基于跳頻超聲信號分離的結(jié)石檢測裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于跳頻超聲信號分離的結(jié)石檢測裝置，包括：超聲波陣列探頭、信號分離模塊、定位模塊和顯示模塊。本發(fā)明還公開了一種應用于基于跳頻超聲信號分離的結(jié)石檢測裝置的結(jié)石檢測方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：令探頭持續(xù)處于工作狀態(tài)，高速存儲器不斷獲得并儲存機體結(jié)石的發(fā)射回波信號；步驟2：信號分離模塊以探頭跳頻載波產(chǎn)生單元產(chǎn)生的跳頻圖案為參考，對回波信號進行分析，并從中逐段分離出不同結(jié)石各自反射的回波分信號；步驟3：將得到的不同反射點的回波分信號用陣列信號處理的方法進行分析，得到回波信號帶有的結(jié)石位置參數(shù)。具有檢測定位時間短、檢測結(jié)果分辨率高和系統(tǒng)組成簡單等優(yōu)點。
【專利說明】基于跳頻超聲信號分離的結(jié)石檢測裝置及其方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超聲波檢測及定位技術，特別涉及一種基于跳頻超聲信號分離的結(jié)石檢測裝置及其方法。
【背景技術】
[0002]機體結(jié)石容易引起人體的各種并發(fā)癥，現(xiàn)代人生活節(jié)奏快，工作壓力大，結(jié)石癥狀一旦出現(xiàn)會對工作生活造成很大的影響，因此，預防和治療機體結(jié)石就顯得尤為重要。在醫(yī)學上，可以用電磁波檢測及定位機體結(jié)石，但電磁波易對人體造成損傷，嚴重者其放射性會導致人體細胞發(fā)生癌變，因此，市場對人體無損檢測的需求越來越高。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，無損檢測技術也得以不斷的成熟及完善，在各行各業(yè)中也得以廣泛應用。其中，以超聲波為載體的檢測技術因其無輻射、無創(chuàng)傷及設備要求相對不高而受到青睞，被廣泛應用于醫(yī)學人體檢測，目前已經(jīng)在機體結(jié)石的檢測及定位領域發(fā)揮了相當大的作用。
[0003]超聲波檢測及定位的基本原理是利用超聲波在遇到結(jié)石時會產(chǎn)生一個反射回波，通過接收并分析該回波信號，從而得到機體中結(jié)石的尺寸及位置。目前，超聲波檢測及定位機體結(jié)石的主流技術是采用換能器陣列通過聚焦掃描的方式進行的。所謂的聚焦掃描方式，就是系統(tǒng)計算出陣列上各陣元的超聲波信號到達空間的某一個區(qū)域所需的時間，以此為依據(jù)控制各換能器陣元發(fā)射信號的時延，使得各陣元的信號同時到達目標區(qū)域以增強檢測信號；接著，探頭接收該增強后的回波信號并濾除其余未得到增強的回波，分析該回波信號，從而達到檢測該區(qū)域是否存在機體結(jié)石的目的。
[0004]根據(jù)聚焦掃描的原理，如果將待檢測空間劃分為100個掃描區(qū)域，就需要系統(tǒng)操控陣列進行100次的聚焦操作及信號分析。這也就是說，檢測時間取決于換能器陣列對空間掃描的速度，使得檢測時間過于冗長，制約了快速檢測及定位的發(fā)展，更不利于實時觀察。同時，由于目前的方法將檢測空間劃分為若干個小區(qū)域，因此其結(jié)果的分辨率取決于劃分的區(qū)域數(shù)目，劃分的區(qū)域越多，分辨率就越高，但檢測所花時間也就越長。另一方面，如果檢測區(qū)域內(nèi)的機體結(jié)石的尺寸比較小，其反射的回波信號強度弱于設定的閾值，則導致該結(jié)石無法被檢測，對人體健康構(gòu)成嚴重的潛在威脅。
[0005]綜上所述，現(xiàn)有機體結(jié)石檢測裝置及方法基于聚集掃描原理，存在有以下幾點不足:(I)逐區(qū)域掃描分析使得檢測時間過于冗長；(2)檢測時間與分辨率相互制衡；(3)計算系統(tǒng)在操控換能器陣列與分析信號的功能之間不斷切換，系統(tǒng)負擔重；(4)對小尺寸結(jié)石不敏感，難以對初期微小結(jié)石進行判斷。
[0006]目前機體結(jié)石檢測基于聚焦掃描的方法導致具有檢測時間過于冗長、分辨率與檢測時間相互制衡、系統(tǒng)負擔過重以及無法檢測細小機體結(jié)石的缺陷；若能同時對所有機體結(jié)石的反射回波信號進行分析，則有望克服現(xiàn)有基于聚集掃描原理的方法造成的缺點，但是各個回波分信號在本質(zhì)上是具有不同時延的檢測信號，具有高度相關性，難以將各個回波分信號逐一區(qū)分，進行分析時，各回波信號將會相互干擾，導致無法得到正確結(jié)果。機體內(nèi)所有結(jié)石對檢測信號的各反射回波分信號，在接收端可以看成是探頭發(fā)射的檢測信號發(fā)生多徑效應后到達接收端，而跳頻技術是通信手段中對抗多徑效應極為有效的方法，能使接收端只保留第一路到達的信號并濾除其他路徑的信號，因此，可以借鑒跳頻技術的思想，依次保留各回波分信號，在應用數(shù)學工具分析時不會相互干擾，則有希望能突破現(xiàn)在聚集掃描需要逐點聚集、多次掃描的方式，從而克服上述缺點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的首要目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種基于跳頻超聲信號分離的結(jié)石檢測裝置，該裝置降低了計算系統(tǒng)負擔。
[0008]本發(fā)明的另一目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種應用于基于跳頻超聲信號分離的結(jié)石檢測裝置的結(jié)石檢測方法，該方法提高了檢測及定位的速度和精度。
[0009]本發(fā)明的首要目的通過下述技術方案實現(xiàn):一種基于跳頻超聲信號分離的機體結(jié)石檢測及定位裝置，包括超聲波陣列探頭、信號分離模塊、定位模塊以及顯示模塊。所述超聲波陣列探頭包含發(fā)射模塊與接收模塊，其中發(fā)射模塊只需要一個超聲波換能器陣元發(fā)射檢測信號，接收模塊則需要一個二維超聲波換能器陣列，同時為探頭接收模塊上的接收陣列的每一個陣元設置一條信號處理支路。
[0010]所述超聲波陣列探頭的發(fā)射模塊還包含跳頻檢測信號產(chǎn)生單元，在所述跳頻檢測信號產(chǎn)生單元中，跳頻載波一方面用于調(diào)制基帶檢測信號，其輸出端連接發(fā)射換能器；另一方面，跳頻載波通過另一輸出端與信號分離模塊連接，用于保持跳頻圖案的一致性。
[0011]所述超聲波陣列探頭的接收模塊還包含信號預處理模塊、高速存儲器，信號預處理模塊的輸入端連接接收結(jié)石反射回波的接收換能器陣列，輸出端與高速存儲器連接，信號分離模塊的輸入端則與高速存儲器的輸出端相連。
[0012]所述接收換能器陣列采用等間距的換能器組成的均勻二維面陣，所述均勻二維面陣可以為方陣或十字型陣列。
[0013]本發(fā)明的另一目的通過下述技術方案實現(xiàn):一種應用于基于跳頻超聲信號分離的結(jié)石檢測裝置的結(jié)石檢測方法，包括下列步驟:
[0014]步驟1:令探頭持續(xù)處于工作狀態(tài)，高速存儲器不斷獲得并儲存機體結(jié)石的發(fā)射回波信號；
[0015]步驟2:信號分離模塊以探頭跳頻載波產(chǎn)生單元產(chǎn)生的跳頻圖案為參考，對從步驟I得到的回波信號進行分析，并從中逐段分離出不同結(jié)石各自反射的回波分信號；
[0016]步驟3:將步驟2分離得到的不同反射點的回波分信號用陣列信號處理的方法進行分析，從而得到回波信號帶有的結(jié)石位置參數(shù)。
[0017]所述步驟I包括以下步驟:
[0018]步驟11:偽碼發(fā)生器產(chǎn)生一個偽隨機序列，在跳頻帶寬允許的頻率范圍內(nèi)按照跳
頻間隔的要求，控制頻率合成器生成與偽碼相對應的跳頻載波圖案，此圖案記為:
[0019]
式中，
【權利要求】
1.基于跳頻超聲信號分離的結(jié)石檢測裝置，其特征在于，包括:超聲波陣列探頭、信號分離模塊、定位模塊和顯示模塊；所述超聲波陣列探頭包含發(fā)射模塊與接收模塊，所述發(fā)射模塊具有超聲波換能器陣元發(fā)射檢測信號，所述接收模塊具有二維超聲波換能器陣列，同時為探頭接收模塊上的接收陣列的每一個陣元設置一條信號處理支路。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于跳頻超聲信號分離的結(jié)石檢測裝置，其特征在于，所述超聲波陣列探頭的發(fā)射模塊還包含跳頻檢測信號產(chǎn)生單元，在所述跳頻檢測信號產(chǎn)生單元中，跳頻載波一方面用于調(diào)制基帶檢測信號，其輸出端連接發(fā)射換能器；另一方面，跳頻載波通過另一輸出端與信號分離模塊連接，用于保持跳頻圖案的一致性； 所述超聲波陣列探頭的接收模塊還包含信號預處理模塊和高速存儲器，信號預處理模塊的輸入端連接接收結(jié)石反射回波的接收換能器陣列，輸出端與高速存儲器連接，信號分離模塊的輸入端則與高速存儲器的輸出端相連； 所述接收換能器陣列采用等間距的換能器組成的均勻二維面陣，所述均勻二維面陣為方陣或十字型陣列。
3.應用于權利要求1所述的基于跳頻超聲信號分離的結(jié)石檢測裝置的結(jié)石檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、令探頭持續(xù)處于工作狀態(tài)，高速存儲器不斷獲得并儲存機體結(jié)石的發(fā)射回波信號; 步驟2、信號分離模塊以探頭跳頻載波產(chǎn)生單元產(chǎn)生的跳頻圖案為參考，對從步驟I得到的回波信號進行分析，并從中逐段分離出不同結(jié)石各自反射的回波分信號； 步驟3、將步驟2分離得到的不同反射點的回波分信號用陣列信號處理的方法進行分析，從而得到回波信號帶有的結(jié)石位置參數(shù)。
4.根據(jù)權利要求3所述的結(jié)石檢測方法，其特征在于，所述步驟I包括以下步驟: 步驟11、偽碼發(fā)生器產(chǎn)生一個偽隨機序列，在跳頻帶寬允許的頻率范圍內(nèi)按照跳頻間隔的要求，控制頻率合成器生成與偽碼相對應的跳頻載波圖案，所述跳頻載波圖案記為:
5.根據(jù)權利要求3所述的結(jié)石檢測方法，其特征在于，所述步驟2包括以下步驟: 步驟21、信號分離模塊從探頭的跳頻載波產(chǎn)生單元及對應的高速存儲器中分別獲取跳頻載波圖案f(t)及各支路經(jīng)過預處理的回波信號SK(t)； 步驟22、延時控制單元對跳頻載波圖案f(t)加以一個延時Tm，得到延時跳頻載波f(t- τ m)，以此延時跳頻載波去解調(diào)各支路的回波信號SK(t)，相應的結(jié)果送入低通濾波器； 步驟23、由信號調(diào)制解調(diào)原理及跳頻信號的特性可知，當且僅當:τ π= τ ok+ τ mk時，低通濾波器才輸出原始的基帶信號，將公式4中對應的第m個陣元中第k個回波分信號str (t- τ ok- τ mk)分離出來，對低通濾波器的結(jié)果進行判斷，若結(jié)果不為零，則將濾波器的輸出信號送入定位模塊，如果結(jié)果為零，則不執(zhí)行任何操作； 步驟24、延時控制單元將時延`τπ遞增一個單位，判斷時延\是否達到當前數(shù)據(jù)段的最長時間點，如果是，向定位模塊發(fā)出信號，令其結(jié)束工作，否則，重復執(zhí)行步驟22。
6.根據(jù)權利要求3所述的結(jié)石檢測方法，其特征在于，所述步驟3包括以下步驟: 步驟31、對各支路的信號分離模塊的低通濾波器輸出結(jié)果進行判斷，如果所有支路的濾波器輸出均不為零，則執(zhí)行步驟32，否則，令定位模塊一直處于判斷狀態(tài)； 步驟32、將各支路的低通濾波器的輸出信號進行整合，建立數(shù)學模型，用陣列信號處理的方法對回波信號進行分析，估算該回波信號所對應的結(jié)石的位置參數(shù)； 步驟33、將步驟32得到的結(jié)石的位置參數(shù)送入顯示模塊； 步驟34、判斷信號分離模塊是否傳遞結(jié)束工作信號，如果是，則停止工作，否則，執(zhí)行步驟31。
【文檔編號】G06F19/00GK103549975SQ201310479131
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月14日 優(yōu)先權日:2013年10月14日
【發(fā)明者】韋崗, 李建中, 曹燕, 劉意 申請人:華南理工大學