多维探头的超声控制方法及相关装置与流程

1.本技术涉及超声控制技术领域，尤其涉及一种多维探头的超声控制方法及相关装置。


背景技术：

2.目前常见的超声成像主要使用的都是1d阵列探头进行扫描成像，此类成像设备主要由两部分组成：超声探头和超声主机。如图1所示，超声主机通过向超声探头发送扫描激励信号使探头发射超声波，同时将探头采集的反射回声信号进行处理成像。由于探头采集的回声信号是二维排列(即图方向角方向和纵向方向两个维度构成)，所以超声主机对回声的处理方式也只是对扫描平面进行聚焦，此种设计虽然简化了系统复杂度，但却将系统能力限制为只能连接1d探头使用。而随着电子和机械设计加工技术的进步，分数维乃至2d探头也陆续出现，这些多维探头可以看作是多排1d探头的并联，可从两个维度形成可调节的发射声场，显著改变超声发射聚焦的质量，但传统的超声设备却无法充分的使用这些探头，不能同时使用多维阵列形成发射声场，并对多维探头的回声信号进行聚焦。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供一种多维探头的超声控制方法及相关装置，用于解决相关技术中传统的超声设备无法充分的使用多维探头的问题。
4.第一方面，本技术提供一种多维探头的超声成像控制方法，所述多维探头由多个1d探头并列排布组成，所述方法包括：
5.基于所需目标探头，生成所述目标探头的发射孔径参数；
6.若所述目标探头为大于或等于1.5d的探头，则基于所述发射孔径参数，分别生成针对方向角方向的延时控制信息，以及俯仰角方向的延时控制信息；
7.基于所述方向角方向的延时控制信息从所述多维探头中，选择出所述方向角方向上的待控制阵元，并基于所述俯仰角方向的延时控制信息从所述多维探头中选择出所述纵向方向的待控制阵元；
8.基于所述方向角方向的延时控制信息对所述方向角方向的待控制阵元进行发射控制，并基于所述俯仰角方向的延时控制信息对所述纵向方向的待控制阵元进行发射控制，得到超声回波信号；
9.基于所述超声回波信号生成超声图像。
10.在一些实施方式中，若所述目标探头为1d探头或1.25d探头，所述方法还包括：
11.生成所述目标探头的发射孔径参数；
12.基于所述发射孔径参数，生成针对方向角方向的延时控制信息；
13.基于所述方向角方向的延时控制信息从所述多维探头中，确定出1个1d探头中的待控制阵元；
14.基于所述方向角方向的延时控制信息对所述待控制阵元进行发射控制，得到超声
回波信号；
15.基于所述超声回波信号生成超声图像。
16.在一些实施方式中，所述多维探头中，同一行阵元属于同一1d探头，同一列阵元分别属于不同的1d探头；
17.同一列阵元中由至少一个阵元构成列阵元组，每个列阵元组支持单独控制。
18.同一列阵元组所在的探头构成探头组，所述方向角方向的且属于同一探头组的阵元构成行阵元组。
19.在一些实施方式中，所述基于所述超声回波信号生成超声图像，包括：
20.将属于同一行阵元组的超声回波信号进行波束合成得到各行阵元组的波束合成结果；
21.将不同行阵元组的波束合成结果进行求和，得到超声图像的图像数据。
22.在一些实施方式中，所述基于所述超声回波信号生成超声图像，包括：
23.将属于同一列阵元组的超声回波信号进行波束合成得到各列阵元组的波束合成结果；
24.将不同列阵元组的波束合成结果再次进行波束合成，得到超声图像的图像数据。
25.在一些实施方式中，若所述目标探头为1.5d探头，则从多个满足第一条件的探头组集合中筛选出俯仰角方向的待控制阵元，所述第一条件包括所述探头组集合包括多个探头组，且各探头组中同一列阵元组中包括多个阵元。
26.在一些实施方式中，若所述目标探头为1.75d探头或2d探头，则从满足第二条件的探头组集合的阵元中筛选出俯仰角方向的待控制阵元；所述第二条件包括所述探头组集合中包括列阵元组的阵元数量为1个的探头组，并包括列阵元组内的阵元数量为多个的探头组。
27.在一些实施方式中，所述将属于同一行阵元组的超声回波信号进行波束合成得到各行阵元组的波束合成结果之前，所述方法还包括：
28.将接收的超声回波信号以行振元组为单位进行存储。
29.第二方面，本技术还提供一种超声设备，包括：处理器、存储器和多维探头；
30.探头，用于发射超声信号；
31.存储器，用于存储计算机可执行指令；
32.处理器，分别与所述探头以及所述存储器相连接，被配置为基于所述计算机可执行指令执行如第一方面中任一所述的方法。
33.第三方面，本技术一实施例还提供了一种计算机可读存储介质，当所述计算机可读存储介质中的指令由电子设备的处理器执行时，使得电子设备能够执行如本技术第一方面中提供的任一方法。
34.第四方面，本技术一实施例提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如本技术第一方面中提供的任一方法。
35.本技术实施例中超声信号的发射，可基于发射孔径参数，分别从选择出方向角方向的待控制阵元和俯仰角方向的待控制阵元。由此灵活的实现控制不同维度的探头，并对探头接收的超声回波信号进行处理得到超声图像。本技术实施例中通过支持多个1d探头的控制，增加对俯仰角方向的阵元选择和控制可实现对现有1d探头超声设备的支持，无需增
加硬件，只需修改控制方法即可兼容现有超声设备，而且使得现有支持1d的超声设备实现灵活的多维探头控制。而且实现对高维探头的控制，能够降低纵向方向波束宽度提高图像分辨率和对比度。
36.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
37.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所介绍的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为本技术实施例提供的超声设备的框架示意图；
39.图2为本技术一实施例提供的超声设备实现超声图像的原理示意图；
40.图3为本技术一实施例提供的用于说明超声声束宽度的示意图；
41.图4为本技术一实施例提供的多维振元的排布方式示意图；
42.图5为本技术一实施例提供的超声成像控制方法的流程示意图；
43.图6为本技术一实施例提供的一种超声控制系统框架的示意图；
44.图7为本技术一实施例提供的另一种超声控制系统框架的示意图。
具体实施方式
45.为了使本领域普通人员更好地理解本技术的技术方案，下面将结合附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
46.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应所述理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
47.以下，对本技术实施例中的部分用语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解。
48.(1)本技术实施例中术语“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。
49.(2)“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
50.下面结合附图对本技术实施例提供的超声设备和多维探头的超声控制方法进行说明。
51.参见图2所示，为本技术实施例提供的超声设备的结构框图。
52.应该理解的是，图2所示超声设备100仅是一个范例，并且超声设备100可以具有比图2中所示的更多的或者更少的部件，可以组合两个或多个的部件，或者可以具有不同的部件配置。图中所示出的各种部件可以在包括一个或多个信号处理和/或专用集成电路在内
的硬件、软件、或硬件和软件的组合中实现。
53.图2中为超声设备100的硬件配置框图。
54.如图2所示，超声设备100例如可以包括：处理器110、存储器120、显示单元130和探头140；其中，处理器110、存储器120可实施为超声主机；
55.探头140，用于发射超声信号；
56.显示单元130，用于显示超声图像；
57.存储器120被配置为存储用于超声成像所需的数据，可包括软件程序，应用界面数据等；
58.处理器110，分别与所述探头140、所述显示单元130和存储器120相连接，被配置为执行本技术实施例提供的多维探头的超声控制方法。
59.如图3所述，为1d探头的结构示意图，1d探头中由一排振元阵列组成，该振元阵列中包括依序排布的多个振元。1d探头的振元排列方向即图3中的azimuth方向为方向角方向，垂直该方向为俯仰角方向，即图3中的elevation方向。
60.从最初的单阵元机械扫描成像，到目前最常用的电子线阵扫描成像，其成像方式都可总结为1d阵列成像，这种设计的好处是探头设计简单，只需将阵元一维排列并将所连导线接入主机，主机同样只需对少量的阵元回声信号进行二维聚焦，算法设计简单。但由于探头阵元宽度限制，如图3在elevation方向发射声束具有一定宽度，由此，仅对azimuth方向进行接收聚焦将不可避免的出现elevation方向的声信号相位畸形，导致图像对比度降低的问题。虽然已有从1.5d到2d探头出现，但受限于主机处理能力有限，或需要大幅修改硬件设计带来显著的成本增加，导致常规主机无法使用这些多维探头实时成像，而高端主机开发性价比不高，最终多维探头难以普遍使用推广，系统前端性能难以提高。
61.有鉴于此，本技术为实现对多维探头的灵活控制，该多维探头可由多个1d探头并列排布组成。能灵活的实现对不同维度探头的超声成像控制。
62.如图4所示，为本技术提供的一种多维探头的结构示意图。图4中包括5个1d探头，每行阵元为1个1d探头，分别标记为(1)、(2)、(3)、(4)和(5)。其中，同一列阵元分别属于不同的1d探头。
63.同一列阵元中由至少一个阵元构成列阵元组，每个列阵元组支持单独控制。例如图4中，实线连接的阵元构成一个列阵元组，每一列的列阵元组可单独控制。为了后文描述方便，虚线连接的一个阵元也可称之为一个列阵元组。实线是指同一列阵元组中包括多个探头的阵元的情况，例如图4中同一列中第(1)探头和第(5)探头的阵元构成列阵元组，同一列中第(2)探头和第(4)探头的阵元构成列阵元组。
64.同一列阵元组所在的探头构成探头组，方向角方向的且属于同一探头组的阵元构成行阵元组。例如，第(1)探头和第(5)探头按照图4中实线控制时，则第(1)探头和第(5)探头为一条实线控制的探头组，该探头组内的振元构成行阵元组。类似的，图4中，b实线对应的探头组内包括探头(2)和探头(4)由此，孔径内探头(2)和探头(4)的振元构成行振元组。也即，当同时采用a实线和b实线时，a实线连接的探头的振元构成一个行振元组，b实线连接的探头的振元构成一个行振元组。
65.图4中实线和虚线代表不同的控制方式，当选择并联多个阵元的实线时实现对含有多个阵元的列阵元组的控制，当选择虚线的控制方式时实现对虚线连接的一个振元的单
独控制。
66.由此，本技术实施例中可灵活选择振元实现对不同维数探头的控制，例如可实现1d、1.25d、1.5d、1.75d以及2d的控制。
67.若目标探头为1d探头，则可以选择一个1d探头接口，例如选择图4中第(3)探头来实现1d探头；
68.若目标探头为1.25d探头，则可以选择一行或多行探头，单次使用一行或两行探头。例如选择实线a和实线b实现1.25d探头，但是单次仅能够使用其中一根实线进行控制。可以交替控制实线a和实线b对应的探头。
69.如若所需的目标探头为1.5d探头，则从多个满足第一条件的探头组集合中筛选出俯仰角方向的待控制阵元，所述第一条件包括所述探头组集合包括多个探头组，且各探头组中同一列阵元组中包括多个阵元。例如，选择图4中实线a和实线b，与1.25d探头的不同是，1.5d探头同时实现对实线a和实线b的控制，而1.25d探头分次实现对实线a和实线b的控制。
70.类似的，若所需目标探头为1.75d探头或2d探头，则从满足第二条件的探头组集合的振元中筛选出俯仰角方向的待控制阵元；所述第二条件包括所述探头组集合中包括列阵元组的阵元数量为1个的探头组，并包括列阵元组内的阵元数量为多个的探头组。也即，1.75d和2d需要对实线对应的多阵元的列阵元组和单阵元的列阵元组进行控制。如图4所示，需要同时采用实线和虚线的阵元实现1.75d探头和2d探头。1.75d探头和2d探头可任意选几行探头使用，但是1.75d探头和2d探头的区别在于1.75d探头中俯仰角方向阵数量比2d探头要少。
71.基于图4所示的多维探头结构，本技术实施例提供的多维探头的超声成像控制方法的流程示意图如图5所示，包括以下步骤：
72.在步骤501中，基于所需目标探头，生成所述目标探头的发射孔径参数；
73.在步骤502中，若所述目标探头为大于或等于1.5d的探头，则基于所述发射孔径参数，分别生成针对方向角方向的延时控制信息，以及俯仰角方向的延时控制信息；
74.在步骤503中，基于所述方向角方向的延时控制信息从所述多维探头中，选择出所述方向角方向上的待控制阵元，并基于所述俯仰角方向的延时控制信息从所述多维探头中选择出所述俯仰角方向的待控制阵元；
75.在步骤504中，基于所述方向角方向的延时控制信息对所述方向角方向的待控制阵元进行发射控制，并基于所述俯仰角方向的延时控制信息对所述俯仰角方向的待控制阵元进行发射控制，得到超声回波信号；
76.在步骤505中，基于所述超声回波信号生成超声图像。
77.针对高维数探头，本技术实施例中超声信号的发射，可基于发射孔径参数，分别选择出方向角方向的待控制阵元和纵向方向的待控制阵元。由此灵活的实现不同维度的探头，并对探头接收的超声回波信号进行处理得到超声图像。
78.由此，本技术实施例中通过支持多个1d探头的控制，增加对俯仰角方向的阵元选择和控制可实现对现有1d探头超声设备的支持，无需增加硬件，只需修改控制方法即可兼容现有超声设备，而且使得现有支持1d的超声设备实现灵活的多维探头控制。而且实现对高维探头的控制，能够降低纵向方向波束宽度提高图像分辨率和对比度。
79.当然，在本技术实施例中，若所述目标探头为1d探头或1.25d探头，本技术中还可以：
80.生成所述目标探头的发射孔径参数；
81.基于所述发射孔径参数，生成针对方向角方向的延时控制信息；
82.基于所述方向角方向的延时控制信息从所述多维探头中，确定出1个探头作为待控制阵元；
83.基于所述方向角方向的延时控制信息对所述待控制阵元进行发射控制，得到超声回波信号；
84.基于所述超声回波信号生成超声图像。
85.也即，针对1d和1.25d探头，只需要实现对方向角方向阵元的控制接口。由此，本技术实施例中可采用现有的方法实现对1d和1.25d探头的控制。
86.对1d探头进行超声成像时，可接收探头方向角方向的阵元的回波数据，然后对该回波数据进行波束合成即可得到超声图像的数据。
87.对1.25d探头进行超声成像时，对行阵元组(如实线a)的两行振元进行波束合成即可得到超声图像的数据。
88.此外，对应大于或等于1.5d的探头，本技术实施例中可提供如下2种方式得到超声图像的数据：
89.方式(1)将属于同一行阵元组的超声回波信号进行波束合成得到各行阵元组的波束合成结果；将不同行阵元组的波束合成结果进行求和，得到超声图像的图像数据。
90.方式(2)将属于同一列阵元组的超声回波信号进行波束合成得到各列阵元组的波束合成结果；然后将不同列阵元组的波束合成结果再次进行波束合成，得到超声图像的图像数据。
91.无论探头是何种维度设计，阵列结构都是矩形，所以从阵列方向角方向azimuth和俯仰角方向elevation看，都是由一维阵列并联组成。正是由于这种排列方式，可分别对azimuth和elevation方向的一维阵列分别进行接收聚焦。对于发射而言，只需对使用的阵元加载电子延时信号便可形成指定的发射波阵面。基于这样的思路，形成了图6和图7中两种设计。图6对应上述方式(1)，图7对应上述方式(2)。
92.图6和图7中假定使用的多维探头由5排一维物理阵元组成，即图中探头(1)-探头(5)，当只使用中间排阵元时即选择第(3)排探头时，可认为是1d探头，当分次使用相同实线排的阵元时，可认为是1.25d探头，当可对相同实线排阵元额外加载elevation方向电子延时，可认为是1.5d探头，当可对实线排阵元和虚线排振元加载elevation方向电子延时，可认为是1.75d或2d探头。
93.图6和图7中的通用软件模块(syssw)用于生成发射孔径参数，前端控制模块(fe control)用于将发送孔径参数转发给孔径选择模块(aperture select)。本技术实施例中孔径选择模块(aperture select)包括两个，一个用于elevation方向的孔径选择，另一个用于azimuth方向的孔径选择。每个孔径选择模块(aperture select)分别对应各自的延时控制模块(tx delay)。一个延时控制模块(tx delay)用于控制azimuth方向的阵元，另一个延时控制模块(tx delay)用于控制elevation方向的阵元。
94.每个孔径选择模块(aperture select)基于发射孔径参数在多维阵列中选择振
元，例如图6和图7中选中黑色虚线框中的全部或部分待控制阵元用于发射接收。对于1d和1.25d探头，只需对相应阵元加载azimuth方向的电子延时，对于1.5d到2d探头，则需要同时对elevation方向的待控制阵元加载电子延时，如图中左侧的发射延时模块(tx delay)用于实现对elevation方向的待控制振元的延时控制。
95.图6和图7中，保护电路(isolated)用于保护超声发射信号不进入到afe(analog front end，模拟前端控制模块)。并将接收的超声回波信号交由模拟前端芯片afe(analog front end)进行处理后进行后面的波束合成处理。
96.例如，假设空间中有一条线包含n个需要波束合成的聚焦点，依序每次对一个聚焦点进行成像，假设1.5-2d探头使用多行探头，每行探头中阵元可任意采用，例如采用如图4中的实线a、实线b和实线c所连接探头阵列的阵元进行超声成像。时间上依序得到n1-nn共n个聚焦点的超声回波信号。对这n个聚焦点的任一点而言，一条实线仅连接一列振元组，例如a实线，连接第(1)和第(5)两行探头(即阵列)阵元中的一列阵元。实际使用了多少列阵元组，就有多少条实线与其相连，图中只是简化绘图显示。
97.以图6中虚线框内5行8列为例，实线a、b、c对应的行阵元组分别为一层，得到3层*8列阵元，图6中fifo中得到的实际是3层*8列的体数据，这样azimuth和elevation两个方向的数据均具有。每1层*8列的数据在与fifo连接的bf module中单独进行波束合成得到一个点，由于3层数据得到3个点，然后对这三个点在最后连接的bfmodule中进行求和得到一个点，这样，虚线框内5行8列的振元得到一个点，以此类推时序上得到一条线上n个聚焦点。这样实现，先行后列的处理。
98.需要说明的是图6中，elevation方向阵元坐标增量模块(element yincrement)输入的是element y增量，这个增量是基于扫描点相对每行阵元的位置确定的，这个位置用于确定这个阵元接收的回波信号在fifo中的地址，在对同一层进行波束合成时，可基于计算获得的地址从fifo中读取数据。
99.图7与图6的区别在于，图7是先对列阵元进行处理，然后对行振元进行处理。参照图7所示，fifo elevation中存储了使用孔径中(虚线框)elevation方向列阵元组中各列阵元组采集的超声回波数据，elevation方向每一列阵元组采集的数据组成一层二维fifo数据，elevation方向的多个列阵元组采集的数据构成多层fifo数据，bf module(elevation)先对elevation方向每一列阵元组采集的数据进行波束处理，其中bf module(elevation)输入的延时值使用预先给定的delay curve(延时参数)，delay curve根据elevation方向列阵元组中阵列排数(即探头数量)而定，每一排探头使用一套。delaycurve描述了空间中需要进行波束合成的各点反射的回声到elevation方向阵元组中各排阵列(即同一探头)的时间。
100.图6是先对行阵元组进行处理，然后对列振元组进行处理。参照图6所示，fifo azimuth中存储了使用孔径中(虚线框)azimuth方向各排阵列采集的超声回波数据，azimuth方向每一列振元组采集的数据组成一层二维fifo数据，azimuth方向的多个列振元组采集的数据构成多层fifo数据，bf module(sub group n)先对elevation方向每一行振元组采集的数据进行波束处理，其中bf module(sub group n)使用预先给定的element y increment(阵元elevation方向坐标增量)完成延时地址计算，element y increment根据elevation方向列阵元组中阵列排数而定，每一排使用一个。
101.图7描述的波束方法是获取同一列阵元组的预设延时值，并采用所述预设延时值对所述同一列阵元组的超声回波数据进行延时聚焦，得到所述同一列阵元组的延时聚焦结果；然后将同一探头组的列阵元组的波束合成结果进行延时聚焦，得到多维探头阵元的延时聚焦结果(等同于对不同列振元组的波束合成结果)；
102.图6描述的波束方法是获取不同行阵元组的俯仰角坐标增量值，对所述同一列阵元组的超声回波数据进行延时聚焦，得到所述同一行阵元组的延时聚焦结果(等同于波束合成结果)；然后将同一行阵元组的延时聚焦结果进行加和，得到超声图像的图像数据。
103.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
104.本技术是参照根据本技术的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
105.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
106.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
107.显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。