專利名稱：基于相關(guān)性分析的超聲成像系統(tǒng)自適應(yīng)波束形成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)療超聲成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種自適應(yīng)波束形成器。

背景技術(shù)：
超聲成像是一種適用范圍很廣的診斷方法，具有無損傷、無電離輻射、使用方便等優(yōu)點。波束形成是超聲成像系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，直接影響著超聲成像的質(zhì)量。低的旁瓣級一直是波束形成器設(shè)計中追求的目標。從20世紀60年代至80年代末，超聲成像系統(tǒng)主要采用模擬波束形成技術(shù)，體積龐大而且聚焦精度較低。20世紀90年代初，隨著大規(guī)模集成電路以及高速、高分辨率模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的發(fā)展，數(shù)字波束形成技術(shù)逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位；它利用數(shù)字存儲技術(shù)對回波信號進行采樣并記錄下來，然后通過數(shù)字延時累加的方式實現(xiàn)聚焦。
數(shù)字波束形成器的聚焦精度與A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率有關(guān)，目前商用機使用的采樣速率通常為40MHz，經(jīng)過插值處理后聚焦精度可達10ns。然而在實際系統(tǒng)中，由于制造工藝的限制以及通道失配等原因，探頭陣元間不可避免地存在相位誤差，同時被測組織的非均質(zhì)性也會帶來相位誤差，這些隨機分布的相位誤差使得波束旁瓣增高。通常相位誤差遠大于聚焦精度，再提高采樣速率已沒有任何意義。此種情況下，為了進一步降低旁瓣、提高信噪比，只能增加系統(tǒng)的通道數(shù)，然而通道數(shù)每增加一倍，信噪比至多提高3dB，性價比是相當(dāng)?shù)偷摹?br> 孔徑變跡是波束形成中的一項重要技術(shù)，其基本原理就是對中心陣元接收到的回波信號賦予較大的權(quán)系數(shù)，向兩邊權(quán)系數(shù)逐漸減小，以便抑制波束旁瓣和柵瓣。傳統(tǒng)的波束形成技術(shù)通過在接收孔徑上施加高斯窗、漢寧窗等實現(xiàn)變跡，當(dāng)通道相位誤差隨機分布時，固定變跡函數(shù)對于旁瓣的抑制能力也隨之變化。此外，當(dāng)變跡函數(shù)確定以后，其抑制旁瓣的能力隨探測深度變化在變跡有效的掃查深度范圍能夠很好地抑制軸外旁瓣，而在變跡有效的深度范圍以外抑制旁瓣的能力減弱，甚至使旁瓣增加。由此可見，傳統(tǒng)的波束形成器對于通道間隨機相位誤差引起的旁瓣效應(yīng)并不能充分地抑制，而且不能隨探測位置的變化動態(tài)調(diào)整，從而影響了聚焦效果。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對傳統(tǒng)的波束形成器不能充分抑制通道間隨機相位誤差引起的旁瓣效應(yīng)和不能隨探測位置動態(tài)調(diào)整影響聚焦效果的困難，提供一種超聲成像中的基于相關(guān)分析的波束形成技術(shù)，該技術(shù)利用動態(tài)變跡方法適應(yīng)探測環(huán)境的變化，當(dāng)探頭結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)參數(shù)變化時，各通道的權(quán)重根據(jù)回波信號的到達時間自適應(yīng)地調(diào)整，即使存在隨機相位誤差，也能在整個超聲掃查范圍內(nèi)取得較好的旁瓣抑制效果。這種自適應(yīng)動態(tài)變跡技術(shù)對于不同的探測對象以及同一對象的不同檢測部位，都能夠達到較好的聚焦效果，圖像的橫向分辨率和對比分辨率相對于傳統(tǒng)波束形成技術(shù)能有較為明顯的提高。
本發(fā)明提出的自適應(yīng)波束形成方法是基于相關(guān)性分析的。在信號分析和處理中，相關(guān)性是一個非常重要的概念。所謂“相關(guān)”，是指變量之間的一種線性關(guān)系。對于確定性信號而言，兩變量之間的關(guān)系可用函數(shù)來描述，兩者具有一一對應(yīng)的關(guān)系。而對于隨機信號，則只能通過相關(guān)性分析來描述它們之間的關(guān)系。在超聲系統(tǒng)中，探頭相位誤差和系統(tǒng)噪聲通常都是隨機信號，使得回波信號也具有一定的隨機性。
在超聲回波信號中，包含組織信息的有用信號之間的相關(guān)性很強，而不同通道之間由于相位誤差和噪聲具有隨機分布特性，相關(guān)性較弱。因此可以利用相關(guān)性系數(shù)來對各通道的權(quán)重作動態(tài)調(diào)整，以便更好地抑制旁瓣，提高信噪比。
本發(fā)明提供的波束形成器通過以下步驟實現(xiàn) 第一步，將各通道獲取的回波信號分成若干段，針對每一段，首先利用經(jīng)典的波束形成方法獲取一個基準信號，然后將每個通道的信號與基準信號做互相關(guān)，計算相關(guān)性系數(shù)。
假設(shè)每個分段內(nèi)的采樣點個數(shù)為K，第n個通道接收到的以深度k0為中心的段回波信號可表示為 基準信號通過經(jīng)典的波束形成方法來獲取 其中an是經(jīng)典波束形成中第n個通道的權(quán)重，只要變跡函數(shù)確定，an隨之固定；N是接收通道數(shù)。本發(fā)明采用高斯窗作為經(jīng)典波束形成中的加窗函數(shù)。
將第n個通道的每段回波信號與此段的基準信號做互相關(guān)運算，得到相關(guān)系數(shù)為 其中 這里基準信號相當(dāng)于一個有差的先驗知識源。若某個通道的回波信號與基準信號越相近，對應(yīng)的相關(guān)性系數(shù)就越大，此通道在自適應(yīng)波束形成中的權(quán)重也越大。也就是說，如果某通道的信號與有用信號相關(guān)性較強，對其進行增強；反之，如果與有用信號相關(guān)性較弱，則對其進行抑制。
第二步，利用相關(guān)性系數(shù)對每個通道在該分段內(nèi)的權(quán)重作動態(tài)調(diào)整，合成回波信號。每個通道權(quán)重的動態(tài)調(diào)整通過權(quán)重系數(shù)實現(xiàn)。每個通道將原來的權(quán)重系數(shù)與相關(guān)系數(shù)相乘，得到新的權(quán)重系數(shù) a′n(k0)＝ρn，b(k0)an(4) 因此深度k0處的新的合成回波信號為 可以看出，各通道陣元接收到的回波信號經(jīng)過高斯窗加權(quán)并累加以后，又經(jīng)過了動態(tài)匹配濾波處理，使得基準信號在近場和遠場都具有較高的信噪比。動態(tài)匹配濾波器的輸出即為基準信號。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)和探測環(huán)境變化時，各個通道的權(quán)重也隨著回波信號的到達時間自適應(yīng)地變化，從而使得每個探測深度處的旁瓣都能得到較好的抑制。
根據(jù)以上分析，由傳統(tǒng)波束形成技術(shù)形成的基準信號實際上是波束特性的一個反饋，本發(fā)明所提出的自適應(yīng)波束形成器就相當(dāng)于一個閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)的波束形成技術(shù)將波束形成過程看成是一個空間濾波過程，同相疊加、異相衰減，而本發(fā)明所提出的自適應(yīng)波束形成方法考慮更多的隨機性因素，利用相關(guān)性系數(shù)對各通道權(quán)重系數(shù)進行動態(tài)最優(yōu)分配，從而確保在變化的環(huán)境中獲取最佳的波束。
本發(fā)明中的聚焦延時參數(shù)可以通過下面的方法計算得到首先建立超聲衰減特性與聲速的對應(yīng)關(guān)系曲線，然后根據(jù)超聲波在被測目標中的衰減特性通過建立的關(guān)系曲線查找得到被測目標的即時聲速，基于這一即時聲速就可以計算出當(dāng)前被測目標的確切聚焦延時參數(shù)。這里的曲線建立、查找和延時參數(shù)計算過程都能夠在計算機上實現(xiàn)。
本發(fā)明的自適應(yīng)波束形成器可以采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)來實現(xiàn)。利用FPGA的在線可重構(gòu)特性，系統(tǒng)的工作過程可劃分為參數(shù)識別和正常掃查兩個階段。參數(shù)識別階段，將以I/Q解調(diào)和復(fù)數(shù)自相關(guān)估計為核心的參數(shù)識別邏輯配置給FPGA，對于同一檢測部位而言，只需要進行一次參數(shù)識別過程就可以了。正常掃查階段，將聲束形成邏輯配置給FPGA，結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)波束形成器完全相同，只有聚焦延時參數(shù)是經(jīng)過參數(shù)識別過程獲取的。由于利用了FPGA可重構(gòu)的特點，參數(shù)識別和波束形成可分時共用同一個FPGA芯片，所以本發(fā)明與傳統(tǒng)的波束形成裝置相比，硬件成本不會有任何增加。



圖1為自適應(yīng)波束形成器原理框圖。
圖2為自適應(yīng)波束形成器功能框圖。
圖3為陣元間相位誤差服從均值為0、方差為0.064π的正態(tài)分布時，不同波束形成方法下的波束指向圖。實線對應(yīng)本發(fā)明中提出的自適應(yīng)波束形成方法，虛線對應(yīng)傳統(tǒng)的波束形成方法。
圖4為陣元間相位誤差服從均值為0、方差為0.64π的正態(tài)分布時，不同波束形成方法下的波束指向圖。實線對應(yīng)本發(fā)明中提出的自適應(yīng)波束形成方法，虛線對應(yīng)傳統(tǒng)的波束形成方法。
圖1中 101先進先出(FIFO)緩存器 102乘法器1 103累加器1 104匹配濾波器1 105互相關(guān)運算器 106權(quán)重調(diào)整器 107乘法器2 108累加器2 109匹配濾波器2 圖2中 201A/D采樣陣列 202現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 203參數(shù)識別邏輯 204聲束形成邏輯 205FPGA配置電路 206PCI接口 207計算機(PC)
具體實施例方式 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。
整個自適應(yīng)波束形成器原理框圖如圖1所示?；夭ㄐ盘栠M入自適應(yīng)波束形成器后首先在先進先出(FIFO)緩存器101中緩存，緩存后分為三路處理一路利用傳統(tǒng)的方法進行波束形成，一路與基準信號作互相關(guān)運算，另一路等待調(diào)整后的通道權(quán)重系數(shù)計算出來以后進行自適應(yīng)波束形成。在傳統(tǒng)的波束形成環(huán)節(jié)，各通道回波信號首先與固定窗的窗系數(shù)通過乘法器102相乘，然后通過累加器103累加，累加和即為傳統(tǒng)波束形成方法的合成值，然后再經(jīng)過動態(tài)濾波環(huán)節(jié)104，進行匹配濾波，消除帶外噪聲。動態(tài)濾波后的信號即為基準信號，將各通道信號與基準信號通過互相關(guān)運算器105進行互相關(guān)計算，得到互相關(guān)系數(shù)。然后，利用互相關(guān)系數(shù)對原來的窗系數(shù)通過權(quán)重調(diào)整器106進行調(diào)整，將調(diào)整后的權(quán)系數(shù)與緩存的各通道回波信號通過乘法器107相乘，然后通過累加器108進行累加求和，累加后的和再通過匹配濾波器109進行動態(tài)濾波，濾波器輸出即為自適應(yīng)波束形成器所得到的合成波束。
自適應(yīng)波束形成器功能框圖如圖2所示，超聲回波信號經(jīng)A/D采樣陣列201進入現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)202，具體采用Xilinx公司的XC3S4000，每個通道配一個分辨率為8bit的A/D轉(zhuǎn)換器，具體采用AD9057。在參數(shù)識別階段，計算機207通過PCII接口206將參數(shù)識別邏輯下載到FPGA配置電路205的SRAM中，然后FPGA配置電路205中的CPLD從SRAM讀取邏輯代碼并按一定的時序規(guī)則配置給FPGA 202，此時FPGA 202實現(xiàn)參數(shù)識別邏輯203。在正常掃查階段，計算機207通過PCI接口206將聲束形成邏輯下載到配置電路205的SRAM中，然后配置電路205中的CPLD從SRAM讀取邏輯代碼并按一定的時序規(guī)則配置給FPGA 202，此時FPGA 202實現(xiàn)聲束形成邏輯204。
圖3顯示了通道間存在服從均值為0、方差為0.064π的正態(tài)分布隨機相位誤差時，兩種波束形成方法的性能對比。實線對應(yīng)本發(fā)明中提出的自適應(yīng)波束形成方法，虛線對應(yīng)傳統(tǒng)的波束形成方法。當(dāng)不采用變跡技術(shù)時，波束旁瓣較大，主瓣特性也不好，嚴重影響了圖像的橫向分比率和對比分辨率。傳統(tǒng)的對接收孔徑加固定窗的波束形成方法能夠在一定程度上抑制旁瓣，伴隨而來的是主瓣寬度的增大，但旁瓣抑制效果并不令人滿意。相比之下，自適應(yīng)波束形成方法能夠充分地抑制旁瓣，提高了圖像的橫向分辨率。
圖4顯示了通道間存在服從均值為0、方差為0.64π的正態(tài)分布隨機相位誤差時，兩種波束形成方法的性能對比。此時，如不采用任何變跡技術(shù)時，波束特性嚴重惡化，很難區(qū)分主瓣和旁瓣，聚焦波束幾乎沒有指向性。如圖所示，傳統(tǒng)的波束形成技術(shù)可以在一定程度上抑制旁瓣，但旁瓣級仍然很大，幾乎和主瓣在一個數(shù)量級上，而自適應(yīng)方法則能夠?qū)⑴园攴纫种圃谝粋€較低的水平，在一定程度上保證圖像的橫向分辨率和對比分辨率。圖中的旁瓣效應(yīng)和波束特性的惡化是不可避免的，這是由于相位誤差太大的原因。
權(quán)利要求
1. 一種用于數(shù)字超聲成像的動態(tài)自適應(yīng)波束形成器，其特征在于將各通道獲取的回波信號分成若干段，針對每一段，首先利用經(jīng)典的波束形成方法獲取一個基準信號，然后將每個通道的信號與基準信號做互相關(guān)，再利用相關(guān)性系數(shù)對通道在該分段內(nèi)的權(quán)重作動態(tài)調(diào)整，最后利用調(diào)整后的權(quán)重對各通道信號合成得到最終的波束輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)波束形成器，其特征在于采用I/Q解調(diào)模塊對射頻回波數(shù)據(jù)進行正交解調(diào)，正交參考正弦和余弦信號的頻率與超聲發(fā)射頻率相同，解調(diào)后得到同相I和正交Q兩個通道的數(shù)據(jù)，將I、Q數(shù)據(jù)均勻分割成若干段，段與段之間有交疊，以便使結(jié)果更加平滑，分段后的數(shù)據(jù)進行復(fù)數(shù)自相關(guān)估計。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)波束形成器，其特征在于利用經(jīng)典的波束形成方法獲取一個基準信號，該基準信號相當(dāng)于一個有差的先驗知識源，對于回波信號與基準信號相近的通道，設(shè)置大的相關(guān)性系數(shù)，該通道在自適應(yīng)波束形成中的權(quán)重也較大，反之則設(shè)置小的相關(guān)性系數(shù)，該通道在自適應(yīng)波束形成中的權(quán)重也較小。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)波束形成器，其特征在于利用相關(guān)性系數(shù)對通道在該分段內(nèi)的權(quán)重作動態(tài)調(diào)整，權(quán)重調(diào)整方法是將原來的權(quán)重系數(shù)與相關(guān)系數(shù)相乘，計算得到新的權(quán)重系數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)波束形成器，其特征在于系統(tǒng)的上位機為計算機，該計算機中存有FPGA的邏輯代碼和系統(tǒng)所有的掃查控制參數(shù)，計算機與超聲系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，在工作中，計算機先將邏輯代碼通過配置電路配置給FPGA，然后將一些必要的掃查控制參數(shù)下載到FPGA，一幀圖像掃查完成后，計算機讀取圖像并顯示。
全文摘要
一種自適應(yīng)波束形成器，屬于醫(yī)學(xué)超聲成像領(lǐng)域。本發(fā)明針對傳統(tǒng)的波束形成器不能充分抑制通道間隨機相位誤差引起的旁瓣效應(yīng)和不能隨探測位置動態(tài)調(diào)整影響聚焦效果的困難，提供一種基于相關(guān)性分析的自適應(yīng)波束形成技術(shù)，該技術(shù)將各通道獲取的回波信號分成若干段，針對每一段，首先利用經(jīng)典的波束形成方法獲取基準信號，然后將每個通道的信號與基準信號做互相關(guān)，再利用相關(guān)性系數(shù)對通道在該分段內(nèi)的權(quán)重作動態(tài)調(diào)整，最后利用調(diào)整后的權(quán)重對各通道信號合成得到最終的波束輸出。本發(fā)明用動態(tài)變跡方法適應(yīng)探測環(huán)境的變化，抑制了隨機相位誤差引起的旁瓣效應(yīng)。本發(fā)明在超聲成像領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號A61B8/00GK101238992SQ20081006396
公開日2008年8月13日 申請日期2008年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月1日
發(fā)明者強 王, 毅 沈, 艷 王, 馮乃章, 王沛東 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)