CN113288212A - 超声设备降功耗控制装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声设备降功耗控制装置及系统；超声设备降功耗控制装置，包括采用FPGA实现的数字数据处理单元，所述数字数据处理单元包括超声扫查控制模块、功耗控制模块、超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块、数据组包传输模块；超声扫查控制模块用于协调超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块的工作进度；在扫描线周期的起始时刻首先将超声发射控制模块置于激活状态；对于超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块，在数据到达相应模块之前，根据预设的由小而大的各启动延迟时间，将超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块依次置于激活状态；本发明能够在不降低设备性能的基础上显著降低功耗。

Description

超声设备降功耗控制装置及系统

技术领域

本发明涉及超声设备技术领域，尤其是一种超声设备降功耗控制装置及系统。

背景技术

随着科技水平的发展，生活水平的提高，对医疗设备的要求也越来越高。目前的医疗设备也在逐渐往移动化，小型化，便捷化发展。超声医学影像如今已是医学影像的一个重要分支，在临床诊断中被大量使用。这其中，手持掌上超声设备便是一种小型化医疗超声设备，但就目前市面上的掌上超声设备来看，其痛点依旧是功耗大，发热高，不能长时间使用等问题。

发明内容

本发明的目的是在于克服现有技术中存在的不足，提供一种超声设备降功耗控制装置及系统，能够在不降低设备性能的基础上显著降低功耗，且保持用户的使用感受不受影响。为实现以上技术目的，本发明实施例采用的技术方案是：

第一方面，本发明实施例提供了一种超声设备降功耗控制装置，包括采用FPGA实现的数字数据处理单元，所述数字数据处理单元包括超声扫查控制模块、功耗控制模块、超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块、数据组包传输模块；

所述超声扫查控制模块用于协调超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块的工作进度；在扫描线周期的起始时刻首先将超声发射控制模块置于激活状态；对于超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块，在数据到达相应模块之前，根据预设的由小而大的各启动延迟时间，将所述超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块依次置于激活状态；

所述功耗控制模块用于监控超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块的工作进度，当监控的各模块各自完成当前扫描线周期的工作而依次处于空闲时将其依次置于睡眠状态。

作为优选，在一个扫描线周期中，所述超声接收控制模块的启动延迟时间为0。

具体地，所述置于睡眠状态是指停止相应模块的逻辑翻转。

作为优选，所述超声扫查控制模块、超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块均连接全局时钟；

所述功耗控制模块连接独立时钟；

在两帧超声图像处理的帧间隙，停止所述全局时钟的翻转，并保持所述独立时钟的翻转。

作为优选，所述超声设备降功耗控制装置还包括与数字数据处理单元连接的数据传输接口，在所述帧间隙保持数据传输接口处于工作状态。

第二方面，本发明实施例提供了一种超声设备降功耗控制系统，包括如上文所述的超声设备降功耗控制装置，还包括：

设置于超声探头的压力传感器，用于获取超声探头与被检对象接触产生的压力信号；

处理器，用于根据所述压力信号判定超声设备的使用状态；当所述超声设备的使用状态为空载状态时，进行降功耗控制。

所述超声探头包括通过滑轨活动连接的换能器组与手持部，压力传感器置于换能器组与手持部之间的间隙中；换能器组与手持部之间的间隙中还设有自然伸长状态且与换能器组和手持部分别相抵的弹簧。

更优地，所述处理器还用于：对于合成的超声图像进行图像识别，判定所述超声图像是否为预设图像类别，若设定时长内均不是预设图像类别则判定超声设备的使用状态为空载状态，进行降功耗控制；

所述预设图像类别为预先定义的被检对象所对应的超声图像类别。

具体地，所述降功耗控制包括，

冻结控制；

或者先使得数字数据处理单元进行降低超声图像帧率的控制，经过预设时长后再次判定超声设备的使用状态，若仍处于空载状态则进行冻结控制，若处于工作状态则进行恢复帧率的控制。

更优地，所述的超声设备降功耗控制系统还包括：

受控于处理器的供电单元；

所述供电单元分别向超声设备中的换能器组、高压开关、发射/接收单元、ADC、数字数据处理单元和数据传输接口供电；

所述处理器进行冻结控制时，供电单元对换能器组、高压开关、发射/接收单元、ADC和数字数据处理单元中的一个或多个进行断电，对数据传输接口供电。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：能够显著降低掌上超声设备的功耗，且实现了智能化的降功耗控制，增强了使用便利性；能够快速切换回正常工作状态，用户操作使用感佳。

附图说明

图1为本发明实施例中的掌上超声设备结构示意图。

图2为本发明实施例中的针对扫描线周期的低功耗处理示意图。

图3为本发明实施例中的超声图像帧间的低功耗处理示意图。

图4为本发明实施例中的超声探头结构示意图。

图5为本发明实施例中的根据超声设备空载状态进行降功耗控制的流程图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在本发明的实施例中，一种掌上超声设备，如图1所示，包括换能器组、高压开关、发射/接收单元、模数转换单元（ADC）、数字数据处理单元、数据传输接口、MCU、供电单元；其中数字数字处理单元采用FPGA实现；数字数据处理单元中包括超声扫查控制模块、功耗控制模块、超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块、数据组包传输模块；数字数据处理单元中的各模块均是通过FPGA硬件程序实现的逻辑模块，其中功耗控制模块可设置于超声扫查控制模块内，也可以独立于超声扫查控制模块而设；发射/接收单元中包括发射波束处理部分和接收波束处理部分；

在需要进行超声扫查时，超声发射控制模块向发射/接收单元中的发射波速处理部分发送发射控制信号，随后发射波速处理部分产生发射波束高压信号，通过高压开关加载至换能器组中的相应基元，换能器组向被检对象例如人体的选定部位发出超声波信号；被检对象产生的超声回波信号被换能器组中的相应基元所检测，发射/接收单元中的接收波束处理部分可以选通换能器组中的相应基元；接收波束处理部分将得到的超声回波信号转为模拟电信号，然后通过模数转换单元转换得到数字电信号数据；超声接收控制模块可进行数字电信号数据的线数据划分，经过波束合成模块进行波束合成后得到扫描线数据，然后经过数字信号处理模块解调、滤波，再由数据组包传输模块进行数据组包，例如一帧超声图像对应的一组扫描线数据，经过数据组包传输模块数据组包后，再通过数据传输接口向终端发送；由于掌上超声设备的体积限制，通常超声图像在终端上进行显示；终端可采用平板电脑，一体机电脑，或者具备较大显示屏的手机等；

第一方面，本发明的实施例提出了一种掌上超声设备降功耗控制装置，包括采用FPGA实现的数字数据处理单元，所述数字数据处理单元包括超声扫查控制模块、功耗控制模块、超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块、数据组包传输模块；

所述超声扫查控制模块用于协调超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块的工作进度；在扫描线周期的起始时刻首先将超声发射控制模块置于激活状态；对于超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块，在数据到达相应模块之前，根据预设的由小而大的各启动延迟时间，将所述超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块依次置于激活状态；

所述功耗控制模块用于监控超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块的工作进度，当监控的各模块各自完成当前扫描线周期的工作而依次处于空闲时将其依次置于睡眠状态。

本发明的实施例由于主要采用FPGA来实现数据处理，因此可以从硬件程序设计入手，在FPGA上实现低功耗的策略优化；传统的老式超声设备，其回波处理可能是非数字的，也可能是完全基于处理器的；这两者都无法精细地控制其内部功耗，要么整体降低超声图像性能去实现低功耗，要么整体进入稳定的低功耗工况，无法快速的切换回正常的工作状态；而本发明的实施例通过精细控制FPGA内部的各逻辑模块，就可以在很大程度上达到智能降低功耗的目的，且总体上不会降低设备性能，对使用者不会产生不利影响；

一般的，超声图像的成像方式是扫描成像，一帧超声图像由若干条扫描线组成，例如128条扫描线组成；如图1、图2所示，超声扫查控制模块处于总的控制地位，其控制着FPGA内全局的工作进度，因此能够协调超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块的工作进度，如果这些逻辑模块在掌上超声设备开机后一直处于激活状态，显然对于降低功耗是不利的；在一个扫描线周期内，上述各逻辑模块其实仅需要某一些时段处于激活状态，且各逻辑模块依次投入激活状态时能够在工作上前后衔接就可以完成超声扫描成像；为此，对于超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块，只需要在数据到达相应模块之前，该模块已经处于激活状态即可；

如图2所示，在一个扫描线周期的起始时刻首先将超声发射控制模块置于激活状态；然后确定启动延迟时间t1、t2、t3、t4；其中t1＜t2＜t3＜t4；启动延迟时间t1、t2、t3、t4需要保证数据到达相应模块之前，该模块已经处于激活状态；在一个扫描线周期的起始时刻经过启动延迟时间t1后，将超声接收控制模块置于激活状态，然后在一个扫描线周期的起始时刻经过启动延迟时间t2后，将波束合成模块置于激活状态，然后在一个扫描线周期的起始时刻经过启动延迟时间t3后，将数字信号处理模块置于激活状态，然后在一个扫描线周期的起始时刻经过启动延迟时间t4后，将数据组包传输模块置于激活状态；功耗控制模块实时监控超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块的工作进度；通常以上各被监控的逻辑模块会按时间先后顺序各自完成当前扫描线周期的工作；由此当以上各被监控的逻辑模块各自完成当前扫描线周期的工作而依次处于空闲时，功耗控制模块依次将其置于睡眠状态，直到下一扫描线周期开始后重新被激活；

作为优选，超声接收控制模块的启动延迟时间t1可以设置为0，以防止在接收数据时任何可能遗漏数据的情形；

具体地，上述将逻辑模块置于睡眠状态是指停止相应模块的逻辑翻转；在上述过程中，超声扫查控制模块、功耗控制模块、超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块所接的时钟保持正常翻转，以便既可以实现降低功耗，又可以保证超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块的工作衔接；

以上实现了针对扫描线周期的低功耗处理；以下还提出了超声图像帧间的低功耗处理，以进一步降低功耗；

作为优选，所述超声扫查控制模块、超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块均连接全局时钟；所述功耗控制模块连接独立时钟；在两帧超声图像处理的帧间隙，停止所述全局时钟的翻转，并保持所述独立时钟的翻转；

作为优选，掌上超声设备降功耗控制装置还包括与数字数据处理单元连接的数据传输接口，在所述帧间隙保持数据传输接口处于工作状态；

如图3所示，在FPGA处理完一帧超声图像的图像数据（相当于一组线数据）后，需要把一帧超声图像的线数据传输给终端，一方面数据传输需要时间，另一方面终端也需要一定时间去处理成像；因此数字数据处理单元在一帧超声图像的扫查结束后，并不会立即开始下一帧超声图像的扫查；在两帧超声图像处理的帧间隙，通过暂停全局时钟，就能够暂停超声扫查控制模块、超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块的逻辑翻转，达到节电的目的；但在所述帧间隙保持功耗控制模块独立时钟的翻转，以使得功耗控制模块能够正常工作，同时使得数据传输接口处于工作状态，保持与终端的通信能力；直到下一帧超声图像扫查开始时，再恢复全局时钟的翻转，重新开启暂停的那些逻辑模块；在本发明的实施例中对于超声扫查控制模块、超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块均连接全局时钟，而仅功耗控制模块连接独立时钟，是主要考虑到超声扫查控制模块、超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块分别连接各自独立时钟的话，时钟网络的设计就会很复杂且引起更多的耗电，在超声扫查控制模块、超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块连接一个全局时钟后，可以保证超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块能够方便地依次置于激活状态（时钟一直存在，只需要启动逻辑翻转），当需要置于睡眠状态时，仅需要将相应的逻辑模块停止逻辑翻转（其时钟还存在）；这样既能够实现节能技术效果，又简化设计，减少控制过程，也利于提高FPGA处理速度；

第二方面，本发明的实施例提出了一种掌上超声设备降功耗控制系统，包括如上文所述的掌上超声设备降功耗控制装置，还包括：

设置于超声探头的压力传感器，用于获取超声探头与被检对象接触产生的压力信号；处理器，用于根据所述压力信号判定超声设备的使用状态；当所述超声设备的使用状态为空载状态时，进行降功耗控制；

通常的超声设备在打开后，其使用状态就一直处于工作状态，持续不断的消耗电能；即便在使用间隙，将掌上超声设备临时放置于桌面一段时间，其仍处于工作状态；为此本发明的实施例在超声探头上设置压力传感器，在超声探头接触被检对象时必然会产生压力信号，而离开被检对象时压力信号就减小至零，因此就可以通过处理器根据压力信号来判定超声设备的使用状态，若处于空载状态就进行降功耗控制；

具体地，如图4所示的一个实施例中，超声探头1包括换能器组101与手持部102；换能器组101与手持部102通过侧面的滑轨103连接；压力传感器104置于换能器组101与手持部102之间的间隙中；换能器组101与手持部102之间的间隙中还设有自然伸长状态且与换能器组和手持部分别相抵的弹簧105；处理器可以实时监测压力传感器104的压力信号，当在设定的一个时长内持续低于相应设定数值阈值，则判定超声设备的使用状态为空载状态；否则可判定为工作状态；

作为优选，当一些掌上超声设备配置了较高性能的处理器，所述处理器还用于：对于合成的超声图像进行图像识别，判定所述超声图像是否为预设图像类别，若设定时长内均不是预设图像类别则判定超声设备的使用状态为空载状态，进行降功耗控制；所述预设图像类别为预先定义的被检对象所对应的超声图像类别；通过图像类别识别辅助压力信号检测，能够更准确的判定超声设备的使用状态，在个别情形中，例如打开后的掌上超声设备被放入包中随身携带时，通过压力信号判定超声设备的使用状态可能并不一定准确，超声设备就不能做到及时降低功耗；但通过图像类别识别进行辅助判定后，显然能够更准确判定超声设备处于空载状态；

具体地，所述降功耗控制可以包括冻结控制；图1中，所述掌上超声设备降功耗控制系统，还包括：受控于处理器的供电单元；所述供电单元分别向超声设备中的换能器组、高压开关、发射/接收单元、ADC、数字数据处理单元和数据传输接口供电；所述处理器进行冻结控制时，供电单元对换能器组、高压开关、发射/接收单元、ADC和数字数据处理单元中的一个或多个进行断电，对数据传输接口供电；虽然超声设备在冻结控制后可以唤醒后继续工作，但由于设备唤醒引起的时延，有可能会导致超声设备有使用间断感的缺点；

作为优选，如图5所示，所述降功耗控制可以是先使得数字数据处理单元进行降低超声图像帧率的控制，经过预设时长后再次判定超声设备的使用状态，若仍处于空载状态则进行冻结控制，若处于工作状态则进行恢复帧率的控制；从前文可知，超声图像的帧率越低，那么帧间隙就越长，从而根据前文中的帧间隙低功耗处理，就可以降低功耗；预设时长可以设定为数分钟；空载状态时数字数据处理单元降低帧率后，在再次使用掌上超声设备时可以立刻恢复帧率，几乎没有延迟感，避免了频繁进行冻结控制后，再次恢复使用时有不良延迟感。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种超声设备降功耗控制装置，包括采用FPGA实现的数字数据处理单元，所述数字数据处理单元包括超声扫查控制模块、功耗控制模块、超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块、数据组包传输模块；

其特征在于，

所述超声扫查控制模块用于协调超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块的工作进度；在扫描线周期的起始时刻首先将超声发射控制模块置于激活状态；对于超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块，在数据到达相应模块之前，根据预设的由小而大的各启动延迟时间，将所述超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块依次置于激活状态；

所述功耗控制模块用于监控超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块的工作进度，当监控的各模块各自完成当前扫描线周期的工作而依次处于空闲时将其依次置于睡眠状态。

2.如权利要求1所述的超声设备降功耗控制装置，其特征在于，

在一个扫描线周期中，所述超声接收控制模块的启动延迟时间为0。

3.如权利要求1所述的超声设备降功耗控制装置，其特征在于，

所述置于睡眠状态是指停止相应模块的逻辑翻转。

4.如权利要求1所述的超声设备降功耗控制装置，其特征在于，

所述超声扫查控制模块、超声发射控制模块、超声接收控制模块、波束合成模块、数字信号处理模块和数据组包传输模块均连接全局时钟；

所述功耗控制模块连接独立时钟；

在两帧超声图像处理的帧间隙，停止所述全局时钟的翻转，并保持所述独立时钟的翻转。

5.如权利要求4所述的超声设备降功耗控制装置，其特征在于，

所述超声设备降功耗控制装置还包括与数字数据处理单元连接的数据传输接口，在所述帧间隙保持数据传输接口处于工作状态。

6.一种超声设备降功耗控制系统，其特征在于，包括如权利要求1～5中任一项所述的超声设备降功耗控制装置，还包括：

设置于超声探头的压力传感器，用于获取超声探头与被检对象接触产生的压力信号；

处理器，用于根据所述压力信号判定超声设备的使用状态；当所述超声设备的使用状态为空载状态时，进行降功耗控制；

所述超声探头包括通过滑轨活动连接的换能器组与手持部，压力传感器置于换能器组与手持部之间的间隙中；换能器组与手持部之间的间隙中还设有自然伸长状态且与换能器组和手持部分别相抵的弹簧。

7.如权利要求6所述的超声设备降功耗控制系统，其特征在于，

所述处理器还用于：对于合成的超声图像进行图像识别，判定所述超声图像是否为预设图像类别，若设定时长内均不是预设图像类别则判定超声设备的使用状态为空载状态，进行降功耗控制；

所述预设图像类别为预先定义的被检对象所对应的超声图像类别。

8.如权利要求6或7所述的超声设备降功耗控制系统，其特征在于，所述降功耗控制包括，

冻结控制；

或者先使得数字数据处理单元进行降低超声图像帧率的控制，经过预设时长后再次判定超声设备的使用状态，若仍处于空载状态则进行冻结控制，若处于工作状态则进行恢复帧率的控制。

9.如权利要求8所述的超声设备降功耗控制系统，其特征在于，还包括：

受控于处理器的供电单元；

所述供电单元分别向超声设备中的换能器组、高压开关、发射/接收单元、ADC、数字数据处理单元和数据传输接口供电；

所述处理器进行冻结控制时，供电单元对换能器组、高压开关、发射/接收单元、ADC和数字数据处理单元中的一个或多个进行断电，对数据传输接口供电。

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