使用三态发送脉冲器用于任意波形生成的方法和系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2013年7月19日提交的第61/856,488号美国 临时申请的权益，该美国临时申请通过引用整体并入本文。
[0003] 背景
技术领域
[0004] 本公开涉及用于将任意波形编码成适合于根据各种保真度标准控制三态RF超声 发送器的序列的方法，以及涉及相关的超声系统。
[0005] 相关领域的描述
[0006] 超声成像已发展成用于诊断多种疾病状态和状况的有效工具。由于改善图像质量 和对各种类型的组织区分的能力的推动，超声设备的市场多年来稳定增长。遗憾的是，仍然 存在超声系统可用的、设备成本太高以至于无法被广泛采用的许多应用。示例是诸如乳腺 癌检测、前列腺成像、肌肉骨骼成像和介入放射学的应用领域。在这些领域及其它领域，超 声成像的诊断效果取决于用于区分和识别各种组织类型的优良的空间分辨率和对比度分 辨率。仅在更昂贵的超声系统中才能找到这些性能，这些超声系统具有更广泛的处理能力。
[0007] 超声成像一直是需要大量的信号和图像处理方法，尤其对于采用多达128个或更 多个换能器元件的阵列系统，每个换能器元件具有独特的信号处理需求。过去的十年转到 了在除了在市场最底层的系统之外的几乎所有系统中提高数字信号处理的精确度和灵活 性。从长远来看，通过利用高度整合的数字电路，这种转变具有降低系统成本的潜力。遗憾 的是，超声系统的低制造量导致用于这些独特电路的开销和固定成本巨大，因此转到数字 信号处理未能显著地降低系统成本。
【发明内容】
[0008] 根据本公开的一方面，提供了一种方法，该方法包括:在相应的超声接收器装置处 执行编码程序，该编码程序将用户指定的波形转换成适合于发送器增加保真度的二元或三 元符号序列；利用在超声时钟间隔的相应均匀序列处的正电压电平、负电压电平或静态电 压电平的相应序列，将符号值的二元或三元序列提供至一个或多个超声换能器元件；以及 在一个或多个超声换能器元件处接收符号值的二元或三元序列，以使得声学信号生成到介 质中。
[0009] 根据本公开的另一方面，提供了一种系统，该系统包括:至少一个超声探头，配置 为在声学介质中产生声学波形，探头包括超声换能器元件;相应的超声接收器装置，配置为 执行编码程序，该编码程序配置为将用户指定的波形转换成适合于实现增加的保真度的二 元或三元符号序列；以及发送器电路，配置为接收符号值的二元或三元序列，该符号值的二 元或三元序列配置为利用在超声时钟间隔的相应均匀序列处的正电压电平、负电压电平或 静态电压电平的相应序列，来激励超声换能器元件，以及将声学信号或波形生成到声学介 质，诸如水或组织中。
【附图说明】
[0010] 通过结合附图的以下详细描述，本公开的前述特征和优点以及其它特征和优点将 由于变得更易于理解而更加显而易见，在附图中：
[0011] 图1是旨在单向换能器补偿和双向换能器补偿的、本公开的第一实现方式；
[0012] 图2是旨在双向DAC合成使用模型的、本公开的第二实现方式；
[0013] 图3是旨在任意波形生成方法的、本公开的第三实现方式，用于以差分成像方案合 成平稳RF信号；
[0014] 图4是根据本公开的编码程序的架构图；
[0015] 图5A-5B示出了根据本公开的方法的、用于后续实验的符号的示例性集合；
[0016] 图6是用于多个序列的共同IR估算以及独立估算的示图；
[0017] 图7是在水容器中实现的本公开的方法的示例性示图；
[0018] 图8示出了用于本公开的程序的系统架构的高阶表示；
[0019] 图9是面向像素的处理的一个实施方式的、基于软件架构的示意性表示；
[0020] 图10是根据面向像素的处理形成的插接模块的图示；
[0021] 图11是用于根据面向像素的处理形成的128元件线性阵列的采集数据的示意性表 示；
[0022] 图12是在面向像素的处理中使用的像素映射过程的示图。
【具体实施方式】
[0023] 为了提供对各种公开的实现方式的全面理解，在以下描述中阐述了某些具体细 节。然而，相关领域的技术人员将认识到的是，可以在不存在这些具体细节中的一个或多个 的情况下，或者可利用其它方法、部件、材料等实践该实现方式。在其它情况下，与如在本文 中讨论的数模转换器和水容器有关的、公知的结构或部件或它们二者未被示出或描述，以 避免不必要地模糊对实现方式的描述。
[0024] 除非上下文另有要求，否则在本说明书及跟着的权利要求的全文中，词语"包括 (comprise)"及其变型(诸如"包括(comprises)"和"包括(comprising)"）应以开放性包括 的意义来理解，即，诸如"包括，但不限于"。前述情况等同地应用于词语"包括(including)" 和"具有(having)"。
[0025] 在本说明书的全文中所提及的"一个实现方式"或"实现方式"意为结合该实现方 式描述的特定的特征、结构或特点包含在至少一个实现方式中。因此，出现在本说明书的全 文中的各处的短语"在一个实现方式中"或"在实现方式中"不一定都是指代相同的实现方 式。此外，在一个或多个实现方式中，特定的特征、结构或特点可以任何适当的方式组合。
[0026] 本文中公开的编码方法和系统需要换能器元件的脉冲响应(IR)方面的知识。公开 了脉冲响应估算方法，并且方法的结果用于引入优化三态脉冲器序列的编码算法。编码算 法基于来自通信学的、已知为"均衡器"的受限去卷积概念，并结合了混合脉宽调制(PWM)符 号调制和量化方案。使用飞利浦(Philips)L7_4换能器的声学水容器实验演示了在重现窗 口化线性频率调制(LFM)扫描信号时-21.7 dB归一化均方根误差(NRMSE)的保真度。
[0027]本文中公开的三态编码概念已在由美国华盛顿州雷德蒙市的维拉声学公司 (Verasonics Inc.)制造的优质超声系统(Vantage Ultrasound System)上实现。与数模转 换器(DAC)驱动的线性RF放大器相比，本公开的三态发送器架构需要非显而易见地选择其 脉冲序列以达到相对于连续值设计波形的保真度。在此演示的过程利用了高的发送器时钟 频率(相对于换能器带宽来说的）以实现该目的。
[0028] 发送器描述
[0029] 给出了发送器操作的简要描述。描述了指示问题的数学性的使用模型。然后估算 和编码算法被引入超声系统中。记录了实现算法的实验方法并且随后讨论了结果。
[0030] 由维拉声学公司开发的优质超声系统发送器允许时钟间隔为4纳秒的三个电压电 平[+V，0，-V]的任意序列的规格。每个采集事件可具有针对换能器头部上的每个换能器元 件所独有的并且针对该事件所独有的序列。根据波形的复杂性、存储限制和供电能力，该序 列可具有任意长度。内部存储格式的选择帮助节省发送器存储器的使用。
[0031] 脉冲序列选择的限制是输入正电压电平状态、负电压电平状态或零电压电平状态 所需的3-时钟最小状态延时。另一个限制是所达到的电压大约是所达到的状态的电压的5-时钟滑动平均(running average)。
[0032] 使用模型
[0033] 编码器优化目标函数所采用的保真度度量是取决于使用模型或者操作模式或场 景的设计选择，所有这些设计选择均特定于应用。在此考虑的这些度量包括：（1)参考波形 (处于归一化均方根误差)相对于声压的接近度；（2)参考波形的预测声压相对于实际达到 的声压的接近度；以及(3)在输入处出现的RF信号的平稳分量相对于模拟接收器增益级的 接近度。前两个度量在本文中作为如下问题被讨论，该问题在此分别称为单向换能器补偿 问题以及单向DAC合成问题。另外，其双向对应物类似地将参考信号与接收的数据作比较而 不与声压作比较。
[0034] 图1中示出了配置为解决单向和双向换能器补偿问题的本公开的示图。图2中给出 了解决双向DAC合成使用模型的建议的方法或程序的示图。
[0035] 在图1中，示出了用于系统10的收发信道对的部件以说明单向和双向换能器补偿 使用模型。图1示出了数字波形规格部件12,其包括符号为正的值、符号为负的值或静态值 的编码的二元或三元脉冲序列，该编码的二元或三元脉冲序列限定在均匀间隔开的离散时 钟时间间隔处。也示出了XDCR 14，XDCR 14是超声换能器探头，其被构造为产生和接收声学 波形。SDCR 14包含连接有收发信道对的元件。脉冲器16被插入在数字波形规格部件12与 XDCR 14之间并且包括发送器电路，该发送器电路被构造为将三元或二元脉冲序列转化成 实际物理发送电压事件，反过来，在发送期间该实际物理发送电压事