專利名稱：具有數字接口的超聲波變送器的制作方法
技術領域：
本公開涉及超聲波裝置，并且更具體地，涉及具有細線接口的超聲波 裝置。
背景技術：
超聲波醫療裝置正日益普及。在日期為1998年3月3日的美國專利 5，772，412以及日期為2002年10月29日的美國專利6，471，651中示出了 典型的超聲波裝置，所述專利在此通過引用并入于此。
超聲波醫學裝置的典型實施具有與該裝置的主處理單元分離的變送 器部分。傳統上，對發往/來自患者的原始超聲波信號的模擬和數字信號 處理在主處理單元中執行。原始超聲波信號通過到主處理單元的線纜傳送
到掃描頭變送器或從掃描頭變送器傳送出。將超聲波變送器與超聲波處理 單元的主體連接的線纜必須相當長，因為處理單元是不容易移動的，而且
掃描頭必須放置在多個位置中所關注的解剖部位上。因為線纜為位于變送 器頭中的變送器的許多獨立元件來承載發送和接收信號，所以線纜還典型 地既大且重。通常超過六英尺的長度與該線纜的重量結合在一起，給聲鐠 儀使用者帶來顯著的壓力和疲勞。該線纜還使系統增加了顯著的成本和復 雜性。
現有線纜的另一問題是，它們典型地包含大量的獨立同軸導線，這些 同軸導線昂貴并且難以連接到單個連接器。因為在系統上為了不同的應用 而使用多個變送器，所以線纜上通常需要連接器。由于大量的互連線以及 信號的敏感性，因此連接器又大、又復雜而昂貴。因此，整個線纜昂貴、 組裝和修理麻煩，而且難以使用。
前述大量的獨立導線起因于這樣的期望，即，利用電子波形單獨地激 勵變送器陣列中的元件，以便以受控方式來產生變送器元件的機械運動， 從而產生隨后以期望的方向發送至患者身體的超聲波能量。也就是說，可 以形成超聲波發送束，以將超聲波能量聚焦在空間中的特定點或區域，并 且可以形成超聲波接收束，以沿著一個或多個線或方向來收集數據，從而 獲得關于所關注的特定結構的信息，例如形成其圖像。超聲波能量從內部 器官(和其他所關注的項目)反射返回到變送器元件，在此其被轉換回電 信號，以便隨后由處理單元進行處理。變送器和處理器單元之間的信號必 須無顯著失真、衰減或干擾地通過連接線纜上傳和下傳。
發明內容
本發明涉及這樣的系統和方法，其中信號處理功能性被劃分，使得超 聲波信號處理的一部分包含在超聲波系統的變送器部件內，從而減少對在 超聲波系統的變送器和主體之間連接的大量高性能導線、或其他相對高的
帶寬、高保真度帶寬的需要。通過使用以下來促進
具體實施例方式允許 在小變送器尺寸的情況下進行適當的功率管理的獨特架構；以及采用集成 電珞汰術上可能的高集成度、允許以少量高度集成電路來實施其而在IC 外部幾乎沒有外部部件的架構。
在一個實施例中，設置在變送器部件內的信號處理功能性包括發送電 路、接收器電路、以及用于控制和產生束形成的超聲波信號的束形成器。 可替換的實施例根據在變送器部件和主處理單元之間的信號傳輸之前或 之后所期望的處理級別，在變送器部件內^:置附加的或可替換的信號處理
功能性。通過以此方式來劃分系統，變送器掃描頭的輸出成為數字數據流。 所有敏感的模擬信號被保持緊鄰于發送/接收器電路和變送器元件，從而 消除任何顯著的信號劣化，從而允許性能提高。數字數據流還可以被轉換 成串行高速比特流(例如，通過4吏用數據壓縮、復用、編碼等等)，以進一 步減小在變送器部件和主單元之間的接口上的導線數目和/或線纜或其他 承載信號的鏈路的帶寬。因而可以利用具有極低導線數的線纜和連接器。 另外，線纜上的信號是數字的，因此線纜不要求那么高的保真度，從而進 一步減小了線纜和連接器的成本和尺寸。
本發明的實施例利用前述的信號處理功能性的重新分配，以在變送器 和對應的主處理單元之間分配重量。因此，變送器部件可以具有期望量的
質量(mass)，例如，為了改善用戶體瞼、改進與被掃描對象的接口、更傳 統的重量等等。同樣，例如為了提供更便攜的單元、在主處理單元和變送 器部件之間的更好的重量平衡等，主處理單元可以具有減小的質量。
根據本發明的實施例，可以利用分布式電源配置，使得電源的一部分 *沒置在超聲波系統主處理單元中，而電源的另 一部分i殳置在超聲波系統變 送器部件中。這樣的實施例可以用來提供這樣的超聲波系統，其不通過連 接變送器部件和主處理單元的線纜或其他鏈路來傳遞功率，其提供了在變 送器部件和主處理單元之間的更好平衡，其提供了具有期望重量的變送器
部件，等等。
前面相當概括地略述了本發明的特征和技術優點，以便可以更好地理 解下面對本發明的詳細描述。下文中將描述本發明的附加特征和優點，它 們構成本發明的權利要求的主題。應該理解，所公開的概念和特定實施例 可以容易地用作修改或設計用于執行本發明的相同目的其他結構的^。 還應該認識到，這樣的等同構造不脫離如所附權利要求中所闡述的本發 明。當結合附圖考慮時，根據下面的描述，將更好地理解就其組織和工作 方法二者而言被認為是本發明的特性的新穎特征以及進一步的目的和優 點。然而，應該清楚地理解，提掩爭個附圖的目的僅是為了圖示和描述， 并且不是旨在作為對本發明的范圍的限定。
為了更全面地理解本發明，現在結合附圖來參考下面的描迷，在附圖
中
圖l示出現有技術的超聲波系統的一個實施例；
圖2示出被劃分以允許變送器和主處理器之間的數字信令的超聲波 系統的一個實施例；以及
圖3示出用于進一步減小變送器和主處理器之間的數據帶寬的一個 實施例。
具體實施例方式
圖1示出超聲波系統的典型的現有技術架構，如具有變送器陣列17 的系統10，變送器陣列17通過模擬線纜18耦合到獨立接收和發送通道 12-IT、 12-IR至12-NT、 12-NR，耦合到數字束形成器12。典型地，Tx 和Rx信號被時間復用。DSP13由用于回波和流信號處理的電路組成，并 且包括分析信號檢測和壓縮、多速率濾波和運動目標檢測能力。數字信號 處理器(DSP)13向束形成器12提供信號并且從束形成器12接收信號。然 后，全部在控制器16的控制下，后端處理14提供信號，以驅動顯示器 15。顯示器15提供包括圖像數據的數據顯示。該顯示器可以設置在主處 理單元的殼ll中，或者可以與主處理單元和變送器部件兩者分離。如上 所述的處理元件的操作可以如在上面標識的專利第5，772，412和6,471,651 號中所討論的那樣。
在此設置中，線纜18包含大量(通常為128或256量級)的獨立導線(典 型地同軸線纜集合)，用以在變送器陣列17與接收和發送通道12-IT、12-IR 至12-NT、 12-NR之間承載模擬信號。如上面所討論的那樣，線纜18又 大、又笨重昂貴，而效率又不是很高。模擬信號亦是敏感的，從而經常需 要調諧以設法補償線纜的負載。
圖2示出超聲波系統20的一個實施例，在超聲波系統20中，劃分信 號處理功能性，使得超聲波信號處理的一部分包含在超聲波系統的變送器 部件內。雖然提供了與關于圖l所述類似的功能塊，但是圖2的實施例提 供了這樣的配置，其中支持小型化和集成，以利于在變送器24和主處理 單元21內的不同功能塊的重新分配。因此，優選實施例的發送/接收(Tx/Rx) 電路26包括專用集成電路(ASIC)中的脈沖發生器電路、復用器電路、低 噪音時間增益控制放大器和濾波器。多個模數(A/D)轉換器、數字束形成 電路和控制邏輯集成在DBF 23的ASIC中。用于實現這樣i殳置的實施例
在上面標識的、標題為"Systems And Methods For Providing ASICS For Use In Multiple Applications"的申請中示出。
在圖2的實施例中，諸如束形成器23的束形成器和諸如DSP 13的后 續信號處理之間的接口被移至變送器部件24。因此，束形成器23、變送 器陣列17、以及用于驅動變送器陣列17的傳送/接收電路26被設置在所 示實施例的變送器部件24中，其中如所示實施例所示，該傳送/接收電路 26例如可以包括放大器23-IT、 23-IR至23-NT、 23-RT。該設置省去了 模擬線纜18(圖1)，用在變送器部件24和處理單元21之間連接的數字線 纜25來取代它，由于僅需要少量的導線來提供必要的控制和/或信號，因 此該數字線纜25可以是小得多的線纜。
除了線纜尺寸減小之外，對元件的該重新設置還導致性能提高。通過 消除線纜18，還消除了模擬負載、失真和衰減特性，從而允許提高性能 和信號完整性。實現了更好的靈敏性、更好的響應以及更好的帶寬。另夕卜， 該設置減小了發送器在線纜上的功率損耗。
應該理解，除了在變送器部件24內提供附加的信號處理功能性之外， 本發明的實施例還在變送器部件內提供附加的質量。由于關于由本申請的 受讓人SonoSite， Inc.開發的醫療超聲波裝置所實現的小型化和集成改進， 某些變送器部件的重量已經明顯減少。本發明人已經發現，有些違反直覺 地，用戶可能更喜歡具有至少某閾值重量的變送器部件，例如，給予更好 的操作感、提供更受到肯定的與被掃描對象的接口、提供更好的手中平衡 等等。當變送器變得更輕時，其他設計因素變得更重要，例如形狀、尺寸 和線纜。這些其他設計因素可影響最小可接受的重量。例如，使用具有較 大線纜的較輕變送器，用戶可能感覺到扭矩的效果，例如，該扭矩可以是 由緊接于用戶的手而懸掛下來的、連接超聲波和用戶握持的變送器的線纜 所導致的。根據一個實施例，信號處理電路和/或其他電路被設置在變送 器部件而非處理單元部件中，以便提供具有期望重量或更典型的歷史變送 器部件重量的變送器部件，同時從處理單元部件中消除重量，從而導致更 輕、更便攜的處理單元。
根據本發明的實施例可以在變送器部件和主處理單元之間分配或者 重新分配的組件不限于信號處理電路。例如，在超聲波系統20包括便攜 配置的情況下，其中可以包括用于為其電路供電的一個或多個電源。如圖 2所示，本發明的實施例在變il器部件和主處理單元部件之間分配電源，
以提供期望的重量平衡。為超聲波系統的變送器陣列供電通常需要多達系
統所消耗總功率的1/3。因此，本.發明的實施例可以在變送器部件24內設 置電源容量的約三分之一(例如，電池27-2)，而在主處理單元部件21內 設置電源容量的三分之二(例如，電池27-l)。當然，如果需要的話，根據 本發明的實施例可以利用其他分配比。可以進一 步地利用這樣的電源分 配，以提供具有更典型的歷史變送器部件的重量的變送器部件，同時從處 理單元部件中消除重量，從而導致更輕、更l更攜的處理單元。
應該理解，在如上所述的具有分布式電源配置的實施例中，功率可以 繼續通過線纜25來提供。例如，當變送器部件24的電路基本上空閑時， 可以利用線纜25內的輸電導線，對電池27-2進行"涓流(trickle)"充 電和/或向變送器部件的電5^電，而當變送器部件24的電路處于完全工 作狀態時，可以利用電池27-2向變送器部件的電路供電。可替換地，在 分布式電源配置中，可以避免在線纜25內輸電，例如，其中將變送器部 件24布置成定期地與再充電電源連通，以補充電池27-2的功率儲備。例 如，響應于射頻能量的線團(未示出)可以設置在變送器部件24內，以利 于對電池27-2的無線再充電，而無需在變送器部件24的表面上i殳置4壬4可 突起(例如連接器、端子等)。可替換地，可以在變送器部件24的表面上 或其中提供再充電接口 ，以利于電池27-2與再充電電源的耦合，該再充電 接口例如可以包括一個或多個連接器、端子等。
線纜25優選地包括用以來回發送數字數據的一對低電壓差動信號 (LVDS)線。根據本發明的實施例，可以在變送器部件和處理單元之間使 用USB、 USB2、或IEE 1394型接口、或者其他標準或專有數字接口 。
本發明的實施例利用無線接口而非線纜25。例如，可以用諸如IEEE 802. 11接口的無線局域網(WLAN)接口來代替線纜25。當然，如果需要， 本發明的實施例可以利用專有的無線接口，而非標準化的無線接口。本發 明的優選實施例利用標準化的無線接口 ，以便在實施無線接口時運用廣泛 可用的技術和芯片組。例如，IEEE 802. 11芯片組很容易得到，其中收發 器芯片(未示出)可以設置在變送器部件24中，在針對線纜25所示的接口 處耦接到數字束形成器23，而對應的收發器芯片(未示出K殳置在主處理 單元21中，在針對線纜25所示的接口處耦接到DSP 13。用于這樣的無 線通信的天線可以設置在殼部件內、殼部件表面上或殼部件外部。
應該理解，對于傳送器部件24和主處理羊元21之間的接口 ，超聲波系統20的不同配置可具有可觀的傳輸帶寬限制。例如，在很多無線實現 中可用的傳輸帶寬提供了帶寬限制，這不很適合于發逸表示束形成的超聲 波信號的數字數據。然而，對這樣信號的進一步的信號處理可以減少傳遞 到下一信號處理功能的信息量。因此，尤其是在某些無線配置中，可期望 提供與圖2所示不同的信號處理功能性的分配。例如，可期望將附加的 DSP功能移至變送器部件，從而進一步減小在變送器部件和主處理單元之 間所用的數據帶寬。
圖3示出了代表性超聲波系統處理塊的可替換分布；發送/接收 (Tx/Rx) 26、數字束形成器(DBF) 23、數字信號處理器(DSP) 13、后端處 理(BE) 14和顯示器15。具體地，在圖3所示的超聲波系統30的所示實 施例中，DBF 23和DSP 13兩者i殳置在變送器部件32內。這樣，與圖2 所示的配置相比，在變送器部件內提供了更多的信號處理。如此，在變送 器部件32和主處理單元31之間傳遞數據時可以利用更少的帶寬。所示實 施例利用該特征，以使用M器28-1和28-2來實施以鏈路33示出的無 線接口 。根據本發明的實施例，收發器28-1和28-2可以包括對應的射頻 ASIC或類似的芯片組。
在優選實施例中，將使用數字CMOS ASICS和數字/模擬混合模式 ASICS來實施DBF 23、 DSP 13和BE 14，并且將基于高電壓和/或Bi-CMOS 技術來實施Tx/Rx 26。 一個實施例的掃描頭模塊的總重量小于20盎司。 在一個實施例中，除去殼，傳送器陣列17的重量小于8盎司。峰值功耗 為約6瓦。具有功率管理的平均功耗小于4瓦，并且從變送器到處理單元 的接口上的信號的帶寬已經至少在量級上從約400 Mbps咸小到40 Mbps 以下。在一個實施例中，對于具有128x512像素的視頻顯示器，使用在 此討論的概念，16 Mbps的數據速率是可能的。
盡管已詳細描述了本發明及其優點，但應該理解，在不脫離由所附權 利要求所限定的本發明的情況下，在此可以進行各種改變、替換和更改。 另外，本申請的范圍并非旨在局限于說明書中所描述的過程、機器、制造、
物質組成、裝置、方法和步驟的具體實施例。如將從本公開中容易理解的，
上相同的功能或實現基本上相同的結果的過程、機器、制造、物質組成、 裝置、方法或步驟。因此，所附權利要求旨在將這樣的過程、機器、制造、 物質組成、裝置、方法或步驟包括在其范圍內。
權利要求
1.一種系統，其包括超聲波變送器部件，其包括超聲波變送器陣列、以及耦接到所述變送器陣列的信號處理電路，所述信號處理電路可操作用來處理來自所述變送器陣列的模擬信號，并且根據所述模擬信號來提供數字信息；以及主處理單元，其與所述超聲波變送器部件分離，并且與所述超聲波變送器部件通信，其可操作用來從所述超聲波變送器部件接收所述數字信息。
2. 如權利要求l所述的系統，其中所述超聲波變送器部件中還包括 電池。
3. 如權利要求2所迷的系統，其中至少部分地選擇對所述電池的配 置，以導致所迷超聲波變送器部件的期望總重量。
4. 如權利要求3所述的系統，其中所述主處理單元中包括電池，并 且其中至少部分地選捧對所述主處理單元電池的配置，以導致在所述超聲波變送器部件和所述主處理單元之間的期望總重量分配。
5. 如權利要求l所述的系統，其中至少部分地選擇所述超聲波變送 器部件中所包括的所述處理電路的量，以導致所述超聲波變送器部件的期 望總重量。
6. 如權利要求l所述的系統，其中所述處理電路包括耦接到所述變 送器陣列的數字束形成器。
7. 如權利要求6所述的系統，其中所述處理電路包括耦接到所述數 字束形成器的數字信號處理器。
8. 如權利要求l所述的系統，其還包括數字數據線纜，其耦接在所述超聲波變送器部件和所述主處理單元之 間，在其之間輸送所述數字信息。
9. 如權利要求8所述的系統，其中所述數字線纜還將功率從所述主 處理單元輸送到所述超聲波變送器部件，以便對其中的電池充電。
10. 如權利要求1所述的系統，其中至少部分地選擇所述超聲波變送 器部件中所包括的所述處理電路的量，以利于所述超聲波變送器部件和所 述主處理單元之間的無線通信鏈接。
11. 如權利要求1所述的系統，其中所述超聲波變送器部件還包括第 一射頻收發器，并且所迷主處理單元包括無線收發器，并且其中通過使用 所述第一和第二無線收發器，在所述超聲波變送器部件和所述主處理單元 之間輸送所述數字信息。
12. 如權利要求11所述的系統，其中所述第一和第二無線收發器包 括射頻^器。
13. 如權利要求11所述的系統，其中所述第一和第二無線收發器4吏 用標準的無線通信協議來提供對所迷數字信息的傳送。
14. 如權利要求13所述的系統，其中所述標準的無線通信協議是從 無線局域網協議和無線個人區域網協議中選擇的。
15. —種方法，其包括提供超聲波變送器部件，所述超聲波變送器部件具有變送器陣列和耦 接到所述變送器陣列的信號處理電路；提供具有信號處理電路的主處理單元，所述主處理單元的信號處理電 路通過數字數據通信與所述超聲波變送器部件的所述信號處理電路通信； 以及在所迷超聲波變送器部件的所述信號處理電路與所述主處理單元的 所述信號處理電路之間分配信號處理電路，以提供在所述超聲波變送器部 件和所述主處理單元之間的期望的重量分配。
16. 如權利要求15所述的方法，其還包括在所迷超聲波變送器部件和所述主處理單元之間分配電池容量，以提 供在所述超聲波變送器部件和所述主處理單元之間的期望的重量分配。
17. 如權利要求15所述的方法，其中所述數字數據通信通過無線連 接來提供。
18. —種方法，其包括提供超聲波變送器部件，所述超聲波變送器部件具有變送器陣列和耦 接到所述變送器陣列的信號處理電路；提供具有信號處理電路的主處理單元，所述主處理單元的信號處理電路通過數字數據通信與所述超聲波變送器部件的所述信號處理電路通信； 以及在所述超聲波變送器部件和所述主處理單元之間分配電池容量，以提 供在所述超聲波變送器部件和所述主處理單元之間的期望的重量分配。
19. 如權利要求18所述的方法，其還包括在所述超聲波變送器部件的所述信號處理電路與所述主處理單元的 所述信號處理電5MU'司分配信號處理電路，以提供在所述超聲波變送器部 件和所述主處理單元之間的期望的重量分配。
20. 如權利要求18所述的方法，其中所述數字數據通信通過無線連 接來提供。
全文摘要
示出了在超聲波系統主處理單元和變送器部件之間劃分超聲波信號處理的系統和方法。可以選擇對主處理單元和變送器部件中設置的信號處理功能性的特定劃分，以提供期望的重量平衡、主處理單元和變送器部件之間的期望級別的數據通信處理等等。附加地或可替換地，可以在主處理單元和變送器部件之間劃分電池容量。
文檔編號A61B8/00GK101181162SQ20071000292
公開日2008年5月21日 申請日期2007年1月26日 優先權日2006年11月14日
發明者利·鄧巴, 布萊克·W·利特爾 申請人:索諾塞特公司