基于精簡硬件的超聲成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利屬于醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及用于超聲成像技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的超聲成像系統(tǒng)產(chǎn)品，也即目前市場上絕大多數(shù)產(chǎn)品，均為針對組織的回聲特性成像，由此衍生出B模式，多普勒模式，M模式等等。這些產(chǎn)品在機理上亦基本相同，及通過聲學(xué)聚焦形成聚焦發(fā)射波束，對每個發(fā)射波束收到的回聲用硬件進(jìn)行接收合成，形成成像平面里的一條線。如此以一定步長依次掃過成像區(qū)域，將收到的這些接收波束合成形成的線組裝或者重建，提取回聲信號包絡(luò)線后形成二維圖片。
[0003]以上的成像機理決定了傳統(tǒng)成像技術(shù)的以下缺點:
[0004]1.硬件臃腫僵硬，價格昂貴。一個典型的超聲機的結(jié)構(gòu)由發(fā)射控制器、發(fā)射波束合成芯片、發(fā)射驅(qū)動電路、發(fā)射接收開關(guān)、接收信號放大轉(zhuǎn)換電路、接收波束合成芯片，圖像重建DSP、圖像中處理DSP、以及用于圖像后處理的計算機系統(tǒng)組成，在硬件上由于以上成像機理帶有很多處理功能，大量數(shù)據(jù)在硬件中被處理并提取信息。
[0005]2.另一方面計算機收到的已經(jīng)是高度處理過的數(shù)據(jù)，不能根據(jù)原始數(shù)據(jù)進(jìn)一步獲得有用信息。不能實時得到原始數(shù)據(jù)，從而不能在軟件上利用聲學(xué)上更精確的計算提高圖像質(zhì)量，例如市場上同是64通道的便攜超聲，由于硬件構(gòu)架類似圖像質(zhì)量并無明顯差別。另外傳統(tǒng)的硬件構(gòu)架不能根據(jù)原始數(shù)據(jù)對組織的其他特性，如彈性，聲光特性等成像。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本專利采用只包含超聲脈沖發(fā)射電路、接收電路和信號發(fā)送電路的精簡硬件結(jié)構(gòu)，利用通用PC機上的GPU作為主要的計算單元，用軟件實現(xiàn)波束合成和圖像重建。
[0007]本專利的第一個目的是通過采用精簡硬件的結(jié)構(gòu)，使得超聲成像系統(tǒng)在同等通道數(shù)、采樣率、和數(shù)模轉(zhuǎn)換位數(shù)等配置的條件下大幅降低硬件成本。本專利提出的方法是采取新的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)計算構(gòu)架，并解決新構(gòu)架產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。
[0008]本專利的第二個目的是通過精簡硬件平臺，讓計算機可以直接控制超聲波束的發(fā)射序列，同時直接獲得超聲換能器陣列的原始數(shù)據(jù)，從而獲得實現(xiàn)更多功能的能力，例如聲光成像、熱聲成像、合成孔徑成像等傳統(tǒng)構(gòu)架無法實時實現(xiàn)的功能。
【附圖說明】
[0009]圖1是傳統(tǒng)超聲成像系統(tǒng)構(gòu)架的示意
[0010]圖2是精簡硬件的構(gòu)架示意
[0011]圖3是GPU軟件波束合成算法不意
[0012]圖4是超聲原始數(shù)據(jù)壓縮和解壓示意
[0013]圖5是超聲平面波發(fā)生方式示意
【具體實施方式】
[0014]圖1是供對比的傳統(tǒng)超聲成像系統(tǒng)構(gòu)架。圖2是本專利實施例的結(jié)構(gòu)圖。它具有超聲換能器陣列1，脈沖發(fā)射電路2，發(fā)射接收開關(guān)3，發(fā)射控制芯片4，信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5，數(shù)據(jù)采集和壓縮芯片6，USB數(shù)據(jù)連接7，計算機8以及計算機中的GPU圖形處理器9等幾個部份。
[0015]工作時由計算機8上的軟件發(fā)出控制信號，通過USB數(shù)據(jù)連接7發(fā)送到發(fā)射控制芯片4，產(chǎn)生多通道，如128通道的脈沖信號，驅(qū)動脈沖發(fā)射電路2產(chǎn)生多路脈沖傳送到超聲換能器陣列1，產(chǎn)生指定的超聲波。由于本構(gòu)架在接收端有很強的數(shù)據(jù)處理能力，發(fā)射部分可以不需要復(fù)雜的發(fā)射波束合成，而只有簡單的平面波發(fā)射，如圖5所示意?？梢援a(chǎn)生多通道延遲相同或延遲等長的驅(qū)動信號，用簡單芯片如CPLD就可實現(xiàn)，避免使用傳統(tǒng)設(shè)計中的復(fù)雜的發(fā)射波束合成芯片。
[0016]超聲波發(fā)射后，同樣由超聲換能器陣列I接收反射和散射信號，由信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路5將信號放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再發(fā)送給數(shù)據(jù)采集和壓縮芯片6.數(shù)字信號在數(shù)據(jù)采集和壓縮芯片6中被組裝成數(shù)據(jù)包，然后用圖4中示意的超聲數(shù)據(jù)壓縮方法無損壓縮成更小的數(shù)據(jù)包，通過USB連接7發(fā)送到計算機8。然后由計算機8上的軟件調(diào)用計算線程，在GPU圖形處理器9上完成軟件波束合成計算，產(chǎn)生超聲圖像。
[0017]根據(jù)平面波接收信號產(chǎn)生圖像的方式如圖3。不同于傳統(tǒng)CPU的計算方式，可以從成像平面的每個點建立GPU內(nèi)部線程，然后在GPU中這些線程可以并行計算，在成像平面每個點重建出波束合成后的線束回聲信號。一般波束合成的方法為提高時間分辨率，需要對信號進(jìn)行4倍甚至更高的插值，增加計算量。本專利采用4點波束合成方法，即信號采樣率控制為超聲信號中心頻率的4倍，在波束合成時不需插值，而是采用隔點提取方法獲得波束合成后的正交解調(diào)信號分量，經(jīng)包絡(luò)線提取后形成圖像。
[0018]圖4中的針對超聲信號特點的無損壓縮方法是整個系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵。由于超聲原始信號較大，在64通道接收的情況下不壓縮就難以用USB這樣的經(jīng)濟、通用的連接方式實時發(fā)送。用常用的數(shù)據(jù)壓縮算法又計算量太大，難以用便宜的硬件和軟件解決壓縮和解壓的實時性。圖4的方法很好地解決了以上問題，使得整個構(gòu)架設(shè)計現(xiàn)實可行。其具體原理為，超聲信號進(jìn)入人體或動物組織后以指數(shù)規(guī)律衰減，一般為0.3dB/厘米/MHz。因此信號動態(tài)范圍很大，在近場的信號幅值很大，遠(yuǎn)場則很小。假設(shè)近場信號模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號有12位，遠(yuǎn)場5厘米以外則往往只需要4到5位。這樣寄存器的高位部分就沒有得到利用。圖4中可以將通道I采集的信號12和通道2采集的信號13，根據(jù)它們指數(shù)衰減的特點倒置組裝，用原來I個通道的同樣的數(shù)據(jù)量包含2個通道的信號，即完成了數(shù)據(jù)50%的無損壓縮。這樣實現(xiàn)的關(guān)鍵是放棄通用的補碼方法，不將最高位用作符號位，而將定義的界線14處字節(jié)定義為符號位，離開界線14的方向?qū)?shù)據(jù)按照補碼定義。
[0019]這樣的精簡硬件構(gòu)架不但經(jīng)濟地實現(xiàn)了超聲成像系統(tǒng)，而且由計算機直接控制換能器陣列的波束發(fā)射序列，而且獲得前端最原始的信號，可以用多種波束合成方式成像以獲得優(yōu)異圖像質(zhì)量，同時便于實現(xiàn)發(fā)射序列和接收波束合成和傳統(tǒng)成像方式有差異的聲光成像、熱聲成像、彈性成像等其它功能。
【主權(quán)項】
1.一種用于醫(yī)學(xué)超聲成像的硬軟件系統(tǒng)，由超聲換能器陣列，脈沖發(fā)射電路，發(fā)射接收開關(guān)，發(fā)射控制芯片，信號放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，數(shù)據(jù)采集和壓縮芯片，USB數(shù)據(jù)連接，計算機以及計算機中的GPU圖形處理器等幾個部份等組成。其特征在于所述系統(tǒng)的信號接收部分沒有硬件波束合成電路，超聲圖像由計算機協(xié)同GPU圖形處理器協(xié)同以軟件計算完成波束合成。2.如權(quán)利I所述的醫(yī)學(xué)超聲成像的硬軟件系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步在其中實現(xiàn)超聲數(shù)據(jù)的倒置組裝形式的無損壓縮和解壓，以使得超聲數(shù)據(jù)采集部分的硬件可以用低速通訊方式將原始數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機。3.如權(quán)利I所述的醫(yī)學(xué)超聲成像的硬軟件系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步在其中實現(xiàn)四點波束合成算法，取消對原始信號的插值計算。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于精簡硬件的超聲成像系統(tǒng)，采用只包含超聲脈沖發(fā)射電路、接收電路和信號發(fā)送電路的精簡硬件結(jié)構(gòu)，利用通用計算機機上的GPU作為主要的計算單元，用軟件實現(xiàn)波束合成和圖像重建。通過采用精簡硬件的結(jié)構(gòu)，并解決新構(gòu)架產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，使得超聲成像系統(tǒng)在同等通道數(shù)、采樣率、和數(shù)模轉(zhuǎn)換位數(shù)等配置的條件下大幅降低硬件成本，讓計算機可以直接控制超聲波束的發(fā)射序列，同時直接獲得超聲換能器陣列的原始數(shù)據(jù)，從而獲得實現(xiàn)更多成像功能的能力。
【IPC分類】A61B8/00
【公開號】CN105559819
【申請?zhí)枴緾N201410631184
【發(fā)明人】譚偉
【申請人】譚偉
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2014年11月11日