CN112461764A - 一种基于可编程声延迟线的多合一数据采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超声信号延迟结构。本发明的另一个技术方案是提供了一种基于可编程声延迟线的多合一数据采集方法，其特征在于，N路超声探头检测到的信号至少输入(N‑1)个上述的超声信号延迟结构后形成N路具有不同延迟时间的延迟信号，使得N路延迟信号按一定的时间延迟相间分开，N路延迟信号合为1路信号输出后由一路DAQ进行采集，N≥4。本发明提出的可编程控制的声延迟线模块可实现多合一数据采集，可将多路PA信号经不同延时后合为一路组合信号输出并由1路DAQ采集通道采集，采集到的组合信号可在计算机中还原为多路信号用于光声图像重建，从而可以有效降低医学成像系统的成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种数据采集方法，属于信号采集、模拟信号延迟、声延迟线、可编程延迟、信号重建、光声成像等领域。
背景技术
模拟信号延迟线在许多场合中都非常有用，广泛使用在雷达、电子计算机、彩色电视系统、通信系统，以及测量仪器(如示波器)中，但是关于延迟电路的设计方法却很少被提及。要实现数字信号的时延非常简单，通常信号被输入移位寄存器的一端，在N个时钟周期后出现在另一端，其中N是寄存器的长度。但是模拟延迟更难实现，可实现的方法取决于所需延迟的长度，对于长时间的延迟，可能只有几秒钟的时间，唯一实用的方法是记录和复制。磁带循环就是一个例子，一些早期计算机使用的旋转磁鼓存储便是根据此原理。在电信号中，模拟延迟线是由级联的电子元件组成的网络，每个元件在其输入信号和输出信号之间产生时间差或相位差。其他类型的延迟线还包括声学(通常是超声波)、磁致伸缩和表面声波装置等。
产生延迟的一般方法是利用波的传播时间。以速度V传播的波在距离为S 处接收将产生S/V的时延。对于理想的波传播，传播速度V与频率无关。在相同介质中速度都是一样的。电磁波可以在长度为L的传输线的一端发射，并在另一端以S/V的延迟时间被接收。对于非色散传播传输线的波速是恒定的。而电信号的传播速度极快，由于传输线长度的限制，因此电信号的延迟线仅适用于以纳秒为单位测量的延迟，其上限可能不到一微秒。此外，超声波延迟线适用于某些需要较长时延及高稳定度的场合。由于超声波在液体中传播速度约1480m/s且衰减小，比电波在导体中传播速度慢的多，基于该原理，把电信号转变成机械振动让其通过传播介质可以得到较长的延迟时间。
在医学成像技术中都需要接受大量的模拟信号，比如超声成像、光声断层成像(PAT)，而且多数信号为瞬时脉冲，因此将消耗大量的DAQ(数字采集)采集口用于信号采集，这将导致整个系统的成本急剧升高。
以PAT系统为例，系统中由超声阵列探头检测多个角度的光声信号，每个通道的信号对应接到DAQ(数字采集卡)的采口，因此在同时捕获多路光声信号时就对应需要多通道的DAQ采集口。通常在PAT系统中激光的照射频率非常低(小于20Hz)，这导致了在PAT系统中占很大部分成本的DAQ更多处于空闲工作状态。
当PAT系统在采用传统一对一数据采集方案时，随着超声探头数量的增加，系统对DAQ采集通道数也急剧增加，因此系统的成本将急剧升高，如图1所示。而采用传统方式采集时由于激光的重复频率极低(如20Hz)，光声信号的持续时间也非常的短(如40微秒，假设声速1500米/秒，成像范围60毫米， t＝60mm/(1500m/s)＝40毫秒)，此时DAQ大部分时间工作在空闲状态，如图2所示，DAQ利用率仅为0.08％(40微秒/50毫秒)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：医学成像技术需要接受大量的模拟信号，因此将消耗大量的DAQ采集口用于信号采集，导致整个系统的成本急剧升高。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种超声信号延迟结构，其特征在于，包括超声发射单元、超声传播介质以及超声接收单元，超声探头检测到的信号经由信号输入控制开关输入加法器的一个输入端，加法器的另一个输入端经由信号反馈控制开关连接超声接收单元的输出端，加法器的输出的信号输入超声发射单元，当超声发射单元接收到输入信号后，根据输入信号产生超声波并经由超声传播介质传导至超声接收单元，超声接收单元产生的输出信号一方面经由信号输出控制开关输出，另一方面经由信号反馈控制开关反馈至加法器；
由控制单元控制信号输入控制开关、反馈控制开关及输出控制开关，并在控制单元中设定延迟时间，控制单元依据延迟时间控制信号输入控制开关、反馈控制开关及输出控制开关在相应时刻打开、断开，从而使超声探头检测到的信号按设定的延迟时间产生延迟获得延迟信号。
优选地，所述超声接收单元产生的输出信号先经过放大器一放大后，再经由所述信号输出控制开关输出、经由所述信号反馈控制开关反馈至所述加法器；
信号反馈至所述加法器的另一个输入端前经过放大器二放大。
优选地，所述放大器一采用前置低噪放大器，所述放大器二采用增益可调放大器，两放大器的增益与声延迟线衰减构成的闭环增益小于1。
优选地，所述信号输入控制开关、所述反馈控制开关及所述输出控制开关均采用高速模拟开关。
本发明的另一个技术方案是提供了一种基于可编程声延迟线的多合一数据采集方法，其特征在于，N路超声探头检测到的信号至少输入(N-1)个上述的超声信号延迟结构后形成N路具有不同延迟时间的延迟信号，使得N路延迟信号按一定的时间延迟相间分开，N路延迟信号合为1路信号输出后由一路DAQ进行采集，N≥4。
优选地，将由DAQ采集得到的信号恢复为N路信号用于PAT成像。
为了充分利用DAQ资源和降低系统成本，本发明提出的可编程控制的声延迟线模块可实现多合一数据采集，可将多路PA信号(光声信号)经不同延时后合为一路组合信号输出并由1路DAQ采集通道采集，采集到的组合信号可在计算机中还原为多路信号用于光声图像重建，从而可以有效降低医学成像系统的成本。
在PAT成像系统中，光声信号(PA信号)是由脉冲激光照射产生的球面波，同时信号由不同接收角度的超声探头同步检测。本发明提出的可编程多合一数据采集方法可以将N路超声探头检测到的PA信号合为一路输给数据采集卡采集。这样可以实现PAT系统对DAQ通道数的要求，降低系统成本，而对于固定DAQ 通道数的PAT系统则可以实现减少PAT数据采集时的扫描时间，提高成像速度。
附图说明
图1为传统光声信号采集连接方案；
图2为对应于图1所示方案DAQ的工作状态；
图3为基于可编程延迟线多合一信号采集方案的原理图；
图4为对应于图3所示方案的DAQ工作状态；
图5为实施例中的模拟信号延迟线模块；
图6为实施例中的可编程延迟单元的示意图；
图7为实施例中的声延迟单元结构示意图；
图8为声延迟单元结构传输特性；
图9为可编程延迟单元输入输出信号；
图10为可编程延迟单元衰减特性曲线；
图11为模拟信号延迟线模块的控制原理图；
图12为激光器触发信号；
图13为4路光声信号波形；
图14为FPGA产生的可编程延迟线控制信号波形；
图15为延迟光声信号；
图16为4合1延迟信号；
图17为可编程延迟线多合一采集模块和信号恢复对应过程；
图18为多组4合1的组合信号波形；
图19到图22所示为一路四合一延迟信号恢复后的4路PA信号；
图23为基于可编程声延迟线多合一数据采集系统的光声成像系统结构图；
图24为样品的实物照片；
图25为传统采样方法成像图；
图26为基于延迟线采样方法的成像图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
以下实施例以4路超声探头检测到的信号为例来对本发明做进一步说明，应当注意的是，4路以上的情况同样适用于本发明所公开的方法。
本发明所公开的技术方案注重于提高数据采集卡的利用效率，通过一个可编程控制延迟时间的四输入单输出的模拟信号延迟线模块使得更少的DAQ通道采集更多的光声信号，再将4合1的组合信号恢复为四路信号用来PAT成像。
本实施例中的模拟信号延迟线模块如图5所示，包括三个延迟单元(分别为延迟单元一、延迟单元二及延迟单元三)、一个传输单元及一个加法器。4路超声探头检测到的信号分别输入三个延迟单元及一个传输单元，输入传输单元的信号不产生延迟(本发明中，同样将其定义为延迟信号)，输入三个延迟单元的信号分别产生三路不同延迟时间的延迟信号，由此得到四路具有不同延迟时间的延迟信号。通过不同延迟的编程设定，可以实现不同的信号延迟。通过加法器将四路延迟信号相加后合为一路信号输出，其中，四路延迟信号按一定的时间延迟相间分开。模拟信号延迟线模块输出的信号可以通过一路DAQ采集。
如图6所示，三个延迟单元的结构相同，为可编程延迟单元，包括三个高速模拟开关、两个放大器以及一个声延迟单元结构。高速模拟开关SWin用于控制信号输入；高速模拟开关SWout用于控制信号输出；高速模拟开关SWfb是信号反馈回路控制开关。
经声延迟单元结构输出的信号由两个放大器放大，其中，LNPAmp是前置低噪放大器，VGAmp是增益可调放大器可以调整闭环增益大小，两个放大器和声延迟单元结构构成的闭环增益小于1以保证经过多个周期延迟信号不会饱和失真。
声延迟单元结构如图7所示，采用声延迟结构。由于PA信号频率较高，因此为超声信号延迟结构，其包括超声发射单元、超声传播介质(声导体)及超声接收单元。本发明采用超声换能器1作为超声发射，采用超声换能器2作为超声接收单元，水3作为声传播介质。其工作原理是为：当超声发射单元接收到输入信号后，超声发射单元将根据输入信号产生超声波并经由水传导至另一侧的超声接受单元接收，输出端与输入端信号的时间差满足如下公式：
其中，t为延迟时间，L为声传播介质长度，v为声在传播介质中的速度。本实施例中，L为60毫米。
图8表示声延迟单元结构输入输出信号。图9为经多个经延迟周期的输入与输出信号，信号的延迟周期数可以通过可编程部分控制。图10展示的是延迟信号衰减和延迟线长度与延迟周期的关系。在恢复信号时，经延迟后的信号需根据对应的衰减特性做相应的幅度补偿。输出信号和输入满足如下公式：
f(t)＝T×g(t-dt×N)
其中，f(t)表示输出，g(t)表示输入，dt表示延迟时间，T为声延迟线的传输矩阵，N为可编程控制的延迟周期。模拟信号延迟线模块的延迟时间取决于声传播介质长度和可编程模块FPGA对模拟信号延迟线模块的控制，即延迟时间为延迟线延迟周期乘以延迟周期数。
本发明中所用的可编程控制单元为FPGA，FPGA控制可编程延迟单元中的三个高速模拟开关。4路超声探头检测到的信号经放大后输入到模拟信号延迟线模块后，触发信号由一个比较器电路检测后输给FPGA中，FPGA产生相应的控制信号控制模拟信号延迟线模块中的高速模拟开关，模拟信号延迟线模块从而输出4 路不同时间延迟的延迟信号，再经过1个多路加法器模块相加，将4路信号合为1 路信号输出。
控制信号由FPGA产生，控制信号时序和信号的关系如图12至图16所示，其中，图12为控制激光器输出的触发信号，当信号上升沿时激光触发。图13为超声探头检测到的光声信号，图14为延迟线的控制信号，其中SWin控制信号输入，在激光触发后固定一段延迟时间t1后打开，以截去由激光器电磁耦合产生的耦合信号，在t2时刻断开。图5中展示的模拟信号延迟线模块的输出控制信号在t1打开t2 时刻断开，对应输出信号如图15中所示。可编程延迟单元的输出控制信号和反馈控制信号如图14中所示，信号的延迟时间可以在FPGA模块中设置，延迟后的信号如图15所示。图16中展示的是四合一信号输出波形，四个输入信号按一定的时间延迟相间分开，可以通过一路DAQ采集。
数据采集卡采集到的是4合1的一个组合信号，其波形由多个部分组成，分别为每路信号波形在时域上平移后的信号。图17展示了可编程延迟线的多合一数据采集分别在模拟域和数字域上对信号的操作，延迟线在模拟域可以分为信号放大，信号延迟，信号求和叠加得到四合一组合信号，并由DAQ采集。数字域信号恢复的过程可以看作是模拟域对应操作的逆过程，包含信号分离，信号时移操作，信号放大将四合一组合信号恢复为四路信号。
如图18所示为多组4合1的组合信号波形，从中可以看出其由4组信号经不同时长的延迟后组合而成。在采集到该数据后可以在数字域按照对应的延迟时间还原为4路信号，如图19到图22所示为一路四合一延迟信号恢复后的4路PA信号。延迟信号恢复满足如下公式：
g1[n]＝f[n+dN] (0<n<N1)
gi[n]＝Ti -1×f[n+dNi] (Ni-1<n<Ni)
以上公式表示的均为离散的数字信号，其中g1[n]表示组合信号的第一部分，其为没有经过延迟结构的信号，共有N1个数据；dN表示延迟时间在数字域上对应的数据点数；f[·]表示对应恢复后的信号；gi[n]表示组合信号的第i路延迟后的信号，dNi为第i路的延迟时间在数字域上对应数据点数；Ti -1表示的是第i路延迟结构传输矩阵的逆矩阵；其中dNi可由下式计算得到：
dNi＝fs×ti
fs表示DAQ采样率，ti表示第i通道的延迟时间，由
计算得到。
综上所述，基于可编程声延迟的多合一数据采集系统可以实现单个DAQ采集口采集多路信号，并在数字域将其恢复为多路信号，基于此方法的PAT系统可以降低系统成本加快成像速度。
多合一延迟线信号采集模块用于光声成像的系统装置如图23所示。系统包括波长为532纳米的大功率脉冲激光器、一个步进角可调的旋转位移台用于控制探头的不同接收角度、一个多通道放大器、多通道延迟线模块、数据采集模块以及信号发生器和电脑。激光器发出的脉冲激光经光路调整使激光平行均匀的照射在样品表面，其中凸透镜调整激光使其平行输出、毛玻璃用于均匀激光能量；步进电机控制探头的接收角度；超声探头接收到的光声信号经多通道放大器放大后传给多合一延迟模块，可编程延迟线模块将4输入信号合为1路输出并由数据采集卡采集，将延迟线输出的组合信号经计算机恢复为4路信号后便可用于成像。传统的数据采集方法是每路探头接收的信号分别接一个数据采集通道，而采用本专利提出多合一数据采集系统便可以仅用传统采样方法四分之一或更少的数据采集通道满足系统要求并完成光声成像。本发明提出的基于声延迟的多合一数据采集系统不仅适用于PAT成像系统，同样也适用于超声成像等其他类型的需要大量并行高速脉冲信号采集的系统。
为了验证多合一可编程声延迟线数据采集系统的可行性，通过PAT系统对样品进行成像，并对传统的光声信号检测和基于声延迟线恢复的光声信号检测进行了比较。成像样品是由2B铅笔芯和琼脂制成的一个类似三角形结构，铅笔芯直径为0.5毫米，包裹在琼脂中，用水作为光声信号耦合剂。样品周围环绕着四超声波探头的环形探头架，探头彼此之间相差90度分布，由步进电机控制探头架围绕样品旋转如图23所示。实验装置中将高功率激光器发出的波长532纳米、重复频率为10赫兹的脉冲激光光源通过光纤和一组光路使激光均匀打在成像样品上。本实验中使用的DAQ采集卡是一台1GSPS采样率的示波器(Tektronics)。此外，用于放大光声信号的前置放大器模块是定制的四通道放大器组。
四合一可编程延迟线模块内有三个可编程声延迟线单元，基于水的良好声传导性和声速稳定约为1500m/s(室温23℃下)，因此三个延迟线单元的声传播介质均为水。三组声延迟线的延迟时间分别为1个单位时间、2个单位时间和3个单位时间，单位时间取决于有效分开各路光声信号的时长，具体可由
计算得到，本实验单位时间是基于声传播路径为6cm设置的。
在实验中，采集时以步进角度为3度环绕样品一周，采集不同角度的120路光声信号，环形超声探头阵列的扫描直径为10.6厘米。实验由4个超声探头接收光声信号，信号采集过程经4合1基于声延迟的数据采集系统由1个DAQ采集口采集 30组数据即可得到120路光声信号。
将延迟线采集的30组信号按照本发明提出的信号恢复方法即可得到120路的信号用于图像重构，在本发明中使用的图像重建算法是经典的延时求和 (Delay-And-Sum)波束成形(Beamforming)成算法，成像结果如图24至图26所示。图24为样品实物照片，图24可以看出，传统检测方法重建的图像清晰，边界明显。而图26所示为基于延迟线采样方法的重构图像，其中背景噪声导致了一些图像有一些伪影，但物体轮廓仍可分辨。因此，去除信号噪声是基于多通道延迟线模块光声成像系统成像后提高图像质量必不可少的步骤。以上实验结果证明了所提出的多通道光声信号延迟线模块在PAT系统中的可行性。
Claims (6)
1.一种超声信号延迟结构，其特征在于，包括超声发射单元、超声传播介质以及超声接收单元，超声探头检测到的信号经由信号输入控制开关输入加法器的一个输入端，加法器的另一个输入端经由信号反馈控制开关连接超声接收单元的输出端，加法器的输出的信号输入超声发射单元，当超声发射单元接收到输入信号后，根据输入信号产生超声波并经由超声传播介质传导至超声接收单元，超声接收单元产生的输出信号一方面经由信号输出控制开关输出，另一方面经由信号反馈控制开关反馈至加法器；
由控制单元控制信号输入控制开关、反馈控制开关及输出控制开关，并在控制单元中设定延迟时间，控制单元依据延迟时间控制信号输入控制开关、反馈控制开关及输出控制开关在相应时刻打开、断开，从而使超声探头检测到的信号按设定的延迟时间产生延迟获得延迟信号。
2.如权利要求1所述的一种超声信号延迟结构，其特征在于，所述超声接收单元产生的输出信号先经过放大器一放大后，再经由所述信号输出控制开关输出、经由所述信号反馈控制开关反馈至所述加法器；
信号反馈至所述加法器的另一个输入端前经过放大器二放大。
3.如权利要求1所述的一种超声信号延迟结构，其特征在于，所述放大器一采用前置低噪放大器，所述放大器二采用增益可调放大器，两放大器的增益与声延迟线衰减构成的闭环增益小于1。
4.如权利要求1所述的一种超声信号延迟结构，其特征在于，所述信号输入控制开关、所述反馈控制开关及所述输出控制开关均采用高速模拟开关。
5.一种基于可编程声延迟线的多合一数据采集方法，其特征在于，N路超声探头检测到的信号至少输入(N-1)个如权利要求1所述的超声信号延迟结构后形成N路具有不同延迟时间的延迟信号，使得N路延迟信号按一定的时间延迟相间分开，N路延迟信号合为1路信号输出后由一路DAQ进行采集，N≥4。
6.如权利要求5所述的一种基于可编程声延迟线的多合一数据采集方法，其特征在于，将由DAQ采集得到的信号恢复为N路信号用于PAT成像。
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2020
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