本公開涉及超聲成像，并且更具體地涉及與超聲換能器一起使用的收發(fā)器，以發(fā)射具有低失真的高功率和高頻的任意波形，并且具有在發(fā)射時段期間監(jiān)測通過接收器的發(fā)射信號的能力。相關(guān)技術(shù)描述超聲系統(tǒng)通常利用多元件換能器來將超聲脈沖發(fā)射到介質(zhì)中，并且接收返回介質(zhì)以及來自介質(zhì)內(nèi)的對象的回波信號。每個換能器元件可以具有其自己獨立的發(fā)射器和接收器或收發(fā)器，從而允許由換能器元件的組合形成的超聲波束的電子聚焦和引導(dǎo)。為了從足夠功率的壓電換能器元件產(chǎn)生發(fā)射脈沖，發(fā)射器通常在高達(dá)幾百伏的峰間電壓電平下操作。相反，所接收的回波信號電平在信號強(qiáng)度上顯著低于發(fā)射脈沖，通常小于幾毫伏，這需要高增益接收器來進(jìn)行充分檢測。由于發(fā)射信號與接收信號之間的這種大的差異，必須保護(hù)接收器免受長的恢復(fù)飽和，或者更糟糕的情況下，免受高發(fā)射電流的損壞。大多數(shù)超聲系統(tǒng)采用所謂的發(fā)射/接收(t/r)開關(guān)來在發(fā)射時段期間保護(hù)接收器的輸入。圖1中示出了代表性的超聲收發(fā)器電路10，其包括由控制信號電路14控制的t/r開關(guān)12。響應(yīng)于控制信號電路14在發(fā)射時段期間將t/r開關(guān)12切換到接通狀態(tài)，t/r開關(guān)12耦合到換能器元件16。接通狀態(tài)具有實現(xiàn)發(fā)射器電路26與換能器元件16之間的低阻抗路徑以及從發(fā)射器電路26到接收器電路20的高阻抗路徑的效果，該接收器電路包括具有輸入34的可變增益放大器21。當(dāng)t/r開關(guān)12處于接通狀態(tài)時，為接收器電路20提供保護(hù)使其免受從發(fā)射器電路26中的發(fā)射波形信號發(fā)生器24發(fā)射的高電壓發(fā)射波形信號22的影響。在發(fā)射器電路26已經(jīng)完成發(fā)送波形信號22之后，t/r開關(guān)12通過控制信號14從發(fā)射狀態(tài)切換到接收狀態(tài)28(由t/r開關(guān)12中的虛線示出)，這提供了從換能器元件16到接收器電路20的低阻抗路徑，并且進(jìn)一步使發(fā)射器電路26免于衰減或劣化返回回波信號。接收器電路20可在其輸入處具有其它限制電路，諸如與地36的電阻性連接以防止大的接收信號，以及圖1中所示的背對背二極管無源接收器保護(hù)電路30和電容38。圖1的收發(fā)器電路具有限制其有效性的若干問題。大多數(shù)超聲系統(tǒng)將單個t/r控制信號32用于所有收發(fā)器。在多元件換能器的情況下，發(fā)射波形22可以在各個延遲時間發(fā)射，以使得能夠在介質(zhì)(未示出)中引導(dǎo)和聚焦超聲波束。這通常需要發(fā)射時段，其中所有收發(fā)器保持處于發(fā)射模式直到最后一個發(fā)射器已進(jìn)行發(fā)射。因此，在換能器前面的介質(zhì)中存在小區(qū)域，在該小區(qū)域中，在發(fā)射時段期間不能接收回波。同樣，在不中斷整個接收信號集合的情況下，不可能在接收過程期間在元件或元件組上進(jìn)行發(fā)射。另外，通常用二極管和晶體管實現(xiàn)的t/r開關(guān)12通常賦予發(fā)射波形22一些非線性特性，從而產(chǎn)生波形形狀的一些小失真。舉例來說，正弦波發(fā)射波形22可能以生成較高諧波的方式失真，該較高諧波可導(dǎo)致介質(zhì)中的不期望的影響。最后，由于電流限制和電子開關(guān)中的熱效應(yīng)，t/r開關(guān)12通常限制在發(fā)射模式下可施加到換能器16的電功率的量。

背景技術(shù)：

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本公開涉及包括超聲收發(fā)器的超聲系統(tǒng)和方法，其通過提供以低失真發(fā)射高功率和高頻的任意波形的能力以及在發(fā)射時段期間監(jiān)測通過接收器的發(fā)射信號的能力來克服常規(guī)超聲收發(fā)器的大部分缺陷。

2、根據(jù)本公開的一個方面，提供了一種電路，該電路包括：換能器元件，該換能器元件被構(gòu)造為發(fā)射超聲信號并且接收反射的超聲信號；變壓器電路，該變壓器電路耦合到換能器元件，變壓器電路包括具有初級繞組和次級繞組的變壓器，次級繞組耦合到換能器元件；發(fā)射波形電路，該發(fā)射波形電路耦合到變壓器的初級繞組并且被構(gòu)造為生成經(jīng)由變壓器電路到換能器元件的發(fā)射波形信號；和接收器電路，該接收器電路具有輸入，該輸入耦合到變壓器的次級繞組并且被構(gòu)造為耦合到換能器元件。

3、根據(jù)本發(fā)明的另一方面，發(fā)射波形電路是h橋電路。

4、根據(jù)本公開的另外的方面，該電路包括耦合在變壓器的次級繞組與接收器電路的輸入之間的鉗位電路。優(yōu)選地，鉗位電路包括有源鉗位電路，該有源鉗位電路具有與接收器電路的輸入并聯(lián)耦合的一對fet開關(guān)。

5、根據(jù)本發(fā)明的又一方面，一對fet開關(guān)中的fet開關(guān)中的每個fet開關(guān)具有控制端子，該控制端子耦合到發(fā)射波形生成電路以接收與發(fā)射波形信號的持續(xù)時間相關(guān)的接通信號。

6、根據(jù)本公開的又一方面，提供了一種超聲裝置，該超聲裝置包括：

7、換能器電路，該換能器電路被構(gòu)造為發(fā)射超聲信號并接收對應(yīng)的回波信號并生成返回回波信號；

8、可變增益接收器，該可變增益接收器具有耦合到換能器電路的輸入；

9、收發(fā)器，該收發(fā)器能夠跨換能器生成超過100伏特的峰到峰波形，并接收來自換能器的小于1伏特的峰到峰波形的返回回波信號，該收發(fā)器包括：

10、變壓器，該變壓器具有初級繞組和次級繞組，該初級繞組耦合到換能器；

11、發(fā)射器電路，該發(fā)射器電路通過變壓器耦合到換能器，該發(fā)射器電路包括被構(gòu)造為生成發(fā)射波形的發(fā)射波形發(fā)生器，該發(fā)射波形發(fā)生器耦合到變壓器的初級繞組，使得初級繞組由發(fā)射波形發(fā)生器驅(qū)動，并且次級在一側(cè)上連接到換能器電路并且在另一側(cè)上連接到可變增益接收器的輸入，其中最大增益為至少30db；和

12、保護(hù)電路，該保護(hù)電路耦合在變壓器的次級繞組與可變增益接收器的輸入之間，并且被構(gòu)造為使得當(dāng)保護(hù)電路為有源時，該保護(hù)電路在收發(fā)器的發(fā)射時段期間提供從可變增益接收器的輸入到地的0.1歐姆至1.0歐姆范圍內(nèi)的阻抗，使得可變增益接收器的輸入在發(fā)射時段期間為變壓器次級繞組提供有效接地；其中

13、可變增益接收器能夠在發(fā)射時段期間為有源的，并且能夠放大跨保護(hù)電路的小電壓以監(jiān)測發(fā)射波形的振幅和持續(xù)時間。

技術(shù)特征：

1.一種電路，所述電路包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中所述發(fā)射波形電路包括h橋電路。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路，所述電路還包括耦合在所述變壓器的所述次級繞組與所述接收器電路的所述輸入之間的鉗位電路。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其中所述鉗位電路包括有源鉗位電路，所述有源鉗位電路具有與所述接收器電路的所述輸入并聯(lián)耦合的一對fet開關(guān)。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，其中所述一對fet開關(guān)中的所述fet開關(guān)中的每個fet開關(guān)具有控制端子，所述控制端子耦合到所述發(fā)射波形發(fā)生器電路以接收與發(fā)射波形信號的持續(xù)時間相關(guān)的接通信號。

6.一種超聲裝置，所述超聲裝置包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲裝置，其中當(dāng)所述保護(hù)電路為有源時，所述保護(hù)電路的阻抗是電阻性的并且在所述發(fā)射器電路輸出的電流范圍內(nèi)是恒定的。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲裝置，其中基于所述發(fā)射波形的持續(xù)時間自動地執(zhí)行所述可變增益接收器的所述輸入上的所述保護(hù)電路的激活。

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲裝置，其中能夠在接收時段期間多次激活所述發(fā)射器電路，同時主動控制接收器輸入鉗位，使得在每次激活期間最小程度地影響所述接收器。

10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲裝置，其中所述發(fā)射波形發(fā)生器被構(gòu)造為產(chǎn)生包括-hv、0和+hv狀態(tài)的三態(tài)輸出波形，其中hv能夠被設(shè)置在從小于2伏特到大于100伏特的范圍內(nèi)。

11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超聲裝置，其中所述三態(tài)輸出波形的所述三個狀態(tài)是從被配置在h橋電路中的四個fet產(chǎn)生的，并且所述四個fet中的每個fet被構(gòu)造為獨立地接通和關(guān)斷。

12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超聲裝置，其中所述三態(tài)輸出波形中的每個狀態(tài)的持續(xù)時間能夠被編程以生成三電平輸出波形，所述三電平輸出波形在通過所述換能器的脈沖響應(yīng)進(jìn)行濾波時產(chǎn)生期望的任意聲學(xué)輸出波形。

13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超聲裝置，其中所述fet中的每個fet的接通和關(guān)斷的定時能夠以較小的延遲調(diào)節(jié)，以最小化所述發(fā)射器電路的輸出中的失真。

技術(shù)總結(jié)
一種超聲收發(fā)器，該超聲收發(fā)器通過提供以低失真發(fā)射高功率和高頻的任意波形的能力以及在發(fā)射時段期間監(jiān)測通過接收器的發(fā)射信號的能力來克服常規(guī)超聲收發(fā)器的許多缺陷，該收發(fā)器電路具有：換能器元件，該換能器元件發(fā)射超聲信號并接收反射的超聲信號；變壓器電路，該變壓器電路具有變壓器，該變壓器具有初級繞組和耦合到換能器元件的次級繞組；H橋發(fā)射波形電路，該H橋發(fā)射波形電路耦合到變壓器的初級繞組以生成經(jīng)由變壓器到換能器元件的發(fā)射波形信號；FET鉗位電路，該FET鉗位電路耦合到變壓器的次級繞組；和接收器電路，該接收器電路具有耦合到FET鉗位電路的輸入。

技術(shù)研發(fā)人員：勞倫斯·C·布拉斯菲爾德,約翰·A·弗林,羅納德·E·戴格爾
受保護(hù)的技術(shù)使用者：微拉聲學(xué)公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6