经由线缆连接的超声探头

技术领域

本发明涉及被配置为经由线缆连接到数据处理单元的超声探头、对应的超声系统以及用于操作超声探头的方法。

背景技术

超声(US)探头通常包括发射和接收超声波的换能器元件阵列。波束形成器用于适当地延迟和求和由换能器阵列的元件接收的回波信号。通常考虑由波束形成器形成的波束的方向和聚焦深度来选择延迟。延迟的信号被组合以形成一束适当控制和聚焦的相干回波信号。

在常规超声系统中，阵列换能器位于US探头中，US探头在成像期间靠着患者的身体放置，并且可以包含一些电子部件，例如开关和放大设备。延迟和信号组合通常由包含在超声系统控制台中的波束形成器执行，探头经由线缆连接到该控制台。因此，大量的原始回波信号通常通过线缆从探头传输到US系统控制台。因此，线缆需要足够高的容量来传输所需的数据速率以及几个数据路径(在下文中指代为通道)，例如由导线形成，以传输来自多个换能器元件的多个信号。

对于一些US探测器，线缆可靠性是整体可靠性的主要驱动因素。虽然电流环能器线缆的可靠性通常很高，但一些线缆仍可能出现断线。一些断线相对来说是良性的。例如，如果来自128个换能器元件中的每个的信号在128条线缆之一上传输，则一条线缆的损失相对不可能被临床检测到。另一方面，当导体执行独特的功能时，例如电源线或编程线，单次断裂就可能导致整个换能器出故障。数字US探头可能比模拟US探头更容易发生断线，因为每个导体通常会承载来自一个以上换能器元件信号。提高的可靠性通常可以通过使导线更大来解决，但这对人体工程学有负面影响，并可能增加线缆成本。

在一些情况下，独特功能的容错可以通过冗余线提供。例如，涉及光传输系统的US4306313A提出了用于传输信号的两条或多条光纤以及在这些冗余光纤之间切换的可能性。当所需的冗余光纤数量相对小时，这可能是合适的。然而，US探头通常需要具有大量导线的线缆，以便传输由其换能器阵列的各种元件产生的大量数据，并且因此在线缆中复制所有导线通常是不实际的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种超声探头、超声系统和方法，其提供了一种解决方案，其中，探头和US系统的处理单元之间的线缆连接是容错的，特别是对于信号路径的中断是容错的，同时保持有利的人机工程学。

根据权利要求1所述的超声(US)探头、根据权利要求8所述的超声系统和根据权利要求15所述的用于操作超声探头的方法满足或超过了该目的。本文描述的与要求保护的超声探头相关的任何特征、优点或备选实施例也适用于超声系统和方法，并且反之亦然。

根据本发明，提供了一种被配置为被操作性耦合到线缆的超声探头，所述线缆包括适于承载在所述超声探头与数据处理单元之间的信号的多条通道，所述数据处理单元适于处理所述信号，具体地适于对所述信号进行波束形成并且重建成像区域的超声图像。所述超声探头包括：换能器头部，其包括多个换能器元件，所述多个换能器元件适于根据声透射方案对所述成像区域进行声透射并且接收超声信号；以及控制器，其适于从故障检测模块接收关于所述多条通道中的每条通道的完整性的信息，所述故障检测模块适于检测所述多条通道中的每条通道的完整性或不完善，并且其中，所述控制器适于响应于来自所述故障检测模块的故障通道的所述信息而将由所述故障通道承载的所述信号重新分配和/或重新配置到无故障通道中的一条或多条无故障通道上。

本发明为至少单条通道的中断/故障提供容错，并且在一些实施例中，甚至为一个以上的中断导体或故障通道提供免疫。一些实施例没有性能影响，其他实施例需要性能折衷。

本发明的US探头包括换能器头部和通常具有一些电子器件(例如包括控制器)的换能器手柄和/或壳体，但不包括线缆。US探头也称为换能器传感器组件。在优选实施例中，超声探头是数字US探头，也称为数字换能器。数字US探头通常比模拟US探头更容易断线，因为导体通道中的更多执行独特的功能，特别是来自几个换能器元件的信号常常经由一条通道传输。此外，数字信号比模拟信号更容易重新配置。数字US探头优选地包括探头内模数转换器(ADC)，以将探头接收的模拟回波信号转换成数字信号。优选地，在数字US探头中，一些电子器件在线缆的两端都可用，其中，换能器端优选地具有足够的电子器件来支持在检测到故障通道时的本文描述的信号重新分配和/或重新配置。然而，本发明的US探头也可以是模拟US探头。US探头优选适用于医学US成像。然而，本发明的概念主要涉及线缆故障，并且因此可以应用于经由线缆连接的任何种类的US探头。例如，关于检查技术结构的US探头或水下US探头也在本发明的范围内。US探头被配置为连接到线缆，特别是经由连接器，优选地电连接器，其是US探头的部分。在这个意义上，线缆可以可拆卸地连接到探头。然而，也可以设想线缆永久地连接到探头。

优选地，通道被理解为线缆的信号路径，特别是数字或模拟信号路径。通道将由换能器元件接收的回波信号(也称为超声信号)承载到数据处理单元，并且在大多数实施例中还将承载控制信号，例如配置信息，例如关于传输方案的信息，从控制台(例如数据处理单元)返回到US探头，特别是承载到换能器手柄中的电子器件。通道可以承载控制信号、超声信号或两者。通道优选地被实现为导体，但是也可以是光信号通道，例如光纤。在通道是电信号路径的情况下，它们可以被实现为例如同轴线缆或双绞线。本发明通常既适用于单端信号路径，即具有一个地电位或参考线和一个信号线，也适用于差分信号路径，即具有两个互补信号并且取决于信号的电差异。在电缆的情况下，通道可以由例如并排布置或捆扎的导线和/或导体的组件形成。在一个示例中，线缆可以包括多个细同轴，例如128个细同轴，特别是模拟同轴。然而，具有数字信号路径可能是有益的，例如每条通道由双绞线形成，这可以提供高速数据连接。每条通道通常需要每秒大约5Gb或更高的传输速率(流)。如果电学地实现，单条通道中的数据速率可以在每秒4到8Gb的范围内。

优选地，通道用于(仅)承载数字信号/数据。然而，本发明也适用于换能器/线缆配置，其中，给定的一组导体用于承载多种类型的信号，例如在双绞线上承载的功率，该双绞线也可以是数字通道。因此，故障检测模块可以包括电流传感器，该电流传感器监测承载功率的每个导体上的电流；如果电流在不应该为零的时候为零，则电源被切换到备用导体。在该实施例中，“通道”也可以是承载功率的导体。电流传感器可以由包括在电压调节器中的电流感测电阻器来实现。

在其他实施例中，经由单独的导体(其不是通道)或者通过(可充电)电池，特别是包括在US探头内的电池，向US探头供电。通道可以由导线制成，导线由诸如Cu、Al或金属合金的导电材料组成。此外，通道的导线可以镀有另一金属的薄层，例如Zn、Au、Ag，以提供抗氧化保护。为了提供防止交叉干扰的保护，通道可以相对于彼此和/或相对于环境被屏蔽，例如它们可以被布置成同轴和/或双绞线几何结构。通道不限于由导线制成。还可以想到，通道适于以不同的方式承载信号，例如光信号可以由光纤承载。在这种情况下，通道可能是光路。

术语多条通道指的是存在超过一条通道。例如，在线缆中可以包括总共4-128条，优选8-40条，更优选16-32条通道。通道适于承载信号，其例如可以是数字或模拟信号。信号可以采取电流或光信号的形式。来自探头的信号可以主要由换能器元件从接收的回波信号创建，任选地由ADC转换。优选地，来自多个换能器元件的信号在每条通道上传输，例如，来自4至60个换能器元件的回波信号可以在每条通道上传输。

数据处理单元优选地是US系统控制台的部分。它也可以是计算机或膝上型电脑或较小设备的部分，或者可以是计算机或膝上型电脑或较小设备，诸如平板电脑、PDA或智能手机，例如被提供有Philips Lumify-App。优选地，数据处理单元因此不是US探头本身的部分，而是经由线缆连接到US探头。然而，在一些情况下，特别是如果系统控制台具有有限的处理能力，例如在平板电脑上的Lumify-App的情况下，在US探头内提供数据处理单元可能是优选的。数据处理单元优选地包括系统接口，特别是数字系统接口，具有用于一条或多条通道的数据连接。数据处理单元适于接收并进一步处理通过线缆从US探头传输的信号，特别是至少部分地对回波信号进行波束形成和/或执行信号处理和图像处理，并可能以数字方式存储US图像。在一些实施例中，波束形成可以部分地在US探头内执行，并且部分波束和被传输到数据处理单元以完成波束形成、信号处理和图像处理。数据处理单元优选地连接到用户接口，该用户接口适于向用户显示US图像，并且可以允许用户改变或调节图像或测量参数和/或声透射方案和/或在不同模式之间切换，例如B模式或多普勒成像。如果US探头用于医学应用，则成像区域可以例如在解剖结构内，诸如人体或动物体的器官、头部或肢体或其部分。

换能器头部优选包括换能器元件的阵列(阵列换能器)。例如，它可以是具有固定机械焦点的1D阵列，以在二维成像的方位角上电子操纵和聚焦。在这种情况下，优选有至少64个换能器元件，更优选128个或更多，特别是128至960个。换能器元件也可以布置在2D阵列中，其中，换能器元件可以在体积区域上在方位角和仰角上电子地操纵和聚焦波束，从而实现三维成像。在这种情况下，换能器元件的数量通常更高，优选地大于2500个并且高达100000个，更优选地高达60000个。

换能器头部的换能器元件适于对成像区域进行声透射并接收超声信号，特别是以从成像区域反射的回波信号的形式。声透射图像区域可以理解为由多个换能器元件向成像区域中发射受控US脉冲。在这种背景下，声透射方案可以是换能器头部的发射和接收方案，包括各种参数，例如时间分辨率(即发射事件之间的时间间隔、帧速率、采样频率)、聚焦方案、深度范围、穿透深度、空间分辨率、成像区域的尺寸、对比度和/或视场。此外，可以应用不同的波束形成模式，例如多线采集(MLA)、多线传输(MLT)、平面、波、发散波和/或合成孔径波束形成。

故障检测模块可以设置在线缆的任一端，即它可以是US探头的部分，或者它可以是探头经由线缆连接到的超声控制台的部分，例如它可以是数据处理单元的部分。对检测到的故障的响应可以在控制台和US探头(换能器)之间协调，以保持超声系统作为整体的正确操作，但是故障响应的检测和管理可以在任一端(控制台或US探头)。由于控制台中通常有更多的空间和功率可用，因此故障检测模块优选地是控制台的部分，并且关于通道完整性的信息因此通过一条或几条通道传输到US探头上的控制器。另一方面，在US探头中设置故障检测模块的优点在于，关于通道完整性的信息不会由于传输该恰好信息的通道的故障而丢失。故障检测模块可以是探头中的独立部分，或者可以是控制器的部分。

故障检测模块适于检测关于多条通道中的每条通道的完整性或不完善的信息。这可以通过经由故障检测模块对超声探头进行自检来实现，特别是在起始超声探头的运行时或者在连接到数据处理单元之后。由此，可以验证尚未测试的线缆的正确功能。在存储或运输线缆期间可能已经发生的损坏(例如断线)可以被发现，并且对测量的可能影响可以在自检的范围内或由可能被通知任何线缆故障的用户来分析。检查通道也可以重复执行，例如通过在通道上周期性地发送测试信号，这可以在远端检测到，并分析结果。例如，US探头上的故障检测模块可以向数据处理单元发送测试信号，并且反之亦然，即作为“握手”。该信号是否已经到达的信息可以随后被发送回测试信号的发送者。例如预定间隔的连续测试允许或多或少立即检测到的操作期间出现的故障通道，例如当线缆过度弯曲或压力施加在线缆上时。在数字通道的情况下，通过检测传输的数字信号中的错误，故障检测也是可能的，例如，因为信号(即，要传输的数据)是以预定的方式编码的。编码数据(传输的数字信号)具有某些特性，例如包括逗号代码，并遵循某种协议。故障通道上的数据将不会示出这些特性，或者将包括相对大量的异常。

故障检测模块可以检测经由线缆的连接中的不规则性，或者被通知连接中的不规则性，即例如从数据处理单元接收关于故障通道的信息。例如，不规则性可能是丢失或无效的信号。例如，测试信号可以通过连接线缆的不同通道发送。在这种情况下，数据处理单元可以对接收到的测试信号进行应答，并且可以记录任何未应答的或无效的信号。如果在线缆的两端都有电子器件，则本发明在这个意义上通常是适用的。备选地，测试信号可以从故障通道中的故障位置反射。例如，故障检测模块可以测量测试信号的行进时间，以便确定故障以及可能地其位置。这允许故障检测模块确定故障通道，而无需为此目的与另一设备(例如数据处理单元)通信。还可以想到的是，线缆的测试由数据处理单元(其因此包含故障检测模块)执行，并且在故障通道的情况下向控制器发送通知。数据处理单元或故障检测模块可以借助于与信号一起发送的校验和或特定编码来检测错误，所述校验和或特定编码可以揭示数据或个体信号的缺失。例如，可以在为校验和的传输保留的额外通道上发送校验和。控制台中的数据处理单元或故障检测模块也可能能够根据降低的性能(例如降低的数据速率或降低的图像质量)来确定故障通道的存在。另一措施可以是向分布在多条通道上的数据添加冗余，即额外的通道，其包括来自所有其他通道的所有信号的一些信息。因此，如果一些数据由于故障通道而没有到达数据处理单元，通过与来自额外的通道的数据进行比较，可以立即注意到其。因此，这种冗余可以简化丢失数据的检测。数据处理单元(包括故障检测模块)对故障通道的检测可以具有以下优点，即不必通知数据处理单元以便适应伴随故障通道的变化情况。功率连接或模拟信号可以通过观察通过这些相应通道的电流来监测，例如通过具有电流感测电阻器的电压调节器。在这种情况下，如果电流在不应该为零时为零，故障检测模块将注意到电源通道有故障。

控制器优选连接到故障检测模块。其也可以直接或间接连接到换能器头部。控制器是US探头中的电子器件的部分，并且尤其可以是超声探头的专用集成电路(ASIC)的部分。在实施例中，控制器和故障检测模块都可以是ASIC的部分。控制器可以包括处理器，该处理器可以适于处理经由线缆从故障检测模块和/或数据处理单元接收的信息。此外，控制器可以包括数据存储设备，例如RAM、ROM、磁盘驱动器或闪存。控制器可以包含关于如何操作换能器头部和/或如何将来自换能器头部的数据分配到线缆的不同通道上的编程规则和/或决定和/或算法，特别是在检测到故障通道的情况下。这允许控制器自动操作，而无需来自用户和/或数据处理单元的任何额外输入。控制器适于响应故障通道的信息，并采取动作作为对故障通道的检测的反应。例如，US探头可以经由故障检测模块识别加电时可用/工作通道的数量，并且控制器可以相应地配置经由线缆的通信。优选地，控制器被配置为与控制台，特别是数据处理单元协调信号的重定向和/或重新配置，例如通过向数据处理单元发送关于对故障检测的所选的响应的相应消息。可以想象，控制器被配置为从数据处理单元接收命令。例如，控制器可以适于由用户经由连接到数据处理单元的用户接口任选地和/或部分地控制。控制器可以被配置为经由线缆和连接到数据处理单元的用户接口向用户发送消息和/或信息。控制器还可以被配置为经由用户接口或经由通知模块，例如超声探头处的警报指示器或警报灯，向用户发送警报。这允许US探头在通知用户方面独立于US系统控制台或数据处理单元。备选地，控制器也可以被配置为经由线缆和连接到数据处理单元的用户接口通知用户。因此，在US探头的操作期间和US图像的分析期间，用户可以在他或她正在操作和观看的用户接口处直接看到警报。优选地，控制器可以承载关于线缆和/或通道容量的信息，即数据速率和/或当该时刻的容量的实际当前使用。即，控制器可以承载关于通过线缆的每条通道可以传输多少数据、线缆有多少(操作性)通道以及经由线缆传输的每个信号的当前需要的数据速率是多少的信息。

在检测到的故障通道的情况下，并且在被通知这种事件之后，控制器适于将故障通道承载的信号重新分配和/或重新配置到无故障通道中的一条或多条无故障通道上。重新分配和/或重新配置的信号是控制信号和/或回波信号，优选地两者，其中，从探头传输到数据处理系统的回波信号通常包括更多的数据，并且因此需要更多的重新分配和/或重新配置。优选地，这是自动完成的，即用户至少在最初不必主动选择对故障通道的适当反应。特别地，信号的重新分配可以被理解为将信号重定向和/或重新路由到一个或多个其他(无故障)通道。这可能意味着将信号从故障通道重新路由到另一(例如冗余)通道。其也可能意味着控制器适于组合来自几条通道的信号，以在一条(或几条)其他通道上传输。例如，控制器可以适于将来自故障通道的信号添加到将由该另一通道传输的另一信号。这允许根据线缆的状态和测量的要求和细节灵活地适应当前的情况。控制器还可以适于在另一条通道的原始信号不产生数据速率的时间间隔期间，例如根据测量和/或声透射方案周期性地，将信号从故障通道传输到另一条通道。下面将更详细地描述该选项，因为它需要对信号进行数字化，并使用存储器来临时存储数字数据。这允许线缆通道的可用数据速率容量的最佳使用。特别地，如果无故障通道的容量不足以承载包括来自故障通道的信号的所有信号，则控制器可以适于重新配置来自故障通道的信号和/或来自一条或几条无故障通道的一个或几个信号。信号的重新配置可以被理解为以一些方式改变信号，包括缓存信号。因此，控制器可以适应于由于故障通道而导致通道的可用容量不足以传输所有数据的情况。例如，如果必要的话，则控制器可以适于使一些数据不被传输。该数据可以是最初在故障通道上传输的数据，但是如果故障通道的数据与特定的声透射事件更相关，则也可能跨无故障通道传输故障通道的数据并跳过无故障通道的原始数据。这种数据省略可能会导致图像质量的降低，但是另一方面，如果省略的数据对于测量不是必需的，例如，如果来自一个或几个换能器元件的信号对于所需的波束形成过程不是至关重要的，或者如果特定的波束被引导到成像区域的外围区域，同时被观察结构的重要部分更中心地被放置在成像区域中，则这种数据省略可能是有效的选择。还可以想到的是，控制器适于将信号，特别是来自故障通道的信号，从一条通道分配到两个或更多个不同的通道，即分离信号。控制器还可以适于自动降低信号(例如来自故障通道的信号)的采样率。如果采样率不需要与用户选择的特定声透射方案的初始设置一样高，则这可能是选项。控制器还可以适于修改通过线缆传输个体信号的时间。例如，控制器可适于启动数据缓存，可能缓存来自故障通道的数据，并安排其在通道原始信号的停滞时间期间发送。停滞时间尤其可以指一个接收事件的结束和下一发射事件的开始之间的时间。在每个发射/接收周期中的停滞时间可以在1微秒到50微秒的范围内，优选地在4微秒到25微秒的范围内。在停滞时间期间发送数据充当有效的措施，以最佳地使用可用的数据速率，并且可能在没有任何图像质量或帧速率损失或只有很小的图像质量或帧速率损失的情况下重新分配来自故障通道的信息。还可能降低声透射方案的脉冲重复速率(从而降低帧速率)，以便增加可用的“停滞时间”。

如果US探头包括模数转换器(ADC)，必要时，控制器也可以适于降低ADC的分辨率。也可能仅在采集周期的特定部分期间降低ADC的分辨率，例如当观察深层组织时，其中，数据的动态范围已经降低。优选地，US探头被配置为当数据格式改变或者信号被重新配置或重新分配时，向数据处理单元发送对应的信息。这确保了数据处理单元可以适应并能够处理变化的信号。也可以想象控制器从数据处理单元接收指令。特别地，控制器可以接收关于信号的重新分配和/或重新配置的指令。因此，故障通道情况下的算法和决策模式可以存储在数据处理单元上，并在适用时传输到控制器。备选地或额外地，指令可以由用户在连接到数据处理单元的用户接口处输入。这允许用户根据自己的要求调整测量，以最好地克服由于故障通道导致数据速率降低而可能带来的缺点。

根据实施例，所述控制器适于：通过将由所述故障通道承载的所述信号重新路由到所述多条通道的冗余通道来重新分配所述信号；或者，如果没有冗余通道可用，则修改由所述一条或多条无故障通道承载的所述信号，以便包括与最初由所述故障通道承载的所述信号有关的信息。在这种背景下，冗余通道可以被理解为功能性的和可用的通道，即提供US探头和数据处理单元之间的连接，但是对于US探头的操作和信号的传输来说最初是不需要的。例如，可能存在额外/冗余的同轴线缆或双绞线。例如，当使用与不同系统兼容的标准化线缆，但并非所有系统和/或US探头都需要所有可用的通道来进行其标准操作时，情况可能就是这样。换句话说，具有可以在几个不同的US探头上使用的标准线缆可能是有益的，并且该线缆的容量可能需要足以满足最苛刻的US探头的要求，即产生最高数据速率的US探头的要求。因此，通道的数据速率或通道的数量可能大于许多甚至大多数US探头所需要的。例如，在使用标准线缆的n个US探头中间，当使用标准线缆时，n-1个US探头或n-1和1之间的多个US探头将具有一些额外的容量。另一方面，也可以想到，根据测量模式和/或用于当前测量的声透射方案，数据量以及因此所需通道的数量可以变化。因此，在特定的测量期间，可能存在该特定测量不需要的冗余通道。重新路由到冗余通道的优点是不必做出关于图像质量或帧速率的任何折中，因为冗余通道正好可以替换故障通道。换句话说，如果冗余通道可用，则控制器可以将故障通道承载的信号重新路由到这样的冗余通道，而没有对性能的任何显著影响，特别是没有数据速率的降低，并且因此没有图像质量和帧速率的降低。有意规划以具有冗余通道甚至可能是有益的。虽然这可能增加成本并增加线缆的尺寸，但是与具有每条通道的增加尺寸以便实现期望或必要的线缆可靠性水平相比，其仍然可能是优选的。即使是单个冗余通道，例如25条通道而不是24条通道，也可以大大提高线缆的可靠性。然而，为了相对于原始线缆(例如，具有24条通道的线缆)打开如此修改的线缆的新的应用使用，更大数量的额外/冗余通道可能是更有益的。

然而，如果没有冗余通道可用，则来自故障通道的信息可以部分或全部包括在由无故障通道承载的信号中。如果无故障通道仍有足够的容量来增加数据速率，则这特别可能是选择。因此，一条或几条或所有剩余通道的数据速率可以增加。例如，如果一条通道的数据速率不足以承载其原始信息和从故障通道添加的完整信息，则来自故障通道的信息也可以被分离并添加到来自不同无故障通道的信号。如果需要，则在将来自故障通道的信息添加到一个或几个其他信号之前，也可以改变该信息，特别是减少该信息，以便降低数据速率。优选地，这种数据减少将导致不重要数据的省略。优选地，这种省略可能导致US图像的图像质量的不明显的或微小的降低。甚至可以选择完全忽略来自故障通道的数据，这取决于该信息对于测量及其分析的重要性。这种忽略可能导致图像质量或刷新率的降低。另一方面，从故障通道重新分配完整信息也是一种选择。在这种情况下，可以保持图像质量，但是可能出现刷新率的降低，即由数据处理系统处理超声信号数据和重建US图像并将其显示给用户的速率降低。刷新率可以与完整的图像(帧)相关，或者与其中的个体行相关，即可能出现图像中的一些行比其他行刷新得更少的情况。如果信号以较低的数据速率通过线缆传输，则刷新率的这种降低会自动发生。帧速率的降低也可以通过改变声透射方案来实现，这通常由数据处理单元启动。在一些情况下，通过缓存数据中的至少一些并优化信号通过通道发送时的定时时间表，例如最小化暂时没有数据发送的停滞时间，可以部分或完全抵消帧速率或刷新率的降低。在数字信号的情况下，也可以想到降低ADC的分辨率或采样频率，例如将样本的数量与剩余通道的数量和期望的帧速率对齐。这些重新配置或修改方法中的任一种以及稍后描述的任何变型都可以个体地应用或者彼此组合应用。组合的确切性质可能取决于电流测量的需要。例如，如果冗余通道的数据速率容量低于最初被引导通过故障通道的信号的数据速率，和/或如果有几个故障通道并且故障通道的数量高于冗余通道的数量，则也可以适用的是将重新路由到冗余通道和重新分配/修改相结合。

优选地，所述控制器适于进行所述重新配置和/或重新分配，同时保持所述超声图像的质量和/或所述超声图像的刷新率高于预定义阈值。因此，控制器可能已经存储了这些预定义阈值，以便保持预定图像质量和/或刷新率(或帧速率)。以这种方式，可以确保以对US测量(特别是US图像)的诊断值具有最小影响的预定方式来完成不同重新配置方案的优先化，例如省略或减少信号数据。例如，如果某一刷新率(或帧速率)对于测量是必要的，例如因为被观察器官的部分以某一速度移动，则确保刷新率保持足够高以仍然允许观察该移动。在这种情况下，如果达到刷新率的阈值，刷新率将不再降低，但是与图像质量相关的其他参数可能反而降低。同时，例如也可以确保分辨率保持足够高，以区分被成像区域中不同实质特征。

根据实施例，所述US探头包括模数转换器(ADC)，其被配置为将由所述换能器元件接收的所述信号转换成数字信号，其中，响应于来自所述故障检测模块的故障通道的信息，所述模数转换器适于降低其位深度或采样频率，并且所述控制器被配置为将由所述故障通道承载的所述信号重新分配到所述无故障通道中的至少一些无故障通道，并且修改由所述无故障通道承载的所述信号以便包括最初由所述故障通道承载的数字信号。优选地，ADC被布置为ADC的阵列，其可以对应于换能器元件的阵列布置。例如，如果最初使用12位精度，则转换器可以适于将其位深度降低到8位精度。有利的是，由于较低的位深度或采样频率，产生信号数据的速率因此可以降低，因此补偿了当一条或多条通道有故障时可用通道的减少。然后，较低的数据速率可以允许将来自不同通道(例如，来自故障通道和无故障通道)的信号组合到一个单个通道上。

根据另一实施例，响应于来自所述故障检测模块的故障通道的信息，所述控制器被配置为修改由所述无故障通道承载的所述信号，以便包括最初由所述故障通道承载的数字信号，其中，所述修改包括抑制每个数字化信号样本的最低有效位。最低有效位是2的最小幂的位，即2

根据实施例，所述US探头包括模数转换器和探头内存储器，所述模数转换器被配置为将由所述换能器元件接收的所述信号转换成数字信号，所述探头内存储器被配置为缓存数字信号，其中，响应于来自所述故障检测模块的故障通道的所述信息，所述控制器被配置为通过修改由所述无故障通道承载的所述信号以便包括最初由所述故障通道承载的数字信号来将由所述故障通道承载的所述信号重新分配到所述无故障通道中的至少一些无故障通道，并且其中，所述探头内存储器适于在所述换能器元件的接收事件期间缓存从所述模数转换器接收的所述数字信号的至少部分，并且其中，所述控制器还适于在所述换能器元件的停滞时间期间流出所缓存的数字信号，具体地在一个接收事件的结束与下一发射事件的开始之间的所述停滞时间中流出所缓存的数字信号。因此，恰在对应的回波信号已经被换能器元件接收并被ADC处理之后，数据的部分可以通过通道流出，而数据的另一部分可以被缓存并在停滞时间期间通过通道流出。使用停滞时间允许更有效地使用可用数据速率，并将图像质量和刷新率的下降最小化。

根据一个实施例，探头内存储器适于缓存来自一些或所有换能器元件的数字信号的部分，并在停滞时间期间将其流出。因此，所有信号(或信号通道)可以被同等地缓存。根据另一实施例，所述探头内存储器适于在所述换能器元件正在接收超声信号时缓存最初由所述故障通道承载的所述数字信号，并且所述控制器适于在所述换能器元件的停滞时间期间流出所缓存的最初由所述故障通道承载的数字信号。因此，当线缆的通道中的最大容量可用时，来自故障通道的数据被缓存并发送出去。由此，可以传输来自信号的尽可能多的信息，该信号最初被认为是经由故障通道传输的。

根据本发明的另一方面，提供了一种超声系统，包括：根据前述权利要求中的任一项所述的超声探头；数据处理单元，其适于处理从所述超声探头接收的信号，具体地适于对所述信号进行波束形成并且重建成像区域的超声图像；故障检测模块，其适于检测关于所述多条通道中的每条通道的完整性的信息；以及线缆，其被操作性耦合到所述超声探头，所述线缆包括适于承载在所述超声探头与所述数据处理单元之间的信号的多条通道。US系统还包括如本文所述的故障检测模块，该模块可以设置在US探头中或US系统的控制台中。针对US探头描述的所有优点和特征也适用于US系统，并且反之亦然。US系统优选地是医学成像系统，且还可以包括用户接口，该用户接口包括显示器和用户输入设备，例如触摸板、键盘、鼠标和/或轨迹球等。

根据实施例，控制器对检测到故障通道的响应也可以是增加无故障(功能)通道上的数据速率，以便包括故障通道的数据。这在信号作为数字数据通过高速链路传输的情况下尤其适用。

根据实施例，如果在检测到故障通道之后通过对所述信号的重新配置和/或重新分配，所述超声图像的质量和/或刷新率不能够保持高于预定义阈值，则所述系统适于改变声透射方案，使得满足所述预定义阈值。因此，可以降低一些参数，以便使重要的参数保持高于实质的阈值。声透射方案的改变可以由控制器启动，即在US探头中，或者由控制台(例如数据处理单元)启动。

该系统可以适于通过以下操作中的一项或多项来改变所述声透射方案：降低帧速率、降低采样频率、降低空间分辨率或减小所述成像区域的尺寸。在这种背景下，该系统可以适于改变声透射方案，同时考虑预定义阈值，或者独立于预定义阈值。特别地，如果在故障通道出现之后，线缆的通道的容量不足够用于所需的数据速率，即为了降低数据速率，所述系统可以适于采取这些措施中的任一种。如果一个参数的预定义阈值需要保持高于阈值，则降低或减少另一个参数可能是有利的，以便在通道出现故障时适应线缆的容量的减少。例如，如果由于线缆中降低的数据速率容量，超声图像的质量不能保持高于预定义阈值，则可以选择降低帧速率，以便使得能够保持阈值，并且反之亦然。这可以自动完成，例如，如果用户已经选择了通常不用于快速移动器官(诸如心脏)的声透射方案。在其他应用中，例如，当对心脏正被成像时，系统可以通过“放大”成像区域的中心来减小成像区域的尺寸，推测感兴趣对象被定位于其中。因此，可以可能灵活地对测量的要求做出反应，并以确保满足测量的所有最低要求的方式调整各种参数。

在一个实施例中，对声透射方案的这种调节是根据预定决策树自动进行的(例如，对于每个声透射方案，应该首先减少的参数是预定的)。根据另一实施例，系统适于响应于检测到故障通道而允许用户选择要以什么方式改变所述声透射方案，特别是适于在降低所述帧速率、降低所述空间分辨率和/或减小所述成像区域的所述尺寸之间进行选择。因此，用户可以根据他/她此刻的实际需要来改变声透射方案。例如，用户可能决定一个参数比另一个参数更关键，并且因此调整声透射方案。例如，用户可能决定观察到的图像的分辨率对于区分观察到的对象的不同方面至关重要，而同时成像区域的尺寸可以减小，因为所有必要的部分都在较小的图像帧内。因此，即使在故障通道的情况下，该系统保持灵活性，并且能够对对用户来说最重要或者看起来最重要的实际需求做出反应。

根据实施例，如果整体图像质量和/或帧速率(或刷新率)不能保持高于预定义阈值，则该系统适于通过超声系统的用户接口发出警报。因此，系统可以继续操作，可能具有降低的帧速率或图像质量，但是通知用户在不久的将来可能需要修理或更换线缆。此外，使用户意识到图像质量或帧速率的可能问题，并且例如可以知道在测量期间通常可见的重要方面可能在此刻可能不可察觉。因此，避免了由于降低的图像质量或帧速率/刷新率而误导用户得出错误的结论(即，假设解剖结构的特征缺失或器官的部分移动太慢)。然后，用户可以例如启动合适的服务事件，例如更换、现场线缆更换或线缆修理。还可以想到在检测到故障通道后并独立于任何阈值向用户发出警报。这可以使用户意识到线缆可能被损坏，并且进一步的损坏或另一应用所需的更高的数据速率可能影响线缆或系统的性能。

根据实施例，响应于检测到故障通道，所述系统适于通过省略由至少一个换能器元件接收的所述信号或者通过组合由多个换能器元件接收的所述信号来修改由一条或多条无故障通道承载的所述信号。如果对于波束形成操作，来自一个换能器元件的信号明显不如其他的重要，则省略可能是有用的。例如，可以通过将来自两个或更多个相邻换能器元件的信号加在一起(可能作为加权和)，和/或通过波束形成(即在求和之前延迟一个元件的信号(有或没有加权))，来完成多个信号的组合。特别地，US探头通常可以与数据处理模块或控制台通信，发送总和或波束成形信号，以便允许将相应的信号适当地并入到总的波束和中，即，不像来自功能换能器元件之一的信号。

根据实施例，所述线缆具有第一数量的通道，并且所述线缆在一端被操作性耦合到所述超声探头并且在另一端被操作性耦合到系统接口，并且其中，所述系统接口适于承载第二数量的通道，其中，所述第二数量小于所述第一数量，并且其中，故障检测模块适于检测或接收关于哪些线缆通道没有被连接到所述系统接口的信息并将没有连接的通道标记为故障通道。因此，该系统不仅能够检测故障通道，而且能够检测由于系统的限制而没有连接的通道，并对其做出反应。例如在加电时，US探头可以识别可用通道的数量，并相应地配置通信。这有利地允许使用具有不同数量通道的不同线缆与公共US探头。另一有用的应用是将公共US探头与不同的US系统和数据处理单元一起使用，即使相应的系统接口不提供与US探头或线缆通道的数量相同数量的连接或引脚。在这种情况下，适配器可以用于将具有较高数量通道的线缆连接到具有较低数量通道的数据处理单元。换句话说，US系统控制台或数据处理单元可以具有带有M条通道的连接器，而线缆和US探头具有N条通道，其中，MN的情况也是可以想象的，其中，重新配置模块可以简单地是N条通道到M条数据处理单元通道中的N条通道的通路。M＝N的情况是不需要任何额外配置的普通直通情况。

本发明的又一方面涉及一种用于操作超声探头的方法，所述超声探头被配置为被操作性耦合到线缆，所述线缆包括适于承载从所述超声探头到数据处理单元的信号的多条通道，所述数据处理单元适于处理所述信号，具体地适于对所述信号进行波束形成并且重建由所述超声探头声透射的成像区域的超声图像；

所述方法包括以下步骤：

监测所述多条通道中的每条通道的完整性；

检测或接收关于所述多条通道中的每条通道的所述完整性的信息；并且

响应于检测到故障通道而将由所述故障通道承载的所述信号重新分配和/或重新配置到无故障通道中的一条或多条无故障通道上。

多条通道的监测和故障通道的检测优选地如上所述执行，并且优选地由故障检测模块执行。重新分配和重新配置也如本文所解释的，并且优选地由控制器执行。US探头和系统的所有优点和特征也适用于该方法，并且反之亦然。

附图说明

现在将参考附图通过实施例来说明本发明，在附图中：

图1示出了根据本发明的实施例的超声探头的示意性图示；

图2示出了根据本发明的实施例的系统的示意性图示；

图3示意性地示出了本发明的实施例的工作原理；

图4示出了表示根据本发明的实施例的方法的流程图；并且

图5示出了根据本发明的实施例的US探头的实现方式的示意性表示。

附图标记列表

1超声探头

2超声系统

4换能器头部

5换能器元件

6模数转换器

8缓存器

10 线缆

11 冗余通道

12 通道

13 故障通道

14 故障检测模块

16 控制器

22 成像区域

24 数据处理单元

26 声透射方案

27 改变的声透射方案

28 系统接口

29 警报

31 第一数量的通道

32 第二数量的通道

34 适配器

36 用户

41最初由故障通道承载的信号

42信号

43重新配置/重新分配的信号

44从每个换能器元件接收的回波信号

46 忽略的信号

50 用户接口

52 超声图像

61 换能器阵列

62 模数转换器阵列

63 数据收集器单元

101-112方法步骤

具体实施方式

在所有附图中，各种实施例的相同或对应的特征/元件用相同的附图标记指定。

图1示出了根据本发明的实施例的超声(US)探头1和具有几条通道12的线缆10的示意性图示。如图2所示，线缆10的主要任务是在US探头1和数据处理单元24之间承载信号42。US探头包括具有换能器元件5的换能器头部4，换能器元件5适于根据声透射方案26对成像区域22进行声透射并接收回波信号。靠近换能器元件5放置的是模数转换器(ADC)6，其适于将输入的模拟回波信号转换成数字信号。ADC 6旁边是缓存器，其适于(任选地)缓存数字化信号。优选地，ADC6由ADC的阵列组成，并且缓存器8可以构成缓存器的阵列，其中，一个ADC和/或缓存器8存在用于每一个换能器元件5或换能器元件5的子组。在高速串行数据链路的情况下，可以收集多个ADC的数据，并跨一个数据通道传输其。换能器元件5、ADC 6和缓存器8与控制器16连接。控制器16被配置为经由线缆10或经由线缆10的通道12连接到数据处理单元24。此外，控制器连接到故障检测模块14。在该实施例中，故障检测模块设置在US探头1内；在其他实施例中，它可以是US控制台的部分。故障检测模块14也与线缆10的通道12接触，并且适于检测关于通道中的每个的完整性的信息。因此，优选地，故障检测模块14可以自己检测故障通道13，例如在US探头1的自检期间，或者备选地，它可以适于经由线缆10从与其连接的数据处理单元24接收关于故障通道13的信息。当故障检测模块14具有关于故障通道13的信息时，它将该信息传输到控制器16，控制器16被配置为然后将最初打算由故障通道13承载的信号42重新分配和/或重新配置到无故障通道中的一条或多条无故障通道12上。

图2示出了根据本发明的实施例的系统2的示意性图示。系统2包括如图1所示的US探头1、数据处理单元24和线缆10。线缆10耦合到US探头1和数据处理单元24，并适于在US探头1和数据处理单元24之间承载信号。US探头1被配置为根据声透射方案(在26处示意性示出)对成像区域22进行声透射，以接收和处理回波信号并将基于回波信号的信号传输到数据处理单元24。US探头中回波信号的处理包括用ADC 6将回波信号转换成数字信号42，并且可能用缓存器8缓存信号42。该系统被配置为经由线缆10将信号从US探头传输到数据处理单元24。在该实施例中，线缆10具有第一数量的通道31，并且数据处理单元24具有系统接口28，该系统接口28适于连接到具有第二数量的通道32的线缆，其中，通道31的第一数量大于通道32的第二数量。因此，在该示例中，线缆10经由适配器34连接到数据处理单元24。然而，在其他实施例中，适配器34将不是必需的。US探头1的故障检测模块14适于自动注意通道12的数量的差异，并将线缆10中没有连接的通道12标记为故障通道13。因此，US探头1能够调整数据处理单元侧的较低数量的通道连接。数据处理单元24适于处理从US探头1接收的信号42，特别是对信号42进行波束形成并重建成像区域22的US图像52。该系统还被配置为在用户接口50上显示US图像52。在故障通道13的情况下，系统2适于改变声透射方案26，例如通过降低帧速率、降低采样频率、降低空间分辨率或减小成像区域22的尺寸。还可以想到增加声透射事件的数量，以便在下一声透射周期期间收集故障或缺失的一条或多条通道13的数据。声透射方案26的这种改变也可以由用户36经由包括计算机屏幕、键盘和鼠标的用户接口50来影响、改变或启动。系统2还包括警报功能29，其中，通知用户36有故障通道13。此外，如果整体图像质量和/或帧速率不能保持高于预定义阈值，则用户36将接收到警报29。例如，如果由于一条或几条故障通道13，所测量的US图像52的质量不再足以用于预期用途，则这可能是重要的。

图3示意性地示出了在出现故障通道13的情况下本发明的实施例的工作原理。在左侧，线缆10的五条通道12被用于操作，并且完全能够承载由换能器头部4的换能器元件5接收的信号42。在这种情况下，五条通道的数量仅仅是示例性的，以说明一般原理。通道的实际数量可以变化，并且特别是高于五条。信号被ADC 6数字化，并且可以被缓存器8缓存。因此，故障检测模块14在这个阶段不会注意到任何不规则或故障。在紧挨着完好线缆10显示的下一场景中，五条通道12之一是故障13的，例如由于线缆10上的过度应变。虽然四条无故障通道12仍然能够承载它们的信号42，但是故障通道13不能再承载信号了。故障通道13被故障检测模块14检测到，并且该故障通道的信息被传输到控制器16。在图3的右侧，示出了可以由控制器16启动的几个选项。虽然在该实施例中，控制器16被配置为能够执行所有这些动作，但是它不必同时应用所有的动作，而是仅启动给定环境下最有用的那些动作。要采取的实际措施可以例如在控制器16上编程，例如以算法和/或逻辑功能的形式。还可以想到的是，根据本发明的另一控制器16仅被配置为执行图3所示的动作中的一些。控制器16可向用户36发送警报29，以便通知用户关于故障通道13。除此之外，通常有两种主要选择可用于控制器16。如果线缆10具有完全可操作的冗余通道11但是由于数据速率足够低使得五条通道就足够了所以先前并不需要，则第一通道a)是可用的。在这种情况下，控制器16可以将信号41重新路由到冗余通道11，该信号41最初打算由故障通道13承载。这可以允许US探头1的操作和信号41、42向数据处理单元24的传输，而没有对图像质量或帧速率的任何影响。然而，如果没有冗余通道11可用，则控制器可以根据选项b)重新配置或修改现有信号42，以便在重新配置和/或重新分配的信号43内包括最初由故障通道13承载的信息。如果剩余的四条通道12的容量不足以承载最初打算由五条通道12承载的所有信息，则需要降低数据速率。这可以例如通过改变声透射方案来实现，例如通过降低帧速率、降低采样频率、降低空间分辨率或减小成像区域的尺寸。还可以选择允许用户选择以什么方式改变声透射方案27。例如，用户可以选择该时刻哪些参数是最不重要的，并且可以被减小最多，例如，用户可以决定帧速率和分辨率对于测量是至关重要的，而成像区域的尺寸可以被减小。优选地，在将图像质量和帧速率保持高于预定或用户输入阈值的同时，完成这种重新配置。系统2可以调整例如声透射方案26的一些参数，以便允许其他参数保持高于它们各自的阈值。如果整体图像质量和/或帧速率不能保持高于那些预定义阈值，则系统2被配置为经由用户接口50向用户36发送警报29。此外，控制器16可以起始对换能器元件5一次接收的一个回波信号的忽略，该回波信号承载不太重要的信息。另外的措施可以包括，在重新分配和重新配置信号42之前，针对信号44中的至少一些降低ADC 6的位深度或采样频率，或者抑制每个数字化信号样本的最低有效位。此外，还可以选择在对应于信号44的换能器元件5正在接收回波信号时，在缓存器8中缓存来自ADC 6的数字信号的至少部分，特别是最初由故障通道13承载的信号，并且在换能器元件5的停滞时间期间，特别是在一个接收事件的结束和下一发射事件的开始之间的停滞时间期间，流出缓存的信号。

图4示出了表示根据本发明的实施例的方法的流程图。该方法包括由故障检测模块14监测多条通道101中的每一个的完整性的第一步骤。下一步包括检测或接收关于多条通道102中的每条的完整性的信息。如果在步骤103检测到至少一条故障通道13，则在步骤104，由故障通道13承载的信号被重新路由到冗余通道11，或者在步骤105，由无故障通道中的一条或多条无故障通道承载的信号被修改，以便包括与故障通道13最初承载的信号相关的信息。步骤105还可以适于包括额外选项。例如，另外的步骤106可以包括将超声图像52的质量和/或超声图像52的帧速率保持高于预定义阈值。为了实现步骤106，可以应用步骤110，即改变声透射方案26，使得满足预定义阈值。改变声透射方案26可以包括降低帧速率、降低采样频率、降低空间分辨率或减小成像区域的尺寸中的一项或多项。任选地，在步骤111中，可以给予用户选项来选择以什么方式改变声透射方案26。如果不能保持预定义阈值，则可以应用步骤112，该步骤包括通过用户接口50发出警报29。步骤105的其他选项是降低ADC位深度或采样频率，步骤107，抑制每个数字化信号样本的最低有效位，步骤108，和/或缓存最初由故障通道13承载的信号41，并在换能器元件的停滞时间期间流出缓存的数字信号，步骤109。

图5示出了根据本发明的实施例的US探头的实现方式的示意性表示。在该实施例中，存在位于具有N个换能器元件5的换能器头部4中的换能器阵列61。来自这N个换能器元件5的模拟信号被分配到四个ASIC，每个ASIC具有带有M个ADC的ADC阵列62。然而，在这种情况下，N＝4×M，可以有多于4个ADC阵列62。因此，相等数量的模拟信号，即M个模拟信号，由其各自的ADC阵列62在每个ASIC上被转换。例如，每个ASIC上可能有M＝32ADC，从而为来自N＝128个换能器元件的N＝4×32＝128个模拟信号提供AD转换。每个ASIC具有P个串行输出通道来传输数据，其中，P低于M，并且通常不是很高(例如2-8)，使得每条通道可以承载M/P个换能器元件(通道)的数据。例如，每个ASIC可以具有P＝4个串行输出通道，每条通道承载M/P＝8条通道的数据。使用几个(在该示例中为四个)ASIC而不是一个具有更多ADC的大型ASIC的优点是不产生封装问题，避免了关于功耗的问题，并提供了模块化的可能性。具有M个ADC的ASIC的数量可以适于US探头1的换能器元件5的实际数量。因此，包括大量换能器元件5的US探头1可以具有更多ASIC，每个ASIC具有M个ADC。例如，高端US探头1可能具有远超32个换能器元件(模拟通道)，因此需要多个ASIC。为了组合各种ASIC的数据，考虑到高速接口的点对点特性，在该实施例中提供了数据收集器单元63。数据收集器单元63被配置为组合来自不同ASIC的数据，并将其分配在可用通道12上。可用通道12的数量是Q，其中，Q通常不同，并且优选小于ADC阵列62的数量的P倍。数据收集器单元63也可以由开关矩阵代替。在该实施例中，数据收集器单元63包括控制器16和故障检测模块14两者。在这样的实施例中，在包括ADC阵列62的ASIC和对缺陷不敏感的数据收集单元63之间具有鲁棒连接是有利的。故障检测模块14也可以位于别处，例如在控制台中。还可以想到的是，ASIC 62各自包括控制器16和/或故障检测模块14。然而，在这种情况下，用于重新路由信号的选项可能是有限的，因为来自ASIC的通道的数量可能是有限的。如果ADC阵列62传输高速串行数据，则这可能涉及数据编码以允许字和帧同步，因为接收器(即数据收集器单元63)需要知道字或帧在哪里开始和结束。有利的是，如果数据只需要短距离传输，这允许降低数据传输中涉及的功耗。例如，可以使用较低的信号摆幅。而且，数据协议可能很简单。来自ADC的数据速度可能不同于线缆通道12上的数据速度。ADC通道速度可以是实时的，即ADC阵列62中没有存储器。数据收集器单元63可以执行从US探头1承载到数据处理单元24的信号的重新分配和/或重新配置，特别是来自ADC阵列62的数据。任选地，数据收集器单元还可以包括存储器功能，这可能有利于数据的灵活重新路由。因此，来自数据收集单元63通过通道12的数据流可以根据所连接的系统以更快或更慢的速度运行。很可能，数据协议可能更复杂，以指示传输数据的组织。数据收集器单元63例如可以是具有大量GTX收发器或MIPID-PHY通道(支持CSI相机接口)的现场可编程门阵列(FPGA)，或者可以是专用的额外ASIC。

上述讨论旨在仅仅说明本系统，而不应被解释为将所附权利要求限制于任何特定实施例或实施例组。因此，尽管已经参考示例性实施例特别详细地描述了本系统，但是还应当理解，本领域普通技术人员可以设计出许多修改和替代实施例，而不脱离如在随后的权利要求中所阐述的本系统的更广泛和预期的精神和范围。因此，说明书和附图被认为是说明性的，并不旨在限制所附权利要求的范围。