专利名称：：用于超声波阵列的基于菲涅耳的波束形成的制作方法
技术领域：
：本申请涉及可以与便携式超声波系统相关地使用的波束形成技术。
背景技术：
：介绍近些年来，超声波社区(ultrasoundcommunity)的分区已经聚焦在建立更小、更便宜和更高效节能的超声波系统，同时保持良好的图像质量。这些手持系统可以成为“超声波听诊器”，该“超声波听诊器”允许医生几乎在任何位置和在任何时间执行超声波检查。参见J·R·T.C.Roelandt,“Ultrasoundstethoscopy:Arenaissanceofthephysicalexamination？，，，Heart，vol.89，pp.971-974，2003；J.Hwang,J.Quistgaard，J.Souquet,andLA.Crum,“Portableultrasounddeviceforbattlefieldtrauma，”Proc.IEEEUltrason.Symp.，vol.2，pp.1663—1667，1998；U.Rosenschein，V.Furman,E.Kerner，IFabian，JBernheim，andY.Eshel，“Ultrasoundimaging-guidednoninvasiveultrasoundthrombolysis:preclinicalresults，，，Circulation，vol.102，no.2，pp.238-45，2000。例如，手持系统可以在远程位置、战场、急诊室和私人诊所提供现场(pointofcare)诊断。它也可以用在诸如中心导管插入的创伤或微创超声波引导的过程。参JALJ.Hwang,J.Quistgaard,J.Souquet,andL.A.Crum,"Portableultrasounddeviceforbattlefieldtrauma,”Proc.IEEEUltrason.Symp.,vol.2,pp.1663-1667,1998；U.Rosenschein,V.Furman,E.Kerner,IFabian,JBernheim,andY.Eshel,"Ultrasoundimaging-guidednoninvasiveultrasoundthrombolysis!preclinicalresults,”Circulation，vol.102，no.2，pp.238-45，2000。随着在诊所、发展中国家和军事中的广泛应用，对于便携式超声波系统的需求已经在过去10年间迅速地增加。来自西门子的PlO和来自通用电气医疗集团的VSCAN是近来提出的袖珍超声波系统的示例。已经存在用于改进便携式超声波系统的尺寸、成本和质量的许多方法。这些包括在换能器设计、发送和接收电路设计和波束形成算法上的改进。超声波系统的尺寸和功率的显著比例可以用于波束形成器，该波束形成器可以负责在发送和接收两者操作期间聚焦超声波波束。一种标准的波束形成器由64至1个发送/接收信道组成。然而，这些会需要昂贵和体积大的波束形成器。波束形成波束形成方法可以被大致分类为两种方法模拟波束形成和数字波束形成。在模拟波束形成中，可以通过模拟信号的序列来形成图像，该模拟信号被以模拟延迟线延迟、在模拟域中求和然后被数字化。在数字波束形成中，可以通过下述方式来形成图像从单独的阵元(arrayelement)采样模拟信号、应用数字延迟、并且然后数字地求和。参见B.D.Steinberg，“Digitalbeamforminginultrasound，”IEEETrans.Ultrason.，Ferroelectr.，Freq.Control，vol.39，no.6，pp.716—721，1992。数字波束形成可以应用时延以集中(foucs)数字化数据(传统延迟求和波束形成(DAS))，或者可以将数字时延与复合相位旋转组合。参见M.0’Donnell,W.E.Engeler,J.J.Bloomer,andJ.Τ.Pedicone，"Methodandapparatusfordigitalphasearrayimaging,，，U.S.PatentNo.4983970,1991；A.Agarwal,F.K.Schneider,Y.M.Yoo，andY.Kim,“Imagequalityevaluationwithanewphaserotationbeamformer，”IEEETrans.Ultrason.,Ferroelectr.,Freq.Control,vol.55,no.9,pp.1947-1955，2008。在数字DAS波束形成中，集中的数据可以被求和与传递以用于包络检测和进一步的信号处理。该方法可以是直接的和直观的，但是可能要求大量的硬件和处理能力。也可以通过下述方式来实现数字波束形成数字化来自每一个元件的引入的RF数据，然后应用粗延迟，其后进行使用相位旋转的复解调以用于精细延迟。该方法与DAS波束形成相比较能够减少计算需求，但是可能仍然需要冗余的硬件来用于每一个信道。参见M.0’Donnell,W.E.Engeler,J.T.Pedicone，Α.Μ.Itani,S.Ε.Noujaim，R.J.Dunki-Jacobs，W.Μ.Leue,C.L.Chalek，L.S.Smith，J.E.Piel,R.L.Harris，K.B.Welles,andW.LHinrichs，“Real-timephasedarrayimagingusingdigitalbeamformingandautonomouschannelcontrol，，，Proc.IEEEUltrason.Symp.，1990，pp.1499-1502。用于波束形成的混和方法也是可能的，其中，波束形成处理的不同部分在模拟或数字域中发生。在一种情况下，来自元件的聚类(cluster)的回波可能在模拟域中被延迟和求和，然后被单个模数(A/D)转换器数字化。与全数字波束形成器相比较，该方法能P.PesqueandJ.Souquet,"Digitalultrasound:frombeamformingtoPACS,"MedicaMundi,vol.43,issue3,pp7-10,1999。为了最小化波束形成器的成本、功率和尺寸，已经在文献中提出了低成本波束形成方法。一种概念是直接采样I/Q(DSIQ)波束形成算法，其中，可以通过在I数据四分之一周期后直接地将Q数据采样来获取I/Q数据。参见K.RanganathanandW.F.Walker,"DirectsampledI/Qbeamformingforcompactandverylow-costultrasoundimaging,，，IEEETrans.Ultrason.,Ferroelect.,Freq.Control,vol.51,no.9,PP.1082-1094,2004。DSIQ算法可以唯一依赖于I/Q数据的相位旋转，以提供聚焦。所提出的实现可以对于每一个元件仅使用一个具有较低采样率的发送器和一个I/Q信道。当用于二维阵列时，DSIQ方法可以获取以每秒43帧的C扫描图像、具有任意平面定位的B扫描和3D图·。M.Fuller,K.Owen,Τ.Blalock,J.Hossack,W.Walker,"Real-timeimagingwiththeSonicWindow:Apocket-sized,C-scan,medicalultrasounddevice,"Proc.IEEETrans.Ultrason.,Ferroelect.,Freq.Control.Symp.,2009。另一种概念被称为菲涅耳聚焦。最初在光学中使用的菲涅耳透镜与具有相同焦点的传统透镜相比可能薄得多并且因此更轻。在声学中，制作物理菲涅耳透镜以聚焦用于声学显微系统的超声波，该系统可以提供高效率和高聚焦功率以及更简单的制造过6禾呈。参见B.Hadimioglu,E.G.Rawson,R.Lujan,M.Lim,J.C.Zesch,B.T.Khuri-Yakub,andC.F.Quate,"High-efficiencyFresnelacousticlenses,，，inIEEEUltrason.Symp.,pp.579-582,1993,S.C.Chan,M.Mina,S.Udpa,L.Udpa,andW.Lord,"FiniteElementAnalysisofMultilevelAcousticFresnelLenses,，，IEEETrans.Ultrason.,Ferroelectr.，Freq.Control,vol.43，no.4，pp.670-677，1996。这些物理透镜可以将传统透镜的球形聚焦替换为等同的相移。用于阵列换能器的菲涅耳聚焦技术可以减少所需的延迟的数目，因为不同的元件可以需要相同的延迟。这些元件可能然后被聚类在一起。在1980，Fink首先提出了在基于阵列的系统中的菲涅耳聚焦的使用。在他的对于8态菲涅耳聚焦的实验中，使用8个不同的延迟用于发送模式，而使用四个不同的延迟以及反相放大器用于接收模式。通过成像0.3mm直径的铜线，他示出了对于线性阵列，更精细的菲涅耳相位采样可以降低旁瓣电平，并且降低时，改进横向分辨率。参见B.Richard，Μ.Fink,P.Alais,“NewarrangementsforFresnelfocusing,"inAcousticalImaging,vol.9,K.Wang,Ed.NewYork:PlenumPress,1980,pp.65-73。
发明内容超声波波束形成器可以基本上补偿在超声波换能器阵列中的超声波元件和远离超声波换能器阵列的位置之间在距离上的差别，超声波元件中的每一个从该位置接收到反射的宽带脉冲。超声波波束形成器可以包括用于超声波元件中的每一个的输入信号线，该信号线被配置为载送来自超声波阵元的宽带脉冲。超声波波束形成器也可以包括多个信号移位器，该多个信号移位器的数目基本上比换能器元件的数目少。每一个信号移位器都可以被配置为以与其他信号移位器被配置以移位宽带脉冲的方式不同的方式来移位宽带脉冲。对于输入信号线中的每一条，复用器可以被配置为将在输入信号线上接收的宽带脉冲电连接到信号移位器中所选择的一个。该所选择的一个可以是基于控制信号的。复用器控制器可以被配置为以使得超声波波束形成器基本上补偿在距离上的差别的方式来产生用于复用器中的每一个的控制信号。信号移位器中的每一个可以是移相器，其被配置为提供与其他移相器中的每一个提供的相移相差不大于360度的相移。由相移器提供的相移可以以基本上相等的量间隔开。可以有至少四个移相器，其分别提供基本上0、90、180和270度的相移。超声波波束形成器可以包括差分放大器，该差分放大器被配置为用作提供基本上0度相移的移相器中的一个、提供基本上180度相移的移相器中的另一个，并且被配置为对结果求和。移相器中的一个可以提供基本上0度的相移，并且另一个可以提供基本上180度的相移。超声波波束形成器可以包括加法器(summer)，其被配置为对移相器的输出求和；以及延迟元件，其被配置为将相加器的输出延迟宽带脉冲的中心频率的基本上四分之一周期。超声波波束形成器可以包括第一加法器，其被配置为对提供基本上0和180度相移的移相器的输出求和；第二加法器，其被配置为对提供基本上0和180度相移的移相器的输出求和；以及，移相器，其被配置为将第二加法器的输出移位90度，由此产生上面涉及的90和270度相移。加法器中的一个可以在模拟域中求和，而另一个加法器可以在数字域中求和。以90和270度移位的移相器中的每一个都可以是带通滤波器的一部分。可以有至少四个另外的移相器，其分别提供基本上45、135、225和315度的相移。可以有至少六个移相器，其分别提供基本上0、60、120、180、240和300度的相移。可以有至少六个另外的移相器，其分别提供基本上30、90、150、210、270和330度的相移。移相器中的至少一个可以在模拟域中移位。移相器中的至少一个可以在数字域中移位。信号移位器的数目可以不多于超声波元件的数目的1/4。超声波波束形成器可以包括多个模-数转换器，该多个模-数转换器的数目不多于超声波元件的数目的1/8。每一个都可以被配置为将宽带脉冲中的一个从模拟格式向数字格式转换。超声波波束形成器可以使得具有发送超声波元件阵列的发送超声波换能器阵列递送基本上聚焦在远离发送超声波换能器阵列的位置的超声波波束。超声波波束形成器可以包括用于发送超声波元件中的每一个的输出信号线，其被配置为向发送超声波元件载送宽带脉冲；以及，多个脉冲发送器，其数目基本上少于发送超声波元件的数目。每一个脉冲发送器可以被配置为产生与由其他脉冲发送器中的每一个产生的宽带脉冲不同的宽带脉冲。对于输出信号线中的每一条，发送复用器可以被配置为将输出信号线电连接到由脉冲发送器中所选择的一个产生的宽带脉冲。该所选择的一个可以是基于控制信号的。发送复用器控制器可以被配置为以使得超声波波束基本上聚焦在远离超声波换能器阵列的位置处的方式来产生用于发送复用器中的每一个的控制信号。由脉冲发送器产生的宽带脉冲可以具有基本上相同的中心频率，并且可以在时间上彼此分开不大于中心频率的周期。由脉冲发送器产生的宽带脉冲可以在相位上相对于彼此移位。脉冲发送器的数目可以不多于发送超声波元件的数目的1/8。接收超声波换能器阵列、接收超声波元件和输入信号线可以分别与发送超声波换能器阵列、发送超声波元件和输出信号线相同。信号移位器的数目可以与脉冲发送器的数目相同。信号移位器、复用器和复用控制器可以共同包括超声波波束形成器的第一模块。超声波波束形成器可以包括一个或多个另外的模块。每一个另外的模块也可以包含如上所述的信号移位器、复用器和复用控制器，但是在其他方面与第一模块和其他模块中的每一个不同。每一个另外的模块可以被配置为递送在时间上相对于第一模块的输出延迟宽带脉冲的中心频率的周期的整数倍的输出。用于每一个另外的模块的整数倍可以与用于其他另外的模块的整数倍不同。加法器可以被配置为对该模块中的每一个的输出求和。脉冲发送器、复用器和复用控制器可以共同包括超声波波束形成器的第一模块。超声波波束形成器可以包括一个或多个另外的模块。每一个另外的模块也可以包含如上所述的脉冲发送器、复用器和复用控制器，但是在其他方面与第一模块和其他模块中的每一个不同。每一个另外的模块可以被配置为递送在时间上相对于第一模块的输出延迟宽带脉冲的中心频率的周期的整数倍的输出。用于每一个另外的模块的整数倍可以与用于其他另外的模块的整数倍不同。通过阅读下面的说明性实施例的详细描述、附图和权利要求，这些以及其他部件、步骤、特征、目的、益处和优点现在将变得清楚。附图公开了说明性实施例。它们未阐述所有实施例。可以另外地或代替地使用其他实施例。可以省略可能是显然的或不必要的细节，以节省空间或为了更有效的说明。相反，一些实施例可以在没有所公开的所有细节的情况下实施。当相同的附图标记出现在不同附图中时，其涉及相同或相似的部件或步骤。图1图示了当使用不同波束形成技术时的延迟分布(未按照比例)。图2图示了用于2元件阵列的4发送菲涅耳(移位和求和)波束形成系统。图3图示了用于2元件阵列的菲涅耳(相位和求和)波束形成系统。图4图示了使用数字时延的修改的菲涅耳波束形成系统。图5图示了使用差分放大器的菲涅耳(相位和求和)波束形成。图6A-F图示了在4相位或8相位系统中使用的两个带通滤波器(BPF)。图7图示了使用6相位或12相位系统的菲涅耳相位和求和波束形成系统。图8A-I图示了在6相位或12相位系统中的三个带通滤波器。图9图示了以模块形式的基于菲涅耳的波束形成器。图10图示了具有两个模块的基于菲涅耳的波束形成器。图IlA-F图示了以FieldII模拟的、与DAS相比较的使用4相位菲涅耳和8相位菲涅耳波束形成的横向和轴向波束图(beamplots)。图12A和图12B比较了带宽χ对于DAS、8相位菲涅耳和4相位菲涅耳波束形成器的影响。图13A-13F图示了与DAS相比较，f#对于4相位和8相位菲涅耳波束形成方法的性能的影响。图14A和图14B图示了与DAS相比较，f#对于4相位和8相位菲涅耳波束形成方法的影响。图15图示了使用三种不同的波束形成方法的浸入在脱气水中的定制尼龙线目标的实验图像。图16A和图16B图示了对于DAS、8相位菲涅耳和4相位菲涅耳波束形成算法根据f#的实验比较。图17图示了使用三种不同的波束形成方法对包含无回声囊肿的ATS仿组织体模的实验图像。图18图示了在对比噪声比(CNR)与1,1.5、2、2·5和3的f#上，DAS,8相位菲涅耳和4相位菲涅耳波束形成算法的实验比较。具体实施例方式现在讨论说明性实施例。可以另外地或代替地使用其他实施例。可以省略可能是显然的或不必要的细节，以节省空间或为了更有效的呈现。相反，一些实施例可以在没有所公开的所有细节的情况下实施。现在描述修改的、电子的、基于菲涅耳的波束形成技术。该方法可以包括模拟和数字波束形成技术的组合。本讨论包括菲涅耳波束形成的两个版本4相位G个不同的时延或相移)和8相位(8个不同的时延或相移)。这些仅是说明性的。使用这种技术，可以使用具有开关网络的具有4至8个发送信道和2个接收信道的系统以聚焦具有64至1个或更多元件的阵列。可以代替地使用不同数目的相位和信道。模拟和实验结果显示菲涅耳波束形成图像质量在特定系统参数下可以在空间分辨率和对比噪声比(CNR)上与传统延迟求和(DAS)波束形成可比较。例如，在伪=2和50%信号带宽，对于DAS、8相位和4相位菲涅耳波束形成，实验横向带宽分别是0.48,0.52和0.50mm，并且轴向脉冲长度(axialpulselength)分别是0·51、0·60和0.58mm。实验CNR分别是4.66,4.42和3.98。这些实验结果与模拟结果良好地一致。混和菲涅耳波束形成在此描述了对于基于菲涅耳的波束形成的混和波束形成方法。在发送模式中，可以向发送元件应用时延。可以使用开关网络将要求相同时延的元件聚类在一起。例如，系统可以具有4个或8个发送信道。在接收模式中，可以使用模拟和数字域的组合来应用相移。可以仅使用2个A/D转换器来提供多达8个不同的相移。对于菲涅耳聚焦，可以将标准的几何时延At替换为由下式给出的新的延迟AtFAtp=AtmodT其中，mod指示模运算(modulooperation)，并且T是基于中心频率的超声波信号的周期。ΔtF是在已经从At减去超声波周期T的整数倍后的余数。图1图示了当使用不同波束形成技术时的延迟分布(未按照比例)。分布A用于DAS几何聚焦波束形成；分布B用于菲涅耳波束形成；并且，分布C是在DAS和菲涅耳波束形成之间的差。每一个分段对应于信号的一个周期。分布B是已经减去周期的整数倍后。分布B可以具有与物理菲涅耳透镜类似的形状。在分布B中的每一个分段可以对应于周期T或360°的相位偏移。使用AtF可以导致聚焦误差，其中，该误差总是T的整数倍。更远离焦点的元件可能具有更大的聚焦误差。这些聚焦误差可能导致更大的带宽、更大的杂波和更长的脉冲长度。图2图示了用于2元件阵列的4发送菲涅耳(相位和求和)波束形成系统。在4发送系统的情况下，可以以具有与四分之一周期到一个全周期的移位对应的不同的时延、通过4个发送器来产生激励信号。每一个元件使用4个开关，可以控制由每个元件发射的信号的时延。对于8发送系统，可以使用8个发送器来产生具有以八分之一周期的递增量的8种不同的时延的信号。在接收侧上，可以使引入的RF数据经受相移，该相移也可以基于菲涅耳聚焦的原理选择。在窄带应用中，基于下面的关系式，与每一个元件相关联的时延At可以被替换为范围从0°至360°的等同的相移θ其中，ω是角频率。可以将延迟分布转换为离散相移，并且可以从不超过360°。当需要大于360°的相移时，相移可以卷褶(wraparound)，并且返回到0°开始。图3图示了用于2元件阵列的菲涅耳(相位和求和)波束形成系统。如图3中所示，可以对每一个元件使用4个开关来将在4相位系统中的相位延迟应用到接收的信号。可以通过闭合开关1来应用0°相移；可以通过闭合开关1和2来应用45°相移；并且，可以通过闭合开关2来应用90°相移。反向放大器可以与开关3和4一起使用以分别获得180°和270°的相移。信号可以通过两个接收信道，其中每一个可以具有A/D转换器和数字带通滤波器(BPF)，如图3中图示的。因此，具有0°、90°、180°、270°的相移的信号可以分别对应于开关1、2、3和4。在4相位系统中，可以仅闭合四个开关的一个。可以使用反向放大器来实现180°的相移。可以使用一个加法器来对在所有元件上的所有0°和180°相移数据求和，并且，可以使用第二加法器来对在所有元件上的所有90°和270°相移数据求和。可以在模拟域中执行这些求和。然后可以仅通过2个模数(A/D)转换器来数字化结果产生的波形。来自第二A/D转换器的数据可以经由数字HiIbert变换被相移90°，并且，可以数字地对结果产生的信号求和。这个相移可以被并入数字有限脉冲响应(FIR)带通滤波器的系数内。可以使用四分之一周期(其中，该周期是换能器中心频率的倒数)的时延代替使用90°相移。如果周期的四分之一等于时钟周期的整数倍，则这可以更方便。图4图示了使用数字时延Δt=1/4周期的修改的菲涅耳波束形成系统。作为另一种变型，可以通过使用差分放大器将反相放大器和加法器的功能组合到一个放大器内。在这种变型中，开关1的输出(0°)可以连接到差分放大器的正端子，并且开关3的输出(180°)可以连接到负端子。开关2的输出(90°)可以连接到第二差分放大器的正端子，并且，开关4的输出070°)可以连接到第二差分放大器的负端子。图5图示了使用差分放大器的菲涅耳(相位和求和)波束形成。如图5中所示，可以通过对两个相移信号的组合选择性求和来实现更精细的相移。例如，可以通过应用0°和90°相移两者并且之后求和来实现需要45°相移的元件。在该情况下，可以同时闭合开关1和2。作为另一个示例，闭合开关2和3可以导致135°的相移。以这种方式应用相移也可以将信号幅度提高农的因子或3dB。图6A-F图示了两个带通滤波器(BPF)的系数。在左列中示出了数字滤波器1的系数；在右列中示出了数字滤波器2的系数。顶部行示出了在离散时域中的滤波器的系数；中间行示出幅度响应对频率；并且，底部行示出相位响应于对频率。数字滤波器1可以具有2.5-7.5MHz的带通范围。数字滤波器2也可以具有与数字滤波器1基本上相同的幅度响应，但是数字滤波器2可以具有不同的相位响应。数字滤波器2可以并入90°的相移。如第二行所图示的，两个滤波器的幅度响应可以相同。第三行图示了与滤波器1相比较，可以在滤波器2的通带内存在90°的相移。因此可以使用具有4至8个发送信道和2个接收信道的系统来聚焦具有多达1个元件的阵列。每一个信道可以被分配不同的时延(发送)或相移(接收)。可以使用单刀单掷开关来聚类具有相同时延和相移的元件。然而，虽然超声波信号是宽带的，但是菲涅耳接收波束形成器可能做出关于该信号的窄带假设，这可能限制波束形成器的性能。不期望的旁瓣电平和大的主瓣宽度可能是潜在的问题。已经执行模拟和实验来量化和评估性能。图7图示了使用6相位和12相位系统的菲涅耳相位和求和波束形成系统。在这个替代配置中，可以对于在阵列中的每一个元件存在一组6个开关(61复用器)。该系统可以是在图3中所图示的系统的修改版本。也可以使用差分放大器。在图7中，可以使用三个差分放大器。该系统也可以使用类似的一组反相和同相放大器，如上所述。在放大器后，可以通过三个A/D转换器将信号数字化。其后，该信号可以通过0°、60°或120°相移。因为该反相器，也可以应用180°,240°和300°。如在前述系统中，如果闭合2个开关，则也可以应用另外的30°、90°、150°、210°、270°和330°相移，得到12相位系统。6相位或12相位系统可以分别具有比4相位或8相位系统更精细的聚焦能力。然而，可能需要另外的开关、放大器、A/D转换器和数字滤波器。图8A-I图示了可以在6相位或12相位菲涅耳(相位和求和)波束形成器中使用的三个数字滤波器的系数。通过根据0°HR滤波器(I)和90°HR滤波器(Q)的加权和建立数字FIR滤波器，可以在数字域中完成应用60°相移。可以使用用于数字滤波器2(DF2)的下面的公式DF2=1/2+V3Q/2其中，F是新的滤波器系数。在中间列中示出滤波器系数、幅度和相位频率响应。通过根据0°HR滤波器(I)和90°HR滤波器(Q)的加权和建立数字带通FIR滤波器，可以在数字域中完成应用120°相移。HR滤波器I可以是图8A中的滤波器，并且HR滤波器Q可以是图8D中的滤波器。可以使用用于数字滤波器3(DF3)的下面的公式DF3=-1/2+V3Q/2其中，F是新的滤波器系数。在图8中的右列中示出滤波器系数、幅度和相位频率响应。这些60°和120°相移可以被替换为与图4类似的可比较的时移。一般而言，通过使用提供N个不同相移和/或时延的不同滤波器来建立N相和2N相系统是可能的。在最后的变型中，该波束形成器可以作为在由多个模块构成的更大波束形成器内的模块。该波束形成器也可以作为在采用其他波束形成方法的更大波束形成器中的模块。在这个上下文中，波束形成器可以被认为是子波束形成器，该子波束形成器(波束)形成具有N个时延或相移的元件的子集。在这种变型中，可以使用多个模块来包括整个波束形成器。在模块之间的差别可以是每一个独立模块接收等于周期整数倍的最终时移，该周期是超声波中心频率的倒数。图9图示了以模块形式的基于菲涅耳的波束形成器。该附图是图3的复制，并且添加了用于指示模块部分的方框。图10图示了具有两个模块的基于菲涅耳的波束形成器。在由多于一个模块组成的波束形成器中，第二模块的输出可以被以超声波中心频率的整数倍周期而数字地延迟。在图10中的模块2的输出可以被以ηΔΤ延迟，其中，η是整数，并且ΔΤ是周期。在模块2的输出被延迟后，结果可以与模块1的输出求和，以给出整个波束形成器的最终输出。具有两个模块可能将每一个元件所需的开关总数加倍。执行使用FieldII的计算机模拟以评估与DAS相比较，菲涅耳波束形成在横向带宽、轴向脉冲长度和对比度上的性能。参见J.A.JensenandJ.B.Svendsen,"Calculationofpressurefieldsfromarbitrarilyshaped,apodized,andexcitedultrasoundtransducers,，，IEEETrans.Ultrason.,Ferroelectr.,Freq.Control,vol.39,no.2,pp.262-267，1992。也通过改变信号带宽和阵列f#来检查菲涅耳波束形成的鲁棒性。使用200MHz的时域采样率(temporalsamplingrate)与5MHz的固定发送中心频率。使用具有20%、35%、50%、65%和80%的_6dB分数信号带宽的5MHz高斯脉冲来研究信号带宽对于菲涅耳波束形成的性能的影响。因为所提出的菲涅耳波束形成的接收侧做出信号的窄带假设，当带宽增大时，信号可能变差。通过实施1、1.5、2、2.5和3的f#来研究f#对于菲涅耳波束形成器的影响。使用具有更大孔径的DAS波束形成器可能导致更高的横向分辨率。然而，菲涅耳波束形成器可以使用在一个周期内的时延或总是在从0°至360°范围的相移。随着孔径尺寸增大，这可能导致更大数目的整数波长偏移。通过提高主瓣宽度和旁瓣电平，来自边缘阵元的信号可能使得图像质量变差。FieldII模拟参数参数值中心频率5MHz采样频率200MHz方位角阵兀节距(azimuthalelementpitch)0.3mm仰角阵元高度(elevationelementheight)5mm声速1540m/s发送焦距22mm使用具有1个元件、300微米节距线性阵列的UltrasonixSonixRP超声波系统(UltrasonixMedicalCorporation,Richmond,BC,Canada)在40MHz收集和采样全合成孔径RF数据集。在这个实验中使用2周期5MHz发送脉冲。来自每一个信道的数据被收集32次，并且被计算平均值以最小化电子噪声的影响。然后，使用Matlab(TheMathfforks,Inc.Natick,ΜΑ)以离线DAS、8相位菲涅耳和4相位菲涅耳波束形成方法来将该数据集波束形成。发送焦距被固定在22mm，同时每0.1mm更新动态接收聚焦。图像线间隔是50微米。在空间分辨率和对比噪声比上评估菲涅耳波束形成的性能。也使用1、1.5、2、2.5和3的f#来研究改变f#的影响。对浸入在脱气水中20mm深度处的0.4mm直径定制尼龙线目标成像。测量_6dB横向和轴向目标尺寸，以作为用于空间分辨率的度量。使用离线DAS波束形成和所提出的菲涅耳聚焦技术来收集和波束形成包含在20mm深度处的3mm直径柱形无回声囊肿的ATS超声波体模(Model539,ATSLaboratories,Bridgeport,CT)的全合成孔径RF数据集。可以将对比噪声比(CNR)定义为以dB计的在背景和囊肿的平均值之间的差除以以dB计的背景的标准偏差[15]。权利要求1.一种超声波波束形成器，所述超声波波束形成器用于基本上补偿在超声波换能器阵列中的超声波元件和远离所述超声波换能器阵列的位置之间在距离上的差别，所述超声波元件中的每一个都从所述位置接收到反射的宽带脉冲，所述超声波波束形成器包括用于所述超声波元件中的每一个的输入信号线，所述输入信号线被配置为载送来自所述超声波元件的宽带脉冲；多个信号移位器，所述多个信号移位器的数目基本上少于换能器元件的数目，每一个信号移位器都被配置为以与其他信号移位器被配置以移位宽带脉冲的方式不同的方式来移位宽带脉冲；用于所述输入信号线中的每一条的复用器，所述复用器被配置为将在所述输入信号线上接收的宽带脉冲电连接到所述信号移位器中所选择的一个，所述所选择的一个信号移位器基于控制信号；以及复用器控制器，所述复用器控制器被配置为以使得所述超声波波束形成器基本上补偿在所述距离上的所述差别的方式来产生用于所述复用器中的每一个的所述控制信号。2.根据权利要求1所述的超声波波束形成器，其中，所述信号移位器中的每一个都是移相器，所述移相器被配置为提供与其他移相器中的每一个提供的相移相差不大于360度的相移。3.根据权利要求2所述的超声波波束形成器，其中，由所述移相器提供的相移以基本上相等的量间隔开。4.根据权利要求3所述的超声波波束形成器，其中，存在至少四个移相器，所述至少四个移相器分别提供基本上0、90、180和270度的相移。5.根据权利要求3所述的超声波波束形成器，进一步包括差分放大器，所述差分放大器被配置为用作提供基本上0度相移的所述移相器中的一个、提供基本上180度相移的所述移相器中的另一个，并且对结果求和。6.根据权利要求3所述的超声波波束形成器，其中，所述移相器中的一个提供基本上0度的相移，另一个提供基本上180度的相移，并且所述超声波波束形成器进一步包括加法器，所述加法器被配置为对所述移相器的输出求和；以及延迟元件，所述延迟元件被配置为将所述加法器的输出延迟宽带脉冲的中心频率的基本上四分之一周期。7.根据权利要求4所述的超声波波束形成器，进一步包括第一加法器，所述第一加法器被配置为对提供基本上0和180度相移的所述移相器的输出求和；第二加法器，所述第二加法器被配置为对提供基本上0和180度相移的所述移相器的输出求和；以及，移相器，所述移相器被配置为将所述第二加法器的输出移位90度，由此产生在权利要求4中涉及的90和270度的相移。8.根据权利要求7所述的超声波波束形成器，其中，所述加法器中的一个在模拟域中求和，而另一个加法器在数字域中求和。9.根据权利要求4所述的超声波波束形成器，其中，以90和270度移位的所述移相器中的每一个都是带通滤波器的一部分。10.根据权利要求4所述的超声波波束形成器，其中，存在至少四个另外的移相器，所述至少四个另外的移相器分别提供基本上45、135,225和315度的相移。11.根据权利要求3所述的超声波波束形成器，其中，存在至少六个移相器，所述至少六个移相器分别提供基本上0、60、120、180、240和300度的相移。12.根据权利要求11所述的超声波波束形成器，其中，存在至少六个另外的移相器，所述至少六个另外的移相器分别提供基本上30、90、150、210、270和330度的相移。13.根据权利要求2所述的超声波波束形成器，其中所述移相器中的至少一个在模拟域中移位；并且所述移相器中的至少一个在数字域中移位。14.根据权利要求1所述的超声波波束形成器，其中，信号移位器的数目不多于超声波元件的数目的1/4。15.根据权利要求1所述的超声波波束形成器，进一步包括多个模-数转换器，所述多个模-数转换器的数目不多于超声波元件的数目的1/8，所述多个模-数转换器中的每一个都被配置为将宽带脉冲中的一个从模拟格式向数字格式转换。16.根据权利要求1所述的超声波波束形成器，其中，所述超声波波束形成器也用于使得具有发送超声波元件阵列的发送超声波换能器阵列递送基本上聚焦在远离所述发送超声波换能器阵列的位置的超声波波束，所述超声波波束形成器进一步包括用于所述发送超声波元件中的每一个的输出信号线，所述输出信号线被配置为向所述发送超声波元件载送宽带脉冲；多个脉冲发送器，所述多个脉冲发送器的数目基本上少于发送超声波元件的数目，每一个脉冲发送器都被配置为产生与由其他脉冲发送器中的每一个产生的宽带脉冲不同的宽带脉冲；用于所述输出信号线中的每一条的发送复用器，所述发送复用器被配置为将所述输出信号线电连接到由所述脉冲发送器中所选择的一个产生的宽带脉冲，所选择的一个脉冲发送器是基于控制信号的；以及发送复用器控制器，所述发送复用器控制器被配置为以使得超声波波束基本上要聚焦在远离所述超声波换能器阵列的位置处的方式来产生用于所述发送复用器中的每一个的所述控制信号。17.根据权利要求16所述的超声波波束形成器，其中，由所述脉冲发送器产生的宽带脉冲具有基本上相同的中心频率、并且在时间上彼此分开不大于中心频率的所述周期。18.根据权利要求16所述的超声波波束形成器，其中，由所述脉冲发送器产生的宽带脉冲在相位上相对于彼此移位。19.根据权利要求16所述的超声波波束形成器，其中，脉冲发送器的数目不多于发送超声波元件的数目的1/8。20.根据权利要求16所述的超声波波束形成器，其中，所述接收超声波换能器阵列、所述接收超声波元件和所述输入信号线分别与所述发送超声波换能器阵列、所述发送超声波元件和所述输出信号线相同。21.根据权利要求20所述的超声波波束形成器，其中，信号移位器的数目与脉冲发送器的数目相同。22.根据权利要求1所述的超声波波束形成器，其中，所述信号移位器、所述复用器和所述复用控制器共同包括所述超声波波束形成器的第一模块，并且，所述超声波波束形成器进一步包括一个或多个另外的模块。每一个另外的模块也包含根据权利要求1中所述的信号移位器、复用器和复用控制器，但是在其他方面与所述第一模块和所述其他模块中的每一个不同；并且被配置为递送在时间上相对于所述第一模块的输出延迟宽带脉冲的中心频率的周期的整数倍的输出，用于每一个另外的模块的整数倍与用于其他另外的模块的整数倍不同；并且加法器，所述加法器被配置为对所述模块中的每一个的输出求和。23.—种超声波波束形成器，所述超声波波束形成器用于使得具有超声波元件的阵列的超声波换能器阵列递送基本上聚焦在远离所述超声波换能器阵列的位置处的超声波波束，所述超声波波束形成器包括用于所述超声波元件中的每一个的输出信号线，所述输出信号线被配置为向所述发送超声波元件载送宽带脉冲；多个脉冲发送器，所述多个脉冲发送器的数目基本上少于超声波元件的数目，每一个脉冲发送器被配置为产生与由其他脉冲器中的每一个产生的宽带脉冲不同的宽带脉冲；用于所述输出信号线中的每一条的复用器，所述复用器被配置为将所述输出信号线电连接到由所述脉冲发送器中所选择的一个产生的宽带脉冲，所选择的一个脉冲发送器是基于控制信号的；以及复用器控制器，所述复用器控制器被配置为以使得超声波波束基本上要聚焦在远离所述超声波换能器阵列的位置处的方式来产生用于所述复用器中的每一个的所述控制信号。24.根据权利要求23所述的超声波波束形成器，其中，由所述脉冲发送器产生的宽带脉冲具有基本上相同的中心频率、并且在时间上彼此分开不大于中心频率的所述周期。25.根据权利要求23所述的超声波波束形成器，其中，由所述脉冲发送器产生的宽带脉冲在相位上相对于彼此移位。26.根据权利要求23所述的超声波波束形成器，其中，脉冲发送器的数目不多于超声波元件的数目的1/8。27.根据权利要求23所述的超声波波束形成器，其中，所述脉冲发送器、所述复用器和所述复用器控制器共同包括所述超声波波束形成器的第一模块，并且所述超声波波束形成器进一步包括一个或多个另外的模块，每一个另外的模块也包含根据权利要求23中所述的脉冲发送器、复用器和复用控制器，但是在其他方面与第一模块和其他模块中的每一个不同；并且被配置为递送在时间上相对于所述第一模块的输出延迟宽带脉冲的中心频率的周期的整数倍的输出，用于每一个另外的模块的整数倍与用于其他另外的模块的整数倍不同。全文摘要超声波波束形成器可以包括用于每一个超声波元件的输入信号线，该输入信号线被配置为载送来自超声波元件的宽带脉冲。超声波波束形成器可以包括多个信号移位器，该多个信号移位器的数目基本上少于换能器元件的数目。每一个信号移位器可以被配置为以与其他信号移位器被配置以移位宽带脉冲的方式不同的方式来移位宽带脉冲。用于输入信号线中的每一条的复用器可以被配置来将在输入信号线上接收的宽带脉冲电连接到信号移位器中所选择的一个。复用器控制器可以被配置为以使得超声波波束形成器基本上补偿在距离上的差别的方式来产生用于复用器中的每一个的控制信号。可以使用可比较的配置用于发送。文档编号A61B8/00GK102573651SQ201080048057公开日2012年7月11日申请日期2010年9月3日优先权日2009年9月4日发明者曼·恩古叶恩,杰伊·芒,杰西·叶恩申请人:南加利福尼亚大学