RU142200U1

RU142200U1 - DEVICE FOR RECEIVING AND RECEIVING ULTRASONIC SIGNALS

Info

Publication number: RU142200U1
Application number: RU2013148645/14U
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Красильников; Николай Евгеньевич Нагулин; Сергей Николаевич Нагулин; Игорь Валентинович Омелин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Центр "Атоммед"; Закрытое акционерное общество "СПЕКТРОМЕД"
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2014-06-20

Abstract

1. Устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов, содержащее коммутатор каналов, датчики, цифровой приемник, отличающееся тем, что в него введено по меньшей мере два диаграммоформирующих устройства, при это каждое диаграммоформирующее устройство входом подключено к коммутатору каналов, выходом к цифровому приемнику, при этом цифровой приемник содержит общий сумматор, подключенный через цифровой фильтр и модуль интерфейса к персональному компьютеру.2. Устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов, отличающееся тем, что каждое диаграммоформирующее устройство содержит передатчик, выходом подключенный к входам каналов приема-передачи данных.3. Устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов, отличающееся тем, что каждый канал приема-передачи данных содержит аналогово-цифровой преобразователь, последовательно соединенный с цифровой линией задержки, умножителем и сумматором.4. Устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов, отличающееся тем, что выход передатчика в диаграммоформирующем устройстве связан с входом каждого аналогово-цифрового преобразователя.5. Устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов, отличающееся тем, что каналы приема-передачи данных последовательно связаны между собой через входы/выходы сумматоров.1. A device for transmitting and receiving ultrasonic signals, comprising a channel switcher, sensors, a digital receiver, characterized in that at least two beamforming devices are inserted into it, each beamforming device being connected to a channel switcher by an output, and connected to a digital receiver. the digital receiver contains a common adder connected via a digital filter and an interface module to a personal computer. 2. A device for transmitting and receiving ultrasonic signals, characterized in that each beamforming device includes a transmitter, connected to the inputs of the data reception and transmission channels by the output. 3. A device for transmitting and receiving ultrasonic signals, characterized in that each channel for receiving and transmitting data contains an analog-to-digital converter connected in series with a digital delay line, a multiplier, and an adder. 4. A device for transmitting and receiving ultrasonic signals, characterized in that the output of the transmitter in the beamforming device is connected to the input of each analog-to-digital converter. 5. A device for transmitting and receiving ultrasonic signals, characterized in that the channels of data reception and transmission are sequentially interconnected through the inputs / outputs of the adders.

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 устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов с расширенной компьютерной обработкой данных, содержащее диаграммо-формирующее устройство и персональный компьютер (см., напр., United States Patent 5,795,297, опубл. 18.08.1998).The prior art device for transmitting and receiving ultrasonic signals with advanced computer data processing, containing a diagram-forming device and a personal computer (see, for example, United States Patent 5,795,297, publ. 18.08.1998).

В данном техническом решении фильтрация и последующие этапы обработки и преобразования ультразвуковых данных осуществляются не с помощью дорогостоящих специализированных устройств, а программным способом на стандартном компьютере. Устройство с расширенной компьютерной обработкой имеет существенно более низкую стоимость за счет использования дешевых стандартных программно-аппаратных средств. Кроме того, поскольку многие функции прибора реализуются на программном уровне, то упрощается техническое сопровождение и модернизация оборудования. Однако недостатком этого устройства является необходимость доработки программно-аппаратных средств ДФУ при увеличении числа приемо-передающих каналов с целью получения ультразвуковых изображений с более высоким пространственным разрешением.In this technical solution, the filtration and subsequent stages of processing and converting ultrasonic data are carried out not using expensive specialized devices, but by software on a standard computer. A device with advanced computer processing has a significantly lower cost due to the use of cheap standard software and hardware. In addition, since many functions of the device are implemented at the software level, technical maintenance and equipment modernization is simplified. However, the disadvantage of this device is the need to refine the software and hardware of DFU with an increase in the number of transceiver channels in order to obtain ultrasound images with a higher spatial resolution.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству передачи и приема ультразвуковых сигналов является устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов для формирования ультразвукового изображения внутренних органов, которое включает в себя коммутатор каналов, формирователь луча приемник (см., напр., Л.В. Осипов Ультразвуковые диагностические приборы, М., ВИДАР, 1999, стр. 70, рис. 7).The closest in technical essence to the proposed device for transmitting and receiving ultrasonic signals is a device for transmitting and receiving ultrasonic signals for generating an ultrasound image of internal organs, which includes a channel switcher, a beam shaper receiver (see, for example, L.V. Osipov Ultrasonic diagnostic devices, M., VIDAR, 1999, p. 70, Fig. 7).

Недостатком данного технического решения является то, что для цифровой обработки ультразвуковых сигналов используются набор специализированных вычислительных устройств, что приводит к увеличению массогабаритных характеристик устройства, стоимости устройства и невозможности модернизации программного обеспечения.The disadvantage of this technical solution is that for the digital processing of ultrasonic signals a set of specialized computing devices is used, which leads to an increase in the overall dimensions of the device, the cost of the device, and the impossibility of upgrading software.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является унификация аппаратных средств устройства при увеличении числа приемо-передающих каналов с целью получения ультразвуковых изображений с более высоким пространственным разрешением.The task to which the claimed technical solution is directed is to unify the hardware of the device while increasing the number of transceiver channels in order to obtain ultrasound images with higher spatial resolution.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является унификация аппаратных средств устройства передачи и приема ультразвуковых сигналов при увеличении числа приемо-передающих каналов для улучшения качества формируемого ультразвукового изображения за счет использования определенным способом запрограммированных однотипных диаграммо-формирующих устройств с меньшим числом приемо-передающих каналов.The technical result provided by the given set of features is the unification of the hardware of the device for transmitting and receiving ultrasonic signals with an increase in the number of transmitting and transmitting channels to improve the quality of the formed ultrasound image by using a certain method of programmed single-type diagram-forming devices with fewer transmitting and transmitting channels.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве передачи и приема ультразвуковых сигналов, содержащем коммутатор каналов, датчики, цифровой приемник, согласно полезной модели введено по меньшей мере два диаграммо-формирующих устройства, при это каждое диаграммо-формирующее устройство входом подключено к коммутатору каналов, выходом к цифровому приемнику, при этом цифровой приемник содержит общий сумматор подключенный через цифровой фильтр и модуль интерфейса к персональному компьютеру.The specified technical result is achieved by the fact that in the device for transmitting and receiving ultrasonic signals containing a channel switch, sensors, a digital receiver, according to a utility model, at least two diagram-forming devices are introduced, while each diagram-forming device is connected to the channel switch by an input, an output to a digital receiver, while the digital receiver contains a common adder connected via a digital filter and an interface module to a personal computer.

При этом каждое диаграммо-формирующее устройство содержит передатчик, выходом подключенный к входам каналов приема-передачи данных; каждый канал приема-передачи данных содержит аналогово-цифровой преобразователь, последовательно соединенный с цифровой линией задержки, умножителем и сумматором; выход передатчика в диаграммо-формирующем устройстве связан с входом каждого аналогово-цифрового преобразователя, каналы приема-передачи данных последовательно связаны между собой через входы/выходы сумматоров.At the same time, each diagram-forming device contains a transmitter, connected to the inputs of the data reception and transmission channels by an output; each channel for receiving and transmitting data contains an analog-to-digital converter connected in series with a digital delay line, a multiplier, and an adder; the output of the transmitter in the diagram-forming device is connected to the input of each analog-to-digital converter, the channels of data reception and transmission are sequentially interconnected through the inputs / outputs of the adders.

В современных ультразвуковых приборах среднего класса, используемых в медицинской диагностике, оптимальным по соотношению цена-качество является использование 64-канального диаграммо-формирующего устройства. Однако для ультразвуковых приборов высокого и экспертного класса число приемопередающих каналов должно составлять величину 128 и более. В заявляемом устройстве предлагается для увеличения числа приемо-передающих каналов при построении ультразвуковых приборов высокого и экспертного класса использовать однотипные диаграммо-формирующие устройства с меньшим числом приемопередающих каналов, запрограммированных определенным способом. В частности, 128-канальное диаграммо-формирующее устройство может быть реализовано на основе двух 64-канальных ДФУ.In modern mid-range ultrasonic devices used in medical diagnostics, the optimal price-quality ratio is the use of a 64-channel diagram-forming device. However, for ultrasonic devices of a high and expert class, the number of transceiver channels should be 128 or more. In the inventive device, it is proposed to use the same type of diagram-forming devices with a smaller number of transceiver channels programmed in a certain way to increase the number of transceiver channels when constructing high and expert class ultrasonic devices. In particular, a 128-channel diagram-forming device can be implemented on the basis of two 64-channel DFUs.

Сущность заявленного устройства передачи и приема ультразвуковых сигналов 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 for transmitting and receiving ultrasonic signals 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;In FIG. 1 is a block diagram of a device;

На фиг. 2 - структурная схема ДФУ.In FIG. 2 is a structural diagram of DFU.

Устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов состоит из набора датчиков 1, коммутатора каналов 2, диаграммо-формирующего устройства 3/1, …, 3/К, цифрового приемника 5, персонального компьютера 6. Цифровой приемник 5 состоит из сумматора 7, цифрового фильтра 8, модуля интерфейса 9. Каждое диаграммо-формирующее устройство содержит передатчик 10 и N приемных каналов сигналов 11/1 … 11/N. В свою очередь каждый приемный канал 11/j, j=1, 2, …, N содержит аналого-цифровой преобразователь 12, цифровую линию задержки 13, умножитель 14, сумматор 15.The device for transmitting and receiving ultrasonic signals consists of a set of sensors 1, a channel switch 2, a diagram-forming device 3/1, ..., 3 / K, a digital receiver 5, a personal computer 6. Digital receiver 5 consists of an adder 7, a digital filter 8, interface module 9. Each diagram-forming device contains a transmitter 10 and N receiving channels of the signals 11/1 ... 11 / N. In turn, each receiving channel 11 / j, j = 1, 2, ..., N contains an analog-to-digital converter 12, a digital delay line 13, a multiplier 14, an adder 15.

Компоненты устройства передачи и приема ультразвуковых сигналов связаны между собой следующим образом. Каждый из датчиков 1 соединен с коммутатором каналов 2. При этом к выходам коммутатора 2 каналов подключены входы диаграммо-формирующих устройств 3/1, …, 3/K. Выходы диаграммо-формирующих устройств 3/1, …, 3/K подключены ко входам сумматора 7. Выход сумматора 7 соединен со входом цифрового фильтра 8. Выход цифрового фильтра 8 соединен со входом модуля интерфейса 9. Выход модуля интерфейса подключен к персональному компьютеру 6.The components of the device for transmitting and receiving ultrasonic signals are interconnected as follows. Each of the sensors 1 is connected to the channel 2 switch. At the same time, the inputs of the diagram-forming devices 3/1, ..., 3 / K are connected to the outputs of the switch 2 channels. The outputs of the diagram-forming devices 3/1, ..., 3 / K are connected to the inputs of the adder 7. The output of the adder 7 is connected to the input of the digital filter 8. The output of the digital filter 8 is connected to the input of the interface module 9. The output of the interface module is connected to a personal computer 6.

Работает устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов следующим образом.A device for transmitting and receiving ultrasonic signals as follows.

Перед проведением обследования пациента к устройству передачи и приема ультразвуковых сигналов подключаются несколько ультразвуковых датчиков в зависимости от вида обследования. Для разных видов обследования обычно используются от одного до четырех подключенных к устройству датчиков. Датчики представляют собой многоэлементные решетки и различаются между собой количеством элементов, конструктивным исполнением и рабочей частотой.Before conducting a patient examination, several ultrasound sensors are connected to the device for transmitting and receiving ultrasonic signals, depending on the type of examination. For different types of examinations, one to four sensors connected to the device are usually used. The sensors are multi-element gratings and differ in the number of elements, design and operating frequency.

Перед проведением обследования один из подключенных к устройству ультразвуковых датчиков 1 размещается на теле пациента таким образом, чтобы формируемый ультразвуковой луч был направлен в область расположения исследуемого органа. Включение режима локации одним из подключенных к устройству датчиков производится с помощью коммутатора каналов 2.Before the examination, one of the ultrasonic sensors 1 connected to the device is placed on the patient’s body so that the generated ultrasound beam is directed to the location of the organ under study. The location mode is switched on by one of the sensors connected to the device using the channel 2 switch.

Формирование данных для формирования ультразвукового изображения осуществляется путем излучения в интересующую область тканей направленного ультразвукового луча и приема эхо-сигналов из облученной области тканей. За счет направленного излучения и приема ультразвуковых волн регистрируеются эхо-сигналы, одновременно поступающие только из узкой области вдоль направления зондирования. Пространственное смещение апертуры излучения-приема для формирования двумерного ультразвукового изображения реализуется путем активизации соответствующей группы элементов многоэлементного датчика с помощью коммутатора 2 каналов.The formation of data for the formation of an ultrasound image is carried out by irradiating a directed ultrasound beam into the tissue region of interest and receiving echo signals from the irradiated tissue region. Due to the directional radiation and the reception of ultrasonic waves, echo signals are recorded simultaneously arriving only from a narrow region along the sounding direction. The spatial shift of the radiation-reception aperture for the formation of a two-dimensional ultrasound image is realized by activating the corresponding group of elements of the multi-element sensor using a 2-channel switch.

При формировании ультразвукового луча входящий в состав каждого диаграммо-формирующего устройства передатчик 10 при излучении зондирующего сигнала выполняет две основные функции: фокусировку и аподизацию.When forming an ultrasound beam, the transmitter 10 included in each diagram-forming device, when emitting a sounding signal, performs two main functions: focusing and apodization.

Фокусировка производится за счет компенсации задержек, обусловленных разными путями распространения ультразвукового сигнала от разных участков апертуры в зону интереса. Зондирующие сигналы, поступающие на линейку пьезопреобразователей датчика 1 задерживаются в соответствии с законом геометрической оптики в зависимости от пространственного положения фокуса излучения. В пьезопреобразователях электрические импульсы преобразуются в механические колебания, сфокусированные в определенную область зондирования. Каждое диаграммо-формирующее устройство 3/1, …, 3/K реализует 1/K часть суммарной апертуры на излучение и прием.Focusing is performed by compensating for delays caused by different ways of propagating the ultrasonic signal from different sections of the aperture to the zone of interest. The probe signals arriving at the line of piezoelectric transducers of the sensor 1 are delayed in accordance with the law of geometric optics depending on the spatial position of the radiation focus. In piezoelectric transducers, electrical pulses are converted into mechanical vibrations focused in a specific sensing region. Each diagram-forming device 3/1, ..., 3 / K implements 1 / K part of the total aperture for radiation and reception.

За счет аподизации, обеспечивающей постепенное снижение уровня излучения от центра апертуры к краям, уменьшается уровень излучения ультразвука боковыми лепестками диаграммы направленности.Due to apodization, which provides a gradual decrease in the level of radiation from the center of the aperture to the edges, the level of ultrasound radiation is reduced by the side lobes of the radiation pattern.

В каждом приемном канале сигналов 11/i, i=1, …, N диаграммо-формирующих устройств 3/1, …, 3/K, сначала выполнятся преобразование эхо-сигнала из аналоговой в цифровую форму с помощью аналогово-цифрового преобразователя 8, и далее производится обработка данных, представленных в цифровом виде. Частота дискретизации сигнала, реализуемая современными многоканальными аналогово-цифровыми преобразователями, предназначенными для ультразвуковых приборов, составляет величину 50-60 МГц.In each receiving channel of signals 11 / i, i = 1, ..., N of the diagram-forming devices 3/1, ..., 3 / K, first, the echo signal is converted from analog to digital using analog-to-digital converter 8, and further processing of the data presented in digital form. The sampling frequency of the signal, implemented by modern multichannel analog-to-digital converters designed for ultrasonic devices, is 50-60 MHz.

В процессе приема эхо-сигнала в каждом диаграммо-формирующем устройстве с помощью приемных каналов сигналов 11/1 … 11/N реализуется режим динамической фокусировки. Динамическая фокусировка ультразвукового луча представляет собой изменение фокуса во времени в соответствии с глубиной приема эхо-сигнала и обеспечивает максимальное пространственное разрешение по всей глубине зондирования. При реализации динамической фокусировки изменяются с темпом перестройки фокуса параметры цифровых линий задержки 13.In the process of receiving an echo signal in each diagram-forming device using the receiving channels of the signals 11/1 ... 11 / N, the dynamic focus mode is implemented. Dynamic focusing of an ultrasound beam is a change in focus over time in accordance with the depth of echo reception and provides maximum spatial resolution over the entire depth of sounding. When implementing dynamic focusing, the parameters of digital delay lines 13 change with the pace of focus adjustment.

Каждая цифровая линия задержки 13 включает в себя 2 элемента: оперативную память типа FIFO (First Input First Output) для реализации грубой задержки сигнала с точностью до шага дискретизации сигнала и фильтр-интерполятор для формирования плавной задержки сигнала, составляющую величину, меньшую шага дискретизации сигнала.Each digital delay line 13 includes 2 elements: random-access memory type FIFO (First Input First Output) for realizing a coarse signal delay accurate to the signal sampling step and a filter interpolator for generating a smooth signal delay, which is less than the signal sampling step.

Уменьшение уровня боковых лепестков приемной диаграммы направленности (аподизация на прием) достигается ослаблением эхо-сигналов от центра апертуры к краям с помощью умножителей 14, установленных в каждом приемном канале 11/I, I=1, …, N.A decrease in the level of the side lobes of the receiving radiation pattern (apodization for reception) is achieved by attenuating the echo signals from the center of the aperture to the edges using multipliers 14 installed in each receiving channel 11 / I, I = 1, ..., N.

На выходе сумматора 15 в приемном канале сигналов 1/N каждого диаграммо-формирующего устройства образуется результат вычислений 1/K части приемной апертуры, и сформированные данные поступают на цифровой приемник 5 для последующей обработки.At the output of the adder 15 in the receiving channel of the signals 1 / N of each diagram-forming device, the result of calculations is 1 / K of the receiving aperture, and the generated data is transmitted to the digital receiver 5 for subsequent processing.

На выходе сумматора 7, входящего в состав цифрового приемника 5, формируется суммарная апертура излучения-приема путем сложения сигналов, поступающих с диаграммо-формирующих устройств 3/1, …, 3/K. Далее выполняется полосовая фильтрация сигнала с помощью полосового фильтра 8. Для реализации данной операции используется один из вариантов стандартного цифрового фильтра с коэффициентами, перестраиваемыми в зависимости от глубины зондирования. Одновременно с выделением дипазона частот полосовой фильтр выполняет также ресемплирование данных: изменяет частоту дискретизации сигнала в зависимости от выделенного диапазона частот эхо-сигнала. Для передачи отфильтрованных отсчетов сигнала в персональный компьютер используется модуля интерфейса 9, реализующий стандартный интерфейс PCI. Скорость передачи данных зависит от режима работы устройства и достигает в реальных случаях 80 Мбайт в секунду.The output of the adder 7, which is part of the digital receiver 5, forms the total aperture of the radiation-reception by adding the signals from the diagram-forming devices 3/1, ..., 3 / K. Next, bandpass filtering of the signal is performed using the bandpass filter 8. To implement this operation, one of the options of the standard digital filter with coefficients that are tunable depending on the sounding depth is used. Simultaneously with the selection of the frequency range, the bandpass filter also performs data resampling: it changes the sampling frequency of the signal depending on the selected frequency range of the echo signal. To transfer the filtered signal samples to a personal computer, an interface module 9 is used that implements the standard PCI interface. The data transfer speed depends on the operating mode of the device and in real cases reaches 80 MB per second.

Таким образом, зачет то, что в устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов введено по меньшей мере два диаграммо-формирующих устройства, при это каждое диаграммо-формирующее устройство входом подключено к коммутатору каналов, выходом к цифровому приемнику, при этом цифровой приемник содержит общий сумматор подключенный через цифровой фильтр и модуль интерфейса к персональному компьютеру достигается унификация аппаратных средств устройства передачи и приема ультразвуковых сигналов при увеличении числа приемо-передающих каналов для улучшения качества формируемого ультразвукового изображения.Thus, the offset is that at least two diagram-forming devices are introduced into the device for transmitting and receiving ultrasonic signals, while each diagram-forming device is connected by an input to a channel switch, an output to a digital receiver, while the digital receiver contains a common adder connected through the digital filter and the interface module to the personal computer, a unification of the hardware of the device for transmitting and receiving ultrasonic signals is achieved with an increase in the number of transceiver channels Allow to improve the quality of the formed ultrasound image.

Claims

1. A device for transmitting and receiving ultrasonic signals, comprising a channel switcher, sensors, a digital receiver, characterized in that at least two beamforming devices are inserted into it, each beamforming device being connected to a channel switcher by an output, and connected to a digital receiver. the digital receiver contains a common adder connected through a digital filter and an interface module to a personal computer.

2. A device for transmitting and receiving ultrasonic signals, characterized in that each beamforming device includes a transmitter, connected to the inputs of the data reception and transmission channels by output.

3. A device for transmitting and receiving ultrasonic signals, characterized in that each channel for receiving and transmitting data contains an analog-to-digital converter connected in series with a digital delay line, a multiplier and an adder.

4. A device for transmitting and receiving ultrasonic signals, characterized in that the output of the transmitter in a beamforming device is connected to the input of each analog-to-digital converter.

5. A device for transmitting and receiving ultrasonic signals, characterized in that the channels of data reception and transmission are sequentially interconnected through the inputs / outputs of the adders.