基于延時參數實時計算和流水線的多波束合成方法和裝置的制作方法

專利名稱：基于延時參數實時計算和流水線的多波束合成方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種多波束合成方法和裝置，尤其涉及一種基于延時參數實時計算和 流水線的多波束合成方法和裝置。
背景技術：
現代超聲成像由于大量采用雷達中的先進技術以及數字信號處理和圖像處理技 術而使得超聲成像的質量大幅度提高。但是很多技術的采用都會以犧牲掃描速度為代價。 比如空間復合成像技術，需要多幀不同角度掃描的圖像合成最終的圖像；反相組織諧波技 術需要疊加兩幀不同發射脈沖極性得到的圖像獲得組織的諧波圖像；合成孔徑技術更是需 要多幀圖像的疊加來實現發射和接收的逐點聚焦。現代彩超由于需要很高的發射脈沖頻率 來提取血流信號，因此使得獲得二維B超圖像的時間大大減少，也會導致幀頻明顯降低。由 于臨床上觀察人體內的器官運動需要快速的圖像更新，幀頻的大幅度降低將使得B超圖像 無法應用于心臟診斷。多波束技術可以彌補這些技術導致的B超圖像幀頻降低。比起常規的掃描方式， 多波束技術可以在一次脈沖發射過程中同時形成M條接受回波(M通常是2到16)，因此使 得幀頻提高了 M倍。但是，實現多波束技術卻是一個技術難題。單波束合成為了技術上的可 實現性以及成本考慮，都采用預先存儲聚焦參數的做法實現接收的動態聚焦。這樣對于常 規的應用，如單元芯片中包含16通道，采樣頻率40MHz，深度25厘米的情況，存儲所有掃描 線的聚焦參數需要大約400k字節以上的存儲空間。如果考慮到奇偶線的差別，存儲空間要 到800k以上。如果按照重復單波束的方案實現多波束，比如四波束，存儲所有的聚焦參數 需要外掛2M字節的存儲器。同時對FPGA的資源需求也會由于成幾倍的增加而無法實現。 本發明的意義在于采用了流水線作業方式實時計算波束合成所需要的信號延時，需要存儲 的聚焦參數只是很少的和孔徑相關以及和掃描線方向相關的參數。這樣每一路回波信號， 假設一次合成4個波束，只需要大約160個字節來存儲所有聚焦參數。考慮到沿掃描線設 置64個變權點的加權值，每一個加權值一個字節，對于16個通道加權參數需要lk字節的 存儲量，這樣對于一路回波同時合成四路波束，需要存儲的參數只有1184個字節。256條掃 描線需要存儲的數據為296k字節。由于多波束技術對于提高B超圖像的幀頻和圖像質量有著至關重要的意義，引起 了超聲成像領域的廣泛的關注，產生了很多設計方案和專利。在眾多的有關波束合成專利 中，可以根據聚焦延時參數是事先計算好存儲的還是實時計算的大致分為兩類。早期的單 波束合成階段，大都采用存儲事先算好的延時參數的方法。為了減少參數占用存儲器的數 量，基本上都是采用存儲初值和增量相結合的方法。延時的初值通常做為粗延時(即延時 以采樣時鐘周期為單位)，而精度高于一個采樣時鐘周期的延時用增量‘0’和‘1’來表示， 細延時的單位通常取一個采樣周期的四分之一到八分之一。這樣每一個通道在不同深度的 焦點處的延時參數實際上就是1個bit的數據流。但是，由于實現動態聚焦的焦點數目可以 達到一千甚至幾千個，所以對于存儲器的容量要求仍然很大。為了減少對于存儲器容量要求和FPGA資源占用，多波束技術中廣泛采用對延時參數進行實時計算以及分時復用技術。美國專利US5905692(
公開日期1999年5月18日，對應中國專利98812777. 6，公 開日期2001年2月7日)給出的方案提出了采用分時復用的方式實現多波束合成，但是， 該專利沒有涉及如何產生延時參數。美國專利US6123671 (
公開日期1998年12月31日)給出一種基于C0RDIC算法 的實時延時參數和變跡系數計算裝置。該裝置計算延時參數是基于陣元的x，z坐標以及焦 點的X，z坐標。因此可以適用于任意形狀的探頭。但是，由于需要同時存儲陣元坐標和焦 點坐標，需要的存儲量同樣很大，如果計算每一焦點坐標又會使得計算過于復雜，占用FPGA 資源過多。該方案還對同一芯片上的所有16個通道分時復用延時計算裝置，因而，只能達 到每通道2. 5MHz的計算頻率。這對某些應用精度偏低。美國專利US7508737B1(
公開日期2009年3月24日)給出一種多個接收通道分 時復用同一個延時控制的方案，其采用低通濾波器實現插值運算，可以把插值運算放在各 路信號求和之后實現，因此可以有效節約硬件資源。但是，該專利沒有給出延時參數的實現 方法。美國專利US5469851(
公開日期1995年11月28日)給出了一種分時復用的相 控陣數字多波束合成器方案。該方案中把延時輸出分為兩組，主延時和鄰延時。鄰延時可 以基于主延時進行推算，從而簡化了設計。其延時的實現是用雙口 RAM，和寫計數器、讀計數 器來實現的。讀計數器根據延時控制進行停拍操作，實現延時變化。延時分為粗延時和細 延時。細延時通過選擇不同的濾波系數用6階低通濾波器實現。其延時參數的計算由另一 個專利US5522391給出，該專利采用遞推算法計算每一焦點處的延時。遞推算法最大問題 是容易引入累計誤差。專利200610021；344. 6(
公開日期2008年1月2日)和200610168851. 2 (
公開日期2008年6月11日)給出一種聚焦參數的實時計算方 法和裝置，該延時參數算法內部包含有后級向前級的反饋，因此，延時參數的計算無法實現 流水線作業和分時復用。對于延時參數的實時計算，大致有三類算法。一類是直接計算，主要是根據陣元坐 標和焦點坐標來計算聲程，從而導出延時參數。第二類是采用近似算法，目的是克服直接計 算必須的開方運算，為了計算量的原因，一般也只能取一階近似或二階近似。第三類是采用 遞推算法，從一個已知的焦點延時推算下一個焦點延時。這三類算法中第一類需要較多的 硬件資源，對硬件速度要求也比較高。但是，隨著FPGA的發展，已經越來越不是問題。第二 類算法采用近似計算往往精度有限，不能滿足聚焦精度的要求。第三類算法計算量最小，但 是會產生累計誤差，隨著焦點位置加深，誤差的積累，將會使得聚焦精度嚴重惡化。目前被廣泛使用的數字波束合成技術，主要是采用預存儲計算好的延時參數的方 法實現各接收通道信號的延時。該方法結構簡單，但是需要在FPGA外掛較大的RAM。對于 單波束系統，這是一個合適的方案。但是，當用于多波束系統時，會因為外掛RAM的容量太 大，更新RAM內容需要太長時間等問題而變得不適用。因此，在多波束系統的設計中，實時 計算延時參數被廣泛采用。實時計算延時參數需要的硬件資源多，尤其是考慮到不同幾何 形狀的探頭，設計方案將會變得非常復雜。圖1所示是一個典型的數字化波束合成超聲成像系統框圖。在控制單元80的控制
5下，發射單元30產生具有聚焦延時的一組脈沖到換能器陣列10。換能器陣列10把電脈沖 信號轉化為各陣元具有不同相位的超聲脈沖。聲脈沖按照預定相位安排在前進方向一點匯 聚，形成聚焦波束。換能器陣列10發射的聚焦波束經過人體組織的反射，再由換能器陣列 10形成接收電信號。通常換能器陣列具有128或更多的換能器陣元，而接受的物理通道往 往小于換能器陣元數。陣元切換單元20對接收信號進行分組切換。被陣元切換選中的一 組陣元經過20中的收/發開關，以抑制發射脈沖的進入，防止模擬通道的堵塞。然后送往 模擬前端和ADC模塊21。在模塊21中，接收的一組回波通過前置放大、時間增益(TGC)放 大最后進行模數轉換(ADC)。被數字化后的超聲回波信號被送入波束合成單元40，波束合 成單元的作用是對每一路回波信號動態的進行延時，經過延時的信號進行相加運算，將一 組接收回波合成為一個波束稱之為一路掃描信號。由于是動態聚焦，波束合成單元40要對 每一個回波樣點計算延時量。因此波束合成單元需要外掛RAM存儲聚焦參數。經過波束合 成后的一路掃描信號通過信號處理和圖像處理單元50，然后再通過數字掃描轉換單元60， 形成光柵圖像。最后在控制器的控制下，經過總線控制器和計算機總線將超聲圖像信號送 往計算機進行進一步的處理和顯示。圖2和圖3給出現有的波束合成單元原理框圖，其中圖2為一路回波的延時電路， 圖3是N路回波的波束合成電路。經過模擬前端和ADC后的第i路回波在寫入控制邏輯42 控制下，由寫地址計數器43產生線性的寫入地址。回波信號i被連續的寫入雙口 RAM 41 中。讀地址計數器46在開始時刻被置入一個初始計數值，稱為粗延時。粗延時代表第一個 被讀出的回波數據相對于寫入地址的偏移量，也是用采樣時鐘周期表示的第i路延時量的 整數部分。第i路信號延時量的小數部分也稱為細延時，也即小于一個采樣時鐘周期的部 分由插值電路45完成。其利用整數部分延時對應的讀出數據和下一個數據插值得出兩者 中間的數據。插值系數由讀控制器47給出。每當細延時積累夠一個整延時單位時，意味著 讀出地址計數器要停止計數一次，稱為停拍。停拍的控制由讀控制器47根據延時參數產生 器44發出的延時參數決定。由于延時是需要時刻動態調整的，因此，延時參數產生器44必 須動態的從數據總線獲得數據，并將各路需要的延時參數分發到各路的讀控制器和寫控制
器o經過延時控制的各路回波送入圖3的求和單元進行最后的波束合成。求和單元48 是多路信號加法器。以上的波束合成單元的特點是將延時參數事先算好進行存儲，然后在超聲回波處 理過程中動態的讀出這些參數并直接控制寫計數器和讀計數器以及插值運算單元。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種可適用于不同幾何形狀探頭，硬件資源占用 又可以接受的實時延時參數計算方法和裝置。考慮到探頭的類型不同，本發明給出了一種 通用延時計算裝置。該裝置巧妙的利用了計算延時的參數中需要實時計算和不需要實時計 算的參數分離，與波束序號相關的參數以及無關參數的分離，設計出了只用簡單切換即可 適用不同類型探頭的實時延時計算單元。該計算單元采用流水線設計，M個波束的延時參 數以流水線方式在該計算單元中算出，然后對同一路回波數據存儲單元進行讀取，以實現 各波束的延時。大大減少了 FPGA中資源的消耗。本發明通過直接計算以獲得高的延時精度。為了解決硬件資源的過多占用問題，本發明采用了流水線設計，使得M個波束共用延時 參數計算單元，從而大大減少了硬件資源的消耗。本發明的一個特點是，將需要實時計算的 部分和不需要實時計算的部分分離，盡量將不需要實時計算的部分歸入輸入參數，以減少 實時計算工作量。另一個特點是，將和波束序號有關的部分與波束序號無關的部分分離，通 過兩個開關的切換使得延時參數單元可以應用于凸陣探頭、線陣探頭以及相控陣探頭。本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案為一種基于延時參數實時計算和流水線的多波束合成方法，其至少有一個多波束合 成裝置，一個多波束合成裝置接受一個通道的超聲回波，同時為M個不同掃描角度或掃描 位置的波束產生相應的信號延時，一個通道的超聲回波有M個不同掃描角度或掃描位置的 波束，其包括以下步驟A.每一個多波束合成裝置分別將接收到的回波信號轉換成數字信號；B.每一個多波束合成裝置分別將轉換后的回波數字信號線性的寫入RAM ；c.根據當前通道對應的陣元參數以及焦點位置參數分時計算出同一通道內M路 波束的延時參數，再換算成RAM的讀出地址；D.在一次寫周期的時間內，按照計算出的讀出地址輪流從RAM中讀出經過延時的 回波數據，產生M路延時信號輸出；E.將同一通道內產生的M路延時信號輸出分時的通過一個插值單元和一個加權 單元，進行細延時和變跡操作，
F.將所有多波束合成裝置產生的第一個波束疊加為第一合成波束， 將所有多波束合成裝置產生的第二個波束疊加為第二合成波束，
將所有多波束合成裝置產生的第M個波束疊加為第M合成波束， 上述操作分時的在同一個求和單元流水線式完成；
G.輸出的M路波束信號仍然以分時復用的方式傳往下一級求和單元或進行信號 處理和圖像處理。
所述步驟C的延時參數計算公式為 (L- I.)
延時表示為。這里c是聲速，在人體組織中近似為1540m/s ；
(T - / )
延時換算成采樣脈沖單位…凸陣探頭=」(R+ L)2 +R2 ~2(R + L)Rcos(0i
線陣探頭￡,=^12+(而-xr)2
相控陣探頭:￡i = +L2-2x(Xcos(90° 一Gr)
其中t ,為延時參數；叫為采樣脈沖單位的延時參數；FS為采樣頻率；e r為接收 線和發射線的夾角；第i個陣元的極坐標為(e ” R)；在接收線上的焦點為F，其焦距為L ； li為從陣元i到焦點F的聲程；Xi為第i個陣元的坐標為掃描線坐標；e r為掃描線與 發射線的夾角。
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本發明將輸入參數分為d)和探頭以及陣元在孔徑中的位置有關的參數，也即通道相關參數，這里記為X ；e)和掃描線方位角(凸陣探頭、相控陣探頭)或掃描線位置(線陣探頭)有關的 參數，也即波束相關參數，這里記為Y ；f)需要實時處理的參數，即焦點的焦距，這里記為L ；通道相關的參數X和實時參數L為公共計算部分，預先計算好后存貯起來；在公共 計算部分的計算輸出基礎上，根據輸入的和波束相關參數Y，計算和波束相關的參數。所述步驟A還包括通過隔直處理，濾除無用的低頻分量。所述的RAM讀出頻率是寫入頻率的M倍。—種基于延時參數實時計算和流水線的多波束合成方法的多波束合成裝置，其包 括模擬前端，所述模擬前端接受回波信號，所述模擬前端后依次連接有模數轉換模塊、隔直 處理模塊、寫入控制模塊、RAM、流水線方式的插值和加權單元以及流水線方式的通道求和 單元，其還包括流水線方式的實時延時參數計算單元，所述流水線方式的實時延時計算單 元輪流接受M個波束的輸入參數，并計算出對應的延時參數，再換算成雙端口 RAM的讀出地 址，所述流水線方式的實時延時計算單元后依次連接有地址計算單元、行波計數器、讀出控 制模塊，所述讀出控制模塊分別連接控制所述RAM和所述流水線方式的插值和加權單元， 控制回波信號的讀出。所述流水線方式的實時延時計算單元分為公共計算部分A，和波束相關的計算部 分B，兩部分組成；A部分處理通道相關的參數X和實時參數L ；B部分在A部分的計算輸出 基礎上，根據輸入的和波束相關參數Y，計算和波束相關的部分；所述流水線方式的實時延時計算單元有控制信號C1和C2，所述輸入參數X、Y根 據探頭種類不同按照下面表格進行配置 本發明RAM的一種優選方案為所述RAM為雙端口 RAM，所述雙端口 RAM讀出頻率 是寫入頻率的M倍，對于波束數目為M的多波束合成系統中，對應每一個寫入數據，實時地 址計算單元都會根據實時延時參數計算單元的M個輸出計算出M個對應讀出地址，并從雙 口 RAM中按照這些地址讀出M個數據。本發明RAM的另一種優選方案為所述RAM為三端口 RAM，所述三端口 RAM讀出頻 率是寫入頻率的M倍，對于波束數目為2 XM的多波束合成系統中，對應每一個寫入數據，實 時地址計算單元都會根據實時延時參數計算單元的2XM個輸出計算出2XM個對應讀出地 址，并分別從三端口 RAM的兩個讀出端口中按照這些地址讀出2XM個數據。本發明提供的方法和方案完全采用流水 方式工作，巧妙的通過模式控制和輸入參數配置，使得延時參數設計單元可以適用于凸陣、線陣和相控陣探頭。


圖1為現有技術數字化波束合成超聲成像系統示意圖；圖2為現有技術一路回波信號的動態延時電路示意圖；圖3為現有技術N路經過動態延時的回波疊加示意圖；圖4為本發明延時參數實時計算的波束合成方案示意圖；圖5為本發明多波束合成的疊加方案示意圖；圖6為本發明分時復用的多波束合成方案示意圖；圖7為本發明凸陣探頭延時計算的幾何圖形示意圖；圖8為本發明線陣探頭延時計算的幾何圖形示意圖；圖9為本發明相控陣探頭延時計算的幾何圖形示意圖；圖10為本發明延時參數計算單元示意圖；圖11為本發明采用并行方式的四波束延時參數計算單元示意圖；圖12為本發明采用流水線方式的四波束延時參數計算單元示意圖；圖13為本發明延時計算單元的四波束合成器示意圖；圖14為本發明實時延時參數計算的多波束系統框圖。
具體實施例方式下面根據附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明圖4和圖5給出了本發明所采用的波束合成方案。在圖4中由收/發開關出來的 回波信號先經過模擬前端200和模數轉換器300變成數字信號。然后通過隔直處理單元 400，濾除低頻分量，寫入控制單元500將回波信號線性的寫入雙端口 RAM 501，重要的區別 在于，在圖4中增加了延時參數計算單元600。延時計算單元根據當前通道對應的陣元參數 以及焦點位置參數實時計算出延時量，用來控制讀出操作以及插值運算。對于M路的波束 合成，M路的延時參數分時的由延時參數計算單元600計算出來，然后輪流從雙口 RAM 501 中讀出經過延時的回波數據，回波數據可以通過1-4的分配器分別送給四個插值單元和加 權單元，進行細延時以及變跡(apodization)操作。每一路回波經過延時控制電路后都產 生M路的延時信號輸出。在圖4中以典型的4路輸出給出實例。每一路回波的四路輸出分 別送給圖5中的求和單元901、902、903、904。延時回波i_l表示第i路回波的第一個波束， 延時回波i_2表示第i路回波的第二個波束，以此類推。將所有路回波的第一個波束疊加， 產生出第一個合成波束。將所有路回波的第二個波束疊加，產生出第二個合成波束。以此 類推。圖4和圖5中雙口 RAM出來的數據分為四路，只是為了便于說明多波束概念。實 際實現時，更好的選擇是將插值和加權以及各路回波求和部分全部采用分時復用，以最大 限度的減少硬件資源占用，如圖6所示。圖6與圖4的不同在于在多路延時回波信號從雙 口 RAM 501讀出后，不再分為四路分別處理，而是分時的通過一個插值單元701和加權單元 801，最后的波束求和也是通過一個公共的求和單元901完成。以上方案最重要的是實現延時計算單元。下面的描述主要圍繞如何實現延時參數的實時計算。圖7給出凸陣換能器延時參數計算的幾何示意圖。圖中發射線(也即發射波 束的中心線)居于孔徑中心，多波束接收的不同就是接收線(接收波束的中心線)不一定 和發射線重合。這里假定接收線和發射線的夾角是、，第i個陣元的極坐標為(e^R)。 在接收線上的焦點為F，其焦距為L。根據余弦定理，下面的公式給出從陣元i到焦點F的 聲程計算公式 延時表示為巧= ￡i>
c這里c是聲速，在人體組織中近似為1540m/s ；延時換算成采樣脈沖單位…
C計算延時主要就是計算1”在計算li的公式里，包含三類參數1.探頭有關參數R，eji = 1 :N;N為孔徑中陣元個數}。2.掃描線參數e rD在凸陣和相控陣換能器中e r是掃描角度。3.焦點參數L。L可以寫成iX AL。A L 焦點間距。波束合成過程中這是需要實時處理的部分。對于線陣探頭和相控陣探頭其計算延時的幾何圖形分別示于圖8和圖9中。其計 算聲程的公式如下線陣探頭 相控陣探頭 上述兩個公式中和陣元相關的參數是\，與掃描線相關的參數分別是\和e 和 焦點位置有關的是焦距L。為了減少計算量，所有與焦距L無關的量都需要事先計算出來 進行存儲。與掃描線有關的量是區別多個波束的參數，需要分時輸入到延時計算單元，以實 現延時計算單元的分時復用。按照這樣的思路設計出來的通用延時計算單元示于圖10中。 圖10示出的電路結構可以用來計算凸陣探頭、線陣探頭以及相控陣探頭的聲程1”圖10 中的輸入參數L仍然對應焦距。輸入參數X，Y根據探頭種類不同有不同的形式。表1給出 了針對不同探頭的輸入參數形式。表1 不同探頭的輸入參數形式 C1和C2是兩個控制信號，用來選擇圖10中的兩個2-1多路器，多路器狀態不同， 其輸出值K1和k2所代表的量不同，如表1中所示。也因此改變了電路的形式，使之可以用來計算凸陣、線陣和相控陣探頭的延時參數。圖10中的“T”表示一個時鐘周期的延時。加 入延時是為了滿足流水線作業的需要。所以，圖10中的方案不論用于何種配置，都可以采 用流水線方式工作，以便支持不同波束或不同通道的分時復用。表1中的所有輸入量的單 位都是長度，因此實際計算要量化為脈沖單位，也即以脈沖周期數作為單位。具體算法是將 所有輸入量乘上量化因子Fs/c。這里Fs是采樣頻率，c是聲速。為了保證計算精度，所有的 量都保留3位二進制小數。圖10中的延時參數計算單元分為兩個部分，A部分601是同一回波的多個波束的 公共計算部分，B部分602是和具體波束對應的計算部分。只有輸入參數Y是和回波的方 位角(對于凸陣和相控陣掃描)或回波位置(線陣掃描)相關的參數。因此，在考慮流水 線工作方式時，只有Y需要在不同波束之間進行切換。圖11和圖12分別給出了四波束延 時參數計算按照并行方式和流水線工作方式實現的框圖。圖11中只有一個公共部分601，四個波束的延時參數輸出分別對應著模塊602、 603,604和605。四個波束方位角相關的參數Yl、Y2、Y3和Y4分別輸入給601,602,603和 604。圖12中有一個公共部分601和一個波束計算部分602，和波束有關的參數Y1、Y2、 Y3和Y4通過多路器606輸入給模塊602。多路器選擇信號Y-SEL的切換頻率是輸入參數 L變化的4倍。時鐘信號CK和Y-SEL具有同樣的頻率。這樣可以對于每一個焦距值，分別 對四路波束計算延時參數。圖13給出了一個應用圖12的四波束合成器的框圖。在該圖中，行波計數器100對 采樣脈沖進行計數，記錄了超聲波行進的路程，所以稱做行波計數器。行波技術器的輸出作 為雙口 RAM200的寫入地址。由于雙口 RAM的容量只要容納寫入和讀出的最大地址差就夠 了，所以一般雙口 RAM的容量只需取256到512。寫入地址和讀出地址當計數到頭時自動折 疊到起始點，相當于一個環形存儲隊列。這里我們取RAM的深度為512，因此雙口 RAM200的 寫地址只需要連接行波計數器100的低9位。輸入的回波數據rf_datai按照寫入地址連 續的寫入雙口 RAM200。行波計數器的輸出L，作為深度的表示同時打入到延時參數計算單 元300。延時單元在打入脈沖L_load作用下，將表示焦距的量L打入，L_load的頻率為延 時參數計算單元的時鐘calc_clk的四分之一。也即在同一個焦距L下，分別對四個波束的 延時計算一次。延時計算單元的輸入參數mod是控制命令，其給出圖12中的控制線C1和 C2。輸出參數X只和通道有關系，不隨波束的切換而改變。與波束有關的輸出參數Y對于 四個波束分別標記為Y1、Y2、Y3和Y4。在4_1多路器310的控制下進行切換。由行波計數 器100輸出的波束選擇信號beam_Sel控制參數的選擇。在參數Y1-Y4輪流輸入的過程中， 延時參數計算單元300以流水線方式計算每一個波束的延時參數，延時參數被輪流打入后 面的寄存器組330，各寄存器分別表示為delayl-delay4。2-4譯碼器320譯碼beam_sel， 產生的四路控制輸出對delayl-delay4進行選擇。delayl-delay4的值被最后一個打入脈 沖的下降沿鎖存到鎖存器340，目的是為了保持delayl-delay4的值在一個焦距變化周期 內保持不變。delayl-delay4的值輸入地址計算單元350，結合焦距L計算出對應的RAM讀 地址。在一個寫入周期內，地址計算單元350必須分別對每一個波束計算讀地址一次并從 雙口 RAM中讀出一個數據。因此，讀出脈沖rd_clk的頻率是寫入脈沖wr_clk的四倍。如 果wr_clk是40MHz，則rd_clk是160MHz。從雙口 RAM 200讀出的數據被輪流打入寄存器
11210到240。由于插值的需要，還保留了歷史數據在寄存器250到280中。保留的歷史數據 不限于只有兩級。根據插值算法的階數不同，可以保留多級。比如6階插值，要保留6個連 續的輸出數據。讀出的數據通過4-1多路器400輸出到流水線方式的插值和加權單元500。 插值加權單元的插值系數由地址計算單元350提供。加權數據wt可以計算得到，也可以事 先計算好，存儲在外存儲器中，接受過程中實時從外存儲器讀入。由于加權值的變化不需要 很快，比如25cm的掃描線改變64次，因此，保存加權值并不會占用太多存儲資源。從插值 加權計算單元500出來的數據已經是經過延時的并且分時復用的四波束回波數據。將此數 據送往以流水線方式工作的求和單元600，和其他N-1個單元的輸出一起求和，最后得到分 時復用的四波束數據輸出。圖14給出了一個基于延時參數實時計算的四波束合成B超系統框圖。圖中的陣列 換能器10為128陣元。波束合成器60 —共有64個通道。發射電路50在控制器70的控 制下對特定的一組陣元(稱為激活陣元)發射具有延時的脈沖信號，以實現聚焦發射。激 活陣元的回波信號經過模擬開關20的選通送往T/R開關30。T/R開關30的作用是隔離發 射的高壓信號避免造成后面的放大電路飽和阻塞。經過T/R開關30的模擬信號送往模擬 前端電路40進行放大和處理，模擬前端包括了前置放大器、時間增益控制放大器(TGC)和 ADC電路。經過放大的信號轉換為數字信號送往波束合成器60。波束合成器是一個包含了 64路如圖13所示的電路結構。波束合成器60將64路輸入信號進行延時。每一路輸出四 路經過延時的波束數據，四路數據以時分多路的形式送往求和單元61。求和單元61以流水 線方式對四路波束數據進行合成。其輸出為時分多路的四個合成后的波束數據。該數據流 經過分配器(DEMUX)80分支為四路。分別送往四路正交解調單元81到84和信號處理單元 85到89。最后形成的四條掃描線送給數字掃描轉換器(DSC)90。數字掃描轉換器90將掃 描線數據轉換為具有直角坐標的光柵數據，并通過讀寫控制器91送往圖像緩沖存儲器92。 在控制器70的控制下，通知上位計算機73通過PCI總線讀取圖像數據并顯示。控制數據 也通過PCI總線下傳到控制器70。用于聚焦延時計算的參數被存放在參數存儲器71。在 每次掃描開始前，控制器70將所有參數送往各個波束合成通道，并發出控制時序控制整個 波束合成的進行。以圖14中的實例，可以在保持圖像線密度不減少的條件下，將B超系統 的幀頻提高4倍。這將大大提高B超對于人體內運動器官如心臟的成像質量。本發明提供的方法和方案完全采用流水線方式工作，巧妙的通過模式控制和輸入 參數配置，使得延時參數設計單元可以適用于凸陣、線陣和相控陣探頭。本領域技術人員不脫離本發明的實質和精神，可以有多種變形方案實現本發明， 以上所述僅為本發明較佳可行的實施例而已，并非因此局限本發明的權利范圍，凡運用本 發明說明書及附圖內容所作的等效結構變化，均包含于本發明的權利范圍之內。
權利要求
一種基于延時參數實時計算和流水線的多波束合成方法，其至少有一個多波束合成裝置，一個多波束合成裝置接受一個通道的超聲回波，一個通道的超聲回波有M個不同掃描角度或掃描位置的波束，其特征在于包括以下步驟A.每一個多波束合成裝置分別將接收到的回波信號轉換成數字信號；B.每一個多波束合成裝置分別將轉換后的回波數字信號線性的寫入雙端口RAM或三端口RAM；c.根據當前通道對應的陣元參數以及焦點位置參數分時計算出同一通道內M路波束的延時參數，再換算成RAM的讀出地址；D.在一次寫周期的時間內，按照計算出的讀出地址輪流從RAM中讀出經過延時的回波數據，產生M路延時信號輸出；E.將同一通道內產生的M路延時信號輸出分時的通過一個插值單元和一個加權單元，進行細延時和變跡操作，F.將所有多波束合成裝置產生的第一個波束疊加為第一合成波束，將所有多波束合成裝置產生的第二個波束疊加為第二合成波束，......將所有多波束合成裝置產生的第M個波束疊加為第M合成波束，上述操作分時的在同一個求和單元流水線式完成；G.輸出的M路波束信號仍然以分時復用的方式傳往下一級求和單元或進行信號處理和圖像處理。
2.根據權利要求1所述的基于延時參數實時計算和流水線的多波束合成方法，其特征 在于，所述步驟C的延時參數計算公式為延時表示為 這里C是聲速，在人體組織中近似為1540m/s ； 延時換算成采樣脈沖單位… 其中t ,為延時參數；ni為采樣脈沖單位的延時參數；FS為采樣頻率；e r為接收線和 發射線的夾角；第i個陣元的極坐標為(e p R)；在接收線上的焦點為F，其焦距為L ；1,為 從陣元i到焦點F的聲程；Xi為第i個陣元的坐標；^為掃描線坐標；
3.根據權利要求2所述的基于延時參數實時計算和流水線的多波束合成方法，其特征 在于將輸入參數分為a)和探頭以及陣元在孔徑中的位置有關的參數，也即通道相關參數，這里記為X；b)和掃描線方位角(凸陣探頭、相控陣探頭)或掃描線位置(線陣探頭)有關的參數， 也即波束相關參數，這里記為Y ；c)需要實時處理的參數，即焦點的焦距，這里記為L;2通道相關的參數X和實時參數L為公共計算部分，預先計算好后存貯起來；在公共計算 部分的計算輸出基礎上，根據輸入的和波束相關參數Y，計算和波束相關的參數。
4.根據權利要求1所述的基于延時參數實時計算和流水線的多波束合成方法，其特征 在于所述步驟A還包括通過隔直處理，濾除無用的低頻分量。
5.根據權利要求1所述的基于延時參數實時計算和流水線的多波束合成方法，其特征 在于所述的雙端口 RAM或三端口 RAM的讀出頻率是寫入頻率的M倍。
6.權利要求1-5任意一項所述的基于延時參數實時計算和流水線的多波束合成方法 的多波束合成裝置，其特征在于其包括模擬前端，所述模擬前端接受回波信號，所述模擬 前端后順序連接有模數轉換模塊、隔直處理模塊、寫入控制模塊、雙端口 RAM或三端口 RAM、 流水線方式的插值和加權單元以及流水線方式的通道求和單元，其還包括流水線方式的實 時延時參數計算單元，所述流水線方式的實時延時計算單元輪流接受M個波束的輸入參 數，并計算出對應的延時參數，再換算成RAM的讀出地址，所述流水線方式的實時延時計算 單元后順序連接有地址計算單元、行波計數器、讀出控制模塊，所述讀出控制模塊分別連接 控制所述RAM和所述流水線方式的插值和加權單元，控制回波信號的讀出。
7.根據權利要求6所述的基于延時參數實時計算和流水線的多波束合成裝置，其特征 在于所述流水線方式的實時延時計算單元分為公共計算部分A，和波束相關的計算部分 B，兩部分組成；A部分處理通道相關的參數X和實時參數L ；B部分在A部分的計算輸出基 礎上，根據輸入的和波束相關參數Y，計算和波束相關的部分；所述流水線方式的實時延時計算單元有控制信號C1和C2，所述輸入參數X、Y根據探 頭種類不同按照下面表格進行配置
8.根據權利要求6所述的基于延時參數實時計算和流水線的多波束合成裝置，其特征 在于所述RAM為雙端口 RAM，所述雙端口 RAM讀出頻率是寫入頻率的M倍，對于波束數目為 M的多波束合成系統中，對應每一個寫入數據，實時地址計算單元都會根據實時延時參數計 算單元的M個輸出計算出M個對應讀出地址，并從雙口 RAM中按照這些地址讀出M個數據。
9.根據權利要求6所述的基于延時參數實時計算和流水線的多波束合成裝置，其特征 在于所述RAM為三端口 RAM，所述三端口 RAM為一個寫入端口，二個讀出端口，讀出頻率是 寫入頻率的M倍，在波束數目為2 XM的多波束合成系統中，對應每一個寫入數據，實時地址 計算單元都會根據實時延時參數計算單元的2XM個輸出計算出2XM個對應讀出地址，讀 出控制從二個輸出端口分別讀出M個數據，總共產生2 XM個延時信號輸出。
全文摘要
一種基于延時參數實時計算和流水線的多波束合成方法和裝置。該裝置利用了計算延時的參數中需要實時計算和不需要實時計算的參數分離，與波束序號相關的參數以及無關參數的分離，設計出只用簡單切換即可適用不同類型探頭的實時延時計算單元。該計算單元采用流水線設計，M個波束的延時參數以流水線方式在該計算單元中算出，然后對同一路回波數據存儲單元進行讀取，以實現各波束的延時。大大減少了FPGA中資源的消耗。本發明通過直接計算以獲得高的延時精度。為了解決硬件資源的過多占用問題，本發明采用了流水線設計，使得M個波束共用延時參數計算單元，從而大大減少了硬件資源的消耗。
文檔編號A61B8/00GK101858972SQ20101013365
公開日2010年10月13日 申請日期2010年3月23日 優先權日2010年3月23日
發明者孟國海 申請人:深圳市藍韻實業有限公司