CN103454640A - 一种超声波成像装置和成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波成像装置和成像方法，所述超声波成像装置仅包括波形产生装置、发射装置、超声波探头、接收装置、波束合成装置、数据传输装置和通用计算机。本发明具有如下有益效果：所述超声波成像装置采用硬件电路实现超声波回波的放大，滤波和数字模拟转换，然后利用所述波束合成装置将所述超声波回波处理成超声波射频数据，并通过数据传输装置发送给通用计算机，利用通用计算机的CPU的处理能力，完成超声波回波处理中的大运算量环节——解调、检波、对数压缩、扫描变换和多普勒信号处理，从而不需要开发解调和检波处理的硬件电路，降低了开发难度，节约了硬件成本，且通过程序实现上述功能，方便二次开发。

Description

一种超声波成像装置和成像方法

技术领域

本发明涉及一种超声波成像装置和成像方法。

背景技术

现有技术中一般的超声波成像装置包括模拟数字转换器、FPGA和DSP等器件，以完成数字波束合成、解调和检波等信号处理。但是从所述模拟数字转换器得来的数据需要经过大量的运算处理才能得到有用的数据，这将导致所述FPGA和DSP必须具有较高的性能，从而会增加产品成本。而且，该超声波成像装置的功能受制于硬件电路，如果要增加一款新的功能，就要重新设计电路板，增加了超声波成像装置的二次开发难度。

更进一步，在所述超声波成像装置中，包含CPU平台，而如今的CPU已经发展到多核架构，具有非常强大的处理能力。但是，所述CPU仅仅承担了图像后处理、图像显示及提供用户界面等功能，其强大的处理能力被闲置，造成浪费。

发明内容

本发明目的是提供一种超声波成像装置，该超声波成像装置利用通用计算机的CPU的处理能力，完成超声波回波处理中的大运算量环节-——解调、检波、对数压缩、扫描变换和多普勒信号处理，从而不需要开发解调和检波等处理的硬件电路，降低了开发难度，节约了硬件成本；方便产品的二次开发。

本发明第二个目的是提供一种超声波成像方法，该超声波成像方法用于所述超声波成像装置，所述超声波成像装置利用通用计算机的CPU的处理能力，完成信号处理中的解调、检波、对数压缩、扫描变换和多普勒信号处理，从而降低了开发难度，且方便了二次开发。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：一种超声波成像装置，所述超声波成像装置包括：

波形产生装置，用于产生低压发射波形；

发射装置，与所述波形产生装置连接，用于将所述波形产生装置产生的低压发射波形转换为高压发射波形；

超声波探头，与所述发射装置连接；用于发射超声波和接收超声波回波；

接收装置，与所述超声波探头连接；用于超声波回波的放大、滤波和模拟数字转换，得到数字化超声波回波；波束合成装置，与所述接收装置连接，接收所述数字化超声波回波，并对所述数字化超声波回波进行波束合成，获得超声波射频数据；

数据传输装置，与所述波束合成装置和所述波形产生装置连接，用于接收所述波束合成装置生成的超声波射频数据、发送控制参数给所述波形产生装置和发送控制参数和延时数据给所述波束合成装置；

通用计算机，与所述数据传输装置连接；所述通用计算机接收所述超声波射频数据，完成超声波射频数据的解调、检波、对数压缩、扫描变换和多普勒信号处理，并显示图像和提供用户操作平台，通过所述数据传输装置发送控制参数和延时数据。

可选的，所述接收装置包括顺序连接的低噪声放大电路、抗混叠滤波电路和数字模拟转换电路；所述低噪声放大电路与所述超声波探头连接；所述数字模拟转换器与所述波束合成装置连接。

可选的，所述接收装置仅包括低噪声放大电路、抗混叠滤波电路和数字模拟转换电路，以完成超声波回波的放大、滤波和模拟数字转换。

可选的，所述的波束合成装置，仅完成所述接收装置产生的数字化超声波回波的接收、插值运算、数字聚焦、变迹运算和加和运算，从而得到超声波射频数据。

可选的，所述超声波成像装置由所述波形产生装置、所述发射装置、所述超声波探头、所述接收装置、所述波束合成装置、所述数据传输装置和所述通用计算机构成。

本发明解决技术问题还可采用如下技术方案：一种超声波成像装置，其特征在于，所述超声波成像装置包括：超声波探头、高压隔离电路、高压发射电路、模拟前端芯片、发射接收FPGA、数据传输FPGA和通用计算机；

所述发射接收FPGA包括参数接收逻辑模块、波形产生逻辑模块和数据处理模块；所述参数接收逻辑模块连接至所述数据传输FPGA，接收所述数据传输FPGA发送的控制参数和延时数据；所述的参数接收逻辑模块还连接至所述波形产生逻辑模块，用于控制所述波形产生模块产生低压发射波形；

所述高压发射电路连接至所述波形产生逻辑模块，用于将所述低压发射波形转换为高压发射波形；

所述高压隔离电路连接至所述高压发射电路，用于对所述超声波探头进行高压隔离；

所述超声波探头连接至所述高压隔离电路，用于发射超声波和接收超声波回波；

所述模拟前端芯片连接至所述高压隔离电路，用于超声波回波的放大、滤波和模拟数字转换，得到数字化超声波回波；

所述数据处理模块连接至模拟前端芯片和参数接收逻辑模块，接收所述数字化超声波回波，并在所述参数接收逻辑模块的控制下，对所述数字化超声波回波进行处理，得到超声波射频数据；

所述数据传输FPGA连接至所述数据处理模块，将所述超声波射频数据传递给通用计算机；

所述通用计算机通过PCIE接口连接至所述数据传输FPGA；所述通用计算机接收所述超声波射频数据，完成超声波射频数据的解调、检波、对数压缩、扫描变换和多普勒信号处理，并显示图像和提供用户操作平台，通过所述数据传输FPGA发送控制参数和延时数据。

本发明还提供了一种利用所述超声波成像装置的超声波成像方法，包括：

1）通用计算机通过用户操作平台，接收用户指令，形成控制参数和延时数据，并将所述控制参数和延时数据传送至数据传输装置；

2）数据传输装置根据所述控制参数，控制所述波形产生装置，产生相应低压发射波形；

3）所述发射装置接收所述低压发射波形，将其转换为高压发射波形，并通过超声波探头发射；

4）所述接收装置接收所述超声波探头发射的超声波的回波，进行放大、滤波和模拟数字转换，得到数字化超声波回波；

5）所述波束合成装置根据所述数据传输装置的控制参数和延时数据，将其接收的数字化超声波回波完成数字波束合成，获得超声波射频数据；

6）所述数据传输装置将所述超声波射频数据传送至通用计算机；

7）所述通用计算机对所述超声波射频数据进行解调、检波、对数压缩、扫描变换和多普勒信号处理，并显示图像和提供用户操作平台，通过所述数据传输装置发送控制参数和延时数据。

可选的，所述“波束合成装置根据所述数据传输装置的控制参数和延时数据，将其接收的数字化超声波回波完成数字波束合成，获得超声波射频数据”具体包括：

a.接收所述通用计算机发送的控制参数和延时数据；

b.接收所述数字化超声波回波；

c.将所述数字化超声波回波做插值运算，获得插值后数据：

d.将插值后数据，存放到延时存储器；

e.利用所述通用计算机发送的延时数据，读取延时存储器，获得聚焦后数据；

f.对聚焦后数据进行变迹运算，获得变迹后数据；

g.将变迹后数据进行加和运算，得到超声波射频数据。

可选的，所述插值算法是：

y(2k)=x(k)，

$y(2k+1)=-\frac{1}{16}x(k-1)+\frac{9}{16}x\left(k\right)+\frac{9}{16}x(k+1)-\frac{1}{16}x(k+2),$

其中x(k)为数字化超声波回波，y(2k)和y(2k+1)为插值后数据，k=(0,1…n)。

可选的，所述延时数据包括发射波束合成延时数据和接收波束合成延时数据。

可选的，在每个采样点都生成一个延时数据，所述波束合成装置利用所述接收波束合成延时数据，实现逐点聚焦。

可选的，所述变迹运算的变迹系数由通用计算机通过数据传输装置发送给波束合成装置。

本发明具有如下有益效果：所述超声波成像装置采用硬件电路实现超声波回波的放大，滤波和数字模拟转换，将超声波回波处理成数字化超声波回波，然后利用所述波束合成装置将所述数字化超声波回波处理成超声波射频数据，并通过数据传输装置发送给通用计算机，利用通用计算机的CPU的处理能力，完成超声波回波处理中的大运算量环节-——解调、检波、对数压缩、扫描变换和多普勒信号处理，从而不需要开发解调和检波等处理的硬件电路，降低了开发难度，节约了硬件成本；且通过程序实现上述功能，方便二次开发。

所述超声波成像方法，用于所述超声成像装置，其采用通用计算机实现超声波射频数据的解调、检波、对数压缩、扫描变换和多普勒信号处理，降低了开发难度，通过程序数字化实现超声波回波处理，方便二次开发。

附图说明

图1为本发明超声波成像装置的结构示意图；

图2为本发明的波束合成获得超声波射频数据的流程图；

图3为本发明的超超声波成像装置的另一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的技术方案作进一步阐述。

实施例1

参照附图1，本实施例提供了一种超声波成像装置，所述超声波成像装置包括：波形产生装置4，用于产生低压发射波形；所述低压发射波形的最高电压受控于所述波形产生装置4，与所述波形产生装置4的供电电压相同；发射装置2，与所述波形产生装置4连接；用于将所述波形产生装置4产生的低压发射波形转换为高压发射波形；所述高压发射波形是适宜于超声波探头进行发射的发射波形；超声波探头1，与所述发射装置2连接；用于发射超声波和接收超声波回波；接收装置3，连接于所述超声波探头1；用于超声波回波的放大、滤波和模拟数字转换，得到数字化超声波回波；所述接收装置包括顺序连接的低噪声放大电路、抗混叠滤波电路和数字模拟转换电路；所述低噪声放大电路与所述超声波探头连接；波束合成装置5，与所述接收装置3中的数字模拟转换器连接，接收所述数字化超声波回波，并对所述数字化超声波回波进行波束合成，获得超声波射频数据；数据传输装置6，与所述波束合成装置5和所述波形产生装置4连接，用于接收所述波束合成装置5生成的超声波射频数据、发送控制参数给所述波形产生装置4和发送控制参数和延时数据给所述波束合成装置5；通用计算机7，与所述数据传输装置6连接；所述通用计算机7接收所述超声波射频数据，通过软件方法，完成超声波射频数据的解调、检波、对数压缩、扫描变换和多普勒信号处理，并显示图像和提供用户操作平台，通过数据传输装置发送控制参数和延时数据；所述通用计算机是指各行业、各种工作环境都能使用的计算机，即学校、家庭、工厂、医院、公司等用户都能使用的计算机。

所述超声波成像装置采用硬件电路实现超声波回波的放大，滤波和数字模拟转换，将超声波回波处理成数字化超声波回波，然后利用所述波束合成装置将所述数字化超声波回波处理成超声波射频数据，并通过数据传输装置发送给通用计算机，利用通用计算机的CPU的处理能力，完成超声波回波处理中的大运算量环节-——解调、检波、对数压缩、扫描变换和多普勒信号处理，从而不需要开发解调和检波等处理的硬件电路，降低了开发难度；且通过程序实现上述功能，方便二次开发。

其中，所述的接收装置3，仅完成回波信号的放大、滤波和模拟数字转换；仅包括低噪声放大电路、抗混叠滤波电路和数字模拟转换电路；所述接收装置所完成的功能越少，所包含的芯片的功能就会越少，从而芯片的价格也就相应越低，从而降低整个系统的开发成本。

其中，所述的波束合成装置5，仅完成所述接收装置3产生的数字化超声波回波的接收、插值运算、数字聚焦、变迹运算和加和运算，从而得到超声波射频数据；所述波束合成装置不包括对数字化超声波回波进行解调和检波，从而不用采用昂贵的芯片实现对超声波回波的处理，降低了整个系统的成本。

实施例2

参照图3，本实施例提供了一种超声波成像装置，所述超声波成像装置包括：超声波探头507、高压隔离电路506、高压发射电路504、通用模拟前端芯片505、发射接收FPGA501、数据传输FPGA502和通用计算机503；所述发射接收FPGA包括参数接收逻辑模块、波形产生逻辑模块和数据处理模块；所述参数接收逻辑模块连接至所述数据传输FPGA502，接收所述数据传输FPGA发送的控制参数和延时数据；所述的参数接收逻辑模块还连接至所述波形产生逻辑模块；用于控制所述波形产生模块产生低压发射波形；所述高压发射电路504连接至所述波形产生逻辑模块，用于将所述低压发射波形转换为高压发射波形；高压隔离电路506，其连接至高压发射电路504，用于对超声波探头507进行高压隔离；所述超声波探头连接至所述高压隔离电路506，用于发射超声波和接收超声波回波；通用模拟前端芯片505，其连接至所述高压隔离电路506，用于超声波回波的放大、滤波和模拟数字转换，得到数字化超声波回波；所述数据处理模块连接至通用模拟前端芯片505和参数接收逻辑模块，接收所述数字化超声波回波，并在所述参数接收逻辑模块的控制下，对所述数字化超声波回波进行处理，得到超声波射频数据；所述数据传输FPGA502连接至所述数据处理模块，将所述超声波射频数据传递给通用计算机503；所述通用计算机503通过PCIE（Peripheral Component Interconnection Express，快速外部设备互联，下同）接口连接至所述数据传输FPGA502；所述通用计算机503接收所述超声波射频数据，通过软件方法，完成超声波射频数据的解调、检波、对数压缩、扫描变换和多普勒信号处理，并显示图像和提供用户操作平台，通过数据传输FPGA发送控制参数和延时数据。

所述超声波成像装置采用通用模拟前端芯片，超声波回波的放大，滤波和数字模拟转换，将超声波回波处理成数字化超声波回波，然后利用所述发射接收FPGA将所述数字化超声波回波处理成超声波射频数据，并通过数据传输FPGA发送给通用计算机，利用通用计算机的CPU的处理能力，完成超声波回波处理中的大运算量环节-——解调、检波、对数压缩、扫描变换和多普勒信号处理，即该发射接收FPGA和数据传输FPGA所实现的功能较少，且不需要大量的运算，采用市场上价格低廉的FPGA即可以实现上述功能，因此，会降低整个系统的开发成本，且也不需要开发解调和检波处理的硬件电路，降低了开发难度；且通过程序实现上述功能，方便二次开发。

实施例3

一种利用所述超声波成像装置的超声波成像方法，所述超声波成像方法包括：

1）通用计算机通过用户操作平台，接收用户指令，形成控制参数和延时数据，并将所述控制参数和延时数据传送至数据传输装置；

2）数据传输装置根据所述控制参数，控制所述波形产生装置，产生相应低压发射波形；

3）所述发射装置接收所述低压发射波形，将其转换为高压发射波形，并通过超声波探头发射；

4）所述接收装置接收所述超声波探头发射的超声波的回波，进行放大、滤波和模拟数字转换，得到数字化超声波回波；

5）所述波束合成装置根据所述数据传输装置的控制参数和延时数据，将其接收的数字化超声波回波完成数字波束合成，获得超声波射频数据；

6）所述数据传输装置将所述超声波射频数据传送至通用计算机；

7）所述通用计算机对所述超声波射频数据进行解调和检波、对数压缩、扫描变换和多普勒信号处理，并显示图像和提供用户操作平台，通过所述数据传输装置发送控制参数和延时数据。

所述超声波成像方法，采用了计算机对所述超声波射频信号进行处理和显示，即利用计算机CPU的强大运算能力对超声波回波处理中的大运算量部分进行数据处理，极大的提高了运算速度，同时也不需要设计结构复杂的硬件电路，降低了系统成本，方便了二次开发。

参照图2，所述波束合成装置对所述数字化超声波回波进行处理的步骤是：

a.接收所述通用计算机发送的控制参数和延时数据；

b.接收所述数字化超声波回波；

c.将所述数字化超声波回波做插值运算，获得插值后数据：

d.将插值后数据，存放到延时存储器；

e.利用通用计算机发送的延时数据，读取延时存储器，获得聚焦后数据；

f.对聚焦后数据进行变迹运算，获得变迹后数据；

g.将变迹后数据进行加和运算，得到超声波射频数据。

参照图3，所述数据处理模块的数据处理过程的步骤是：

a.接收所述通用计算机发送的控制参数和延时数据；

b.接收所述数字化超声波回波；

c.将所述数字化超声波回波做插值运算，获得插值后数据：

d.将插值后数据，存放到延时存储器；

e.利用通用计算机发送的延时数据，读取延时存储器，获得聚焦后数据；

f.对聚焦后数据进行变迹运算，获得变迹后数据；

g.将变迹后数据进行加和运算，得到超声波射频数据；

h.对所述超声波射频数据进行打包。

以上实施例的先后顺序仅为便于描述，不代表实施例的优劣。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种超声波成像装置，其特征在于，所述超声波成像装置包括：

波形产生装置，用于产生低压发射波形；

发射装置，与所述波形产生装置连接，用于将所述波形产生装置产生的低压发射波形转换为高压发射波形；

超声波探头，与所述发射装置连接，用于发射超声波和接收超声波回波；

接收装置，与所述超声波探头连接，用于超声波回波的放大、滤波和模拟数字转换，得到数字化超声波回波；

波束合成装置，与所述接收装置连接，接收所述数字化超声波回波，并对所述数字化超声波回波进行波束合成，获得超声波射频数据；

数据传输装置，与所述波束合成装置和所述波形产生装置连接，用于接收所述波束合成装置生成的超声波射频数据、发送控制参数给所述波形产生装置和发送控制参数和延时数据给所述波束合成装置；

通用计算机，与所述数据传输装置连接；所述通用计算机接收所述超声波射频数据，完成超声波射频数据的解调、检波、对数压缩、扫描变换和多普勒信号处理，并显示图像和提供用户操作平台，通过所述数据传输装置发送控制参数和延时数据。

2.根据权利要求1所述的超声波成像装置，其特征在于：所述接收装置包括顺序连接的低噪声放大电路、抗混叠滤波电路和数字模拟转换电路；所述低噪声放大电路与所述超声波探头连接；所述数字模拟转换器与所述波束合成装置连接。

3.根据权利要求2所述的超声波成像装置，其特征在于，所述接收装置由低噪声放大电路、抗混叠滤波电路和数字模拟转换电路组成，以完成超声波回波的放大、滤波和模拟数字转换。

4.根据权利要求3所述的超声波成像装置，其特征在于：所述的波束合成装置，仅完成所述接收装置产生的数字化超声波回波的接收、插值运算、数字聚焦、变迹运算和加和运算，从而得到超声波射频数据。

5.根据权利要求1至4之一所述的超声波成像装置，其特征在于：所述超声波成像装置由所述波形产生装置、所述发射装置、所述超声波探头、所述接收装置、所述波束合成装置、所述数据传输装置和所述通用计算机构成。

6.一种超声波成像装置，其特征在于，所述超声波成像装置包括：超声波探头、高压隔离电路、高压发射电路、模拟前端芯片、发射接收FPGA、数据传输FPGA和通用计算机；

所述发射接收FPGA包括参数接收逻辑模块、波形产生逻辑模块和数据处理模块；所述参数接收逻辑模块连接至所述数据传输FPGA，接收所述数据传输FPGA发送的控制参数和延时数据；所述的参数接收逻辑模块还连接至所述波形产生逻辑模块，用于控制所述波形产生模块产生低压发射波形；

所述高压发射电路连接至所述波形产生逻辑模块，用于将所述低压发射波形转换为高压发射波形；

所述高压隔离电路连接至所述高压发射电路，用于对所述超声波探头进行高压隔离；

所述超声波探头连接至所述高压隔离电路，用于发射超声波和接收超声波回波；

所述模拟前端芯片连接至所述高压隔离电路，用于超声波回波的放大、滤波和模拟数字转换，得到数字化超声波回波；

所述数据处理模块连接至模拟前端芯片和参数接收逻辑模块，接收所述数字化超声波回波，并在所述参数接收逻辑模块的控制下，对所述数字化超声波回波进行处理，得到超声波射频数据；

所述数据传输FPGA连接至所述数据处理模块，将所述超声波射频数据传递给通用计算机；

所述通用计算机连接至所述数据传输FPGA；接收所述超声波射频数据，完成超声波射频数据的解调、检波、对数压缩、扫描变换和多普勒信号处理，并显示图像和提供用户操作平台，通过所述数据传输FPGA发送控制参数和延时数据。

7.一种用于权利要求1至5之一所述的超声波成像装置的超声波成像方法，其特征在于，所述超声波成像方法包括：

1）通用计算机通过用户操作平台，接收用户指令，形成控制参数和延时数据，并将所述控制参数和延时数据传送至数据传输装置；

2）数据传输装置根据所述控制参数，控制所述波形产生装置，产生相应低压发射波形；

3）利用发射装置接收所述低压发射波形，将其转换为高压发射波形，超声波探头根据所述高压发射波形生成超声波并进行发射，并接收所述超声波遇到障碍后产生的超声波回波；

4）利用接收装置接收所述超声波回波，并进行放大、滤波和模拟数字转换，得到数字化超声波回波；

5）利用波束合成装置接收所述的数字化超声波回波，根据所述数据传输装置的控制参数和延时数据，将所述数字化超声波回波完成数字波束合成，获得超声波射频数据；

6）利用数据传输装置将所述超声波射频数据传送至通用计算机；

7）利用通用计算机对所述超声波射频数据进行解调和检波、对数压缩、扫描变换和多普勒信号处理，并显示图像和提供用户操作平台，通过所述数据传输装置发送控制参数和延时数据。

8.根据权利要求7所述的超声波成像方法，其特征在于：所述“利用波束合成装置接收所述的数字化超声波回波，根据所述数据传输装置的控制参数和延时数据，将所述数字化超声波回波完成数字波束合成，获得超声波射频数据”具体包括：

a.利用波束合成装置接收所述通用计算机发送的控制参数和延时数据；

b.利用波束合成装置接收所述数字化超声波回波；

c.将所述数字化超声波回波做插值运算，获得插值后数据：

d.将插值后数据，存放到延时存储器；

e.利用所述通用计算机发送的延时数据，读取延时存储器，获得聚焦后数据；

f.对聚焦后数据进行变迹运算，获得变迹后数据；

g.将变迹后数据进行加和运算，得到超声波射频数据。

9.根据权利要求8所述的超声波成像方法，其特征在于：所述插值算法是：

y(2k)=x(k)，

$y(2k+1)=-\frac{1}{16}x(k-1)+\frac{9}{16}x\left(k\right)+\frac{9}{16}x(k+1)-\frac{1}{16}x(k+2),$

其中x(k)为数字化超声波回波，y(2k)和y(2k+1)为插值后数据，k=(0,1…n)。

10.根据权利要求7所述的超声波成像方法，其特征在于：所述延时数据包括发射波束合成延时数据和接收波束合成延时数据。

11.根据权利要求10所述的超声波成像方法，其特征在于：在每个采样点都生成一个延时数据，所述波束合成装置利用所述接收波束合成延时数据，实现逐点聚焦。

12.根据权利要求8所述的超声波射频数据发送的超声波成像方法，其特征在于：所述变迹运算的变迹系数由通用计算机通过数据传输装置发送给波束合成装置。

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