CN111938701A - 一种开放式可重构超声科研系统 - Google Patents

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李阳
王权泳
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Abstract

本发明公开了一种开放式可重构超声科研系统，其包括至少一个超声设备、扩展坞、超声换能器、组合部件、触发部件、数据处理设备、连接设备和上位机。本发明可以自定义超声激励波形，并返回超声原始数据，以及解析超声原始数据。使得新型超声算法的研究者们可以在有实时反馈的情况下验证自己的算法，避免大量而又重复且不能保证采集到的数据是想要的数据的数据采集工作，本发明可助力超声科研发展，促进新型超声算法的开发，解决了现有超声设备难以进行科研活动的问题。

Description

一种开放式可重构超声科研系统
技术领域
本发明涉及生物医学工程领域，具体涉及一种开放式可重构超声科研系统。
背景技术
医学超声技术经过长时间的发展，以其非侵入式、无电离辐射、经济实用、可实时可视化组织与血流运动等特点在临床中占有了重要的地位。
虽然医学超声技术被视为已足够成熟、稳定。但是，许多研究人员特别是学术界的研究者为了提高图像的质量以及临床诊断的准确度，仍然在积极探索新型的超声收发模式、成像信号以及图像处理算法。而在研究新型的超声算法时，需要传输自定义的激励波形或脉冲序列，接收部分的、不同采集点的数据，根据特定算法实时处理回波信号等等。不幸的是，商业超声设备都是按照临床标准而设计的，以上的操作是不被允许的。
现有的超声设备中处理后的数据才会被传输至只具有有限编程能力的超声成像系统，用于不同超声模式的成像。因此目前的超声设备都过于集成化，研究者无法实时获取在波速合成之前的超声数据即超声原始数据，导致很多科研活动都难以展开。所以在超声领域中，研究者对于开放式的超声系统和设备的需求越来越大。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种开放式可重构超声科研系统解决了现有超声设备难以进行科研活动的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种开放式可重构超声科研系统，其包括至少一个超声设备、扩展坞、超声换能器、组合部件、触发部件、数据处理设备、连接设备和上位机；
超声设备，包括至少8个可独立控制的超声激励通道，用于发射超声激励信号并采集超声原始数据；包括产生200MHz以上频率内部时钟部件，用于抓取同步信号；
扩展坞，用于连接超声换能器与超声设备的超声激励通道；
组合部件，用于固定超声设备、通过串联和/或并联的方式连接不同的超声设备；
触发部件，与超声设备相连，通过产生同步信号使多个超声设备协同工作；
连接设备，用于连接超声设备与数据处理设备；
上位机，与数据处理设备相连，用于设置超声激励信号的参数自定义超声激励波形、按超声设备排列顺序接收所有超声原始数据，以及解析超声原始数据；
数据处理设备，用于将上位机设置的超声激励信号的参数、自定义的超声激励波形分配给各个超声设备，并将获取的超声原始数据按超声设备排列顺序发送至上位机。
进一步地，超声设备包括型号为EP4CE55F23I7N的主控芯片。
进一步地，连接设备为USB转PCIe连接器。
进一步地，连接设备为包括型号为CY7C68013A芯片的USB连接器。
进一步地，连接设备为无线传输模块，包括WiFi组件和蓝牙组件。
进一步地，超声设备中用于发射超声激励信号的部件包括型号为HDL6M05584的升压芯片。
进一步地，超声设备中用于采集超声原始数据的部件包括型号为AFE5805的超声模拟前端芯片。
进一步地，扩展坞为设置有SMB-JW射频插座的器件。
进一步地，触发部件为N9310A射频信号发生器。
本发明的有益效果为：
1、本系统可以自定义超声激励波形，并返回超声原始数据，以及解析超声原始数据，使得新型超声算法的研究者们可以在有实时反馈的情况下验证自己的算法，避免大量而又重复且不能保证采集到的数据是想要的数据的数据采集工作，本发明可助力超声科研发展，促进新型超声算法的开发，解决了现有超声设备难以进行科研活动的问题。
2、本系统可以帮助科研人员实现不同于传统超声成像模式的新型成像模式，例如合成孔径成像、平面波成像、剪切波弹性成像和矢量血流成像等等。这种实现方式所需的时间和资源比从头重新设计超声扫描仪原型所需的时间和资源要少得多。
3、本系统设备体积较小，可按需求拆卸、组装使用。本系统通过使用高性能的可编程器件以及级联的方式，实现成本的降低和平台的便携化，避免购买昂贵且笨重的商业超声设备，拓宽了开放式超声平台的应用场景。
4、本系统通过使用超高时钟频率抓取同步信号，并在每一个超声设备中缓存同步信号，提高了集群中超声设备之间同步工作的稳定性。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明触发部件的第一种触发结构示意图；
图3为本发明触发部件的第二种触发结构示意图；
图4为本发明触发部件的第三种触发结构示意图；
图5为本系统的运行流程示意图；
图6为本系统的三态任意波形调节界面图；
图7为本系统的时间增益曲线调节界面图；
图8为本系统的A模式成像界面图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，该开放式可重构超声科研系统包括至少一个超声设备、扩展坞、超声换能器、组合部件、触发部件、数据处理设备、连接设备和上位机；
超声设备，包括至少8个可独立控制的超声激励通道，用于发射超声激励信号并采集超声原始数据；包括产生200MHz以上频率内部时钟部件，用于抓取同步信号；
扩展坞，用于连接超声换能器与超声设备的超声激励通道；
组合部件，用于固定超声设备、通过串联和/或并联的方式连接不同的超声设备；
触发部件，与超声设备相连，通过产生同步信号使多个超声设备协同工作；
连接设备，用于连接超声设备与数据处理设备；
上位机，与数据处理设备相连，用于设置超声激励信号的参数自定义超声激励波形、按超声设备排列顺序接收所有超声原始数据，以及解析超声原始数据；
数据处理设备，用于将上位机设置的超声激励信号的参数、自定义的超声激励波形分配给各个超声设备，并将获取的超声原始数据按超声设备排列顺序发送至上位机。
在具体实施过程中，超声设备采用CycloneⅣ系列下的EP4CE55F23I7N主控芯片。采用HDL6M05584高压脉冲芯片来提高激励脉冲信号的电压值，同时分别具有8路的正高压和8路的负高压输出，输出电压范围为0到±100V，在输出电压为±60V的情况下，该芯片的输出频率可达20MHz，使得超声设备可以控制每个通道的超声激励信号之间的延时精度在5ns以上，并保证本系统的适用范围广。采用AFE5805超声模拟前端芯片采集超声回波信号，其集成了8个通道，每个通道都完整的包括低噪声放大器(LNA)、压控衰减器(VCA)、可编程增益放大器(PGA)、低通滤波器(LPF)、支持LVDS数据输出的12位50MHz采样率的ADC。采用该芯片使得本超声设备具有高集成度、低功耗、高信噪比的特点。
可以通过上位机实时自定义超声激励波形，可改变如中心频率、三态任意波形、脉冲个数、脉冲占空比以及发射延时时间等超声波形的参数。其中，三态包括正高压、负高压与接地。
连接设备可以采用有线式和无线式，有线式连接设备可以采用USB转PCIe连接器，具体可以为设置有CY7C68013A芯片的USB连接器。连接设备通过PCIe接口连接电脑，实现大规模的超声原始数据的实时传输。每台超声设备使用USB芯片实现数据的交互，即足以满足较小规模的超声原始数据的传输，也能够减小超声设备的体积。同时，连接设备通过PCIe协议与电脑实现通信，可以实现所有超声设备共同产生的大量的超声原始数据的实时传输。通过使用上述连接设备，可以让系统适应重构超声设备数量较多时而数据处理设备的数据接口较少的情况。无线式连接设备可以是4G通信模块、5G通信模块或WiFi模块。
该实施例中的超声设备具有8个能独立控制的超声激励通道，可以通过USB芯片实时接收如停止采集、改变激励脉冲形式以及每个通道发射超声信号的相对延时时间等控制指令，并做出相应改变，同时可以实时地将采集到的超声回波数字信号通过USB芯片传输至数据处理设备。
在具体实施过程中，扩展坞为一端设置有SMB射频信号接口，另一端设置有SMB-JW射频插座的器件，SMB射频信号接口可以与超声设备相连，SMB-JW射频插座可以与超声换能器相连。
触发部件可以采用N9310A射频信号发生器，其可以产生脉冲幅度在3.3V以上、脉冲上升时间在4.1ns以下、脉冲宽度在10ns以上的脉冲信号，该脉冲信号可以作为本系统的同步信号。超声设备可以通过内部产生240MHz的超高频时钟来捕捉同步信号，以保障本系统中各个超声设备之间同步的稳定性以及一致性。如图2所示，触发部件可以与其余部件分开设置，作为外部信号源向第一个超声设备发送同步信号。如图3所示，触发部件可以与连接设备设置在一起并与每个超声设备相连，向每个超声设备发送同步信号。如图4所示，触发部件可以直接设置在第一个超声设备中，从超声设备内部产生同步信号。
在具体所示过程中，本系统的运行流程如图5所示，首先会接收来自上位机的发射脉冲配置参数，然后根据这些参数配置超声波的激励波形。此时开始检测同步脉冲信号，在此定义为上升沿有效，即检测到同步脉冲信号由低电平变为高电平的时候，超声设备开始一次扫描。超声设备一次扫描包括发射超声波、采集超声回波数据和传输超声原始数据。完成一次扫描后，超声设备继续等待下一次同步脉冲信号触发。
在本发明的一个实施例中，并联式的组合部件是指同时将同步信号分开传输至每一台超声设备，每一台超声设备同时将采集到的超声原始数据分开传输到连接设备。串联式的组合部件是指每一台超声设备都接收来自上一级的同步信号，然后再将经过内部缓存过后的同步信号传输至下一台超声设备，每台超声设备采集到的超声原始数据也一级一级的向上传输直至连接设备。串并联结合的方式是指每一台超声设备都接收来自上一级的同步信号，然后再将经过内部缓存过后的同步信号传输至下一台超声设备，但是每一块超声设备会同时将采集到的超声原始数据分开传输到连接设备。内部缓存是指同步信号由EP4CE55F23I7N主控芯片采样过后，再输出相同的同步信号，经过这样一个步骤，能够避免同步信号负载能力不足的情况。
在本发明的一个实施例中，上位机可以是基于Windows、Linux、IOS、Android系统等各类系统的设备。具体的，上位机优先采用基于Windows系统的个人电脑，其可以具备更加友好的用户界面和更加简便明了的操作方式，摒弃一般专业软件晦涩难懂的专业选项和文字式的参数设置。上位机可以加入大量图形设置的方式，通过二维图形的方式使得用户可以更加直观简便的设置出自己想要的超声激励信号。具体的，如图6所示，用户可以在上位机的网格图形中画出所需形状的激励信号，通过上位机识别网格图形中画出的激励信号的数值，并将该数值作为调节参数，实现激励信号的三态任意波形调节。具体的，如图7所示，用户可以通过拖拉二维网格图形中的几个关键点实现时间增益曲线的调节。具体的，如图8所示，上位机包括A模式成像图像，A模式成像图像可以简单的帮助用户定位超声换能器的位置，确保本系统可以采集到正确所需的超声信号。
综上所述，本发明可以自定义超声激励波形，并返回超声原始数据，以及解析超声原始数据。使得新型超声算法的研究者们可以在有实时反馈的情况下验证自己的算法，避免大量而又重复且不能保证采集到的数据是想要的数据的数据采集工作，本发明可助力超声科研发展，促进新型超声算法的开发，解决了现有超声设备难以进行科研活动的问题。

Claims (9)

1.一种开放式可重构超声科研系统，其特征在于，包括至少一个超声设备、扩展坞、超声换能器、组合部件、触发部件、数据处理设备、连接设备和上位机；
所述超声设备，包括至少8个可独立控制的超声激励通道，用于发射超声激励信号并采集超声原始数据；包括产生200MHz以上频率内部时钟部件，用于抓取同步信号；
所述扩展坞，用于连接超声换能器与超声设备的超声激励通道；
所述组合部件，用于固定超声设备、通过串联和/或并联的方式连接不同的超声设备；
所述触发部件，与超声设备相连，通过产生同步信号使多个超声设备协同工作；
所述连接设备，用于连接超声设备与数据处理设备；
所述上位机，与数据处理设备相连，用于设置超声激励信号的参数自定义超声激励波形、按超声设备排列顺序接收所有超声原始数据，以及解析超声原始数据；
数据处理设备，用于将上位机设置的超声激励信号的参数、自定义的超声激励波形分配给各个超声设备，并将获取的超声原始数据按超声设备排列顺序发送至上位机。
2.根据权利要求1所述的开放式可重构超声科研系统，其特征在于，所述超声设备包括型号为EP4CE55F23I7N的主控芯片。
3.根据权利要求1所述的开放式可重构超声科研系统，其特征在于，所述连接设备为USB转PCIe连接器。
4.根据权利要求1所述的开放式可重构超声科研系统，其特征在于，所述连接设备为包括型号为CY7C68013A芯片的USB连接器。
5.根据权利要求1所述的开放式可重构超声科研系统，其特征在于，所述连接设备为无线传输模块，包括WiFi组件和蓝牙组件。
6.根据权利要求1所述的开放式可重构超声科研系统，其特征在于，所述超声设备中用于发射超声激励信号的部件包括型号为HDL6M05584的升压芯片。
7.根据权利要求1所述的开放式可重构超声科研系统，其特征在于，所述超声设备中用于采集超声原始数据的部件包括型号为AFE5805的超声模拟前端芯片。
8.根据权利要求1所述的开放式可重构超声科研系统，其特征在于，所述扩展坞为设置有SMB-JW射频插座的器件。
9.根据权利要求1所述的开放式可重构超声科研系统，其特征在于，所述触发部件为N9310A射频信号发生器。
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