一种三维/四维超声成像系统中三维探头的驱动方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超声成像领域，特别是一种三维/四维超声成像系统中三维探头的驱动方法。
【背景技术】
[0002]超声波成像因为无辐射，使用方便，价格低廉等优点，是临床医疗的常规成像诊断方法。而传统B超成像系统获取的是人体内二维剖面图像，医生手持并移动探头，不断获取人体内不同位置的剖面图像，在大脑内重建形成人体诊断区域内组织器官的整体状态。随着计算机技术的发展，数据处理速度越来越快，超声三维/四维成像逐渐成为现实，并应用到临床诊断中。
[0003]目前国内外三维/四维超声成像系统所采用的容积探头，主要还是以步进电动马达驱动一维声头，通过扇形摆动扫描目标空间区域的机械扇扫探头。采用这种机械扇扫容积探头的成像系统，在探头超声波发射驱动之外，需要一个驱动声头来回扫描的步进马达控制系统。这个控制系统相对于超声波信号来说，属于高电压、大电流信号，而一般的数字矩形脉冲控制系统产生大量的高频谐波，造成对成像系统的信号干扰，同时也使探头产生机械振动及噪声。对于高频谐波，厂家一般采用滤波、屏蔽等方法进行信号隔离，并没有从源头上消除这种电磁干扰，而且这种处理方式往往只是针对某种具体的探头进行的处理，对其它探头的兼容性不好，同时对系统的结构设计以及稳定性也带来一定的影响。而对于振动及噪声，在探头选定以后，没有太多的处理办法。
[0004]当前这种机械扫描三维成像系统一个重要的应用是在产科，探头贴紧孕妇腹部时，轻微的振动及噪声，对于腹内胎儿来说就有很大的声响，因此，让步进马达尽可能的平滑运行，降低振动噪声是提高系统性能的一个重要方面。另外，不同探头生产厂家，或者是同一厂家的不同型号探头，提供的驱动控制方案都有专用性，在驱动配套探头之外的探头时，驱动性能大大下降。为了解决这些问题，在本公司发明专利《一种机械扫描实时三维超声成像系统及方法》(专利号:ZL 200710053757.7)的基础上，对探头驱动部分进行了新的设计。
【发明内容】
[0005]针对目前三维超声成像系统存在的兼容性、电磁干扰及振动噪声的问题，本发明将容积探头的机械结构和电气系统进行参数化，依据各项参数建立控制对象的模型，实现探头控制部分的兼容性；采用正弦波控制脉冲，减小系统谐波，降低电磁干扰，并对不同探头采用不同的加减速区间和控制细分以减小机械振动及噪声。
[0006]本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0007]一种三维/四维超声成像系统中三维探头的驱动方法，其硬件部分包括探头驱动单元、与探头驱动单元相连的探头控制单元，探头使用正弦脉冲控制，该方法包括以下步骤: (1)选定三维探头，读取三维探头步进马达的电气参数:额定电压Ve;机械参数:步距角stepAngle，机械减速比Km ;读取三维探头的机械参数声头最大摆动角maxAngle ；
(2)成像系统参数设置:扫描角度angle，扫描速度V;
(3)初始化控制模型，具体包括以下步骤；
(3-1)根据探头和成像系统参数，计算并设置控制脉冲细分数Ke =stepAngle/Km/minAngle，其中minAngle为期望达到的最小步进角；
(3-2)计算并设置加减速区间:acRange = angle*e，其中e为加减速区域在整个扫描区间的占比，取值在5%-10%之间；
(3-4)计算驱动电压降压比rat1=Ve/Vp，其中Vp为控制单元的电源电压；
(3-5)计算两相四拍模式控制模式下，扫描一个体积单元的控制脉冲数:pulseN =4* (angle/stepAngle/km)；
(3-6)计算总的控制脉冲数pusleT=pulseN*Ke ；
(3-7)计算脉冲周期，T=stepAngle/km/ke/v ；
(3-8)建立控制脉冲编码表；
(4)控制单元复位三维探头，等待外部指令；
(5)控制单元接收外部不同操作指令，启动驱动单元，完成三维探头的驱动，完成用户对应的三维成像控制过程。
[0008]本发明方法与现有技术相比具有以下优点:通过初始化控制模型，实现对当前各个生产厂家及其不同型号三维探头的兼容，并解决当前普通驱动方法的探头振动及电磁干扰问题。具体为:将探头电气参数额定电压Ve和机械参数步距角stepAngle，机械减速比Km，声头最大摆动角maxAngle作为输入变量实现兼容性；采用正弦波控制脉冲，减少高频谐波，降低电磁干扰，同时通过对不同探头采用不同的加减速区间和控制细分，多因素一起最大限度减小探头振动。
[0009]将机械扇扫容积探头所涉及到的电气特性和机械结构进行参数化，从而与探头具体硬件形态分离，形成统一系统配置接口，实现兼容性。同时，根据输入参数的不同特性，建立最优控制模型，选择合理的加减速区间，配合正弦波脉冲控制，减小控制系统谐波，达到降低电磁干扰和机械振动及噪声的目的。
【附图说明】
[0010]图1为本发明的一种三维/四维超声成像系统中三维探头的驱动方法流程图。
[0011]图2控制状态机模型。
【具体实施方式】
[0012]为详细说明本发明的目的、技术方案及其优点，让工程技术人员能够更有效的参考，结合附图以及所实施的示例，以下对本发明的实施做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0013]技术术语解释和说明:
正弦控制脉冲:形状为正弦波的脉冲，理想正弦脉冲只包含一个频率。本发明中提到的与之相对应矩形脉冲是形状为矩形的脉冲，理想矩形脉冲包含了无穷多个频率。
[0014]控制细分:步进电动机具有离散特性，在电脉冲的控制下按机械步距转动，每一个控制脉冲变换，转动一个步距角。控制细分是在机械步距角之内，通过对控制脉冲相位的控制，调节每一个控制脉冲变换引起驱动步进电机转子运转的磁场矢量相位变化角，实现电气上的步距角细分。
[0015]如图1所示，本实施例提供一种三维/四维超声成像系统中三维探头的驱动方法，其硬件部分包括探头驱动单元、与探头驱动单元相连的探头控制单元，探头使用正弦脉冲控制。本发明方法能有效实现对任意步进电动马达扫描三维探头的驱动，并降低探头振动及其对超声波成像系统的电磁辐射。
[0016]其具体实施包括以下步骤:
步骤1:选定三维超声探头。建立一个探头编号查找表，该表中列举了市场上所能找到的所有探头型号，每一个编号对应一种具体的探头，该编号索引下保存了所有的电气和机械参数。维护这个探头索引表，即可实现不同探头的兼容。
[0017]步骤2:成像系统参数设置。不同的三维超声成像系统性能不同，最终结果主要体现在成像区域即扫描角度angle和成像速度即扫描速度V上，在实施实例中通过参数设置接口，读取成像系统的配置参数。
[0018]步骤3:初始化控制模型。在这个步骤中根据步骤I和步骤2所获取的参数，完成全部控制参数的优化配置。包括控制脉冲细分数、加减速区间、计算输出控制供电电压与输出电压降压比、扫描一个体积单元的正弦脉冲数、总的控制脉冲数、脉冲周期和控制脉冲编码表；
计算并设置最优控制脉冲细分数Ke=stepAngle/Km/minAngle，其中m