CN110220976B - 一种基于调频连续波超声成像系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于调频连续波超声成像系统与检测方法，其包括调频连续波产生模块、超声波发送与回波接收模块、信号处理模块及显示模块，所述调频连续波产生模块与所述超声波发送与回波接收模块电连接，所述调频连续波产生模块用于产生一个在时域上频率与时间成线性关系的频率信号，所述超声波发送与回波接收模块用于发送所述调频连续波产生模块产生的调频连续波并接收反馈信号，所述超声波发送与回波接收模块输出端与所述信号处理模块输入端电连接，所述信号处理模块对接收的反馈信号进行处理后在显示模块进行成像。本发明具有无距离盲区、高分辨率和低发射功率的优点，实用过程准确性高，测量准确有效，简单实用。

Description

一种基于调频连续波超声成像系统及检测方法

技术领域

本发明属于超声波检测技术领域，尤其涉及一种基于调频连续波超声成像系统与检测方法。

背景技术

在医学成像应用与物质界面连续性检测中，相关物质连续性分布与界面分布的几何参量检测至关重要，当前常用的检测设备一般都比较大，检测设备相对昂贵，成像分辨力不高，传统的成像检测手段一般是采用微波成像、超声成像、红外成像等。

在医学成像应用中，当前最为流行的一种检测方式是采用超声检测技术对目标物进行成像监测，常见医学成像超声波频率范围为1MHz到15MHz，传统超声波按发射方式可分为连续波与脉冲波两种方式，通过发射信号与反射的回波信号时间差来计算距离，其中应用最为广泛的B超成像是采用发射波与回波时间差来实现距离的检测，通过一系列信号处理与转化，最终达到医学成像的效果，由于换能器会有一个比较长时间的余震,因此在这个时间段内,很难区分发射波信号与回波信号，这样会导致被测目标物体在这个范围内,回波和发射波区分不开,形成检测盲区，另一方面采用直接时间差的检测方式对处理器主频与时间电压转化电路的设计要求较高，特别是采用计数器方式来测量时间差的系统结构，对计数器时钟的要求比较高。

由于受超声波波长的限制，上述传统的超声成像技术一般很难实现直径小于5mm的目标物体成像，特别是在医学成像中，并不适合于早期肿瘤物的成像检测，另外，传统超声波设备的发射功率比较大，系统供电电压相对较高，与常用低压低功耗系统不兼容，目前缺少这种高分辨力、低功耗超声成像的技术手段与系统实现的有效方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于调频连续波超声成像系统与检测方法，具有无距离盲区、高分辨率和低发射功率的优点，实用过程准确性高，测量准确有效，简单实用。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于调频连续波超声成像系统，包括调频连续波产生模块、超声波发送与回波接收模块、信号处理模块及显示模块，所述调频连续波产生模块与所述超声波发送与回波接收模块电连接，所述调频连续波产生模块用于产生一个在时域上频率与时间成线性关系的频率信号，所述超声波发送与回波接收模块用于发送所述调频连续波产生模块产生的调频连续波并接收反馈信号，所述超声波发送与回波接收模块输出端与所述信号处理模块输入端电连接，所述信号处理模块对接收的反馈信号进行处理后发送给显示模块进行成像。

优选地，所述调频连续波产生模块包括压控振荡器、数模信号转换器、带隙基准电压单元和微控制单元，所述微控制单元输出端与所述数模信号转换器输入端相连接，所述带隙基准电压单元为所述数模信号转换器提供参考的基准电压，所述数模信号转换器输出端与所述压控振荡器输入端相连接。

优选地，所述超声波发送与回波接收模块包括功率放大器、换能器和预放大处理电路，所述功率放大器输出端与所述换能器输入端相连接将放大后的信号发送，所述换能器将接收的反馈信号传输给所述预放大处理电路处理。

优选地，所述所述信号处理模块包括混频器、低通滤波器、FFT快速傅立叶变换器及数字信号处理器，所述混频器输出端与所述低通滤波器输入端相连接，所述FFT快速傅立叶变换器将过滤后的信号进行处理，传输到所述数字信号处理器处理成像，并在所述显示模块进行显示。

优选地，所述数模信号转换器的输出控制电压采用锯齿波或三角波形式，所述压控振荡器周期性的产生与时间成正比的频率信号。

优选地，所述换能器采用阵列式换能器。

优选地，所述换能器为基于压垫微机械超声换能器阵列的超宽带换能器。

优选地，所述压控振荡器采用线性压控振荡器。

一种基于调频连续波超声成像的检测方法，所述方法基于上述一种基于调频连续波超声成像系统实现，该方法包括以下步骤：

步骤1、通过调频连续波产生模块产生周期性的线性频率调制的连续波；

步骤2、通过功率放大器将调频连续波信号经过功率放大器发送至换能器，将超声波发射出去；

步骤3、换能器同时接收回波信号并转化为电压信号后经过预放大处理电路处理后，对调频连续波产生模块中的连续波信号经过混频器进行混频，得到一个差频信号，混频后的信号在频率域上表现为两个信号频率和与频率差，经过低通滤波器处理得到最终有效的下变频率信号，即差频信号；

步骤4、对于下变频率信号通过FFT快速傅立叶变换器进行FFT快速傅立叶变换，得到基频信号，用于表征目标物体的距离与性质，再通过信号处理模块及显示模块，最终实现成像，其中目标物体的距离有频率来体现，而目标物体性质由幅值来体现。

优选地，锯齿波调制、三角波调制两种方式下，目标物体的距离分别通过公式（1）、（2）进行表征：

其中D_istance为换能器与探测目标之间的距离，V为声波在相关介质内的传递速度，f₀为发射波与回波的频率差，T为时间周期，ΔF为连续波频率的最大频率f_max与最小频率f_min之差。

采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：

1、本发明采用基于调频连续波技术的超声成像系统对目标进行检测，系统包括调频连续波产生模块、超声波发送与回波接收模块、信号处理模块与显示模块，调频连续波产生模块产生一个在稳定的频率信号，该模块分辨率不低于10位，输出电压建立时间短，从而稳定输出电压，减少噪声的产生，超声波发送与回波接收模块将信号发送并接收反馈信号，接收反馈信号后进行预放大，传输到信号处理模块对信号混频并过滤提取差频信号，排除干扰，最后在显示端成像，简单实用，测量准确率高，且具有无距离盲区、高分辨率和低发射功率的显著优点。

2、本发明换能器使用阵列式换能器，采用小口径如10mm的换能器作为阵列单元，在非动态成像应用场合，可以通过线扫描的方式对传感器阵列的数据信息进行处理，从而使成像分辨力进一步提高；在实时动态成像应用中，采用阵列分组与适当减少扫描帧数的处理方式来实现动态成像，分辨力进一步提高。

3、本发明严控振荡器采用线性压控振荡器，频率与控制电压成线性关系，当压控振荡器的线性可控范围较小时，可以通过多个不同的压控振荡器组成一个宽频率可调压控振荡器，通过微控制单元对不同频段的选择，实现真个有效频率可调范围，保持频率信号的稳定性。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明所涉及数模信号转换器输出控制电压示意图；

图3为本发明所涉及超声成像中距离与频率关系示意图；

图4为本发明所涉及换能器阵列示意图；

图5为本发明所涉及超声成像中物质特性与幅度关系示意图；

图6为本发的整体流程示意图。

附图标记说明：

A1.调频连续波产生模块、A2.超声波信号发送与回波接收模块、A3.信号处理模块、A4显示模块、B0.微控制单元、B1.带隙基准电压单元、B2.数模信号转换器、B3.压控振荡器、B4.功率放大器、B5.换能器、B6.预放大处理电路、B7.混频器、B8.低通滤波器、B9.FFT快速傅立叶变换器、B10数字信号处理器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明中需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“竖直”“水平”“内”“外”等均为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示本发明的装置或元件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例

参考图1所示，本发明公开了一种基于调频连续波超声成像系统，包括：调频连续波产生模块A1、超声波发送与回波接收模块A2、信号处理模块A3及显示模块A4，调频连续波产生模块A1与超声波发送与回波接收模块电连接A2，调频连续波产生模块A1用于产生一个在时域上频率与时间成线性关系的频率信号，超声波发送与回波接收模块A2用于发送调频连续波产生模块A1产生的调频连续波并接收反馈信号，超声波发送与回波接收模块A2输出端与信号处理模块A3输入端电连接，信号处理模块A3对接收的反馈信号进行处理后在显示模块A4进行成像。

配合图2-5所示，调频连续波产生模块A1包括压控振荡器B3、数模信号转换器B2、带隙基准电压单元B1和微控制单元B0，微控制单元B0输出端与数模信号转换器B2输入端相连接，带隙基准电压单元B1为数模信号转换器B2提供参考的基准电压，数模信号转换器B2输出端与压控振荡器B3输入端相连接，数模信号转换器B2主要用于产生一个可编程电压，通过微控制单元B0，按照一定时间周期T固定输出一个锯齿波/三角波电压信号，为压控振荡器B3提供控制电压，最终产生一个频率与电压成线性关系的电信号。

超声波发送与回波接收模块A2包括功率放大器B4、换能器B5和预放大处理电路B6，功率放大器B4输出端与换能器B5输入端相连接将放大后的信号发送，换能器B5将接收的反馈信号传输给预放大处理电路B6处理。

信号处理模块A3包括混频器B7、低通滤波器B8、FFT快速傅立叶变换器B9、数字信号处理器B10和终端显示器，混频器B7输出端与低通滤波器B8输入端相连接，FFT快速傅立叶变换器B9将过滤后的信号进行处理，传输到数字信号处理器B10处理成像，在显示模块A4显示。

数模信号转换器B2的输出控制电压采用锯齿波或三角波形式，压控振荡器B3周期性的产生与时间成正比的频率信号，数模信号转换器B2分辨率不低于10位，输出电压建立时间越短越好，如1ms或者更短，有助于输出电压的稳定性与快速响应，并在数模信号转换器B2输出端正并上一个适当大小的电容到地，从而稳定输出电压，减少噪声信号的产生，使连续波的输出更稳定，带隙基准电压单元B1不限于一种基准电压，还可以是其他稳定的电压系统，为了提高成像分辨力，调频连续波产生模块A1的带宽（可变频率范围ΔF）尽量大，如10MHz或者更高。

换能器B5采用阵列式换能器B5，采用小口径如10mm的换能器B5为阵列单元，预放大处理电路B6包括放大器，不仅限于此，可以是一个具备预放大功能的信号调理电路，用于信号放大与噪声处理，低通滤波器B8上限截止频率以测量最大目标距离范围的10倍频率作为参考（配合图4所示的距离与频率关系公式），从而有效抑制测量范围之外的噪声干扰。

换能器B5为超宽带换能器B5，可以是基于压垫微机械超声换能器B5阵列的超宽带换能器B5，也可以是其他类型的超宽带换能器B5。

压控振荡器B3采用线性压控振荡器B3，频率与控制电压成线性关系，当压控振荡器B3的线性可控频率范围较小时，可以通过多个不同频率的压控振荡器B3组成一个宽频率可调压控振荡器B3，选择集成有数模信号转换器B2、带隙基准电压单元B1和微控制单元B0的单片机，提高系统集成度和稳定性。

信号传输到信号处理模块A3中的FFT快速傅立叶变换器B9进行变换，变换后的信号变了可以按照评率大小关系排列，将评率与幅度值作为一个数值进行保存，完成目标物体位置坐标关系的转化，其中幅度参数映射为不同色值，为最后图像重组做准备，其中快速傅立叶变换后与数字信号处理器B10可以用高性能DSP芯片来代替。

调频连续波产生模块A1包括但不仅限于上诉组成电路，可以DDS直接数字式频率合成器来代替。

一种基于调频连续波超声成像的检测方法，所述方法基于上述一种基于调频连续波超声成像系统实现，该方法包括以下步骤：

步骤1：通过调频连续波产生模块A1产生特点周期的线性频率调制的连续波，通常采用压控振荡器B3产生频率可变的连续波信号，其中控制电压信号类型一般采用锯齿波或三角波；

步骤2：通过功率放大器B4将调频连续波信号经过功率放大器B4发送至换能器B5，将超声波发射出去；

步骤3：换能器B5同时接收回波信号并转化为电压信号后经过预放大处理电路B6处理后，对调频连续波产生模块A1中的连续波信号经过混频器B7进行混频，得到一个差频信号，混频后的信号在频率域上表现为两个信号频率和与频率差，经过低通滤波器B8处理得到最终有效的下变频率信号，即频率差信号或差频信号；

步骤4：对于下变频率信号通过FFT快速傅立叶变换器B9进行FFT快速傅立叶变换，得到基频信号，用于表征目标物体的距离与性质，再通过信号处理模块A3与显示模块A4，最终实现成像，其中，物质的距离有频率来体现，而物质性质由幅值来体现。

本实施例中，在锯齿波调制与三角波调制两种方式下，目标物体的距分别通过公式（1）、（2）进行表征：

其中D_istance为换能器B5与探测目标之间的距离，V为声波在相关介质内的传递速度，f₀为发射波与回波的频率差，T为时间周期，ΔF为连续波频率的最大频率f_max与最小频率f_min之差，也称为有效调制带宽。

配合图5所示，声波衰减与价值的特性有关，图5所示为超声波在介质中传播时，幅度与介质的超声波衰减系数的关系示意图，由于不同物质具有不同的超声波衰减系数，因此可以通过衰减系数 的计算来表征不同介质，从而显示物质特性的区分与检测，如图5所示，超声成像中物质特性与幅度关系示意公式为：

，其中A_x为距离换能器B5d处的振幅，A₀为超声波初始振幅，e为自然对数，f为超声频率（MHz），a为衰减系数，根据两组一直参数（f1，A1），（f2，A2），可以求得介质的超声波衰减系数，从而得到介质的相关物理特性，另一方面，由于差频信号可以用于表征介质表面到换能器B5的距离，因此可以结合这两个参数实现物质成像，最后结合D_istance距离参数与a衰减系数实现探测目标界面位置与物质特性。

本发明通过一种基于调频连续波超声波成像系统与检测方法，将发射信号与回波信号的时间差测量方式间接转变为差频信号的测量，它具有无距离盲区、高分辨率和低发射功率的优点。该发明简单实用，准确性高，测量准确有效。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于调频连续波超声成像系统，其特征在于：包括调频连续波产生模块、超声波发送与回波接收模块、信号处理模块及显示模块，所述调频连续波产生模块与所述超声波发送与回波接收模块电连接，所述调频连续波产生模块用于产生一个在时域上频率与时间成线性关系的频率信号，所述超声波发送与回波接收模块用于发送所述调频连续波产生模块产生的调频连续波并接收反馈信号，所述超声波发送与回波接收模块输出端与所述信号处理模块输入端电连接，所述信号处理模块对接收的反馈信号进行处理后发送给显示模块进行成像；

所述调频连续波产生模块包括压控振荡器、数模信号转换器、带隙基准电压单元和微控制单元；

所述微控制单元输出端与所述数模信号转换器输入端相连接；

所述数模信号转换器用于产生一个编程电压，通过所述微控制单元，按照一定时间周期固定输出一个锯齿波或三角波电压信号，为所述压控振荡器提供控制电压，最终产生一个频率与电压成线性关系的电信号；

所述数模信号转换器输出端并联上一个带隙基准电压单元；

所述带隙基准电压单元为所述数模信号转换器提供参考的基准电压，稳定输出电压，减少噪声信号的产生，使连续波的输出更稳定；

所述数模信号转换器输出端与所述压控振荡器输入端相连接；所述数模信号转换器的分辨率不低于10位，其输出电压建立时间不高于1ms，有助于输出电压的稳定性与快速响应；

所述超声波发送与回波接收模块包括功率放大器、换能器和预放大处理电路，所述功率放大器输出端与所述换能器输入端相连接将放大后的信号发送，所述换能器将接收的反馈信号传输给所述预放大处理电路处理；

所述信号处理模块对信号混频并过滤提取差频信号，排除干扰；所述信号处理模块包括混频器、低通滤波器、FFT快速傅立叶变换器及数字信号处理器，所述混频器输出端与所述低通滤波器输入端相连接，所述FFT快速傅立叶变换器将过滤后的信号进行处理，传输到所述数字信号处理器处理成像，并在所述显示模块进行显示；所述压控振荡器的输出端与所述混频器的输入端相连接；

所述换能器采用阵列式换能器，所述阵列式换能器采用口径10mm的换能器作为阵列单元。

2.如权利要求1所述的一种基于调频连续波超声成像系统，其特征在于：所述换能器为基于压垫微机械超声换能器阵列的超宽带换能器。

3.如权利要求1所述的一种基于调频连续波超声成像系统，其特征在于：所述压控振荡器采用线性压控振荡器。

4.一种基于调频连续波超声成像的检测方法，其特征在于：所述方法基于如权利要求1所述的一种基于调频连续波超声成像系统实现，该方法包括以下步骤：

步骤1、通过调频连续波产生模块产生周期性的线性频率调制的连续波；

步骤2、通过功率放大器将调频连续波信号经过功率放大器发送至换能器，将超声波发射出去；

步骤3、换能器同时接收回波信号并转化为电压信号后经过预放大处理电路处理后，对调频连续波产生模块中的连续波信号经过混频器进行混频，混频后的信号在频率域上表现为调频连续波产生模块中的连续波信号和换能器接收的回波信号这两个信号的频率和与频率差，经过低通滤波器处理得到最终有效的下变频率信号，即差频信号；

步骤4、对于下变频率信号通过FFT快速傅立叶变换器进行FFT快速傅立叶变换，得到基频信号，用于表征换能器与探测目标之间的距离以及探测目标的物质特性，再通过信号处理模块及显示模块，最终实现成像，其中换能器与探测目标之间的距离由频率来体现，而探测目标的物质特性由幅值来体现。

5.如权利要求4所述的一种基于调频连续波超声成像的检测方法，其特征在于：锯齿波调制、三角波调制两种方式下，换能器与探测目标之间的距离分别通过公式（1）、（2）进行表征：

其中D_istance为换能器与探测目标之间的距离，V为声波在相关介质内的传递速度，f₀为发射波与回波的频率差，T为时间周期，ΔF为连续波频率的最大频率f_max与最小频率f_min之差。

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