CN113180725B - 一种基于透镜回波的超声脉冲反转性能评估方法及系统 - Google Patents

一种基于透镜回波的超声脉冲反转性能评估方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于透镜回波的超声脉冲反转性能评估方法及系统，其中所涉及的评估方法，包括：S1.将换能器与超声系统连接，并将换能器置于空气中，启动超声主机；S2.关闭超声系统高压电源，记录超声AFE模块采集到的回波信号，并计算回波信号的均值；S3.开启超声系统高压电源，并设置发射波形的频率，发射波极性为正脉冲，记录超声AFE模块采集到的第一透镜回波信号；S4.设置发射波形的频率，发射波极性为负脉冲，记录超声AFE模块采集到的第二透镜回波信号；S5.将采集到回波信号叠加处理，得到脉冲反转后的信号，并计算反转信号的均值；S6.判断计算得到的反转信号的均值是否大于回波信号的均值，若否，则当前超声系统脉冲反转特性满足需求。

Description

一种基于透镜回波的超声脉冲反转性能评估方法及系统
技术领域
本发明涉及透镜回波检测技术领域，尤其涉及一种基于透镜回波的超声脉冲反转性能评估方法及系统。
背景技术
超声脉冲反转成像方式是指在相同扫描线上发射极性相反的两种发射波形，利用基波相位相关特性，达到剔除成像信号中基波成分，提高谐波信号强度，提升图像的对比度和分辨率。该种方法主要运用到超声谐波成像和超声造影成像，其原理如下：
假设发射波形为e(t)，则超声回波信号可表示为：
x(t)＝xodd(t)+xeven(t) (1)
Figure BDA0002982026700000011
Figure BDA0002982026700000012
其中，xodd(t)和xeven(t)分别表示回波信号x(t)的基波成分和谐波成分，
Figure BDA0002982026700000013
表示超声系统与组织的系统响应，即：
Figure BDA0002982026700000014
Figure BDA0002982026700000015
与/>
Figure BDA0002982026700000016
分别表示超声系统与组织对发射波形的响应。发射波形为正脉冲ep(t)时，回波信号xp(t)为：
Figure BDA0002982026700000017
发射波形为负脉冲en(t)时，回波信号xn(t)为：
Figure BDA0002982026700000018
由于en(t)＝-ep(t)，则式(6)可写为：
Figure BDA0002982026700000021
联立式(5)和式(6)可得脉冲反转叠加后的回波信号xs(t)为：
Figure BDA0002982026700000022
脉冲反转叠加后回波信号中不再包含基波成分xodd(t)，谐波成分则为原来的2倍，从而提高谐波图像的对比度。
从式(4)可见，超声系统响应
Figure BDA0002982026700000023
对正负脉冲的响应决定了脉冲反转叠加后的回波信号xs(t)中的基波成分。当超声系统脉冲反转性能满足/>
Figure BDA0002982026700000024
时，xs(t)中基波成分则来自于组织非线性；当超声系统脉冲反转性能满足
Figure BDA0002982026700000025
时，xs(t)中基波成分则会增加，进而降低谐波图像对比度以及分辨率。
超声成像中脉冲反转性能是由发射系统与接收系统共同决定的。当前对超声系统脉冲反转性能评估主要是通过水听器测量正负脉冲发射声压波形来实现的，只能评估发射系统脉冲反转对基波的抵消性能，且受制于声学非线性影响。因而，提供一种可有效评估超声发射接收系统脉冲反转性能的方法尤为重要。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于透镜回波的超声脉冲反转性能评估方法及系统。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于透镜回波的超声脉冲反转性能评估方法，包括：
S1.将换能器与超声系统连接，并将换能器置于空气中，启动超声主机；
S2.关闭超声系统高压电源，记录与换能器连接的超声AFE模块采集到的回波信号，并根据采集到的回波信号计算回波信号的均值；
S3.开启超声系统高压电源，并设置发射波形的频率，发射波极性为正脉冲，记录超声AFE模块采集到的第一透镜回波信号；
S4.开启将超声系统高压电源，并设置发射波形的频率，发射波极性为负脉冲，记录超声AFE模块采集到的第二透镜回波信号；
S5.将采集到的第一透镜回波信号和第二透镜回波信号叠加处理，得到脉冲反转后的信号，并计算反转信号的均值；
S6.判断计算得到的反转信号的均值是否大于回波信号的均值，若否，则当前超声系统脉冲反转特性满足需求；若是，则迭代优化当前超声系统。
进一步的，所述步骤S2中根据采集到的回波信号计算回波信号的均值，表示为：
Figure BDA0002982026700000031
其中，μ0表示回波信号的均值；T表示周期；x0(t)表示超声AFE模块采集到的回波信号。
进一步的，所述步骤S5中将采集到的第一透镜回波信号和第二透镜回波信号叠加处理，得到脉冲反转后的信号，表示为：
xs(t)＝xp(t)+xn(t)
其中，xp(t)表示第一透镜回波信号；xn(t)表示第二透镜回波信号；xs(t)表示脉冲反转后的信号。
进一步的，所述步骤S5中计算反转信号的均值，表示为：
Figure BDA0002982026700000032
其中，μs表示反转信号的均值。
相应的，还提供一种基于透镜回波的超声脉冲反转性能评系统，包括：
连接模块，用于将换能器与超声系统连接，并将换能器置于空气中，启动超声主机；
第一计算模块，用于关闭超声系统高压电源，记录与换能器连接的超声AFE模块采集到的回波信号，并根据采集到的回波信号计算回波信号的均值；
第一记录模块，用于开启超声系统高压电源，并设置发射波形的频率，发射波极性为正脉冲，记录超声AFE模块采集到的第一透镜回波信号；
第二记录模块，用于开启将超声系统高压电源，并设置发射波形的频率，发射波极性为负脉冲，记录超声AFE模块采集到的第二透镜回波信号；
第二计算模块，用于将采集到的第一透镜回波信号和第二透镜回波信号叠加处理，得到脉冲反转后的信号，并计算反转信号的均值；
判断模块，用于判断计算得到的反转信号的均值是否大于回波信号的均值。
进一步的，所述第一计算模块中根据采集到的回波信号计算回波信号的均值，表示为：
Figure BDA0002982026700000041
其中，μ0表示回波信号的均值；T表示周期；x0(t)表示超声AFE模块采集到的回波信号。
进一步的，所述第二计算模块中将采集到的第一透镜回波信号和第二透镜回波信号叠加处理，得到脉冲反转后的信号，表示为：
xs(t)＝xp(t)+xn(t)
其中，xp(t)表示第一透镜回波信号；xn(t)表示第二透镜回波信号；xs(t)表示脉冲反转后的信号。
进一步的，所述第二计算模块中计算反转信号的均值，表示为：
Figure BDA0002982026700000042
其中，μs表示反转信号的均值。
进一步的，还包括高压开关、线缆、探头连接器、组织反射模块；探头连接器分别与高压开关、线缆连接，换能器分别与线缆、组织反射模块连接，高压开关还与超声AFE模块连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、有效评估超声系统发射模块和接收模块共同作用下脉冲反转性能；
2、无需借助于水听器，降低了实现成本；
3、有效规避了声学非线性，使评估的结果更精确。
附图说明
图1是实施例一提供的一种基于透镜回波的超声脉冲反转性能评估方法流程图；
图2是实施例一提供的超声系统信号链路示意图；
图3是实施例一提供的换能器组成成分示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于透镜回波的超声脉冲反转性能评估方法及系统。
实施例一
本实施例提供的一种基于透镜回波的超声脉冲反转性能评估方法，如图1所示，包括：
S1.将换能器与超声系统连接，并将换能器置于空气中，启动超声主机；
S2.关闭超声系统高压电源，记录与换能器连接的超声AFE模块采集到的回波信号，并根据采集到的回波信号计算回波信号的均值；
S3.开启超声系统高压电源，并设置发射波形的频率，发射波极性为正脉冲，记录超声AFE模块采集到的第一透镜回波信号；
S4.开启将超声系统高压电源，并设置发射波形的频率，发射波极性为负脉冲，记录超声AFE模块采集到的第二透镜回波信号；
S5.将采集到的第一透镜回波信号和第二透镜回波信号叠加处理，得到脉冲反转后的信号，并计算反转信号的均值；
S6.判断计算得到的反转信号的均值是否大于回波信号的均值，若否，则当前超声系统脉冲反转特性满足需求；若是，则迭代优化当前超声系统。
如图2所示为超声系统信号链路示意图，包括高压开关、线缆、探头连接器、组织反射模块；探头连接器分别与高压开关、线缆连接，换能器分别与线缆、组织反射模块连接，高压开关还与超声AFE模块连接。
发射波形高压开关、探头连接器、线缆后输入至换能器中，通过换能器逆压电效应将电压波形转换为声波，此时再将声波传输至组织反射模块中进行反射，将反射信号再次经过换能器正压电效应转为电压波形，再次经过线缆、探头连接器、高压开关后，最终被超声AFE模块量化为数字波形，形成数值回波信号。其中，超声AFE(Analog Front Edn“模拟前端”)模块完成超声波数字发射以及回波信号接收处理并数字化。
在本实施例中，高压开关、线缆以及换能器均包含正/逆压电效应等，其中正/逆压电效应等都会对脉冲反转性能产生影响，利用空气中换能器声透镜表面的回波信号，即透镜回波，可有效评估整个超声系统，即发射系统与接收系统的脉冲反转性能。
需要说明的是，在图2中，e(t)为发射波形，从发射波形进入高压开关-换能器的方向表示发射信号，当发射信号经过阻止反射从换能器-高压开关的方向为回波信号。
如图3所示为换能器组成成分示意图，换能器主要是由背衬、压电陶瓷、匹配层以及声透镜组成的。换能器置于空气时，由于透镜声阻抗与空气声阻抗不匹配，声波会在透镜表面被反射，逆向传播至压电陶瓷，进而形成透镜回波。声波传播在组织中传播距离越长，声学非线性越强。声透镜厚度在毫米级，故有效规避了声波传播过程中非线性对脉冲反转性能评估结果的影响。
在步骤S2中，关闭超声系统高压电源，记录与换能器连接的超声AFE模块采集到的回波信号，并根据采集到的回波信号计算回波信号的均值。
首先将换能器与超声系统主机连接，并将换能器置于空气中，启动超声主机；然后关闭超声系统高压电源，记录超声AFE模块采集到的换能器的回波信号x0(t)，并计算回波信号的均值μ0，表示为：
Figure BDA0002982026700000061
其中，μ0表示回波信号的均值；T表示周期；x0(t)表示超声AFE模块采集到的回波信号。
在步骤S3中，开启超声系统高压电源，并设置发射波形的频率，发射波极性为正脉冲，记录超声AFE模块采集到的第一透镜回波信号。
打开超声系统高压电源，设置发射波形的频率为f0，发射波极性为正脉冲，记录超声AFE模块采集到的透镜回波信号xp(t)。
在步骤S4中，开启将超声系统高压电源，并设置发射波形的频率，发射波极性为负脉冲，记录超声AFE模块采集到的第二透镜回波信号。
设置发射波形的频率为f0，发射波极性为负脉冲，记录AFE采集到的透镜回波信号xn(t)。
在步骤S5中，将采集到的第一透镜回波信号和第二透镜回波信号叠加处理，得到脉冲反转后的信号，并计算反转信号的均值。
在本实施例中，正脉冲发射波形为ep(t)，对应的透镜回波为xp(t)；负脉冲发射波形为en(t)，对应的透镜回波为xn(t)。其中，en(t)＝-ep(t)。则由下述公式可知，通过叠加正负脉冲透镜回波得到脉冲反转后的回波信号xs(t)，分析xs(t)即可评估脉冲反转对基波的剔除程度，即叠加正负脉冲透镜回波信号得到脉冲反转后的信号xs(t)，表示为：
xs(t)＝xp(t)+xn(t)
其中，xp(t)表示第一透镜回波信号；xn(t)表示第二透镜回波信号；xs(t)表示脉冲反转后的信号。
由于声透镜中声程很短，透镜回波中组织的响应可以忽略，即背景技术中公式(4)的
Figure BDA0002982026700000071
故正负脉冲透镜回波只反映超声发射与接收系统脉冲反转特性。
计算正负脉冲透镜回波叠加后信号xs(t)的均值μs，表示为：
Figure BDA0002982026700000072
其中，μs表示反转信号的均值。
在步骤S6中，判断计算得到的反转信号的均值是否大于回波信号的均值，若否，则当前超声系统脉冲反转特性满足需求；若是，则迭代优化当前超声系统。
若μs≤μ0，则
Figure BDA0002982026700000073
即超声系统脉冲反转特性满足需求；若μs＞μ0，则/>
Figure BDA0002982026700000074
即超声系统脉冲反转特性不满足需求，需要进一步优化设计。
本实施例利用换能器透镜与空气阻抗不匹配产生的透镜回波评估超声发射接收系统脉冲反转性能。
换能器与空气声阻抗不匹配的原理，具体为：
声阻抗用于刻画介质对声波传播的阻碍程度，不同介质声阻抗不一样。声阻抗可表示为：
Z＝ρ·Vs
其中，ρ表示介质密度；Vs表示声波在介质中的传播速度。
当空气和透镜的密度相差很大时，空气和透镜中声波传播速度相差也很大，故探头透镜和空气的声阻抗不相等，即不匹配。
产生透镜回波的方法具体为：
透镜回波本质为声波在阻抗不匹配界面出现的声学反射现象，其原理与光学反射一致。
超声换能器通过压电效应将电信号转换为声波，并传播。发射波形电信号作用到换能器上，换能器通过逆压电效应转换为声波，声波进入透镜，在透镜与空气界面产生透镜反射波，反射波作为声波反向传播至换能器表面。换能器通过正压电效应将透镜反射波转换为透镜回波电信号，即为透镜回波。
与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：
1、评估超声发射接收系统脉冲反转对基波的抵消水平；
2、消除声学非线性对系统脉冲反转评估的干扰；
3、有效评估超声系统发射模块和接收模块共同作用下脉冲反转性能；
4、无需借助于水听器，降低了实现成本；
5、有效规避了声学非线性，使评估的结果更精确。
实施例二
本实施例提供一种基于透镜回波的超声脉冲反转性能评系统，包括：
连接模块，用于将换能器与超声系统连接，并将换能器置于空气中，启动超声主机；
第一计算模块，用于关闭超声系统高压电源，记录与换能器连接的超声AFE模块采集到的回波信号，并根据采集到的回波信号计算回波信号的均值；
第一记录模块，用于开启超声系统高压电源，并设置发射波形的频率，发射波极性为正脉冲，记录超声AFE模块采集到的第一透镜回波信号；
第二记录模块，用于开启将超声系统高压电源，并设置发射波形的频率，发射波极性为负脉冲，记录超声AFE模块采集到的第二透镜回波信号；
第二计算模块，用于将采集到的第一透镜回波信号和第二透镜回波信号叠加处理，得到脉冲反转后的信号，并计算反转信号的均值；
判断模块，用于判断计算得到的反转信号的均值是否大于回波信号的均值。
进一步的，所述第一计算模块中根据采集到的回波信号计算回波信号的均值，表示为：
Figure BDA0002982026700000091
其中，μ0表示回波信号的均值；T表示周期；x0(t)表示超声AFE模块采集到的回波信号。
进一步的，所述第二计算模块中将采集到的第一透镜回波信号和第二透镜回波信号叠加处理，得到脉冲反转后的信号，表示为：
xs(t)＝xp(t)+xn(t)
其中，xp(t)表示第一透镜回波信号；xn(t)表示第二透镜回波信号；xs(t)表示脉冲反转后的信号。
进一步的，所述第二计算模块中计算反转信号的均值，表示为：
Figure BDA0002982026700000092
其中，μs表示反转信号的均值。
进一步的，还包括高压开关、线缆、探头连接器、组织反射模块；探头连接器分别与高压开关、线缆连接，换能器分别与线缆、组织反射模块连接，高压开关还与超声AFE模块连接。
需要说明的是，本实施例提供的一种基于透镜回波的超声脉冲反转性能评系统与实施例一类似，在此不多做赘述。
与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：
1、有效评估超声系统发射模块和接收模块共同作用下脉冲反转性能；
2、无需借助于水听器，降低了实现成本；
3、有效规避了声学非线性，使评估的结果更精确。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (3)

1.一种基于透镜回波的超声脉冲反转性能评估方法，其特征在于，包括：
S1.将换能器与超声系统连接，并将换能器置于空气中，启动超声主机；
S2.关闭超声系统高压电源，记录与换能器连接的超声AFE模块采集到的回波信号，并根据采集到的回波信号计算回波信号的均值；
S3.开启超声系统高压电源，并设置发射波形的频率，发射波极性为正脉冲，记录超声AFE模块采集到的第一透镜回波信号；
S4.开启将超声系统高压电源，并设置发射波形的频率，发射波极性为负脉冲，记录超声AFE模块采集到的第二透镜回波信号；
S5.将采集到的第一透镜回波信号和第二透镜回波信号叠加处理，得到脉冲反转后的信号，并计算反转信号的均值；
S6.判断计算得到的反转信号的均值是否大于回波信号的均值，若否，则当前超声系统脉冲反转特性满足需求；若是，则迭代优化当前超声系统；
所述步骤S2中根据采集到的回波信号计算回波信号的均值，表示为：
Figure FDA0003824156140000011
其中，μ0表示回波信号的均值；T表示周期；x0(t)表示超声AFE模块采集到的回波信号；
所述步骤S5中将采集到的第一透镜回波信号和第二透镜回波信号叠加处理，得到脉冲反转后的信号，表示为：
xs(t)＝xp(t)+xn(t)
其中，xp(t)表示第一透镜回波信号；xn(t)表示第二透镜回波信号；xs(t)表示脉冲反转后的信号；
所述步骤S5中计算反转信号的均值，表示为：
Figure FDA0003824156140000012
其中，μs表示反转信号的均值。
2.一种基于透镜回波的超声脉冲反转性能评估系统，其特征在于，包括：
连接模块，用于将换能器与超声系统连接，并将换能器置于空气中，启动超声主机；
第一计算模块，用于关闭超声系统高压电源，记录与换能器连接的超声AFE模块采集到的回波信号，并根据采集到的回波信号计算回波信号的均值；
第一记录模块，用于开启超声系统高压电源，并设置发射波形的频率，发射波极性为正脉冲，记录超声AFE模块采集到的第一透镜回波信号；
第二记录模块，用于开启将超声系统高压电源，并设置发射波形的频率，发射波极性为负脉冲，记录超声AFE模块采集到的第二透镜回波信号；
第二计算模块，用于将采集到的第一透镜回波信号和第二透镜回波信号叠加处理，得到脉冲反转后的信号，并计算反转信号的均值；
判断模块，用于判断计算得到的反转信号的均值是否大于回波信号的均值；
所述第一计算模块中根据采集到的回波信号计算回波信号的均值，表示为：
Figure FDA0003824156140000021
其中，μ0表示回波信号的均值；T表示周期；x0(t)表示超声AFE模块采集到的回波信号；
所述第二计算模块中将采集到的第一透镜回波信号和第二透镜回波信号叠加处理，得到脉冲反转后的信号，表示为：
xs(t)＝xp(t)+xn(t)
其中，xp(t)表示第一透镜回波信号；xn(t)表示第二透镜回波信号；xs(t)表示脉冲反转后的信号；
所述第二计算模块中计算反转信号的均值，表示为：
Figure FDA0003824156140000022
其中，μs表示反转信号的均值。
3.根据权利要求2所述的一种基于透镜回波的超声脉冲反转性能评估系统，其特征在于，还包括高压开关、线缆、探头连接器、组织反射模块；探头连接器分别与高压开关、线缆连接，换能器分别与线缆、组织反射模块连接，高压开关还与超声AFE模块连接。
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Denomination of invention: A Method and System for Evaluating the Performance of Ultrasonic Pulse Inversion Based on Lens Echo

Granted publication date: 20230324

Pledgee: Zhejiang Lin'an Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Qingshanhu Science and Technology City Branch

Pledgor: JURONG MEDICAL TECHNOLOGY (HANGZHOU) Co.,Ltd.

Registration number: Y2024330000249

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