一种基于时频分析的快速平面波成像系统

技术领域

本发明涉及医学超声成像技术领域，尤其涉及一种基于时频分析的快速平面波成像系统。

背景技术

医学超声成像是一种向人体组织发射超声波后，经过超声波与人体组织的相互作用，利用携带组织信息的超声回波信号进行诊断成像的技术。它可以用于重建身体内部结构并强调有效信息表现，目前已广泛应用于肌腱、肌肉、血管等内部组织和器官中。

虽然在实际使用中传统医学超声成像发挥了不可替代的作用，但随着医学检测中各种新应用以及新需求的提出，在临床诊断中，传统方法仍有一些方面可以进一步提升。首先是图像分辨力(即图像质量)的提升。在医学图像评价中，图像分辨力往往包括细节分辨率与对比度分辨率。由于包括超声波的中心频率、传播特性及反射特性等物理原因的影响，医学超声成像的图像分辨力被大为限制。另一个亟待解决的问题是时间分辨力(即帧频)的不足。传统医学超声成像往往采用阵列聚焦并辅以逐线扫描的方式用以成像。这种方式虽然能满足一般实时观察的需求，但其帧频仍然被限制在每秒几十帧的数量级上，无法满足更高帧频应用的需求。除了图像分辨力与时间分辨力各自的限制，在实际应用中，这两者往往存在矛盾关系，需要在工程应用中加以平衡：在传统超声诊断中，为提升图像分辨力，往往需要提升扫描线数，从而牺牲了帧频；反之亦然，在多数高帧频医学超声成像中，其图像分辨力也大为下降。进入现代以来，许多新的诊断应用需求对医学超声成像的图像分辨力和时间分辨力都提出了更高的期待，这种兼顾图像分辨力与时间分辨力的方式也被称为快速高分辨医学超声成像。

因此需要研发出一种基于时频分析的快速平面波成像系统来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种基于时频分析的快速平面波成像系统。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于时频分析的快速平面波成像系统，包括：

用于接受通过人体组织后反射回的射频信号、对信号进行通道接收、信号增益的超声信号电路接收模块；

FPGA主控模块；FPGA主控模块包括用于时频分析波束合成的基于时频分析波束合成模块和用于控制超声信号电路接收模块启停的接收信号控制单元；超声信号电路接收模块的信号输出端与基于时频分析波束合成模块的信号输入端连接；接收信号控制单元的控制信号输入端与超声信号电路接收模块的控制信号输入端连接；

用于根据所述主控模块发送的显示命令实时显示超声图像的超声图像实时显示模块；基于时频分析波束合成模块的信号输出端与超声图像实时显示模块的信号输入端连接。

具体地，超声信号电路接收模块包括超声信号放大器、增益放大器、低通滤波器，通过人体组织后反射回的射频信号输入超声信号放大器内，超声信号放大器的信号输出端与增益放大器的信号输入端连接，增益放大器的信号输出端与低通滤波器的信号输入端连接。

本发明的有益效果在于：

本发明通过将超声回波信号的接收模块与信号处理模块集成于FPGA上，形成专属ip核，其中包括：回波信号的动态滤波与增强模块，对信号近场与远场的高频噪声进行消弱，提高信号质量；时频分析波束合成算法模块经c语言编译后通过并行扫查的模式集成于FPGA指定区域，可以同时处理128条扫描线的回波数据，大大提升波束合成速度；图像后处理模块将波束合成后的回波数据进行对数压缩，对比度变换实时的传输到LED显示模块。高度集成化的快速平面波成像系统可以有效的提高成像效率。本发明通过FPGA主控模块在时域分析与频域分析的基础上可以同时提高成像速率与成像质量，大大节省了超声成像所需时间，增加超声图像的对比度；在保证成像帧率下降很小的基础上，提高了成像的质量，增加了图像的横向与纵向分辨率；与传统的b超成像系统相比，具有更小的物理体积，可以为后续便携式超声设备提供设计基础。

附图说明

图1是本申请的结构框图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种基于时频分析的快速平面波成像系统，包括：

用于接受通过人体组织后反射回的射频信号、对信号进行通道接收、信号增益，并将增强后的射频信号传输进FPGA主控模块中的超声信号电路接收模块；

FPGA主控模块；FPGA主控模块包括用于时频分析波束合成的基于时频分析波束合成模块和用于控制超声信号电路接收模块启停的接收信号控制单元；超声信号电路接收模块的信号输出端与基于时频分析波束合成模块的信号输入端连接；接收信号控制单元的控制信号输入端与超声信号电路接收模块的控制信号输入端连接；接收信号控制单用于控制接收电路的通道接收次序，存储延时信息；基于时频分析波束合成模块用于并行快速处理回波信号，进行波束合成，与超声图像实时显示模块相连，用于实时动态显示目标区域的超声图像；基于时频分析波束合成模块集成于FPGA主控模块，通过信号时域的方差最小化计算得出各散射点归一化的通道信号权重，通过频域的相位相干信息计算得出roi区域的归一化相干符号，最后将权重与相干符号通过卡尔曼滤波器，减小误差，得到最终波束合成的结果。算法运行在FPGA的GPU模块，采样GPU运行模式可以并行计算每一个采样的点的权重与相干符号，大大降低了算法运行时间，为实时成像提供了硬件支持。

用于根据所述主控模块发送的显示命令实时显示超声图像的超声图像实时显示模块；超声图像实时显示模块主要包括LED显示屏，以及图像后处理电路。基于时频分析波束合成模块的信号输出端与超声图像实时显示模块的信号输入端连接。超声图像实时显示模块用于处理波束合成后的回波信号，通过希尔伯特变换、包络检测、对数压缩、图像后处理后实时显示于LED屏幕上，动态分辨率动态可调。超声图像实时显示模块可以在LED外设中显示，或在上位机电脑上显示。

超声信号电路接收模块包括超声信号放大器、增益放大器、低通滤波器，通过人体组织后反射回的射频信号输入超声信号放大器内，超声信号放大器的信号输出端与增益放大器的信号输入端连接，增益放大器的信号输出端与低通滤波器的信号输入端连接。用于实时接收经人体组织反射回的超声信号经过换能器之后的电信号，并对此信号进行分通道接收。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。