專利名稱：具有單個集成電路后端的手持超聲系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及超聲系統(tǒng)，更具體的涉及小型超聲系統(tǒng)。
背景技術：
如今所應用的超聲系統(tǒng)大多是相對大型的，車載的和/或是輪載的。這 些系統(tǒng)承載有一個或多個探針用于不同類型的掃描程序。這些系統(tǒng)可以個
人計算機(PC)平臺為基礎并具有多個電路板。由于這些系統(tǒng)難于由一個
人搬運或移動，因此這些系統(tǒng)是非手持或手提的，替代地其被裝有輪、滾 動、通過電梯傳送到不同樓層，或通過特定運載工具移動到不同的物理位 置。因此，移動超聲系統(tǒng)的物理約束限制了它的便攜性，同時在操作該系 統(tǒng)時還需要一定量的空間。
醫(yī)生希望能夠在外科手術中在手術室里或執(zhí)行超聲引導步驟時應用超 聲系統(tǒng)。不幸的是，超聲系統(tǒng)的尺寸限制或阻止其在空間短缺的手術室中 的應用。
還值得注意的是在高端超聲儀器中能量消耗也很大。能量消耗越多， 散熱越多，這增加了使用該系統(tǒng)的房間的冷卻需求，以及需要諸如風扇之 類的硬件來使周圍的空氣穿過該系統(tǒng)流動以冷卻部件。而且還需要更多電 池能量來運轉系統(tǒng)，和域當依賴電池電源時系統(tǒng)可能運行時間較短。
因此，存在最小化超聲儀器的尺寸和能量消耗以提供額外的靈活性和 便攜性的需求。通過接下來的描述和附圖可見，本發(fā)明的一些實施例將滿 足這些需求以及其他的目的。
發(fā)明內容
在一個實施例中，超聲系統(tǒng)包括前端和后端。前端獲得表示對象的超 聲數(shù)據(jù)并包括探針、發(fā)射器、接收器以及波束生成器。探針具有多個由發(fā) 射器驅動向對象中發(fā)射超聲信號的換能器元件。接收器基于超聲信號探測 返回的回波，波束生成器接收來自接收器的返回的回波并輸出波束形成信
號。后端包括信號集成電路(ic)。后端接收來自前端的波束形成信號。
后端處理該波束形成信號并基于該波束形成信號輸出超聲圖像數(shù)據(jù)。
在另一個實施例中，診斷醫(yī)療成像系統(tǒng)包括前端部分、后端部分和外
殼。前端部分獲得關于患者的成像數(shù)據(jù)。后端部分包括至少一個多芯ic，
該多芯IC至少具有第一和第二芯(core)。第一芯運行操作系統(tǒng)和至少一 個用戶界面，第二芯執(zhí)行信號和圖像處理。外殼將前端部分和后端部分固 定于其中。
在另一實施例中，獲得和處理超聲數(shù)據(jù)的方法包括使用超聲系統(tǒng)的前 端獲得超聲數(shù)據(jù)。利用以包括至少第一和第二芯的多芯結構為基礎的單個 IC的第一芯運行操作系統(tǒng)(OS)和用戶界面。利用該單個IC的第二芯執(zhí) 行信號和圖像處理。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例形成的使用利于較小型系統(tǒng)和較低功 耗的部件的超聲系統(tǒng)的結構圖。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖1所示的在單個雙芯集成電路 (IC)上實施的后端的軟件結構的概念結構圖。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖1所示的在單個多芯集成電路 (IC)上實施的后端的軟件結構的概念結構圖。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的圖1所示的系統(tǒng)中的部件的結構圖。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例形成的手持超聲系統(tǒng)。 與附圖結合閱讀將更容易理解前面的概述以及接下來關于本發(fā)明的特 定實施例的詳細描述。在一定程度上附圖示出了多個實施例的功能塊的圖 表，功能塊不必表示硬件電路間的分界。這樣，例如一個或多個功能塊 (例如，處理器或存儲器)可以在單片硬件內執(zhí)行(例如，通用的信號處 理器或模塊或隨機存儲器，硬盤或諸如此類的東西)。類似的，程序可以 是獨立程序，可以合并成操作系統(tǒng)的子程序，也可以是已安裝軟件包中的 函數(shù)，等等。應當可以理解各個實施例并不限于附圖中所示的結構和工 具。
具體實施例方式
圖1示出了超聲系統(tǒng)100的結構圖，超聲系統(tǒng)100使用利于較小型系
統(tǒng)100和較低功耗的部件。例如，系統(tǒng)100可以是手持、手提或袖珍的?？?替換的，系統(tǒng)100也可以車載(cart-based)，同時其相對于傳統(tǒng)的車載超聲 系統(tǒng)更小、更輕且更便攜、消耗總功率更少。可替換的，超聲系統(tǒng)100可 以與其他車載部件界面連接，諸如獨立監(jiān)視器和鍵盤(未示出)。
超聲系統(tǒng)100包括探針106，前端118,后端120。前端118通常指控 制發(fā)射和接收波束形成以及探針106的實時控制的電子電路。前端118典型 地由使用一個或多個電路板的硬件實施。
過去，后端120使用多個電路板和其它需要大量的能量和空間的硬件 部件實施。而在系統(tǒng)100中，單芯片或集成電路(IC)執(zhí)行后端功能。通 過使用單個IC,系統(tǒng)100可比傳統(tǒng)超聲系統(tǒng)更小，提供給用戶在使用空間 上更多的靈活性和便攜性，也可實現(xiàn)更低的成本。單個IC可以是雙芯的或 如同下面所討論的其它多芯的結構，也可以是芯片上系統(tǒng)(SoC)平臺。雙 芯和多芯處理器具有集成在單芯片上的多個獨立處理器芯。
后端120接收來自前端118的波束形成信號并執(zhí)行圖像處理，用于顯 示文本和圖像數(shù)據(jù)的顯示功能，以及處理用戶界面事件。后端120還提供 另外的軟件功能，諸如在圖像上進行測量、注釋、存檔、報告、打印圖 像、連網(wǎng)，等等。
作為實例，通過使用單個IC實施后端120可消耗低于2瓦特的功率。 這樣，系統(tǒng)100可以消耗低于5瓦特或10瓦特的總系統(tǒng)功率，包括探針 106的操作所需的功率。相比較而言，可以使用膝上型計算機或其它小型個 人計算機進行處理的典型超聲系統(tǒng)消耗15—20瓦特的功率。該功率以熱的 方式消散，為了保護部件避免損壞需要從超聲系統(tǒng)中排出熱量。因此，使 用單個IC除了降低功耗外還可以大大減少熱消散。
如圖所示，后端120包括具有第一和第二 CPU127和128的雙芯技術。 第一 CPU127可運行操作系統(tǒng)(OS)且第二 CPU128可支持數(shù)字信號處 理。多芯技術，諸如四或八芯，提供多個CPU，其可以支持每個芯中的不 同的功能，或可以提供一個以上的芯支持數(shù)字信號處理。
在前端118中，發(fā)射器102驅動探針106中的換能器元件104發(fā)射脈沖 超聲信號到人體中。可使用多種幾何形狀。超聲信號從諸如血液細胞或肌 肉組織等體內結構反向散射，以產(chǎn)生返回換能器元件104的回波?；夭ㄓ?接收器108接收。被接收的回波經(jīng)過執(zhí)行波束形成并輸出RF信號的波束形 成器110。 RF信號于是經(jīng)過可以包括復雜解調器114的RF處理器112，解 調器114解調RF信號以形成代表回波信號的IQ數(shù)據(jù)對。RF處理器還可以 探測和壓縮信號以進一步減小其帶寬。RF處理器112的輸出還可以被稱為 波束形成信號。前端控制器116控制發(fā)射器102和接收器108。
后端120處理獲得的超聲信息(即波束形成信號，RF信號數(shù)據(jù)或IQ 數(shù)據(jù)對)并準備超聲信息幀以在顯示器122上顯示。根據(jù)獲得的超聲信息 上的多個可選擇的超聲模態(tài)可以執(zhí)行一個或多個處理操作。在掃描時段內 當接收回波信號時可以實時處理獲得的超聲成像數(shù)據(jù)。另外或可替換的， 在掃描時段內超聲信息可儲存在存儲器124中并且在在線或離線操作中不 實時處理。
存儲器124可包括任何已知的數(shù)據(jù)存儲介質，可設置成與系統(tǒng)100是 一體的或者與系統(tǒng)IOO是分離的。例如，存儲器124可以是硬驅動、CD Rom、 DVD、閃存、記憶棒或任何其它存儲器或存儲設備。
用戶輸入126可用于控制超聲系統(tǒng)100的操作，包括，例如輸入患者 數(shù)據(jù)和掃描參數(shù)，改變掃描模式等等。話筒(未示出)可用于輸入聲音指 令。用戶輸入126可通過鍵盤、觸摸屏或面板、開關、按鈕等等提供輸入 功能。
圖2示出了圖1所示的實施在單個雙芯IC150上的后端120的軟件結構 的概念結構圖。操作系統(tǒng)(OS)芯134 (相應于圖1所示的第一 CPU127) 可以是運行例如Windows或Linux的標準操作系統(tǒng)的通用CPU。 OS芯134 執(zhí)行用戶界面功能，也在圖像上進行測量、注釋、存檔、報告、打印圖 像、連網(wǎng)等等。數(shù)字信號處理(DSP)芯142 (相應于圖1所示的第二 CPU128)是執(zhí)行產(chǎn)生圖像所需的實時圖像處理任務的DSP。圖像處理任務 可包括瞬時幀平均、CFM處理、多普勒(Doppler)處理、B模式和CFM掃 描轉換(將聲學原數(shù)據(jù)轉換為屏幕坐標)以及顯示。OS和DSP芯134和 142使用共享資源，諸如可以典型地在引導時間被分配的一個或多個共享存 儲器(未示出)。
雙芯IC150概念地初始分割為第一和第二部分130和132。第一部分 130包括OS芯134， OS 136，圖形引擎nS和用戶界面140。第二部分132
包括DSP芯142、 BIOS144、和DSP應用程序146。 DSP/OS橋接器148表 示在第一和第二部分130和132間的軟件互連，其也可以被稱為工序間通信 (IPC)。當編程雙芯IC150時，可以下載DSP應用程序146作為第一用戶 化程序同時可以下載圖形引擎138和用戶界面140作為第二用戶4t程序。第 一和第二用戶化程序以及另外的可能需要的軟件程序，可以被載入諸如閃 存(未示出)或其他存儲器中。
圖3示出了實施在單個多芯IC230上的后端120的軟件結構的概念性結 構圖。多芯IC230如圖所示可具有四個不同的芯。OS芯134、 OS 136、圖 形引擎138和用戶界面140可與圖2所示的鏈接編號項相tl。多芯IC230可 具有第一、第二和第三DSP芯232、 234和236，其分別具有第一、第二和 第三BIOS 238、 240和242。 DSP/OS橋接器148表示在OS芯134、第一 DSP芯232、第二 DSP芯234和第三DSP芯236之間的軟件互連。
具有三個DSP芯的多芯IC230相比較于雙芯IC150的單個DSP芯142 而言可提供較大的處理功率?？扇芜x的，額外的DSP芯可使得多芯IC230 能夠在系統(tǒng)100中替代其他硬件部件，允許進一步小型化?？扇芜x的，額 外的雙芯IC和/或多芯IC可用于提高處理速度和/或進一步小型化系統(tǒng) 謂。
可任選的， 一個或多個應用程序可被設置成以每個芯的目前使用為基 礎從一個芯動態(tài)移動到另一個芯。這種移動可發(fā)現(xiàn)利用具有四個或八個芯 的IC比利用具有兩個芯的IC的更多應用程序。可任選的，根據(jù)第一可用 的CPU芯的優(yōu)先權可執(zhí)行應用程序線程(thread)。可任選的，通過使用限 制多重處理可將軟件任務鎖定到特定芯。
圖4示出了系統(tǒng)100中的部件的結構圖。高壓多路復用器(HV MUX) 160可以與波束生成器IIO集成一體或分離。HVMUX160可用于當 系統(tǒng)100具有較少的通道時在探針106的換能器元件104之間切換，諸如當 探針106具有128或265個換能器元件104，而系統(tǒng)100具有64個通道時。
單個IC，諸如現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 162，可用于完成解調器 1M和前端控制器116操作。SRAM存儲器166可以是外部存儲器，其被提 供用于支撐FPGA 162。 FPGA 162是操作諸如設置波束形成器110的所有實 時前端控制的可編程設備。Bife， FPGA 162操作全部相對于由雙芯IC150 在軟件中提供的功能仍在硬件中完成的數(shù)字控制和信號處理。
解調器114接受在線164上從波束生成器110輸入的數(shù)據(jù)。解調器114 將數(shù)據(jù)還原到聲學信息的基帶，聲學信息的基帶是在硬件中完成的基礎信 號處理。
在雙芯IC150上可獲得多個通信端口或界面。原始數(shù)據(jù)界面(I/F) 168 通過線170從解調器114 (硬件側)接受實時視頻數(shù)據(jù)。原始超聲數(shù)據(jù)進入 用于數(shù)據(jù)處理和顯示的雙芯IC150的第二部分132 (圖2)。
控制界面(I/F)端口 202提供界面來在線204上獲得和發(fā)送控制數(shù)據(jù) 到解調器114和前端控制器116以及從解調器114和前端控制器116發(fā)送控 制數(shù)據(jù)。閃存206可存儲軟件用于OS和DSP芯134和142 (圖2)，其然 后在執(zhí)行期間被載入RAM存儲器(未示出)。
雙芯IC 150還通過視頻端口后端界面(VPBE) 172和線174與顯示器 122界面連接。雙芯IC150可提供一個或多個額外通信界面。例如，USB端 口 176可接受USB設備178，諸如記憶棒或者USB電纜。安全數(shù)字(SD) 端口 182 (或迷你-SD)可接受SD設備184,以太網(wǎng)(EMAC)端口 186可接 受以太網(wǎng)電纜188或設備，UART端口 190可接受UART電纜191或設備， 致密閃存(compact flash) (CF)端口 192可接受CF設備193。存儲器界面
(I/F) 194設置成與存儲器196界面連接，其可以是SDRAM存儲控制器。 可以理解還可以應用其他端口和/或界面。借助實例，可通過一個或多個通 信界面完成圖像存儲和軟件更新。
電源198可從外部電源(未示出)接收能量并且，當外部電源不可用 時，可從電池200接收能量。因此，系統(tǒng)100可在外部電源或電池電源下操 作。電源198可提供多個不同電壓電平以滿足系統(tǒng)100中的部件的不同操作 需要。外部電源也可以用于保持電池200在帶電狀態(tài)。
圖5示出了手持超聲系統(tǒng)210。除了探針106以外，以前在圖l一4中 所討論的部件和功能可保存在單個小尺寸外殼212中。例如，系統(tǒng)210的重 量可小于500克，小于1千克或小于3千克。此外，系統(tǒng)210可以是小尺寸 的以易于保持在操作者手中和/或被攜帶在操作者的口袋內。
如前所述外殼212可具有顯示器122和用戶輸入126。探針互連端口 214允許不同探針106通過外殼212與系統(tǒng)210連接?？商峁┯糜谳敵雎曇?br>
的揚聲器216。
可任選的，可提供額外端口用于支持其他外圍部件。例如，操作者可 能希望將系統(tǒng)210作為車載系統(tǒng)進行某些應用。電纜(未示出)可將視頻輸出 端口218互連到可以比顯示器122大的外部監(jiān)控器(未示出)。另外，鍵盤 輸入端口 220可以允許外部全尺寸鍵盤(未示出)用于輸入數(shù)據(jù)到系統(tǒng)210 中?？商峁╊~外的端口 222和224以允許使用諸如ECG、打印機等的另外 的外圍設備。此外，可提供與圖4所討論的輸出端口相應的端口 (未示 出)，諸如VPBE 172、 USB端口 176、 SD端口 182、 EMAC端口 186、 UART端口 190以及CF端口 192。
雖然在手持超聲系統(tǒng)中實施了雙芯IC 150 (圖2)和多芯IC 230 (圖 3)，可以理解該技術可應用于車載超聲系統(tǒng)以及其他醫(yī)療模態(tài)。以前由多 種硬件部件完成的功能，如由現(xiàn)有超聲儀器所應用的后端完成的功能，可 以通過替換具有耗能更少，散熱更少，以及占用空間更小的一個或多個雙 芯和/或多芯IC的部件中的一些來完成。這還可以允許醫(yī)療系統(tǒng)中的另外的 模塊化，允許系統(tǒng)是便攜式的以及與車載部件互連。
技術效果就是當需要更小的空間和更少的能量時能夠操作醫(yī)療診斷系 統(tǒng)。合并了用以完成后端的功能的一個或多個雙芯IC和/或多芯IC的手持 超聲系統(tǒng)比以前的車載超聲系統(tǒng)小很多。除了更小的占用空間外，手持超 聲系統(tǒng)還重量輕，為操作者提供了易于攜帶和運輸?shù)撵`活性。
雖然根據(jù)多個特定實施例對本發(fā)明進行了描述，本領域技術人員應當 認識到在權利要求的精神和范圍內可利用修改來實施本發(fā)明。
部件列表
織............................................................100
發(fā)射器.........................................................102
換能器元件...................................................104
微............................................................106
接收器.........................................................108
波束形成器110 RF處理器......................................................112
解調器.........................................................114
前端控制器...................................................116
前端118
翩............................................................120
顯示器.........................................................122
存儲器.................................……124
用戶輸入......................................................126
，一CPU......................................................127
，二CPU......................................................128
第一部分130
第二部分......................................................132
操作系統(tǒng)(OS)芯..........................................134
OS...............................................................136
圖形引擎138
用戶界面......................................................140
數(shù)字信號處理器(DSP)芯.................................142
BIOS............................................................144
DSP應用程序................................................146
DSP/OS橋接器................................................148
雙芯IC.........................................................150
高壓多路復用器(HVMUX) ..............................160
現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) ..............................162
^..................................................................164
SRAM存儲器...................................................166
原始數(shù)據(jù)界面(I/F) 168
^..................................................................170
視頻端口后端界面(VPBE) .................................172
g..................................................................174
USB端口.........................................................
USB設備.........................................................178安全數(shù)字(SD)端口..........................................182
SD設備............................................................184
以太網(wǎng)(EMAC)端口.............................................186
以太網(wǎng)電纜.........................................................188
UART端口.........................................................190
UART電纜.........................................................191
致密閃存(CF)端口.............................................192
CF絲...............................................................193
存儲器界面(I/F) ................................................194
#麟...............................................................196
電源..................................................................198
柳..................................................................200
控制界面(I/F)端口.............................................202
g.....................................................................204
閃存......................................... ........................206
系統(tǒng)..................................................................208
外殼..................................................................212
探針互連端口......................................................214
揚聲器216
視頻輸出端口......................................................218
鍵盤輸入端口......................................................220
全瑞口..................................................................222
g口..................................................................224
多芯IC...............................................................230
，一DSP:K.........................................................232
第二DSP芯.........................................................234
第三DSP芯.........................................................236
，一BIOS............................................................238
，二 BIOS............................................................240
，二 BIOS............................................................24權利要求
1、一種超聲系統(tǒng)(100)，包括用于獲得表示對象的超聲數(shù)據(jù)的前端(118)，該前端(118)進一步包括包括多個換能器元件(104)的探針(106)驅動該多個換能器元件(104)向對象內發(fā)射超聲信號的發(fā)射器(102)；以超聲信號為基礎探測返回的回波的接收器(108)從接收器(108)接收返回的回波并輸出波束形成信號的波束形成器(110)；以及從前端(118)接收波束形成信號的后端(120)，該后端(120)處理波束形成信號并以波束形成信號為基礎輸出超聲圖像數(shù)據(jù)，該后端(120)包括單個集成電路(IC)(150)。
2、 如權利要求1所述的超聲系統(tǒng)(100)，其中該單個IC (150)基于 雙芯結構和多芯結構中的一個，該多芯結構具有兩個以上的芯。
3、 如權利要求1所述的超聲系統(tǒng)(100)，其中該單個IC (150)為下 述中的至少一個提供功能前端(U8)的實時控制、用戶界面、掃描轉 換、CFM處理、多普勒處理、B模式掃描轉換、CFM掃描轉換、瞬時幀處 理、色彩處理、多普勒處理、以及顯示處理。
4、 如權利要求1所述的超聲系統(tǒng)(100)，其中該單個IC (150)基于 包括操作系統(tǒng)(OS)芯(134)和數(shù)字信號處理(DSP)芯(142)的雙芯 結構，所述DSP芯(142)執(zhí)行信號和圖像處理并且所述OS (134)芯運行 操作系統(tǒng)和至少一個用戶界面。
5、 一種診斷醫(yī)療成像系統(tǒng)(210)，包括 用于獲得表示患者的成像數(shù)據(jù)的前端(118)部分； 包括至少一個多芯集成電路(IC) (150)的后端(120)部分，所述多芯IC (150)具有至少第一和第二芯，所述第一芯運^1操作系統(tǒng)和至少一 個用戶界面且所述第二芯執(zhí)行信號和圖像處理；和將前端(118)部分和后端(120)部分保持于其中的外殼(212)。
6、 如權利要求5所述系統(tǒng)(210)，其中所述系統(tǒng)(210)是手提式、手持式和口袋大小中的至少一種。
7、 如權利要求5所述的系統(tǒng)(210)，其中所述系統(tǒng)(210)的重量是 小于500克、小于1千克和小于3千克中的一種。
8、 如權利要求5所述的系統(tǒng)(210)，其中所述系統(tǒng)(210)消耗低于 5瓦特的系統(tǒng)功率和低于IO瓦特的系統(tǒng)功率中的一種。
9、 如權利要求5所述的系統(tǒng)(210)，所述外殼(212)還包括至少一 個界面端口 (218—224)，用于與至少一個外部部件界面連接。
10、 如權利要求5所述的系統(tǒng)(210)，所述前端(118)部分還包括提 供實時控制以獲得成像數(shù)據(jù)的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) (162)。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有單個集成電路后端的手持超聲系統(tǒng)。超聲系統(tǒng)(100)包括前端(118)和后端(120)。前端(118)獲得表示對象的超聲數(shù)據(jù)并包括探針(106)，發(fā)射器(102)，接收器(108)和波束形成器(110)。探針(106)具有多個由發(fā)射器(102)驅動以發(fā)射超聲信號到對象中的換能器元件(104)。接收器(108)以超聲信號為基礎探測返回的回波，波束形成器(110)接收從接收器(108)返回的回波并輸出波束形成信號。后端(120)包括單個集成電路(IC)(150)。后端(120)從前端(118)接收波束形成信號。后端(120)處理波束信號并以波束形成信號為基礎輸出超聲圖像數(shù)據(jù)。
文檔編號A61B8/00GK101176676SQ20071019447
公開日2008年5月14日 申請日期2007年11月6日 優(yōu)先權日2006年11月6日
發(fā)明者N·哈爾曼, 婁震海, 凱 季 申請人:通用電氣公司