RU117793U1 - DIAGRAM-FORMING DEVICE FOR MULTI-BEAM RECEPTION OF ULTRASONIC SIGNALS - Google Patents

DIAGRAM-FORMING DEVICE FOR MULTI-BEAM RECEPTION OF ULTRASONIC SIGNALS Download PDF

Info

Publication number
RU117793U1
RU117793U1 RU2012110781/14U RU2012110781U RU117793U1 RU 117793 U1 RU117793 U1 RU 117793U1 RU 2012110781/14 U RU2012110781/14 U RU 2012110781/14U RU 2012110781 U RU2012110781 U RU 2012110781U RU 117793 U1 RU117793 U1 RU 117793U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
primary
filter
interpolator
shift registers
fifo type
Prior art date
Application number
RU2012110781/14U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Евгеньевич Нагулин
Сергей Николаевич Нагулин
Original Assignee
Закрытое акционерное общество "СПЕКТРОМЕД"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое акционерное общество "СПЕКТРОМЕД" filed Critical Закрытое акционерное общество "СПЕКТРОМЕД"
Priority to RU2012110781/14U priority Critical patent/RU117793U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU117793U1 publication Critical patent/RU117793U1/en

Links

Landscapes

  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)

Abstract

1. Диаграммо-формирующее устройство для многолучевого приема ультразвуковых сигналов, содержащее приемно-передающий модуль, в состав которого входят приемные каналы сигналов с элементов ультразвукового датчика, каждый приемный канал сигналов электрически соединен через индивидуальный аналого-цифровой преобразователь с первичной оперативной памятью типа FIFO, которая в свою очередь соединена с первичным фильтром-интерполятором, а также содержащее вторичную оперативную память типа FIFO, умножители, мультиплексоры и сумматоры, отличающееся тем, что первичная оперативная память типа FIFO соединена с первичным блоком сдвиговых регистров, выходы первичного фильтра-интерполятора и первичного блока сдвиговых регистров соединены с соответствующими входами двух вторичных фильтров-интерполяторов, при этом первичный блок сдвиговых регистров, первичный фильтр-интерполятор и вторичные фильтры-интерполяторы соединены через вторичные блоки сдвиговых регистров с соответствующими входами формирователей лучей, каждый из которых соединен с соответствующим сумматором каналов и включает последовательно соединенные мультиплексор, вторичную оперативную память типа FIFO и умножитель, кроме того, каждый фильтр-интерполятор представляет собой фильтр-интерполятор с фиксированной симметричной импульсной характеристикой. ! 2. Диаграммо-формирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что электрическое соединение между элементами устройства осуществлено посредством шин данных. ! 3. Диаграммо-формирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что число приемных каналов сигналов соответствует количеству одновременно использу 1. A diagram-forming device for multi-beam reception of ultrasonic signals, containing a receiving-transmitting module, which includes receiving channels of signals from elements of an ultrasonic sensor, each receiving channel of signals is electrically connected through an individual analog-to-digital converter with a primary random access memory of the FIFO type, which in turn is connected to the primary filter-interpolator, and also containing the secondary random access memory of the FIFO type, multipliers, multiplexers and adders, characterized in that the primary random access memory of the FIFO type is connected to the primary block of shift registers, the outputs of the primary filter-interpolator and the primary block of shift registers are connected to the corresponding inputs of two secondary filter-interpolators, while the primary block of shift registers, the primary filter-interpolator and secondary filter-interpolators are connected through the secondary blocks of shift registers with the corresponding inputs of the shapers beams, each of which is connected to a corresponding channel adder and includes a series-connected multiplexer, a secondary random access memory of the FIFO type and a multiplier; in addition, each interpolator filter is a filter interpolator with a fixed symmetric impulse response. ! 2. The diagram-forming device according to claim 1, characterized in that the electrical connection between the elements of the device is made by means of data buses. ! 3. The diagram-forming device according to claim 1, characterized in that the number of receiving signal channels corresponds to the number of simultaneously used

Description

Настоящее техническое решение относится к области медицинского приборостроения, в частности, к устройствам для ультразвуковой эхолокации внутренних органов, и может быть использовано в системах медицинской диагностики.This technical solution relates to the field of medical instrumentation, in particular, to devices for ultrasonic echolocation of internal organs, and can be used in medical diagnostic systems.

Из существующего уровня техники известно многолучевое ультразвуковое диаграммо-формирующее устройство (ДФУ) для обеспечения высокой частоты кадров формируемого изображения, каждый канал которого включает в себя аналого-цифровой преобразователь (АЦП), модуль формирования задержки сигнала, модуль аподизации и сумматоры (United States Patent 5,905,692, опубл. 18.05.1999). Недостатком данного технического решения является то, что при реализации многолучевого приема увеличение количества приемных каналов связано с пропорциональным увеличением количества фильтров-интерполяторов и, соответственно, аппаратных затрат, а также стоимости устройства.It is known in the art that a multi-path ultrasound beamforming device (DFU) is provided to provide a high frame rate for the image being generated, each channel of which includes an analog-to-digital converter (ADC), a signal delay generation module, an apodization module, and adders (United States Patent 5,905,692 publ. 05/18/1999). The disadvantage of this technical solution is that when implementing multipath reception, an increase in the number of receiving channels is associated with a proportional increase in the number of filter interpolators and, accordingly, hardware costs, as well as the cost of the device.

Также из уровня техники известно диаграммо-формирующее устройство для многолучевого приема ультразвуковых сигналов, содержащее приемно-передающий модуль, в состав которого входят приемные каналы сигналов с элементов датчика, каждый приемный канал сигналов электрически соединен через индивидуальный аналого-цифровой преобразователь с первичной оперативной памятью типа FIFO, которая в свою очередь соединена с фильтром-интерполятором, а также содержащее вторичную оперативную память типа FIFO, умножители, мультиплексоры и сумматоры (см., напр., United States Patent 6,695,783, опубл. 24.02.2004).Also known from the prior art is a diagram-forming device for multipath reception of ultrasonic signals, comprising a receiving and transmitting module, which includes receiving channels of signals from sensor elements, each receiving channel of signals is electrically connected through an individual analog-to-digital converter with primary random access memory of the FIFO type , which, in turn, is connected to the filter-interpolator, as well as containing secondary random access memory of the FIFO type, multipliers, multiplexers and adders (see, on p., United States Patent 6,695,783, publ. 24.02.2004).

В данном техническом решении увеличение количества приемных каналов не приводит к пропорциональному увеличению количества фильтров-интерполяторов. Однако, недостатком этого устройства являются избыточные аппаратные затраты на формирование интерполированных отсчетов сигнала, поскольку реализованное формирование интерполированных отсчетов сигнала не учитывает того, что при реализации дробной задержки сигнала, равной 0.5 интервала дискретизации, количество умножителей за счет использования симметричной импульсной характеристики фильтра-интерполятора может быть сокращено в два раза, а также того, что нет необходимости выполнять вычислительные операции, когда дробная задержка сигнала равна нулю. Недостатком являются также избыточные аппаратные затраты, связанные с необходимостью постоянной перестройки коэффициентов фильтра-интерполятора с тактом поступления отсчетов сигнала.In this technical solution, an increase in the number of receiving channels does not lead to a proportional increase in the number of filter interpolators. However, the disadvantage of this device is the excessive hardware costs for generating interpolated signal samples, since the implemented generation of interpolated signal samples does not take into account the fact that when implementing a fractional signal delay equal to 0.5 of the sampling interval, the number of multipliers due to the use of the symmetrical impulse response of the filter-interpolator can be halved, as well as the fact that there is no need to perform computational operations when the fractional delay s Nala is zero. The disadvantage is also the excessive hardware costs associated with the need for constant adjustment of the coefficients of the filter-interpolator with the cycle of arrival of the signal samples.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является снижение аппаратных затрат для улучшения динамики формирования ультразвукового изображения.The task to which the claimed technical solution is directed is to reduce hardware costs to improve the dynamics of the formation of ultrasound images.

Данная задача решается за счет того, что в заявленном диаграммо-формирующем устройстве для многолучевого приема ультразвуковых сигналов, содержащем приемно-передающий модуль, в состав которого входят приемные каналы сигналов с элементов датчика, каждый приемный канал сигналов электрически соединен через индивидуальный аналого-цифровой преобразователь с первичной оперативной памятью типа FIFO, которая в свою очередь соединена с первичным фильтром-интерполятором, а также содержащее вторичную оперативную память типа FIFO, умножители, мультиплексоры и сумматоры, согласно полезной модели, первичная оперативная память типа FIFO соединена с первичным блоком сдвиговых регистров, выходы первичного фильтра-интерполятора и первичного блока сдвиговых регистров соединены с соответствующими входами двух вторичных фильтров-интерполяторов, при этом первичный блок сдвиговых регистров, первичный фильтр-интерполятор и вторичные фильтры-интерполяторы соединены через вторичные блоки сдвиговых регистров с соответствующими входами формирователей лучей, каждый из которых соединен с соответствующим сумматором каналов и включает последовательно соединенные мультиплексор, вторичную оперативную память типа FIFO и умножитель, кроме того, каждый фильтр-интерполятор представляет собой фильтр-интерполятор с фиксированной симметричной импульсной характеристикой.This problem is solved due to the fact that in the claimed diagram-forming device for multipath reception of ultrasonic signals, containing a receiving-transmitting module, which includes receiving signal channels from the sensor elements, each signal receiving channel is electrically connected through an individual analog-to-digital converter with primary memory of the FIFO type, which in turn is connected to the primary filter-interpolator, and also containing secondary random access memory of the FIFO type, multipliers, multiplier tiplexers and adders, according to the utility model, the primary RAM of the FIFO type is connected to the primary block of shift registers, the outputs of the primary filter interpolator and the primary block of shift registers are connected to the corresponding inputs of two secondary filter interpolators, while the primary block of shift registers, the primary filter the interpolator and secondary filters-interpolators are connected through the secondary blocks of the shift registers with the corresponding inputs of the beam shapers, each of which is connected to tvetstvuyuschim adder channels and includes serially connected multiplexor, the secondary FIFO type memory and a multiplier, in addition, each filter interpolator is an interpolator filter with a symmetric impulse response fixed.

Электрическое соединение между элементами устройства может быть осуществлено посредством шин данных.The electrical connection between the elements of the device can be made via data buses.

Число приемных каналов сигналов может соответствовать количеству одновременно используемых элементов ультразвукового датчика.The number of receiving channels of the signals may correspond to the number of simultaneously used elements of the ultrasonic sensor.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение аппаратных затрат для улучшения динамики формирования ультразвукового изображения за счет конструктивного выполнения устройства, а именно за счет того, что первичная оперативная память типа FIFO соединена с первичным фильтром-интерполятором и с первичным блоком сдвиговых регистров, выходы первичного фильтра-интерполятора и первичного блока сдвиговых регистров соединены с соответствующими входами двух вторичных фильтров-интерполяторов, при этом первичный блок сдвиговых регистров, первичный фильтр-интерполятор и вторичные фильтры-интерполяторы соединены через вторичные блоки сдвиговых регистров с соответствующими входами формирователей лучей, каждый из которых соединен с соответствующим сумматором каналов и включает последовательно соединенные мультиплексор, вторичную оперативную память типа FIFO и умножитель, а также за счет того, что каждый фильтр-интерполятор представляет собой фильтр-интерполятор с фиксированной симметричной импульсной характеристикой.The technical result provided by the given set of features is to reduce hardware costs to improve the dynamics of the formation of ultrasound images due to the structural design of the device, namely due to the fact that the primary random access memory type FIFO is connected to the primary filter-interpolator and to the primary block of shift registers, outputs the primary filter-interpolator and the primary block of shift registers are connected to the corresponding inputs of two secondary filter-interpolators, p In this case, the primary block of shift registers, the primary filter interpolator and the secondary filter interpolators are connected through the secondary blocks of the shift registers with the corresponding inputs of the beam former, each of which is connected to the corresponding adder of channels and includes a series-connected multiplexer, a secondary random access memory of the FIFO type and a multiplier, and also due to the fact that each filter interpolator is a filter interpolator with a fixed symmetrical impulse response.

Перечисленные выше конструктивные особенности устройства позволяют добиться снижения аппаратных затрат для увеличения частоты кадров формируемого ультразвукового изображения, поскольку обеспечивается полная загрузка вычислительных средств фильтров-интерполяторов за счет организации вычислительного процесса таким образом, чтобы в любой момент времени фильтр-интерполятор использовался только для формирования дробной задержки и не простаивал, когда не требуется формировать дробную задержку сигнала. Кроме того, использование фильтров-интерполяторов с фиксированной симметричной импульсной характеристикой позволяет сократить в два раза число умножителей, а также, поскольку в отличие от аналога в процессе вычислений фильтры-интерполяторы не изменяют свою импульсную характеристику, то имеется возможность использовать упрощенную структуру умножителей, реализующих операцию умножения в составе фильтра-интерполятора только на фиксированный коэффициент.The design features of the device listed above make it possible to reduce hardware costs to increase the frame rate of the generated ultrasound image, since the computational resources of filter interpolators are fully loaded by organizing the computing process so that at any time the filter interpolator is used only to form a fractional delay and not idle when it is not necessary to form a fractional delay of the signal. In addition, the use of filter interpolators with a fixed symmetrical impulse response allows you to halve the number of multipliers, and also, since unlike the analog in the calculation process, filter interpolators do not change their impulse response, it is possible to use a simplified structure of multipliers that implement the operation multiplications in the structure of the filter-interpolator only by a fixed coefficient.

Сущность заявленного устройства поясняется чертежами, не охватывающими и, тем более, не ограничивающими объем притязаний по данному решению, а лишь являющимися иллюстрирующими материалами частного случая выполнения устройства. На чертежах изображено:The essence of the claimed device is illustrated by drawings that do not cover and, moreover, do not limit the scope of claims for this decision, but are only illustrative materials of a particular case of the device. The drawings show:

На фиг.1 - блок-схема устройства;Figure 1 - block diagram of the device;

На фиг.2 - временная диаграмма формирования результатов плавной задержки сигнала;Figure 2 is a timing diagram of the formation of the results of a smooth signal delay;

На фиг.3 - временная диаграмма работы устройства в режиме дополнительного формирования лучей путем временного мультиплексирования.Figure 3 is a timing diagram of the operation of the device in the mode of additional beam forming by time multiplexing.

Устройство включает приемно-передающий модуль, в состав которого входят N приемных каналов сигналов 1/1…1/N в соответствии с количеством одновременно используемых элементов датчика.The device includes a receiving-transmitting module, which includes N receiving channels of signals 1/1 ... 1 / N in accordance with the number of simultaneously used sensor elements.

Каждый приемный канал сигналов 1/j, j=1,2,…,N электрически соединен через индивидуальный аналого-цифровой преобразователь 2 с первичной оперативной памятью 3 типа FIFO. Первичная оперативная память 3 типа FIFO соединена с первичным блоком сдвиговых регистров 4 и с первичным фильтром-интерполятором 5. Выходы первичного фильтра-интерполятора 5 и первичного блока сдвиговых регистров 4 соединены с соответствующими входами двух вторичных фильтров-интерполяторов 6, 7. Первичный блок сдвиговых регистров 4, первичный фильтр-интерполятор 5 и вторичные фильтры-интерполяторы 6, 7 соединены через соответствующие вторичные блоки сдвиговых регистров 8, 9, 10, 11 с соответствующими входами формирователей 12 лучей. Каждый формирователь 12 лучей включает последовательно соединенные мультиплексор 13, вторичную оперативную память 14 типа FIFO и умножитель 15 и соединен с соответствующим сумматором 16 каналов. Число L формирователей 12 лучей равно числу L сумматоров 16 каналов, то есть для L формирователей лучей 12/1…12/L, используются L сумматоров каналов 16/1…16/L. Каждый фильтр-интерполятор 5, 6, 7 представляет собой фильтр-интерполятор с фиксированной симметричной импульсной характеристикой.Each receiving channel of signals 1 / j, j = 1,2, ..., N is electrically connected through an individual analog-to-digital converter 2 with primary RAM 3 of the FIFO type. Primary random access memory 3 of the FIFO type is connected to the primary block of shift registers 4 and to the primary filter interpolator 5. The outputs of the primary filter interpolator 5 and to the primary block of shift registers 4 are connected to the corresponding inputs of two secondary filter interpolators 6, 7. The primary block of shift registers 4, the primary filter interpolator 5 and the secondary filter interpolators 6, 7 are connected through the corresponding secondary blocks of the shift registers 8, 9, 10, 11 with the corresponding inputs of the beam shapers 12. Each beamformer 12 includes a series-connected multiplexer 13, a secondary RAM 14 of the FIFO type and a multiplier 15 and is connected to a corresponding adder 16 channels. The number L of beam shapers 12 is equal to the number L of adders 16 channels, that is, for L beam shapers 12/1 ... 12 / L, L channel adders 16/1 ... 16 / L are used. Each filter interpolator 5, 6, 7 is a filter interpolator with a fixed symmetrical impulse response.

Устройство обеспечивает многолучевой прием ультразвукового сигнала на основе динамической перестройки системы задержек сигнала, представленного последовательностью цифровых данных. При этом грубая перестройка задержки сигнала с точностью до шага дискретизации входного сигнала осуществляется на основе использования первичной и вторичной оперативной памяти 3, 14 типа FIFO, а плавная (дробная) задержка с более высокой точностью, чем шаг дискретизации сигнала, выполняется с помощью первичного и вторичных фильтров-интерполяторов 5, 6, 7. Первичный и вторичный фильтры-интерполяторы 5, 6, 7 формируют все возможные плавные задержки сигнала, которые затем используются для формирования всех приемных лучей. Приемно-передающий модуль выполнен, преимущественно, в виде корпуса.The device provides multipath reception of an ultrasonic signal based on the dynamic tuning of the signal delay system represented by a sequence of digital data. Moreover, coarse tuning of the signal delay up to the sampling step of the input signal is carried out using primary and secondary random access memory 3, 14 of the FIFO type, and a smooth (fractional) delay with higher accuracy than the signal sampling step is performed using the primary and secondary filter interpolators 5, 6, 7. The primary and secondary filter interpolators 5, 6, 7 form all possible smooth signal delays, which are then used to form all receiving beams. The transmitting and receiving module is made mainly in the form of a housing.

По результатам многих исследований (United States Patent 6,695,783, опубл. 24.02.2004) считается, что минимальный шаг изменения задержки сигнала, дальнейшее уменьшение которого не будет приводить к заметному увеличению качества формируемого изображения, составляет величину l/(16fc), где fc -рабочая частота датчика. При этом коэффициент интерполяции К задается соотношением:According to the results of many studies (United States Patent 6,695,783, published February 24, 2004), it is believed that the minimum step of changing the signal delay, a further decrease of which will not lead to a noticeable increase in the quality of the image formed, is l / (16f c ), where f c - operating frequency of the sensor. In this case, the interpolation coefficient K is given by the relation:

где fS - частота дискретизации ультразвукового сигнала.where f S is the sampling frequency of the ultrasonic signal.

Если рабочая частота датчика fC не превышает 12.5 МГц, что соответствует подавляющему числу практических применений, то, как следует из формулы (1), при частоте дискретизации ультразвукового сигнала fS=50 МГц достаточно, чтобы коэффициент интерполяции К составлял величину, равную 4. При этом фильтр-интерполятор должен обеспечивать задержку сигнала с шагом 0.25TS, где TS=1/fS - темп дискретизации ультразвукового сигнала, т.е. формировать набор дробных задержек сигнала: 0.25TS, 0.5TS, 0.75TS. Коэффициент интерполяции К, равный 4, может быть использован и для ультразвуковых датчиков с более высокой рабочей частотой за счет увеличения скорости работы АЦП. Например, если применять ультразвуковые датчики с максимальной рабочей частотой 15 МГц, то для К=4 достаточно, чтобы АЦП обеспечивал частоту дискретизации сигнала fS=60 МГц.If the operating frequency of the sensor f C does not exceed 12.5 MHz, which corresponds to the overwhelming number of practical applications, then, as follows from formula (1), with the sampling frequency of the ultrasonic signal f S = 50 MHz, it is enough that the interpolation coefficient K is 4. In this case, the filter interpolator should provide a signal delay in increments of 0.25T S , where T S = 1 / f S is the sampling rate of the ultrasonic signal, i.e. form a set of fractional signal delays: 0.25T S , 0.5T S , 0.75T S. The interpolation coefficient K, equal to 4, can also be used for ultrasonic sensors with a higher operating frequency by increasing the speed of the ADC. For example, if you use ultrasonic sensors with a maximum operating frequency of 15 MHz, then for K = 4 it is enough for the ADC to provide a signal sampling frequency f S = 60 MHz.

Работает устройство следующим образом. В соответствии с блок- схемой фиг.1 в каждом приемном канале 1/j, j=1,2,…,N сигнал после аналого-цифрового преобразователя 2, работающего с частотой fS, поступает в первичную оперативную память 3 типа FIFO, где осуществляется первый этап грубой задержки сигнала.The device operates as follows. In accordance with the block diagram of FIG. 1, in each receiving channel 1 / j, j = 1,2, ..., N, the signal after the analog-to-digital converter 2 operating with a frequency f S enters the primary RAM 3 of the FIFO type, where the first stage of the gross delay of the signal is carried out.

На первом этапе грубой задержки сигнала первичная оперативная память 3 типа FIFO обеспечивает с точностью до интервала дискретизации сигнала TS=1/fS компенсацию задержки сигналов между приемными каналами 1/1…1/N сигналов устройства. Для практических применений задержка в первичной оперативной памяти 3 типа FIFO составляет величину порядка 1024 периодов тактовой частоты работы устройства, равной частоте дискретизации ультразвукового сигнала fS.At the first stage of coarse signal delay, the primary FIFO type 3 RAM provides, up to the signal sampling interval T S = 1 / f S, signal delay compensation between the receiving channels 1/1 ... 1 / N of the device signals. For practical applications, the delay in the primary RAM 3 of the FIFO type is of the order of 1024 periods of the clock frequency of the device, equal to the sampling frequency of the ultrasonic signal f S.

Последовательность отсчетов сигнала {Xi} с выхода первичной оперативной памяти 3 типа FIFO поступает одновременно на входы первичного блока сдвиговых регистров 4 и первичного фильтра-интерполятора 5.The sequence of samples of the signal {X i } from the output of the primary RAM 3 of the FIFO type is supplied simultaneously to the inputs of the primary block of the shift registers 4 and the primary filter-interpolator 5.

С помощью первичного фильтра-интерполятора 5 выполняется первый этап интерполяции, на котором формируются отсчеты входного сигнала, задержанные на половину интервала дискретизации сигнала, т.е. на величину 0.5 TS. В результате фильтрации на выходе первичного фильтра интерполятора 5 формируется последовательность отсчетов сигнала {Xi+0.5}.Using the primary filter-interpolator 5, the first interpolation step is performed, on which the samples of the input signal are formed, delayed by half the sampling interval of the signal, i.e. by 0.5 T S. As a result of the filtering, at the output of the primary filter of the interpolator 5, a sequence of signal samples {X i + 0.5 } is formed.

Первичный фильтр-интерполятор 5 является нерекурсивным и использует симметричную импульсную характеристику, удовлетворяющую соотношению (Л.Рабинер, Б.Гоулд. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М: Мир, 1978, стр.93):The primary filter interpolator 5 is non-recursive and uses a symmetric impulse response that satisfies the relation (L. Rabiner, B. Gould. Theory and application of digital signal processing. M: Mir, 1978, p. 93):

где hm - значения импульсной характеристики, М - порядок фильтра, являющийся четным числом. Применение симметричной импульсной характеристики позволяет по сравнению со стандартной реализацией фильтра сократить в два раза количество умножителей.where h m are the values of the impulse response, M is the order of the filter, which is an even number. The use of a symmetrical impulse response makes it possible to halve the number of multipliers in comparison with the standard filter implementation.

Первичный блок сдвиговых регистров 4 используется для выравнивания потока отсчетов входных данных {Xi} с потоком результатов вычислений {Xi+0,5} первичного фильтра-интерполятора 5 с целью их одновременного использования во вторичных фильтрах-интерполяторах 6, 7 на втором этапе интерполяции.The primary block of shift registers 4 is used to align the stream of samples of input data {X i } with the stream of calculation results {X i + 0.5 } of the primary filter interpolator 5 with the aim of simultaneously using them in the secondary filter interpolators 6, 7 in the second interpolation step .

Формирование отсчетов входного сигнала, задержанных на величину 0.25 TS, производится с помощью вторичного фильтра-интерполятора 6 путем обработки отсчетов сигнала {Xi} и {Хi+0,5} по формуле (4):The formation of samples of the input signal delayed by 0.25 T S is performed using a secondary filter-interpolator 6 by processing the signal samples {X i } and {X i + 0.5 } according to the formula (4):

Соответственно, задержка входного сигнала на дробную задержку 0.75 TS выполняется вторичным фильтром-интерполятором 7 путем обработки отсчетов сигнала {Xi} и {Xi+0.5} по формуле (5):Accordingly, the input signal is delayed by a fractional delay of 0.75 T S by the secondary filter-interpolator 7 by processing the signal samples {X i } and {X i + 0.5 } according to formula (5):

Вторичные фильтры-интерполяторы 6, 7 полностью идентичны, являются нерекурсивными и используют, как и первичный фильтр-интерполятор 5, симметричную импульсную характеристику. Структуры всех фильтров-интерполяторов аналогичны. Конструктивное отличие между первичным фильтром-интерполятором 5 и вторичными фильтрами-интерполяторами 6, 7 заключается в организации связей между входящими в их состав сдвиговыми вследствие того, что в случае первичного фильтра-интерполятора 5, на его вход поступают отсчеты только одной последовательности данных {Xi} от оперативной памяти 3 типа FIFO, а на входы вторичных фильтров-интерполяторов 6, 7 поступают одновременно отсчеты двух последовательностей данных: последовательности отсчетов {Xi} от первичного блока сдвиговых регистров 4 и последовательности отсчетов {Xi+05} от первичного фильтра-интерполятора 5.Secondary filter interpolators 6, 7 are completely identical, are non-recursive and use, like the primary filter interpolator 5, a symmetrical impulse response. The structures of all filter interpolators are similar. The structural difference between the primary filter-interpolator 5 and the secondary filter-interpolators 6, 7 is the organization of relations between the shear ones due to the fact that in the case of the primary filter-interpolator 5, samples of only one data sequence {X i } from RAM 3 of the FIFO type, and the inputs of the secondary filter interpolators 6, 7 simultaneously receive samples of two data sequences: a sequence of samples {X i } from the primary block of shift registers 4 and sequence of samples {X i + 05 } from the primary filter-interpolator 5.

После выравнивания потоков данных, поступающих с первичного блока сдвиговых регистров 4, первичного фильтра-интерполятора 5 и вторичных фильтров-интерполяторов 6,7 на выходах вторичных блоков сдвиговых регистров 8-11 одновременно формируются все возможные задержки каждого отсчета сигнала в соответствии с временной диаграммой, представленной на фиг.2. На фиг.2 представлены данные на выходе вторичного блока сдвиговых регистров 8 (позиция А), которые являются отсчетами входного сигнала, сформированными непосредственно после аналого-цифрового преобразования, и соответствующими нулевой дробной задержке. Отсчеты сигнала с дробной задержкой 0.5 TS(позиция Б) на выходе вторичного блока сдвиговых регистров 9 формируются на первом этапе интерполяции из входных отсчетов сигнала с помощью первичного фильтра-интерполятора 5. Отсчеты сигнала с дробными задержками 0.25 TS (позиция В) и 0.75 TS (позиция Г) формируются соответственно вторичным фильтром-интерполятором 6 и вторичным фильтром-интерполятором 7 на втором этапе интерполяции из входных отсчетов сигнала и результатов вычисления отсчетов с дробной задержкой 0.5 TS с помощью первичного фильтра-интерполятора 5. Таким образом, на входах формирователей 12 лучей в любой момент времени присутствует полный набор значений плавных задержек сигнала.After aligning the data flows coming from the primary block of the shift registers 4, the primary filter interpolator 5 and the secondary filter interpolators 6,7 at the outputs of the secondary blocks of the shift registers 8-11, all possible delays of each signal count are simultaneously generated in accordance with the time diagram presented figure 2. Figure 2 presents the data at the output of the secondary block of shift registers 8 (position A), which are samples of the input signal generated immediately after analog-to-digital conversion, and corresponding to zero fractional delay. The signal samples with a fractional delay of 0.5 T S (position B) at the output of the secondary block of shift registers 9 are formed at the first stage of interpolation from the input signal samples using the primary filter interpolator 5. Signal samples with fractional delays of 0.25 T S (position B) and 0.75 T S (position Г) are formed respectively by the secondary filter-interpolator 6 and the secondary filter-interpolator 7 at the second stage of interpolation from the input samples of the signal and the results of the calculation of samples with a fractional delay of 0.5 T S using the primary filter-interp solitaire 5. Thus, at the inputs of the shapers 12 rays at any time there is a complete set of values of the smooth delays of the signal.

В аналоге настоящего технического решения для реализации полного набора дробных задержек сигнала требуется 4М умножителей, работающих с тактом работы ДФУ (United States Patent 6,695,783, опубл. 24.02.2004). В заявляемой же полезной модели количество умножителей, необходимых для реализации полного набора дробных задержек сигнала, составляет величину 3М/2, что приблизительно в 2,7 раза меньше, чем в ее аналоге.In the analogue of this technical solution, to implement the full set of fractional signal delays, 4M multipliers are required that work with the clock cycle of the DFU (United States Patent 6,695,783, published 24.02.2004). In the claimed utility model, the number of multipliers required to implement the full set of fractional signal delays is 3M / 2, which is approximately 2.7 times less than in its analogue.

В каждом формирователе 12 луча при выполнении динамической фокусировки с помощью мультиплексора 13 производится выбор необходимого значения плавной задержки сигнала. Затем с помощью вторичной оперативной памяти 14 типа FIFO осуществляется второй этап грубой задержки - уникальной для каждого из L одновременно формируемых лучей. Для практических применений задержка во вторичной оперативной памяти 14 типа FIFO составляет величину порядка 64-х периодов тактовой частоты.In each beamformer 12, when performing dynamic focusing using multiplexer 13, the required value of the smooth signal delay is selected. Then, using the secondary RAM 14 of the FIFO type, the second stage of coarse delay is performed, which is unique for each of the L beams that are simultaneously formed. For practical applications, the delay in the secondary RAM 14 of the FIFO type is about 64 periods of the clock frequency.

Для реализации функции аподизации ультразвукового луча умножитель 15 выполняет амплитудное взвешивание отсчетов сигнала.To implement the apodization function of the ultrasonic beam, the multiplier 15 performs amplitude weighting of the signal samples.

Объединение сигналов от различных элементов датчика, поступающих в приемные каналы 1,2,…,N, производится с помощью сумматоров 16 каналов. Причем, как показано на фиг.1, для формирования каждого луча используется отдельная группа сумматоров каналов таким образом, что данные с выхода i-того сумматора 16/i, i=1,2,…,L, каждого j-го канала, j=1,2,…,N-1, поступают на вход i-того сумматора 16/i, i=1,2,…,L, j+1-го канала. При этом результирующий сигнал, соответствующий i-му лучу, i=1,2,…,L, формируется на выходе i-го сумматора N-го канала.The combination of signals from various sensor elements entering the receiving channels 1,2, ..., N is carried out using adders 16 channels. Moreover, as shown in Fig. 1, for the formation of each beam, a separate group of channel adders is used so that the data from the output of the i-th adder 16 / i, i = 1,2, ..., L, of each j-th channel, j = 1,2, ..., N-1, go to the input of the i-th adder 16 / i, i = 1,2, ..., L, j + 1 channel. In this case, the resulting signal corresponding to the i-th beam, i = 1,2, ..., L, is formed at the output of the i-th adder of the N-th channel.

В случае низкочастотных датчиков, в частности, датчиков, используемых при проведении кардиологических исследований, имеется возможность уменьшить полосу пропускания приемного тракта с соответствующим уменьшением частоты дискретизации эхо-сигнала. При этом с уменьшением частоты дискретизации эхо-сигнала уменьшатся и аппаратные затраты, необходимые для формирования заданного количества лучей. В результате появляется возможность высвободившиеся вычислительные ресурсы использовать для формирования нескольких дополнительных лучей в режиме разделения процессорного времени - временного мультиплексирования.In the case of low-frequency sensors, in particular, sensors used in cardiac studies, it is possible to reduce the passband of the receiving path with a corresponding decrease in the sampling frequency of the echo signal. In this case, with a decrease in the sampling frequency of the echo signal, the hardware costs necessary for the formation of a given number of rays will also decrease. As a result, it becomes possible to use the released computing resources to form several additional beams in the processor time separation mode — time multiplexing.

Количество дополнительных приемных лучей, реализуемых в режиме временного мультиплексирования, зависит от рабочей частоты датчика. Если за счет уменьшения частоты дискретизации вычислительные затраты, необходимые для формирования одного луча уменьшаются в Р раз, то появляется возможность формировать одновременно р групп лучей с L лучами в каждой группе. При этом общее количество одновременно формируемых лучей будет равно P·L. Предположим, например, что частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя 2 выбрана таким образом, что приемный тракт диаграммо-формирующего устройства рассчитан на максимальную рабочую частоту датчика 10 МГц. Тогда при использовании датчика с рабочей частотой 5 МГц частота дискретизации сигнала может быть уменьшена в 2 раза. Соответственно, при L=4 устройство может обеспечить за счет временного мультиплексирования формирование дополнительно 4-х лучей.The number of additional receiving beams implemented in the time multiplexing mode depends on the operating frequency of the sensor. If, due to a decrease in the sampling frequency, the computational costs necessary to form one beam are reduced by a factor of P, then it becomes possible to simultaneously form p groups of rays with L rays in each group. In this case, the total number of simultaneously generated rays will be equal to P · L. Suppose, for example, that the sampling frequency of the analog-to-digital converter 2 is selected in such a way that the receiving path of the diagram-forming device is designed for a maximum operating frequency of the sensor of 10 MHz. Then, when using a sensor with an operating frequency of 5 MHz, the signal sampling rate can be reduced by 2 times. Accordingly, with L = 4, the device can provide, due to time multiplexing, the formation of an additional 4 rays.

Формирование акустических линий с использованием временного мультиплексирования реализуется путем выстраивания отсчетов сигналов для формирования нескольких линий в единый поток данных с последующей обработкой их на одном вычислительном устройстве. Временное мультиплексирование осуществляется с тактовой частотой работы диаграммо-формирующего устройства. Например, если устройство реализует в режиме временного мультиплексирования формирование четырех групп приемных лучей, то из первичной оперативной памяти 3 типа FIFO, выполняющей функцию грубой задержки сигнала, будут последовательно выгружаться отсчеты всех четырех групп лучей с тактовой частотой работы устройства. Временная диаграмма выгрузки отсчетов сигнала из оперативной памяти 3 FIFO для формирования 4-х групп лучей G1-G4 в режиме временного мультиплексирования представлена на фиг.3. В соответствии с временной диаграммой, представленной на фиг.3, в первый такт частоты выдается отсчет для формирования первой группы L лучей G1, во второй такт - отсчет второй группы лучей G2, в третий такт- отсчет третьей группы лучей G3, в четвертый такт- отсчет четвертой группы лучей G4 (см. фиг.3). Далее процесс повторяется. Причем данные каждой группы лучей задерживаются в первичной оперативной памяти 3 типа FIFO на различную величину задержки в соответствии с реализуемой фокусировкой.The formation of acoustic lines using time-division multiplexing is realized by building signal samples to form several lines into a single data stream, followed by processing them on a single computing device. Temporary multiplexing is carried out with a clock frequency of the diagram-forming device. For example, if the device implements the formation of four groups of receiving beams in the time-multiplexing mode, then samples of all four groups of beams with the device clock speed will be sequentially unloaded from the primary RAM 3 of the FIFO type, which performs the function of a coarse signal delay. The timing diagram of the unloading of signal samples from the RAM 3 FIFO for the formation of 4 groups of beams G1-G4 in the time multiplexing mode is shown in Fig.3. In accordance with the time chart shown in Fig. 3, a count for the formation of the first group L of rays G1 is issued in the first clock cycle, a second group of rays G2 in a second clock cycle, a third group of rays G3 in a third clock cycle, and a fourth clock cycle counting of the fourth group of rays G4 (see figure 3). The process is then repeated. Moreover, the data of each group of beams are delayed in the primary RAM 3 of the FIFO type by a different amount of delay in accordance with the implemented focusing.

Далее формирование лучей производится на одних и тех же вычислительных средствах диграммо-формирующего устройства в режиме разделения процессорного времени между отсчетами сигнала, относящихся к разным группам лучей.Further, the formation of the rays is performed on the same computing means of the digram-forming device in the mode of dividing the processor time between the samples of the signal belonging to different groups of rays.

Применение в системах медицинской диагностики диаграммо-формирующего устройства для многолучевого приема ультразвуковых сигналов позволит создавать ультразвуковые аппараты для визуализации состояния внутренних органов человека, выполняющие точные диагностические исследования с получением изображений, обладающих высоким диагностическим качеством, за счет достигаемого в настоящем техническом решении результата, заключающегося в улучшении динамики формирования ультразвукового изображения. Кроме того, снижение аппаратных затрат по сравнению с устройствами-аналогами позволит уменьшить себестоимость изделия, а также уменьшить его габариты и потребляемую мощность, что позволит использовать устройство как в составе стационарных, так и в портативных ультразвуковых аппаратах.The use of a diagram-forming device for multipath reception of ultrasonic signals in medical diagnostic systems will allow us to create ultrasound devices for visualizing the state of the internal organs of a person, performing accurate diagnostic tests with obtaining images of high diagnostic quality, due to the result achieved in this technical solution, which consists in improving dynamics of ultrasound image formation. In addition, a reduction in hardware costs compared to similar devices will reduce the cost of the product, as well as reduce its dimensions and power consumption, which will allow the device to be used both as a part of stationary and portable ultrasound devices.

Claims (3)

1. Диаграммо-формирующее устройство для многолучевого приема ультразвуковых сигналов, содержащее приемно-передающий модуль, в состав которого входят приемные каналы сигналов с элементов ультразвукового датчика, каждый приемный канал сигналов электрически соединен через индивидуальный аналого-цифровой преобразователь с первичной оперативной памятью типа FIFO, которая в свою очередь соединена с первичным фильтром-интерполятором, а также содержащее вторичную оперативную память типа FIFO, умножители, мультиплексоры и сумматоры, отличающееся тем, что первичная оперативная память типа FIFO соединена с первичным блоком сдвиговых регистров, выходы первичного фильтра-интерполятора и первичного блока сдвиговых регистров соединены с соответствующими входами двух вторичных фильтров-интерполяторов, при этом первичный блок сдвиговых регистров, первичный фильтр-интерполятор и вторичные фильтры-интерполяторы соединены через вторичные блоки сдвиговых регистров с соответствующими входами формирователей лучей, каждый из которых соединен с соответствующим сумматором каналов и включает последовательно соединенные мультиплексор, вторичную оперативную память типа FIFO и умножитель, кроме того, каждый фильтр-интерполятор представляет собой фильтр-интерполятор с фиксированной симметричной импульсной характеристикой.1. Diagram-forming device for multipath reception of ultrasonic signals, containing a receiving and transmitting module, which includes receiving channels of signals from the elements of the ultrasonic sensor, each receiving channel of signals is electrically connected through an individual analog-to-digital converter with primary random access memory of the FIFO type, which in turn, connected to a primary filter-interpolator, as well as containing a secondary random access memory of the FIFO type, multipliers, multiplexers and adders, distinguishing the fact that the primary RAM of the FIFO type is connected to the primary block of shift registers, the outputs of the primary filter interpolator and the primary block of shift registers are connected to the corresponding inputs of two secondary filter interpolators, while the primary block of shift registers, the primary filter interpolator and secondary filters -interpolators are connected through the secondary blocks of the shift registers with the corresponding inputs of the beam shapers, each of which is connected to the corresponding adder of channels and on chaet serially connected multiplexor, the secondary FIFO type memory and a multiplier, in addition, each filter interpolator is an interpolator filter with a symmetric impulse response fixed. 2. Диаграммо-формирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что электрическое соединение между элементами устройства осуществлено посредством шин данных.2. The diagram-forming device according to claim 1, characterized in that the electrical connection between the elements of the device is carried out via data buses. 3. Диаграммо-формирующее устройство по п.1, отличающееся тем, что число приемных каналов сигналов соответствует количеству одновременно используемых элементов ультразвукового датчика.
Figure 00000001
3. The diagram-forming device according to claim 1, characterized in that the number of receiving channels of the signals corresponds to the number of simultaneously used elements of the ultrasonic sensor.
Figure 00000001
RU2012110781/14U 2012-03-21 2012-03-21 DIAGRAM-FORMING DEVICE FOR MULTI-BEAM RECEPTION OF ULTRASONIC SIGNALS RU117793U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012110781/14U RU117793U1 (en) 2012-03-21 2012-03-21 DIAGRAM-FORMING DEVICE FOR MULTI-BEAM RECEPTION OF ULTRASONIC SIGNALS

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012110781/14U RU117793U1 (en) 2012-03-21 2012-03-21 DIAGRAM-FORMING DEVICE FOR MULTI-BEAM RECEPTION OF ULTRASONIC SIGNALS

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU117793U1 true RU117793U1 (en) 2012-07-10

Family

ID=46848780

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012110781/14U RU117793U1 (en) 2012-03-21 2012-03-21 DIAGRAM-FORMING DEVICE FOR MULTI-BEAM RECEPTION OF ULTRASONIC SIGNALS

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU117793U1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2487668C1 (en) * 2012-03-21 2013-07-20 Закрытое акционерное общество "СПЕКТРОМЕД" Diagram-forming device for multipath reception of ultrasound signals
RU2631049C2 (en) * 2015-04-15 2017-09-15 Закрытое акционерное общество "Бизнеслинк" Device for multipath reception of ultrasonic signals

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2487668C1 (en) * 2012-03-21 2013-07-20 Закрытое акционерное общество "СПЕКТРОМЕД" Diagram-forming device for multipath reception of ultrasound signals
RU2631049C2 (en) * 2015-04-15 2017-09-15 Закрытое акционерное общество "Бизнеслинк" Device for multipath reception of ultrasonic signals

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20230000472A1 (en) Ultrasonic imaging compression methods and apparatus
US7508737B1 (en) Ultrasound receive beamformer
US8416643B2 (en) Receive beamformer for ultrasound having delay value sorting
JP6692804B2 (en) Ultrasonic signal processing circuit and related apparatus and method
DE19756024A1 (en) Bundle forming channel for ultrasound image sender
US11201400B2 (en) Modular parallel beamforming system and associated methods
RU117793U1 (en) DIAGRAM-FORMING DEVICE FOR MULTI-BEAM RECEPTION OF ULTRASONIC SIGNALS
Almekkawy et al. An optimized ultrasound digital beamformer with dynamic focusing implemented on fpga
RU2487668C1 (en) Diagram-forming device for multipath reception of ultrasound signals
Camacho et al. A strict-time distributed architecture for digital beamforming of ultrasound signals
CN103093749B (en) Ultrasonic receiving device, method and system
EA023835B1 (en) Diagram-forming device for multipath reception of ultrasound signals
JPS6244620B2 (en)
US9681854B2 (en) Ultrasound signal processing device, ultrasound signal processing method, and non-transitory computer-readable recording medium
KR100886932B1 (en) Multi Channel Beamformer using Single Interpolation
Cacko et al. Low-power ultrasound imaging on mixed FPGA/GPU systems
KR101581686B1 (en) Multipurpose beam focusing system
KR0138741B1 (en) Method and apparatus for gathering signals of a inspecting system with the ultrasonic waves
JPH07112473B2 (en) Ultrasonic diagnostic equipment
JPH05184567A (en) Ultrasonic diagnostic device
CN101411627B (en) Frame combination as well as related method for processing frames and reusing device
Tomov et al. Scalable intersample interpolation architecture for high-channel-count beamformers
RU142200U1 (en) DEVICE FOR RECEIVING AND RECEIVING ULTRASONIC SIGNALS
JPH044624B2 (en)
JPS60380A (en) Detecting circuit of moving object

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20180322