TWI706641B

TWI706641B - 具備多線波束與微波束成形的系統架構與處理方法

Info

Publication number: TWI706641B
Application number: TW108107464A
Authority: TW
Inventors: 劉建宏; 郭富彥
Original assignee: 奔騰智慧生醫股份有限公司
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2019-03-06
Publication date: 2020-10-01
Also published as: TW202034641A

Abstract

本發明之超音波系統使用微波束成形的架構，能將多通道的延遲電路拆解成精細延遲與粗略延遲兩個電路，透過多階段的輸入信號延遲與加總，而有效降低探頭端的的信號資料量與硬體複雜度，達到系統小型化的需求。且本發明僅使用單一微波束成形器來實現波束成型的精細延遲運算，並搭配多線的粗略延遲波束成形運算來達到多線成像的需求；對精細延遲與粗略延遲的設定值亦進行補償與修正，來維持多線波束聚焦在各通道延遲時間所需的精準度。

Description

具備多線波束與微波束成形的系統架構與處理方法

本發明係關於一種具備多線波束(Multi-beam)與微波束成形(Micro-beamforming)的系統架構與處理方法，尤其指的是：一種以單一波束成形的精細延遲(Fine Delay)來做延遲聚焦與信號加總，並搭配多線粗略延遲(Coarse Delay)波束聚焦中進行延遲時間的補償與修正的技術。

先前相關於本發明之多線波束成形器，例如第US2015/02971.83A1/CN104903741B號專利中之用於多線成像的具有微射束成形器的超聲換能器探頭，在此專利中，採用如第1圖的架構，透過貼片開關控制器，將多線成像中的個別掃描線所使用到的通道信號耦合到不同的匯總節點，進行波束成形器(Beamformer)的運算。

本發明所欲解決之問題為先前為了提高影像掃描的取像速率(Frame Rate)，系統設計多採用多線(Multi-beam)成像的方式，為此又須再多增加數套微波束成形器(Micro-beamformer)，來達到多線成像的平行處理，雖然取像速率(Frame Rate)能夠因此提高，但也相對地增加了硬體的複雜度，使得硬體小型化不易達成。

本發明所解決問題之技術手段係藉超音波系統使用微波束成形(Micro-beamforming)的架構，能將多通道的延遲電路拆解成精細延遲(Fine Delay)電路與粗略延遲(Coarse Delay)電路，透過多階段的輸入信號延遲與加總，而有效的降低探頭端的的信號資料量與硬體複雜度，達到系統小型化的需求。另一方面，為了提高影像掃描的取像速率(Frame Rate)，系統設計多採用多線(Multi-beam)成像的方式，本專利構想即針對結合多線波束(Multi-beam)與微波束成形(Micro-beamforming)的系統架構進行複雜度的優化，毋需使用多套微波束成形器(Micro-beamformer)，僅使用單一微波束成形器(Micro-beamformer)實現波束成型的精細延遲(Fine Delay)運算，並搭配多線的粗略延遲(Coarse Delay)波束成形運算來達到多線(Multi-beam)成像的需求，並因應此架構，對精細延遲(Fine Delay)與粗略延遲(Coarse Delay)的設定值進行補償與修正，來維持多線波束聚焦在各通道延遲時間所需的精準度。

本發明對照先前技術之功效為為了提高影像掃描的取像速率(Frame Rate)，系統設計採用多線(Multi-beam)成像的方式時，為此不須再多增加數套微波束成形器(Micro-beamformer)，因可以僅藉由調整一共有之精細延遲(Common Fine Delay)以及分配各掃描線的粗略延遲(Coarse Delay)的延遲時間設定值，就可以使得各掃描線等效的延遲聚焦時間非常接近於理想的波束聚焦延遲時間了，可有效的應用在超音波掃描器上。

10:精細延遲波束成形

20:粗略延遲波束成形

第1圖係相關前案之架構。

第2圖係本發明之在不同掃描深度上進行多通道信號延遲與加總的運算示意圖。

第3圖係本發明之精細延遲與粗略延遲之延遲分布範例圖。

第4圖係相關於本發明之單發單收、單發雙收以及單發四收之取像速率範例圖。

第5圖係相關於本發明之單發雙收的情況下，其聚焦延遲分布範例圖。

第6圖係相關於本發明之結合多線波束成形器與微波束成形的系統架構圖。

第7圖係本發明之採用單一波束成形的精細延遲之延遲聚焦以及信號加總，並搭配多線粗略延遲波束聚焦之架構圖。

第8圖係本發明之於單發雙收處理時，單一精細延遲波束延遲時間的運算結果範例圖。

第9圖係本發明之共有之精細延遲與經補償與修正之粗略延遲，以及其相對等效的聚焦延遲時間與理想的聚焦延遲時間的比較例。

第10圖係一簡單的最佳延遲設定計算範例。

通常根據本發明，該最佳之具微波束成形架構的多線波束成形器係如下。

微波束成形(Micro-beamforming)為在不同掃描深度上進行多通道信號延遲與加總的運算，以達到聚焦成像的目的。其架構如第2圖所示。將輸入通道區分成數個通道群組，並且把聚焦所需的各通道延遲拆解成精細延遲(Fine Delay)與粗略延遲(Coarse Delay)兩個部分，各個群組會先進行小範圍精細延遲(Fine Delay)的聚焦延遲與信號加總，有效的降低通道數量，接著對各群組的加總信號進行大範圍粗略延遲(Coarse Delay)的聚焦延遲以及加總，來完成波束聚焦在各通道上所需要的聚焦延遲與信號加總的運算。

粗略延遲(Coarse Delay)為通道群組中共同的群組延遲持間，而精細延遲(Fine Delay)為通道群組中各通道的延遲差異時間，可表示如下：CoarseDelay(k)

min{BeamformDelay(n)｜channel n inside channel group k} FineDelay(n)=BeamformDelay(n)-CoarseDelay(k)其中之k為群組編號，n為通道編號，及BeamFormDelay(n)為理想的波束聚焦之延遲時間。

亦可參考第10圖之簡單計算例；而該延遲分布範例則如第3圖所示。

另外為了提高掃描影像的取像速率(Frame Rate)，一般常採用多線成像的方式進行波束聚焦處理。其做法為在單一波束發射後，同時進行多條掃描線的波束聚焦處理。因此如第4圖範例所示之單發單收(Single Beam)、單發雙收(Dual Beam)以及單發四收(Quad Beam)等不同的處理方式在影像顯示的取像速率(Frame Rate)上會呈現倍數等級的差異。

其中在單發雙收(Dual Beam)的情況下，其聚焦延遲分布如第5圖範例所示。

所以在系統架構上需要同時進行兩套的精細延遲(Fine Delay)與粗略延遲(Coarse Delay)聚焦延遲運算。而在單發四收(Quad Beam)的架構下，系統則需要同時進行四套的精細延遲(Fine Delay)與粗略延遲(Coarse Delay)的聚焦延遲處理。如第6圖所示為結合多線波束成形器(Multi-beam Beamformer)與微波束成形(Micro-beamforming)的系統架構，雖然此架構能夠大幅提升掃描影像的取像速率(Frame Rate)，但也大幅的提高系統複雜度，使得硬體尺寸小型化不易達成。

為了優化系統實現的複雜度，達到小型化的設計，可藉單一之精細延遲波束成形(10)以及多線之粗略延遲波束成形(20)來達成。在本發明中，採用單一波束成形的精細延遲(Fine Delay)延遲聚焦以及信號加總，搭配多線粗略延遲(Coarse Delay)波束聚焦中進行延遲時間的補償與修正，其架構如第7圖所示。

採用單一波束的精細延遲(Fine Delay)波束聚焦降低了多線波束成形的系統架構複雜度，但為了減少整體的波束成形的聚焦延遲誤差，在該共有之單一波束的精細延遲(Fine Delay)波束延遲時間的運算方式如下所示：CommonFineDelay(n)=mean{FineDelay _{Beam_1} (n),FineDelay _{Beam_2} (n),......,FineDelay _{Beam_x} (n)}其中之Beam_x為第x線波束，及CommonFineDelay(n)即為共有之單一波束的精細延遲(Fine Delay)之波束延遲時間。

如第8圖範例所示為單發雙收(Dual Beam)處理時，單一精細延遲(Fine Delay)波束延遲時間的運算結果。

而各掃描線的粗略延遲(Coarse Delay)聚焦延遲時間，則依照下列方式參考共有之精細延遲(Common Fine Delay)進行補償與修正： MeanOfFineDelayError _{Beam_x} (k)=mean{FineDelay _{Beam_x} (n)-CommonFineDelay(n)｜channel n inside channel group k} CompensatedCoarseDelay _{Beam_x} (k)=CoarseDelay _{Beam_x} (k)+MeanOfFineDelayError _{Beam_x} (k)其中之CompensatedCoarseDelay _{Beam_x}(k)即為經補償與修正的粗略延遲(Coarse Delay)之波束延遲時間。

依照上述方式調整共有之精細延遲(Common Fine Delay)以及分配各掃描線的粗略延遲(Coarse Delay)的延遲時間設定值，則可以使得各掃描線等效的延遲聚焦時間能夠非常接近於理想的波束聚焦延遲時間，如第9圖為一單發雙收(Dual Beam)的實施例，其所產出的共有之精細延遲(Common Fine Delay)與經補償與修正之粗略延遲(Compensated Coarse Delay)，以及其相對等效的聚焦延遲時間與理想的聚焦延遲時間的比較。

第10圖為一簡單的最佳延遲設定(Optimized Delay Setting)計算範例，將CommonFineDelay(n)與CompensatedCoarseDelay _{Beam_x}(k)予以相加即得出波束聚焦之有效延遲(Effective Delay)時間。

以上僅表達了本發明的其中的實施例，但並非對本發明專利範圍的限制，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。

10　精細延遲波束成形 20　粗略延遲波束成形

Claims

一種具備多線波束(Multi-beam)與微波束成形(Micro-beamforming)的系統之處理方法，係使用單一微波束成形器(Micro-beamformer)實現波束成型的精細延遲(Fine Delay)運算，並搭配多線的粗略延遲(Coarse Delay)波束成形運算來達到多線(Multi-beam)成像的目的，其藉由採用單一波束成形的精細延遲(Fine Delay)延遲聚焦以及信號加總，搭配多線粗略延遲(Coarse Delay)波束聚焦中進行延遲時間的補償與修正來達成；其中之微波束成形器(Micro-beamformer)之作動包含在不同掃瞄深度上藉延遲電路進行多通道信號之延遲聚焦與信號加總的處理，其中之粗略延遲(Coarse Delay)為通道群組中共同的群組延遲持間，而精細延遲(Fine Delay)為通道群組中各通道的延遲差異時間，係藉以下程序來建置，以使CoarseDelay(k)必須小於或等於該程序所找到的值：CoarseDelay(k)
min{BeamformDelay(n)｜channel n inside channel group k} FineDelay(n)=BeamformDelay(n)-CoarseDelay(k)其中之k為群組編號，n為通道編號，及BeamFormDelay(n)為理想的波束聚焦之延遲時間。
如請求項1所述之具備多線波束(Multi-beam)與微波束成形(Micro-beamforming)的系統之處理方法，其中之微波束成形器(Micro-beamformer)之在不同掃瞄深度上藉延遲電路進行多通道信號之延遲聚焦與信號加總的處理係：將輸入通道區分成數個通道群組，並且把聚焦所需的各通道延遲拆解成精細延遲(Fine Delay)與粗略延遲(Coarse Delay)兩個部分，各個群組會先進行小範圍精細延遲(Fine Delay)的聚焦延遲與信號加總，接著對各群組的加總信號進行大範圍粗略延遲(Coarse Delay)的聚焦延遲以及加總，來完成波束聚焦在各通道上所需要的聚焦延遲與信號加總的運算處理。
如請求項1所述之具備多線波束(Multi-beam)與微波束成形(Micro-beamforming)的系統之處理方法，並做以下程序：CommonFineDelay(n)=mean{FineDelay _{Beam_1} (n),FineDelay _{Beam_2} (n),......,FineDelay _{Beam_x} (n)} MeanOfFineDelayError _{Beam_x} (k)=mean{FineDelay _{Beam_x} (n)-CommonFineDelay(n)｜channel n inside channel group k} CompensatedCoarseDelay _{Beam_x} (k)=CoarseDelay _{Beam_x} (k)+MeanOfFineDelayError _{Beam_x} (k)其中之Beam_x為第x線波束，CommonFineDelay(n)為共有之單一波束的精細延遲(Fine Delay)之波束延遲時間，及CompensatedCoarseDelay _{Beam_x}(k)即為經補償與修正的粗略延遲(Coarse Delay)之波束延遲時間。
如請求項1所述之具備多線波束(Multi-beam)與微波束成形(Micro-beamforming)的系統之處理方法，若將該CommonFineDelay(n)與該CompensatedCoarseDelay _{Beam_x}(k)予以相加即得出波束聚焦之有效延遲(Effective Delay)時間。
一種具備多線波束(Multi-beam)與微波束成形(Micro-beamforming)的系統架構，係能實施請求項1、2、3、或4之處理方法的架構。