CN101461720B

CN101461720B - 基于频谱多普勒的运动速度测量范围的调整方法及装置

Info

Publication number: CN101461720B
Application number: CN2007103008096A
Authority: CN
Inventors: 尤奎; 皮兴俊; 胡锐; 李勇
Original assignee: Shenzhen Mindray Bio Medical Electronics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Mindray Bio Medical Electronics Co Ltd
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2027-12-18
Also published as: CN101461720A

Abstract

本发明提供一种基于频谱多普勒的运动速度的测量范围的调整装置，其中包括：测量范围接收单元，用于接收输入的运动速度的测量范围；采样时钟提供单元，用于提供采样时钟信号，其中所述采样时钟信号的频率随所接收的测量范围的不同而不同；数模转换单元，用于按照所述采样时钟信号的频率对反映运动速度的多普勒频移信号进行采样以得到所接收的测量范围内的多普勒频移数据。按照本发明，通过一种简单而易实现的方式实现了基于频谱多普勒的运动速度的测量范围的精细变化，达到精确的测量效果。

Description

基于频谱多普勒的运动速度测量范围的调整方法及装置

技术领域

本发明涉及基于频谱多普勒的运动速度测量，具体地说，涉及基于频谱多普勒的运动速度测量范围的调整方法及装置。

背景技术

诸如血流速度的物体运动速度的测量可以通过频谱多普勒技术来完成。

例如，当临床医生想要获得有关病人的高速血流的有关信息时，往往需要进行连续波多普勒成像。医用超声波诊断系统中的连续波(CW)多普勒成像的基本原理是：通过探头发射超声波信号并检测超声回波信号中的多普勒频移信号，然后采用谱分析的方法来计算血流和运动组织的速度，最后用声谱图或者音频信号来反映，其中声谱图是将血流信号以速度(或者频移)-时间曲线显示在直角坐标上。

图1示出连续波多普勒血流速度测量的声谱图，其中水平轴代表时间，纵轴代表速度(或者频移)。纵轴的正向最大值和负向最大值分别代表朝向或者背离探头方向血流信号的测量极限值，在连续波多普勒成像中对应的就是连续波多普勒信号的奈奎斯特采样率。

图2示出多普勒信号的处理流程。从人体返回的携带血流多普勒频移信息的回波信号S_E在波束合成/放大单元中经放大合成后形成射频回波信号S_R，射频回波信号S_R又经正交解调单元解调并经滤波单元滤波得到两路正交的多普勒频移信号S_I和S_Q，多普勒频移信号S_I和S_Q在模数转换单元中转换成数字频移序列D_I和D_Q(数据)，数字频移序列D_I和D_Q然后在数据处理单元中被缓存和处理，之后到达多普勒谱分析模块进行功率谱分析处理，最后通过图像处理单元处理后显示在显示单元上。

在许多情况下，血流速度的范围在诊断开始之前是无法精准预测的。因此，临床医生在诊断过程中往往需要根据血流的实际速度来改变多普勒成像血流速度的范围测量(Scale)，以达到最佳的测量效果。

当前，在连续波多普勒模式下实现改变速度测量范围的方法一般有两种，它们都是基于对固定模数采样率下采样得到的数据进行二次采样来实现的。方法一是通过对模数转换单元输出的数字序列(数据)进行简单降采样处理来改变采样率。方法二是对模数转换单元输出的数字序列先进行补零插值的升采样、然后再进行如方法一所述的降采样。

图3示出使用降采样技术实现血流速度测量范围改变的超声波诊断系统的方框图。当医生需要改变血流速度测量范围时，通过输入超声波诊断一个血流速度测量范围值，超声波诊断系统的数据处理单元得到一个降采样因子。数据处理单元按照这个降采样因子对模数转换单元输出的数据进行降采样处理，即对模数转换单元输出的数据按这个降采样因子进行抽取或平均。以降采样因子等于N(其中，N是正整数)为例，对模数转换单元输出的离散数字序列每隔N个数抽取一个或者对N个数据求取平均值以组成新的数字序列，抽取的过程可以看作是在原模拟信号上将采样率减小到1/N的结果。以降采样后频率的一半对应的速度值为速度-时间曲线的纵轴最大值就达到了改变血流速度测量范围的目的。

如上所述的那样，现有技术方案中改变血流速度测量范围一般是通过模数转换后的数据处理单元中对模数转换单元输出的数字序列进行降采样来实现的。

方法一中采样率的改变受限于模数转换的采样率。在已知超声波诊断系统中模数转换单元的输入时钟的频率是固定的，所以输出的数字序列的采样率是固定(或者是有限几档可调的)，因而这种改变血流速度测量范围的方法最大的缺点就是会造成血流速度测量范围只能是超声波诊断系统最大测量范围的1/2、1/3、1/4......，测量范围的档位变化过于粗糙，并且对于f/2～f之间的测量范围就无法实现。

方法二中虽然也可以实现精细改变血流速度测量范围，但是由于需要先对原来的数据进行插值、滤波再降采样处理，所以需要占用超声波诊断系统的大量资源用于后处理。例如，为了完成插值、滤波，会占用超声波诊断系统更多的资源。这样会带来成本、功耗的增加。例如，在使用FPGA实现这种功能时，计算的工作量增加，需要相应地增加FPGA芯片的规模，从而增加了系统的成本。即使在不需要增加或改变FPGA芯片的情况下(原有FPGA处理能力有足够的冗余)，也同样会或多或少的影响功耗，这对电源等系统的要求就会增加，特别在便携系统中，这种影响往往更加明显。

发明内容

现有技术中的以上不足可以通过本发明表述的的基于频谱多普勒的运动速度测量范围的调整方法及装置来克服。

本发明提供一种基于频谱多普勒的运动速度的测量范围的调整方法，包括以下步骤：接收输入的运动速度的测量范围；提供采样时钟信号，其中所述采样时钟信号的频率随所接收的测量范围的不同而不同；按照所述采样时钟信号的频率对反映运动速度的多普勒频移信号进行采样以得到所接收的测量范围内的多普勒频移数据。

本发明还提供一种基于频谱多普勒的运动速度的测量范围的调整装置，其中包括：测量范围输入单元，用于接收输入的运动速度的测量范围；采样时钟提供单元，用于提供采样时钟信号，其中所述采样时钟信号的频率随所接收的测量范围的不同而不同；数模转换单元，用于按照所述采样时钟信号的频率对反映运动速度的多普勒频移信号进行采样以得到所接收的测量范围内的多普勒频移数据。

本发明还提供一种超声波成像系统，其中采用了本发明的基于频谱多普勒的运动速度的测量范围的调整方法/装置。

按照本发明的方法、装置和系统，通过将现有技术中模数转换单元采用的固定频率时钟信号(f)改为根据所接收的测量范围而变化的可调频率时钟信号，省去了现有技术中的变换采样率单元，并且克服了现有技术对于f/2～f之间的测量范围无法实现的缺陷。

优选地，根据所接收的测量范围，对一个较高固定频率的时钟信号进行分频来得到上述可调频率时钟信号。由于只需要对较高固定频率的时钟信号进行简单的分频处理就可以得到速度测量范围的精细变化，达到精确的测量效果，因此，无需占用太多资源，对电源的要求也会相应地降低。

附图说明

以下结合附图对本发明进行详细说明，其中：

图1是连续波多普勒血流速度测量的声谱图；

图2是多普勒信号的处理流程图；

图3是使用降采样改变血流速度测量范围的超声波诊断系统的方框图；

图4是实现本发明的超声波运动速度检测系统的方框图；

图5示出了按照本发明一个实施例的基于频谱多普勒的运动速度的测量范围的调整方法；

图6A和6B示出了可用于本发明的分频单元；以及

图7示出现有技术方法一与本发明方法得到的采样率的对比。

具体实施方式

图4是可以实现本发明的一种超声波运动速度检测系统的方框图。图4所示的超声波运动速度检测系统包含：多普勒探头，用于接收携带有运动速度信息的超声波回波信号；波束合成/放大单元，用于对上述超声波回波信号进行波束合成和信号放大，得到射频回波信号；正交解调单元，对合成后的射频回波信号进行正交解调；滤波单元对正交解调单元输出的解调信号进行滤波，得到运动速度的多普勒频移信号；模数转换单元，将模拟的多普勒频移信号转化为数字信号；数据缓存单元，对模数转换单元输出的数字信号进行缓存；频谱多普勒谱分析单元，对多普勒信号进行功率谱分析，形成声谱图；图像处理单元，对声谱图进行图像化处理，形成灰度图像；显示单元，用于显示灰度图象；测量范围接收单元，用于接收输入的多普勒成像中的运动速度测量范围；采样时钟提供单元，根据所接收的测量范围给模数转换单元提供相应的采样时钟信号。

应用于本发明的实施例中的多普勒探头可以是CW多普勒变换器阵列，它包括CW超声波发射单元和反射CW超声波接收单元。CW超声波发射单元将CW超声波发射到感兴趣的对象(例如工业流)，被发射的CW超声波由上述感兴趣的对象散射，其中的一部分作为回波由反射CW超声波接收单元接收。应用于本发明的实施例中的多普勒探头还可以是其他已知的可用于连续波多普勒成像的其它探头。

波束合成/放大单元对多普勒探头接收的反射CW超声波进行波束合成，并进行放大处理，输出射频信号S_R。应用于本发明的实施例中的波束合成/放大单元可以是已知的波束合成/放大单元。

在正交解调单元中，合成后的射频回波信号与一对正交向量分别相乘，以便得到诸如工业流的感兴趣多普勒频移信号。应用于本发明的实施例中的正交解调单元可以是任何可以实现上述功能的正交解调单元。

滤波单元例如包括两路滤波单元，分别对正交解调单元输出的两个正交的解调信号进行滤波，每一路滤波单元例如包括串接的CIC滤波器和FIR低通滤波器，用于滤除无用的信号分量，得到两个正交的多普勒频移信号S_I和S_Q。应用于本发明的实施例中的滤波单元可以是任何可以实现上述功能的滤波单元。

模数转换单元以采样时钟提供单元提供的时钟信号的频率做为采用频率，对两个正交的多普勒频移信号S_I和S_Q进行采样，得到数字多普勒频移数据D_I和D_Q。

频谱多普勒谱分析单元，对多普勒信号进行功率谱分析，形成声谱图。应用于本发明的实施例中的频谱多普勒谱分析单元可以是任何可以实现上述功能的正交解调单元。

图像处理单元，对声谱图进行图像化处理，形成灰度图像供显示单元显示。本发明的实施例不限于声谱图的显示，还可以采用音频方式来再现运动物体的运动速度。

测量范围接收单元，用于接收输入的多普勒成像中运动速度测量范围。用户将所要设定的运动速度测量范围输入到测量范围接收单元，测量范围接收单元将对应于用户输入的测量范围的输出信号提供给采样时钟提供单元。测量范围接收单元例如可以是键盘装置，其上设有数字/符号键，用户通过数字/符号键输入运动速度测量范围值。测量范围接收单元也可以是其他接收装置，例如指针输入装置等。本发明的实施例中，测量范围接收单元也可以是接收端子，运动速度测量范围来自外部，通过该测量范围接收单元进入采样时钟提供单元。

采样时钟提供单元，根据所接收的测量范围值给模数转换提供相应的时钟信号。按照本发明的一种实施方式，采样提供单元包括分频因子设置单元和分频单元。按照一种实现方式，分频因子设置单元可以包括映射表，用于将运动速度测量范围映射成相应的分频因子M/N，其中N和M是正整数。图6A示出一种分频单元，该分频单元接收对应于所接收的测量范围值的分频因子M(其中N＝1)和来自超声波诊断系统的固定频率的系统时钟信号，分频单元按照该分频因子M对固定频率的系统时钟(频率＝f)进行分频，并将分频所得的采样时钟信号(频率＝f/M)提供给模数转换单元。

采样时钟提供单元不限于上述结构，例如，分频因子设置单元可以不在采样时钟提供单元中，并且，分频因子设置单元不必包含映射表，而是通过其他方式(例如运算单元等)实现运动速度测量范围到相应的分频因子的转换。

通常，超声波诊断系统的系统时钟一般较高(数十兆赫兹到数百兆赫兹)，超声波诊断系统的模数转换采样时钟在各测量范围的精度约为数十赫兹，所以模数转换单元的采样率的精度也在数十赫兹。而本发明的一个实施例的CW运动速度测量过程中对速度测量范围的要求约为数十千赫兹，因此在这个精度下可以认为满足了在测量中的精细变化的需求。

进一步地，采样时钟提供单元可包括锁相环(PLL)，以产生频率变化间隔进一步减小的采样时钟信号。图6B示出一种带有PLL的分频单元，超声波诊断系统的系统时钟信号(频率＝f)作为PLL的一个输入信号，PLL的输出信号分别提供给第一分频器和第二分频器，第二分频器的输出信号作为PLL的另一个输入信号，第一分频器的输出信号作为模数转换单元的采样时钟信号。如图6B所示，分频因子为N/M，第一分频器对输入其中的信号进行M分频，第二分频器对输入其中的信号进行N分频，从第一分频器输出的最终采样时钟信号的频率为f*N/M。

本发明实施例的采样时钟提供单元可以借助FPGA(现场可编程门电路)、CPLD(复杂可编程逻辑器件)、DSP(数字信号处理器)、ASIC(专用集成电路)、单片机等器件来实现。

虽然本发明的一个实施例中的固定时钟信号是超声波运动速度检测系统中的系统时钟，然而，本发明的固定时钟不限于超声波运动速度检测系统中的系统时钟，它也可以是超声波运动速度检测系统外部来的时钟信号。并且，上述锁相环电路可以位于超声波运动速度检测系统的外部，或者，上述时钟信号提供单元可以位于超声波运动速度检测系统的外部。

本发明的采样时钟提供单元不限于上述形式，例如，它还可以是诸如可变频率文氏电桥振荡器，根据接收的速度测量范围来选择文氏电桥振荡器的RC参数，从而获得相应的输出频率的信号，作为模数转换器的采样时钟信号。

图5示出了按照本发明一个实施例的基于频谱多普勒的运动速度的测量范围的调整方法。在步骤S1，接收输入的运动速度的测量范围。在步骤S2，提供采样时钟信号，其中采样时钟信号的频率随所接收的测量范围的不同而不同。在步骤S3，按照采样时钟信号的频率对反映运动速度的多普勒频移信号进行采样以得到所接收的测量范围内的多普勒频移数据。在一个实施例中，步骤S2包括基于所接收的测量范围对固定频率的固定时钟信号进行分频来得到采样时钟信号。在一个实施例中，步骤S2包括基于所接收的测量范围得到分频因子的步骤S21；及按照所述分频因子对所述固定频率的固定时钟信号进行分频的步骤S22。

本发明的上述实施例不限于测量工业流的应用，还可用于连续波(CW)多普勒模式下可精细改变显示血流运动速度测量范围的超声波诊断系统和方法。

在这样的连续波(CW)多普勒模式下可精细改变显示血流运动速度测量范围的超声波诊断系统中，与以往的超声波诊断系统不同的是，其连续波多普勒处理中的模数转换单元的模数采样时钟由超声波诊断系统的系统时钟变频来得到，这个由系统时钟变频得到的采样时钟可以根据需要显示的信号的速度范围来确定。通过这样一个可精细变化的模数采样时钟可以实现在连续波多普勒模式下精细改变连续波多普勒成像中血流运动速度测量的范围。

按照本发明一个实施例的连续波(CW)多普勒模式下可精细改变显示血流运动速度测量范围的超声波诊断系统对血流流速测量的过程按以下步骤进行：

A：从超声波探头接收诸如血流的感兴趣对象返回的超声波回波信号S_E；对该回波信号S_E进行合成、放大处理以得到射频信号S_R；对该射频信号S_R进行正交解调、滤波处理，得到血流流体的模拟多普勒频移信号；

B：根据超声波诊断系统为模数转换单元提供一个默认的采样时钟，在这个默认的采样时钟下，模数转换单元将以相应的采样率将解调后的模拟多普勒频移信号转换为数字多普勒数据D_I和D_Q；

C：对模数转换单元输出的数字多普勒数据D_I和D_Q进行数据缓存并把缓存的数据送往多普勒谱分析单元进行频谱分析，获得血流信号的声谱图，并通过图像处理单元将其变换成灰阶图谱显示出来。

D：临床医生可以根据这个谱图，确定是否需要改变当前的血流速度的测量范围，若需要改变，则通过测量范围接收单元接收一个确定的测量范围；

E：基于所接收的测量范围对固定时钟信号进行分频，并以分频后的信号的频率作为采样频率，重复步骤C，得到医生希望得到的谱图。

在前面的描述中已经指出，在连续波多普勒血流速度测量中，改变血流速度的测量范围实质上是改变对多普勒频移信号的采样率。在现有技术中，由于模数转换单元的采样钟是固定的，为了改变信号的采样率，需要对模数转换单元采样得到的数字序列进行二次采样来改变血流速度的测量范围，如果按前面提及的方法一那样只是对模数转换单元输出的数据进行简单的降采样处理的话，则会导致血流速度测量范围的变化过于粗糙。例如，如果模数转换单元的采样率为f，通过降采样的方法能实现的实际采样率则只能为f/2，3/f，f/4......，这样的测量范围的变化过于粗糙，并且对于f/2～f之间的测量范围就无法实现。

如果需要在这种变采样的方法基础上进一步实现血流速度测量范围的精细变化，就需要对数字信号进行一系列复杂的处理，即如前面提及的方法二所述的那样对模数转换单元输出的数据先进行升采样然后再进行抽取。例如，假设模数转换单元的输出采样率为f，而当前的测量范围需要达到f*(N/M)的采样率。那么，首先需要对模数转换单元输出的数据进行一个补零插值处理，在每两个数据之间插入(N-1)个数据零。为了防止混叠，还需要进行一个低通滤波处理。最后再进行每M个数据抽取一个的处理，从而得到所需的采样率f*(N/M)。这个过程十分的复杂，计算量庞大，需要大量的数字运算资源并相应占用大量的数字器件资源，这样会带来成本、功耗等的增加。

如图4所示，相对于图3的现有技术，本发明的一个实施例把现有技术中原先模数转换单元采用的固定频率时钟信号(可以由晶振或者其他时钟产生设备提供)变换成了现在的根据血流的速度范围而变化的可调频率时钟信号。按照本发明的一个实施例，省去了变换采样率单元，增加了一个向模数转换单元提供不同频率时钟信号的采样时钟提供单元。

图7示出了现有技术的方法一和本发明的一个实施例可达到的采样率档位精度。由于超声波诊断系统的系统时钟通常比较高(可达几百兆赫兹)，通过将系统时钟分频后提供给模数转换单元使用，可以实现采样率的变化间隔更加精细化。例如，假设方法一中的模数转换单元的采样率为96KHz而超声波诊断系统的系统时钟为160MHz(兆赫兹)，假定血流信号的频移最大为48KHz，根据奈奎斯特定理，模数转换单元的采样率需要96KHz。如果象现有技术的方法一那样利用降采样的方式，所能得到的各降采样因子对应的档位只能为96KHz、48KHz、16KHz、8KHz......。而按照本发明的一个实施例，模数转换单元的采样率在不同的分频因子下各档位之间的间隔可做到只有几十赫兹，即连续波多普勒血流速度测量范围的档位最小可在几十赫兹之间变化，这大大提高了测量的精度。当超声波诊断系统的系统时钟信号的频率大于160MHz时，连续波多普勒血流速度测量范围的档位可能更加精细。同时，由于本发明的一个实施例的方法只是对超声波诊断系统的系统时钟进行简单的分频处理，所以又避免了现有技术的方法二中大量占用超声波诊断系统的系统CPU资源和数字逻辑器件资源，且运算速度快、实时性好，可降低超声波诊断系统的系统功耗。如果利用锁相环来产生模数转换单元的采样时钟，频率变化的间隔还可以进一步减小，从而实现真正意义上的连续变化。

虽然以上是结合连续波多普勒成像时工业流速度测量范围的精细改变、超声波诊断系统中连续波多普勒成像时血流速度测量范围的精细改变来介绍本发明，然而，应该理解，本发明同样也适用于进行速度检测的其他超声系统(如声纳系统)或雷达系统。

以上通过特定的实施例对本发明进行了详细的描述，但本发明并不限于上述实施例。在不脱离本发明精神的前提下，可以对本发明进行各种修改和变更。本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims

1.一种基于频谱多普勒的运动速度的测量范围的调整方法，包括以下步骤：

接收输入的运动速度的测量范围；

提供采样时钟信号，其中所述采样时钟信号的频率随所接收的测量范围的不同而不同；

按照所述采样时钟信号的频率对反映运动速度的多普勒频移信号进行采样以得到所接收的测量范围内的多普勒频移数据。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述提供采样时钟信号的步骤包括以下步骤：

基于所接收的测量范围对固定频率的固定时钟信号进行分频以得到所述采样时钟信号。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述基于所接收的测量范围对固定频率的固定时钟信号进行分频而得到所述采样时钟信号的步骤包括以下步骤：

基于所接收的测量范围得到分频因子；

按照所述分频因子对所述固定频率的固定时钟信号进行分频。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述按照所述分频因子对固定频率的固定时钟信号进行分频的步骤包括利用锁相环和分频器对固定频率的固定时钟信号进行分频的步骤。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述基于所接收的测量范围得到分频因子的步骤包括基于所接收的测量范围利用测量范围-分频因子映射表得到分频因子。

6.如权利要求1-5中任何一项所述的方法，其中，所述多普勒频移信号是连续波的多普勒频移信号。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述测量范围是血流速度的测量范围。

8.一种基于频谱多普勒的运动速度的测量范围的调整装置，其中包括：

测量范围接收单元，用于接收输入的运动速度的测量范围；

采样时钟提供单元，用于提供采样时钟信号，其中所述采样时钟信号的频率随所接收的测量范围的不同而不同；

数模转换单元，用于按照所述采样时钟信号的频率对反映运动速度的多普勒频移信号进行采样以得到所接收的测量范围内的多普勒频移数据。

9.如权利要求8所述的装置，其中，所述采样时钟提供单元还包括：

分频单元，用于基于所接收的测量范围对固定频率的固定时钟信号进行分频以得到所述采样时钟信号。

10.如权利要求9所述的装置，其中，所述采样时钟提供单元还包括：

分频因子获取单元，用于基于所接收的测量范围得到分频因子；

其中，所述分频单元按照所述分频因子对所述固定频率的固定时钟信号进行分频以得到所述采样时钟信号。

11.如权利要求10所述的装置，其中，所述采样时钟提供单元还包括：

锁相环，所述锁相环和所述分频单元被结合成按照所述分频因子对固定频率的固定时钟信号进行分频。

12.如权利要求11所述的装置，其中，所述分频因子获取单元还包括：

测量范围-分频因子映射表，所述分频因子获取单元基于所接收的测量范围利用所述测量范围-分频因子映射表得到分频因子。

13.如权利要求11所述的装置，其中，所述分频单元通过至少一个以下组件来实现：FPGA、CPLD、DSP、及PLL。

14.如权利要求11所述的装置，其中，所述分频单元通过ASIC来实现。

15.如权利要求8-14中任何一项所述的装置，其中，所述多普勒频移信号是连续波的多普勒频移信号。

16.如权利要求15所述的装置，其中，所述测量范围是血流速度的测量范围。

17.一种超声波成像系统，包括权利要求8-16中任何一项所述的基于频谱多普勒的运动速度的测量范围的调整装置。