專利名稱：基于正交多頻超聲穩(wěn)態(tài)回波信號的成像方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超聲波成像技術，具體涉及利用正交頻分復用(OFDM)調(diào)制方式構造相互 正交的連續(xù)多頻超聲信號，并通過測量該多頻超聲信號的穩(wěn)態(tài)回波信號進行成像的方法與 裝置。
背景技術：
目前通用的超聲回波成像方法主要有兩種基于單脈沖和基于單頻連續(xù)波。基于單脈 沖的成像方法，是利用超聲波在傳播路徑上遇到介質(zhì)的不均勻界面時會發(fā)生反射的物理特 性來實現(xiàn)的。發(fā)送端向人體組織發(fā)送一個脈沖，由于人體組織和臟器具有不同的聲阻抗， 使超聲波在不均勻界面上反射回波，檢測出這些回波信號，對其放大和處理，最后在顯示 器上顯示，即可得到脈沖回波的圖像。由發(fā)送脈沖和接收的回波脈沖的時間差來估算人體 組織間的分布。
基于單頻連續(xù)波的成像方法，是在發(fā)送端發(fā)送某一頻率的連續(xù)波，通過比較發(fā)射超聲 波和其回波之間的相位差來獲得回波相對于發(fā)射波的延時，從而估算不均勻界面的距離。 但是，當有多個反射界面時，回波是由多個不同相位的連續(xù)波疊加形成的，會互相干擾， 使得難以精確估計每個界面的回波與發(fā)射波的相位差?；趩晤l連續(xù)波的成像方法多用于 利用多普勒頻移來檢測回波波源的速度分布。
基于脈沖的成像方法，因為每個脈沖是瞬時波，每個脈沖的寬度(持續(xù)時間)相當短， 致使接收回波脈沖的檢測難度大，容易漏檢；若增加瞬時脈沖的寬度，又會給接收回波的
裝置增加定時(定位)的難度，定位的偏差會帶來延時估計比較大的誤差。同時，超聲探 頭不能在同一時間發(fā)射和接收超聲波，只有當探頭發(fā)射完脈沖以后，處于靜止期間，才能
進行接收。假設有兩個界面A和B相距很近，當一束脈沖射入時， 一部分被A面反射， 另一部分傳到B面被反射，如果脈沖前沿經(jīng)B反射到A時，A的反射脈沖后沿還沒有離開， 這樣經(jīng)A反射的脈沖后沿就和經(jīng)B反射的脈沖前沿銜接起來，重疊成一個脈沖，不能分辨 出兩個脈沖，那么A、 B兩點將不能被分辨。所以，只有當脈沖寬度小于往返兩點之間所 需的時間時，回波顯示器上才能顯示出兩個獨立的回波信號。脈沖寬度愈小，縱向分辨力 愈高。但是縮短脈沖寬度又會減小發(fā)射超聲的能量，影響靈敏度。用單頻連續(xù)波來獲得超 聲波成像的方法，適合于只有單個反射界面的情況，因為此時只有一個回波，相位估算的 精度高。對于有多個反射界面的情況，得到的是多個反射回波的疊加，此時很難估算出每 個界面的反射回波。
由此可見，基于脈沖成像的方法會帶來縱向分辨力和靈敏度之間的矛盾，而用單頻連 續(xù)波來獲得超聲波成像的方法又很難估算出多個界面的反射回波。并且這兩種方法都易受 噪聲的干擾，而本發(fā)明基于正交多頻超聲穩(wěn)態(tài)回波信號的成像方法與裝置，可以很好地解
決上述問題。因為該方法接收的反射回波是一個多頻的穩(wěn)態(tài)連續(xù)波，由于發(fā)射的是多頻調(diào) 制波，攜帶信息多，通過設計專門的算法，能夠分解出每個界面的反射回波，并且可消除 噪聲的影響；由于是連續(xù)波，能量穩(wěn)定，不需要定時，因而檢測容易，不存在定時上的誤 差，同時還能夠兼顧縱向分辨力和靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的測量誤差大、難以兼顧縱向分辨力和靈敏度等 不足，提供基于正交多頻超聲穩(wěn)態(tài)回波信號的成像方法與裝置，該方法利用正交頻分復用 (OFDM)調(diào)制方式來構造相互正交的多頻連續(xù)基帶信號，通過檢測穩(wěn)態(tài)的回波信號，計 算回波信號相對于發(fā)射信號的延時來成像。本發(fā)明裝置計算精度高，抗干擾性好，抗噪能 力強，安裝簡單，使用方便，且成本低廉。本發(fā)明通過如下技術方案實現(xiàn)
基于正交多頻超聲穩(wěn)態(tài)回波信號的成像方法，包括如下步驟利用正交頻分復用
(OFDM)調(diào)制方式構造相互正交的多頻連續(xù)基帶信號，并用超聲載波(載波頻率為,)
將該多頻連續(xù)基帶信號調(diào)制為多頻超聲連續(xù)發(fā)射信號；超聲波探頭將該多頻超聲連續(xù)發(fā)射 信號發(fā)送出去，相當于發(fā)送多路單頻超聲波連續(xù)信號，每一路信號經(jīng)過待成像對象的每一 個不均勻界面都會有反射；超聲探頭檢測反射回來的穩(wěn)態(tài)回波信號，該回波信號相當于多 路反射波的疊加信號；該疊加信號經(jīng)解調(diào)后得到接收的多頻連續(xù)基帶信號，對該多頻連續(xù) 基帶信號進行正交分解，利用每路信號互為正交的特性分解出每路接收信號，列出關于每 個不均勻界面反射波的幅度和相位的方程組；通過解方程組求出不均勻反射界面反射波的 幅度和相位，計算每個界面反射回波的幅度和相對于發(fā)射波的延時(位置)來成像。
用于上述方法的裝置包括超聲波探頭、控制單元及分別與控制單元連接的操作單元、 收發(fā)單元、處理單元和顯示單元，超聲波探頭與收發(fā)單元相連，處理單元還分別與收發(fā)單
元和顯示單元連接；
操作單元為人機交互模塊，用于操作者選擇測量信號的超聲波頻率和對顯示單元的顯
示方式進行選擇；
控制單元根據(jù)操作單元發(fā)出的操作指令來控制收發(fā)單元、處理單元和顯示單元； 收發(fā)單元通過將驅(qū)動信號傳給超聲波探頭來發(fā)送一個超聲波，超聲波探頭也將收到的
回波信號傳送給收發(fā)單元；
處理單元用于產(chǎn)生多頻正交連續(xù)信號和調(diào)制解調(diào)用的超聲載波，并將解調(diào)出的多頻連
續(xù)基帶信號經(jīng)過A/D采樣、量化成數(shù)字信號，然后做正交分解，列出關于每個界面反射波
的幅度和相位的方程組，再進行計算處理；
顯示單元對處理單元處理后的結(jié)果根據(jù)操作者選擇的顯示方式來顯示成像，所述顯示
方式包括幅度調(diào)制和輝度調(diào)制方式；
上述裝置中，所述處理單元包括數(shù)字信號處理器、調(diào)制解調(diào)器、振蕩器、若干分頻器 和A/D轉(zhuǎn)換器，處理單元完成信號產(chǎn)生和處理的工作根據(jù)控制單元提供的信息產(chǎn)生對應
的多頻連續(xù)基帶信號，基帶信號經(jīng)過調(diào)制成為超聲波信號并傳給收發(fā)單元；對收發(fā)單元傳 送過來的回波信號進行解調(diào)；對解調(diào)后的信號進行處理，計算每個界面反射回波的幅度和 相對于發(fā)射波的延時(位置)。
上述裝置中，所述處理單元包括三個分頻器分頻器之一控制輸出多聲頻信號頻率， 分頻器之二控制輸出超聲載頻信號頻率，分頻器之三控制輸出A/D采樣時鐘信號頻率。多 頻連續(xù)基帶信號經(jīng)超聲頻載波信號調(diào)制后通過有線或無線方式傳送到收發(fā)單元，再由收發(fā) 單元發(fā)送給超聲波探頭。
本發(fā)明的工作過程為通過操作單元發(fā)出操作指令，然后控制單元發(fā)出相應的控制給處 理單元，處理單元立即給本次操作產(chǎn)生特定的多頻基帶信號和調(diào)制解調(diào)超聲頻信號，即配 置分頻器1 (控制輸出多聲頻信號頻率)、分頻器2 (控制輸出超聲載頻信號頻率)和分頻 器3 (控制輸出A/D采樣時鐘信號頻率)的控制參數(shù)。隨后多頻連續(xù)基帶信號經(jīng)超聲頻載 波信號調(diào)制后通過有線或無線方式傳送到收發(fā)單元，再由收發(fā)單元發(fā)送給探頭。
然后收發(fā)單元等待控制單元發(fā)出接收回波的命令，收發(fā)單元接收到穩(wěn)態(tài)的回波后給處理 單元，處理單元對穩(wěn)態(tài)回波先解調(diào)，然后做正交分解，列出關于每個界面反射波的幅度和 相位的方程組。
最后通過解方程組求出非均勻反射界面反射波的幅度和相位。
若采用振幅調(diào)制的方式(A型超聲診斷儀所用的方式)來顯示成像，則橫坐標為被測組 織的深度和不均勻界面之間的距離間隔(計算出來的相位轉(zhuǎn)換成延時，再轉(zhuǎn)換成距離)，縱 坐標表示回波的幅度，移動探頭就可以獲得不同位置處的回波信息。若采用輝度調(diào)制的方 式(B型超聲診斷儀所用的方式)來顯示成像則需要快速掃描逐次獲得不同位置的深度方 向所有界面的反射回波。 一幀掃描完成后，便可以獲得一幅掃描方向決定的垂直平面二維 超聲斷層圖像。顯示的成像根據(jù)回波的強弱(即是振幅的大小)來控制熒光屏上的光點輝 度，根據(jù)不均勻界面的位置(由相位求得)來控制光點的位置。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點-
1、 本發(fā)明測量精度高。根據(jù)超聲協(xié)會所定標準，超聲波在人體軟組織中平均聲速為 1540m/s,基于超聲波脈沖成像方法中脈沖寬度一般是幾ns，假設lps，則接收回波脈沖定 時最大誤差為lns，帶來的測量距離誤差是1540m/s^ns^.54mm，所以其測量精度1.54mm。 而本發(fā)明的測量精度可以提高很多，假設控制單元的A/D采樣率為lOMHz (lxl06Hz)， 測量誤差為一個樣點，那么測量精度為0.154 mm。而且還可以通過設計數(shù)字信號處理算法 進一步提高相位的估計精度，從而提高測量精度。
2、 本發(fā)明抗干擾性好，利用每路信號相互正交的特性來消除相互之間的干擾。而且因 為噪聲和每路信號不相關，所以還能消除噪聲的影響。
3、 由于本發(fā)明接收到的反射回波是一個穩(wěn)態(tài)連續(xù)波，能量穩(wěn)定，所以檢測容易，不需 要定時，因而不存在定時上的誤差，既可以提高縱向分辨力，又可以保證測量的靈敏度。
4、 由于本發(fā)明采用單探頭，所以對換能器的要求降低，使得成本降低。現(xiàn)代社會人們 對健康、疾病越來越關注，成本的降低使得該裝置很適合農(nóng)村、社區(qū)和家庭醫(yī)療使用。
5、 由于本發(fā)明的成像精度不再依賴于測量的精度，而是與A/D采樣率、計算精度相關， 所以一方面可以提高采樣率來提高測量精度，另外一方面可以把測得的穩(wěn)態(tài)連續(xù)回波存儲 或者通過網(wǎng)絡發(fā)送到大型的處理機來處理計算，通過增加計算量來提高幅度和相位的估計 精度，得到更為精確的成像結(jié)果，診斷出細微的病理變換，提高診斷水平。
6、 隨著現(xiàn)代處理器(處理機)計算處理能力的大大提高，本發(fā)明的信號處理過程中求 解(公式IO)或者(公式ll)的幅度和相位不再是難題，所以該技術是可行的，且適用性強。
7、 本發(fā)明裝置簡單，安裝使用方便，可以應用于探頭、收發(fā)單元與處理單元有線連接 和無線連接的場合。


圖1為本發(fā)明裝置在實施方式中的組成框圖2為圖1所示裝置的處理單元采用有線工作方式時的組成框圖； 圖3圖1所示裝置的處理單元采用無線工作方式時的組成框圖 圖4a為實施方式中多頻正交連續(xù)信號調(diào)制前的頻譜示意圖； 圖4b為實施方式中多頻正交連續(xù)信號調(diào)制后的頻譜示意圖； 圖5為本發(fā)明裝置在實施方式中的工作流程示意圖6為圖5中處理單元求解每個非均勻界面反射波的幅度和相位的具體流程；
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步說明。
如圖1所示，本發(fā)明裝置包括超聲波探頭、操作單元、控制單元、收發(fā)單元、處理單 元和顯示單元。如圖2所示，處理單元包括數(shù)字信號處理器(DSP或者單片處理器ARM等)、 調(diào)制解調(diào)器、振蕩器、若干分頻器和模數(shù)轉(zhuǎn)化器(A/D)。振蕩器使用20M晶體振蕩器，分 頻器用鎖相環(huán)電路實現(xiàn)，調(diào)制器和解調(diào)器用乘法電路實現(xiàn)，模數(shù)轉(zhuǎn)化器和數(shù)字信號處理器 選用一塊TI的DSP芯片TMS 320C2812實現(xiàn)。
超聲波探頭即為一個超聲波轉(zhuǎn)換器，由一種壓電材料，即壓電陶瓷如鈦酸鋇、鈦酸鉛、 鋯鈦酸鉛(PZT)等組成。超聲波探頭用來與成像對象接觸。超聲波探頭與收發(fā)單元相連， 收發(fā)單元通過將驅(qū)動信號傳給超聲波探頭來發(fā)送超聲波，超聲波探頭也將收到的回波信號 傳送給收發(fā)單元。
操作單元也即是人機交互接口，由操作者根據(jù)實際需要選擇操作，如選擇檢査人體的 不同部位或者組織。因為超聲波測量不同組織所需要的超聲波頻率是不一樣的，通常用于 眼、乳腺等淺表部位疾病探査的超聲頻率為十幾至幾十兆赫茲，而用于腹部疾病探査頻率 為5兆赫茲左右。
控制單元根據(jù)操作單元發(fā)出的操作指令來控制收發(fā)單元、處理單元和顯示單元。
處理單元結(jié)構如圖2所示，包括數(shù)字信號處理器(DSP或者單片處理器ARM等)、調(diào)制 解調(diào)器、振蕩器、若干分頻器和模數(shù)轉(zhuǎn)化器(A/D)。處理單元主要完成信號產(chǎn)生和處理的工 作1)根據(jù)控制單元提供的信息產(chǎn)生對應的多頻連續(xù)基帶信號，基帶信號經(jīng)過調(diào)制成為超 聲波信號并傳給收發(fā)單元；2)對收發(fā)單元傳送過來的回波信號進行解調(diào)；3)對解調(diào)后的 信號進行處理，計算每個界面反射回波的幅度和相對于發(fā)射波的延時(位置)。
顯示單元對處理單元處理后的結(jié)果根據(jù)操作者選擇的顯示方式來直觀地顯示，提供給
操作者觀察，該實施例可以選擇用幅度調(diào)制或輝度調(diào)制的方式來顯示成像。顯示設備可選 用14寸液晶顯示屏。
收發(fā)單元和控制單元、處理單元有兩種連接方式有線連接和無線連接方式。在如圖 3所示無線連接方式中，控制單元、處理單元通過射頻收發(fā)模塊來傳送相應信息，收發(fā)單 元也應包括射頻收發(fā)模塊。
本發(fā)明利用OFDM調(diào)制方式來構造相互正交的連續(xù)多頻超聲信號，通過檢測穩(wěn)態(tài)的回 波信號，計算回波信號相對于發(fā)射信號的延時來成像，其原理如下
設發(fā)射的單頻超聲波連續(xù)信號為"W = ^eQS(2^^)，該信號透過人體組織在第一非均勻介
質(zhì)界面反射回來的回波信號經(jīng)過測量為浙a)"cos(2Wi)。其中,。是發(fā)射信號頻率，伊'
是相位差。根據(jù)數(shù)字信號處理理論，可以計算出發(fā)射和接收信號的相位差"為
A =maxarg{〈s(0，"G,A》} (公式1)
〈"〉為兩個信號的互相關操作。那么超聲波發(fā)射端即探頭和人體組織第一非均勻介質(zhì)界面 的距離為
/,=^^rv (公式2)
其中v為超聲波在人體組織內(nèi)的傳播速度。
當有多個非均勻介質(zhì)界面，根據(jù)超聲波的透射和反射原理，設每個界面反射回來的回波
信號為^,W"cos(2Wi)，若有N個界面則接收到的回波信號為
々,anw) = |;4COS(2;r/。,-a) (公式3)
這一個方程無法解出N個界面對應的相位差A,為了解出N個界面對應的相位差
A，…^V和幅度4…^w，至少需要構造M22W個方程。我們利用OFDM調(diào)制方式的原理 來構造M = 個相互正交的多頻超聲連續(xù)發(fā)射信號，這樣來構造M個方程。
指數(shù)信號y;w^'w和/^)^'w在[o，r]區(qū)間正交，令/。/"a/，則正交性需要滿足 & = V2' ^ = V2",'-,2)'^ = s—yr) e,攀=。(公式4)
當A/r-"， ^ = ^就可以得到&=0。 OFDM調(diào)制中用到的是""?；谶@個原理產(chǎn)生M個 相互正交的信號。設觀察時間周期為r-lww， A/ = + = l^fe， M個正交信號的頻率組 C/i,…/M)可以從集合F:("^/^里面選擇(注意這里所選的頻率要遠遠小于載波頻率,)， n為正數(shù)。這樣，這M個信號在[O，r]區(qū)間是相互正交的。M個正交信號的疊加即為需要發(fā) 送的多頻連續(xù)基帶信號,(^,..^) = |>。3(2;^,)，它可以看作是M路信號的發(fā)送，每一路
,=1
發(fā)送的是一個單頻信號。
多頻連續(xù)基帶信號 ^ 產(chǎn)生后，選取合適的超聲載波(載波頻率為
,)對其進行調(diào)制。這相當于對M路的每一路信號進行調(diào)制，調(diào)制后的信號成為多頻超聲 連續(xù)發(fā)射信號，由收發(fā)單元發(fā)送出去。每一路信號經(jīng)過每一個不均勻界面都會有反射。
假設第/路發(fā)送的基帶信號是cos(2;r々)，其頻率/=《=込/,然后假設超聲波會遇到 N個不均勻的界面，這樣就會收到N個反射波(解調(diào)后的)的疊加信號
《(C) = 4 cos(2;nyj (f — t, )) + cos(2;nyj (卜r2)) + + ^ cos(2;nyj (f — )) =4 cos(2;r々—) + ^2 cos(2;r 乂/ - /^ 2) +…+ Jw cos(2;r 乂f 一 )
(公式5)
其中^cos(2;ry;(卜r,》-4cos(2;ry;卜/^)是發(fā)射波發(fā)射出去后遇到的第一個不均勻界面的
反射波(解調(diào)后的)，4是幅度，r,是延遲時間，/^-2"/巧二2;ny^是相位差。以此類推，
^vCOS(2;ry;(f-^)) = 4^03(2^1/;/-/^^)是發(fā)射波發(fā)射出去后遇到的第N個不均勻界面的
反射波(解調(diào)后的)，4v是第N界面的幅度，^是第N界面反射波相對于發(fā)射波的延遲時
間，*w = 2;r= 2;ny;^是第N界面反射波相對于發(fā)射波的相位差。
收發(fā)單元接收到的回波是M路反射波的疊加，經(jīng)解調(diào)之后得到多頻連續(xù)基帶信號 w,y;，…/M)。超聲波在發(fā)送、傳輸、接收的時候會不可避免地混入噪聲"(O，所以解調(diào)后
的多頻連續(xù)基帶信號為
<formula>formula see original document page 10</formula>先對此基帶信號d(/， /,…/M)做理論上的分析。對d(/，,，…/M)在[o,r]上做正交分解，
利用每路信號互為正交的特性可以分解出每路的接收信號。(公式6)與第i路發(fā)送基帶信號 cos(2;ry;/)在[o，r]區(qū)間上求互相關，則可以得到第i路的接收信號
<formula>formula see original document page 10</formula>(公式7)
因為每路信號是互為正交的，所以當"/時，f《",/》cos(2;r_/;0^ = 0。噪聲和信號 是不相關的，因此f G)cos(2;ry;0^ = 0，所以(公式7)第三個等號成立。從這里可以看出，
正交信號抗干擾性好，并且還能夠消除噪聲。把(公式5)代入(公式7)，可以得到g,々,y;)的
展開表達式
<formula>formula see original document page 10</formula>(公式8)
由(公式7)可知，d(/，yj，…/M)cos(2;r々)通過積分得到一個確定的值，即
<formula>formula see original document page 10</formula>(公式9)
因為多頻連續(xù)基帶信號調(diào)制到高頻載波處是一個窄帶信號，即,》4/~， 雖
然每路信號的頻率不同，但是都接近于載波頻率，所以每路超聲波的傳播速度相同，每個
不均勻界面反射波的延遲時間r相同，幅度A也相同。由此M路可以得到M個方程
<formula>formula see original document page 10</formula>(公式10)
牟cos(M伊j) + 4 cos(M伊2) +…+ A cos(Mpw)=《 若不均勻界面的個數(shù)N是已知的，那就構造M-2N個相互正交的多頻超聲連續(xù)信號，
這樣來構造2N個方程。由2N個方程就可以解出2N個參數(shù)。
(公式IO)方程組是一個非線性方程組，其求解方法有很多，現(xiàn)簡介兩種求解方法。 求解方法一采取窮舉方法來求解，這種方法比較適用于反射界面不多的情形。由于超
聲波的傳播有衰減，每個界面的幅度滿足-1<4，4，一Ar<l，且傳播距離越遠，相位差越 大，因此每個界面的反射回波相位差滿足0< a <…<& <;r 。
舉例把(0,;r)以;r/100的間隔等分，^,^，…，^在(0，;r)區(qū)間100個點值里面窮舉， 且滿足0<^<%<...<^^<;2"。每一輪計算過程1)爐p^,…，^在(0,;r)區(qū)間IOO個點值
中取滿足要求的值；2)把^，^，…，^的值代入(公式10)，得到超定線性方程組；3)對超
定方程組求解，判斷該超定方程組是否存在數(shù)學解。先去掉超定方程組中一^相關的方程， 然后求解4，4，…^^。若該超定方程組不存在數(shù)學解，則本輪計算結(jié)束；4)判斷所求的幅
度是否滿足物理要求，即是否滿足-1<4，4，一^^<1，若不滿足，則該輪的^,^,…,^v取
值不正確，重新選擇新的值來進行下一輪的計算過程。
(公式IO)方程組的求解方法二把非線性方程轉(zhuǎn)換成切比雪夫多項式線性方程組。0
次切比雪夫多項式rQ(x) = l ，設1次切比雪夫多項式
7^)-cos(a)^,7]02)二cos02)-;)C2…7](Xw):cos(^)-^ ， 貝'j
a = cos(;c,), % = wc cos(x2)…= "atcos(;^)。由切比雪夫多項式性質(zhì)知，M次切比雪
夫多項式4(;0 = cos(M^),rM(jc2) = cos(M%)'..rM(;Cw) = cos(M^)，則可以把(公式10)轉(zhuǎn) 換成為切比雪夫多項式線性方程組
4r2(Xl) + 4r2(X2) — .. + 4vr2(xw) = 52' (公式U)
.47^ ")+471/ (a)+…+4v^ Ow) =
可以采用牛頓法、賽德爾等成熟的數(shù)值計算方法解出4，4，…4^， x,，a，…^，進而解出
w，^2，…，^。
當不均勻反射界面的個數(shù)N是未知的，則根據(jù)實際情況估計人體組織的不均勻反射界 面?zhèn)€數(shù)來對N賦一個初始值L，該值應該大于實際的N值，即是Z〉iV。通過構造M-2L
個相互正交的多頻超聲連續(xù)信號，構造出M個方程。此時M(方程個數(shù))〉2N(未知數(shù)個數(shù))， 對該超定方程組求解，首先需要去掉一些冗余的方程，即是把相關的方程去掉，從而得到 不均勻反射界面的個數(shù)N和剩余的2N個方程。最后對剩余的2N個方程求解，求解的方法 和N已知時相同。
通過解方程組求出的不均勻界面反射波的幅度和相位。由(公式2)相位和位置的關系得 到不均勻界面間的距離分布。若采用振幅調(diào)制的方式(A型超聲診斷儀所用的方式)來顯 示成像，則橫坐標為被測組織的深度和不均勻界面之間的距離間隔(計算出來的相位轉(zhuǎn)換 成延時，再轉(zhuǎn)換成距離)，縱坐標表示回波的幅度，移動探頭就可以獲得不同位置處的回波 信息。若采用輝度調(diào)制的方式(B型超聲診斷儀所用的方式)來顯示成像則需要快速掃描 逐次獲得不同位置的深度方向所有界面的反射回波。 一幀掃描完成后，便可以獲得一幅掃 描方向決定的垂直平面二維超聲斷層圖像。顯示的成像根據(jù)回波的強弱(即是振幅的大小) 來控制熒光屏上的光點輝度，根據(jù)不均勻界面的位置(由相位求得)來控制光點的位置。 舉例探頭所測的每個探測點的回波的觀測時間設為r-l/7W，探測點與探測點之間的觀測
時間保護間隙為2;=0.25; "假設每幀成像要顯示100個探測點的信息，則需要(1+0.25)
"00-125ms的時間，所以單個探頭的幀速為8幀/s,可以達到低速的成像水平。隨著探頭 個數(shù)(探頭陣元個數(shù))的增加，成像的幀速成線性增加，如只需要10個陣元，就能達到 80幀/s的高速成像水平。
在如圖3所示無線連接方式中，處理單元和收發(fā)單元包含同有線連接方式相同的電路和 器件，并且還包括工作在2.40的射頻收發(fā)模塊。
本發(fā)明的工作步驟如圖5所示，具體如下
步驟1檢測操作單元是否有操作請求，有操作請求則立即傳送到控制單元。 應用舉例啟動儀器，選擇超聲波要檢査人體什么部位或者什么組織，是眼部淺表組
織，還是腹部的組織等。
步驟2控制單元接收到請求信號后，發(fā)出相應的控制信息給處理單元、收發(fā)單元和顯
示單元。
控制單元控制收發(fā)單元什么時候發(fā)送超聲波信號，什么時候接收；控制單元控制顯示 單元的顯示方式，可以選擇以輝度調(diào)制或者幅度調(diào)制的方式來顯示。根據(jù)操作請求附加顯 示病人的相關信息，回波圖像局部放大等?？刂茊卧o處理單元的信息也主要是根據(jù)操作 請求來選擇相應的信息，如操作單元選擇檢査淺表部分，則選擇超聲頻率為十幾、幾十MHz， 若選擇深層部位，則選擇超聲頻率為5MHz左右。還要確定或者初步設置這種檢査的非均 勻界面的最大個數(shù)N，選擇2N個多頻基帶信號的頻率和調(diào)制解調(diào)的超聲載波頻率。然后這 些相關信息一起給處理單元。
步驟3 處理單元配置各個分頻器控制參數(shù)，產(chǎn)生多頻正交連續(xù)基帶信號和調(diào)制解調(diào) 用的超聲載波。多頻正交連續(xù)信號的頻譜示意圖如圖4a所示。
本發(fā)明可以根據(jù)不同情況靈活選用2N個頻率來產(chǎn)生多頻正交連續(xù)基帶信號，即從頻率 集合F:^A/fen為正整數(shù))里面任意選擇2N個不同的頻率，然后根據(jù)已經(jīng)確定的載波頻
率來產(chǎn)生載波，用來調(diào)制和解調(diào)。
步驟4 多頻正交連續(xù)基帶信號通過超聲頻載波調(diào)制后通過有線或無線方式發(fā)送到收 發(fā)單元，收發(fā)單元再通過與其相連的探頭發(fā)射出去。調(diào)制后的多頻超聲連續(xù)發(fā)射信號的頻 譜示意圖如圖4b所示。
步驟5 收發(fā)單元收到穩(wěn)態(tài)的回波后，傳送到處理單元，處理單元解調(diào)出多頻基帶信 號，經(jīng)A/D采樣、量化后成為數(shù)字信號。
解調(diào)出的多頻連續(xù)基帶信號經(jīng)過A/D采樣、量化成數(shù)字信號，送到數(shù)字信號處理單元 (DSP)計算處理，A/D的采樣頻率由DSP控制。'
步驟6 數(shù)字信號處理計算過程，主要求解(公式10)或者(公式11)，得到每個非 均勻界面反射波的幅度和相位，本實施例采用窮舉的方法來求解方程組(公式10)，具體 流程參見圖6。
數(shù)字信號處理單元(DSP)對A/D轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號做正交分解，列出2N個方程。若 非均勻界面的個數(shù)N是已知的，則用窮舉的方法求解方程個數(shù)為2N的方程組，得到N個 非均勻界面的幅度和相位。若非均勻界面的個數(shù)N是未知的，則需要先把線性相關的方程 組去掉，得到非均勻界面的個數(shù)M和剩余的2M個方程，然后令N=M，求解方程個數(shù)為 2N的方程組，得到N個非均勻界面的幅度和相位。窮舉的時候根據(jù)每個非均勻界面反射波
的幅度和相位的限定條件-1<4，4，一^<1和0<^<%< <^<"來縮短窮舉的計算時間。
步驟7 對處理單元得到的結(jié)果非均勻界面的個數(shù)、每個非均勻界面反射波的幅度、 相位信息(延時或者位置信息)以直觀的形式在顯示單元顯示，方便和用戶的交互。該實 施例可以對每個界面反射的回波以幅度調(diào)制或者輝度調(diào)制的方式來顯示。
權利要求
1、基于正交多頻超聲穩(wěn)態(tài)回波信號的成像方法，其特征在于包括如下步驟利用正交頻分復用調(diào)制方式構造相互正交的多頻連續(xù)基帶信號，并用超聲載波將該多頻連續(xù)基帶信號調(diào)制為多頻超聲連續(xù)發(fā)射信號；超聲波探頭將該多頻超聲連續(xù)發(fā)射信號發(fā)送出去，相當于發(fā)送多路單頻超聲波連續(xù)信號，每一路信號經(jīng)過待成像對象的每一個不均勻界面都會有反射；超聲探頭檢測反射回來的穩(wěn)態(tài)回波信號，該回波信號相當于多路反射波的疊加信號；該疊加信號經(jīng)解調(diào)后得到接收的多頻連續(xù)基帶信號，對該多頻連續(xù)基帶信號進行正交分解，利用每路信號互為正交的特性分解出每路接收信號，列出關于每個不均勻界面反射波的幅度和相位的方程組；通過解方程組求出不均勻反射界面反射波的幅度和相位，計算每個界面反射回波的幅度和相對于入射界面的位置來成像。
2、 根據(jù)權利要求1所述的基于正交多頻超聲穩(wěn)態(tài)回波信號的成像方法，其特征在于采 用幅度調(diào)制或輝度調(diào)制方式來顯示成像，若采用振幅調(diào)制的方式來顯示成像，則橫坐標為 被測組織的深度和不均勻界面之間的距離間隔，縱坐標表示回波的幅度，移動探頭就可以 獲得不同位置處的回波信息；若采用輝度調(diào)制的方式來顯示成像，則需要快速掃描逐次獲 得不同位置的深度方向所有界面的反射回波， 一幀掃描完成后，便可以獲得一幅掃描方向 決定的垂直平面二維超聲斷層圖像，顯示的成像根據(jù)回波的振幅大小來控制熒光屏上的光 點輝度，根據(jù)不均勻界面的位置來控制光點的位置。
3、 根據(jù)權利要求1所述的基于正交多頻超聲穩(wěn)態(tài)回波信號的成像方法，其特征在于當發(fā)射的單頻超聲波連續(xù)信號為s(O = ^COS(2;^(/)，該信號透過第一非均勻介質(zhì)界面反射 回來的回波信號經(jīng)過測量為d("^)=爿cos(2;r/(; —a)，其中/0是發(fā)射信號頻率，^是相位差；當有N個非均勻介質(zhì)界面，根據(jù)超聲波的透射和反射原理，則接收到的回波信號為 ， A,…Pw) = X！ 4 cos(2W i) ，' =1為了解出N個界面對應的相位差^，…^和幅度4…4v，需要構造M22iV個方程；利用正交頻分復用調(diào)制方式構造M個相互正交的多頻超聲連續(xù)基帶信號，并構造M個方程。
4、 根據(jù)權利要求3所述的基于正交多頻超聲穩(wěn)態(tài)回波信號的成像方法，其特征在于取 M-2N，利用正交頻分復用調(diào)制方式構造M個正交信號，該M個正交信號疊加為需要發(fā)w送的多頻連續(xù)基帶信號W" 乂 ，…/a/ ) = S cos(2;r々)。,-=1
5、 一種用于實現(xiàn)權利要求1 4任一項所述方法的裝置，其特征在于包括超聲波探頭、 控制單元及分別與控制單元連接的操作單元、收發(fā)單元、處理單元和顯示單元，超聲波探 頭與收發(fā)單元相連，處理單元還分別與收發(fā)單元和顯示單元連接。所述操作單元為人機交互模塊，用于操作者選擇測量信號的超聲波頻率和對顯示單元 的顯示方式進行選擇；所述控制單元根據(jù)操作單元發(fā)出的操作指令來控制收發(fā)單元、處理單元和顯示單元；所述收發(fā)單元通過將驅(qū)動信號傳給超聲波探頭來發(fā)送一個超聲波，超聲波探頭也將收 到的回波信號傳送給收發(fā)單元；所述處理單元用于產(chǎn)生多頻正交連續(xù)信號和調(diào)制解調(diào)用的超聲載波，并將解調(diào)出的多 頻連續(xù)基帶信號經(jīng)過A/D采樣、量化成數(shù)字信號，然后做正交分解，列出關于每個界面反 射波的幅度和相位的方程組，再進行計算處理；所述顯示單元對處理單元處理后的結(jié)果根據(jù)操作者選擇的顯示方式來顯示成像，所述 顯示方式包括幅度調(diào)制和輝度調(diào)制方式。
6、 根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于所述處理單元包括數(shù)字信號處理器、調(diào)制 解調(diào)器、振蕩器、若干分頻器和A/D轉(zhuǎn)換器，處理單元完成信號產(chǎn)生和處理的工作根據(jù) 控制單元提供的信息產(chǎn)生對應的多頻基帶信號，基帶信號經(jīng)過調(diào)制成為超聲波信號并傳給 收發(fā)單元；對收發(fā)單元傳送過來的回波信號進行解調(diào)；對解調(diào)后的信號進行處理，計算每 個界面反射回波的幅度和相位，再把幅度和相位信息轉(zhuǎn)換成為幅度和位置信息，在顯示單 元按照所選的顯示方式來顯示成像。
7、 根據(jù)權利要求6所述的裝置，其特征在于處理單元包括三個分頻器，分頻器之一控 制輸出多聲頻信號頻率，分頻器之二控制輸出超聲載頻信號頻率，分頻器之三控制輸出A/D 采樣時鐘信號頻率。
8、 根據(jù)權利要求7所述的裝置，其特征在于多頻連續(xù)基帶信號經(jīng)超聲頻載波信號調(diào)制 后通過有線或無線方式傳送到收發(fā)單元，再由收發(fā)單元發(fā)送給超聲波探頭。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于正交多頻超聲穩(wěn)態(tài)回波信號的成像方法與裝置，該方法利用正交頻分復用調(diào)制方式構造相互正交的多頻連續(xù)基帶信號，經(jīng)調(diào)制為多頻超聲連續(xù)發(fā)射信號后由超聲波探頭發(fā)送出去，超聲探頭檢測反射回來的穩(wěn)態(tài)回波信號，該信號相當于多路反射波的疊加信號；對經(jīng)解調(diào)后得到接收的多頻連續(xù)基帶信號進行正交分解，利用每路信號互為正交的特性分解出每路接收信號，計算每個界面反射回波的幅度和相對于入射界面的位置來成像。該裝置包括超聲波探頭、控制單元及分別與控制單元連接的操作單元、收發(fā)單元、處理單元和顯示單元，超聲波探頭與收發(fā)單元相連，處理單元還分別與收發(fā)單元和顯示單元連接；本發(fā)明成像精確、抗干擾性好；采用單探頭，成本降低。
文檔編號G01S15/89GK101357068SQ20081019851
公開日2009年2月4日 申請日期2008年9月12日 優(yōu)先權日2008年9月12日
發(fā)明者寧更新, 燕 曹, 崗 韋 申請人:華南理工大學