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CN111544038B - 一种云平台超声成像系统 - Google Patents

一种云平台超声成像系统 Download PDF

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CN111544038B CN202010398439.XA CN202010398439A CN111544038B CN 111544038 B CN111544038 B CN 111544038B CN 202010398439 A CN202010398439 A CN 202010398439A CN 111544038 B CN111544038 B CN 111544038B
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Abstract

本发明提供了一种云平台超声成像系统，包括：多个探头，探头中设置有多个振元，探头根据控制参数控制每个振元的发送回波信号的时间顺序，以及根据时间顺序获取接收所有振元的回波信号，并对所有回波信号进行处理，以得到每个振元的超声数据，随后将每个振元的超声数据依次进行压缩处理，以得到压缩数据；数据处理服务器，与每个探头连接，用于对压缩数据进行波束形成，以得到波束数据；图像处理服务器，与数据处理服务器连接，用于获取波束数据，并根据波束数据进行图像拉取处理，以得到波束图像；多个显示终端，每个显示终端与图像处理服务器连接，用于获取并显示波束图像。本发明的有益效果在于：移除主机，并在云端进行波束形成和图像处理。

Description

一种云平台超声成像系统
技术领域
本发明涉及超声成像技术领域，尤其涉及一种云平台超声成像系统。
背景技术
传统超声成像系统通常包括探头、主机、显示终端构成，同时这些部件通过电缆连接并传输数据信息。整个系统较为庞大，不便移动及携带。因此目前出现一种远程超声成像系统；
然而现有技术中的远程超声成像系统主要通过单探头在单一频率下激励，并记录采集数据，然而现有技术中通常是在本地的主机中对采集数据进行波束形成和图像处理，从而存在本地主机的数据量较大、测试模式单一的缺陷，而且还会降低远程显示终端和本地主机之间的通讯效率，因此目前需要一种能提高远程显示终端和本地主机之间的通讯效率的云平台超声成像系统。
发明内容
针对现有技术中路存在的上述问题，现提供一种旨对移除主机，并在云端进行波束形成和图像处理的云平台超声成像系统。
具体技术方案如下：
一种云平台超声成像系统，其中，包括：
多个探头，探头中设置有多个振元，探头根据一控制参数控制每个振元的发送回波信号的时间顺序，以及根据时间顺序获取接收所有振元的回波信号，并对所有回波信号进行处理，以得到每个振元的超声数据，随后将每个振元的超声数据依次进行压缩处理，以得到一压缩数据；
数据处理服务器，与每个探头连接，用于根据控制参数对压缩数据进行波束形成，以得到波束数据；
图像处理服务器，与数据处理服务器连接，用于获取波束数据，并根据波束数据进行图像拉取处理，以得到波束图像；
多个显示终端，每个显示终端与图像处理服务器连接，用于获取并显示波束图像。
优选的，云平台超声成像系统，其中，
探头包括：
发射端，连接至少一个振元，用于根据时间顺序接收并将每个振元的回波信号进行发送；
接收端，连接发射端，用于接收发射端发射的回波信号，并将回波信号进行处理，以得到回波离散信号；
处理芯片，连接接收端，并给接收端下发控制参数，使得与接收端连接的发射端根据控制参数控制每个振元的触发回波信号的时间，并接收和处理回波离散信号，以得到每个振元的超声数据，并将超声数据进行压缩，以得到压缩数据；
通信芯片，分别与处理芯片和数据处理服务器连接，用于接收并将压缩数据发送给数据处理服务器。
优选的，云平台超声成像系统，其中，处理芯片根据下述公式得到每个振元的超声数据，超声数据包括振元的幅度值和相位值；
ri(nTs)＝r(nTs)cos(W0nTs)；
rq(nTs)＝r(nTs)sin(W0nTs)；
其中，W0用于表示振元的角频率，其中2*pi/W0＝1/f，其中f为发射中心频率；
n为发射端对振元进行采样的采样序列；
Ts为发射端对振元进行采样的采样周期；
ri为发射端对振元进行采样的实部采样周期；
rq为发射端对振元进行采样的虚部采样周期；
E(nTs)为包络；
i用于表示幅度值；
q用于表示相位值。
优选的，云平台超声成像系统，其中，还包括：
第一吞吐量处理单元，分别与数据处理服务器和每个探头连接，用于根据一第一吞吐量需求并依照预设吞吐量计算公式对设置在通信芯片进行参数更改，使得通信芯片满足第一吞吐量需求。
优选的，云平台超声成像系统，其中，数据处理服务器采用DAS方法对压缩数据进行波束形成。
优选的，云平台超声成像系统，其中，还包括：
第二吞吐量处理单元，分别与数据处理服务器和图像处理服务器连接，用于根据第二吞吐量需求对设置在数据处理服务器和图像处理服务器之间的通信模块进行参数更改，使得通信模块满足第二吞吐量需求。
优选的，云平台超声成像系统，其中，预设吞吐量计算公式如下所示：
其中，TPS用于表示第一吞吐量需求；
F用于表示探头的帧率；
P用于表示探头的采样精度；
D用于表示探头的探测深度；
fs用于表示探头的采样频率；
V用于表示探头的声速；
C用于表示探头的最大通道数；
N用于表示探头中的所有振元的数量。
优选的，云平台超声成像系统，其中，第一吞吐量需求小于1Gbps。
优选的，云平台超声成像系统，其中，第二吞吐量需求小于1Gbps。
优选的，云平台超声成像系统，其中，数据处理服务器和图像处理服务器通过光纤连接。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：通过探头直接获取得到每个振元的超声数据，并将压缩后的超声数据传输到数据处理服务器，使得数据处理服务器根据超声数据进行波束形成，并通过图像处理服务器对波束形成后的波束数据进行图像处理，最后使得显示终端显示图像处理服务器进行图像处理形成的波束图像，从而去除本地主机，以及减少本地服务器的计算量；
以及通过第一吞吐量处理单元实现本地的探头与云端的数据处理服务器之间的数据传输，进而减少数据传输的丢失率，以及增加数据传输的速率。
附图说明
参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为本发明云平台超声成像系统的实施例的探头的结构示意图一；
图2为本发明云平台超声成像系统的实施例的结构示意图；
图3为本发明云平台超声成像系统的实施例的探头的结构示意图二；
图4为本发明云平台超声成像系统的实施例的时域滤波器效果图
图5为本发明云平台超声成像系统的实施例的频域滤波器效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明包括一种云平台超声成像系统，如图2所示，包括：
多个探头1，探头1中设置有多个振元11，探头1根据一控制参数控制每个振元11的发送回波信号的时间顺序，以及根据时间顺序获取接收所有振元11的回波信号，并对所有回波信号进行处理，以得到每个振元11的超声数据，随后将每个振元11的超声数据依次进行压缩处理，以得到一压缩数据；
数据处理服务器2，与每个探头1连接，用于根据控制参数对压缩数据进行波束形成，以得到波束数据；
图像处理服务器3，与数据处理服务器2连接，用于获取波束数据，并根据波束数据进行图像拉取处理，以得到波束图像；
多个显示终端4，每个显示终端4与图像处理服务器3连接，用于获取并显示波束图像。
在上述实施例中，通过设置在本地探头1可以直接获取得到每个振元11的超声数据，并将压缩后的超声数据传输到云端的数据处理服务器2，使得数据处理服务器2根据超声数据进行波束形成，并通过设置在云端的图像处理服务器3对波束形成后的波束数据进行图像处理，最后使得显示终端4显示图像处理服务器3进行图像处理形成的波束图像，从而将波束形成和图像处理都转移到云端的数据处理服务器2和图像处理服务器3，以减少本地服务器的计算量，进而去除本地的主机；
在上述实施例中，显示终端4和探头1可以设置同一处，也可以设置在不同的地方。
在上述实施例中，显示终端4可以获取每个振元11的唯一标识，并且选择对应的唯一标识，以根据选择的唯一标识获取对应振元11的波束图像。
在上述实施例中，数据处理服务器2根据当前的扫查配置(扫查配置为探头1中的控制参数)对超声数据进行波束形成。
例如，数据处理服务器2可以根据探头1中的控制参数中的深度进行加窗处理、噪声抑制和接收变迹象等方式对压缩数据进行波束形成。
其中，变迹窗可以为：windows＝triang(ck)*ak+i/bk；
ck用于表示三角变迹窗口的长度，可以为32；
ak为配置系数，可以为127.9；
bk为配置系数，可以为1.2。
汉宁窗可以为k＝40阶，滤波器可以设计为fir1(k-1,lp,'low',Window)；
fir1用于表示fir滤波；
low用于表示低通滤波；
k用于表示阶数为汉宁窗的阶数；
lp用于表示窗函数的长度，其中窗函数的长度等于FIR滤波器系数个数。
本实施例的时域滤波器效果图如图4所示，横坐标为采样点序列，纵坐标为振幅；
本实施例的频域滤波器效果图如图5所示，横坐标为归一化频率，纵坐标为频率分量幅值。
通过图4-5所示，数据处理服务器2中的滤波器可以达到中心阵元能量最大化，同时降低旁瓣能量。
作为优选的实施方式，医生可以手持探头1对病人进行超声波的发射和接收处理，以得到压缩数据；随后探头1通过设置在探头1内部的通信芯片14将压缩数据传递给云端的数据处理服务器2，数据处理服务器2对压缩数据进行波束形成，以得到波束数据，接着云端的图像处理服务器3对波束数据进行图像处理，以得到波束图像，最后将波束图像通过通信模块传输到显示终端4，从而使得波束图像最终展现在显示终端4上，其中，显示终端4可以设置为移动设备，例如，显示终端可以为手机、平板电脑等；
其中，显示终端4也可以为电脑。
在上述实施方式中，可以快速实现对病人的超声波成像，并且实现探头1和显示终端4的手持化，从而使得医生可以便携地使用超声成像系统，进而方便医生等操作人员的使用。
进一步地，在上述实施例中，如图1所示，探头1包括：
发射端12，连接至少一个振元11，用于根据时间顺序接收并将每个振元11的回波信号进行发送；
接收端13，连接发射端12，用于接收发射端12发射的回波信号，并将回波信号进行处理，以得到回波离散信号；
处理芯片14，连接接收端13，并给接收端13下发控制参数，使得与接收端13连接的发射端12根据控制参数控制每个振元11的触发回波信号的时间，并接收和处理回波离散信号，以得到每个振元11的超声数据，并将超声数据进行压缩，以得到压缩数据；
通信芯片15，分别与处理芯片14和数据处理服务器2连接，用于接收并将压缩数据发送给数据处理服务器2。
在上述实施例中，首先处理芯片14给接收端13下发控制参数，使得与接收端13连接的发射端12根据控制参数控制每个振元11的触发回波信号的时间；
随后每个振元11根据对应的触发回波信号的时间，发射出发射信号，并接收与发射信号相关联的回波信号；
接着发射端12根据时间顺序对每个振元11的回波信号进行采样处理，以得到采样后的回波信号；
接收端13接收发射端12进行采样后的回波信号，并将采样后的回波信号进行处理(例如，接收端13可以为将采样后的回波信号完成数字化处理)，以得到回波离散信号；
处理芯片14接收回波离散信号，并对根据下述公式(1)和(2)回波离散信号进行正交解调，随后根据下述公式(3)得到每个振元11的超声数据，超声数据包括振元11的幅度值和相位值，最后将上述超声数据进行压缩，以得到压缩数据；
ri(nTs)＝r(nTs)cos(W0nTs)； (1)
rq(nTs)＝r(nTs)sin(W0nTs)； (2)
其中，上述公式(1)-(3)中，W0用于表示振元11的角频率，其中2*pi/W0＝1/f，其中f为发射中心频率；
n为对每个振元11进行采样的采样序列；
Ts为采样周期；
ri为实部采样周期；
rq为虚部采样周期；
E(nTs)为包络；
i用于表示幅度值；
q用于表示相位值。
作为优选的实施方式，如图3所示，其中处理芯片14(其中，处理芯片14可以是超声时序控制总架构，US_timing)，并且处理芯片14是FPGA项目的主框架。其中，超声信号通过处理芯片14控制发射端12(其中，发射端12可以采用HDL6M5584芯片)、高压控制模块16、配置模块17和时间增益补偿模块18实现超声信号激发，激发后的超声信号在传播过程中产生回波，经过换能器后到接收端13(其中接收端13可以采用AD9273)进行数模转换(其中，数模转换之后的数据传输协议为LVDS差分信号格式)，进行数模转换后的超声信号经过解串模块19(其中，解串模块19可以为De-serial模块)进行串转并，然后将超声信号输入到解调模块20(demodulation)中进行解调操作，最后将解调之后的超声信号放置到内存控制模块21(其中，内存控制模块21可以采用RAM)中，在满足一帧数据之后，通过signal拉高信号让通信芯片15(其中，通信芯片15可以为CYW54907芯片)读走数据。
作为优选的实施方式，发射端12和接收端13的通道均可以为8通道。
进一步地，在上述实施例中，还包括：
第一吞吐量处理单元，分别与数据处理服务器2和每个探头1连接，用于根据一第一吞吐量需求并依照预设吞吐量计算公式对设置在通信芯片15进行参数更改，使得通信芯片15满足第一吞吐量需求。
在上述实施例中，由于设置在本地的探头1和设置在云端的数据处理服务器2之间进行通讯传递时，会存在数据传输缓慢和数据易丢失的缺点，因此本实施例通过第一吞吐量处理单元实现本地的探头1与云端的数据处理服务器2之间的数据传输，进而减少数据传输的丢失率，以及提高数据传输的速率。
在上述实施例中，通信芯片15可以采用为WIFI、4G或5G等通信协议。
进一步地，在上述实施例中，数据处理服务器2采用DAS方法对压缩数据进行波束形成。
进一步地，在上述实施例中，还包括：
第二吞吐量处理单元，分别与数据处理服务器2和图像处理服务器3连接，用于根据第二吞吐量需求对设置在数据处理服务器2和图像处理服务器3之间的通信模块进行参数更改，使得通信模块满足第二吞吐量需求。
在上述实施例中，通过第二吞吐量处理单元实现云端的数据处理服务器2和图像处理服务器3之间的数据传输，进而进一步减少数据传输的丢失率，以及提高数据传输的速率。
进一步地，在上述实施例中，预设吞吐量计算公式如下所示：
其中，在上述公式(4)中，TPS用于表示第一吞吐量需求；
F用于表示探头1的帧率；
P用于表示探头1的采样精度；
D用于表示探头1的探测深度；
fs用于表示探头1的采样频率；
V用于表示探头1的声速；
C用于表示探头1的最大通道数；
N用于表示探头1中的所有振元11的数量。
在上述实施例中，根据不同的吞吐量需求，可以对上述参数进行调整，使得得到的吞吐量满足第一吞吐量需求。
进一步地，在上述实施例中，第一吞吐量需求小于1Gbps。
进一步地，在上述实施例中，第二吞吐量需求小于1Gbps。
在上述实施例中，数据处理服务器2与图像处理服务器3之间通过光纤连接，其中数据处理服务器2与图像处理服务器3之间的第二吞吐量需求小于1Gbps，在时延允许的范围之内。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种云平台超声成像系统，其特征在于，包括：
多个探头，所述探头中设置有多个振元，所述探头根据一控制参数控制每个所述振元的发送回波信号的时间顺序，以及根据所述时间顺序获取接收所有所述振元的回波信号，并对所有所述回波信号进行处理，以得到每个所述振元的超声数据，随后将每个所述振元的所述超声数据依次进行压缩处理，以得到一压缩数据；
数据处理服务器，与每个所述探头连接，用于根据所述控制参数对所述压缩数据进行波束形成，以得到波束数据；
图像处理服务器，与所述数据处理服务器连接，用于获取所述波束数据，并根据所述波束数据进行图像拉取处理，以得到波束图像；
多个显示终端，每个所述显示终端与所述图像处理服务器连接，用于获取并显示所述波束图像；
所述探头包括：
发射端，连接至少一个所述振元，用于根据所述时间顺序接收并将每个所述振元的回波信号进行发送；
接收端，连接所述发射端，用于接收所述发射端发射的所述回波信号，并将所述回波信号进行处理，以得到回波离散信号；
处理芯片，连接所述接收端，并给所述接收端下发所述控制参数，使得与所述接收端连接的所述发射端根据所述控制参数控制每个所述振元的触发所述回波信号的时间，并接收和处理所述回波离散信号，以得到每个所述振元的超声数据，并将所述超声数据进行压缩，以得到所述压缩数据；
通信芯片，分别与所述处理芯片和所述数据处理服务器连接，用于接收并将所述压缩数据发送给所述数据处理服务器；
所述处理芯片根据下述公式得到每个所述振元的所述超声数据，所述超声数据包括所述振元的幅度值和相位值；
ri(nTs)＝r(nTs)cos(W0nTs)；
rq(nTs)＝r(nTs)sin(W0nTs)；
其中，W0用于表示所述振元的角频率，其中2*pi/W0＝1/f，其中f为发射中心频率；
n为所述发射端对所述振元进行采样的采样序列；
Ts为所述发射端对所述振元进行采样的采样周期；
ri为所述发射端对所述振元进行采样的实部采样周期；
rq为所述发射端对所述振元进行采样的虚部采样周期；
E(nTs)为包络；
i用于表示所述幅度值；
q用于表示所述相位值。
2.如权利要求1所述的云平台超声成像系统，其特征在于，还包括：
第一吞吐量处理单元，分别与所述数据处理服务器和每个所述探头连接，用于根据一第一吞吐量需求并依照预设吞吐量计算公式对设置在所述通信芯片进行参数更改，使得所述通信芯片满足所述第一吞吐量需求。
3.如权利要求1所述的云平台超声成像系统，其特征在于，所述数据处理服务器采用DAS方法对所述压缩数据进行波束形成。
4.如权利要求1所述的云平台超声成像系统，其特征在于，还包括：
第二吞吐量处理单元，分别与所述数据处理服务器和所述图像处理服务器连接，用于根据第二吞吐量需求对设置在所述数据处理服务器和所述图像处理服务器之间的通信模块进行参数更改，使得所述通信模块满足所述第二吞吐量需求。
5.如权利要求2所述的云平台超声成像系统，其特征在于，所述预设吞吐量计算公式如下所示：
其中，TPS用于表示所述第一吞吐量需求；
F用于表示所述探头的帧率；
P用于表示所述探头的采样精度；
D用于表示所述探头的探测深度；
fs用于表示所述探头的采样频率；
V用于表示所述探头的声速；
C用于表示所述探头的最大通道数；
N用于表示所述探头中的所有所述振元的数量。
6.如权利要求2所述的云平台超声成像系统，其特征在于，所述第一吞吐量需求小于1Gbps。
7.如权利要求4所述的云平台超声成像系统，其特征在于，所述第二吞吐量需求小于1Gbps。
8.如权利要求1所述的云平台超声成像系统，其特征在于，所述数据处理服务器和所述图像处理服务器通过光纤连接。
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