CN112998745A - 一种用于超声成像的发射波束形成方法、系统及诊断设备 - Google Patents

Abstract

一种用于超声成像的发射波束形成方法、系统及诊断设备，其中，该方法获取第一组参数和第二组参数、根据第一组参数离线计算并存储第一计算参数和第二计算参数、根据第一计算参数、第二计算参数以及第二组参数实时计算各阵元的声程及基于最大声程实时计算各阵元的延时参数。第一组参数包括探头的阵元间距、总阵元数、阵列的曲率半径以及声束的偏转角度，第二组参数包括焦距。通过上述发射波束形成方法，只需存储第一计算参数和第二计算参数，大大减少了占用的存储资源，及减少了实时计算的运算量，对硬件设备要求低，实用性强；基于最大声程计算各阵元的延时参数，每个延时参数均为正值，无需进行额外的对齐处理，实现了延时参数的自适应补偿。

Description

一种用于超声成像的发射波束形成方法、系统及诊断设备

技术领域

本发明属于超声成像技术领域，尤其涉及一种用于超声成像的发射波束形成方法、系统及诊断设备。

背景技术

医用超声成像诊断技术具有无创和实时成像的优势，在临床中得到越来越广泛的应用，尤其是B模式成像系统。B模式成像系统由发射波束形成模块、接收波束形成模块、包络检波模块、对数压缩模块和数字扫描转换模块以及图像后处理模块等主要模块组成。其中，发射波束形成模块是医用超声成像系统中一项非常重要的技术，是指通过对超声阵列中不同的阵元施加不同延时的激励信号，使得各个阵元在不同时刻发射的超声波信号同时到达焦点位置，因此需要计算各个阵元的延时参数，以根据延时参数相应输出激励信号。

目前，传统的用于波束形成的延时参数计算方法有离线计算和实时计算两种。其中，离线计算是指事先计算出各个阵元的发射延时参数并在系统初始化时加载到RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)；对于离线计算方式，考虑到不同类型的超声探头、不同的偏转角度和不同的焦距组合，需要存储的延时参数非常庞大，因此需要占用非常多的存储资源；例如，3种类型的探头、5种偏转角度和16种焦距，每次参与发射的总阵元数为64，那么总共需要存储3×5×16×64＝15360个延时参数；探头类型是指按照探头中孔径阵列的排布方式分类，探头分为线阵探头、凸阵探头等。实时计算是指通过FPGA(FieldProgrammable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)平台或者PC(Personal Computer，个人计算机)平台实时计算各阵元延时参数，模块设计复杂，运算量大，对硬件资源要求高。此外，目前传统的延时参数计算方法均以阵列中心为参考点进行计算，即

其中τ_k为第k个阵元的延时参数，F为焦距，l_k为第k个阵元的声程，c为超声波在人体组织中的传播速度，这种计算方式的缺点为计算的每个延时参数都是相对于阵列中心的延时，因此包含有正延时和负延时，需要额外进行对齐处理。

因此，传统的波束形成技术中存在着采用离线计算的方式而导致占用过多存储资源，或者采用实时计算的方式而导致运算量大、对硬件设备要求高的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种用于超声成像的发射波束形成方法、系统及诊断设备，旨在解决传统的技术方案中存在的通过离线计算的方式而导致占用过多存储资源，或者通过实时计算的方式而导致运算量大、对硬件资源要求高的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种用于超声成像的发射波束形成方法，包括：

以探头的孔径阵列的中心作为参考原点建立xz轴平面坐标系；

获取第一组参数和第二组参数，第一组参数包括探头的阵元间距、总阵元数、阵列的曲率半径以及声束的偏转角度，第二组参数包括焦距，焦距为焦点到参考原点的距离；

根据第一组参数离线计算得到第一计算参数和第二计算参数，并进行存储；

根据第一计算参数、第二计算参数以及第二组参数实时计算各个阵元的声程；

基于最大声程实时计算并得到各个阵元的延时参数。

本发明实施例的第二方面提供了一种用于超声成像的发射波束形成系统，包括：

参数配置模块，被配置为获取第一组参数和第二组参数，所述第一组参数包括探头的阵元间距、总阵元数、阵列的曲率半径以及声束的偏转角度，所述第二组参数包括焦距，焦距是指在以孔径阵列的中心作为参考原点建立的xz轴平面坐标系上，焦点到参考原点的距离；

离线计算模块，被配置为根据所述第一组参数计算第一计算参数和第二计算参数；

存储模块，被配置为存储所述第一计算参数和所述第二计算参数；

实时计算模块，被配置为根据所述第一计算参数、所述第二计算参数以及所述第二组参数实时计算各个阵元的声程，并基于最大声程计算各个阵元的延时参数，以驱动各个所述阵元分别在对应的时刻发射超声波。

本发明实施例的第三方面提供了一种诊断设备，包括：

发射波束形成器、接收波束形成器、包络检波器、对数压缩器以及显示器；

所述发射波束形成器与所述接收波束形成器连接，所述包络检波器与所述对数压缩器连接，所述对数压缩器与所述显示器连接；

所述发射波束形成器基于如上述的发射波束形成系统进行工作，以驱动各个阵元分别在对应的时刻发射超声波；

所述接收波束形成器用于接收并传输所述超声波；

所述包络检波器用于获取所述超声波的包络特征以合成包络信号；

所述对数压缩器用于对所述包络信号压缩为图像信号并输出至所述显示器；

所述显示器用于进行图像显示。

上述一种用于超声成像的发射波束形成方法、系统及诊断设备，通过离线计算并存储第一计算参数和第二计算参数，实时计算声程和延时参数，既减少了需要存储的数据、节约了存储资源，又减少了实时计算的运算量，降低对硬件设备的要求，实用性强。将该超声成像的发射波束形成方法和系统应用到超声换能器的前端控制过程中，可控制超声换能器产生不同参数配置的发射波束。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的第一方面提供的一种用于超声成像的发射波束形成方法的具体流程图；

图2为探头的孔径阵列为线阵阵列时，线阵阵列在xz轴平面坐标系上的示意图；

图3为探头的孔径阵列为凸阵阵列时，凸阵阵列在xz轴平面坐标系上的示意图；

图4为本发明实施例的第一方面提供的一种用于超声成像的发射波束形成系统的模块结构示意图。

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。

在超声成像技术中，发射波束形成是指通过给阵列中的不同阵元施加不同延时的激励信号，使得各个阵元在不同时刻发射的发射波束同时到达焦点位置，焦点处声波同相叠加，形成最强声场。本申请旨在提供一种用于超声成像的发射波束形成方法、系统及诊断设备，以解决目前的技术方案中存在的通过离线计算的方式而导致占用过多存储资源，或者通过实时计算的方式而导致运算量大、对硬件资源要求高的问题。

请参阅图1，为本发明实施例的第一方面提供的一种用于超声成像的发射波束形成方法的具体流程图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种用于超声成像的发射波束形成方法，包括如下步骤：

S01：以探头的孔径阵列的中心作为参考原点建立xz轴平面坐标系。

S02：获取第一组参数和第二组参数，第一组参数包括探头的阵元间距、总阵元数、阵列的曲率半径以及声束的偏转角度，第二组参数包括焦距，焦距为焦点到参考原点的距离。

S03：根据第一组参数离线计算并存储第一计算参数和第二计算参数。

S04：根据第一计算参数、第二计算参数以及第二组参数实时计算各个阵元的声程。

S05：基于最大声程实时计算各个阵元的延时参数。

具体的，在步骤S02中，获取第一组参数和第二组参数的方法可通过数据读取设备或者软件进行参数读取和输入，数据读取设备包括PC。

第一组参数包括阵元间距d、总阵元数N、阵列的曲率半径r以及声束的偏转角度θ。其中，阵元间距d指相邻阵元之间的中心间距，总阵元数N为孔径阵列的总阵元数，N为大于等于2的正整数，值得说明的是，全文所述的总阵元数N(孔径阵列的总阵元数)是指孔径阵列中投入使用的阵元的总数，孔径阵列中包含的阵元可以部分或者全部投入使用；以孔径阵列的中心作为参考原点建立的xz轴平面坐标系上，当孔径阵列为线阵阵列时，各个阵元的中心排列在x轴上；当孔径阵列为凸阵阵列时，以凸阵阵列的曲面切线作为x轴。焦距为焦点到阵列中心的距离，声束的偏转角度θ为焦点与阵列中心的连接线和z轴之间的夹角。具体的，第一组参数中，阵元间距d、总阵元数N以及阵列的曲率半径r均为与探头所固有的参数，声束的偏转角度θ则与探头本身的特性无关，然而在实际工作中，声束的偏转角度θ可供选择的预设值数量较少，因此把声束的偏转角度θ归类到第一组参数中，并应用到离线计算中。

本申请提供的发射波束形成方法，应用在超声换能器中，控制超声换能器产生目标发射波束，通过离线计算并存储第一计算参数和第二计算参数、实时计算声程和延时参数，在可控制超声换能器产生相等数量的目标发射波束的前提下，大大节约了存储资源、减少了实时计算的运算量，实用性强。

请参阅图2和图3，分别为线阵阵列和凸阵阵列在xz轴平面坐标系上的示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

在一可选实施例中，步骤S03中根据第一组参数离线计算并存储第一计算参数具体为：

根据第一组参数采用第一公式离线计算并存储第一计算参数，第一公式为：

K1＝X_k ²；

其中，K1为第一计算参数；当探头的孔径阵列为线阵阵列时，X_k＝X_k1；当探头的孔径阵列为凸阵阵列时，X_k＝X_k2；

并且，

其中，k表示第k个阵元的序号，k＝0，1，2，……，N-2，N-1；N为孔径阵列的总阵元数，d为阵元间距；

其中，r为凸阵阵列的曲率半径，k表示第k个阵元的序号，k＝0，1，2，……，N-2，N-1；N为孔径阵列的总阵元数，d为阵元间距。

具体的，X_k1为线阵阵列中，第k个阵元的x轴坐标，也即是第k个阵元与阵列中心的距离。X_k2为凸阵阵列中第k个阵元与阵列中心的距离。各个阵元的序号根据对应的x轴坐标依序进行排列，x轴坐标最小的阵元的序号为0，x轴坐标最大的阵元的序号为N-1，本领域技术人员应知，对阵元的序号排列方式并不影响本申请技术方案的实现，在实际应用中，还可以以其它排列方式对探头的各个阵元进行排序。

在一可选实施例中，步骤S03中根据第一组参数离线计算并存储第二计算参数具体为：

当探头的孔径阵列为线阵阵列时，根据第一组参数采用第二公式离线计算并存储第二计算参数，第二公式为：

K2＝-2X_k1sinθ；

当探头的孔径阵列为凸阵阵列时，根据第一组参数采用第三公式离线计算并存储第二计算参数，第三公式为：

其中，K2为第二计算参数，θ为声束的偏转角度，α_k为凸阵阵列中第k个阵元与阵列中心之间的夹角。

具体的，上述的线阵阵列包括但不限于相控阵。

本申请采用第一公式、第二公式以及第三公式进行离线计算，并且存储第一计算参数和第二计算参数，因此大大减少了需要存储的数据，从而在不影响发射波束形成的前提下，节约了存储资源。

具体的，可采用RAM进行存储第一计算参数和第二计算参数。

以探头类型有3种可选、波束的偏转角度有5种可选、焦距有16种可选、并且每次发射参与的总阵元数为N＝64为例，那么通过本申请提供的发射波束形成方法，总共需要存储3*64+3×5×64＝1152个中间值，中间值是第一计算参数和第二计算参数的统称。同等条件下，传统的离线计算方式需要存储15360个延时参数。

在一可选实施例中，步骤S04具体为：

根据第一计算参数、第二计算参数以及第二组参数，采用第四公式实时计算各个阵元的声程，第四公式为：

其中，l_k为第k个阵元的声程，k＝0，1，2，……，N-2，N-1；K1为第一计算参数，K2为第二计算参数，F为焦距。

具体的，第一计算参数和第二计算参数已经通过离线计算得到并存储，因此在实时计算过程中，只需通过第四公式进行简单的运算即可得到各个阵元的声程，大大减少了实时计算的运算量。

可选的，焦距可以根据实际应用时的需要进行选择。

可选的，可通过FPGA平台或者CPU平台进行实时计算。

在一可选实施例中，步骤S05中，基于最大声程实时计算各个阵元的延时参数具体为：确定各个阵元的声程中的最大值，即最大声程；

基于最大声程根据第五公式实时计算各个阵元的延时参数，第五公式为：

其中，τ_k为第k个阵元的延时参数，k＝0，1，2，……，N-2，N-1；Dmax为最大声程，lk为第k个阵元的声程，c为超声波在人体组织中的传播速度，c＝1540m/s。

具体的，由图2、3可知，最大声程Dmax为l0或者lN-1；当焦点处于xz轴平面坐标系的第一象限内时，Dmax＝l₀；当焦点处于xz轴平面坐标系的第二象限内时，Dmax＝l_N-1。

本申请的技术方案基于最大声程计算各个阵元的延时参数，因此计算出的每个阵列的延时参数均为正值，也即是每个阵元均为正延时，无需进行额外的对齐处理，实现了延时参数的自适应补偿。

请参阅图4，为本发明实施例的第一方面提供的一种用于超声成像的发射波束形成系统的模块结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

一种超声成像的发射波束形成系统，包括参数配置模块、离线计算模块、存储模块以及实时计算模块。

参数配置模块被配置为获取第一组参数和第二组参数，第一组参数包括探头的阵元间距、总阵元数、阵列的曲率半径以及声束的偏转角度，第二组参数包括焦距，焦距是指在以孔径阵列的中心作为参考原点建立的xz轴平面坐标系上，焦点到参考原点的距离。

离线计算模块被配置为根据第一组参数计算第一计算参数和第二计算参数。

存储模块被配置为存储第一计算参数和第二计算参数。

实时计算模块，被配置为根据第一计算参数、第二计算参数以及第二组参数实时计算各个阵元的声程，并基于最大声程计算各个阵元的延时参数，以驱动各个阵元分别在对应的时刻发射超声波。

本发明实施例的第一方面提供的一种诊断设备，包括发射波束形成器、接收波束形成器、包络检波器、对数压缩器以及显示器。

发射波束形成器与接收波束形成器连接，包络检波器与对数压缩器连接，对数压缩器与显示器连接。

发射波束形成器基于上述的发射波束形成系统进行工作，以驱动各个阵元分别在对应的时刻发射超声波。

接收波束形成器用于接收波束形成并传输超声波。

包络检波器用于获取超声波的包络特征以合成包络信号。

对数压缩器用于对包络信号压缩为图像信号并输出至显示器。

显示器用于进行图像显示。

综上所述，本申请提供了一种用于超声成像的发射波束形成方法、系统及诊断设备，其中，发射波束形成方法具体为获取第一组参数和第二组参数、根据第一组参数离线计算并存储第一计算参数和第二计算参数、根据第一计算参数、第二计算参数以及第二组参数实时计算各个阵元的声程以及基于最大声程实时计算各个阵元的延时参数。第一组参数包括探头的阵元间距、总阵元数、阵列的曲率半径以及声束的偏转角度，第二组参数包括焦距。通过上述的发射波束形成方法，只需存储第一计算参数和第二计算参数，大大减少了占用的存储资源，以及减少了实时计算的运算量，对硬件设备要求低，实用性强。

以上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。

所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

Claims (9)

1.一种用于超声成像的发射波束形成方法，其特征在于，包括：

以探头的孔径阵列的中心作为参考原点建立xz轴平面坐标系；

获取第一组参数和第二组参数，第一组参数包括探头的阵元间距、总阵元数、阵列的曲率半径以及声束的偏转角度，第二组参数包括焦距，焦距为焦点到参考原点的距离；

根据第一组参数离线计算得到第一计算参数和第二计算参数，并进行存储；

根据第一计算参数、第二计算参数以及第二组参数实时计算各个阵元的声程；

基于最大声程实时计算并得到各个阵元的延时参数。

2.如权利要求1所述的发射波束形成方法，其特征在于，步骤根据第一组参数离线计算并存储第一计算参数具体为：

根据第一组参数采用第一公式离线计算并存储第一计算参数，第一公式为：

K1＝X_k ²；

其中，K1为第一计算参数；当探头的孔径阵列为线阵阵列时，X_k＝X_k1；当探头的孔径阵列为凸阵阵列时，X_k＝X_k2；

并且，

其中，k表示第k个阵元的序号，k＝0，1，2，……，N-2，N-1；N为孔径阵列的总阵元数，d为阵元间距；

其中，r为凸阵阵列的曲率半径，k表示第k个阵元的序号，k＝0，1，2，……，N-2，N-1；N为孔径阵列的总阵元数，d为阵元间距。

3.如权利要求2所述的发射波束形成方法，其特征在于，步骤根据第一组参数离线计算并存储第二计算参数具体为：

当探头的孔径阵列为线阵阵列时，根据第一组参数采用第二公式离线计算并存储第二计算参数，第二公式为：

K2＝-2X_k1sinθ；

当探头的孔径阵列为凸阵阵列时，根据第一组参数采用第三公式离线计算并存储第二计算参数，第三公式为：

其中，K2为第二计算参数，θ为声束的偏转角度，α_k为凸阵阵列中第k个阵元与阵列中心之间的夹角。

4.如权利要求1所述的发射波束形成方法，其特征在于，步骤根据第一计算参数、第二计算参数以及第二组参数实时计算各个阵元的声程具体为：

根据第一计算参数、第二计算参数以及第二组参数，采用第四公式实时计算各个阵元的声程，第四公式为：

其中，l_k为第k个阵元的声程，k＝0，1，2，……，N-2，N-1；K1为第一计算参数，K2为第二计算参数，F为焦距。

5.如权利要求1所述的发射波束形成方法，其特征在于，步骤基于最大声程实时计算各个阵元的延时参数具体为：

确定各个阵元的声程中的最大声程；

基于最大声程根据第五公式实时计算各个阵元的延时参数，第五公式为：

其中，τ_k为第k个阵元的延时参数，k＝0，1，2，……，N-2，N-1；Dmax为最大声程，l_k为第k个阵元的声程，c为超声波在人体组织中的传播速度。

6.如权利要求5所述的发射波束形成方法，其特征在于，最大声程Dmax为l₀或者l_N-1；

当焦点处于xz轴平面坐标系的第一象限内时，Dmax＝l₀；

当焦点处于xz轴平面坐标系的第二象限内时，Dmax＝l_N-1。

7.如权利要求5所述的发射波束形成方法，其特征在于，超声波在人体组织中的传播速度为1540m/s。

8.一种用于超声成像的发射波束形成系统，其特征在于，包括：

参数配置模块，被配置为获取第一组参数和第二组参数，所述第一组参数包括探头的阵元间距、总阵元数、阵列的曲率半径以及声束的偏转角度，所述第二组参数包括焦距，焦距是指在以孔径阵列的中心作为参考原点建立的xz轴平面坐标系上，焦点到参考原点的距离；

离线计算模块，被配置为根据所述第一组参数计算第一计算参数和第二计算参数；

存储模块，被配置为存储所述第一计算参数和所述第二计算参数；

实时计算模块，被配置为根据所述第一计算参数、所述第二计算参数以及所述第二组参数实时计算各个阵元的声程，并基于最大声程计算各个阵元的延时参数，以驱动各个所述阵元分别在对应的时刻发射超声波。

9.一种诊断设备，其特征在于，包括：

发射波束形成器、接收波束形成器、包络检波器、对数压缩器以及显示器；

所述发射波束形成器与所述接收波束形成器连接，所述包络检波器与所述对数压缩器连接，所述对数压缩器与所述显示器连接；

所述发射波束形成器基于如权利要求8所述的发射波束形成系统进行工作，以驱动各个阵元分别在对应的时刻发射超声波；

所述接收波束形成器用于接收波束形成并传输所述超声波；

所述包络检波器用于获取所述超声波的包络特征以合成包络信号；

所述对数压缩器用于对所述包络信号压缩为图像信号并输出至所述显示器；

所述显示器用于进行图像显示。

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