CN115644925A

CN115644925A - 基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法、设备及介质

Info

Publication number: CN115644925A
Application number: CN202211426249.XA
Authority: CN
Inventors: 李家奇; 徐杰; 邵维维; 崔崤峣; 沈之天; 黄文昌
Original assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology of CAS
Priority date: 2022-11-14
Filing date: 2022-11-14
Publication date: 2023-01-31

Abstract

本发明涉及基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法、设备及介质，涉及超声成像技术领域。针对第二激励脉冲不同的电压值，依次进行最优时间间隔的轮选，具体的依次轮选不同倍数i的间隔时间t1，并进行环路反馈，选择出最优间隔时间i*t1作为发射间隔时间T，实现最短的回波持续时间，从而实现提高分辨率的效果。本发明通过激励方式的变换以提高超声纵向分辨率，实现超声图像的提升；通过自适应反馈流程能够实现自动识别并确定最优纵向分辨率，减少人工测试操作；能够在不改变目前产品现有硬件或者少量改变现有硬件情况下实现此功能，改造成本低。

Description

基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法、设备及介质

技术领域

本发明涉及超声成像技术领域，特别涉及基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法、设备及介质。

背景技术

由于超声具有无辐射、安全、实时性高等特点，使用超声检测已经成为医疗检测中最常用的方法之一。超声成像是利用超声波扫描检测部位，接收处理反射回来的信号，以获取被检测部位内部形态的图像。常见的实现方式多为使用高压脉冲激励换能器使其发射超声脉冲波，超声脉冲波进入人体后，由于人体不同器官组织的声阻抗不同，使得超声波在不同组织或器官分界面被部分反射、折射、吸收等。利用换能器接收反射回来的超声波，并经过一系列电路和软件算法的处理，形成超声图像。目前常用的超声成像设备类型众多，包括A型超声、B型超声、M型超声等。超声成像具有实时连续成像、对患者和医务人员健康安全无影响、费用低廉、便于移动等优点。

评价超声图像和超声设备的参数中，纵向分辨率是一个至关重要的关键性参数。它决定了超声图像在深度方向的最小识别间隔，因此提升超声图像的分辨率，直接决定超声图像应用价值,是超声成像的热点研究之一。

目前针对超声图像分辨率的提高有以下几种思路：

1.提升超声频率。超声频率越高，超声波长越短，其分辨率越高，但是频率越高，在体内的衰减越快，可探测深度越浅。

2.使用软件算法进行数据处理。这种方式最为常见，种类也最多，包括波束合成技术、超分辨率成像技术、合成孔径技术等。

3.对超声硬件电路进行更改。如使用短脉冲长度、更低噪声芯片提高信噪比等。

在使用硬件电路激励换能器产生超声波过程中，最常见的是脉冲尖峰和脉冲方波激发，是目前最广泛使用的方式。使用正弦波发射激励的方式也有应用。这种激发方式和对应频率换能器组合，实现了常规的超声发射。不考虑其他软件算法以及硬件接收系统的区别，其超声图像分辨率取决于换能器谐振频率。

在换能器谐振频率不变情况下，为了进一步提升纵向分辨率，本发明提出一种脉冲激励方法，结合回波反馈遍历的方式，实现不改变或少量改动现有的硬件电路架构的情况下，提高超声的分辨率。

发明内容

为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，本发明的第一目的是提供基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法，包括以下步骤：

获取设置的第二激励脉冲的电压值，所述第二激励脉冲的电压值小于第一激励脉冲的电压值；

根据换能器的谐振频率获取间隔时间；

获取接收到的第一激励脉冲信号对应的回波纵向分辨率，记为标准发射分辨率；

获取接收到的激励脉冲叠加信号对应的回波纵向分辨率，记为回波纵向分辨率；其中，所述激励脉冲叠加信号为先发射的所述第一激励脉冲信号与间隔若干间隔时间后发射的所述第二激励脉冲信号的叠加信号；

若所述回波纵向分辨率小于所述标准发射分辨率，则获取接收到的新激励脉冲叠加信号对应的回波纵向分辨率，记为新回波纵向分辨率；其中，所述新激励脉冲叠加信号为增加上一激励脉冲叠加信号中的间隔时间得到的叠加信号；

判断所述新回波纵向分辨率是否小于所述上一回波纵向分辨率；

是则跳转至所述获取接收到的新激励脉冲叠加信号对应的回波纵向分辨率步骤循环执行；

否则将当前的回波纵向分辨率作为第二激励脉冲当前电压值下的最优分辨率，将当前的总间隔时间作为第二激励脉冲当前电压值下的发射间隔时间；

获取设置的第二激励脉冲的下一电压值，跳转至所述获取接收到的激励脉冲叠加信号对应的回波纵向分辨率步骤循环执行，直至检测完设置的第二激励脉冲的所有电压值对应的最优分辨率和发射间隔时间；

比较第二激励脉冲的所有电压值对应的最优分辨率和发射间隔时间，选出数值最高的最优分辨率及其对应的发射间隔时间分别作为最终的最优分辨率和最终的发射间隔时间。

进一步地，所述回波纵向分辨率的获取包括以下步骤：

控制器发射激励脉冲信号，所述激励脉冲信号包括第一激励脉冲信号和激励脉冲叠加信号；

对所述激励脉冲信号对应的回波信号经过低噪放大器和时间增益放大器放大处理；

对于放大后的回波信号直接进行采集；

所述控制器将采集到的回波数据进行包络解调处理，得到包络数据；

查找所述包络数据中的最大值，以最大值为标准，找到预设谱宽的数值位置，计算出对应的时间间隔，得到回波纵向分辨率。

进一步地，所述回波纵向分辨率的获取包括以下步骤：

放大后的信号经过包络检波器处理得到包络信号；

包络信号经过比较器处理得到方波信号，记录方波高电平的时间，将方波高电平的时间作为超声纵向分辨率时间。

进一步地，所述记录方波高电平的时间，将方波高电平的时间作为超声纵向分辨率时间包括以下步骤：

通过所述控制器检测方波高电平的时间。

通过时间数字转换芯片检测所述方波信号的上升沿时间和下降沿时间，上升沿时间和下降沿时间之差为方波高电平时间。

进一步地，所述间隔时间小于换能器的谐振频率对应时间周期的一个数量级。

进一步地，所述预设谱宽为-6dB谱宽或-20dB谱宽。

进一步地，所述设置的第二激励脉冲的电压值包括设置所述第二激励脉冲的电压值为所述第一激励脉冲的电压值的20％、40％、60％、80％。

本发明的第二目的是提供一种电子设备，包括：存储器，其上存储有程序代码；处理器，其与所述存储器联接，并且当所述程序代码被所述处理器执行时，实现基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法。

本发明的第三目的是提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，所述程序指令被执行时实现基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法，通过激励方式的变换以提高超声纵向分辨率，实现超声图像的提升。

本发明通过自适应反馈流程能够实现自动识别并确定最优纵向分辨率，减少人工测试操作。并且在多个换能器一致性差的情形下，效果更加明显，可以针对不同的换能器实现针对性的延迟发射时间，从而有更广的适应性。

本发明能够在不改变目前产品现有硬件或者少量改变现有硬件情况下实现此功能，改造成本低。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为实施例1的基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法流程图；

图2为实施例1的激励脉冲信号和回波信号示意图；

图3为实施例1的回波接收电路示意图一；

图4为实施例1的回波信号处理过程示意图；

图5为实施例1的回波接收电路示意图二；

图6为实施例2的电子设备示意图；

图7为实施例3的计算机可读存储介质示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例1

基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法，如图1所示，包括以下步骤：

获取设置的第二激励脉冲P2的电压值VP2，第二激励脉冲P2的电压值VP2小于第一激励脉冲P1的电压值VP1；第一激励脉冲和第二激励脉冲均为高压激励脉冲，可以是尖脉冲，也可以是方波脉冲。

第二激励脉冲P2的电压是提高分辨率、降低近场震荡的重要因素。因此，可以选定几个不同比例的电压，如选择第二激励脉冲P2的电压值VP2为第一激励脉冲P1的电压值VP1的20％、40％、60％、80％。然后依次按照下述的时间轮选步骤选出对应的最优发射间隔时间T,得到对应的超声回波时间分辨率S。比较第二激励脉冲P2不同电压值对应的S，从中选出最优的超声回波时间分辨率。

根据换能器的谐振频率F获取间隔时间t1；间隔时间小于换能器的谐振频率对应时间周期的一个数量级。如设置t1为1/(10*F)，一个1M谐振频率的换能器，其时间周期为1us,则t1可以选择为100ns。

发射第一激励脉冲信号P1；

获取接收到的第一激励脉冲信号对应的回波纵向分辨率，记为标准发射分辨率Rv1；

第一激励脉冲信号P1和第二激励脉冲信号P2的间隔时间T是提高分辨率、降低近场震荡的重要因素。因此每次移动一个微小间隔时间t1(t1<T)，通过电路检测记录回波持续时间。通过软硬件系统依次轮选不同倍数i的t1，并进行环路反馈，从而选择出最优的时间i*t1作为发射间隔时间T，实现最短的回波持续时间，从而实现提高分辨率的功能。具体的步骤如下：

如图2所示，发射第一激励脉冲信号P1后，间隔非常短的发射间隔时间T发射第二激励脉冲信号P2，这样使得两次脉冲回波叠加，从而减少回波持续时间。本实施例中，发射第一激励脉冲信号后，先间隔一个间隔时间t1发射第二激励脉冲信号P2。需要说明的是，此处第一激励脉冲信号和第二激励脉冲信号发射的间隔时间可以根据实际情况设置为其他倍数的间隔时间t1。

由于换能器是基于压电效应和逆压电效应工作的。第一次激励使得换能器压电片震动起来，只要第二次激励产生震动刚好和上一次压电片震动相位相差一定的相位，就能够改变原有的震动模式。例如，压电片正进行到压缩阶段时，第二次激励使得压电片需要扩张，增加了阻尼，从而减弱了后续不想要的多余的震动和拖尾。所以从换能器角度解释，第二次发射的激励脉冲信号P2有效缩短了换能器的震荡，使得超声回波近场震荡缩短，因此通过这种激励方式不仅可以有效提高近场震荡的时间，使得超声图像的近场盲区更小，同时也可以提高超声纵向分辨率。

获取接收到的激励脉冲叠加信号对应的回波纵向分辨率，记为回波纵向分辨率Rv2；其中，激励脉冲叠加信号为先发射的第一激励脉冲信号与间隔若干间隔时间后发射的第二激励脉冲信号的叠加信号；

若回波纵向分辨率不小于标准发射分辨率，则检查换能器的谐振频率参数，以及输入的间隔时间t1是否正确，或者更换更小的时间间隔t1。

若回波纵向分辨率小于标准发射分辨率，则继续发射第一激励脉冲信号P1，并比上一次增加若干倍的间隔时间t1再发射第二激励脉冲信号P2，比如发射第一激励脉冲信号P1后，延迟2*t1再发射第二激励脉冲信号P2。需要说明的是，当前两个信号之间的间隔时间比上一次两个信号之间的间隔时间增加的可以多个倍数i的t1，即可以根据实际需求进行设置。

获取接收到的新激励脉冲叠加信号对应的回波纵向分辨率，记为新回波纵向分辨率Rv3；其中，新激励脉冲叠加信号为增加上一激励脉冲叠加信号中的间隔时间得到的叠加信号；

判断新回波纵向分辨率是否小于上一回波纵向分辨率；

是则跳转至获取接收到的新激励脉冲叠加信号对应的回波纵向分辨率步骤循环执行，即继续进行下一步发射第一激励脉冲信号P1，延迟3*t1发射第二激励脉冲信号P2；

否则将当前的回波纵向分辨率作为第二激励脉冲当前电压值下的最优分辨率，将当前的总间隔时间作为第二激励脉冲当前电压值下的发射间隔时间；即第二激励脉冲当前电压值下的最优分辨率为Rv2，发射间隔时间T＝2*t1。以此类推。

获取设置的第二激励脉冲的下一电压值，跳转至获取接收到的激励脉冲叠加信号对应的回波纵向分辨率步骤循环执行，直至检测完设置的第二激励脉冲的所有电压值对应的最优分辨率和发射间隔时间；

上述各个回波纵向分辨率的获取包括以下步骤：

如图5所示，控制器发射激励脉冲信号，激励脉冲信号包括第一激励脉冲信号和激励脉冲叠加信号；

通过ADC芯片对激励脉冲信号对应的回波信号进行采集；

控制器(如FPGA/DSP控制器或上位机)将采集到的回波数据进行包络解调处理，得到包络数据；包络解调方式包括正交解调检波和希尔伯特变换法检波等；

查找包络数据中的最大值，以最大值为标准，找到预设谱宽的数值位置，预设谱宽为-6dB谱宽或-20dB谱宽等，如向下找到-6dB的数值位置，计算出对应的时间间隔，得到回波纵向分辨率。

采用这种方式获得回波纵向分辨率的精度取决于ADC采样频率，优点是只用在软件端进行处理，不改变硬件结构。

回波纵向分辨率的获取还可以采用以下方式：

如图3所示，控制器发射激励脉冲信号，激励脉冲信号包括第一激励脉冲信号和激励脉冲叠加信号；

如图4所示，对激励脉冲信号对应的回波信号经过低噪放大器和时间增益放大器放大处理；

放大后的信号经过包络检波器处理得到包络信号；

包络信号进入比较器，通过设定的比较阈值，将包络回波信号转变为方波信号，记录方波高电平的时间，将方波高电平的时间作为超声纵向分辨率时间。其中，设定的比较阈值是由控制器控制DAC输出扫描电压，得到包络信号的最大电压值Vmax，然后根据实际需求选择对应的电压值，如选择Vmax/2电压值或Vmax/10电压值，即-6dB或-20dB的Vmax作为比较阈值。

在比较器后，方波高电平时间的测量可以通过控制器检测方波高电平的时间。具体的，将方波信号输入FPGA/DSP控制器的管脚上，使用FPGA/DSP器检测方波的时间，这种检测方式的精度与FPGA/DSP控制器的主频直接相关，主频越高，时间精度越高。以FPGA控制器为例，可以选择速度等级为-3的Xilinx Virtex-7FPGA系列产品，其最高主频在741MHz,编写的程序主频设定在500MHz,这样检测时间的误差最大在2ns，转换成距离误差D＝C*T＝1500m/s*2ns＝3um，能够满足低频或中频医用超声使用。

在比较器后，方波高电平时间的测量还可以通过时间数字转换芯片检测方波信号的上升沿时间和下降沿时间，上升沿时间和下降沿时间之差为方波高电平时间。时间数字转换芯片可以采用TDC-GP22芯片等，这种方式增加了硬件的成本和设计复杂性，时间检测误差更低，其时间误差低至22ps，可以满足高频医用超声使用。

本发明能够自适应识别实现最优分辨率的选择。自识别出的发射间隔时间T可以用在后续发射过程中作为一个定值，从而可以实现提高分辨率的目的。本发明不但可以应用在单个换能器阵元的超声探头上，也可以应用在多个超声换能器阵元的探头上，具有一定的普适性。

本发明通过对发射激励脉冲进行设置调整，从而减小超声回波波形的持续时间，实现提高超声的分辨率，以及提高检测精度的目的。

实施例2

一种电子设备200，如图6所示，包括但不限于：存储器201，其上存储有程序代码；处理器202，其与存储器联接，并且当程序代码被处理器执行时，实现基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法。关于方法的详细描述，可以参照上述方法实施例中的对应描述，在此不再赘述。

实施例3

一种计算机可读存储介质，如图7所示，其上存储有程序指令，程序指令被执行时实现的基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法。关于方法的详细描述，可以参照上述方法实施例中的对应描述，在此不再赘述。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上仅为本说明书实施例而已，并不用于限制本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变换。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的权利要求范围之内。本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例。

Claims

1.基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据换能器的谐振频率获取间隔时间；

2.根据权利要求1所述的基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法，其特征在于，所述回波纵向分辨率的获取包括以下步骤：

对于放大后的回波信号直接进行采集；

3.根据权利要求1所述的基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法，其特征在于，所述回波纵向分辨率的获取包括以下步骤：

放大后的信号经过包络检波器处理得到包络信号；

4.根据权利要求3所述的基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法，其特征在于，所述记录方波高电平的时间，将方波高电平的时间作为超声纵向分辨率时间包括以下步骤：

通过所述控制器检测方波高电平的时间。

5.根据权利要求3所述的基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法，其特征在于，所述记录方波高电平的时间，将方波高电平的时间作为超声纵向分辨率时间包括以下步骤：

6.根据权利要求1所述的基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法，其特征在于：所述间隔时间小于换能器的谐振频率对应时间周期的一个数量级。

7.根据权利要求2所述的基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法，其特征在于：所述预设谱宽为-6dB谱宽或-20dB谱宽。

8.根据权利要求1所述的基于脉冲激励的超声分辨率自适应调节方法，其特征在于：所述设置的第二激励脉冲的电压值包括设置所述第二激励脉冲的电压值为所述第一激励脉冲的电压值的20％、40％、60％、80％。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器，其上存储有程序代码；处理器，其与所述存储器联接，并且当所述程序代码被所述处理器执行时，实现如权利要求1至8中任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有程序指令，所述程序指令被执行时实现如权利要求1至8中任意一项所述的方法。