基於雙波束及合成孔徑的接收方法及其裝置的製作方法
2023-05-13 15:39:26 1
專利名稱：基於雙波束及合成孔徑的接收方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及超聲技術，尤其涉及醫療超聲成像系統中的信號處理，特別是涉及超聲信號的接收合成方法及裝置。
背景技術：
超聲波成像技術已在現代醫學臨床診斷中得到廣泛使用，降低成本和提高幀率是超聲成像系統設計追求的重要目標低成本是產品競爭力關鍵因素；幀率是超聲成像系統的極具價值的資源，高幀率對於成像質量，特別在血流和都卜勒成像中非常關鍵。此外，提高幀率，結合複合成像等技術可以有效地減小斑點噪聲。
多波束是提高幀率的有效方法之一。因為幀率和發射次數成反比，發射次數越少幀率越高，所述多波束是通過發射一個較寬的波束，在發射軸線附近接收多個回波波束，從而以一次發射、多波束接收來提高幀率。但多波束也帶來一個缺點一方面發射和接收不在同一條軸線上，接收回波能量更多來自於發射和接收線之間，而不是來自於接收線，另一方面數字掃描變換(D.S.C)是按照有規律等間隔來顯示回波，這樣就會造成顯示的圖像失真。具體闡述如下在圖1所示的單波束髮射接收系統中，各陣元發射後，陣元接收回波信號，波束合成器對陣元回波信號延時相加，此時波束聚焦於接收線上，接收線和發射線相重合，波束信號經過數字掃描變換後圖像能被正確顯示。但在圖2所示的雙波束髮射接收系統中，各陣元發射一次後，陣元接收回波信號，波束合成器對陣元回波信號延時相加；和上述單波束不同的是，它同時聚焦形成兩個波束，即具有兩條接收線；理想的兩條接收線將如圖所示偏離發射軸線，超聲回波能量峰值並不是在理想接收線上，而是位於發射軸線和接收軸線之間；但實際接收軸線將偏離理想接收軸線，靠近發射焦點處的偏離值最大；由於數字掃描變換對輸入的波束合成信號要求按理想接收線排列，因此實際雙波束接收線將帶來圖像顯示上的失真。
美國專利5,779,640提出了一種多波束失真校正系統和方法，它主要針對彩色和都卜勒成像，設計了一個方位角空間平滑濾波器。它假定實際接收軸線偏離理想接收軸線一個位置X，則根據多線的實際數據，用空間濾波器近似地插出在理想接收線的數據，用作為處理對象。由於平滑濾波器的作用對空間解析度有較大損害，因此這種校正方法的實現是以損失圖像質量為代價的。美國專利6,282,963提出一種雙焦點發射的多波束方法，實現一次發射產生兩個發射中心，那麼雙波束聚焦於兩個發射中心上就不需要數據矯正，但其代價是大大增加了發射電路的成本。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種波束接收方法及其裝置，能在不降低幀率或圖像質量的情況下，降低接收電路的成本。
為解決上述技術問題，本發明的基本構思為採用雙波束和合成孔徑技術結合，來保證幀率和降低成本。也就是，各陣元在同一位置發射兩次，通過若干個接收選擇器的選擇，來使各陣元回波多路分次復用同一接收通道，從而可以減少接收通道的數目，進而降低系統接收電路成本。考慮到採用雙波束，若在接收動態延時聚焦中矯正接收線失真，則可以在不增加系統額外成本的同時，進一步保證圖像質量。
作為實現本發明構思的第一個技術方案是，提供一種基於雙波束及合成孔徑的超聲成像系統，包括若干個探頭陣元，用於向受測肌體發射超聲波並接收目標回波；若干個通道放大器，用於放大接收回波信號，經其放大後的信號送往A/D(模擬/數字)變換器轉換成數位訊號；至少一個波束合成器，用於對所述各通道A/D變換器輸出的數位訊號進行聚焦延時、加權處理並求和，所述波束合成器的輸出經檢測器檢測後，通過數字掃描變換器變換送顯示器顯示；主控制器，用於系統控制，包括產生分別送往所述波束合成器、檢測器、數字掃描變換器的控制信號；還包括選擇裝置，用於各探頭陣元的接收選擇；所述選擇裝置的每個輸入端都唯一地連接一個來自探頭接收陣元的信號，每個輸出端都唯一地連接一個通道放大器，並且所述每個輸出端對應著的兩個輸入端的信號分別來自位置上對稱的兩個探頭陣元。
作為實現本發明構思的第二個技術方案是，提供一種基於雙波束及合成孔徑的接收方法，用於雙波束超聲成像系統的波束合成，所述超聲成像系統的接收處理通道的數目比不採用合成孔徑的系統減少一半，包括步驟，a.發射器第一次發射後，系統通過選擇裝置選中相對發射中心某一側的各接收陣元的回波信號，分別經各自接收處理通道的放大、模數轉換後送往波束合成器，生成兩個前半波束的數據，將該所述數據送往存儲器；b.發射器在同一位置第二次發射後，系統通過所述選擇裝置選中相對發射中心另一側的各陣元的回波信號，分別經各自接收處理通道的放大、模數轉換後送往波束合成器，生成兩個後半波束的數據；從所述存儲器中取出所述的兩個前半波束數據，將其與所述後半波束數據相加，得到Bn、Bn+1兩個全波束數據；(其中n為自然數1，2，3……，表示發射器總的發射次數)；c.將Bn數據送往檢測器和數字掃描變換器進一步處理，Bn+1數據送往存儲器暫存；d.若掃描尚未結束，則改變發射器發射的物理位置後繼續以下步驟，直至掃描接收過程結束；e.發射器在新的位置第一次發射後，系統通過所述選擇裝置選中相對發射中心相同於步驟a所述的一側的各接收陣元的回波信號，分別經各自接收處理通道的放大、模數轉換後送往波束合成器，生成兩個前半波束的數據；將該所述數據送往存儲器，將存儲器中Bn+1數據送往檢測器和數字掃描變換器進一步處理；f.從上述步驟b起重複相關操作步驟。
作為實現本發明構思的第三個技術方案是，提供一種基於雙波束及合成孔徑的波束合成器，包括兩個波束合成模塊及其波束延時控制模塊，每個波束合成模塊均接收各個接收通道A/D變換器送來的數字波束信號，所述波束延時控制模塊通過動態延時聚焦參數控制其相應的波束合成模塊，完成半波束合成；變跡控制模塊，控制所述兩個波束合成模塊，完成通道加權；變跡補償模塊，對波束合成數據進行變跡補償處理後輸出；存儲器及其讀寫控制裝置，用於存儲或讀出數據，包括所述兩個波束合成模塊輸出的半波束數據，或波束合成數據；還包括若干個加法器，用於將所述波束合成模塊送來的半波束數據、與所述存儲器在先存儲的半波束數據相加，形成完整的波束合成數據；至少一個控制標誌單元，提供奇偶交替變化的控制標誌，系統以之決策系統送往變跡補償模塊的波束合成數據，是來自所述加法器還是所述存儲器；或，所述存儲器存儲的數據，是來自所述加法器還是所述兩個波束合成模塊。
與現有技術相比，採用上述任一技術方案，均可以在不損失幀率或圖像質量的情況下，降低超聲成像系統接收電路的成本，並且電路實現簡單，從而使產品更具有市場競爭力。
圖1是單波束髮射接收示意2是雙波束髮射接收示意3是雙波束動態聚焦矯正示意4是基於雙波束及合成孔徑的超聲成像系統框5是基於雙波束及合成孔徑的波束合成器框6是基於雙波束及合成孔徑的接收方法流程圖具體實施方式
下面，結合附圖所示之最佳實施例闡述本發明。
為了敘述的簡便，假設一個4通道超聲成像系統(實際系統通道數一般大於4)，系統參與發射接收陣元也為4(實際系統陣元數一般大於或等於通道數)，其具有如圖4所示之基於雙波束和合成孔徑的系統結構。
所述超聲成像系統包括若干(4)個探頭陣元，用於向受測肌體發射超聲波並接收目標回波；若干(2)個選擇器，用於各探頭陣元的接收選擇，其每個輸入端都唯一地連接一個探頭接收陣元，每個輸出端都唯一地連接一個通道放大器；所述通道放大器，用於放大選擇器輸出的、來自探頭陣元的接收回波信號，經其放大後的信號送往A/D變換器轉換成數位訊號；至少一個波束合成器，用於對所述各通道A/D變換器輸出的數位訊號進行聚焦延時、加權處理並求和，所述波束合成器的輸出經檢測器檢測後，通過數字掃描變換器(D.S.C)變換送顯示器顯示；主控制器，用於系統控制，包括產生分別送往所述波束合成器、檢測器、數字掃描變換器的控制信號。
其中，為節省接收通道的數目，系統往往採用多選一的選擇器。本發明中基於雙波束，孔徑合成採用的是二選一選擇器，每個輸出端對應著的兩個輸入端的信號分別來自位置上對稱的兩個探頭陣元，從而使接收處理通道的數目比不採用合成孔徑的系統減少一半。如圖所示，來自目標的回波由探頭的各陣元接收，每兩個與發射中心對稱的探頭陣元連接到同一個選擇器，即陣元1、4共一個選擇器，陣元2、3共一個選擇器。這樣，當各陣元在同一位置基於雙波束髮射兩次時，兩個選擇器在第一次發射後，可以分別選擇相對發射中心同一側的陣元1、2的接收回波作為輸出，而第二次發射後，分別選擇另一側的陣元3、4，從而有利於數據處理。當然，上述示例中的多個選擇器可以用其他形式的選擇裝置代替，例如多輸入端多輸出端的開關切換裝置，因其作用是一樣的，均在本發明的保護範圍內。
本發明基於雙波束及合成孔徑的接收方法，用於雙波束超聲成像系統的波束合成，所述超聲成像系統的接收處理通道的數目是接收探頭陣元數目的一半，所述接收方法原理為系統發射器第一次發射後，陣元1、2的接收回波信號如圖示分別經兩個通道處理後，由波束合成器形成兩個前半波束的數據；第二次發射後，根據陣元3、4的接收回波信號，波束合成器形成兩個後半波束的數據。將兩次形成的各兩個半波束的數據相加，即得陣元1、2、3、4形成的兩個全波束的數據。具體接收方法見附圖6，步驟具體如下a.發射器第一次發射後，系統通過兩個選擇器分別選中陣元1、2的回波信號，分別經各自接收處理通道的放大、模數轉換後送往波束合成器，生成兩個前半波束的數據，將所述數據送往存儲器；b.發射器在同一位置第二次發射後，系統通過兩個選擇器分別選中陣元3、4的回波信號，分別經各自接收處理通道的放大、模數轉換後送往波束合成器，生成兩個後半波束的數據；從所述存儲器中取出兩個前半波束數據，將其與所述兩個後半波束數據相加，得到Bn、Bn+1兩個全波束數據；(其中n為自然數1，2，3……，表示發射器總的發射次數)；c.將Bn數據送往檢測器和數字掃描變換器進一步處理，Bn+1數據送往存儲器暫存；d.若掃描尚未結束，則改變發射器發射的物理位置後繼續以下步驟，直至掃描接收過程結束；e.發射器在新的位置第一次發射後，系統通過兩個選擇器分別選中陣元1、2回波信號，分別經各自接收處理通道的放大、模數轉換後送往波束合成器，生成兩個前半波束的數據；將所述數據送往存儲器，將存儲器中Bn+1數據送往檢測器和數字掃描變換器進一步處理；f.從上述步驟b起重複相關操作步驟。
在上述步驟的每個信號接收處理通道中，來自探頭陣元的信號被放大後，是以統一的速率被數位化。
在多波束系統中，可以採用類似的孔徑合成技術，採用多選一選擇器，使多個探頭接收陣元通過一個選擇器復用同一接收處理通道。本發明不再詳述之。
在本發明最佳實施例中，所述波束合成器通過延時聚焦控制方式處理來自各通道的數字接收回波信號。為了校正雙波束帶來的圖像失真，必須使雙波束接收線和理想接收線重合，或儘量重合。本發明採用了一種通過改變動態延時聚焦參數的方法來校正失真。在未校正系統中，計算動態聚焦延時參數是按照理想接收線來計算的，由於實際接收線會向發射線靠攏，由此造成失真。基於這種思想，本實施例採用了圓弧矯正法，見附圖3(雙波束動態聚焦矯正示意圖)。在該矯正方法中，計算動態聚焦延時參數的時候，將接收線以偏離發射中心的方向偏離理想接收線；其在發射焦點處的偏離量最大，設其值為Q，則隨著接收焦點位置遠離發射焦點，其偏離值逐漸變小。設矯正半徑為R，則兩矯正線各接收焦點坐標到發射中心距離公式為y(i)=Q-R+R2-(x(i)-F)2]]>當y(i)＜0.25P時，使y(i)＝0.25P其中，x(i)是接收焦點距離陣元中心的垂直距離，y(i)是校正動態聚焦線到陣元發射中心距離。P為陣元間距，F為發射焦點距離。
基於上述雙波束和合成孔徑接收方法的波束合成器，包括兩個波束合成模塊及其波束延時控制模塊，每個波束合成模塊均接收各個接收通道A/D變換器送來的數字波束信號，所述波束延時控制模塊通過動態延時聚焦參數控制其相應的波束合成模塊，完成半波束合成；變跡控制模塊，控制所述若干個波束合成模塊，完成通道加權；變跡補償模塊，對合成的波束數據進行變跡補償處理後輸出；存儲器及其讀寫控制裝置，用於存儲或讀出數據，包括所述波束合成模塊輸出的半波束數據，或波束合成數據；還包括若干個加法器，用於將所述波束合成模塊送來的半波束數據、與所述存儲器在先存儲的半波束數據相加，形成完整的波束合成數據；至少一個控制標誌單元，提供奇偶交替變化的控制標誌，系統以之決策系統送往變跡補償模塊的波束合成數據，是來自所述加法器還是所述存儲器；或，所述存儲器存儲的數據，是來自所述加法器還是所述兩個波束合成模塊。
本最佳實施例提供所述波束合成器可進一步參考如圖5，以4通道超聲成像系統為例，包括兩個A/D變換器、兩個波束合成模塊及其波束延時控制模塊、變跡控制模塊、變跡補償模塊、存儲器及其讀寫控制裝置的連接關係如上所述；兩個加法器，分別接收來自波束1合成模塊和波束2合成模塊輸出的半波束數據，還分別接收來自存儲器的半波束數據；所述波束合成器還用LN0來作控制標誌，以LN0＝1表示奇數次掃描接收(或發射，下略)，LN0＝0表示偶數次掃描接收，分兩路分別送往兩個選擇器，其中選擇器1用於從加法器1的輸出或存儲器的輸出中選擇一個信號送往變跡補償模塊，經其補償處理後的波束合成數據作為系統的輸出信號；選擇器2用於從加法器1的輸出或波束2合成模塊的輸出中選擇一個信號送往存儲器。這樣，當奇數次掃描接收時，波束1、2的前半波數據存儲到存儲器中，前一次(偶數次)掃描不同物理位置的第二波束數據從存儲器讀出，孔徑補償後送給檢測器；偶數次掃描接收時，波束1、2的前半波數據從存儲器讀出並和後半波束相加形成兩個全波束信號，第一個經變跡補償後送給檢測器，第二個回存儲於存儲器中。
所述兩個延時控制模塊將按照前述的圓弧矯正法實現對兩個波束合成模塊的控制。
上述所有實施例中，存儲器最好採用雙口RAM，或其他具有先進先出機制的存儲器，可以方便於系統軟體設計。當然，在讀寫容許的情況下，幾乎可以採用任何存儲器類型。
實際應用中，系統參與發射接收的陣元數往往大於通道數，此時通常採用一些選擇裝置使多個陣元復用同一通道，在此系統上，同樣可以使用本發明方法，增加本發明所述選擇裝置使系統通道數降低一半。使用本發明的該系統亦在本發明要求保護的範圍內。
在工程實現上，以上數字部分的電路或模塊可以部分或全部藉助DSP(Digital SignalProcessing)技術，用高速實時數位訊號處理晶片DSP(Digital Signal Processor)實現，並根據需要使用DSP片內存儲器或外掛存儲器；或，可以用FPGA(Field Programmable Gate-Array現場可編程門陣列)編程實現，嵌入系統，只佔用較少的系統資源，均可達到較低實現成本。
所述方法和裝置已經在本公司的可攜式黑白B超的硬體平臺上完成試驗，驗證可行。
權利要求
1.一種基於雙波束及合成孔徑的超聲成像系統，包括若干個探頭陣元，用於向受測肌體發射超聲波並接收目標回波；若干個通道放大器，用於放大接收回波信號，經其放大後的信號送往A/D變換器轉換成數位訊號；至少一個波束合成器，用於對所述各通道A/D變換器輸出的數位訊號進行聚焦延時、加權處理並求和，所述波束合成器的輸出經檢測器檢測後，通過數字掃描變換器變換送顯示器顯示；主控制器，用於系統控制，包括產生分別送往所述波束合成器、檢測器、數字掃描變換器的控制信號；其特徵在於，還包括選擇裝置，用於各探頭陣元的接收選擇；所述選擇裝置的每個輸入端都唯一地連接一個來自探頭接收陣元的信號，每個輸出端都唯一地連接一個通道放大器，並且所述每個輸出端對應著的兩個輸入端的信號分別來自位置上對稱的兩個探頭陣元。
2.一種基於雙波束及合成孔徑的接收方法，用於雙波束超聲成像系統的波束合成，所述超聲成像系統的接收處理通道的數目比不採用合成孔徑的系統減少一半，其特徵在於，包括步驟a.發射器第一次發射後，系統通過選擇裝置選中相對發射中心某一側的各接收陣元的回波信號，分別經各自接收處理通道的放大、模數轉換後送往波束合成器，生成兩個前半波束的數據，將該所述數據送往存儲器；b.發射器在同一位置第二次發射後，系統通過所述選擇裝置選中相對發射中心另一側的各陣元的回波信號，分別經各自接收處理通道的放大、模數轉換後送往波束合成器，生成兩個後半波束的數據；從所述存儲器中取出所述的兩個前半波束數據，將其與所述後半波束數據相加，得到Bn、Bn+1兩個全波束數據；(其中n為自然數1，2，3......，表示發射器總的發射次數)；c.將Bn數據送往檢測器和數字掃描變換器進一步處理，Bn+1數據送往存儲器暫存；d.若掃描尚未結束，則改變發射器發射的物理位置後繼續以下步驟，直至掃描e.發射器在新的位置第一次發射後，系統通過所述選擇裝置選中相對發射中心相同於步驟a所述的一側的各接收陣元的回波信號，分別經各自接收處理通道的放大、模數轉換後送往波束合成器，生成兩個前半波束的數據；將該所述數據送往存儲器，將存儲器中Bn+1數據送往檢測器和數字掃描變換器進一步處理；f.從上述步驟b起重複相關操作步驟。
3.根據權利要求2所述的基於雙波束及合成孔徑的接收方法，其特徵在於所述步驟a、b或e中，在每個信號接收處理通道，來自探頭陣元的信號被放大後，是以統一的速率被數位化。
4.根據權利要求2所述的基於雙波束及合成孔徑的接收方法，其特徵在於所述步驟a、b或e中，所述波束合成器通過延時聚焦控制方式處理來自各通道的數字接收回波信號，並通過改變動態延時聚焦參數的方法來校正失真；其中，所述動態聚焦延時參數的計算，是以兩接收矯正線為根據的；所述兩接收矯正線是由圓弧矯正法，按以下方式產生將接收線以偏離發射中心的方向偏離理想接收線，其在發射焦點處的偏離量最大，設其值為Q，則隨著接收焦點位置遠離發射焦點，其偏離值逐漸變小，設矯正半徑為R，x(i)是接收焦點距離陣元中心的垂直距離，y(i)是校正動態聚焦線到陣元發射中心距離，P為陣元間距，F為發射焦點距離，則兩矯正線各接收焦點坐標到發射中心距離公式為y(i)=Q-R+R2-(x(i)-F)2]]>並且當y(i)＜0.25P時，使y(i)＝0.25P
5.根據權利要求2所述的基於雙波束及合成孔徑的接收方法，其特徵在於所述接收裝置是用與接收處理通道數目一致的若干個二選一的選擇器，每個該所述選擇器分別接收來自與發射中心對稱的兩個接收探頭陣元的回波信號。
6.一種基於雙波束及合成孔徑的波束合成器，包括兩個波束合成模塊及其波束延時控制模塊，每個波束合成模塊均接收各個接收通道A/D變換器送來的數字波束信號，所述波束延時控制模塊通過動態延時聚焦參數控制其相應的波束合成模塊，完成半波束合成；變跡控制模塊，控制所述兩個波束合成模塊，完成通道加權；變跡補償模塊，對波束合成數據進行變跡補償處理後輸出；存儲器及其讀寫控制裝置，用於存儲或讀出數據，包括所述兩個波束合成模塊輸出的半波束數據，或波束合成數據；其特徵在於，還包括若干個加法器，用於將所述波束合成模塊送來的半波束數據、與所述存儲器在先存儲的半波束數據相加，形成完整的波束合成數據；至少一個控制標誌單元，提供奇偶交替變化的控制標誌，系統以之決策系統送往變跡補償模塊的波束合成數據，是來自所述加法器還是所述存儲器；或，所述存儲器存儲的數據，是來自所述加法器還是所述兩個波束合成模塊。
7.根據權利要求6所述的基於雙波束及合成孔徑的波束合成器，其特徵在於所述每個波束合成器通過動態延時聚焦參數控制其相應的波束合成模塊，處理來自各通道的數字接收回波信號時，通過改變動態延時聚焦參數的方法來矯正失真。
8.根據權利要求7所述的基於雙波束及合成孔徑的波束合成器，其特徵在於，所述動態聚焦延時參數的計算，是以兩接收矯正線為根據的；所述兩接收矯正線是由圓弧矯正法，按以下方式產生將接收線以偏離發射中心的方向偏離理想接收線，其在發射焦點處的偏離量最大，設其值為Q，則隨著接收焦點位置遠離發射焦點，其偏離值逐漸變小，設矯正半徑為R，x(i)是接收焦點距離陣元中心的垂直距離，y(i)是校正動態聚焦線到陣元發射中心距離，P為陣元間距，F為發射焦點距離，則兩矯正線各接收焦點坐標到發射中心距離公式為y(i)=Q-R+R2-(x(i)-F)2]]>並且當y(i)＜0.25P時，使y(i)＝0.25P
9.根據權利要求6所述的基於雙波束及合成孔徑的波束合成器，其特徵在於所述全部或部分模塊，是用高速實時數位訊號處理晶片DSP實現，或是用FPGA編程實現。
10.根據權利要求1、2或6所述的基於雙波束及合成孔徑的接收方法及其裝置，其特徵在於所述存儲器是具有先進先出機制的存儲器，包括雙口RAM。
全文摘要
一種基於雙波束及合成孔徑的接收方法，用於雙波束超聲成像系統的波束合成，其原理是發射器在同一物理位置發射兩次，每次系統通過選擇裝置選中相對發射中心同一側的各接收陣元的回波信號，經波束合成器生成兩個半波束的數據；將兩次半波束數據相加，得到在所述位置掃描的兩個波束信號；從而使所述超聲成像系統的接收處理通道的數目減少一半，在不損失掃描幀率的情況下，降低系統接收電路的成本。採用所述方法的波束合成器，通過動態延時聚焦參數控制其波束合成；採用圓弧矯正法，可以通過改變動態延時聚焦參數的方法來校正失真，從而使所述超聲成像系統的圖像質量同時得到保證，並且可以簡單地實現方案。
文檔編號G01S15/00GK1788685SQ20041007755
公開日2006年6月21日 申請日期2004年12月15日 優先權日2004年12月15日
發明者胡勤軍, 楊波, 趙海龍, 黃勇, 倪東 申請人:深圳邁瑞生物醫療電子股份有限公司