一种可配置的双频超声阵列发射接收系统及其信号收发方法

1.本发明涉及医学超声成像领域，特别是涉及一种双频超声阵列发射接收系统及其信号收发方法。


背景技术：

2.超声因其价格低廉，便携广泛应用在临床诊断和治疗中，随着超声技术的发展，如今发展诸如谐波成像、超谐波成像等新型成像技术或成像兼治疗等医学超声诊疗模式。双频超声换能器有高频和低频两个敏感频段，能够用于高灵敏度的谐波与超谐波成像模式、次谐波成像模式、双频合成短脉冲高分辨成像模式等新型超声成像模式；和单频治疗加另一频率成像、双频间歇执行诊断与治疗序列的诊疗一体模式；以及双频功率输出的治疗模式等多种医学超声诊疗模式。同时随着三维超声成像需求的增加，需要多通道和高帧率的成像系统。这些新技术无疑对传统的超声硬件系统提出新的挑战。
3.现在国内市面上几乎没有专用于双频超声阵列的发射接收系统，而国外诸如verasonic公司的vantage256超声系统，实现了256通道的收发，其收发通道数远远达不到二维阵列的需求。


技术实现要素：

4.鉴于以上的问题，本发明公开了一种可配置的双频超声阵列发射接收系统及信号收发方法，有助于解决现有超声系统对双频超声阵列支持性差，无法满足双频超声阵列成像；系统灵活度差，无法进行灵活配置；通道数少，无法进行多通道超声换能器阵列数据采集；体积庞大等问题。
5.本发明所公开的可配置的双频超声阵列发射接收系统不仅支持双频超声阵列成像，也支持其他传统阵列成像。
6.本发明系统的技术方案包括一种可配置的双频超声阵列发射接收系统和一种可配置的双频超声阵列发射接收系统的信号收发方法两部分。
7.一种可配置的双频超声阵列发射接收系统，适用于双频超声阵列，包含：
8.用于超声发射和数据接收的多块前端超声发射接收板和一块用于整合数据以及统一后处理的主板，两者通过高速数据总线和低速控制总线进行连接；所述前端超声发射接收板包括多通道脉冲生成与数据接收模块，fpga，同步时钟模块，电源模块，高速数据总线接口和低速控制总线接口；所述主板可以是嵌入式主板或带高速总线接口的计算机主板，同时所述主板带有不少于前端超声发射接收板数量的高速数据总线接口和带有低速控制总线接口；
9.所述前端超声发射接收板中的多通道脉冲生成与数据接收模块和fpga连接，所述前端超声发射接收板中的fpga分别连接到同步时钟模块，高速数据总线接口和低速控制总线接口；所述前端超声发射接收板中的电源模块给整个前端超声发射接收板供电；
10.所述主板使用高速数据总线和低速控制总线与各个前端超声发射接收板连接。
11.作为本发明的进一步改进，所述多通道脉冲生成与数据接收模块中的每个通道都可以独立配置发射脉冲的中心频率、脉冲时长、脉冲延时、脉冲幅值以及脉冲波形，其中所述的脉冲波形包括冲击型短脉冲、若干周期的正弦波或方波短脉冲以及多周期长脉冲，同时波形可经过加窗调制以抑制旁瓣。
12.作为本发明的进一步改进，所述多通道脉冲生成与数据接收模块中的每个通道都可以独立配置接收信号的采样频率、采样深度以及滤波频率；同时可以对超声信号进行延时、时间增益补偿以及波束形成。
13.作为本发明的进一步改进，所述前端超声发射接收板使用非易失性存储器长期存储所需的参数，上电后fpga从非易失性存储器读取配置参数，对整个前端超声发射接收板进行通道配置，脉冲配置，采样配置，时钟配置和数据配置。
14.作为本发明的进一步改进，所述主板使用高速数据总线与多块前端超声发射接收板连接，同时使用高速存储器进行数据缓存。
15.作为本发明的进一步改进，其中1块前端超声发射接收板被配置为主发射接收板，用于生成板间同步时钟，其余前端超声收发板配置为从发射接收板，以保证板间时钟同步；所述同步时钟模块使用所述fpga实时配置，生成n对同步差分时钟；所述的n对同步时钟使用等长双绞屏蔽线或同轴线分别连接到各前端超声收发板。
16.作为本发明的进一步改进，所述主板控制多个前端超声发射接收板的信号发射与数据接收，并进行数据处理；
17.所述主板是嵌入式主板，则所述嵌入式主板包括不少于前端超声发射接收板数量的高速数据总线接口，内嵌arm架构的fpga，高速数据总线和低速控制总线接口；所述嵌入式主板中的高速数据总线接口与内嵌arm架构的fpga连接，所述嵌入式主板中的内嵌arm架构的fpga与高速数据总线和低速控制总线接口连接；
18.或所述主板是计算机主板，则计算机主板包括不少于前端超声发射接收板数量的高速数据总线接口。
19.一种可配置的双频超声阵列发射接收系统的信号收发方法包括双频超声发射方法和双频超声接收方法；
20.所述双频超声发射方法，包括单一频段发射、两频段间歇交替发射以及两频段同时发射(可带延迟)；
21.所述双频超声接收方法，包括单一频段接收、两频段间歇交替接收、两频段同时接收以及不接收。
22.进一步地，所述双频超声发射方法可通过两频率组合，实现多种灵活的超声发射方式；
23.所述单一频段发射，指只有高频或者低频进行脉冲发射；所述双频段间隙交替发射，指先由高频发射然后低频发射，或者先低频发射然后高频发射；所述两频段同时发射，指高低频同时发射，同时可以调整每个通道发射的延迟。
24.进一步地，所述双频超声接收方法可通过两频率组合，实现多种灵活的超声接收方式；
25.所述单一频段接收，指只有高频或者低频接收回波信号；所述两频段间歇交替接收，指先由高频接收然后由低频接收，或者先低频接收然后由高频接收；所述两频段同时接
收，指高低频同时接收回波信号；所述不接收，即指高低频都不接收。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
27.本发明一种可配置的双频超声阵列发射接收系统可以灵活的配置生成脉冲的中心频率、脉冲时长、脉冲延时、脉冲幅值以及脉冲波形和数据接收的采样率、采样精度，从而实现对双频超声阵列的信号收发；使用不同的双频超声发射和双频超声接收方法组合，可以将双频超声阵列能够配置成独立成像模式、谐波与超谐波成像模式、次谐波成像模式、短脉冲高分辨成像模式、宽带扫频成像模式等纯成像模式，也可以配置成单频功率输出、另一频率成像的成像兼治疗模式，以及诊断与治疗序列间歇执行的成像兼治疗模式，或者双频功率输出的纯治疗模式等多种医学超声诊疗模式。本发明的前端超声收发板通过高速数据总线接口与主板连接，可以很方便的扩展超声脉冲发射和数据接收的通道数，实现多通道的超声数据采集，实现多阵元的双频超声阵列实时成像。本发明相较于传统的超声成像系统，具有更强的扩展性、更灵活的发射与接收模式，适用于更广泛的医学超声成像与治疗方式。
附图说明
28.图1是一种可配置的双频超声阵列发射接收系统结构示意图；
29.图2为本发明的前端超声发射接收板电路的拓扑图；
30.图3为本发明的多块前端超声收发板板间时钟和低速控制总线的拓扑图；
31.图4为本发明的嵌入式主板电路的拓扑图；
32.图5为本发明单一频段接收示意图；
33.图6为本发明两频段间歇交替发射示意图；
34.图7为本发明两频段同时发射示意图；
35.图8为本发明单一频段接收示意图；
36.图9为本发明两频段间歇交替接收示意图；
37.图10为本发明两频段同时接收示意图；
具体实施方式
38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做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。
39.本发明公开了一种可配置的双频超声阵列发射接收系统，如图1所示，包括用于超声发射和数据接收的多块前端超声发射接收板和一块用于整合数据以及统一后处理的主板，两者通过高速数据总线和低速控制总线进行连接。
40.同时本发明公开了一种可配置的双频超声阵列发射接收系统的信号收发方法，信号收发方法包括双频超声发射方法和双频超声接收方法，使用不同的双频超声发射和双频超声接收方法组合，可以将双频超声阵列能够配置成独立成像模式、谐波与超谐波成像模式、次谐波成像模式、短脉冲高分辨成像模式、宽带扫频成像模式等纯成像模式，也可以配置成单频功率输出、另一频率成像的成像兼治疗模式，以及诊断与治疗序列间歇执行的成
像兼治疗模式，或者双频功率输出的纯治疗模式等多种医学超声诊疗模式。本发明针对双频超声换能器的应用场景进行设计，相较于传统的超声成像系统，具有更强的扩展性、更灵活的发射与接收模式，适用于更广泛的医学超声成像与治疗方式。
41.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
42.所述前端超声发射接收板的电路拓扑图，如图2所示，包括多通道脉冲生成与数据接收模块，fpga，同步时钟模块，电源模块，高速数据总线接口和低速控制总线接口。所述多通道脉冲生成与数据接收模块和所述fpga连接，所述fpga分别连接到所述同步时钟模块，所述高速数据总线接口，所述低速控制总线接口；所述电源模块给整个前端超声发射接收板供电。
43.其中所述的多通道的脉冲生成与数据接收模块，由多个脉冲生成芯片和多个数据接收芯片构成，每个脉冲生成芯片都连接到一个数据接收芯片。每个脉冲生成芯片的脉冲生成控制总线和时钟与所述fpga相连，这使得所述fpga可以根据需要配置每个通道的脉冲的中心频率、脉冲时长、脉冲延时、脉冲幅值以及脉冲波形；每个数据接收芯片都数据接收控制总线和时钟与所述fpga相连，这使得所述fpga可以根据需要配置每个通道接收信号的采样频率、采样深度以及滤波频率。
44.同时所述多通道的脉冲生成与数据接收模块可以生成冲击型短脉冲、若干周期的正弦波或方波短脉冲以及多周期长脉冲，同时波形还可以经过加窗调制以抑制旁瓣。所述多通道的脉冲生成与数据接收模块还可以对超声信号进行延时、时间增益补偿以及波束形成。
45.其中所述fpga使用非易失性存储器长期存储配置参数，上电后fpga从非易失性存储器读取配置参数，对整个前端超声发射接收板进行通道配置，脉冲配置，采样配置，时钟配置和数据配置。同时fpga使用高速存储器进行数据缓存。
46.本发明使用多块超声发射接收板卡和主板的连接，其多块前端超声收发板板间时钟和低速数据总线连接如图3所示。各个前端超声发射接收板的低速控制总线采用总线式拓扑连接到主板。其中1块前端超声发射接收板被配置为主发射接收板，用于生成板间同步时钟，其余前端超声收发板配置为从发射接收板，以保证板间时钟同步。所述同步时钟模块使用所述fpga实时配置，生成n对同步差分时钟；所述的n对同步时钟使用等长双绞屏蔽线分别连接到不同的前端超声收发板，这使得本发明可以很容易的扩展超声发射接收通道，实现大规模的双频超声阵列成像。
47.所述主板是嵌入式主板，则嵌入式主板电路拓扑图如图4所示，所诉嵌入式主板包括不少于前端超声发射接收板数量的高速数据总线接口，内嵌arm架构的fpga，高速数据总线和低速控制接口；所述嵌入式主板中的高速数据总线与内嵌arm架构的fpga连接，所述嵌入式主板中的内嵌arm架构的fpga与高速数据总线接口和低速控制接口连接。嵌入式主板通过高速数据总线和低速控制总线接口与上位机交互。
48.或所述主板是计算机主板，则计算机主板包括不少于前端超声发射接收板数量的高速数据总线接口。
49.通过上述的一种可配置的双频超声阵列发射接收系统，使用所述前端超声发射接收板的fpga可以对发射脉冲中心频率、脉冲时长、脉冲延时、脉冲幅值以及脉冲波形进行配
置，同时使用所述前端超声发射接收板的fpga可以对接收信号的采样频率、采样深度以及滤波频率进行配置；同时可以对超声信号进行延时、时间增益补偿以及波束形成。由此可以配置不同的适用于双频超声阵列的信号收发方法。
50.本发明的双频超声阵列发射采集系统的信号收发方法包括，双频超声发射方法和双频超声接收方法；其中所述双频超声发射方法，包括单一频段发射、两频段间歇交替发射以及两频段同时发射(可带延迟)；其中所述超声接收方法，包括单一频段接收、两频段间歇交替接收、两频段同时接收以及不接收。
51.所述单一频段接收，指只有高频或者低频接收回波信号，如图5所示(脉冲宽度不代表实际脉冲宽度，而是为了区分高频和低频)；所述前端超声发射接收板的多通道脉冲生成与数据接收模块只发射高频或者低频脉冲，发射的脉冲之间可带有延迟。
52.所述双频段间隙交替发射，指先由高频发射然后低频发射，或者先低频发射然后高频发射，如图6所示(脉冲宽度不代表实际脉冲宽度，而是为了区分高频和低频)；所述前端超声发射接收板的多通道脉冲生成与数据接收模块交替生成高频脉冲和低频脉冲，发射的脉冲之间可带有延迟。
53.所述两频段同时发射(可带延迟)，指高低频同时发射，如图7所示(脉冲宽度不代表实际脉冲宽度，而是为了区分高频和低频)；所述前端超声发射接收板的多通道脉冲生成与数据接收模块同时生成高频脉冲和低频脉冲，发射的脉冲之间可带有延迟。
54.所述单一频段接收，指只有高频或者低频接收回波信号，如图8所示(脉冲宽度不代表实际脉冲宽度，而是为了区分高频和低频)；所述fpga接收高频回波信号或者低频回波信号，接收后的信号可以进行延时、时间增益补偿以及波束形成。
55.所述的两频段间歇交替接收，指由高频接收然后由低频接收，或者先低频接收然后由高频接收，如图9所示(脉冲宽度不代表实际脉冲宽度，而是为了区分高频和低频)；所述fpga先接收高频回波信号再接收低频回波信号或者所述fpga先接收低频回波信号再接收高频回波信号，接收后的信号可以进行延时、时间增益补偿以及波束形成。
56.所述两频段同时接收，指高低频同时接收回波信号，如图10所示(脉冲宽度不代表实际脉冲宽度，而是为了区分高频和低频)；所述fpga同时接收高频和低频回波信号，接收后的信号可以进行延时、时间增益补偿以及波束形成。
57.所述的不接收，即指高低频都不接收。
58.本发明的优点：
59.1、本发明通过独立配置每个通道脉冲的中心频率、脉冲时长、脉冲延时、脉冲幅值、脉冲波形和接收信号的采样频率、采样深度以及滤波频率，使得本发明适用于双频超声阵列。
60.2、本发明通过同步时钟模块，可以实时配置不同超声前端发射接收板的时钟同步，使得本发明可以通过高速数据接口添加任意数的前端发射接收板，可以实现大规模的双频超声阵列成像。
61.3、本发明公开了一种基于可配置的双频超声阵列发射采集系统的信号收发方法包括单一频段发射、两频段间歇交替发射以及两频段同时发射(可带延迟)和单一频段接收、两频段间歇交替接收、两频段同时接收以及不接收。通过灵活搭配使用发射方法和接收方法，独立成像模式、谐波与超谐波成像模式、次谐波成像模式、短脉冲高分辨成像模式、宽
带扫频成像模式等纯成像模式，也可以配置成单频功率输出、另一频率成像的成像兼治疗模式，以及诊断与治疗序列间歇执行的成像兼治疗模式，或者双频功率输出的纯治疗模式等多种医学超声诊疗模式。
62.4、本发明相较于传统的超声成像系统，具有更强的扩展性、更灵活的发射与接收模式，
63.5、本发明仍然可以用于传统的单频超声成像。
64.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。