超聲系統雙極性脈衝調製發射方法

2023-06-28 21:21:01 4

專利名稱：超聲系統雙極性脈衝調製發射方法
技術領域：
本發明涉及超聲技術，尤其涉及超聲成像系統中的信號處理，特別是涉及探 頭髮射的激勵信號。
背景技術：
現有超聲系統的構成一般如圖l所示。探頭由陣元組成；每個陣元可以接受 電激勵信號而發射聲波，也可以接收聲波並轉換之為電信號。與該探頭相連接的發射/接收 轉換模塊主要負責切換系統的發射狀態與接收狀態；在發射狀態時，來自發射模塊的激勵 信號通過發射/接收轉換模塊送達探頭陣元，激勵該探頭陣元發射出聲波。探頭髮射孔徑中 多個陣元的發射聲波形成了發射波東。該發射波束進入人體組織內部後，在傳播過程中有 一部分能量會被組織反射或散射回探頭表面。所述發射過後，發射/接收轉換模塊進入接收 狀態，探頭接收孔徑的多個陣元分別接收來自組織反射或散射的回波信息，並通過A/D(模 擬/數字)轉換形成多個通道的數位訊號進入波束合成模塊，被合成為射頻超聲電信號後傳 輸給信號處理模塊。所述信號處理模塊根據系統預定的成像模式對所述射頻超聲電信號進 行成像處理後送往顯示器顯示。
在上述傳統超聲系統中，許多環節技術與探頭的發射波形相關，故探頭的發射波形對 系統成像有相當大的影響。
因為對信號有過濾作用，探頭陣元可以被看作為一個帶通濾波器，從而對於不同的組 織， 一般使用具有不同濾波特性的探頭陣元。例如，對於腹部這類對圖象深度要求比較高
的， 一般要使用基帶頻率較低的探頭(例如2 5MHz);對於頸動脈這類淺表組織一般使用頻 率高的探頭(例如6-12MHz)。因此對於激勵信號而言，必需根據探頭的特性以及系統成像 需要來設置合適的波形。可以知道，如果激勵信號的頻率特性與探頭帶通濾波特性一致的 話，就容易得到較高的發射效率，即發射出去的能量與使用的激勵能量之間的比值較高。 這樣，不僅在一定的發射能量下可以提高穿透力，還可以改善探頭的發熱情況。對於降低發射波束的旁瓣，採取發射變跡是一種有效的措施。所述發射變跡就是通過 控制給予各發射陣元的激勵信號，來使得陣元發射波形的幅度有一定的變化。例如，要使 發射孔徑的發射聲東有較低的旁瓣，可以使發射孔徑中的所有陣元的發射波幅度呈一定的 窗形狀(例如Harniing窗)，即發射孔徑中間的陣元發射高幅度波形；從中間到邊界，各陣 元發射波幅度逐漸降低，這樣可以有效改善由於旁瓣造成的成像質量問題。
為了使激勵信號具有與探頭基本一致的帶通特性，激勵信號的波形要與高斯波相類似; 同時為了能夠使每個陣元發射波形的幅度任意可調，比較簡單的做法就是調節各個陣元的 激勵信號的激勵電壓強度；因此為了使探頭可以發射任意波形，需要超聲發射系統可以任 意調節發射電壓，或使用N(—自然數，越大越好)極電平來發射激勵信號。但是，這種實現 方案成本非常高， 一些系統不得已僅使用很少電壓級數來設計發射前端，來儘量滿足各種 發射波形的需求。
因此常規激勵信號的波形如圖3所示，T為激勵信號長度，W為脈衝寬度，假設發射基 帶頻率為f0，那麼一般有T-l/fO; W=T/2。
美國專利US 6，135,963公開了一種用佔空比調製激勵信號的方法來實現發射變跡的方 案。佔空比就是正負脈衝在一個脈衝周期內的比例。如圖2所示，假設發射孔徑有8個陣 元，發射變跡需要實現的發射波形的幅度曲線類似高斯曲線，即在第四和第五陣元發射波 形幅度大，兩邊幅度小；該圖左邊一列為傳統通過調製發射電壓實現的激勵信號實施例。 右邊表示對應的使用調節佔空比實現的激勵信號，該列信號在圖3的基礎上，針對不同發 射陣元，釆用不同的脈寬設置。
上述現有技術的不足之處在於使用佔空比調製的方法，只適用於實現對發射波形的 幅度控制；而實際上，對於各種不同的技術，需要模擬實現的各種發射波形不僅僅是如發 射變跡所要求的具有幅度變化這麼簡單。例如對於使用傳播過程中生成的諧波成分進行成 像的諧波成像技術，就還對發射波形的諧波能量有一定要求，因為該諧波能量越大，對成 像效果的影響越大
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足之處，而提出一種超聲 系統脈衝調製發射方法，便於簡單實現各種需要的發射波形，以及便於提高陣元發射效率。為解決上述技術問題，本發明的基本構思為為了使發射波形能實現發射變跡，或能
夠使激勵信號能量儘可能多地通過探頭從而提高發射效率，本發明根據系統的各種技術要 求(例如不同成像模式及探頭髮射特性對探頭髮射波形的約東)，利用並設計激勵信號的 基帶頻譜，以簡單的方式來實現調節並生成各個合適的激勵信號，從而使激勵信號的波形 頻譜能夠符合一定的要求，並使得通過探頭髮射的波形達到所述設計目標。
作為實現本發明構思的技術方案是，提供一種超聲系統雙極性脈衝調製發射方法，用
於超聲系統，所述系統的探頭陣元存在發射和接收兩種狀態；在所述發射狀態時，探頭髮 射孔徑中的各個陣元在該陣元的對應激勵信號作用下發射聲波，從而形成發射波東；各所 述激勵信號為由雙極性電壓產生的雙極性激勵信號，尤其是，各所述雙極性激勵信號包括 能量、中心頻率和帶寬在內的基帶頻譜參數中至少有兩個參數在起調節變化。
上述方案中，所述起調節變化的基帶頻譜參數或者為能量和中心頻率；或者為能量和 帶寬；或者為中心頻率和帶寬；或者為能量、中心頻率和帶寬。
上述方案中，各所述雙極性激勵信號的產生過程是依據所述起調節變化的基帶頻譜 參數來確定各所述雙極性激勵信號的基帶頻譜；依據該基帶頻譜來確定對應的預定波形； 利用該預定波形來模擬生成對應的所述雙極性激勵信號，該雙極性激勵信號的正/負脈衝分 別對應該預定波形的正/負波段。
上述方案中，所述正/負脈衝的寬度決定於所述雙極性電壓的幅度與所述正/負波段的 能量，即在波形圖上所述正/負脈衝所覆蓋的面積等於對應的正/負波段所覆蓋的面積；所 述正/負脈衝的位置決定於所述正/負波段的能量，即在波形圖上所述正/負脈衝的中心位置 設置在對應正/負波段的能量最大處。
採用上述技術方案，均可以利用激勵信號來實現發射變跡對發射波形幅度或形狀的控 制，還可以使探頭的發射能量更加有效率。並具有實現成本低、易於實施的優點。
附圖i兌明

圖1是現有超聲系統構成示意圖
圖2是現有幅度調製與佔空比調製比較示意圖 圖3是現有探頭激勵信號示意4是本發明探頭激勵信號示例圖
圖5是對任意波形的分段示意圖
圖6是各種激勵信號的頻譜示意圖
圖7是本發明要實現的發射變跡圖例
圖8是本發明實施例之一能量與中心頻譜調節方式示例
圖9是本發明實施例之二能量與帶寬調節方式示例
圖IO是本發明實施例之三中心頻率與帶寬調節方式示例
圖ll是本發明實施例之四能量、中心頻率與帶寬調節方式示例
具體實施方式
下面，結合附圖所示之最佳實施例進一步闡述本發明。
假設探頭基帶頻率為f0，那麼可以使用fo來計算得到一個具有很好帶通特性的激勵信 號。以圖4的波形圖和圖6相應的頻譜圖為例，假設理想激勵信號的曲線a (見圖4)為一 高斯波形，它的中心頻率為f0,當該波形具有與探頭陣元較為一致的帶通特性時，可以帶 來較高的發射效率；此時假設該波形具有如圖6中點線所示意的頻譜，設(但不限制)f0 為3MHz，頻譜集中在2-4MHz範圍內。為了以簡單的方式實現該波形，本發明使用雙極性 波形b (見圖4)來模擬該曲線a,該雙極性波形b對應的頻譜如圖6的實線所示。圖6中 的虛線代表如圖3所示的常規激勵信號的頻譜。可見，在2 4MHz範圍內，所述雙極性波 形b的基帶頻譜與所述理想激勵信號的頻譜大體一致，具有基本一致的能量分布比例，而 常規激勵信號的基帶頻譜則是分散在0-5 MHz的範圍內。因此，若將實際激勵信號設置為 如所述雙極性波形b,可以使激勵信號能量更加集中，更接近於所需要發射波形的要求。同 時，這種激勵信號具有便於使用雙極性脈衝發生器來實現的優點。
為了使雙極性脈衝發生器實現的雙極性激勵信號可以保持與預定需求相近似的有效頻 譜特性，本發明經實踐，設定產生各所述雙極性激勵信號的過程如下先確定各所述雙極 性激勵信號的基帶頻譜；再依據該基帶頻譜來確定對應的預定波形；最後利用該預定波形 來模擬生成對應的所述雙極性激勵信號，該雙極性激勵信號的正/負脈衝分別對應該預定波 形的正/負波段。具體如圖5所示，實際上任意的所述預定波形均是由正波段與負波段交替 形成的，姑且將它們劃分表示為wl w7這七個組成部分，其中wl,w3，w5，w7為負波段，w2,w4,w6為正波段。為了生成與該波形具有類似頻譜的雙極性激勵信號，首先要計算各個 波段部分的能量，即該波段覆蓋的面積。假設每部分的能量為Pi (i =1-7);再利用每部 分的能量來計算每個部分對應的分段脈衝的寬度，使該分段脈衝的能量與Pi—致；最後確 定各分段脈衝在wi部分的位置，選擇並將能量最集中的部分(即該分段脈衝的中心位置) 置於wi的能量最大值位置；最終得到以圖4波形b為例的雙極性激勵信號。
因為超聲系統的探頭陣元存在發射和接收兩種狀態；在所述發射狀態時，探頭髮射孔 徑中的各個陣元在該陣元的對應激勵信號作用下發射聲波，從而形成發射波東。各所述激 勵信號為由雙極性脈衝發生器利用雙極性電壓而產生的雙極性激勵信號。本發明雙極性脈 衝調製發射方法的關鍵在於利用基帶頻譜參數的調節變化來確定各所述雙極性激勵信號。 為了實現發射變跡，本發明根據系統不同成像模式及探頭髮射特性對探頭髮射波形的約東 等各種技術要求，針對不同的通道設計出具有不同基帶頻譜的激勵信號，以激勵相應的陣 元。從而，通過頻譜區別與探頭帶通特性的作用，可以使每個陣元發射波形的幅度各不相 同。例如，為了得到類似harming窗的發射變跡，可以使中間陣元的激勵信號具有與探頭 最為一致的帶通特性，從而通過該陣元發射的能量最多；對於發射孔徑邊緣的陣元，使用 具有與探頭越來越不一致的帶通特性的激勵信號，以減少通過這些陣元發射的能量。這樣， 實現的效果與使用不同激勵電壓進行發射變跡所實現的效果一致，但成本明顯降低。
舉例而言，如圖7所示，以矩形表示的多個陣元按順序排列，其中黑色實心矩形為發 射孔徑。為了得到旁瓣被壓制的點擴散曲線，可以採用對發射波形進行加權的方法。以圖 示的Harming窗發射變跡曲線為例，要求發射孔徑的發射波形幅度能量在中心陣元處最大， 往邊界陣元方向逐漸變小。本發明針對不同的陣元設計不同的雙極性激勵信號以得到不同 的發射波形幅度和能量，具體可以通過調節變化包括能量、中心頻率和帶寬在內的基帶頻 譜參數中的至少兩個來實現，主要有以下幾種方式
假設中心陣元為E0，發射孔徑邊上的陣元是El,那麼需要的是使EO的發射波形幅度 比E1的發射波形幅度大。
實施例之一是，使用能量和中心頻率這兩個參數來調節設計各所述雙極性激勵信號的 基帶頻譜。如圖8所示，圖8a示意了探頭帶寬特性(黑實線所示)與不同陣元所對應雙極性激勵信號基帶頻譜之間的關係。依據所述探頭帶寬特性來設計波形頻譜與探頭中心頻 率大體一致的一個波形頻譜(虛線所示)具有較高能量，提供給所述中心陣元E0;與探頭 中心頻率逐漸偏移的波形頻譜被賦予逐漸降低的能量(以點虛線為例，頻率偏移0. 5MHz, 能量降為一半)，提供給以所述陣元El為代表的各對應邊上陣元。以圖示的兩個波形頻譜 為例，可以分別得到如圖8b和8c所示的兩個對應波形，再根據這兩個波形按前述的方法 得到對應的雙極性激勵信號，分別提供給相應的陣元。波形頻譜0由於更加符合探頭的帶 寬特性且能量大，將導致對應陣元得到的發射波形幅度更大。
實施例之二是，使用能量和帶寬這兩個參數來調節設計各所述雙極性激勵信號的基帶 頻譜。如圖9所示，圖9a示意了探頭帶寬特性與不同陣元所對應雙極性激勵信號基帶頻譜 之間的關係。依據所述探頭帶寬特性來設計波形頻譜提供給所述中心陣元EO的波形頻譜 (虛線所示)具有較大帶寬和較高能量；提供給逐漸遠離該中心陣元EO的波形頻譜具有逐 漸縮小的帶寬和能量(以點虛線為例，能量和帶寬均降至0.7倍)。以圖示的兩個波形頻譜 為例，可以分別得到如圖9b和9c所示的兩個對應波形，再根據這兩個波形按前述的方法 得到對應的雙極性激勵信號，分別提供給相應的陣元。由於帶寬不一樣，因此生成的脈衝 周期長度不一樣。波形頻譜0由於更加符合探頭的帶寬特性且能量大，將導致對應陣元得 到的發射波形幅度更大。
實施例之三是，使用中心頻率和帶寬這兩個參數來調節設計各所述雙極性激勵信號的 基帶頻譜。如圖10所示，圖10a示意了探頭帶寬特性與不同陣元所對應雙極性激勵信號基 帶頻譜之間的關係。依據所述探頭帶寬特性來設計波形頻譜與探頭中心頻率一致的一個 波形頻譜(虛線所示)具有較小帶寬，提供給所述中心陣元EO;與探頭中心頻率逐漸偏移 的波形頻譜被賦予逐漸增大的帶寬(以點虛線為例，頻率偏移O. 5MHz,帶寬增大至1. 3倍)， 提供給以所述陣元E1為代表的各對應邊上陣元。以圖示能量基本一致的兩個波形頻譜為例， 可以分別得到如圖10b和10c所示的兩個對應波形，再根據這兩個波形按前述的方法得到 對應的雙極性激勵信號，分別提供給相應的陣元。由於帶寬不一樣，因此生成的脈衝周期 長度不一樣。波形頻譜0由於更加符合探頭的帶寬特性且能量大，將導致對應陣元得到的 發射波形幅度更大。
實施例之四是，使用能量、中心頻率和帶寬這三個參數來調節設計各所述雙極性激勵信號的基帶頻譜。如圖ll所示，圖lla示意了探頭帶寬特性與不同陣元所對應雙極性激勵 信號基帶頻譜之間的關係。依據所述探頭帶寬特性來設計波形頻譜與探頭中心頻率一致 的一個波形頻譜(虛線所示)具有較高能量和較大帶寬，提供給所述中心陣元E0;與探頭 中心頻率逐漸偏移的波形頻譜被賦予逐漸降低的能量和逐漸減小的帶寬(以點虛線為例， 頻率偏移0.5MHz,帶寬和能量均降低為虛線所對應的0.7倍)，提供給以所述陣元E1為代 表的各對應邊上陣元。以圖示的兩個波形頻譜為例，可以分別得到如圖lib和lie所示的 兩個對應波形，再根據這兩個波形按前述的方法得到對應的雙極性激勵信號，分別提供給 相應的陣元。由於帶寬不一樣，因此生成的脈衝周期長度不一樣。波形頻譜0由於更加符 合探頭的帶寬特性且能量大，將導致對應陣元得到的發射波形幅度更大。
上述實施例為了描述如何獲得所需要特性的雙極性激勵信號，所舉的例子並不局限於 上述特定數值，而是可以根據需要來進行設計，其原理思想均是一樣的。
在諧波成像的應用場合，同樣可以使用上述方法來生成合適的雙極性激勵信號，從而 實現對探頭髮射波形的控制；不同的是對所述雙極性激勵信號基帶頻譜的具體設計和選擇， 因非本發明重點，不在此贅述。
權利要求
1. 一種超聲系統雙極性脈衝調製發射方法，用於超聲系統，所述系統的探頭陣元存在發射和接收兩種狀態；在所述發射狀態時，探頭髮射孔徑中的各個陣元在該陣元的對應激勵信號作用下發射聲波，從而形成發射波束；各所述激勵信號為由雙極性電壓產生的雙極性激勵信號，其特徵在於，各所述雙極性激勵信號包括能量、中心頻率和帶寬在內的基帶頻譜參數中至少有兩個參數在起調節變化。
2. 根據權利要求l所述的超聲系統雙極性脈衝調製發射方法，其特徵在於所述起調節變化的基帶頻譜參數或者為能量和中心頻率；或者為能量和帶寬；或者 為中心頻率和帶寬；或者為能量、中心頻率和帶寬。
3. 根據權利要求l或2所述的超聲系統雙極性脈衝調製發射方法，其特徵在於，各所述雙 極性激勵信號的產生步驟是A. 依據所述起調節變化的基帶頻譜參數來設置各所述雙極性激勵信號的基帶頻 譜；B. 依據該基帶頻譜來確定對應的預定波形；c.利用該預定波形來模擬生成對應的所述雙極性激勵信號，該雙極性激勵信號的 正/負脈衝分別對應該預定波形的正/負波段。
4. 根據權利要求3所述的超聲系統雙極性脈衝調製發射方法，其特徵在於步驟C中所述正/負脈衝的寬度決定於所述雙極性電壓的幅度與所述正/負波段的能量，即在 波形圖上所述正/負脈衝所覆蓋的面積等於對應的正/負波段所覆蓋的面積；所述正/負脈衝的位置決定於所述正/負波段的能量，即在波形圖上所述正/負脈衝 的中心位置設置在對應正/負波段的能量最大處。
5. 根據權利要求3所述的超聲系統雙極性脈衝調製發射方法，其特徵在於步驟A中所述起調節變化的基帶頻譜參數為能量和中心頻率時，探頭髮射孔徑中心陣元所對 應雙極性激勵信號的基帶頻譜被設置成具有與探頭中心頻率大體一致的中心頻率和最 高能量；逐漸偏離該中心陣元的邊上陣元所對應的被設置成具有逐漸偏移所述探頭中心 頻率的中心頻率和逐漸降低的能量。
6. 根據權利要求3所述的超聲系統雙極性脈衝調製發射方法，其特徵在於步驟A中所述起調節變化的基帶頻譜參數為能量和帶寬時，探頭髮射孔徑中心陣元所對應 雙極性激勵信號的基帶頻譜被設置成具有最大帶寬和最高能量；逐漸偏離該中心陣元的 邊上陣元所對應的被設置成具有逐漸縮小的帶寬和能量。
7. 根據權利要3所述的超聲系統雙極性脈衝調製發射方法，其特徵在於步驟A中所述起調節變化的基帶頻譜參數為中心頻率和帶寬時，探頭髮射孔徑中心陣元所 對應雙極性激勵信號的基帶頻譜被設置成具有與探頭中心頻率大體一致的中心頻率和最小帶寬；逐漸偏離該中心陣元的邊上陣元所對應的被設置成具有逐漸偏移所述探頭中 心頻率的中心頻率和逐漸增大的帶寬。
8. 根據權利要求3所述的超聲系統雙極性脈衝調製發射方法，其特徵在於步驟A中所述起調節變化的基帶頻譜參數為能量、中心頻率和帶寬時，探頭髮射孔徑中心陣 元所對應雙極性激勵信號的基帶頻譜被設置成具有與探頭中心頻率大體一致的中心頻 率和最高能量及最大帶寬；逐漸偏離該中心陣元的邊上陣元所對應的被設置成具有逐漸 偏移所述探頭中心頻率的中心頻率和逐漸降低的能量及逐漸減小的帶寬。
全文摘要
一種超聲系統雙極性脈衝調製發射方法，用於超聲系統，所述系統的探頭陣元存在發射和接收兩種狀態；在所述發射狀態時，探頭髮射孔徑中的各個陣元在該陣元的對應激勵信號作用下發射聲波，從而形成發射波束；各所述激勵信號為由雙極性電壓產生的雙極性激勵信號，尤其是，各所述雙極性激勵信號包括能量、中心頻率和帶寬在內的基帶頻譜參數中至少有兩個參數在起調節變化。由該基帶頻譜所確定的波形來模擬生成所述雙極性激勵信號，提供給對應的發射陣元，可以實現發射變跡對發射波形幅度或形狀的控制，及使探頭的發射能量更加有效率，並具有實現成本低、易於實施的優點。
文檔編號A61B8/00GK101411625SQ200710124060
公開日2009年4月22日 申請日期2007年10月15日 優先權日2007年10月15日
發明者斌 姚, 胡勤軍, 勇 黃 申請人:深圳邁瑞生物醫療電子股份有限公司