專利名稱：基于△－σ變換的超聲動(dòng)態(tài)接收變跡方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于Δ-Σ變換的超聲動(dòng)態(tài)接收變跡方法屬于數(shù)字化醫(yī)學(xué)超聲圖像處理技術(shù)。
Δ-Σ變換又稱為Σ-Δ變換和反饋量化，是一種通過(guò)提高采樣率和增加反饋環(huán)節(jié)來(lái)減少量化誤差的技術(shù)。GE公司于1993年首次提出了基于Δ-Σ變換的過(guò)采樣波束形成技術(shù)，并取得了美國(guó)專利。美國(guó)密歇根大學(xué)的Freeman對(duì)GE公司的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了改進(jìn)，于1999年、2001年獲得了兩項(xiàng)美國(guó)專利。在Freeman的設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，土耳其的Karaman于1999年提出了基于非均勻采樣和Δ-Σ變換的設(shè)計(jì)方案。
與多位ADC采樣技術(shù)相比，過(guò)采樣波束形成技術(shù)比較簡(jiǎn)單，能夠在保證圖像質(zhì)量的同時(shí)，降低線路的復(fù)雜性和后繼數(shù)字信號(hào)處理計(jì)算量的大小，適合于在便攜式和基于PC的超聲成像系統(tǒng)中應(yīng)用。
接收變跡技術(shù)可以抑制陣列孔徑引起的衍射瓣，改善超聲圖像的質(zhì)量?，F(xiàn)有的基于Δ-Σ變換的數(shù)字化超聲波束形成技術(shù)，均不能實(shí)現(xiàn)超聲回波接收變跡。
根據(jù)互易原理，用Hamming、Hanning等窗函數(shù)對(duì)接收孔徑上各陣元接收到的回波信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，可以降低接收孔徑空間響應(yīng)的旁瓣，提高超聲圖像的信噪比。這種通過(guò)對(duì)接收孔徑上各陣元接收到的回波信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，來(lái)降低接收孔徑空間響應(yīng)旁瓣的方法，稱為接收變跡。
通過(guò)在近場(chǎng)采用小的接收孔徑，在遠(yuǎn)場(chǎng)采用較大的接收孔徑，使F/Number(焦點(diǎn)/陣元數(shù)目)保持恒定的技術(shù)稱為動(dòng)態(tài)接收孔徑技術(shù)。動(dòng)態(tài)接收孔徑技術(shù)能夠改善近場(chǎng)的聲學(xué)特性，提高近場(chǎng)的圖像質(zhì)量。動(dòng)態(tài)孔徑技術(shù)中進(jìn)行變跡時(shí)，接收孔徑大小不同時(shí)，接收變跡函數(shù)也需要相應(yīng)變化。接收變跡函數(shù)隨接收孔徑變化的技術(shù)，稱為接收動(dòng)態(tài)變跡。
本發(fā)明的特征在于它在非均勻采樣和Δ-Σ變換的基礎(chǔ)上，引入了通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元用多存儲(chǔ)頁(yè)面尋址方法來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)接收變跡以抑制陣列孔徑引起的衍射瓣，改善超聲圖像的質(zhì)量，它依次含有以下步驟(1).當(dāng)模擬通道數(shù)為N時(shí)，把模擬回波信號(hào)中對(duì)稱的兩道合并為一道，使模擬回波信號(hào)通道數(shù)與變跡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的地址線數(shù)M一致，其中 (2).對(duì)M個(gè)模擬回波信號(hào)通道上的信號(hào)做非均勻采樣并進(jìn)行二階Δ-Σ變換；(3).把步驟(2)得到的采樣信號(hào)，送入先進(jìn)先出(FIFO)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；(4).把Δ-Σ采樣的數(shù)據(jù)Ai(i＝0，…，M-1)作為變跡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的地址輸入，用多存儲(chǔ)頁(yè)面尋址方法，進(jìn)行動(dòng)態(tài)接收變跡，依次得出數(shù)據(jù)流D0～Dq-1，然后進(jìn)行低通濾波和抽取而形成合成波束；它依次含有以下步驟(4.1).按照下列公式計(jì)算接收焦點(diǎn)p(p＝1，2，…，P)的變跡數(shù)據(jù)，存入相應(yīng)的大小為2M字節(jié)的各存儲(chǔ)單元內(nèi)DATAp(A0,A1,···AM-1)=round(kp×Σi=0M-1AiWp(i)),]]>其中，Wp(i)是接收焦點(diǎn)p對(duì)應(yīng)的變跡系數(shù)，是一種窗函數(shù)，其寬度與接收焦點(diǎn)p的位置有關(guān)，接收焦點(diǎn)p變化時(shí)，窗函數(shù)的寬度隨之變化，Wp(i)也隨之改變；round為四舍五入運(yùn)算；kp是接收焦點(diǎn)p對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)，當(dāng)存儲(chǔ)單元輸出數(shù)據(jù)位數(shù)為q時(shí)，取kp為kp=2qΣi=0M-1Wp(i),]]>(4.2).通過(guò)頁(yè)面選擇信號(hào)AM，…，AM+L-2，AM+L-1從相應(yīng)存儲(chǔ)單元中選擇不同焦點(diǎn)p的變跡數(shù)據(jù)，所述頁(yè)面選擇信號(hào)數(shù)L＝floor(log2P)+1；其中，floor為取整運(yùn)算。
所述的Wp(i)是Hamming或Hanning窗函數(shù)。
實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明取得了和多位ADC方法相同的效果。
圖2.多存儲(chǔ)頁(yè)面尋址實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)接收變跡的示意圖。
圖3.仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)接收變跡。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元內(nèi)為接收變跡、求和運(yùn)算的計(jì)算結(jié)果。實(shí)時(shí)處理回波數(shù)據(jù)時(shí)，將Δ-Σ采樣的結(jié)果(1bit的二進(jìn)制數(shù))作為存儲(chǔ)單元的地址輸入，依次讀出的數(shù)據(jù)流即為經(jīng)過(guò)接收變跡加權(quán)的合成波束。
設(shè)模擬通道數(shù)為N，考慮到對(duì)稱性，可以將模擬回波信號(hào)中對(duì)稱的兩道合并為一道，故變跡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的地址線數(shù)目為(參見(jiàn)

圖1) 接收焦點(diǎn)p(p＝1，2，…，P)接收變跡時(shí)，需要的存儲(chǔ)單元的大小為2M字節(jié)。存儲(chǔ)單元內(nèi)的數(shù)據(jù)通過(guò)下式計(jì)算得到DATAp(A0,A1,···AM-1)=round(kp×Σi=0M-1AiWp(i)),]]>其中，Wp(i)是接收焦點(diǎn)p對(duì)應(yīng)的變跡系數(shù)，可以為Hamming、Hanning等窗函數(shù)。
round為四舍五入運(yùn)算。
kp是接收焦點(diǎn)p對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)，設(shè)置適當(dāng)?shù)膋p，可以得到較高的接收變跡處理精度。當(dāng)存儲(chǔ)單元輸出數(shù)據(jù)位數(shù)為q時(shí)，取kp為kp=2qΣi=0M-1Wp(i),]]>更改變跡函數(shù)時(shí)，需要重新計(jì)算并刷新存儲(chǔ)單元內(nèi)的DATA值。
本發(fā)明通過(guò)多存儲(chǔ)頁(yè)面尋址技術(shù)，實(shí)現(xiàn)接收動(dòng)態(tài)變跡(保持F/Number恒定)。圖2是多存儲(chǔ)頁(yè)面尋址實(shí)現(xiàn)接收動(dòng)態(tài)變跡的示意圖。
P個(gè)接收焦點(diǎn)(即P種接收孔徑)的接收動(dòng)態(tài)變跡時(shí)，需要的存儲(chǔ)單元容量為單個(gè)焦點(diǎn)接收變跡時(shí)的P倍。地址為0～2M-1的存儲(chǔ)空間內(nèi)存放焦點(diǎn)1的變跡數(shù)據(jù)；地址為2M～2M+1-1的存儲(chǔ)空間內(nèi)存放焦點(diǎn)2的變跡數(shù)據(jù)；依次類推，地址為(P-1)×2M～P×2M+1-1的存儲(chǔ)空間內(nèi)存放焦點(diǎn)P的變跡數(shù)據(jù)。
動(dòng)態(tài)接收變跡時(shí)，通過(guò)頁(yè)面選擇信號(hào)來(lái)從存儲(chǔ)單元中選擇不同焦點(diǎn)的變跡系數(shù)。P個(gè)接收焦點(diǎn)的接收動(dòng)態(tài)變跡時(shí)，需要的頁(yè)面選擇信號(hào)的數(shù)目為L(zhǎng)＝floor(log2P)+1，其中，floor為取整運(yùn)算。
接收動(dòng)態(tài)變跡時(shí)，接收焦點(diǎn)p對(duì)應(yīng)的變跡系數(shù)Wp(i)的寬度與接收焦點(diǎn)p的位置有關(guān)，接收焦點(diǎn)p越遠(yuǎn)，窗函數(shù)越寬。例如，變跡函數(shù)為Hamming窗時(shí)，接收焦點(diǎn)p對(duì)應(yīng)的變跡系數(shù)Wp(i)為 其中，Number為陣元數(shù)目。接收焦點(diǎn)p改變時(shí)，Number需要隨之改變，使得焦點(diǎn)位置與陣元數(shù)目的比值保持恒定，Wp(i)的值也相應(yīng)地發(fā)生變化。
作為一個(gè)實(shí)施的例子，我們完成了基于Δ-Σ變換的數(shù)字化超聲波束形成中的一個(gè)焦點(diǎn)接收變跡的仿真實(shí)驗(yàn)。探頭中心頻率f0＝3.5MHz，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為實(shí)時(shí)非均勻采樣采集的16道模擬回波信號(hào)，合成信號(hào)的采樣率為fs＝20MHz。變跡函數(shù)采用長(zhǎng)度為16的Hamming窗。存儲(chǔ)單元輸出數(shù)據(jù)位數(shù)為q＝8，取k＝62.6。
圖3是仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果圖a是8路模擬回波信號(hào)(16道的回波信號(hào)中對(duì)稱的兩道合并為一道)。
圖b是8位ADC方法接收變跡合成的信號(hào)和Δ-Σ變換技術(shù)接收變跡合成的信號(hào)的效果比較。波形I是8位ADC方法接收變跡合成的信號(hào)，為了便于比較，8位ADC方法接收變跡合成的信號(hào)也乘了k＝62.6；波形II是Δ-Σ變換技術(shù)接收變跡合成的信號(hào)。波形I和波形II完全重合。
實(shí)驗(yàn)獲得了成功，基于Δ-Σ變換的數(shù)字化超聲波束形成中實(shí)現(xiàn)了接收變跡。方法達(dá)到既定目的。
權(quán)利要求
1.基于Δ-Σ變換的超聲動(dòng)態(tài)接收變跡方法，含有非均勻采樣和Δ-Σ變換的步驟，其特征在于它在非均勻采樣和Δ-Σ變換的基礎(chǔ)上，引入了通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元用多存儲(chǔ)頁(yè)面尋址方法來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)接收變跡以抑制陣列孔徑引起的衍射瓣，改善超聲圖像的質(zhì)量，它依次含有以下步驟(1).當(dāng)模擬通道數(shù)為N時(shí)，把模擬回波信號(hào)中對(duì)稱的兩道合并為一道，使模擬回波信號(hào)通道數(shù)與變跡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的地址線數(shù)M一致，其中 (2).對(duì)M個(gè)模擬回波信號(hào)通道上的信號(hào)做非均勻采樣并進(jìn)行二階Δ-Σ變換；(3).把步驟(2)得到的采樣信號(hào)，送入先進(jìn)先出(FIFO)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；(4).把Δ-Σ采樣的數(shù)據(jù)Ai(i＝0，…，M-1)作為變跡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的地址輸入，用多存儲(chǔ)頁(yè)面尋址方法，進(jìn)行動(dòng)態(tài)接收變跡，依次得出數(shù)據(jù)流D0～Dq-1，然后進(jìn)行低通濾波和抽取而形成合成波束；它依次含有以下步驟(4.1).按照下列公式計(jì)算接收焦點(diǎn)p(p＝1，2，…，P)的變跡數(shù)據(jù)，存入相應(yīng)的大小為2M字節(jié)的各存儲(chǔ)單元內(nèi)DATAp(A0,A1,···AM-1)=round(kp×Σi=0M-1AiWp(i))]]>其中，Wp(i)是接收焦點(diǎn)p對(duì)應(yīng)的變跡系數(shù)，是一種窗函數(shù)，其寬度與接收焦點(diǎn)p的位置有關(guān)，接收焦點(diǎn)p變化時(shí)，窗函數(shù)的寬度隨之變化，Wp(i)也隨之改變；round為四舍五入運(yùn)算；kp是接收焦點(diǎn)p對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)，當(dāng)存儲(chǔ)單元輸出數(shù)據(jù)位數(shù)為q時(shí)，取kp為kp=2qΣi=0M-1Wp(i)]]>(4.2).通過(guò)頁(yè)面選擇信號(hào)AM，…，AM+L-2，AM+L-1從相應(yīng)存儲(chǔ)單元中選擇不同焦點(diǎn)p的變跡數(shù)據(jù)，所述頁(yè)面選擇信號(hào)數(shù)L＝floor(log2P)+1；其中，floor為取整運(yùn)算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Δ-Σ變換的超聲動(dòng)態(tài)接收變跡方法，其特征在于所述的Wp(i)是Hamming或Hanning窗函數(shù)。
全文摘要
基于Δ－∑變換的超聲動(dòng)態(tài)接收變跡方法屬于數(shù)字化醫(yī)學(xué)超聲圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于它在非均勻采樣和Δ－∑變換的基礎(chǔ)上引入了通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元用多存儲(chǔ)頁(yè)面尋址方法來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)接收變跡以抑制陣列孔徑引起的衍射瓣，改善超聲圖像的質(zhì)量。它把Δ－∑采樣的數(shù)據(jù)作為變跡存儲(chǔ)單元的地址輸入，把按上式計(jì)算出的焦點(diǎn)p的變跡數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，其中，A
文檔編號(hào)G06T1/00GK1431624SQ0310476
公開(kāi)日2003年7月23日 申請(qǐng)日期2003年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月28日
發(fā)明者彭旗宇, 高上凱 申請(qǐng)人:清華大學(xué)