一種支持偏轉掃描和t型掃描的多波束合成方法
2023-05-02 12:22:51
專利名稱：一種支持偏轉掃描和t型掃描的多波束合成方法
技術領域：
本發明涉及一種多波束合成方法，尤其涉及一種支持偏轉掃描和T型掃描的多波 束合成方法，該方法可以應用於各種類型的探頭。
背景技術：
隨著超聲診斷設備的發展提出了更加多樣化的掃描方式要求，比如空間複合成像 需要在原有凸陣或線陣掃描方式基礎上改變掃描偏轉方向，T型(trapezoid)成像需要用 線陣探頭實現虛凸陣掃描等。在已經申請的專利「一種基於延時參數實時計算和流水線的 多波束合成方法和裝置」(專利申請號=201010133657. 7，美國專利申請號12/793，698)， 一種延時參數實時計算和流水線的多波束合成方法(專利申請號201010176005. 7)，中曾 經提出過一種多波束合成方案，可以支持凸陣、線陣和相控陣探頭進行多波束掃描。不考慮偏轉掃描的情況下，凸陣、線陣和相控陣探頭多波束掃描的幾何示意圖如 圖1、圖2和圖3所示。在考慮了掃描線發生偏轉(steering)的情況下，情況有所不同，如圖4、圖5所示。線陣探頭虛擬凸陣掃描方式，如圖6所示。支持圖1、圖2和圖3的掃描方式的延時計算單元已經在專利(申請號 201010133657. 7)中給出，其基本結構如圖7所示。其中參數X，Y以及控制信號Cl和C2的配置根據探頭類型及幾何參數決定，如表 1所示，Y1、Y2、Y3、Y4分別對應不同的91值(對於凸陣和相控陣)或&值(對於線陣)表1 不同探頭的輸入參數形式 現有技術方案採用pipeline設計，可以四個波束分時共享同一個延時計算單元， 因此在實現四波束合成的情況下，硬體資源佔用大大減少。但是，該方案沒有考慮對偏轉掃 描的支持，另外，不同探頭需要通過Cl和C2兩個控制信號切換電路的連接形式，達到對不 同類型探頭的支持。
發明內容
本發明在上述基礎上改進方案設計，使得多波束合成裝置可以支持凸陣探頭、線 陣探頭和相控陣探頭的偏轉掃描以及支持T型成像所需要的掃描，同時電路結構大大簡化。本發明為解決上述技術問題所採用的技術方案為一種支持偏轉掃描和T型掃描的多波束合成方法，其至少有一個多波束合成裝 置，一個多波束合成裝置接受一個通道的超聲回波，一個通道的超聲回波有M個不同掃描 角度或掃描位置的波束，其包括以下步驟A.每一個多波束合成裝置分別將回波數位訊號線性的寫入雙埠 RAM或三埠 RAM ；B.根據當前通道對應的陣元參數以及焦點位置參數分時計算出同一通道內M路 波束的延時參數，再換算成RAM的讀出地址；延時參數計算公式為t = 4(L+Xf"LY延時表示為 Ti =
C延時換算成採樣脈衝單位外
C針對不同探頭的輸入參數形式 其中山為從陣元i到焦點F的聲程、R——凸陣探頭曲率半徑、L——焦距、 θΓ——接收線與孔徑中心發射線的夾角、Qi—第i陣元與孔徑中心發射線的夾角、 Xi——第i陣元中心點距離孔徑中心的間距、χτ——線陣探頭接收線與孔徑中心的距離、 c——聲速，在人體組織中近似為1540m/s，Fs是採樣頻率，θ為偏轉角，H為線陣虛擬凸陣 的曲率中心高度，由虛擬凸陣的掃描角度和探頭寬度決定；C.在一次寫周期的時間內，按照計算出的讀出地址輪流從RAM中讀出經過延時的 回波數據，產生M路延時信號輸出；D.將同一通道內產生的M路延時信號輸出分時的通過一個插值單元和一個加權 單元；E.將所有多波束合成裝置產生的第一個波束疊加為第一合成波束，將所有多波束 合成裝置產生的第二個波束疊加為第二合成波束，......將所有多波束合成裝置產生的第M個波束疊加為第M合成波束，
4
上述M個波束的波束疊加操作分時的在同一個求和單元流水線式完成；F.輸出的M路波束信號仍然以分時復用的方式傳往下一級求和單元或進行信號 處理和圖像處理。所述的雙埠 RAM或三埠 RAM的讀出頻率是寫入頻率的M倍。與已經申請的發明專利相比，該申請有下述優勢a)可以支持不同種類探頭的偏轉掃描和線陣探頭虛擬凸陣探頭的掃描。b)使用更少的硬體資源。本發明所用延時計算單元只需要兩個乘法器，兩個加法 (或減法)器，一個開平方運算。相比原來的設計節省了一個乘法器，一個加法器。控制更簡單，對於任何探頭和偏轉角度，不需要通過控制信號切換硬體結構。所有 的切換完全通過改變輸入參數X和Y來實現。本發明的獨特之處在於使用更少的硬體資源，同時不用根據探頭或掃描方式切換 電路結構，一切都通過輸入參數χ和Y來進行定義。這使得整個方案的形式更加統一，實現 起來也更加簡潔，所用資源更少。
圖1為凸陣探頭多波束掃描的幾何示意圖2為線陣探頭多波束掃描示意圖3為相控陣探頭多波束掃描示意圖4為有偏轉的凸陣掃描示意圖5為有偏轉的線陣掃描示意圖6為線陣虛擬凸陣的掃描示意圖7為原有的支持無偏轉掃描的四波束合成器延時計算單元示意圖8為本發明實施例支持偏轉掃描的四波束合成器延時計算單元示意圖9為本發明實施例延時計算單元的四波束合成器示意圖10為本發明實施例基於支持偏轉的四波束合成器的超聲成像系統框圖。
具體實施例方式下面根據附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明由圖1至圖6可知，計算聚焦參數最重要的是計算各陣元到焦點的聲程Ii,已申請 專利中已經給出了線陣探頭、凸陣探頭以及相控陣探頭在多波束掃描時的聲程計算公式， 這裡重點給出有偏轉情況下各種探頭的聲程計算公式，無偏轉的掃描可以看做偏轉角θ 為0的特例。根據圖4可以得出下面的凸陣有偏轉掃描的聲程計算公式
「 二 水L + d)2 - Llldi(1 + cos Cpi)](1)其中式=2Rsin￡izi,^.=90 ( 2 )
2V^ 7根據圖5可以得出下面的線陣探頭有偏轉掃描的聲程計算公式A=」[L + (Xi - xr )]2 一 L[2(Xi - Xl + sin 0)](3)
根據圖6可以得出下面線陣虛擬凸陣掃描的聲程計算公式￡. = ^[L + (Xi - xr )]2 - L[2(Xi - xr )(1 + sin Or)](4)其中^ = H · tg θ ρ式中H為虛曲率中心的高度，如圖6中所示。從公式⑴，(3)和(4)我們可以得到一般公式如下i、= ^(L+Xf-LY(6)其中X和Y的表達式根據探頭類型和掃描方式不同定義如下表2 不同探頭和掃描方式的輸入參數形式 圖8中給出一種按照公式(6)實現的四波束合成器的延時計算單元框圖。圖中 100為基本計算部分，按照流水線工作方式設計，100中的單元「T」表示延時，插入該單元目 的是保證兩個分支數據的同步。單元Iio用於鎖存焦距參數L，其鎖存信號L_load的周期 是calc_clk的四倍，以保證對於每一個L值，分別對四個波束各計算一次延時。移位寄存 器120和130用來輪流對四個波束的參數，(XI，Yl)，(X2，Y2)，(X3，Y3)，(X4，Y4)進行切 換。使四個波束分時復用延時計算單元。由於移位時鐘calc_clk和計算單元100的主時 鐘相同，頻率都是L_load的四倍，因此可以對應每一個L值，使得延時計算單元100分別對 輸入參數(XI, Yl), (X2，Y2)，(Χ3，Υ3)，(Χ4，Υ4)做一次計算，產生四個不同延時值，分別對 應四個波束的延時。單元140和150為二選一多路器，當x_load和y_load為高時，多路器 將data的數據裝入移位寄存器，以實現X和Y值的更新，當X_load和y_load為低時，單元 120和130實現循環移位，X和Y在四個波束的輸入參數間切換。圖9給出了一個應用圖8的四波束合成器的框圖。在該圖中，行波計數器100對採樣脈衝進行計數，記錄了超聲波行進的路程，所以稱做行波計數器。行波計數器的輸出作 為雙口 RAM200的寫入地址。由於雙口 RAM的容量只要容納寫入和讀出的最大地址差就夠 了，所以一般雙口 RAM的容量只需取256到512。寫入地址和讀出地址當計數到頭時自動 摺疊到起始點，相當於一個環形存儲隊列。這裡我們取RAM的深度為512，因此雙口 RAM200 的寫地址只需要連接行波計數器100的低9位。第i路輸入的回波數據rf_datai按照寫 入地址連續的寫入雙口 RAM200。行波計數器的輸出L，作為深度的表示同時打入到延時參 數計算單元300。延時單元在打入脈衝L_load作用下，將表示焦距的量L打入，L_load的 頻率為延時參數計算單元的時鐘calc_clk的四分之一。也即在同一個焦距L下，分別對四 個波束的延時計算一次。延時計算單元的輸入包括X_load，Y_load，data和start，在一條 掃描線開始前，X_loac^P Y_load 將四個波束的參數(XI, Yl), (X2，Y2)，(X3，Y3)，(X4，Y4) 裝入延時參數計算單元，start信號有效表示波束合成開始。四個波束的輸入參數在calc_ elk控制下輪流切換，延時參數計算單元300以流水線方式計算每一個波束的延時參數，延 時參數被輪流打入後面的寄存器組330，各寄存器分別表示為delayl-delayL 2-4解碼器 320解碼beam_sel，產生的四路控制輸出對delayl_delay4進行選擇。delayl_delay4的 值被最後一個打入脈衝的下降沿鎖存到鎖存器340，目的是為了保持delayl-delay4的值 在一個焦距變化周期內保持不變。delayl-delay4的值輸入地址計算單元350，結合焦距L 計算出對應的MM讀地址。在一個寫入周期內，地址計算單元350必須分別對每一個波束 計算讀地址一次，並從雙口 RAM中讀出一個數據。因此，讀出脈衝rd_clk的頻率是寫入脈 衝wr_clk的四倍。如果wr_clk是40MHz，則rd_clk是160MHz。從雙口 RAM 200讀出的數 據被輪流打入寄存器210到240。由於插值的需要，還保留了歷史數據在寄存器250到280 中。保留的歷史數據不限於只有兩級。根據插值算法的階數不同，可以保留多級。比如6階 插值，要保留6個連續的輸出數據。讀出的數據通過4-1多路器400輸出到流水線方式的 插值和加權單元500。插值加權單元的插值係數由地址計算單元350提供。加權數據wt可 以計算的到，也可以事先計算好，存儲在外存儲器中，接受過程中實時從外存儲器讀入。由 於加權值的變化不需要很快，比如25cm的掃描線改變64次，因此，保存加權值並不會佔用 太多存儲資源。從插值加權計算單元500出來的數據已經是經過延時的並且分時復用的四 波束回波數據。將此數據送往以流水線方式工作的求和單元600，和其他N-I個單元的輸出 一起求和，最後得到分時復用的四波束數據輸出。 圖10給出了一個基於支持偏轉的四波束合成器的B超系統框圖。圖中的陣列換 能器10為128陣元。波束合成器60 —共有64個通道。發射電路50在控制器70的控制 下對特定的一組陣元(稱為激活陣元)發射具有延時的脈衝信號，以實現聚焦發射。激活 陣元的回波信號經過模擬開關20的選通送往T/R開關30。T/R開關30的作用是隔離發射 的高壓信號避免造成後面的放大電路飽和阻塞。經過T/R開關30的模擬信號送往模擬前 端電路40進行放大和處理，模擬前端包括了前置放大器、時間增益控制放大器(TGC)和ADC 電路。經過放大的信號轉換為數位訊號送往波束合成器60。波束合成器是一個包含了 64 路如圖9所示的電路結構。波束合成器60將64路輸入信號進行延時。每一路輸出四路經 過延時的波束數據，四路數據以時分多路的形式送往求和單元61。求和單元61以流水線方 式對四路波束數據進行合成。其輸出為時分多路的四個合成後的波束數據。該數據流經過 分配器(DEMUX)SO分支為四路。分別送往四路正交解調單元81到84和信號處理單元85到89。最後形成的四條掃描線送給數字掃描轉換器(DSC)90。數字掃描轉換器90將掃描線數 據轉換為具有直角坐標的光柵數據，並通過讀寫控制器91送往圖像緩衝存儲器92。在控制 器70的控制下，通知上位計算機73通過PCI總線讀取圖像數據並顯示。控制數據也通過 PCI總線下傳到控制器70。用於聚焦延時計算的參數被存放在參數存儲器71。在每次掃描 開始前，控制器70將所有參數送往各個波束合成通道，並發出控制時序控制整個波束合成 的進行。以圖14中的實例，可以在保持圖像線密度不減少的條件下，將B超系統的幀頻提 高4倍。這將大大提高B超對於人體內運動器官如心臟的成像質量，同時由於該裝置支持 偏轉掃描，可以用於空間複合成像、血流掃查方向的偏轉以及T型掃描等高級掃描模式。
本領域技術人員不脫離本發明的實質和精神，可以有多種變形方案實現本發明， 以上所述僅為本發明較佳可行的實施例而已，並非因此局限本發明的權利範圍，凡運用本 發明說明書及附圖內容所作的等效結構變化，均包含於本發明的權利範圍之內。
權利要求
一種支持偏轉掃描和T型掃描的多波束合成方法，其至少有一個多波束合成裝置，一個多波束合成裝置接受一個通道的超聲回波，一個通道的超聲回波有M個不同掃描角度或掃描位置的波束，其特徵在於包括以下步驟A.每一個多波束合成裝置分別將回波數位訊號線性的寫入雙埠RAM或三埠RAM；B.根據當前通道對應的陣元參數以及焦點位置參數分時計算出同一通道內M路波束的延時參數，再換算成RAM的讀出地址；延時參數計算公式為延時表示為延時換算成採樣脈衝單位其中X和Y針對不同探頭和掃描方式的輸入形式為凸陣偏轉掃描時，X為di，Y為線陣偏轉掃描時，X為(xi xr)，Y為2(xi xr)(1+sinθ)，相控陣掃描時，X為xi，Y為2xi(1+sinθr)，線陣T型掃描時，X為(xi xr)，Y為2(xi xr)(1+sinθr)，xr＝H·tgθr，li為從陣元i到焦點F的聲程、R為凸陣探頭曲率半徑、L為焦距、θr為接收線與孔徑中心發射線的夾角、θi為第i陣元與孔徑中心發射線的夾角、xi為第i陣元中心點距離孔徑中心的間距、xτ為線陣探頭接收線與孔徑中心的距離、c為聲波在人體組織中的速度、Fs為採樣頻率、θ為偏轉角、H為線陣虛擬凸陣的曲率中心高度、L為焦距；C.在一次寫周期的時間內，按照計算出的讀出地址輪流從RAM中讀出經過延時的回波數據，產生M路延時信號輸出；D.將同一通道內產生的M路延時信號輸出分時的通過一個插值單元和一個加權單元；E.將所有多波束合成裝置產生的第一個波束疊加為第一合成波束，將所有多波束合成裝置產生的第二個波束疊加為第二合成波束，直至將所有多波束合成裝置產生的第M個波束疊加為第M合成波束，上述M個波束的波束疊加操作分時的在同一個求和單元流水線式完成；F.輸出的M路波束信號仍然以分時復用的方式傳往下一級求和單元或進行信號處理和圖像處理。FSA00000189166500011.tif,FSA00000189166500012.tif,FSA00000189166500013.tif,FSA00000189166500014.tif,FSA00000189166500015.tif
2.根據權利要求1所述的一種支持偏轉掃描和T型掃描的多波束合成方法，其特徵在 於所述的雙埠 RAM或三埠 RAM的讀出頻率是寫入頻率的M倍。延時換算成採樣脈衝單位外=^AFsc其中X和Y針對不同探頭和掃描方式的輸入形式為延時換算成採樣脈衝單位-A =
全文摘要
一種支持偏轉掃描和T型掃描的多波束合成方法，其實時延時參數計算單元是一種可以通用於凸陣探頭、線陣探頭和相控陣探頭的通用延時參數計算裝置。其不但支持常規的凸陣、線陣和相控陣多波束掃描，而且支持凸陣、線陣的偏轉掃描，並且支持線陣虛擬凸陣的掃描方式。波束的掃描角度(或位置)以及偏轉角度都由兩個輸入參數決定。
文檔編號A61B8/00GK101900809SQ20101021567
公開日2010年12月1日 申請日期2010年6月30日 優先權日2010年6月30日
發明者孟國海 申請人:深圳市藍韻實業有限公司