CN103371854B - 四维超声探头驱动方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种四维超声探头驱动方法。其中，所述驱动方法包括步骤：四维超声探头通过探头连接器连接超声成像系统的系统主机，且系统主机通过驱动装置驱动四维超声探头运动；依据不同种类的四维超声探头的变速比及转速要求，由系统主机通过总线向驱动装置中控制器的计数器下发初值D1，通过系统主机改变计数器的初值D1使驱动装置向四维超声探头内的步进电机输出相应的输出脉冲频率，从而控制步进电机的转速以驱动四维超声探头。本发明针对不同探头及转速可以通来系统总线下传参数方式进行设定及控制达到适用不同厂家探头的目的，具有控制方式简单、有效的特点。

Description

四维超声探头驱动方法和装置

技术领域

本发明涉及一种超声成像控制技术，尤其是涉及一种四维超声探头驱动方法和装置。

背景技术

在超声成像系统中，普通探头得到的图像是二维的图像，如果要得到四维图像，就需要使用特殊的超声探头一四维超声探头(以下又简称为四维探头)。四维超声探头是由普通的超声换能器加上步进电机以及传动装置构成的。当电机驱动传动装置使超声换能器围绕一个轴产生摆动，在超声换能器摆动的过程中，发射模块向超声换能器施加发射电压，使之发出超声波，该超声波在人体内传播时，会在体内组织间的不均匀面上产生反射，通过接收这些反射回波信号可以探测人体内不均匀组织的分布情况。通过这些回波信号，超声成像系统可以构建出探测部位的实时三维图像，即四维图像。显然，为了得到准确的四维图像，必须准确地知道超声换能器发射和接收超声波信号时，超声换能器所处的位置或者说超声换能器所偏移的角度。在这种情况下，步进电机是一个很好的选择，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，非常适合于需要进行电机速度、位置控制的四维超声探头使用。

但是，不同厂家在置于探头内部的步进电机的齿数、变速比及需要驱动电机的功率会有所不同；另外，不同厂家的四维探头会有一套驱动装置(电路)及相应的接口，超声系统需要修改相应的软硬才能适应，因此，对选用多种四维探头特别是不同厂家的四维探头是一种障碍。

发明内容

为适用不同厂家的四维探头，本发明提出一种四维超声探头驱动方法和装置，依据不同种类的四维探头下发参数即可达到适用不同厂家探头的目的。

本发明采用如下技术方案实现：一种四维超声探头驱动方法，其包括步骤：

四维超声探头通过探头连接器连接超声成像系统的系统主机，且系统主机通过驱动装置驱动四维超声探头运动；

依据不同种类的四维超声探头的变速比及转速要求，由系统主机通过总线向驱动装置中控制器的计数器下发初值D1，通过系统主机改变计数器的初值D1使驱动装置向四维超声探头内的步进电机输出相应的输出脉冲频率，从而控制步进电机的转速以驱动四维超声探头。

其中，所述系统主机改变计数器的初值D1的步骤包括：

根据四维超声探头的内变速比GR、细分值2^M，确定四维超声探头摆动1度需要脉冲个数＝2^M*GR/1.8；

根据步进电机在加速、减速分别转过的角度A，匀速转过的角度B，从左到右摆动时间T，计算每秒钟向步进电机输出脉冲频率在加速、减速分别转过的角度A时步进电机需要的输出步数

确定步进电机从零速度加速到匀速转动，每步需增加频率Af，或步进电机从匀速减速到零速度转动，每步需减少频率Af：

系统主机计算获取计数器的初值D1：

其中，f₀为控制器的时钟频率，N为计数器的数据位宽，n表示步进电机的当前步进数，1≤n≤Sn，M值为正整数。

其中，在控制器的存储器中建立细分值表格，按2^J间隔读取细分值表格获得不同的细分值，以满足不同种类的四维超声探头的细分控制，其中间隔值J＝0或小于M的自然数。

另外，本发明提出一种四维超声探头驱动装置，其使用了所述四维超声探头驱动方法。

其中，所述驱动装置还包括：包括依次连接在控制器与探头连接器之间的隔离电路、D/A转换器、电机驱动电路和放大电路，所述控制器连接在系统主机与所述间隔电路之间。

其中，所述控制器为FPGA芯片或单片机。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明中带动四维超声探头运动的步进电机采用细分控制，细分值可以通过读取细分值表格的间隔值来设定，依据不同探头可以设定不同的细分值，方便了选用及随系统需求进行细分设定；输出功率调节可以通过修改D/A转换电路的参考电压值来设定，对不同探头或摆动速率调整时需增加输出功率时进行调整。综上，本发明针对不同探头及转速可以通来系统总线下传参数方式进行设定及控制，即可达到适用不同厂家探头的目的，具有控制方式简单、有效的特点。

附图说明

图1是超声系统的结构示意图。

图2是两相步进电机8细分工作原理示意图。

图3是换能器摆动运动的示意图。

图4是两相步进电机运动速度变化曲线示意图。

图5是D/A转换电路的结构示意图。

具体实施方式

为适用不同厂家的四维探头，本发明提出一种四维超声探头(以下又简称为四维探头)驱动方法和装置，依据不同种类的四维超声探头主机，通过总线下发控制器中计数器的初值D1(计数器初值D1决定了电机转速，改变计数器初值D1即可达到变速要求，下文将详细描述)、变速区脉冲个数、匀速区脉冲个数及输出功率等参数即可达到适用不同厂家探头的目的。其中，控制器中计数器的初值D1依据不同探头的内变速比GR及转速决定。

如图1所示，四维超声探头通过探头连接器连接超声成像系统的系统主机，且系统主机通过驱动装置驱动四维超声探头运动。

其中，驱动装置包括依次连接在系统主机与探头连接器之间的控制器、隔离电路、D/A转换器、电机驱动电路和放大电路。控制器(比如由FPGA芯片或单片机等微控制器实现)接收来自系统主机的系统参数，分别经隔离电路去除噪声和D/A转换器进行数字-模拟转换出来后，由电机驱动电路按系统参数产生步进电机所需的驱动信号，驱动信号经过放大电路放大处理后，输出给四维超声探头，对四维超声探头内置的换能器进行初始化归位，初始化完成后通过驱动步进电机控制换能器按一定的速率左右摆动，获取三位图像，并通过图像重构实现四维图像效果。

四维超声探头内置的步进电机一般选用二相混合步进电机，如工作在低频工作时，会有振动大、噪声大的缺点。如果使用细分控制方式，就能很好的解决这个问题。步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组进行电流控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。

一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小，下图2为两相步进电机8细分工作原理图。

为达到减少电机噪声及四维成像帧频要求，细分值可以为2^M，M值为正整数。这样，每触发一个脉冲，步进电机的旋转角度为步距角/细分值，而换能器摆动角度依据四维超声探头内置变速比进行折算获得。

依据细分原理，对图2所示的SIN、COS一个周期信号进行1024(M＝10时，2¹⁰等于1024)分割，产生1024个细分，以表格形式存在控制器的存储器中，建立细分值表格。此时计数器的位宽为10bit，按一定的间隔值J顺序等间隔读则顺时针转动，反之逆序为逆时针方向转动。其中，这1024个10Bit的细分值，按2^J间隔读取，间隔值J依据细分数选取，比如，间隔值J＝0为256细分，间隔值J＝1为128细分，间隔值J＝2为64细分，依次类推，地址增加时为顺时针转动，地址减小时为逆时针方向转动。

结合图3所示，为保证换能器在有效转动区域范围内平稳扫描，当换能器开始移动，换能器的阵元首先从起点位置①走向位置④(以梯形加速从位置①走向位置②，以梯形减速从位置②走向位置④，在位置④停止)，然后逆转加速朝向位置⑤运动(换能器的阵元到达位置②停止加速，以匀速从位置②走向位置③，此时指示有效转动区域信号，可以采集数据，位置③和位置⑤之间的运动关系与位置②和位置④之间的运动关系相类似)，从而换能器周而复始进行摆动。

步进电机的转速取决于脉冲频率、转子齿数和运行拍数，其角速度与脉冲频率成正比，而且在时间上与脉冲同步。因而在转子齿数和运行拍数一定的情况下，只要控制脉冲频率即可获得所需速度。由于步进电机是借助它的同步转矩而启动的，为了不发生失步，启动频率需逐步增加。一般来说都应包括“启动-加速-高速运行(匀速)-减速-停止”五个阶段，速度特性通常为梯形图，如图4所示。

步进电机的实时控制是运用控制器中的计数器，赋值给计数器的初值为D1。假如控制器的主时间频率(或输入频率)为f₀，计数器的数据位宽为N，则产生的脉冲频率为：

$f_1=\frac{f_0}{2^N-D_1-1}$

这里所指的脉冲频率f1为应该从所述细分值表格中读取的细分值数据，细分值数据经D/A转换电路，最后送到步进电机的输入端，从而控制步进电机的转动。

步进电机的加速和减速可以通过不断地修改计数器的初值D1来实现。在电机加速阶段，从启动瞬时开始，每产生一个脉冲，计数器的初值增加某一定值，则相应的脉冲周期减小，即脉冲频率增加；在减速阶段，计数器初值不断减小，则相应的脉冲周期增大，脉冲频率减小，对应梯形脉冲频率特性的减速阶段。从而实现了步进电机升降速梯形驱动方式。

四维超声探头的内变速比为GR(gear ratio)，细分值2^M，比如细分值设定为256，那么四维超声探头摆动1度需要脉冲个数＝256*GR/1.8。

假定加速和减速转过的角度为A，匀速转过的角度为B，从左到右摆动时间为T(ms)，则每秒钟向步进电机输出的脉冲频率(Vt)：

在加速、减速分别转过的角度A时步进电机需要的输出步数(Sn)： $\mathrm{Sn}=\frac{A\×2^M\×\mathrm{GR}}{1.8}.$

则从零速度加速到匀速转动，每步需增加频率(Af)，或者，从匀速减速到零速度转动，每步需减少频率(Af)：

通过不断改变计数器的初值D1(计数器的初值D1通过系统主机下传到控制器)，即可得到相应的输出脉冲频率，从而控制步进电机的转速，最终达到摆动换能器的目的。

进一步结合图5所示，从控制器输出的SIN、COS信号为数字信号，二相混合需输入模拟信号给步进电机，因此需通过D/A转换电路转换成模拟信号(例如采用并口四通道电压10bit转换器，其中从控制器内部产生的SIN、COS信号数字信号分别送入C通道及D通道，A通道输出作为B、C、D通道的参考电压，调节A通道的值，即可调节B、C、D通道电压，从而实现电机输入功率的调整。B通道输入为固定值511，产生SHIFT信号，在后续电路实现C、D通道的电平移动。

SIN、COS信号同时减去SHIFT信号，将信号移至零电平对称后经1k左右的二阶反相型LPF(低通滤波器)及RC低通滤波器，送入功率放大电路，产生SIN_OUT、COS_OUT信号输出给步进电机实现电机驱动电路的驱动电流要求。

在一个优选实施例中，假设探头内变速比GR为10，细分值设定为256个，那么探头摆动1度需要脉冲个数＝256×10/1.8＝1422。假定加速和减速转过的角度A为5°，匀速转过的角度B为70°，从左到右摆动时间为500ms，则每秒钟输出脉冲频率(Vt)：

$\mathrm{Vt}=\frac{(A\×4+B)\×256\×\mathrm{GR}}{1.8\×T\×{10}^{-3}}=256000.$

在加速和减速转过的角度5°时需要输出步数(Sn)：

$\mathrm{Sn}=\frac{A\×256\×\mathrm{GR}}{1.8}=7111$

则从零速度加速到匀速转动，每步需增加频率(Af)，或从匀速减速到零速度转动，每步需减少频率(Af)：

$\mathrm{Af}=\frac{\mathrm{Vt}}{\mathrm{Sn}}=36$

系统主机根据下式计算获取计数器的初值D1：

$D1=2^N-\frac{f_0}{\mathrm{Af}\×n}-1$

其中f₀为控制器的时钟频率，N为计数器的数据位宽，n表示步进电机的当前步进数，1≤n≤Sn。

我们通过不断改变计数器的初值D1即可得到相应的输出频率，初值可以通过总线下传参数方式进行，通过修改D/A转换电路的参考电压控制输出功率，从而控制步进电机的转速，最终达到摆动换能器的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种四维超声探头驱动方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

四维超声探头通过探头连接器连接超声成像系统的系统主机，且系统主机通过驱动装置驱动四维超声探头运动；

依据不同种类的四维超声探头的变速比及转速要求，由系统主机通过总线向驱动装置中控制器的计数器下发初值D1；

根据四维超声探头的内变速比GR、细分值2^M，确定四维超声探头摆动1度需要脉冲个数＝2^M*GR/1.8；

根据步进电机在加速、减速分别转过的角度A，匀速转过的角度B，从左到右摆动时间T，计算每秒钟向步进电机输出脉冲频率在加速、减速分别转过的角度A时步进电机需要的输出步数

确定步进电机从零速度加速到匀速转动，每步需增加频率Af，或步进电机从匀速减速到零速度转动，每步需减少频率Af：

系统主机计算获取计数器的初值D1：

其中，f₀为控制器的时钟频率，N为计数器的数据位宽，n表示步进电机的当前步进数，1≤n≤Sn，M值为正整数；

系统主机改变计数器的初值D1使驱动装置向四维超声探头内的步进电机输出相应的输出脉冲频率，从而控制步进电机的转速以驱动四维超声探头。

2.根据权利要求1所述四维超声探头驱动方法，其特征在于，在控制器的存储器中建立细分值表格,按2^J间隔读取细分值表格获得不同的细分值，以满足不同种类的四维超声探头的细分控制，其中间隔值J＝0或小于M的自然数。