CN114636672B - 一种光声超声复用的采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光声超声复用的采集系统及方法，包括与超声换能器连接的光声接收模块，所述光声接收模块的输入和输出端口并联有超声收发模块，所述光声接收模块的输出端口连接有通道复用模块，所述通道复用模块的输出端口连接有信号采集模块，所述信号采集模块连接有触发模块，并联的所述光声接收模块与所述超声收发模块在同一时刻仅一个模块处于工作状态，本发明采用了光声接收模块与超声收发模块并联的技术方法，在不同工作模式下使能对应模块，以实现资源的充分调配；本发明中所述光声接收模块针对光声信号微弱的特征进行了前置低噪放大处理，提高了采集信噪比，从而改善了光声成像时的图像质量。

Description

一种光声超声复用的采集系统及方法

技术领域

本发明涉及光声成像与超声成像技术领域，特别涉及一种光声超声复用的采集系统及方法。

背景技术

光声成像设备与超声成像设备都需要采集超声换能器的信号，以获取数据进行处理分析从而实现成像的目的。因为两种成像设备可共用超声换能器采集信号，且能反映待测物不同的物理参数，所以双模态成像应运而生，其中光声超声复用的采集系统实际就是沿用原超声信号采集技术。在上述技术的实现过程中，发现采用现有技术进行光声信号采集时信噪比低，导致图形重建对比度低，成像效果较差；工作在光声成像模式时，处于信号链中的超声脉冲发生器实为冗余模块，这不仅消耗着器件的使用寿命，同时也造成了一定程度的资源浪费；采集方式单一，即无论换能器的中心频率如何，都使用相同采样率进行采样，导致采集通道数量拓展成本高，应用场景受限。

综上，需要根据上述问题针对性提出一种光声超声复用的采集系统，以提升双模态成像设备的成像效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光声超声复用的采集系统及方法，以解决现有光声超声复用的采集系统中存在的采集信噪比低、资源浪费、应用场景单一的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明公开了一种光声超声复用的采集系统，包括与超声换能器连接的光声接收模块，所述光声接收模块的输入和输出端口并联有超声收发模块，所述光声接收模块的输出端口连接有通道复用模块，所述通道复用模块的输出端口连接有信号采集模块，所述信号采集模块连接有控制其采集周期间隔的触发模块，所述光声接收模块与所述超声收发模块在同一时刻仅一个模块处于工作状态，所述光声接收模块包括带使能控制的固定增益低噪声放大器，所述低噪声放大器的输出端与所述通道复用模块连接，所述通道复用模块包括数据选择器和电阻，所述数据选择器有两个信号输入端口，所述电阻连接在两端口间，所述数据选择器的输出端口与信号采集模块连接。

作为优选的，所述超声收发模块包括超声脉冲发生器，所述超声脉冲发生器将所述信号采集模块输送来的脉冲信号进行同步放大，产生高压脉冲信号，并输出至超声换能器，所述超声换能器接收高压脉冲信号后通过所述超声脉冲发生器输出回波信号至所述通道复用模块。

作为优选的，所述信号采集模块包括模拟前端处理器和FPGA控制器，所述模拟前端处理器接收所述数据选择器输出的信号，所述FPGA控制器输出的通道选择信号控制所述数据选择器的数据选择动作。

作为优选的，所述FPGA控制器在所述触发模块的控制下，同步控制所述模拟前端处理器进行信号采集，所述模拟前端处理器处理并采集所述通道复用模块输出的信号，将采集得到的数字信号通过高速低电压差分信号接口传递给所述FPGA控制器，所述FPGA控制器通过串口外设接口与所述模拟前端处理器通信，所述模拟前端处理器的采集参数可通过所述串口外设接口由所述FPGA控制器进行灵活配置。

作为优选的，所述触发模块包括数字隔离器和驱动器，所述数字隔离器对触发信号进行电平转换的同时实现信号隔离，所述驱动器为单通道栅极驱动器，用于提高内部触发信号的驱动能力。

作为优选的，所述电阻具体为0欧姆电阻，所述通道复用模块的两种工作状态对应两种采集模式，当所述0欧姆电阻处于断开状态时，所述通道复用模块为双通道交错复用模式；当所述0欧姆电阻处于连接状态时，所述通道复用模块为单通道倍速采样模式。

作为优选的，所述触发模块包括两种触发模式，一是外部触发模式：所述信号采集模块由外部输入的触发信号控制采集周期间隔；二是内部触发模式：所述信号采集模块由所述FPGA控制器输出的触发信号控制采集周期间隔。

本发明还公开了一种光声超声复用的采集方法，包括如下步骤：

S1：根据具体应用的成像场景，选择采集模式，通过是否接入数据选择器输入端之间的0欧姆电阻，实现单通道倍速采样模式、双通道交错复用模式的切换；

S2：根据激励源选择对应的接收模式：通过FPGA控制器分别控制光声接收模块、超声收发模块的使能分别实现光声接收模式和超声接收模式；

S3:根据同步方式，触发模块选用外部触发模式或内部触发模式，基于光声、超声信号激发的重复频率，控制采集的周期间隔；

S4：组合使用采集模式、接收模式和触发模式，信号采集模块对经过通道复用模块后的信号进行处理、量化操作。

作为优选的，所述步骤S1中：

针对采集通道数小于10、采样率大于20MSPS的场景，选择单通道倍速采样模式；

针对采集通道数大于100、采样率小于20MSPS的场景，选择双通道交错复用模式。

作为优选的，所述步骤S3中，所述触发模块的触发模式包括外部触发模式和内部触发模式，外部触发模式：所述信号采集模块由外部输入的触发信号控制采集周期间隔；内部触发模式：所述信号采集模块由FPGA控制器输出的触发信号控制采集周期间隔。

本发明的有益效果：本发明采用了光声接收模块与超声收发模块并联的技术方法，在不同工作模式下使能对应模块，以实现资源的充分调配；本发明中所述光声接收模块针对光声信号微弱的特征进行了前置低噪放大处理，提高了采集信噪比，从而改善了光声成像时的图像质量；本发明中所述通道复用模块，在数据选择器的两个输入端之间连接一个电阻，实现了两种采样场景的选配，丰富了所述采集系统的多样性。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种光声超声复用的采集系统的系统框图；

图2为单通道倍速采样场景时，进行超声信号采集的系统框图；

图3为单通道倍速采样场景时，进行光声信号采集的系统框图；

图4为单通道倍速采样场景时，单通道信号的采集时序解析图；

图5为双通道交错复用场景时，进行超声信号采集的系统框图；

图6为双通道交错复用场景时，进行光声信号采集的系统框图；

图7为双通道交错复用场景时，双通道信号的采集时序解析图；

图8为本发明实施例中的系统工作流程图。

附图标记说明：

U1 – LNA（Low Noise Amplifier）低噪声放大器；

U2 – MUX（Multiplexer）数据选择器；

U3 – AFE（Analog Front End）模拟前端处理器；

U4 – Pulser超声脉冲发生器；

U5 – FPGA（Field Programmable Gate Array）现场可编程逻辑门阵列；

U6 – Isolation数字隔离器；

U7 – Driver驱动器；

UST – Ultrasonic Transducer超声换能器；

SPI – Serial Peripheral Interface串口外设接口；

LVDS – Low-Voltage Differential Signaling低电压差分信号。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1所示，本发明实施例提供一种光声超声复用的采集系统，包括与超声换能器连接的光声接收模块，所述光声接收模块的输入和输出端口并联有超声收发模块，所述光声接收模块的输出端口连接有通道复用模块，所述通道复用模块的输出端口连接有信号采集模块，所述信号采集模块连接有触发模块，并联的所述光声接收模块与所述超声收发模块在同一时刻仅一个模块处于工作状态，所述通道复用模块可实现将光声、超声两种接收模式下的信号分时输入至所述信号采集模块，且能配置为双通道交错复用、单通道倍速采样两种采集模式，所述触发模块能够以内部触发、外部触发两种触发模式控制整个采集电路的采集周期间隔。所述光声接收模块包括带使能控制的固定增益低噪声放大器，所述低噪声放大器的输出与所述通道复用模块连接，所述通道复用模块包括数据选择器和电阻，所述数据选择器有两个信号输入端口，所述电阻连接在两端口间，所述数据选择器的输出端口与信号采集模块连接。

所述超声收发模块包括专用的超声脉冲发生器，所述超声脉冲发生器将所述信号采集模块输送来的脉冲信号进行同步放大，产生高压脉冲信号，并输出至超声换能器，所述超声换能器接收高压脉冲信号后通过所述超声脉冲发生器输出回波信号至所述通道复用模块。

所述信号采集模块包括AFE模拟前端处理器和FPGA控制器，所述信号采集模块的采集周期间隔由所述触发模块控制。

所述AFE模拟前端处理器接收所述数据选择器输出的信号，所述FPGA控制器输出的通道选择信号控制所述数据选择器的数据选择动作。

所述FPGA控制器在所述触发模块的控制下，同步控制所述AFE模拟前端处理器进行信号采集，所述AFE模拟前端处理器处理并采集所述通道复用模块输出的信号，将采集得到的数字信号通过高速LVDS低电压差分信号接口传递给所述FPGA控制器，所述FPGA控制器通过SPI串口外设接口与所述AFE模拟前端处理器通信，所述AFE模拟前端处理器的采集参数可通过所述SPI接口由所述FPGA控制器进行灵活配置。

所述触发模块包括数字隔离器和驱动器，所述数字隔离器对触发信号进行电平转换的同时实现信号隔离，所述驱动器为单通道栅极驱动器，用于提高内部触发信号的驱动能力。

所述电阻具体为0欧姆电阻，所述通道复用模块的两种工作状态对应两种采集模式，当所述0欧姆电阻处于断开状态时，所述通道复用模块为双通道交错复用模式；当所述0欧姆电阻处于连接状态时，所述通道复用模块为单通道倍速采样模式。

所述触发模块包括两种触发模式，一是外部触发模式：所述信号采集模块由外部输入的触发信号控制采集周期间隔；二是内部触发模式：所述信号采集模块由所述FPGA控制器输出的触发信号控制采集周期间隔。

图1是根据实施例示出的一种光声超声复用的采集系统的系统框图，图8为本系统运行的工作流程图。本采集系统能够根据实际应用场景灵活配置采集模式、接收模式、触发模式，适用于光声成像与超声成像领域。

本发明提供了一种一种光声超声复用的采集方法，具体步骤如下：

步骤S1：根据具体应用的成像场景，选择合适的采集模式。本发明中的采集模式的切换由通道复用模块实现，具体分为单通道倍速采样模式、双通道交错复用模式两种采集模式。

参照图2、图3，此工作模式适用于对采集通道数要求不高，但是对采样率要求高的场景，尤其适用于双模态扫描显微成像场景中。该模式下，接入数据选择器输入端之间的0欧姆电阻，使得此时数据选择器的双通道输入的数据一致，能够在FPGA控制器的通道选择信号的控制下，实现对单通道数据的倍速采样。

参照图5、图6，此工作模式适用于对采集通道数要求高，但是对采样率要求不高的场景，能实现低成本通道扩增，适用于双模态断层成像场景中。该模式下，不接入数据选择器输入端之间的0欧姆电阻，使得此时数据选择器输入两个不同通道的数据，能够在FPGA控制器的通道选择信号的控制下，实现对双通道数据的交错采样。

对于两种采集模式的选择，可根据实际的应用场景来选定界定值，作为优选，针对采集通道数小于10、采样率大于20MSPS的场景，选择单通道倍速采样模式；针对采集通道数大于100、采样率小于20MSPS的场景，选择双通道交错复用模式；对于采集通道数介于10与100之间的场景，两种模式都可以选择，具体可根据满足的采样率情况来选择采集模式，实际取决于成本的妥协。

步骤S2：在所应用的成像场景下，根据激励源选择对应的接收模式。本发明中的接收模式是通过FPGA控制器分别控制光声接收模块、超声收发模块的使能实现的，具体分为超声、光声两种接收模式。

参照图2、图5，当进行超声成像时，FPGA控制器控制光声接收模块处于禁用状态，此时的超声收发模块用于兼顾高压脉冲信号的发生与回波信号的接收。在本发明的超声收发模块中，使用了脉冲发生器芯片以实现高压脉冲信号发生及回波信号接收。与此同时，在FPGA控制器的控制下，能实现对所发生的超声脉冲激励源的频率以及脉冲宽度进行调节。

参照图3、图6，当进行光声成像时，采集的光声信号是由脉冲激光激发产生的，此时采集系统只进行光声信号的接收，并不负责激励源的产生。脉冲激光激发的光声信号往往小于超声脉冲激发的超声信号，本发明在采集光声信号时，使用低噪运放芯片对其进行了前置放大，以提高信噪比，解决以往的接收方法造成的成像对比度低的问题。

步骤S3：基于光声超声信号激发的重复频率，本发明采取了使用触发模块控制采集的周期间隔，以实现与待测信号的周期同步，从而降低采集数据量化后的缓存压力，并有效剔除无效数据，提升采集系统的数据处理效率。

本发明中的触发模式包括内部触发、外部触发两种，外部触发信号通过外部触发接口接入触发模块中的数字隔离器，在实现信号的隔离以及电平转换后，数字隔离器将转换后的触发信号发送至FPGA，使FPGA在对外部触发信号进行监控的同时，控制AFE进行指定采集深度的数据采集；内部触发信号是通过系统指定重复频率，由FPGA产生的，首先也需要经过数字隔离器，完成信号的隔离以及电平转换，然后使用一个单通道栅极驱动芯片将经过数字隔离器输出的内部触发信号接至内部触发接口，以提升系统对外部互连模块的驱动能力，FPGA在同步外部设备的同时，控制AFE进行指定采集深度的数据采集。

步骤S4：在指定的采集模式、接收模式、触发模式的组合下，信号采集模块对经过通道复用模块后的信号进行处理、量化操作。

参照图1，信号采集模块包括AFE模拟前端处理器和FPGA控制器，其中AFE使用的是超声专用AFE芯片，FPGA芯片通过SPI接口与AFE芯片进行通信，从而实现对AFE内部寄存器的读写。在FPGA的配置下，AFE对从数据选择器输入的信号依次进行放大、滤波、量化操作，并将转换得到的量化信息通过高速LVDS接口传递给FPGA，以完成信号从模拟域至数字域的转换。

参照图4，当应用于单通道倍速采样场景时，图示为单通道信号的采集时序解析。其中，信号指的是从超声收发模块接收的超声信号或光声接收模块接收的光声信号，开关频率指的是数据选择器U2的通道选择信号，采集频率指的是AFE的单通道采样率。在FPGA的控制下，数据选择器以采集频率的一半速率进行通道切换，即开关频率在每个采集频率的下降沿进行信号取反，实现对采集频率的二分频，并给数据采集留有充足的信号建立时间以及信号保持时间。此时，在每个采集频率的上升沿完成对数据选择器输出信号的采集。

参照图7，当应用于双通道交错复用场景时，图示为双通道信号的采集时序解析。其中，信号1、信号2指的是从超声收发模块接收的两路超声信号或光声接收模块接收的两路光声信号，开关频率指的是数据选择器U2的通道选择信号，采集频率1、采集频率2指的是AFE分别对应于信号1、信号2的采样率。在FPGA的控制下，数据选择器以AFE单通道采样频率的一半速率进行通道切换，当通道选择信号为低电平时，数据选择器选通信号1的链路；当通道选择信号为高电平时，数据选择器选通信号2的链路。此时，在采集频率1的上升沿完成对信号1的数据采集，在采集频率2的上升沿完成对信号2的数据采集。

在本发明实施例中，并联的所述光声接收模块与所述超声收发模块在同一时刻仅一个模块处于工作状态，所述通道复用模块可实现将光声、超声两种接收模式下的信号分时输入至所述信号采集模块，且能配置为双通道交错复用、单通道倍速采样两种采集模式，所述触发模块能够以内部触发、外部触发两种触发模式控制整个采集电路的采集周期间隔，以实现采集操作与激励动作同步。

将所述光声接收模块与所述超声收发模块进行并联，同时使用FPGA控制器控制上述两个模块的使能与否，从而保证在一个时刻只采集一种信号，实现了光声、超声两种接收模式，解决了现有技术中的模块冗余问题，进而降低了系统能耗。

所述光声接收模块使用了固定增益低噪运放，保障了在光声接收模式下对光声信号进行放大的同时减少噪声的引入，解决了现有技术中的光声接收模式与超声接收模式共用完全相同的信号链造成的光声信号采集信噪比低的问题，提高了光声成像时重建图像的对比度。

无论在何种接收模式下，所接收的信号都将通过所述通道复用模块而接入后级信号采集模块。通过控制所述通道复用模块中数据选择器输入端口间的0欧姆电阻处于不同状态，进而实现双通道交错复用模式与单通道倍速采样模式这两种采集模式，解决了现有技术中的采集通道数量拓展成本高，应用场景受限的问题，提升了本发明的采集系统的适配场景多样性。

本领域技术人员在考虑说明书及实施方式内公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种光声超声复用的采集系统，其特征在于：包括与超声换能器连接的光声接收模块，所述光声接收模块的输入和输出端口并联有超声收发模块，所述光声接收模块的输出端口连接有通道复用模块，所述通道复用模块的输出端口连接有信号采集模块，所述信号采集模块连接有控制其采集周期间隔的触发模块，所述光声接收模块与所述超声收发模块在同一时刻仅一个模块处于工作状态，所述光声接收模块包括带使能控制的固定增益低噪声放大器，所述低噪声放大器的输出端与所述通道复用模块连接，所述通道复用模块包括数据选择器和电阻，所述数据选择器有两个信号输入端口，所述电阻连接在两端口间，所述数据选择器的输出端口与信号采集模块连接。

2.如权利要求1所述的一种光声超声复用的采集系统，其特征在于：所述超声收发模块包括超声脉冲发生器，所述超声脉冲发生器将所述信号采集模块输送来的脉冲信号进行同步放大，产生高压脉冲信号，并输出至超声换能器，所述超声换能器接收高压脉冲信号后通过所述超声脉冲发生器输出回波信号至所述通道复用模块。

3.如权利要求1所述的一种光声超声复用的采集系统，其特征在于：所述信号采集模块包括模拟前端处理器和FPGA控制器，所述模拟前端处理器接收所述数据选择器输出的信号，所述FPGA控制器输出的通道选择信号控制所述数据选择器的数据选择动作。

4.如权利要求3所述的一种光声超声复用的采集系统，其特征在于：所述FPGA控制器在所述触发模块的控制下，同步控制所述模拟前端处理器进行信号采集，所述模拟前端处理器处理并采集所述通道复用模块输出的信号，将采集得到的数字信号通过高速低电压差分信号接口传递给所述FPGA控制器，所述FPGA控制器通过串口外设接口与所述模拟前端处理器通信，所述模拟前端处理器的采集参数可通过所述串口外设接口由所述FPGA控制器进行灵活配置。

5.如权利要求1所述的一种光声超声复用的采集系统，其特征在于：所述触发模块包括数字隔离器和驱动器，所述数字隔离器对触发信号进行电平转换的同时实现信号隔离，所述驱动器为单通道栅极驱动器，用于提高内部触发信号的驱动能力。

6.如权利要求1所述的一种光声超声复用的采集系统，其特征在于：所述电阻具体为0欧姆电阻，所述通道复用模块的两种工作状态对应两种采集模式，当所述0欧姆电阻处于断开状态时，所述通道复用模块为双通道交错复用模式；当所述0欧姆电阻处于连接状态时，所述通道复用模块为单通道倍速采样模式。

7.如权利要求3所述的一种光声超声复用的采集系统，其特征在于：所述触发模块包括两种触发模式，一是外部触发模式：所述信号采集模块由外部输入的触发信号控制采集周期间隔；二是内部触发模式：所述信号采集模块由所述FPGA控制器输出的触发信号控制采集周期间隔。

8.一种基于权利要求1所述的一种光声超声复用的采集系统的采集方法，其特征在于：所述采集方法包括如下步骤：

S1：根据具体应用的成像场景，选择采集模式，通过是否接入数据选择器输入端之间的0欧姆电阻，实现单通道倍速采样模式、双通道交错复用模式的切换；

S2：根据激励源选择对应的接收模式：通过FPGA控制器分别控制光声接收模块、超声收发模块的使能分别实现光声接收模式和超声接收模式；

S3:根据同步方式，触发模块选用外部触发模式或内部触发模式，基于光声、超声信号激发的重复频率，控制采集的周期间隔；

S4：组合使用采集模式、接收模式和触发模式，信号采集模块对经过通道复用模块后的信号进行处理、量化操作。

9.如权利要求8所述的采集方法，其特征在于：所述步骤S1中：

针对采集通道数小于10、采样率大于20MSPS的场景，选择单通道倍速采样模式；

针对采集通道数大于100、采样率小于20MSPS的场景，选择双通道交错复用模式。

10.如权利要求8所述的采集方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述触发模块的触发模式包括外部触发模式和内部触发模式，外部触发模式：所述信号采集模块由外部输入的触发信号控制采集周期间隔；内部触发模式：所述信号采集模块由FPGA控制器输出的触发信号控制采集周期间隔。

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