用于超声波阵列的基于菲涅耳的波束形成

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。

说明书

对于相关申请的交叉引用

本申请基于案卷编号028080-0508的、在2009年9月4日提交的、题 目为“MINIATURIZED ULTRASOUND IMAGING SYSTEM”的美国 临时专利申请61/240,122，并且要求其优先权。该申请的整体内容通过 引用被在此并入。

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(ultrasound community)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，“Ultrasound stethoscopy：A renaissance of the physical  examination？，”Heart，vol.89，pp.971-974，2003；J.Hwang，J.Quistgaard， J.Souquet，and L.A.Crum，“Portable ultrasound device for battlefield  trauma，”Proc.IEEE Ultrason.Symp.，vol.2，pp.1663-1667，1998；U. Rosenschein，V.Furman，E.Kerner，I Fabian，J Bernheim，and Y.Eshel， “Ultrasound imaging-guided noninvasive ultrasound thrombolysis： preclinical results，”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(point of care)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。参见J.Hwang，J.Quistgaard，J.Souquet，and L. A.Crum，“Portable ultrasound device for battlefield trauma，”Proc.IEEE  Ultrason.Symp.，vol.2，pp.1663-1667，1998；U.Rosenschein，V. Furman，E.Kerner，I Fabian，J Bernheim，and Y.Eshel，“Ultrasound  imaging-guided noninvasive ultrasound thrombolysis：preclinical results，” 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P10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128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(array  element)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，“Digital beamforming in ultrasound，”IEEE Trans. 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.O’Donnell，W.E.Engeler，J.J.Bloomer，and J.T.Pedicone， “Method and apparatus for digital phase array imaging，”U.S.Patent No.4 983970，1991；A.Agarwal，F.K.Schneider，Y.M.Yoo，and Y.Kim， “Image quality evaluation with a new phase rotation beamformer，”IEEE  Trans.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.O’Donnell， W.E.Engeler，J.T.Pedicone，A.M.Itani，S.E.Noujaim，R.J. Dunki-Jacobs，W.M.Leue，C.L.Chalek，L.S.Smith，J.E.Piel，R.L. Harris，K.B.Welles，and W.L.Hinrichs，“Real-time phased array imaging  using digital beam forming and autonomous channel control，”Proc.IEEE  Ultrason.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，该方法能够减少A/D转 换器的数目。参见P.Pesque and J.Souquet，“Digital ultrasound：from  beamforming to PACS，”MedicaMundi，vol.43，issue 3，pp 7-10，1999。

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.Ranganathan and W.F.Walker，“Direct sampled  I/Q beamforming for compact and very low-cost ultrasound imaging，” IEEE Trans.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图像。 参见M.Fuller，K.Owen，T.Blalock，J.Hossack，W.Walker，“Real-time  imaging with the Sonic Window：A pocket-sized，C-scan，medical  ultrasound device，”Proc.IEEE Trans.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程。参见B.Hadimioglu， E.G.Rawson，R.Lujan，M.Lim，J.C.Zesch，B.T.Khuri-Yakub，and C.F. Quate，“High-efficiency Fresnel acoustic lenses，”in IEEE Ultrason.Symp.， pp.579-582，1993，S.C.Chan，M.Mina，S.Udpa，L.Udpa，and W.Lord， “Finite Element Analysis of Multilevel Acoustic Fresnel Lenses，”IEEE  Trans.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，并且当f#降低时，改进横向分辨率。参 见B.Richard，M.Fink，P.Alais，″New arrangements for Fresnel  focusing，″in Acoustical Imaging，vol.9，K.Wang，Ed.New York：Plenum  Press，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。

附图说明

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11A-F图示了以Field II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x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(4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128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f#＝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0.50 mm，并且轴向脉冲长度(axial pulse length)分别是0.51、0.60和0.58 mm。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Δt替换为由下式给出的 新的延迟Δt_F：

Δt_F＝Δt modT

其中，mod指示模运算(modulo operation)，并且T是基于中心频率 的超声波信号的周期。Δt_F是在已经从Δt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Δt_F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Δt可以被替换为范围从0°至360°的等同的相移 θ：

θ＝-ω*Δt

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(wrap around)， 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Hilbert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(270°)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2.5-7.5 MHz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128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(6∶1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°FIR滤波器(I) 和90°FIR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＝I/2+√3Q/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°FIR滤波器(I)和90°FIR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。 FIR滤波器I可以是图8A中的滤波器，并且FIR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＝-I/2+√3Q/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 nΔT延迟，其中，n是整数，并且ΔT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Field II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.Jensen  and J.B.Svendsen，“Calculation of pressure fields from arbitrarily shaped， apodized，and excited ultrasound transducers，”IEEE Trans.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(temporal sampling rate)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。

Field II模拟参数

 参数   值  中心频率   5MHz  采样频率   200MHz  方位角阵元节距(azimuthal element pitch)   0.3mm  仰角阵元高度(elevation element height)   5mm  声速   1540m/s  发送焦距   22mm

使用具有128个元件、300微米节距线性阵列的Ultrasonix Sonix  RP超声波系统(Ultrasonix Medical Corporation，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(The MathWorks， Inc.Natick，MA)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(Model 539，ATS Laboratories，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]。

$\mathrm{CNR}=\frac{S_t^{-}-S_b^{-}}{{\sigma }_b}$

其中，是来自目标的信号的平均值(dB)，是来自背景的信号的 平均值(dB)，并且σb是背景的标准偏差(dB)。

图11A-F图示了以Field II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。顶部行使用20％ 的信号带宽；中间行为50％；并且，底部行为80％。f#是2。根据这些 附图，发现横向主瓣被信号带宽影响最小。当信号带宽从20％向80％ 增大时，在使用菲涅耳波束形成的横向带宽和使用DAS的横向带宽之 间几乎不存在差别。例如，在50％信号带宽下，使用8相位菲涅耳和4 相位菲涅耳波束形成器的-6dB横向波束宽度是0.52mm和0.55mm， 它们与使用DAS的0.51mm的波束宽度相比较高大约2％和8％。然而， 随着信号带宽增大，发现在使用菲涅耳波束形成的横向波束宽度和使 用DAS的横向波束宽度之间的差别上的小增加。在较低的带宽，使用 菲涅耳波束形成的旁瓣电平与DAS可比较(图11A)。在50％和80％ 带宽，使用菲涅耳波束形成的峰值旁瓣电平比使用DAS波束形成高5.4 dB和7.2dB(图11B和图11C)。对于所有的带宽，与DAS聚焦相比 较，使用菲涅耳聚焦的峰值旁瓣更接近主瓣。

使用4相位菲涅耳波束形成，对于20％、35％、50％、65％和80％ 的信号带宽，轴向脉冲长度分别是0.86、0.65、0.59、0.56和0.55mm。 对于8相位菲涅耳波束形成方法，轴向脉冲长度分别是0.86、0.64、0.58、 0.55和0.54mm。虽然4相位和8相位波束形成具有彼此可比较的脉冲 长度，但是它们比使用DAS的脉冲长度高大约0.10至0.15mm。例如， 在50％信号带宽下，使用8相位和4相位菲涅耳波束形成器的-6dB轴 向脉冲长度是0.59mm和0.58mm，它们分别比使用DAS的0.45mm 的-6dB轴向波束宽度大大约31％和33％。随着信号带宽增大，与DAS 相比较，由菲涅耳波束形成产生的轴向脉冲长度上的差别增大。菲涅 耳波束形成也导致在更高的带宽下的更高的旁瓣电平。

图12A和图12B比较了带宽x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12A比较了对于横向带宽的影响；图12B 比较了对于轴向脉冲长度的影响。在20％、35％、50％、65％和80％处 采样信号带宽。f#是2。这些附图确认在菲涅耳波束形成的性能和信号 带宽之间的关系：增加信号带宽对于横向波束宽度几乎不具有影响， 并且同时降低轴向脉冲长度。可以通过随着信号带宽增大而违反窄带 假设来解释与DAS相比较的菲涅耳波束形成在性能上的这些趋势。

图13A-13F图示了与DAS相比较，f#对于4相位和8相位菲涅耳 波束形成的性能的影响。f#在顶部行中为1，在中间行为2并且在底部 行中为3。信号带宽是50％。当f#从1到3递增地增大时，-6dB横向 波束宽度对于4相位菲涅耳波束形成方法也从0.47mm向0.81mm递 增地增大，对于8相位菲涅耳波束形成方法从0.40mm向0.81mm递 增地增大，并且对于DAS波束形成从0.34mm向0.80mm递增地增大。 在f#＝1处，从菲涅耳波束形成看到-15dB的高旁瓣，它比对于DAS 波束形成的旁瓣高-11dB(图6a)。对于f#＝2，对于菲涅耳波束形成 的这些旁瓣幅度降低到-20dB(图6b)。在f#＝3处，用于菲涅耳和 DAS波束形成的旁瓣电平相当可比较，它们是大约-30dB。在使用菲 涅耳波束形成方法的轴向波束图上看到f#对于脉冲长度的相反影响： 增大f#导致更小的轴向脉冲长度(图6d-f)。仅对于菲涅耳波束形成 方法而非对于传统DAS波束形成可以看到对于轴向脉冲长度的这种影 响。随着f#增大，聚焦误差的量降低。因此，随着整数波长偏移的数 目减小，可以减小在菲涅耳波束形成中的卷褶相移的影响。事实上， 在f#＝3处，因为在外部和中央元件之间的路径长度差是大约一个波 长，所以除了菲涅耳波束形成器使用在接收信号上的相移，对于三种 波束形成方法的延迟分布可以相同。

图14A和14B图示了与DAS相比较，f#在4相位和8相位菲涅耳 波束形成方法中的影响。图14A图示了对于-6dB横向波束宽度的影响； 图14B图示了对于轴向脉冲长度的影响。信号带宽是50％。可以从这 些附图看出，随着f#接近3，它们接近由传统DAS波束形成器产生的 影响。

图15图示了使用三种不同的波束形成方法对浸入在脱气水中的 定制尼龙线目标的实验图像。信号带宽是50％。在具有40dB的动态 范围的实验图像中也可以看到在使用菲涅耳波束形成的模拟横向波束 图中看到的相对高的旁瓣电平。随着f#增大，在降低由在菲涅耳波束 形成中的高旁瓣电平引起的噪声的同时，-6dB横向线尺寸变大。在f# ＝3处，由三种不同方法的波束形成的线图像很类似。

图16A和图16B图示了对于DAS、8相位菲涅耳和4相位菲涅耳 波束形成器的波束形成算法根据f#的实验比较。图16A图示了对于横 向波束宽度的影响；图16B图示了对于轴向脉冲长度的影响。信号带 宽是50％。并且以40dB动态范围示出图像。它们示出了随着f#接近3， 横向和轴向脉冲长度趋近。这与在图15中所示的内容符合。这些趋势 也与在图14中所示的由模拟预测的趋势良好地一致。

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。带宽是50％，并且，在40dB动态范围 上示出所有图像。发送焦距总是被设置为22mm深度。

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。信 号带宽是50％。如图11中所示，在对比噪声比上，菲涅耳波束形成器 的性能在f#为2处最高。这可以通过在带宽和由菲涅耳波束形成器引 起的整数波长偏移之间的折衷来解释。增大f#在降低整数波长偏移的 同时增大横向波束宽度。使用在f#为2处的传统DAS、8相位菲涅耳 和4相位菲涅耳波束形成器对于3mm直径囊肿的CNR分别是4.66、 4.42和3.98。

现在已经讨论了用于低成本便携式超声波系统的菲涅耳波束形成 方法的概念和性能评估。所提出的系统的优点可以是：可以使用具有 单刀单掷开关网络的具有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128个阵元的阵列。该波束形成技术可以显著地降低系 统的复杂性、尺寸和成本。也可以考虑图像质量中的权衡。

模拟和实验结果示出菲涅耳波束形成图像质量特定条件下可以在 空间分辨率和对比噪声比上与DAS波束形成可比较，诸如当f#＝2和 50％信号带宽时。对于不同信号带宽，与DAS相比较，菲涅耳波束形 成可以提供足够的图像质量。对于宽范围的信号带宽，使用菲涅耳波 束形成的横向波束宽度仅比使用DAS的横向波束宽度大0.04mm，同 时使用菲涅耳波束形成的轴向脉冲长度比使用DAS的轴向脉冲长度大 大约0.10mm至0.15mm。结果也示出了f#对于菲涅耳波束形成的性 能具有显著的影响。使用菲涅耳波束形成的最佳CNR在f#＝2处出现， 在该处，使用8相位和4相位菲涅耳波束形成的CNR分别比使用DAS 的CNR低大约5.1％和14.6％。尽管4相位菲涅耳波束形成使用在8相 位菲涅耳波束形成的时延和相位移位的数目的一半，但是这两种方法 的性能可比较。对于较大的信号带宽和较小的f#，在菲涅耳系统中的 聚焦误差和窄带假设可以使得图像质量显著变差。

菲涅耳波束形成技术因为降低的信道计数而可以是低成本便携式 超声波系统的适当替代。这些便携式超声波对于诸如在急诊室或战场 上的、迅速就绪和便携性成为关键的特定应用可以是极其有益的。

已经讨论的部件、步骤、特征、目的、益处和优点仅是说明性的。 它们或与它们相关的讨论不意图以任何方式限制保护范围。也考虑多 种其他实施例。这些包括具有更少的、另外的和/或不同的部件、步骤、 特征、目的、益处和优点的实施例。这些也包括其中将部件和/或步骤 不同地布置和/或排序的实施例。

除非另外声明，包括在所属超声波系统权利要求中的在本说明书 中阐述的所有测量、值、等级、位置、幅度、尺寸和其他规格是近似 的，而不是精确的。它们意图具有与其相关的功能和在其所属的领域 中的惯例相一致的合理范围。

已经在本公开中引用的所有文章、专利、专利申请和其他公开由 此通过引用被在此并入。

短语“用于....的装置”当在权利要求中使用时意图并且应当被解 释为涵盖已经描述的对应的结构和材料及其等同物。类似地，短语“用 于...的步骤”当在权利要求中使用时意图并且应当被解释为涵盖已经 描述的对应的行为和其等同物。在权利要求中不存在这些短语意味着 权利要求不意图并且不应当被解释为限于任何对应的结构、材料或行 为或限于其等同物。

不论是否在权利要求中叙述，已经描述或图示的任何内容都不意 图或应当被解释为使得任何部件、步骤、特征、目的、益处、优点或 等同物贡献于公众。

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