一种高脉冲多普勒成像的速度标尺调节方法及装置与流程

本发明涉及超声波技术领域，具体是一种高脉冲多普勒成像的速度标尺调节方法及装置。

背景技术：

作为超声诊断设备的重要功能之一，脉冲波多普勒(Pulse Wave Doppler，PWD)被广泛用于血流速度的检测，它能够获得血流速度随时间变化的频谱图。在普通的脉冲波多普勒模式下，一次脉冲波发射完成后，要等所有深度的回波接收完才开始下一次发射。此时，取样门深度与脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency，PRF)之间相互制约，取样门深度越大，PRF越小，所能检测的最大血流速度越小。

但是在血流流速非常高的特殊场合中，比如心脏血流流速检测，普通的PWD模式难以满足要求，此时需要用到高脉冲多普勒(High Pulse Repetition Frequency，HPRF)模式。HPRF模式与普通PWD模式不同，并不会等待所有深度的回波接收完毕才开始下一次发射，而是在接收到较浅深度的回波后就开始下一次发射。如图1示例，Tn表示第n次发射，Rn表示第n次接收，HPRF模式的PRF是普通PWD模式的两倍，取样门个数也相应的增加，多出来的取样门称为虚拟取样门，实际中通常从最浅的取样门获取数据。此时，较深位置的回波会和下一次的较浅位置的回波一起被接收，如图2示例，实际是从取样门1接收数据，第一次信号接收期只接收到第一次发射信号在较浅位置的回波，即取样门1位置的回波；第二次信号接收期将同时接收到到第二次发射信号在取样门1位置的回波和第一次发射信号在取样门2位置的回波，…，以此类推，则HPRF能够实现以较高的PRF获取较深位置的回波。

由于脉冲的发射和接收不能同时进行，两次脉冲接收之间存在一定的时间间隔，该间隔被称为死区。在死区内接收到的通常都是被污染的信号，或者根本接收不到信号，因此取样门的位置应该避开死区。当脉冲重复频率越高，死区所占比重也越高，如何获取一个合适的PRF，使得既能满足深度要求，又能避开死区，是HPRF模式的关键问题。

专利CN201210088078从备选的PRF档位中选取合适的PRF值，使得在当前深度下，取样门不在死区内。该方法每次判断PRF参数不符合要求时就将PRF提升到下一档位，对每个档位的参数值的准确度要求很高，且难以确定相邻档位之间的最优间隔大小，此外档位值不能随着取样门深度变化进行相应的调整，其鲁棒性低。

专利CN20100044456预先固定PRF调整范围和步长的参数值，然后按照固定的步长在范围内依此选取许多个PRF进行多项评分的计算，最终将组合评分最优的PRF用于脉冲波发射。该方法计算繁冗，资源消耗大，且参数设置较依赖经验。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种速度标尺调节方法及装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高脉冲多普勒成像的速度标尺调节方法，包含以下步骤：

A、记录当前标尺档位的调整方式，用于标尺档位的调节；

B、根据当前档位及其邻近档位的速度标尺值，自适应确定速度标尺的调整步长，在当前档位与邻近档位之间寻找合适的标尺值；

C、如果步骤B仍找不到合适标尺，则根据A中的调整方式调节档位，然后继续进行步骤B，直至找到合适的标尺值。

作为本发明的进一步技术方案：若当前档位的速度标尺值使得取样门位于死区，首先在上下相邻档位之间寻找满足条件的标尺，如果找不到合适标尺则进行档位的调整，若该档位不合适再继续进行档位间的搜索，如此反复直到找到合适的标尺值。

作为本发明的进一步技术方案：在相邻标尺间寻找合适标尺时，调整步长并非固定的，而是根据相邻档位值的距离自适应计算得到。

一种高脉冲多普勒成像的速度标尺调节装置，其特征在于，包括输入模块、存储模块、计算模块、控制模块和输出模块，所述的控制模块作为控制中心，与存储模块和计算模块相连，同时连接输入模块和输出模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结合了系统的计算效率和鲁棒性两方面，提出了一种HPRF模式下的速度标尺调节方法及装置，保证系统能够根据实际标尺档位自适应地寻找合适的速度标尺值，获得好的图谱效果，提升算法的鲁棒性，减小系统计算量。

附图说明：

图1为脉冲多普勒与高脉冲多普勒对比示意图；

图2为高脉冲多普勒取样门示意图；

图3为超声PW模式处理流程图；

图4为速度标尺调整流程图；

图5为速度标尺调节装置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，一种高脉冲多普勒成像的速度标尺调节方法包括步骤：

A、记录当前标尺档位的调整方式，用于标尺档位的调节；

B、根据当前档位及其邻近档位的速度标尺值，自适应确定速度标尺的调整步长，在当前档位与邻近档位之间寻找合适的标尺值；

C、如果步骤B仍找不到合适标尺，则根据A中的调整方式调节档位，然后继续进行步骤B，直至找到合适的标尺值。

上述流程的创新之处一在于，若当前档位的速度标尺值使得取样门位于死区，先在上下相邻档位之间寻找满足条件的标尺，如果找不到合适的再进行标尺档位的调整。直到找到合适的标尺值，立即结束算法。算法将标尺档位的粗调与档位间微调相结合，鲁棒性更高，保证取样门不会进入死区。

上述流程的创新之处二在于，在相邻标尺间寻找合适标尺时，调整步长并非固定的，而是根据相邻档位值进行计算，具有自适应性，不受标尺档位值设定的影响。

一种高脉冲多普勒成像的速度标尺调节装置包括：

输入模块：用于用户根据自身需求进行标尺调节；

存储模块：用于保存用户调整方向、调整前的标尺值、调整步长及调整次数等数据；

计算模块：用于根据设定的标尺档位值计算调整步长、并且计算脉冲重复频率、取样门个数、死区长度等数据；

控制模块：用于根据一系列条件进行流程控制，比如判断是否满足避开死区要求、微调次数要求、取样门个数等条件，进而控制系统进行标尺的粗调微调等操作，保证系统最终能够找到合适的速度标尺值；

输出模块：用于输出调整以后的标尺值，以用于高脉冲多普勒模式的信号发射接收以及信号处理过程。

计算模块根据相邻档位的标尺值自适应计算上下微调的步长。

控制模块先进行标尺档位间的微调，然后进行标尺档位调整。

本发明的工作原理是：图3所示为常规医用超声设备PW模式处理框图。扫描控制器控制发射波束合成器产生发射波形激励超声探头，探头产生超声波信号照射到探测物体内部，反射回来的超声波信号经由超声探头转化为电信号，AD转换器把模拟信号转化为数字信号，再经过接收波束合成器得到RF信号。最后通过声音信号处理以及频谱处理流程分别可以得到声音信号以及频谱信号输出。

其中，PRF作为其中一项扫描控制参数，控制两次发射接收之间的时间间隔，即pw信号时间采样率。PRF计算方式如下：

其中C为声速，在人体组织中通常为1540米每秒；Fre表示探头中心频率，根据探头特性预置少数几个等级，通常不需调节。Vel为速度标尺，其在系统内设置多个档位可调，超声系统主要就是通过对速度标尺的调节实现PRF的改变。当检测低速血流时(如肾脏等)需要用到较低的速度标尺，当检测高速血流时(比如心脏等)需要用到较高的速度标尺。而当采样深度限制无法达到更高的速度标尺时，就需要开启HPRF功能。

本发明的速度标尺调节方法如图4所示，每当用户手动调节频率、速度标尺、取样门深度等与PRF相关的参数时，系统能自动高效地找到合适的速度标尺，进而得到满足要求的PRF。

速度标尺的自动调整包括以下步骤：

S1：根据用户的调整意愿进行标尺档位调节。这里的调节意愿包括直接对速度标尺档位的调节，以及对取样门位置、频率等的调整所带来的必要的标尺调节，以避免取样门落入死区。

S2：记录标尺档位调节方向D。表明根据用户意愿是往上增大标尺档位，还是往下减小标尺档位。

S3：初始化参数K，M。其中K用于表示标尺值自动调整的方向，K为1时表示上调，K为-1时表示下调；M则表示当前的调整次数，其值从0开始，每次标尺值将要上调时自加1。

S4：根据当前的标尺值判断取样门是否位于死区内。死区长度Dead_length为脉冲发射持续时间与死区余量之和，死区余量通常根据系统取较小的常数。只有当取样门的起始位置SV_start和结束位置SV_end满足以下两个条件时，取样门才算避开了死区。

(1)SV_start>(N-1)*PRT+Dead_length

(2)SV_end<N*PRT

其中N表示取样门个数，PRT表示脉冲重复周期，即脉冲重复频率的倒数。取样门个数N根据取样门结束位置SV_end、声速C、死区时长Dead_length和脉冲重复周期PRF计算得到：

如果取样门位于死区则进入S6步骤；若避开了死区则进入S5步骤。

S5：判断当前标尺下的取样门个数是否超过最大值Num。若超过了最大值则进入S6步骤继续进行标尺调整，否则停止调整，使用当前标尺值。其中取样门最大个数Num设置为系统可调参数，避免取样门过多而使得最终信噪比降低。

S6：判断当前档位是否是最高的标尺档位。如果不是，则根据当前档位及其上下相邻的档位计算上调与下调的间隔。若是最高档位，则上调间隔设为0，下调间隔仍然根据低一级档位标尺值计算。最低档位时通常标尺很小，取样门只有1个，直接使用普通的PWD模式，因此不用进行考虑。假设当前档位标尺值为V，低一级档位标尺值为V_-1，高一级档位标尺值为V₁。则上调基础步长TU与下调基础步长TD分别为：

其中MAX表示调节次数的最大值，为预置的固定参数。

S7：判断调整方向K。当K≥0是表示标尺需往上调节，此时先将调整次数M自加1，然后进入S8步骤。若K＜0，则表示标尺需往下调节，将标尺值调整为当前档位的标尺值减去M个下调基础步长，然后转到S11步骤。

S8：判断对当前档位的标尺进行调整的次数M，当超过最大次数MAX时停止当前档位的标尺值调整，转到S9步骤判断调整方向D。若没有超过最大次数MAX，则将标尺值调整为当前档位的标尺值加上M个上调基础步长，然后转到S11步骤。

S9：判断最开始记录的调整方向D。如果是往下调整则降低一级标尺档位，并返回S3步骤；如果是往上调整，则直接进入S10步骤。

S10：判断当前档位是否是最高标尺档位。如果不是，则提升一级标尺档位并返回S3步骤；如果是最高档位，则表示此次调整再往上已经没有合适的标尺值，停止标尺调整过程，使用用户调整前的标尺值。

S11：标尺调整方向的改变。即控制在进行一次标尺值微调之后，下一次为反方向调整。标尺调整方向改变后，重新返回S4步骤判断使用调整后的标尺值是否满足取样门不在死区的要求。假设当前档位标尺值为V，即最终标尺值的微调顺序为：V+1*TU，V-1*TD，V+2*TU，V-2*TD，…，V+MAX*TU，V-MAX*TD。

图5是本发明提出的一种速度标尺调节装置的示意图。该装置主要用于图3所示的扫描参数计算模块。该装置包括输入模块、存储模块、计算模块、控制模块和输出模块。其中输入模块用于用户根据自身需求进行标尺调节；存储模块用于保存用户调整方向、调整前的标尺值、调整步长及调整次数等数据；计算模块用于根据设定的标尺档位值计算调整步长、并且计算脉冲重复频率、取样门个数、死区长度等数据；控制模块用于根据一系列条件进行流程控制，比如判断是否满足避开死区要求、微调次数要求、取样门个数等条件，进而控制系统进行标尺的粗调微调等操作，保证系统最终能够找到合适的速度标尺值；输出模块用于输出调整以后的标尺值，以用于高脉冲多普勒模式的信号发射接收以及信号处理过程。

本发明提出的一种高脉冲多普勒成像的速度标尺调节方法及装置，并非仅仅根据固定的档位来调整速度标尺，而且考虑到档位之间的间隙，利用一定的调整间隔在档位之间寻找合适的标尺值，有效避免了固定档位值的偶然性。

综上所述，本发明兼顾了速度标尺调节算法的有效性及复杂度，降低了计算量，同时能够有效地在有限的档位之中找到合适的速度标尺，实现标尺值的自动调节，得到较好的谱图效果。