超声探头内的模拟连续波多普勒超声信号生成以及相关联的系统、设备和方法与流程

1.本公开总体涉及超声成像，例如连续波(cw)多普勒成像。具体而言，模拟cw多普勒信号是利用超声换能器探头内的同相和正交(i/q)混合器生成的。


背景技术：

2.超声成像系统通常用于医学成像。超声成像系统通常包括换能器探头以及主处理系统。换能器探头可以包括超声换能器元件阵列。超声换能器元件发送声波穿过患者身体，并且在声波被患者身体内的组织和/或器官反射回来时生成信号。在传统的超声应用中，回波信号的定时和/或强度可以对应于患者的组织、器官或其他特征的大小、形状和质量，并且描绘测量的组织、器官或其他特征的图像可以显示给超声系统的用户。一些超声应用另外采用连续波(cw)多普勒成像方法来测量患者体内的速度，例如流体(例如，血流)的速度。对应于每个超声换能器元件的模拟超声回波信号可以通过线缆从换能器探头传递到主处理系统。对于cw多普勒应用，处理系统可以显示患者体内的速度的图形表示。
3.为了将模拟超声回波信号从探头发送到主处理系统，连接线缆可以包括许多导体，并且在一些情况下，对于每个接收超声换能器元件可能需要一个导体或一组导体，使得线缆非常粗、笨拙、复杂且笨重。由于线缆内的许多导体，线缆的成本也可能是超声成像系统中的最昂贵部件。线缆还可能具有高故障率。
4.克服将模拟超声信号从探头发送到处理系统的限制的一种方法是在换能器探头中包括低功率模数转换器(adc)，执行全部或部分波束成形和/或多路复用，并且然后经由减少数量的导体发送数字信号。该方法可以显著降低连接超声成像探头和主处理系统的线缆的成本、直径和整体可操作性。然而，由于cw多普勒超声信号的高动态范围，在一些实施例中，该方法可能不适合于具有cw多普勒路径的超声系统。特别地，用于将模拟信号转换为数字信号的低功率adc可能不具有足够的动态范围来转换与cw多普勒成像相关联的模拟信号并维持高信号质量。


技术实现要素：

5.本公开的实施例是用于连续波(cw)多普勒超声成像的系统、设备和方法。超声系统可以包括主机、探头以及主机与探头之间的连接线缆。超声成像探头包括超声换能器阵列，超声换能器阵列朝向解剖结构发射超声波并接收从解剖结构反射的波。所接收的超声波可以用于患者解剖结构内的速度的cw多普勒成像。这种速度的示例是例如在心脏的腔室之间(例如，在心房和心室之间)的血流速度。对于cw多普勒成像，一些超声成像系统可以经由单独的导体将模拟信号从每个换能器元件发送到主机，需要具有许多导体的连接线缆。然而，本公开的实施例在探头处执行一些处理步骤。例如，模拟信号可以经由探头内的同相和正交(i/q)混合器来求和和混合。在一些实施例中，cw多普勒信号也可以在i/q混合之前或之后在探头内被部分地或完全地波束成形和/或以其他方式组合。混合的cw多普勒信号
可以经由连接线缆发送到主机。因为信号在探头处被求和和混合，所以连接线缆中的导体的数量可以显著减少。反过来，线缆的成本也可以显著降低。线缆也可以变得不太笨重。在减少连接线缆中的必要导体的数量的同时，本发明可以另外保持发送到处理系统的cw多普勒信号的模拟性质。
6.本发明的实施例可以另外包括主机系统内的处理部件。主机系统可以接收数字b模式超声信号并利用各种处理部件或电路生成患者解剖结构的图像。主机系统可以接收模拟cw信号并执行进一步的处理以生成解剖结构内的速度(例如，血流)的图形表示。
7.在示例性方面中，提供了一种与超声系统通信的超声探头。所述超声探头包括：换能器阵列，其被配置为生成模拟超声信号；模拟同相/正交(i/q)混合器，其被设置在所述超声探头的壳体内并且与所述换能器阵列通信，其中，所述模拟i/q混合器被配置为基于所述模拟超声信号来生成模拟连续波(cw)多普勒信号；以及线缆，其被耦合到所述壳体，其中，所述线缆被配置为将所述模拟cw多普勒信号从所述超声探头发送到所述超声系统。
8.在一些方面中，所述超声探头还包括模数转换器(adc)，所述模数转换器(adc)被设置在所述壳体内并且与所述换能器阵列通信，其中，所述adc被配置为将所述模拟超声信号转换为数字超声信号，并且其中，所述线缆被配置为将所述数字超声信号发送到所述超声系统。在一些方面中，所述超声探头还包括与所述adc通信的数字波束形成器或多路复用器中的至少一个。在一些方面中，所述线缆包括第一多个导体，所述第一多个导体被配置为发送所述数字超声信号。在一些方面中，所述线缆包括第二多个导体，所述第二多个导体被配置为发送所述模拟cw多普勒信号。在一些方面中，所述模拟cw多普勒信号包括i信号和q信号，并且所述第二多个导体包括：第一导体，其被配置为发送所述i信号；以及第二导体，其被配置为发送所述q信号。在一些方面中，所述超声探头还包括多个模拟i/q混合器，所述多个模拟i/q混合器被设置在所述壳体内，其中所述多个模拟i/q混合器分别对应于所述换能器阵列的多个接收元件。在一些方面中，所述第一导体和所述第二导体并联地电耦合到所述多个模拟i/q混合器。在一些方面中，对所述多个模拟i/q混合器的相应输出进行求和，使得所述第一导体和所述第二导体发送模拟i/q混合器的求和输出。在一些方面中，所述超声探头还包括正交时钟发生器，所述正交时钟发生器被设置在所述壳体内并且与所述模拟i/q混合器通信。在一些方面中，所述超声探头还包括所述线缆包括多个导体，所述多个导体被配置为将电力、时钟和控制信号从所述超声系统发送到所述正交时钟发生器。在一些方面中，所述超声探头还包括模拟波束形成器，所述模拟波束形成器被设置在所述壳体内并且与所述换能器阵列通信。
9.在示例性方面中，提供了一种装置。所述装置包括超声探头和超声系统，其中，所述超声系统与所述超声探头间隔开，使得所述线缆在所述超声探头与所述超声系统之间延伸。
10.在一些方面中，所述超声系统包括处理器电路，所述处理器电路被配置为：基于所述模拟cw多普勒信号生成血流速度分布的图形表示；以及将所述图形表示输出到与所述处理器电路通信的显示器。在一些方面中，所述超声探头被配置为将所述模拟超声信号转换为数字超声信号，所述线缆被配置为将所述数字超声信号从所述超声探头发送到所述超声系统，并且所述处理器电路被配置为：基于所述数字超声信号来生成心脏的超声图像；并且将所述超声图像输出到所述显示器。
11.在示例性方面中，提供了一种方法。所述方法包括：利用超声探头的换能器阵列生成模拟超声信号；利用被设置在所述超声探头的壳体内的模拟同相/正交(i/q)混合器基于所述模拟超声信号生成模拟cw多普勒信号；通过耦合到所述壳体的线缆将所述模拟cw多普勒信号从所述超声探头发送到与所述超声探头间隔开的超声系统；利用所述超声系统的处理器电路基于所述模拟cw多普勒信号来生成血流速度的图形表示；并且将所述图形表示输出到与所述处理器电路通信的显示器。
12.根据以下详细描述，本公开的额外方面、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
13.将参考附图描述本公开的图示性实施例，其中：
14.图1是根据本公开的方面的超声成像系统的示意图。
15.图2是根据本公开的方面的处理器电路的示意图。
16.图3是图示根据本公开的方面的超声成像探头的示例电路的示意图。
17.图4是图示根据本公开的方面的超声成像主机系统的示例电路的示意图。
18.图5a是图示根据本公开的方面的示例超声换能器阵列的示意图。
19.图5b是图示根据本公开的方面的示例超声换能器阵列的示意图。
20.图6是根据本公开的方面的超声成像方法的流程图。
具体实施方式
21.为了促进对于本公开的原理的理解，现在将参考附图所示的实施例进行说明，并且将使用特定语言来描述这些实施例。然而将明白的是，并非意在限制本公开的范围。对于所描述的装置、系统和方法作出的任何改变和进一步的修改以及本公开的原理的任何其它应用被充分设想到并被包括在本公开内，正如本公开所属领域技术人员通常会想到的那样。特别地，完全设想到关于一个实施例描述的特征、部件和/或步骤可以与关于本公开的其他实施例描述的特征、部件和/或步骤组合。然而，为简洁起见，将不单独地描述这些组合的许多重复。
22.图1是根据本公开的方面的超声成像系统100的示意图。系统100可以用于扫描患者身体的区域、面积或体积。在一些情况下，系统100可以被称为装置。系统100包括通过通信接口或链路150与主机130通信的超声成像探头110。在高水平下，探头110朝向解剖对象105(例如，患者的身体)发射超声波并接收从对象105反射的超声回波。探头110通过链路150将表示所接收的回波的电信号发送到主机130以便进行处理和图像显示。探头110可以是用于在定位在患者身体内部或外部时对患者的各种身体部位进行成像的任何合适的形式。例如，探头110可以是手持式超声扫描器或基于贴片的超声设备的形式。在一些实施例中，探头110可以是体内探头，诸如导管、经食道超声心动图(tee)探头和/或任何其他合适的腔内探头。探头110可以包括换能器阵列112、各种电路114和通信接口122。
23.换能器阵列112朝向对象105发射超声信号，并接收从对象105反射回到换能器阵列112的回波信号。换能器阵列112可以包括以一维(1d)阵列、1.x维阵列或二维(2d)阵列布置的声学元件。声学元件可以被称为换能器元件。每个换能器元件可以朝向对象105发射超声波，并且可以在超声波从对象105反射回来时接收回波。例如，换能器阵列112可以包括产
生m个模拟超声回波信号160的m个换能器元件。在一些实施例中，m可以是约2、16、64、128、192、1000、5000、9000、和/或更大和更小的其他合适值。
24.位于探头110内的电路114可以是任何合适类型中的任一种，并且可以服务于若干功能。例如，电路114可以包括电阻器、电容器、晶体管、电感器、继电器、时钟、定时器或可以集成在集成电路中的任何其他合适的电气部件。另外，电路114可以被配置为支持发送到换能器阵列112和/或探头110或从换能器阵列112和/或探头110发送的模拟信号和/或数字信号。在一些实施例中，电路114可以包括模拟前端(afe)、模数转换器(adc)、多路复用器(mux)和编码器、以及其他部件。电路114可以包括硬件部件、软件部件和/或硬件和软件部件的组合。
25.通信接口122经由l个信号线耦合到电路114。在一些实施例中，电路114可以将所需线的数量从m个信号线减少到l个信号线。这可以通过使用任何合适部件的任何合适方法来实现。例如，可以使用mux、波束形成器或其他部件来将所需的信号线m从换能器阵列112减少到l个信号线166。在图1的实施例中，l小于m。通信接口122可以被配置为经由通信链路150将l个信号166发送到主机130。通信链路150可以包括用于将数字信号168传送到主机130的l个数据通道，如本文中更详细地描述。通信接口122可以包括硬件部件、软件部件、或硬件部件和软件部件的组合，其被配置为生成承载来自l个信号166的信息的信号168以供在通信链路150上发送。信号168可以是数字信号、模拟信号或数字信号和模拟信号的组合。
26.主机130可以是任何合适的计算和显示设备，例如工作站、个人计算机(pc)、膝上型计算机、平板计算机、移动电话或患者监测器。主机130可以称为超声系统或超声主机系统。在一些实施例中，主机130可以被定位于可移动推车上。在主机130处，通信接口140可以从通信链路150接收数字和/或模拟信号168。通信接口140可以包括硬件部件、软件部件或硬件部件和软件部件的组合。通信接口可以基本上类似于探头110中的通信接口122。
27.位于主机130内的电路134可以是任何合适类型中的任一种，并且可以服务于任何合适的功能。例如，电路134可以包括电阻器、电容器、晶体管、电感器、继电器、时钟、定时器、处理部件、存储器部件或可以集成在集成电路中的任何其他合适的电气部件。另外，电路134可以被配置为支持发送到探头110或从探头110发送的模拟信号和/或数字信号。电路134可以被配置为处理从探头110接收的信号168。例如，电路134可以将从探头110接收的l个信号线扩展到对应于换能器阵列112内的特定换能器元件或换能器元件组/贴片的原始m个信号线。电路134可以另外包括中央处理单元(cpu)、数字信号处理器(dsp)、图形处理单元(gpu)、专用系综电路(asic)、控制器、现场可编程门阵列(fpga)、另一硬件设备、固件设备或其任何组合。电路134也可以被实施为计算设备的组合，例如，dsp和微处理器的组合、gpu和微处理器、多个微处理器、一个或多个微处理器内核结合dsp、或任何其他这样的配置。电路134可以被配置为生成用于显示给用户的图像信号174和/或执行用于各种诊断模态或超声类型(b模式、cw多普勒等)的图像处理和图像分析。例如，电路134可以被配置为处理所接收的数字超声信号并生成患者解剖结构(例如心脏)的超声图像，并且将超声图像输出到显示器132。电路114可以包括硬件部件、软件部件和/或硬件和软件部件的组合。
28.显示单元132被耦合到电路134。显示单元132可以包括监测器、触摸屏或任何合适的显示器。显示单元132被配置为显示由电路134处理的图像和/或诊断结果。主机130还可以包括键盘、鼠标、触摸屏或被配置为接收用于控制系统100的用户输入的任何合适的用户
输入部件。
29.虽然在将数字超声回波信号从探头110发送到主机130以供显示的背景下描述了图1，但主机130可以生成用于发送到探头110的信号。例如，功率信号、用于控制探头110(例如，激励换能器阵列112处的换能器元件以发射能量)的信号可以由主机130通过通信链路150发送到探头110。
30.图2是根据本公开的方面的处理器电路210的示意图。处理器电路210可以在探头110、图1的主机系统130或任何其他合适的位置中实施。一个或多个处理器电路210可以被配置为执行本文描述的操作。处理器电路210可以包括附加电路或电子部件，诸如本文描述的那些。在示例中，处理器电路210可以与换能器阵列112、电路114、通信接口122、通信接口140、电路134和/或显示器132以及超声系统100内的任何其他合适的部件或电路通信。在一些实施例中，处理器电路210的一个或多个部件形成电路114或电路134的至少一部分。在一些实施例中，电路114或电路134的一个或多个部件形成处理器电路210的至少一部分。在一些情况下，在探头110中实施不同的处理器电路210，并且在主机130中实施不同的处理器电路210。如图所示，处理器电路210可以包括处理器260、存储器264和通信模块268。这些元件可以例如经由一个或多个总线彼此直接或间接通信。
31.处理器260可以包括被配置为执行本文描述的操作的cpu、gpu、dsp、专用集成电路(asic)、控制器、fpga、另一硬件设备、固件设备或其任何组合。处理器260也可以被实施为计算设备的组合，例如，dsp和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器内核结合dsp、或任何其他这样的配置。
32.存储器264可以包括高速缓冲存储器(例如，处理器260的高速缓冲存储器)、随机存取存储器(ram)、磁阻式ram(mram)、只读存储器(rom)、可编程只读存储器(prom)、可擦除可编程只读存储器(eprom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、闪存存储器、固态存储器设备、硬盘驱动器、固态驱动器、其他形式的易失性和非易失性存储器、或不同类型的存储器的组合。在一实施例中，存储器264包括非瞬态计算机可读介质。存储器264可以存储指令266。指令266可以包括当被处理器260执行时引起处理器260执行本文中参考探头110及/或主机130(图1)描述的操作的指令。指令266也可以代码。术语“指令”和“代码”应当被宽泛地解读为包括任何类型的(一个或多个)计算机可读语句。例如，术语“指令”和“代码”可以指的是一个或多个程序、例程、子例程、功能、过程等。术语“指令”和“代码”可以包括单个计算机可读语句或许多计算机可读语句。
33.通信模块268可以包括任何电子电路和/或逻辑电路，以促进处理器电路210、探头110和/或显示器132和/或显示器266之间的直接或间接数据通信。在这方面，通信模块268可以是输入/输出(i/o)设备。在一些情况下，通信模块268促进处理器电路210和/或探头110(图1)和/或主机130(图1)的各种元件之间的直接或间接通信。
34.图3是图示根据本公开的方面的超声成像探头的示例电路的示意图。图3提供了系统100的探头110的更详细的视图，包括从探头110到主机130和从主机130到探头110的发送路径。
35.如图3所示，探头110还包括壳体305、可选的模拟波束形成器314、l个电路块310(包括例如l个发射/接收切换器(t/r切换器)316、发射脉冲器318、前置放大器319、模数转换器320、正交时钟发生器380、同相/正交混合器382、384)、组合器322和/或串行器和高速
电流型逻辑(cml)324。探头110包括多个电路块310，每个电路块310对应于与换能器阵列112的换能器元件的组或子阵列相关联的不同信号通道。连接线缆390定位在探头110与主机130之间以建立信号通信。在这方面，探头110和主机130可以彼此间隔开。连接线缆390在探头110与主机130之间延伸。主机130内的电路可以经由线缆390将信号发送到探头110内的电路。探头110内的电路可以经由线缆390将信号发送到主机130内的电路。线缆390可以包括多个包括导体的信号线、双绞线、同轴线缆、双轴线缆和/或用于发送数据的任何其他合适的通信路径。线缆390可以包括用于将电力从主机130发送到探头110的电力导体394。线缆390还包括分别用于将控制信号和时钟信号从主机130发送到探头110的控制信号线392和时钟线391。线缆390还可以包括用于将数字超声信号从探头110发送到主机130的一个或多个数字信号线396、以及用于将模拟cw多普勒信号从探头110发送到主机130的i/q信号线398、399。壳体305可以是任何合适材料的任何合适壳体，并且可以容纳本文描述的任何或所有部件。线缆390可以被耦合到壳体305。
36.从探头110到主机130的发送路径可以在图3所示的换能器阵列112处开始。换能器阵列112可以耦合到壳体305。换能器阵列112可以包括m个换能器元件。如前所述，在一些实施例中，m可以是任何合适的数量，并且换能器元件可以是任何合适的类型并且以任何合适的布置。换能器阵列112生成模拟超声信号或表示在一个或多个换能器元件处接收的超声回波的模拟电信号，以用于任何合适的成像类型(例如，b模式成像、cw多普勒成像等)。对于cw多普勒成像，换能器阵列112的一个或多个元件连续地发射超声能量，同时换能器阵列112的一个或多个其他元件连续地接收超声回波(基于发射的超声能量)。例如，换能器阵列112中的声学元件的一半可以发射，而换能器阵列112中的声学元件的一半可以接收。
37.换能器阵列112可以经由m个信号线与模拟波束形成器314通信。模拟波束形成器314可以用于减少从换能器阵列112到探头110内的电路114(图1)的其余部分的信号线。例如，在一些实施例中，模拟波束形成器314可以对从换能器阵列112接收的信号进行延迟和求和，以产生更小的子集。模拟波束形成器314可以是接收波束形成器和/或发送波束形成器。在模拟波束形成器是发射波束形成器的实施例中，模拟波束形成器314可以包括高压脉冲生成电路或者与高压脉冲生成电路通信。在其他实施例中，例如，在换能器阵列112是换能器的一维阵列或换能器元件的数量以其他方式减少的实施例中，在探头110内可以不需要模拟波束形成器314或不包括模拟波束形成器314。在换能器阵列112是一维阵列或换能器元件的数量以其他方式减少的一些实施例中，模拟波束形成器314仍然可以被包括在探头110内。
38.模拟波束形成器314可以经由减少数量的信号线(例如，l个信号线)与多个t/r切换器316通信。探头110可以包括用于阵列112的每个换能器元件或用于换能器元件的每个组/贴片的一个t/r切换器216。t/r切换器316可以被配置为在不同的发送和接收信号路径之间切换位置。例如，在用于发射路径的位置中，t/r切换器316可以将高压激活信号从脉冲器318发射到换能器阵列112的一个或更多个元件，以激活换能器阵列112的一个或更多个元件来发射超声能量。在接收模式中，t/r切换器316可以将与由换能器阵列112的一个或多个换能器元件接收的反射波相对应的接收信号发送到前置放大器319。t/r切换器316可以经由控制线392与主机130通信，并且可以通过控制线392接收关于在各种信号路径之间切换的指令。t/r切换器316还可以通过任何其他合适的导体或方法与主机130通信。
39.探头110还可以包括发射脉冲器318。发射脉冲器318可以接收由主机130生成的命令信号。响应于命令信号，发射脉冲器318生成电激励脉冲，该电激励脉冲被定时为引起换能器阵列112产生具有任何期望的或指定的聚焦特性的声学发射波前。
40.探头110可以包括l个前置放大器319。前置放大器319可以放大从t/r切换器316接收的信号，以通过例如降低本底噪声来改善接收信号的质量。在一些实施例中，发射脉冲器318的数量可以等于发射脉冲器318的数量和t/r切换器316的数量。例如，每个t/r切换器316可以被配置为从一个脉冲器318接收数据并且将数据从换能器阵列112发送到一个前置放大器319。
41.对于从换能器阵列到前置放大器319的cw多普勒成像数据和其他成像数据(例如，b模式成像数据)，接收信号路径可以是相同的。在前置放大器319处，接收信号路径在探头110内发散以包括用于cw多普勒成像数据和其他成像数据的不同的并联路径。在用于其他成像数据(诸如b模式成像数据)的信号路径中，每个前置放大器319可以与adc 320通信。adc 320可以被配置为将模拟超声回波信号转换成数字超声回波信号。在这方面，超声探头110可以从模拟超声信号生成数字超声信号，并将数字超声信号发送到主机130。例如，adc 320可以经由t/r切换器316和前置放大器319从换能器阵列112接收模拟超声回波信号，并将它们转换成数字超声回波信号。数字超声回波信号可以包括表示对应的模拟超声回波信号的波形的数字样本。adc 320可以采用逐次逼近adc架构来提供高性能和更低功耗，并且因此可以将探头110的总功耗保持在探头110的热预算内。然而，任何合适的adc架构可以用于adc 320。
42.每个adc 320可以与组合器322通信。组合器322表示可以减少从adc 320接收的总信号线并且减少用于将数据发送到主机130的所需信号线的数量的电路。组合器322可以通过任何合适的方法减少信号线的数量。
43.在一些实施例中，组合器322可以包括求和节点。组合器322以及系统100内的任何其他合适的部件或电路可以包括与标题为“ultrasound probe with multiline digital microbeamformer”并且于2019年2月28日提交的美国申请号16/329433和/或标题为“digital ultrasound cable and associated devices,systems,and methods”并且于2018年2月16日提交的美国临时申请号62/631549中描述的特征类似的特征，这两个申请通过引用整体并入本文。组合器322可以是多路复用器和/或数字波束形成器。在一些实施例中，组合器322可以是多路复用器，或可以将从adc 320接收的数据多路复用到高速串行链路中并且然后将数据发送到主机130以进行处理。在一些实施例中，组合器322可以是数字波束形成器，该数字波束形成器在模拟波束形成器214完成波束形成的第一阶段之后执行波束形成的第二阶段(信号的延迟和求和)。组合器322可以与串行器和高速电流型逻辑(cml)324通信。串行器/cml 324可以将从组合器322和/或adc 320接收的线重新布置成高速串行数据流。在一些实施例中，串行器/cml324可以以比探头110内的其他电路更高的数据速率运行。例如，串行数据流可以以160mhz运行，而超声信号路径内的其他电路可以以20mhz运行。串行器/cml 324可以以与标题为“digital ultrasound cable and associated devices,systems,and methods”并且于2018年2月16日提交的美国临时申请号62/631549中公开的串行器类似的方式操作，该申请通过引用整体并入本文。因此，在探头110的信号路径中的一个中，数字超声数据(例如，b模式数据)可以经由导体396从探头
110发送到主机130。导体396可以是双绞线导体、同轴线缆、双轴线缆和/或任何其他合适的信号路径。一般来说，一个或多个导体可以将数字超声信号从探头110发送到主机130。
44.在并联cw多普勒成像路径中，超声探头110可以从模拟超声信号生成模拟cw多普勒信号，并将模拟cw多普勒信号发送到主机130。超声探头110的电路块310包括正交时钟发生器380。每个正交时钟发生器380可以与模拟i/q混合器382、384通信。模拟i/q混合器382、384可以设置在壳体305内并且与换能器阵列112通信。i/q混合器382、384在探头110内生成模拟cw多普勒信号，该cw多普勒信号然后被发送到主机130。特别地，i/q混合器382、384生成模拟基带正交输出。图3描绘了位于探头110内的i混合器382、q混合器384和正交时钟发生器380。对于每个电路块310或超声信道，相应的i/q混合器生成与声学元件的相关联的组或子阵列相对应的超声数据的cw多普勒信号。来自每个电路块310的cw多普勒信号可以在发送到主机130之前转换成基带并求和。与在每个超声通道或电路块310需要不同的导体的情况下相比，这减少了发送cw多普勒信号数据所需的导体的数量。在一些实施例中，模拟cw多普勒信号经由2个信号线从探头110发送到主机130：对应于求和i混合器382的输出的i信号线398和对应于求和q混合器384的输出的q信号线399。换句话说，i混合器382和q混合器384的输出分别并联地电连接，以便形成两个信号线：i信号线398和q信号线399。以这种方式，i信号线398承载壳体305内的i混合器382的求和输出，并且q信号线399承载壳体305内的q混合器384的求和输出。
45.正交时钟发生器380可以包括两个输出，两个输出中的一个与i混合器382通信，并且另一个与q混合器384通信。正交时钟发生器380可以产生i混合器382的输出与q混合器384的输出之间的延迟差。q混合器384的延迟差可以等于来自i混合器382的时钟信号的时钟相位的四分之一，使得i混合器382产生同相信号，并且q混合器384产生正交信号。在一些实施例中，正交时钟发生器380可以生成基本上类似于方波的信号。正交时钟发生器380可以包括生成i混合器382和q混合器384之间的相位差的任何适当的电气部件。例如，正交时钟发生器380可以包括一个或多个边沿触发的d触发器或任何其他合适的触发器、反相器(诸如三态反相器)、或任何其他合适的电气部件。正交时钟发生器380分别通过连接394、391和392从主机130接收电力、时钟和控制信号。
46.i混合器382可以被定位于探头110内，每个电路块310具有一个i混合器382。在一些实施例中，i混合器382可以是乘法混合器。在其他实施例中，i混合器382可以是任何特定类型的任何合适的混合器。i混合器382可以包括两个输入。一个输入可以与电路块310内的前置放大器319的输出通信，并且可以接收超声信号。另一个输入可以与正交时钟发生器380的输出通信。i混合器382可以将由换能器阵列112接收的信号与从正交时钟发生器380接收的信号相乘并输出结果。因此，来自i混合器382的输出信号可以对应于两个输入信号的和与差。
47.类似于i混合器382，q混合器384也可以位于探头110内，每个电路块310具有一个q混合器384。q混合器384也可以是乘法混合器或任何其他合适类型的混合器。q混合器384可以基本上类似于i混合器382。然而，q混合器384可以与i混合器382不同，因为它从正交时钟发生器380接收相移信号。然而，如同i混合器382，q混合器384也可以将两个输入相乘，一个对应于前置放大器319的输出(由换能器阵列112响应于所接收的回波而生成的电信号)，并且另一个与正交时钟发生器380的输出通信。如同i混合器382，q混合器384也可以在发送到
主机130之前将从换能器阵列112接收的cw多普勒信号内容减少到基带。
48.如前所述，多个i混合器382和q混合器384可以被定位于探头110内。在一些实施例中，i混合器382可以存在于每个电路块310上，并且q混合器384可以存在于每个电路块310上。在一些实施例中，来自每个i混合器382和每个q混合器384的输出可以经由双绞线、同轴线缆、双轴线缆和/或其他合适的导体从探头110发送到主机130。在其他实施例中，并且如图3所示，探头110内的所有i混合器382的输出可以在发送到主机130之前被求和到单个双绞线398、同轴线缆、双轴线缆或其他导线类型中，对应于i混合器输出信号。一般来说，导体中的一个或多个可以将i信号从探头110发送到主机130。类似地，探头110内的所有q混合器384的输出可以在发送到主机130之前被求和到单个双绞线399、同轴线缆、双轴线缆或其他导线类型中，对应于q混合器输出信号。一般来说，一个或多个导体可以将q信号从探头110发送到主机130。i信号线398可以是双绞线或任何其他合适的导体，诸如同轴线缆或双轴线缆。q信号线399可以基本上类似于i信号线398。因为i/q输出分别并联地连接，所以仅需要一个信号路径(例如，双绞线、同轴线缆、双轴线缆和/或任何合适的导体)来承载i信号线398上的求和的i信号，并且仅需要一个信号路径(例如，双绞线、同轴线缆、双轴线缆和/或任何合适的导体)来承载q信号线399上的求和的q信号。有利地，这减少了线缆390中的模拟cw多普勒信号承载线的数量。例如，有利地避免了用于每个超声通道(每个电路块310)的cw多普勒信号线，因为这将增加线缆390的不期望的体积和费用。
49.探头110经由导体396发送数字超声数据，并经由导体398和399发送模拟cw多普勒信号。本公开的优点包括维持从探头110发送到主机130的cw多普勒信号的模拟性质。将模拟cw多普勒信号发送到主机130可以防止在一些数字转换过程中固有的数据中的伪影。因此，模拟cw多普勒信号可以保持原始信号质量并且导致更好质量的图像和/或流体速度测量。此外，模拟cw多普勒信号可以在主机内使用与现有系统类似的部件或技术来处理，这导致实施成本降低。
50.图4是图示根据本公开的方面的超声成像主机系统130的示例电路的示意图。图4提供系统100的主机130的更详细视图，包括从探头110到主机130和从主机130到探头110的发送路径。如图4所示，主机130可以包括控制器452、电源454、b模式处理电路块410、cw多普勒处理电路块420、快速傅里叶变换(fft)处理块462、调节块464和显示器466。
51.主机130内的控制器452可以控制探头110和/或主机130内的任何数量的部件的操作。例如，控制器452可以控制组合器322和/或串行器/cml 324(图3)。控制器452可以生成用于操作换能器阵列112处的换能器元件的控制数据，例如，用于超声波发射。控制器452还可以控制模拟波束形成器314、t/r切换器316、脉冲器318、前置放大器319和正交时钟发生器380(图3)。控制器还可以与b模式处理电路块410和/或cw多普勒处理电路块420内的部件通信，包括编码器、串行化和/或解串行化部件、发射器或主机130内的任何其他合适的部件。在一些实施例中，控制器452可以是处理器电路或可以是处理器电路的一部分。控制器452可以是图2所示的处理器电路210的一部分。控制线392可与主机130内的控制器452通信，并且可以提供用于控制探头110内的部件的信号。在一些实施例中，控制线392和/或时钟线391可以是双绞线。在其他实施例中，控制线392和/或时钟线391可以是导体、同轴线缆、双轴线缆和/或用于发送数据信号的任何其他合适的信号通信路径。在一些实施例中，经由控制线392发送的数据可以是800mbs数据、或任何合适频率或类型的数据。经由控制线
392和/或时钟线391从主机130发送到探头110的信号可以是模拟或数字信号。当发送数字命令信号时，可以经由数据线292以任何合适的比特率发送数据，诸如在400mbit/s与8gbit/s之间，包括诸如2.4gbit/s的值和/或更大和更小的其他合适值。
52.电源454可以向主机130和探头110(例如，探头110或主机130内的任何合适的部件)提供电力。电力线394可以与主机130内或在相对于其他部件的任何合适位置处的电源454通信。电力线394可以向探头110内的各种部件提供电力。
53.处理电路块410可以经由信号线396接收数字超声信号。处理电路块410可以包括用于处理数字超声数据、生成超声图像和输出显示数据以在显示器466上显示给超声系统100的用户的任何合适的部件。在这方面，处理电路块410可以被实施为硬件部件、软件部件、和/或硬件和软件部件的组合。例如，电路块410可以包括编码器、串行化部件、解串行化部件、发送器、解码器、多路复用器、解多路复用器、波束形成器或任何其他合适的部件。电路块410还可以包括信号处理部件、扫描转换器部件、控制器或其他部件。电路块410可以被配置为向用户显示患者解剖结构内的组织、器官或其他结构的描绘。处理电路块410可以用于处理数字b模式超声成像信号。在其他实施例中，处理电路块410表示用于任何合适的超声成像类型(例如，b模式成像、3d/4d成像、m模式成像、彩色流动多普勒成像、或任何其他合适形式或类型的超声成像)的处理电路。
54.cw多普勒处理电路块420经由信号线398、399接收模拟cw多普勒信号。cw多普勒处理电路块420可以包括多个高通滤波器432、抗混叠低通滤波器430和模数转换器426。在这方面，cw多普勒处理电路块420可以包括用于i信号路径和q信号路径中的每一个的hpf 432、lpf 430和adc 426。hpf 432可以被称为壁式滤波器。hpf 432和lpf 430可以是模拟部件。
55.在所图示的实施例中，hpf或壁滤波器432对模拟cw多普勒信号进行操作。hpf 432可以位于探头110或主机130内，如图4所示。一个hpf 432可以经由i信号线398与i混合器382的求和输出通信，并且另外的hpf 432可以经由q信号线399与q混合器384的求和输出通信。壁式滤波器432可以包括主机130内的附加电路。壁式滤波器432还可以包括运算放大器。hpf 432可以滤除对应于患者体内的动脉壁或任何其他静态组织的低多普勒信号。hpf 432可以另外从患者体内的移动(例如心跳、一般患者或探头移动或其他移动)滤波高振幅低频内容。在一些实施例中，hpf432可以是积极滤波器。
56.在通过hpf 432处理信号之后，lpf 430可以用于去除要不然将被模数转换器426的采样功能混叠到通带中的高频能量。在这方面，当高频超声能量由换能器阵列112发射并传播到患者的解剖结构中时，获得cw多普勒超声信号。基于发射的超声能量的在换能器阵列112处接收的超声回波可以具有与发射的超声能量相比略高或略低的频率，并且对应于移动的液体，诸如血流。然后，要从超声信号提取的用于cw多普勒成像的相关信息是发射的超声能量与接收的超声能量之间的差。然后，可以由lpf 430对与i混合器382的输入之间的和与差相对应的i混合器382的输出进行滤波，以去除与和相对应的高频内容，仅留下更低的音频水平频率或基带频率用于附加处理。该滤波可以在信号已经发送到主机130之后在探头110内、在电路块310内或在主机130内执行。q混合器384的输出也可以像i混合器382一样由lpf 430滤波。该滤波可以在信号已经发送到主机130之后在探头110内、在电路块310内或在主机130内执行。
57.在lpf 430之后，可以利用一个或多个模数转换器426将模拟cw多普勒信号转换为数字cw多普勒信号。在一些实施例中，adc 426可以被定位在lpf 430之后且在fft 462之前。然而，在其他实施例中，adc 426可以沿着信号链被定位在主机130内的任何其他位置处。例如，adc 426可以定位在hpf 432之前、在hpf 432和lpf 430之间、或在任何其他合适的位置处。因此，在adc426的位置之后的所有电路可以是数字实施的，或可以经由软件和/或硬件电路来实施，而在信号链中的adc 426的位置之前的处理电路可以是模拟实施的。因此，在图4的所示实施例中，hpf 432和lpf 430可以是模拟部件。在其他实施例中，hpf 432和lpf 430可以是数字部件。
58.快速傅里叶变换(fft)462可以应用于从cw多普勒处理电路块420输出的信号数据，以产生与患者体内的运动速度相关联的多普勒频谱。在fft 462之后，信号数据可以在调节464处被进一步处理，并且然后被输出以便经由显示器466显示给用户。在这方面，对于cw多普勒成像，经由显示器466输出血流速度的分布的图形表示。完全可以设想，在本发明的电路中的该阶段或任何阶段，可以将任何合适形式的数据处理应用于信号数据。例如，主机130可以应用另外的数据处理技术来增强信号数据的质量、识别或强调信号数据的各种特性或方面等。
59.图4另外描绘了被定位在探头110与主机130之间的连接线缆390。线缆390可以包括多个包括导体的信号线、双绞线、同轴线缆、双轴线缆或发送数据的任何其他合适的通信路径。在一些实施例中，线缆可以用光学或无线接口代替。例如，线缆390可以包括先前讨论的控制线392、电力线394、时钟线391和多个信号线396。多个信号线396可以对应于从组合器322和/或串行器/cml 324输出的减少数量的信号线。在一些实施例中，信号线396可以仅包括单个信号线。在其他实施例中，信号线396可以包括多于一个。线缆390以及封装在线缆390内的任何对应线缆(诸如控制线392、时钟线391、信号线396、电力线394和/或i混合器线398和q混合器线399)可以具有任何合适的长度，和/或可以是柔性细长构件。例如，线缆390和所有相关联的导体的长度可以是1米、2米、3米或更长、或其之间的任何合适的长度。
60.在一些实施例中，b处理电路块410和cw多普勒处理电路块420由单独的部件和单独的信号路径组成。在一些实施例中，处理电路块410内的部件或部件集合可与cw多普勒处理电路块420或主机130内的任何其他电路或部件共享。
61.在一些实施例中，b模式处理电路块410可以是处理器电路或可以是处理器电路的一部分。b模式处理电路块410可以是图2所示的处理器电路210的一部分。b模式处理电路块410可以包括任何种类的合适的处理电路，包括处理器电路210的任何部件中的一个或多个。类似地，cw多普勒处理电路块420可以是处理器电路，或可以是处理器电路的一部分，或可以是图2所示的处理器电路210的一部分。cw多普勒处理电路块420也可以包括任何种类的合适的处理电路，包括处理器电路210的任何部件中的一个或多个。
62.图5a是图示根据本公开的方面的示例超声换能器阵列512的示意图。超声换能器阵列512包括被布置成子阵列520的多个超声换能器510。
63.图5a所示的换能器阵列512可以是超声元件510的1.x维或二维矩阵。换能器阵列512可以基本上类似于图1和/或图3的换能器阵列112。在其他实施例中，换能器阵列512也可以是1维线性阵列或任何其他合适类型的阵列。如先前关于换能器阵列112所提到的，换能器阵列512可以包括任何合适数量的换能器元件510。换能器元件510可以以多个子阵列
520布置在换能器阵列512内。除了其他合适的术语之外，子阵列520还可以被称为组或贴片。每个子阵列520可以包括四个换能器元件510或任何其他合适数量的换能器元件510。例如，子阵列520可以包括2、4、6、8、10、12或更多个换能器元件510以及其之间的任何合适数量。另外，在一些实施例中，每个子阵列520不需要包括相同数量的换能器元件510，但是每个子阵列520可以根据任何合适的布置或图案而改变。应注意，图5a所示的子阵列520之间的间距不一定指示阵列512内的物理间距或分开。例如，阵列中的每个换能器元件510可以具有与每个相邻元件相同的空间(无论该元件是否是同一子阵列520的一部分)。更确切地说，图5a所示的间距可以图示子阵列分组。
64.图5b是图示根据本发明的方面的模拟波束形成器530的示例电路的示意图。模拟波束形成器530可以基本上类似于图3的模拟波束形成器314。图5b提供了可以在超声探头内实施的模拟波束形成器530的更详细视图。模拟波束形成器530包括多个发射脉冲器532、前置放大器534、延迟电路540、求和部件550以及向这些部件中的任何部件提供电力、时钟和/或控制信号的导体590。图5b另外描绘了包括多个超声换能器元件510的一个子阵列520。图5b所示的子阵列520可以是图5a所示的子阵列520之的一个，或者可以是不同的子阵列。
65.发射脉冲器532可以基本上类似于图3的脉冲器318。具体地，发射脉冲器532可以从主机接收命令信号，并且响应于这些命令信号，发射高压脉冲以激活超声元件510，从而发射传播到患者的解剖结构中的超声能量。因此，每个超声元件510可以对应于发射脉冲器532和/或与发射脉冲器532通信。
66.在图5b中另外描绘了多个前置放大器534。前置放大器534可以基本上类似于图3的前置放大器319。前置放大器534可以放大从超声元件510接收的信号，以通过例如降低本底噪声来改善接收信号的质量。
67.多个延迟电路540可以与模拟波束形成器530内的前置放大器534通信。延迟电路540可以是任何合适的类型。例如，延迟电路540可以包括用于模拟波束形成器530的模拟延迟电路。延迟电路540可以将延迟廓线应用于从超声换能器510接收的信号，以便执行关于子阵列520内的所有元件的波束成形或部分波束成形。可以经由任何合适的方法将这样的延迟廓线提供给延迟电路540。例如，在一些实施例中，导体590内的对应于控制或时钟数据的导体可以与延迟电路540通信，并且可以指示用于延迟电路540的延迟廓线。
68.图5b另外描绘了求和部件550。求和部件550可以是模拟加法器电路、求和混合器或用于对信号求和的任何合适的电子部件。求和部件550与延迟电路540的相应输出通信。在这样的配置中，可以以模拟方式对从每个延迟电路540输出的信号进行求和。在其他实施例中，求和部件550可以包括任何合适的电路或配置，从而以其他方式组合来自延迟电路540的输出的信号。然后，求和部件550的输出可以与来自图3的一个或多个t/r切换器316通信，并且由模拟波束形成器530组合的信号可以如已经描述的那样或以任何其他合适的方式在探头110和/或主机130内进一步处理和/或组合。
69.图6是根据本公开的方面的超声成像方法600的流程图。如图所示，方法600包括多个列举的步骤，但是方法600的实施例可以在列举的步骤之前、之后或之间包括另外的步骤。在一些实施例中，列举的步骤中的一个或多个可以被省略、以不同的顺序执行或同时执行。方法600的步骤可以由超声成像系统100内的任何合适的部件来执行，并且所有步骤不
需要由同一部件来执行。在一些实施例中，方法600的一个或多个步骤可以由超声成像系统100的处理器电路(包括例如处理器260(图2)或任何其他部件)执行或在超声成像系统100的处理器电路的指导下执行。
70.在步骤605，方法600包括生成模拟超声信号。命令信号可以在主机130处生成并且经由信号线392发送到探头110。因此，脉冲器318可以生成信号以激励换能器阵列112的换能器元件生成超声波(图3)。换能器阵列112然后还可以接收从患者的解剖结构中的特征反射的回波信号，并且生成表示超声回波的模拟电信号。然后可以将所生成的模拟超声信号发送到(一个或多个)电路块310(图3)。
71.在步骤610，方法600包括基于模拟超声信号，利用超声探头110内的同相/正交(i/q)混合器生成模拟连续波(cw)多普勒信号。cw多普勒信号可以使用多个混合器382和q混合器384(图3)来生成。i混合器382和q混合器384可以包括乘法混合器或任何其他合适类型的混合器。探头110可以包括一个或多个正交时钟发生器380(图3)，其可以向i混合器382和q混合器384提供附加输入，以将模拟超声信号减小到基带频率，并在i混合器382的输出和q混合器384的输出之间产生适当的相移。
72.在步骤615处，方法600包括将模拟cw多普勒信号发送到主机130内的处理器电路。cw多普勒信号可以经由线缆390、导体、双绞线、同轴线缆、双轴线缆或线缆390内的任何其他适当信号线或经由任何合适方法发送到主机130。
73.在步骤620，方法600包括处理模拟cw多普勒信号。模拟cw多普勒信号的处理可以包括任何合适的数据处理部件或程序，包括经由低通滤波器、高通滤波器或任何合适类型的滤波器进行滤波。数据处理可以另外包括加窗、求和、平均、平滑、从一个域到另一个域的变换(诸如利用快速傅里叶变换)以及任何其他合适的调节，以改善整体数据质量、清晰度或呈现。信号处理可以另外包括将模拟cw多普勒信号转换为数字cw多普勒信号。在这样的实施例中，信号处理还可以经由标准个人计算机和/或处理器、以软件形式、或利用硬件(诸如主机130内的物理电路)、或经由任何其他合适的方法或形式来数字地执行。
74.在步骤625，方法600包括生成一个或多个心动周期内的血流速度的图形表示。图形表示可以包括任何合适的数据呈现。例如，图形表示可以包括简单的数据列表，包括时间、速度、尺寸或与患者解剖结构内的成像对象的位置相关的数据。图形表示可以另外包括多普勒频谱或其他适用的频谱、标绘图或其他图形表示。图形表示还可以包括可以向用户传达关于患者的健康或身体状态的信息的任何合适的标绘图、图片或描绘。血流速度或其他流体速度的分布的图形表示可以输出到与处理器电路134(图1)或本文描述的任何其他合适的处理器通信的显示器132(图1)。
75.本领域技术人员将认识到能够以各种方式修改上述装置、系统和方法。因此，本领域普通技术人员将意识到本公开涵盖的实施例不限于上述特定的示例性实施例。在这方面，虽然已经示出和描述了说明性实施例，但是在前述公开内容中也可以预想到各种各样的修改、改变和替换。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对前述内容做出这样的变化。因此，应以与本公开一致的方式广义地解释权利要求。