CN220001798U - 高帧幅率mimo超声成像仪系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种高帧幅率MIMO超声成像仪系统，包括高速多核浮点信号处理器，发射单元，多通道数模转换器，发射和接收控制单元，多通道模数转换器，接收单元；所述发射和接收控制单元包括至少一个探头；该高速多核浮点信号处理器通过发射单元控制多通道数模转化器，数模转化器将模拟信号传输至该发射和接收控制单元，所述发射和接收控制单元控制探头探测信号；该发射和接收控制单元还接收探头探测信号，将探测信号通过多通道模数转换器传输至接收单元；所述接收单元将探测信号传输至高速多核浮点信号处理器；本实用新型在于提供一种成本低，提高帧幅率和效率，可一次性并行地对全场景进行探测成像的一种高帧幅率MIMO超声成像仪系统。

Description

高帧幅率MIMO超声成像仪系统

技术领域

本实用新型涉及超声诊断技术领域，尤其涉及一种高帧幅率MIMO超声成像仪系统。

背景技术

超声诊断仪器主要是指医学影像系统中的超声诊断装置，由于其价格比CT，MRI和X射线低廉，易于移动，使用方便，又具有无创伤和无辐射，无不良反应，可反复检查，实时获得人体内组织图像等特点，所以临床应用范围愈来愈广泛。

B型超声是医学超声仪器的主要检查方法，近年来新的方法如内镜超声，M型超声，超声造影，超声CT，三维成像，四维超声，弹性成像，彩色B超(多普勒超声)等等，但都是在B型超声基础上发展起来的。

现有市场上的医疗B超仪，其工作过程是当相控阵探头获得电激励脉冲后，发射超声波，(同时探头受聚焦延迟电路控制，实现声波的声学聚焦)，然后经过一段时间延迟后再由探头接收反射的回声信号，根据回声信号的延迟时间，回声信号幅度的强弱就可以判断脏器的距离及性质。可以说几十年来，超声在基础性技术的发展上几乎停滞不前。

该医疗B超仪的探头内每一个元件的激励信号都是同样的脉冲信号，只是延迟不同，并且，每一次激发和接收，只能聚焦“一点或一线”。探头内每一个元件的激励信号都是同样的脉冲信号，只是延迟不同，并且每一次激发和接收，只能聚焦“一点或一线”。然后再由许多许多的“一点或一线”，来构造出3D立体场景。这样的做法对于象心脏这种跳动的器官，很难做到快速准确的反应。而在聚焦“一点或一线”附近的其它东西也会对这“一点或一线”产生影响，形成各类噪声(多次重复反射以及旁辨干扰出现假反射现象)，进一步降低3D立体场景的精度和真实性。

由于医疗B超仪的探头本身就是电-声波转换装置，是不可能把电脉冲变换输出为声脉冲的。实际上电脉冲激励探头产生的是一小段非常复杂超声波，其幅度，时间长度等都是不准确得知的。每个探头产生都不可能一样的。

在实际输入信号都不准确知道的情况下，是不可能由检测到的输出信号来精确确定系统的特性和参数的。

发射相同的高电压脉冲信号的做法就决定了现有B超的先天不足。即使后面的IC和电路设计，信号处理算法，甚至AI技术的改善和进步，也不可能很好解决这一基础缺陷带来的一系列问题。使得B超在清晰度、分辨率等方面，明显弱于CT与MRI。对小尺寸的病变和肿瘤(1厘米左右的肿瘤组织)不易检出。而多次重复反射以及旁辨干扰出现假反射现象，因此有时易造成误诊，检查结果也易受医师临床技能水平的影响。

本申请人在另一申请的专利中，(专利名称：一种基于低电压复杂信号的超声检测仪器设计，专利号：202120026006.1)。该专利中提出的新型超声探测信号设计。本实用新型就是把这一理念扩展应用到多探头的情况，可以实现实时高速超声高帧幅率3D探测，并有效的解决B超的存在的一系列问题。

本实用新型不只是一道信号，而是一系列正交特性良好的信号。本实用新型用不同的连续宽频复杂信号(不是脉冲信号)同时激励多个探头的发射方(端)，每个探头的激励信号是独立的，完全不同而正交的(无线通信的4G，5G的信号设计采用了类似的原理)。但超声发射信号的设计还必须要考虑到反射回来的信号与发射信号的自相关性，使得容易而准确提取出相应的被检测对象的主要特征。

本实用新型接收方(端)处理每一道发射的激励探测信号的可能反射信号。这是一种MIMO(Multi-Input，Multi-Output，多入多出)成像理念，本实用新型可一次性并行地对全场景进行探测成像，是一种效率最高，帧幅率最高的成像方法。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型在于提供一种成本低，提高帧幅率和效率，可一次性并行地对全场景进行探测成像的一种高帧幅率MIMO超声成像仪系统。

为了实现本实用新型目的，可以采取以下技术方案：

一种高帧幅率MIMO超声成像仪系统，包括高速多核浮点信号处理器，至少一个发射单元，至少一个多通道数模转换器，发射和接收控制单元，至少一个多通道模数转换器，至少一个接收单元；所述发射和接收控制单元包括至少一个探头；

所述高速多核浮点信号处理器，用于数字信号处理；所述发射单元，用于发射信号；所述多通道数模转换器，用于数字信号转化为模拟信号；所述发射和接收控制单元，用于接收和发射信号；所述多通道模数转换器，用于模拟信号转化为数字信号，所述探头，用于探测信号；

所述高速多核浮点信号处理器通过发射单元控制多通道数模转化器，该数模转化器将模拟信号传输至该发射和接收控制单元，所述发射和接收控制单元控制探头探测信号；该发射和接收控制单元还接收探头探测信号，将探测信号通过多通道模数转换器传输至接收单元；所述接收单元将探测信号传输至高速多核浮点信号处理器。

所述发射单元为现场可编程门阵列芯片或CPU处理器。

所述接收单元为现场可编程门阵列芯片或CPU处理器。

所述高速多核浮点信号处理器为型号是TMS320C6657芯片。

所述多通道数模转换器包括功率放大电路；所述通道数模转换器通过功率放大器将模拟信号传输至发射和接收控制单元的探头。

所述多通道模数转换器包括自动增益电路，所述探头将探测信号通过自动增益电路传输至多通道模数转换器。

所述发射单元包括2个或3个或4个发射单元。

所述接收单元包括2个或3个或4个接收单元。

本实用新型的有益效果是：1)本实用新型通过一次测量，快速获取真实的超声3D成像诊断；2)本实用新型通过高速浮点处理器处理分析，实时反映被检测对象超声3D变化情况，诊断更加准确，快速；3)可以完全消除因″一点或一线聚焦″而出现的旁瓣伪像，光栅栅瓣，多重反射，镜面效应等不可避免的各种伪像和干扰，极大提高图像的质量，避免误检，误判，大大提高了诊断精度，同时也大大提高了工作效率；4)本实用新型简化了电路结构，降低了成本；本实用新型应用领域广泛，适合普遍推广。

附图说明

图1为本实用新型实施例一种高帧幅率MIMO超声成像仪系统的探头阵列示意图；

图2为本实用新型实施例一种高帧幅率MIMO超声成像仪系统的系统方框图；

图3为本实用新型实施例一种高帧幅率MIMO超声成像仪系统的系统另一方框图；

图4为本实用新型实施例一种高帧幅率MIMO超声成像仪系统的系统再一方框图；

图5为实用新型实施例一种高帧幅率MIMO超声成像仪系统的系统的探头阵列检测示意图。

具体实施方式

下面结合附图及本实用新型的实施例对实用新型作进一步详细的说明。

实施例1

参看图1，图2，图3，该一种高帧幅率MIMO超声成像仪系统，包括高速多核浮点信号处理器10，至少一个发射单元20，至少一个多通道数模转换器40，发射和接收控制单元60，至少一个多通道模数转换器50，至少一个接收单元30；所述发射和接收控制单元60包括至少一个探头90；

所述高速多核浮点信号处理器10，用于数字信号处理；所述发射单元20，用于发射信号；所述多通道数模转换器40，用于数字信号转化为模拟信号；所述发射和接收控制单元60，用于接收和发射信号；所述多通道模数转换器50，用于模拟信号转化为数字信号，所述探头90，用于探测信号；

所述高速多核浮点信号处理器10通过发射单元20控制多通道数模转化器40，该多通道数模转化器40将模拟信号传输至该发射和接收控制单元60，所述发射和接收控制单元60控制探头90探测信号；该发射和接收控制单元60还接收探头90探测信号，将探测信号通过多通道模数转换器50传输至接收单元30；所述接收单元30将探测信号传输至高速多核浮点信号处理器10。

本实施例中，所述发射单元20，可以包含若干发射模块(发射子单元)，每个发射模块相对应一个发射探头；所述接收单元30，可以包含若干接收模块(接收子单元)，每个接收模块相对应一个接收探头；所述发射和接收控制单元60，包括多个发射探头和多个接收探头。

本实施例，优选地，所述高速多核浮点信号处理器10为型号是TMS320C6657或型号是TMS320C6678芯片；如果探头数量增多，本实用新型也可以采用多个高速多核浮点信号处理器10。

本实施例，所述高速多核浮点信号处理器10，用于数字信号处理和系统的管理；所述发射单元20，还可以用于发射一系列正交特性良好的连续宽频复杂数字信号；

所述探头90，用于探测信号；所述探测信号包括用于发射和接收探测信号；

本实施例中，所述发射和接收控制单元60控制探头90发射信号；该发射和接收控制单元60还接收探头90探测信号，将探测信号通过多通道模数转换器50传输至接收单元30；所述接收单元30将探测信号传输至高速多核浮点信号处理器10进一步的运算和处理。

参看图1，图3，本实施例，优选地，所述探头90包括至少一个发射端和接收端；所述发射端可以包括第一发射端901、第二发射端902、第三发射端903；当然，根据实际情况，发射端可以包括多个发射端，也就是说，可以包括第n发射端906；

所述接收端可以包括第一接收端911、第二发射端912、第三发射端913；当然，根据实际情况，接收端可以包括多个接收端，也就是说，可以包括第n接收端916；

本实施例，优选地，所述探头90可以包括发射端和接收端，也可以分开为发射探头和接收探头。

本实施例中，该图1是探头阵列和信号发射接收的示意图。在图1中，第一发射端901、第二发射端902，...，第n发射端906包括n个发射探头晶振，第一接收端911、第二发射端912，...，第n接收端916包括n个接收晶振，S1，S2，...，Sn是每个不同发射晶振同时发射但却不同的具有相互正交特性的连续宽频复杂信号。

优选地，第n发射端906和第n接收端916组成第n个探头96。

在接收信号处理上，任一第K个接收晶振Rxk，接收到的信号将被进行与所有S1，S2，...，Sn信号进行相关处理，所以从任何一个接收探头上，在同一短暂的时间里，经过信号处理，本实用新型将获得n道反射信息。这n道反射信息，物理上，相等于n个发射探头逐个发射，Rxk逐个接收的效果，但所需时间只是逐个序列式的1/n。对所有n个接收探头Rx1，Rx2，...，Rxn，都作同样的信号处理，那么我们在同一时刻获得nxn个反射信号矩阵信息。通过合成孔径算法处理，本实用新型将在同一短暂时刻获得被成像物体的全场景信息，所以是一种帧幅率最高，最具实时性的成像方法。具体成像算法和软件实现将在后继的专利中公布。

本实施例中，n个发射探头和n个接收探头可以按应用需要，采取一排或多排的任何阵列组合，本实用新型只需知道各个探头准确位置即可，这对于探头的生产带来极大的方便。

本实施例，优选地，所述发射单元20为现场可编程门阵列(FPGA)芯片或CPU处理器。

本实施例，优选地，所述接收单元30为现场可编程门阵列(FPGA)芯片或CPU处理器。

所述现场可编程门阵列(FPGA)芯片为型号是Spartan的FPGA芯片。

所述CPU处理器为型号是AMD锐龙93900X的CPU处理器。

本实施例，优选地，所述多通道数模转换器(DAC)40为型号是MAX5885的芯片；

本实施例，优选地，所述多通道模数转换器(ADC)50为型号是LTC2163或型号是LTC2164或型号是的LTC2165的芯片。

参看图3，图4，本实施例，优选地，所述多通道数模转换器40包括功率放大电路；

所述通道数模转换器40通过功率放大器将模拟信号传输至发射和接收控制单元60的探头90；也就是说，所述通道数模转换器40通过功率放大器将模拟信号传输至发射和接收控制单元60的发射探头90。

所述多通道模数转换器50包括自动增益电路，所述探头90将探测信号通过自动增益电路传输至多通道模数转换器50。

本实施例，进一步，优选地，所述多通道模数转换器50还可以包括自动增益电路和滤波电路，所述接收探头将探测信号通过自动增益电路和滤波电路传输至多通道模数转换器50。

本实施例，进一步，优选地，所述功率放大电路包括第一功率放大电路71、第二功率放大电路72、第三功率放大电路73；该功率放大电路可以包括第n个功率放大电路74；

本实施例，进一步，优选地，所述自动增益电路包括第一自动增益电路81、第二自动增益电路82、第三自动增益电路83；该自动增益电路可以包括第n个自动增益电路84；该自动增益电路作用是控制电路信号强度。

本实施例，优选地，所述发射单元20包括第一发射单元21、第二发射单元22、第三发射单元23.....第n发射单元24；

所述接收单元30包括第一接收单元31、第二接收单元32、第三接收单元33.........第n接收单元34；

本实施例，优选地，所述多通道数模转换器(DAC)40包括第一多通道DAC41、第二多通道DAC42、第三多通道DAC43.......第n个多通道DAC44；

本实施例，优选地，所述多通道模数转换器(ADC)50包括第一多通道ADC51、第二多通道ADC52、第三多通道ADC53.......第n个多通道ADC54；

参看图3，所述高速多核浮点信号处理器10通过第一发射单元21控制第一多通道数模转化器41，该第一多通道数模转化器41将模拟信号通过第一功率放大电路71传输至该第一探头90的第一发射端901；

所述第一探头90的第一接收端991将探测信号通过第一自动增益电路81传输至第一多通道模数转换器51，该第一多通道模数转换器51通过第一接收单元31将探测信号传输至高速多核浮点信号处理器10。

参看图4，本实施例，优选地，所述高速多核浮点信号处理器10可以分别控制第一发射单元21、第二发射单元22、第三发射单元23，该第一发射单元21、第二发射单元22、第三发射单元23将控制信号分别通过第一多通道DAC41、第二多通道DAC42、第三多通道DAC43和第一功率放大电路71、第二功率放大电路72、第三放大电路73传输至第一发射端901、第二发射端902和第三发射端903；、

本实施例，优选地，所述第一接收端911、第二接收端912和第三接收端913将探测信号分别通过第一自动增益电路81、第二自动增益电路82及第三自动增益电路83和第一多通道ADC51、第二多通道ADC52、第三多通道ADC53传输至第一接收单元31、第二接收单元22、第三接收单元33，该第一接收单元31、第二接收单元22、第三接收单元33将探测信号分别传输至高速多核浮点信号处理器10。

参看图5，本实用新型所述探头包括第一探头90、第二探头91、第三探头92、第四探头93、第五探头94；该五个探头组成探头阵列对扫描区域100进行扫描，诊断。

本实用新型发射单元20可以是FPGA芯片或者CPU，处理器它产生一组数字连续宽频复杂信号，然后通过DAC转换器转换为模拟信号，经信号功率放大后驱动探头的发射端。不同发射单元产生的数宁连续宽频复杂信号是相互正交的。

本实用新型接收探头获得被检测区域的反射或折射的超声信号后，经自动增益调整后，由ADC转化器转换为数字信号，接收单元一般选择CPU处理器，该CPU处理器完成快速傅里叶变换，并与各个发射单元产生的连续宽频复杂信号进行相关处理。当然，由于后端的高速多核浮点处理器10处理能力非常强大，所述接收单元30的处理工作也可由通过高速多核浮点处理器10完成。

所述高速多核浮点处理器10把来自各个接收单元的经过预处理的数据，通过类似合成孔径和GPS反演变换等运算，获得被检测区域的全场景3D信息。

为了获得更大的检测区域，并提高检测的精度和分辨率，就需要采用更多的发射和检测单元。这会大大增加数学计算的工作量。除了采用更快速处理的浮点处理器外，本实用新型设计良好的发射信号也很重要的，可以减少大量的处理时间。此外，发射端与接收端的适当空间排列，也可以大大减少不必要的处理时间。

值得指出的本实用新型不仅适应于医疗，而且也完全于工业，材料，海洋等采用超声成像的所有应用场合。

在实际应用上，本实用新型尽可能利用直接反射信号，减少多次折射信号的使用，这样可提高倍噪比，同时减少计算量。因此，采用较多的接收单元是更好的选择(接收单元m＞发射单元n).也有更好的灵活性。

优选地，图4是本实用新型一种更普通实用的实现方案。

本实用新型通过一次测量，可以快速获取真实的超声3D成像方法，而非现有的技术由通过测量″一点或一线″，然后再构造3D成像的做法；

本实用新型只要高速浮点处理器的处理速度(必要时可采用高速计算机)，就能够实时反映被检测对象3D变化情况，比如对于检测心脏跳动，血流速度(M型超声，彩色B超)等变化快速的情况有无以伦比的优势。

本实用新型是一种通用性的3D成像技术，在许多场合都可不必修改而使用。而非现有B超随不同器官检测，应用而需要大量修正。

本实用新型电路硬件系统结构简单明了，不必采用任何专用的IC芯片，成本低而可靠性强。开发，生产制造简单。

本实用新型发射通道及接收通道主要就是ADC，DAC和CPU，CPU只需做数据处理，功能单一，内存不大，外接设备简单，所以很容易把若干通道(比如4或8通道)集成一起，做成专用的SOC(System on Chip)芯片.降低硬件的成本和体积。

本实用新型可以完全消除因″一点或一线聚焦″而出现的旁瓣伪像，光栅栅瓣，多重反射，镜面效应等不可避免的各种伪像和干扰，极大提高图像的质量，避免误检，误判。

现有的彩色B超(即“彩超”)，实际上是在黑白B超图像基础上加上以多普勒效应原理为基础的伪彩而形成的。而随着应用场景要求不同，分别采用连续多普勒或脉冲多普勒，或者是血流成像等各种方法。都必须附加上一套特别设计的，复杂的硬件电路。而且频率混叠(Aliasing)，频移等关键性问题很难解决。实际上只能对每一种应用场景采用一种应对措施，图像的质量，精确度不好。

本实用新型发射的是精确频率的连续宽频信号，遇到任何运动的对象，就自然会因多普勒现象产生反射信号的频率偏移。也就是说，本实用新型不需要改变住何硬件，只需做简单的修正，加上多普勒的计算功能即可。多普勒法只是一个附带的功能而己。

更重要的是，不管任何场景和应用(比如运动速度的不同大小)，本实用新型都是一样的，并不需要采取不同的措施。而宽频(许多频率)本身又进一步提高了检测精度，避免了单一频率容易受干扰等影响。同时又可以准确确定入射及反射角度，这又是提高精度的另一关键因素。

总之，彩超(带有多普勒方法的B超)复杂，贵重而难以制造，但对于我们系统来说，只是简单，轻而易举的附加功能。并且大大提高多普勒方法的检测精度，同时适用不同的应用场景。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种高帧幅率MIMO超声成像仪系统，其特征在于：包括高速多核浮点信号处理器，至少一个发射单元，至少一个多通道数模转换器，发射和接收控制单元，至少一个多通道模数转换器，至少一个接收单元；所述发射和接收控制单元包括至少一个探头；

所述高速多核浮点信号处理器，用于数字信号处理；所述发射单元，用于发射信号；所述多通道数模转换器，用于数字信号转化为模拟信号；所述发射和接收控制单元，用于接收和发射信号；所述多通道模数转换器，用于模拟信号转化为数字信号，所述探头，用于探测信号；

所述高速多核浮点信号处理器通过发射单元控制多通道数模转化器，该数模转化器将模拟信号传输至该发射和接收控制单元，所述发射和接收控制单元控制探头探测信号；该发射和接收控制单元还接收探头探测信号，将探测信号通过多通道模数转换器传输至接收单元；所述接收单元将探测信号传输至高速多核浮点信号处理器；所述探头获得反射信号矩阵信息，通过合成孔径算法处理，获得被成像物体的全场景信息。

2.根据权利要求1所述高帧幅率MIMO超声成像仪系统，其特征在于：所述发射单元为现场可编程门阵列芯片或CPU处理器。

3.根据权利要求1所述高帧幅率MIMO超声成像仪系统，其特征在于：所述接收单元为现场可编程门阵列芯片或CPU处理器。

4.根据权利要求1或2或3所述高帧幅率MIMO超声成像仪系统，其特征在于：所述探头包括发射端和接收端。

5.根据权利要求4所述高帧幅率MIMO超声成像仪系统，其特征在于：所述高速多核浮点信号处理器为型号是TMS320C6657芯片。

6.根据权利要求5所述高帧幅率MIMO超声成像仪系统，其特征在于：所述多通道数模转换器包括功率放大电路；所述通道数模转换器通过功率放大器将模拟信号传输至发射和接收控制单元的探头。

7.根据权利要求6所述高帧幅率MIMO超声成像仪系统，其特征在于：所述多通道模数转换器包括自动增益电路，所述探头将探测信号通过自动增益电路传输至多通道模数转换器。

8.根据权利要求1所述高帧幅率MIMO超声成像仪系统，其特征在于：所述发射单元包括2个或3个或4个发射单元。

9.根据权利要求1所述高帧幅率MIMO超声成像仪系统，其特征在于：所述接收单元包括2个或3个或4个接收单元。