基於△－σ變換的超聲動態接收變跡方法
2023-09-24 02:00:30 1
專利名稱：基於△－σ變換的超聲動態接收變跡方法
技術領域：
基於Δ-Σ變換的超聲動態接收變跡方法屬於數位化醫學超聲圖像處理技術。
Δ-Σ變換又稱為Σ-Δ變換和反饋量化，是一種通過提高採樣率和增加反饋環節來減少量化誤差的技術。GE公司於1993年首次提出了基於Δ-Σ變換的過採樣波束形成技術，並取得了美國專利。美國密西根大學的Freeman對GE公司的設計方案進行了改進，於1999年、2001年獲得了兩項美國專利。在Freeman的設計的基礎上，土耳其的Karaman於1999年提出了基於非均勻採樣和Δ-Σ變換的設計方案。
與多位ADC採樣技術相比，過採樣波束形成技術比較簡單，能夠在保證圖像質量的同時，降低線路的複雜性和後繼數位訊號處理計算量的大小，適合於在可攜式和基於PC的超聲成像系統中應用。
接收變跡技術可以抑制陣列孔徑引起的衍射瓣，改善超聲圖像的質量。現有的基於Δ-Σ變換的數位化超聲波束形成技術，均不能實現超聲回波接收變跡。
根據互易原理，用Hamming、Hanning等窗函數對接收孔徑上各陣元接收到的回波信號進行加權，可以降低接收孔徑空間響應的旁瓣，提高超聲圖像的信噪比。這種通過對接收孔徑上各陣元接收到的回波信號進行加權，來降低接收孔徑空間響應旁瓣的方法，稱為接收變跡。
通過在近場採用小的接收孔徑，在遠場採用較大的接收孔徑，使F/Number(焦點/陣元數目)保持恆定的技術稱為動態接收孔徑技術。動態接收孔徑技術能夠改善近場的聲學特性，提高近場的圖像質量。動態孔徑技術中進行變跡時，接收孔徑大小不同時，接收變跡函數也需要相應變化。接收變跡函數隨接收孔徑變化的技術，稱為接收動態變跡。
本發明的特徵在於它在非均勻採樣和Δ-Σ變換的基礎上，引入了通過一個數據存儲單元用多存儲頁面尋址方法來實現動態接收變跡以抑制陣列孔徑引起的衍射瓣，改善超聲圖像的質量，它依次含有以下步驟(1).當模擬通道數為N時，把模擬回波信號中對稱的兩道合併為一道，使模擬回波信號通道數與變跡數據存儲單元的地址線數M一致，其中 (2).對M個模擬回波信號通道上的信號做非均勻採樣並進行二階Δ-Σ變換；(3).把步驟(2)得到的採樣信號，送入先進先出(FIFO)數據存儲器；(4).把Δ-Σ採樣的數據Ai(i＝0，…，M-1)作為變跡數據存儲單元的地址輸入，用多存儲頁面尋址方法，進行動態接收變跡，依次得出數據流D0～Dq-1，然後進行低通濾波和抽取而形成合成波束；它依次含有以下步驟(4.1).按照下列公式計算接收焦點p(p＝1，2，…，P)的變跡數據，存入相應的大小為2M字節的各存儲單元內DATAp(A0,A1,AM-1)=round(kpi=0M-1AiWp(i)),]]>其中，Wp(i)是接收焦點p對應的變跡係數，是一種窗函數，其寬度與接收焦點p的位置有關，接收焦點p變化時，窗函數的寬度隨之變化，Wp(i)也隨之改變；round為四捨五入運算；kp是接收焦點p對應的比例係數，當存儲單元輸出數據位數為q時，取kp為kp=2qi=0M-1Wp(i),]]>(4.2).通過頁面選擇信號AM，…，AM+L-2，AM+L-1從相應存儲單元中選擇不同焦點p的變跡數據，所述頁面選擇信號數L＝floor(log2P)+1；其中，floor為取整運算。
所述的Wp(i)是Hamming或Hanning窗函數。
實驗證明本發明取得了和多位ADC方法相同的效果。
圖2.多存儲頁面尋址實現動態接收變跡的示意圖。
圖3.仿真實驗結果圖。
具體實施例方式
本發明通過一個數據存儲單元來實現接收變跡。數據存儲單元內為接收變跡、求和運算的計算結果。實時處理回波數據時，將Δ-Σ採樣的結果(1bit的二進位數)作為存儲單元的地址輸入，依次讀出的數據流即為經過接收變跡加權的合成波束。
設模擬通道數為N，考慮到對稱性，可以將模擬回波信號中對稱的兩道合併為一道，故變跡數據存儲單元的地址線數目為(參見
圖1) 接收焦點p(p＝1，2，…，P)接收變跡時，需要的存儲單元的大小為2M字節。存儲單元內的數據通過下式計算得到DATAp(A0,A1,AM-1)=round(kpi=0M-1AiWp(i)),]]>其中，Wp(i)是接收焦點p對應的變跡係數，可以為Hamming、Hanning等窗函數。
round為四捨五入運算。
kp是接收焦點p對應的比例係數，設置適當的kp，可以得到較高的接收變跡處理精度。當存儲單元輸出數據位數為q時，取kp為kp=2qi=0M-1Wp(i),]]>更改變跡函數時，需要重新計算並刷新存儲單元內的DATA值。
本發明通過多存儲頁面尋址技術，實現接收動態變跡(保持F/Number恆定)。圖2是多存儲頁面尋址實現接收動態變跡的示意圖。
P個接收焦點(即P種接收孔徑)的接收動態變跡時，需要的存儲單元容量為單個焦點接收變跡時的P倍。地址為0～2M-1的存儲空間內存放焦點1的變跡數據；地址為2M～2M+1-1的存儲空間內存放焦點2的變跡數據；依次類推，地址為(P-1)×2M～P×2M+1-1的存儲空間內存放焦點P的變跡數據。
動態接收變跡時，通過頁面選擇信號來從存儲單元中選擇不同焦點的變跡係數。P個接收焦點的接收動態變跡時，需要的頁面選擇信號的數目為L＝floor(log2P)+1，其中，floor為取整運算。
接收動態變跡時，接收焦點p對應的變跡係數Wp(i)的寬度與接收焦點p的位置有關，接收焦點p越遠，窗函數越寬。例如，變跡函數為Hamming窗時，接收焦點p對應的變跡係數Wp(i)為 其中，Number為陣元數目。接收焦點p改變時，Number需要隨之改變，使得焦點位置與陣元數目的比值保持恆定，Wp(i)的值也相應地發生變化。
作為一個實施的例子，我們完成了基於Δ-Σ變換的數位化超聲波束形成中的一個焦點接收變跡的仿真實驗。探頭中心頻率f0＝3.5MHz，實驗數據為實時非均勻採樣採集的16道模擬回波信號，合成信號的採樣率為fs＝20MHz。變跡函數採用長度為16的Hamming窗。存儲單元輸出數據位數為q＝8，取k＝62.6。
圖3是仿真實驗的結果圖a是8路模擬回波信號(16道的回波信號中對稱的兩道合併為一道)。
圖b是8位ADC方法接收變跡合成的信號和Δ-Σ變換技術接收變跡合成的信號的效果比較。波形I是8位ADC方法接收變跡合成的信號，為了便於比較，8位ADC方法接收變跡合成的信號也乘了k＝62.6；波形II是Δ-Σ變換技術接收變跡合成的信號。波形I和波形II完全重合。
實驗獲得了成功，基於Δ-Σ變換的數位化超聲波束形成中實現了接收變跡。方法達到既定目的。
權利要求
1.基於Δ-Σ變換的超聲動態接收變跡方法，含有非均勻採樣和Δ-Σ變換的步驟，其特徵在於它在非均勻採樣和Δ-Σ變換的基礎上，引入了通過一個數據存儲單元用多存儲頁面尋址方法來實現動態接收變跡以抑制陣列孔徑引起的衍射瓣，改善超聲圖像的質量，它依次含有以下步驟(1).當模擬通道數為N時，把模擬回波信號中對稱的兩道合併為一道，使模擬回波信號通道數與變跡數據存儲單元的地址線數M一致，其中 (2).對M個模擬回波信號通道上的信號做非均勻採樣並進行二階Δ-Σ變換；(3).把步驟(2)得到的採樣信號，送入先進先出(FIFO)數據存儲器；(4).把Δ-Σ採樣的數據Ai(i＝0，…，M-1)作為變跡數據存儲單元的地址輸入，用多存儲頁面尋址方法，進行動態接收變跡，依次得出數據流D0～Dq-1，然後進行低通濾波和抽取而形成合成波束；它依次含有以下步驟(4.1).按照下列公式計算接收焦點p(p＝1，2，…，P)的變跡數據，存入相應的大小為2M字節的各存儲單元內DATAp(A0,A1,AM-1)=round(kpi=0M-1AiWp(i))]]>其中，Wp(i)是接收焦點p對應的變跡係數，是一種窗函數，其寬度與接收焦點p的位置有關，接收焦點p變化時，窗函數的寬度隨之變化，Wp(i)也隨之改變；round為四捨五入運算；kp是接收焦點p對應的比例係數，當存儲單元輸出數據位數為q時，取kp為kp=2qi=0M-1Wp(i)]]>(4.2).通過頁面選擇信號AM，…，AM+L-2，AM+L-1從相應存儲單元中選擇不同焦點p的變跡數據，所述頁面選擇信號數L＝floor(log2P)+1；其中，floor為取整運算。
2.根據權利要求1所述的基於Δ-Σ變換的超聲動態接收變跡方法，其特徵在於所述的Wp(i)是Hamming或Hanning窗函數。
全文摘要
基於Δ－∑變換的超聲動態接收變跡方法屬於數位化醫學超聲圖像處理技術領域。其特徵在於它在非均勻採樣和Δ－∑變換的基礎上引入了通過一個數據存儲單元用多存儲頁面尋址方法來實現動態接收變跡以抑制陣列孔徑引起的衍射瓣，改善超聲圖像的質量。它把Δ－∑採樣的數據作為變跡存儲單元的地址輸入，把按上式計算出的焦點p的變跡數據存入相應的存儲單元，其中，A
文檔編號G06T1/00GK1431624SQ0310476
公開日2003年7月23日 申請日期2003年2月28日 優先權日2003年2月28日
發明者彭旗宇, 高上凱 申請人:清華大學