专利名称：：连续波多普勒模块中模拟波束的合成方法和装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及医用超声波诊断系统中的信号处理方法和装置，尤其涉及利用逆向应用延时线实现超声诊断系统中连续波信号的波束的合成方法和装置。本发明方法和装置特别适用于超声诊断系统，特别是要求体积小的便携式超声诊断系统，低档超声系统B图像的波束合成也可以采用本方案。技术背景目前超声诊断系统中，连续波多谱勒接收部分的波束合成有如下几种方案正交解调与波束合成一起完成的方案、数字波束合成方案、多延时线方案、不补偿的单延时线方案等。正交解调与波束合成一起实现方案在低噪放后的每个通道上加一正交解调器。通过控制每个通道上正交解调器本振信号的相位完成波束合成的延时环节。正交解调输出I、Q路信号一般为电流信号，可以将各个通道的I、Q电流信号直接接到一起完成波束合成的相加环节。后边再加一个I/V转换(电流转电压)即完成正交解调与波束合成。该方案每个通道都要加一带本振相位控制正交解调器，使得成本较高，每个正交解调器都要引入本振与相位控制信号，使得控制信号较多，控制较为复杂。控制信号大多来自数字域，容易引入噪声。数字波束合成方案直接对低噪放后的每个通道上的射频信号进行AD采样，在数字域完成波束合成的延时与相加环节。由于连续波信号的动态范围较大，所以对CW信号的射频采样需较多位数的高速AD(—般要大于16位，这样的高速AD可能得不到LICENSE)。加之每个通道都要加一片AD，所以这样的方案肯定是价格不菲。多延时线方案在低噪放后的每个通道上加一模拟延时线，完成波束合成的延时环节，再用运放作为加法器完成波束合成的累加环节。多延时线方案虽然有利于各通道的阻抗匹配，但每个通道加一延时线使得波束合成部分体积变得相当大，不利于系统集成。当然成本也有所提高。不补偿的单延时线方案这个方案与本发明方案比较接近，但没有通过补偿的方法对各通道的衰减进行校正。即不对各个通道的幅度进行补偿，因此存在各通道幅度的一致性不好的缺点。
发明内容本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术中的一些缺点，提出一种补偿的逆向应用延时线实现超声诊断系统中连续波信号的波束合成方案。本发明采用如下技术方案设计一种连续波多普勒模块中模拟波束的合成方法，该方法包括如下步骤a.超声波探头的多路回波信号通过低噪放大被放大；b.所述经放大的多路回波信号通过串接在延时线上的幅度补偿元件进行幅度补偿，以补偿延时线LC网络通道间增益差异；c.经幅度补偿后的各通道信号从各通道对应的抽头加入到由电感和电容组成的延时线LC网络；d.由所述延时线LC网络在完成各通道信号的信号延时的同时完成信号累加，最后由所述LC网络的信号输出端输出波束合成信号。在所述低噪放大的输出为多路电压信号情况下，所述串接在延时线上的幅度补偿元件是在所述LC网络的输入端与各通道串接的电阻，通过调节串接在各通道电阻的电阻值来补偿各通道在所述LC网络输入端产生信号的幅度。所述串接在延时线上的幅度补偿元件也可以是在所述LC网络的输入端与各通道串接的运算放大器，通过调节串接在各通道运算放大器的放大倍数来补偿各通道在所述LC网络输入端产生信号的幅度。如果所述低噪放大所输出的是多路电流信号，则应先对所述电流信号进行I/V转换获得电压信号。在这种情况下各通道回波信号的幅度补偿可以在I/V转换环节中进行，或是在I/V转换后如同上述方法对电压信号进行幅度补偿。本发明解决技术问题所采用的技术方案还包括设计一种连续波多普勒模块中模拟波束的合成装置，包括由电感和电容组成的延时线LC网络，用于接收各通道回波信号并完成各通道信号的信号延时和信号累加，最后输出模拟波束合成信号；串接在所述延时线LC网络输入端的输入信号幅度补偿元件，用于调节各通道进入所述延时线LC网络的输入信号的幅度。所述输入信号幅度补偿元件可以有如F实施方式实施例一所述输入信号幅度补偿元件包括在各通道进入所述LC网络的输入端之前各串接一个电阻，各通道所串接的电阻的电阻值通过实验确定,各通道所串接的电阻的电阻值的选择原则是要求补偿延时线LC网络通道间增益的差异。实施例二所述所述输入信号幅度补偿元件包括在各通道进入所述LC网络的输入端之前各串接一个运算放大器，各通道所串接的运算放大器的放大倍数通过实验确定，各通道所串接的运算放大器的放大倍数的选择原则是要求补偿延时线LC网络通道间增益的差异。所述信号通道的通道数较多，例如设通道数为N，贝U所述LC网络应有2N个抽头，所述第1至第N个通道分别串接电阻Rl至RN后接入LC网络的第2至第2N个偶数号抽头；所述N的取之范围为8至64。在所述信号通道的通道数为10时，所述LC网络有20个抽头，所述第1至第10个通道分别串接电阻Rl至RIO后接入LC网络的第2至第20个偶数号抽头，串接电阻R1至RIO的电阻值分别为510、470、363、330、270、220、151、100、51和33欧姆。与现有技术相比较，本发明的连续波多普勒模块中模拟波束合成的方法和装置具有如下优点由于模拟延时线仅由电感电容网络组成，决定了延时线的本身价格很低；加之本发明逆向应用模拟延时线同时完成波束合成的延时和累加功能，使得连续波波束合成模块仅采用一个延时线且不需要增加运算放大器完成累加功能；采用模拟延时线实现CW的波束合成不需要任何控制，因此简化了整个CW模块的控制，减少了数字噪声的偶合路径；由于对各通道的幅度采用补偿的方法，使得各CW回波各通道幅度一致性好。上述几点决定了本发明装置成本低，体积小，各通道的cw回波幅度一致性好。图1是本发明的连续波多谱勒接收模块的信号处理流程图；图2是超声波探头焦点回波示意图；图3是具有N个抽头的延时线LC网络的内部结构框图；图4是本发明逆向应用模拟延时线实现波束合成的原理框图；图5是低噪放串接电阻等效为理想电压源加电压源内阻的原理框图；图6是对应图5中只有T20号抽头有信号输入的等效原理框图；图7是本发明技术效果的测量模型示意图；图8是信号从T2抽头加入到模拟延时线测试波形图，其中细实线表示放大器输出的波形图，粗实线表示输入端串接电阻前的信号的波形图；图9是信号从T4抽头加入到模拟延时线测试波形图，其中细实线表示放大器输出的波形图，粗实线表示输入端串接电阻前的信号的波形图；图10是信号从T2、T4抽头加入到模拟延时线测试波形图，其中细实线表示放大器输出的波形图，粗实线表示输入端串接电阻前的信号的波形图。具体实施方式以下结合附图及附图所示之实施例对本发明装置和方法作进一步详述。本发明所提出的连续波(CW)多谱勒接收模块的信号处理流程如图1所示。探头的多路回波信号通过低噪放进行放大，放大后的信号进入到模拟波束合成单元。模拟波束合成单元对多路放大后的回波信号进行延时聚焦累加。波束合成后多路回波信号合成为一路信号。如果cw信号发射采用方波发射，则模拟波束合成后须加一低通滤，滤除方波的除基频以外的高次谐波，以输出正弦波。滤波后的信号进入正交解调模块。如果发射为正弦波则波束合成的输出可以直接输出到正交解调模块(也可以加低通或带通滤器以抑制带外噪声)。正交解调模块将输入的射频信号解调为I、Q两路基带信号，也就是我们真正关心的多谱勒音频信号。解调出的I、Q信号分别进行低通滤波，以滤除正交解调所产生的和频成份。低通滤波还有个功能就是作为AD采样之前的防混叠滤波器。低通滤波后的信号要进行增益调节，以适合AD输入的波动范围。经增益调节后的I、Q两路基带信号通过ADC进行采样。采样后的数据进行数字信号处理从而输出cw多谱勒的声谱图信号与左、右声道的立体声信号。本发明的所关注的焦点为基于单个延时线的模拟波束合成单元。由于回波焦点到探头表面各个阵元的距离不同，导致焦点回波到探头表面各个阵元的延时不同，如图2所示。波束合成的作用便是调整探头各回波信号的延时，补偿焦点回波信号到各探头阵元的延时差，使各通道的回波信号同相相加。本发明调节各通道的延时采用模拟延时线。模拟延时线的内部结由LC网络组成，一个N抽头的延时线LC网络的内部结构原理框图如图3所示。每个抽头的延时；由下式决定<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式中丄,为延时线总电感(单位UH)，c,为延时线总电容(单位pF)，N为延时线总抽头数。总延时7^由下式决定特征阻抗Z。由下式决定延时线的上升时间f,由下式决定式中、为延时线输出信号的上升时间，/为延时线输入信号的上升时间。延时线的带宽BW由下式决定-延时线总抽头数N可由下式计算iVa(V"'.36.利用以上参数在设计时便可以选择合适的延时线。通常延时线的应用都是由IN输入信号，从不同的抽头Tn输出以得到不同的相位延时信号。在超声系统中，cw回波信号通道数较多(一般至少有八通道)，而为了达到一定的延时精度，所能达到指标的延时线的体积较大。如果每个通道选择一个延时线，会使cw模块的体积变得很大，不利于系统集成，尤其不利于便携式超系统的应用。本发明采用逆向应用延时线的方法，同时完成cw信号波束合成处理的延时与累加功能。并利用幅度补偿法使各个通道的幅度衰减基本相同，解决了由于逆向应用延时线导致各个通道幅度不一致的问题。下面以系统具有10个cw回波信号通道为例说明本发明的技术方案。本发明超声系统的CW回波信号经低噪放后为10通道电压信号。波束合成所采用的模拟延时线参数为20抽头，每抽头延时20nS,总延时400nS，特征阻抗IOOOHM。低噪声放大器LNA9-0的10通道电压信号通过串接电阻R10-l接到模拟延时线的T20，T18,T16，T14，T12，T10,T8,T6，T4，T2抽头。如图4所示。其中BF—OUT为模拟波束合成信号。在测试过程中，10路电压信号可以等效为10个理想电压信号源，信号上所串接的电阻可等效为电压源的内阻，如图5所示。由于理想电压源内阻为0，如果某通道无信号则相应的抽头等效于通过串接电阻接地。图6示意了只有T20抽头有信号输入的等效电路。由线性电路的叠加原理可知，在图5中，流经输出对地电阻Rll的电流等于各个抽头单独作输入时产生电流的代数和。就是应用叠加原理，我们完成波束合成的累加功能。按照图5的模型，我们可以调节信号输入串接电阻的电阻值(相当于图5中电压源的内阻)的方法，去补偿各个通道在IN端产生信号的幅度。由于该延时线的应用涉及为电感、电容、电阻的网络，又加入了多个激励，所以定量计算补偿的串接电阻阻值比较困难。我们通过实验的方法确定补偿电阻的阻值，经过测试，我们选择了以下一组补偿电阻组合。表1抽头补偿串接电阻阻值<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>测试经过补偿后，信号从各个抽头输入，在IN端得到的幅度测结果如下:表2补偿后各抽头对应的IN端输出幅度以及延时测量值<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>根据表格数据计算得到，输出信号平均值为33.21，标准差为1.5mV。各通道之间的增益差别不超过1DB，满足我们对增益一致性的要求。对于延时的T20输入端有30ns的误差，这是由于延时线远端T20串接电阻仅为30OHM与延时线的阻抗不匹配的结果。如果调整T20的为IOOOHM，为了达到补偿的效果，所有输入抽头的串接电阻都要加大。这样势必加大对输入信号的衰减。所以延时的准确性与对信号幅度的衰减是对串接电阻阻值权衡的结果。加之最后一个抽头的延时稍大是对我们有利的，所以本发明采用这组串接电阻阻值参数。下面简述本发明装置的工作原理低噪放输出的多路电压信号经过延时线串接的电阻进行信号幅度补偿，补偿后的信号从不同的抽头加入到延时线的LC网络，进入延时线LC网络后的信号通过延时线的LC网络进行延时。不同抽头输入信号的延时由抽头到输出IN端的LC单元的个数决定。由于不同抽头加入的信号都进入到同一延时线的LC网络，根据叠加原理，延时线完成信号延时的同时，也完成了对不同抽头输入信号的累加，即在延进线输出的信号已经为经过延时和累加的波束合成后的信号。为了检验本发明方法和装置的技术效果，本发明专门设计了如图7所示的测量模型。采用输入串接电阻对幅度衰减进行补偿后，模拟延时线进行延时累加测试。由于模拟延时线输出的幅度较小，为了得到较精确的测试结果，对模拟延时线的输出放大后进行测试。在图8、图9和图IO所示的三个测试结果示意图中，细实线表示放大器输出的波形图，粗实线表示输入端串接电阻前的信号的波形图。粗实线CH1(图中的CH1、CH2为示波器的通道1和通道2)波型为INPUT处的波型，由于BF—OUT处输出波形较小，我们用放大器将其放大，由放大器产生的延时为285.4ns，细实线表示CH2波形放大器的输出AMP一OUT。本发明所希望得到的延时结果为BF—OUT到INPUT的延时，图8至图10中的测量值时为AMP_OUT信号波峰到INPUT信号波峰的时间差。信号的频率为2.5MHz，周期为400ns。所以INPUT信号波峰与下一个AMPOUT波峰的时间差为400ns减去AMP—OUT信号波峰到INPUT信号波峰的时间差，这便是AMP—OUT相对于INPUT的延时，再减去放大器的延时285.4ns，便为BF一OUT相对于INPUT的延时。这个延时的测量精度可能受到放大器自身延时测量精度的影响。如果要测量由两个抽头输入的延时差时，可直接由两个抽头输入时所测得的AMP_OUT相对于INPUT延时作差运算，这样便排除了放大器延时测量结果对两个抽头输入时延时差测量结果的影响。通过以上测试可以证明经过补偿了的逆向应用模拟延时线，完全满足超声诊断系统CW模块模拟波束合成的要求。从而为超声诊断系统中CW接收模块的实现提供了新的方法。本发明最重要的关键点就是利用模拟延时线各个输入抽头的串接电阻进行幅度补偿，这种补偿不局限在这个电阻上，从低噪放的输出到模拟延时线的输入抽头的整个路径上都可以对幅度进行补偿。例如在这个路径上各个通道均串入运算放大器，各通道调节不同放大倍数进行幅度补偿。如果低噪放输出的是电流信号，应用本方案可以先对电流信号进行I/V转换，转换环节也可以进行各通道的幅度补偿。权利要求1、一种连续波多普勒模块中模拟波束的合成方法，其特征在于该方法包括如下步骤a.超声波探头的多路回波信号通过低噪放大被放大；b.所述经放大的多路回波信号通过串接在延时线上的幅度补偿元件进行幅度补偿，以补偿波束合成时延时线LC网络通道间的增益差；c.经幅度补偿后的各通道信号从各通道对应的抽头加入到由电感和电容组成的延时线LC网络；d.由所述延时线LC网络在完成各通道信号的信号延时的同时完成信号累加，最后由所述LC网络的信号输出端输出波束合成信号。2、根据权利要求1所述的连续波多普勒模块中模拟波束的合成方法，其特征在于所述低噪放大输出多路电压信号，所述串接在延时线上的幅度补偿元件是在所述LC网络的输入端与各通道串接的电阻，通过调节串接在各通道电阻的电阻值来补偿各通道在所述LC网络输入端产生信号的幅度。3、根据权利要求1所述的连续波多普勒模块中模拟波束的合成方法，其特征在于所述低噪放大输出多路电压信号，所述串接在延时线上的幅度补偿元件是在所述LC网络的输入端与各通道串接的运算放大器，通过调节串接在各通道运算放大器的放大倍数来补偿各通道在所述LC网络输入端产生信号的幅度。4、根据权利要求1所述的连续波多普勒模块中模拟波束的合成方法，其特征在于如果所述低噪放大所输出的是多路电流信号，则先对所述电流信号进行I/V转换。5、根据权利要求4所述的连续波多普勒模块中模拟波束的合成方法，其特征在于各通道回波信号的幅度补偿在i/v转换环节中进行，或在:[/v转换后对电压信号进行幅度补偿。6、一种连续波多普勒模块中模拟波束的合成装置，包括由电感和电容组成的延时线LC网络，用于接收各通道回波信号并完成各通道信号的信号延时和信号累加，最后输出模拟波束合成信号；其特征在于还包括串接在所述延时线LC网络输入端的输入信号幅度补偿元件，用于调节各通道进入所述延时线LC网络的输入信号的幅度。7、根据权利要求6所述的连续波多普勒模块中模拟波束的合成装置，其特征在于所述输入信号幅度补偿元件包括在各通道进入所述LC网络的输入端之前各串接一个电阻，各通道所串接的电阻的电阻值通过实验确定，各通道所串接的电阻的电阻值的选择原则是要求补偿延时线LC网络通道间增益的差异。8、根据权利要求7所述的连续波多普勒模块中模拟波束的合成装置，其特征在于所述信号通道的通道数为N，所述LC网络有2N个抽头，所述第1至第N个通道分别串接电阻Rl至RN后接入LC网络的第2至第2N个偶数号抽头,所述N的取之范围为8至64。9、根据权利要求8所述的连续波多普勒模块中模拟波束的合成装置，其特征在于所述信号通道的通道数为10，所述LC网络有20个抽头，所述第1至第10个通道分别串接电阻Rl至RIO后接入LC网络的第2至第20个偶数号抽头，串接电阻RI至RIO的电阻值分别为510、470、363、330、270、220、151、100、51和33欧姆。10、根据权利要求6所述的连续波多普勒模块中模拟波束的合成装置,其特征在于所述所述输入信号幅度补偿元件包括在各通道进入所述LC网络的输入端之前各串接一个运算放大器，各通道所串接的运算放大器的放大倍数通过实验确定，各通道所串接的运算放大器的放大倍数的选择原则是要求补偿延时线LC网络通道间增益的差异。全文摘要一种连续波多普勒模块中模拟波束的合成方法和装置，所述装置包括由电感和电容组成的延时线LC网络和串接在所述延时线LC网络输入端的用于对输入信号进行幅度补偿的电阻。低噪放输出的多路电压信号经过延时线串接的电阻进行信号幅度补偿，补偿后的信号从不同的抽头加入到延时线的LC网络进行信号延时和信号累加，最后在LC网络的输出端输出波束合成信号。本发明装置具有成本低，体积小，各通道的连续波回波幅度一致性好等优点，本发明的方法和装置适用于超声诊断系统，尤其适用于要求体积小的便携式超声诊断系统。文档编号A61B8/00GK101147686SQ200610062698公开日2008年3月26日申请日期2006年9月19日优先权日2006年9月19日发明者张立国,锐胡,黄海涛申请人:深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司