通过最少数量连接线进行远程操作的超声波收发器系统技术方案

一种通过最少数量连线从超声波测量或成像系统以一定距离进行操作的超声波脉冲回波收发器系统，包括至少一个超声波换能器元件和安装到靠近所述换能器元件的电子电路，并且至少包括一个接收器放大器和传送开关。ＤＣ偏置电压通过偏置连线从所述超声波装置提供给所述电子电路，并且所述换能器元件电连接到所述接收器放大器的输入端，所述放大器输入端被设计为使得其可以容许所述换能器电极处的很大的ＡＣ传送脉冲电压。所述接收器放大器的输出通过接收器连线提供给所述超声波装置，也可能通过其他电子电路。所述传送开关在一端上连接到所述换能器元件的热电极并且在另一端上可能通过作为所述收发器一部分的缓冲放大器而连接到从所述超声波装置提供高电压ＡＣ脉冲的传送连线，从而传送来自所述换能器的超声波脉冲。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及以典型的5MHz以上的高频对细小结构进行高分辨率超声波成像，其中超声波换能器或者换能器阵列通过通道接近待被成像的所述结构，所述通道具有有限的空间用于线缆线路连接超声波换能器和超声波成像或测量设备。这些应用的示例包括通过导管端部的换能器对血管壁的血管内超声波成像(IVUS)，前列腺的尿道管成像或者在通过狭窄通道的最小切口穿入或其他手术期间对肿瘤和微小脉管的高分辨率成像。本专利技术在此情况下提出了具有特别高的信噪比的所测量的反向散射信号的解决方案，并且对外部源的电磁干扰具有很强的惰性。更特别的，本专利技术涉及针对由超声波换能器、超声波换能器阵列以及二者结合所形成的声束的前置放大器电子设备、电路的设计，允许电子设备和换能器在紧凑的组件中以短距离进行集成，从而可以以很少数量的电子连线，甚至少至两条线缆在超声波成像或测量系统中工作。本专利技术还可以应用于以更简单的手段获取对于结构的高频超声波成像的最大信噪比和对电磁干扰的惰性，例如高分辨率皮肤或者眼睛成像(f～20-100MHz)。其进一步还可以应用于对具有高阻抗的少量元件的换能器阵列进行低频成像和测量，以在这些情况下改善信噪比和对电磁干扰的惰性。其还可以应用到具有线性阵列的开关的提升聚焦(elevation focusing)，以减少连接设备的线缆数量，使得对换能器阵列的手动操作更容易。
技术介绍
超声波回波成像系统的空间分辨率与超声波波长紧密相关。超声波波长λ涉及超声波频率f，即λ＝c/f，其中c～1540μm/μs为超声波在细胞组织中的传播速率。为了获得较低的波长，也就是更清晰的分辨率，必须使用高超声波频率。然而，超声波回波成像的图像深度(image depth)由于细胞组织对超声波能量的吸收而受到限制。由于这种吸收随着频率增加而增强，这为给定的图像深度可以使用的频率设定了上限。因此，图像分辨率受到图像深度的限制。因此对于微小结构例如血管壁的成像，或者其他内部器官的微小结构，需要使得超声波换能器靠近所述结构，从而图像深度以及对超声波吸收的减少受到限制。对于小于10mm的图像深度，可以使用20-100MHz范围内的超声波频率，波长范围为75至15μm。这产生了大约150μm至30μm范围内的空间分辨率，取决于换能器频率、带宽以及孔径。超声波换能器可以通过在导管或者其他伸长设备的端部安装换能器结构而靠近身体内的内部结构，例如血管壁或者其他器官，所述导管或其他伸长设备通过切口或身体的自然开口而插入身体内。然后利用线缆连接延伸探测器和超声波成像或测量装置端部的换能器。这样对离成像装置有一定距离的换能器使用这样的高频会带来实际问题，例如1.对于高于30MHz的超声波频率，换能器和连接到成像装置的线缆之间的阻抗不匹配带来了损耗，从而限制了信噪比以及给定频率下的最大图像深度。插入装置的受限的厚度也限制了连接换能器和成像装置的连线的厚度，带来了附加的吸收并降低了成像灵敏度。2.例如在35MHz，线缆中的电磁波长大约为6m，则四分之一波长大约为1.5m，这大约是典型的导管的长度。因此导管变得类似于超声波接收器频率范围内的四分之一波调谐天线，并且成像系统变得对有效接收器频率范围内的外部电磁干扰(EMI)源非常敏感。3.在超声波换能器和装置之间使用细线缆的其他问题涉及到获取窄的超声波束。为了在波束聚焦中减少超声波衍射影响，并且由此减小焦点直径，必须具有大量波长穿过有效换能器孔径(典型地大约需要50种波长穿过孔径)。然而，在这样的低衍射聚焦下，聚焦深度减小了，限制了清晰聚焦的范围以及空间分辨率。对于接收波束，解决该问题的通常方法是使用动态聚焦的换能器元件阵列，其中接收波束聚焦在任何时候均紧跟回波被接收处的深度。通过增加延迟到各个阵列元件信号而获得电子操控的动态聚焦，从而该延迟和从焦点到元件的传播延迟的总和对所有元件近乎相同。增加的延迟可以利用声延迟或电延迟线路或者两者结合而获得。同时还希望将有效换能器传送孔径随着图像深度一起增加，以限制聚焦直径随着深度的扩张。4.对于脉冲传送，必须选择固定传送波束焦点，因为在脉冲被传送后即不能对其进行改变。那么希望能够在不同的传送聚焦深度之间进行选择从而可以将传送波束聚焦到最重要的图像范围。一种针对传送波束的动态聚焦可以通过如下方式获得，即将整个图像区域看作由子区域构成，其中每个子区域由在该子区域内聚焦的单独的传送脉冲进行成像。同时还希望将有效换能器传送孔径随着图像深度一起增加，以限制聚焦直径随着深度的扩张。因此，希望有一种位于插入设备末端的具有高信噪比和对电磁干扰的高抗扰度的换能器阵列，该阵列具有动态或者可切换的接收聚焦和扩张的接收孔径，可切换的传送聚焦和扩张的传送孔径，可以通过最少数量的连线而从超声波成像或测量装置进行操作，使得插入到狭窄结构中的设备的横截面最小化。
技术实现思路
本专利技术通过将电子电路安装到靠近超声波换能器或者换能器阵列而设计了一种针对这些问题的解决方案，其中所述电路能够通过少量线路，甚至少至两条线缆进行操作。在其最简化形式中，本专利技术提供了前置放大器，所述前置放大器可以通过向该放大器提供DC偏置电压的双线线缆而被操作。当通过连线传送高压脉冲时，击穿电路连接该连线到换能器以传送超声波脉冲，在接收模式中，换能器上的低电平信号被放大并作为高电平信号并通过相同连线被馈送给成像或者测量装置。由于线缆上接收信号电平升高了，该系统减小了对线路损耗和外部电磁干扰的敏感度，因此使得成像或者测量的灵敏度最大化。对于阵列的动态接收聚焦，本专利技术在其最通用形式中提供了安装到靠近换能器阵列的集成电子电路，该电路对各个元件和延迟电路提供前置放大器，所述前置放大器在脉冲传送之后的一个时间序列中自动开关，从而获得了接收波束的动态聚焦。在本专利技术的一个实施例中，位于换能器元件前面的声延迟线路被用于元件信号的完全或者部分延迟。该电路还可以设置使得传送脉冲在一序列中选择不同的传送焦距从而可以获得多个传送聚焦成像。本专利技术还公开了在传送脉冲之前使用编码信令以通过单根线缆选择传送聚焦设置以及动态接收聚焦范围。在更简单的实施中，本专利技术通过使用预编程的放大器和切换电路而以成像装置和换能器系统之间的一双线线缆实现了可操控的焦距和孔径。所述切换电路选择性的为每个聚焦范围组合一组预聚焦的阵列元件和预设延迟。所述每个元件的预设焦距和延迟被选择为使得跨越每个元件和每个有效孔径的相位差均小于针对元件进行波束成形的范围的一个限度，例如90-120度。将增加数量的元件与深度结合，可以获得增加的孔径并限制波束直径而且增加了深度。在特别简化的实施中，每个元件的预聚焦和延迟均通过位于每个元件之前的具有适合曲率和厚度的声透镜材料而提供。然后电子电路在来自每个元件的信号在时间操控的切换电路中被选择性地添加之前对该信号提供可能的放大，所述切换电路通过脉冲传送被进行复位。附图说明图1a显示了根据本专利技术的可以通过多条线缆从超声波测量或成像装置进行操作的由单个换能器元件和电子电路组成的收发器的一个示例实施例；图1b显示了根据本专利技术的作为所述电子电路一部分的接收器输入开关和传送开关的一个示例实施例；图1c显示了根据本专利技术的可以通过一双线线缆从超声波测量或成像装置进行操作的由单个换能器元件和电子电路组成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过最少数量连线距离超声波测量或成像系统一定距离进行操作的超声波脉冲回波收发器系统，所述收发器系统由至少一个超声波换能器元件和安装到靠近所述换能器元件的电子电路组成，并且包括至少一个接收器放大器和传送开关，ＤＣ偏置电压通过偏置连线从所述超声波装置提供给所述电子电路，所述换能器元件电连接到所述接收器放大器的输入端，所述放大器输入端被设计为使得其容许所述换能器电极处的很大的ＡＣ传送脉冲电压，所述接收器放大器的输出通过接收器连线馈送给所述超声波装置，也可能通过其他电子电路，所述传送开关在一端上连接到所述换能器元件的热电极并且在另一端上连接到馈送来自所述超声波装置的高电压ＡＣ脉冲的传送连线，可能是通过作为所述收发器一部分的缓冲放大器，用于传送来自所述换能器的超声波脉冲。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种通过最少数量连线距离超声波测量或成像系统一定距离进行操作的超声波脉冲回波收发器系统，所述收发器系统由至少一个超声波换能器元件和安装到靠近所述换能器元件的电子电路组成，并且包括至少一个接收器放大器和传送开关，DC偏置电压通过偏置连线从所述超声波装置提供给所述电子电路，所述换能器元件电连接到所述接收器放大器的输入端，所述放大器输入端被设计为使得其容许所述换能器电极处的很大的AC传送脉冲电压，所述接收器放大器的输出通过接收器连线馈送给所述超声波装置，也可能通过其他电子电路，所述传送开关在一端上连接到所述换能器元件的热电极并且在另一端上连接到馈送来自所述超声波装置的高电压AC脉冲的传送连线，可能是通过作为所述收发器一部分的缓冲放大器，用于传送来自所述换能器的超声波脉冲。2.根据权利要求1所述的超声波脉冲回波收发器系统，其中所述接收、偏置以及传送连线中的至少两条被连接及合并至单条连线以减少将所述收发器连接到所述超声波装置的连线数量。3.根据权利要求2所述的超声波脉冲回波收发器系统，其中所述接收、偏置以及传送连线被连接及合并至单条连线，从而所述收发器可从所述超声波装置通过包含接地线的一双线线缆进行操作。4.根据权利要求1所述的超声波脉冲回波收发器系统，其中所述传送开关由至少一个二极管组成，所述二极管在传送连线上的高AC电压传送脉冲时自动切换到低串联AC阻抗，并且在传送连线上的AC信号电平低于预设电平时自动切换到高AC阻抗。5.根据权利要求1所述的超声波脉冲回波收发器系统，其中所述传送开关由若干个开关晶体管或者二极管组成，其中所述开关动作由控制信号进行控制，其中所述开关控制信号被选择为使得所述开关在传送周期期间开通，并且在接收周期期间关断。6.根据权利要求5所述的超声波脉冲回波收发器系统，其中所述传送开关控制信号导自传送连线上的高电压AC传送脉冲，从而所述开关通过传送脉冲被自动开通并且在接收周期中被自动关断。7.根据权利要求1所述的超声波脉冲回波收发器系统，其中所述接收器放大器承受换能器电极处的高AC传送电压的能力是通过具有与所述放大器输入端串联的阻抗的电路而获得的。8.根据权利要求7所述的超声波脉冲回波收发器系统，其中所述串联电路为电容器。9.根据权利要求7所述的超声波脉冲回波收发器系统，其中所述串联电路为具有偏置电流的两个反向对接的二极管，从而对于所述换能器处的低电平信号，所述二极管的AC阻抗很低，而对于所述换能器处的高电平AC信号，二极管的AC阻抗很高。10.根据权利要求7所述的超声波脉冲回波收发器系统，其中所述串联电路是由若干个开关晶体管或二极管组成的接收器开关，其中开关动作由控制信号进行控制，其中所述开关控制信号被选择以使得所述接收器开关在传送周期期间关断并且在接收周期期间开通。11.根据权利要求10所述的超声波脉冲回波收发器系统，其中所述接收开关控制电压导自所述高电压传送脉冲，从而所述接收开关通过传送脉冲被自动关断，并且在接收周期中被自动开通。12.一种超声波脉冲回波阵列收发器系统，所述系统能够在接收模式中获得可选择的或动态的焦距并且可以通过最小数量连线距离超声波测量或成像系统一定距离进行操作，所述收发器系统由超声波换能器元件阵列组成，其中每个元件具有固定焦距并且耦合到固定的信号延迟线，并且一电子电路被安装到靠近所述换能器阵列并包含电子接收求和电路和至少一个电子接收聚焦开关，通过偏置连线从所述超声波装置提供DC偏置电压给所述电子电路，可能来自一个阵列元件的信号被固定耦合到所述求和电路，同时来自至少某些阵列元件的信号通过可控制的电子接收聚焦开关耦合到所述求和电路，可能是在前置放大器中每个信号的放大和/或作为所述电子电路的一部分的电子延迟线中每个信号的延迟之后，来自所述求和电路的信号是一聚焦后的接收信号，其通过接收连线被传送到所述超声波装置，每个元件的焦距和信号延迟被确定为使得通过对选定的元件组闭合连到所述求和电路的聚焦开关而获得选定的有效孔径和焦距深度，并且从而可以通过顺次闭合所述聚焦开关而增加连接到所述求和电路的元件数量，从而获得增加的活动接收孔径以及增加的焦距深度。13.根据权利要求12所述的超声波脉冲回波阵列收发器系统，其中所述至少一部分元件信号延迟是通过作为所述元件前面的声路的一部分的声学延迟线而获得的，所述声学延迟线的材料具有与待测量或成像的目标不同的波传播速率，从而延迟线材料的厚度至少确定了部分元件信号延迟。14.根据权利要求13所述的超声波脉冲回波阵列收发器系统，其中所述声学延迟线材料的波速率高于待成像目标的波速率，并且所述声学延迟线材料具有吸收作用，可以产生跨越该有效孔径的超声波信号的净变迹以减少波束旁瓣。15.根据权利要求12所述的超声波脉冲回波阵列收发器系统，其中所述每个元件的信号延迟至少部分地通过机械成形，例如弯曲整个阵列表面而获得。16.根据权利要求12所述的超声波脉冲回波阵列收发器系统，其中所述电子电路包含至少一个电子传送开关，所述电子传送开关一端连接到至少一个换能器元件...

【专利技术属性】
技术研发人员：比约恩AJ安格尔森，通尼F约翰森，
申请(专利权)人：泰拉雷肯有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]