TWI699191B - 超音波探頭辨識系統及超音波探頭辨識方法 - Google Patents

Abstract

一種超音波探頭辨識系統，包含連接介面及控制器。連接介面耦接於超音波探頭，及用以從超音波探頭取得接收訊號。控制器耦接於連接介面，用以依據接收訊號產生特徵圖像，比較上述特徵圖像及一組內建圖像以產生相對上述組內建圖像的一組相似度，及依據該組相似度辨識超音波探頭。

Description

超音波探頭辨識系統及超音波探頭辨識方法

本發明關於超音波技術，特別是一種超音波探頭辨識系統及超音波探頭辨識方法。

超音波為超過20kHz的音波，被廣泛應用於醫學、工業等眾多領域。超音波設備例如超音波診斷儀用於掃描人體內器官、組織及胎兒，因此需要符合超音波輸出能量的安全標準。超音波設備可用於各種超音波探頭，每種超音波探頭可具有不同的輸出能量特性。在相關技術中，每個超音波探頭可內建電子抹除式可複寫唯讀記憶體(electrically-erasable programmable read-only memory, EEPROM)及控制線路，EEPROM用以記錄超音波探頭的序號以及對應序號的輸出能量特性，控制線路用以從EEPROM中獲取超音波探頭的輸出能量特性以確認超音波探頭的輸出能量是否符合安全標準。然而，使用EEPROM及控制線路會增加電路面積及製造成本，不利於縮小超音波探頭尺寸及節省製造成本。

因此，需要發展出一種超音波探頭辨識系統及超音波探頭辨識方法，不須EEPROM及控制線路即可達成超音波探頭的辨識，進而依據辨識出的超音波探頭控制其超音波輸出能量。

本發明實施例提供一種超音波探頭辨識系統，包含連接介面及控制器。連接介面耦接於超音波探頭，及用以從超音波探頭取得接收訊號。控制器耦接於連接介面，用以依據接收訊號產生特徵圖像，比較特徵圖像及一組內建圖像以產生一組相似度，及依據該組相似度辨識超音波探頭。

本發明實施例提供另一種超音波探頭辨識方法，包含：連接介面耦接超音波探頭；超音波探頭發送預設訊號，接收其相應的反射訊號，及該反射訊號轉換為接收訊號；連接介面從超音波探頭取得接收訊號；控制器依據接收訊號產生特徵圖像；控制器比較特徵圖像及一組內建圖像以產生一組相似度；控制器依據組相似度辨識超音波探頭；控制器讀取超音波探頭資料庫，其中超音波探頭資料庫包含複數個超音波探頭的對應複數組相似度；控制器判定超音波探頭資料庫中是否具有超音波探頭的組相似度的匹配；及當超音波探頭資料庫中有超音波探頭的組相似度的匹配時，控制器依據匹配判定對應組相似度以辨識超音波探頭。

第1圖係為本發明實施例中超音波探頭辨識系統10的方塊圖，包含連接介面100、控制器102、記憶體104及輸入裝置106。控制器102耦接於連接介面100、記憶體104及輸入裝置106。連接介面100可透過纜線120耦接於超音波探頭12。超音波探頭辨識系統10可以是獨立的超音波設備，可耦接各種不同的超音波探頭12。超音波探頭12的種類可以是線型(linear)、扇形(sector)、弧形(convex)或其他種類。為了滿足各國針對超音波強度的安全上限標準，及使用足夠的超音波強度以達成清楚偵測的效果，超音波探頭辨識系統10可驅動超音波探頭12在預定的超音波強度範圍內運作。由於每個超音波探頭12的輸出效率不同，超音波探頭辨識系統10可辨識目前使用的超音波探頭12以依據其輸出效率修正驅動電壓，及依據修正後的驅動電壓驅動超音波探頭12在預定的超音波強度範圍內運作。超音波探頭在出廠時會先經過功率校正程序取得一個對應探頭的校正值，當辨識到目前為超音波探頭12超音波探頭辨識系統10會取得超音波探頭12對應的校正值，若超音波探頭12的輸出效率較低時，超音波探頭辨識系統10可將驅動電壓調高；若是超音波探頭12的輸出效率較高時，超音波探頭辨識系統10依據校正值可將驅動電壓調低，以使具有較低輸出效率及較高輸出效率的超音波探頭12皆可在預定的超音波強度範圍內運作，同時滿足安全性及達成超音波掃描功能。

超音波探頭12可發射超音波，如20kHz到10MHz之間的頻率的超音波，及接收超音波通過不同介質介面時產生的反射波，並將接收到的反射波轉換為接收訊號。在某些實施例中，超音波探頭12可在空氣介質內未接觸其他物件的狀況下發送預設訊號，接收其相應的反射訊號，及將反射訊號轉換為接收訊號。在其他實施例中，超音波探頭12可也可放置於其他介質內如水、油等並配置反射板或是對超音波探頭12配置可反射訊號材質的蓋子，當超音波探頭12發送預設訊號，反射板反射訊號並由超音波探頭12接收其相應的反射訊號，及將反射訊號轉換為接收訊號。超音波探頭12包含纜線120、複數個轉換器122、匹配層124及聲透鏡126。超音波探頭辨識系統10可透過纜線120傳送交流電壓以控制複數個轉換器122，及透過纜線120從複數個轉換器122接收接收訊號。纜線120可包含複數條電線分別耦接複數個轉換器122，超音波探頭辨識系統10可透過複數條電線傳送專門的交流電壓以分別控制複數個轉換器122，及分別從複數個轉換器122接收接收訊號。匹配層124可具有合適的音阻(acoustic impedance)以提供轉換器122及接觸物體之間較佳的匹配，幫助大部分的超音波進入接觸物體。聲透鏡126可為超音波可穿透的塑膠鏡片，用於隔絕及保護超音波探頭12。複數個轉換器122可以陣列形式設置，並可為壓電(piezoelectric)轉換器或電容式(capacitive)轉換器，例如複數個轉換器122可包含128或256個通道的壓電轉換器。每個轉換器122皆可獨立運作，可獨立依據施加的交流電壓的振幅和/或頻率產生超音波，及可獨立將收到的反射訊號轉換為接收訊號。複數個轉換器122可依序或同時依據相同或不同的施加電壓產生對應的超音波，或依序或同時將相同或不同的反射訊號轉換為對應的接收訊號。例如，複數個轉換器122可依序依據100V的交流電壓產生具有20kHz的超音波，及依序依據120V的交流電壓產生具有30kHz的超音波，或依序將接收到之20kHz的反射訊號轉換為100V的交流電壓，及依序將接收到之30kHz的反射訊號轉換為120V的交流電壓。超音波探頭12發射的超音波可輕易穿透水或人體，但在空氣中會快速衰減且幾乎不傳導。由於轉換器122的材料均勻度或切割形狀的差異，複數個轉換器122之間會有些許差異，其壓電轉換特性也不會完全相同。另外當複數個轉換器122中之某些轉換器122由於長期使用或撞擊而產生碎裂、變質或損壞，其產生的超音波強度會減低。再加上各個超音波探頭12的轉換器122、匹配層124及聲透鏡126在製程中可能因程序、溫度或元件密度的些微差距對超音波的產生或傳導效果在對應每一個轉換器122單元的位置不會一模一樣，當超音波通過不同超音波探頭12的匹配層124及聲透鏡126時所產生的反射訊號也會不同。對於相同的預設訊號每個超音波探頭12收到的反射訊號為獨特的，可反映轉換器122每個單元之間的差異及其使用狀態差異，以及其匹配層124及聲透鏡126的差異，因此反射訊號可用於辨識超音波探頭12。

連接介面100可從超音波探頭12接收接收訊號，此接收訊號可以是前段所述的反射訊號外，在本發明也可以使超音波探頭12面對一個超音波訊號源，直接接收超音波訊號源發射的預設訊號。控制器102可依據接收訊號產生特徵圖像，接著比較特徵圖像及一組內建圖像以產生一組相似度，及依據該組相似度辨識超音波探頭12。由於接收訊號可用於辨識超音波探頭12，依據接收訊號產生的特徵圖像及該組相似度也可用於辨識超音波探頭12。第2圖和第3圖顯示兩個超音波探頭12在空氣介質中內未接觸其他物件的狀況下發送一預設訊號以反射訊號分別產生的特徵圖像，其中粗細亮度不一的複數條平行線顯示匹配層124及聲透鏡126的超音波反射，第3圖區域A的缺口顯示沒有或較弱的超音波反射。第2圖和第3圖中複數條平行線的差異表示兩個超音波探頭12的匹配層124及聲透鏡126的結構或厚度不同所造成的差異，第3圖區域A的缺口顯示對應轉換器122因為碎裂、變質或損壞而無法產生超音波或產生較弱的超音波。超音波探頭12的特徵圖像不但可在水平方向上顯示匹配層124及聲透鏡126的特徵，也可在垂直方向上顯示複數個轉換器122的特徵。

控制器102可載入卷積類神經網路或其他相似度演算法以依據特徵圖像及該組內建圖像產生超音波探頭12的該組相似度。卷積類神經網路或其他相似度演算法可於出廠時訓練並安裝於超音波探頭辨識系統10之內。每個超音波探頭辨識系統10內可安裝相同或不同的卷積類神經網路或其他相似度演算法。該組內建圖像可包含1或更多個不同的內建圖像，內建圖像的數目越多，該組相似度的辨識度越精確。該組內建圖像可儲存於記憶體104內，並可做為相似度比較的基準。在某些實施例中，該組內建圖像可包含複數個超音波探頭在空氣介質內未接觸其他物件的狀況下發送預設訊號，以及依據所接收到的訊號產生的複數個特徵圖像。例如，該組內建圖像可包含100個超音波探頭在空氣介質內未接觸其他物件的狀況下所產生的100個特徵圖像。在其他實施例中，該組內建圖像可包含複數個任意圖像，例如球的圖像、門的圖像、杯子的圖像、或其他圖像。記憶體104可另儲存超音波探頭資料庫1040。超音波探頭資料庫1040可包含複數個超音波探頭的對應複數組相似度。表格1顯示超音波探頭資料庫1040的實施例，其中X1到X3表示3個超音波探頭的辨識值，N1到N100表示100組內建圖像的辨識值，功率補償值表示超音波探頭的功率補償值。在本實施例中，內建圖像N2可為超音波探頭X1的特徵圖像，超音波探頭X1的對應組相似度為[0.0001 99.8 0.00001 … 0.005]，表示超音波探頭X1的特徵圖像和內建圖像N1為0.0001%相似，和內建圖像N2為99.8%相似，和內建圖像N3為0.00001%相似，和內建圖像N100為0.005%相似。超音波探頭X1的功率補償值為+2，表示超音波探頭X1具有較弱輸出效率，且當辨識到超音波探頭X1時，連接介面100可使用+2單位的功率驅動超音波探頭X1的所有轉換器。在某些實施例中，功率補償值可以表示超音波探頭X1中所有轉換器的共同功率補償值。在其他實施例中，功率補償值可以表示所有轉換器122的個別功率補償值。相似地，超音波探頭X2的對應組相似度為[0.25 0.002 0.3 … 0.02]及其功率補償值為+3，超音波探頭X3的對應組相似度為[0.01 0.07 0.003 … 0.4]及其功率補償值為-1。超音波探頭X1、X2、X3的對應組相似度可分別用以辨識超音波探頭X1、X2、X3。在某些實施例中，超音波探頭資料庫1040中各個超音波探頭的對應組相似度為經過編碼後的對應組相似度，例如對應組相似度的雜湊碼(hash code)，或對應組相似度中所有相似度的乘積。 表格 1

	N1	N2	N3	…	N100	功率補償值	註解
X1	0.0001	99.8	0.00001	…	0.005	+2	X1=N2
X2	0.25	0.002	0.3	…	0.02	+3
X3	0.01	0.07	0.003	…	0.4	-1

控制器102可從記憶體104讀取超音波探頭資料庫1040，判定超音波探頭資料庫1040中是否具有超音波探頭12的該組相似度的匹配。當超音波探頭資料庫1040中有超音波探頭12的該組相似度的匹配時，控制器102依據該匹配判定對應複數組相似度以辨識超音波探頭12。當超音波探頭資料庫1040中沒有超音波探頭12的該組相似度的匹配時，控制器102將該組相似度儲存入超音波探頭資料庫1040作為新的對應組相似度，輸入裝置106可接收超音波探頭12的功率補償值，及控制器102另將功率補償值儲存入超音波探頭資料庫1040作為新超音波探頭的一對應組功率補償值。當超音波探頭12的該組相似度和超音波探頭資料庫1040內之一組相似度之間的差值小於容忍值時，控制器102可判定超音波探頭資料庫1040內之該組相似度為超音波探頭12的該組相似度的匹配；當超音波探頭12的該組相似度和超音波探頭資料庫1040內之該組相似度之間的差值大於容忍值時，控制器102可判定超音波探頭資料庫1040內之該組相似度不為超音波探頭12的該組相似度的匹配。例如，請參考表格1，當超音波探頭12的該組相似度為[0.0001 99.2 0.00001 … 0.005]且容忍值為10%時，由於超音波探頭12的該組相似度內的所有相似度和超音波探頭資料庫1040內之超音波探頭X1的對應組相似度內的所有相似度之間的差值都小於10%，控制器102可判定超音波探頭X1的對應組相似度為超音波探頭12的該組相似度的匹配；由於超音波探頭12的該組相似度內的第二相似度和超音波探頭資料庫1040內之超音波探頭X2的對應組相似度內的第二相似度之間的差值超出10%，控制器102可判定超音波探頭X2的對應組相似度不為超音波探頭12的該組相似度的匹配。在另一例子中，超音波探頭12的該組相似度為[0.1 40 30 … 0.03]且容忍值為10%，由於超音波探頭12的該組相似度和超音波探頭X1、X2、X3的對應組相似度之間的差值都超出10%，控制器102可判定超音波探頭12為新的超音波探頭，將該組相似度儲存入超音波探頭資料庫1040作為新的對應組相似度，且請求使用者輸入新的超音波探頭的功率補償值，輸入裝置106可接收超音波探頭12的功率補償值”0”，接著控制器102可將功率補償值”0”儲存入超音波探頭資料庫1040作為新超音波探頭的對應組功率補償值，並使用功率補償值”0”驅動超音波探頭12。超音波探頭12的功率補償值可以序號形式或條碼等等各種形式記錄於超音波探頭12的外殼，當控制器102判定超音波探頭12為初次使用於超音波探頭辨識系統10時，可提醒使用者將外殼上的序號輸入輸入裝置106或以輸入裝置106掃描外殼上的條碼。

第4圖係為本發明實施例中超音波探頭辨識方法4的流程圖。超音波探頭辨識方法4適用於超音波探頭辨識系統10，且包含步驟S400至S416，其中步驟S400至S408用於產生超音波探頭12的該組相似度，步驟S410至S416用於辨識超音波探頭12。任何合理的技術變更或是步驟調整都屬於本發明所揭露的範疇。以下詳細說明步驟S400至S416：

步驟S400： 連接介面100連接超音波探頭12；

步驟S402： 超音波探頭12發送預設訊號，接收其相應的反射訊號，及將反射訊號轉換為接收訊號；

步驟S404： 連接介面100從超音波探頭12取得接收訊號；

步驟S406： 控制器102依據接收訊號產生特徵圖像；

步驟S408： 控制器102比較特徵圖像及一組內建圖像以產生一組相似度；

步驟S410： 控制器102讀取超音波探頭資料庫1040；

步驟S412： 超音波探頭資料庫1040中是否具有超音波探頭12的該組相似度的匹配？若是，執行步驟S414，若否，執行步驟S416；

步驟S414： 控制器102依據該匹配判定對應組相似度以辨識該超音波探頭12。

步驟S416： 控制器102將該組相似度儲存入超音波探頭資料庫1040作為新超音波探頭的對應組相似度。

步驟S400至S416的說明已於前文中詳述，因此其細節於此將不再贅述。藉由步驟S400至S416可辨識超音波探頭12，因此可依據超音波探頭12提供合適的驅動電壓或進行其他運作。

綜上所述，本發明之超音波探頭辨識系統10及超音波探頭辨識方法4不須額外的電子抹除式可複寫唯讀記憶體(electrically-erasable programmable read-only memory, EEPROM)及控制線路即可達成超音波探頭的辨識，進而依據辨識出的超音波探頭控制其超音波輸出能量，使超音波輸出能量符合安全性同時達成超音波掃描功能。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10:超音波探頭辨識系統 100:連接介面 102:控制器 104:記憶體 1040:超音波探頭資料庫 106:輸入裝置 12:超音波探頭 120:纜線 122:轉換器 124:匹配層 126:聲透鏡 4:超音波探頭辨識方法 S400至S416:步驟

第1圖係為本發明實施例中超音波探頭辨識系統的方塊圖。 第2圖及第3圖係為兩個不同超音波探頭產生之特徵圖像。 第4圖係為本發明實施例中超音波探頭辨識方法的流程圖。

4:超音波探頭辨識方法

S400至S416:步驟

Claims (10)

1. 一種超音波探頭辨識系統，包含： 一連接介面，耦接於一超音波探頭，用以從該超音波探頭取得一接收訊號；及 一控制器，耦接於該連接介面，用以依據該接收訊號產生一特徵圖像，比較該特徵圖像及一組內建圖像以產生一組相似度，及依據該組相似度辨識該超音波探頭。
2. 如請求項1所述之超音波探頭辨識系統，其中該超音波探頭在空氣介質內未接觸其他物件的狀況下發送一預設訊號，接收其相應的一反射訊號，及將該反射訊號轉換為該接收訊號。
3. 如請求項1所述之超音波探頭辨識系統，其中該控制器用以載入一卷積類神經網路以依據該特徵圖像及該組內建圖像產生該組相似度。
4. 如請求項1所述之超音波探頭辨識系統，其中該組內建圖像包含複數個超音波探頭在空氣介質內未接觸其他物件的狀況下發送該預設訊號，以及依據所接收到的訊號產生的複數個特徵圖像。
5. 如請求項1所述之超音波探頭辨識系統，另包含一記憶體，耦接於該控制器，用以儲存一超音波探頭資料庫，其中： 該超音波探頭資料庫包含複數個超音波探頭的其對應複數組相似度；及 該控制器用以讀取該超音波探頭資料庫，判定該超音波探頭資料庫中是否具有該超音波探頭的該組相似度的一匹配。
6. 如請求項5所述之超音波探頭辨識系統，其中當該超音波探頭的該組相似度和該超音波探頭資料庫內之一組相似度之間的差值小於一容忍值時，該控制器判定該超音波探頭資料庫內之該組相似度為該超音波探頭的該組相似度的一匹配。
7. 如請求項5所述之超音波探頭辨識系統，其中當該超音波探頭資料庫中有該超音波探頭的該組相似度的一匹配時，該控制器依據該匹配判定一對應組相似度以辨識該超音波探頭。
8. 如請求項5所述之超音波探頭辨識系統，其中： 當該超音波探頭資料庫中沒有該超音波探頭的該組相似度的一匹配時，該控制器將該組相似度儲存入該超音波探頭資料庫作為一新的對應組相似度；及 該控制器另對該組相似度進行編碼並將編碼後的該組相似度儲存入該超音波探頭資料庫作為該新超音波探頭的該對應組相似度。
9. 如請求項8所述之超音波探頭辨識系統，另包含一輸入裝置，耦接於該控制器，其中當該超音波探頭資料庫中沒有該超音波探頭的該組相似度的一匹配時，該輸入裝置接收該超音波探頭的一功率補償值，及該控制器另將功率補償值儲存入該超音波探頭資料庫作為該新超音波探頭的一對應組功率補償值。
10. 一種超音波探頭辨識方法，包含： 一連接介面耦接一超音波探頭； 該超音波探頭發送一預設訊號，接收其相應的一反射訊號，及將該反射訊號轉換為一接收訊號； 該連接介面從該超音波探頭取得該接收訊號； 一控制器依據該接收訊號產生該特徵圖像； 該控制器比較該特徵圖像及一組內建圖像以產生一組相似度； 該控制器依據該組相似度辨識該超音波探頭； 該控制器讀取一超音波探頭資料庫，其中該超音波探頭資料庫包含複數個超音波探頭的對應複數組相似度； 該控制器判定該超音波探頭資料庫中是否具有該超音波探頭的該組相似度的一匹配；及 當該超音波探頭資料庫中有該超音波探頭的該組相似度的一匹配時，該控制器依據該匹配判定一對應組相似度以辨識該超音波探頭。

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