CN1297234C

CN1297234C - 高分辨率超声波成象装置及其方法

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Publication number: CN1297234C
Application number: CNB941947432A
Authority: CN
Inventors: J.K.施尼德尔; F.W.基尼; R.J.达克斯; S.M.高捷维克; N.G.莱茨尼斯基; M.C.施尼德尔; D.C.沃波绍尔
Original assignee: Ultrasound Scanning Co
Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 1993-11-04
Filing date: 1994-11-03
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2014-11-03
Also published as: BR9407982A; DE69434400D1; JPH09507031A; EP0727963A1; EP0727963A4; US5456256A; ATE297158T1; EP0727963B1; CA2175691A1; WO1995012354A1; CA2175691C; CN1140982A

Abstract

本发明提供一种用于超声波成像系统并提供输出超声波束以扫描人体或动物组织表面的探针，其包括：以刚性方式支撑所要成像的人体或动物组织来限定所述表面的装置；提供输出超声波束的换能器装置；以及按照使所述超声波束导向所述表面的方式将所述换能器定位于紧靠支撑装置从而使所述波束位于焦点处的尺寸尽可能小以提高所述系统分辨率的装置。

Description

高分辨率超声波成象装置及其方法

技术领域

本发明涉及表面扫描和成像技术，特别是涉及一种用于表面扫描和成像的新式改进型超声方法及其装置。

背景技术

虽然本发明的原理可以用于各种皮下和其它生物统计学结构的扫描和成像，但是本发明的应用领域之一是指纹的扫描和成像。由于超声波图像受手指表面状态的影响较小，所以采用超声波技术获得的图像，其质量优于采用光学技术获得的图像。这样，不管是非常干燥的手指还是非常油腻的手指，也不管是沾满污垢的手指还是具有不规则纹路的手指，采用超声波技术可以获得质量一样的成像。

在提供用于扫描和成像指纹、皮下和其它生物统计学结构的方法和装置时，着重考虑的是系统的分辨率并希望最终的图像的分辨率越高越好。另一个着重考虑的问题是尽可能快地完成扫描以尽量缩短延迟和减少不便，并避免对受测者造成任何不适。

发明内容

因此，本发明的一个目标是提供对人体和动物组织进行成像的方法和装置，它具有较高的图像分辨率和极快的扫描速度。

本发明提供一种对具有一个表面的人体和动物组织成像的超声波成像系统和方法，它包含：探针(probe)装置，该探针装置包括一个通过支撑待成像的人体或动物组织来限定表面的装置；紧靠支撑装置的换能器装置，该换能器装置提供导向表面的输出超声波束从而使焦点处的波束尽可能小而系统的分辨率最大；以及沿两个方向移动换能器装置从而提供超声波束作表面两维扫描的移动装置。另外还提供了与探针装置在操作上连接的扫描控制器装置，该扫描控制器装置控制移动装置以提供表面扫描；和在操作上与探针装置连接的信号处理器装置，该信号处理器装置接收产生的信号以响应表面扫描并处理这些信号。对于采用摆动式液压电机来移动换能器装置以沿精确的路径引导超声波束的移动装置，提供了在操作上与电机相连并输出电机角旋转量信息的编码器装置。另外在电机转轴与包含换能器装置的液体填充区域之间提供了摆动式柔性防液体渗漏密封件，从而使电机阻力最小。本系统及其方法可以用于指纹扫描和处理以及生物统计学识别与验证系统，其中成像系统与包含所记录的生物统计学图像的记录部件和进行比较功能的处理器联用。可以将多个换能器装置排列成线列或者两维相控，并用电子学手段控制超声波束的聚焦和指向。在指纹成像中，可以将手指放于曲面板上并使换能器装置相对其运动，或者在与前面述及的两维相控阵相连的平板上滚动手指，或者在曲面板上提供有关的阵列来完成从指甲的一侧边缘到另一侧的扫描。

附图的简要说明

图1为按照本发明的超声波成像系统框图；

图2为图1系统内探针装置的局部剖面的示意图；

图3为表示图2探针装置操作的示意图；

图4为表示图2探针装置的一个方面操作的曲线图；

图5为表示图2探针装置的一个方面操作的曲线图；

图6为表示编码器角度分辨率与探针臂长之间的一个方面关系的示意图；

图7为表示编码器角度分辨率与探针臂长之间的另一个方面关系的示意图；

图8为图2探针装置内的平板的侧视图；

图9为图8平板的顶视图；

图10为图2探针装置的换能器的示意图；

图11-13为表示图2探针装置中电机转轴所用摆动密封件的示意图；

图14和15为表示本发明系统两种不同扫描模式的示意图；

图16和17为表示通过校正透镜焦距来减小换能器斑点尺寸的示意图；

图18为表示图1系统的信号处理器的示意图；

图19为包含说明图18的信号处理器操作的波形的曲线图；

图20为图1系统的一种电源式样的示意图；

图21为图1系统的另外一种电源式样的示意图；

图22为表示图1系统的扫描控制器的示意框图；

图23A-23F为进一步表示本发明的方法及其装置的操作而给出的软件流程图的示意图；

图24为用波形表示本发明方法及其装置的系统时序的曲线图；

图25为表示图1系统的数据缓冲器的示意框图；

图26为按照本发明的用于指纹扫描的另外一种探针结构的局部透视示意图；

图27为表示在识别系统中采用本发明的系统和方法的框图；

图28为表示图28无线样式的系统的示意图；

图29和30为表示在验证系统中采用本发明的系统和方法的框图；

图31为表示图29无线样式的系统的示意图；以及

图32为按照本发明的固态探针结构的方框图。

实施发明的较佳方式

按照本发明的超声波成像系统10示于图1中。探针部件12是系统的一部分，负责移动换能器以获取两维扫描窗口，对于指纹成像，典型的是0.75″×0.75″。探针部件12的移动受扫描控制器14的电子装置的控制。扫描控制器14包含驱动探针部件12的电机所需电机的驱动器逻辑，其方式将在下面描述。探针部件12的换能器输出的数据随后由信号处理器16接收，在那里经过放大、范围选通、峰值检测和A/D转换。该数据接着被存入与任何适于接收和处理原始指纹数据的装置相接的高速数据缓冲随机存取存储器18。诸如通用计算机或者定制的指纹图像处理器之类的装置都可以用在这里。所有的系统组件和子部件都由定制的电源20供电，它提供了系统运行所需的电压。下面将进一步详细描述每个组件。

图1系统所用技术的一个应用是获取肤纹或手指受摩擦的那皮肤表面的图像，即指纹。采用超声波技术获取的图像，由于其受手指表面状态的影响较小，质量优于用光学技术获取的图像。在1993年6月29日颁发的题为“采用高分辨率C-扫描超声波成像术的表面特征标准”的美国专利No.5,224,174中对此作了详细的讨论，它已通过引用包含在这里。因此可以获得质量一样的成像，不管是非常干燥的手指还是非常油腻的手指，也不管是沾满污垢的手指还是表面纹路不规则的手指。为了获取高质量的指纹图像，按照本发明所确定的，关键在于使换能器的斑点尺寸很小，直径不超过0.002″。斑点尺寸直接与系统的分辨率有关。为了获得这样直径大小的斑点尺寸，换能器必须制成具有合适的孔径、频率和焦距的比率。按照本发明，已经发现，在整体元件孔径约为0.180″和焦距约为0.25″时频率为30MHz左右最佳。按照本发明的超声波方法及其装置可以用于扫描人体和动物组织的其它表面，如掌心、脚趾等。

采用超声波进行指纹成像的第二个基本优点是利用在手指内发现的皮下特征来再现摩擦皮肤图像。当手指外表面上的纹路细节因轻微的割破伴随损伤而暂时变化时，或者因过度潮湿而无法辨认时，这就显得很有用。皮肤的紧贴底面包括表面摩擦皮肤的所有细节；因此，通过对表皮的紧贴底面成像，可以获得无任何缺陷的手指外表面的指纹图像。皮肤的第二层或者真皮层还包括与摩擦皮肤肤纹相对应的痕迹。该皮肤层由已知是真皮乳头的结构组成，它们呈双行排列，每一行都位于表皮层的一条纹路内。要求获得紧贴表皮之下的皮下图像对图1所示系统唯一的修改就是对来自该深度而非表面的超声波信号进行处理。通过调节范围选通器(range gate)可以实现这一点。范围选通器是一个窗口，它能使某一部分的返回信号传输至信号处理电子线路内；因此，范围选通器在时间上的延迟对应着手指内不同深度处的成像。这将作进一步的详细描述

对于那些摩擦皮肤缺乏足够多的供分析细节的人来说，皮下成像技术特别有用。这包括具有遭受过从手指表面被轻微划伤到被严重灼伤等程度不等的外伤的手指或手的那些人。这项技术对于在手指表面上的纹路结构已被磨损掉的情况下的成像也是有帮助的。由于出现上面几种情况的人占了相当大比重，所以象光学指纹阅读器这样无法在手指面下成像的其它装置，其性能上的弱点就非常明显。

图1系统技术的第三个潜在优势是在完全崭新的生物统计学中的应用。众所周知，遍及人体的血管分布已经被用作识别个人特征的手段。用来获取这些图像的技术通常在用户看来带有侵犯性，因此无法在商业市场上获得成功。这里所述的系统能够透入手指表面以下并对血管和其它皮下结构成像。这些结构的数量巨大，包含了足以正确识别个体的信息。从完全崭新的生物统计学的发展可以预期，这种生物统计学方法在利用指纹识别个体的后处理中将会更为简单。这种简单特性提高了处理量，使结果更为精确并降低了系统的复杂性，由此降低了系统成本。为了在手指内部一定深度成像，必须采用低频换能器。按照本发明已经发现，15MHz左右频率的超声波由于能更为透入手指内部更深而衰减较小，所以是优化的选择。

现在将详细描述图1系统的各种部件或组件。探针装置或部件12包含通过支撑待成像的人体或动物组织来限定表面32的平板型装置30，输出超声波束的换能器装置34以及将换能器装置34定位于紧靠支撑装置30的装置36，它将超声波束导向表面32从而使得焦点附近的波束尺寸尽可能地小以使系统的分辨率最大。接下来定位装置36又包括移动换能器装置34以在表面32上沿第一方向引导波束的第一装置38和移动换能器装置34以在表面32上沿第二方向引导波束的第二装置40。第一方向从图2观察进出于纸面而第二方向从图2观察由纸面的左边到右边。在所示的探针部件中，第一装置38包含使换能器34摆动以使超声波束沿表面32精确路径移动的电机装置，第二装置40包含移动换能器34以使超声波束沿表面32上的直线路径移动的电机装置。探针12由此完成了对支撑于表面32上的人体或动物组织的两维扫描。

线扫描特别是通过利用直流无刷电机38或等同的限定角扭矩电机使固定焦距的单个元件34作摆动来完成的。光学编码器44安装在直流无刷电机38的基座上并附着在电机的转轴上以向扫描控制器14内的控制电子电路提供有关电机38转动位置的反馈信息。

换能器34通过合适的手段，例如粘合剂固定在探针臂48上，探针臂48附着于直流无刷电机38的转轴上，在电机每次转动预定角度时扫出一段圆弧。换能器直接位于放置待成像手指的平板30之下。为了尽可能地减少超声波在传播到手指过程中能量的衰减，整个换能器位于充满液体的区域内，即盛水的腔体50内。这就需要在探针上的两个地方安装不透水密封件。第一密封件为通常标以52的摆动密封件并用来密封摆动电机的转轴。第二密封件是一个用于形成整个盛水腔体44的大型波纹软管54。波纹软管54的一端用例如螺丝56不透液体地紧固在电机支架58上，而另一端用螺丝62不透液体地紧固在围绕平板30的探针外罩64上。对摆动密封件52将作详细的描述。充液区域50包含超声波传导介质，例如水、矿物油等。

一旦扫描完一根线，直线传动电机型的第二电机装置40就被用来沿第二运动轴移动整个部件，从而扫描第二根线。不断重复该过程直到面积为0.75″×0.75″的扫描区域完成成像。在完成扫描后，直线传动机构40又反绕到位置传感器68指示的开始位置处，位置传感器68将在下面作进一步的详细描述。

需要扫描的区域是一个尺寸为0.75″×0.75″并沿X-Y轴以0.002″间隔取数据点的矩形窗口。图2的探针构造示出了如何利用直线传动机构40方便地完成Y轴移动的情形。正如将在下面进一步详细所描述的那样，直线传动机构40是一台带有将电机分立的转动步骤转换为以0.002″为步距直线运动的带有整体齿轮部件的步进电机。但是，正如图3所示，由于是由围绕单个支点或者枢轴72转动的探针臂48驱动的，所以换能器34作非线性运动，由此完成X轴形状的扫描较为困难。最终的成像显示出一定程度上的变形，其大小与换能器运动路径圆弧所限定的曲率相当。在这里示出的系统中，沿着X方向扫描0.75英寸需要有60度的圆弧。因此，必须利用线性算法校正扫描图像的变形。算法可以用系统10中的软件实现，其作用在于改变每个像素的位置以补偿换能器34的圆弧运动。最初，数据在扫描时形式存储，存储的每行数据点代表图像的一段圆弧。根据扫描圆弧的长度，算法计算出图像中各像素的新位置。

特别是，由于单根扫描线的数据都已记录一段圆弧形状中，所以在没有首先对圆弧运动进行补偿时，最终的手指图像将会变形。为了补偿这种运动，系统10的软件执行“线性化”子程序，该子程序将像素有效地从存储器内的当前位置移至存储器内合适的位置。通过在显示图像之前完成这一步骤，图像将不再变形。以下结合附图4和5给出位移数据的算法。

沿图4中曲线80所表示的给定扫描圆弧的数据存储在图5中以标号82表示的存储器单根直线上。中心像素右边或左边的每个像素必须移至事实上比中心像素低的新的存储位置。随之而来的是位移多少(即多少个存储位置)的问题。为了确定这一点，必须理解的是，存储器的每条直线都代表了与前一条线直线0.002″的位移。此外，直线上的每一点都代表了与前一点0.176°的角位移。认识到这些，就能够实现以下的算法。

1.在存储器中选择待移动的点。确定其离开中心点多少个像素。

2.利用下式计算角位移：

＝(从中心点数起的像素个数)x0.176o

3.计算从顶端中心点算起的以英寸为单位的位移。

ΔY＝R-RCos

4.由下式计算位移的存储器线数：

线数＝ΔY/0.002与前述算法相关的是，图4中直线84表示半径R而量R Cos和ΔY的大小分别由图4中的86和88表示。角位移也示于图4中。作为扫描结果存储的像素在图5中的90处表示而已调整的像素，即移至新的存储器位置的像素在图5中的92处表示。图5中的曲线94表示作为线性化子程序结果而存储的数据，即已调整好的像素组。

在完成这项处理之后，所存储的图像不再有变形，并代表了手指真实的图像。为了包含足够的数据来生成面积为0.75″×0.75″的最终图像，必须采集沿Y运动轴的额外的数据。要生成0.75″的线性在数据必须采集大约0.84″的扫描圆弧。这是因为除非该段直线上的属于几段圆弧的所有点都已被扫描，否则就无法生成单根线性化扫描线。对图3仔细的研究表明，位于扫描端点处的圆弧只图像数据的边缘或中心有贡献。因此，为了获取足够的待线性化的数据，必须在0.75″以外的窗口获取额外的样本。

对于整个扫描形状的一个重要方面是如何完成实际数据点的定时。一种办法是使自激的定时器以有规则的时间间隔激发换能器并采集返回的回波。定时器必须以正比于电机38速度的速率运行，电机38每隔0.002″采集一次数据点。这种方法的缺点是为了实现适当的采样，需要RPM(每分钟转数)非常恒定的电机。这意味着在加速或改变方向时的减速期间无法采集数据。这损失了可观的时间，从而增加了整个扫描时间。

比较好的方法和在本发明系统中实现的方式是将光学编码器44与电机38的转轴连接起来。光学编码器44输出一个对应给定角旋转量的脉冲。该脉冲只依赖于角旋转量而与转动速度无关。因此，通过选择具有合适的角分辨率的光学编码器并设计出长度合适的探针臂48，可以从光学编码器产生与0.002″换能器位移对应而与电机速率完全无关的脉冲。这使得成本极低、精度较差的电机可以在扫描仪中使用。而且，采用这种布局后，可以在电机38加速和减速期间采集数据，从而与前面的方法相比，扫描时间加快了很多。

下面结合图6和7，以探针臂长度计算的实例来描述上述内容。探针臂48的长度与光学编码器44的分辨率和需要扫描区域的总体尺寸密切相关。对于本例的系统，手指成像所需的步距为0.002″而需要扫描的区域为0.75″×0.75″。光学编码器44的分辨率为512线/转并提供同相和90°相位差输出。当它与例如惠普HCTL 2020型光学译码器IC相接时，产生一个2048脉冲/转的复合脉冲。在2048脉冲/转下，获得了0.175°的角度间隔。

为了在光学编码器每个角度增量时跨越0.002″的距离，必须选取合适长度的探针臂48。探针臂长度按照下式计算，由图6可见，探针臂长度PAL用线段102表示，角度扫描用虚弧线104表示，而所需的步距由虚直线106表示。图6中的角度表示角度间隔。在步距为0.002″和角度间隔为0.175°时，探针臂长度PAL按照下式计算为0.65″左右：

sin＝0.002″/PAL＝sin0.175＝0.002/PAL

PAL＝0.65″

与前面联系起来，还必须考虑扫描面积大小。需要的扫描面积为0.75″×0.75″。在本实例的系统中，利用无刷电机38中的霍尔效应传感器提供有关电机位置的反馈信息。典型地是以120°的间隔放置三个霍尔效应传感器并以30°的分辨率提供角度位置信息。也就是说，扫描30°倍数(即30°、60°、90°等)大小的扇区是非常容易的。选择60°的扇区尺寸并在已知所需的扫描线长度为0.75″时计算探针臂长度如下，由图7可见，线段110表示探针臂长度PAL，虚弧线112表示角度扫描而虚直线114表示所需的扫描线长度。图7中的角度表示角度间隔。探针臂长度PAL按照下式计算为0.75″左右：

sin＝0.75″/2/PAL＝sin30＝0.375″/PAL

PAL＝0.75″这个结果与按照图6计算的所需探针臂长度相比，只是略有差异。实际上，将探针臂长度取为0.75″，根据图6重新计算步距的分辨率得到的步距为0.0023″，很好地落入了指纹成像误差允许的范围之内。但是，应该指出的是，对光学编码器44的电路略作修改，就可以用光学编码器代替霍尔效应传感器提供电机的位置信息。由于光学编码器具有高出许多的分辨率，所以扇区大小无需以30°为增量。这样可以将探针臂长度减少到理论优化值(0.65″)，并选择一定大小的扇区提供0.75″长的扫描线(大约70.5°)。

如上所述，为了获得探针构造下的扫描图形，采用了两台电机。第一电机38负责使压电换能器沿圆弧形轨迹摆动以获取沿X轴的单根扫描线数据。第二电机40为直线传动机构，用来沿Y轴将第一电机部件步进到下一根线上以获取第二根扫描线。不断重复该过程直到整个区域都被扫描过。

由于具有众多性能上的优点，无刷直流电机与普通的直流电机相比，应用更为广泛。这两种电机的主要差异在于电机线圈的换向装置不同。要使任何直流电机，必须相对于磁场磁铁持续切换通向电机线圈的电流。在刷型电机中，这可以借助与开槽换向器圆柱体接触的碳刷完成，每个电机线圈与换向器相应的汇流条相连。随着电机的旋转，不断进行切换。在这种布局下，由于电刷的磨损，速度和寿命都有所限制。在无刷电机中，对转子的位置进行检测并连续向换向电子线路送回信号以进行合适的切换。可以采用多种方式完成转子位置的检测，大多数厂家采用霍尔效应器件。这些器件通常提供了优化的性能、尺寸价格比。传感器相隔120°设置并成对启动(fire)以提供位置信息。机械转动一圈对应于720°的电角度。这样提供了30°的位置反馈分辨率。

三相直流无刷电机用来使换能器作摆动以产生单线弧形扫描。电机内部有三个向扫描控制器电路14提供反馈信息的霍尔效应开关。该信息提供了相当粗略的电机38角位置的反馈信息。根据霍尔效应开关的状态，扫描控制器通过电机上的三个绕组或任何一个流出或流入电流。这样就能够控制电机38的速度和方向。由此，通过正确地监视霍尔效应器件的状态，可以使电机38在扇区内往复摆动，扇区的大小是由霍尔效应开关限定的最小分辨率的整数倍。本实例的系统扫过大约60°的扇区，这是0.75″长的扫描线所要求的。

一旦电机38使换能器34扫过一条线之后，直线传动电机120就沿第二扫描轴步进整个部件。直线传动机构40是一台带有连为一体的导引螺丝122的小型直流步进电机120以将转动转换为直线运动。一旦扫描控制器14检测到换能器完成了一行线扫描，直线传动机构40就接受命令沿第二运动轴移动一根线。随后换能器34沿相反的方向越过手指回扫。不断重复该过程直到扫描完所需的区域。直线传动机构40随后又反绕到初始位置以准备进行新的扫描。传感器68提供了位置反馈信息以指示直线传动机构40反绕到开始位置。传感器68向扫描控制器14提供一个信号以终止反绕过程。有好几种传感器适合这种应用，包括微开关、霍尔效应器件、光学传感器等。在本实例中，电机38采用Globe Motors的559A104(microswitch)型，是光学编码器44惠普的HEDS-5640型，而直线传动机构40是Hayden Switch Instrument的35862型。

支撑装置或平板30将在图8和9中详细表示。如上所述，平板30在手指与超声换能器34的水路径之间形成界面。平板30必须具有足够的机械强度以在扫描过程中对手指提供刚性支撑。平板30的偏斜或变形会导致图像变形并使软件后处理更为困难。理想的情况是，平板30的声阻抗必须与手指皮肤的声阻抗尽可能匹配。而且，由于迫切需要在不用任何声耦合元件的情况下将手指放在平板30上，所以平板界面必须能与手指表面充分接触，尽量减少它们之间的空隙。为了获得高质量的手指图像，所有这些要求连同平板30必须使高频超声波无明显衰减或无频率下移地通过的要求都必须满足。

平板30的结构采用交联聚苯乙烯或有机玻璃材料130，上面覆盖有硅酮RTV薄层132。聚苯乙烯或有机玻璃材料130自身的声阻抗非常接近于人体组织，其适合的厚度提供了必要的机械刚性和尽可能短的超声波传播路径，例如厚度为1/16到1/8英寸。30MHz的超声波频率在材料中传播时发生的变化是察觉不到的。为了提供与手指的最大耦合，如果需要，可以覆盖一层硅酮RTV薄层132。也可以采用其它类型的硅酮乳液橡胶。RTV在保持合适声阻抗的同时还改善了与手指的机械耦合。RTV必须具有足够的厚度以隔断聚苯乙烯/RTV回波而只处理与RTV/手指界面有关的回波。RTV所需的厚度取决于换能器34的整体“Q”值。在本实例中，平板体130的厚度大约介于1/16-1/8英寸之间而涂层132的名义厚度大约为0.010-0.030英寸。在平板30的四周提供有一组安装孔134。

图10示出了换能器34的示意形式。换能器主体140置于不锈钢外罩内。电缆线142一头终止于商业上称为Microdot的接头144内，另一头与外罩140内的压电换能器元件电气连接，通过提供应力释放的由封装化合物等构成的壳体146加强了这种连接并保证了密封。根据扫描类型的不同可以采用两种不同形式的换能器34。对于手指成像，可以采用频率约为30MHz、孔径约为0.180″而焦距约为0.25″的高频换能器。该换能器提供的分辨率最高，即其斑点最小，但是由于穿透到手指内的距离有限，所以衰减不太大。对于目标是人工制品而非指纹结构的皮下扫描，可以采用物理性质相似但频率减小为15MHz左右的第二种换能器。对于这种成像，30MHz的超声波由于衰减得很厉害，所以信号处理器16的成本太高。因此，将频率减小一倍就可以接收强得多的信号。

对于换能器34的基本要求是尽可能减少所产生的总体斑点尺寸。斑点尺寸是换能器频率、孔径和整体焦距的函数并由下式给出：

d＝2.44(fL/D)λ这里d是在过零点(zero crossing point)处测得的斑点尺寸，f_L是换能器的焦距，D是换能器孔径而λ是声波的波长。在换能器的设计中，需要使f_L/D的比值尽可能地小。利用各种已知的技术，例如外焦距透镜、曲面换能器元件或者它们的结合等可以做到这一点。在本实例中，在-6db点处用/ASTME1065测得的换能器34产生的斑点尺寸为0.002英寸而在从峰值下降20db处测量的振铃时间为1个循环。电缆线为Cooner同轴线或者直径约为0.037英寸的等同物。换能器34的商业型号为Krautkramer Brasen的389-005-860型。

图11-13更为详细地示出了用作密封电机38的摆动轴150的摆动密封件52。为了使所用频率下的超声波对于此处所述的扫描能在任何相当大的距离内传播，声波必须在水中而不能在空气中传播。因此，从换能器34到平板30的第一或内表面152的整个声波路径必须完全在水中。对于电机38和120需要不透水的密封件。由于跨于密封件不存在压差，所以无法采用密封工业中的一些常用技术。最后，由于密封件直接加载于具有有限扭矩的3相直流无刷电机38，所以从电机38的角度看，密封件体相对于扭矩来说应呈现最小的负载。

采用与连杆或电机转轴150和器璧或类似结构部件156沿电机转轴方向使柔性球胆52正附着。软壳用一种诸如胶乳橡胶或其它橡胶之类能够拉伸但可以阻止流体通过的柔性材料，附着方式使得它在两个附着点之间是松弛的以使电机38在有限的转动摆动时只受微小的曳力。软壳所选用的材料是胶乳基产品，璧厚约0.020″，并且用胶乳材料中固有的防水环氧树脂将其与连杆150和壁156密封在一起。

接下来看扫描、获取来自手指表面或者接近手指表面(例如皮下指纹成像)的图像的各种模式，超声波信号的衰减量是最小的。因此，为了获得最高的空间分辨率，换能器34的频率要非常高。对于这一应用，换能器的频率约为30MHz。为了获取紧贴手指表面的结构的图像，采用了图14所示的电子范围选通门它只允许对来自所需处理深度的那些回波进行处理。这样，从处理指纹图像到处理皮下指纹图像，系统的修改只涉及选通范围的改变。这种范围选通的时序可以由软件控制，对于在成像的人来说这种改动是明显的。

在这两种情况下，如图14所示，超声波能量以垂直手指表面的方向进入手指。换能器34如此取向使得信号强度最大。但是，分别来自平板30前后面的镜面反射也返回至换能器34。由于可以使它们不被选通，所以对于表面成像来说不成问题。但是，对于深度皮下成像，当试图在某一路径成像时，多路径镜面反射可能会呈现严重的问题。因此，换能器34必须适当取向以消除这些回波。

当所考虑的是来自手指更深部位的图像时，高频超声波的衰减是如此的明显以致于不是信号完全损失就是信号处理器16放大级的增益带宽积很大，使得系统的成本过高。因此对于这类结构的成像，要采用频率较低的换能器34，例如频率大约为15MHz。这样做略微降低空间分辨率为代价解决了衰减大的问题。但是，由于所考虑的皮下结构比起手指表面发现的隆起结构要大，所以分辨率的损失并无太大的问题。

在对手指内部深处进行成像时可能发生的第二个问题是，根据所采集的回波所处深度的不同，来自位于声波路径内的镜面反射体的多路径回波可能会遮蔽所考虑的特征。因此，需要去除由镜面反射体引起的多路径回波以使所考虑的信号成像。通过如图15所示将换能器34转动一个足以使镜面反射回波觉察不到的小角度可以做到这一点。这使得平滑表面产生的任何回波166以一定的角度反射从而使返回的回波不再回到换能器34。由换能器34可以看到的只是那些沿所有方向散射声波的回波168。人体内部大多数所考虑的结构都趋向于对声波进行散射，从而使得这项技术在扫描应用中的效果非常好。

制造用于聚焦超声波的透镜的工业标准是采用固定的半径以生成透镜曲面。透镜材料一般由聚苯乙烯构成并加工成所需的尺寸和曲率。透镜的几何尺寸决定了换能器的焦距和斑点尺寸。但是，对透镜方程的分析表明，不变半径的透镜无法提供由衍射所限制的斑点尺寸。它们会引起球面象差，而球面象差具有使聚焦的波束模糊或扩大的作用其尺寸。这种情况示于图16。因此，为了将斑点尺寸降低到理论上的最小值，必须采用非球面镜、曲面型换能器元件或者它们的结合。在图17中示出了经过校正减小了斑点尺寸的透镜。

如上所述，系统控制和电子线路包括四个主要部件：信号处理器16、电源20、扫描控制器14和数据缓冲器18。信号处理器16负责驱动和接收往来于超声波换能器34的信号。在该部件中进行模数转换并将数字形式的数据传递到数据缓冲器卡18。数据缓冲器卡18是能够存储整个指纹灰色级谱数据的高速数字RAM。这张卡在信号处理器16与任何用来对指纹数据进行处理的后处理硬件之间起着先进先出的作用。扫描控制器部件14负责控制换能器34的运动。正是该部件控制着整个扫描区域上的X运动和Y运动。这三个部件由能够以合适的电流强度产生所需电压的电源20供电。电源20具有断开不在使用中的电压的逻辑输入以节省能量。是否断开电源由扫描控制器14确定。

图18是信号处理器16的功能性框图，信号处理器是在超声波换能器34与数据缓冲器18之间的连接。信号处理器16包含所有必需的硬件以驱动和接收往来于换能器的信号。信号处理器16的脉冲发生器-接收机部件202通过前述的电缆线142和接头144与换能器34相连。脉冲发生器—接收机202的输出端与高增益线性放大器204的输入端相连，该放大器的输出端与峰值检测器/A-D转换器部件206的输入端相连。定时和控制部件208按照一定的控制关系与脉冲发生器/接收机202和峰值检测器/A-D转换器206相连。由脉冲发生器/接收机202提供单边负下降沿脉冲以使换能器34的晶体起振。脉冲具有较快的下降时间，大约为3个纳秒而幅度约为直流150伏。手指引起的回波返回换能器34并由信号处理器的脉冲发生器/接收机202接收，在此基础上由放大器204进行线性放大。对于该信号施加范围选通，使得只有部分信号通过峰值检测电路206。对信号进行负峰值检测并将特定选通范围内检测到的最大峰值转换为8位数字数据在部件206的输出端提供。8位数字数据连同线路212上的定时脉冲(DAV)经线路210传送到数据缓冲器18以存储在缓冲器18的RAM存储器中。信号处理器16的定时和控制部分208还负责产生范围选通定时脉冲。范围选通用来选择返回的回波中由信号处理器进行处理的部分。为处理超声波返回信号的后一部分而对范围选通进行延迟，使得形成的图像对应于手指内更深的部位。图19给出了为选择成像而使用范围选通门的时序图。特别是，波形220代表各种超声波回波信号，包括响应于换能器34发射的主脉冲超声波信号的回波222、来自面对换能器34的平板表面30的回波224、来自平板体130与涂层132之间界面的回波226、来自被扫描的手指表面的回波228以及来自手指内部的回波230。脉冲232和234分别是表面和皮下成像的数字范围选通脉冲。

图20示出了向扫描仪的线性和数字电路、超声波换能器驱动器、X和Y扫描运动驱动电机提供电力的电源。选择的电源变压器240带有两个初级绕组和一个头次级绕组，额定功率为56瓦。次级绕组驱动两个整流器网络242和244。三个线性稳压器246、248和250将整流器电压降低到直流+5、+12和-5伏以满足逻辑电路和放大器的需要。另一个整流器244是向滤波电容充电以提供大电流的未调节的+17伏电压的全波桥路。该线路向线性调压器252提供+12伏电压。由稳压的线性驱动电机供电线路供电的PWM逆向变换(fly-back converter)254再提供用于换能器驱动器的高压。

图21给出了必要的电源操作的功能框图。主PWM逆向转换器260采用几组次级绕组以产生模拟和逻辑供电电压以及用于驱动压电换能器的高压。小型PWM增压调节器262产生用于微控制器264的电压3微控制器264内运行的监督软件循环在设备休眠期间监测设备的即将使用并在有效使用期间向主转换器260供电。在终止使用设备后，再次断开主转换器以延长电池的寿命。

扫描控制器14负责控制与探针部件12相关联的两台电机38和40的扫描运动。如将要说它采用8位可编程微控制器运行控制软件。图22给出了扫描控制器的功能框图。微控制器270负责传送需要的命令以控制每个电机，接收来自附着于电机上的光学编码器和霍尔效应传感器的位置反馈信息，并向系统的其它部分提供必要的定时和控制信号。受扫描控制器控制的一个电机是负责使换能器34在一限定的角度范围内作往复摆动的扫描电机38。可以用作此目的的一种电机是3相直流无刷电机。这类电机的效率很高，因此物理尺寸较小的电机也可以产生大扭矩。而且，不用电刷来完成换向可以使系统保持长久的可靠性。直流无刷电机包含三组绕组，为了保持其转动需要使电流根据相互间的关系流出或流入绕组。因此，需要采用六组分立的高压、大电流驱动器完成此项操作。对六个驱动器的控制位由8位锁存器272驱动。锁存器作为微控制器270所用I/O线的扩展部分使用。这些位可以根据电机所需的运动设定为逻辑‘1’或‘0’。随着电机位置的改变，电机内部的传感器对电机相对角位置提供反馈。这种应用中用得最多的传感器是霍尔效应传感器。霍尔效应传感器输出的是在一定分辨率内对电机位置进行译码的逻辑‘1’或‘0’。这些传感器的状态被驱动至微控制器270，在那里被读取并根据它们的数值判定有关驱动输出的下一状态。

微控制器270运行负责扫描控制器14整体功能和建立系统定时的汇编语言级的软件。图23给出了描述软件逻辑流程的软件流程图而图24给出了系统的时序图。图23描述了流程图的各个单独逻辑单元，下表对各单元作了注释：

表1

流程图逻辑单元

MPC.1开始MPC这是用于整个程序控制并在合适的时候调用必要的子程序的主程序。

MPC.3通电时线性传动机构反绕。

MPC.4如果反绕子程序无法成功地使线性传动机构反绕，则存在错误条件。

MPC.5软件寻找将扫描线拉有效(低)的请求。

MPC.6在有驱动信号的开关的情形下，必须释放开关。

MPC.7这是一个使线性传动机构向前移动一步的单步请求。其目的是允许为测试目的而手动定位线性传动机构。

MPC.8向前移动一个位置。

MPC.9检验使线性传动机构反向一单步行进以允许为测试目的手动定位线性传动机构。

MPC.10使线性传动机构反向移动一个位置。

MPC.11在检测到错误后，直到系统清零前停止所有正常的处理。直到系统清零初始化前，错误代码数字以相当快的速度闪烁以使发光二极管忽明忽暗。这使得可以直观指示检测到了何种错误。

MPC.12在错误代码连续闪烁之间短暂的延时之间以区分错误代码。

ACQDAT调用必要的子程序来完成整个扫描并用于驱动各种时序信号的主处理控制

ACQ.1在开始扫描的同时，线性传动机构开始通电。

ACQ.2为准备扫描，换能器被驱动到平板的两侧。

ACQ.3现在软件给出向平板右边扫描的命令。

ACQ.4如果子程序RHS无法成功地扫描该线。

ACQ.5为准备下一次扫描，线性传动机构步进至下一条线上。

ACQ.6软件给出向平板左边扫描的命令。

ACQ.7如果子程序RHS无法成功地扫描该线。

ACQ.8跟踪扫描线数。

ACQ.9通过检查以确定是否等于总的待扫描线数。

ACQ.10如果已经等于待扫描的总线数。

ACQ.11直流电机断电并停止扫描。

ACQ.12线性传动机构反绕至其开始的位置。

ACQ.13如果反绕子程序无法成功地使线性传动机构反绕，则存在错误条件。

ACQ.14准备下一次扫描。

ACQ.15现将用于跟踪扫描总线数的内部计数器清零。

RWND.1开始反绕使线性传动机构反绕至其初始位置。电机不反绕直到发生如下两个事件中的一件。第一个事件是检测出安装在线性移动路径端点处的位置检测器的启动而正常终止。一旦检测器运行，电机向前步进50步或者0.01″。这是为了避免整个运动机构中的机械间隔。

第二个事件是已发布550步以上的命令。发布的步进命令的总数显然超出了使电机完全反绕所需的命令数。此时，软件不再向电机发送反绕命令。

RWND.2使电机沿相反方向或反绕方向步进步幅为0.002″的一步。

RWND.3进行检查以确定指示线性传动机构初始位置的传感器是否已到达。

RWND.4只要限制传感器未启动，就进行检查以确定是否已给出最大的反绕命令数。

RWND.5如果电机已经反向562条线而未启动限制传感器，则存在错误条件并返回指示这种条件的错误代码。

RWND.6发生了反绕的正常终止而电机现在又向前步进50步以消除系统中任何机械间隔。

RWND.7检查以确定电机是否向前步进了总的步数。

RWND.8断开电机的电源。

RWND.9从子程序返回。

LFWD.1开始LINFWD使线性传动机构以0.002″的步幅向前步进。

LFWD.2检查线性传动机构是否处于4个可能状态中的状态1。

LFWD.3将电机驱动至状态2。

LFWD.4检查线性传动机构是否处于4个可能状态中的状态2。

LFWD.5假定线性传动机构处于状态2，则将电机驱动至状态3。

LFWD.6检查线性传动机构是否处于4个可能状态中的状态3。

LFWD.7假定线性传动机构处于状态3，则将电机驱动至状态4。

LFWD.8因为判断电机未处于状态1-3，所以必定处于状态4，并因此驱动至状态1。

LFWD.9从子程序返回。

LREV.1开始LINREV使线性传动机构以0.002″的步幅倒退。

LREV.2检查线性传动机构是否处于4个可能状态中的状态1。

LREV.3假定线性传动机构处于状态1，则将电机驱动至状态4。

LREV.4检查线性传动机构是否处于4个可能状态中的状态2。

LREV.5假定线性传动机构处于状态2，则将电机驱动至状态1。

LREV.6检查线性传动机构是否处于4个可能状态中的状态3。

LREV.7假定线性传动机构处于状态3，则将电机驱动至状态2。

LREV.8因为判断电机未处于状态1-3，所以必定处于状态4，并因此驱动至状态3。

LREV.9从子程序返回

RHS.1开始RHS将电机驱动至平板右侧并产生用于设定和清除MBEN的适当控制。

RHS.2八位寄存器用来保存光学编码器输出的角位置数值以设定和清零MBEN定时脉冲。该寄存器由软件在单次扫描期间数次被装填。

RHS.3一旦八位位置寄存器被装填，就启动比较器以开始检查相对于位置寄存器输出的光学编码器输出。

RHS.4该命令负责启动电机向平板的右侧转动。

RHS.5随着电机开始向平板右侧转动，软件监视比较器的输出用作检测。一旦检测到，软件对位置寄存器再装填，以准备下一次位置检测。

RHS.6启动MBEN定时信号。

RHS.7位置寄存器再装填以搜寻RMTRREV。

RHS.8启动位置比较器以寻找RMTRREV。

RHS.9软件等待直到到达平板右侧的电机反向点。

RHS.10在尽快降低电机的过程中使电机方向反转。

RHS.11位置寄存器再装填以搜寻RSECTMARG。

RHS.12启动位置比较器以寻找RSECTMARG。

RHS.13对于方向改变检查光学编码器的方向位。如果电机速度在检测到RSECTMARG之前能够降低和反转，则存在错误条件。

RHS.14设定指示相应的错误条件的错误代码。

RHS.15软件等待直到检测到平板的右侧远端。一旦检测到，就清零MBEN就清零并完成线扫描。

RHS.16使MBEN失效。

RHS.17位置寄存器再装填以寻找RSECTMARG+10的计数。这保证了足够的过冲以使MBEN保持足够长时间的失效以满足数据缓冲器的要求。

RHS.18启动位置比较器以寻找RSECTMARG+10。

RHS.19对于方向改变检查光学编码器的方向位。如果电机速度在检测到LSECTMARG之前能够降低和反转，则存在错误条件。

RHS.20设定指示相应的错误条件的错误代码。

RHS.21软件等待直到检测到平板右侧远端与10个附加计数之和。一旦检测到，则电机已移动了足够长的距离以满足所有需要的定时要求并可在此后的任意时刻反转。

RHS.22从子程序返回

LHS.1开始LHS将电机驱动至平板左侧并产生用于设定和清除MBEN的适当控制。

LHS.2八位寄存器用来保存光学编码器输出的角位置数值以设定和清零MBEN定时脉冲。该寄存器由软件在单次扫描回扫期间分几次装填。

LHS.3一旦八位位置寄存器被编码，就启动比较器以开始检查相对于位置寄存器输出的光学编码器输出。

LHS.4该命令负责启动电机向平板的左侧转动。

LHS.5随着电机开始向平板左侧转动，软件监视比较器的输出用作检测。一旦检测到，软件就对位置寄存器再装填，以准备下一次位置检测。

LHS.6启动MBEN定时信号。

LHS.7位置寄存器再装填以搜寻LMTRREV。

LHS.8启动位置比较器以寻找LMTRREV。

LHS.9软件等待直到到达平板左侧的电机反向点。

LHS.10在尽快降低电机速度使电机方向反转。

LHS.11位置寄存器再装填以搜寻LSECTMARG。

LHS.12启动位置比较器以寻找LSECTMARG。

LHS.13对于方向改变检查光学编码器的方向位。如果电机速度在检测到LSECTMARG之前能够降低和反转，则存在错误条件。

LHS.14设定指示相应的错误条件的错误代码。

LHS.15软件等待直到检测到平板的左侧远端。一旦检测到，MBEN就清零并完成线扫描。

LHS.16使MBEN失效。

LHS.17启动位置寄存器再装填以寻找LSECTMARG+10的计数。这保证了足够的过冲以使MBEN保持足够长时间的失效以满足数据缓冲器的要求。

LHS.18启动位置比较器以寻找LSECTMARG+10。

LHS.19对于方向改变检查光学编码器的方向位。如果电机速度在检测到RSECTMARG之前能够降低和反转，则存在错误条件。

LHS.20设定指示相应的错误条件的错误代码。

LHS.21软件等待直到检测到平板左侧远端与10个附加计数之和。一旦检测到，则电机已移动了足够长的距离以满足所有需要的定时要求并可在此后的任意时刻反转。

LHS.22从子程序返回。

参见图24的系统时序图，RQSTSCAN是在START MPC程序中对扫描信号的请求，MBEN是主脉冲启动脉冲，MBANG是主脉冲，DAV是将要描述的操作数据缓冲器18用的数据可用脉冲，LINESTEP是命令线性传动机构40移动到下一条扫描线的脉冲，SPINDER是控制电机38转动方向的脉冲信号，FRWD/REV是控制线性传动机构40运动方向的脉冲信号，而EOS是ACQDAT子程序中所用的扫描结束信号。

数据缓冲器18用作FIFO(先进先出)的数据存储阵列。由于用来处理获得的图象的计算机速度通常有限，折以超声波读取器可能会以较后置处理器接收数据的速度更快的速度提供数据。为了避免扫描速度的降低和防止用户将手指在平板30上放置时间过长，数据缓冲器18用作将整个扫描数据暂时存储起来的装置并使得后置处理器在扫描完成之后以较慢的速度读取数据。图25给出了数据缓冲器18的功能框图。

数据缓冲器18被排列成8位数据的512行乘512列。当来自信号处理器的有效数据可用时，启动数据可用脉冲(DAV)。数据缓冲器18利用DAV脉冲将数据写入RAM290并使地址计数器292递增。每行最多容纳512个数据点。在行的结束处，驱动主脉冲启动脉冲(MBEN)指示数据缓冲器将移至下一行。与第一行数据的数据点总数对应的地址计数器292的当前状态现在存储于九位锁存器(未画出)内供后置处理器以后使用。当第二行扫描数据可用时，地址计数器292从前一行的最大计数减至零。如上所述，每根连续的扫描线交替递增和递减地址计数器292。

在所有的数据都写入数据缓冲器18之后，现在后置处理器可以读取数据。除了两点不同之外，读取的方式与写入的方式相同。在读取任何数据之前，后置处理器首先必须读取九位数据锁存器以确定每行读取的数据点的个数。接着，后置处理器产生一个与DAV脉冲类似的用于每行的每个数据点的读取脉冲。其次，后置处理器不管存储的数据实际行数是多少，都必须读取所有512行。

在某些应用中，需要比图3所示更大的扫描区域。例如，为了符合联邦调查局对指纹扫描的要求，本发明的系统必须扫描35mm×35mm的区域并且扫描从指甲一边到另一边的整个表面。为了扫描整个手指表面，即从指甲一端到另一端，必须将图2中所述平板改为曲面板。曲面板与手指的周边充分接触并可以扫描更大的区域。这种方法的关键是使换能器仍然采集来自手指表面的镜面反射波的方法。为此，换能器必须围绕圆柱形表面(即与手指的指甲-指甲表面对应的曲面板)的轴转动。这可以通过图26所示的探针结构实现。

曲面板320的剖面为半圆柱形并具有适合容纳待扫描手指表面的半圆柱曲形内表面322。纵向延伸的平板320边缘324、326与手指接触表面322的手指甲大致对齐。平板320具有基本上与待扫描手指的纵轴一致的纵轴328。与图2中电机38类似的摆动电机330安装在圆柱形透镜或板320的半径的中心。换句话说，电机输出转轴332的轴与板320的纵向轴一致。探针臂使换能器340恰好沿着圆柱形透镜的表面或平板320延伸。探针臂338包括沿垂直于电机输出转轴332的方向延伸的第一部分342和基本上平行于转轴322的第二部分344。换能器340可以与图2探针中的换能器34相同。换能器340随后沿给定的扫描线以圆形方式摆动。与平板情形一样，电机33的整个部件、探针臂和换能器340在与图2的线性传动机构40类似的固定于支撑件350上的线性传动机构346的控制下线性步进并扫出第二根扫描线。

与前一种方法的圆弧运动不同，这种方法的主要区别在于圆弧扫描沿着手指的直线路径。因此，不需要线性化程序。图26示出了位于中心和经过180°路径的转动极端处的探针臂338。在这种方法中，也采用了多个换能器以改善扫描速度。换能器现在可以沿直线轴安装，每个负责扫描手指沿Y轴的一部分(即不同的扫描线)。这与前一种方法不同，在前一种方法中每个换能器扫描同一条线。

有几种基本系统可以用按照本发明的系统和方法。这些基本系统基本上分为识别系统以及验证系统，在前一系统中手指经过扫描而由系统负责识别个人的身份，在后一系统中手指经过扫描并与参考样本比较以确认个人身份。

图27示出了用本发明的系统和方法的识别系统，它提取来自扫描手指的图像并将其与已经扫描的图像构成的大型数据库进行比较以确定是否存在匹配。这样典型的由法律强制机构、移民服务处等单位使用的大型识别系统一般称为AFIS或自动指纹识别系统。参见图27，超声波生物统计学阅读器360包含按照本发明的系统，该系统包括探针部件12、信号处理器16、扫描控制器14和电源20。如果需要可以包括数据缓冲器18。以海量存储设备362的形式提供用于存储先前存储的图像(即存储的指纹图像)的数据库。还提供系统处理器装置364，它包含与数据库存储装置362和超声波生物统计学阅读器360的处理器的输出端相耦合的输入端，阅读器360的扫描图像与设备362先前存储的图像比较以确定是否匹配。图27还示出了超声波生物统计学阅读器360′、海量存储设备362′和处理器364′与连接处理器364和364‘的局域网络设备366的第二种连接方式。

图28示出了另外一种布置，其中超声波生物统计学读取器360与处理器364之间的硬线通信链路用无线通信链路代替，例如与生物统计学读取器360的输出端相连的RF发射机/接收机370，连接于处理器364与传输介质374之间的RF发射机/接收机372。因此，超声波生物统计学读取器360可以位于诸如警车或其他远地数据输入点之类的远地或移动区域。手指放置在读取器上，经过扫描并通过无线方式将数据发送至AFIS处理器以供处理。通信链路是双向的并向读取器发回有关的信息。可以采用诸如光学、超声波等其他无线通信链路。

图29和30示出了用本发明的系统和方法的验证系统，其中手指经过扫描并与单个参考指纹进行比较以确定该人的身份。由于无需大型AFIS系统必须进行的广泛搜寻，(那样做需要高速处理器、大型数据库进行等)，所以与识别系统相比，这种系统的复杂程度要小得多。实现这种系统的一种方法是采用智能卡或其它如磁卡、光存储卡、半导体存储卡之类的便携式数据存储器件。智能卡是一种大小与信用卡差不多的塑料卡。卡背面传统使用的磁条用在板微处理器代替或补充。微处理器内建于存储器内，这使得整个系统结构可以有两种。第一种选择是简单地将生物统计学数据编码入智能卡的存储器内。欲确定其身份者将其手指放置在超声波读取器上并进行扫描。数据随后从个人出示的智能卡读出并由计算机比较两种图像。图29示出了这种情形，其中超声波生物统计学读取器380包含了按照本发明的系统，该系统包括探针部件12、信号处理器16、扫描控制器14和电源20。如果需要，也可以包括数据缓冲器18。上面提及的智能卡式样的记录部件382具有包含所记录的生物统计学图像(即用于存储所记录的指纹图像)的存储装置。处理器装置384包括接收来自超声波生物统计学读取器的输出信号的第一输入端和接收所记录的图像的信号表示的第二输入端以确定扫描图像与记录图像之间是否匹配。因此，在图29的布局中，记录部件382与处理器384在物理上是分立的。

第二种选择与第一种选择差不多，其主要区别是用智能卡的处理器代替来比较两种图像的计算机。因此，智能卡不仅包含了手指的生物统计学数据而且也负责将该数据与手指的扫描数据进行比较。这示于图30，其中智能卡或记录部件390具有包含所记录的生物统计学图像的存储装置和处理器装置392后者包含接收来自超声波生物统计学读取器380′的输出信号的第一输入端和接收记录图像信号表示的第二输入端以确定扫描图像与记录图像之间是否匹配。因此，在图30的布局中，记录部件390与处理器392在物理上是集成的。

图31示出了另外一种结构，其中用无线通信链路代替图29结构中处理器384、超声波生物统计学读取器380和记录部件382之间的硬线通信链路。无线通信链路包含与生物统计学读取器380和记录部件382的输出相连的RF发射机/接收机400、连接于处理器384和传输介质404之间的RF发射机/接收机402。RF通信链路是双向的，可以使匹配结果送回至读取器子系统。可以采用诸如光学、超声波等其它无线通信链路。

上面描述的扫描手指的探针结构严格地通过机械装置完成两维扫描。例如，在图2的布局中，通过采用无刷电机(或等同的有限角扭矩电机)使单元件定焦距换能器摆动来完成一条线的扫描。一旦扫描完一条线，利用第二电机沿第二运动轴移动整个部件，从而扫出第二根扫描线。就长期可靠性而言，应该考虑到换能器高速摆动问题。而且，伴随这种运动会产生相当程度的噪声这在某些情况下要加以考虑。因此，特别需要从探针的主要是机械的扫描运动转变为探针的固态样式的扫描。

研制新型扫描结构的第一步就是用线性换能器线列代替单元件定焦距换能器。线列是具有合适的尺寸、相隔适当距离的换能器元件的单条线，可以用来对手指的一条线进行成像。阵列可以包含足够多相距一定间隔的元件以避免沿着平行阵列轴的轴线运动。一旦完成整条线的成像，线列就沿第二运动轴步进以扫描手指的第二条线。这可以由与图2中传动机构40相似的线性传动机构完成。不断重复该运动直到扫描完整个手指。这样实现的结构的优点是避免了无刷电机引起的高速摆动。就整体可靠性和用户感觉而言，这本身就是一种巨大的改进。线列的另一个优点是能够用电子学手段聚焦波束。本领域内众所周知的是，通过延迟激发相对于外侧元件而言更靠近内部的元件，声波的形状有如经过聚焦透镜传播。由于只能在一根轴线上进行这种聚焦，所以第二根轴上的各个元件的尺寸必须小到足以提供所需的分辨率。

研制固态方法的第二步是采用两维相控阵。两维相控阵是多个具有足够尺寸和间距的元件相互靠近排列而成的矩阵，它无需任何机械运动就能扫描整个手指。利用电子波束控制可以实现这一点。本领域内众所周知的是，来自两维相控阵的超声波束可以完全由电子装置控制过表面。每个元件以相对于邻近元件确定的相位关系被驱动。由此，可以使输出偏离轴线而到空间的预定点上。第二个优点是，与上面对于线列所述的那样，可以通过电子学手段进行聚焦。但是，在这种情况下，可以沿两根轴进行聚焦以提供对称的斑点。

图32示出了前述的情形，其中示出了间隔很小的换能器元件482的阵列480。阵列480代表线列或者两维相控阵。被扫描的组织，(即手指)由合适的装置(例如图2探针中的平板30)以对于阵列480一定的扫描关系支撑。提供脉冲发生器/接收机部件484并与每个换能器元件482连接。部件由高压直流电源486供电。每个脉冲发生器/接收机与模拟多路复用器488连接。还提供了多个相应的数字式可编程延时部件490，每个都与相应的脉冲发生器/接收机484连接。模拟多路复用器488的输出通过放大器494与峰值检测器/模数转换器电路496相连，其输出为8位灰色级谱信息的信号。定时和控制电路500与多路复用器488和可编程延时部件490相连。

在发送模式下，阵列480的每个元件482以略微不同于周围元件一个时刻被驱动。通过以线性方式差动地延迟(相移)至阵列元件的脉冲，可以用电子学手段控制最终的超声波束。通过对阵列施加球面延间曲率，可以使波束收敛和聚焦于需要的深度。将上述两种方法结合起来就同时完成了束扫描和束聚焦。这些技术细节都是众所周知的并且常常为医学界在医学超声波仪中采用。

在接收模式下，来自每个脉冲发生器/接收机484的回波送至模拟多路复用器488。阵列元件以类似于发送的方式读取，每个都与相邻的元件相差一定的时间。高速模拟多路复用器488以适当的时间间隔依次读取各个阵列元素。多路复用器的输出还被进一步放大和进行峰值检测。每个单元的峰值检测器496输出的结果随后加在一起以提供最终的8位数值。

模拟多路复用器488和可编程延时线路490在工业界是众所周知的技术。典型的是采用数字计数器IC实现可编程延时线路。唯一的计数被装入每个IC并向下计数至零以产生延时。用于这类装置的典型IC可以是74HC161、74HC163、74HC191、74HC193等。

模拟多路复用器488也可以利用获得的IC方便来实现。通常需要采用多个IC以提供足够多的模拟输入端。可以采用的典型模拟多路复用器是马里兰州Norwood的Analog Device制造的ADG409。

前述的换能器阵列方法，特别是两维相控列方法，可以采用这样一种布局，其中手指在平板上从一侧滚动至另一侧从而从指甲的一侧边缘扫描到另一侧边缘。另一种方式是可以提供如图26中板320形状的曲面板来容纳静止不动的手指。可以在某个方向，即沿着弧形路径的方向提供换能器元件的曲面列阵并提供装置以沿板的纵轴方向移动阵列。另外一种方式是在曲面板的整个表面提供换能器元件的两维相控列。

由此表明，本发明实现了欲达到的目标。本发明的超声波扫描和成像方法及其装置可以以极快的速度完成扫描并提供具有极高分辨率的图像。

Claims

1.一种用于超声波成像系统并提供输出超声波束以扫描人体或动物组织表面的探针，其特征在于所述探针包括：

a)以刚性方式支撑位于成像平面区域内所要成像的人体或动物组织来限定所述表面的装置；

b)沿总基本上垂直于所述成像平面的方向提供输出超声波束的换能器装置，该换能器装置紧邻于所述的支撑人体或动物组织的装置；

c)具有输出轴以提供摆动输出的电机装置；

d)一端与所述输出轴连接而相对的另一端与所述换能器连接从而响应所述轴的摆动使输出超声波束沿基本上与所述成像平面平行的方向导向所述表面的弧形路径的臂；

e)以使所述输出超声波束沿基本上与所述成像平面平行的方向导向所述表面的直线路径和相对于所述弧形路径的半径方向的方式移动所述换能器装置的移动装置。

2.如权利要求1所述的探针，其特征在于，限定所述表面的所述装置包括由一种材料构成的板装置，所述材料的声阻抗与所成像的组织的声阻抗基本相同。

3.如权利要求1所述的探针，其特征在于，限定所述表面的所述装置包括由一种材料构成主体的板装置，所述材料的声阻抗与所成像的组织的声阻抗基本相同并具有足够的机械强度来支撑组织不偏斜或变形，所述主体提供有覆盖材料，所述覆盖材料在保持声阻抗匹配的同时改善了所述主体与要成像的组织之间的机械耦合。

4.如权利要求1所述的探针，其特征在于进一步包括在操作上与所述电机装置的所述输出轴连接在一起的用于提供所述电机装置角旋转量信息的编码器装置。

5.如权利要求4所述的探针，其特征在于所述编码器装置包括用于提供所述电机装置的所述输出轴给定的角旋转量的输出脉冲的光学编码器装置。

6.如权利要求5所述的探针，其特征在于所述光学编码器装置的角分辨率与所述耦合装置的尺寸如此相关联，使得所述光学编码器装置的输出脉冲与所述超声波束沿所述弧形路径的给定运动量对应而与所述电机装置的速度无关。

7.如权利要求1所述的探针，其特征在于进一步包括在操作上与所述用来移动所述换能器装置以将所述波束导向所述直线路径的装置关联的位置传感器装置以建立起始和参考位置。

8.如权利要求1所述的探针，用于提供对手指扫描用的输出超声波束的超声波成像系统，其特征在于：

所述的支撑装置被弯曲以便刚性地支撑对于手指从指甲一侧边缘到另一侧边缘的扫描，所述支撑装置具有一纵轴并在所述纵轴与手指纵轴基本平行时支撑手指；

所述电机装置沿从指甲的一侧边缘向另一侧边缘的路径引导超声波束；以及

所述电机装置沿基本上平行于手指纵轴的路径引导超声波束。

9.如权利要求8所述的探针，其特征在于进一步包括使所述换能器装置紧靠所述支撑装置以将所述超声波束导向手指并从而使所述波束在焦点处的尺寸尽可能小以提高所述系统分辨率的装置。

10.一种用于生物统计学识别或生物统计学验证的对人体或动物组织表面进行超声波成像的方法，其特征在于包含以下步骤：

a)以刚性方式支撑在成像平面区域上所要成像的人体或动物组织来限定所述表面；

b)沿总是基本上垂直于所述成像平面的方向从紧邻于所述成像平面的位置提供输出超声能量波束；

c)使所述超声波束沿基本上垂直于所述成像平面的方向导向所述表面的弧形路径；以及

d)使所述超声波束沿基本上垂直于所述成像平面的方向导向所述表面直线路径和相对于所述弧形路径的半径方向。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于进一步包括对扫描图像进行线性化，所述图像由使所述超声波束导向弧形路径的所述步骤获得。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述线性化步骤包括改变图像中每个像素的位置以补偿超声波束的圆弧运动。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述线性化步骤包括：

a)作为扫描结果存储数据，其中所存储数据点的每一行代表图像的一段圆弧；以及

b)根据扫描圆弧的尺寸计算图像中每个像素新位置。

14.如权利要求10所述的方法，其特征在于进一步包括对于沿所述圆弧路径扫描表面获得的数据点提供定时的步骤。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于通过向在所述弧形路径上以一定的间隔激发所述超声波束提供所述定时。

16.如权利要求10所述的方法，其特征在于：提供输出超声能量波束的步骤是通过提供排列成阵列的多个超声波换能器元件进行的，每个所述换能器元件提供一输出超声波束；以及

所述方法进一步包括：

a)向所述换能器元件赋能；以及

b)接收响应表面扫描而产生的信号。

17.一种用于对人体或动物组织表面进行成像的超声波成像系统，其特征在于所述系统包括：

a)探针装置，包括：以刚性方式支撑所要成像的人体或动物组织来限定所述表面的装置，紧靠支撑装置并提供导向所述表面的超声波束从而使所述波束在焦点处的尺寸尽可能小以提高所述系统分辨率的换能器装置以及沿基本上平行于支撑表面的弧形路径和沿基本上平行于所述支撑表面的直线路径移动所述换能器从而提供所述超声波束对所述表面的两维扫描的移动装置；

b)在操作上与所述探针装置连接在一起控制所述移动装置以提供所述表面的所述扫描的扫描控制器装置；

c)在操作上与所述探针装置连接在一起接收为响应所述表面的所述扫描而产生的信号并处理所述信号的信号处理器装置。

18.一种生物统计学识别系统，其特征在于包含：

a)用于对人体或动物组织表面进行成像的超声波成像系统，它包括如权利要求1的探针，其中，所述换能器装置紧靠支撑装置并提供导向所述表面的超声波束从而使所述波束在焦点处的尺寸尽可能小以提高所述系统分辨率，以及所述移动装置沿两个方向移动所述换能器从而提供所述超声波束对所述表面的两维扫描，所述成像系统进一步包括在操作上与所述探针装置连接在一起以控制所述移动装置提供所述表面的所述扫描的扫描控制器装置和在操作上与所述探针连接在一起以接收为响应所述表面的所述扫描而产生的信号并处理所述信号的信号处理器装置；

b)存储先前存储图像的数据库的装置；以及

c)具有与所述数据库存储装置和所述处理器装置的输出端耦合的输入端的系统处理器装置，它用来将来自所述超声波成像系统的扫描图像与所述数据库存储装置中先前存储的图像进行比较以确定是否匹配。

19.如权利要求18所述的系统，其特征在于进一步包括连接在所述信号处理器装置与所述系统处理器装置之间的数据缓冲装置，从而使所述超声波成像系统可以以较快的速度扫描所述表面而与所述系统处理器装置从所述数据缓冲装置读取数据的速率无关。

20.如权利要求18所述的系统，其特征在于将另一个超声波成像系统、数据存储装置和系统处理器装置与局域网络装置结合在一起，用于将所述首先命名的系统处理器装置和所述另一个系统处理器装置连接起来的局域网络结合在一起。

21.如权利要求18所述的系统，其特征在于进一步包含在所述超声波成像系统与所述系统处理器装置之间提供无线通信链路的装置。

22.一种生物统计学验证装置，其特征在于包含：

a)对人体或动物组织进行成像并提供代表被扫描的生物统计学图像的输出信号的超声波成像系统，包括如权利要求1的探针；

b)空间上与所述成像系统分离并具有包含的记录的生物统计学图像的存储装置的记录部件，所述记录部件足够小和足够轻，从而便于个人携带，以及

c)具有接收来自所述超声波成像系统输出信号的第一输入端和接收来自所述记录部件的表示所述记录图像信号的第二输入端的处理器装置，用来确定所述扫描和记录图像之间是否匹配。

23.如权利要求22所述的生物统计学验证装置，其特征在于所述记录部件和所述处理器装置在物理上是分立的。

24.如权利要求22所述的生物统计学验证装置，其特征在于所述记录部件和所述处理器装置在物理上是集成的。

25.如权利要求22所述的生物统计学验证装置，其特征在于所述超声波成像系统包括：

a)探针装置，其中，所述换能器装置紧靠支撑装置并提供导向所述表面的超声波束从而使所述波束位在焦点处的尺寸尽可能小以提高所述系统分辨率以及所述移动装置沿两个方向移动所述换能器从而提供所述超声波束对所述表面的两维扫描；

b)在操作上与所述探针装置连接在一起以控制所述移动装置提供所述表面的所述扫描的扫描控制器装置；

c)在操作上与所述探针装置连接在一起以接收为响应所述表面的所述扫描而产生的信号并处理所述信号以提供输出的信号处理器装置。

26.如权利要求22所述的生物统计学验证装置，其特征在于进一步包括在所述处理器装置与所述超声波成像系统和所述记录部件之间提供无线通信链路的装置。