CN103549975B - 基于跳频超声信号分离的结石检测装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于跳频超声信号分离的结石检测装置，包括：超声波阵列探头、信号分离模块、定位模块和显示模块。本发明还公开了一种应用于基于跳频超声信号分离的结石检测装置的结石检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：令探头持续处于工作状态，高速存储器不断获得并储存机体结石的发射回波信号；步骤2：信号分离模块以探头跳频载波产生单元产生的跳频图案为参考，对回波信号进行分析，并从中逐段分离出不同结石各自反射的回波分信号；步骤3：将得到的不同反射点的回波分信号用阵列信号处理的方法进行分析，得到回波信号带有的结石位置参数。具有检测定位时间短、检测结果分辨率高和***组成简单等优点。

Description

基于跳频超声信号分离的结石检测装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种超声波检测及定位技术，特别涉及一种基于跳频超声信号分离的结石检测装置及其方法。

背景技术

机体结石容易引起人体的各种并发症，现代人生活节奏快，工作压力大，结石症状一旦出现会对工作生活造成很大的影响，因此，预防和治疗机体结石就显得尤为重要。在医学上，可以用电磁波检测及定位机体结石，但电磁波易对人体造成损伤，严重者其放射性会导致人体细胞发生癌变，因此，市场对人体无损检测的需求越来越高。随着现代科学技术的发展，无损检测技术也得以不断的成熟及完善，在各行各业中也得以广泛应用。其中，以超声波为载体的检测技术因其无辐射、无创伤及设备要求相对不高而受到青睐，被广泛应用于医学人体检测，目前已经在机体结石的检测及定位领域发挥了相当大的作用。

超声波检测及定位的基本原理是利用超声波在遇到结石时会产生一个反射回波，通过接收并分析该回波信号，从而得到机体中结石的尺寸及位置。目前，超声波检测及定位机体结石的主流技术是采用换能器阵列通过聚焦扫描的方式进行的。所谓的聚焦扫描方式，就是***计算出阵列上各阵元的超声波信号到达空间的某一个区域所需的时间，以此为依据控制各换能器阵元发射信号的时延，使得各阵元的信号同时到达目标区域以增强检测信号；接着，探头接收该增强后的回波信号并滤除其余未得到增强的回波，分析该回波信号，从而达到检测该区域是否存在机体结石的目的。

根据聚焦扫描的原理，如果将待检测空间划分为100个扫描区域，就需要***操控阵列进行100次的聚焦操作及信号分析。这也就是说，检测时间取决于换能器阵列对空间扫描的速度，使得检测时间过于冗长，制约了快速检测及定位的发展，更不利于实时观察。同时，由于目前的方法将检测空间划分为若干个小区域，因此其结果的分辨率取决于划分的区域数目，划分的区域越多，分辨率就越高，但检测所花时间也就越长。另一方面，如果检测区域内的机体结石的尺寸比较小，其反射的回波信号强度弱于设定的阈值，则导致该结石无法被检测，对人体健康构成严重的潜在威胁。

综上所述，现有机体结石检测装置及方法基于聚集扫描原理，存在有以下几点不足：（1）逐区域扫描分析使得检测时间过于冗长；（2）检测时间与分辨率相互制衡；（3）计算***在操控换能器阵列与分析信号的功能之间不断切换，***负担重；（4）对小尺寸结石不敏感，难以对初期微小结石进行判断。

目前机体结石检测基于聚焦扫描的方法导致具有检测时间过于冗长、分辨率与检测时间相互制衡、***负担过重以及无法检测细小机体结石的缺陷；若能同时对所有机体结石的反射回波信号进行分析，则有望克服现有基于聚集扫描原理的方法造成的缺点，但是各个回波分信号在本质上是具有不同时延的检测信号，具有高度相关性，难以将各个回波分信号逐一区分，进行分析时，各回波信号将会相互干扰，导致无法得到正确结果。机体内所有结石对检测信号的各反射回波分信号，在接收端可以看成是探头发射的检测信号发生多径效应后到达接收端，而跳频技术是通信手段中对抗多径效应极为有效的方法，能使接收端只保留第一路到达的信号并滤除其他路径的信号，因此，可以借鉴跳频技术的思想，依次保留各回波分信号，在应用数学工具分析时不会相互干扰，则有希望能突破现在聚集扫描需要逐点聚集、多次扫描的方式，从而克服上述缺点。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于跳频超声信号分离的结石检测装置，该装置降低了计算***负担。

本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种应用于基于跳频超声信号分离的结石检测装置的结石检测方法，该方法提高了检测及定位的速度和精度。

本发明的首要目的通过下述技术方案实现：一种基于跳频超声信号分离的机体结石检测及定位装置，包括超声波阵列探头、信号分离模块、定位模块以及显示模块。所述超声波阵列探头包含发射模块与接收模块，其中发射模块只需要一个超声波换能器阵元发射检测信号，接收模块则需要一个二维超声波换能器阵列，同时为探头接收模块上的接收阵列的每一个阵元设置一条信号处理支路。

所述超声波阵列探头的发射模块还包含跳频检测信号产生单元，在所述跳频检测信号产生单元中，跳频载波一方面用于调制基带检测信号，其输出端连接发射换能器；另一方面，跳频载波通过另一输出端与信号分离模块连接，用于保持跳频图案的一致性。

所述超声波阵列探头的接收模块还包含信号预处理模块、高速存储器，信号预处理模块的输入端连接接收结石反射回波的接收换能器阵列，输出端与高速存储器连接，信号分离模块的输入端则与高速存储器的输出端相连。

所述接收换能器阵列采用等间距的换能器组成的均匀二维面阵，所述均匀二维面阵可以为方阵或十字型阵列。

本发明的另一目的通过下述技术方案实现：一种应用于基于跳频超声信号分离的结石检测装置的结石检测方法，包括下列步骤：

步骤1：令探头持续处于工作状态，高速存储器不断获得并储存机体结石的发射回波信号；

步骤2：信号分离模块以探头跳频载波产生单元产生的跳频图案为参考，对从步骤1得到的回波信号进行分析，并从中逐段分离出不同结石各自反射的回波分信号；

步骤3：将步骤2分离得到的不同反射点的回波分信号用阵列信号处理的方法进行分析，从而得到回波信号带有的结石位置参数。

所述步骤1包括以下步骤：

步骤11：伪码发生器产生一个伪随机序列，在跳频带宽允许的频率范围内按照跳频间隔的要求,控制频率合成器生成与伪码相对应的跳频载波图案，此图案记为：

条件f_i≠f_j(i≠j)，T_h为跳频驻留时间；同时，基带信号产生单元产生一个基带检测信号s₀(t)；

步骤12：用步骤11产生的跳频载波f(t)对基带检测信号s₀(t)进行调制，得到跳频检测信号:

$s_{\mathrm{tr}}\left(t\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{rect}}_{T_h}(t-i{T}_h)s_i(t-i{T}_h),$ (公式2)

跳频检测信号s_tr(t)经由发射模块的发射换能器向待检测区域发送；

步骤13：探头的声波接收模块的接收换能器阵列接收回波信号，对其中第m条支路，其对应的接收换能器接收到的回波信号可以表示为：

s_Rm(t)=s_tr(t-τ_0k-τ_mk)， (公式3)

τ_mk表示信号从第k个结石反射点到第m个阵元所产生的时延，而τ_0k是指检测信号从发射模块到达到达第k个结石反射点所产生的时延；具有M个接收换能器的阵列接收到K个机体结石的回波信号S_R(t)可由下述矩阵简化表示：

(公式4)

式中，第m列表示第m个接收换能器接收到的K个机体结石的回波信号，第k行则表示M个接收换能器接收到的第k个机体结石的回波分信号；该回波信号S_R(t)由信号预处理模块进行相关的放大和采样，然后将离散的各路采样数据按时间先后存储进各自对应的高速存储器当中。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤21：信号分离模块从探头的跳频载波产生单元及对应的高速存储器中分别获取跳频载波图案f(t)及各支路经过预处理的回波信号S_R(t)；

步骤22：延时控制单元对跳频载波图案f(t)加以一个延时τ_m，得到延时跳频载波f(t-τ_m)，以此延时跳频载波去解调各支路的回波信号S_R(t)，相应的结果送入低通滤波器；

步骤23：由信号调制解调原理及跳频信号的特性可知，当且仅当τ_m=τ_0k+τ_mk时，低通滤波器才会输出原始的基带信号，将公式4中对应的第m个阵元中第k个回波分信号s_tr(t-τ_0k-τ_mk)分离出来，对低通滤波器的结果进行判断，若结果不为零则将滤波器的输出信号送入定位模块，如果结果为零则不采取任何操作；

步骤24：延时控制单元将时延τ_m递增一个单位，判断时延τ_m是否达到当前数据段的最长时间点，如果是，向定位模块发出信号，令其结束工作，否则，重复执行步骤22。

所述步骤3包括以下步骤：

步骤31：对各支路的信号分离模块的低通滤波器输出结果进行判断，如果所有支路的滤波器输出均不为零，则执行步骤32，否则，令定位模块一直处于判断状态；

步骤32：将各支路的低通滤波器的输出信号进行整合，建立数学模型，用阵列信号处理的方法对回波信号进行分析，估算该回波信号所对应的结石的位置参数；

步骤33：将步骤32得到的结石的位置参数送入显示模块；

步骤34：判断信号分离模块是否传递结束工作信号，如果是，则停止工作，否则，重复执行步骤31。

本发明的工作原理：本发明向机体发射超声波检测信号，在接收端分离结石对超声波检测信号的反射回波信号，只需对待检测机体发送一次跳频检测信号，在接收端利用跳频信号的特性分离出各反射点的回波信号，再用阵列信号处理的方法对回波信号进行分析，获得对应机体结石的位置参数，从而实现检测并定位结石的装置及方法。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、检测定位时间短；本发明提出的装置及方法仅需向待检测空间发射一次跳频检测信号，由换能器阵列接收回波信号后分离出各结石产生的回波信号，并用数学方法建立模型及用阵列信号处理方法分析，从而估算出对应结石的位置参数，而现有的基于聚集扫描方法的技术需向待检测空间发射多次检测信号，逐区域扫描。

2、检测结果分辨率高；本发明的检测分辨率取决于信号分离的精度，亦即取决于跳频图案的跳频驻留时间T_h，其可分辨的两结石的最短距离为跳频驻留时间T_h与超声波在介质中的传播速度的乘积。现有方法的分辨率则是取决于对待检测空间划分的区域尺寸，并且与检测时间成反比，相互制衡。

3、无尺寸盲区；本发明的方法是基于结石对超声波检测信号的反射回波信号，***提取相应的回波信号进行分析，不需要进行信号的过滤，因此，即使小尺寸的结石产生的回波信号的强度很弱，本发明亦可以定位其位置。现有方法是基于分析得到增强的回波信号并滤除其余未得到增强的，当小尺寸结石产生的回波信号未达到阈值时容易被滤除，形成尺寸盲区。

4、***组成简单；本发明只需对待检测区域发射一次跳频检测信号，进入接收模式，***仅需将回波信号交由分离模块分离出各结石的回波信号，进而利用阵列信号处理的方法估算其位置参数即可。现有方法需要***在分析处理信息的同时计算并控制探头各发送阵元的发送时延。

附图说明

图1是本发明的***结构框图。

图2是本发明探头的接收超声波换能器阵列的结构示意图。

图3是本发明信探头的结构框图。

图4是本发明信号分离模块的结构框图。

图5是本发明定位模块的工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，是本发明所述机体结石检测定位装置的***框图。该装置主要由四大部分构成，分别是超声波换能器阵列探头、信号分离模块、定位模块和显示模块。

本实施方式采用的二维接收超声波换能器阵列为十字型结构，如图2所示，此种结构的换能器阵列保证了以最小数量的换能器实现机体结石的三维空间定位。用于固定超声波换能器的片基是采用有机材料制作的柔性片基，保证能和体表保持紧密的贴合。

超声波换能器阵列探头的功能是利用跳频载波调制基带检测信号，并经由超声波换能器阵列进行发射和接收，在整个检测定位装置中扮演着传感器的角色，分为发射模块和接收模块，其结构如图3所示。

发射模块包括伪码发生器7、频率合成器8、基带信号产生器9、信号调制单元10和一个发射超声波换能器11。伪码发生器7按预先设定的跳频驻留时间T_h产生一个伪随机序列，用于控制频率合成器8合生不同频率的载波，在本实施方法中选择余弦载波，如以下的公式5所示：

$f\left(t\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{rect}}_{T_h}(t-i{T}_h)\cos \left[{\mathrm{\ω}}_i(t-i{T}_h)\right],$ （公式5）

生成的余弦载波通过信号调制单元10同步调制基带信号产生器9生成的基带检测信号s₀(t)，本实施方法选择调幅的方式，得到跳频检测信号如公式6所示：

$s_{\mathrm{tr}}\left(t\right)=s_0\left(t\right)\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{rect}}_{T_h}(t-i{T}_h)\cos \left[{\mathrm{\ω}}_i(t-i{T}_h)\right],$ （公式6）

跳频检测信号经由发射超声波换能器11向目标区域发射。与此同时，伪码发生器7控制频率合成器8产生的跳频载波通过存储器连接到信号分离模块2，用于同步解调，以达到分离回波信号的目的。

接收模块包括接收换能器阵列12、信号预处理模块13、高速存储器14和总线接口15。其中，接收换能器阵列12如前所述，采用等间距的超声波换能器组成的均匀十字型阵，并且接收换能器阵列12中的各个超声波换能器分别与信号预处理模块13相连；第m个超声波换能器接收K个机体结石反射的回波信号：

s_Rm(t)=s_tr(t-τ_0k-τ_mk)， (公式7)

将其转换为电信号作为信号预处理模块13的输入，由其对应支路的信号预处理模块13实现对接收信号的前置放大和A/D采样处理，然后将采样数据交由快速存储器14进行存储，最后经由总线接口15与信号分离模块2连接，传输各支路的回波信号。

如图4所示，信号分离模块包括存储器16、时延控制单元17、串并转换接口18、信号解调单元19、低通滤波器20和判断控制中心21。探头1的发射模块5，其中伪码发生器7控制频率合成器8产生的跳频载波传输到存储器16中保存，判断控制中心21控制时延控制单元17对存储器16当中的跳频载波施加一定的延时τ_m，得到

$f^{,}\left(t\right)=f(t-{\mathrm{\τ}}_m)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{rect}}_{T_h}(t-i{T}_h-{\mathrm{\τ}}_m)\cos \left[{\mathrm{\ω}}_i(t-i{T}_h-{\mathrm{\τ}}_m)\right],$ (公式8)

经过串并转换接口18的处理，经过延时后的载波变为多路信号。探头1的接收模块6，其中的总线接口15将各支路回波信号传输至信号解调单元19中，由串并转换接口18传输的多路跳频载波分别解调，第m路的解调结果为：

$s_{\mathrm{Rm}}\left(t\right)*f^{,}\left(t\right)=f(t-{\mathrm{\τ}}_m)*s_0\left(t\right)*\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{rect}}_{T_h}(t-i{T}_h-{\mathrm{\τ}}_m)\cos \left[{\mathrm{\ω}}_i(t-i{T}_h-{\mathrm{\τ}}_m)\right],$ (公式9)

此解调结果作为低通滤波器20的输入，由公式9可得出，当且仅当τ_m=τ_0k+τ_mk时，低通滤波器20的输出结果才为否则为零。将滤波结果交由判断控制中心21，判断控制中心21主要负责整个信号分离模块的循环控制和对下一级（即定位模块3）的信号传输。时延控制单元17分别与存储器16和判断控制中心21连接，组成信号分离模块2的核心，将跳频载波依次递增其时延，逐次提取支路回波信号中各机体结石对应的具有不同延时的回波分信号；判断控制中心21接收低通滤波器20的滤波结果，对其进行判断，如果结果是零，则认为在设定的时延上没有有效信号，不向定位模块3传输信号，如果结果不为零则视为有效信号，并将该滤波结果传输给定位模块3；判断处理结束之后向时延控制单元17发出信号，使时延递增一个单位，对跳频载波重新施加新时延，重复解调、滤波操作。此循环将一直进行，直至时延达到当前数据段的最长时间点；当时延达到当前数据段的最长时间点时，判断控制中心21向定位模块3传输一个特定信号，指示其结束工作。

定位模块3的主要任务等同于信号分析，运用阵列信号处理的方法对从信号分离模块2得到的回波分信号进行数学建模及分析，可估算得到该分信号对应的机体结石的位置参数。在本实施方法中，采用的阵列信号处理方法是四阶累积量矩阵及子空间旋转不变（ESPRIT）算法。

运用四阶累积量矩阵及子空间旋转不变（ESPRIT）算法求解机体结石位置参数的程序流程如图5所示，具体分为如下几个步骤：

步骤1：判断各支路是否已经全部分离得到某一机体结石对应的回波分信号，如果是，则执行步骤2，如果不是，则令***保持等待状态；

步骤2：以接收超声波换能器阵列12的十字型中心换能器作为参考点将各支路的回波分信号各自标记，按公式10计算对应的四阶累积量：

$\begin{array}{c}{C}_{k1}=\mathrm{cum}\{s_{\mathrm{mk}}^{*}\left(t\right),s_{(m+1)k}\left(t\right),s_{(n+1)k}^{*}\left(t\right),s_{\mathrm{nk}}\left(t\right)\}\\ =E\left[s_{\mathrm{mk}}^{*}\left(t\right)s_{(m+1)k}\left(t\right)s_{(n+1)k}^{*}\left(t\right)s_{\mathrm{nk}}\left(t\right)\right]\\ -E\left[s_{\mathrm{mk}}^{*}\left(t\right)s_{(m+1)k}\left(t\right)\right]E\left[s_{(n+1)k}^{*}\left(t\right)s_{\mathrm{nk}}\left(t\right)\right]\\ -E\left[s_{\mathrm{mk}}^{*}\left(t\right)s_{(n+1)k}^{*}\left(t\right)\right]E\left[s_{(m+1)k}\left(t\right)s_{\mathrm{nk}}\left(t\right)\right]\\ -E\left[s_{\mathrm{mk}}^{*}\left(t\right)s_{\mathrm{nk}}\left(t\right)\right]E\left[s_{(m+1)k}\left(t\right)s_{(n+1)k}^{*}\left(t\right)\right],\end{array}$

(公式10)

式中s_mk(t)和s_nk(t)分别表示第m和n个阵元中第k个机体结石的回波分信号；

步骤3：根据四阶累积量的原理，选择不同的换能器作为计算参数，得到不同的四阶累积量矩阵；

表1

步骤4：将上述四阶累积量矩阵作为元素，构造新矩阵C_k，如公式11所示，式中表示C_kn的转置共轭；

$C_k=\left[\begin{array}{ccc}{C}_{k1}& C_{k4}& C_{k2}\\ C_{k4}^H& C_{k1}& C_{k3}\\ C_{k2}^H& C_{k3}^H& C_{k1}\end{array}\right],$ (公式11)

步骤5：对矩阵作特征值分解，利用信号子空间的旋转不变性，可求得回波分信号对应的第k个机体结石的位置参数，即机体结石与接收超声波阵列中心的距离、仰角及波达方向；

步骤6：将位置参数传输至显示模块4；

步骤7：判断信号分离模块2是否传递结束信号，若是，则程序停止，若否，则重复从步骤1开始；

显示模块4以超声波换能器阵列12所在平面为x-y平面，其十字型阵列的中心为原点建立空间直角坐标系，显示定位模块3传输的位置。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于跳频超声信号分离的结石检测装置，其特征在于，包括：

超声波阵列探头，其使得探头持续处于工作状态，高速存储器不断获得并储存机体结石的发射回波信号；

信号分离模块，以探头跳频载波产生单元产生的跳频图案为参考，对得到的回波信号进行分析，并从中逐段分离出不同结石各自反射的回波分信号；

定位模块，其将分离得到的不同反射点的回波分信号用阵列信号处理的方法进行分析，从而得到回波信号带有的结石位置参数；

所述超声波阵列探头使得探头持续处于工作状态，高速存储器不断获得并储存机体结石的发射回波信号的方法包括以下步骤：

步骤11、伪码发生器产生一个伪随机序列，在跳频带宽允许的频率范围内按照跳频间隔的要求,控制频率合成器生成与伪码相对应的跳频载波图案，所述跳频载波图案记为：

式中，f_i表示跳频载波的频率，并满足条件：f_i≠f_j(i≠j)，T_h为跳频驻留时间，同时，基带信号产生单元产生一个基带检测信号s₀(t)；

步骤12、用步骤11产生的跳频载波f(t)对基带检测信号s₀(t)进行调制，得到跳频检测信号：

跳频检测信号s_tr(t)经由发射模块的发射换能器向待检测区域发送；

步骤13、探头的声波接收模块的接收换能器阵列接收回波信号，对其中第m条支路，其对应的接收换能器接收到的回波信号表示为：

s_Rm(t)＝s_tr(t-τ_0k-τ_mk)， (公式3)

τ_mk表示信号从第k个反射点到第m个阵元所产生的时延，具有M个接收换能器的阵列接收到K个机体结石的回波信号S_R(t)由下述矩阵简化表示：

式中第m列表示第m个接收换能器接收到的K个机体结石的回波信号，第k行则表示M个接收换能器接收到的第k个机体结石的回波分信号，该回波信号S_R(t)由信号预处理模块进行相关的放大和采样，然后将离散的各路采样数据按时间先后顺序存储进各自对应的高速存储器中。

2.根据权利要求1所述的基于跳频超声信号分离的结石检测装置，其特征在于，所述信号分离模块以探头跳频载波产生单元产生的跳频图案为参考，对得到的回波信号进行分析，并从中逐段分离出不同结石各自反射的回波分信号的方法包括以下步骤：

步骤21、信号分离模块从探头的跳频载波产生单元及对应的高速存储器中分别获取跳频载波图案f(t)及各支路经过预处理的回波信号S_R(t)；

步骤22、延时控制单元对跳频载波图案f(t)加以一个延时τ_m，得到延时跳频载波f(t-τ_m)，以此延时跳频载波去解调各支路的回波信号S_R(t)，相应的结果送入低通滤波器；

步骤23、由信号调制解调原理及跳频信号的特性可知，当且仅当：τ_m＝τ_0k+τ_mk时，低通滤波器才输出原始的基带信号，将公式4中对应的第m个阵元中第k个回波分信号s_tr(t-τ_0k-τ_mk)分离出来，对低通滤波器的结果进行判断，若结果不为零，则将滤波器的输出信号送入定位模块，如果结果为零，则不执行任何操作；

步骤24、延时控制单元将时延τ_m递增一个单位，判断时延τ_m是否达到当前数据段的最长时间点，如果是，向定位模块发出信号，令其结束工作，否则，重复执行步骤22。

3.根据权利要求1所述的基于跳频超声信号分离的结石检测装置，其特征在于，所述定位模块的方法包括以下步骤：

步骤31、对各支路的信号分离模块的低通滤波器输出结果进行判断，如果所有支路的滤波器输出均不为零，则执行步骤32，否则，令定位模块一直处于判断状态；

步骤32、将各支路的低通滤波器的输出信号进行整合，建立数学模型，用阵列信号处理的方法对回波信号进行分析，估算该回波信号所对应的结石的位置参数；

步骤33、将步骤32得到的结石的位置参数送入显示模块；

步骤34、判断信号分离模块是否传递结束工作信号，如果是，则停止工作，否则，执行步骤31。