CN115024749A - 一种无线探头式超声检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无线探头式超声检测仪包括：超声换能器、前端发射单元、前端接收单元、FPGA信号处理器、微处理器、闪存、存储器、USB接口、Wifi网络模块、电源管理单元、锂电池。所述无线探头式超声检测仪，通过WiFi传输数据，与智能手机或平板电脑相结合使用，其结构简单、紧凑、重量轻、使用操作简单，便于携带和掌上操作。

Description

一种无线探头式超声检测仪

技术领域

本发明涉及数字信号处理及医用超声设备领域，具体涉及一种无线探头式超声检测仪。

背景技术

超声诊断因为其无创性、实时性、操作方便、价格便宜等诸多优势，使其成为临床上应用最为广泛的诊断工具之一。

现有技术中，医用超声诊断仪可用于腹部、心脏、妇产科、泌尿科、浅表组织与小器官、外周血管等超声扫描诊断，是主要的数字医疗诊断设备之一。传统的超声诊断仪采样压电换能器，由多个称之为阵元的小探头排列而成，各阵元的距离相等，用电子开关按照一定时序激励各阵元发射及接收超声波脉冲回波，对回波信号进行处理得到超声影像。显然，在探头长度一定的情况下，阵元数量越多，图像就越清晰。因此，为了达到医疗级别高分辨，在超声扫描清晰度提高的同时，需要更大的发射功率，更低的接收噪声，导致设备制造成本高昂，体积庞大。

随着电子技术和超声换能技术的发展，出现了功能强大，运算速度更快的微处理器，高速高性能大规模FPGA，集成度更高的低噪声、可编程放大器，使得医疗超声设备可以小型化，可以制作成便携式超声设备，甚至制作成掌上超声设备。

一个具备医疗诊断分辨率的超声诊断仪需要用很多阵元组成超声探头，在对每一个阵元超声发射和接收信号进行处理时，需要大量的高电压放大、低噪声放大、可控增益放大及滤波、多通道ADC转换等前端处理单元，还需要复杂的波形成形，相位控制及信号处理单元，从而构成一个非常复杂而庞大的***。

发明内容

本发明的目的在于公开一种无线探头式超声检测仪，解决现有超声诊断仪体积大，功耗高，携带和使用不方便的问题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种无线探头式超声检测仪包括：超声换能器、前端发射单元、前端接收单元、FPGA信号处理器、微处理器、闪存、存储器、USB接口、Wifi模块、电源管理单元、锂电池：

所述超声换能器，用于发射和接收超声波信号；

所述前端发射单元，用于将FPGA处理好的模拟信号经电压放大后激励所述超声阵元；

所述前端接收单元，用于处理所接收到的微弱超声回波；

所述FPGA信号处理器，用于所述超声波的波束成形和信号处理；

所述微处理器，用于运行程序，控制、管理、处理所述数字超声信号；

所述闪存，用于存储运行程序；

所述存储器，用于存储数据；

所述USB接口，用于连接外部设备，传输数据；

所述Wifi模块，用于连接外部设备，传输数据；

所述电源管理单元，用于锂电池充放电管理及各单元的供电管理；

所述锂电池，用于存储电能，为所述超声检测仪各单元供电。

优选地，所述无线探头式超声检测仪不包括超声影像数据显示及存储功能，所述超声影像数据通过Wifi传输给智能手机或平板电脑，完成超声影像数据显示与存储。

进一步，所述智能手机或平板电脑，运行相应的App，调整所述超声检测仪的增益、图像对比度、动态范围、聚焦度、扫描深度等；显示所述超声影像；传输和存储所述超声影像。

作为本发明的优选方案一，所述超声换能器由一组超声换能阵元组成，所述阵元为单个压电晶体超声阵元，多个所述阵元可排列成不同形状，通过控制各阵元激励脉冲的发射时序、幅度和相位，形成所需要的扫描波形超声束（波阵面）的形状和方向，实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。

优选地，所述超声换能器的阵元越多，其构建的所述超声检测仪扫描的图像清晰度越高。

优选地，所述阵元排列成直线时，构成所述的线阵超声换能器（也称作线阵超声扫描头）。

进一步，在所述线阵超声扫描头工作状态时，用于人体的浅层扫描，其超声波工作在较高频率。

优选地，所述阵元排列成凸型，构成所述的凸阵超声换能器（也称作凸阵超声扫描头）。

进一步，在所述凸阵超声扫描头工作状态时，用于人体的腹腔扫描，其超声波工作在较低频率。

优选地，所述阵元排列成矩形时，通过控制各阵元超声波发射时序，构成所述的相控阵超声换能器（也称作相控阵超声扫描头）。

进一步，同改变超声扫描频率，分别用于浅层扫描和深层目标体扫描。

进一步，所述的单体超声阵元采用单个晶体压电超声阵元（PZT）。

作为本发明的优选方案二，每一个所述超声阵元都有一个独立的发射前端和一个接收前端，两者通过复用器混合，通过时隙开关控制发射和接收切换。

优选地，所述发射前端接收所述FPGA信号处理器送出的数字信号，经高电压放大后，在发射时隙推动所述超声阵元发射超声波。

优选地，所述接收前端，通过低噪声放大器将接收到的微弱超声回波信号放大，经可控增益放大器再放大，再经低通滤波器滤除噪声后，通过ADC模拟数字转换器转换成数字信号，经过标准接口送入所述FPGA信号处理器作进一步处理。

进一步，所述接收前端包括：低噪声放大器、可控增益放大器、低通滤波器、ADC模数变换器：所述低噪声放大器，用于将微弱的所述超声回波信号放大；所述可控增益放大器，用于将所述超声回波信号进一步放大，并通过所述控制电路控制放大器的增益；所述低通滤波器，用于滤除带外杂波；所述ADC模数变换器，用于将所述模拟回波信号变换成数字信号。

进一步，所述可控增益放大器的增益可以由增益控制数字信号控制其增益的变化。

进一步，所述增益控制数字信号，由所述控制***送来的数字信号，经过DAC数字到模拟信号变换成模拟信号，控制所述可控增益放大器的增益。

优选地，由多个超声阵元组成的超声检测仪，对应有相应多个所述发射和接收前端。

作为本发明的优选方案三，所示FPGA信号处理器是一个可编程和算法可扩充的FPGA信号处理器单元，完成波形成形和信号处理，包括：发射波束成形单元、接收波束成形单元：所述发射波束成形单元，用于产生时间脉冲扫描线，使得不同阵元按照时序扫描，形成波形指向扫描目标体；所述接收波束成形单元，用于接收和处理所述目标体反射的扫描波回波。

优选地，所述发射波束成形单元，由所述数字信号驱动，经过超分辨采样处理进一步提高分辨率；经过插值滤器处理，完成DA变换；经过延时/聚焦处理，以精准聚焦所诊断物体；经过视窗/位移处理，以剔除其它回波干扰；经过log压缩处理，以提高动态范围；最后经解调，提取扫描线后，激励所述阵元。

进一步，所述发射波束成形单元包括：数字信号驱动单元、超分辨采样单元、插值滤波器、延时/聚焦单元、视窗/位移处理单元、log压缩单元、阵元激励单元：所述数字信号驱动单元，用于接收控制***送来的数字信号；所述超分辨采样单元，用于完成更高分辨率采样，提高扫描分辨率；所述插值滤波器，用于改善扫描图像精度；所述延时/聚焦单元，调整阵元聚焦，使波束精准聚焦所诊断物体；所述视窗/位移处理单元，用于去除干扰回波；所述log压缩单元，用于压缩数据，提高动态范围；所述阵元激励单元，用于推动所述阵元发射声波。

优选地，由于所述扫描回波信号非常弱，所述接收波束成形单元需要低噪声放大、增益控制、滤波和ADC处理。

进一步，所述接收波束成形单元包括低噪声放大器、可控增益放大器、滤波器、ADC变换器：所述低噪声放大器，用于对所收到的微弱回波信号进行放大；所述可控增益放大器，用于信号放大，可通过数字信号控制其增益；所述滤波器，是一个低通滤波器，用于滤除带外噪声；所述ADC变换器，用于将模拟信号变换成数字信号。

作为本发明的优选方案四，所示微处理器，用于运行程序，完成控制、管理，及处理所述超声数字信号。

优选地，所述超声数字信号处理包括：B-模式、M-模式、相控阵模式、多普勒模式和彩色流模式：所述B-模式，也是通常所称的B超模式，接收从所述FPGA信号处理器送来的解调和压缩后的数字信号，通过插值和灰度尺度映射，将扫描线映射为灰度级表达的2D图像；所述M-模式，在时间轴上进行点数据比较，识别数据源的运动，速度和运动位置；所述相控阵模式，通过按一定的规则和时序控制激发各个阵元，调整发射超声束（波阵面）的形状和方向，能实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦；所述多普勒模式，用于处理从多普勒专用模拟前端发射信号所产生的精确方向和速度信息；所述彩色流模式，用于处理色彩尺度与运动数据，表达叠加在B-模式下的灰度图像上的彩色速度于方向。

进一步，所述超声数字信号处理器可以用于调整静止图像和视频的图像清晰度，满足超声绘图、显示和存储的需求。

进一步，所述超声数字信号处理器可以采取更多的各种技术来减少斑点、改善聚焦及调整对比度及灰度深度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、提供一种无线探头式超声检测仪的完整、紧凑、简单和简洁的制造方案；

2、所述探头式超声检测仪，通过WiFi传输数据，与智能手机或平板电脑相结合，使得所述的探头式超声检测仪不用连接电缆，结构更紧凑、重量更轻、使用操作更简单；

3、所述探头式超声检测仪，便于携带和掌上操作，媲美大型医院超声设备功能，便于医生随时携带，上门服务。

附图说明

图1是本发明优选实例的无线探头式超声检测仪结构原理图；

图2是本发明优选实例的超声换能器结构示意图；

图3是本发明优选实例的发射前端和接收前端结构原理图；

图4是本发明优选实例的FPGA信号处理器结构原理图；

图5是本发明优选实例的微处理器工作原理图；

图6是本发明优选实例的超声检测仪工作流程图。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本原理、基本结构和基本功能，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本领域的一般技术人员可能会意识到本发明的一些变体以及等同替代，但这些变体和等同替代不应理解为超出了本发明的保护范围。

图1是本发明优选实例的无线探头式超声检测仪结构原理图。如图1所示，所述无线探头式超声检测仪包括：超声换能器1、前端发射单元2、前端接收单元3、FPGA信号处理器4、微处理器5、闪存6、存储器7、USB接口8、Wifi模块9、发射天线10、电源管理单元11、锂电池12：所述1，用于发射和接收超声波信号；所述2，用于放大由4送来的激励电压，激励所述1的超声阵元；所述3，用于处理所接收到的微弱超声回波；所述4，用于所述超声波的波束成形和超声数字信号处理；所述5，用于运行程序，控制、管理、处理所述超声数字信号；所述6，用于存储运行程序；所述7，用于存储数据；所述8，用于连接外部设备，传输数据；所述9，用于连接外部设备，传输数据；所述10，用于增强WiFi发射功率；所述11，用于锂电池充放电管理及各单元的供电管理；所述12，用于存储电能，为所述超声检测仪各单元供电。

本发明实施例，所述无线探头式超声检测仪不包括超声影像数据显示及存储功能，将所述超声检测仪获取的超声影像数据通过Wifi传输给智能手机或平板电脑。所述智能手机或平板电脑，运行相应的App，调整所述超声检测仪的增益、图像对比度、动态范围、聚焦度、扫描深度；显示所述超声影像；传输和存储所述超声影像。

图2是本发明优选实例的超声换能器结构示意图。如图2所示，所示21是单个晶体压电超声阵元（PZT），22是21的正极，23是21的负极，在22和23之间加电压，电压幅度相位变换，引起21振动发出超声波。由多个21排列成组，再由所述多个组，组成更多阵元排列的超声换能器。本发明实施例，图2（a）是一个由32个超声阵元组成的线阵；图2（b）是由两组32单元线阵组成的64单元线阵；图2（c）是由两组64单元线阵排成两行组成的128单元矩阵，依次类推。显然，所述超声换能器的阵元越多，其结构越复杂，所述的超声检测仪扫描的图像清晰度越高。当所述超声阵元排列成如图2（c）所示矩阵时，通过控制各阵元超声波发射时序、幅度和相位，构成所述的相控阵超声换能器（也称作相控阵超声扫描头）。

图3是本发明优选实例的发射前端和接收前端结构原理图。如图3所示，由所述FPGA获取的数字信号经高电压放大器31放大后，送入复用器/开关单元32，按照时序激励所述超声阵元；在接收时隙通过32获得由所述超声阵元检测到的微弱超声回波信号，送给33进行低噪声放大，再由可控增益放大器34进一步放大后送给低通滤波器35滤除带外干扰波，最后经模数转换器（ADC）36转换成数字信号送给所述FPGA信号处理器；所述37是VGA控制器，由数字信号控制34的增益。

在本发明实施例，给每一个如图2所示的超声阵元21配备一个独立的发射前端和一个接收前端，两者通过32复用，由所述开关，按时序和时隙控制发射和接收切换。

图4是本发明优选实例的FPGA信号处理器结构原理图。如图4所示，所述FPGA信号处理器单元是一个可编程和算法可扩充的FPGA信号处理器单元，完成发射波束成形和接收信号处理，包括：发射波束成形单元41、接收波数字信号处理单元42：所述41，用于产生时间脉冲扫描线，使得不同阵元按照时序扫描，形成波束指向扫描物体；所述42，用于处理所述扫描波的回波。

本发明实施例，所述41包括数字信号驱动411，超分辨采样器412、插值滤器413、DAC变换器414、延时/聚焦处理器415、视窗/位移处理器416、log压缩处理单元417、解调器418和激励单元419。所述数字信号经411，送给412作超分辨采样处理，进一步提高分辨率；经过413处理，再经414处理，完成DAC变换；经过415处理，以便精准聚焦所扫描物体；经过416处理，剔除其它回波干扰；经过417处理，提高动态范围；经418处理，提取扫描线后，经419送给本发明例图3所示的31，进行电压放大后激励所述超声阵元。

本发明实施例，所述42，接收由图3所示ADC单元36送来的数字信号，并对其作进一步处理。

图5是本发明优选实例的微处理器工作原理图。如图5所示，微处理器51外接USB网络接口54、Wifi网络接口52、Wifi天线53、闪存55和存储器56。所述51，通过运行程序，完成控制和管理，进一步处理所述超声数字信号，本发明实施例的超声数字信号处理包括：B-模式、M-模式、相控阵模式、多普勒模式和彩色流模式：所述B-模式，也是通常所称的B超模式，接收从所述FPGA信号处理器送来的解调和压缩后的数字信号，通过插值和灰度映射，将扫描线映射为灰度值表述的2D图像；所述M-模式，在时间轴上完成点数据比较，区别数据源的运动，运动速度和运动位置；所述相控阵模式，通过按一定的规则和时序控制激发各个超声阵元，调整发射超声束（波阵面）的形状和方向，实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦；所述多普勒模式，用于处理从多普勒专用模拟前端发射信号所产生的精确方向和速度信息；所述彩色流模式，用于处理色彩尺度与运动数据，表明叠加在B-模式下的灰度图像上的彩色速度于方向。本发明实施例，通过所述微处理器可以调整静止图像和视频的图像清晰度满足超声绘图、显示和存储的需求。此外，还可以在所述微处理器上实施更多的各种技术来减少斑点、改善聚焦及调整对比度及灰度深度。

图6是本发明优选实例的超声检测仪工作流程图。如图6所示的工作流程有如下步骤：

S1，打开所示超声检测仪和智能手机App，两者通过Wifi自动连接；

S2，通过所述App，设定超声扫描模式，调整所述超声检测仪参数，如本发明实施例的增益、动态范围、聚焦、深度等；

S3，由所述App向所述超声检测仪发起超声扫描指令；

S4，所述超声检测仪收到所述扫描指令后，所述微处理器根据所设定的扫描模式，运行相应的超声扫描程序，生成扫描波束，按照扫描模式和阵元排列方式，在发射时隙完成扫描，在接收时隙，接收相应的回波；所述回波经各级处理后，得到所述超声扫描2D图像数据，并通过接口网络送给所述智能手机；

S5，所述智能手机将接收到的超声扫描数据实时显示成图像或视频；

S6，根据所显示的扫描图像或视频，调整扫描位置、角度，获取最佳扫描影像；

S7，冻结当前超声扫描数据，并将其存储到所述手机指定空间，完成本次扫描。

对应本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定。因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应该将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种无线探头式超声检测仪包括：超声换能器、前端发射单元、前端接收单元、FPGA信号处理器、微处理器、闪存、存储器、USB接口、Wifi模块、电源管理单元、锂电池：

所述超声换能器，用于发射和接收超声波信号；

所述前端发射单元，用于将FPGA处理好的模拟信号经电压放大后激励所述超声阵元；

所述前端接收单元，用于处理所接收到的微弱超声回波；

所述FPGA信号处理器，用于所述超声波的波束成形和信号处理；

所述微处理器，用于运行程序，控制、管理、处理所述数字超声信号；

所述闪存，用于存储运行程序；

所述存储器，用于存储数据；

所述USB接口，用于连接外部设备，传输数据；

所述Wifi模块，用于连接外部设备，传输数据；

所述电源管理单元，用于锂电池充放电管理及各单元的供电管理；

所述锂电池，用于存储电能，为所述超声检测仪各单元供电。

2.如权利要求1所述无线探头式超声检测仪，其特征在于，所述超声换能器由一组超声换能阵元组成，所述阵元为单个压电晶体超声阵元，多个所述阵元可排列成不同形状，通过控制各阵元激励脉冲的发射时序、幅度和相位，形成所需要的扫描波形超声束（波阵面）的形状和方向，实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦。

3.如权利要求1所述无线探头式超声检测仪，其特征在于，所述FPGA信号处理器，是一个可编程和算法可扩充的FPGA信号处理器单元，用于所述超声波的波束成形和信号处理。

4.如权利要求2所述无线探头式超声检测仪，其特征在于，每一个所述超声阵元都有一个独立的发射前端和一个接收前端，两者通过复用器/开关，控制发射和接收切换。

5.如权利要求4所述接收前端，其特征在于，所述接收前端包括：低噪声放大器、可控增益放大器、低通滤波器、ADC模数变换器：所述低噪声放大器，用于将微弱的所述超声回波信号放大；所述可控增益放大器，用于将所述超声回波信号进一步放大，并通过所述控制电路控制放大器的增益；所述低通滤波器，用于滤除带外杂波；所述ADC模数变换器，用于将所述模拟回波信号变换成数字信号。

6.如权利要求1所述无线探头式超声检测仪，其特征在于，所述微处理器，用于运行程序，完成控制、管理，及处理所述超声数字信号，包括：超声检测B-模式、M-模式、相控阵模式、多普勒模式和彩色流模式之间的切换。

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