[发明专利]基于延时参数实时计算和流水线的多波束合成方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种多波束合成方法和装置，尤其涉及一种基于延时参数实时计算和流水线的多波束合成方法和装置。

背景技术

现代超声成像由于大量采用雷达中的先进技术以及数字信号处理和图像处理技术而使得超声成像的质量大幅度提高。但是很多技术的采用都会以牺牲扫描速度为代价。比如空间复合成像技术，需要多帧不同角度扫描的图像合成最终的图像；反相组织谐波技术需要叠加两帧不同发射脉冲极性得到的图像获得组织的谐波图像；合成孔径技术更是需要多帧图像的叠加来实现发射和接收的逐点聚焦。现代彩超由于需要很高的发射脉冲频率来提取血流信号，因此使得获得二维B超图像的时间大大减少，也会导致帧频明显降低。由于临床上观察人体内的器官运动需要快速的图像更新，帧频的大幅度降低将使得B超图像无法应用于心脏诊断。

多波束技术可以弥补这些技术导致的B超图像帧频降低。比起常规的扫描方式，多波束技术可以在一次脉冲发射过程中同时形成M条接受回波(M通常是2到16)，因此使得帧频提高了M倍。但是，实现多波束技术却是一个技术难题。单波束合成为了技术上的可实现性以及成本考虑，都采用预先存储聚焦参数的做法实现接收的动态聚焦。这样对于常规的应用，如单元芯片中包含16通道，采样频率40MHz，深度25厘米的情况，存储所有扫描线的聚焦参数需要大约400k字节以上的存储空间。如果考虑到奇偶线的差别，存储空间要到800k以上。如果按照重复单波束的方案实现多波束，比如四波束，存储所有的聚焦参数需要外挂2M字节的存储器。同时对FPGA的资源需求也会由于成几倍的增加而无法实现。本发明的意义在于采用了流水线作业方式实时计算波束合成所需要的信号延时，需要存储的聚焦参数只是很少的和孔径相关以及和扫描线方向相关的参数。这样每一路回波信号，假设一次合成4个波束，只需要大约160个字节来存储所有聚焦参数。考虑到沿扫描线设置64个变权点的加权值，每一个加权值一个字节，对于16个通道加权参数需要1k字节的存储量，这样对于一路回波同时合成四路波束，需要存储的参数只有1184个字节。256条扫描线需要存储的数据为296k字节。

由于多波束技术对于提高B超图像的帧频和图像质量有着至关重要的意义，引起了超声成像领域的广泛的关注，产生了很多设计方案和专利。在众多的有关波束合成专利中，可以根据聚焦延时参数是事先计算好存储的还是实时计算的大致分为两类。早期的单波束合成阶段，大都采用存储事先算好的延时参数的方法。为了减少参数占用存储器的数量，基本上都是采用存储初值和增量相结合的方法。延时的初值通常做为粗延时(即延时以采样时钟周期为单位)，而精度高于一个采样时钟周期的延时用增量‘0’和‘1’来表示，细延时的单位通常取一个采样周期的四分之一到八分之一。这样每一个通道在不同深度的焦点处的延时参数实际上就是1个bit的数据流。但是，由于实现动态聚焦的焦点数目可以达到一千甚至几千个，所以对于存储器的容量要求仍然很大。为了减少对于存储器容量要求和FPGA资源占用，多波束技术中广泛采用对延时参数进行实时计算以及分时复用技术。

美国专利US5905692(公开日期：1999年5月18日，对应中国专利98812777.6，公开日期：2001年2月7日)给出的方案提出了采用分时复用的方式实现多波束合成，但是，该专利没有涉及如何产生延时参数。

美国专利US6123671(公开日期：1998年12月31日)给出一种基于CORDIC算法的实时延时参数和变迹系数计算装置。该装置计算延时参数是基于阵元的x，z坐标以及焦点的x，z坐标。因此可以适用于任意形状的探头。但是，由于需要同时存储阵元坐标和焦点坐标，需要的存储量同样很大，如果计算每一焦点坐标又会使得计算过于复杂，占用FPGA资源过多。该方案还对同一芯片上的所有16个通道分时复用延时计算装置，因而，只能达到每通道2.5MHz的计算频率。这对某些应用精度偏低。

美国专利US7508737B1(公开日期：2009年3月24日)给出一种多个接收通道分时复用同一个延时控制的方案，其采用低通滤波器实现插值运算，可以把插值运算放在各路信号求和之后实现，因此可以有效节约硬件资源。但是，该专利没有给出延时参数的实现方法。