CN101907706A - 一种实现超声波逐点聚焦的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种实现超声波逐点聚焦的方法及装置。该方法包括预处理过程：计算不同聚焦位置时各相邻接收通道间的相对延时量，并找到相对延时量发生变化的点，记录其信息；逐点聚焦过程：将当前的采样位置信息与预处理过程中的数据比较，根据结果得到各通道的相对延时量，并计算出真实延时量，利用真实延时量得到各通道的采样数据，将所有通道采样数据并行相加得到聚焦求和数据。本方法只记录每个通道中相对时间延迟量发生变化的位置的信息，不需记录所有采样点的信息，极大的缩小了存储的数据信息量，而且在计算相对时间延迟量的过程中，所有的数据都是通过实际数据计算出来的，计算过程没有运用近似处理，所以不存在近场误差。

Description

一种实现超声波逐点聚焦的方法及装置

技术领域

本发明涉及超声波技术领域，特别涉及一种实现超声波逐点聚焦的方法及装置。

背景技术

随着科技的发展，超声波越来越广泛的应用于医学，军事，工业，农业等行业中。其中有很多应用都是依据了超声波的成像原理。

超声波的基本成像原理是：发生超声波，接收回波进行成像。但是在接收回波的过程中，由于不同的接收通道在物理上的位置是不同的，对于同一反射回来的回波信号，各个通道的声程差是不同的，所以需要对接收通道的数据进行对准，也就是要对各个通道的回波数据进行相应的延时求和，实现该点的聚焦，如果对每一点都进行这样的延时叠加求和，从而实现回波信号的逐点聚焦，也就可以实现高质量的成像效果。

根据图1所示计算聚焦延迟时间关系式。设阵元半径为α，阵元数为N，子阵的阵元数为k，是指在N个阵元中每次使用了其中相邻的K个。相邻阵元之间的夹角为β。P为聚焦的焦点，OP为声束方向，子阵中第i阵元中心与子阵中心之间的夹角为βi。

当k为偶数时，有

βi＝(|i|-0.5)β    (i＝±1，±2，...±k/2)

当k为奇数时，有

βi＝|i|β          (i＝±1，±2，...±k/2)

从子阵中心到焦点P之间的距离称为焦距F，第i阵元到焦点P的距离Ri为

$R_i=\sqrt{a^2+{(a+F)}^2-2a(a+F)\cos {\mathrm{\β}}_i}=\sqrt{4a(a+F){\sin }^2({\mathrm{\β}}_i/2)+F^2}$

所以第i阵元与子阵中心的声程差ΔR_i为

$\mathrm{\Δ}{R}_i=\sqrt{4a(a+F){\sin }^2({\mathrm{\β}}_i/2)+F^2}-F$

为使k个阵元所辐射的声波在P点处都能同相位叠加，第i个阵元的延迟时间为

${\mathrm{\τ}}_i=t_0-\mathrm{\Δ}{R}_i/c=t_0-(\sqrt{4a(a+F){\sin }^2({\mathrm{\β}}_i/2)+F^2}-F)/c$

式中

c-人体软组织中的平均声速

t₀-为避免出现负延迟而引入的一个足够大的时延值

一般超声探头有128个阵元或通道，但是真正同时发送或者接收超声波的是其中的32个或者24个，即N＝128，K＝32或24。128个阵元的超声探头的总共幅度为60度，或者50度，因此一般是β＝60°/128或者50°/128，所以由此可计算出βi，并计算出每一个阵元的延迟时间τ_i。超声系统通过调节各个阵元的延迟时间τ_i来达到接收逐点聚焦的目的。

现在常用的超声波逐点聚焦方法中，需要对多个点的聚焦系数进行记录，存储的数据信息量非常庞大，而且需要实时获取数据。为改进这一缺点，提出了焦点位的方法。首先计算接收通道中心阵元和其他阵元的延时差，在此基础上计算各个延迟系数，然后将延迟系数按照一定的量化(比如5ns)进行逼近采样，每个焦点用一位来表示，焦点的聚焦参数根据前一个焦点和本焦点的聚焦位是否为0或1来确定。若为1则该焦点的参数等于前一个焦点参数加上固定的量化系数(比如5ns)，若为0，则该焦点的参数等于上一个焦点的参数。

采用这种方法，虽然相对减少了存储空间，但是实际上需要的存储空间还是很大，而且存在近场延迟误差的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种实现超声波逐点聚焦的方法及装置，以解决在聚焦过程中，所需存储空间大的问题。具体实施方案如下：

一种实现超声波逐点聚焦的方法，包括：

预处理过程：

计算不同聚焦位置时各相邻接收通道间的相对延时量；

分别确定各通道中相对延时量变化的聚焦位置，并将所述聚焦位置的序号和相对延时量存储在各通道对应的第一存储器；

逐点聚焦过程：

获取所有通道当前聚焦位置的信息，所述当前聚焦位置信息包括采样数据和聚焦位置序号；

如果各通道对应的第一存储器中存在与该通道中所述当前聚焦位置序号相同的序号，输出第一存储器中与该聚焦位置序号对应的相对延时量，否则，输出所述聚焦位置的前一个聚焦位置对应的相对延时量；

将当前聚焦位置时各通道的的相对延时量与该通道之前所有通道的相对延时量并行相加，得到各通道当前聚焦位置的真实延时量；

依据所述当前聚焦位置的真实延时量得到所述当前聚焦位置的的采样数据，将各通道中所有当前聚焦位置的采样数据并行相加，得到用于实现聚焦的求和数据。

优选的，计算各相邻接收通道不同聚焦位置时的相对延时量的过程包括：

利用相对声程差公式D_i＝d(ΔR_i)＝ΔR_i-ΔR_i-1计算相邻通道同一聚焦位置时的相对声程差D_i，其中ΔR_i为第i个通道的声程差，ΔR_i-1为第i-1通道的声程差；

利用相对时间延迟量公式Dτ_i＝d(τ_i)＝τ_i-τ_i-1计算相邻通道同一聚焦位置时的相对延时量Dτ_i，其中τ_i为第i通道的延迟时间，τ_i-1为第i-1通道的延迟时间。

优选的，确定各通道中相对延时量发生变化的聚焦位置，并存储其对应信息的过程包括：

分别比较同一通道不同聚焦位置时的相对延时量，判断是否与本通道前一聚焦位置的相对延时量相同；

如果不相同，则将此聚焦位置的相对延时量依据此时地址计数器记录的聚焦位置序号存储到此位置所在通道的第一存储器中，若相同，则不存储，地址计数器递增，判断下一个聚焦位置；

判断完通道内所有聚焦位置，过程结束。

优选的，当采样间隔与聚焦精度不匹配时，依据所述当前聚焦位置的真实延时量得到所述当前聚焦位置的采集数据的过程后还包括：

对上述得到的采集数据进行线性插值，将处理后的数据输出。

一种实现超声波逐点聚焦的装置，所述装置包括：

计算单元，用于计算同一聚焦位置时相邻通道间的相对延时量；

第一判断单元，用于判断各通道内的聚焦位置是否为相对延时量发生变化的聚焦位置；

第一存储单元，用于存储相对延时量发生变化的聚焦位置的相对延时量和该聚焦位置的序号；

采集单元，用于采集当前聚焦位置的数据；

地址计数单元，用于记录当前聚焦位置的序号；

数据存储单元，用于将当前聚焦位置的采样数据根据地址计数单元的序号进行存储；

第二判断单元，用于判断各通道第一存储单元中的聚焦位置序号中是否存在与各通道当前地址计数单元中记录的聚焦位置序号相同的序号；

相对延时量输出单元，用于依据第二判断单元的结果，输出相应的相对延时量；

第一加法器，用于将各通道的相对延时量与其前面所有通道的相对延时量并行相加，得到各通道的真实延时量；

延时量输出单元，用于利用各通道的真实延时量取出数据存储单元中的采样数据；

第二加法器，用于将所有通道的采样数据并行相加得到聚焦求和数据。

优选的，该装置还进一步包括线性插值单元，用于当采样间隔与聚焦精度不匹配时，处理采集数据。

有本发明实施方案可以看出，本发明在实现逐点聚焦的过程中，采用只记录各个通道中相对延时量发生变化的聚焦位置的信息的方法，极大的减小了存储空间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为超声波聚焦成像原理图；

图2为基于本发明的预处理过程的流程图；

图3为实施例一中的数据；

图4为实施例二中的数据；

图5为逐点聚焦的实现原理框图；

图6为逐点聚焦过程的流程图；

图7为本发明中的装置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种实现超声波逐点聚焦的方法及装置。

本方法中，采用一种基于相对声程差的算法，即D_i＝d(ΔR_i)＝ΔR_i-ΔR_i-1

其中D_i就是第i阵元与i-1阵元的相对声程差。它代表的含义是，第i阵元与阵元中心的声程差与第i-1阵元与阵元中心的声程差的差值。

根据上述思想可以得到，Dτ_i＝d(τ_i)＝τ_i-τ_i-1，其含义为第i阵元的延迟时间与第i-1阵元的延迟时间的差值。

本方法实现需要两个过程，预处理过程与逐点聚焦过程。

1、预处理过程：

下面对预处理过程进行举例说明。

实施例1

采用50MHz的AD采样实现逐点聚焦算法。接收聚焦精度＝2.5ns，阵元间距D为0.48mm，阵元半径α为60mm，K＝31。其流程图如图2所示。

步骤S11、首先需要根据已知量计算出各相邻接收通道在不同聚焦位置时的相对延时量；

根据余弦公式计算出β

当因为k为奇数，所以有

βi＝|i|β          (i＝±1，±2，...±k/2)

根据下面的公式：

$R_i=\sqrt{a^2+{(a+F)}^2-2a(a+F)\cos {\mathrm{\β}}_i}$

$\mathrm{\Δ}{R}_i=\sqrt{4a(a+F){\sin }^2({\mathrm{\β}}_i/2)+F^2}-F$

D_i＝d(ΔR_i)＝ΔR_i-ΔR_i-1

${\mathrm{\τ}}_i=t_0-\mathrm{\Δ}{R}_i/c=t_0-(\sqrt{4a(a+F){\sin }^2({\mathrm{\β}}_i/2)+F^2}-F)/c$

其中c＝1540米/秒，将单位转换为纳秒，c＝1540*10⁶米/纳秒进行计算，得到相对延时量Dτ_i＝d(τ_i)＝τ_i-τ_i-1，具体数值如图3所示。

图3中给出了根据本发明提供的算法计算出的第16通道以后的各个通道相对前一个通道的偏移量。

步骤S12、将图一通道内所有聚焦位置的相对延时进行比较。

步骤S13、判断当前位置是否与前一个聚焦位置的相对延时量发生变化，若变化，则执行步骤S14，若不变化，，则执行步骤S15。

步骤S14、将此位置的序号及其对应的相对延时量记录到位置信息存储器。

步骤S15、不存储相应的信息。

如上表中，第22通道聚焦位置在1.0010处时，其相对延时量为118ns，而其下一位置1.0164处的相对延时量117，此时需要记录1.0164对应的序号1，及其对应的相对延时量117ns，将相对延时量根据序号，存储在位置信息存储器中。若没有发生变化，则不需存储此位置的信息。

实施例2

采用50MHz的AD采样实现逐点聚焦算法。接收聚焦精度＝2.5ns，阵元间距D为0.48mm，阵元半径α为60mm，K＝32。

采用与实施例一相似的过程得到各通道间的相对延时量，具体数值如图4所示。图4给出了根据本发明提供的算法计算出的第17通道以后的各个通道相对前一个通道的偏移量。

同样采用与实施例一相似的过程，找到相对延时量发生变化的聚焦位置，并记录该聚焦位置的相对延时量和序号。

综合分析上面两个实施例的数值，当阵元间距为0.48mm时，阵元间的最大声程差为0.48mm，所以最大相对时间延迟量Dτ_max＝0.48/c＝312，各个通道相对于前一个通道的偏移量为312/2.5＝124.6。所以当聚焦位置小于1.0010后，相对时间延迟量小于128。同时可以发现，对于每一个通道来说，其相对变化量随着聚焦位置数值的增加而逐渐减小，但是其变化范围不会超过124，所以在采样时，每个通道最多有124个聚焦位置的相对延时量发生了变化。将变化位置数量的最大值定为128，所以我们在实现过程中，只需将每个通道128个变化的位置的信息存储在相应的存储器中，即使k＝32时，记录每个位置的序号需要两个字节，总共的存储空间为32通道×128个位置×2字节＝8192字节。

由此可以看出，该方法采用小于9K的存储空间，就能实现聚焦精度为2.5ns的实时逐点聚焦，极大的减小了存储量。而且由于本方法中所有的处理数据都是通过实际数据计算出来的，计算过程没有运用近似处理，所以不存在近场误差。

2、逐点聚焦过程

得到上述初始数值之后，本方法的逐点聚焦过程才能进行，下面对此过程进行说明。

由于该算法对于各个通道的绝对延时偏移量是实时动态生成的，在实时动态生成的过程中涉及到的运算量非常大，运算速度要求很高，常规的CPU难以满足要求，而FPGA完全支持并行计算处理功能，所以该算法比较适合在FPGA中实现，在其他环境中不易实现。

以实施例2为例，本发明在FPGA中的具体实现过程如图5所示，32个通道的基本处理方式是一样的，每一个通道都具有自己的并行加法器，用来计算本通道内聚焦位置的实时真实相对延时偏移量。在实施过程中，对各通道内的相同聚焦位置的采样是同时进行的。

以第32通道为例，流程图如图6所示，具体步骤如下：

步骤S21、获取本通道当前聚焦位置的采样信息，包括采样位置的数据和当前地址计数器的数值，即此聚焦位置的序号，将采样的数据按照对应的聚焦位置序号存储在缓存器中。

步骤S22、判断上述位置信息存储器中的值是否存在与当前地址计数器数值相同的值，存在执行步骤步骤S23，不存在执行步骤步骤S24。

步骤S23、若存在，说明当前采样的聚焦位置为相对延时量发生变化的位置，则将位置信息存储器中与该聚焦位置对应的相对延时量输出。

步骤S24、不存在，说明当前采样的聚焦位置为相对延时量没有发生变化的位置，则输出当前聚焦位置的前一个聚焦位置对应的相对延时量。

步骤S25、将输出的第32通道的相对延时量与前面31个通道的相对延时量并行相加，得到第32通道的真实延时量。

步骤S26、利用真实延时量，取出缓存器中的采样数据。

其他31个通道的过程与第32通道的过程相似，只是在步骤步骤S25时是将各通道自身延时量与其前面所有通道的延时量相加。而且在实现过程中所有通道的实现步骤是同步进行的。将同一聚焦位置的所有通道的采样数据并行相加得到该聚焦位置的聚焦求和数据，实现逐点聚焦。

因为本实施例中该延时偏移量的聚焦精度是2.5ns，采样间隔是20ns，为了实现要求的精度，计算出真实偏移量后，将数据输出给并行加法器前需要进行如下的步骤：

A)将第32通道的相对延时量的数值进行量化，得到粗延时数据和细延时数据。

B)根据粗延时数据取出缓存器中AD采集的数据，

C)细延时数据对取出的数据在8段线性插值滤波器内进行8段线性插值，使其聚焦精度达到要求。

举例说明：如果真实延时量是：234ns，234＝20*11+2.5*6-1.0，那么粗延时数据是11，细延时数据是6，误差时1.0ns。所以根据粗延时数据，可以在相应的缓冲区中取出对应的数据，再利用插值滤波器对数据进行插值计算，就可以得到非常精确的延时。由此看出，本方法的聚焦误差小于：1.25ns

由上述步骤可以看出，地址计数器的数值是随着采样点数的变化而累加的，当其数值与存储在相对延时量的位置信息存储器中变化位置序号相同时，说明此时采样的点是相对延时量变化的点。所以按照步骤S24执行

与上述实施例所提供的方法相对应，本发明实施例还提供了一种实现超声波逐点聚焦的装置，如图7所示，该装置包括：

预处理模块1和逐点聚焦模块2。

预处理模块1中包括：

计算单元11，用于计算同一聚焦位置时相邻通道间的相对延时量；

第一判断单元12，用于判断各通道内的聚焦位置是否为相对延时量发生变化的聚焦位置；

第一存储单元13，用于存储相对延时量发生变化的聚焦位置的相对延时量和该聚焦位置的序号。

逐点聚焦模块2中包括：

采集单元21，用于采集当前聚焦位置的数据；

地址计数单元22，用于记录当前聚焦位置的序号；

数据存储单元23，用于将当前聚焦位置的采样数据根据地址计数单元的序号进行存储；

第二判断单元24，用于判断各通道第一存储单元中的聚焦位置序号中是否存在与各通道当前地址计数单元中记录的聚焦位置序号相同的序号；

相对延时量输出单元25，用于依据第二判断单元的结果，输出相应的相对延时量；

第一加法器26，用于将各通道的相对延时量与其前面所有通道的相对延时量并行相加，得到各通道的真实延时量；

延时量输出单元27，用于利用各通道的真实延时量取出数据存储单元中的采样数据；

第二加法器28，用于将所有通道的采样数据并行相加得到聚焦求和数据。

当采样间隔与聚焦精度不匹配时，该逐点聚焦模块2还进一步包括线性插值单元29，用于处理采集数据，使其达到预期的精度。

需要说明的是本发明实施例并不限定子阵数K的取值，具体数值依所选用的探头而定。同时本实施例也并不限定AD的采样频率，一般采用30MHz到50MHz，频率越高数据量就更大，所以只要根据具体要求设定频率即可。此外本实施例也并不限定聚焦精度，可以根据实际情况设置，一般在5ns以内。

本实施例公开的一种实现超声波逐点聚焦的方法及装置至少具有以下优点：

1)只记录每个通道中相对时间延迟量发生变化的位置的信息，不需记录所有采样点的信息，极大的缩小了数据存储的信息量。

2)在计算相对时间延迟量的过程中，所有的处理数据都是通过实际数据计算出来的，计算过程没有运用近似处理，所以不存在近场误差。

3)本发明实施例公开的方法，具有很高的聚焦精度。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种实现超声波逐点聚焦的方法，其特征在于，包括：

预处理过程：

计算不同聚焦位置时各相邻接收通道间的相对延时量；

分别确定各通道中相对延时量变化的聚焦位置，并将所述聚焦位置的序号和相对延时量存储在各通道对应的第一存储器；

逐点聚焦过程：

获取所有通道当前聚焦位置的信息，所述当前聚焦位置信息包括采样数据和聚焦位置序号；

如果各通道对应的第一存储器中存在与该通道中所述当前聚焦位置序号相同的序号，输出第一存储器中与该聚焦位置序号对应的相对延时量，否则，输出所述聚焦位置的前一个聚焦位置对应的相对延时量；

将当前聚焦位置时各通道的的相对延时量与该通道之前所有通道的相对延时量并行相加，得到各通道当前聚焦位置的真实延时量；

依据所述当前聚焦位置的真实延时量得到所述当前聚焦位置的的采样数据，将各通道中所有当前聚焦位置的采样数据并行相加，得到用于实现聚焦的求和数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算各相邻接收通道不同聚焦位置时的相对延时量的过程包括：

利用相对声程差公式D_i＝d(ΔR_i)＝ΔR_i-ΔR_i-1计算相邻通道同一聚焦位置时的相对声程差D_i，其中ΔR_i为第i个通道的声程差，ΔR_i-1为第i-1通道的声程差；

利用相对时间延迟量公式Dτ_i＝d(τ_i)＝τ_i-τ_i-1计算相邻通道同一聚焦位置时的相对延时量Dτ_i，其中τ_i为第i通道的延迟时间，τ_i-1为第i-1通道的延迟时间。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定各通道中相对延时量发生变化的聚焦位置，并存储其对应信息的过程包括：

分别比较同一通道不同聚焦位置时的相对延时量，判断是否与本通道前一聚焦位置的相对延时量相同；

如果不相同，则将此聚焦位置的相对延时量依据此时地址计数器记录的聚焦位置序号存储到此位置所在通道的第一存储器中，若相同，则不存储，地址计数器递增，判断下一个聚焦位置；

判断完通道内所有聚焦位置，过程结束。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当采样间隔与聚焦精度不匹配时，依据所述当前聚焦位置的真实延时量得到所述当前聚焦位置的采集数据的过程后还包括：

对上述得到的采集数据进行线性插值，将处理后的数据输出。

5.一种实现超声波逐点聚焦的装置，其特征在于，所述装置包括：

计算单元，用于计算同一聚焦位置时相邻通道间的相对延时量；

第一判断单元，用于判断各通道内的聚焦位置是否为相对延时量发生变化的聚焦位置；

第一存储单元，用于存储相对延时量发生变化的聚焦位置的相对延时量和该聚焦位置的序号；

采集单元，用于采集当前聚焦位置的数据；

地址计数单元，用于记录当前聚焦位置的序号；

数据存储单元，用于将当前聚焦位置的采样数据根据地址计数单元的序号进行存储；

第二判断单元，用于判断各通道第一存储单元中的聚焦位置序号中是否存在与各通道当前地址计数单元中记录的聚焦位置序号相同的序号；

相对延时量输出单元，用于依据第二判断单元的结果，输出相应的相对延时量；

第一加法器，用于将各通道的相对延时量与其前面所有通道的相对延时量并行相加，得到各通道的真实延时量；

延时量输出单元，用于利用各通道的真实延时量取出数据存储单元中的采样数据；

第二加法器，用于将所有通道的采样数据并行相加得到聚焦求和数据。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，该装置还进一步包括线性插值单元，用于当采样间隔与聚焦精度不匹配时，处理采集数据。

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