用于超声和热声系统的串行体系结构和节能方法与流程

本发明总体上涉及生物医学的(包括生物的、临床前的和医学的)成像、感测和监视领域。具体地，本发明涉及基于固有或诱导热声(thermoacoustic，ta)和超声(ultrasound，us)造影来提供活体内的内部结构、分子组合物和功能过程的图像和信息的设备和方法。

背景技术：

1、生物学和医学中的热声学

2、热声学是通过将由物质吸收的电磁能转换为宽带us波(ta波)而表现的物理现象。那些ta波可以通过具有特殊低噪声高灵敏度电子器件的换能器在单个点或多个空间位置处被测量，并且随后被转换为参数、信号或图像，从而告知物质内部所吸收的电磁能的空间和时间分布。优选地，那些测量应当由能够感测频率在几十khz到几十mhz之间任何地方的ta波的宽带设备来执行。用于生物学和医学的一些特定类型的热声学包括光声学(photoacoustics或者optoacoustics)(可见光和红外光用于激励)、微波声学(电磁能的毫米范围波长)和x射线声学。由于具有1-1000ns量级的单个脉冲持续时间的脉冲电磁激励生成生物组织中可测量的ta效应的高效力以及激发源的可用性，因此它频繁地被用于生物医学热声学。生物医学热声学是快速发展的领域，并且原型和商业ta技术继续在包括诊断成像和感测、监视治疗和手术干预、药物开发、基础生物学和医学的广泛的应用中展示实用性和优势。

3、生物学和医学中的超声

4、超声被广泛用于临床和生物医学科学中需要组织和器官、治疗程序和手术的解剖和功能成像、感测和监视的应用中。通常，超声仪器既用于利用超声波照射组织，又用于在超声波被组织散射或以其他方式改变之后检测所述超声波。us应用中的频率带宽典型地比ta应用中的频率带宽窄得多，而所生成和测量的超声信号要大得多。

5、生物学和医学中的超声和热声成像(ultrasound and thermoacoustic imaging，usta)

6、所组合的双模态超声和热声成像(usta)已被提议作为有前途的生物医学技术，它具有类似的检测原理和仪器的优点，同时用一种单独的模态的益处来增强每个另一种单独的模态。例如，由超声提供的卓越成像深度和机械组织造影可以通过由多波长光声学提供的功能和分子成像被增强。迄今为止，阻碍高效、临床上可接受且紧凑的usta系统开发的主要问题似乎在于由每个单独的模态对信号灵敏度、动态范围和频率带宽施加的技术需求的显著差异，这通常通过构建经由外部控制电子器件进行通信的两个独立的数据采集单元被解决。

7、usta电子体系结构

8、双模态usta系统体系结构可以基于并行的、共享相同或不同的换能器元件us和ta电子通道。这种方法被用于光声分子us(photosound moleculus)系统以及其他usta研究和临床系统中。用于usta系统的能量和电阻抗需求。

9、ta成像应用需要具有被用于仅rx模式的大量元件的换能器阵列。电气换能器元件由电容式传感器表示，该电容式传感器具有在从小于1pf到若干nf的宽范围中的元件电容。该范围的低端可以通过光声学和低频(≤1mhz)x射线声学应用中所使用的换能器来例示。该范围的高端是在ta模式中具有性能缺陷的窄带高频超声换能器阵列。在ta模式下，每个电容式换能器通道都会产生低电平和宽带电信号。换能器元件与前置放大器输入之间的传输线的寄生电容通过寄生电容和电压信号损失产生电荷再分配。低电平的换能器电容需要换能器与第一放大级之间的短长度和低电容传输线。具有电容c的电容式传感器和第一放大级的输入电阻r的组合形成了用于具有转角频率为1/(2πrc)的输入信号的高通rc滤波器。宽带模拟信号需要该转角频率的低值，并且相对应地需要第一前置放大器级输入阻抗r的高值。前置放大器输入阻抗r的高值在传输线终端中产生阻抗不匹配。另一个不匹配是传输线另一端的电容式换能器。对于两米长的传输线(换能器电缆)，传输线两端的此类阻抗不匹配创建1/4波长谐振，该1/4波长谐振具有低至25mhz的一次谐波频率。在ta应用中抑制1/4波长谐振经常需要更短的电缆长度。理想地，第一前置放大器级应位于换能器阵列外壳内，靠近换能器元件。ta前置放大器具有低输出阻抗(典型地为50ω)，并且能够驱动传输线，该传输线具有与将模拟信号变换为数字信号的设备处的阻抗匹配电阻器端接的匹配阻抗。此类设备可能包含也可能不包含模拟级，像放大级、模拟带宽滤波器、adc驱动器。此类设备可被称为数据采集系统(data acquisition system，daq)、模数转换器(analog-to-digital converter，adc)或超声模拟前端(analog front-end，afe)。在下文中，该设备将被称为在德州仪器(texas instruments)超声afe系列(例如afe5832、afe5816等)之后的afe。ta前置放大器输出与afe输入之间的阻抗匹配传输线的长度可以根据需要而定，例如2米。

10、ta成像应用需要配备有ta前置放大器的大量通道，由此引起了相对高的功耗。例如，使用分立组件的光声(photosound)legion系列多通道前置放大器设计具有每通道30mw的功耗。具有256通道的前置放大器排除电源损耗的功耗为8w，具有1024通道前置放大器的功耗约为32w。这种功耗水平不允许在换能器阵列外壳内集成ta前置放大器，是因为前置放大器生成的热量无法在小的密封体积内有效消散。功耗也是对于电池操作便携式和手持式设备的限制因素。在不降级输入噪声水平和信噪比的情况下，现有商用ta前置放大器和原型的功耗无法大幅降低。

技术实现思路

1、在实施例中，所公开的串行体系结构和方法允许提供具有双us和ta成像模态的仪器，该仪器在任何特定时刻仅使用单一模态进行操作，该仪器(1)并入以及共享对于两种模态所需的组件，(2)在每个特定的操作时间点，能够有效地接合仅对于主动单一模态的操作所需的那些组件，以及(3)在每个特定的操作时间点，能够有效地排除(旁路)对于主动单一模态的操作非必要的组件。当不使用特定于一种模式的组件时，所公开的方法还允许快速节能模式(待机模式)，从而能够减少仪器空间受限区域中的热消散，并能够实现每个特定模态的每秒多次的快速激活/停用循环。

技术特征：

1.一种用于热声数据采集和/或成像的仪器，包括：

2.根据权利要求1所述的仪器，其中，提供数字处理和/或数字控制的所述电路是现场可编程门阵列。

3.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述仪器被配置成用于当所述仪器采集热声信号时将所述热声数据采集单元或所述热声数据采集单元的组件中的一个或多个组件切换到所述全功率模式，并且当所述仪器未采集热声信号时将所述热声数据采集单元或所述热声数据采集单元的组件中的一个或多个组件切换到所述低功率模式。

4.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述热声数据采集单元的所述热声前置放大器被放置在包含所述换能器或所述换能器阵列的外壳内。

5.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述仪器的组件中的一个或多个组件被集成到便携式设备和/或电池操作设备中。

6.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述仪器的组件中的一个或多个组件被集成到手持式设备中。

7.一种用于双模态超声和热声数据采集和/或成像的仪器，包括：

8.根据权利要求7所述的仪器，其中，提供数字处理和/或数字控制的所述电路是现场可编程门阵列。

9.根据权利要求7所述的仪器，被配置成使得相同的换能器元件和模拟前端通道被用于超声模态和热声模态两者中。

10.根据权利要求7所述的仪器，其中：

11.根据权利要求10所述的仪器，其中，所述仪器被配置成用于当所述仪器采集热声信号时将所述热声前置放大器切换到所述全功率模式，以及当所述仪器未采集热声信号时将所述热声前置放大器切换到所述低功率模式。

12.根据权利要求10所述的仪器，其中，所述脉冲发生器和/或所述热声前置放大器被放置在包含所述换能器或所述换能器阵列的外壳内。

13.根据权利要求10所述的仪器，其中，所述仪器的组件中的一个或多个组件被集成到便携式设备和/或电池操作设备中。

14.根据权利要求10所述的仪器，其中，所述仪器的组件中的全部或所述仪器的组件中的一些组件被集成到手持式设备中。

15.根据权利要求7所述的仪器，其中，所述仪器被配置成用于使用多个hv保护和旁路开关。

16.根据权利要求15所述的仪器，其中，所述多个hv保护和旁路开关被集成在脉冲发生器/波束形成器电路内。

17.根据权利要求7所述的仪器，其中，所述仪器被配置成使得当所述仪器在超声接收模式或热声模式中操作时，所述脉冲发生器/波束形成器是空闲的，在使所述脉冲发生器/波束形成器的hv电路系统被断开的同时允许接收到的信号通过；以及当所述仪器在超声发射模式中操作时，所述脉冲发生器/波束形成器被连接到hv电路系统，主动将电磁能施加到所述换能器或所述换能器阵列，以及与所述热声前置放大器和所述模拟前端断开。

18.一种热声前置放大器，所述热声前置放大器具有快速禁用低功率模式和快速启用全功率模式，每种模式能够在测量循环之间和测量循环期间每秒被激活多次。

19.一种热声数据采集单元，包括热声前置放大器和用于提供输入信号的模数转换的模拟前端，所述数据采集单元或所述数据采集单元的各个的组件中的一些组件具有快速禁用低功率模式和快速启用全功率模式，每种模式能够在测量循环之间和测量循环期间每秒被激活多次。

技术总结
公开了用于双模式USTA仪器中的包括组件布置和开关使用的电子体系结构以及功率节省方法。在实施例中，仪器体系结构包括US和TA模拟组件，该US和TA模拟组件包括以允许既在US模态中又在TA模态中的相同的换能器元件、电子组件、接线和AFE通道的有效使用的方式被布置的换能器、TA前置放大器、脉冲发生器、开关和AFE(或带有可编程放大器的ADC)。对TA前置放大器进行快速功率控制的操作被描述，该操作允许在无论TA测量之间是否具有US测量的情况下在TA测量循环之间关闭TA前置放大器功率。TA前置放大器节能允许此类设计将TA前置放大器功耗降低到许多分之一，这使得TA前置放大器能够集成在换能器外壳或探头外壳内，和/或使得能够在便携式电池操作设备或手持式设备中使用TA前置放大器。

技术研发人员：V·伊凡诺夫,S·艾尔米洛夫
受保护的技术使用者：光声技术股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13