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CN114072062A - 用于处理超声信号的方法和装置 - Google Patents

用于处理超声信号的方法和装置 Download PDF

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CN114072062A
CN114072062A CN202080046857.0A CN202080046857A CN114072062A CN 114072062 A CN114072062 A CN 114072062A CN 202080046857 A CN202080046857 A CN 202080046857A CN 114072062 A CN114072062 A CN 114072062A
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ultrasound
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dds
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卡尔·蒂勒
内华达·J·桑切斯
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Abstract

描述了处理信号的超声装置和方法。该超声装置可以包括多个通道。在一些实施例中，描述了信号处理技术，在一些实施例中这些信号处理技术是在每个通道的基础上执行的。这些信号处理技术可以涉及在多个通道上使用对信号的下变频和滤波。该下变频和滤波可以在波束成形之前完成。

Description

用于处理超声信号的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2019年6月25日在代理人案卷号B1348.70148US00下提交的名称为“METHODS AND APPARATUSES FOR PROCESSINGULTRASOUND SIGNALS[用于处理超声信号的方法和装置]”的美国专利申请序列号62/866,234的权益，该美国专利申请特此通过援引以其全文并入本文。
技术领域
总体上，本文描述的技术的各方面涉及处理超声信号。某些方面涉及生成频率随时间变化的波形，以对超声信号进行下变频。
背景技术
超声设备可以用于使用频率高于人类可听到的频率的声波执行诊断成像和/或治疗。超声成像可以用于查看内部的软组织身体结构。当超声脉冲被传输到组织中时，不同振幅的声波可能会在不同的组织界面处反射回探头。这些反射的声波然后可以被记录并作为图像显示给操作者。声音信号的强度(振幅)和波穿过身体所需的时间可以提供用于产生超声图像的信息。使用超声设备可以形成许多不同类型的图像。例如，可以生成示出组织的二维截面、血流、组织随时间的运动、血液的位置、特定分子的存在、组织的刚度或三维区域的解剖结构的图像。
发明内容
根据本申请的一个方面，提供了一种超声装置，该超声装置包括：第一下变频电路系统，该第一下变频电路系统包括：第一直接数字合成(DDS)电路系统，该第一直接数字合成电路系统被配置成生成具有时变频率内容的第一波形；并且其中，该第一下变频电路系统被配置成使用具有时变频率内容的这些第一波形来使第一超声信号在频域中移位，以产生第一频移超声信号。该超声装置进一步包括第二下变频电路系统，该第二下变频电路系统包括：第二直接数字合成(DDS)电路系统，该第二直接数字合成电路系统被配置成生成具有时变频率内容的第二波形；并且
其中，该第二下变频电路系统被配置成使用具有时变频率内容的这些第二波形来使第二超声信号在该频域中移位，以产生第二频移超声信号。该超声装置进一步包括控制电路系统，该控制电路系统被配置成独立地控制该第一DDS电路系统和该第二DDS电路系统，使得这些第一波形和这些第二波形是不同的。
根据本申请的一个方面，提供了一种超声装置，该超声装置包括：下变频电路系统，该下变频电路系统包括：直接数字合成(DDS)电路系统，该直接数字合成电路系统被配置成生成具有时变频率内容的波形；并且其中，该下变频电路系统被配置成使用具有时变频率内容的这些波形来使超声信号在频域中移位，以产生频移超声信号。该超声装置进一步包括接收波束成形电路系统，该接收波束成形电路系统被配置成对该频移超声信号执行接收波束成形。在至少一些实施例中，该下变频电路系统位于该接收波束成形电路系统的上游。
根据本申请的一个方面，提供了一种方法，该方法包括：接收超声信号；生成具有时变频率内容的波形；使用频率随时间变化的这些波形来使该超声信号在频域中移位，以产生频移超声信号；对该频移超声信号进行滤波，以产生经滤波的频移超声信号；以及在该移位和该滤波之后，对该经滤波的频移超声信号执行接收波束成形。
附图说明
将参照以下示例性和非限制性附图来描述各方面和实施例。应当理解，这些附图不一定按比例绘制。出现在多个图中的项在其出现的所有图中用相同或相似的附图标记表示。
图1是展示了根据本文描述的某些实施例的超声设备中的示例接收电路系统的框图；
图2展示了根据本文描述的某些实施例的由时变频率直接数字合成(DDS)电路系统生成的波形的频率与时间的关系的示例图形。
图3是展示了恒定频率DDS电路系统的示例实施方式的示意图；
图4是展示了根据本文描述的某些实施例的时变频率DDS电路系统的示例实施方式的示意图；
图5是展示了根据本文描述的某些实施例的图4的时变频率DDS电路系统中的值的示例位宽的示意图；
图6是展示了根据本文描述的某些实施例的时变频率DDS电路系统的示例实施方式的示意图；
图7是展示了根据本文描述的某些实施例的用于处理超声信号的过程的流程图；
图8展示了根据本文描述的某些实施例的示例手持式超声探头；
图9展示了根据本文描述的某些实施例的示例可穿戴超声贴片；以及
图10展示了根据本文描述的某些实施例的示例可摄入超声药丸。
具体实施方式
超声技术的最新进展已经使得实施为集成电路的大型超声换能器和超声处理单元(UPU)阵列能够并入到半导体芯片上以形成片上超声件。每个UPU可以例如包括：用于驱动超声换能器发射超声波的高压脉冲发生器；用于接收超声回声并对其进行数字化的模拟和混合信号接收器通道；用于对来自每个通道的数字数据进行滤波、压缩和/或波束成形的数字处理电路系统；以及用于控制和同步电路系统的不同组成部分的数字排序电路系统。片上超声件可以包括集成在单个芯片(例如，半导体芯片)或封装在一起的多个堆叠芯片上的超声换能器和集成电路(例如，UPU)。片上超声件可以形成手持式超声探头或比如可穿戴超声贴片或可摄入超声药丸等具有另一种形状因子的超声设备的核心。有关片上超声件的进一步描述，参见在2017年6月19日提交并作为美国专利申请公开号2017-0360399A1公布(并转让给本申请的受让人)的名称为“UNIVERSAL ULTRASOUND IMAGING DEVICE ANDRELATED APPARATUS AND METHODS[通用超声成像设备以及相关装置和方法]”的美国专利申请号15/626,711，该美国专利申请通过援引以其全文并入本文。
在一些实施例中，片上超声件的数字处理电路系统可以包括用于至少部分地通过以下方式解调超声信号的电路系统：对超声信号进行下变频(例如，修改超声信号，使得其频谱的中心频率降低)，然后用滤波器(例如，低通滤波器)对经下变频的超声信号进行滤波，以去除超声信号中不期望的频率并且由此降低噪声。当滤波器的频率响应与信号的频谱匹配，使得信号(在频域中)的较少期望部分被滤波器拒绝而信号(在频域中)的较少不期望部分被滤波器接受时，信号质量(具体地，信噪比)可能更高。将信号的频谱与滤波器的频率响应匹配可以包括使信号频谱的中心频率移位，以相对于滤波器的频率响应对准频谱的期望部分。移位可以由下变频电路系统执行，该移位可以包括乘以由直接数字合成(DDS)电路系统提供的波形。
然而，虽然滤波器的频率响应可以是固定的，但是信号在频域中的期望和不期望部分可能随时间变化。当超声波进入人体时，其可能会呈指数衰减。这种衰减可能与频率有关，因而频率越高就会衰减得越快。因此，对于从身体内逐渐变深的深处反射的信号，信号频谱可能会随着较高频率与较低频率成比例地变弱而改变。实际上，从逐渐变深的深处反射的信号可能具有信号的期望部分被逐渐移位到较低频率的信号频谱。这可能意味着，对于从逐渐变深的深处反射的信号，即越来越晚到达的信号，使信号频谱在频域中的移位逐渐变小以相对于滤波器的频率响应对准频谱的期望部分可能是有帮助的。通过使信号的频谱及时移位以匹配滤波器的频率响应，可以提高所得信号的质量。为了实现这一点，本发明人已经认识到，通过将信号乘以频率随时间线性变化的波形来对信号进行下变频可以使得越来越晚到达的信号在频域中的移位逐渐变小。因此，本发明人开发了能够生成具有时变频率的波形的DDS电路系统。控制电路系统可以被配置成控制DDS电路系统的参数，比如输出波形的初始频率、输出波形的最终频率、改变输出波形频率的开始时间以及输出波形频率随时间变化的速度。在一些实施例中，可以在每个通道的基础上执行使用具有时变频率的波形的下变频。换句话说，具有时变频率的波形可能因通道而异，使得随时间变化的频移因通道而异。
由本发明人开发并在本文中描述的技术可以涉及通过使用由DDS电路系统生成的具有时变频率的波形来解调由超声设备接收的超声信号。在一些实施例中，这些具有时变频率的波形不是为了供超声设备传输而生成的；而是为了促进处理由超声设备接收的超声信号(即，由超声设备中的超声换能器基于接收到的超声波生成的超声信号)而生成的。因此，使用具有时变频率的波形执行的下变频可以在接收波束成形之前发生。
应当理解，本文描述的实施例可以以多种方式中的任一种方式来实施。以下仅出于说明性目的提供了具体实施方式的示例。应当理解，所提供的这些实施例和特征/能力可以单独地、全部一起或以两个或更多个的任何组合的方式使用，因为本文描述的技术的各方面并不限于此方面。
图1是展示了根据本文描述的某些实施例的超声设备中的示例接收电路系统100的框图。接收电路系统100包括通道120a、通道120b、控制电路系统114和接收波束成形电路系统110。通道120a包括模数转换器(ADC)102a、下变频电路系统112a和滤波器108a。下变频电路系统112a包括时变频率直接数字合成(DDS)电路系统104a和乘法器106a。通道120b包括模数转换器(ADC)102b、下变频电路系统112b和滤波器108b。下变频电路系统112b包括时变频率直接数字合成(DDS)电路系统104b和乘法器106b。在一些实施例中，接收电路系统100的所有电路系统可以集成在单个芯片或呈堆叠构型的一个或多个芯片上。在一些实施例中，接收电路系统100的电路系统的一些部分(例如，ADC102a和102b、下变频电路系统112a和112b、滤波器108a和108b以及控制电路系统114)可以集成在单个半导体芯片或呈堆叠构型的一个或多个半导体芯片上，并且接收电路系统100的其他部分(例如，接收波束成形电路系统110)可以在另一个电子设备(例如，现场可编程门阵列(FPGA)设备)中实施。在这些实施例中的任何实施例中，一个或多个半导体芯片(例如，其也可以被称为片上超声设备)可以设置在比如手持式超声探头等超声设备中，或者布置在比如可穿戴超声贴片或可摄入超声药丸等另一种类型的超声设备中。另外，在包括比如FPGA设备等另一电子设备的这些实施例中的任何实施例中，电子设备还可以设置在超声设备中。
ADC 102a位于下变频电路系统112a的上游。在一些实施例中，ADC 102a的输出可以直接耦接到下变频电路系统112a的乘法器106a的输入，而在其他实施例中，在ADC 102a的输出与乘法器106a的输入之间可以设置有其他电路系统。时变频率DDS电路系统104a的输出耦接到乘法器106a的第二输入。在一些实施例中，时变频率DDS电路系统104a的输出可以直接耦接到乘法器106a的第二输入，而在其他实施例中，在时变频率DDS电路系统104a的输出与乘法器106a的第二输入之间可以设置有其他电路系统。乘法器106a的输出耦接到滤波器108a的输入。在一些实施例中，乘法器106a的输出可以直接耦接到滤波器108a的输入，而在其他实施例中，在乘法器106a的输出与滤波器108a的输入之间可以设置有其他电路系统。下变频电路112a和滤波器108a位于接收波束成形电路系统110的上游。在一些实施例中，滤波器108a的输出直接耦接到接收波束成形电路系统110的输入，而在其他实施例中，在滤波器108a的输出与接收波束成形电路系统110的输入之间可以设置有其他电路系统。
ADC 102b位于下变频电路系统112b的上游。在一些实施例中，ADC 102b的输出可以直接耦接到下变频电路系统112b的乘法器106b的输入，而在其他实施例中，在ADC 102b的输出与乘法器106b的输入之间可以设置有其他电路系统。时变频率DDS电路系统104b的输出耦接到乘法器106b的第二输入。在一些实施例中，时变频率DDS电路系统104b的输出可以直接耦接到乘法器106b的第二输入，而在其他实施例中，在时变频率DDS电路系统104b的输出与乘法器106b的第二输入之间可以设置有其他电路系统。乘法器106b的输出耦接到滤波器108b的输入。在一些实施例中，乘法器106b的输出可以直接耦接到滤波器108b的输入，而在其他实施例中，在乘法器106b的输出和滤波器108b的输入之间可以设置有其他电路系统。下变频电路系统112b和滤波器108b位于接收波束成形电路系统110的上游。在一些实施例中，滤波器108b的输出直接耦接到接收波束成形电路系统110的输入，而在其他实施例中，在滤波器108b的输出与接收波束成形电路系统110的输入之间可以设置有其他电路系统。控制电路系统114耦接到时变频率DDS电路系统104a和时变频率DDS电路系统104b。
ADC 102a、下变频电路系统112a和滤波器108a是通道120a的组成部分。ADC 102b、下变频电路系统112b和滤波器108b是通道120b的组合部分。通道可以包括一组特定超声换能器(未展示)和用于处理由该组特定超声换能器接收的超声信号的电路系统。在一些实施例中，超声设备可以包括超声换能器的二维阵列，并且每个通道可以包括该阵列中的一组特定超声换能器。例如，每个通道可以包括该阵列的列或该阵列的行中的一组特定超声换能器。虽然图1展示了用于两个通道的电路系统，但是在一些实施例中，接收电路系统100可以包括用于多于两个通道(例如，介于1个与10个通道之间、介于10个与50个通道之间、介于50个与100个通道之间、介于100个与500个通道之间、介于500个与1000个通道之间、介于1000个与2000个通道之间或任何合适数量的通道)的电路系统。通道可以包括比图1所展示的更多的电路系统。特定通道中的超声换能器可以被配置成基于接收到超声波来生成超声信号，并且接收电路系统100可以被配置成处理由超声换能器生成的这些超声信号。接收电路系统100中可以存在未展示的其他电路系统。例如，在超声换能器与ADC 102a和102b之间可以耦接有模拟处理电路系统。模拟处理电路系统可以例如包括模拟放大电路系统(例如，用于将来自超声换能器的电流转换为电压的跨阻抗放大器)、模拟滤波电路系统、模拟波束成形电路系统、模拟去调频电路系统、模拟正交解调(AQDM)电路系统、模拟时间延迟电路系统、模拟移相电路系统、模拟求和电路系统、模拟时间增益补偿电路系统和/或模拟平均电路系统。在一些实施例中，超声换能器可以直接耦接到ADC 102a和102b。
ADC 102a和102b可以被配置成将模拟超声信号(即，由超声换能器基于接收到超声波而生成的超声信号)转换为数字超声信号。ADC 102a可以被配置成转换来自通道120a的模拟超声信号，并且ADC 102b可以被配置成转换来自通道120b的模拟超声信号。虽然图1展示了每个通道120一个ADC 102，但是在一些实施例中，接收电路系统100可以包括每个通道120多于一个(例如，2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个或任何合适数量)ADC 102。通道120中的每个ADC 102可以被配置成转换来自该通道中的一个或多个特定超声换能器的超声信号。
下变频电路系统112a和112b可以被配置成在分别来自ADC 102a和102b的超声信号已经被数字化之后使这些超声信号在频域中移位。例如，如果来自ADC 102a(或ADC102b)的超声信号占据某个频带，则下变频电路系统112a(或下变频电路系统112b)可以被配置成在频域中修改来自ADC 102a(或ADC 102b)的超声信号，使得信号的频谱移位以占据不同的频带，例如具有较低中心频率的频带。
时变频率DDS电路系统104a和104b可以被配置成生成具有时变频率内容的波形。例如，波形的频率可以随时间(例如，线性地)变化。在一些实施例中，这种波形的中心频率可以随时间减小(当波形是纯正弦波时，则其中心频率就是其频率)。在一些实施例中，这种波形的频率可以随时间增大。控制电路系统114可以被配置成控制时变频率DDS电路系统104a和104b的参数，比如输出波形的初始频率、输出波形的最终频率、改变输出波形频率的开始时间以及输出波形频率随时间变化的速度。控制电路系统114可以被配置成控制时变频率DDS电路系统104a使用与时变频率DDS电路系统104b不同的参数，使得由时变频率DDS电路系统104a生成的波形不同于由时变频率DDS电路系统104b生成的波形。因此，控制电路系统114可以被配置成独立地控制不同通道(例如，通道120a和120b)中的时变频率DDS电路系统104a和104b，使得时变频率DDS电路系统104a和104b生成与彼此不同的波形。
下变频电路系统112a和112b可以被配置成使用正交调制来使超声信号在频域中移位。具体地，乘法器106a可以被配置成使用由时变频率DDS电路系统104a生成的正弦波形将来自ADC 102a的超声信号(在其被数字化之后)乘以复信号e-iωt。乘法器106b可以被配置成使用由时变频率DDS电路系统104b生成的正弦波形将来自ADC 102b的超声信号(在其被数字化之后)乘以复信号e-iωt。参数ω可以是超声信号的中心频率的移位，并且可以随时间变化。实现这种乘法可以包括将超声信号的实分量和虚分量分别乘以频率内容随时间变化的波形。该乘法可能导致修改来自ADC 102a和102b的超声信号，使得信号的频谱移位以占据不同的频带，例如具有较低中心频率的频带。如上文所描述的，时变频率DDS电路系统104a生成的波形可以不同于时变频率DDS电路系统104b生成的波形，并且因此乘法器106a和乘法器106b可以使用不同的波形来执行乘法，使得来自ADC 102a的超声信号的移位不同于来自ADC 102b的超声信号的移位。例如，用于由乘法器106a和106b进行以使分别来自ADC102a和ADC 102b的超声信号移位的乘法的波形的参数ω可能随时间变化而有所不同。因此，下变频电路系统112a和112b可以被配置成使不同通道(例如，通道120a和120b)中的超声信号不同地移位，使得频率随时间的移位在不同通道之间彼此不同。
滤波器108a和108b可以被配置成在对通道120a和120b中的超声信号进行下变频之后分别对这些超声信号进行滤波。在一些实施例中，滤波器108a和108b可以被配置为低通滤波器，以去除超声信号(包括超声信号的高频图像)中不期望的频率，从而降低噪声。在一些实施例中，滤波器108a和108b可以是级联积分器梳状(CIC)滤波器。
当滤波器108a和108b之一的频率响应与相应信号的频谱匹配，使得信号(在频域中)的较少期望部分被拒绝而信号(在频域中)的较少不期望部分被接受时，信号质量(具体地，信噪比)可能更高。将信号的频谱与滤波器108的频率响应匹配可以包括使信号频谱的中心频率相对于滤波器108的频率响应移位。这可能导致滤波器108接受期望的部分而拒绝不期望的部分。然而，虽然滤波器108的频率响应可以是固定的，但是信号在频域中的期望和不期望部分可能随时间变化。当超声波进入人体时，其可能变得呈指数衰减。这种衰减可能与频率有关，因而频率越高就会衰减得越快。因此，对于从身体内逐渐变深的深处反射的信号，信号频谱可能会随着较高频率与较低频率成比例地变弱而改变。实际上，从逐渐变深的深处反射的信号可能具有信号的期望部分被逐渐移位到较低频率的信号频谱。这可能意味着，对于从逐渐变深的深处反射的信号，即越来越晚到达的信号，信号频谱的移位可能需要在频域中逐渐变小以相对于滤波器108的频率响应对准频谱的期望部分。为了实现这一点，本发明人已经认识到，用频率随时间线性变化的波形(由时变频率DDS电路系统104生成)对信号进行下变频可以使得越来越晚到达的信号在频域中的移位逐渐变小。通过使信号的频谱及时移位以匹配滤波器108的频率响应，可以提高所得信号的质量。如上文所描述的，可以在每个通道的基础上执行信号频谱的及时移位，使得不同通道(例如，通道120a和120b)中的信号可以不同地移位。作为一个示例，用于使不同通道(例如，通道120a和120b)中的信号的频率移位的时变频率波形的参数可以具有不同的参数，比如用于与(例如，由接收波束成形电路系统110)组合不同通道时使用的延迟对准的不同的斜波起点和/或结束时间。
接收波束成形电路系统110可以被配置成对从通道120a和120b接收的数据执行接收波束成形。接收波束成形可以包括对从通道120a和120b接收的数据应用延迟。接收波束成形电路系统110可以被配置成向通道120a和120b中的每一个应用不同的延迟。在一些实施例中，通道120a和120b可以被多路复用到接收波束成形电路系统110。应当理解，下变频电路系统112a和112b位于接收波束成形电路系统110的上游，使得由下变频电路系统112a和112b执行的频移发生在由接收波束成形电路系统110执行的接收波束成形之前。
在一些实施例中，接收波束成形电路系统110可以被配置成在波束成形期间补偿由下变频电路系统(例如，下变频电路系统112a和112b以及超声设备中的任何其他下变频电路系统)执行的频移。一般地，来自DDS电路系统的频率线性增大或减小的输出波形可以如下表达：
Figure BDA0003432835600000101
其中M是每时间频率的变化(斜率)，f0是初始频率，并且φ是任意相位偏移。将滤波之后(例如，由滤波器108a或108b或超声设备中的任何其他滤波器处理之后)特定通道(例如，通道120a或120b或超声设备中的任何其他通道)中的超声数据表示为uk(t)，其中t是时间且k是通道索引。为了基于延迟和求和(delay-and-sum)波束成形到特定的兴趣点，接收波束成形电路系统110可以被配置成使用延迟和求和(DAS)将经波束成形数据uDAS分配给该点，如下所示：
Figure BDA0003432835600000102
其中tk是由波行进距离(wave traveling distance)确定的时刻，θk是通道k的DDS信号的相位，并且θ是可以随点变化的参考相位。项exp(-jθk)可以补偿在下变频期间由下变频电路系统引起的相位。按照上文针对sDDS(t)使用的符号，
Figure BDA0003432835600000111
并且因此，当使用变频DDS时，
Figure BDA0003432835600000112
作为比较，当Mk＝0、f0，k＝f0且φ0，k＝φ0时，公式可以归纳为
Figure BDA0003432835600000113
该公式可以应用于使用常规DDS的波束成形。
如上文所描述的，接收波束成形电路系统110可以被配置成使用乘以项exp(-jθk)来补偿在下变频期间由下变频电路系统引起的相位。接收波束成形电路系统110可以包括用于执行该乘法的一个或多个额外乘法器。因为θk可以取决于tk，所以接收波束成形电路系统110还可以包括用于计算点与通道之间的距离的电路系统和/或在tk处没有收集到数据的情况下的插值电路系统。
虽然图1展示了每个ADC 102一个乘法器106和一个滤波器108，但是在每个通道120包括多于一个ADC 102的实施例中，在每个通道120中多于一个(例如，2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个或任何合适数量)ADC 102可以有一个乘法器106和一个滤波器108。例如，在通道120中每两个ADC 102可以有一个乘法器106和一个滤波器108。在该示例中，每个乘法器106和滤波器108可以以ADC 102转换速率的四倍计时。这可能是因为在乘法步骤之前可以将来自ADC 102的实值信号转变为“同相”(实数)部分和“异相”(虚数)部分。因此，两个ADC 102的输出可以产生两个实信号和两个虚信号共4个信号，这些信号以ADC 102转换速率的四倍进行处理。然后，这些信号中的每一个可以传输到单个乘法器106的乘法级中，然后传输到滤波器108中。在一些实施例中，在通道120中每两个ADC 102可以有两个乘法器106，每个乘法器以ADC 102转换速率的两倍计时。一个乘法器106可以被配置成乘以来自两个ADC 102的信号的实部，并且一个乘法器106可以被配置成乘以来自两个ADC 102的信号的复部。在一些实施例中，在通道120中每个ADC 102可以有两个乘法器106，每个乘法器以ADC 102转换速率计时。一个乘法器106可以被配置成乘以来自ADC 102的信号的实部，并且一个乘法器106可以被配置成乘以来自ADC 102的信号的复部。
虽然图1展示了每个通道120一个时变频率DDS电路系统104实例，但是在一些实施例中，多于一个(例如，2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个或任何合适数量)通道120可以有一个时变频率DDS电路系统104实例。在这种实施例中，时变频率DDS电路系统104的一个实例可以被配置成向多个通道120中的每个乘法器106输出唯一的波形。例如，每两个通道120可以有一个时变频率DDS电路系统104的实例，并且如果每个通道120有两个乘法器106，则每个时变频率DDS电路系统104的实例可以被配置成向两个通道120中的四个乘法器106中的每一个输出四个唯一的波形。在一些实施例中，乘法器106和/或滤波器108可以在通道120之间共享。
在一些实施例中，接收波束成形电路系统110可以是后处理电路系统的组成部分，该后处理电路系统被配置成在超声数据被存储在存储器中之后对其进行后处理，并且可以例如包括用于求和、重新量化、噪声整形、波形去除、图像形成和后端处理的电路系统。在一些实施例中，接收电路系统100可以包括存储器。在一些实施例中，存储器可以耦接在滤波器108a和108b与接收波束成形电路系统110(或者更一般地，后处理电路系统)之间。存储器可以被配置成在超声数据由滤波器108a和108b进行滤波之后存储该超声数据。在一些实施例中，存储器可以被配置为静态随机存取存储器(SRAM)，但是也可以使用其他类型的存储器。在一些实施例中，接收电路系统100可以包括通信电路系统。在一些实施例中，存储器可以耦接在滤波器108a和108b与通信电路系统之间，并且通信电路系统可以耦接在存储器与接收波束成形电路系统110(或者更一般地，后处理电路系统)之间。在一些实施例中，可以不存在存储器，并且通信电路系统可以耦接在滤波器108a和108b与接收波束成形电路系统110(或者更一般地，后处理电路系统)之间。通信电路系统可以被配置成将数据从存储器传输到波束成形电路系统110(或者更一般地，后处理电路系统)，并且可以例如包括能够通过比如通用串行总线(USB)通信链路、串行器-解串器(SerDes)链路或无线链路(例如，采用I6802.11标准的链路)等通信链路传输数据的电路系统。因此，通信电路系统可以通过USB通信链路(例如，电缆)或通过SerDes通信链路耦接到接收波束成形电路系统110。在一些实施例中，存储器和通信电路系统可以位于片上超声件上，而接收波束成形电路系统110和/或其他后处理电路系统可以在片上超声件耦接到的单独电子设备(例如，现场可编程门阵列(FPGA)设备)上实施。单独电子设备可以设置在超声设备(例如，手持式超声探头、可穿戴超声贴片或可摄入超声药丸)内，或者该单独电子设备可以是超声设备耦接到的外部电子设备。在一些实施例中，存储器和通信电路系统可以位于超声设备(例如，手持式超声探头、可穿戴超声贴片或可摄入超声药丸)内，但是位于片上超声件外部，而接收波束成形电路系统110和/或其他后处理电路系统可以位于超声设备内的单独电子设备上或者可以位于超声设备耦接到的超声设备外部的电子设备上。
在一些实施例中，存储器可以耦接在滤波器108a和108b与接收波束成形电路系统110(或者更一般地，后处理电路系统)之间，并且接收波束成形电路系统110(或者更一般地，后处理电路系统)可以耦接在存储器与通信电路系统之间。在一些实施例中，存储器可以不存在，并且接收波束成形电路系统110(或者更一般地，后处理电路系统)可以耦接在滤波器108a和108b与通信电路系统之间。在一些实施例中，存储器、接收波束成形电路系统110(或者更一般地，后处理电路系统或其部分)和通信电路系统可以位于片上超声件上。在一些实施例中，存储器、接收波束成形电路系统110(或者更一般地，后处理电路系统)和通信电路系统可以位于超声设备(例如，手持式超声探头、可穿戴超声贴片或可摄入超声药丸)内，但是位于片上超声件外部。
超声设备中的常规DDS电路系统可以被配置成生成频率恒定的正弦波形。本发明人已经开发了用于超声设备的被配置成生成频率随时间变化的波形的DDS电路系统。图2示出了根据本文描述的某些实施例的由时变频率DDS电路系统(例如，时变频率DDS电路系统104)生成的波形的频率与时间的关系的示例图形。波形的频率以初始频率开始，并且在开始时间处频率开始变为最终频率。斜率是频率随时间变化的速率。一旦波形的频率达到最终频率，频率就不再变化。如上文所描述的，控制电路系统(例如，控制电路系统114)可以被配置成控制时变频率DDS电路系统104a和104b的这些参数(初始频率、最终频率、开始时间和斜率)。
为了展示时变频率DDS电路系统的实施方式，最初描述恒定频率DDS电路系统(即，被配置成生成随时间变化频率恒定的波形的DDS电路系统)的实施方式可能是有帮助的。图3是展示了恒定频率DDS电路系统300的示例实施方式的示意图。恒定频率DDS电路系统300包括相位累加器302和相位-振幅转换器304。相位累加器302包括加法器306和延迟框308。相位累加器302的加法器306的第一输入耦接到输入值(dds_step)。加法器306的第二输入耦接到相位累加器302的延迟框308的输出。加法器306的输出耦接到延迟框308的输入。延迟框308的输出还耦接到相位-振幅转换器304的输入。相位-振幅转换器304输出输出值(dds_value)，随着时间的推移，该输出值可以是比如正弦波形等周期性波形。
在运行中，相位累加器302可以(使用延迟框306)为每个周期生成新的相位值，该新的相位值(使用加法器306)将相位累加器302的前一个值与dds_step相加。因此，相位累加器302的输出可以是相位信号，其中每个连续的相位值等于前一个相位值加上dds_step。相位-振幅转换器304可以被配置成将相位信号中的相位值转换成振幅值。换句话说，相位-振幅转换器304可以被配置成输出以相位值为自变量的函数的值。例如，如果当前相位值是θ，则相位-振幅转换器304可以输出sin(θ)或cos(θ)。在一些实施例中，相位-振幅转换器304可以包括查找表。在一些实施例中，相位累加器302可以被初始化为任意值，使得输出波形的初始相位(由相位-振幅转换器304输出)可以被设置为任意值。
相位值(由相位累加器302累加)可以随着每个周期增大，并且由于相位值的固定位宽，最终相位值可以溢出位宽，返回到0，并且再次增大。因此，相位值可以循环，这可以使得输出dds_value为周期性波形。相位值每个周期增大dds_step，并且相位值可能在dds_step较大的较少周期中溢出。因此，较大的dds_step值可能导致输出波形的频率较大。当dds_step恒定时，输出波形的频率可能恒定。因此，值dds_step(或者一般地，相位累加器302的输入)可以被认为是DDS电路系统300的频率输入，该频率输入控制由DDS电路系统300输出的波形的频率。
图4是展示了根据本文描述的某些实施例的时变频率DDS电路系统400的示例实施方式的示意图。时变频率DDS电路系统400可以是包括在图1的时变频率DDS电路系统104a和104b中的电路系统的部分实施方式。时变频率DDS电路系统400是图3的恒定频率DDS电路系统300的修改。相位累加器302和相位-振幅转换器304的配置与恒定频率DDS电路系统300的配置相同。时变频率DDS电路系统400另外包括频率累加器428。频率累加器428包括多路复用器410、加法器412和延迟框414。
多路复用器410的第一输入耦接到dds_step。多路复用器410的第二输入耦接到加法器412的输出。加法器412的第一输入端耦接到值dds_slope。加法器412的第二输入耦接到延迟框414的输出。多路复用器410的输出耦接到延迟框414的输入。延迟框414的输出还耦接到相位累加器302的加法器306的输入。
在运行中，多路复用器410可以选择是从其第一输入输出dds_step，还是从其第二输入输出已经基于dds_slope修改的不同值。多路复用器410可以在输出波形的频率不应该改变时选择第一输入，并且可以在频率应该改变时选择第二输入。具体地，多路复用器410可以在开始时间(图2中)与频率已经达到最终频率值的时间之间选择第二输入。除此以外，多路复用器410可以选择第一输入。可以参考图6找到对从多路复用器410选择输入的进一步描述。
在多路复用器410选择第一输入的情况下，时变频率DDS电路系统400以与恒定频率DDS电路系统300功能等效的方式运行。在多路复用器410选择第二输入的情况下，频率累加器428可以(使用延迟框414)在每个周期处生成新的频率值，该新的频率值(使用加法器412)将频率累加器428的前一个值与dds_slope相加。因此，频率累加器428的输出可以是频率信号，其中每个连续的频率值等于前一个频率值加上dds_slope。频率值是相位累加器302的输入，并且因此如上文所讨论的，可以被认为是时变频率DDS电路系统400的频率输入，该频率输入控制由时变频率DDS电路系统400输出的波形的频率。因为频率值可以由于频率累加器428的运行而随时间变化，所以频率累加器428可以使得时变频率DDS电路系统400输出频率随时间变化的波形。dds_slope的正值越大，就会导致频率增大得越快，而dds_slope的负值越大，就会导致频率减小得越快。如果最初选择多路复用器410的第一输入，然后选择第二输入，则频率值可以在dds_step处开始(当选择第一输入时)并且然后开始改变(当选择第二输入时)，因此由时变频率DDS电路系统400输出的波形的频率最初可以是恒定的并且开始改变，如图2所展示的。
一般地，来自DDS电路系统的频率线性增大或减小的输出波形可以如下表达：
Figure BDA0003432835600000161
其中M是每时间频率的变化(斜率)，f0是初始频率，并且φ是任意相位偏移。
初始频率f0可以如下表达：
Figure BDA0003432835600000162
其中fADC是ADC 102a和102b的频率并且等于DDS电路系统的每个周期的频率，而DDS_PHASE_WIDTH是相位累加器302中的相位值的位宽。
等于每时间频率变化的斜率M可以如下表达：
Figure BDA0003432835600000163
其中DDS_SLOPE_WIDTH是频率累加器428中的频率值的位宽。
因此，来自DDS电路系统的输出波形的上述表达式可以如下表达：
Figure BDA0003432835600000171
dds_slope值可以通过每个周期dds_step(以及因此频率)的变化量来确定。因此，为了确定dds_slope需要多少整数位和小数位，可能必需确定每个周期中dds_step的最大变化和最小变化。
DDS电路系统的规格可以包括针对成像深度dmax将输出波形改变±fmin的能力以及针对成像深度dmin将输出波形改变±fmax的能力。这种第一约束可以规定每个周期中dds_step的最小变化(即最小dds_slope)，并且第二约束可以规定每个周期中dds_step的最大变化(即最大dds_slope)。这些规格可以基于中心频率应该能够移位一定百分比(例如，50％)的要求。具体地，最小移位可以基于超声设备可以用来对最深深度进行成像的最低频率信号的中心频率的特定百分比移位，并且最大移位可以基于超声设备可以用来对最浅深度进行成像的最高频率信号的中心频率的特定百分比移位。例如，超声设备可以用来对最深深度进行成像的最低频率信号可以是2MHz信号，以对25cm的深度进行成像。超声设备可以用来对最浅深度进行成像的最高频率信号可以是10MHz，以对4cm的深度进行成像。假设中心频率移位50％，则基于这些示例参数的规格可以包括针对25cm的成像深度将输出波形频率改变±1MHz以及针对4cm的成像深度将输出波形频率改变±5MHz的能力。
对于给定的频率变化，dds_step的变化可以如下表达：
Figure BDA0003432835600000172
关于每个周期中dds_step的最小变化(即最小dds_slope)，对于成像深度dmax，±fmin的频率变化可以大约等于tmax微秒内±fmin的频率变化，其中tmax微秒是假设声速的值的情况下，声波在深度dmax上来回传播所花费的时间。例如，对于±1MHz的频率变化，25cm的成像深度，并且假设声速为1500m/s，tmax可以是(2·25cm)/(1500m/s)≈333微秒。每个周期中dds_step的最小变化可能发生在成像深度上的最小频率变化和最高ADC频率时。后者可能是正确的，因为每个周期中dds_step的最小变化可能发生在dds_step在所需时间段内周期最多的时候；ADC频率最高的时间段期间的周期最多。假设频率变化为fmin，最高ADC频率为fADC，并且相位累加器302中相位值的位宽为DDS_PHASE_WIDTH。则dds_step中实现fmin频率变化的变化等于
Figure BDA0003432835600000181
频率变化必须发生在tmax内，其等于以fADC运行的ADC的(tmax·fADC)周期。因此，每个周期中dds_step的最小变化(即，最小dds_slope)是
Figure BDA0003432835600000182
如果对于
Figure BDA0003432835600000183
N是最小的数字，则dds_slope中的N个小数位可能是足够的。
关于每个周期中dds_step的最大变化(即，最大dds_slope)，对于成像深度dmin，±fmax的频率变化可以大约等于tmin内±fmax的频率变化，其中tmin是假设声速的值的情况下，声波在深度dmin上来回传播所花费的时间。例如，对于±5MHz的频率变化，4cm的成像深度，并且假设声速为1500m/s，tmin可以是(2·4cm)/(1500m/s)≈53微秒。±fmax的最大频率变化意味着ADC频率必须至少为2·fmax以满足奈奎斯特准则(Nyquist criterion)(以最大信号频率的两倍采样)。对于最慢的ADC频率，可能发生每个周期中dds_step的最大变化。后者可能是正确的，因为每个周期中dds_step的最大变化可能发生在dds_step在所需时间段内周期最少的时候；ADC频率最低的时间段期间的周期最少。假设频率变化为fmax，最高ADC频率为2×fmax，并且相位累加器302中相位值的位宽为DDS_PHASE_WIDTH。则dds_step中实现fmax频率变化的变化等于
Figure BDA0003432835600000191
频率变化必须发生在tmin内，其等于以2·fmax运行的ADC的(tmin·2·fmax)周期。因此，每个周期中dds_step的最大变化(即，最大dds_slope)为
Figure BDA0003432835600000192
如果
Figure BDA0003432835600000193
则可能不需要dds_slope中的整数位。对于
Figure BDA0003432835600000194
(其中N是dds_slope中的小数位数)，如果
Figure BDA0003432835600000195
并且L是最小的数字，则dds_slope中的L个整数位是足够的。
图5是展示了根据本文描述的某些实施例的时变频率DDS电路系统400中的值的示例位宽的示意图。使用标准的Q符号表示位宽，其中周期左边的数字是整数位数并且周期右边的数字是小数位数。可以看出，dds_slope有N个小数位和L个整数位。dds_step值有K个整数位并且没有小数位。dds_slope和dds_step之和(即，频率值)具有K个整数位和N个小数位，其中L<K。相位值具有K个整数位并且没有小数位(即，DDS_PHASE_WIDTH＝K)。相位-振幅转换器304的输出具有P(可能不同于K)个整数位并且没有小数位。L和N为非负整数(L>＝0，N>＝0)，L和N不能都为零，并且K和P为正整数(K>0，P>0)。应当注意，频率累加器428的输出(即，频率值)具有K个整数位和N个小数位，而相位累加器302的输入具有K个位和0个小数位。在这两个阶段之间，频率值的小数位可以被丢弃。频率值的小数位可以继续在频率累加器428中累加。一旦小数位溢出使得频率值的整数位递增，则相位累加器302的输入的整数位可能改变，从而导致输出波形的频率改变。
图6是展示了根据本文描述的某些实施例的时变频率DDS电路系统600的示例实施方式的示意图。时变频率DDS电路系统600可以是时变频率电路系统1004中包括的电路系统的实施方式。时变频率DDS电路系统600是图4的时变频率DDS电路系统实施方式的更完整的实施方式。时变频率DDS电路系统600包括相位累加器302和频率累加器628。频率累加器628与频率累加器428的不同之处在于，频率累加器628包括多路复用器624和决策框626。时变频率DDS电路系统进一步包括加法器628、延迟框620和决策框622。
多路复用器624的第一输入耦接到dds_slope。多路复用器624的第二输入耦接到数字值零。多路复用器624的输出耦接到加法器412的第一输入。决策框626的第一输入耦接到dds_final值。决策框626的第二输入耦接到延迟框414的输出(即频率值)。决策框626的输出耦接到多路复用器624的选择输入。加法器618的第一输入耦接到数字值1。加法器618的第二输入耦接到延迟框620的输出。加法器618的输出耦接到延迟框620的输入。延迟框620的输出还耦接到决策框622的第一输入。决策框622的第二输入耦接到dds_start_ramp值。决策框622的输出耦接到多路复用器410的选择输入。
在运行中，加法器618和延迟框620可以作为计数器操作。计数器值可以在每个周期递增1。决策框622可以将计数器值与dds_final_value进行比较。如果计数器值等于或大于dds_start_ramp，则决策框622可以控制多路复用器410的选择输入来选择多路复用器410的第二输入(其耦接到加法器412的输出)。如果计数器值小于dds_start_ramp，则决策框622可以控制多路复用器410的选择输入来选择第一输入(其耦接到dds_step)。如上文所描述的，多路复用器410可以在输出波形的频率不应该改变时选择第一输入，并且在频率应该改变时选择第二输入。值dds_start_ramp可以是等于输出波形频率应该计时的期望开始时间(即，图2中的开始时间)的周期数。计数器值可以计算已经经过了多少个周期。因此，当计数器值等于或大于dds_start_ramp时，这可以指示已经到达用于改变输出波形频率的开始时间，并且多路复用器410应该选择第二输入，使得频率可以改变。
决策框626可以将dds_final值与频率值进行比较。如果dds_slope为负并且频率值等于或小于dds_final，则决策框626可以控制多路复用器624的选择输入来选择第一输入(其耦接到dds_slope)。如果dds_slope为负并且频率值大于dds_final，则决策框626可以控制多路复用器624的选择输入来选择第二输入(其耦接到0)。dds_final值可以等于导致DDS电路系统产生具有期望最终频率(即，图2中的最终频率)的波形的频率值。如上文所描述的，当输出波形的频率应该改变时，多路复用器410可以选择第二输入。如果频率值还没有达到dds_final，则决策框626可以控制多路复用器624来选择第一输入。如上文所描述的，这可以使得dds_slope和最近的频率值(即，来自加法器412的输出)之和被输入到多路复用器410的第二输入，并且这可以使得频率发生变化。然而，当dds_final值已经达到导致DDS电路系统产生具有期望的最终频率(即，图2中的最终频率)的波形的频率值时，输出波形的频率不应该改变。因此，决策框626可以控制多路复用器624来选择第二输入。这可以使得0和最近频率值(即，来自加法器412的输出)之和被输入到多路复用器410的第二输入。因此，多路复用器410的第二输入处的值可能不会从最近的频率值进一步改变，并且这可能使得输出波形的频率不会进一步改变。
应当理解，控制电路系统(例如，控制电路系统114)可以被配置成通过提供比如dds_step、dds_slope、dds_final和dds_start_ramp等参数来控制时变频率DDS电路系统600，并且具体地控制输出波形的初始频率、输出波形的最终频率、改变输出波形频率的开始时间以及输出波形的频率随时间变化的速度。还应当理解，图3至图6所展示的DDS电路系统的实施方式是非限制性的，并且还可以使用执行相同功能的其他实施方式。
图7展示了根据本文描述的某些实施例的用于处理超声信号的过程700的流程图。过程700可以由接收电路系统(例如，接收电路系统100)执行。在一些实施例中，接收电路系统可以设置在超声设备中的片上超声件上。在一些实施例中，接收电路系统的部分(例如，ADC、下变频电路系统、滤波器和控制电路系统)可以设置在片上超声件上，并且部分(例如，接收波束成形电路系统)可以设置在片上超声件外部的超声设备中。在一些实施例中，接收电路系统的部分(例如，ADC、下变频电路系统、滤波器和控制电路系统)可以设置在片上超声件上，并且部分(例如，接收波束成形电路系统)可以设置在超声设备外部的电子设备中。
过程700从动作702开始。在动作702中，接收电路系统接收超声信号。例如，接收电路系统可以从一个或多个超声换能器接收模拟超声信号。超声换能器可能已经基于接收到超声波生成了模拟超声信号。接收超声信号可以包括使用接收电路系统中的ADC(例如，ADC102a或102b)将模拟超声信号转换成数字超声信号。在一些实施例中，接收电路系统可以从不同的通道接收不同的超声信号。过程700从动作702进行到动作704。
在动作704中，接收电路系统生成具有时变频率内容的波形。换句话说，波形可以包括随时间变化的频率。在一些实施例中，下变频电路系统(例如，下变频电路系统112a或112b)中的DDS电路系统(例如，时变频率DDS电路系统104a、104b、400、500和/或600)可以生成这些波形。在一些实施例中，控制电路系统(例如，控制电路系统114)可以控制DDS电路系统来控制输出波形的参数，比如初始频率、最终频率、改变频率的开始时间以及频率随时间变化的速度。在一些实施例中，控制电路系统可以独立地控制不同通道中的DDS电路系统，使得来自不同通道的输出波形是不同的(例如，具有不同的参数)。过程700从动作704进行到动作706。
在动作706中，接收电路系统使用(在动作704中生成的)频率随时间变化的波形来使(在动作702中接收到的)超声信号在频域中移位。在一些实施例中，下变频电路系统可以被配置成使用正交调制来使超声信号在频域中移位。具体地，乘法器(例如，乘法器106a或106b)可以被配置成使用在动作704中由时变频率DDS电路系统生成的正弦波形在来自ADC的超声信号被数字化之后将该超声信号乘以复信号e-iωt。ω可以是超声信号的中心频率的移位，并且可以随时间变化。实现这种乘法可以包括将超声信号的实部和虚部分别乘以频率随时间变化的波形。在一些实施例中，一个乘法器可以乘以信号的实部和复部两者。在一些实施例中，一个乘法器可以乘以实部，并且一个乘法器可以乘以复部。该乘法可以导致修改来自ADC的超声信号，使得信号的频谱移位以占据不同的频带，例如具有较低中心频率的频带。接收电路系统可以使用在动作704中为每个通道生成的不同波形来不同地频移不同通道中的信号，使得一个通道的时间频移不同于另一个通道的时间频移。过程700从动作706进行到动作708。
在动作708中，接收电路系统对频移的超声信号进行滤波。在一些实施例中，可以是例如CIC滤波器的接收电路系统中的滤波器(例如，滤波器108a或108b)可以执行滤波。滤波器可以执行低通滤波，以去除超声信号(包括超声信号的高频图像)中不期望的频率，从而降低噪声。
当滤波器的频率响应与信号的频谱匹配，使得信号(在频域中)的较少期望部分被拒绝而信号(在频域中)的较少不期望部分被接受时，信号质量(具体地，信噪比)可能更高。将信号的频谱与滤波器的频率响应匹配可以包括使信号频谱的中心频率相对于滤波器的频率响应移位。这可能导致滤波器接受期望的部分并且拒绝不期望的部分。然而，虽然滤波器的频率响应可以是固定的，但是信号在频域中的期望和不期望部分可能随时间变化。当超声波进入人体时，其可能变得呈指数衰减。这种衰减可能与频率有关，因而频率越高就会衰减得越快。因此，对于从身体内逐渐变深的深处反射的信号，信号频谱可能会随着较高频率与较低频率成比例地变弱而改变。实际上，从逐渐变深的深处反射的信号可能具有信号的期望部分被逐渐移位到较低频率的信号频谱。这可能意味着，对于从逐渐变深的深处反射的信号，即越来越晚到达的信号，信号频谱的移位可能需要在频域中逐渐变小以相对于滤波器的频率响应对准频谱的期望部分。将超声信号乘以频率随时间线性变化的波形(在动作706处)可以使得越来越晚到达的信号在频域中的移位逐渐变小。这可以有助于相对于在动作708中执行滤波的滤波器的频率响应来对准期望的频谱部分。通过使信号的频谱及时移位以匹配滤波器的频率响应，可以提高所得信号的质量。过程700从动作708进行到动作710。
在动作710中，接收电路系统对经滤波的频移信号(即，在动作708中生成的信号)执行接收波束成形。在一些实施例中，接收电路系统100中的接收波束成形电路系统(例如，接收波束成形电路系统110)可以执行接收波束成形。接收波束成形可以包括对经滤波的频移信号应用延迟。在一些实施例中，在动作710处执行的接收波束成形可以包括补偿在动作706中执行的频移。应当理解，动作706中的频移是在动作710中的接收波束成形之前执行的。在一些实施例中，动作704可以发生在动作702之前。在一些实施例中，动作702和704可以并行发生。
图8展示了根据本文所描述的某些实施例的示例手持式超声探头800。在一些实施例中，包括ADC(例如，ADC 102a和102b)、下变频电路系统(例如，下变频电路系统112a和112b)、滤波器(例如，滤波器108a和108b)和接收波束成形电路系统(例如，接收波束成形电路系统110)的片上超声件可以设置在手持式超声探头800中。在一些实施例中，包括ADC(例如，ADC 102a和102b)、下变频电路系统(例如，下变频电路系统112a和112b)和滤波器(例如，滤波器108a和108b)的片上超声件以及包括接收波束成形电路系统(例如，接收波束成形电路系统110)的另一电子设备(例如，FPGA)可以设置在手持式超声探头800中。在一些实施例中，包括ADC(例如，ADC 102a和102b)、下变频电路系统(例如，下变频电路系统112a和112b)和滤波器(例如，滤波器108a和108b)的片上超声件可以设置在手持式超声探头800中，并且手持式超声探头800可以(例如，通过有线和/或无线连接)耦接到包括接收波束成形电路系统(例如，接收波束成形电路系统110)的外部电子设备。
图9展示了根据本文描述的某些实施例的示例可穿戴超声贴片900。可穿戴超声贴片900耦接到对象902。在一些实施例中，包括ADC(例如，ADC 102a和102b)、下变频电路系统(例如，下变频电路系统112a和112b)、滤波器(例如，滤波器108a和108b)和接收波束成形电路系统(例如，接收波束成形电路系统110)的片上超声件可以设置在可穿戴超声贴片900中。在一些实施例中，包括ADC(例如，ADC 102a和102b)、下变频电路系统(例如，下变频电路系统112a和112b)和滤波器(例如，滤波器108a和108b)的片上超声件以及包括接收波束成形电路系统(例如，接收波束成形电路系统110)的另一电子设备(例如，FPGA)可以设置在可穿戴超声贴片900中。在一些实施例中，包括ADC(例如，ADC 102a和102b)、下变频电路系统(例如，下变频电路系统112a和112b)和滤波器(例如，滤波器108a和108b)的片上超声件可以设置在可穿戴超声贴片900中，并且可穿戴超声贴片900可以(例如，通过无线连接)耦接到包括接收波束成形电路系统(例如，接收波束成形电路系统110)的外部电子设备。
图10展示了根据本文描述的某些实施例的示例可摄入超声药丸1000。在一些实施例中，包括ADC(例如，ADC 102a和102b)、下变频电路系统(例如，下变频电路系统112a和112b)、滤波器(例如，滤波器108a和108b)和接收波束成形电路系统(例如，接收波束成形电路系统110)的片上超声件可以设置在可摄入超声药丸1000中。在一些实施例中，包括ADC(例如，ADC 102a和102b)、下变频电路系统(例如，下变频电路系统112a和112b)和滤波器(例如，滤波器108a和108b)的片上超声件以及包括接收波束成形电路系统(例如，接收波束成形电路系统110)的另一电子设备(例如，FPGA)可以设置在可摄入超声药丸1000中。在一些实施例中，包括ADC(例如，ADC 102a和102b)、下变频电路系统(例如，下变频电路系统112a和112b)和滤波器(例如，滤波器108a和108b)的片上超声件可以设置在可摄入超声药丸1000中，并且可摄入超声药丸1000可以(例如，通过无线连接)耦接到包括接收波束成形电路系统(例如，接收波束成形电路系统110)的外部电子设备。
对手持式超声探头800、可穿戴超声贴片900和可摄入超声药丸1000的进一步描述可以在2017年6月19日提交并作为美国专利申请公开号2017-0360399A1公布(并转让给本申请的受让人)的名称为“UNIVERSAL ULTRASOUND IMAGING DEVICE AND RELATEDAPPARATUS AND METHODS[通用超声成像设备以及相关装置和方法]”的美国专利申请号15/626,711中找到。
各种发明构思可以体现为一个或多个过程，已经提供了其示例。作为每个过程的一部分执行的动作可以按照任何适合的方式进行排序。因此，实施例可以被构造为以不同于所展示的顺序执行动作，这可以包括同时执行一些动作，即使这些动作在说明性实施例中被示出为顺序动作。进一步，这些过程中的一个或多个过程可以被组合和/或省略，并且这些过程中的一个或多个过程可以包括附加步骤。
本披露内容的各个方面可以单独地、组合地、或以先前所述实施例中未具体描述的各种布置来使用，并且因此其应用不限于先前描述中阐述或附图中所展示的部件的细节和布置。例如，在一个实施例中描述的各方面可以以任何方式与其他实施例中描述的各方面组合。
除非明确指出相反，否则如本文在本说明书和权利要求中使用的不定冠词“一个(a)”和“一种(an)”应理解成意指“至少一个”。
如本文在本说明书和权利要求中使用的短语“和/或”应理解成意指如此联合的元素中的“任一者或两者”，即在一些情况下相结合地出现并且在其他情况下分开出现的元素。用“和/或”列出的多个元素应以相同的方式理解，即如此联合的元素中的“一个或多个”。除了通过“和/或”从句具体指明的元素之外，还可以可选地存在其他元素，而无论是与具体指出的那些元素相关还是不相关。
如本文在本说明书和权利要求中所使用的，短语“至少一个”在提及一个或多个元素的列表的情况下，应被理解为意指选自元素列表中任何一个或多个元素的至少一个元素，但不一定包括在该元素列表内具体列出的每个元素中的至少一个，并且不排除元素列表中的元素的任何组合。该定义还允许除了该元素列表内具体指明的元素之外可以可选地存在短语“至少一个”所指代的元素，而无论与具体指出的那些元素相关还是不相关。
权利要求中用于修饰权利要求要素的序数术语(比如“第一”、“第二”、“第三”等)的使用本身不暗含一个权利要求要素优于另一个权利要求要素的任何优先权、优先地位或顺序或执行方法的动作的临时顺序，而是仅用作标签来区分具有特定名称的一项权利要求要素与具有相同名称(但是使用序数术语)的另一个要素，以区分权利要求要素。
如本文所使用的，对数值在两个端点之间的提及应被理解为涵盖该数值可以采用端点中的任一个的情况。例如，除非另有说明，否则说明特性具有介于A与B之间、或介于大约A与B之间的值应被理解为意指所指示的范围包括端点A和B。
术语“大约”和“约”可以用于意指在一些实施例中在目标值的±20％之内，在一些实施例中在目标值的±10％之内，在一些实施例中在目标值的±5％之内，并且在一些实施例中还在目标值的±2％之内。术语“大致”和“约”可以包括目标值。
而且，本文所使用的短语和术语是为了描述的目的，并不应该被视为限制。“包括(including)”、“包括(comprising)”或“具有(having)”、“包含(containing)”、“涉及(involving)”及其变型在本文中的使用意味着涵盖此后所列各项和其等效物以及附加项。
以上已经描述了至少一个实施例的若干方面，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种更改、修改和改进。这种更改、修改和改进旨在成为本披露内容的目标。因此，上述描述和附图仅作为示例。

Claims (21)

1.一种超声装置，包括：
第一下变频电路系统，该第一下变频电路系统包括：
第一直接数字合成(DDS)电路系统，该第一直接数字合成电路系统被配置成生成具有时变频率内容的第一波形；并且
其中，该第一下变频电路系统被配置成使用具有时变频率内容的这些第一波形来使第一超声信号在频域中移位，以产生第一频移超声信号；
第二下变频电路系统，该第二下变频电路系统包括：
第二直接数字合成(DDS)电路系统，该第二直接数字合成电路系统被配置成生成具有时变频率内容的第二波形；并且
其中，该第二下变频电路系统被配置成使用具有时变频率内容的这些第二波形来使第二超声信号在该频域中移位，以产生第二频移超声信号；以及
控制电路系统，该控制电路系统被配置成独立地控制该第一DDS电路系统和该第二DDS电路系统，使得这些第一波形和这些第二波形是不同的。
2.如权利要求1所述的超声装置，进一步包括：
一个或多个第一超声换能器，该一个或多个第一超声换能器被配置成基于接收到第一超声波来生成该第一超声信号；
一个或多个第二超声换能器，该一个或多个第二超声换能器被配置成基于接收到第二超声波来生成该第二超声信号；并且
其中，该一个或多个第一超声换能器和该一个或多个第二超声换能器处于超声换能器的二维阵列中。
3.如权利要求2所述的超声装置，其中，该一个或多个第一超声换能器、该一个或多个第二超声换能器、该第一下变频电路系统、该第二下变频电路系统和该控制电路系统集成在单个半导体芯片或呈堆叠构型的一个或多个半导体芯片上。
4.如权利要求3所述的超声装置，其中，该单个半导体芯片或呈堆叠构型的该一个或多个半导体芯片设置在手持式超声探头中。
5.如权利要求1所述的超声装置，其中，该控制电路系统被配置成控制该第一DDS电路系统和该第二DDS电路系统，使得这些第一波形和这些第二波形的一个或多个参数是不同的，该一个或多个参数包括初始频率、最终频率、频率变化的开始时间和/或频率随时间变化的速度。
6.如权利要求1所述的超声装置，其中，该第一下变频电路系统被配置成使用正交调制来使用具有时变频率内容的这些第一波形使该第一超声信号在该频域中移位。
7.如权利要求1所述的超声装置，进一步包括：
第一低通滤波器，该第一低通滤波器被配置成对该第一频移超声信号进行滤波；以及
第二低通滤波器，该第二低通滤波器被配置成对该第二频移超声信号进行滤波。
8.如权利要求1所述的超声装置，其中，该第一下变频电路系统进一步包括乘法器，该乘法器被配置成将该第一超声信号的实部和虚部乘以具有时变频率内容的这些第一波形。
9.如权利要求1所述的超声装置，其中，该第一DDS电路系统被配置成通过生成中心频率随时间线性变化的波形来生成具有时变频率内容的这些第一波形。
10.如权利要求1所述的超声装置，其中，该第一DDS电路系统被配置成通过生成中心频率随时间减小的波形来生成具有时变频率内容的这些第一波形。
11.如权利要求1所述的超声装置，其中，该第一DDS电路系统被配置成通过生成中心频率随时间增大的波形来生成具有时变频率内容的这些第一波形。
12.如权利要求1所述的超声装置，其中，该第一下变频电路系统和该第二下变频电路系统被配置成分别使该第一超声信号和该第二超声信号在该频域中不同地移位，使得该第一超声信号在频率上随时间的移位不同于该第二超声信号在频率上随时间的移位。
13.一种超声装置，包括：
下变频电路系统，该下变频电路系统包括：
直接数字合成(DDS)电路系统，该直接数字合成电路系统被配置成生成具有时变频率内容的波形；并且
其中，该下变频电路系统被配置成使用具有时变频率内容的这些波形来使超声信号在频域中移位，以产生频移超声信号；以及
接收波束成形电路系统，该接收波束成形电路系统被配置成对该频移超声信号执行接收波束成形；
其中，该下变频电路系统位于该接收波束成形电路系统的上游。
14.如权利要求13所述的超声装置，进一步包括：
一个或多个超声换能器，该一个或多个超声换能器被配置成基于接收到的超声波来生成该超声信号；并且
其中，该一个或多个超声换能器处于超声换能器的二维阵列中。
15.如权利要求14所述的超声装置，其中，该一个或多个超声换能器和该下变频电路系统集成在单个半导体芯片或呈堆叠构型的一个或多个半导体芯片上。
16.如权利要求15所述的超声装置，其中，该接收波束成形电路系统集成在该单个半导体芯片或呈堆叠构型的该一个或多个半导体芯片上。
17.如权利要求16所述的超声装置，其中，该单个半导体芯片或呈堆叠构型的该一个或多个半导体芯片设置在手持式超声探头中。
18.如权利要求15所述的超声装置，其中，该接收波束成形电路系统和该单个半导体芯片或呈堆叠构型的该一个或多个半导体芯片设置在手持式超声探头中。
19.如权利要求18所述的超声装置，其中，该接收波束成形电路系统是在现场可编程门阵列(FPGA)上实施的。
20.如权利要求13所述的超声装置，其中，该接收波束成形电路系统进一步被配置成补偿该超声信号在该频域中的移位。
21.一种方法，包括：
接收超声信号；
生成具有时变频率内容的波形；
使用频率随时间变化的这些波形来使该超声信号在频域中移位，以产生频移超声信号；
对该频移超声信号进行滤波，以产生经滤波的频移超声信号；以及
在该移位和该滤波之后，对该经滤波的频移超声信号执行接收波束成形。
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