电源配置，使得电源的一部分 *没置在超声波系统主处理单元中，而电源的另 一部分i殳置在超声波系统变 送器部件中。这样的实施例可以用来提供这样的超声波系统，其不通过连 接变送器部件和主处理单元的线缆或其他链路来传递功率，其提供了在变 送器部件和主处理单元之间的更好平衡，其提供了具有期望重量的变送器
部件，等等。
前面相当概括地略述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理 解下面对本发明的详细描述。下文中将描述本发明的附加特征和优点，它 们构成本发明的权利要求的主题。应该理解，所公开的概念和特定实施例 可以容易地用作修改或设计用于执行本发明的相同目的其他结构的^。 还应该认识到，这样的等同构造不脱离如所附权利要求中所阐述的本发 明。当结合附图考虑时，根据下面的描述，将更好地理解就其组织和工作 方法二者而言被认为是本发明的特性的新颖特征以及进一步的目的和优 点。然而，应该清楚地理解，提掩争个附图的目的仅是为了图示和描述， 并且不是旨在作为对本发明的范围的限定。


为了更全面地理解本发明，现在结合附图来参考下面的描迷，在附图
中
图l示出现有技术的超声波系统的一个实施例；
图2示出被划分以允许变送器和主处理器之间的数字信令的超声波 系统的一个实施例；以及
图3示出用于进一步减小变送器和主处理器之间的数据带宽的一个 实施例。
具体实施例方式
图1示出超声波系统的典型的现有技术架构，如具有变送器阵列17 的系统10，变送器阵列17通过模拟线缆18耦合到独立接收和发送通道 12-IT、 12-IR至12-NT、 12-NR，耦合到数字束形成器12。典型地，Tx 和Rx信号被时间复用。DSP13由用于回波和流信号处理的电路组成，并 且包括分析信号检测和压缩、多速率滤波和运动目标检测能力。数字信号 处理器(DSP)13向束形成器12提供信号并且从束形成器12接收信号。然 后，全部在控制器16的控制下，后端处理14提供信号，以驱动显示器 15。显示器15提供包括图像数据的数据显示。该显示器可以设置在主处 理单元的壳ll中，或者可以与主处理单元和变送器部件两者分离。如上 所述的处理元件的操作可以如在上面标识的专利第5，772，412和6,471,651 号中所讨论的那样。
在此设置中，线缆18包含大量(通常为128或256量级)的独立导线(典 型地同轴线缆集合)，用以在变送器阵列17与接收和发送通道12-IT、12-IR 至12-NT、 12-NR之间承载模拟信号。如上面所讨论的那样，线缆18又 大、又笨重昂贵，而效率又不是很高。模拟信号亦是敏感的，从而经常需 要调谐以设法补偿线缆的负载。
图2示出超声波系统20的一个实施例，在超声波系统20中，划分信 号处理功能性，使得超声波信号处理的一部分包含在超声波系统的变送器 部件内。虽然提供了与关于图l所述类似的功能块，但是图2的实施例提 供了这样的配置，其中支持小型化和集成，以利于在变送器24和主处理 单元21内的不同功能块的重新分配。因此，优选实施例的发送/接收(Tx/Rx) 电路26包括专用集成电路(ASIC)中的脉冲发生器电路、复用器电路、低 噪音时间增益控制放大器和滤波器。多个模数(A/D)转换器、数字束形成 电路和控制逻辑集成在DBF 23的ASIC中。用于实现这样i殳置的实施例
在上面标识的、标题为"Systems And Methods For Providing ASICS For Use In Multiple Applications"的申请中示出。
在图2的实施例中，诸如束形成器23的束形成器和诸如DSP 13的后 续信号处理之间的接口被移至变送器部件24。因此，束形成器23、变送 器阵列17、以及用于驱动变送器阵列17的传送/接收电路26被设置在所 示实施例的变送器部件24中，其中如所示实施例所示，该传送/接收电路 26例如可以包括放大器23-IT、 23-IR至23-NT、 23-RT。该设置省去了 模拟线缆18(图1)，用在变送器部件24和处理单元21之间连接的数字线 缆25来取代它，由于仅需要少量的导线来提供必要的控制和/或信号，因 此该数字线缆25可以是小得多的线缆。
除了线缆尺寸减小之外，对元件的该重新设置还导致性能提高。通过 消除线缆18，还消除了模拟负载、失真和衰减特性，从而允许提高性能 和信号完整性。实现了更好的灵敏性、更好的响应以及更好的带宽。另夕卜， 该设置减小了发送器在线缆上的功率损耗。
应该理解，除了在变送器部件24内提供附加的信号处理功能性之外， 本发明的实施例还在变送器部件内提供附加的质量。由于关于由本申请的 受让人SonoSite， Inc.开发的医疗超声波装置所实现的小型化和集成改进， 某些变送器部件的重量已经明显减少。本发明人已经发现，有些违反直觉 地，用户可能更喜欢具有至少某阈值重量的变送器部件，例如，给予更好 的操作感、提供更受到肯定的与被扫描对象的接口、提供更好的手中平衡 等等。当变送器变得更轻时，其他设计因素变得更重要，例如形状、尺寸 和线缆。这些其他设计因素可影响最小可接受的重量。例如，使用具有较 大线缆的较轻变送器，用户可能感觉到扭矩的效果，例如，该扭矩可以是 由紧接于用户的手而悬挂下来的、连接超声波和用户握持的变送器的线缆 所导致的。根据一个实施例，信号处理电路和/或其他电路被设置在变送 器部件而非处理单元部件中，以便提供具有期望重量或更典型的历史变送 器部件重量的变送器部件，同时从处理单元部件中消除重量，从而导致更 轻、更便携的处理单元。
根据本发明的实施例可以在变送器部件和主处理单元之间分配或者 重新分配的组件不限于信号处理电路。例如，在超声波系统20包括便携 配置的情况下，其中可以包括用于为其电路供电的一个或多个电源。如图 2所示，本发明的实施例在变il器部件和主处理单元部件之间分配电源，
以提供期望的重量平衡。为超声波系统的变送器阵列供电通常需要多达系
统所消耗总功率的1/3。因此，本.发明的实施例可以在变送器部件24内设 置电源容量的约三分之一(例如，电池27-2)，而在主处理单元部件21内 设置电源容量的三分之二(例如，电池27-l)。当然，如果需要的话，根据 本发明的实施例可以利用其他分配比。可以进一 步地利用这样的电源分 配，以提供具有更典型的历史变送器部件的重量的变送器部件，同时从处 理单元部件中消除重量，从而导致更轻、更l更携的处理单元。
应该理解，在如上所述的具有分布式电源配置的实施例中，功率可以 继续通过线缆25来提供。例如，当变送器部件24的电路基本上空闲时， 可以利用线缆25内的输电导线，对电池27-2进行"涓流(trickle)"充 电和/或向变送器部件的电5^电，而当变送器部件24的电路处于完全工 作状态时，可以利用电池27-2向变送器部件的电路供电。可替换地，在 分布式电源配置中，可以避免在线缆25内输电，例如，其中将变送器部 件24布置成定期地与再充电电源连通，以补充电池27-2的功率储备。例 如，响应于射频能量的线團(未示出)可以设置在变送器部件24内，以利 于对电池27-2的无线再充电，而无需在变送器部件24的表面上i殳置4壬4可 突起(例如连接器、端子等)。可替换地，可以在变送器部件24的表面上 或其中提供再充电接口 ，以利于电池27-2与再充电电源的耦合，该再充电 接口例如可以包括一个或多个连接器、端子等。
线缆25优选地包括用以来回发送数字数据的一对低电压差动信号 (LVDS)线。根据本发明的实施例，可以在变送器部件和处理单元之间使 用USB、 USB2、或IEE 1394型接口、或者其他标准或专有数字接口 。
本发明的实施例利用无线接口而非线缆25。例如，可以用诸如IEEE 802. 11接口的无线局域网(WLAN)接口来代替线缆25。当然，如果需要， 本发明的实施例可以利用专有的无线接口，而非标准化的无线接口。本发 明的优选实施例利用标准化的无线接口 ，以便在实施无线接口时运用广泛 可用的技术和芯片组。例如，IEEE 802. 11芯片组很容易得到，其中收发 器芯片(未示出)可以设置在变送器部件24中，在针对线缆25所示的接口 处耦接到数字束形成器23，而对应的收发器芯片(未示出K殳置在主处理 单元21中，在针对线缆25所示的接口处耦接到DSP 13。用于这样的无 线通信的天线可以设置在壳部件内、壳部件表面上或壳部件外部。
应该理解，对于传送器部件24和主处理羊元21之间的接口 ，超声波系统20的不同配置可具有可观的传输带宽限制。例如，在很多无线实现 中可用的传输带宽提供了带宽限制，这不很适合于发逸表示束形成的超声 波信号的数字数据。然而，对这样信号的进一步的信号处理可以减少传递 到下一信号处理功能的信息量。因此，尤其是在某些无线配置中，可期望 提供与图2所示不同的信号处理功能性的分配。例如，可期望将附加的 DSP功能移至变送器部件，从而进一步减小在变送器部件和主处理单元之 间所用的数据带宽。
图3示出了代表性超声波系统处理块的可替换分布；发送/接收 (Tx/Rx) 26、数字束形成器(DBF) 23、数字信号处理器(DSP) 13、后端处 理(BE) 14和显示器15。具体地，在图3所示的超声波系统30的所示实 施例中，DBF 23和DSP 13两者i殳置在变送器部件32内。这样，与图2 所示的配置相比，在变送器部件内提供了更多的信号处理。如此，在变送 器部件32和主处理单元31之间传递数据时可以利用更少的带宽。所示实 施例利用该特征，以使用M器28-1和28-2来实施以链路33示出的无 线接口 。根据本发明的实施例，收发器28-1和28-2可以包括对应的射频 ASIC或类似的芯片组。
在优选实施例中，将使用数字CMOS ASICS和数字/模拟混合模式 ASICS来实施DBF 23、 DSP 13和BE 14，并且将基于高电压和/或Bi-CMOS 技术来实施Tx/Rx 26。 一个实施例的扫描头模块的总重量小于20盎司。 在一个实施例中，除去壳，传送器阵列17的重量小于8盎司。峰值功耗 为约6瓦。具有功率管理的平均功耗小于4瓦，并且从变送器到处理单元 的接口上的信号的带宽已经至少在量级上从约400 Mbps咸小到40 Mbps 以下。在一个实施例中，对于具有128x512像素的视频显示器，使用在 此讨论的概念，16 Mbps的数据速率是可能的。
尽管已详细描述了本发明及其优点，但应该理解，在不脱离由所附权 利要求所限定的本发明的情况下，在此可以进行各种改变、替换和更改。 另外，本申请的范围并非旨在局限于说明书中所描述的过程、机器、制造、
物质组成、装置、方法和步骤的具体实施例。如将从本公开中容易理解的，
上相同的功能或实现基本上相同的结果的过程、机器、制造、物质组成、 装置、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这样的过程、机器、制造、 物质组成、装置、方法或步骤包括在其范围内。
权利要求
1.一种系统，其包括超声波变送器部件，其包括超声波变送器阵列、以及耦接到所述变送器阵列的信号处理电路，所述信号处理电路可操作用来处理来自所述变送器阵列的模拟信号，并且根据所述模拟信号来提供数字信息；以及主处理单元，其与所述超声波变送器部件分离，并且与所述超声波变送器部件通信，其可操作用来从所述超声波变送器部件接收所述数字信息。
2. 如权利要求l所述的系统，其中所述超声波变送器部件中还包括 电池。
3. 如权利要求2所迷的系统，其中至少部分地选择对所述电池的配 置，以导致所迷超声波变送器部件的期望总重量。
4. 如权利要求3所述的系统，其中所述主处理单元中包括电池，并 且其中至少部分地选捧对所述主处理单元电池的配置，以导致在所述超声波变送器部件和所述主处理单元之间的期望总重量分配。
5. 如权利要求l所述的系统，其中至少部分地选择所述超声波变送 器部件中所包括的所述处理电路的量，以导致所述超声波变送器部件的期 望总重量。
6. 如权利要求l所述的系统，其中所述处理电路包括耦接到所述变 送器阵列的数字束形成器。
7. 如权利要求6所述的系统，其中所述处理电路包括耦接到所述数 字束形成器的数字信号处理器。
8. 如权利要求l所述的系统，其还包括数字数据线缆，其耦接在所述超声波变送器部件和所述主处理单元之 间，在其之间输送所述数字信息。
9. 如权利要求8所述的系统，其中所述数字线缆还将功率从所述主 处理单元输送到所述超声波变送器部件，以便对其中的电池充电。
10. 如权利要求1所述的系统，其中至少部分地选择所述超声波变送 器部件中所包括的所述处理电路的量，以利于所述超声波变送器部件和所 述主处理单元之间的无线通信链接。
11. 如权利要求1所述的系统，其中所述超声波变送器部件还包括第 一射频收发器，并且所迷主处理单元包括无线收发器，并且其中通过使用 所述第一和第二无线收发器，在所述超声波变送器部件和所述主处理单元 之间输送所述数字信息。
12. 如权利要求11所述的系统，其中所述第一和第二无线收发器包 括射频^器。
13. 如权利要求11所述的系统，其中所述第一和第二无线收发器4吏 用标准的无线通信协议来提供对所迷数字信息的传送。
14. 如权利要求13所述的系统，其中所述标准的无线通信协议是从 无线局域网协议和无线个人区域网协议中选择的。
15. —种方法，其包括提供超声波变送器部件，所述超声波变送器部件具有变送器阵列和耦 接到所述变送器阵列的信号处理电路；提供具有信号处理电路的主处理单元，所述主处理单元的信号处理电 路通过数字数据通信与所述超声波变送器部件的所述信号处理电路通信； 以及在所迷超声波变送器部件的所述信号处理电路与所述主处理单元的 所述信号处理电路之间分配信号处理电路，以提供在所述超声波变送器部 件和所述主处理单元之间的期望的重量分配。
16. 如权利要求15所述的方法，其还包括在所迷超声波变送器部件和所述主处理单元之间分配电池容量，以提 供在所述超声波变送器部件和所述主处理单元之间的期望的重量分配。
17. 如权利要求15所述的方法，其中所述数字数据通信通过无线连 接来提供。
18. —种方法，其包括提供超声波变送器部件，所述超声波变送器部件具有变送器阵列和耦 接到所述变送器阵列的信号处理电路；提供具有信号处理电路的主处理单元，所述主处理单元的信号处理电路通过数字数据通信与所述超声波变送器部件的所述信号处理电路通信； 以及在所述超声波变送器部件和所述主处理单元之间分配电池容量，以提 供在所述超声波变送器部件和所述主处理单元之间的期望的重量分配。
19. 如权利要求18所述的方法，其还包括在所述超声波变送器部件的所述信号处理电路与所述主处理单元的 所述信号处理电5MU'司分配信号处理电路，以提供在所述超声波变送器部 件和所述主处理单元之间的期望的重量分配。
20. 如权利要求18所述的方法，其中所述数字数据通信通过无线连 接来提供。
全文摘要
示出了在超声波系统主处理单元和变送器部件之间划分超声波信号处理的系统和方法。可以选择对主处理单元和变送器部件中设置的信号处理功能性的特定划分，以提供期望的重量平衡、主处理单元和变送器部件之间的期望级别的数据通信处理等等。附加地或可替换地，可以在主处理单元和变送器部件之间划分电池容量。
文档编号A61B8/00GK101181162SQ20071000292
公开日2008年5月21日 申请日期2007年1月26日 优先权日2006年11月14日
发明者利·邓巴, 布莱克·W·利特尔 申请人:索诺塞特公司