專利名稱：具有可控相位相干性的超聲回波記錄儀的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種超聲回波記錄儀，它至少包括一組具有n個超聲傳感器的組合、一個為朝向待測介質(zhì)發(fā)射超聲波的發(fā)射級和一個為接收和處理遇到介質(zhì)中的障礙物反射回的超聲信號的接收和處理級，這n個傳感器可以排成一個一維行陣、二維陣列或者一個平面的或曲面的帶有扇形分段的或者不帶有扇形分段的環(huán)形陣列。
本發(fā)明可應用于醫(yī)學領域或材料無損檢測領域中，具有突出的優(yōu)點。
在醫(yī)學領域，本申請可以作定性分析，這主要是在需要獲得一個待測介質(zhì)盡可能精確的圖象和特別是需要顯示出器官和定向反射壁(例如血管)的時候;它還可以用于定量分析，這主要是在需要精確地表現(xiàn)出為了進行病理研究而要檢測生物組織的時候，例如通過精確的測量類似在被測介質(zhì)中超聲波的衰減參數(shù)的量值的方式進行所述研究。例如，在一篇題目為“醫(yī)學電子學超聲成象原理和超聲成象中的定量分析”的這篇文章就描述了這種醫(yī)學應用。這篇文章發(fā)表在名稱為“TouteI′Electronique”的雜志上(No.497，October1984，PP31-37)。
在材料的無損檢驗領域中，同樣重要的是對材料內(nèi)部的裂紋或其他缺陷進行定性的檢測，或者是完成與無損檢測有關(guān)的定量測定，在這種情況下仍然主要地是通過精確地測定與超聲波本身的特性有關(guān)的參量(例如通過測量超聲波的衰減量)的方式。所涉及的材料是真正的固體材料，例如包含晶?；蚶w維材料、復合材料、陶瓷等，一般來說也可以是所有的多種材料，也包括疏松的材料，例如干酪、牛奶制品、肉類，總而言之包括在食品農(nóng)業(yè)領域中所要遇到的所有產(chǎn)品。
L.J.Busse和J.G.Miller在名稱為“JournalofAcousticalSocietyofAmerica”的雜志〔70(5)，November1981，PP1377-1386〕上所發(fā)表的題為“利用相位敏感壓電接收器和相位不敏感聲電接收器測定空間非均勻的超聲輻射”的文章中強調(diào)了相位概念在超聲波傳播和檢測中的重要性，并且論證了應用對超聲波瞬間相位不敏感的傳感器可能在定性的成象或在定量的測量中得到更可靠的觀測結(jié)果。例如，這樣的一種發(fā)現(xiàn)是在測量作為頻率的函數(shù)的衰減量的過程中通過對一些具有特定孔徑的接收傳感器的研究作出的。所述超聲波的振幅的變化是所述頻率的函數(shù);這一振幅在某些頻率周圍大大地減小了和/或消失了。實際上，在某些頻率和某些位置上，對被研究的復合信號的分量有局部的或整體的補償，同時，被檢測的超聲波能量本身的變化由于采用了對相位不敏感的傳感器而保持非常有限的程度。
然而，在目前使用的那些超聲回波記錄儀沒有裝備對相位不敏感的傳感器結(jié)構(gòu)，所以容易掩蓋住所發(fā)射的超聲波的相干作用，因而對器官的輪廓或材料內(nèi)部的缺陷(或者更一般地說被檢測介質(zhì)內(nèi)部的固定的反射壁的輪廓)的定性測定受到了干涉的影響，如上文所指出的那樣，這種干涉可能是相長干涉，或者是相消干涉，這是由于在被檢測介質(zhì)中包含有眾多的散射體，它們導致產(chǎn)生了被稱為斑點的缺陷所污染了的圖象，也就是說在圖象上出現(xiàn)了斑點或顆粒狀污染。此外，由于作為來自被檢測介質(zhì)內(nèi)部的隨機分布的眾多的散射體的回波信號分析結(jié)果的聲學參數(shù)(例如衰減量)的測量需要記錄大量的解相關(guān)的回波記錄線，因而需要在測量期間移動傳感器，這樣就使空間分辨率明顯下降。此外，所述回波信號的這一分析受到介質(zhì)內(nèi)部可能存在的定向反射體的干擾，只有通過精確地測定這些反射體的位置，以便排除這些反射體的影響，才能校正這一分析結(jié)果。
因此，本發(fā)明的任務就是提供一個超聲回波記錄儀，該儀器除能獲得一個得到改善的被測介質(zhì)的回波記錄圖象之外，還能完成聲學參數(shù)的精確測定而不損失空間分辨率。
為此目的，本發(fā)明提供一個超聲回波記錄儀，其特征在于所述發(fā)射級包括位于前方的被指定用于發(fā)射超聲波的一系列超聲傳感器，一組相應數(shù)目的為了激勵這些被指定用于發(fā)射的傳感器的信號發(fā)生器，這些激勵信號發(fā)生器同一個為確定發(fā)生器的每一觸發(fā)時刻而設置的唯一的時鐘電路相連接，這些觸發(fā)時刻是根據(jù)疊加在作用于被指定用于發(fā)射的傳感器的一個聚焦寬限時間(focusinglaw)和一個可能的角度寬限時間(angulationlaw)上的一個隨機延遲寬限時間(law)來確定，所述的這些延遲時間值的分布特點是這些數(shù)值的變化應被包含在至少相應于檢測介質(zhì)內(nèi)的超聲波的半波長的傳播時間的間隔內(nèi)。
在第一個簡化發(fā)射級結(jié)構(gòu)的方案中，本發(fā)明的任務也是提供一個超聲回波記錄儀，其特征在于所述發(fā)射級包括位于前方的被指定用來發(fā)射超聲波的一系列超聲波傳感器，一個控制所述被指定用于發(fā)射的超聲波傳感器激勵的控制電路，該電路本身一方面包括一個激勵信號發(fā)生器，另一方面在所述發(fā)生器的輸出端和在與被指定用于發(fā)射的傳感器的數(shù)目相同的并聯(lián)通道之中還包括有為了使這些傳感器的激勵時刻延遲的多條延遲線，所述時刻的延遲是由所述激勵信號根據(jù)疊加在作用于被指定用于發(fā)射的傳感器的一個聚焦寬限時間和一個可能的角度寬限時間上的一個隨機延遲寬限時間來實現(xiàn)的，這些隨機延遲時間的數(shù)值分布的特點是這些數(shù)值的變化應被包含在至少相應于在被測介質(zhì)內(nèi)超聲波的半波長的傳播時間的間隔內(nèi)。
在第二個方案中，更進一步簡化了發(fā)射級的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的任務同樣是提供一個超聲回波記錄儀，其特征在于所述發(fā)射級包括位于前方的被指定用于發(fā)射超聲波的一系列的超聲波傳感器，一個控制這些被指定用于發(fā)射的傳感器激勵的控制電路，該電路本身一方面包括一個激勵信號發(fā)生器，另一方面在該發(fā)生器的輸出端和在與被指定用于發(fā)射的傳感器數(shù)目相同的并聯(lián)通道中還包括有為延遲這些傳感器的激勵時刻而設置的延遲線，所述時刻的延遲是由所述激勵信號根據(jù)疊加在作用于被指定用作發(fā)射的傳感器的一個聚焦寬限時間和一個可能的角度寬限時間上的一個隨機延遲寬限時間來實現(xiàn)的;并且還包括有為通過布線確定處于O或π兩種相位狀態(tài)的一個偽隨機相位變換的寬限時間的一些條件變換電路，該寬限時間準備疊加在所述聚焦和角度寬限時間上。
實現(xiàn)本發(fā)明可能不再是在于發(fā)射級，而是在接收和處理級。為此，本發(fā)明的任務是提供一個超聲回波記錄儀，其特征在于所述接收和處理級包括處于用于聚焦和可能用于聲束角度的在指定用作接收的超聲波傳感器的輸出端所設置的那些延遲線和用于處理回聲信號的那些電路之間的N個本身又包括n條延遲線的組件，這每一條延遲線的延遲都是隨機的，通過線接線的方式將這n條延遲線與n條聚焦延遲線相連接，采取這樣一種方式的目的在于將一個隨機延遲寬限時間疊加在作用于所述指定用于接收的傳感器的所述聚焦和可能的角度寬限時間上，這N個組件本身還包括這些隨機延遲線的n個輸出信號的N個加法器;其特征還在于所述N個組件的n條隨機延遲線的延遲數(shù)值是按照下述隨機方式分布的，即這些數(shù)值的變化被包含在相應于至少在被測介質(zhì)內(nèi)部的超聲波的半波長傳播的時間間隔內(nèi)。
在第一個被簡化的接收級的方案中，與曾提出過的發(fā)射級相類似，本發(fā)明的任務也是提供一個超聲回波記錄儀，其特征在于所述接收和處理級包括處于用于聚焦和可能用于聲束角度的在被指定用于接收的超聲波傳感器輸出端的那些延遲線與用于處理回波記錄信號的那些電路之間的N個其本身是由n個條件變換電路組成的組件，這n個條件變換電路線與線地與n個聚焦延遲線相連接，采取這樣一種方式的目的在于將一個處在O和π兩個狀態(tài)下的偽隨機相位變換的寬限時間疊加在作用于所述被指定用于接收的傳感器的所述聚焦和可能的角度寬限時間上，所述N個組件本身還包括這些條件變換電路的n個輸出信號的N個加法器。
在第二個接收級的結(jié)構(gòu)方案中，同樣可以同已提出過的發(fā)射級的結(jié)構(gòu)方案相比較，本發(fā)明的任務也是提供一個超聲回波記錄儀，其特征在于所述接收和處理級包括處在用于聚焦和可能用于聲束角度的在被指定用于接收的超聲波傳感器的輸出端所設置的那些延遲線和那些用于處理回波記錄信號的電路之間的一組并聯(lián)的條件變換電路，其數(shù)目等于所述延遲線的數(shù)目并且每一條件變換電路本身包括一個非反相通道和一個并聯(lián)的反相通道;所述接收和處理級還包括這些條件變換電路的n個輸出信號的N個加法器;其特征還在于在所述這些條件變換電路中的非反相和反相通道的輸出端和相應的加法器的輸入端之間的連接是按照一個用于完成一種處于O和π兩種狀態(tài)的偽隨機相位變換的寬限時間通過布線來形成的，上述的寬限時間準備疊加在作用于所述被指定用于接收的超聲波傳感器的聚焦和可能的角度寬限時間上。
在主要是定性應用的情況下，在接收級中，回波記錄信號的處理電路包括所述加法器的輸出信號的N個包絡線檢波器，一個對這樣構(gòu)成的N個包絡線求和的包絡線加法器，以及一個視頻顯示器和/或存儲組件。
在要求以定量方式測定一個參數(shù)，例如測定在被測介質(zhì)中的衰減參數(shù)的情況下，用于處理回波信號的這些電路包括N個確定滑動時間窗口的電路，N個快速付利葉變換電路，一個供這些快速付利葉變換電路輸出的加法器和一個為測定與該加法器平均輸出功率譜有關(guān)的參量和估價在被檢測介質(zhì)內(nèi)超聲波衰減參數(shù)β的處理單元。
在需要對某一特定頻率F的衰減參數(shù)進行測定的場合，所述這些回波記錄信號處理電路包括n個帶通濾波器，N個包絡線檢波器，N個對數(shù)放大器和一個為測量斜率和估價被測介質(zhì)內(nèi)部的衰減參數(shù)β的電路。
這些接收和處理級的結(jié)構(gòu)是模擬方式，但也可以建議采用數(shù)字方式。根據(jù)本發(fā)明的回波記錄儀，其特征在于在所述n個傳感器的輸出端和所述n個聚焦和角度延遲線的輸入端之間分別設置了n個模-數(shù)變換器，其特征還在于為跟蹤所述這些變換器所設置的電路是數(shù)字式的。
最后，在它們的模擬的和數(shù)字的變換方式中，所述接收和處理級的結(jié)構(gòu)可以同為發(fā)射級所提出的三種結(jié)構(gòu)之一相組合。
在這些所建議采用回波記錄儀的結(jié)構(gòu)中，實質(zhì)性的技術(shù)效果就在于降低了發(fā)射信號和/或相應于由所述傳感器所接收的相干的或非相干的超聲波的被處理的回波記錄信號的相位相干性。事實上在發(fā)射級和/或接收級所施加的延時是隨機的，也就是說這些數(shù)值代表了由它的確定的時間間隔(這個時間間隔具有該聲學周期的數(shù)量級)和由它的空間相關(guān)長度所確定的一個相同的隨機過程的N個狀態(tài)。此外，這些延遲是根據(jù)這樣一個方式選擇的，這種方式就是在發(fā)射級的輸出端和/或不同組件的輸出端的信號是解相關(guān)的。例如，在接收級要降低相干性的情況下，對于來自多散射介質(zhì)的回波來說，這N個信號的包絡線是不同的，或者在另一種情況下，當這些回波來自一個反射體，那么這N個信號的包絡線就是相同的。這樣一來就使得信噪比增加，因而圖象中出現(xiàn)的顆粒狀缺陷，即“斑污”就大大減少，從而有關(guān)反射體的信息被加強了。
在上述的一篇法國專利申請NO.87/07795(該申請在本申請日之前尚未公開)中，所提出的建議不是利用變得對相位不敏感的傳感器進行測量(例如在由L.J.Busse和J.G.Miller參照上文所著的文章中所提出的觀點)，就是說為了降低在待測介質(zhì)內(nèi)部傳播的超聲波的這種相干性，可以使一個復雜信號的分量對局部相位相干性不敏感，這可以通過利用可移動的機械裝置來完成。更具體地說，在該申請中所提出的技術(shù)解決方案的要點是至少同一個位于所述超聲波傳播束的路徑上至少一個隨機相位屏上的回波記錄儀的傳感器結(jié)構(gòu)的傳感器相連接。這個屏曾用某種材料制成片狀，它至少有一個面具有隨機分布的顆粒粗糙度，顆粒的尺寸應該足夠大，以便能獲得達到相位反相的相位差，這個屏相對于超聲波束可以按旋轉(zhuǎn)方式或按平移方式或按旋轉(zhuǎn)結(jié)合平移的方式運動。
這樣，在上述這篇申請中，通過記錄隨機相位屏上各個位置上的同一條回波記錄線，然后對所有的這些對應的包絡線求和，這些同仍然處在同樣位置的反射體有關(guān)的這些包絡線的最大值是線性疊加的。而對與多散射體相聯(lián)系的這些最大值這些多散射體在被測介質(zhì)內(nèi)的分布不同于反射體，是完全隨機的，僅根據(jù)一個平方形式增長疊加，因此，反射體反差的改善具有所述屏的不同的位置的數(shù)目的平方形式的數(shù)量級。
然而，當隨機相位屏的機械移動使這些測量時間下降越多，適用的位置的數(shù)目就越多。盡管為了減少這個時間可以作多種安排(例如安排兩個可以相對運動的隨機相位屏，可以使得在兩個相繼的測量位置之間的位置差值減少)。這種所應用的原理固有的特性在實際上將測量的節(jié)奏限制在大約每秒鐘一幅圖象。另一方面，利用本發(fā)明中所提出的回波記錄儀的結(jié)構(gòu)進行實時測量是完全可行的。
下面結(jié)合附圖來描述，以便使本發(fā)明的具體特點和優(yōu)點更加清楚，這些附圖是作為非限定的實施例給出的。


圖1給出了根據(jù)本發(fā)明的超聲回波記錄儀的總體圖。
圖2和圖3給出了圖1的超聲回波記錄儀的發(fā)射級的兩個實施例，圖4給出了該超聲回波記錄儀的接收和處理級的實施例。
圖5a、5b、5c使人們可以理解當這個回波記錄儀包括圖4所示的那樣的接收和處理級時，關(guān)于反射體的位置信息是如何從本發(fā)明的回波記錄儀的回波記錄線來獲得的。
圖6a示出如何借助一個滑動時間窗口對一條回波記錄線進行分析，圖6b示出了對于一條回波記錄線的作為頻率F的函數(shù)的功率譜，並且表明從該功率譜得到它的主要參數(shù)因子(譜寬、中心頻率)是不可能的，這是因為這個譜實際上由于受到噪聲的干擾而在譜線上包含許多波谷，圖6c示出了對一組回波記錄線經(jīng)平滑過的平均功率譜，它仍是頻率的函數(shù)。圖6d示出了作為深度Z的函數(shù)的平均功率譜的中心頻率F(z)和譜寬度σ(z)得到了改善的情況。
圖7a和7b分別對應于圖4的接收和處理級的兩個改進的實施例，特別是指出了位于延遲線組件的輸出信號的加法器后面的該級的改進，這一部分級將用于測定在被檢測的介質(zhì)內(nèi)部的超聲波衰減參數(shù)β。
一個用超聲回波記錄儀檢測介質(zhì)的裝置，即超聲回波記錄儀，通常至少包括一個超聲傳感器，該傳感器一方面同朝向待檢測介質(zhì)發(fā)射超聲波的發(fā)射級相連接，在另一方面又同接收和處理從被測介質(zhì)中的超聲波碰到的各種障礙物反射的超聲回波的接收和處理級連接;因為這樣的一種回波記錄儀的結(jié)構(gòu)是常規(guī)類型的，所以在這里不需詳細描述。需要直接指出的是，這個傳感器結(jié)構(gòu)本身，在這種情況下，可以是這樣的一些超聲傳感器排成的一維或二維陣列，或者是平面的或曲面的圓環(huán)陣列(就是說考慮到發(fā)射波或接收信號的預聚焦的要求基本上成球杯狀)，該環(huán)形陣列可以帶有扇形分段，也可以不帶有扇形分段。
在將要描述的實施例中，本發(fā)明既可在發(fā)射級實施，也可在接收和處理級實施，或者在這兩者中同時實施。在圖1中被充分描述和表示的例子中，一個控制朝向待測介質(zhì)10發(fā)射超聲波的發(fā)射級100與一組n個超聲傳感器200相連接，在此處n例如可以等于64，這些相應的傳感器順次用編號101至164來代表，這個同一組用于發(fā)射的傳感器在這種情況下也用于接收(但發(fā)射和接收也可能使用不同結(jié)構(gòu)的傳感器)並且也同樣與接收和處理級300相連接。對發(fā)射級100和接收處理級300還要作進一步詳細的描述。需要說明的是待檢測的介質(zhì)10是一個生物器官或組織，或者是一種材料，並且這種介質(zhì)中實際上存在兩種反射體介質(zhì)一種被稱為反射體，它具有超過超聲波的波長的尺寸，因此它對這些聲波的作用類似于一面鏡子;另一個稱為眾多散射體，即一些明顯小于該超聲波的波長的障礙物，它引起了該超聲波的散射彌散，在各個方向上幾乎是均勻的。
在圖2所示的實施例中，在發(fā)射級中安裝了本發(fā)明的設備，為此，它包括位于前面的一些被指定用于發(fā)射的傳感器(這可能是n個傳感器101至164的總和);一些相應數(shù)目的用于激發(fā)這些被指定用于發(fā)射的傳感器信號發(fā)生器201，這些發(fā)生器201與一個確定每個發(fā)生器的觸發(fā)時刻的時鐘電路相連接，這些觸發(fā)時刻是根據(jù)一個允許即將發(fā)射的超聲信號的相位相干的隨意變更的一個隨機延遲寬限時間來確定的。
所述的延遲的隨機性質(zhì)必須根據(jù)以上的限定含義來解釋(一個相同的隨機過程有各種推斷)。這個隨機寬限時間應該疊加在聚焦和可能的角度寬限時間之上，通常用這一延遲寬限時間來控制被指定發(fā)射的傳感器。這個延遲寬限時間的控制是通過在時鐘電路202中提供一個脈沖信號發(fā)生器和對這樣脈沖信號進行計數(shù)來實現(xiàn)的。在這些被計數(shù)的脈沖信號的某些特定位置觸發(fā)了激勵信號發(fā)生器201，這些位置是根據(jù)所尋求的隨機延遲寬限時間和所施加的聚焦和角度寬限時間來確定的。
在圖3所示的這一發(fā)射級的第一個經(jīng)過改進的實施例的特點在于在用于被指定發(fā)射的傳感器的激發(fā)控制電路中除了一個唯一的激勵信號發(fā)生器301外，沒有其它任何發(fā)生器。在這一發(fā)生器的輸出端裝有同被指定發(fā)射的傳感器的數(shù)目相同的並聯(lián)通道。這些並聯(lián)通道一方面包括延遲線302，這樣延遲線為了根據(jù)加在其上的聚焦和角度的寬限時間來延遲這些傳感器的激勵信號，另一方面還包括延遲線303，它是為了疊加附加延遲，即加到延遲線302上的延遲時間的隨機延遲時間而提供的。這些延遲線303的延遲時間是根據(jù)一個疊加在聚焦和角度寬限時間上的隨機延遲寬限時間來確定的。延遲線302和303是串聯(lián)的，或者可能構(gòu)成一個單獨的延遲線組，使之在每個并聯(lián)通道內(nèi)分別加入相應于兩個寬限時間疊加的延遲時間。
在圖3的結(jié)構(gòu)中，以圖示方式從原理上說明了延遲線302和303的各自作用，在所示的這些延遲線中，都畫出一小方塊來代表延遲時間的長短，其長度和相應的延遲線所引起的延時數(shù)值成比例。這樣，就表示出了在由這些延遲線302所提供的聚焦(如果該聲束是傾斜的話，還應包括角度)延遲的協(xié)調(diào)性質(zhì)和由延遲線303所提供的附加延遲的隨機的性質(zhì)之間的區(qū)別。在圖2和圖3的結(jié)構(gòu)中，這些附加延遲的數(shù)值是按照這樣的方式分布的，即這些數(shù)值的變化應包括在至少相應于在被檢測介質(zhì)內(nèi)的超聲波的半波長的傳播的時間間隔內(nèi)。當然這種選擇只能作為例子，而不能構(gòu)成對本發(fā)明的限定。
在這兩個實施例中，回波記錄儀的接收和處理級具有常規(guī)類型的結(jié)構(gòu)，與此相反，回波記錄儀的發(fā)射級可以是常規(guī)類型的，而接收和處理級是采用本發(fā)明的裝置。如前所述，本發(fā)明的裝置可以將全部或部分提供的傳感器用于接收。在這種情況下，假設使用n個傳感器，並認為這個數(shù)目的選擇例如被選為64，不是作為限定。
在圖4所示的第一個實施例子中，接收和處理級一方面包括64(一般情況下為n)條延遲線401a至401n，其類型與延遲線302(圖3)相同，它們既要以常規(guī)方式保證在接收時的電子學聚焦。還要可能保證在使用一種稱為相控陣列的傳感器結(jié)構(gòu)的具有相移的回波記錄儀的檢測聲束的取向。眾所周知具有相移的回波記錄儀在電子學上提供了引起一與相控陣列中的每一個傳感器相聯(lián)系的延遲時間的變化的可能性，這種變化不僅在與陣列平面成傾斜指向超聲波的發(fā)射中存在，也在對被傾斜方向接收到的回波的動態(tài)聚焦中存在。
連接在這些常規(guī)的延遲線上的是N個相同的組件420A到420N(例如，在這里N＝50)，每一個組件包括64(一般情況下為n)條延遲線420a至420n，例如在圖4中只表示出了組件的延遲線420A和420N，而這些延遲線的數(shù)目應等于N×n。在每個組件中的64(或n)條延遲線的延遲數(shù)值是隨機分布的，這些數(shù)值的變化被包括在至少與被檢測介質(zhì)內(nèi)的超聲波的半波長傳播的時間相對應的間隔內(nèi)，每一個組件420A至420N並聯(lián)工作，而所做的安排應能保證每個組件中的各個隨機延遲是按照這樣的方式選擇的，即使在每一個組件的輸出端出現(xiàn)的信號的包絡線在它們之間是不相關(guān)的。
這50(或N)個並聯(lián)的組件還包括50(或N)個加法器430A至430N，每個加法器對64(或n)個相應的回波記錄信號(即射頻信號)求和。在組件的這些加法器的輸出端接有50(或N)個包絡線檢測器440A至440N，一個將來自這些包絡線檢波器的50(或N)個包絡線相累加的加法器450和一個視頻顯示和/或存儲組件460。
在這50(或N)個加法器430A至430N的輸出端就可以得到50(或N)個解相關(guān)的回波記錄信號，圖5a和圖5b給出了加法器430A至430N之中的兩個加法器的輸出信號的例子，分別示出了對于兩個不同的隨機延遲時間的選擇值所得到的回波記錄線e(t)的記錄，可以發(fā)現(xiàn)，在相應的包絡線檢波器的輸出端同反射體有關(guān)的相應的包絡線(為了方便起見在同樣的圖上示出)的最大值出現(xiàn)同一位置上，對于與多散射體有關(guān)的包絡線的最大值出現(xiàn)的位置與上述情況是不同的。圖5c示出了加法器450的輸出信號S(t)並且表明了這樣的事實，即對50(或N)個包絡線檢波器440A至440N的輸出信號取平均處理的加法器450顯著地降低了或甚至于消除了這些最大值，因此使圖象的起伏變得平滑，同時保留了與反射體有關(guān)的信息。
在剛剛描述過的接收和處理級的實施例中，已經(jīng)獲得了一個被檢測介質(zhì)的基本上改進了的回波記錄圖象。通過對這些回波記錄信號的不同處理，還可以對一些參數(shù)進行精確的定量測量，例如在被檢測介質(zhì)中的超聲波的衰減參數(shù)，一般稱為β的測量。
如圖6a所示的那樣，通過一個沿著回波記錄線e(t)移動的分析時間窗口對于一個相應于一個隨機延遲值的給定分布所記錄的回波記錄線e(t)進行累加分析，這個分析窗口20確定了一個對應于細胞組織的厚度dz＝cdt的時間區(qū)域?qū)挾萪t。衰減參數(shù)是根據(jù)對被分布在介質(zhì)10中的多散射體發(fā)射的回波30的分析來測定的。在這個意義上，反射區(qū)40相當于寄生信號，與該寄生信號相對照，把圖5a、5b和5c結(jié)合起來，通過限制這些區(qū)的干擾影響來完成前述的處理過程，為了做到這一點，只要根據(jù)圖6a所示的那樣沿著回波記錄線移動時間窗口，同時避開反射區(qū)就可以了，因為這些反射區(qū)整個地處在這些回波記錄線之中，所以是已知的。
對于沿回波記錄線e(t)的分析窗口20的一個給定位置，一個由時間t表征的位置，也就是說以深度Z＝Ct/2表征的位置，而對于這些隨機延遲時間數(shù)值的一個給定的分布，相應的功率譜以A2Z(F)來代表，它作為頻率F的函數(shù)在圖6b中通過付利葉變換計算出了該功率譜，因為這個譜的形狀嚴重地受到了噪聲的干擾，使衰減參數(shù)的精確測量變?yōu)槔щy，由于大量來自位于測量窗口之中的眾多散射體的回波影響的存在，而使這個譜中出現(xiàn)一些波谷。另一方面，本發(fā)明的優(yōu)點是，當在同一分析窗口20內(nèi)對來自加法器430A至430N輸出端的基本功率A2Z(F)求和時，所得到的結(jié)果是一個高質(zhì)量的平滑的平均功率譜A2Z(F)(圖6C)，它不再含有任何波谷，這樣就能夠高精度地，特別是對每一個深度Z，測定中心頻率F(z)和平均功率譜A2Z(F)的譜寬σ(z)。求出F(z)和σ(z)同z的關(guān)系(圖6d)后，就可以根據(jù)公式
推導出衰減量β。
另一種可以計算F(z)和σ(z)的方法是不用這種總是使儀器受到干擾的付利葉變換技術(shù)，這種方法的要點在于對于一個隨機延遲時間的給定分布，根據(jù)對在以t為中心(或Z＝Ct/2)的分析窗口20之中的這些回波記錄線通過零點的數(shù)目的平均值來確定中心頻率F(z)，眾所周知，通過零點的數(shù)目和中心頻率F(z)成比例，關(guān)于譜寬σ(z)可得益于這樣一個事實，即在計算它的時候，認為它基本不隨深度變化，它完全可以認為是反射發(fā)射的超聲波信號的平面上的回波記錄的結(jié)果。
圖7示出了為了測定衰減量β而對位于加法器430A至430N后面的圖4中的接收和處理級的兩個改進方案。根據(jù)圖7a的方案，它與圖6a至圖6d有關(guān)，對于在確定一個滑動時間窗口20的電路711中的每一個組件420A至420N中對這些回波記錄線e(t)進行分析，借助快速付利葉變換電路712計算基本功率譜A2Z(F)，利用加法器713對其求和，然后處理單元714計算在加法器713的輸出端所獲得的平均功率譜AZ2(F)的參數(shù)σ(z)和F(z)，最后，從作為Z的函數(shù)的σ(z)和F(z)導出β值。
根據(jù)圖7b的方案，任務是測定對應一個特定的頻率F的衰減量。為此利用一個中心頻率為F的窄帶帶通濾波器721對每個組件的輸出回波記錄線濾波利用包絡線檢波器722計算這個被濾波過的信號的平均包絡線。按照這種方法得到的平均包絡線是一下降的指數(shù)曲線exp〔-α(F)Ct/2〕，其中α(F)是對應頻率F的衰減量。一個對數(shù)放大器723將這一指數(shù)曲線轉(zhuǎn)化為一個斜率為-α(F)C/2的直線，借助于計算單元724的幫助進行線性回歸，從而計算這個斜率-α(F)C/2，給出衰減量α(F)。通過改變帶通濾波器721的中心頻率，可以研究α(F)與F的函數(shù)關(guān)系，並通過β＝α(F)/F導出β。
當然，本發(fā)明的范圍不受上述的實施例的限制，根據(jù)這些實施例可以得到各種變化形式而不會超出本發(fā)明的范圍。很顯然，反射體的對比度改進了組件數(shù)目N的平方式的數(shù)量級(與反射體有關(guān)的最大值線性疊加，而與多散射體相關(guān)的最大值按照一種平方的方式增長疊加)。但是組件的數(shù)目仍然可以減少，例如減少到1/2，還可以利用沿著同一條回波記錄線進行多次發(fā)射的方法，在組件中兩次發(fā)射間的延遲時間數(shù)值要改變。這樣一來成象的速率也減小了相同的倍數(shù)，但是電子電路變得簡單了，從而降低了成本。
通過使用被稱之為條件變換電路的一些電路來代替每一個組件的延遲線420a至420n(或至少代替這些延遲線之中的一條或若干條)的方式，也可以明顯地降低成本。這些電路只包括電子反相器，因此成本低，延遲線410a至410n的輸出信號不是乘以+1，就是乘以-1(這個選擇或者施加在回波記錄儀的結(jié)構(gòu)上，或者是通過機械的或電子的裝置來可變更)這樣的回波記錄儀可以獲得一組由+1或-1組成的偽隨機編碼，其相關(guān)的函數(shù)和在隨機延遲寬限時間的場合下得到的相同。
如果所有的隨機延遲線被條件變換電路代替，那末上述的簡化方案要應用n×N個這樣的變換電路如果將這些電路的數(shù)目減少，則又可獲得一個新的簡化方案，例如在n個延遲線410a到410n的輸出端不再提供多于n個的條件變換電路，並且每一個電路包括兩個通道，一個是非反相的，另一個是起反相器的作用。因此，在這些非反向通道和反相通道的輸出端和相應的加法器430A至430N的輸入端之間的連接是根據(jù)所希望獲得的并疊加到所述聚焦和角度寬限時間上的偽隨機延遲寬限時間通過布線建立起來的。
此外，在前述的例子中選擇了具體的n和N的數(shù)值，顯然這種選擇不是作為限定，其它的較高的和較低的數(shù)值也可選用，n的數(shù)值最好是2的冪，例如32、64、128等(目前已知的結(jié)構(gòu)沒有超過n＝128的)。
另一方面，在圖4中給出了一個接收和處理級的類似的實施例，但本發(fā)明的設備也可以設計成數(shù)字式的這是通過在n個傳感器200的輸出端，在n條聚焦和角度延遲線410的前面提供n個模一數(shù)轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)的。相應這些變換器而提供的電路與圖4中的類似，但它是數(shù)字式的，如果將圖4中的實施例改成數(shù)字式的，在包絡線加法器450的輸出端必需提供數(shù)一模轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換成模擬信號供給視頻顯示和/或存儲組件460。
還要說明的是，用條件變換電路來代替隨機延遲線的簡化方案也可以裝在發(fā)射級，在這種情況下，代替這些隨機延遲線303(見圖3)的這樣的一些電路是為了通過布線在發(fā)射級確定一個對于O或π兩種狀態(tài)下的相位偽隨機變換的寬限時間而提供的，這一寬限時間被疊加在聚焦和角度寬限時間上，該寬限時間是通過延遲線302的延遲來實現(xiàn)的。
在所有的這些情況下，應該指出的是發(fā)射級的這些不同實施例的一個或另一個還可以與接收和處理級的這些不同的一個或另一個實施例同時實施，采用這種方式的目的在于要獲得對發(fā)射和接收兩者相位相干性的降低效應，而不再只對發(fā)射的信號或只相應于被這些傳感器接收的超聲波的回波記錄信號降低其相干效應。
權(quán)利要求
1.一種超聲回波記錄儀，至少包括一套具有n個超聲傳感器的組合，一個為向待測介質(zhì)中發(fā)射超聲波的發(fā)射級和一個為接收和處理被在所述介質(zhì)中所遇到的障礙物反射回的超聲信號的接收和處理級，其特征在于所述發(fā)射級包括位于前方的一組被指定用于發(fā)射超聲波的超聲傳感器，一組相應數(shù)目的為了激勵所述這些被指定用于發(fā)射的傳感器的信號發(fā)生器，這些激勵信號發(fā)生器同一個為了根據(jù)一個疊加在一個作用于被指定用于發(fā)射的所述傳感器的聚焦和可能的角度寬限時間上的隨機延遲寬限時間確定所述發(fā)生器當中的每一個的觸發(fā)時刻所設置的唯一的時鐘電路相連接，所述這些隨機延遲時間的數(shù)值分布的特點是這些數(shù)值的變化應被包括在至少相應于被測介質(zhì)內(nèi)的超聲波半波長的傳播時間間隔內(nèi)。
2.一種超聲回波記錄儀，至少包括一組超聲傳感器，一個為向待測介質(zhì)內(nèi)發(fā)射超聲波的發(fā)射級和一個為接收和處理被在所述介質(zhì)中所遇到的障礙物反射回的超聲信號的接收和處理級，其特征在于所述發(fā)射級包括位于前方的一組被指定用于發(fā)射超聲波的超聲傳感器，一個用于控制激勵所述被指定用于發(fā)射的傳感器的電路，所述電路本身一方面包括一個激勵信號發(fā)生器，另一方面包括在該發(fā)生器輸出端和在與被指定用于發(fā)射的傳感器數(shù)目相同的通道中的為使這些傳感器的激勵時刻延遲而設置的多條延遲線，所述激勵時刻的延遲是由所述激勵信號根據(jù)一個疊加在一個作用于被指定用于發(fā)射的所述傳感器的聚焦和可能的角度寬限時間上的隨機延遲寬限時間來完成的，這些隨機延遲時間的數(shù)值分布的特點是這些數(shù)值的變化應被包括在至少相應于被測介質(zhì)內(nèi)的超聲波半波長的傳播時間間隔內(nèi)。
3.一種超聲回波記錄儀，至少包括一組超聲傳感器，一個為向待測介質(zhì)內(nèi)發(fā)射超聲波的發(fā)射級和一個為接收和處理被在所述介質(zhì)中所遇到的障礙物反射回的超聲信號的接收和處理級，其特征在于所述發(fā)射級包括位于前方的一組被指定用于發(fā)射的超聲傳感器，一個用于控制激勵所述被指定用于發(fā)射的傳感器的電路，其特征還在于所述電路本身一方面包括一個激勵信號發(fā)生器，另一方面，在所述發(fā)生器的輸出端和在與被指定用于發(fā)射的傳感器數(shù)目相同的并聯(lián)通道中還包括有為延遲這些傳感器的激勵時刻而設置的多條延遲線，所述激勵時刻的延遲是由所述激勵信號根據(jù)一個作用于被指定用于發(fā)射的傳感器的聚焦和可能的角度寬限時間來完成的，所述發(fā)射級還包括通過布線為確定一個準備疊加在所述聚焦和角度寬限時間上的處于O或π兩種狀態(tài)的相位的偽隨機變換的寬限時間而設置的條件變換電路。
4.一種超聲回波記錄儀，至少包括一套具有n個超聲傳感器的組合，一個為向待測介質(zhì)中發(fā)射超聲波的發(fā)射級和一個為接收和處理被在所述介質(zhì)中所遇到的障礙物反射回的超聲信號的接收和處理級，其特征在于所述接收和處理級包括在用于聚焦和可能用于聲束角度的并設置在被指定用于接收的超聲傳感器的輸出端的多條延遲線和用于處理回波記錄信號的電路之間的N個本身包括n條延遲線的組件，每條延遲線的延遲都是隨機的，通過線接線的方式將這n條延遲線與n條聚焦延遲線相連接，采取這種方式的目的在于把一個隨機延遲寬限時間疊加在作用于被指定用于接收的所述傳感器的所述聚焦和可能的角度寬限時間上。所述N個組件還包括這些隨機延遲線的n個輸出信號的N個加法器，其特征還在于所述N個組件的n個隨機延遲線的延遲數(shù)值是按照下述的隨機方式分布的，即這些數(shù)值的變化被包括在相應于至少在被測介質(zhì)內(nèi)的超聲波半波長的傳播時間間隔內(nèi)。
5.一種超聲回波記錄儀，至少包括一套具有n個超聲傳感器的組合，一個為向待測介質(zhì)內(nèi)發(fā)射超聲波的發(fā)射級和一個為接收和處理被在所述介質(zhì)中所遇到的障礙物反射回的超聲信號的接收和處理級其特征在于所述接收和處理級包括在用于聚焦和可能用于在被指定用于接收的超聲傳感器的輸出端的聲束的角度的延遲線和用于處理超聲信號的電路之間的N個本身包括n個條件變換電路的組件，這n個條件變換電路的每一個按線接線的方式與n條聚焦延遲線相連接，采取這種方式的目的在于把一個處于O或π兩種狀態(tài)的偽隨機相位變換的寬限時間疊加在作用于所述被指定用于接收的傳感器的聚焦和可能的角度寬限時間上，所述N個組件還包括這些條件變換電路的n個輸出信號的N個加法器。
6.一種超聲回波記錄儀，至少包括一套具有n個超聲傳感器的組合，一個為向待測介質(zhì)內(nèi)發(fā)射超聲波的發(fā)射級和一個為接收和處理被在所述介質(zhì)中所遇到的障礙物反射回的超聲信號的接收和處理級，其特征在于所述接收和處理級包括在用于聚焦和可能用于所述聲束的角度的設置在被指定用于接收的超聲波傳感器的輸出端的延遲線和用于處理所述回波記錄信號的電路之間的一組并聯(lián)的條件變換電路，其數(shù)目等于所述延遲線的數(shù)目并且本身包括一個非反相通道和一個并聯(lián)的反相通道，該接收和處理電路還包括這些條件變換電路的n個輸出信號的N個加法器;其特征還在于在所述條件變換電路的所述的非反相和反相通道的輸出端與相應的加法器的輸入端之間的連接是按照一個用于完成一種處于O和π兩種狀態(tài)的偽隨機相位變換的寬限時間通過布線形成的，上述寬限時間準備疊加在作用于被指定用作接收的所述傳感器的聚焦和可能的角度寬限時間上。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中之一的超聲回波記錄儀，其特征在于所述用于處理回波記錄信號的電路包括N個所述加法器的輸出信號的包絡線檢波器、一個用于對這樣形成的N個包絡線求和的包絡線加法器和一個視頻顯示器和/或存儲組件。
8.一種超聲回波記錄儀，至少包括一套具有n個超聲傳感器的組合、一個為向待測介質(zhì)發(fā)射超聲波的發(fā)射級和一個為接收和處理被在所述介質(zhì)中所遇到的障礙物反射回的超聲信號的放大級，其特征在于在所述N個加法器的輸出端，用于處理這N個加法器的N個輸出信號的電路包括N個用于確定一個滑動時間窗口的電路，N個快速付利葉變換電路，一個所述付利葉變換電路相應輸出值的加法器和一個用于測定與所述加法器的平均輸出功率譜有關(guān)的參數(shù)的和用于估價被測介質(zhì)內(nèi)部衰減參數(shù)β的處理單元。
9.一種超聲回波記錄儀，至少包括一套具有n個超聲傳感器的組合，一個為向待測介質(zhì)發(fā)射超聲波的發(fā)射級和一個為接收和處理被在所述介質(zhì)中所遇到的障礙物反射回的超聲信號的接收和處理級，其特征在于在所述N個加法器的輸出端，用于處理這N個加法器和N個輸出信號的電路包括N個帶通濾波器，N個包絡線檢波器，N個對數(shù)放大器和一個用于測量斜率和估價被測介質(zhì)內(nèi)部的衰減參數(shù)β的電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求8和9之一的超聲回波記錄儀，其特征在于n個模-數(shù)變換器分別配置在n個傳感器的輸出端和n個聚焦和角度延遲線的輸入端之間，其特征還在于為跟隨所述變換器所配置的電路是數(shù)字式的。
11.根據(jù)權(quán)利要求4至10之一的超聲回波記錄儀，其特征在于所述發(fā)射級包括位于前方的一組被指定用于發(fā)射超聲波的超聲傳感器，用于激勵所述被指定用于發(fā)射的傳感器的相應數(shù)量的信號發(fā)生器，所述激勵信號發(fā)生器同一個為確定所述發(fā)生器的每一個的觸發(fā)時刻而設置的唯一的時鐘電路相連接，所述觸發(fā)時刻是根據(jù)一個疊加在一個作用于所述被指定用于發(fā)射的傳感器的聚焦和可能的角度寬限時間上的隨機延遲寬限時間來確定的，所述隨機延遲的數(shù)值按下述方式分布，即這些值的變化應被包括在至少相應于被測介質(zhì)內(nèi)的超聲波半波長的傳播時間間隔內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求4至10的超聲回聲記錄儀，其特征在于所述發(fā)射級包括位于前面的一組被指定用于發(fā)射超聲波的超聲傳感器，一個用于控制激勵所述被指定用于發(fā)射的傳感器的電路，所述電路本身一方面包括一個激勵信號發(fā)生器，另一方面在這一發(fā)生器的輸出端和在與被指定用于發(fā)射的傳感器一樣多的并聯(lián)通道中還包括為使所述傳感器的激勵時刻延遲而設置的延遲線，所述激勵時刻的延遲是借助于所述激勵信號，根據(jù)一個疊加在一個作用于所述被指定用于發(fā)射的傳感器的聚焦和可能的角度寬限時間上的隨機延遲寬限時間來完成的，所述隨機延遲值的分布是按下述方式分布的，即這些數(shù)值的變化應被包括在至少相應于在被測介質(zhì)內(nèi)超聲波的半波長的傳播時間間隔內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求4至10之一的超聲回波記錄儀，其特征在于所述發(fā)射級包括位于前方的一組被指定用于發(fā)射超聲波的超聲傳感器，一個用于控制激勵所述被指定用于發(fā)射的傳感器的電路，其特征還在于所述電路本身一方面包括一個激勵信號發(fā)生器，另一方面在這一信號發(fā)生器的輸出端和在與被指定用于發(fā)射的傳感器一樣多的并聯(lián)通道中還包括有為使所述傳感器的激勵時刻延遲而設置的延遲線，所述激勵時刻的延遲是借助所述激勵信號根據(jù)一個疊加在一個作用于所述被指定用于發(fā)射的傳感器的聚焦和可能的角度寬限時間上的隨機延遲寬限時間來完成的，所述電路還包括為了通過布線的方式施加一個用于處于O和π兩種狀態(tài)的偽隨機相位變換的寬限時間而設置的條件變換電路，所述寬限時間準備將其疊加在所述聚焦和角度寬限時間上。
全文摘要
一種超聲回波記錄儀，在發(fā)射級和/或接收級，有一些根據(jù)一個隨機的或偽隨機的寬限時間對所發(fā)射的和/或所接收的信號施加延遲的電路。該寬限時間疊加在信號的聚焦和角度的寬限時間上。在發(fā)射級，寬限時間的獲得可通過使激勵傳感器的信號發(fā)生器的觸發(fā)時刻發(fā)生變化來實現(xiàn)。在接收級，所提供的電路是并聯(lián)的隨機延遲線，或是條件轉(zhuǎn)換電路。這些使發(fā)射級或接收級或同時使兩個級中的超聲波的相干性降低的電子線路可采用模擬方式，也可采用數(shù)字方式。
文檔編號G01N29/44GK1038703SQ8910442
公開日1990年1月10日 申請日期1989年5月17日 優(yōu)先權(quán)日1988年5月20日
發(fā)明者馬蒂阿斯·芬克, 法比里斯·康格利, 帕特里克·佩斯克 申請人:菲利浦光燈制造公司