CN101900808B

CN101900808B - 一种多通道扫描延时参数计算方法

Info

Publication number: CN101900808B
Application number: CN 201010215661
Authority: CN
Inventors: 张羽
Original assignee: Shenzhen Landwind Industry Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Landwind Industry Co Ltd
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2030-06-30
Also published as: CN101900808A

Abstract

一种多通道扫描延时参数计算参数计算方法，该方法将线阵、凸阵和相控阵三种类型的探头的延时计算公式统一起来，而且本计算公式同时适用于非偏转扫描、偏转扫描；不同密度的扫描线也可以只通过改变扫描线位置变量来计算。本发明只需存储阵元位置、扫描起点位置、焦点有关参数，存储数据量少。实时计算，不需要存储大量数据，可以实现精确的延时。用统一的电路来计算各种探头、密度、偏转情况下延时，极大地简化了电路的结构。对每根扫描线的延时单独控制，从而很方便的实现任意密度的扫描，因为如果扫描线间距与探头的阵元间距没有整数倍关系时，不同的扫描线延时数据不同。本方案由于对扫描线单独控制，因此可以实现任意密度扫描。

Description

一种多通道扫描延时参数计算方法

技术领域

本发明提供了一种超声系统的实时、精准控制多通道扫描延时参数的方法及装置，实现超声发射扫描和接收扫描的准确聚焦，提高各个通道超声波的一致性，从而改善超声成像质量。

背景技术

超声系统的发射接扫描时需要为了实现准确的聚焦，各阵元根据与焦点处的空间相对位置不同，发射和接收的先后顺序不同。超声诊断系统中，不论是B型、C型还是D型成像都需要进行扫描聚焦，将各个通道的发射信号或者回波信号实现同相位的叠加，提高信噪比以增加信号的动态范围，并且通过这种通道信号的一致性叠加极大的改善了成像的空间分辨率。现代超声成像系统一般通过电子技术控制不同通道的延时时间来实现聚焦，如在发射扫描时将声波聚焦在组织中的某一个深度，要求各个通道的波形能够在某一个时刻同时到达该深度点，所以离聚焦点远的阵元先发射超声波，离焦点近的点后发射超声波；同样道理在接收扫描时需要将组织中某个成像点的回波信号进行同相位叠加，而成像点与阵元的几何距离不同，到达阵元的时间有先有后，离成像点距离近的阵元首先接收到回波，距离远的阵元后接收到回波，通过控制发射和接收通道的延迟时间，就可以实现发射和接收的准确聚焦。

由于探头种类的不同，如线阵、凸阵、相控阵；扫描方式的不同，如非偏转扫描、偏转扫描、扩展成像(T型)扫描、相控阵扫描、空间复合等；扫描密度不同，如高、中、低等密度扫描，延时计算方法较为复杂。传统的做法是将延时参数下载到硬件存储器中，在扫描时从存储器中取出这些参数来控制聚焦，这样做一方面是对于不同探头及扫描方式切换时需要更新存储区参数，带来切换的暂态；另一方面由于数据量大，尤其是T型扫描、相控阵扫描、空间复合等情况下的接收扫描，原始的延时数据可能会有几百Mbits，这个数据量不论是对探头或者模式切换的无谓等待时间还是存储区空间来说都是不可接受的，需要对数据进行一些近似处理来降低存储和传输时间，这样导致了精度的损失和电路实现复杂程度的增加。也有一些系统通过提供阵元坐标、焦点坐标、偏转角度等给逻辑，逻辑通过一些算法来实时计算延时参数，但这些方法相对来说较为复杂，逻辑需要处理探头的复杂几何关系，实现起来有一定难度。

正如上节的所描述的，现有技术要么数据量大或者延时不精确，要么就是逻辑实现较为复杂。

发明内容

提供一种简单、精确的延时计算方法和实现装置，从而可以应对各种探头和扫描方式，提高系统的成像质量。该延时计算方法可以用于发射聚焦延时计算，也同样适用于接收聚焦延时计算，在具体实现时也可只用于发射聚焦，或者只用于接收聚焦。一种最优的具体实施例为发射聚焦和接收聚焦都采用了本发明所提出的延时计算方法。

本发明所提出的延时计算方法包括步骤：

A1、根据探头类型和具体扫描方式确定扫描线的起点和偏转角度，以探头面上任意一点为位置参考点，并根据探头类型计算出每个通道的阵元中心点、扫描线起点相对于位置参考点的位置参量；

A2、按如下公式计算通道n阵元中心点到焦点的距离dn：

dn = \sqrt{{[L_{n 1} - L_{S 1} + F \cos (θ - σ)]}^{2} + {[L_{n 2} - L_{S 2} + F \sin (θ - σ)]}^{2}}

其中F为扫描线起点到焦点沿扫描线方向的长度；L_S1和L_S2为扫描线起点在相对于位置参考点的位置参数，L_n1和L_n2为通道序号为n的阵元中心点相对于位置参考点的位置参数，其中所述位置参数中下标1表示沿所述法线方向上的位置量，即位置参考点到经过扫描线起点(或者阵元中心点)垂直于经过参考点探头面法线的垂线的距离，下标2表示垂直于所述法线方向上的位置量，即扫描线起点(或者阵元中心点)到经过位置参考点探头面法线的距离；θ为扫描线与经过扫描线起点的探头面法线方向夹角，σ为经过所述扫描线起点的法线方向与经过所述位置参考点的法线方向的夹角；

A3、根据如下公式计算出每条扫描线上焦点F到每个通道的量化后的延时时间：

tn = \frac{dn}{k * soundV * T}

其中：k为量化精度有关参数，用于提高延时的量化精度，soundV为声速，T为量化中所采用的时钟的周期，tn为量化后的通道延时时间；

以凸阵扫描为例，对上述延时计算方法做详细的解释。

其中：C为凸阵的圆心，O为坐标参考点，OC为过O的探头法线，A为某个阵元中心点位置，SF为扫描线，其中S点为扫描线起点，F为聚焦点，θ为扫描线SF与经过S点的探头法线的夹角，也就是扫描线的偏转角，σ为经过O点和S点的探头法线的夹角，SK⊥OC，AT⊥OC，SK为S点到OC的线段，AT为A到OC的线段，OK为O到K的线段，OT为O到T的线段，对于相控阵和线阵来说T、K、O三点重合，令OK＝L_S1、KS＝L_S2，OT＝L_n1、TA＝L_n2.∠OCS＝σ，L_S1为线段OK的长度，L_S2为线段SK的长度，L_n1为线段OT的长度，L_n2为线段AT的长度，对于线阵和相控阵来说σ＝0，L_S1＝L_n1＝0，n为阵元编号，则通道n阵元中心点到焦点F的延时距离为dn：

dn = \sqrt{{[L_{n 1} - L_{S 1} + F \cos (θ - σ)]}^{2} + {[L_{n 2} - L_{S 2} + F \sin (θ - σ)]}^{2}}

接收通道延时量的计算还包括以下步骤：

将量化后的坐标量L_n1、L_n2、L_S1、L_S2写入到坐标参数存储区，接收写入的焦点间距量ΔA＝ΔFcos(θ-σ)、ΔB＝ΔFsin(θ-σ)，在焦距累积单元中计算出焦距量

F_{i}^{\cos} = F_{i - 1}^{\cos} + ΔA

F_{i}^{\sin} = F_{i - 1}^{\sin} + ΔB

其中第一个焦点的焦距直接为ΔA、ΔB，后面的焦点用前面焦点与ΔA、ΔB进行累加得到，

完成两次加法运算，第一次完成阵元相对位置ΔL₁、ΔL₂计算，

ΔL₁＝L_n1-L_s1

ΔL₂＝L_n2-L_s2

Δ第二次完成与焦距的累加量d_nf1，d_nf2，

d_{nf 1} = {ΔL}_{1} + F_{i}^{\cos}

d_{nf 2} = Δ L_{2} + F_{i}^{\sin}

平方累加器首先对d_nf1、d_nf2求平方，然后将平方结果相加，

将平方累加器的结果进行开方运算得到延时量。

其还包括地址偏移计算，地址偏移计算的一种实现方式为以焦距对应时间为延时基准点，在地址偏移电路中要减去焦点的延时量：

dn’＝dn-F，其中dn为开方电路计算结果，dn’为最终的延时量。

地址偏移计算的另一种实现方式为以焦距对应时间为延时基准点，在地址偏移电路中要加上当前焦点的延时量：

dn’＝dn+F，其中dn为开方电路计算结果，dn’为最终的延时量。

一种多通道扫描延时参数计算方法的装置，发射延时装置顺序连接有位置参数存储器、长度累加器、平方累加器、开方电路、常量求差电路；

接收延时装置顺序有位置参数存储器、焦距累加器、长度累加器、平方累加器、开方电路、地址偏移电路，接收延时装置还包括焦距累积单元。

与现有技术相比

(1)本发明只需存储阵元位置、扫描起点位置、焦点有关参数，存储数据量少。

(2)实时计算，不需要存储大量数据，可以实现精确的延时。

(3)用统一的电路来计算各种探头、密度、偏转情况下延时，极大地简化了电路的结构。

(4)对每根扫描线的延时单独控制，从而很方便的实现任意密度的扫描，因为如果扫描线间距与探头的阵元间距没有整数倍关系时，不同的扫描线延时数据不同。本方案由于对扫描线单独控制，因此可以实现任意密度扫描。

附图说明

图1为凸阵延时距离几何图；

图2为相控阵和线阵延时距离几何图；

图3为本发明系统基本结构图；

图4为本发明延时控制单元结构图；

图5为本发明带相对坐标计算电路的延时控制单元结构图；

图6为本发明带地址偏移电路的延时控制单元结构图；

图7为本发明以当前聚焦点接收到的时间为延时基准点的几何图；

图8为本发明以当前聚焦点中心通道发射时刻为延时基准点几何图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

本实施例提供了一种延时参数计算方法，该方法将线阵、凸阵和相控阵三种类型的探头的延时计算公式统一起来，而且本计算公式同时适用于非偏转扫描、偏转扫描；不同密度的扫描线也可以只通过改变扫描线位置、焦点等变量来计算。

如错误！未找到引用源。、图2，C为凸阵的圆心，O为坐标参考点，OC为过O的探头法线，A为某个阵元位置，SF为扫描线，其中S点为扫描线起点，F为聚焦点，θ为扫描线SF与经过S点的探头法线的夹角，也就是扫描线的偏转角，σ为经过O点和S点的探头法线的夹角，SK⊥OC，AT⊥OC，SK为S点到OC的线段，AT为A到OC的线段，OK为O到K的线段，OT为O到T的线段。对于相控阵和线阵来说T、K、O三点重合，令OK＝L_S1、SK＝L_S2，OT＝L_n1、AT＝L_n2.∠OCS＝σ，L_S1为线段OK的长度，L_S2为线段SK的长度，L_n1为线段OT的长度，L_n2为线段AT的长度。对于线阵和相控阵来说σ＝0，L_S1＝L_n1＝0，则阵元到扫描线上焦点F的距离dn可以通过下式计算，n为阵元编号：

dn = \sqrt{{[L_{n 1} - L_{S 1} + F \cos (θ - σ)]}^{2} + {[L_{n 2} - L_{S 2} + F \sin (θ - σ)]}^{2}}

公式1延时量计算基本公式

式中F为焦距长度，法线夹角σ由探头几何形状、坐标参考点O，扫描线起点位置S决定，(L_S1、L_S2)为扫描起点相对于O点的坐标量，(L_n1，L_n2)为某个阵元n相对于O点的坐标量。

在实现时阵元中心点、扫描线起点位置参量、焦点参量即L_n1、L_n2、L_S1、 L_S2、Fcos(θ-σ)、Fsin(θ-σ)用声速k*soundV*T去量化，soundV为声速、T为时钟周期，k为量化精度有关参数，用于提高延时的量化精度，如k＝0.25，通过升采样插值滤波就可以量化精度提高为采样精度的4倍。将量化后的值存储在位置参数存储器中，并在延时电路中按公式1进行计算出各个通道的延时值。

以上为延时的实时计算方法，下面对实现装置进行详细的说明。

图3为超声系统的基本结构，其中发射和接收环节都需要进行延时控制，发射延时决定了波形在不同通道中的先后次序，用户可以选择不同聚焦深度，系统根据此深度来实时计算发射聚焦参数，也可以选择多焦点成像、偏转扫描、T型成像、空间复合成像、扫描密度等，不同的成像方式聚焦参数不同，系统可以根据用户的操作将坐标量传递给硬件计算电路，硬件计算电路实时计算出每条扫描线每个通道的延时数据，从而完成发射扫描；对于每条扫描线，在最晚通道的波形发射出去后，启动接收扫描，不断地对各个通道的回波数据进行模拟放大和AD采样，将采样的数据放在一个回波数据存储区中，每个通道的数据的存储地址连续，各个通道顺序存储，在启动波束合成后即可以按照AD的采样数据进行波束合成、和数据更新，其中波束合成的第一个环节就是对接收数据进行延时寻址，在各个通道中找到同一个成像点的回波数据，对这些回波数据进行变迹加权，输出合成后的波束数据，完成后续的处理后得到超声图像，所以在进行波束合成之前，要根据扫描线的属性、探头的几何参数计算出扫描线上的每个接收点的各通道延时量，并将这些延时量转化为寻址地址，存储在延时地址缓存中，在进行波束合成时，按对应接收聚焦点取出AD数据寻址地址，对各个通道数据进行寻址，然后对寻址后的AD数据进行波束合成的后续处理环节。

从上面的阐述可以看出发射和接收聚焦是实现超声成像的关键环节，它们分别在发射延时控制单元和接收延时控制单元中实现。发射接收延时都是按照公式1进行计算，基本实现环节包括位置参数写入、长度累加器、平方累加电路、开方电路等，发射和接收又有些不同，发射扫描线是单焦点聚焦，因此可以软件可以直接写入焦点坐标量，而接收扫描线上每个点都要进行聚焦，由于焦点是等间距的，所以软件写入的是焦点间距量，需要根据焦点编号和间距计算焦距坐标量，所以接收扫描还多一个焦距累积单元；发射由于距离越远发射越早、距离越近发射越晚，所以发射电路需要一个常量求差电路。

如图4所示，软件将量化后的坐标量A＝Fcos(θ-σ)、B＝Fsin(θ-σ)、L_n1、L_n2、L_S1、L_S2写入到坐标参数存储区。对于接收来说写入焦点间距量ΔA＝ΔFcos(θ-σ)、ΔB＝ΔFsin(θ-σ)，在焦距累积单元中计算出焦距量

F_{i}^{\cos} = F_{i - 1}^{\cos} + ΔA

F_{i}^{\sin} = F_{i - 1}^{\sin} + ΔB

其中第一个焦点的焦距直接为ΔA、ΔB，后面的焦点用前面焦点与ΔA、ΔB进行累加得到。

长度累加器完成两次加法运算，完成两次加法运算，第一次完成阵元相对位置ΔL₁、ΔL₂计算，

ΔL₁＝L_n1-L_s1

ΔL₂＝L_n2-L_s2

第二次完成与焦距的累加量d_nf1，d_nf2，

d_{nf 1} = {ΔL}_{1} + F_{i}^{\cos}

d_{nf 2} = Δ L_{2} + F_{i}^{\sin}

平方累加器首先对d_nf1、d_nf2求平方，然后将平方结果相加，，

将平方累加器的结果进行开方运算即可以得到延时量。用该延时量去控制发射和接收聚焦即可实现发射接收扫描。

如图5所示，另外一种实现方式可以将

ΔL₁＝L_n1-L_S1、ΔL₂＝L_n2-L_S2放到长度累加器前面计算，因为对于接收来说阵元相对坐标量与焦点无关，同时逐点实时计算延时。不需要缓存延时数据，在长度累加器中只需要执行与焦点参量的累加。

如图6所示，另外一种实现方式是在开方电路后加一个地址偏移电路，

本方式增加了地址偏移电路，地址偏移电路又可以有两种实现方式：

(1)以当前聚焦点接收到的时间为延时基准点，在地址偏移电路中要减去焦点的延时量，即焦点对应的延时量：

dn’＝dn-F，其中dn为开方电路计算结果，dn’为最终的延时量，如图7。

(2)以当前聚焦点中心通道发射时刻为延时基准点，在地址偏移电路中要加上焦点的延时量：

本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims

1.一种多通道扫描延时参数计算方法，其特征在于，包括步骤：

A1、根据探头类型、扫描方式、焦点深度，以阵元表面上任意点为位置参考点，计算通道中各阵元中心点、扫描线起点相对于该参考点的位置参量；

A2、按如下公式计算各阵元中心点到扫描线上焦点的距离dn

dn = \sqrt{{[L_{n 1} - L_{S 2} + F \cos (θ - σ)]}^{2} + {[L_{n 2} - L_{S 2} + F \sin (θ - σ)]}^{2}},

其中：所述的θ为扫描线与经过扫描线起点的探头面法线的夹角；σ为经过参考点的探头面法线和经过扫描线起点的探头面法线的夹角；F为扫描起点到聚焦点的距离；L_n1为参考点到经过阵元中心点垂直于经过参考点探头面法线的垂线的距离，L_n2为阵元中心点到经过参考点探头面法线的距离；L_s1为参考点到经过扫描线起点垂直于经过参考点探头面法线的垂线的距离，L_s2为扫描线起点到经过参考点探头面法线的距离；

tn = \frac{dn}{k * soundV * T},

其中：k为量化精度参数，用于提高延时的量化精度，soundV为声速，T为量化中所采用的时钟的周期，tn为量化后的通道延时时间。