CN103257349B - 基于非线性相关计算延迟时间的合成孔径超声成像系统 - Google Patents

Abstract

一种基于非线性相关计算延迟时间的合成孔径超声成像系统,属于超声成像领域。本发明的合成孔径聚焦超声成像系统包括换能器阵，通道接收放大模块，通道放大驱动模块，A/D转换模块，D/A转换模块，采样控制模块，波束合成模块，波束形成模块，发射控制模块，USB辅助通讯模块，USB通信模块；波束合成模块基于非线性相关计算合成孔径重建的延迟时间,可以解决换能器延时时间与理论计算相差较多时，基于延时叠加的合成孔径聚焦算法与实际有较大的偏差的问题。

Description

基于非线性相关计算延迟时间的合成孔径超声成像系统

技术领域

本发明涉及一种基于非线性相关计算延迟时间的合成孔径聚焦超声成像系统,属于超声成像领域。

背景技术

采用合成孔径技术可以用小孔径的实际基元换能器和较低的工作频率,对位于远处的目标物作具有高方位分辨率的探测、观察。突破了经典概念的限制，解决了直接成像技术中对系统设计参数的一些相互矛盾的要求。早在1967年，Magnaflux公司的John J.Flaherty等人在申请的“合成孔径超声成像系统”的专利中，首次提出了将合成孔径雷达中的“孔径合成”的概念应用于超声成像领域，用以提高超声系统分辨率的发明。

中国专利200410077557.1提出了一种基于双波束及合成孔径的接收方法和装置，用于双波束超声成像的波束合成。中国专利200510127393.3公开了一种超声渡越时间检测方法。中国专利201010101410.7提出了超声内窥镜合成孔径成像系统及较大孔径的合成方法。

但是在对合成孔经聚焦超声的实验研究中发现，对于多阵元换能器，各基元换能器辐射的声波束会互相干涉，使总和声场分布非常复杂，延时时间与理论计算相差较多，在这种情况下，基于延时叠加的合成孔径聚焦算法与实际就会有较大的偏差。而通过仿真可以看到，延时误差对合成孔径聚焦成像质量会有很大影响。针对这个问题的探讨，上述专利均未提及。

所以需要专门针对多阵元情况下的合成孔径算法进行研究，来提高多阵元合成孔径聚焦的成像质量。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于针对多阵元合成孔径延时时间与理论计算有误差影响成像质量的情况，提供一种基于非线性相关计算延迟时间的合成孔径聚焦超声成像系统。

本发明的合成孔径聚焦超声成像系统包括换能器阵元，用于发射和接收超声信号；通道接收放大模块，用于放大接收信号；通道放大驱动模块，用于驱动发射信号；A/D转换模块，用于将接收信号的模拟信号转换为数字信号；D/A转换模块，用于将输出信号的数字信号转换为模拟信号；采样控制模块，用于A/D转换的采样控制；波束合成模块，用于对接收到的超声回波信号进行图像重建；波束生成模块，用于实现发射激励信号的波束生成；发射控制模块，用于D/A转换的发射控制；USB辅助通讯模块，用于实现合成孔径超声成像系统中的数据与USB通信模块的数据接口；USB通信模块，用于实现USB辅助通信模块与USB总线的数据接口；所述的换能器阵输出的回波信号与通道接收放大模块的数据输入端相连，放大模块的输出与A/D模块的模拟输入端相连。所述换能器阵的发射开关输入端与通道放大驱动模块相连，放大驱动模块的输入端与D/A模块的模拟输出端相连。采样控制模块、波束合成模块、波束生成模块和发射控制模块通过内部总线与USB辅助通信模块相连，USB辅助通信模块与USB通信模块通过接口信号相连。该波束合成模块采用基于非线性相关计算延迟时间的算法来实现合成孔径聚焦的图像重建。

进一步地，该波束合成模块包含合成孔径聚焦控制模块，用于实现基于非线性计算延迟时间的逻辑；计算单元，用来实现延迟时间的计算；一整数延时参数存储模块，用于存储整数延时参数；小数延时参数存储模块，用于存储小数延时参数；数据暂存器，用于存储计算单元的中间数据；所述合成孔径聚焦控制模块与计算单元的控制输入端相连，计算单元按照合成孔径聚焦控制模块制定的算法来计算延时参数，计算单元与整数延时参数存储模块、小数延时参数模块和输入暂存器通过内部数据总线相连。

进一步地，所述的采样控制模块、波束合成模块、波束生成模块、发射控制模块和USB辅助通信模块由FPGA实现。

USB通信模块选用CYPRESS公司的CY7C68001芯片。

所述FPGA芯片选用XILINX Virtex4系列芯片。

本发明可以获得如下有益效果：

本发明的基于非线性相关计算延迟时间的合成孔径超声成像系统，成像质量与传统相比有很大的提高，与传统的成像系统相比取得了更高的分辨率，分辨率提高了7％。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:

图1是本发明的系统框图。

图2是本发明波束合成模块结构图。

图3是本发明实施例示意图。

图4是基于相关性计算延迟时间的合成孔径算法流程图。

图5是延时叠加合成孔径聚焦B扫图。

图6是回波数据小波分解图。

图7是基于小波变换的合成孔径聚焦B扫图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明。换能器阵元，用于发射和接收超声信号；通道接收放大模块，用于放大接收信号；通道放大驱动模块，用于驱动发射信号；一A/D转换模块，用于将接收信号的模拟信号转换为数字信号；D/A转换模块，用于将输出信号的数字信号转换为模拟信号；采样控制模块，用于A/D转换的采样控制；一波束合成模块，用于对接收到的超声回波信号进行图像重建；波束生成模块，用于实现发射激励信号的波束生成；发射控制模块，用于D/A转换的发射控制；USB辅助通讯模块，用于实现合成孔径超声成像系统中的数据与USB通信模块的数据接口；USB通信模块，用于实现USB辅助通信模块与USB总线的数据接口；所述的换能器阵输出的回波信号与通道接收放大模块的数据输入端相连，放大模块的输出与A/D模块的模拟输入端相连。所述换能器阵的发射开关输入端与通道放大驱动模块相连，放大驱动模块的输入端与D/A模块的模拟输出端相连。采样控制模块、波束合成模块、波束生成模块和发射控制模块通过内部总线与USB辅助通信模块相连，USB辅助通信模块与USB通信模块通过接口信号相连。该波束合成模块采用基于非线性相关计算延迟时间的算法来实现合成孔径聚焦的图像重建。

本系统地应用实例如图3所示。系统的USB通信模块通过USB总线与一主机相连，换能器阵放在被测物体上。接收过程为:从换能器接收到的回波信号首先经过接收放大后送给A/D模块进行转换，数字信号输入给FPGA单元进行波束合成。波束合成后的数据通过USB通信模块传送给主机进行进一步的处理。发射过程为:由主机将要发送的波形数据写入波束生成模块，然后通过发射控制模块将数据读出，输出至D/A模块，再通过通道放大驱动模块将数据输出至换能器阵列进行发射。

USB通信模块可以选用CYPRESS公司的CY7C68001芯片，芯片符合USB2.0规范，支持高速和全速模式，除了端点0外，还支持4个数据端点，每个端点的数据存储量为4KB。

用于实现控制逻辑的FPGA芯片选用XILINX Virtex4系列芯片。

合成孔径的算法表达式为：

$S_{\mathrm{DAS}}\left(t\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i{S}_i(t-{\mathrm{\Δt}}_i)---\left(1\right)$

其中：

$\mathrm{\Δ}{t}_i=\frac{2z}{c}(1-\sqrt{1+\frac{{\left(\mathrm{id}\right)}^2}{z^2}})---\left(2\right)$

式(1)中,S_i(t)为t时刻由第i个换能器阵元接收到的回波信号经过滤波处理后的数值，S_DAS(t)为经过合成孔径重建算法处理后的t时刻重建点，ω_i为变迹系数，Δt_i为换能器从发射到接收的渡越时间。Δt_i由式(2)计算得到，c为介质中声速，z为缺陷点距离换能器的垂直距离。d为换能器水平间距。

单阵元换能器在不同扫描位置的延时与理论计算比较一致，距离缺陷点越远的，缺陷点回波延迟时间越长。但是对于多阵元换能器，各基元换能器辐射的声波束会互相干涉，使总和声场分布非常复杂，延时时间与理论计算相差较多，在这种情况下，基于延时叠加的合成孔径聚焦算法与实际就会有较大的偏差。为了消除这种影响，本发明提出了基于小波变换计算相关性加权因子的合成孔径聚焦算法，来提高多阵元合成孔径聚焦的成像质量。

本算法中，首先利用小波多尺度变换将回波信号在不同尺度上进行分解，根据缺陷点处回波的相关性比较高的原理，分别计算不同尺度上的相关系数，然后，根据相关系数对图像进行合成后，再利用小波逆变换得到重建图像的算法。

相关系数的计算方法如下：S_i(t)和S_i(t-Δt_i)在t时刻的相关系数为：

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{S}_i\left(t\right)S_i(t-\mathrm{\Δ}{t}_i)\mathrm{dt}}{{\left[{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\mathrm{Si}}^2\left(t\right)\mathrm{dt}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\mathrm{Si}}^2(t-\mathrm{\Δ}{t}_i)\mathrm{dt}\right]}^{1/2}}---\left(3\right)$

图4是基于相关性计算延迟时间的合成孔径算法流程图。

为了验证本发明算法的成像效果,针对模拟缺陷进行了成像实验。成像对象为距离扫查平面30mm处的两个中心间距11mm的缺陷点，直径均为1mm。数据由间距为0.59mm的探头采用四阵元子孔径扫描得到。图5是采用传统延时叠加方法进行合成孔径聚焦后的B扫图。从图5可以看到，依据理论计算得出的延时进行移位叠加的合成孔径聚焦算法处理的结果不是很理想。

接下来采用基于小波变换计算相关性因子的合成孔径聚焦算法对数据进行处理。算法的第一步是将回波逐个进行小波的多尺度分解。图6是利用harr小波基对其中的一组回波进行尺度3上的分解，其中a3为尺度s＝3上的近似部分信息，d1、d2、d3分别为尺度s＝1、2、3上的细节部分信息。将所有回波都分解完成后，依次计算在不同尺度上的相关系数。按照相关系数进行加权，然后得到加权后在不同尺度上的分量，再进行小波逆变换。这样处理后得到的重建图像如图7所示。可以看到，成像质量比延时叠加方法有很大提高。

通过对比原始数据、延时叠加合成孔径聚焦和基于小波变换的合成孔径聚焦处理后的数据归一化幅值，可以看到，采用基于小波分解的合成孔径聚焦方法能够比传统的延时叠加方法取得更高的分辨率。通过对比-6dB的覆盖范围，本试验情况下经过非线性合成孔径聚焦算法处理后分辨率提高了7％。

Claims (5)

1.基于非线性相关计算延迟时间的合成孔径超声成像系统，其特征在于：其包括

换能器阵，用于发射和接收超声信号；

通道接收放大模块，用于放大接收信号；

通道放大驱动模块，用于驱动发射信号；

A/D转换模块，用于将接收信号的模拟信号转换为数字信号；

D/A转换模块，用于将输出信号的数字信号转换为模拟信号；

采样控制模块，用于A/D转换模块的采样控制；

波束合成模块，用于对接收到的超声回波信号进行图像重建；

波束生成模块，用于实现发射激励信号的波束生成；

发射控制模块，用于D/A转换模块的发射控制；

USB辅助通信模块，用于实现合成孔径超声成像系统中的数据与USB通信模块的数据接口；

USB通信模块，用于实现USB辅助通信模块与USB总线的数据接口；

所述的换能器阵输出的回波信号与通道接收放大模块的数据输入端相连，通道接收放大模块的输出与A/D转换模块的模拟输入端相连；A/D转换模块的输出端与波束合成模块相连；

所述换能器阵的发射开关输入端与通道放大驱动模块相连，放大驱动模块的输入端与D/A转换模块的模拟输出端相连；D/A转换模块的输入端与波束生成模块相连；

A/D转换模块、D/A转换模块的控制端分别与采样控制模块和发射控制模块相连；

所述采样控制模块、波束合成模块、波束生成模块和发射控制模块通过内部总线与USB辅助通信模块相连，USB辅助通信模块与USB通信模块通过接口信号相连；

所述的波束合成模块采用基于非线性相关计算延迟时间的算法来实现合成孔径聚焦的图像重建；该算法在不能精确估计不同扫描位置间回波延时的情况下，利用小波多尺度变换将回波信号在不同尺度上进行分解，分别计算不同尺度上的相关系数，然后，根据相关系数对图像进行合成后，再利用小波逆变换得到重建图像。

2.根据权利要求1所述的基于非线性相关计算延迟时间的合成孔径超声成像系统，其特征在于，所述的波束合成模块包括：

合成孔径聚焦控制模块，用于实现基于非线性计算延迟时间的逻辑；

计算单元，用来实现延迟时间的计算；

整数延时参数存储模块，用于存储整数延时参数；

小数延时参数存储模块，用于存储小数延时参数；

数据暂存器，用于存储计算单元的中间数据；

所述合成孔径聚焦控制模块与计算单元的控制输入端相连，计算单元计算延时参数，计算单元与整数延时参数存储模块、小数延时参数存储模块和输入数据暂存器通过内部数据总线相连。

3.根据权利要求1所述的基于非线性相关计算延迟时间的合成孔径超声成像系统，其特征在于，所述的采样控制模块、波束合成模块、波束生成模块、发射控制模块和USB辅助通信模块由FPGA实现。

4.根据权利要求1所述的基于非线性相关计算延迟时间的合成孔径超声成像系统，其特征在于：USB通信模块选用CYPRESS公司的CY7C68001芯片。

5.根据权利要求3所述的基于非线性相关计算延迟时间的合成孔径超声成像系统，其特征在于：所述FPGA芯片选用XILINX Virtex4系列芯片。