CN117281544A - 一种用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器包括超声‑光声时序控制模块生成触发源信号TrigS，控制启动信号Trig1、触发信号Trig2以及启动信号Ext_Trig，发射与采集控制模块、超声前端硬件模拟模块、成像模块、控制器模块中延迟参数配置寄存器能够控制启动信号Trig1、触发信号Trig2以及启动信号Ext_Trig之间的延迟，以及运算模块。在本发明中，因为延迟参数配置寄存器能够控制启动信号Trig1、触发信号Trig2以及启动信号Ext_Trig之间的延迟，所以能够做到发射与采集控制模块与激光发生器之间实时的同步和控制，使得成像模块能够实现两种成像模态之间在时间上的关联设计，从而能够满足对实时性要求较高的骨骼组织退化的研究，进而保证了本发明的实用效果。
Description
技术领域
本发明涉及医疗诊断检测技术领域，具体涉及一种用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器。
背景技术
骨质疏松、骨质增生、股骨头坏死、甲状旁腺功能亢进性骨病、骨软化症或动力缺陷性骨病、骨折、骨不连、骨结核、骨髓炎、骨关节炎、强直性脊柱炎以及骨肿瘤等骨病都会严重影响患者的健康和生活质量。因此，各种骨病的早期诊断、骨损伤评价、骨外科手术中实时监视技术等方面受到国内外学术界和医学界的日益重视。其中，若能及早诊断和及时治疗骨质疏松症，便能够显著降低患者骨折风险，从而减轻患者的痛苦，以及减轻社会经济的负担，所以对骨组织诊断与评价的新方法、新技术和新系统的研究尤其重要。
目前骨质临床诊断主要基于X射线的骨密度吸收测定技术，包括双能X射线法(DXA)、定量CT等。其中DXA方法是通过测定骨矿物质密度(BMD)从而临床诊断骨质疏松症。虽然该方法已在世界各国应用，然而因为骨折不仅受BMD因素控制，也与骨骼微结构和有机质成分显著关联，所以经过研究表明单凭BMD仅能预测骨折风险的60％～70％，因此单一BMD特征无法全面反映骨组织的微观结构及骨材料特性。又因为X射线仪器设备庞大、造价昂贵，所以无法满足普查和随访等医疗需求。并且，X射线诊断法具有电离辐射，不适用于新生儿、妊娠期妇女、行动不便的老年人等特殊人群。
超声骨骼成像系统没有任何射线，成本低、分辨率高、便携方便、安全可靠，非常适用于儿童、孕妇、老年人的骨骼疾病检查，通过超声提供骨密度的定量分析。虽然超声成像技术有着广泛的临床应用，但是因其受成像理论的限制，例如其复杂骨骼介质传播中的阻抗不一致性，使得图像对比度低及对含有气体以及骨性结构时，因组织出现反射和散射导致成像不佳等局限性。
综上，现有的用于光声成像系统普遍采用分离式的设计方法，即光声成像和超声成像数据采集采用的是独立的两套系统，使得光声、超声成像无法做到实时的同步和控制，非常难以实现两种成像模态之间的时间上关联设计，导致对于实时性要求较高的骨骼组织退化研究难以实现或者需要通过非常复杂的手段实现，具有局限性。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器。
本发明提供了一种用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器，具有这样的特征，包括：超声-光声时序控制模块，包括时序基准发生器、第一延迟单元、第二延迟单元以及第三延迟单元，时序基准发生器用于生成基准时序的触发源信号TrigS，第一延迟单元用于生成启动信号Trig1，第二延迟单元用于实时生成触发信号Trig2，第三延迟单元用于生成启动信号Ext_Trig；激光发生器，接收启动信号Trig1后其预储能启动，接收触发信号Trig2后产生可调能量和波长的激光；发射与采集控制模块，包括扫描触发控制单元、发射脉冲控制器、数据采集存储器以及光声/超声数据采集增益时序控制器，扫描触发控制单元用于接收启动信号Ext_Trig，并生成超声发射触发信号TXTrigger、超声采集触发信号ACQTrigger以及与触发信号Trig2同相位的触发信号Trig5，发射脉冲控制器和数据采集存储器分别接收超声发射触发信号TXTrigger与超声采集触发信号ACQTrigger，并分别用于控制超声成像的脉冲信号和储存回波数据，光声/超声数据采集增益时序控制器与接收器前端连接，光声/超声数据采集增益时序控制器接收触发信号Trig5，用于实时切换光声接收和超声接收期间对应的增益，实现动态增益控制；超声前端硬件模拟模块，包括脉冲控制器、接收器前端以及探头高压切换开关，脉冲控制器用于将控制器模块生成的数字波形信号经过D/A转换成模拟高压信号，并经过探头高压切换开关将模拟高压信号传输给超声探头生成超声激发脉冲信号，接收器前端用于接收由超声探头拾取，并经过探头高压切换开关的回波数据；成像模块，包括数据连接线和超声探头，数据连接线的一端与激光发生器连接，另一端与超声探头连接，超声探头与超声前端硬件模拟模块连接，用于实现光声-超声一体化的实时接收与成像；控制器模块，包括延迟参数配置寄存器、扫描控制寄存器以及PCIeDMA控制寄存器，延迟参数配置寄存器用于控制启动信号Trig1与触发信号Trig2之间的延迟，扫描控制寄存器确定扫描触发控制单元生成超声发射触发信号TXTrigger与超声采集触发信号ACQTrigger的数量，PCIeDMA控制寄存器用于确定发射脉冲控制器中的内容，并接收数据采集存储器储存的回波数据。
在本发明提供的用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器中，还能够具有这样的特征：运算模块，包括PC计算机，PC计算机用于实时计算扫描控制寄存器的参数，并用于接收PCIeDMA控制寄存器内的回波数据，从而完成超声、光声图像的融合与重建。
进一步地，控制器模块通过PCIe与运算模块连接。
进一步地，PC计算机为X86PC计算机。
在本发明提供的用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器中，还能够具有这样的特征：接收器前端包括低噪声放大器、滤波器、可变增益放大器以及ADC，回波数据经低噪声放大器和滤波器放大滤波处理，再经ADC进行数字信号处理。
在本发明提供的用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器中，还能够具有这样的特征：控制器模块还包括PCIe本地总线控制连接单元，延迟参数配置寄存器和扫描控制寄存器均通过PCIe本地总线控制连接单元实现与超声-光声时序控制模块、发射与采集控制模块的控制接口，PCIeDMA控制寄存器通过LVDSStream实现与发射与采集控制模块的控制接口。
在本发明提供的用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器中，还能够具有这样的特征：PCIeDMA控制寄存器通过硬件接口LVDSStream实现与发射与采集控制模块的控制接口。
在本发明提供的用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器中，还能够具有这样的特征：脉冲控制器与探头高压切换开关集成连接。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器，因为控制器模块中的延迟参数配置寄存器能够根据时序基准发生器生成的触发源信号TrigS，控制启动信号Trig1、触发信号Trig2以及启动信号Ext_Trig之间的延迟，所以能够做到发射与采集控制模块与激光发生器之间实时的同步和控制，使得成像模块能够实现两种成像模态之间在时间上的关联设计，从而能够满足对实时性要求较高的骨骼组织退化的研究，进而保证了本发明的实用效果。
附图说明
图1是本发明实施例中时序控制器的结构示意图；
图2是本发明实施例中时序控制器的时序示意图；
图3是本发明实施例中PCIe本地总线控制连接单元的示意图；
图4是本发明实施例中PCIeDMA控制寄存器同发射与采集控制模块的连接示意图。
1、超声-光声时序控制模块；2、激光发生器；3、发射与采集控制模块；4、超声前端硬件模拟模块；5、成像模块；6、控制器模块；7、运算模块。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明作具体阐述。
实施例
图1是本发明中时序控制器的结构示意图。
如图1所示，本实施例提供了一种用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器包括超声-光声时序控制模块1、激光发生器2、发射与采集控制模块3、超声前端硬件模拟模块4、成像模块5、控制器模块6以及运算模块7。
图2是本发明中时序控制器的时序示意图。
如图1和图2所示，超声-光声时序控制模块1包括时序基准发生器、第一延迟单元(延迟单元1)、第二延迟单元(延迟单元2)以及第三延迟单元(延迟单元3)，时序基准发生器用于生成基准时序的触发源信号TrigS，第一延迟单元用于生成启动信号Trig1，第二延迟单元用于实时生成触发信号Trig2，第三延迟单元用于生成启动信号Ext_Trig。在本实施例中，启动信号Trig1到触发信号Trig2的延迟必须要做到精准控制，即做到In-Phase延迟，由控制器模块6根据触发源信号TrigS进行设置。
激光发生器2接收启动信号Trig1后其预储能启动，接收触发信号Trig2后产生可调能量和波长的激光。
发射与采集控制模块3包括扫描触发控制单元、发射脉冲控制器、数据采集存储器以及光声/超声数据采集增益时序控制器，扫描触发控制单元用于接收启动信号Ext_Trig，并生成超声发射触发信号TXTrigger、超声采集触发信号ACQTrigger以及与触发信号Trig2同相位的触发信号Trig5，发射脉冲控制器和数据采集存储器分别接收超声发射触发信号TXTrigger与超声采集触发信号ACQTrigger，并分别用于控制超声成像的脉冲信号和储存回波数据，光声/超声数据采集增益时序控制器与接收器前端连接，光声/超声数据采集增益时序控制器接收触发信号Trig5，用于实时切换光声接收和超声接收期间对应的增益，实现动态增益控制。
超声前端硬件模拟模块4包括脉冲控制器、接收器前端以及探头高压切换开关，脉冲控制器用于将控制器模块6生成的数字波形信号经过D/A转换成模拟高压信号，并经过探头高压切换开关将模拟高压信号传输给超声探头生成超声激发脉冲信号，接收器前端用于接收由超声探头拾取，并经过探头高压切换开关的回波数据。在本实施例中，当高压脉冲发射结束后，有发射状态切换到接收状态，从而将超声探头所拾取到的回波信号，经过处于接收状态下的探头高压切换开关，进入到接收器前端。
在本实施例中，接收器前端包括低噪声放大器、滤波器、可变增益放大器以及ADC，回波数据经低噪声放大器和滤波器放大滤波处理，再经ADC进行数字信号处理。
在本实施例中，脉冲控制器与探头高压切换开关集成连接。
成像模块5包括数据连接线和超声探头，数据连接线的一端与激光发生器2连接，另一端与超声探头连接，超声探头与超声前端硬件模拟模块4连接，用于实现光声-超声一体化的实时接收与成像。在本实施例中，数据连接线优选为光纤。数据连接线通过一个固定光路与超声探头连接。
图3是本发明实施例中PCIe本地总线控制连接单元的示意图，图4是本发明实施例中PCIeDMA控制寄存器与发射与采集控制模块3的连接示意图。
如图1和图2所示，控制器模块6包括延迟参数配置寄存器、扫描控制寄存器以及PCIeDMA控制寄存器，延迟参数配置寄存器用于控制启动信号Trig1与触发信号Trig2之间的延迟，扫描控制寄存器确定扫描触发控制单元生成超声发射触发信号TXTrigger与超声采集触发信号ACQTrigger的数量，PCIeDMA控制寄存器用于确定发射脉冲控制器中的内容，并接收数据采集存储器储存的回波数据。
其中，扫描控制寄存器确定扫描触发控制单元生成超声发射触发信号TXTrigger与超声采集触发信号ACQTrigger的数量，能够保证每一次的超声成像数据采集与激光成像数据采集有固定的相位关系，从而实现光声和超声的同时触发与采集控制。
如图3所示，控制器模块6还包括PCIe本地总线控制连接单元，延迟参数配置寄存器和扫描控制寄存器均通过PCIe本地总线控制连接单元实现与超声-光声时序控制模块1、发射与采集控制模块3的控制接口。
如图4所示，PCIeDMA控制寄存器通过硬件接口LVDSStream实现与发射与采集控制模块3的控制接口。
运算模块7包括PC计算机，PC计算机用于实时计算扫描控制寄存器的参数，并用于接收PCIeDMA控制寄存器内的回波数据，从而完成超声、光声图像的融合与重建。
在本实施例中，运算模块7通过PCIe与控制器模块6连接。具体地，控制器模块6通过光钎PCIe接口与插入到PC计算机上的PCISwitch相连，完成数据通讯。
在本实施例中，PC计算机为X86PC计算机。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器，因为控制器模块中的延迟参数配置寄存器能够根据时序基准发生器生成的触发源信号TrigS，控制启动信号Trig1、触发信号Trig2以及启动信号Ext_Trig之间的延迟，所以能够做到发射与采集控制模块与激光发生器之间实时的同步和控制，使得成像模块能够实现两种成像模态之间在时间上的关联设计，从而能够满足对实时性要求较高的骨骼组织退化的研究，进而保证了本发明的实用效果。
进一步地，因为本用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器中能够通过超声和光声同时获取图像，所以在组织解剖图像结构方面，能够获取到高分辨率的组织结构信息。
进一步地，因为本用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器中光声和超声能够做到实时的同步和控制，所以在组织成分分析方面，不仅能够利用吸收物体对不同波段的光波段吸收系数的敏感性差异，实现高分辨率的分子成像，还能够充分显示吸收体内部生物、化学成份细节信息，有较高的空间分辨率。
进一步地，因为本用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器中设计出了同步时序控制系统，所以能够实时完成激光发射-超声接收、超声发射-超声接收，从而实现了原始数据图像的融合。
进一步地，因为本用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器中光声/超声数据采集增益时序控制器与接收器前端连接，所以通过时分复用机制能够实时切换光声接收和超声接收期间对应的增益，实现了激光发射-超声接收的动态增益控制。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器，其特征在于，包括：
超声-光声时序控制模块，包括时序基准发生器、第一延迟单元、第二延迟单元以及第三延迟单元，
所述时序基准发生器用于生成基准时序的触发源信号TrigS，所述第一延迟单元用于生成启动信号Trig1，所述第二延迟单元用于实时生成触发信号Trig2，所述第三延迟单元用于生成启动信号Ext_Trig；
激光发生器，接收所述启动信号Trig1后其预储能启动，接收所述触发信号Trig2后产生可调能量和波长的激光；
发射与采集控制模块，包括扫描触发控制单元、发射脉冲控制器、数据采集存储器以及光声/超声数据采集增益时序控制器，
所述扫描触发控制单元用于接收所述启动信号Ext_Trig，并生成超声发射触发信号TXTrigger、超声采集触发信号ACQTrigger以及与所述触发信号Trig2同相位的触发信号Trig5，
所述发射脉冲控制器和所述数据采集存储器分别接收所述超声发射触发信号TXTrigger与所述超声采集触发信号ACQTrigger，并分别用于控制超声成像的脉冲信号和储存回波数据，
所述光声/超声数据采集增益时序控制器与下述接收器前端连接，所述光声/超声数据采集增益时序控制器接收所述触发信号Trig5，用于实时切换光声接收和超声接收期间对应的增益，实现动态增益控制；
超声前端硬件模拟模块，包括脉冲控制器、接收器前端以及探头高压切换开关，
所述脉冲控制器用于将所述控制器模块生成的数字波形信号经过D/A转换成模拟高压信号，并经过所述探头高压切换开关将所述模拟高压信号传输给下述超声探头生成超声激发脉冲信号，
所述接收器前端用于接收由下述超声探头拾取，并经过所述探头高压切换开关的回波数据；
成像模块，包括数据连接线和超声探头，所述数据连接线的一端与所述激光发生器连接，另一端与所述超声探头连接，所述超声探头与所述超声前端硬件模拟模块连接，用于实现光声-超声一体化的实时接收与成像；
控制器模块，包括延迟参数配置寄存器、扫描控制寄存器以及PCIeDMA控制寄存器，
所述延迟参数配置寄存器用于控制所述启动信号Trig1与所述触发信号Trig2之间的延迟，
所述扫描控制寄存器确定所述扫描触发控制单元生成所述超声发射触发信号TXTrigger与所述超声采集触发信号ACQTrigger的数量，
所述PCIeDMA控制寄存器用于确定所述发射脉冲控制器中的内容，并接收所述数据采集存储器储存的所述回波数据。
2.根据权利要求1所述的用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器，其特征在于，还包括：运算模块，包括PC计算机，
所述PC计算机用于实时计算所述扫描控制寄存器的参数，并用于接收所述PCIeDMA控制寄存器内的回波数据，从而完成超声、光声图像的融合与重建。
3.根据权利要求2所述的用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器，其特征在于：
其中，所述控制器模块通过PCIe与所述运算模块连接。
4.根据权利要求2所述的用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器，其特征在于：
其中，所述PC计算机为X86PC计算机。
5.根据权利要求1所述的用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器，其特征在于：
其中，所述接收器前端包括低噪声放大器、滤波器、可变增益放大器以及ADC，所述回波数据经所述低噪声放大器和所述滤波器放大滤波处理，再经ADC进行数字信号处理。
6.根据权利要求1所述的用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器，其特征在于：
其中，所述控制器模块还包括PCIe本地总线控制连接单元，
所述延迟参数配置寄存器和所述扫描控制寄存器均通过所述PCIe本地总线控制连接单元实现与所述超声-光声时序控制模块、所述发射与采集控制模块的控制接口。
7.根据权利要求1所述的用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器，其特征在于：
其中，所述PCIeDMA控制寄存器通过硬件接口LVDSStream实现与所述发射与采集控制模块的控制接口。
8.根据权利要求1所述的用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器，其特征在于：
其中，所述脉冲控制器与所述探头高压切换开关集成连接。
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| CN202310247724.5A Pending CN117281544A (zh) | 2023-03-15 | 2023-03-15 | 一种用于超声、光声融合实时骨骼成像的时序控制器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117281544A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117883050A (zh) * | 2024-01-30 | 2024-04-16 | 复旦大学 | 集成一体化的光声骨骼成像系统 |
-
2023
- 2023-03-15 CN CN202310247724.5A patent/CN117281544A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117883050A (zh) * | 2024-01-30 | 2024-04-16 | 复旦大学 | 集成一体化的光声骨骼成像系统 |
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