技术领域
[0001] 本
发明涉及超声成像设备技术领域，具体涉及多普勒超声成像系统动态解调装置。
背景技术
[0002] 在多普勒超声成像系统中，
探头发射一系列的超声相干脉冲串，这些超声脉冲在人体中的传播过程中会发生反射和衰减。 探头同时接收人体组织和血流发射的超声回波，转变为电
信号后放大，然后进行AD转换和数字波束合成(beamforming)。 波束合成后的信号一路用来做B模式成像，生成二维组织图像；另一路进行多普勒的相关处理，生成血流图像。 而生成血流成像的数据，首先要进行
正交解调处理。
[0003] 如图1所示，将波束合成后的回波信号同两个正交的
本振信号(cos(ω0t)和sin(ω0t))相乘后，得到I和Q两路解调信号。 解调的目的是从回波信号中提取出人体内组织或血流移动而产生的多普勒频移信号；而使用正交解调的目的是区分多普勒信号是正向频移还是负向频移。
[0004] 在多普勒超声成像系统中，解调所使用的正交本振信号的
频率通常和超声发射激励的频率ω0相同。但是，由于人体组织对超声信号的衰减其实是和超声频率相关的，组织中的衰减系数同频率的变化关系可以用幂函数来描述，工程上可以简化为αdB＝0.7dB/[MHz·cm]。 所以当以ω0为中心频率的发生脉冲串在人体内传播时，由于高频部分会比低频部分有更大的衰减系数，所以其中心频率会发生变化。 即深度越深，中心频率越低。 在B模式成像中，通常会对波束合成后的回波信号使用动态滤波的技术来补偿频率的变化。
发明内容
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种多普勒超声成像系统动态解调装置，克服
现有技术在正交解调时无法补偿超声回波信号在人体组织中的衰减，从而造成多普勒频移信号误差过大的
缺陷。
[0006] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：
[0007] 一种多普勒超声成像系统动态解调装置，包括数字波束合成模
块和正交解调模块，所述数字波束合成模块与所述正交解调模块相连，还包括动态频率正交信号生成模块，所述动态频率正交信号生成模块与所述正交解调模块相连，所述动态频率正交信号生成模块用于生成频率随波束传播时间变化的余弦本振信号和正弦本振信号并发送到所述正交解调模块。
[0008] 所述的多普勒超声成像系统动态解调装置，其中所述余弦本振信号和正弦本振信号的随波束传播时间t变化的频率fc(t)根据如下公式计算：
[0009] fc(t)＝f0-2*(αdB/8.6886)*(c0*t)*(B/2.36)2，
[0010] 其中：f0是多普勒超声成像系统发射信号的中心频率，
[0011] αdB＝0.7dB/[MHz·cm]，
[0012] c0＝1540m/s，
[0013] B为多普勒超声成像系统发射信号的带宽。
[0014] 所述的多普勒超声成像系统动态解调装置，其中还包括数字时间增益控制TGC模块，所述数字波束合成模块与所述数字时间增益控制TGC模块相连，所述数字时间增益控制TGC模块与所述正交解调模块相连。
[0015] 所述的多普勒超声成像系统动态解调装置，其中所述动态频率正交信号生成模块包括动态频率生成器和数字频率合成器，所述动态频率生成器与所述数字频率合成器相连，所述动态频率生成器用于生成随波束传播时间变化的频率，所述数字频率合成器用于生成随所述频率以及波束传播时间变化的相应余弦本振信号和相应正弦本振信号。
[0016] 所述的多普勒超声成像系统动态解调装置，其中所述动态频率生成器设为现场可编程
逻辑门阵列FPGA。
[0017] 所述的多普勒超声成像系统动态解调装置，其中根据多普勒超声成像系统脉冲重复时间计算相应的所述频率并存储于所述动态频率生成器中。
[0018] 所述的多普勒超声成像系统动态解调装置，其中所述数字频率合成器设为现场可编程
逻辑门阵列FPGA。
[0019] 所述的多普勒超声成像系统动态解调装置，其中在所述数字频率合成器中设置查找表，根据所述频率以及不同时刻的
相位值，从所述查找表中查找所述相位值对应的余弦值和正弦值。
[0020] 本发明的有益效果：本发明多普勒超声成像系统动态解调装置，可以补偿超声回波信号在人体组织中的衰减，从而减小多普勒频移信号的误差。
附图说明
[0021] 本发明包括如下附图：
[0022] 图1为现有技术多普勒超声成像系统示意图；
[0023] 图2为本发明多普勒超声成像系统动态解调装置示意图；
[0024] 图3为本发明多普勒超声成像系统动态解调装置示意图之二；
[0025] 图4为本发明动态频率正交信号生成模块示意图。
具体实施方式
[0026] 下面根据附图和
实施例对本发明作进一步详细说明：
[0027] 本发明基于如下原理：当在线性条件下，
频谱包络为高斯函数的
超声波在人体内传播时，其中心频率随传播距离的关系可以由下式描述：
[0028] fc＝f0-2αzσ2式1
[0029] 其中fc表示超声回波信号的中心频率，单位为MHz；f0是发射脉冲串的中心频率，单位为MHz；α是
超声波在人体的衰减系数，单位是Neper/(cm*MHz)，其中Neper2
是声强的单位奈培；z表示波束传播的距离，单位是cm；σ 是发射脉冲串频谱的方差。
[0030] 频谱方差为σ2的脉冲串频谱的1/2幅度带宽可以由下式给出：
[0031] B＝2.36*σ式2
[0032] 再考虑当超声波以速度c0＝1540m/s在人体内传播时，其时间和传播距离的关系为：
[0033] t＝z/c0式3
[0034] 以及以Neper/(cm*MHz)为单位的衰减系数α和αdB的转换：
[0035] α＝αdB/8.6886式4
[0036] 综合式1-4，当中心频率为f0并且带宽为B的超声脉冲串在人体内传播时，可以得出不同深度下的中心频率fc随时间的关系为：
[0037] fc(t)＝f0-2*(αdB/8.6886)*(c0*t)*(B/2.36)2式5
[0038] 根据式5，以及ω(t)＝2πfc(t)，实现如图2所示的正交解调模块。 与图1所示方案不同的是，使用频率随时间变化的本振信号(cos(ω(t)t)和sin(ω(t)t))代替固定频率的本振信号(cos(ω0t)和sin(ω0t))来解调超声回波信号。正交解调模块由两个乘法器构成，将回波信号分别同两个本振信号相乘，得到I和Q两路信号，通过I和Q之间的相位关系可以判断血流的方向。 如果I通道的解调的输出相位滞后Q通道的输出相位，则说明该多普勒频移信号是正向频移信号(血流方向流向探头)；如果I通道的解调的输出相位超前Q通道的输出相位，则说明该多普勒频移信号是反向频移信号(血流方向远离探头)。 而为了产生动态的本振信号，图2中增加了动态频率正交信号生成模块。 其作用是根据超声波在人体内传播的时间(即在不同的深度
位置)，产生不同频率的正交信号用于解调。具体实施例：
[0039] 如图2所示，数字波束合成部分是将多个(例如32个)接收通道AD转换后的回波信号经过不同的延时和加权后相加，形成一条波束，从而提高系统的
信噪比。 数字TGC其实质为一乘法器，将波束合成后的回波信同不同的系数相乘从而补偿不同深度下人体组织对超声信号的衰减。 通常这些系数是预置的，根据回波的深度来选择不同的系数，深度越深，系数值越大，从而能补偿回波幅度的指数衰减。 低通
滤波器的作用是滤除相乘所得的和频信号，而剩下的差频信号即是所需的多普勒频移信号。
[0040] 如图4所示，动态解调的核心是产生动态的本振信号(cos(ω(t)t)和sin(ω(t)t))，动态频率正交信号生成模块可以由现场可编程逻辑门阵列FPGA实现。 其分为动态频率生成器和数字频率合成器两部分。
[0041] 根据式5，f0为发生脉冲串的中心频率，如3.5MHz；B为发生脉冲串的频谱1/2幅度带宽，该参数和发射脉冲串的脉冲个数有关系。 显然如果脉冲个数多那么其频谱的带宽也窄，在组织中传播时频率的偏移也会也小；但是脉冲个数多会导致
分辨率的降低，而且也会增加向人体的
辐射的
能量的增加，可能会有安全方面的问题。 所以脉冲个数应该折中考虑取各方面都可接受的值。 αdB＝0.7dB/[MHz·cm]以及c0＝1540m/s。
[0042] 由于式5中的参数除了超声波的传播时间是变化参数外，其余参数在超声波发射时都已确定，而在现场可编程逻辑门阵列FPGA实现中应尽量减少乘法和除法的操作，所以动态频率生成器在现场可编程逻辑门阵列FPGA中可用一个动态RAM来实现。假设超声系统的脉冲重复时间为260us，可将260us分成128段，那么约每2us(260us/128)对于一个本振频率。 那么可以将每个时间段对应的本振频率预先计算出来，并存在现场可编程逻辑门阵列FPGA的一个深度为128的动态RAM中。 在实时处理时，根据超声回波信号在人体传播的时间，从动态RAM中查找出对应的本振频率即可。
[0043] 正交本振信号的产生是使用直接数字合成(DDS，Direct Digital Synthesizer)的方法来实现的。 动态频率生成器中有一正余弦查找表，根据动态频率生成器产生的频率，以及不同时刻的相位值，从查找表中查找出该相位对应的余弦值和正弦值，生成不同频率的正交本振信号用于解调。
[0044] 本实例中使用的是现场可编程逻辑门阵列FPGA的实现方法，当然此外还可以在DSP，MCU等不同器件上实现本发明。除此之外，如图3所示，当不需要对超声回波的幅度进行补偿时，可以去掉数字时间增益控制TGC(Time Gain Control)模块，直接将波束合成后的回波信号进行动态解调。
[0045] 本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种
变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明
说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。
