超声系统双极性脉冲调制发射方法

专利名称：超声系统双极性脉冲调制发射方法
技术领域：
本发明涉及超声技术，尤其涉及超声成像系统中的信号处理，特别是涉及探 头发射的激励信号。
背景技术：
现有超声系统的构成一般如图l所示。探头由阵元组成；每个阵元可以接受 电激励信号而发射声波，也可以接收声波并转换之为电信号。与该探头相连接的发射/接收 转换模块主要负责切换系统的发射状态与接收状态；在发射状态时，来自发射模块的激励 信号通过发射/接收转换模块送达探头阵元，激励该探头阵元发射出声波。探头发射孔径中 多个阵元的发射声波形成了发射波東。该发射波束进入人体组织内部后，在传播过程中有 一部分能量会被组织反射或散射回探头表面。所述发射过后，发射/接收转换模块进入接收 状态，探头接收孔径的多个阵元分别接收来自组织反射或散射的回波信息，并通过A/D(模 拟/数字)转换形成多个通道的数字信号进入波束合成模块，被合成为射频超声电信号后传 输给信号处理模块。所述信号处理模块根据系统预定的成像模式对所述射频超声电信号进 行成像处理后送往显示器显示。
在上述传统超声系统中，许多环节技术与探头的发射波形相关，故探头的发射波形对 系统成像有相当大的影响。
因为对信号有过滤作用，探头阵元可以被看作为一个带通滤波器，从而对于不同的组 织， 一般使用具有不同滤波特性的探头阵元。例如，对于腹部这类对图象深度要求比较高
的， 一般要使用基带频率较低的探头(例如2 5MHz);对于颈动脉这类浅表组织一般使用频 率高的探头(例如6-12MHz)。因此对于激励信号而言，必需根据探头的特性以及系统成像 需要来设置合适的波形。可以知道，如果激励信号的频率特性与探头带通滤波特性一致的 话，就容易得到较高的发射效率，即发射出去的能量与使用的激励能量之间的比值较高。 这样，不仅在一定的发射能量下可以提高穿透力，还可以改善探头的发热情况。对于降低发射波束的旁瓣，采取发射变迹是一种有效的措施。所述发射变迹就是通过 控制给予各发射阵元的激励信号，来使得阵元发射波形的幅度有一定的变化。例如，要使 发射孔径的发射声東有较低的旁瓣，可以使发射孔径中的所有阵元的发射波幅度呈一定的 窗形状(例如Harniing窗)，即发射孔径中间的阵元发射高幅度波形；从中间到边界，各阵 元发射波幅度逐渐降低，这样可以有效改善由于旁瓣造成的成像质量问题。
为了使激励信号具有与探头基本一致的带通特性，激励信号的波形要与高斯波相类似; 同时为了能够使每个阵元发射波形的幅度任意可调，比较简单的做法就是调节各个阵元的 激励信号的激励电压强度；因此为了使探头可以发射任意波形，需要超声发射系统可以任 意调节发射电压，或使用N(—自然数，越大越好)极电平来发射激励信号。但是，这种实现 方案成本非常高， 一些系统不得已仅使用很少电压级数来设计发射前端，来尽量满足各种 发射波形的需求。
因此常规激励信号的波形如图3所示，T为激励信号长度，W为脉冲宽度，假设发射基 带频率为f0，那么一般有T-l/fO; W=T/2。
美国专利US 6，135,963公开了一种用占空比调制激励信号的方法来实现发射变迹的方 案。占空比就是正负脉冲在一个脉冲周期内的比例。如图2所示，假设发射孔径有8个阵 元，发射变迹需要实现的发射波形的幅度曲线类似高斯曲线，即在第四和第五阵元发射波 形幅度大，两边幅度小；该图左边一列为传统通过调制发射电压实现的激励信号实施例。 右边表示对应的使用调节占空比实现的激励信号，该列信号在图3的基础上，针对不同发 射阵元，釆用不同的脉宽设置。
上述现有技术的不足之处在于使用占空比调制的方法，只适用于实现对发射波形的 幅度控制；而实际上，对于各种不同的技术，需要模拟实现的各种发射波形不仅仅是如发 射变迹所要求的具有幅度变化这么简单。例如对于使用传播过程中生成的谐波成分进行成 像的谐波成像技术，就还对发射波形的谐波能量有一定要求，因为该谐波能量越大，对成 像效果的影响越大
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足之处，而提出一种超声 系统脉冲调制发射方法，便于简单实现各种需要的发射波形，以及便于提高阵元发射效率。为解决上述技术问题，本发明的基本构思为为了使发射波形能实现发射变迹，或能
够使激励信号能量尽可能多地通过探头从而提高发射效率，本发明根据系统的各种技术要 求(例如不同成像模式及探头发射特性对探头发射波形的约東)，利用并设计激励信号的 基带频谱，以简单的方式来实现调节并生成各个合适的激励信号，从而使激励信号的波形 频谱能够符合一定的要求，并使得通过探头发射的波形达到所述设计目标。
作为实现本发明构思的技术方案是，提供一种超声系统双极性脉冲调制发射方法，用
于超声系统，所述系统的探头阵元存在发射和接收两种状态；在所述发射状态时，探头发 射孔径中的各个阵元在该阵元的对应激励信号作用下发射声波，从而形成发射波東；各所 述激励信号为由双极性电压产生的双极性激励信号，尤其是，各所述双极性激励信号包括 能量、中心频率和带宽在内的基带频谱参数中至少有两个参数在起调节变化。
上述方案中，所述起调节变化的基带频谱参数或者为能量和中心频率；或者为能量和 带宽；或者为中心频率和带宽；或者为能量、中心频率和带宽。
上述方案中，各所述双极性激励信号的产生过程是依据所述起调节变化的基带频谱 参数来确定各所述双极性激励信号的基带频谱；依据该基带频谱来确定对应的预定波形； 利用该预定波形来模拟生成对应的所述双极性激励信号，该双极性激励信号的正/负脉冲分 别对应该预定波形的正/负波段。
上述方案中，所述正/负脉冲的宽度决定于所述双极性电压的幅度与所述正/负波段的 能量，即在波形图上所述正/负脉冲所覆盖的面积等于对应的正/负波段所覆盖的面积；所 述正/负脉冲的位置决定于所述正/负波段的能量，即在波形图上所述正/负脉冲的中心位置 设置在对应正/负波段的能量最大处。
采用上述技术方案，均可以利用激励信号来实现发射变迹对发射波形幅度或形状的控 制，还可以使探头的发射能量更加有效率。并具有实现成本低、易于实施的优点。
附图i兑明

图1是现有超声系统构成示意图
图2是现有幅度调制与占空比调制比较示意图 图3是现有探头激励信号示意4是本发明探头激励信号示例图
图5是对任意波形的分段示意图
图6是各种激励信号的频谱示意图
图7是本发明要实现的发射变迹图例
图8是本发明实施例之一能量与中心频谱调节方式示例
图9是本发明实施例之二能量与带宽调节方式示例
图IO是本发明实施例之三中心频率与带宽调节方式示例
图ll是本发明实施例之四能量、中心频率与带宽调节方式示例
具体实施方式
下面，结合附图所示之最佳实施例进一步阐述本发明。
假设探头基带频率为f0，那么可以使用fo来计算得到一个具有很好带通特性的激励信 号。以图4的波形图和图6相应的频谱图为例，假设理想激励信号的曲线a (见图4)为一 高斯波形，它的中心频率为f0,当该波形具有与探头阵元较为一致的带通特性时，可以带 来较高的发射效率；此时假设该波形具有如图6中点线所示意的频谱，设(但不限制)f0 为3MHz，频谱集中在2-4MHz范围内。为了以简单的方式实现该波形，本发明使用双极性 波形b (见图4)来模拟该曲线a,该双极性波形b对应的频谱如图6的实线所示。图6中 的虛线代表如图3所示的常规激励信号的频谱。可见，在2 4MHz范围内，所述双极性波 形b的基带频谱与所述理想激励信号的频谱大体一致，具有基本一致的能量分布比例，而 常规激励信号的基带频谱则是分散在0-5 MHz的范围内。因此，若将实际激励信号设置为 如所述双极性波形b,可以使激励信号能量更加集中，更接近于所需要发射波形的要求。同 时，这种激励信号具有便于使用双极性脉冲发生器来实现的优点。
为了使双极性脉冲发生器实现的双极性激励信号可以保持与预定需求相近似的有效频 谱特性，本发明经实践，设定产生各所述双极性激励信号的过程如下先确定各所述双极 性激励信号的基带频谱；再依据该基带频谱来确定对应的预定波形；最后利用该预定波形 来模拟生成对应的所述双极性激励信号，该双极性激励信号的正/负脉冲分别对应该预定波 形的正/负波段。具体如图5所示，实际上任意的所述预定波形均是由正波段与负波段交替 形成的，姑且将它们划分表示为wl w7这七个组成部分，其中wl,w3，w5，w7为负波段，w2,w4,w6为正波段。为了生成与该波形具有类似频谱的双极性激励信号，首先要计算各个 波段部分的能量，即该波段覆盖的面积。假设每部分的能量为Pi (i =1-7);再利用每部 分的能量来计算每个部分对应的分段脉冲的宽度，使该分段脉冲的能量与Pi—致；最后确 定各分段脉冲在wi部分的位置，选择并将能量最集中的部分(即该分段脉冲的中心位置) 置于wi的能量最大值位置；最终得到以图4波形b为例的双极性激励信号。
因为超声系统的探头阵元存在发射和接收两种状态；在所述发射状态时，探头发射孔 径中的各个阵元在该阵元的对应激励信号作用下发射声波，从而形成发射波東。各所述激 励信号为由双极性脉冲发生器利用双极性电压而产生的双极性激励信号。本发明双极性脉 冲调制发射方法的关键在于利用基带频谱参数的调节变化来确定各所述双极性激励信号。 为了实现发射变迹，本发明根据系统不同成像模式及探头发射特性对探头发射波形的约東 等各种技术要求，针对不同的通道设计出具有不同基带频谱的激励信号，以激励相应的阵 元。从而，通过频谱区别与探头带通特性的作用，可以使每个阵元发射波形的幅度各不相 同。例如，为了得到类似harming窗的发射变迹，可以使中间阵元的激励信号具有与探头 最为一致的带通特性，从而通过该阵元发射的能量最多；对于发射孔径边缘的阵元，使用 具有与探头越来越不一致的带通特性的激励信号，以减少通过这些阵元发射的能量。这样， 实现的效果与使用不同激励电压进行发射变迹所实现的效果一致，但成本明显降低。
举例而言，如图7所示，以矩形表示的多个阵元按顺序排列，其中黑色实心矩形为发 射孔径。为了得到旁瓣被压制的点扩散曲线，可以采用对发射波形进行加权的方法。以图 示的Harming窗发射变迹曲线为例，要求发射孔径的发射波形幅度能量在中心阵元处最大， 往边界阵元方向逐渐变小。本发明针对不同的阵元设计不同的双极性激励信号以得到不同 的发射波形幅度和能量，具体可以通过调节变化包括能量、中心频率和带宽在内的基带频 谱参数中的至少两个来实现，主要有以下几种方式
假设中心阵元为E0，发射孔径边上的阵元是El,那么需要的是使EO的发射波形幅度 比E1的发射波形幅度大。
实施例之一是，使用能量和中心频率这两个参数来调节设计各所述双极性激励信号的 基带频谱。如图8所示，图8a示意了探头带宽特性(黑实线所示)与不同阵元所对应双极性激励信号基带频谱之间的关系。依据所述探头带宽特性来设计波形频谱与探头中心频 率大体一致的一个波形频谱(虚线所示)具有较高能量，提供给所述中心阵元E0;与探头 中心频率逐渐偏移的波形频谱被赋予逐渐降低的能量(以点虛线为例，频率偏移0. 5MHz, 能量降为一半)，提供给以所述阵元El为代表的各对应边上阵元。以图示的两个波形频谱 为例，可以分别得到如图8b和8c所示的两个对应波形，再根据这两个波形按前述的方法 得到对应的双极性激励信号，分别提供给相应的阵元。波形频谱0由于更加符合探头的带 宽特性且能量大，将导致对应阵元得到的发射波形幅度更大。
实施例之二是，使用能量和带宽这两个参数来调节设计各所述双极性激励信号的基带 频谱。如图9所示，图9a示意了探头带宽特性与不同阵元所对应双极性激励信号基带频谱 之间的关系。依据所述探头带宽特性来设计波形频谱提供给所述中心阵元EO的波形频谱 (虛线所示)具有较大带宽和较高能量；提供给逐渐远离该中心阵元EO的波形频谱具有逐 渐缩小的带宽和能量(以点虛线为例，能量和带宽均降至0.7倍)。以图示的两个波形频谱 为例，可以分别得到如图9b和9c所示的两个对应波形，再根据这两个波形按前述的方法 得到对应的双极性激励信号，分别提供给相应的阵元。由于带宽不一样，因此生成的脉冲 周期长度不一样。波形频谱0由于更加符合探头的带宽特性且能量大，将导致对应阵元得 到的发射波形幅度更大。
实施例之三是，使用中心频率和带宽这两个参数来调节设计各所述双极性激励信号的 基带频谱。如图10所示，图10a示意了探头带宽特性与不同阵元所对应双极性激励信号基 带频谱之间的关系。依据所述探头带宽特性来设计波形频谱与探头中心频率一致的一个 波形频谱(虛线所示)具有较小带宽，提供给所述中心阵元EO;与探头中心频率逐渐偏移 的波形频谱被赋予逐渐增大的带宽(以点虛线为例，频率偏移O. 5MHz,带宽增大至1. 3倍)， 提供给以所述阵元E1为代表的各对应边上阵元。以图示能量基本一致的两个波形频谱为例， 可以分别得到如图10b和10c所示的两个对应波形，再根据这两个波形按前述的方法得到 对应的双极性激励信号，分别提供给相应的阵元。由于带宽不一样，因此生成的脉冲周期 长度不一样。波形频谱0由于更加符合探头的带宽特性且能量大，将导致对应阵元得到的 发射波形幅度更大。
实施例之四是，使用能量、中心频率和带宽这三个参数来调节设计各所述双极性激励信号的基带频谱。如图ll所示，图lla示意了探头带宽特性与不同阵元所对应双极性激励 信号基带频谱之间的关系。依据所述探头带宽特性来设计波形频谱与探头中心频率一致 的一个波形频谱(虛线所示)具有较高能量和较大带宽，提供给所述中心阵元E0;与探头 中心频率逐渐偏移的波形频谱被赋予逐渐降低的能量和逐渐减小的带宽(以点虛线为例， 频率偏移0.5MHz,带宽和能量均降低为虛线所对应的0.7倍)，提供给以所述阵元E1为代 表的各对应边上阵元。以图示的两个波形频谱为例，可以分别得到如图lib和lie所示的 两个对应波形，再根据这两个波形按前述的方法得到对应的双极性激励信号，分别提供给 相应的阵元。由于带宽不一样，因此生成的脉冲周期长度不一样。波形频谱0由于更加符 合探头的带宽特性且能量大，将导致对应阵元得到的发射波形幅度更大。
上述实施例为了描述如何获得所需要特性的双极性激励信号，所举的例子并不局限于 上述特定数值，而是可以根据需要来进行设计，其原理思想均是一样的。
在谐波成像的应用场合，同样可以使用上述方法来生成合适的双极性激励信号，从而 实现对探头发射波形的控制；不同的是对所述双极性激励信号基带频谱的具体设计和选择， 因非本发明重点，不在此赘述。
权利要求
1. 一种超声系统双极性脉冲调制发射方法，用于超声系统，所述系统的探头阵元存在发射和接收两种状态；在所述发射状态时，探头发射孔径中的各个阵元在该阵元的对应激励信号作用下发射声波，从而形成发射波束；各所述激励信号为由双极性电压产生的双极性激励信号，其特征在于，各所述双极性激励信号包括能量、中心频率和带宽在内的基带频谱参数中至少有两个参数在起调节变化。
2. 根据权利要求l所述的超声系统双极性脉冲调制发射方法，其特征在于所述起调节变化的基带频谱参数或者为能量和中心频率；或者为能量和带宽；或者 为中心频率和带宽；或者为能量、中心频率和带宽。
3. 根据权利要求l或2所述的超声系统双极性脉冲调制发射方法，其特征在于，各所述双 极性激励信号的产生步骤是A. 依据所述起调节变化的基带频谱参数来设置各所述双极性激励信号的基带频 谱；B. 依据该基带频谱来确定对应的预定波形；c.利用该预定波形来模拟生成对应的所述双极性激励信号，该双极性激励信号的 正/负脉冲分别对应该预定波形的正/负波段。
4. 根据权利要求3所述的超声系统双极性脉冲调制发射方法，其特征在于步骤C中所述正/负脉冲的宽度决定于所述双极性电压的幅度与所述正/负波段的能量，即在 波形图上所述正/负脉冲所覆盖的面积等于对应的正/负波段所覆盖的面积；所述正/负脉冲的位置决定于所述正/负波段的能量，即在波形图上所述正/负脉冲 的中心位置设置在对应正/负波段的能量最大处。
5. 根据权利要求3所述的超声系统双极性脉冲调制发射方法，其特征在于步骤A中所述起调节变化的基带频谱参数为能量和中心频率时，探头发射孔径中心阵元所对 应双极性激励信号的基带频谱被设置成具有与探头中心频率大体一致的中心频率和最 高能量；逐渐偏离该中心阵元的边上阵元所对应的被设置成具有逐渐偏移所述探头中心 频率的中心频率和逐渐降低的能量。
6. 根据权利要求3所述的超声系统双极性脉冲调制发射方法，其特征在于步骤A中所述起调节变化的基带频谱参数为能量和带宽时，探头发射孔径中心阵元所对应 双极性激励信号的基带频谱被设置成具有最大带宽和最高能量；逐渐偏离该中心阵元的 边上阵元所对应的被设置成具有逐渐縮小的带宽和能量。
7. 根据权利要3所述的超声系统双极性脉冲调制发射方法，其特征在于步骤A中所述起调节变化的基带频谱参数为中心频率和带宽时，探头发射孔径中心阵元所 对应双极性激励信号的基带频谱被设置成具有与探头中心频率大体一致的中心频率和最小带宽；逐渐偏离该中心阵元的边上阵元所对应的被设置成具有逐渐偏移所述探头中 心频率的中心频率和逐渐增大的带宽。
8. 根据权利要求3所述的超声系统双极性脉冲调制发射方法，其特征在于步骤A中所述起调节变化的基带频谱参数为能量、中心频率和带宽时，探头发射孔径中心阵 元所对应双极性激励信号的基带频谱被设置成具有与探头中心频率大体一致的中心频 率和最高能量及最大带宽；逐渐偏离该中心阵元的边上阵元所对应的被设置成具有逐渐 偏移所述探头中心频率的中心频率和逐渐降低的能量及逐渐减小的带宽。
全文摘要
一种超声系统双极性脉冲调制发射方法，用于超声系统，所述系统的探头阵元存在发射和接收两种状态；在所述发射状态时，探头发射孔径中的各个阵元在该阵元的对应激励信号作用下发射声波，从而形成发射波束；各所述激励信号为由双极性电压产生的双极性激励信号，尤其是，各所述双极性激励信号包括能量、中心频率和带宽在内的基带频谱参数中至少有两个参数在起调节变化。由该基带频谱所确定的波形来模拟生成所述双极性激励信号，提供给对应的发射阵元，可以实现发射变迹对发射波形幅度或形状的控制，及使探头的发射能量更加有效率，并具有实现成本低、易于实施的优点。
文档编号A61B8/00GK101411625SQ200710124060
公开日2009年4月22日 申请日期2007年10月15日 优先权日2007年10月15日
发明者斌 姚, 胡勤军, 勇 黄 申请人:深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司