RU180351U1 - ADAPTIVE DIAGRAM-FORMING DEVICE FOR OBTAINING ULTRASONIC IMAGES - Google Patents
ADAPTIVE DIAGRAM-FORMING DEVICE FOR OBTAINING ULTRASONIC IMAGES Download PDFInfo
- Publication number
- RU180351U1 RU180351U1 RU2018112302U RU2018112302U RU180351U1 RU 180351 U1 RU180351 U1 RU 180351U1 RU 2018112302 U RU2018112302 U RU 2018112302U RU 2018112302 U RU2018112302 U RU 2018112302U RU 180351 U1 RU180351 U1 RU 180351U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- phase
- delay
- receiving channels
- outputs
- Prior art date
Links
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 title claims abstract description 14
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims abstract description 27
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 20
- 230000011664 signaling Effects 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 13
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 abstract description 11
- 238000012937 correction Methods 0.000 abstract description 8
- 230000007340 echolocation Effects 0.000 abstract description 3
- 210000001835 viscera Anatomy 0.000 abstract description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 17
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 13
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 12
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 12
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 5
- 238000002592 echocardiography Methods 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 238000005314 correlation function Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 description 1
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 239000003550 marker Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 1
- 238000011045 prefiltration Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 1
- 210000004872 soft tissue Anatomy 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
- G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
- G01S15/89—Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
- G01S15/8906—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques
- G01S15/8909—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration
- G01S15/8915—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration using a transducer array
- G01S15/8927—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration using a transducer array using simultaneously or sequentially two or more subarrays or subapertures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
- G01S7/52017—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00 particularly adapted to short-range imaging
- G01S7/52046—Techniques for image enhancement involving transmitter or receiver
- G01S7/52049—Techniques for image enhancement involving transmitter or receiver using correction of medium-induced phase aberration
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к области медицинского приборостроения, в частности к устройствам для ультразвуковой эхолокации внутренних органов, и может быть использована в системах медицинской диагностики. Обеспечивает снижение аппаратных затрат для реализации адаптивной фокусировки, влияющей на качество формируемого ультразвукового изображения, за счет реализации метода фазовой коррекции с возможностью построения малогабаритного устройства. Устройство включает многоэлементный УЗ датчик 1, подключенный к выходу коммутатора 2 элементов многоэлементного ультразвукового датчика 1, соединенного с блоком 3 формирования импульсов. К коммутатору 2 поканально подключен аналоговый приемник 4, который в свою очередь подключен своими выходами к соответствующему входу одного из приемных каналов 5. Каждый приемный канал содержит цифровую линию 6 задержки, в состав которой входят последовательно соединенные буферное запоминающее устройство (БЗУ) 7 и фильтр-интерполятор 8, соединенный с умножителем 9. Центральный приемный канал 5 содержит формирователь 10 фазового сдвига, а каждый из остальных приемных каналов 5 содержит формирователь 10 фазового сдвига и фазовый корректор 11 задержки сигнала. Формирователь 10 фазового сдвига содержит квадратурный демодулятор 12, в состав которого входят умножители 13, 14, выходы которых соединены с входами фильтров низких частот (ФНЧ) 15, 16, выходы которых подключены к входам вычислителя 17 аргумента. Фазовый корректор 11 задержки сигнала (см. фиг. 3) содержит последовательно соединенные вычитатель 18, формирователь 19 временной задержки сигнала и сумматор 20. Устройство содержит общие для всех приемных каналов 5 генератор 21 опорной частоты, генератор 22 задержек сигнала и сумматор 23. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.The utility model 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. Provides a reduction in hardware costs for the implementation of adaptive focusing, which affects the quality of the generated ultrasound image, due to the implementation of the phase correction method with the ability to build a small-sized device. The device includes a multi-element ultrasonic sensor 1 connected to the output of the switch 2 of the elements of the multi-element ultrasonic sensor 1 connected to the pulse generating unit 3. An analog receiver 4 is connected to the switch 2, which in turn is connected by its outputs to the corresponding input of one of the receiving channels 5. Each receiving channel contains a digital delay line 6, which includes a series-connected buffer memory (BZU) 7 and a filter an interpolator 8 connected to the multiplier 9. The central receiving channel 5 contains a phase shift former 10, and each of the remaining receiving channels 5 contains a phase shift former 10 and a phase corrector 11 for signal hold Shaper 10 phase shift contains a quadrature demodulator 12, which includes multipliers 13, 14, the outputs of which are connected to the inputs of low-pass filters (LPFs) 15, 16, the outputs of which are connected to the inputs of the calculator 17 of the argument. The phase delay corrector 11 of the signal (see Fig. 3) contains a series-connected subtractor 18, a driver 19 of the time delay of the signal and the adder 20. The device contains common to all receiving channels 5 a generator 21 of the reference frequency, the generator 22 of the signal delay and the adder 23. 2 .P. f-ly, 4 ill.
Description
Настоящее техническое решение относится к области медицинского приборостроения, в частности к устройствам для ультразвуковой эхолокации внутренних органов, и может быть использована 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 ультразвуковое диаграммо-формирующее устройство (ДФУ), в состав которого входят: многоканальный передатчик, формирователь луча, коммутатор каналов, многоканальный приемник, многоэлементный ультразвуковой датчик, причем элементы датчика подключены к выходам коммутатора каналов, на входы которого поступают сигналы с первой группы выходов формирователя луча, входы которого подключены к выходам многокнального передатчика, а вторая группа выходов - к многоканальному приемнику (см., напр., Ультразвуковые диагностические приборы: Практическое руководство для пользователей; Осипов, Л.В.; Изд-во: М.: Видар-М, 1999 г., рис. 7). При этом ДФУ выполняет три основные функции:From the current level of technology, it is known an ultrasonic chart-forming device (DFU), which includes: a multi-channel transmitter, a beam shaper, a channel switcher, a multi-channel receiver, a multi-element ultrasonic sensor, and the sensor elements are connected to the outputs of the channel switcher, the inputs of which receive signals from the first group of outputs of the beam former, the inputs of which are connected to the outputs of the multi-channel transmitter, and the second group of outputs - to the multi-channel receiver (see, for example, Ultrasound marketing diagnostic devices: A Practical Guide for Users, Osipov LV .; Publ: M .: Vidar-M, 1999, Figure 7).. In this case, DFU performs three main functions:
- коммутацию групп элементов многоэлементного датчика при выполнении ультразвукового сканирования;- switching groups of elements of a multi-element sensor when performing ultrasonic scanning;
- направленное излучение ультразвукового (УЗ) сигнала в биологические ткани;- directional radiation of an ultrasonic (ultrasound) signal into biological tissues;
- направленный прием УЗ эхо-сигналов, отражающихся от границ биологических тканей;- directed reception of ultrasound echo signals reflected from the boundaries of biological tissues;
Именно на основе направленного излучения и приема ультразвуковых волн (фокусировки УЗ луча) регистрируются эхо-сигналы, одновременно поступающие только из узкой области вдоль направления зондирования, и реализуется высокое пространственное разрешение.It is on the basis of directional radiation and reception of ultrasonic waves (focusing of the ultrasound beam) that echo signals are recorded that simultaneously arrive only from a narrow region along the sounding direction, and high spatial resolution is realized.
Физический смысл фокусировки состоит в том, чтобы обеспечить одновременный приход ультразвуковых сигналов от отдельных элементов в заданную точку (фокус). В ДФУ производится расчет задержек, обусловленных разными путями распространения ультразвукового сигнала от разных участков апертуры, в соответствии с законами геометрической оптики. Далее при формировании направленного излучения в зону интереса выполняется формирование сигналов возбуждения активных элементов датчика в разные моменты времени с учетом рассчитанных задержек сигнала. Соответственно, при приеме эхо-сигнала производится поканальная задержка эхо-сигналов (сигналов от разных элементов датчика) согласно расчетным значениям. Причем поканальные задержки эхо-сигналов изменяются непосредственно в процессе приема, обеспечивая тем самым режим динамической фокусировки на прием.The physical meaning of focusing is to ensure the simultaneous arrival of ultrasonic signals from individual elements to a given point (focus). In DFU, delays are calculated due to different ways of propagating the ultrasonic signal from different sections of the aperture, in accordance with the laws of geometric optics. Further, when generating directional radiation in the zone of interest, excitation signals of the active elements of the sensor are generated at different time points, taking into account the calculated signal delays. Accordingly, when receiving an echo signal, a per-channel delay of echo signals (signals from different sensor elements) is performed according to the calculated values. Moreover, channel-by-channel delays of echo signals change directly during reception, thereby providing a mode of dynamic focusing on reception.
Недостатком данного технического решения является то, что фокусировка ультразвукового луча, как на излучение, так и на прием рассчитывается в предположении однородности тканей и постоянной скорости распространения ультразвука в них, равной 1540 м/с. В действительности, скорость распространения ультразвука в различных тканях может изменяться значительно: от 1470 м/с до 1600 м/с в мягких тканях, и более чем 3700 м/с в костных тканях (Ультразвук в медицине: физические основы применения: пер. с англ. / ред. К. Хилл, Дж. Бэмбер, Г. тер Хаар. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008, рис. 5.3).The disadvantage of this technical solution is that the focusing of the ultrasound beam, both on radiation and on reception, is calculated under the assumption of tissue uniformity and a constant ultrasound propagation velocity in them equal to 1540 m / s. In fact, the speed of propagation of ultrasound in various tissues can vary significantly: from 1470 m / s to 1600 m / s in soft tissues, and more than 3700 m / s in bone tissues (Ultrasound in medicine: physical principles of use: transl. From English / ed. K. Hill, J. Bamber, G. ter Haar. - Ed. 2, revised and additional - M .: FIZMATLIT, 2008, Fig. 5.3).
Вследствие того, что реальная скорость ультразвука в тканях отличается от номинального значения 1540 м/с, соответственно будут отличаться от расчетных значений и задержки прихода эхо-сигналов из области фокусировки на элементы датчика. Это явление, получившее название «фазовая аберрация» (Yue Li, Phase Aberration Correction Using Near-Field Signal Redundancy Principles. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 44, no. 2, March 1997, pp. 355-371), приводит к снижению уровня основного лепестка диаграммы направленности и к появлению дополнительных ложных боковых лепестков. В результате ухудшается пространственное и контрастное разрешение, уменьшается отношение сигнал-шум.Due to the fact that the actual speed of ultrasound in tissues differs from the nominal value of 1540 m / s, respectively, they will differ from the calculated values and the delay in the arrival of echo signals from the focusing area to the sensor elements. This phenomenon is called “phase aberration” (Yue Li, Phase Aberration Correction Using Near-Field Signal Redundancy Principles. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 44, no. 2, March 1997, pp. 355- 371), leads to a decrease in the level of the main lobe of the radiation pattern and to the appearance of additional false side lobes. As a result, the spatial and contrast resolution deteriorates, the signal-to-noise ratio decreases.
Также из уровня техники известно диаграммо-формирующее устройство для получения ультразвуковых изображений, включающее многоэлементный ультразвуковой датчик, блок формирования импульсов возбуждения, аналоговый приемник и множество приемных каналов (см., напр., US 7,744,532, опубл. 29.06.2010).Also known from the prior art is a diagram-forming device for acquiring ultrasound images, including a multi-element ultrasonic sensor, an excitation pulse generation unit, an analog receiver and a plurality of receiving channels (see, for example, US 7,744,532, publ. 06/29/2010).
В данном техническом решении предложен метод адаптивной фокусировки, обеспечивающий компенсацию погрешности фокусировки из-за отклонений времени распространения ультразвука от расчетной величины. Для оценки относительной задержки сигналов, вызванной аберрацией, используется функция взаимной корреляции эхо-сигналов от соседних элементов датчика. После формирования оценки относительной задержки сигналов, вызванной аберрацией, производится коррекция задержек сигналов в приемных каналах.In this technical solution, an adaptive focusing method is proposed that provides compensation for the focusing error due to deviations of the propagation time of the ultrasound from the calculated value. To evaluate the relative signal delay caused by aberration, the cross-correlation function of echoes from neighboring sensor elements is used. After forming an estimate of the relative signal delay caused by aberration, a correction of the signal delays in the receiving channels is performed.
Однако, недостатком этого устройства являются высокие требования к производительности вычислительного устройства и объему оперативной памяти для реализации адаптивного алгоритма фокусировки ультразвукового луча в реальном масштабе времени. Кроме того, к недостаткам кросс-корреляционного метода измерения аберраций можно отнести также недостаточную точность нахождения максимума функции кросс-корреляции даже при использовании интерполяционных фильтров высокого порядка.However, the disadvantage of this device is the high demands on the performance of the computing device and the amount of RAM for implementing the adaptive algorithm for focusing the ultrasonic beam in real time. In addition, the disadvantages of the cross-correlation method for measuring aberrations can also be attributed to the insufficient accuracy of finding the maximum of the cross-correlation function even when using high-order interpolation filters.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является снижение аппаратных затрат для реализации адаптивной фокусировки ультразвукового луча.The task to which the claimed technical solution is directed is to reduce hardware costs for the implementation of adaptive focusing of an ultrasonic beam.
Данная задача решается за счет того, что в заявленном адаптивном диаграммо-формирующем устройстве для получения ультразвуковых изображений, включающем многоэлементный ультразвуковой датчик, блок формирования импульсов возбуждения, аналоговый приемник и множество приемных каналов, согласно полезной модели, что многоэлементный ультразвуковой датчик, подключен к выходу коммутатора, соединенного с блоком формирования импульсов и аналоговым приемником, который подключен своими выходами к соответствующему входу одного из приемных каналов, каждый из которых содержит цифровую линию задержки, в состав которой входят последовательно соединенные буферное запоминающее устройство и фильтр-интерполятор, соединенный с умножителем, при чем центральный приемный канал содержит формирователь фазового сдвига, а каждый из остальных приемных каналов содержит формирователь фазового сдвига, включающий квадратурный демодулятор, в состав которого входят умножители выходы которых соединены с входами фильтров низких частот, выходы которых подключены к входам вычислителя аргумента, и фазовый корректор задержки, содержащий последовательно соединенные вычитатель, формирователь временной задержки и сумматор, при этом устройство содержит общие для всех приемных каналов генератор опорной частоты, генератор задержек сигнала и сумматор.This problem is solved due to the fact that in the inventive adaptive diagram-forming device for obtaining ultrasound images, including a multi-element ultrasonic sensor, a unit for generating excitation pulses, an analog receiver and a plurality of receiving channels, according to a utility model, that a multi-element ultrasonic sensor is connected to the output of the switch connected to the pulse shaping unit and an analog receiver, which is connected by its outputs to the corresponding input of one of the receiving channels s, each of which contains a digital delay line, which includes serially connected buffer memory and a filter interpolator connected to a multiplier, wherein the central receiving channel contains a phase shifter, and each of the other receiving channels contains a phase shifter, including a quadrature demodulator, which includes multipliers, the outputs of which are connected to the inputs of the low-pass filters, the outputs of which are connected to the inputs of the argument calculator, and a phase delay corrector comprising a subtractor, a time delay driver and an adder in series, the device comprising a reference frequency generator, a signal delay generator and an adder common to all receiving channels.
Блок 3 формирования импульсов возбуждения представляет собой формирователь импульсов возбуждения с соединенными с ним множеством палсеров.The excitation
Аналоговый приемник представляет собой массив аналоговых фронт-эндов, каждый из которых содержит последовательно соединенные малошумящий усилитель, усилитель с изменяющимся по времени коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь и модуль интерфейса низковольтной дифференциальной передачи сигналов.An analog receiver is an array of analog front-ends, each of which contains a low-noise amplifier, an amplifier with a time-varying gain, an analog-to-digital converter and an interface module for low-voltage differential signal transmission.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение аппаратных затрат для реализации адаптивной фокусировки, влияющей на качество формируемого ультразвукового изображения за счет реализации заявляемым устройством простого, эффективного в вычислительном отношении метода фазовой коррекции. В результате становится возможным построение малогабаритного адаптивного ДФУ и портативного ультразвукового сканера на его основе с возможностью компенсации фазовых аберраций.The technical result provided by the given set of features is to reduce hardware costs for implementing adaptive focusing, which affects the quality of the generated ultrasound image due to the implementation by the claimed device of a simple, computationally efficient phase correction method. As a result, it becomes possible to build a small-sized adaptive DFU and a portable ultrasound scanner based on it with the ability to compensate for phase aberrations.
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 которых изображены:The essence of the claimed device is illustrated by drawings, not covering and, moreover, not limiting the scope of claims for this decision, but only being illustrative materials of a particular case of the device, which depicts:
на фиг. 1 - блок-схема устройства, на фиг. 2 - блок-схема формирователя фазового сдвига, на фиг. 3 - блок-схема фазового корректора задержки сигнала, на фиг. 4 - пример юстировки точечного источника для оценки фазовых сдвигов, обусловленных аберрациями.in FIG. 1 is a block diagram of a device; FIG. 2 is a block diagram of a phase shift driver; FIG. 3 is a block diagram of a phase delay corrector of a signal, FIG. 4 is an example of alignment of a point source for estimating phase shifts due to aberrations.
Адаптивное диаграммо-формирующее устройство для получения ультразвуковых изображений (см. фиг. 1) включает многоэлементный ультразвуковой (УЗ) датчик 1, содержащий Р элементов, подключенный к выходу коммутатора 2 элементов многоэлементного ультразвукового датчика 1, соединенного с блоком 3 формирования импульсов. К коммутатору 2 поканально подключен аналоговый приемник 4, который в свою очередь подключен своими выходами к соответствующему входу одного из приемных каналов 5 с номерами (1), … , (N). Каждый приемный канал содержит цифровую линию 6 задержки, в состав которой входят последовательно соединенные буферное запоминающее устройство (БЗУ) 7 и фильтр-интерполятор 8, соединенный с умножителем 9. Центральный приемный канал 5 с номером N/2 содержит формирователь 10 фазового сдвига, а каждый из остальных приемных каналов 5 с номерами (1), … , (N/2-1), (N/2+1), … , (N) содержит формирователь 10 фазового сдвига и фазовый корректор 11 задержки сигнала.An adaptive chart-forming device for obtaining ultrasound images (see Fig. 1) includes a multi-element ultrasonic (US)
Формирователь 10 фазового сдвига (см. фиг. 2) содержит квадратурный демодулятор 12, в состав которого входят умножители 13,14 выходы которых соединены с входами фильтров низких частот (ФНЧ) 15, 16, выходы которых подключены к входам вычислителя 17 аргумента.Shaper 10 phase shift (see Fig. 2) contains a
Фазовый корректор 11 задержки сигнала (см. фиг. 3) содержит последовательно соединенные вычитатель 18, формирователь 19 временной задержки сигнала и сумматор 20.The
Устройство содержит общие для всех приемных каналов 5 генератор 21 опорной частоты, генератор 22 задержек сигнала и сумматор 23.The device contains a common for all
В предпочтительном варианте выполнения устройства блок 3 формирования импульсов возбуждения представляет собой формирователь 24 импульсов возбуждения с соединенными с ним множеством палсеров 25. Входы N палсеров 25 с номерами (1), … , (N), подключены к выходам формирователя 24 импульсов возбуждения.In a preferred embodiment of the device, the excitation
Аналоговый приемник 4 представляет собой массив аналоговых фронт-эндов 26 с номерами (1), … , (N), каждый из которых содержит последовательно соединенные малошумящий усилитель 27, усилитель 28 с изменяющимся по времени коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь 29 и модуль 30 интерфейса LVDS - Low Voltage Differential Signaling (интерфейс низковольтной дифференциальной передачи сигналов). Аналоговый приемник 4 соединен с приемными каналами 5 выходами фронт-эндов 26 с номерами (1), … , (N), которые подключены к соответствующим входам N приемных каналов 5 с номерами (1), … , (N).The
Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.
В основу работы устройства заложен принцип ультразвуковой эхолокации. В однородной среде УЗ волны распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью. На границе сред с неодинаковой акустической плотностью часть энергии излучаемого УЗ сигнала отражается, а часть преломляется, продолжая прямолинейное распространение. Чем выше градиент перепада акустической плотности пограничных сред, тем большая часть УЗ колебаний отражается. Принятые эхо-сигналы являются основой для получения УЗ изображения.The device is based on the principle of ultrasonic echolocation. In a homogeneous medium, ultrasonic waves propagate rectilinearly and at a constant speed. At the boundary of media with unequal acoustic density, part of the energy of the emitted ultrasound signal is reflected, and part is refracted, continuing rectilinear propagation. The higher the gradient of the difference in acoustic density of the boundary media, the greater part of the ultrasonic vibrations is reflected. Received echoes are the basis for obtaining ultrasound images.
Многоэлементный УЗ датчик 1 содержит Р пьезоэлектрических элементов, где величина Р в практических случаях обычно варьируется от 64 до 194 элементов. Блок 3 формирования импульсов возбуждения формирует зондирующие ультразвуковые сигналы, которые поступают на многоэлементный УЗ датчик 1. Многоэлементный УЗ датчик 1 выполняет функции передатчика механических колебаний в ткани при излучении зондирующего сигнала, и, соответственно, приемника эхо-сигналов от границ тканей и кровотока в сосудах. Эхо-сигналы, регистрируемые активными элементами многоэлементного УЗ датчика 1, через коммутатор 2 поступают в аналоговый приемник 4. За счет выполняемой в процессе работы устройства коммутации групп элементов многоэлементного УЗ датчика 1, выполняемой коммутатором 2 (выбор активных N элементов), реализуется перемещение ультразвукового луча в плоскости зондирования, и в результате формируется двумерное УЗ изображение, обновляющееся в реальном масштабе времени.A multi-element
В аналоговом приемнике 4 выполняется предварительная фильтрация и усиление эхо-сигнала, а также аналого-цифровое преобразование сигнала. Последовательность цифровых отсчетов эхо-сигнала передается на цифровую линию 11 задержки каждого приемного канала 10 с номерами (1), … (N).The
Цифровая линия 6 задержки реализует задержку эхо-сигнала на заданную величину в соответствии с формируемым фокусом на прием. Цифровая линия 6 задержки состоит из буферного запоминающего устройства 7, выполняющего грубую задержку эхо-сигнала с точностью до 20 не и фильтра-интерполятора 8, который реализует тонкую задержку эхо-сигнала с точностью до 5 не. Грубая задержка эхо-сигнала обеспечивается путем задержки в буферном запоминающем устройстве 7 адреса считывания относительно адреса записи на величину, пропорциональную требуемому количеству отсчетов. Тонкая (дробная) задержка сигнала производится с точностью до такта работы аналогового приемника с помощью фильтра-интерполятора 8. Для обеспечения высокой пропускной способности приемного тракта фильтр-интерполятор 8 представляет собой набор из четырех параллельных фазосдвигающих фильтров, каждый из которых выполняет дробную задержку сигнала на определенную величину, а коммутатор выходов (на чертежах условно не показано) осуществляет выбор одного из этих фильтров. Тонкая задержка в процессе приема эхо-сигнала выполняется при этом путем выбора номера фазосдвигающиего фильтра.The
Канальное ослабление сигнала, реализуемое с помощью умножителя 9, используется для аподизации ультразвукового луча. Значение коэффициента, на который производится умножение данных, определяется видом требуемого амплитудного распределения приемной апертуры.Channel attenuation of the signal, implemented using the
Для реализации динамической фокусировки на прием, задержки рассчитываются в реальном времени генератором 22 задержек сигнала с помощью входящего в его состав CORDIC-процессора, формирующего разность между расстоянием от данного элемента до точки фокуса и расстоянием до точки фокуса (длиной вектора луча). Метод CORDIC (Coordinate Rotation Digital Computer) - метод итерационного поворота вектора (ИПВ) относится классу алгоритмов «цифра за цифрой», у которых вычисление любой элементарной функции основано на итерационном вращении вектора. Алгоритм ИПВ эффективен для реализации вычислений в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), так как не требует больших объемов оперативной и постоянной памяти. А именно оперативная и постоянная память являются наиболее дорогостоящими ресурсами ПЛИС.To implement dynamic focusing on reception, the delays are calculated in real time by the
В соответствии с алгоритмом ИПВ на каждой i-той итерации угол поворота имеет значение, равное:In accordance with the IPV algorithm, at each ith iteration, the rotation angle has a value equal to:
а новые координаты и угловое положение вектора задаются рекуррентными формулами:and the new coordinates and the angular position of the vector are given by recurrence formulas:
где принимает значение +1 или -1, в зависимости от направления вращения вектора.Where takes the value +1 or -1, depending on the direction of rotation of the vector.
Возможны два варианта направления вращения вектора. Первый вариант, называемый VECTORING, соответствует случаю, когда известны координаты исходного вектора (X,Y), а в процессе вычислений определяются модуль и аргумент вектора (R, ϕ). При втором варианте, называемом ROTATION, изначально известны координаты исходного вектора (X,Y) и необходимый угол поворота ϕ, а в процессе вычислений определяются новые координаты вектора (X', Y'). В устройстве направление вращения VECTORING используется для реализации умножения сигнала на комплексную экспоненту, а направление вращения ROTATION - соответственно, для формирования аргумента (фазы) эхо-сигнала в каждом n-м приемном канале 5, и формирования длины вектора, выполняемого CORDIC-процессором в генераторе 22 задержек сигнала.There are two options for the direction of rotation of the vector. The first option, called VECTORING, corresponds to the case when the coordinates of the original vector (X, Y) are known, and the module and argument of the vector (R, ϕ) are determined during the calculation. In the second option, called ROTATION, the coordinates of the original vector (X, Y) and the necessary rotation angle ϕ are initially known, and in the process of calculation new coordinates of the vector (X ', Y') are determined. In the device, the direction of rotation of VECTORING is used to implement the multiplication of the signal by a complex exponent, and the direction of rotation of ROTATION is used, respectively, to generate the argument (phase) of the echo signal in each nth receiving
Поскольку дискретность данных, поступающих с частотой аналогового приемника 4, не достаточна для точности установки задержек, и в состав каждой цифровой линии 6 задержки дополнительно входит фильтр-интерполятор 8, повышающий точность установки задержки в 4 раза, то, соответственно, формирование задержек сигнала генератором 22 задержек сигнала производится с учетверенной точностью, т.е. с точностью 5 не. При этом два младших двоичных разряда выходного значения, формируемого генератором 22 задержек сигнала, управляют выбором номера фазосдвигающего фильтра в фильтре-интерполяторе 8.Since the discreteness of the data arriving at the frequency of the
Сфокусированный эхо-сигнал формируется на выходе сумматора 23 после выполнения суммирования сигналов всех N приемных каналов 5.A focused echo signal is generated at the output of the
Задачей алгоритма компенсаций фазовых аберраций является обеспечение синфазного сложения сигналов всех приемных каналов 5 в сумматоре 23 в условиях неоднородности тканей для распространения ультразвука. В соответствии с разработанным алгоритмом компенсация фазовых аберраций в каждом приемном канале 5 выполняется путем измерения разбросов фазы УЗ сигнала (фазовой ошибки) относительно эталонного значения и последующим ее устранением с помощью фазовых корректоров 11 задержки сигнала.The task of the phase aberration compensation algorithm is to provide in-phase addition of the signals of all receiving
Для выделения фазовой ошибки, обусловленной фазовыми аберрациями эхо-сигнал каждого n-го приемного канала 5 после операций предварительной фильтрации, усиления и преобразования в цифровую форму, выполняемых в аналоговом приемнике 4, поступает на формирователь 14 фазового сдвига.To isolate the phase error due to phase aberrations, the echo signal of each n-
Метод фазовой коррекции осуществляется следующим образом. В формирователе 10 фазового сдвига формируются синфазная I и квадратурная Q составляющие принимаемого эхо-сигнала с помощью квадратурного демодулятора 12 (см. фиг. 2). В квадратурном демодуляторе 12 эхо-сигнал умножается с помощью умножителей 13, 14 на тригонометрические функции, поступающие от генератора 21 опорной частоты:The phase correction method is as follows. In
где FC - значение опорной частоты, которое соответствует центральной частоте спектра эхо-сигнала.where F C is the value of the reference frequency, which corresponds to the center frequency of the spectrum of the echo signal.
Далее производится подавление высокочастотных составляющих вне полосы полезного сигнала с помощью фильтров низких частот 15, 16. С целью получения стабильных, статистически устойчивых фазовых характеристик сигнала фильтров низких частот 15, 16 выделяют узкий участок спектра в области центральной частоты эхо-сигнала и могут быть реализованы в виде фильтра скользящего среднего. Существенным преимуществом данного фильтра по сравнению со стандартным ФНЧ является то, что его реализация связана с простым суммированием фрагмента последовательности отсчетов. Соответственно, не требуется выполнять трудоемкие операции умножения отсчетов сигнала на коэффициенты фильтра (все коэффициенты фильтра равны единице).Further, high-frequency components are suppressed outside the useful signal band using low-
Измерение разности фаз производится на центральной частоте спектра эхо-сигнала. Поскольку из-за особенностей затухания ультразвука в тканях с увеличением глубины приема происходит смещение спектра эхо-сигнала в область низких частот, то для компенсации смещения спектра сигнала по глубине зондирования генератор 21 опорной частоты изменяет значение частоты FC в процессе приема эхо-сигналов с разной глубины.The phase difference is measured at the center frequency of the echo spectrum. Since due to the characteristics of the attenuation of ultrasound in tissues with increasing reception depth, the spectrum of the echo signal is shifted to the low frequency region, to compensate for the shift of the spectrum of the signal along the depth of sounding, the
После низкочастотной фильтрации вычислителем 17 аргумента производится вычисление фазы сигнала. Для эффективной реализации данного вычисления используется метод CORDIC. Далее эхо-сигнал подается на адаптивный фазовый корректор 11 задержки сигнала, который выполняет компенсацию фазовых аберраций путем выравнивания задержек во всех приемных каналах относительно центрального приемного канала 5 под номером N/2.After low-pass filtering, the
Корректирующая задержка для любого n-го приемного канала 5, где n=1, … , N/2-1, N/2+1. … . N, а N - количество приемных каналов 5, используемых для формирования диаграммы направленности на заданной глубине зондирования, определяется на основе вычисления разности фаз между сигналом n-го приемного канала 5 и сигналом центрального приемного канала 5 с номером N/2 вычитателем 18, входящим в состав фазового корректора 11 задержки сигнала (см. фиг 3):Corrective delay for any n-
Очевидно, что при этом для центрального приемного канала 5 под номером N/2 корректирующая задержка всегда равна нулю. Поэтому в центральном приемном канале 5 под номером N/2 отсутствует фазовый корректор 11 задержки сигнала (см. фиг. 1). Максимальная возможная величина задержки, компенсирующей фазовые аберрации на любой глубине равна полпериода частоты генератора 21 опорной частоты, т.е. ±1/2FC. Так для значения опорной частоты FC = 3.5 МГц Этой величины вполне достаточно, поскольку как показывают многочисленные эксперименты, разброс задержек из-за фазовых аберраций в тканях составляет в пределах от единиц и до нескольких десятков нс.Obviously, in this case, for the
Формирователь 19 временной задержки сигнала переводит значение разности фаз Фn в значение временного сдвига путем вычисления по формуле:
или путем табличного преобразования.or by table conversion.
Сумматор 20 формирует текущее значение задержки эхо-сигнала в приемном тракте с учетом фазового разброса из-за аберраций путем сложения теоретически рассчитанного значения задержки формируемого генератором 22 задержек сигнала, и сформированного формирователем 19 временной задержки сигнала корректирующего значения Значение задержки с выхода сумматора 20 поступает на цифровую линию 6 задержки.The
В предпочтительном варианте выполнения устройства формирование зондирующих ультразвуковых сигналов в блоке 3 формирования импульсов возбуждения происходит следующим образом. Для формирования зондирующих ультразвуковых сигналов используются входящие в состав блока 3 формирования импульсов возбуждения палсеры 25 под номерами (1), … , (N), которые возбуждаются последовательностью положительных и отрицательных импульсов разной длительности (метод ШИМ - широтно-импульсной модуляции), поступающих от формирователя 24 импульсов возбуждения. Путем изменения длительности импульсов возбуждения формируется необходимая амплитуда сигнала возбуждения многоэлементного УЗ датчика 1. Изменение амплитуды возбуждения необходимо для выполнения аподизации на излучение. При реализации колоколообразной функции аподизации излучаемой апертуры длительность импульсов постепенно увеличивается от некоторой минимальной величины на краях апертуры до максимальной величины в центре апертуры. Расстояние между импульсами составляет величину, равную 1/2F0, где F0 - основная частота излучения.In a preferred embodiment of the device, the formation of sounding ultrasonic signals in the
Фокусировка на передачу статическая. Положение фокуса на излучение по глубине зондирования управляется оператором. При этом задержки импульсов возбуждения многоэлементного УЗ датчика 1, необходимые для создания фокуса на определенной глубине зондирования, рассчитываются для каждого выбранного положения фокуса. Далее в соответствии с установленными задержками в формирователе 24 импульсов возбуждения производится возбуждение элементов многоэлементного УЗ датчика 1 в разные моменты времени. При смене положения фокуса на излучение производится перерасчет задержек.Transmission focus is static. The position of the focus on radiation along the depth of sounding is controlled by the operator. In this case, the delay pulses of the excitation of the multi-element
Аналоговый приемник 4 работает следующим образом. Эхо-сигналы, регистрируемые активными элементами многоэлементного УЗ датчика 1, через коммутатор 2 поступают в аналоговый приемник 4 на входы соответствующих аналоговых фронт-эндов 26 с номерами (1), … , (N), входящие в состав аналогового приемника 4. В каждом аналоговом фронт-энде 26 выполняется предварительная фильтрация и усиление эхо-сигнала с помощью малошумящего усилителя 27 и усилителя 28 с изменяющимся по времени коэффициентом усиления. Далее выполняется аналого-цифровое преобразование с помощью высокоскоростного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 29, который обеспечивает преобразование эхо-сигнала в цифровую форму с частотой дискретизации порядка 50 МГц и разрядность преобразования - не менее 12 двоичных разрядов. Последовательность цифровых отсчетов эхо-сигнала посредством модуля 30 интерфейса LVDS передается на цифровую линию 6 задержки каждого приемного канала 5 с номерами (1), … (N).
Для количественной оценки фазовых сдвигов, обусловленных аберрациями, необходим юстировочный точечный источник когерентного излучения, помещенный внутрь исследуемых тканей, что не представляется возможным.To quantify the phase shifts caused by aberrations, an adjustment point source of coherent radiation is required, which is placed inside the tissues under study, which is not possible.
В качестве такого источника на практике предлагается использовать яркий отражающий точечный элемент тканей, находящийся в области фокуса на излучение (см., напр., US 6,368,279, опубл. 09.04.2002). На фиг. 4 проиллюстрирован выбор юстировочного точечного источника для оценки фазовых сдвигов, обусловленных аберрациями. Для того чтобы в зону фокусировки 32 на излучение попадал только один точечный отражающий объект 33 необходимо, чтобы ультразвуковой луч 31 был достаточно узким и имел острый фокус с небольшой глубиной резкости.As such a source, it is proposed in practice to use a bright reflecting point element of tissues located in the region of the focus on radiation (see, for example, US 6,368,279, publ. 09.04.2002). In FIG. 4 illustrates the selection of an alignment point source for estimating phase shifts due to aberrations. In order for only one
Яркий точечный отражающий объект 33 формирует сферическую волну 34. И если среда распространения однородная, то сдвиги фаз между эхо-сигналами, приходящими на разные элементы многоэлементного УЗ датчика 1, являются фиксированными и определяются расстояниями от точечного источника до элементов многоэлементного УЗ датчика 1. Значения фазовых сдвигов между эхо-сигналами могут быть рассчитаны исходя из законов геометрической оптики. При наличии неоднородностей тканей возникает разброс фаз, который в каждом приемном канале 5 выделяется с помощью формирователя 10 фазового сдвига и учитывается далее при формировании текущего значения задержки сигнала в фазовом корректоре 11 задержки сигнала.A bright point-like reflecting
Выбор точечного отражающего объекта 33 может быть реализован либо вручную оператором, либо автоматически (см., напр., United States Patent 2006/0106309 А1, опубл. 18.05.2006). В случае ручного способа оператор визуально определяет яркий точечный объект на УЗ изображении и устанавливает на нем соответствующий маркер. При автоматическом поиске в зоне интереса анализируются пиксели УЗ изображения, и находится область изображения, которая имеет самый яркий пик, а вокруг него уровень сигнала ниже определенного порога.The choice of a point
Необходимо также отметить, что для оценки фазовых аберраций и их компенсации устройством не используется отдельный режим зондирования. Данные операции выполняются непосредственно в процессе формирования УЗ изображения исследуемых органов.It should also be noted that a separate sensing mode is not used to evaluate the phase aberrations and their compensation by the device. These operations are performed directly during the formation of ultrasound images of the organs under investigation.
Настоящее техническое решение существенно снижает требования к производительности вычислительного устройства и объему оперативной памяти для реализации адаптивного алгоритма фокусировки ультразвукового луча в реальном масштабе времени.This technical solution significantly reduces the requirements for the performance of the computing device and the amount of RAM for the implementation of the adaptive algorithm for focusing the ultrasonic beam in real time.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018112302U RU180351U1 (en) | 2018-04-05 | 2018-04-05 | ADAPTIVE DIAGRAM-FORMING DEVICE FOR OBTAINING ULTRASONIC IMAGES |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018112302U RU180351U1 (en) | 2018-04-05 | 2018-04-05 | ADAPTIVE DIAGRAM-FORMING DEVICE FOR OBTAINING ULTRASONIC IMAGES |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU180351U1 true RU180351U1 (en) | 2018-06-08 |
Family
ID=62561257
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018112302U RU180351U1 (en) | 2018-04-05 | 2018-04-05 | ADAPTIVE DIAGRAM-FORMING DEVICE FOR OBTAINING ULTRASONIC IMAGES |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU180351U1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5555534A (en) * | 1994-08-05 | 1996-09-10 | Acuson Corporation | Method and apparatus for doppler receive beamformer system |
US20050228279A1 (en) * | 2004-03-31 | 2005-10-13 | Siemens Medical Solutions Usa, Inc. | Coherence factor adaptive ultrasound imaging methods and systems |
RU125451U1 (en) * | 2012-10-19 | 2013-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Юсонтек" | ADAPTIVE DIAGRAM-FORMING DEVICE FOR RECEIVING ULTRASONIC SIGNALS |
RU163860U1 (en) * | 2016-02-18 | 2016-08-10 | Закрытое акционерное общество "СПЕКТРОМЕД" (ЗАО "СПЕКТРОМЕД") | UNIVERSAL A-SCANNER FOR MEDICAL DIAGNOSTICS |
US20170332916A1 (en) * | 2011-11-02 | 2017-11-23 | Seno Medical Instruments, Inc. | Playback mode in an optoacoustic imaging system |
-
2018
- 2018-04-05 RU RU2018112302U patent/RU180351U1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5555534A (en) * | 1994-08-05 | 1996-09-10 | Acuson Corporation | Method and apparatus for doppler receive beamformer system |
US20050228279A1 (en) * | 2004-03-31 | 2005-10-13 | Siemens Medical Solutions Usa, Inc. | Coherence factor adaptive ultrasound imaging methods and systems |
US20170332916A1 (en) * | 2011-11-02 | 2017-11-23 | Seno Medical Instruments, Inc. | Playback mode in an optoacoustic imaging system |
RU125451U1 (en) * | 2012-10-19 | 2013-03-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Юсонтек" | ADAPTIVE DIAGRAM-FORMING DEVICE FOR RECEIVING ULTRASONIC SIGNALS |
RU163860U1 (en) * | 2016-02-18 | 2016-08-10 | Закрытое акционерное общество "СПЕКТРОМЕД" (ЗАО "СПЕКТРОМЕД") | UNIVERSAL A-SCANNER FOR MEDICAL DIAGNOSTICS |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4039643B2 (en) | Ultrasonic beam forming device | |
US20200037996A1 (en) | Ultrasound signal processing device, ultrasound diagnostic device | |
US6231511B1 (en) | Ultrasonic signal focusing method and apparatus for ultrasonic imaging system | |
JP5498158B2 (en) | Delay controller for ultrasonic receiving beamformer | |
US8545406B2 (en) | Dynamic aperture control and normalization for apodization in beamforming | |
CN104414687A (en) | Ultrasonic measurement apparatus, ultrasonic imaging apparatus, and ultrasonic measurement method | |
JPH1156837A (en) | Ultrasonic imaging system and method for apodization of aperture of the system | |
US10765405B2 (en) | Ultrasound imaging pickup apparatus | |
CN108024798B (en) | Ultrasonic diagnostic apparatus and delay data generating method | |
JP2012152311A (en) | Ultrasonic diagnostic apparatus | |
US10845473B2 (en) | Ultrasound signal processing device, ultrasound signal processing method, and ultrasound diagnostic device | |
JPH06254092A (en) | Ultrasonic signal processor | |
US11484292B2 (en) | Ultrasound signal processing device that uses synthetic aperture method and delay and sum method | |
US12042330B2 (en) | Ultrasound signal processing device, ultrasound diagnostic device, and ultrasound signal processing method | |
RU180351U1 (en) | ADAPTIVE DIAGRAM-FORMING DEVICE FOR OBTAINING ULTRASONIC IMAGES | |
JPH07116162A (en) | Ultrasonic measuring equipment and phase correction method of transmitting and receiving | |
US11744555B2 (en) | Ultrasound signal processing device, ultrasound diagnostic device, and ultrasound signal processing method | |
US11103217B2 (en) | Ultrasound signal processing method and ultrasound signal processing device | |
US20230000470A1 (en) | Ultrasound diagnosis apparatus and recording medium | |
JP2017000547A (en) | Ultrasonic diagnostic equipment | |
JP2012081114A (en) | Ultrasonic diagnosis apparatus | |
JP3538260B2 (en) | Ultrasonic measuring device | |
Tomov et al. | Compact implementation of dynamic receive apodization in ultrasound scanners | |
Boonleelakul et al. | Ultrasound beamforming and image reconstruction using CPU and GPU | |
KR101510678B1 (en) | Method for Forming Harmonic Image, Ultrasound Medical Apparatus Therefor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20200406 |