CN116524064B - 一种超声图像生成方法、装置、设备及介质 - Google Patents

一种超声图像生成方法、装置、设备及介质 Download PDF

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Abstract

本申请公开了超声图像处理技术领域内的一种超声图像生成方法、装置、设备及介质。本申请能够根据目标检测深度确定发射时间间隔，然后按照发射时间间隔和预设的至少两个频率的预设顺序，控制超声导管发射至少两个频率的脉冲，那么基于至少两个频率的脉冲的回波信号可生成至少两个超声图像，之后将目标检测深度划分为至少两个深度段，并确定每一超声图像在每一深度段的权重系数，最后将至少两个超声图像在相同深度段的像素信息按照相应权重系数进行融合，能够得到兼容大成像深度和高分辨力的融合图像，由此实现了大成像深度和高分辨力的兼容。

Description

一种超声图像生成方法、装置、设备及介质
技术领域
本申请涉及超声图像处理技术领域，特别涉及一种超声图像生成方法、装置、设备及介质。
背景技术
当前，血管内超声诊断（Intravascular Ultrasound，简称IVUS）设备通常以单一工作频率进行超声成像，如：当以单一高频率工作时只能在高工作频率下得到高分辨力的超声图像，由于高频信号衰减大，因此若以高频的单一工作频率得到的超声图像中缺失了更深层的组织状态信息，而以低频的单一工作频率则很难满足临床的高分辨力需求。可见当前血管内超声诊断设备很难同时获得高分辨力、大成像深度兼得的超声图像。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种超声图像生成方法、装置、设备及介质，能够使血管内超声图像同时兼容大成像深度和高分辨力，既能从中观测到血管的病变类型、组织分层、支架贴壁等结构信息，又能观测到深层组织状态。其具体方案如下：
为实现上述目的，一方面，本申请提供了一种超声图像生成方法，包括：
根据目标检测深度确定发射时间间隔；
按照所述发射时间间隔和预设的至少两个频率的预设顺序，控制超声导管发射至少两个频率的脉冲；
基于至少两个频率的脉冲的回波信号生成至少两个超声图像；
将所述目标检测深度划分为至少两个深度段，并确定每一超声图像在每一深度段的权重系数；
将所述至少两个超声图像在相同深度段的像素信息按照相应权重系数进行融合，得到融合图像。
可选地，所述根据目标检测深度确定发射时间间隔，包括：
计算所述目标检测深度与脉冲传播速度的比值，并使所述发射时间间隔不小于2倍的比值。
可选地，所述按照所述发射时间间隔和预设的至少两个频率的预设顺序，控制超声导管发射至少两个频率的脉冲，包括：
根据所述预设顺序和所述发射时间间隔计算每一频率的发射时间；
按照每一频率的发射时间和所述预设顺序控制所述超声导管发射相应频率的脉冲。
可选地，若到达任一频率的发射时间，则将当前频率对应的发射参数赋值给与所述超声导管连接的锁相环，以使所述锁相环控制所述超声导管按照所述发射参数发射当前频率的脉冲。
可选地，所述将所述至少两个超声图像在相同深度段的像素信息按照相应权重系数进行融合，得到融合图像，包括：
针对每一深度段，按照每一超声图像在当前深度段的权重系数计算每一超声图像中当前深度段位置的像素信息的加权值，叠加各个加权值，得到当前深度段的融合像素；
拼接所有深度段的融合像素，得到所述融合图像。
可选地，所述针对每一深度段，按照每一超声图像在当前深度段的权重系数计算每一超声图像中当前深度段位置的像素的加权值，叠加各个加权值，得到当前深度段的融合像素，包括：
按照目标公式计算每一深度段的融合像素；所述目标公式为：fd=a1-d×F1-d+a2-d×F2-d+……+aN-d×FN-d；fd表示深度段d的融合像素；N为频率的个数；a1-d表示超声图像F1在深度段d的权重系数；a2-d表示超声图像F2在深度段d的权重系数；aN-d表示超声图像FN在深度段d的权重系数；F1-d表示超声图像F1中深度段d位置的像素信息；F2-d表示超声图像F2中深度段d位置的像素信息；FN-d表示超声图像FN中深度段d位置的像素信息。
可选地，在深度段d大于预设深度阈值的情况下，超声图像对应的频率越大，该超声图像在深度段d的权重系数越小；
在深度段d不大于所述预设深度阈值的情况下，超声图像对应的频率越大，该超声图像在深度段d的权重系数越大；所述预设深度阈值基于所述目标检测深度设定。
可选地，所述基于至少两个频率的脉冲的回波信号生成至少两个超声图像，包括：
对至少两个频率的脉冲的回波信号进行模数转换，并基于模数转换后的各信号生成至少两个超声图像。
可选地，所述基于模数转换后的各信号生成至少两个超声图像之前，还包括：
根据各回波信号的采样时间确定模数转换后的各信号的缓存标识信息；
根据所述缓存标识信息将模数转换后的各信号存储至不同缓存器。
又一方面，本申请还提供了一种超声图像生成装置，包括：
确定模块，用于根据目标检测深度确定发射时间间隔；
发射模块，用于按照所述发射时间间隔和预设的至少两个频率的预设顺序，控制超声导管发射至少两个频率的脉冲；
生成模块，用于基于至少两个频率的脉冲的回波信号生成至少两个超声图像；
划分模块，用于将所述目标检测深度划分为至少两个深度段，并确定每一超声图像在每一深度段的权重系数；
融合模块，用于将所述至少两个超声图像在相同深度段的像素信息按照相应权重系数进行融合，得到融合图像。
又一方面，本申请还提供了一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器；其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序由所述处理器加载并执行以实现前述任一项所述的方法。
又一方面，本申请还提供了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器加载并执行时，实现前述任一项所述的方法。
又一方面，本申请还提供了一种超声设备，包括：导管控制器、主机以及超声导管；
所述导管控制器用于：根据目标检测深度确定发射时间间隔；按照所述发射时间间隔和预设的至少两个频率的预设顺序，控制所述超声导管发射至少两个频率的脉冲；
所述主机用于：基于至少两个频率的脉冲的回波信号生成至少两个超声图像；将所述目标检测深度划分为至少两个深度段，并确定每一超声图像在每一深度段的权重系数；将所述至少两个超声图像在相同深度段的像素信息按照相应权重系数进行融合，得到融合图像；
所述超声导管用于：发射至少两个频率的脉冲；接收至少两个频率的脉冲的回波信号。
可选地，所述导管控制器包括：控制芯片、与所述控制芯片连接的电机驱动模块、至少一个锁相环和数字信号处理模块，与所述数字信号处理模块连接的模数转换模块，与所述模数转换模块和所述至少一个锁相环连接的高压隔离模块，与所述高压隔离模块连接的旋转耦合装置；所述旋转耦合装置连接所述超声导管。
可选地，所述控制芯片用于：按照所述发射时间间隔和所述预设顺序控制所述至少一个锁相环生成至少两个控制信号，以使所述至少一个锁相环通过所述至少两个控制信号控制所述超声导管发射至少两个频率的脉冲。
可选地，所述旋转耦合装置包括电滑环或旋转变压器。
本申请能够根据目标检测深度确定发射时间间隔，然后按照发射时间间隔和预设的至少两个频率的预设顺序，控制超声导管发射至少两个频率的脉冲，那么基于至少两个频率的脉冲的回波信号可生成至少两个超声图像，之后将目标检测深度划分为至少两个深度段，并确定每一超声图像在每一深度段的权重系数，最后将至少两个超声图像在相同深度段的像素信息按照相应权重系数进行融合，能够得到兼容大成像深度和高分辨力的融合图像，此融合图像不仅能以较高分辨力使血管的病变类型、组织分层、支架贴壁等结构信息展现得更加清晰，又能够展现深层组织状态。该方案不仅增加了频率的个数，还能够按序发射相应频率的脉冲，之后对不同频率下的图像的相同深度段的像素进行加权融合，由此实现了大成像深度和高分辨力的兼容。
相应地，本申请提供的一种超声图像生成方法、装置、设备、介质及超声设备，都同样具有上述技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，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申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请提供的一种超声图像生成方法流程图；
图2为本申请提供的一种锁相环示意图；
图3为本申请提供的一种超声图像的成像深度示意图；
图4为本申请提供的一种超声设备示意图；
图5为本申请提供的一种不同频率的发射示意图；
图6为本申请提供的一种当前相关方案与本申请的频率带宽对比图；
图7为本申请提供的一种超声图像生成装置示意图；
图8为本申请提供的一种服务器结构图；
图9为本申请提供的一种终端结构图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。另外，在本申请实施例中，“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
血管内超声诊断设备以高频的单一工作频率得到的超声图像中缺失了更深层的组织状态信息，而以低频的单一工作频率则很难满足临床的高分辨力需求。可见当前血管内超声诊断设备很难同时获得高分辨力、大成像深度兼得的超声图像。
鉴于目前所存在的上述问题，本申请提出了一种超声图像生成方案，能够使血管内超声图像同时兼容大成像深度和高分辨力，既能从中观测到血管的病变类型、组织分层、支架贴壁等结构信息，又能观测到深层组织状态。
图1为本申请实施例提供的一种超声图像生成方法流程图。以下以应用于超声设备为例进行说明，超声设备包括主机、导管控制器和超声导管。如图1所示，该超声图像生成方法可以包括以下步骤：
S101、根据目标检测深度确定发射时间间隔。
在超声设备中的导管控制器工作之前，其中已设有至少两个频率，且导管控制器可控制其连接的超声导管以这至少两个频率发射相应的脉冲。为避免不同脉冲间相互干扰（如前一脉冲的回波与后一脉冲的发射波之间的干扰），需保证前一脉冲的回波被接收后，再发射下一个频率的脉冲，因此需要以相应时间间隔发射不同脉冲。在一种实施方式中，根据目标检测深度确定发射时间间隔，包括：计算目标检测深度与脉冲传播速度的比值，并使发射时间间隔不小于2倍的比值。脉冲传播速度具体可取值为声音在组织中的传播速度，约为1570m/s。通过计算一个脉冲从发出到传播至某一深度d，再从此深度位置返回所用的时间，即可得到最短发射时间间隔。也即：通过T=2d/c可计算得到最短发射时间间隔，T表示最短发射时间间隔，表示目标检测深度，c为脉冲传播速度。当然，两个脉冲之间的发射时间间隔可以大于最短发射时间间隔T，因此使最终的发射时间间隔不小于2倍的d/c，就可以避免不同脉冲的相互干扰。
S102、按照发射时间间隔和预设的至少两个频率的预设顺序，控制超声导管发射至少两个频率的脉冲。
在本实施例中，导管控制器连接有超声导管和主机，导管控制器、超声导管和主机为超声设备中的主要组成部件。超声设备还提供有用户操作端，用户可以在用户操作端设定目标检测深度、各频率的大小以及各频率的顺序等参数，那么在超声检查过程中，超声导管在导管控制器的控制下，通过其中的换能器可以发射不同频率的脉冲。并且，超声导管通过其中的换能器接收脉冲的回波信号，后续主机据此回波信号进行超声图像的生成。
在一种示例中，用户在用户操作端设定各频率的大小后，主机可以根据任一个频率大小生成相应的发射参数，并将此发射参数传输至导管控制器进行存储。通常情况下，一个频率值对应一组发射参数，且不同组发射参数的顺序与各频率的顺序一致。其中，一个频率值对应的一组发射参数具体包括：分频器系数、振荡器系数等参数，必要时用户可以针对一组发射参数中的个别参数的取值进行调整。
在一种实施方式中，按照发射时间间隔和预设的至少两个频率的预设顺序，控制超声导管发射至少两个频率的脉冲，包括：根据预设顺序和发射时间间隔计算每一频率的发射时间；按照每一频率的发射时间和预设顺序控制超声导管发射相应频率的脉冲。如果预设有两个频率值：P1和P2，当发射时间间隔为T且在0时刻发射P1频率的脉冲，那么P2频率的脉冲的第一次发射时间为T。由于导管控制器是持续长时间工作，那么至少两个频率的脉冲会被循环发射，故此前述示例中，在2T时刻会再次发射P1频率的脉冲，在3T时刻会再次发射P2频率的脉冲，由此循环，直至导管控制器被关闭。据此可知，每一频率的发射时间随着超声扫查会进行多次计算，因此每一频率的发射时间至少有一个。
在一种实施方式中，若到达任一频率的发射时间，则将当前频率对应的发射参数赋值给与超声导管连接的锁相环，以使锁相环控制超声导管按照发射参数发射当前频率的脉冲。请参见图2，锁相环包括：第一分频器、与第一分频器连接的鉴相器、与鉴相器连接的压控振荡器、与压控振荡器连接的第二分频器、与第二分频器连接的MOS管、与MOS管连接的电压放大器以及与鉴相器和第二分频器连接的第三分频器。一个频率值对应的发射参数包括：第一分频器的系数、鉴相器的系数、压控振荡器的系数、第二分频器的系数、和第二分频器的系数，这些系数构成一组发射参数。按照这一组发射参数可使锁相环输出相应的控制信号，此控制信号会传输给超声导管，超声导管据此发射相应频率的脉冲波。
S103、基于至少两个频率的脉冲的回波信号生成至少两个超声图像。
在一种实施方式中，基于至少两个频率的脉冲的回波信号生成至少两个超声图像之前，还包括：对至少两个频率的脉冲的回波信号进行模数转换，并将模数转换后的各信号传输至导管控制器中的数字信号处理模块，以使数字信号处理模块对模数转换后的信号进行带通滤波、时间增益补偿、包络解调、数字扫描变换等处理，之后主机基于处理后的信号生成至少两个超声图像。由此先进行模数转换，将模拟信号转换为数字信号后，再进行数字信号的处理，可以缩短模拟信号的传输路径，保留较好的高频分量，降低信号传输的衰减。
在一种实施方式中，基于至少两个频率的脉冲的回波信号生成至少两个超声图像，包括：对至少两个频率的脉冲的回波信号进行模数转换，并基于模数转换后的各信号生成至少两个超声图像。
需要说明的是，导管控制器针对回波进行模数转换、带通滤波、时间增益补偿、包络解调、数字扫描变换等处理后，将信号存入不同缓存器，之后由主机读取不同缓存器中的信号并进行图像生成和融合。
在一种实施方式中，基于模数转换后的各信号生成至少两个超声图像之前，还包括：根据各回波信号的采样时间确定模数转换后的各信号的缓存标识信息；根据缓存标识信息将模数转换后的各信号存储至不同缓存器。
在一种示例中，导管控制器中设有多个缓存器，每一缓存器用于存储相应频率的脉冲的回波信号。具体的，每一缓存器对应有相应的缓存标识信息，据此缓存标识信息可确定回波信号的存储位置。缓存标识信息可根据回波信号的采样时间确定，按照采样时间的先后顺序、首次发射脉冲的时间、以及各脉冲的个数及发射顺序可以确定同一频率的脉冲对应的缓存标识信息；同一频率的脉冲对应的缓存标识信息相同。例如：导管控制器中设有两个缓存器和两个频率时，缓存器1存储P1的回波信号，缓存器2存储P2的回波信号。通过计算每一次采样回波信号的时间，可确定当前回波信号是P1的还是P2的，由此可将相应回波信号对应存储至相应缓存器。在此示例中，1和2即为缓存标识信息。其中，采样时间的计算公式为：N=t×Sam=（2d/c）×Sam，d为检测深度，c为脉冲传播速度，Sam为预设采样率，采样率常见的有200M、300M、400M和500M等。
需要说明的是，在存储模数转换后的各信号之前，还可以对信号进行带通滤波、时间增益补偿、包络解调、数字扫描变换等处理。
S104、将目标检测深度划分为至少两个深度段，并确定每一超声图像在每一深度段的权重系数。
在本实施例中，权重系数不仅随深度段变化，还随不同频率的超声图像变化，因此需要确定每一超声图像在每一深度段的权重系数。例如：在有两个频率（P1和P2，P1＜P2）的情况下，可得到两个频率的超声图像，如果目标检测深度被分为两个深度段：d1和d2，d1的深度小于d2的深度；那么P1频率的超声图像在深度段d1的权重系数可以为0.3，P1频率的超声图像在深度段d2的权重系数可以为0.7；P2频率的超声图像在深度段d1的权重系数可以为0.7，P2频率的超声图像在深度段d2的权重系数可以为0.3。由于高频对应高分辨力小成像深度，低频对应大成像深度低分辨力，因此在大深度段d2，高频图像的权重系数低于低频图像的权重系数，在小深度段d1，高频图像的权重系数高于低频图像的权重系数。
通常以超声导管所在位置为0深度，以脉冲发射方向进行深度增加。如图3所示，超声导管置于血管中心时，血管中心为0深度，假设检测深度10毫米=d1+d2，那么各超声图像可被划分为一个圆形和一个圆环。超声导管工作过程中持续旋转，故得到的超声图像以超声导管为中心点。
S105、将至少两个超声图像在相同深度段的像素信息按照相应权重系数进行融合，得到融合图像。
在一种实施方式中，将至少两个超声图像在相同深度段的像素信息按照相应权重系数进行融合，得到融合图像，包括：针对每一深度段，按照每一超声图像在当前深度段的权重系数计算每一超声图像中当前深度段位置的像素信息的加权值，叠加各个加权值，得到当前深度段的融合像素；拼接所有深度段的融合像素，得到融合图像。
在一种实施方式中，针对每一深度段，按照每一超声图像在当前深度段的权重系数计算每一超声图像中当前深度段位置的像素的加权值，叠加各个加权值，得到当前深度段的融合像素，包括：按照目标公式计算每一深度段的融合像素；目标公式为：fd=a1-d×F1-d+a2-d×F2-d+……+aN-d×FN-d；fd表示深度段d的融合像素；N为频率的个数；a1-d表示超声图像F1在深度段d的权重系数；a2-d表示超声图像F2在深度段d的权重系数；aN-d表示超声图像FN在深度段d的权重系数；F1-d表示超声图像F1中深度段d位置的像素信息；F2-d表示超声图像F2中深度段d位置的像素信息；FN-d表示超声图像FN中深度段d位置的像素信息。
在一种实施方式中，在深度段d大于预设深度阈值的情况下，超声图像对应的频率越大，该超声图像在深度段d的权重系数越小；在深度段d不大于预设深度阈值的情况下，超声图像对应的频率越大，该超声图像在深度段d的权重系数越大；预设深度阈值基于目标检测深度设定。预设深度阈值用于将目标检测深度划分为大深度段和小深度段，如果目标检测深度被划分为奇数个深度段，那么在中间深度位置，高频图像的权重系数可以等于低频图像的权重系数。如：若划分得到3个深度段：d1、d2、d3，d1、d2、d3的深度依次增加，那么在深度段d1，高频图像的权重系数高于低频图像的权重系数；在深度段d2，高频图像的权重系数等于低频图像的权重系数；在深度段d3，高频图像的权重系数低于低频图像的权重系数。
本实施例能够根据目标检测深度确定发射时间间隔，然后按照发射时间间隔和预设的至少两个频率的预设顺序，控制超声导管发射至少两个频率的脉冲，那么基于至少两个频率的脉冲的回波信号可生成至少两个超声图像，之后将目标检测深度划分为至少两个深度段，并确定每一超声图像在每一深度段的权重系数，最后将至少两个超声图像在相同深度段的像素信息按照相应权重系数进行融合，能够得到兼容大成像深度和高分辨力的融合图像，此融合图像不仅能以较高分辨力使血管的病变类型、组织分层、支架贴壁等结构信息展现得更加清晰，又能够展现深层组织状态。该方案不仅增加了导管控制器所支持的频率的个数，还能够按序发射相应频率的脉冲，之后对不同频率下的图像的相同深度段的像素进行加权融合，由此实现了大成像深度和高分辨力的兼容。
需要说明的是，超声导管发射脉冲和接收脉冲回波主要依赖其中的换能器。设计换能器时一般需考虑传声媒质对超声波能量衰减的因素、检测目标（如缺陷）对超声波的反射特性、传声媒质的本底噪声以及辐射阻抗等等。决定换能器工作频率的影响因素有很多，如锁相环输出的激励信号的频率、换能元件自身的材料特性、换能器的粘接工艺及设计、应用范围与限制条件等等。且换能器的指向性、发射声功率、接收灵敏度以及声场特性等都直接受其工作频率的影响。一般而言，换能器在其串联谐振频率上工作时可获得最佳的工作状态，既能发挥最大的机-电转换效率和发射声功率；在并联谐振频率下，作为接收换能器能获得最佳的频率响应和接收灵敏度。因此，在确定或选择工作频率时必须兼顾各方面的因素予以综合考虑。由超声衰减公式y=e-αx可看出，衰减系数α与工作频率y成正比，因此换能器选定工作频率后，其衰减系数一定，可见换能器的穿透深度会受到工作频率影响，工作频率越高，衰减越大，成像深度越小。另外，换能器的频带宽度受材料及制作工艺影响，一般为工作频率的40%-120%，工作频率越高，带宽越大，所成图像的分辨力越高。另外轴向分辨力公式为Ra=c/2×Bw，c为声速，Bw为带宽，Ra为轴向分辨力），可见轴向分辨力受带宽影响，而带宽随频率变化，因此轴向分辨力受频率影响。也就是说，换能器的成像深度和图像分辨力通常会因工作频率受到一定限制，大成像深度和高分辨力很难同时兼得。其中，换能器的工作频率即：导管控制器中预设的频率。
一般地，换能器以复合材料、PVDF（聚偏氟乙烯）材料等构造压电晶片，其中还包括：匹配层（单层或多层）和高衰减背衬等。通过单层或多层匹配层，使压电晶片与外界血液或组织的声阻抗匹配，声能量具有更好的收发效率，提升穿透深度及分辨力；压电晶片为高带宽的压电复合材料或压电单晶，压电复合材料包含压电陶瓷复合材料及压电单晶复合材料，通过材料复合使材料发生改性，可在提升换能器带宽的同时减小声阻抗，改善分辨率及灵敏度；高衰减背衬（在背衬中添加氧化铝粉或铁粉），能在减小换能器整体尺寸的同时，满足背向高功率声压的声学衰减。本实施例使用高频高带宽的换能器，中心频率大于或等于40MHz，带宽大于或等于60%。
换能器的激励信号由锁相环输出，锁相环的具体结构可参照图2。锁相环在导管控制器中的控制芯片的控制下输出控制信号（即激励信号）给超声导管中的换能器。请参见图4，导管控制器中包括：控制芯片（图4中的FPGA）、与控制芯片连接的电机驱动模块、锁相环和数字信号处理模块，与数字信号处理模块连接的模数转换模块，与模数转换模块和锁相环连接的高压隔离模块，与高压隔离模块连接的旋转耦合装置；旋转耦合装置连接超声导管。控制芯片还可以使用其他芯片或集成电路实现，控制芯片可以给锁相环中的相关器件赋不同的发射参数，从而使同一锁相环输出不同的控制信号给超声导管。如：通过配置分频器系数、压控振荡器的反馈系数、输出分频器系数，使锁相环产生不同频率的时针信号，再通过高压MOS管驱动和电压放大，输出不同频率的激励信号。
如图4所示，在导管控制器中设置模数转换模块，相比于将模数转换模块设置于主机中，可以缩短模拟信号传输路径，保留较好的高频分量及降低传输衰减与干扰影响，保证信号的真实性及图像质量，具有良好的抗干扰能力。另外，由于激励信号通常为几十甚至上百伏，而接收的信号通常为几十或几百毫伏，相差三个数量级，所以在信号接收时，需防止高压激励对接收电路的损坏，所以在导管控制器中加入了高压隔离模块，以免输出给超声导管的激励信号传输至信号接收电路，对接收电路造成损坏。超声导管为单阵元机械旋转式，在导管控制器中以电机驱动模块和旋转耦合装置（如电滑环或旋转变压器）对超声导管进行旋转控制，旋转耦合装置的动子端与导管进行连接。
对于单阵元机械旋转式的超声导管，需360度旋转及回撤扫描才能获得三维断层信息；所以需要进行电学信号旋转耦合，具体可以采用电滑环方式或无接触的小间距小匝数比旋转变压器实现。无接触的小间距小匝数比旋转变压器能够在保证耦合效率的同时，兼容不同频率信号的耦合，并具有更加良好的安全性能和使用寿命。旋转变压器主要由动子、定子两部分组成，其根据电磁感应原理进行信号耦合，通过改变绕组线圈的间距、线粗、匝数比等可以控制输入信号与输出信号的幅值及相位，并对高频高带宽信号有良好的耦合效率。
需要说明的是，在导管控制器中可以设置多个锁相环，那么同一控制芯片可以给不同锁相环赋不同的发射参数，从而使不同锁相环输出不同的控制信号给超声导管。相应地，在导管控制器中还可以设置与锁相环个数一致的多个控制芯片，此情况下，一个控制芯片用于控制一个锁相环，给该锁相环赋不同或相同的发射参数，使得该锁相环输出一个或多个控制信号。
参照前述导管控制器的电路结构组成，通过FPGA进行时序控制，以使超声导管中的换能器按序发射不同脉冲。如图5所示，以时间间隔T发射不同脉冲宽度的频率P1和P2，脉冲宽度与频率成反比，即不同脉冲宽度的激励对应功率谱的中心频率不一致。
由于换能器的发射响应为激励与探头自身响应函数的卷积，P1和P2可使换能器获得不同于单一频率fc的响应及带宽。如图6所示，单一频率fc的带宽为f1~f2，而使换能器以P1和P2分别工作时，带宽变为f11~f22，且f11~f22大于f1~f2，由此可保障图像的分辨力。
之后，换能器接收不同频率脉冲的回波信号，回波信号经过模拟信号处理、模数转换后，以时间对齐方式将不同频率的回波信号存入不同的缓存器（BUFFER），如：P1的回波信号存入BUFFER1，P2的回波信号存入BUFFER2。对不同时间（T、2T、3T…）采集到的不同频率的回波信号，先进行带通滤波、时间增益补偿、包络解调、数字扫描变换等处理，再通过FPGA对回波信号的采样时间进行计算以确定各回波信号的存储BUFFER。具体根据成像深度计算出采样时间：N=t×Sam=（2×d/c）×Sam，成像深度由用户设定，血管内超声诊断设备的成像深度通常为5-10mm。
进一步地，对成像深度分段，并以不同权重系数将不同BUFFER中的信号融合。其中，高频分量对应高分辨力，因此将小深度段的高频权重系数设置为0.5-1；低频分量具有高穿透力，将大深度段的低频权重系数设置为0.5-1，由此可针对全成像区域获得大成像深度和高分辨力兼得的超声图像。
以下以2个深度段为例，介绍P1的回波信号与P2的回波信号的融合过程，P1频率值小于P2频率值。将成像深度d分成d1与d2，d=d1+d2，d=10，d1＜d2。权重系数数组a，b的取值为：a=[0.7,0.3]，b=[0.3,0.7]，数组a中的0.7为P2回波信号成像的image2在d1的权重系数，数组a中的0.3为P2回波信号成像的image2在d2的权重系数，数组b中的0.3为P1回波信号成像的image1在d1的权重系数，数组b中的0.7为P1回波信号成像的image1在d2的权重系数。据此，融合得到的图像在d1的像素值为d11=0.7×image2（d1）+0.3×image1（d1），在d2的像素值为d22=0.3×image2（d2）+0.7×image1（d1），那么融合得到的图像的整体像素值D=d11+d22。如上，在小深度处，如d1≤d/2的深度，高频图像的权重系数高于低频图像权重系数；在大深度处，如d2≥d/2的深度，高频图像的权重系数低于低频图像权重系数。
如上所述，频率个数可拓展为3个、4个、甚至更多；深度段的个数也可拓展为N个，且频率个数和深度段的个数互不相关。
可见，本实施例通过时序控制，可将两个或多个不同频率的脉冲以不同时间发出，使系统呈现出两个或多个中心频率及带宽。不同频率及带宽对应的系统性能（如成像深度、分辨力）不一样，高频相对低频有更高的分辨力，低频相对高频有更强的穿透力。并且，对两个或多个不同频率的回波信号进行分别接收，并将两频率或多频率的图像分别显示或以不同权重进行融合后显示，融合得到的图像既有高分辨力信息又有高穿透深度信息，使大成像深度和高分辨力兼得。
在一实施方式中，可以提供如下超声图像成像方案，相关成像方法应用于医疗机构、科研机构等的超声设备。该超声设备通过有线或者无线的方式与控制终端连接。超声设备包括探头、导管控制器、主机和显示器。控制终端可以为专用于控制超声设备的面板，也可以是供医生使用的手机、平板等。探头具体为超声导管。
具体的成像及显示过程可以包括：
步骤1：医生通过控制终端设定检测深度后，并使用探头扫查需成像部位。
步骤2：导管控制器根据检测深度确定发射时间间隔；按照发射时间间隔和预设的至少两个频率的预设顺序，控制超声导管发射至少两个频率的脉冲。
步骤3：超声导管接收至少两个频率的脉冲的回波信号。
步骤4：导管控制器对回波信号进行模数转换、带通滤波、时间增益补偿、包络解调、数字扫描变换等处理后，将信号存入不同缓存器。
步骤5：主机读取不同缓存器中的信号，并生成至少两个超声图像；将检测深度划分为至少两个深度段，并确定每一超声图像在每一深度段的权重系数；将至少两个超声图像在相同深度段的像素信息按照相应权重系数进行融合，得到融合图像，最后在显示器上进行超声图像显示。
可见，本实施例能够使血管内超声图像同时兼容大成像深度和高分辨力，既能从中观测到血管的病变类型、组织分层、支架贴壁等结构信息，又能观测到深层组织状态。
下面对本申请实施例提供的一种超声图像生成装置进行介绍，下文描述的一种超声图像生成装置与上述实施例的相关实现步骤可以相互参照。
请参见图7，本实施例提供了一种超声图像生成装置，包括：
确定模块701，用于根据目标检测深度确定发射时间间隔；
发射模块702，用于按照发射时间间隔和预设的至少两个频率的预设顺序，控制超声导管发射至少两个频率的脉冲；
生成模块703，用于基于至少两个频率的脉冲的回波信号生成至少两个超声图像；
划分模块704，用于将目标检测深度划分为至少两个深度段，并确定每一超声图像在每一深度段的权重系数；
融合模块705，用于将至少两个超声图像在相同深度段的像素信息按照相应权重系数进行融合，得到融合图像。
在一种实施方式中，确定模块具体用于：
计算目标检测深度与脉冲传播速度的比值，并使发射时间间隔不小于2倍的比值。
在一种实施方式中，发射模块具体用于：
根据预设顺序和发射时间间隔计算每一频率的发射时间；
按照每一频率的发射时间和预设顺序控制超声导管发射相应频率的脉冲。
在一种实施方式中，发射模块具体用于：若到达任一频率的发射时间，则将当前频率对应的发射参数赋值给与超声导管连接的锁相环，以使锁相环控制超声导管按照发射参数发射当前频率的脉冲。
在一种实施方式中，融合模块具体用于：
针对每一深度段，按照每一超声图像在当前深度段的权重系数计算每一超声图像中当前深度段位置的像素信息的加权值，叠加各个加权值，得到当前深度段的融合像素；
拼接所有深度段的融合像素，得到融合图像。
在一种实施方式中，融合模块具体用于：
按照目标公式计算每一深度段的融合像素；目标公式为：fd=a1-d×F1-d+a2-d×F2-d+……+aN-d×FN-d；fd表示深度段d的融合像素；N为频率的个数；a1-d表示超声图像F1在深度段d的权重系数；a2-d表示超声图像F2在深度段d的权重系数；aN-d表示超声图像FN在深度段d的权重系数；F1-d表示超声图像F1中深度段d位置的像素信息；F2-d表示超声图像F2中深度段d位置的像素信息；FN-d表示超声图像FN中深度段d位置的像素信息。
在一种实施方式中，在深度段d大于预设深度阈值的情况下，超声图像对应的频率越大，该超声图像在深度段d的权重系数越小；在深度段d不大于预设深度阈值的情况下，超声图像对应的频率越大，该超声图像在深度段d的权重系数越大；预设深度阈值基于目标检测深度设定。
在一种实施方式中，生成模块具体用于：
对至少两个频率的脉冲的回波信号进行模数转换，并将模数转换后的各信号传输至导管控制器中的数字信号处理模块，以使数字信号处理模块基于模数转换后的信号生成至少两个超声图像。
在一种实施方式中，还包括：
存储模块，用于将模数转换后的各信号传输至导管控制器中的数字信号处理模块之前，根据各回波信号的采样时间确定模数转换后的各信号的缓存标识信息；根据缓存标识信息将模数转换后的各信号存储至不同缓存器。
可见，本实施例提供的超声图像生成装置，能够使血管内超声图像同时兼容大成像深度和高分辨力，既能从中观测到血管的病变类型、组织分层、支架贴壁等结构信息，又能观测到深层组织状态。
下面对本申请实施例提供的一种电子设备进行介绍，下文描述的一种电子设备与上述实施例的相关实现步骤可以相互参照。本申请实施例提供的电子设备可以为超声设备、个人电脑等终端设备，也可以为服务器。
也就是说，上述电子设备既可以是如图8所示的服务器50，也可以是如图9所示的终端60。图8和图9均是根据一示例性实施例示出的电子设备结构图，图中的内容不能被认为是对本申请的使用范围的任何限制。
图8为本申请实施例提供的一种服务器的结构示意图。该服务器50，具体可以包括：至少一个处理器51、至少一个存储器52、电源53、通信接口54、输入输出接口55和通信总线56。其中，所述存储器52用于存储计算机程序，所述计算机程序由所述处理器51加载并执行，以实现前述任一实施例公开的超声图像生成中的相关步骤。
本实施例中，电源53用于为服务器50上的各硬件设备提供工作电压；通信接口54能够为服务器50创建与外界设备之间的数据传输通道，其所遵循的通信协议是能够适用于本申请技术方案的任意通信协议，在此不对其进行具体限定；输入输出接口55，用于获取外界输入数据或向外界输出数据，其具体的接口类型可以根据具体应用需要进行选取，在此不进行具体限定。
另外，存储器52作为资源存储的载体，可以是只读存储器、随机存储器、磁盘或者光盘等，其上所存储的资源包括操作系统521、计算机程序522及数据523等，存储方式可以是短暂存储或者永久存储。
其中，操作系统521用于管理与控制服务器50上的各硬件设备以及计算机程序522，以实现处理器51对存储器52中数据523的运算与处理，其可以是Windows Server、Netware、Unix、Linux等。计算机程序522除了包括能够用于完成前述任一实施例公开的超声图像生成方法的计算机程序之外，还可以进一步包括能够用于完成其他特定工作的计算机程序。数据523除了可以包括应用程序的更新信息等数据外，还可以包括应用程序的开发商信息等数据。
图9为本申请实施例提供的一种终端的结构示意图，该终端60具体可以包括但不限于智能手机、平板电脑、笔记本电脑或台式电脑等。
通常，本实施例中的终端60包括有：处理器61和存储器62。
其中，处理器61可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器等。处理器61可以采用DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）、FPGA（Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）、PLA（Programmable Logic Array，可编程逻辑阵列）中的至少一种硬件形式来实现。处理器61也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称CPU（Central ProcessingUnit，中央处理器）；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器61可以在集成有GPU（Graphics Processing Unit，图像处理器），GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中，处理器61还可以包括AI（Artificial Intelligence，人工智能）处理器，该AI处理器用于处理有关机器学习的计算操作。
存储器62可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是非暂态的。存储器62还可包括高速随机存取存储器，以及非易失性存储器，比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。本实施例中，存储器62至少用于存储以下计算机程序621，其中，该计算机程序被处理器61加载并执行之后，能够实现前述任一实施例公开的由终端侧执行的超声图像生成方法中的相关步骤。另外，存储器62所存储的资源还可以包括操作系统622和数据623等，存储方式可以是短暂存储或者永久存储。其中，操作系统622可以包括Windows、Unix、Linux等。数据623可以包括但不限于应用程序的更新信息。
在一些实施例中，终端60还可包括有显示屏63、输入输出接口64、通信接口65、传感器66、电源67以及通信总线68。
本领域技术人员可以理解，图9中示出的结构并不构成对终端60的限定，可以包括比图示更多或更少的组件。
下面对本申请实施例提供的一种存储介质进行介绍，下文描述的一种存储介质与上述实施例的相关实现步骤可以相互参照。
进一步的，本申请实施例还公开了一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器加载并执行时，实现前述任一实施例公开的超声图像生成方法。关于该方法的具体步骤可以参考前述实施例中公开的相应内容，在此不再进行赘述。所述存储介质具体为计算机可读存储介质。
下面对本申请实施例提供的一种超声设备进行介绍，下文描述的一种超声设备与上述实施例的相关实现步骤可以相互参照。
本申请实施例提供的超声设备，包括：导管控制器、主机以及超声导管；导管控制器用于：根据目标检测深度确定发射时间间隔；按照发射时间间隔和预设的至少两个频率的预设顺序，控制超声导管发射至少两个频率的脉冲；主机用于：基于至少两个频率的脉冲的回波信号生成至少两个超声图像；将目标检测深度划分为至少两个深度段，并确定每一超声图像在每一深度段的权重系数；将至少两个超声图像在相同深度段的像素信息按照相应权重系数进行融合，得到融合图像；超声导管用于：发射至少两个频率的脉冲；接收至少两个频率的脉冲的回波信号。具体可参照图4。
在一种实施方式中，导管控制器包括：控制芯片、与控制芯片连接的电机驱动模块、至少一个锁相环和数字信号处理模块，与数字信号处理模块连接的模数转换模块，与模数转换模块和至少一个锁相环连接的高压隔离模块，与高压隔离模块连接的旋转耦合装置；旋转耦合装置连接超声导管。
在一种实施方式中，控制芯片用于：按照发射时间间隔和预设顺序控制至少一个锁相环生成至少两个控制信号，以使至少一个锁相环通过至少两个控制信号控制超声导管发射至少两个频率的脉冲。
在一种实施方式中，旋转耦合装置包括电滑环或旋转变压器。其中，旋转变压器可以为无接触的小间距小匝数旋转变压器。
本申请实施例提供的超声设备能够兼容大成像深度和高分辨力，最终得到的超声图像既能从中观测到血管的病变类型、组织分层、支架贴壁等结构信息，又能观测到深层组织状态。
需要指出的是，上述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (14)

1.一种超声图像生成方法，其特征在于，包括：
根据目标检测深度确定发射时间间隔；
按照所述发射时间间隔和预设的至少两个频率的预设顺序，控制超声导管中的同一换能器发射至少两个频率的脉冲；若到达任一频率的发射时间，则将当前频率对应的发射参数赋值给与所述超声导管连接的锁相环，以使所述锁相环控制所述超声导管按照所述发射参数发射当前频率的脉冲；一个频率值对应一组发射参数；
换能器接收不同频率脉冲的回波信号，以时间对齐方式将不同频率的回波信号存入不同的缓存器；
基于至少两个频率的脉冲的回波信号生成至少两个超声图像；所述至少两个频率的脉冲的回波信号从基于采样时间确定的不同缓存器中获取；
将所述目标检测深度划分为至少两个深度段，并确定每一超声图像在每一深度段的权重系数；
将所述至少两个超声图像在相同深度段的像素信息按照相应权重系数进行融合，得到融合图像；
其中，所述根据目标检测深度确定发射时间间隔，包括：
计算所述目标检测深度与脉冲传播速度的比值，并使所述发射时间间隔不小于2倍的比值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述按照所述发射时间间隔和预设的至少两个频率的预设顺序，控制超声导管中的同一换能器发射至少两个频率的脉冲，包括：
根据所述预设顺序和所述发射时间间隔计算每一频率的发射时间；
按照每一频率的发射时间和所述预设顺序控制所述超声导管发射相应频率的脉冲。
3.根据权利要求1至2任一项所述的方法，其特征在于，所述将所述至少两个超声图像在相同深度段的像素信息按照相应权重系数进行融合，得到融合图像，包括：
针对每一深度段，按照每一超声图像在当前深度段的权重系数计算每一超声图像中当前深度段位置的像素信息的加权值，叠加各个加权值，得到当前深度段的融合像素；
拼接所有深度段的融合像素，得到所述融合图像。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述针对每一深度段，按照每一超声图像在当前深度段的权重系数计算每一超声图像中当前深度段位置的像素的加权值，叠加各个加权值，得到当前深度段的融合像素，包括：
按照目标公式计算每一深度段的融合像素；所述目标公式为：fd=a1-d×F1-d+a2-d×F2-d+……+aN-d×FN-d；fd表示深度段d的融合像素；N为频率的个数；a1-d表示超声图像F1在深度段d的权重系数；a2-d表示超声图像F2在深度段d的权重系数；aN-d表示超声图像FN在深度段d的权重系数；F1-d表示超声图像F1中深度段d位置的像素信息；F2-d表示超声图像F2中深度段d位置的像素信息；FN-d表示超声图像FN中深度段d位置的像素信息。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
在深度段d大于预设深度阈值的情况下，超声图像对应的频率越大，该超声图像在深度段d的权重系数越小；
在深度段d不大于所述预设深度阈值的情况下，超声图像对应的频率越大，该超声图像在深度段d的权重系数越大；所述预设深度阈值基于所述目标检测深度设定。
6.根据权利要求1-2任一项所述的方法，其特征在于，所述基于至少两个频率的脉冲的回波信号生成至少两个超声图像，包括：
对至少两个频率的脉冲的回波信号进行模数转换，并基于模数转换后的各信号生成至少两个超声图像。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于模数转换后的各信号生成至少两个超声图像之前，还包括：
根据各回波信号的采样时间确定模数转换后的各信号的缓存标识信息；
根据所述缓存标识信息将模数转换后的各信号存储至不同缓存器。
8.一种超声图像生成装置，其特征在于，包括：
确定模块，用于根据目标检测深度确定发射时间间隔；
发射模块，用于按照所述发射时间间隔和预设的至少两个频率的预设顺序，控制超声导管中的同一换能器发射至少两个频率的脉冲；若到达任一频率的发射时间，则将当前频率对应的发射参数赋值给与所述超声导管连接的锁相环，以使所述锁相环控制所述超声导管按照所述发射参数发射当前频率的脉冲；一个频率值对应一组发射参数；
生成模块，用于基于至少两个频率的脉冲的回波信号生成至少两个超声图像；所述至少两个频率的脉冲的回波信号从基于采样时间确定的不同缓存器中获取；
划分模块，用于将所述目标检测深度划分为至少两个深度段，并确定每一超声图像在每一深度段的权重系数；
融合模块，用于将所述至少两个超声图像在相同深度段的像素信息按照相应权重系数进行融合，得到融合图像；
其中，所述根据目标检测深度确定发射时间间隔，包括：
计算所述目标检测深度与脉冲传播速度的比值，并使所述发射时间间隔不小于2倍的比值；
还包括执行以下步骤的模块：换能器接收不同频率脉冲的回波信号，以时间对齐方式将不同频率的回波信号存入不同的缓存器。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括处理器和存储器；其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序由所述处理器加载并执行以实现如权利要求1至7任一项所述的方法。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器加载并执行时，实现如权利要求1至7任一项所述的方法。
11.一种超声设备，其特征在于，包括：导管控制器、主机以及超声导管；
所述导管控制器用于：根据目标检测深度确定发射时间间隔；按照所述发射时间间隔和预设的至少两个频率的预设顺序，控制所述超声导管中的同一换能器发射至少两个频率的脉冲；若到达任一频率的发射时间，则将当前频率对应的发射参数赋值给与所述超声导管连接的锁相环，以使所述锁相环控制所述超声导管按照所述发射参数发射当前频率的脉冲；一个频率值对应一组发射参数；
换能器接收不同频率脉冲的回波信号，以时间对齐方式将不同频率的回波信号存入不同的缓存器；
所述主机用于：基于至少两个频率的脉冲的回波信号生成至少两个超声图像；将所述目标检测深度划分为至少两个深度段，并确定每一超声图像在每一深度段的权重系数；将所述至少两个超声图像在相同深度段的像素信息按照相应权重系数进行融合，得到融合图像；所述至少两个频率的脉冲的回波信号从基于采样时间确定的不同缓存器中获取；
所述超声导管用于：发射至少两个频率的脉冲；接收至少两个频率的脉冲的回波信号；
其中，所述导管控制器用于：计算所述目标检测深度与脉冲传播速度的比值，并使所述发射时间间隔不小于2倍的比值。
12.根据权利要求11所述的超声设备，其特征在于，所述导管控制器包括：控制芯片、与所述控制芯片连接的电机驱动模块、至少一个锁相环和数字信号处理模块，与所述数字信号处理模块连接的模数转换模块，与所述模数转换模块和所述至少一个锁相环连接的高压隔离模块，与所述高压隔离模块连接的旋转耦合装置；所述旋转耦合装置连接所述超声导管。
13.根据权利要求12所述的超声设备，其特征在于，所述控制芯片用于：按照所述发射时间间隔和所述预设顺序控制所述至少一个锁相环生成至少两个控制信号，以使所述至少一个锁相环通过所述至少两个控制信号控制所述超声导管发射至少两个频率的脉冲。
14.根据权利要求12所述的超声设备，其特征在于，所述旋转耦合装置包括电滑环或旋转变压器。
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