專利名稱：：連續(xù)波多普勒模塊中模擬波束的合成方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及醫(yī)用超聲波診斷系統(tǒng)中的信號處理方法和裝置，尤其涉及利用逆向應(yīng)用延時線實現(xiàn)超聲診斷系統(tǒng)中連續(xù)波信號的波束的合成方法和裝置。本發(fā)明方法和裝置特別適用于超聲診斷系統(tǒng)，特別是要求體積小的便攜式超聲診斷系統(tǒng)，低檔超聲系統(tǒng)B圖像的波束合成也可以采用本方案。技術(shù)背景目前超聲診斷系統(tǒng)中，連續(xù)波多譜勒接收部分的波束合成有如下幾種方案正交解調(diào)與波束合成一起完成的方案、數(shù)字波束合成方案、多延時線方案、不補償?shù)膯窝訒r線方案等。正交解調(diào)與波束合成一起實現(xiàn)方案在低噪放后的每個通道上加一正交解調(diào)器。通過控制每個通道上正交解調(diào)器本振信號的相位完成波束合成的延時環(huán)節(jié)。正交解調(diào)輸出I、Q路信號一般為電流信號，可以將各個通道的I、Q電流信號直接接到一起完成波束合成的相加環(huán)節(jié)。后邊再加一個I/V轉(zhuǎn)換(電流轉(zhuǎn)電壓)即完成正交解調(diào)與波束合成。該方案每個通道都要加一帶本振相位控制正交解調(diào)器，使得成本較高，每個正交解調(diào)器都要引入本振與相位控制信號，使得控制信號較多，控制較為復(fù)雜。控制信號大多來自數(shù)字域，容易引入噪聲。數(shù)字波束合成方案直接對低噪放后的每個通道上的射頻信號進行AD采樣，在數(shù)字域完成波束合成的延時與相加環(huán)節(jié)。由于連續(xù)波信號的動態(tài)范圍較大，所以對CW信號的射頻采樣需較多位數(shù)的高速AD(—般要大于16位，這樣的高速AD可能得不到LICENSE)。加之每個通道都要加一片AD，所以這樣的方案肯定是價格不菲。多延時線方案在低噪放后的每個通道上加一模擬延時線，完成波束合成的延時環(huán)節(jié)，再用運放作為加法器完成波束合成的累加環(huán)節(jié)。多延時線方案雖然有利于各通道的阻抗匹配，但每個通道加一延時線使得波束合成部分體積變得相當大，不利于系統(tǒng)集成。當然成本也有所提高。不補償?shù)膯窝訒r線方案這個方案與本發(fā)明方案比較接近，但沒有通過補償?shù)姆椒▽Ω魍ǖ赖乃p進行校正。即不對各個通道的幅度進行補償，因此存在各通道幅度的一致性不好的缺點。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的一些缺點，提出一種補償?shù)哪嫦驊?yīng)用延時線實現(xiàn)超聲診斷系統(tǒng)中連續(xù)波信號的波束合成方案。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案設(shè)計一種連續(xù)波多普勒模塊中模擬波束的合成方法，該方法包括如下步驟a.超聲波探頭的多路回波信號通過低噪放大被放大；b.所述經(jīng)放大的多路回波信號通過串接在延時線上的幅度補償元件進行幅度補償，以補償延時線LC網(wǎng)絡(luò)通道間增益差異；c.經(jīng)幅度補償后的各通道信號從各通道對應(yīng)的抽頭加入到由電感和電容組成的延時線LC網(wǎng)絡(luò)；d.由所述延時線LC網(wǎng)絡(luò)在完成各通道信號的信號延時的同時完成信號累加，最后由所述LC網(wǎng)絡(luò)的信號輸出端輸出波束合成信號。在所述低噪放大的輸出為多路電壓信號情況下，所述串接在延時線上的幅度補償元件是在所述LC網(wǎng)絡(luò)的輸入端與各通道串接的電阻，通過調(diào)節(jié)串接在各通道電阻的電阻值來補償各通道在所述LC網(wǎng)絡(luò)輸入端產(chǎn)生信號的幅度。所述串接在延時線上的幅度補償元件也可以是在所述LC網(wǎng)絡(luò)的輸入端與各通道串接的運算放大器，通過調(diào)節(jié)串接在各通道運算放大器的放大倍數(shù)來補償各通道在所述LC網(wǎng)絡(luò)輸入端產(chǎn)生信號的幅度。如果所述低噪放大所輸出的是多路電流信號，則應(yīng)先對所述電流信號進行I/V轉(zhuǎn)換獲得電壓信號。在這種情況下各通道回波信號的幅度補償可以在I/V轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中進行，或是在I/V轉(zhuǎn)換后如同上述方法對電壓信號進行幅度補償。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案還包括設(shè)計一種連續(xù)波多普勒模塊中模擬波束的合成裝置，包括由電感和電容組成的延時線LC網(wǎng)絡(luò)，用于接收各通道回波信號并完成各通道信號的信號延時和信號累加，最后輸出模擬波束合成信號；串接在所述延時線LC網(wǎng)絡(luò)輸入端的輸入信號幅度補償元件，用于調(diào)節(jié)各通道進入所述延時線LC網(wǎng)絡(luò)的輸入信號的幅度。所述輸入信號幅度補償元件可以有如F實施方式實施例一所述輸入信號幅度補償元件包括在各通道進入所述LC網(wǎng)絡(luò)的輸入端之前各串接一個電阻，各通道所串接的電阻的電阻值通過實驗確定,各通道所串接的電阻的電阻值的選擇原則是要求補償延時線LC網(wǎng)絡(luò)通道間增益的差異。實施例二所述所述輸入信號幅度補償元件包括在各通道進入所述LC網(wǎng)絡(luò)的輸入端之前各串接一個運算放大器，各通道所串接的運算放大器的放大倍數(shù)通過實驗確定，各通道所串接的運算放大器的放大倍數(shù)的選擇原則是要求補償延時線LC網(wǎng)絡(luò)通道間增益的差異。所述信號通道的通道數(shù)較多，例如設(shè)通道數(shù)為N，貝U所述LC網(wǎng)絡(luò)應(yīng)有2N個抽頭，所述第1至第N個通道分別串接電阻Rl至RN后接入LC網(wǎng)絡(luò)的第2至第2N個偶數(shù)號抽頭；所述N的取之范圍為8至64。在所述信號通道的通道數(shù)為10時，所述LC網(wǎng)絡(luò)有20個抽頭，所述第1至第10個通道分別串接電阻Rl至RIO后接入LC網(wǎng)絡(luò)的第2至第20個偶數(shù)號抽頭，串接電阻R1至RIO的電阻值分別為510、470、363、330、270、220、151、100、51和33歐姆。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的連續(xù)波多普勒模塊中模擬波束合成的方法和裝置具有如下優(yōu)點由于模擬延時線僅由電感電容網(wǎng)絡(luò)組成，決定了延時線的本身價格很低；加之本發(fā)明逆向應(yīng)用模擬延時線同時完成波束合成的延時和累加功能，使得連續(xù)波波束合成模塊僅采用一個延時線且不需要增加運算放大器完成累加功能；采用模擬延時線實現(xiàn)CW的波束合成不需要任何控制，因此簡化了整個CW模塊的控制，減少了數(shù)字噪聲的偶合路徑；由于對各通道的幅度采用補償?shù)姆椒?，使得各CW回波各通道幅度一致性好。上述幾點決定了本發(fā)明裝置成本低，體積小，各通道的cw回波幅度一致性好。圖1是本發(fā)明的連續(xù)波多譜勒接收模塊的信號處理流程圖；圖2是超聲波探頭焦點回波示意圖；圖3是具有N個抽頭的延時線LC網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；圖4是本發(fā)明逆向應(yīng)用模擬延時線實現(xiàn)波束合成的原理框圖；圖5是低噪放串接電阻等效為理想電壓源加電壓源內(nèi)阻的原理框圖；圖6是對應(yīng)圖5中只有T20號抽頭有信號輸入的等效原理框圖；圖7是本發(fā)明技術(shù)效果的測量模型示意圖；圖8是信號從T2抽頭加入到模擬延時線測試波形圖，其中細實線表示放大器輸出的波形圖，粗實線表示輸入端串接電阻前的信號的波形圖；圖9是信號從T4抽頭加入到模擬延時線測試波形圖，其中細實線表示放大器輸出的波形圖，粗實線表示輸入端串接電阻前的信號的波形圖；圖10是信號從T2、T4抽頭加入到模擬延時線測試波形圖，其中細實線表示放大器輸出的波形圖，粗實線表示輸入端串接電阻前的信號的波形圖。具體實施方式以下結(jié)合附圖及附圖所示之實施例對本發(fā)明裝置和方法作進一步詳述。本發(fā)明所提出的連續(xù)波(CW)多譜勒接收模塊的信號處理流程如圖1所示。探頭的多路回波信號通過低噪放進行放大，放大后的信號進入到模擬波束合成單元。模擬波束合成單元對多路放大后的回波信號進行延時聚焦累加。波束合成后多路回波信號合成為一路信號。如果cw信號發(fā)射采用方波發(fā)射，則模擬波束合成后須加一低通濾，濾除方波的除基頻以外的高次諧波，以輸出正弦波。濾波后的信號進入正交解調(diào)模塊。如果發(fā)射為正弦波則波束合成的輸出可以直接輸出到正交解調(diào)模塊(也可以加低通或帶通濾器以抑制帶外噪聲)。正交解調(diào)模塊將輸入的射頻信號解調(diào)為I、Q兩路基帶信號，也就是我們真正關(guān)心的多譜勒音頻信號。解調(diào)出的I、Q信號分別進行低通濾波，以濾除正交解調(diào)所產(chǎn)生的和頻成份。低通濾波還有個功能就是作為AD采樣之前的防混疊濾波器。低通濾波后的信號要進行增益調(diào)節(jié)，以適合AD輸入的波動范圍。經(jīng)增益調(diào)節(jié)后的I、Q兩路基帶信號通過ADC進行采樣。采樣后的數(shù)據(jù)進行數(shù)字信號處理從而輸出cw多譜勒的聲譜圖信號與左、右聲道的立體聲信號。本發(fā)明的所關(guān)注的焦點為基于單個延時線的模擬波束合成單元。由于回波焦點到探頭表面各個陣元的距離不同，導(dǎo)致焦點回波到探頭表面各個陣元的延時不同，如圖2所示。波束合成的作用便是調(diào)整探頭各回波信號的延時，補償焦點回波信號到各探頭陣元的延時差，使各通道的回波信號同相相加。本發(fā)明調(diào)節(jié)各通道的延時采用模擬延時線。模擬延時線的內(nèi)部結(jié)由LC網(wǎng)絡(luò)組成，一個N抽頭的延時線LC網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖如圖3所示。每個抽頭的延時；由下式?jīng)Q定<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>式中丄,為延時線總電感(單位UH)，c,為延時線總電容(單位pF)，N為延時線總抽頭數(shù)?？傃訒r7^由下式?jīng)Q定特征阻抗Z。由下式?jīng)Q定延時線的上升時間f,由下式?jīng)Q定式中、為延時線輸出信號的上升時間，/為延時線輸入信號的上升時間。延時線的帶寬BW由下式?jīng)Q定-延時線總抽頭數(shù)N可由下式計算iVa(V"'.36.利用以上參數(shù)在設(shè)計時便可以選擇合適的延時線。通常延時線的應(yīng)用都是由IN輸入信號，從不同的抽頭Tn輸出以得到不同的相位延時信號。在超聲系統(tǒng)中，cw回波信號通道數(shù)較多(一般至少有八通道)，而為了達到一定的延時精度，所能達到指標的延時線的體積較大。如果每個通道選擇一個延時線，會使cw模塊的體積變得很大，不利于系統(tǒng)集成，尤其不利于便攜式超系統(tǒng)的應(yīng)用。本發(fā)明采用逆向應(yīng)用延時線的方法，同時完成cw信號波束合成處理的延時與累加功能。并利用幅度補償法使各個通道的幅度衰減基本相同，解決了由于逆向應(yīng)用延時線導(dǎo)致各個通道幅度不一致的問題。下面以系統(tǒng)具有10個cw回波信號通道為例說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明超聲系統(tǒng)的CW回波信號經(jīng)低噪放后為10通道電壓信號。波束合成所采用的模擬延時線參數(shù)為20抽頭，每抽頭延時20nS,總延時400nS，特征阻抗IOOOHM。低噪聲放大器LNA9-0的10通道電壓信號通過串接電阻R10-l接到模擬延時線的T20，T18,T16，T14，T12，T10,T8,T6，T4，T2抽頭。如圖4所示。其中BF—OUT為模擬波束合成信號。在測試過程中，10路電壓信號可以等效為10個理想電壓信號源，信號上所串接的電阻可等效為電壓源的內(nèi)阻，如圖5所示。由于理想電壓源內(nèi)阻為0，如果某通道無信號則相應(yīng)的抽頭等效于通過串接電阻接地。圖6示意了只有T20抽頭有信號輸入的等效電路。由線性電路的疊加原理可知，在圖5中，流經(jīng)輸出對地電阻Rll的電流等于各個抽頭單獨作輸入時產(chǎn)生電流的代數(shù)和。就是應(yīng)用疊加原理，我們完成波束合成的累加功能。按照圖5的模型，我們可以調(diào)節(jié)信號輸入串接電阻的電阻值(相當于圖5中電壓源的內(nèi)阻)的方法，去補償各個通道在IN端產(chǎn)生信號的幅度。由于該延時線的應(yīng)用涉及為電感、電容、電阻的網(wǎng)絡(luò)，又加入了多個激勵，所以定量計算補償?shù)拇与娮枳柚当容^困難。我們通過實驗的方法確定補償電阻的阻值，經(jīng)過測試，我們選擇了以下一組補償電阻組合。表1抽頭補償串接電阻阻值<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>測試經(jīng)過補償后，信號從各個抽頭輸入，在IN端得到的幅度測結(jié)果如下:表2補償后各抽頭對應(yīng)的IN端輸出幅度以及延時測量值<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>根據(jù)表格數(shù)據(jù)計算得到，輸出信號平均值為33.21，標準差為1.5mV。各通道之間的增益差別不超過1DB，滿足我們對增益一致性的要求。對于延時的T20輸入端有30ns的誤差，這是由于延時線遠端T20串接電阻僅為30OHM與延時線的阻抗不匹配的結(jié)果。如果調(diào)整T20的為IOOOHM，為了達到補償?shù)男Ч休斎氤轭^的串接電阻都要加大。這樣勢必加大對輸入信號的衰減。所以延時的準確性與對信號幅度的衰減是對串接電阻阻值權(quán)衡的結(jié)果。加之最后一個抽頭的延時稍大是對我們有利的，所以本發(fā)明采用這組串接電阻阻值參數(shù)。下面簡述本發(fā)明裝置的工作原理低噪放輸出的多路電壓信號經(jīng)過延時線串接的電阻進行信號幅度補償，補償后的信號從不同的抽頭加入到延時線的LC網(wǎng)絡(luò)，進入延時線LC網(wǎng)絡(luò)后的信號通過延時線的LC網(wǎng)絡(luò)進行延時。不同抽頭輸入信號的延時由抽頭到輸出IN端的LC單元的個數(shù)決定。由于不同抽頭加入的信號都進入到同一延時線的LC網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)疊加原理，延時線完成信號延時的同時，也完成了對不同抽頭輸入信號的累加，即在延進線輸出的信號已經(jīng)為經(jīng)過延時和累加的波束合成后的信號。為了檢驗本發(fā)明方法和裝置的技術(shù)效果，本發(fā)明專門設(shè)計了如圖7所示的測量模型。采用輸入串接電阻對幅度衰減進行補償后，模擬延時線進行延時累加測試。由于模擬延時線輸出的幅度較小，為了得到較精確的測試結(jié)果，對模擬延時線的輸出放大后進行測試。在圖8、圖9和圖IO所示的三個測試結(jié)果示意圖中，細實線表示放大器輸出的波形圖，粗實線表示輸入端串接電阻前的信號的波形圖。粗實線CH1(圖中的CH1、CH2為示波器的通道1和通道2)波型為INPUT處的波型，由于BF—OUT處輸出波形較小，我們用放大器將其放大，由放大器產(chǎn)生的延時為285.4ns，細實線表示CH2波形放大器的輸出AMP一OUT。本發(fā)明所希望得到的延時結(jié)果為BF—OUT到INPUT的延時，圖8至圖10中的測量值時為AMP_OUT信號波峰到INPUT信號波峰的時間差。信號的頻率為2.5MHz，周期為400ns。所以INPUT信號波峰與下一個AMPOUT波峰的時間差為400ns減去AMP—OUT信號波峰到INPUT信號波峰的時間差，這便是AMP—OUT相對于INPUT的延時，再減去放大器的延時285.4ns，便為BF一OUT相對于INPUT的延時。這個延時的測量精度可能受到放大器自身延時測量精度的影響。如果要測量由兩個抽頭輸入的延時差時，可直接由兩個抽頭輸入時所測得的AMP_OUT相對于INPUT延時作差運算，這樣便排除了放大器延時測量結(jié)果對兩個抽頭輸入時延時差測量結(jié)果的影響。通過以上測試可以證明經(jīng)過補償了的逆向應(yīng)用模擬延時線，完全滿足超聲診斷系統(tǒng)CW模塊模擬波束合成的要求。從而為超聲診斷系統(tǒng)中CW接收模塊的實現(xiàn)提供了新的方法。本發(fā)明最重要的關(guān)鍵點就是利用模擬延時線各個輸入抽頭的串接電阻進行幅度補償，這種補償不局限在這個電阻上，從低噪放的輸出到模擬延時線的輸入抽頭的整個路徑上都可以對幅度進行補償。例如在這個路徑上各個通道均串入運算放大器，各通道調(diào)節(jié)不同放大倍數(shù)進行幅度補償。如果低噪放輸出的是電流信號，應(yīng)用本方案可以先對電流信號進行I/V轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)也可以進行各通道的幅度補償。權(quán)利要求1、一種連續(xù)波多普勒模塊中模擬波束的合成方法，其特征在于該方法包括如下步驟a.超聲波探頭的多路回波信號通過低噪放大被放大；b.所述經(jīng)放大的多路回波信號通過串接在延時線上的幅度補償元件進行幅度補償，以補償波束合成時延時線LC網(wǎng)絡(luò)通道間的增益差；c.經(jīng)幅度補償后的各通道信號從各通道對應(yīng)的抽頭加入到由電感和電容組成的延時線LC網(wǎng)絡(luò)；d.由所述延時線LC網(wǎng)絡(luò)在完成各通道信號的信號延時的同時完成信號累加，最后由所述LC網(wǎng)絡(luò)的信號輸出端輸出波束合成信號。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)波多普勒模塊中模擬波束的合成方法，其特征在于所述低噪放大輸出多路電壓信號，所述串接在延時線上的幅度補償元件是在所述LC網(wǎng)絡(luò)的輸入端與各通道串接的電阻，通過調(diào)節(jié)串接在各通道電阻的電阻值來補償各通道在所述LC網(wǎng)絡(luò)輸入端產(chǎn)生信號的幅度。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)波多普勒模塊中模擬波束的合成方法，其特征在于所述低噪放大輸出多路電壓信號，所述串接在延時線上的幅度補償元件是在所述LC網(wǎng)絡(luò)的輸入端與各通道串接的運算放大器，通過調(diào)節(jié)串接在各通道運算放大器的放大倍數(shù)來補償各通道在所述LC網(wǎng)絡(luò)輸入端產(chǎn)生信號的幅度。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)波多普勒模塊中模擬波束的合成方法，其特征在于如果所述低噪放大所輸出的是多路電流信號，則先對所述電流信號進行I/V轉(zhuǎn)換。5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的連續(xù)波多普勒模塊中模擬波束的合成方法，其特征在于各通道回波信號的幅度補償在i/v轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中進行，或在:[/v轉(zhuǎn)換后對電壓信號進行幅度補償。6、一種連續(xù)波多普勒模塊中模擬波束的合成裝置，包括由電感和電容組成的延時線LC網(wǎng)絡(luò)，用于接收各通道回波信號并完成各通道信號的信號延時和信號累加，最后輸出模擬波束合成信號；其特征在于還包括串接在所述延時線LC網(wǎng)絡(luò)輸入端的輸入信號幅度補償元件，用于調(diào)節(jié)各通道進入所述延時線LC網(wǎng)絡(luò)的輸入信號的幅度。7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的連續(xù)波多普勒模塊中模擬波束的合成裝置，其特征在于所述輸入信號幅度補償元件包括在各通道進入所述LC網(wǎng)絡(luò)的輸入端之前各串接一個電阻，各通道所串接的電阻的電阻值通過實驗確定，各通道所串接的電阻的電阻值的選擇原則是要求補償延時線LC網(wǎng)絡(luò)通道間增益的差異。8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的連續(xù)波多普勒模塊中模擬波束的合成裝置，其特征在于所述信號通道的通道數(shù)為N，所述LC網(wǎng)絡(luò)有2N個抽頭，所述第1至第N個通道分別串接電阻Rl至RN后接入LC網(wǎng)絡(luò)的第2至第2N個偶數(shù)號抽頭,所述N的取之范圍為8至64。9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的連續(xù)波多普勒模塊中模擬波束的合成裝置，其特征在于所述信號通道的通道數(shù)為10，所述LC網(wǎng)絡(luò)有20個抽頭，所述第1至第10個通道分別串接電阻Rl至RIO后接入LC網(wǎng)絡(luò)的第2至第20個偶數(shù)號抽頭，串接電阻RI至RIO的電阻值分別為510、470、363、330、270、220、151、100、51和33歐姆。10、根據(jù)權(quán)利要求6所述的連續(xù)波多普勒模塊中模擬波束的合成裝置,其特征在于所述所述輸入信號幅度補償元件包括在各通道進入所述LC網(wǎng)絡(luò)的輸入端之前各串接一個運算放大器，各通道所串接的運算放大器的放大倍數(shù)通過實驗確定，各通道所串接的運算放大器的放大倍數(shù)的選擇原則是要求補償延時線LC網(wǎng)絡(luò)通道間增益的差異。全文摘要一種連續(xù)波多普勒模塊中模擬波束的合成方法和裝置，所述裝置包括由電感和電容組成的延時線LC網(wǎng)絡(luò)和串接在所述延時線LC網(wǎng)絡(luò)輸入端的用于對輸入信號進行幅度補償?shù)碾娮琛５驮敕泡敵龅亩嗦冯妷盒盘柦?jīng)過延時線串接的電阻進行信號幅度補償，補償后的信號從不同的抽頭加入到延時線的LC網(wǎng)絡(luò)進行信號延時和信號累加，最后在LC網(wǎng)絡(luò)的輸出端輸出波束合成信號。本發(fā)明裝置具有成本低，體積小，各通道的連續(xù)波回波幅度一致性好等優(yōu)點，本發(fā)明的方法和裝置適用于超聲診斷系統(tǒng)，尤其適用于要求體積小的便攜式超聲診斷系統(tǒng)。文檔編號A61B8/00GK101147686SQ200610062698公開日2008年3月26日申請日期2006年9月19日優(yōu)先權(quán)日2006年9月19日發(fā)明者張立國,銳胡,黃海濤申請人:深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司