一种抑制医用超声换能器阵列串扰的分时复用方法与流程

1.本发明涉及医疗信息技术领域、电路布局设计技术领域，具体涉及一种抑制医用超声换能器阵列串扰的分时复用方法。


背景技术：

2.超声ct技术作为下一代新型医学影像模态技术，目前正面向乳腺癌早期筛查和诊断等临床应用上推广和试验，是面向人民生命健康而发展的医疗器械关键技术。超声ct通过控制超声换能器阵列产生各个方向的集束超声波，进而对生体组织实现断层扫描功能。
3.伴随着超声换能器阵列的大规模化和阵元的小型化发展，超声重建图像质量提升的同时，也对超声硬件设备在高效传输和处理多通道信号方面提出更高的要求。超声硬件设备的采集模块由于信号采集精度、芯片性能、设备成本以及设备体积等条件的限制，其收发信号的通道数可能无法实现1：1适配甚至远少于超声换能器阵列数。传统的医用超声设备使用多路复用电路模块，通过换能器阵列的分时复用技术解决通道数不匹配的问题。
4.分时复用方法通过通道合并的方式使不同的信号在不同的时间片内传输。首先，在超声信号采集侧对换能器阵元分组，通过工作时间切分令单位周期内不同组别换能器顺序采集分时复用数据，以此循环往复，最后将每个周期内采集的超声信号按单位周期进行切分，在数据处理端将分时复用后的数据恢复到按阵元采集的超声信号数据，实现将有限的超声收发通道性能最大化。分时复用电路物理上连接超声研究系统和换能器阵列，并定义信号采集逻辑时序和数据传输协议格式。
5.另一方面，超声换能器端和高度集成分时复用电路模块处易引发串扰现象。超声波信号经换能器端后以电信号的方式进行收发和传输，换能器阵列上的每一个阵元都有独立通道进行控制，在小型化高度集成的控制电路中距离较近的线路间形成串扰，可能导致超声信号的信噪比下降。为抑制串扰，stanley chen等在集成电路的输出端使用mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, 金属氧化半导体场效晶体管)配合模拟开关内部的抗串扰抑制功能成功抑制一部分串扰。杜好阳等使用多个换能器分时复用地采集超声信号，成功地在单位周期内抑制了不同换能器之间的串扰。shih-chu huang等在光纤传感领域提出了采用具有足够相干长度的激光源来减小传感器串扰的方法。
6.现有的分时复用超声收发方法存在以下几个问题：1. 没有考虑布线带来的串扰：在电路设计中，信号线距过近会引发一定程度的串扰。2. 没有考虑芯片内部的串扰：分时复用的方法一般由多路复用芯片完成，信号在通过高集成度的多路复用芯片内部时会引起串扰。


技术实现要素：

7.本发明针对现有技术的不足，提供一种抑制医用超声换能器阵列串扰的分时复用方法。
8.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种抑制医用超声换能器阵列串扰的分时复用方法，该方法包括以下步骤：（1）通过多路复用芯片选型，实现超声信号发生器通道数与医用超声换能器阵列阵元数的数量匹配；（2）对医用超声换能器阵列进行抗串扰设计，包括：（2.1）多路复用芯片布局策略设计，多路复用芯片在围绕主控芯片布局的同时，尽可能地靠近与超声信号发生器连接的接插件以及与医用超声换能器阵列连接的接插件；（2.2）信号线序规划设计，建立线序拓扑表，在分时复用控制板上将逻辑上相邻的换能器阵元通道进行物理隔离并分别连接到不同的多路复用芯片；主控芯片通过设定的时序控制多路复用芯片内部开关的通断，多路复用芯片内部开关分别在1/c个时钟周期里选通一路通道，进而在完整的时钟周期里合成c路接收的信号，其中c为多路复用芯片数量；（2.3）分时复用控制板的层叠设计，在空间上将多个多路复用芯片布置在不同区域中，不同多路复用芯片所扇出的信号线，主体上被分配于分时复用控制板的不同信号层；（2.4）走线优化设计，包括走线规避跨层设计及走线微调；（3）分时复用控制板外围设计，包括：设计控制多路复用芯片工作的主控芯片、电源模块以及通讯模块；（4）对分时复用控制板进行自查并制板；（5）将分时复用控制板接入超声信号发生器与医用超声换能器阵列之间，实现串扰抑制。
9.进一步地，步骤（1）中，确定超声信号发生器通道数n与医用超声换能器阵列阵元数m的比例关系，依据比例确定多路复用芯片的型号以及数量c。
10.进一步地，步骤（2.1）中，将分时复用控制板横向划分为三个区域，自左至右分别为1、2、3号区域，主控芯片置于1号区域，横向放置与超声信号发生器连接的接插件于2号区域上部，并自下而上纵向分布排列若干多路复用芯片，纵向放置与医用超声换能器阵列连接的接插件于3号区域中。
11.进一步地，步骤（2.2）中，所述线序拓扑表包括输入侧、多路复用芯片编号以及输出侧三部分，分时复用控制板上输入输出信号的连接方式标注在表中，所述输入侧是分时复用控制板到超声信号发生器接插件的通道拓扑连接表示，所述输出侧是分时复用控制板到医用超声换能器阵列接插件的通道拓扑连接表示。
12.进一步地，步骤（2.2）中，所述分时复用控制板上的多路复用芯片编号和输入输出通道的关系满足：已知输入通道编号i，对应的多路复用芯片编号以及输出通道编号为已知输出通道编号o，对应的多路复用芯片编号以及输入通道编号为
其中，为超声信号发生器通道数，%为求余运算符，\为整除运算符。
13.进一步地，步骤（2.3）中，分时复用控制板使用六层印刷电路板设计，从上至下依次为：顶层、信号层、电源层、地层、信号层、底层，其中顶层和底层为芯片层，并可选择地作为信号层，顶层和/或底层布设接插件。
14.进一步地，步骤（2.4）中，在设计分时复用控制板过程中减少信号线跨层传输，若必须跨层则需满足每次跨层设计只跨一层，全程总共不超过跨越三个信号层；另外，在设计分时复用控制板过程中避免或减少在同一层传输过程中走线呈直角或者锐角的情况。
15.进一步地，步骤（4）包括：确认分时复用控制板上是否存在短接或者断路的情况，确认电源平面划分是否合理，确认分时复用控制板上各参数是否符合制板厂家工艺要求，确认芯片以及接插件封装是否正确，确认全部满足条件后交付厂家制板。
16.进一步地，当医用超声换能器阵列通道数扩展一倍时，多路复用芯片数量增加一倍，在布局中将分时复用控制板横向划分为五个区域，自左至右分别为1、2、3、4、5号区域，与超声信号发生器连接的接插件横向置于2-4号区域，主控芯片置于3号区域，在2号区域中自下而上纵向分布排列一半多路复用芯片，在4号区域中自下而上纵向分布排列另一半多路复用芯片，分别在1号区域和5号区域放置与医用超声换能器阵列连接的接插件；每个与超声信号发生器连接的接插件焊盘所引出的两路信号分别接入2号区域的一个多路复用芯片，以及4号区域的一个多路复用芯片。
17.进一步地，当与医用超声换能器阵列连接的接插件数量为l时，所述医用超声换能器阵列阵元数m以及多路复用芯片数c都为l倍数，所述分时复用控制板上的多路复用芯片编号和输入输出通道的关系满足：已知输入通道编号i，对应的第i个接插件的多路复用芯片编号为：则芯片对应第i个接插件和第j个输出通道编号，已知输出通道编号o，对应的输入通道编号以及多路复用芯片编号为：其中，n为超声信号发生器通道数，%为求余运算符，\为整除运算符。
18.本发明的有益效果是：本发明提出一种抑制医用超声换能器阵列串扰的分时复用方法，针对超声换能器控制信号布线时的串扰，本发明在印制电路板上根据信号的流向，合
理地布线连接接插件以及多路复用芯片，避免了同时有电信号经过的信号线间线距过窄的情况。针对芯片内部的串扰问题，本发明提出布线拓扑策略，将逻辑上相邻的换能器阵元通道进行物理隔离并分别连接到不同的多路复用芯片，从而实现防止串扰的目的。本发明使用有标准连接协议的独立集成电路对信号的分时复用，为少通道数驱动多阵元序列的超声系统提供解决方法。本发明与超声扫描序列紧密联系，针对特殊的图像成像要求设计布线策略，并提高成像质量。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例提供的抑制医用超声换能器阵列串扰的分时复用方法流程图；图2为本发明实施例提供的多路复用芯片布局示意图；图3为本发明实施例提供的常规处理超声换能器阵元控制序列排布方式示意图；图4为本发明实施例提供的利用串扰抑制对信号线在接插件引脚处的连接方式示意图；图5为本发明实施例提供的扩展超声换能器数量后的多路复用芯片布局示意图。
具体实施方式
21.为了更好的理解本技术的技术方案，下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
22.应当明确，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
23.在本技术实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
24.本发明提供一种抑制医用超声换能器阵列串扰的分时复用方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：（1）通过多路复用芯片选型，实现超声信号发生器的通道数与医用超声换能器阵列即医用探头的阵元数的数量匹配，具体为：为了实现超声信号发生器的通道数与医用超声换能器阵列的阵元数匹配，一般有两种方法。第一种是通过机械连接的方式将医用超声换能器阵列的阵元引出来，采用多个超声信号发生器级联，这种方式会极大地增加成本以及体积；第二种是通过集成电路的形式在超声信号发生器与医用超声换能器阵列之间使用一个分时复用控制板，以达到阵元数匹配，但是常规的分时复用控制板通过机械开关实现单刀多掷分时复用，体积较大，集成度不高。
25.在本发明中使用基于多路复用芯片的分时复用控制板的设计来达到目的，首先确定超声信号发生器的通道数n与医用超声换能器阵列的阵元数m的数量关系，通常为比例关系，依据比例c确定多路复用芯片的型号以及数量。现有的超声信号发生器的通道数大多为32、64等，现有的医用超声换能器阵列的阵元数大多为128、256等。
26.在实施例1中，n=32，m=128，则c=m/n=4，理想的多路复用芯片为32通道输入，128通道输出，但是很难实现，目前没有工艺能够做到，因此本实施例中采用hv2818芯片，该芯片为8通道输入，32通道输出，选择4个hv2818芯片进行并联，即可实现超声信号发生器通道数与医用超声换能器阵列阵元数的匹配。
27.对于m不能被n整除的特殊情况，先对超声信号发生器的通道进行编号，并求得c=m/n（/为整除符号），计划上可以选用c+1个多路复用芯片，m-(c*n)的值被定义为冗余超声阵元通道，这些通道通过一个多路复用芯片按顺序连接到超声信号发生器的从1开始的通道，按照原方法进行抗串扰设计即可。
28.多路复用芯片内部集成了较多的模拟开关，不需要高电压的驱动，可以通过数字信号控制开关通断，提高了分时复用控制板的集成度，并解决了超声信号发生器的通道数与医用超声换能器阵列的阵元数不匹配的问题。
29.（2）对医用超声换能器阵列进行抗串扰设计，包括以下子步骤：（2.1）多路复用芯片布局策略设计，具体为：一般地，多路复用芯片的摆放位置会尽可能的围绕着主控芯片摆放，有利于主控芯片使用数字信号控制多路复用芯片内部开关的通断，减少延时。
30.本发明方法中改进了通用的摆放位置策略，在围绕主控芯片布局的同时，尽可能地让多路复用芯片靠近与超声信号发生器连接的接插件以及与医用超声换能器阵列连接的接插件。本实施例中的接插件采用uta-260，能够兼容多种医用超声换能器。
31.本发明方法中的布局策略一方面满足主控芯片控制多路复用芯片的数字控制信号质量，另一方面靠近接插件可以减少信号的传输路径，减少能量的流失从而提高模拟信号质量。
32.在实施例1中，布局方式如图2所示，具体为：整体的分时复用控制板在横向上划分为三个区域，自左至右分别为1、2、3号区域。与超声信号发生器连接的接插件横向置于2号区域，主控芯片放置于1号区域，在2号区域中自下而上纵向分布排列4个多路复用芯片，在3号区域中纵向放置与医用超声换能器阵列连接的接插件。
33.（2.2）信号线序规划设计，具体为：常规的信号线序设计不作特殊要求，只要满足信号线可以直连多路复用芯片并使超声信号发生器的通道数与医用超声换能器阵列的阵元数匹配即可。
34.本发明方法中为了抑制医用超声换能器阵列在信号通路上的串扰，对信号线序进行了重新设计，在线序拓扑中加入了抑制串扰策略，从物理上将可能存在的串扰削减。具体地，本发明通过建立布线拓扑策略，将逻辑上相邻的换能器阵元通道进行物理隔离并分别连接到不同的多路复用芯片，从而实现防止串扰的目的。
35.在实施例1中，超声信号发生器的通道数n=32，医用超声换能器阵列的阵元数m=128，采用4个hv2818芯片，编号为1,2,3,4，线序拓扑如表1所示，表1中标注了分时复用控制板上输入输出信号的连接方式，其中输入侧是分时复用控制板到超声信号发生器接插件的
通道拓扑连接表示，编号是多路复用芯片编号，输出侧是分时复用控制板到医用超声换能器阵列接插件的通道拓扑连接表示。表1实施例1的线序拓扑表在分时复用控制板的整个信号流中，信号先从超声信号发生器接插件到多路复用芯片，再到医用超声换能器阵列接插件，实施例1中使用4块8输入通道32输出通道的多路复用芯片，多路复用芯片集成了抗串扰设计，芯片内部的串扰为-70db，具有低导通阻抗的同时也抑制了芯片内部的静态串扰、动态串扰以及通道间串扰。
36.分时复用控制板的主控芯片需要通过设定的时序控制多路复用芯片内部开关的通断，在时序设计中，多路复用芯片内部的模拟开关分别在1/c（本实施例中c=4）的时钟周期里选通其中一路通道，在一个完整的时钟周期里合成c路接收的信号。因此在分时复用控制板上合理的分配多路复用芯片编号和输入输出通道的关系即可达到分时复用，将输入侧的32个通道复用至输出侧的128个通道上。
37.本实施例中通过控制多路复用芯片的使能引脚让信号通过指定的多路复用芯片。分时复用控制板的输入输出通道的关系，可以根据输入通道号计算得到输出通道号，反之亦可，同时还可以求得多路复用芯片编号，将具体的时序通过公式表达：已知输入通道编号i，对应的多路复用芯片编号以及第j个输出通道编号为：已知输出通道编号o，对应的多路复用芯片编号以及输入通道编号
为：其中，%为求余运算符，\为整除运算符。
38.本发明中的抗串扰信号线序设计，从物理上将同时进行信号传输的两组信号线之间的间隔增大，间隔通常大于三倍线宽，充分抑制了串扰且不引入新的器件带来的插入损耗。
39.（2.3）对分时复用控制板进行层叠设计，具体为：通用的层叠设计主要考虑信号走线方便以及芯片信号扇出情况，普通的四层印刷电路板一般由顶层（芯片层）、电源层、地层、底层（芯片层）组成，这种层叠方式可以满足大部分应用需求。
40.本发明方法为了减少信号线排列过于紧密而带来的串扰，以及考虑到多路复用芯片的引脚间距较小的因素，使用了六层印刷电路板设计。该电路板从上至下依次为：顶层（芯片层）、信号层、电源层、地层、信号层、底层（芯片层），其中顶层和底层可以作为信号层，同时顶层和底层均可布设接插件。本发明中为了减少信号传输过程中的串扰，在空间上将四个多路复用芯片布置在如图2所示的4号-7号这四个区域中，这四个区域里的不同多路复用芯片所扇出的信号线，主体上被分配于不同信号层，同样也抑制了串扰。图3为常规处理医用超声换能器阵元控制序列排布方式，可以看到连续的控制信号都是连续排列便于连续开启控制，但不利于降低串扰。图4为按照本发明提出的抑制串扰的方法对信号线在接插件引脚处的连接方式，本发明在布线时考虑串扰的影响，在印制电路板上根据信号的流向，合理地布线连接接插件以及多路复用芯片，连续阵元控制信号不紧密排列，避免了同时有电信号经过的信号线线距过窄的情况，充分抑制了串扰。
41.（2.4）走线优化设计，包括走线规避跨层设计及走线微调，具体为：为了提高信号传输质量，在设计印制电路板的过程中尽量减少信号线在传输过程中跨层传输，同时避免或减少在同一层传输过程中走线呈直角或者锐角的情况，前者减少了信号插入损耗，后者减少了信号反射。
42.具体地，信号线从与超声信号发生器接插件引脚处接到多路复用芯片，以及从多路复用芯片接到医用超声换能器阵列接插件引脚，信号线的传输路径尽量不跨层，若必须跨层则需满足每次跨层设计只跨一层，全程总共不超过跨越三个信号层。
43.例如，对于上述六层印刷电路板设计，能够布线的信号层为第1、2、5和6层，按照上述的规则，如果信号传输从第1层开始，那么其传输路径上最多经历1、2和5层，最优的走线方法是在第1层布线。
44.（3）分时复用控制板外围设计，具体为：为使分时复用控制板完成抑制医用超声换能器阵列串扰的功能，还需要设计控制多路复用芯片工作的主控芯片、电源模块以及通讯模块等。
45.在实施例1中，主控芯片的输入输出端口的电压和多路复用芯片的逻辑供电电压相同，将同一电平的电压复用给多路复用芯片以及主控芯片，从而极大减少了设计成本，同时也减少了引入新的信号干扰的可能。
46.（4）对分时复用控制板进行自查，并制板，具体为：
确认分时复用控制板上是否存在短接或者断路的情况，确认电源平面划分是否合理，确认分时复用控制板上各个参数是否符合制板厂家工艺要求，确认芯片以及接插件封装是否正确，以上项目都满足之后交付厂家制板。
47.（5）分时复用控制板的应用，接入超声信号发生器与医用超声换能器阵列之间，实现串扰抑制，具体为：分时复用控制板制板完成之后，将分时复用控制板上与超声信号发生器连接的接插件与超声信号发生器相连接，另一端将分时复用控制板上与医用超声换能器阵列连接的接插件与医用超声换能器阵列相连接。确认插入无误后，对分时复用控制板上电，同时启动超声信号发生器实现串扰抑制。
48.对于扩展医用超声换能器数量的需求，本发明也有相应的解决方案。在实施例2中，32通道的超声信号发生器转换为128通道的医用超声换能器阵列，扩展为256通道的医用超声换能器阵列。多路复用芯片型号选择与实施例1相同，此时n=32，m=256，则c=m/n=8，实施例2中使用8个hv2818芯片并联。相类似地，在布局中将分时复用控制板横向划分为五个区域，如图5所示，自左至右分别为1、2、3、4、5号区域，与超声信号发生器连接的接插件横向置于2-4号区域，主控芯片放置于3号区域，在2号区域中自下而上纵向分布排列4个多路复用芯片，在4号区域中自下而上纵向分布排列4个多路复用芯片，分别在1号区域和5号区域放置与医用超声换能器阵列连接的接插件。
49.本实施例中只需要通过控制多路复用芯片的使能引脚让信号通过指定的多路复用芯片。分时复用控制板的输入输出通道的关系，可以根据输入通道号计算得到输出通道号，反之亦可，同时还可以求得多路复用芯片编号。具体的，当医用超声换能器阵列连接的接插件为l个时，所述医用换能器阵列阵元数m和多路复用芯片数c都为l的倍数，所述分时复用控制板上的多路复用芯片编号和输入输出通道的关系满足：已知输入通道编号i，对应的第i个接插件的多路复用芯片编号为：则芯片对应第i个接插件和第j个输出通道编号，已知输出通道编号o，对应的输入通道编号以及多路复用芯片编号为：其中，%为求余运算符，\为整除运算符。
50.后续的设计方法参考实施例1中的设计，每一个与超声信号发生器连接的接插件焊盘所引出的两路信号分别接入2号区域的一个多路复用芯片，以及4号区域的一个多路复用芯片，由于芯片间距较远，故两路信号之间的串扰可以忽略。
51.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
52.上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
53.在本说明书一个或多个实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本说明书一个或多个实施例。在本说明书一个或多个实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
54.应当理解，尽管在本说明书一个或多个实施例可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本说明书一个或多个实施例范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
55.以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。