专利名称：波束合成的接收聚焦参数的实时计算方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及本发明涉及医用超声波诊断系统中数字波束的合成，尤其涉及旨在节省系统存储器资源的在接收进程中波束合成聚焦参数的实时计算方法及其装置。
背景技术：
波束合成是医用超声波诊断系统中最关键的技术，合成波束的质量对超声成像的精确性和分辨率有很大影响。绝大多数超声成像系统将聚焦参数保存在系统内部的RAM中，这需要耗费大量的的存储器，尤其是在需要支持线阵梯形扫描以及相控阵的时候。例如某系统使用30M采样、30cm探测深度、8个时钟变换一次接收焦点，如果所有接收参数预存，参数量将超过200MByte。存储器的增加必然导致系统造价高，在切换探头时装载参数慢等问题。
硬件实时参数计算是一种解决机制。超声成像以扫描线为基本单位，只需要预存少量参数，并在每条扫描线发射接收前写入几个控制参数，即可以在接收期间由硬件自动生成所需的聚焦参数。这样将大大节省存储器资源。
美国专利6,110,116提供了一种预存储延迟数据的波束合成聚焦方法，即预先将聚集数据存储，每个焦区的回波使用相应预存储聚集数据。这样做简单快捷，但首先需要较大的存储器，其次是更换探头时需要重新载入大量参数，影响开机启动及探头切换的速度。
美国6,123,671号专利提供了一种基于CORDIC算法的实时接收聚集及变迹参数计算方法，可适用于各种几何形状探头，包括二维探头，亦可用于多波束。该方法的基本思路是计算对不同接收焦点各阵元的延时差，以延时差为参数控制波束合成。虽然美国6,123,671号专利的方法较简单快捷，占用存储器及硬件资源也较少，但电路仍比较复杂。
本发明从另一个出发点来计算接收聚焦参数，即不计算探头各阵元延时差，而是直接计算存储各通道AD转换数据存储器的读地址，这样做电路相对于美国6,123,671号专利更为简单。另外，接收聚焦坐标采取实时计算的方法而不预先存储，更加节约存储器资源，同时可以实现波束校正。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在波束合成中实时计算存储各通道AD转换数据存储器的读地址的方法及其装置。
本发明采用如下技术方案 设计一种波束合成的接收聚焦参数的实时计算方法，该方法执行如下步骤 a.探头各阵元接收来自接收线的反射回波信号； b.所述探头各阵元把接收到的反射回波信号送入各自的信号接收处理通道进行放大处理和模数转换； c.经模数转换后的数字化回波数据被送入FIF0存储器； d.波束合成参数生成模块实时计算各通道FIF0存储器的数字化回波信号的读地址； e.接收波束合成模块通过波束合成总线按照波束合成参数生成模块产生的读地址，读取各接收通道的回波数据进行波束合成。
步骤d是本发明方法的核心技术，有两种实现方式，不考虑波束校正的实施方式和考虑了波束校正的实施方式。
考虑了波束校正时，如果步骤d中每隔N个采样点计算一次读地址，所述某一信号接收线第i个接收焦点、第j个通道的回波数据对应的读地址的计算公式如下 其中，(Elexj，Elezj)和(Fx0，Fz0)分别为探头第j个阵元的坐标和某一信号接收线第i个接收焦点的坐标，ΔFx和ΔFz分别为相邻两个接收焦点的横坐标差值和纵坐标差值，C为反射回波的传播速度，Nd为2的整次幂。
上述考虑了波束校正时的实时计算回波数据读地址的硬件实现方式包括如下过程 i、利用第一累加器计算原始值Fx0/C及其累加量iΔFx/C，利用第二累加器计算原始值Fz0/C及其累加量iΔFz/C，利用第一移位和第二移位分别计算kiΔFX/(CNd)和kiΔFz/(CNdd)； ii、所述第一累加器和第一移位的输出结果在第一求和处相加；所述第二累加器和第二移位的输出结果在第二求和处相加，由此获得量化后的焦点坐标(Fx，Fz)； iii、距离求取电路读取量化后的焦点坐标(Fx，Fz)和量化后探头第j个阵元的坐标(Elexj，Elezj)并计算两坐标点之间的距离； iv、由第三累加器累加获得i*N/2的数值； v、第三累加器和距离求取电路的输出结果在第三求和处相加，所述第三求和的输出结果就是实时计算的回波数据读地址。
在不考虑波束校正时，如果步骤d每隔N个采样点计算一次读地址，所述某一信号接收线第i个接收焦点、第j个通道的回波数据对应的读地址的计算公式如下 其中，(Elexj，Elezj)和(Fx0，Fz0)分别为第j个通道所对应的探头阵元的坐标和某一信号接收线第i个接收焦点的坐标，ΔFx和ΔFz分别为相邻两个接收焦点的横坐标差值和纵坐标差值，C为反射回波的传播速度。
上述不考虑波束校正时的实时计算回波数据读地址的硬件实现方式包括如下过程 i、利用第一累加器计算原始值Fx0/C及其累加量iΔFx/C，利用第二累加器计算原始值Fz0/C及其累加量iΔFz/C，由此获得量化后的焦点坐标(Fx，Fz)； ii、距离求取电路读取量化后的焦点坐标(Fx，Fz)和量化后探头第j个阵元的坐标(Elexj，Elezj)并计算两坐标点之间的距离； iii、i*N/2的数值由第三累加器计算； iv、第三累加器和距离求取电路的输出结果在第三求和处相加，所述第三求和的输出结果就是实时计算的回波数据读地址。
与上述不考虑波束校正和考虑了波束校正两种波束合成的接收聚焦参数的实时计算方法向对应，本发明设计出两种波束合成的接收聚焦参数的实时计算装置。
不考虑波束校正的波束合成的接收聚焦参数的实时计算装置包括至少一个聚焦数据计算器，该装置作为一个独立附件接入超声成像系统的接收波束合成模块的信号输入端，所述聚焦数据计算器包括 第一累加器和第二累加器，用于计算量化后的焦点坐标(Fx，Fz)； 距离求取电路，用于计算量化后的焦点坐标(Fx，Fz)和量化后探头第j个阵元的坐标(Elexj，Elezj)之间的距离； 第三累加器，用于累加i*N/2的数值； 第三求和器，用于读取第三累加器和距离求取电路的输出结果并把两者相加后作为实时计算的回波数据读地址输出； 所述距离求取电路的一个输入端连接第一累加器和第二累加器的输出端，另一个输入端连接量化后探头第j个阵元的坐标(Elexj，Elezj)输出值，所述距离求取电路的输出端与第三累加器的输出端一起连接第三求和器的输入端。
考虑波束校正的波束合成的接收聚焦参数的实时计算装置包括至少一个聚焦数据计算器，该装置也作为一个独立附件接入超声成像系统的接收波束合成模块的信号输入端，所述聚焦数据计算器包括 第一累加器、第一移位器和第一求和器，用于计算量化后焦点坐标(Fx，Fz)的Fx值，第二累加器、第二移位器和第二求和器，用于计算量化后焦点坐标(Fx，Fz)的Fz值； 距离求取电路，用于计算量化后的焦点坐标(Fx，Fz)和量化后探头第j个阵元的坐标(Elexj，Elezj)之间的距离； 第三累加器，用于累加i*N/2的数值； 第三求和器，用于读取第三累加器和距离求取电路的输出结果并把两者相加后作为实时计算的回波数据读地址输出； 所述第一求和器的输入端连接所述第一累加器和第一移位器，所述第二求和器的输入端连接所述第二累加器和第二移位器，所述距离求取电路的一个输入端连接第一求和器和第二求和器的输出端，另一个输入端连接量化后探头第j个阵元的坐标(Elexj，Elezj)的输出，其输出端与第三累加器的输出端一起连接第三求和器的输入端。
上述两种计算装置的聚焦数据计算器都按M通道进行分时复用，即每一个聚焦数据计算器负责M个通道的参数实时计算，系统多于M个通道时采用多个并列的聚焦数据计算器。所述M的取值范围是1至512，典型值为32或者64。
与现有技术相比，本发明波束合成的接收聚焦参数的实时计算方法及其装置具有如下优点在保证波束合成质量的前提下，系统需要存储的参数量更少，因此节省了系统的存储器资源，电路更简单，系统切换探头时装载参数的速度也较快，而且也可以实现波束校正。
图1是采用本发明装置的一个超声波成象系统的原理方框图； 图2是超声波成象系统接收聚焦示意图； 图3是本发明波束合成的接收聚焦参数的实时计算方法的基本原理示意图； 图4是本发明考虑波束校正的波束合成的接收聚焦参数的实时计算方法的基本原理示意图； 图5是实施图3的接收聚焦参数的实时计算方法所需要的计算硬件构成框图； 图6是实施图4的接收聚焦参数的实时计算方法，即考虑了波束校正后所需要的计算硬件构成框图； 图7本发明的波束合成的接收聚焦参数的实时计算装置的硬件应用方式的示意图； 图8是采用本发明方法的波束合成示意框图。
具体实施例方式 下面将结合附图和实施例对本发明方法及其装置进行详细的说明。
图1是B型超声成像系统的原理方框图，本发明的接收聚焦参数的实时计算装置在图1中作为作为一个独立附件接入超声成像系统的接收波束合成模块的信号输入端，如图1和图8所示。
下面主要以64通道单波束的B型超声成像系统为例进行说明，很显然，本发明方法和装置也适用于其它通道数(如24、48或其它)及多波束的情况。
一、基本原理 图2是本发明接收聚焦的原理示意图。B型超声成像系统为每个接收通道分配了一块存储器，它们同步地接收每路AD转换后的数字化回波数据。由于从接收聚焦点返回的回波不可能同时到达各通道对应的探头阵元，这需要我们用不同的读地址从各通道读出对应的AD转换后的数据(图2中黑色方块对应对某一个接收焦点)，然后相加，以实现接收聚焦。接收聚焦即是对各通道RAM读地址的控制。本发明中，波束合成参数的计算也即是各通道RAM读地址的计算。
大多数B型超声成像系统(如美国6,123,671号专利)均采取计算接收通道中心阵元和其它阵元的延时差，以此为基础来计算各通道RAM的读地址，实际上并不是一定要这样做。如图3所示，假定对一条扫描线，第i个接收焦点的坐标为(Fxi，Fzi)，声脉冲从发出，到达该接收焦点，部分声波被反射回到阵元j，经过的路径可近似认为如图3的虚线所示，这段路径的总长度为 上式上j代表阵元序号，对64通道系统，j取值1至64，i代表接收焦点序号。
对应的声波传播时间为 Tij＝Dij/c 每一通道的RAM是从声脉冲发射的瞬间就就开始接收AD数据的，所以从焦点i处的回波到达阵元j的回波数据对应读地址为 其中fs为AD采样率，Addrij一般是一个小数，实际做波束合成时一般是将地址最接近Addrij的两个RAM单元中存的数取出，对这两个数按照Addrij的小数部分做插值处理。
接收聚焦的各个焦点间距一般是相等的，所以有 Fxi＝Fx0+i*ΔFx(2) Fzi＝Fz0+i*ΔFz(3) 在(2)，(3)，(4)式中，ΔFx，ΔFy，ΔF分别是指相邻两个接收焦点的横坐标差值，纵坐标差值，距离差值(参见图3)。
将(2)，(3)，(4)代入到(1)，并令c/fs＝C有 假定每隔N个采样点计算一次接收聚焦读地址(中间的N-1个采样点的读地址总是在上一个采样点的读地址基础上加1)，则相邻两个接收聚焦点的距离为 ΔF＝N/fs*c/2 (6) 将(6)代入(5) 公式(7)是我们用硬件实时计算波束合成读地址的设计基础，从(7)式来看，可以将对C量化以后的阵元坐标写入到硬件存储器，Fx0/C，Fz0/C，ΔFx/C，ΔFz/C也存入到硬件中(在一些情况下，这几个值是和接收线角度和位置相关的，可以在扫描过程中由控制器实时更新)，可以用累加器计算接收焦点坐标以及式(7)中的i*N/2。因此，本发明的实施例一的波束合成的接收聚焦参数的实时计算装置包括 第一累加器和第二累加器，用于计算量化后的焦点坐标(Fx，Fz)； 距离求取电路，用于计算量化后的焦点坐标(Fx，Fz)和量化后探头第j个阵元的坐标(Elexj，Elezj)之间的距离； 第三累加器，用于累加i*N/2的数值； 第三求和器，用于读取第三累加器和距离求取电路的输出结果并把两者相加后作为实时计算的回波数据读地址输出； 所述距离求取电路的一个输入端连接第一累加器和第二累加器的输出端，另一个输入端连接量化后探头第j个阵元的坐标(Elexj，Elezj)输出值，所述距离求取电路的输出端与第三累加器的输出端一起连接第三求和器的输入端。如图5所示。
二、波束校正 波束校正是指使接收聚焦参数对应的接收路径并非直线，而是带有一定弧度，在多波束接收中时常需要用到波束校正。如图4所示，从0’到(Fxi，Fzi)为理想接收线，而且通过对接收参数的控制，使实际接收线是以0’为起点的以实线表示的弧线，使接收线为弧线称为波束校正。
由于使用了波束校正，第i个接收焦点的坐标就不是(Fxi，Fzi)，而在图4所示的(Fxi’，Fzi’)。
Fxi′＝Fxi+OFxiFzi′＝Fzi+OFzi OFxi和OFzi是相对于理想接收焦点(Fxi，Fzi)在x和z方向的校正量，在考虑波束校正后，式(1)改写成如下形式 Fi’为考虑波束校正后，实际接收焦点到接收线起点的距离，由于校正量是一个非常小的量，可以近似认为Fi＝Fi’。上述(8)式变成 OFxi和OFzi是一个与接收焦点的深度和接收线角度相关的量，如果都需要保存，这样将消耗比较大的存储量(尤其对相控阵)，所以我们采用以下方法来节约存储空间 参见图4，有如下关系 OFzi/ΔFx＝OFxi/ΔFz＝OFi/ΔF (10) 令波束校正精度为ΔF的1/Nd，即OFi＝ki*ΔF/Nd，可以得到 OFzi＝ki*ΔFx/NdOFxi＝ki*ΔFz/Nd(11) 将(11)代入(9)，得到 Nd设为2的整次幂，这样可以用移位来运算ΔFz/Nd和ΔFx/Nd 近似认为校正后的接收焦点离理想接收焦点的距离是一个只和接收焦点深度有关，和接收线角度无关的量，即只需要把ki保存下来，就可以实现所有不同接收线的波束校正。这样硬件存储量就减少了很多。硬件也可以保存ki相对于ki-1的递增量Δki，从而进一步节约存储量，Δki只取三个值1，0，-1。这样ki由下式进行计算 ki＝ki-1+Δki(12) 考虑波束校正的逻辑部分的框图见图6.由此设计出的带有波束校正的波束合成的接收聚焦参数的实时计算装置(实施例二)包括 第一累加器、第一移位器和第一求和器，用于计算量化后焦点坐标(Fx，Fz)的Fx值，第二累加器、第二移位器和第二求和器，用于计算量化后焦点坐标(Fx，Fz)的Fz值； 距离求取电路，用于计算量化后的焦点坐标(Fx，Fz)和量化后探头第j个阵元的坐标(Elexj，Elezj)之间的距离； 第三累加器，用于累加i*N/2的数值； 第三求和器，用于读取第三累加器和距离求取电路的输出结果并把两者相加后作为实时计算的回波数据读地址输出； 所述第一求和器的输入端连接所述第一累加器和第一移位器，所述第二求和器的输入端连接所述第二累加器和第二移位器，所述距离求取电路的一个输入端连接第一求和器和第二求和器的输出端，另一个输入端连接量化后探头第j个阵元的坐标(Elexj，Elezj)的输出，其输出端与第三累加器的输出端一起连接第三求和器的输入端。
三、硬件实现 如图7所示，每一个实时参数计算模块(即图7中的聚焦数据计算器，每个聚焦数据计算器包含了图5或图6中的全部硬件单元)可以按32通道进行分时复用，则在64通道双波束系统中共需要两个计算模块，每个模块负责32个通道的参数实时计算。如果要实时N个波束的接收，模块数量则应该是2N个。
在每条接收线计算之初，需要从将各个通道的预置参数通过波束合成总线载入到相应的计算模块，各模块将按流水模式输出相应通道的聚焦参数数据。如果系统焦点变换速率为3.75MHz(采样率的1/8)，每8个焦点变换一次焦点，则聚焦数据计算器必须工作进120MHz(3.75*32)。
四、参数机制 预先存储好的参数只有通道内的阵元坐标(量化后的值)，如果考虑波束校正，则需要保存校正量ki或者校正递增量Δki。
权利要求
1.一种波束合成的接收聚焦参数的实时计算方法，其特征在于该方法执行如下步骤
a.探头各阵元接收来自接收线的反射回波信号；
b.所述探头各阵元把接收到的反射回波信号送入各自的信号接收处理通道进行放大处理和模数转换；
c.经模数转换后的各通道数字化回波数据分别被送入FIFO存储器；
d.波束合成参数生成模块实时计算各通道FIFO存储器的数字化回波信号的读地址；
e.接收波束合成模块通过波束合成总线按照波束合成参数生成模块产生的读地址，读取各接收通道的回波数据进行波束合成。
2.根据权利要求1所述的波束合成的接收聚焦参数的实时计算方法，其特征在于在步骤d中，如果每隔N个采样点计算一次读地址，所述某一信号接收线第i个接收焦点、第j个通道的回波数据对应的读地址的计算公式如下
其中，(Elexj，Elezj)和(Fx0，Fz0)分别为探头第j个阵元的坐标和某一信号接收线第i个接收焦点的坐标，ΔFx和ΔFZ分别为相邻两个接收焦点的横坐标差值和纵坐标差值，C为反射回波的传播速度，Nd为2的整次幂。
3.根据权利要求1所述的波束合成的接收聚焦参数的实时计算方法，其特征在于在步骤d中，如果每隔N个采样点计算一次读地址，所述某一信号接收线第i个接收焦点、第j个通道的回波数据对应的读地址的计算公式如下
其中，(Elexj，Elezj)和(Fx0，Fz0)分别为第j个通道所对应的探头阵元的坐标和某一信号接收线第i个接收焦点的坐标，ΔFx和ΔFZ分别为相邻两个接收焦点的横坐标差值和纵坐标差值，C为反射回波的传播速度。
4.根据权利要求2所述的波束合成的接收聚焦参数的实时计算方法，其特征在于所述实时计算回波数据读地址的硬件实现方式包括如下过程
i、利用第一累加器计算原始值Fx0/C及其累加量iΔFx/C，利用第二累加器计算原始值Fz0/C及其累加量iΔFz/C，利用第一移位和第二移位分别计算kiΔFX/(CNd)和kiΔFz/(CNd)；
ii、所述第一累加器和第一移位的输出结果在第一求和处相加；所述第二累加器和第二移位的输出结果在第二求和处相加，由此获得量化后的焦点坐标(Fx，Fz)；
iii、距离求取电路读取量化后的焦点坐标(Fx，Fz)和量化后探头第j个阵元的坐标(Elexj，Elezj)并计算两坐标点之间的距离；
iv、由第三累加器累加获得i*N/2的数值；
v、第三累加器和距离求取电路的输出结果在第三求和处相加，所述第三求和的输出结果就是实时计算的回波数据读地址。
5.根据权利要求3所述的波束合成的接收聚焦参数的实时计算方法，其特征在于所述实时计算回波数据读地址的硬件实现方式包括如下过程
i、利用第一累加器计算原始值Fx0/C及其累加量iΔFx/C，利用第二累加器计算原始值Fz0/C及其累加量iΔFz/C，由此获得量化后的焦点坐标(Fx，Fz)；
ii、距离求取电路读取量化后的焦点坐标(Fx，Fz)和量化后探头第j个阵元的坐标(Elexj，Elezj)并计算两坐标点之间的距离；
iii、i*N/2的数值由第三累加器计算；
iv、第三累加器和距离求取电路的输出结果在第三求和处相加，所述第三求和的输出结果就是实时计算的回波数据读地址。
6.一种波束合成的接收聚焦参数的实时计算装置，该装置作为一个独立附件接入超声成像系统的接收波束合成模块的信号输入端，包括至少一个聚焦数据计算器，其特征在于所述聚焦数据计算器包括
第一累加器和第二累加器，用于计算量化后的焦点坐标(Fx，Fz)；
距离求取电路，用于计算量化后的焦点坐标(Fx，Fz)和量化后探头第j个阵元的坐标(Elexj，Elezj)之间的距离；
第三累加器，用于累加i*N/2的数值；
第三求和器，用于读取第三累加器和距离求取电路的输出结果并把两者相加后作为实时计算的回波数据读地址输出；
所述距离求取电路的一个输入端连接第一累加器和第二累加器的输出端，另一个输入端连接量化后探头第j个阵元的坐标(Elexj，Elezj)输出值，所述距离求取电路的输出端与第三累加器的输出端一起连接第三求和器的输入端。
7.根据权利要求6所述的波束合成的接收聚焦参数的实时计算装置，其特征在于所述聚焦数据计算器按M通道进行分时复用，即每一个聚焦数据计算器负责M个通道的参数实时计算，系统多于M个通道时采用多个并列的聚焦数据计算器。
8.根据权利要求6所述的波束合成的接收聚焦参数的实时计算装置，其特征在于所述M的取值范围是1至512，典型值为32或者64。
9.一种带有波束校正的波束合成的接收聚焦参数的实时计算装置，该装置作为一个独立附件接入超声成像系统的接收波束合成模块的信号输入端，包括至少一个聚焦数据计算器，其特征在于所述聚焦数据计算器包括
第一累加器、第一移位器和第一求和器，用于计算量化后焦点坐标(Fx，Fz)的Fx值，第二累加器、第二移位器和第二求和器，用于计算量化后焦点坐标(Fx，Fz)的Fz值；
距离求取电路，用于计算量化后的焦点坐标(Fx，Fz)和量化后探头第j个阵元的坐标(Elexj，Elezj)之间的距离；
第三累加器，用于累加i*N/2的数值；
第三求和器，用于读取第三累加器和距离求取电路的输出结果并把两者相加后作为实时计算的回波数据读地址输出；
所述第一求和器的输入端连接所述第一累加器和第一移位器，所述第二求和器的输入端连接所述第二累加器和第二移位器，所述距离求取电路的一个输入端连接第一求和器和第二求和器的输出端，另一个输入端连接量化后探头第j个阵元的坐标(Elexj，Elezj)的输出，其输出端与第三累加器的输出端一起连接第三求和器的输入端。
10.根据权利要求9所述的波束合成的接收聚焦参数的实时计算装置，其特征在于所述聚焦数据计算器按M通道进行分时复用，即每一个聚焦数据计算器负责M个通道的参数实时计算，系统多于M个通道时采用多个并列的聚焦数据计算器。
11.根据权利要求9所述的波束合成的接收聚焦参数的实时计算装置，其特征在于所述M的取值范围是1至512，典型值为32或者64。
全文摘要
一种波束合成的接收聚焦参数的实时计算的方法和装置，所述装置作为一个附件接入超声成像系统的接收波束合成模块的信号输入端，包括第一累加器和第二累加器，用于计算量化后的焦点坐标(Fx，Fz)，距离求取电路，用于计算量化后的焦点坐标(Fx，Fz)和量化后探头第j个阵元的坐标(Elexj，Elezj)之间的距离，第三累加器，用于累加i*N/2的数值；第三求和器，用于读取第三累加器和距离求取电路的输出结果并把两者相加后作为实时计算的回波数据读地址输出。采用本发明的技术方案能节省系统的存储器资源，电路更简单，系统切换探头时装载参数的速度较快，而且可以实现波束校正。
文档编号G06F19/00GK101112320SQ20061006188
公开日2008年1月30日 申请日期2006年7月28日 优先权日2006年7月28日
发明者勇 蒋, 胡勤军, 程东彪 申请人:深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司