專利名稱：超聲診斷系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)提高成像幀率的方法和波束合成裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超聲診斷系統(tǒng)及其動(dòng)態(tài)提高成像幀 率的方法和波束合成裝置。
背景技術(shù)：
醫(yī)用超聲診斷系統(tǒng)中，存在探頭回波中心頻率比較高的情形，ADC的采樣率相應(yīng)也 比較高，用這個(gè)高的采樣率去采樣中心頻率比較低的探頭回波時(shí)，就存在過(guò)采樣的情況，這 時(shí)，如果降低ADC的采樣率，降低單個(gè)波束的數(shù)據(jù)率，前端電路就可以在同樣的時(shí)間內(nèi)完成 更多波束的合成及其信號(hào)處理，提高系統(tǒng)的成像幀率。不過(guò)，這種情況下，合成更多波束的 波束合成器和之前的電路有所差異，如果做兼容設(shè)計(jì)，電路的設(shè)計(jì)難度較大，并且需要更多 的邏輯資源和外圍器件。以下舉例說(shuō)明。請(qǐng)參閱圖2和圖3，一次掃描合成η個(gè)波束，與一次掃描合成m個(gè)波束，其波束合成 器是不同的。比如η = 2，m = 4(n和m并不限制為偶數(shù)，但需要滿足η小于m并且nXFsl 小于等于Fmax，mXFs2也小于等于Fmax，這里的Fmax是波束合成電路處理的最高工作頻 率。)，恰好對(duì)應(yīng)一次掃描合成雙波束和四波束。這時(shí)電路分時(shí)復(fù)用的時(shí)序是不一樣的，如 果每個(gè)時(shí)鐘都切換一個(gè)波束，那對(duì)于雙波束而言，波束AB依次交替出現(xiàn)在局部電路的輸入 端，對(duì)于四波束而言，波束ABCD依次出現(xiàn)在局部電路的輸入端。相應(yīng)的，內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)也 不同，請(qǐng)參閱圖4和圖5。例如，波束合成各個(gè)通道變跡運(yùn)算乘法器之前存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和系數(shù)的 D觸發(fā)器，雙波束時(shí)，D觸發(fā)器21之前為兩輸入的多路選擇器20 ；四波束時(shí)，D觸發(fā)器23之 前為四輸入的多路選擇器22。除了變跡運(yùn)算，波束合成中的插值濾波運(yùn)算和延時(shí)加載模塊 等，在雙波束時(shí)也會(huì)大量使用圖2中電路結(jié)構(gòu)，在四波束時(shí)會(huì)大量使用圖3中的電路結(jié)構(gòu)。 如果兼容這兩組電路，則如圖6所示，雙波束和四波束中的電路結(jié)構(gòu)都需要保留(如24、25 的多路選擇器、27的D觸發(fā)器)，并且再通過(guò)之后再多一組多路選擇器26，這就需要更多的 邏輯資源才能實(shí)現(xiàn)，勢(shì)必使用容量更大的FPGA或者更多的FPGA才能完成兼容邏輯，這樣都 會(huì)造成硬件成本的增加?？梢姮F(xiàn)有技術(shù)中存在一定的問題，需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種超聲診斷系統(tǒng)及其動(dòng)態(tài)提高成像幀率的方法、和波束合成裝置，其可以大幅度提高成像幀率，并且在不需要增加更多的邏輯資源和外圍器件 的基礎(chǔ)上，解決了現(xiàn)有超聲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中波束合成器和之前的電路的兼容問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案—種超聲診斷系統(tǒng)，包括主控制器、波束合成器及ADC采樣裝置，還包括與所述 主控制器相連的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)至少兩個(gè)波束合成邏輯配置文件；串聯(lián)在所述主控制器 的一個(gè)控制信號(hào)輸出端和波束合成器的控制端之間的波束合成邏輯配置器，用于通過(guò)所述 主控制器加載與回波中心頻率相對(duì)應(yīng)的波束合成邏輯配置文件；串聯(lián)在所述主控制器的另一個(gè)控制信號(hào)輸出端和ADC采樣裝置的控制端之間的采樣頻率控制器，用于根據(jù)回波中心 頻率，由所述主控制器調(diào)節(jié)ADC采樣裝置的采樣率。基于上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還提供了一種動(dòng)態(tài)提高超聲診斷系統(tǒng)成像幀率的方 法，包括當(dāng)探頭回波中心頻率發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)回波中心頻率查找存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的波束 合成邏輯配置文件；停止當(dāng)前掃描，在波束合成器上配置所述波束合成邏輯配置文件 ，并調(diào)節(jié)ADC采 樣裝置的采樣率；加載掃描參數(shù)；重新啟動(dòng)掃描。基于上述思想，本發(fā)明還提供了一種波束合成裝置，包括用于合成掃描數(shù)據(jù)的波 束合成單元、用于控制波束合成的控制單元，還包括與所述控制單元相連的存儲(chǔ)單元，用 于存儲(chǔ)至少兩個(gè)波束合成邏輯配置文件；串聯(lián)在所述控制單元的一個(gè)控制信號(hào)輸出端和波 束合成單元的控制端之間的波束合成邏輯配置單元，用于通過(guò)所述控制單元加載與回波中 心頻率相對(duì)應(yīng)的波束合成邏輯配置文件。有益效果本發(fā)明利用預(yù)先存儲(chǔ)的多個(gè)版本的波束合成邏輯，來(lái)自適應(yīng)的配置可 編程邏輯配置器，用以控制波束合成器，實(shí)現(xiàn)波束合成器和之前的電路的兼容，并在不需要 增加更多的邏輯資源和外圍器件的基礎(chǔ)上使超聲系統(tǒng)具有自適應(yīng)性；同時(shí)，根據(jù)前端回波 中心頻率的多少自動(dòng)調(diào)節(jié)ADC采樣率，保證回波中心頻率與ADC采樣率的自適應(yīng)性。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中超聲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為η = 2電路時(shí)分復(fù)用示意圖；圖3為η = 4電路時(shí)分復(fù)用示意圖；圖4為η = 2的波束合成器的局部電路示意圖；圖5為η = 4的波束合成器的局部電路示意圖；圖6為兼容η = 2和η = 4的局部電路示意圖；圖7為本發(fā)明超聲診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本發(fā)明波束合成裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)方式。如圖1所示，醫(yī)用超聲診斷系統(tǒng)一般由如下若干部分構(gòu)成從超聲回波的信號(hào)流 的角度，從前往后依次包括探頭1、發(fā)射與接收電路8、ADC采樣裝置9、波束合成器10、信 號(hào)處理電路11、幀緩存單元12、后處理單元13和顯示器14。整機(jī)的控制流上，主要包括主 控制器3及其存儲(chǔ)器4。此外，超聲系統(tǒng)還包括電源5和輸入設(shè)備2。如圖7所示，本發(fā)明在此基礎(chǔ)上增加了波束合成邏輯配置器7和采樣頻率控制器。 波束合成邏輯配置器7串聯(lián)在主控制器3的一個(gè)控制信號(hào)輸出端和波束合成器10的控制 端之間，用于通過(guò)所述主控制器3加載與回波中心頻率相對(duì)應(yīng)的波束合成邏輯配置文件。此處的波束合成邏輯配置文件可以預(yù)先存儲(chǔ)在與所述主控制器3相連的存儲(chǔ)器4中，并且 為了自適性加載，應(yīng)該預(yù)先設(shè)置至少兩個(gè)波束合成邏輯配置文件，每一個(gè)波束合成邏輯配 置文件與一種回波中心頻率相對(duì)應(yīng)，用于實(shí)現(xiàn)此回波中心頻率下的波束合成邏輯。針對(duì)探 頭回波不同的中心頻率，準(zhǔn)備多個(gè)版本的波束合成邏輯，不同的邏輯版本，可以完成不同數(shù) 目波束的合成。另外，采樣頻率控制器6串聯(lián)在主控制器3的另一個(gè)控制信號(hào)輸出端和ADC采樣裝置9的控制端之間，用于根據(jù)回波中心頻率，由所述主控制器調(diào)節(jié)ADC采樣裝置的采樣 率。采樣頻率控制電路，可以改變各個(gè)通道對(duì)模擬信號(hào)的采樣率，從而改變單個(gè)波束的數(shù)據(jù) 率。在調(diào)節(jié)所述ADC采樣裝置的采樣率時(shí)，當(dāng)探頭回波中心頻率提高時(shí)，則提高采樣率；當(dāng) 探頭回波中心頻率降低時(shí)，則降低采樣率。通常，波束合成器10由現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯控制器件構(gòu)成，比如用FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程 門陣列)實(shí)現(xiàn)，那么，F(xiàn)PGA的配置文件存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器4中，F(xiàn)PGA的配置由主控制器3通過(guò)波 束合成邏輯配置器7實(shí)現(xiàn)。由于增加了一個(gè)波束合成邏輯配置器，則可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái) 選擇相匹配的波束合成邏輯，然后將與回波中心頻率相對(duì)應(yīng)的波束合成邏輯配置文件加載 到波束合成器10中，使得當(dāng)前情況下波束合成器和之前的電路相兼容，并且相對(duì)于現(xiàn)有技 術(shù)而言，電路的設(shè)計(jì)較容易，不需要增加更多的邏輯資源和外圍器件。為了便于查找和編輯波束合成邏輯配置文件，在存儲(chǔ)器中設(shè)置一用于存儲(chǔ)波束合 成邏輯配置文件的數(shù)據(jù)表，該表記錄有回波中心頻率與波束合成邏輯配置文件的一一對(duì)應(yīng) 關(guān)系。通過(guò)波束合成數(shù)目參數(shù)即可找到與其對(duì)應(yīng)的波束合成邏輯配置文件?；谏鲜鱿到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還提供了一種動(dòng)態(tài)提高成像幀率的方法，其過(guò)程如下 所示1、獲得回波中心頻率；2、當(dāng)探頭回波中心頻率發(fā)生越檔變化時(shí)，根據(jù)回波中心頻率查找存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中 的波束合成邏輯配置文件；3、停止當(dāng)前掃描，在波束合成器上配置所述波束合成邏輯配置文件，并調(diào)節(jié)ADC 采樣裝置的采樣率；4、加載掃描參數(shù)，例如波束合成延時(shí)參數(shù)等；5、重新啟動(dòng)掃描。在當(dāng)前探頭回波的中心頻率為低頻，并且需要提升幀率的應(yīng)用場(chǎng)合，例如切換到 低頻探頭，或者變頻為低頻檔位，把低頻回波對(duì)應(yīng)的波束合成邏輯配置文件配置到波束合 成器10 (如FPGA)中，降低單波束的數(shù)據(jù)率，即ADC采樣率。如果是處理低頻回波的邏輯切換到處理高頻回波的邏輯，例如切換到高頻探頭或 者變頻到高頻檔位，則把高頻回波對(duì)應(yīng)的波束合成邏輯配置文件配置到波束合成器10 (如 FPGA)中，提高單波束的數(shù)據(jù)率，即ADC采樣率。在探頭回波頻率不發(fā)射變化或者變化不大時(shí)，不需要重新配置FPGA，直接加載相 應(yīng)的掃描參數(shù)，例如波束合成延時(shí)參數(shù)等，執(zhí)行重新啟動(dòng)掃描。以下將闡述本發(fā)明的工作原理。在超聲系統(tǒng)中，使用如FPGA實(shí)現(xiàn)的電路，內(nèi)部的邏輯會(huì)受到其時(shí)鐘最高工作頻率 的限制，設(shè)這個(gè)最高的工作頻率為Fmax。設(shè)ADC的采樣率為Fsl，即單個(gè)波束的數(shù)據(jù)率為Fsl，這個(gè)采樣率可以采樣探頭的高頻回波。波束合成器是ADC的后續(xù)電路，工作頻率(設(shè)為Fwork)是單波束數(shù)據(jù)率的整數(shù)倍數(shù)，即Fwork = nXFsl，這樣，在一次掃描中，可以完成 η個(gè)波束的合成，并且FPGA中這部分電路的工作頻率Fwork要小于等于該時(shí)鐘的最高工作 頻率Fmax。對(duì)于探頭的低頻回波，如果將單波束的數(shù)據(jù)率降低至Fs2，也就是說(shuō)將采樣頻率 降低至Fs2，只要滿足mXFs2小于等于Fmax，并且m > n，那么在一次掃描中，就可以完成 更多波束的合成，每幀掃描就可以減少掃描次數(shù)，從而提高幀率。對(duì)于更低頻的探頭回波， 在本發(fā)明中，可以將單波束的數(shù)據(jù)率或者說(shuō)采樣率降低至Fsk，只要滿足pXFsk小于等于 Fmax，并且ρ >m>n，那么在一次掃描中，伴隨更多波束的合成，幀率可以進(jìn)一步提高。也 就是說(shuō)，調(diào)節(jié)ADC采樣裝置的采樣率時(shí)滿足的條件是采樣率與此采樣率下的波束合成數(shù) 目的乘積小于或等于波束合成器的時(shí)鐘最高工作頻率。下面舉例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用。首先是在變頻中的應(yīng)用，例如中心頻率為3. 5MHz的凸陣探頭，在實(shí)際使用中可以 變頻為2. 5MHz和5. OMHz,也就是說(shuō)，探頭回波的中心頻率包括2. 5MHz、3. 5MHz和5. OMHz 三檔。假設(shè)FPGA波束合成器的最大工作頻率Fmax可以達(dá)到100MHz，ADC的采樣率Fsl為 40MHz，那么這個(gè)采樣率可以很好的采樣以上三檔中心頻率的回波。單波束的數(shù)據(jù)率也為 40MHz時(shí)，這時(shí)一次掃描最多可以完成2個(gè)波束的合成，這部分電路的工作頻率Fwork為 SOMHz0對(duì)于探頭回波中心頻率為3. 5MHz的情況，如果把采樣率降低為Fs2 = 30MH，單波 束的數(shù)據(jù)率降為30MHz，那么一次掃描最多可以完成3個(gè)波束的合成，這部分電路的工作頻 率為90MHz，幀率可以提高的原來(lái)的1. 5倍。對(duì)于探頭回波中心頻率為2. 5MHz的情況，ADC 的采樣率可以進(jìn)一步降低為25MHz，這時(shí)一次掃描最多可以完成4個(gè)波束的合成，波束合成 器的工作頻率為100MHz，幀率可以提高到原來(lái)的2倍。利用本發(fā)明進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí)，超聲診斷系統(tǒng)中，探頭的中心頻率差別比較大，比如 線陣探頭的中心頻率可以是7MHz，而相控陣探頭的中心頻率則偏低，一般是2MHz，如果ADC 的采樣率都使用40MHz，那么對(duì)于相控陣的回波，ADC就存在過(guò)采樣的情形。如果同理把ADC 的采樣率(也就是單波束的數(shù)據(jù)率)也降低到30MHz或者20MHz甚至更低，那么一次掃描 就可以完成更多波束的合成，成像幀率可以大幅提高。總之，在本發(fā)明中，首先針對(duì)不同的探頭回波頻率，完成多個(gè)版本的波束合成邏 輯，不同的邏輯版本，又可以完成不同數(shù)目波束的合成，這些邏輯版本的配置文件都存放在 主控制器的存儲(chǔ)器中。在探頭回波中心頻率較低，并且要提升幀率的應(yīng)用場(chǎng)合，主控制器將 低頻回波相關(guān)邏輯的配置文件通過(guò)FPGA配置電路配置到FPGA中，降低波束合成中各個(gè)通 道前端模擬信號(hào)的采樣率，降低單個(gè)波束的數(shù)據(jù)率，從而在相同時(shí)間內(nèi)完成更多波束的合 成，達(dá)到動(dòng)態(tài)提高幀率的目的。如果從低頻回波的處理邏輯切換回高頻回波邏輯，這時(shí)主控 制器只要將高頻回波相關(guān)邏輯的配置文件通過(guò)FPGA配置電路配置到FPGA中。這里需要指 出的是，處理高頻回波的η波束邏輯也可以處理低頻回波，只不過(guò)這時(shí)前端ADC存在過(guò)采樣 的情形，但處理低頻回波的m波束邏輯只適用于低頻回波?；谏鲜霭l(fā)明構(gòu)思，上述波束合成器還可以單獨(dú)設(shè)計(jì)，如圖8所示。本發(fā)明還提供 了一種波束合成裝置，其包括用于合成掃描數(shù)據(jù)的波束合成單元、用于控制波束合成的控 制單元，其還包括與所述主控制器相連的存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)至少兩個(gè)波束合成邏輯配置 文件；串聯(lián)在所述控制單元的一個(gè)控制信號(hào)輸出端和波束合成單元的控制端之間的波束合成邏輯配置單元，用于通過(guò)所述控制單元加載與回波中心頻率相對(duì)應(yīng)的波束合成邏輯配置 文件。這里將用于控制單元和存儲(chǔ)單元均集成在波束合成裝置中，所述波束合成單元采用 現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯控制器件。所述存儲(chǔ)單元包含一用于存儲(chǔ)波束合成邏輯配置文件的數(shù)據(jù) 表，并記錄回波中心頻率與波束合成邏輯配置文件的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。控制單元通過(guò)檢測(cè)回 波中心頻率來(lái)選擇相對(duì)應(yīng)的波束合成邏輯配置文件，并加載到波束合成單元上，實(shí)現(xiàn)波束 合成。
上述各具體步驟的舉例說(shuō)明較為具體，并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的專利保護(hù) 范圍的限制，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種超聲診斷系統(tǒng)，包括主控制器、波束合成器及ADC采樣裝置，其特征在于，還包括與所述主控制器相連的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)至少兩個(gè)波束合成邏輯配置文件；串聯(lián)在所述主控制器的一個(gè)控制信號(hào)輸出端和波束合成器的控制端之間的波束合成邏輯配置器，用于通過(guò)所述主控制器加載與回波中心頻率相對(duì)應(yīng)的波束合成邏輯配置文件；串聯(lián)在所述主控制器的另一個(gè)控制信號(hào)輸出端和ADC采樣裝置的控制端之間的采樣頻率控制器，用于根據(jù)回波中心頻率，由所述主控制器調(diào)節(jié)ADC采樣裝置的采樣率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述波束合成器采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯控 制器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述存儲(chǔ)器包含一用于存儲(chǔ)波束合成邏 輯配置文件的數(shù)據(jù)表，并記錄回波中心頻率與波束合成邏輯配置文件的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
4.權(quán)利要求1所述超聲診斷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)提高成像幀率的方法，包括當(dāng)探頭回波中心頻率發(fā)生變化時(shí)，根據(jù)回波中心頻率查找存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的波束合成 邏輯配置文件；停止當(dāng)前掃描，在波束合成器上配置所述波束合成邏輯配置文件，并調(diào)節(jié)ADC采樣裝 置的采樣率；加載掃描參數(shù)； 重新啟動(dòng)掃描。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在調(diào)節(jié)所述ADC采樣裝置的采樣率時(shí)，當(dāng) 探頭回波中心頻率提高時(shí)，則提高采樣率；當(dāng)探頭回波中心頻率降低時(shí)，則降低采樣率。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)所述ADC采樣裝置的采樣率時(shí)滿 足的條件是采樣率與此采樣率下的波束合成數(shù)目的乘積小于或等于波束合成器的時(shí)鐘最高工作頻率。
7.一種波束合成裝置，包括用于合成掃描數(shù)據(jù)的波束合成單元、用于控制波束合成的 控制單元，其特征在于，還包括與所述控制單元相連的存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)至少兩個(gè)波束合成邏輯配置文件； 串聯(lián)在所述控制單元的一個(gè)控制信號(hào)輸出端和波束合成單元的控制端之間的波束合 成邏輯配置單元，用于通過(guò)所述控制單元加載與回波中心頻率相對(duì)應(yīng)的波束合成邏輯配置 文件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述波束合成單元采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯 控制器件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述存儲(chǔ)單元包含一用于存儲(chǔ)波束合成 邏輯配置文件的數(shù)據(jù)表，并記錄回波中心頻率與波束合成邏輯配置文件的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超聲診斷系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)提高成像幀率的方法和波束合成裝置，其包括與所述主控制器相連的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)至少兩個(gè)波束合成邏輯配置文件；串聯(lián)在所述主控制器的一個(gè)控制信號(hào)輸出端和波束合成器的控制端之間的波束合成邏輯配置器，用于通過(guò)所述主控制器加載與回波中心頻率相對(duì)應(yīng)的波束合成邏輯配置文件；串聯(lián)在所述主控制器的另一個(gè)控制信號(hào)輸出端和ADC采樣裝置的控制端之間的采樣頻率控制器，用于根據(jù)回波中心頻率，由所述主控制器調(diào)節(jié)ADC采樣裝置的采樣率。本發(fā)明可以大幅度提高成像幀率，并且在不需要增加更多的邏輯資源和外圍器件的基礎(chǔ)上，解決了現(xiàn)有超聲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中波束合成器和之前的電路的兼容問題。
文檔編號(hào)G01S7/539GK101810492SQ20091010583
公開日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2009年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月24日
發(fā)明者張學(xué)武, 張羽, 程?hào)|彪 申請(qǐng)人:深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司