專利名稱：基于延時參數(shù)實時計算和流水線的多波束合成方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多波束合成方法和裝置，尤其涉及一種基于延時參數(shù)實時計算和 流水線的多波束合成方法和裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代超聲成像由于大量采用雷達中的先進技術(shù)以及數(shù)字信號處理和圖像處理技 術(shù)而使得超聲成像的質(zhì)量大幅度提高。但是很多技術(shù)的采用都會以犧牲掃描速度為代價。 比如空間復(fù)合成像技術(shù)，需要多幀不同角度掃描的圖像合成最終的圖像；反相組織諧波技 術(shù)需要疊加兩幀不同發(fā)射脈沖極性得到的圖像獲得組織的諧波圖像；合成孔徑技術(shù)更是需 要多幀圖像的疊加來實現(xiàn)發(fā)射和接收的逐點聚焦?，F(xiàn)代彩超由于需要很高的發(fā)射脈沖頻率 來提取血流信號，因此使得獲得二維B超圖像的時間大大減少，也會導(dǎo)致幀頻明顯降低。由 于臨床上觀察人體內(nèi)的器官運動需要快速的圖像更新，幀頻的大幅度降低將使得B超圖像 無法應(yīng)用于心臟診斷。多波束技術(shù)可以彌補這些技術(shù)導(dǎo)致的B超圖像幀頻降低。比起常規(guī)的掃描方式， 多波束技術(shù)可以在一次脈沖發(fā)射過程中同時形成M條接受回波(M通常是2到16)，因此使 得幀頻提高了 M倍。但是，實現(xiàn)多波束技術(shù)卻是一個技術(shù)難題。單波束合成為了技術(shù)上的可 實現(xiàn)性以及成本考慮，都采用預(yù)先存儲聚焦參數(shù)的做法實現(xiàn)接收的動態(tài)聚焦。這樣對于常 規(guī)的應(yīng)用，如單元芯片中包含16通道，采樣頻率40MHz，深度25厘米的情況，存儲所有掃描 線的聚焦參數(shù)需要大約400k字節(jié)以上的存儲空間。如果考慮到奇偶線的差別，存儲空間要 到800k以上。如果按照重復(fù)單波束的方案實現(xiàn)多波束，比如四波束，存儲所有的聚焦參數(shù) 需要外掛2M字節(jié)的存儲器。同時對FPGA的資源需求也會由于成幾倍的增加而無法實現(xiàn)。 本發(fā)明的意義在于采用了流水線作業(yè)方式實時計算波束合成所需要的信號延時，需要存儲 的聚焦參數(shù)只是很少的和孔徑相關(guān)以及和掃描線方向相關(guān)的參數(shù)。這樣每一路回波信號， 假設(shè)一次合成4個波束，只需要大約160個字節(jié)來存儲所有聚焦參數(shù)?？紤]到沿掃描線設(shè) 置64個變權(quán)點的加權(quán)值，每一個加權(quán)值一個字節(jié)，對于16個通道加權(quán)參數(shù)需要lk字節(jié)的 存儲量，這樣對于一路回波同時合成四路波束，需要存儲的參數(shù)只有1184個字節(jié)。256條掃 描線需要存儲的數(shù)據(jù)為296k字節(jié)。由于多波束技術(shù)對于提高B超圖像的幀頻和圖像質(zhì)量有著至關(guān)重要的意義，引起 了超聲成像領(lǐng)域的廣泛的關(guān)注，產(chǎn)生了很多設(shè)計方案和專利。在眾多的有關(guān)波束合成專利 中，可以根據(jù)聚焦延時參數(shù)是事先計算好存儲的還是實時計算的大致分為兩類。早期的單 波束合成階段，大都采用存儲事先算好的延時參數(shù)的方法。為了減少參數(shù)占用存儲器的數(shù) 量，基本上都是采用存儲初值和增量相結(jié)合的方法。延時的初值通常做為粗延時(即延時 以采樣時鐘周期為單位)，而精度高于一個采樣時鐘周期的延時用增量‘0’和‘1’來表示， 細延時的單位通常取一個采樣周期的四分之一到八分之一。這樣每一個通道在不同深度的 焦點處的延時參數(shù)實際上就是1個bit的數(shù)據(jù)流。但是，由于實現(xiàn)動態(tài)聚焦的焦點數(shù)目可以 達到一千甚至幾千個，所以對于存儲器的容量要求仍然很大。為了減少對于存儲器容量要求和FPGA資源占用，多波束技術(shù)中廣泛采用對延時參數(shù)進行實時計算以及分時復(fù)用技術(shù)。美國專利US5905692(
公開日期1999年5月18日，對應(yīng)中國專利98812777. 6，公 開日期2001年2月7日)給出的方案提出了采用分時復(fù)用的方式實現(xiàn)多波束合成，但是， 該專利沒有涉及如何產(chǎn)生延時參數(shù)。美國專利US6123671 (
公開日期1998年12月31日)給出一種基于C0RDIC算法 的實時延時參數(shù)和變跡系數(shù)計算裝置。該裝置計算延時參數(shù)是基于陣元的x，z坐標以及焦 點的X，z坐標。因此可以適用于任意形狀的探頭。但是，由于需要同時存儲陣元坐標和焦 點坐標，需要的存儲量同樣很大，如果計算每一焦點坐標又會使得計算過于復(fù)雜，占用FPGA 資源過多。該方案還對同一芯片上的所有16個通道分時復(fù)用延時計算裝置，因而，只能達 到每通道2. 5MHz的計算頻率。這對某些應(yīng)用精度偏低。美國專利US7508737B1(
公開日期2009年3月24日)給出一種多個接收通道分 時復(fù)用同一個延時控制的方案，其采用低通濾波器實現(xiàn)插值運算，可以把插值運算放在各 路信號求和之后實現(xiàn)，因此可以有效節(jié)約硬件資源。但是，該專利沒有給出延時參數(shù)的實現(xiàn) 方法。美國專利US5469851(
公開日期1995年11月28日)給出了一種分時復(fù)用的相 控陣數(shù)字多波束合成器方案。該方案中把延時輸出分為兩組，主延時和鄰延時。鄰延時可 以基于主延時進行推算，從而簡化了設(shè)計。其延時的實現(xiàn)是用雙口 RAM，和寫計數(shù)器、讀計數(shù) 器來實現(xiàn)的。讀計數(shù)器根據(jù)延時控制進行停拍操作，實現(xiàn)延時變化。延時分為粗延時和細 延時。細延時通過選擇不同的濾波系數(shù)用6階低通濾波器實現(xiàn)。其延時參數(shù)的計算由另一 個專利US5522391給出，該專利采用遞推算法計算每一焦點處的延時。遞推算法最大問題 是容易引入累計誤差。專利200610021；344. 6(
公開日期2008年1月2日)和200610168851. 2 (
公開日期2008年6月11日)給出一種聚焦參數(shù)的實時計算方 法和裝置，該延時參數(shù)算法內(nèi)部包含有后級向前級的反饋，因此，延時參數(shù)的計算無法實現(xiàn) 流水線作業(yè)和分時復(fù)用。對于延時參數(shù)的實時計算，大致有三類算法。一類是直接計算，主要是根據(jù)陣元坐 標和焦點坐標來計算聲程，從而導(dǎo)出延時參數(shù)。第二類是采用近似算法，目的是克服直接計 算必須的開方運算，為了計算量的原因，一般也只能取一階近似或二階近似。第三類是采用 遞推算法，從一個已知的焦點延時推算下一個焦點延時。這三類算法中第一類需要較多的 硬件資源，對硬件速度要求也比較高。但是，隨著FPGA的發(fā)展，已經(jīng)越來越不是問題。第二 類算法采用近似計算往往精度有限，不能滿足聚焦精度的要求。第三類算法計算量最小，但 是會產(chǎn)生累計誤差，隨著焦點位置加深，誤差的積累，將會使得聚焦精度嚴重惡化。目前被廣泛使用的數(shù)字波束合成技術(shù)，主要是采用預(yù)存儲計算好的延時參數(shù)的方 法實現(xiàn)各接收通道信號的延時。該方法結(jié)構(gòu)簡單，但是需要在FPGA外掛較大的RAM。對于 單波束系統(tǒng)，這是一個合適的方案。但是，當用于多波束系統(tǒng)時，會因為外掛RAM的容量太 大，更新RAM內(nèi)容需要太長時間等問題而變得不適用。因此，在多波束系統(tǒng)的設(shè)計中，實時 計算延時參數(shù)被廣泛采用。實時計算延時參數(shù)需要的硬件資源多，尤其是考慮到不同幾何 形狀的探頭，設(shè)計方案將會變得非常復(fù)雜。圖1所示是一個典型的數(shù)字化波束合成超聲成像系統(tǒng)框圖。在控制單元80的控制
5下，發(fā)射單元30產(chǎn)生具有聚焦延時的一組脈沖到換能器陣列10。換能器陣列10把電脈沖 信號轉(zhuǎn)化為各陣元具有不同相位的超聲脈沖。聲脈沖按照預(yù)定相位安排在前進方向一點匯 聚，形成聚焦波束。換能器陣列10發(fā)射的聚焦波束經(jīng)過人體組織的反射，再由換能器陣列 10形成接收電信號。通常換能器陣列具有128或更多的換能器陣元，而接受的物理通道往 往小于換能器陣元數(shù)。陣元切換單元20對接收信號進行分組切換。被陣元切換選中的一 組陣元經(jīng)過20中的收/發(fā)開關(guān)，以抑制發(fā)射脈沖的進入，防止模擬通道的堵塞。然后送往 模擬前端和ADC模塊21。在模塊21中，接收的一組回波通過前置放大、時間增益(TGC)放 大最后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)。被數(shù)字化后的超聲回波信號被送入波束合成單元40，波束合 成單元的作用是對每一路回波信號動態(tài)的進行延時，經(jīng)過延時的信號進行相加運算，將一 組接收回波合成為一個波束稱之為一路掃描信號。由于是動態(tài)聚焦，波束合成單元40要對 每一個回波樣點計算延時量。因此波束合成單元需要外掛RAM存儲聚焦參數(shù)。經(jīng)過波束合 成后的一路掃描信號通過信號處理和圖像處理單元50，然后再通過數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換單元60， 形成光柵圖像。最后在控制器的控制下，經(jīng)過總線控制器和計算機總線將超聲圖像信號送 往計算機進行進一步的處理和顯示。圖2和圖3給出現(xiàn)有的波束合成單元原理框圖，其中圖2為一路回波的延時電路， 圖3是N路回波的波束合成電路。經(jīng)過模擬前端和ADC后的第i路回波在寫入控制邏輯42 控制下，由寫地址計數(shù)器43產(chǎn)生線性的寫入地址?；夭ㄐ盘杋被連續(xù)的寫入雙口 RAM 41 中。讀地址計數(shù)器46在開始時刻被置入一個初始計數(shù)值，稱為粗延時。粗延時代表第一個 被讀出的回波數(shù)據(jù)相對于寫入地址的偏移量，也是用采樣時鐘周期表示的第i路延時量的 整數(shù)部分。第i路信號延時量的小數(shù)部分也稱為細延時，也即小于一個采樣時鐘周期的部 分由插值電路45完成。其利用整數(shù)部分延時對應(yīng)的讀出數(shù)據(jù)和下一個數(shù)據(jù)插值得出兩者 中間的數(shù)據(jù)。插值系數(shù)由讀控制器47給出。每當細延時積累夠一個整延時單位時，意味著 讀出地址計數(shù)器要停止計數(shù)一次，稱為停拍。停拍的控制由讀控制器47根據(jù)延時參數(shù)產(chǎn)生 器44發(fā)出的延時參數(shù)決定。由于延時是需要時刻動態(tài)調(diào)整的，因此，延時參數(shù)產(chǎn)生器44必 須動態(tài)的從數(shù)據(jù)總線獲得數(shù)據(jù)，并將各路需要的延時參數(shù)分發(fā)到各路的讀控制器和寫控制
器o經(jīng)過延時控制的各路回波送入圖3的求和單元進行最后的波束合成。求和單元48 是多路信號加法器。以上的波束合成單元的特點是將延時參數(shù)事先算好進行存儲，然后在超聲回波處 理過程中動態(tài)的讀出這些參數(shù)并直接控制寫計數(shù)器和讀計數(shù)器以及插值運算單元。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種可適用于不同幾何形狀探頭，硬件資源占用 又可以接受的實時延時參數(shù)計算方法和裝置?？紤]到探頭的類型不同，本發(fā)明給出了一種 通用延時計算裝置。該裝置巧妙的利用了計算延時的參數(shù)中需要實時計算和不需要實時計 算的參數(shù)分離，與波束序號相關(guān)的參數(shù)以及無關(guān)參數(shù)的分離，設(shè)計出了只用簡單切換即可 適用不同類型探頭的實時延時計算單元。該計算單元采用流水線設(shè)計，M個波束的延時參 數(shù)以流水線方式在該計算單元中算出，然后對同一路回波數(shù)據(jù)存儲單元進行讀取，以實現(xiàn) 各波束的延時。大大減少了 FPGA中資源的消耗。本發(fā)明通過直接計算以獲得高的延時精度。為了解決硬件資源的過多占用問題，本發(fā)明采用了流水線設(shè)計，使得M個波束共用延時 參數(shù)計算單元，從而大大減少了硬件資源的消耗。本發(fā)明的一個特點是，將需要實時計算的 部分和不需要實時計算的部分分離，盡量將不需要實時計算的部分歸入輸入?yún)?shù)，以減少 實時計算工作量。另一個特點是，將和波束序號有關(guān)的部分與波束序號無關(guān)的部分分離，通 過兩個開關(guān)的切換使得延時參數(shù)單元可以應(yīng)用于凸陣探頭、線陣探頭以及相控陣探頭。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種基于延時參數(shù)實時計算和流水線的多波束合成方法，其至少有一個多波束合 成裝置，一個多波束合成裝置接受一個通道的超聲回波，同時為M個不同掃描角度或掃描 位置的波束產(chǎn)生相應(yīng)的信號延時，一個通道的超聲回波有M個不同掃描角度或掃描位置的 波束，其包括以下步驟A.每一個多波束合成裝置分別將接收到的回波信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；B.每一個多波束合成裝置分別將轉(zhuǎn)換后的回波數(shù)字信號線性的寫入RAM ；c.根據(jù)當前通道對應(yīng)的陣元參數(shù)以及焦點位置參數(shù)分時計算出同一通道內(nèi)M路 波束的延時參數(shù)，再換算成RAM的讀出地址；D.在一次寫周期的時間內(nèi)，按照計算出的讀出地址輪流從RAM中讀出經(jīng)過延時的 回波數(shù)據(jù)，產(chǎn)生M路延時信號輸出；E.將同一通道內(nèi)產(chǎn)生的M路延時信號輸出分時的通過一個插值單元和一個加權(quán) 單元，進行細延時和變跡操作，
F.將所有多波束合成裝置產(chǎn)生的第一個波束疊加為第一合成波束， 將所有多波束合成裝置產(chǎn)生的第二個波束疊加為第二合成波束，
將所有多波束合成裝置產(chǎn)生的第M個波束疊加為第M合成波束， 上述操作分時的在同一個求和單元流水線式完成；
G.輸出的M路波束信號仍然以分時復(fù)用的方式傳往下一級求和單元或進行信號 處理和圖像處理。
所述步驟C的延時參數(shù)計算公式為 (L- I.)
延時表示為。這里c是聲速，在人體組織中近似為1540m/s ；
(T - / )
延時換算成采樣脈沖單位…凸陣探頭=」(R+ L)2 +R2 ~2(R + L)Rcos(0i
線陣探頭￡,=^12+(而-xr)2
相控陣探頭:￡i = +L2-2x(Xcos(90° 一Gr)
其中t ,為延時參數(shù)；叫為采樣脈沖單位的延時參數(shù)；FS為采樣頻率；e r為接收 線和發(fā)射線的夾角；第i個陣元的極坐標為(e ” R)；在接收線上的焦點為F，其焦距為L ； li為從陣元i到焦點F的聲程；Xi為第i個陣元的坐標為掃描線坐標；e r為掃描線與 發(fā)射線的夾角。
7
本發(fā)明將輸入?yún)?shù)分為d)和探頭以及陣元在孔徑中的位置有關(guān)的參數(shù)，也即通道相關(guān)參數(shù)，這里記為X ；e)和掃描線方位角(凸陣探頭、相控陣探頭)或掃描線位置(線陣探頭)有關(guān)的 參數(shù)，也即波束相關(guān)參數(shù)，這里記為Y ；f)需要實時處理的參數(shù)，即焦點的焦距，這里記為L ；通道相關(guān)的參數(shù)X和實時參數(shù)L為公共計算部分，預(yù)先計算好后存貯起來；在公共 計算部分的計算輸出基礎(chǔ)上，根據(jù)輸入的和波束相關(guān)參數(shù)Y，計算和波束相關(guān)的參數(shù)。所述步驟A還包括通過隔直處理，濾除無用的低頻分量。所述的RAM讀出頻率是寫入頻率的M倍。—種基于延時參數(shù)實時計算和流水線的多波束合成方法的多波束合成裝置，其包 括模擬前端，所述模擬前端接受回波信號，所述模擬前端后依次連接有模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、隔直 處理模塊、寫入控制模塊、RAM、流水線方式的插值和加權(quán)單元以及流水線方式的通道求和 單元，其還包括流水線方式的實時延時參數(shù)計算單元，所述流水線方式的實時延時計算單 元輪流接受M個波束的輸入?yún)?shù)，并計算出對應(yīng)的延時參數(shù)，再換算成雙端口 RAM的讀出地 址，所述流水線方式的實時延時計算單元后依次連接有地址計算單元、行波計數(shù)器、讀出控 制模塊，所述讀出控制模塊分別連接控制所述RAM和所述流水線方式的插值和加權(quán)單元， 控制回波信號的讀出。所述流水線方式的實時延時計算單元分為公共計算部分A，和波束相關(guān)的計算部 分B，兩部分組成；A部分處理通道相關(guān)的參數(shù)X和實時參數(shù)L ；B部分在A部分的計算輸出 基礎(chǔ)上，根據(jù)輸入的和波束相關(guān)參數(shù)Y，計算和波束相關(guān)的部分；所述流水線方式的實時延時計算單元有控制信號C1和C2，所述輸入?yún)?shù)X、Y根 據(jù)探頭種類不同按照下面表格進行配置 本發(fā)明RAM的一種優(yōu)選方案為所述RAM為雙端口 RAM，所述雙端口 RAM讀出頻率 是寫入頻率的M倍，對于波束數(shù)目為M的多波束合成系統(tǒng)中，對應(yīng)每一個寫入數(shù)據(jù)，實時地 址計算單元都會根據(jù)實時延時參數(shù)計算單元的M個輸出計算出M個對應(yīng)讀出地址，并從雙 口 RAM中按照這些地址讀出M個數(shù)據(jù)。本發(fā)明RAM的另一種優(yōu)選方案為所述RAM為三端口 RAM，所述三端口 RAM讀出頻 率是寫入頻率的M倍，對于波束數(shù)目為2 XM的多波束合成系統(tǒng)中，對應(yīng)每一個寫入數(shù)據(jù)，實 時地址計算單元都會根據(jù)實時延時參數(shù)計算單元的2XM個輸出計算出2XM個對應(yīng)讀出地 址，并分別從三端口 RAM的兩個讀出端口中按照這些地址讀出2XM個數(shù)據(jù)。本發(fā)明提供的方法和方案完全采用流水 方式工作，巧妙的通過模式控制和輸入?yún)?shù)配置，使得延時參數(shù)設(shè)計單元可以適用于凸陣、線陣和相控陣探頭。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)數(shù)字化波束合成超聲成像系統(tǒng)示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)一路回波信號的動態(tài)延時電路示意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)N路經(jīng)過動態(tài)延時的回波疊加示意圖；圖4為本發(fā)明延時參數(shù)實時計算的波束合成方案示意圖；圖5為本發(fā)明多波束合成的疊加方案示意圖；圖6為本發(fā)明分時復(fù)用的多波束合成方案示意圖；圖7為本發(fā)明凸陣探頭延時計算的幾何圖形示意圖；圖8為本發(fā)明線陣探頭延時計算的幾何圖形示意圖；圖9為本發(fā)明相控陣探頭延時計算的幾何圖形示意圖；圖10為本發(fā)明延時參數(shù)計算單元示意圖；圖11為本發(fā)明采用并行方式的四波束延時參數(shù)計算單元示意圖；圖12為本發(fā)明采用流水線方式的四波束延時參數(shù)計算單元示意圖；圖13為本發(fā)明延時計算單元的四波束合成器示意圖；圖14為本發(fā)明實時延時參數(shù)計算的多波束系統(tǒng)框圖。
具體實施例方式下面根據(jù)附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明圖4和圖5給出了本發(fā)明所采用的波束合成方案。在圖4中由收/發(fā)開關(guān)出來的 回波信號先經(jīng)過模擬前端200和模數(shù)轉(zhuǎn)換器300變成數(shù)字信號。然后通過隔直處理單元 400，濾除低頻分量，寫入控制單元500將回波信號線性的寫入雙端口 RAM 501，重要的區(qū)別 在于，在圖4中增加了延時參數(shù)計算單元600。延時計算單元根據(jù)當前通道對應(yīng)的陣元參數(shù) 以及焦點位置參數(shù)實時計算出延時量，用來控制讀出操作以及插值運算。對于M路的波束 合成，M路的延時參數(shù)分時的由延時參數(shù)計算單元600計算出來，然后輪流從雙口 RAM 501 中讀出經(jīng)過延時的回波數(shù)據(jù)，回波數(shù)據(jù)可以通過1-4的分配器分別送給四個插值單元和加 權(quán)單元，進行細延時以及變跡(apodization)操作。每一路回波經(jīng)過延時控制電路后都產(chǎn) 生M路的延時信號輸出。在圖4中以典型的4路輸出給出實例。每一路回波的四路輸出分 別送給圖5中的求和單元901、902、903、904。延時回波i_l表示第i路回波的第一個波束， 延時回波i_2表示第i路回波的第二個波束，以此類推。將所有路回波的第一個波束疊加， 產(chǎn)生出第一個合成波束。將所有路回波的第二個波束疊加，產(chǎn)生出第二個合成波束。以此 類推。圖4和圖5中雙口 RAM出來的數(shù)據(jù)分為四路，只是為了便于說明多波束概念。實 際實現(xiàn)時，更好的選擇是將插值和加權(quán)以及各路回波求和部分全部采用分時復(fù)用，以最大 限度的減少硬件資源占用，如圖6所示。圖6與圖4的不同在于在多路延時回波信號從雙 口 RAM 501讀出后，不再分為四路分別處理，而是分時的通過一個插值單元701和加權(quán)單元 801，最后的波束求和也是通過一個公共的求和單元901完成。以上方案最重要的是實現(xiàn)延時計算單元。下面的描述主要圍繞如何實現(xiàn)延時參數(shù)的實時計算。圖7給出凸陣換能器延時參數(shù)計算的幾何示意圖。圖中發(fā)射線(也即發(fā)射波 束的中心線)居于孔徑中心，多波束接收的不同就是接收線(接收波束的中心線)不一定 和發(fā)射線重合。這里假定接收線和發(fā)射線的夾角是、，第i個陣元的極坐標為(e^R)。 在接收線上的焦點為F，其焦距為L。根據(jù)余弦定理，下面的公式給出從陣元i到焦點F的 聲程計算公式 延時表示為巧= ￡i>
c這里c是聲速，在人體組織中近似為1540m/s ；延時換算成采樣脈沖單位…
C計算延時主要就是計算1”在計算li的公式里，包含三類參數(shù)1.探頭有關(guān)參數(shù)R，eji = 1 :N;N為孔徑中陣元個數(shù)}。2.掃描線參數(shù)e rD在凸陣和相控陣換能器中e r是掃描角度。3.焦點參數(shù)L。L可以寫成iX AL。A L 焦點間距。波束合成過程中這是需要實時處理的部分。對于線陣探頭和相控陣探頭其計算延時的幾何圖形分別示于圖8和圖9中。其計 算聲程的公式如下線陣探頭 相控陣探頭 上述兩個公式中和陣元相關(guān)的參數(shù)是\，與掃描線相關(guān)的參數(shù)分別是\和e 和 焦點位置有關(guān)的是焦距L。為了減少計算量，所有與焦距L無關(guān)的量都需要事先計算出來 進行存儲。與掃描線有關(guān)的量是區(qū)別多個波束的參數(shù)，需要分時輸入到延時計算單元，以實 現(xiàn)延時計算單元的分時復(fù)用。按照這樣的思路設(shè)計出來的通用延時計算單元示于圖10中。 圖10示出的電路結(jié)構(gòu)可以用來計算凸陣探頭、線陣探頭以及相控陣探頭的聲程1”圖10 中的輸入?yún)?shù)L仍然對應(yīng)焦距。輸入?yún)?shù)X，Y根據(jù)探頭種類不同有不同的形式。表1給出 了針對不同探頭的輸入?yún)?shù)形式。表1 不同探頭的輸入?yún)?shù)形式 C1和C2是兩個控制信號，用來選擇圖10中的兩個2-1多路器，多路器狀態(tài)不同， 其輸出值K1和k2所代表的量不同，如表1中所示。也因此改變了電路的形式，使之可以用來計算凸陣、線陣和相控陣探頭的延時參數(shù)。圖10中的“T”表示一個時鐘周期的延時。加 入延時是為了滿足流水線作業(yè)的需要。所以，圖10中的方案不論用于何種配置，都可以采 用流水線方式工作，以便支持不同波束或不同通道的分時復(fù)用。表1中的所有輸入量的單 位都是長度，因此實際計算要量化為脈沖單位，也即以脈沖周期數(shù)作為單位。具體算法是將 所有輸入量乘上量化因子Fs/c。這里Fs是采樣頻率，c是聲速。為了保證計算精度，所有的 量都保留3位二進制小數(shù)。圖10中的延時參數(shù)計算單元分為兩個部分，A部分601是同一回波的多個波束的 公共計算部分，B部分602是和具體波束對應(yīng)的計算部分。只有輸入?yún)?shù)Y是和回波的方 位角(對于凸陣和相控陣掃描)或回波位置(線陣掃描)相關(guān)的參數(shù)。因此，在考慮流水 線工作方式時，只有Y需要在不同波束之間進行切換。圖11和圖12分別給出了四波束延 時參數(shù)計算按照并行方式和流水線工作方式實現(xiàn)的框圖。圖11中只有一個公共部分601，四個波束的延時參數(shù)輸出分別對應(yīng)著模塊602、 603,604和605。四個波束方位角相關(guān)的參數(shù)Yl、Y2、Y3和Y4分別輸入給601,602,603和 604。圖12中有一個公共部分601和一個波束計算部分602，和波束有關(guān)的參數(shù)Y1、Y2、 Y3和Y4通過多路器606輸入給模塊602。多路器選擇信號Y-SEL的切換頻率是輸入?yún)?shù) L變化的4倍。時鐘信號CK和Y-SEL具有同樣的頻率。這樣可以對于每一個焦距值，分別 對四路波束計算延時參數(shù)。圖13給出了一個應(yīng)用圖12的四波束合成器的框圖。在該圖中，行波計數(shù)器100對 采樣脈沖進行計數(shù)，記錄了超聲波行進的路程，所以稱做行波計數(shù)器。行波技術(shù)器的輸出作 為雙口 RAM200的寫入地址。由于雙口 RAM的容量只要容納寫入和讀出的最大地址差就夠 了，所以一般雙口 RAM的容量只需取256到512。寫入地址和讀出地址當計數(shù)到頭時自動折 疊到起始點，相當于一個環(huán)形存儲隊列。這里我們?nèi)AM的深度為512，因此雙口 RAM200的 寫地址只需要連接行波計數(shù)器100的低9位。輸入的回波數(shù)據(jù)rf_datai按照寫入地址連 續(xù)的寫入雙口 RAM200。行波計數(shù)器的輸出L，作為深度的表示同時打入到延時參數(shù)計算單 元300。延時單元在打入脈沖L_load作用下，將表示焦距的量L打入，L_load的頻率為延 時參數(shù)計算單元的時鐘calc_clk的四分之一。也即在同一個焦距L下，分別對四個波束的 延時計算一次。延時計算單元的輸入?yún)?shù)mod是控制命令，其給出圖12中的控制線C1和 C2。輸出參數(shù)X只和通道有關(guān)系，不隨波束的切換而改變。與波束有關(guān)的輸出參數(shù)Y對于 四個波束分別標記為Y1、Y2、Y3和Y4。在4_1多路器310的控制下進行切換。由行波計數(shù) 器100輸出的波束選擇信號beam_Sel控制參數(shù)的選擇。在參數(shù)Y1-Y4輪流輸入的過程中， 延時參數(shù)計算單元300以流水線方式計算每一個波束的延時參數(shù)，延時參數(shù)被輪流打入后 面的寄存器組330，各寄存器分別表示為delayl-delay4。2-4譯碼器320譯碼beam_sel， 產(chǎn)生的四路控制輸出對delayl-delay4進行選擇。delayl-delay4的值被最后一個打入脈 沖的下降沿鎖存到鎖存器340，目的是為了保持delayl-delay4的值在一個焦距變化周期 內(nèi)保持不變。delayl-delay4的值輸入地址計算單元350，結(jié)合焦距L計算出對應(yīng)的RAM讀 地址。在一個寫入周期內(nèi)，地址計算單元350必須分別對每一個波束計算讀地址一次并從 雙口 RAM中讀出一個數(shù)據(jù)。因此，讀出脈沖rd_clk的頻率是寫入脈沖wr_clk的四倍。如 果wr_clk是40MHz，則rd_clk是160MHz。從雙口 RAM 200讀出的數(shù)據(jù)被輪流打入寄存器
11210到240。由于插值的需要，還保留了歷史數(shù)據(jù)在寄存器250到280中。保留的歷史數(shù)據(jù) 不限于只有兩級。根據(jù)插值算法的階數(shù)不同，可以保留多級。比如6階插值，要保留6個連 續(xù)的輸出數(shù)據(jù)。讀出的數(shù)據(jù)通過4-1多路器400輸出到流水線方式的插值和加權(quán)單元500。 插值加權(quán)單元的插值系數(shù)由地址計算單元350提供。加權(quán)數(shù)據(jù)wt可以計算得到，也可以事 先計算好，存儲在外存儲器中，接受過程中實時從外存儲器讀入。由于加權(quán)值的變化不需要 很快，比如25cm的掃描線改變64次，因此，保存加權(quán)值并不會占用太多存儲資源。從插值 加權(quán)計算單元500出來的數(shù)據(jù)已經(jīng)是經(jīng)過延時的并且分時復(fù)用的四波束回波數(shù)據(jù)。將此數(shù) 據(jù)送往以流水線方式工作的求和單元600，和其他N-1個單元的輸出一起求和，最后得到分 時復(fù)用的四波束數(shù)據(jù)輸出。圖14給出了一個基于延時參數(shù)實時計算的四波束合成B超系統(tǒng)框圖。圖中的陣列 換能器10為128陣元。波束合成器60 —共有64個通道。發(fā)射電路50在控制器70的控 制下對特定的一組陣元(稱為激活陣元)發(fā)射具有延時的脈沖信號，以實現(xiàn)聚焦發(fā)射。激 活陣元的回波信號經(jīng)過模擬開關(guān)20的選通送往T/R開關(guān)30。T/R開關(guān)30的作用是隔離發(fā) 射的高壓信號避免造成后面的放大電路飽和阻塞。經(jīng)過T/R開關(guān)30的模擬信號送往模擬 前端電路40進行放大和處理，模擬前端包括了前置放大器、時間增益控制放大器(TGC)和 ADC電路。經(jīng)過放大的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送往波束合成器60。波束合成器是一個包含了 64路如圖13所示的電路結(jié)構(gòu)。波束合成器60將64路輸入信號進行延時。每一路輸出四 路經(jīng)過延時的波束數(shù)據(jù)，四路數(shù)據(jù)以時分多路的形式送往求和單元61。求和單元61以流水 線方式對四路波束數(shù)據(jù)進行合成。其輸出為時分多路的四個合成后的波束數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)流 經(jīng)過分配器(DEMUX)80分支為四路。分別送往四路正交解調(diào)單元81到84和信號處理單元 85到89。最后形成的四條掃描線送給數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器(DSC)90。數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器90將掃 描線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具有直角坐標的光柵數(shù)據(jù)，并通過讀寫控制器91送往圖像緩沖存儲器92。 在控制器70的控制下，通知上位計算機73通過PCI總線讀取圖像數(shù)據(jù)并顯示?？刂茢?shù)據(jù) 也通過PCI總線下傳到控制器70。用于聚焦延時計算的參數(shù)被存放在參數(shù)存儲器71。在 每次掃描開始前，控制器70將所有參數(shù)送往各個波束合成通道，并發(fā)出控制時序控制整個 波束合成的進行。以圖14中的實例，可以在保持圖像線密度不減少的條件下，將B超系統(tǒng) 的幀頻提高4倍。這將大大提高B超對于人體內(nèi)運動器官如心臟的成像質(zhì)量。本發(fā)明提供的方法和方案完全采用流水線方式工作，巧妙的通過模式控制和輸入 參數(shù)配置，使得延時參數(shù)設(shè)計單元可以適用于凸陣、線陣和相控陣探頭。本領(lǐng)域技術(shù)人員不脫離本發(fā)明的實質(zhì)和精神，可以有多種變形方案實現(xiàn)本發(fā)明， 以上所述僅為本發(fā)明較佳可行的實施例而已，并非因此局限本發(fā)明的權(quán)利范圍，凡運用本 發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)變化，均包含于本發(fā)明的權(quán)利范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于延時參數(shù)實時計算和流水線的多波束合成方法，其至少有一個多波束合成裝置，一個多波束合成裝置接受一個通道的超聲回波，一個通道的超聲回波有M個不同掃描角度或掃描位置的波束，其特征在于包括以下步驟A.每一個多波束合成裝置分別將接收到的回波信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；B.每一個多波束合成裝置分別將轉(zhuǎn)換后的回波數(shù)字信號線性的寫入雙端口RAM或三端口RAM；c.根據(jù)當前通道對應(yīng)的陣元參數(shù)以及焦點位置參數(shù)分時計算出同一通道內(nèi)M路波束的延時參數(shù)，再換算成RAM的讀出地址；D.在一次寫周期的時間內(nèi)，按照計算出的讀出地址輪流從RAM中讀出經(jīng)過延時的回波數(shù)據(jù)，產(chǎn)生M路延時信號輸出；E.將同一通道內(nèi)產(chǎn)生的M路延時信號輸出分時的通過一個插值單元和一個加權(quán)單元，進行細延時和變跡操作，F(xiàn).將所有多波束合成裝置產(chǎn)生的第一個波束疊加為第一合成波束，將所有多波束合成裝置產(chǎn)生的第二個波束疊加為第二合成波束，......將所有多波束合成裝置產(chǎn)生的第M個波束疊加為第M合成波束，上述操作分時的在同一個求和單元流水線式完成；G.輸出的M路波束信號仍然以分時復(fù)用的方式傳往下一級求和單元或進行信號處理和圖像處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于延時參數(shù)實時計算和流水線的多波束合成方法，其特征 在于，所述步驟C的延時參數(shù)計算公式為延時表示為 這里C是聲速，在人體組織中近似為1540m/s ； 延時換算成采樣脈沖單位… 其中t ,為延時參數(shù)；ni為采樣脈沖單位的延時參數(shù)；FS為采樣頻率；e r為接收線和 發(fā)射線的夾角；第i個陣元的極坐標為(e p R)；在接收線上的焦點為F，其焦距為L ；1,為 從陣元i到焦點F的聲程；Xi為第i個陣元的坐標；^為掃描線坐標；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于延時參數(shù)實時計算和流水線的多波束合成方法，其特征 在于將輸入?yún)?shù)分為a)和探頭以及陣元在孔徑中的位置有關(guān)的參數(shù)，也即通道相關(guān)參數(shù)，這里記為X；b)和掃描線方位角(凸陣探頭、相控陣探頭)或掃描線位置(線陣探頭)有關(guān)的參數(shù)， 也即波束相關(guān)參數(shù)，這里記為Y ；c)需要實時處理的參數(shù)，即焦點的焦距，這里記為L;2通道相關(guān)的參數(shù)X和實時參數(shù)L為公共計算部分，預(yù)先計算好后存貯起來；在公共計算 部分的計算輸出基礎(chǔ)上，根據(jù)輸入的和波束相關(guān)參數(shù)Y，計算和波束相關(guān)的參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于延時參數(shù)實時計算和流水線的多波束合成方法，其特征 在于所述步驟A還包括通過隔直處理，濾除無用的低頻分量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于延時參數(shù)實時計算和流水線的多波束合成方法，其特征 在于所述的雙端口 RAM或三端口 RAM的讀出頻率是寫入頻率的M倍。
6.權(quán)利要求1-5任意一項所述的基于延時參數(shù)實時計算和流水線的多波束合成方法 的多波束合成裝置，其特征在于其包括模擬前端，所述模擬前端接受回波信號，所述模擬 前端后順序連接有模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、隔直處理模塊、寫入控制模塊、雙端口 RAM或三端口 RAM、 流水線方式的插值和加權(quán)單元以及流水線方式的通道求和單元，其還包括流水線方式的實 時延時參數(shù)計算單元，所述流水線方式的實時延時計算單元輪流接受M個波束的輸入?yún)?數(shù)，并計算出對應(yīng)的延時參數(shù)，再換算成RAM的讀出地址，所述流水線方式的實時延時計算 單元后順序連接有地址計算單元、行波計數(shù)器、讀出控制模塊，所述讀出控制模塊分別連接 控制所述RAM和所述流水線方式的插值和加權(quán)單元，控制回波信號的讀出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于延時參數(shù)實時計算和流水線的多波束合成裝置，其特征 在于所述流水線方式的實時延時計算單元分為公共計算部分A，和波束相關(guān)的計算部分 B，兩部分組成；A部分處理通道相關(guān)的參數(shù)X和實時參數(shù)L ；B部分在A部分的計算輸出基 礎(chǔ)上，根據(jù)輸入的和波束相關(guān)參數(shù)Y，計算和波束相關(guān)的部分；所述流水線方式的實時延時計算單元有控制信號C1和C2，所述輸入?yún)?shù)X、Y根據(jù)探 頭種類不同按照下面表格進行配置
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于延時參數(shù)實時計算和流水線的多波束合成裝置，其特征 在于所述RAM為雙端口 RAM，所述雙端口 RAM讀出頻率是寫入頻率的M倍，對于波束數(shù)目為 M的多波束合成系統(tǒng)中，對應(yīng)每一個寫入數(shù)據(jù)，實時地址計算單元都會根據(jù)實時延時參數(shù)計 算單元的M個輸出計算出M個對應(yīng)讀出地址，并從雙口 RAM中按照這些地址讀出M個數(shù)據(jù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于延時參數(shù)實時計算和流水線的多波束合成裝置，其特征 在于所述RAM為三端口 RAM，所述三端口 RAM為一個寫入端口，二個讀出端口，讀出頻率是 寫入頻率的M倍，在波束數(shù)目為2 XM的多波束合成系統(tǒng)中，對應(yīng)每一個寫入數(shù)據(jù)，實時地址 計算單元都會根據(jù)實時延時參數(shù)計算單元的2XM個輸出計算出2XM個對應(yīng)讀出地址，讀 出控制從二個輸出端口分別讀出M個數(shù)據(jù)，總共產(chǎn)生2 XM個延時信號輸出。
全文摘要
一種基于延時參數(shù)實時計算和流水線的多波束合成方法和裝置。該裝置利用了計算延時的參數(shù)中需要實時計算和不需要實時計算的參數(shù)分離，與波束序號相關(guān)的參數(shù)以及無關(guān)參數(shù)的分離，設(shè)計出只用簡單切換即可適用不同類型探頭的實時延時計算單元。該計算單元采用流水線設(shè)計，M個波束的延時參數(shù)以流水線方式在該計算單元中算出，然后對同一路回波數(shù)據(jù)存儲單元進行讀取，以實現(xiàn)各波束的延時。大大減少了FPGA中資源的消耗。本發(fā)明通過直接計算以獲得高的延時精度。為了解決硬件資源的過多占用問題，本發(fā)明采用了流水線設(shè)計，使得M個波束共用延時參數(shù)計算單元，從而大大減少了硬件資源的消耗。
文檔編號A61B8/00GK101858972SQ20101013365
公開日2010年10月13日 申請日期2010年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日
發(fā)明者孟國海 申請人:深圳市藍韻實業(yè)有限公司