EA023835B1 - Diagram-forming device for multipath reception of ultrasound signals - Google Patents
Diagram-forming device for multipath reception of ultrasound signals Download PDFInfo
- Publication number
- EA023835B1 EA023835B1 EA201200495A EA201200495A EA023835B1 EA 023835 B1 EA023835 B1 EA 023835B1 EA 201200495 A EA201200495 A EA 201200495A EA 201200495 A EA201200495 A EA 201200495A EA 023835 B1 EA023835 B1 EA 023835B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- primary
- filter
- interpolator
- shift registers
- type
- Prior art date
Links
Landscapes
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к области медицинского приборостроения, в частности к устройствам для ультразвуковой эхолокации внутренних органов, и может быть использовано в системах медицинской диагностики.The present invention relates to the field of medical instrumentation, in particular to devices for ultrasonic echolocation of internal organs, and can be used in medical diagnostic systems.
Из существующего уровня техники известно многолучевое ультразвуковое диаграммоформирующее устройство (ДФУ) для обеспечения высокой частоты кадров формируемого изображения, каждый канал которого включает в себя аналого-цифровой преобразователь (АЦП), модуль формирования задержки сигнала, модуль аподизации и сумматоры (ипйеб 81а1е5 Ра1еп1 5905692, опубл. 18.05.1999). Недостатком данного технического решения является то, что при реализации многолучевого приема увеличение количества приемных каналов связано с пропорциональным увеличением количества фильтровинтерполяторов и соответственно аппаратных затрат, а также стоимости устройства.From the current level of technology, a multi-beam ultrasound beam-forming device (DFU) is known to provide a high frame rate of the image being generated, each channel of which includes an analog-to-digital converter (ADC), a signal delay generation module, an apodization module, and adders (ipieb 81a1e5 Ra1ep1 5905692, publ . 05/18/1999). The disadvantage of this technical solution is that when implementing multipath reception, an increase in the number of receiving channels is associated with a proportional increase in the number of filter interpolators and, accordingly, hardware costs, as well as the cost of the device.
Также из уровня техники известно диаграммоформирующее устройство для многолучевого приема ультразвуковых сигналов, содержащее приемно-передающий модуль, в состав которого входят приемные каналы сигналов с элементов датчика, каждый приемный канал сигналов электрически соединен через индивидуальный аналого-цифровой преобразователь с первичной оперативной памятью типа ΡΙΡΘ, которая, в свою очередь, соединена с фильтром-интерполятором, а также содержащее вторичную оперативную память типа ΡΙΡΘ, умножители, мультиплексоры и сумматоры (см., например, Ипйеб 81а1е8 Ра!еп! 6695783, опубл. 24.02.2004).Also known from the prior art is a beam-forming device for multipath reception of ultrasonic signals, comprising a receiving-transmitting module, which includes receiving channels of signals from sensor elements, each receiving channel of signals is electrically connected through an individual analog-to-digital converter with primary random access memory of type ΡΙΡΘ, which , in turn, is connected to the filter-interpolator, as well as containing secondary random access memory of type ΡΙΡΘ, multipliers, multiplexers and adders (with ., For example, Ipyeb 81a1e8 Ra! En! 6695783, publ. 24.02.2004).
В данном техническом решении увеличение количества приемных каналов не приводит к пропорциональному увеличению количества фильтров-интерполяторов. Однако недостатком этого устройства являются избыточные аппаратные затраты на формирование интерполированных отсчетов сигнала, поскольку реализованное формирование интерполированных отсчетов сигнала не учитывает того, что при реализации дробной задержки сигнала, равной 0.5 интервала дискретизации, количество умножителей за счет использования симметричной импульсной характеристики фильтра-интерполятора может быть сокращено в два раза, а также того, что нет необходимости выполнять вычислительные операции, когда дробная задержка сигнала равна нулю. Недостатком являются также избыточные аппаратные затраты, связанные с необходимостью постоянной перестройки коэффициентов фильтра-интерполятора с тактом поступления отсчетов сигнала.In this technical solution, an increase in the number of receiving channels does not lead to a proportional increase in the number of filter interpolators. However, the disadvantage of this device is the excessive hardware costs for generating interpolated signal samples, since the implemented generation of interpolated signal samples does not take into account the fact that when implementing a fractional signal delay equal to 0.5 of the sampling interval, the number of multipliers due to the use of the symmetrical impulse response of the filter-interpolator can be reduced twice, as well as the fact that there is no need to perform computational operations when the fractional delay nala is zero. The disadvantage is also the excessive hardware costs associated with the need for constant adjustment of the coefficients of the filter-interpolator with the cycle of arrival of the signal samples.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является снижение аппаратных затрат для улучшения динамики формирования ультразвукового изображения.The task to which the claimed technical solution is directed is to reduce hardware costs to improve the dynamics of the formation of ultrasound images.
Данная задача решается за счет того, что в заявленном диаграммоформирующем устройстве для многолучевого приема ультразвуковых сигналов, содержащем приемно-передающий модуль, в состав которого входят приемные каналы сигналов с элементов датчика, каждый приемный канал сигналов электрически соединен через индивидуальный аналого-цифровой преобразователь с первичной оперативной памятью типа ΡΙΡΘ, которая, в свою очередь, соединена с первичным фильтром-интерполятором, а также содержащее вторичную оперативную память типа ΡΙΡΟ, умножители, мультиплексоры и сумматоры, согласно изобретению, первичная оперативная память типа ΡΙΡΟ соединена с первичным блоком сдвиговых регистров, выходы первичного фильтра-интерполятора и первичного блока сдвиговых регистров соединены с соответствующими входами двух вторичных фильтров-интерполяторов, при этом первичный блок сдвиговых регистров, первичный фильтр-интерполятор и вторичные фильтрыинтерполяторы соединены через вторичные блоки сдвиговых регистров с соответствующими входами формирователей лучей, каждый из которых соединен с соответствующим сумматором каналов и включает последовательно соединенные мультиплексор, вторичную оперативную память типа ΡΙΡΟ и умножитель, кроме того, каждый фильтр-интерполятор представляет собой фильтр-интерполятор с фиксированной симметричной импульсной характеристикой и включает соединенные между собой сдвиговые регистры, промежуточные сумматоры, умножители и общий сумматор, при этом в первичном фильтреинтерполяторе сдвиговые регистры объединены в один ряд, соединенный с первичной оперативной памятью типа ΡΙΡΟ, а во вторичном фильтре-интерполяторе сдвиговые регистры объединены в два ряда, один из которых соединен с первичным блоком сдвиговых регистров, а другой - с первичным фильтроминтерполятором.This problem is solved due to the fact that in the claimed diagram-forming device for multipath reception of ultrasonic signals, containing a receiving-transmitting module, which includes receiving signal channels from the sensor elements, each signal receiving channel is electrically connected through an individual analog-to-digital converter with a primary operational memory of type ΡΙΡΘ, which, in turn, is connected to the primary filter-interpolator, as well as containing secondary random access memory of type ΡΙΡΟ, multipliers, multiplexers and adders, according to the invention, the primary memory of type ΡΙΡΟ is connected to the primary block of shift registers, the outputs of the primary filter interpolator and the primary block of shift registers are connected to the corresponding inputs of two secondary filter interpolators, while the primary block of shift registers, the primary filter interpolator and secondary filter interpolators are connected through secondary blocks of the shift registers with the corresponding inputs of the beam shapers, each of which is connected to the corresponding channel adder and includes a series-connected multiplexer, a secondary memory of type ΡΙΡΟ and a multiplier, in addition, each filter interpolator is a filter interpolator with a fixed symmetrical impulse response and includes interconnected shift registers, intermediate adders, multipliers and a common adder, at the same time, in the primary filter interpolator, the shift registers are combined in one row connected to the primary memory of type типа, and in the secondary In the filter interpolator, the shift registers are combined in two rows, one of which is connected to the primary block of the shift registers, and the other to the primary filter interpolator.
Электрическое соединение между элементами устройства может быть осуществлено посредством шин данных.The electrical connection between the elements of the device can be made via data buses.
Число приемных каналов сигналов может соответствовать количеству одновременно используемых элементов ультразвукового датчика.The number of receiving channels of the signals may correspond to the number of simultaneously used elements of the ultrasonic sensor.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение аппаратных затрат для увеличения частоты кадров, влияющей на улучшения динамики формирования ультразвукового изображения, за счет конструктивного выполнения всего устройства, в частности за счет того, что каждый фильтр-интерполятор представляет собой фильтр-интерполятор с фиксированной симметричной импульсной характеристикой, причем в первичном фильтре-интерполяторе сдвиговые регистры объединены в один ряд, соединенный с первичной оперативной памятью типа ΡΙΡΟ, а во вторичном фильтре-интерполяторе сдвиговые регистры объединены в два ряда, один из которых соединен с первичным блоком сдвиговых регистров, а другой - с первичным фильтром-интерполятором.The technical result provided by the given set of features is to reduce hardware costs to increase the frame rate, which affects the improvement of the dynamics of the formation of ultrasound images due to the structural design of the entire device, in particular due to the fact that each filter interpolator is a filter interpolator with a fixed symmetrical impulse response, moreover, in the primary filter-interpolator, the shift registers are combined in one row connected to the primary opera ativnost memory type ΡΙΡΟ, a secondary filter-interpolator shift registers are combined in two rows, one of which is coupled to the primary block of shift registers, and the other - with a primary-filter interpolator.
Таким образом, обеспечивается полная загрузка вычислительных средств фильтров-интерполяторовThus, a full load of computing means of filter interpolators is provided.
- 1 023835 за счет организации вычислительного процесса таким образом, чтобы в любой момент времени фильтринтерполятор использовался только для формирования дробной задержки и не простаивал, когда не требуется формировать дробную задержку сигнала. Кроме того, использование фильтров-интерполяторов с фиксированной симметричной импульсной характеристикой позволяет сократить в два раза число умножителей, а также, поскольку в отличие от аналога в процессе вычислений фильтры-интерполяторы не изменяют свою импульсную характеристику, то имеется возможность использовать упрощенную структуру умножителей, реализующих операцию умножения в составе фильтра-интерполятора только на фиксированный коэффициент.- 1 023835 due to the organization of the computational process so that at any time the filterinterpolator is used only to form a fractional delay and is not idle when it is not necessary to form a fractional delay of the signal. In addition, the use of filter interpolators with a fixed symmetrical impulse response allows you to halve the number of multipliers, and also, since, in contrast to the analogue in the calculation process, filter interpolators do not change their impulse response, it is possible to use a simplified structure of multipliers that implement the operation multiplications in the structure of the filter-interpolator only by a fixed coefficient.
Сущность заявленного устройства поясняется чертежами, не охватывающими и, тем более, не ограничивающими объем притязаний по данному решению, а лишь являющимися иллюстрирующими материалами частного случая выполнения устройства. На чертежах изображено:The essence of the claimed device is illustrated by drawings that do not cover and, moreover, do not limit the scope of claims for this decision, but are only illustrative materials of a particular case of the device. The drawings show:
на фиг. 1 - блок-схема устройства;in FIG. 1 is a block diagram of a device;
на фиг. 2 - структурная схема фильтра-интерполятора 8-го порядка для выполнения первого этапа интерполяции;in FIG. 2 is a block diagram of an 8th order filter interpolator for performing a first interpolation step;
на фиг. 3 - структурная схема фильтра-интерполятора 8-го порядка для выполнения второго этапа интерполяции;in FIG. 3 is a block diagram of an 8th order filter interpolator for performing a second interpolation step;
на фиг. 4 - временная диаграмма формирования результатов плавной задержки сигнала;in FIG. 4 is a timing chart for generating smooth signal delay results;
на фиг. 5 - временная диаграмма работы устройства в режиме дополнительного формирования лучей путем временного мультиплексирования.in FIG. 5 is a timing diagram of the operation of the device in the additional beamforming mode by time multiplexing.
Устройство включает приемно-передающий модуль, в состав которого входят N приемных каналов сигналов 1/1 ... 1/Ν в соответствии с количеством одновременно используемых элементов датчика.The device includes a transmit-receive module, which includes N receive channels of signals 1/1 ... 1 / Ν in accordance with the number of simultaneously used sensor elements.
Каждый приемный канал сигналов 1/ф _) = 1, 2, ..., N электрически соединен через индивидуальный аналого-цифровой преобразователь 2 с первичной оперативной памятью 3 типа ПРО. Первичная оперативная память 3 типа Р1РО соединена с первичным блоком сдвиговых регистров 4 и с первичным фильтром-интерполятором 5. Выходы первичного фильтра-интерполятора 5 и первичного блока сдвиговых регистров 4 соединены с соответствующими входами двух вторичных фильтров-интерполяторов 6, 7. Первичный блок сдвиговых регистров 4, первичный фильтр-интерполятор 5 и вторичные фильтрыинтерполяторы 6, 7 соединены через соответствующие вторичные блоки сдвиговых регистров 8, 9, 10, 11 с соответствующими входами формирователей 12 лучей. Каждый формирователь 12 лучей включает последовательно соединенные мультиплексор 13, вторичную оперативную память 14 типа Р1РО и умножитель 15 и соединен с соответствующим сумматором 16 каналов. Число Ь формирователей 12 лучей равно числу Ь сумматоров 16 каналов, т.е. для Ь формирователей лучей 12/1 ... 12/Ь, используются Ь сумматоров каналов 16/1 ... 16/Ь.Each receiving channel of the signals 1 / f _) = 1, 2, ..., N is electrically connected through an individual analog-to-digital converter 2 to the primary RAM 3 of the PRO type. Primary random access memory 3 of type P1PO is connected to the primary block of shift registers 4 and to the primary filter interpolator 5. The outputs of the primary filter interpolator 5 and to the primary block of shift registers 4 are connected to the corresponding inputs of two secondary filter interpolators 6, 7. The primary block of shift registers 4, the primary filter interpolator 5 and the secondary filters interpolators 6, 7 are connected through the corresponding secondary blocks of the shift registers 8, 9, 10, 11 with the corresponding inputs of the beam shapers 12. Each beamformer 12 includes a series-connected multiplexer 13, a secondary random access memory 14 of the type P1PO and a multiplier 15 and is connected to a corresponding adder 16 channels. The number b of the shapers 12 rays is equal to the number b of adders 16 channels, i.e. for b beam shapers 12/1 ... 12 / b, b channel adders 16/1 ... 16 / b are used.
Каждый фильтр-интерполятор представляет собой фильтр-интерполятор с фиксированной симметричной импульсной характеристикой. Каждый фильтр-интерполятор 5, 6, 7 включает соединенные между собой сдвиговые регистры 17, промежуточные сумматоры 18, умножители 19 и общий сумматор 20. При этом каждый фильтр-интерполятор 5, 6, 7 М-го порядка содержит сдвиговые регистры 17/1 ... 17/М, сумматоры 18/1 ... 18/(М/2), умножители 19/1 ... 19/(М/2) и сумматор 20. В первичном фильтреинтерполяторе 5 сдвиговые регистры 17 объединены в один ряд, соединенный с первичной оперативной памятью 3 типа Р1РО. Во вторичных фильтрах-интерполяторах 6, 7 сдвиговые регистры 17 объединены в два ряда, один из которых соединен с первичным блоком сдвиговых регистров 4, а другой - с первичным фильтром-интерполятором 5.Each filter interpolator is a filter interpolator with a fixed symmetrical impulse response. Each filter interpolator 5, 6, 7 includes interconnected shift registers 17, intermediate adders 18, multipliers 19, and a common adder 20. Moreover, each filter M-order interpolator 5, 6, 7 contains shift registers 17/1. .. 17 / M, adders 18/1 ... 18 / (M / 2), multipliers 19/1 ... 19 / (M / 2) and adder 20. In the primary filter interpolator 5, the shift registers 17 are combined in one row connected to the primary RAM 3 type P1RO. In the secondary filters-interpolators 6, 7, the shift registers 17 are combined in two rows, one of which is connected to the primary block of the shift registers 4, and the other to the primary filter-interpolator 5.
Устройство обеспечивает многолучевой прием ультразвукового сигнала на основе динамической перестройки системы задержек сигнала, представленного последовательностью цифровых данных. При этом грубая перестройка задержки сигнала с точностью до шага дискретизации входного сигнала осуществляется на основе использования первичной и вторичной оперативной памяти 3, 14 типа Р1РО, а плавная (дробная) задержка с более высокой точностью, чем шаг дискретизации сигнала, выполняется с помощью первичного и вторичных фильтров-интерполяторов 5, 6, 7. Первичный и вторичный фильтрыинтерполяторы 5, 6, 7 формируют все возможные плавные задержки сигнала, которые затем используются для формирования всех приемных лучей. Приемно-передающий модуль выполнен, преимущественно, в виде корпуса.The device provides multipath reception of an ultrasonic signal based on the dynamic tuning of the signal delay system represented by a sequence of digital data. In this case, coarse tuning of the signal delay up to the sampling step of the input signal is carried out on the basis of using primary and secondary random access memory 3, 14 of the Р1РО type, and a smooth (fractional) delay with higher accuracy than the signal sampling step is performed using the primary and secondary filter interpolators 5, 6, 7. The primary and secondary filters interpolators 5, 6, 7 form all possible smooth signal delays, which are then used to form all receiving beams. The transmitting and receiving module is made mainly in the form of a housing.
По результатам многих исследований (ИпКей 81а1е5 Ра1еп1 6695783, опубл. 24.02.2004) считается, что минимальный шаг изменения задержки сигнала, дальнейшее уменьшение которого не будет приводить к заметному увеличению качества формируемого изображения, составляет величину 1/(16£с), где £с рабочая частота датчика. При этом коэффициент интерполяции К задается соотношениемAccording to the results of many studies (IpKey 81a1e5 Ra1ep1 6695783, published February 24, 2004), it is believed that the minimum step of changing the signal delay, a further decrease of which will not lead to a noticeable increase in the quality of the image formed, is 1 / (16 £ s ), where £ with the operating frequency of the sensor. In this case, the interpolation coefficient K is given by
К = 16Гс/Г3, (1) где £§ - частота дискретизации ультразвукового сигнала.K = 16G / G 3 , (1) where £ § is the sampling frequency of the ultrasonic signal.
Если рабочая частота датчика £с не превышает 12.5 МГц, что соответствует подавляющему числу практических применений, то, как следует из формулы (1), при частоте дискретизации ультразвукового сигнала £3 = 50 МГц достаточно, чтобы коэффициент интерполяции К составлял величину, равную 4. При этом фильтр-интерполятор должен обеспечивать задержку сигнала с шагом 0.25Т3, где Т3 = 1/£3 темп дискретизации ультразвукового сигнала, т.е. формировать набор дробных задержек сигнала: 0.25Т3,If the operating frequency of the sensor £ s does not exceed 12.5 MHz, which corresponds to the overwhelming number of practical applications, then, as follows from formula (1), with an ultrasonic signal sampling frequency of £ 3 = 50 MHz, it is sufficient that the interpolation coefficient K be equal to 4. In this case, the filter interpolator should provide a signal delay in increments of 0.25T 3 , where T 3 = 1 / £ 3 the sampling rate of the ultrasonic signal, i.e. form a set of fractional signal delays: 0.25Т 3 ,
- 2 023835- 2 023835
0.5Т3, 0.75Т3.0.5T 3 , 0.75T 3 .
Коэффициент интерполяции К, равный 4, может быть использован и для ультразвуковых датчиков с более высокой рабочей частотой за счет увеличения скорости работы АЦП. Например, если применять ультразвуковые датчики с максимальной рабочей частотой 15 МГц, то для К = 4 достаточно, чтобы АЦП обеспечивал частоту дискретизации сигнала £3 = 60 МГц.The interpolation coefficient K, equal to 4, can also be used for ultrasonic sensors with a higher operating frequency by increasing the speed of the ADC. For example, if you use ultrasonic sensors with a maximum operating frequency of 15 MHz, then for K = 4 it is enough for the ADC to provide a signal sampling frequency of £ 3 = 60 MHz.
Работает устройство следующим образом. В соответствии с блок-схемой фиг. 1 в каждом приемном канале 1/), .) = 1, 2, ..., N сигнал после аналого-цифрового преобразователя 2, работающего с частотой Г8, поступает в первичную оперативную память 3 типа ΡΙΡΘ, где осуществляется первый этап грубой задержки сигнала.The device operates as follows. In accordance with the block diagram of FIG. 1 in each receiving channel 1 /),.) = 1, 2, ..., N, the signal after the analog-to-digital converter 2, operating at a frequency of Г 8 , enters the primary random access memory 3 of type ΡΙΡΘ, where the first stage of the gross delay is performed signal.
На первом этапе грубой задержки сигнала первичная оперативная память 3 типа ΡΙΡΘ обеспечивает с точностью до интервала дискретизации сигнала Т8 = 1/£3 компенсацию задержки сигналов между приемными каналами 1/1 ... 1/Ν сигналов устройства. Для практических применений задержка в первичной оперативной памяти 3 типа ΡΙΡΘ составляет величину порядка 1024 периодов тактовой частоты работы устройства, равной частоте дискретизации ультразвукового сигнала ЦAt the first stage of coarse signal delay, the primary memory of type 3 ΡΙΡΘ provides, up to a sampling interval of the signal T 8 = 1 / £ 3, compensation for the signal delay between the receiving channels 1/1 ... 1 / Ν of the device signals. For practical applications, the delay in the primary memory of type 3 ΡΙΡΘ is about 1024 periods of the clock frequency of the device, equal to the sampling frequency of the ultrasonic signal C
Последовательность отсчетов сигнала {Х1} с выхода первичной оперативной памяти 3 типа ΡΙΡΟ поступает одновременно на входы первичного блока сдвиговых регистров 4 и первичного фильтраинтерполятора 5.The sequence of samples of the signal {X 1 } from the output of the primary RAM 3 of type ΡΙΡΟ is supplied simultaneously to the inputs of the primary block of the shift registers 4 and the primary filter of the interpolator 5.
С помощью первичного фильтра-интерполятора 5 выполняется первый этап интерполяции, на котором формируются отсчеты входного сигнала, задержанные на половину интервала дискретизации сигнала, т.е. на величину 0.5Т3. В результате фильтрации на выходе первичного фильтра интерполятора 5 формируется последовательность отсчетов сигнала {Х1+0,5}.Using the primary filter-interpolator 5, the first interpolation step is performed, on which the samples of the input signal are formed, delayed by half the sampling interval of the signal, i.e. by the value of 0.5T 3 . As a result of filtering at the output of the primary filter of the interpolator 5, a sequence of samples of the signal {X 1 + 0 , 5 } is formed.
Первичный фильтр-интерполятор 5 является нерекурсивным и использует симметричную импульсную характеристику, удовлетворяющую соотношению (Л. Рабинер, Б. Гоулд. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.: Мир, 1978, с. 93) йт = йм-ш+1, т = 1, 2, ..., М, (2) где йт - значения импульсной характеристики;The primary filter interpolator 5 is non-recursive and uses a symmetrical impulse response that satisfies the relation (L. Rabiner, B. Gould. Theory and application of digital signal processing. M: Mir, 1978, p. 93) th t = ym-sh + 1 , t = 1, 2, ..., M, (2) where th t are the values of the impulse response;
М - порядок фильтра, являющийся четным числом.M is the order of the filter, which is an even number.
Применение симметричной импульсной характеристики позволяет по сравнению со стандартной реализацией фильтра сократить в два раза количество умножителей.The use of a symmetrical impulse response makes it possible to halve the number of multipliers in comparison with the standard filter implementation.
Вариант реализации фильтра-интерполятора 5 с симметричной импульсной характеристики для порядка фильтра М = 8 представлен на фиг. 2. Вычисления в фильтре-интерполяторе 5 производятся по формулеAn embodiment of a filter interpolator 5 with a symmetrical impulse response for filter order M = 8 is shown in FIG. 2. The calculations in the filter-interpolator 5 are made according to the formula
АГ/2 = ™ = ΜΙ2.Μ/2 +1,... (3) т-1AG / 2 = ™ = ΜΙ2.Μ / 2 +1, ... (3) t-1
Частичные суммы (см. правую часть выражения (3)) перед выполнением операций умножения реализуется с помощью сумматоров 18/1 ... 18/(М/2), а операции умножения на коэффициенты фильтра {'1ΐι,1ι2, ..., йм/2} - с помощью умножителей 19/1 ... 19/(М/2). Поскольку каждый умножитель выполняет в процессе вычислений умножение только на фиксированное число, то он может быть реализован по упрощенной схеме с жесткой логикой работы или табличным способом. При построении ДФУ с использованием ПЛИС (программируемых интегральных логических схем) такой подход позволяет сократить количество логических элементов, необходимых для реализации операций умножения. Окончательный результат фильтрации формируется на выходе сумматора 20.Partial sums (see the right side of expression (3)) before performing the multiplication operations are implemented using adders 18/1 ... 18 / (M / 2), and the multiplication operation by filter coefficients {'1'ι, 1ι 2 , ... , th m / 2 } - using the multipliers 19/1 ... 19 / (M / 2). Since each multiplier performs multiplication only by a fixed number in the calculation process, it can be implemented according to a simplified scheme with strict logic of work or a tabular method. When constructing DFU using FPGAs (programmable integrated logic circuits), this approach allows us to reduce the number of logical elements needed to implement multiplication operations. The final filtering result is formed at the output of the adder 20.
Первичный блок сдвиговых регистров 4 используется для выравнивания потока отсчетов входных данных {Х1} с потоком результатов вычислений {Χι+0.5} первичного фильтра-интерполятора 5 с целью их одновременного использования во вторичных фильтрах-интерполяторах 6, 7 на втором этапе интерполяции.The primary block of shift registers 4 is used to align the stream of samples of the input data {X 1 } with the stream of calculation results {Χι + 0 . 5 } of the primary filter-interpolator 5 for the purpose of their simultaneous use in the secondary filter-interpolators 6, 7 at the second stage of interpolation.
Формирование отсчетов входного сигнала, задержанных на величину 0.25 Т8, производится с помощью вторичного фильтра-интерполятора 6 путем обработки отсчетов сигнала {Х1} и {Х1+115} по формуле (4)The formation of samples of the input signal, delayed by 0.25 T 8 , is performed using a secondary filter-interpolator 6 by processing the signal samples {X 1 } and {X 1 + 115 } according to the formula (4)
Λ//4Λ // 4
30+0.25 = Ά,-Χ т/1 Τ X,'+да-1-0,5 )+ ^2т(Хΐ, т + Χί->η+0.5 )] (4) т=130 + 0.25 = Ά, -Χ t / 1 Τ X, '+ yes-1-0.5) + ^ 2t (Xΐ, t + Χί-> η + 0.5)] (4) t = 1
Соответственно, задержка входного сигнала на дробную задержку 0.75 Т3 выполняется вторичным фильтром-интерполятором 7 путем обработки отсчетов сигнала {ХД и {Х1+0.5} по формуле (5)Accordingly, the delay of the input signal by a fractional delay of 0.75 T 3 is performed by the secondary filter-interpolator 7 by processing the signal samples {CD and {X 1 + 0 . 5 } by the formula (5)
Λ//4Λ // 4
-^/+0.75 = Σ [^ΓΗ-ΐί^ι-ζΗ+Ι+Ο.δ + Л+т)+^2ш(^(+т+0.5 + Л-т+1)] СО т=\- ^ / + 0.75 = Σ [^ ΓΗ-ΐί ^ ι-ζΗ + Ι + Ο.δ + Л + т) + ^ 2ш (^ (+ т + 0.5 + Л-т + 1)] СО т = \
Вторичные фильтры-интерполяторы 6, 7 полностью идентичны, являются нерекурсивными и используют, как и первичный фильтр-интерполятор 5, симметричную импульсную характеристику. При этом блок-схема каждого из фильтров-интерполяторов 6, 7, представленная на фиг. 3, аналогична блоксхеме фильтра-интерполятора 5, представленной на фиг. 2. Структуры всех фильтров-интерполяторовSecondary filter interpolators 6, 7 are completely identical, are non-recursive and use, like the primary filter interpolator 5, a symmetrical impulse response. In this case, a block diagram of each of the filter interpolators 6, 7 shown in FIG. 3 is similar to the block diagram of the filter-interpolator 5 shown in FIG. 2. Structures of all filter interpolators
- 3 023835 аналогичны. Конструктивное отличие между первичным фильтром-интерполятором 5 и вторичными фильтрами-интерполяторами 6, 7 заключается в организации связей между входящими в их состав сдвиговыми вследствие того, что в случае первичного фильтра-интерполятора 5, на его вход поступают отсчеты только одной последовательности данных {Х1} от первичной оперативной памяти 3 типа ПРО, а на входы вторичных фильтров-интерполяторов 6, 7 поступают одновременно отсчеты двух последовательностей данных: последовательности отсчетов {Х1} от первичного блока сдвиговых регистров 4 и последовательности отсчетов {Х1+0.5} от первичного фильтра-интерполятора 5.- 3 023835 are similar. The structural difference between the primary filter-interpolator 5 and the secondary filter-interpolators 6, 7 is the organization of relations between the shear ones due to the fact that, in the case of the primary filter-interpolator 5, samples of only one sequence of data {X 1 } from the primary RAM 3 type missile, and the inputs of the secondary filter interpolators-6, 7 arrive simultaneously samples two data sequences: sequence samples {x 1} from the primary shear block Registers 4 and sequence samples {x 1 + 0. 5 } from the primary filter interpolator 5.
После выравнивания потоков данных, поступающих с первичного блока сдвиговых регистров 4, первичного фильтра-интерполятора 5 и вторичных фильтров-интерполяторов 6, 7 на выходах вторичных блоков сдвиговых регистров 8-11 одновременно формируются все возможные задержки каждого отсчета сигнала в соответствии с временной диаграммой, представленной на фиг. 4. На фиг. 4 представлены данные на выходе вторичного блока сдвиговых регистров 8 (позиция А), которые являются отсчетами входного сигнала, сформированными непосредственно после аналого-цифрового преобразования, и соответствующими нулевой дробной задержке. Отсчеты сигнала с дробной задержкой 0.5 Т8 (позиция Б) на выходе вторичного блока сдвиговых регистров 9 формируются на первом этапе интерполяции из входных отсчетов сигнала с помощью первичного фильтра-интерполятора 5. Отсчеты сигнала с дробными задержками 0.25 Т3 (позиция В) и 0.75 Т3 (позиция Г) формируются соответственно вторичным фильтроминтерполятором 6 и вторичным фильтром-интерполятором 7 на втором этапе интерполяции из входных отсчетов сигнала и результатов вычисления отсчетов с дробной задержкой 0.5 Т3 с помощью первичного фильтра-интерполятора 5. Таким образом, на входах формирователей 12 лучей в любой момент времени присутствует полный набор значений плавных задержек сигнала.After aligning the data flows coming from the primary block of the shift registers 4, the primary filter interpolator 5 and the secondary filter interpolators 6, 7 at the outputs of the secondary blocks of the shift registers 8-11, all possible delays of each signal count are simultaneously generated in accordance with the time diagram presented in FIG. 4. In FIG. 4 shows the data at the output of the secondary block of shift registers 8 (position A), which are samples of the input signal generated immediately after analog-to-digital conversion, and corresponding to zero fractional delay. The signal samples with a fractional delay of 0.5 T 8 (position B) at the output of the secondary block of shift registers 9 are generated at the first stage of interpolation from the input signal samples using the primary filter interpolator 5. Signal samples with fractional delays 0.25 T 3 (position B) and 0.75 T 3 (position D) respectively formed secondary filtrominterpolyatorom filtrominterpolyatorom 6 and secondary 7 at the second stage of interpolation of the input signal samples and the results of calculation with a fractional sample delay 3 0.5 T with a primary filter inte polyatora 5. Thus, at the inputs of generators 12 rays at any point in time there is a complete set of delays smooth signal values.
В аналоге изобретения для реализации полного набора дробных задержек сигнала требуется 4М умножителей, работающих с тактом работы ДФУ (ИиКеб 31а1с5 Ра1еи1 6695783, опубл. 24.02.2004). В заявляемом же изобретении количество умножителей, необходимых для реализации полного набора дробных задержек сигнала, составляет величину 3М/2, что приблизительно в 2.7 раза меньше, чем в аналоге изобретения.In an analogue of the invention, to implement the full set of fractional signal delays, 4M multipliers are required, operating with a clock cycle of DFU (IIKeb 31a1s5 Ra1ei1 6695783, publ. 02.24.2004). In the claimed invention, the number of multipliers required to implement the full set of fractional signal delays is 3M / 2, which is approximately 2.7 times less than in the analogue of the invention.
В каждом формирователе 12 луча при выполнении динамической фокусировки с помощью мультиплексора 13 производится выбор необходимого значения плавной задержки сигнала. Затем с помощью вторичной оперативной памяти 14 типа Р1РО осуществляется второй этап грубой задержки - уникальной для каждого из Ь одновременно формируемых лучей. Для практических применений задержка во вторичной оперативной памяти 14 типа Р1РО составляет величину порядка 64-х периодов тактовой частоты.In each beamformer 12, when performing dynamic focusing using multiplexer 13, the required value of the smooth signal delay is selected. Then, using the secondary random access memory 14 of the P1PO type, the second stage of gross delay is carried out, which is unique for each of the b simultaneously generated beams. For practical applications, the delay in the secondary RAM 14 of type P1PO is of the order of 64 periods of the clock frequency.
Для реализации функции аподизации ультразвукового луча умножитель 15 выполняет амплитудное взвешивание отсчетов сигнала.To implement the function of apodization of the ultrasonic beam, the multiplier 15 performs amplitude weighting of the signal samples.
Объединение сигналов от различных элементов датчика, поступающих в приемные каналы 1, 2, ..., Ν, производится с помощью сумматоров 16 каналов. Причем, как показано на фиг. 1, для формирования каждого луча используется отдельная группа сумматоров каналов таким образом, что данные с выхода ίтого сумматора 16/ί, ί = 1, 2, ..., Ь, каждого _)-го канала, _) = 1, 2, ..., Ν-1, поступают на вход ί-го сумматора 16/ϊ, 1=1,2, ..., Ь, |+1-го канала. При этом результирующий сигнал, соответствующий ί-му лучу, ί = 1, 2, ..., Ь, формируется на выходе ί-го сумматора Ν-го канала.The combination of signals from various sensor elements entering the receiving channels 1, 2, ..., Ν is performed using adders of 16 channels. Moreover, as shown in FIG. 1, for the formation of each beam, a separate group of channel adders is used so that the data from the output of this adder 16 / ί, ί = 1, 2, ..., b, of each _) channel, _) = 1, 2, ..., Ν-1, go to the input of the ί-th adder 16 / ϊ, 1 = 1,2, ..., b, | + of the 1st channel. In this case, the resulting signal corresponding to the ί -th beam, ί = 1, 2, ..., b, is formed at the output of the го-th adder of the Ν-th channel.
В случае низкочастотных датчиков, в частности датчиков, используемых при проведении кардиологических исследований, имеется возможность уменьшить полосу пропускания приемного тракта с соответствующим уменьшением частоты дискретизации эхо-сигнала. При этом с уменьшением частоты дискретизации эхо-сигнала уменьшатся и аппаратные затраты, необходимые для формирования заданного количества лучей. В результате появляется возможность высвободившиеся вычислительные ресурсы использовать для формирования нескольких дополнительных лучей в режиме разделения процессорного времени - временного мультиплексирования.In the case of low-frequency sensors, in particular, sensors used in cardiac studies, it is possible to reduce the passband of the receiving path with a corresponding decrease in the sampling frequency of the echo signal. In this case, with a decrease in the sampling frequency of the echo signal, the hardware costs necessary for the formation of a given number of rays will also decrease. As a result, it becomes possible to use the released computing resources to form several additional beams in the processor time separation mode — time multiplexing.
Количество дополнительных приемных лучей, реализуемых в режиме временного мультиплексирования, зависит от рабочей частоты датчика. Если за счет уменьшения частоты дискретизации вычислительные затраты, необходимые для формирования одного луча, уменьшаются в Р раз, то появляется возможность формировать одновременно Р групп лучей с Ь лучами в каждой группе. При этом общее количество одновременно формируемых лучей будет равно Р-Ь. Предположим, например, что частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя 2 выбрана таким образом, что приемный тракт диаграммоформирующего устройства рассчитан на максимальную рабочую частоту датчика 10 МГц. Тогда при использовании датчика с рабочей частотой 5 МГц частота дискретизации сигнала может быть уменьшена в 2 раза. Соответственно, при Ь = 4 устройство может обеспечить за счет временного мультиплексирования формирование дополнительно 4-х лучей.The number of additional receiving beams implemented in the time multiplexing mode depends on the operating frequency of the sensor. If, due to a decrease in the sampling frequency, the computational costs necessary for the formation of one beam are reduced by a factor of P, then it becomes possible to simultaneously form P groups of rays with L rays in each group. In this case, the total number of simultaneously formed rays will be equal to Pb. Suppose, for example, that the sampling frequency of the analog-to-digital converter 2 is selected so that the receiving path of the beam-forming device is designed for a maximum operating frequency of the sensor of 10 MHz. Then, when using a sensor with an operating frequency of 5 MHz, the signal sampling rate can be reduced by 2 times. Accordingly, with b = 4, the device can provide the formation of an additional 4 rays due to time multiplexing.
Формирование акустических линий с использованием временного мультиплексирования реализуется путем выстраивания отсчетов сигналов для формирования нескольких линий в единый поток данных с последующей обработкой их на одном вычислительном устройстве. Временное мультиплексирование осуществляется с тактовой частотой работы диаграммоформирующего устройства. Например, если устройство реализует в режиме временного мультиплексирования формирование четырех групп приемных лучей, то из первичной оперативной памяти 3 типа Р1РО, выполняющей функцию грубой задержки сиг- 4 023835 нала, будут последовательно выгружаться отсчеты всех четырех групп лучей с тактовой частотой работы устройства. Временная диаграмма выгрузки отсчетов сигнала из первичной оперативной памяти 3 типа ПРО для формирования 4-х групп лучей 01-04 в режиме временного мультиплексирования представлена на фиг. 5. В соответствии с временной диаграммой, представленной на фиг. 5, в первый такт частоты выдается отсчет для формирования первой группы Ь лучей 01, во второй такт - отсчет второй группы лучей 02, в третий такт - отсчет третьей группы лучей 03, в четвертый такт - отсчет четвертой группы лучей 04 (см. фиг. 5). Далее процесс повторяется. Причем данные каждой группы лучей задерживаются в первичной оперативной памяти 3 типа Р1РО на различную величину задержки в соответствии с реализуемой фокусировкой.The formation of acoustic lines using time-division multiplexing is implemented by building signal samples to form several lines into a single data stream, followed by processing them on a single computing device. Temporary multiplexing is carried out with a clock frequency of operation of the beamforming device. For example, if a device implements the formation of four groups of receiving beams in the time-multiplexing mode, then samples of all four groups of beams with a clock speed of the device will be sequentially unloaded from the primary RAM 3 of the Р1РО type, which performs the function of a coarse delay of the signal. The timing diagram of the unloading of signal samples from the primary memory 3 of the PRO type to form 4 groups of rays 01-04 in the time multiplexing mode is shown in FIG. 5. In accordance with the timing diagram of FIG. 5, a count for the formation of the first group of rays 01, in a second clock — a count of the second ray 02, a third clock — a count of the third ray 03, and a fourth clock — a count of the fourth ray 04 (see Fig. 5). 5). The process is then repeated. Moreover, the data of each group of beams are delayed in the primary RAM 3 of the P1RO type by a different amount of delay in accordance with the implemented focusing.
Далее формирование лучей производится на одних и тех же вычислительных средствах диграммоформирующего устройства в режиме разделения процессорного времени между отсчетами сигнала, относящихся к разным группам лучей.Further, the formation of the rays is performed on the same computing means of the digram-forming device in the mode of dividing the processor time between the samples of the signal belonging to different groups of rays.
Применение в системах медицинской диагностики диаграммоформирующего устройства для многолучевого приема ультразвуковых сигналов позволит создавать ультразвуковые аппараты для визуализации состояния внутренних органов человека, выполняющие точные диагностические исследования с получением изображений, обладающих высоким диагностическим качеством, за счет достигаемого в настоящем техническом решении результата, заключающегося в улучшении динамики формирования ультразвукового изображения. Кроме того, снижение аппаратных затрат по сравнению с устройствамианалогами позволит уменьшить себестоимость изделия, а также уменьшить его габариты и потребляемую мощность, что позволит использовать устройство как в составе стационарных, так и в портативных ультразвуковых аппаратах.The use of a diagram-forming device for multipath reception of ultrasonic signals in medical diagnostic systems will allow us to create ultrasound devices for visualizing the state of the internal organs of a person, performing accurate diagnostic tests with obtaining images of high diagnostic quality, due to the result achieved in this technical solution, which consists in improving the dynamics of formation ultrasound image. In addition, reducing hardware costs compared to analog devices will reduce the cost of the product, as well as reduce its size and power consumption, which will allow the device to be used both as a part of stationary and portable ultrasound devices.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EA201200495A EA023835B1 (en) | 2012-03-21 | 2012-03-21 | Diagram-forming device for multipath reception of ultrasound signals |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EA201200495A EA023835B1 (en) | 2012-03-21 | 2012-03-21 | Diagram-forming device for multipath reception of ultrasound signals |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA201200495A1 EA201200495A1 (en) | 2013-09-30 |
EA023835B1 true EA023835B1 (en) | 2016-07-29 |
Family
ID=49232845
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EA201200495A EA023835B1 (en) | 2012-03-21 | 2012-03-21 | Diagram-forming device for multipath reception of ultrasound signals |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
EA (1) | EA023835B1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5844139A (en) * | 1996-12-30 | 1998-12-01 | General Electric Company | Method and apparatus for providing dynamically variable time delays for ultrasound beamformer |
US6029116A (en) * | 1994-08-05 | 2000-02-22 | Acuson Corporation | Method and apparatus for a baseband processor of a receive beamformer system |
WO2002052297A2 (en) * | 2000-12-22 | 2002-07-04 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Multiline ultrasound beamformers |
-
2012
- 2012-03-21 EA EA201200495A patent/EA023835B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6029116A (en) * | 1994-08-05 | 2000-02-22 | Acuson Corporation | Method and apparatus for a baseband processor of a receive beamformer system |
US5844139A (en) * | 1996-12-30 | 1998-12-01 | General Electric Company | Method and apparatus for providing dynamically variable time delays for ultrasound beamformer |
WO2002052297A2 (en) * | 2000-12-22 | 2002-07-04 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Multiline ultrasound beamformers |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EA201200495A1 (en) | 2013-09-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7508737B1 (en) | Ultrasound receive beamformer | |
US20230000472A1 (en) | Ultrasonic imaging compression methods and apparatus | |
US8416643B2 (en) | Receive beamformer for ultrasound having delay value sorting | |
US11201400B2 (en) | Modular parallel beamforming system and associated methods | |
KR970707648A (en) | A directional acoustic signal processor and method therefor | |
JPS62280650A (en) | Method and device for delaying ultrasonic signal | |
NL8200728A (en) | INTERFERENCE SIGNAL SUPPRESSION UNIT FOR A SONAR DEVICE. | |
US7993270B2 (en) | Digital receive-focusing apparatus using analogue multiplexers | |
JP2001099913A (en) | Method of forming reception beam, device for forming reception beam, and matched filter | |
RU117793U1 (en) | DIAGRAM-FORMING DEVICE FOR MULTI-BEAM RECEPTION OF ULTRASONIC SIGNALS | |
RU2487668C1 (en) | Diagram-forming device for multipath reception of ultrasound signals | |
US7129888B1 (en) | High speed weighting signal generator for sidelobe canceller | |
EA023835B1 (en) | Diagram-forming device for multipath reception of ultrasound signals | |
Camacho et al. | A strict-time distributed architecture for digital beamforming of ultrasound signals | |
US9681854B2 (en) | Ultrasound signal processing device, ultrasound signal processing method, and non-transitory computer-readable recording medium | |
KR100886932B1 (en) | Multi Channel Beamformer using Single Interpolation | |
CN103093749A (en) | Ultrasonic receiving module, method and system | |
RU125451U1 (en) | ADAPTIVE DIAGRAM-FORMING DEVICE FOR RECEIVING ULTRASONIC SIGNALS | |
KR101581686B1 (en) | Multipurpose beam focusing system | |
KR0138741B1 (en) | Method and apparatus for gathering signals of a inspecting system with the ultrasonic waves | |
CN109164437B (en) | Continuous variable decimal time delay estimation method and device for vector array popularity | |
RU142201U1 (en) | DEVICE FOR RECEIVING AND RECEIVING ULTRASONIC SIGNALS | |
JPS60380A (en) | Detecting circuit of moving object | |
JPH05184567A (en) | Ultrasonic diagnostic device | |
Hari et al. | Design and Development of 32 channel Receiver Beam Former |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ BY KZ KG MD TJ TM |
|
MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): RU |