一种高脉冲重复扫查频率信号的编码、成像方法和装置

摘要

本发明公开了一种高脉冲重复扫查频率信号的编码、成像方法及装置，其中，所述编码方法包括：根据扫查深度确定扫查信号集合，所述扫查信号集合包括至少两个信号；确定扫查信号集合中的信号最佳聚合区域的分数阶傅里叶变换的旋转角度因子；根据所述旋转角度因子计算所述每个扫查信号的起始频率；根据所述扫查信号的起始频率对与所述起始频率对应的扫查信号进行编码。可以确定接收到的信号与发射信号之间的对应关系。能够解决扫查距离对于脉冲重复扫查频率的限制，实现了对高速目标的扫查。

说明书

技术领域

本发明涉及医学超声技术领域，尤其涉及一种高脉冲重复扫查频率信号的编码、成像方法和装置。

背景技术

超声波在人体传播时，遇到运动着的组织器官或血流细胞，在反射和散射时会造成回波的频率偏移，即多普勒频移。通过提取和分析多普勒频移信息，可以获取组织器官的运动信息，即D型(Doppler)超声。超声多普勒成像用于获得人体内器官的功能信息、解剖信息及血液动力学方面的信息，如血液流向、速度及心脏运动状态等。

多普勒成像的可探测速度范围，取决于对采样门里目标的脉冲重复扫查频率(Pulse-Recurrence-Frequency，PRF)，对于高速目标，需要更高的脉冲重复扫查频率。但由于超声波在人体组织中传播速度是一定的，所以在扫查距离较深的目标组织时，由于传播距离较远，所以声波往返一次的时间较长，这就制约了脉冲重复扫查频率，所以采样门深度和高PRF之间存在物理原则上的矛盾。

目前，当需要的PRF超出当前扫查深度的限制时，当前技术所采用方法是对需要的PRF整数倍降低，这就造成了数个采样门，最后的多普勒结果将是这数个采样门里的目标运动的混合信息，这就不能真实反映出所需采样目标的速度信息。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种高脉冲重复扫查频率信号的编码、成像方法及装置，以解决目标脉冲重复扫查频率受到传播距离限制的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种高脉冲重复扫查频率信号的编码方法包括：

根据扫查深度确定扫查信号集合，所述扫查信号集合包括至少两个信号；

确定扫查信号集合中的信号最佳聚合区域的分数阶傅里叶变换的旋转角度因子；

根据所述旋转角度因子计算所述每个扫查信号的起始频率；

根据所述扫查信号的起始频率对与所述起始频率对应的扫查信号进行编码。

第二方面，本发明实施例还提供了一种多普勒成像系统中超声波成像方法，包括：

接收超声波编码回波信号，并将所述超声波编码回波信号转换为数字信号；

将所述数字信号进行波束合成，生成射频信号；

对所述射频信号去混叠和解码处理，并通过正交调制解调，生成同相正交信号；

根据正交调制解调后的信号进行成像处理，生成超声波图像。

第三方面，本发明实施例还提供了一种高脉冲重复扫查频率信号的编码装置，包括：

集合确定模块，用于根据扫查深度确定扫查信号集合，所述扫查信号集合包括至少两个信号；

角度因子确定模块，用于确定扫查信号集合中的信号最佳聚合区域的分数阶傅里叶变换的旋转角度因子；

起始频率计算模块，用于根据所述旋转角度因子计算所述每个扫查信号的起始频率；

编码模块，用于根据所述扫查信号的起始频率对与所述起始频率对应的扫查信号进行编码。

第四方面，本发明实施例还提供了一种超声波成像装置，包括：

数字信号转换模块，用于接收超声波编码回波信号，并将所述超声波编码回波信号转换为数字信号；

射频信号生成模块，用于将所述数字信号进行波束合成，生成射频信号；

同相正交信号生成模块，用于对所述射频信号去混叠和解码处理，并通过正交调制解调，生成同相正交信号；

图像生成模块，用于根据正交调制解调后的信号进行成像处理，生成超声波图像。

本发明实施例提供的高脉冲重复扫查频率信号的编码、成像方法及装置，通过对不同的发射信号进行编码，并对接收到的信号进行相应的解码，可以确定接收到的信号与发射信号之间的对应关系。能够解决扫查距离对于脉冲重复扫查频率的限制，实现了对高速目标的扫查。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例一提供的高脉冲重复扫查频率信号的编码方法的流程示意图；

图2是本发明实施例二提供的高脉冲重复扫查频率信号的编码方法的流程示意图；

图3是本发明实施例三提供的超声波成像方法的流程示意图；

图4是本发明实施例四提供的超声波成像方法的流程示意图；

图5是本发明实施例五提供的高脉冲重复扫查频率信号的编码装置的结构示意图；

图6是本发明实施例六提供的超声波成像装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的高脉冲重复扫查频率信号的编码方法的流程示意图，本实施例可适用于对超声波系统发射的扫查信号进行编码的情况，该方法可以由脉冲重复扫查频率信号的编码装置来执行，该装置可由软件/硬件方式实现，并可集成于相应的超声波检测系统中。

参见图1，所述高脉冲重复扫查频率信号的编码方法，包括：

S110，根据扫查深度确定扫查信号集合，所述扫查信号集合包括至少两个信号。

现代超声波检测技术使用的是脉冲反射法，即向被检物体发射一个短脉冲超声波，再接收它。如此往复。单位时间里，驱动探头发射超声波的次数就是脉冲重复频率。

对于高速运动物体，例如组织器官或血流细胞进行扫查时，由于血流的速度相对运动较快，需要提高响应的扫查频率，即在单位时间内发射多个扫查脉冲信号。示例性的，这些扫查脉冲信号组成扫查信号集合，每个扫查信号集合中包括若干个扫查信号。扫查信号集合包括至少两个扫查信号。

扫查信号集合可以由扫查深度决定，对当前扫查深度为D，则其最大的脉冲重复扫查频率为Prfmax＝C/(2*D)，其中C为声波速度。在本实施例中，可以将最大的脉冲重复扫查频率Prfmax对应的周期内发送的所有扫查脉冲信号座位扫查脉冲集合。

S120，确定扫查信号集合中的信号最佳聚合区域的分数阶傅里叶变换的旋转角度因子。

分数阶傅里叶变换(Fractional Fourier Transform，FrFT)是傅里叶变换的一种广义形式，信号在分数阶傅里叶域上同时包含了信号在时域与频域的信息，使FrFT具有许多传统傅里叶变换不具备的性质，可用来处理非平稳信号。傅里叶级数的基本含义是，任意的周期函数(信号)可以分解为无穷多个频率为其基本频率整数(包括零)倍的正弦波和余弦波之和。而傅里叶变换则是将其周期拓展至无穷形成的。可以理解为信号在时频平面中坐标轴绕原点逆时针旋转任意角度后的表示方法。

对于超声波系统所发射的多个脉冲信号，可以看做为周期信号，对于该周期信号，具有如下特性：随着信号的分数阶域逐渐增大，信号能量逐渐聚集，到频域表现为冲击函数。基于此特性，可以根据分数阶傅里叶变换，确定唯一的影响因子旋转角度因子。

具体的，可以通过如下公式计算得到旋转角度因子：

aifa＝1-2/pi*atan(Tx_fs/BandWidthOfFM)；其中，aifa为旋转角度因子；Tx_fs表示系统发射的采样频率；BandWidthOfFM表示编码信号的调制带宽。

S130，根据所述旋转角度因子计算所述每个扫查信号的起始频率。

具体的，可以包括如下步骤：

根据所述旋转角度因子确定所述扫查信号集合中每个扫查信号的相对带宽频率；

根据所述相对带宽频率和超声波系统发射的脉冲的中心频率计算所述每个扫查信号的起始频率。

对于扫查信号集合在时域频域平面可以显示为若干个过0点的线段图像，其中每个过0点的线段都代表了扫查信号集合中每个扫查信号的相对频率。

具体的，可以通过如下公式计算：

bandwidth_Sig＝4*nZ*abs(sin(aifa*pi/2))/TimeOfFM+D*f_Atten；

其中，TimeOfFM表示编码信号的调制时长，D表示最大扫查深度，f_Atten表示频率随深度变化的衰减系数。nZ为常数系数，一般可以取1，对于每n个扫查信号，可以根据上述公式计算得到该扫查信号的相对频率。

对于任意一个超声波系统的探头，其驱动频率根据不同的诊断目的可以设定为不同的频率。并且驱动频率在设定的中心频率时，工作效率最高。扫查信号集合中每个扫查信号的频率应该在探头的中心频率的一定范围内。并可根据扫查信号集合中每个扫查信号的相对频率和探头的中心频率计算得到扫查信号集合中每个扫查信号的频率。具体的，可以通过如下公式计算得到：

fstart＝f0–BandWidthOfFM/2+n*bandwidth_Sig。

其中，f0表示脉冲发射的中心频率。

S140，根据所述扫查信号的起始频率对与所述起始频率对应的扫查信号进行编码。

由于扫查信号并没有相位的变化，根据扫查信号的频率即可对应生成扫查信号的波形信号，根据所述波形信号对扫查信号进行编码。具体的，可以通过如下公式得到扫查信号对应的编码信号：

base_excitation(i)＝cos(2*pi*(fstart*t+BandWidthOfFM/2/TimeOfFM*t.^2))；其中t＝(0，1/Tx_fs，2/Tx_fs，……TimeOfFM)。

本实施例提供的高脉冲重复扫查频率信号的编码方法，利用超声波系统所发射的扫查信号集合在分数阶傅里叶变换中设定旋转角度因子的时域频域平面内聚集的特点，通过计算每个扫查信号的频率，继而确定每个扫查信号的相应波形，并按照所述波形对扫查信号进行编码，以使得超声波系统在接收到扫查信号回波时能够根据扫查信号编码后的波形确定接收参数，进而实现获取高速运动采样目标准确的速度信息。

实施例二

图2是本发明实施例二提供的高脉冲重复扫查频率信号的编码方法的流程示意图。本实施例以上述实施例为基础，增加如下步骤：确定扫查信号集合数，并确定每个扫查信号在对应的扫查集合内的扫查序号；相应的，将所述根据所述旋转角度因子计算所述每个扫查信号的起始频率，具体优化为：根据所述旋转角度因子和扫查信号在对应的扫查集合内的扫查序号计算所述每个扫查信号的起始频率。

相应的，本实施例所提供的高脉冲重复扫查频率信号的编码方法，具体包括：

S210，确定扫查信号集合数，并确定每个扫查信号在对应的扫查集合内的扫查序号。

扫查信号集合可以由扫查深度决定，对当前扫查深度为D，则其最大的脉冲重复扫查频率为Prfmax＝C/(2*D)，其中C为声波速度。即对于超声波系统中，在一个发射周期内，最多可以发射Prfmax次超声波信号，而对于高速运动的扫查目标，其所要求的脉冲重复扫查频率为Prf_desire，如果要求的脉冲重复扫查频率为Prf_desire大于Prfmax，那么在1个发射周期中，不能完成发送要求的脉冲重复扫查次数，需要在多个周期内完成所有要求的脉冲重复扫查信号的发送，每个周期可以发送一个扫查信号集合。具体的，可以通过如下公式计算得到所需发射的扫查信号集合数N：

CEIL(Prf_desire/Prfmax),CEIL(.)表示向上取整。

对于第i次发射的信号，其为某一个扫查信号集合中的第n个序列的发射信号，具体的，可以通过如下公式确定扫查信号在对应的扫查集合内的扫查序号：

n＝mod(i，N)。

S220，确定扫查信号集合中的信号最佳聚合区域的分数阶傅里叶变换的旋转角度因子。

S230，根据所述旋转角度因子和扫查信号在对应的扫查集合内的扫查序号计算所述每个扫查信号的起始频率。

具体的，可以包括如下步骤：

根据所述旋转角度因子和扫查信号在对应的扫查集合内的扫查序号确定所述扫查信号集合中每个扫查信号的相对带宽频率；具体的，可以通过如下公式计算得到：

bandwidth_Sig＝4*nZ*abs(sin(aifa*pi/2))/TimeOfFM+D*f_Atten；

nZ一般取1，TimeOfFM表示编码信号的调制时长，D表示最大扫查深度，f_Atten表示频率随深度变化的衰减系数；

根据所述相对带宽频率、超声波系统发射的脉冲的中心频率和扫查信号在对应的扫查集合内的扫查序号计算所述每个扫查信号的起始频率。具体的，可以通过如下方式计算得到：

fstart＝f0–BandWidthOfFM/2+(n–(N-1)/2)*bandwidth_Sig；

f0表示脉冲发射的中心频率，N为需要发射的扫查信号集合数量。

S240，根据所述扫查信号的起始频率对与所述起始频率对应的扫查信号进行编码。

本实施例通过增加如下步骤：确定扫查信号集合数，并确定每个扫查信号在对应的扫查集合内的扫查序号；相应的，将所述根据所述旋转角度因子计算所述每个扫查信号的起始频率，具体优化为：根据所述旋转角度因子和扫查信号在对应的扫查集合内的扫查序号计算所述每个扫查信号的起始频率。可以根据最大的脉冲重复扫查频率对采样目标所要求的脉冲重复扫查频率进行不同的集合分组，并对集合内的不同扫查信号进行编码。

实施例三

图3为本发明实施例三提供的超声波成像方法的流程示意图，本实施例可适用于多普勒成像系统中利用超声波信号成像的情况，该方法可以由超声波成像装置来执行，该装置可由软件/硬件方式实现，并可集成于相应的超声波检测系统中。

参见图3，所述超声波成像方法，包括：

S310，接收超声波编码回波信号，并将所述超声波编码回波信号转换为数字信号。

超声波系统中的超声波探头用于发射超声波和接收超声波回波。并通过波回波的放大、滤波和模拟数字转换，得到数字化超声波回波；所述接收装置可以包括顺序连接的低噪声放大电路、抗混叠滤波电路和数字模拟转换电路。所述低噪声放大电路与所述超声波探头连接。

S320，将所述数字信号进行波束合成，生成射频信号。

波束合成是指将一定集合形状排列的多元基阵中各振元的输出经过延迟、加权和求和等出来后，使输出具有空间指向性。示例性的，可以采用延迟叠加的方法，获得超声波射频数据。

S330，对所述射频信号去混叠和解码处理，并通过正交解调，生成同相正交信号。

示例性的，可以采用抗混滤波去器，在采样频率不变的前提下，通过设定好频率的低通滤波器滤掉不需出现的频率成分。由于输入的信号包括I/Q两部分，需要通过正交解调，以生成同相的正交信号。

S340，根据正交调制解调后的信号进行成像处理，生成超声波图像。

本实施例通过对接收到的超声波信号进行去混叠和解码处理，将接收到的编码信号处理，生成同相正交信号，可以实现获取高速运动采样目标准确的速度信息。

实施例四

图4是本发明实施例四提供的超声波成像方法的流程示意图。本实施例以上述实施例为基础，将射频信号去混叠，具体优化为：按照预设的长度采样所述射频信号，所述预设的长度根据采样门的宽度和接收超声波编码回波信号的采样频率确定；确定所述射频信号的分数阶傅里叶变换的旋转角度因子；根据所述旋转角度因子对采样得到的所述射频信号进行分数阶傅里叶变换；设定带通滤波器的截止频率，并对变换后的射频信号进行滤波处理；对滤波后的射频信号进行逆分数阶傅里叶变换。

参见图4，所述超声波成像方法，包括：

S410，接收超声波编码回波信号，并将所述超声波编码回波信号转换为数字信号。

S420，将所述数字信号进行波束合成，生成射频信号。

S430，按照预设的长度采样所述射频信号，所述预设的长度根据采样门的宽度和接收超声波编码回波信号的采样频率确定。

示例性的，可以采用如下方式确定采样长度，采样长度L＝w_sig*2/C*Rx_fs，其中，w_sig为采样门的宽度，C为声波传播速度，Rx_fs表示接收信号的采样频率。

S440，确定所述射频信号的分数阶傅里叶变换的旋转角度因子。

示例性的，可以采用如下方式确定分数阶傅里叶变换的旋转角度因子，旋转角度因子aifa_rx＝1-2/pi*atan(Rx_fs/BandWidthOfFM)，其中BandWidthOfFM表示编码信号的调制带宽；Rx_fs表示接收信号的采样频率。

S450，根据所述旋转角度因子对采样得到的所述射频信号进行分数阶傅里叶变换。

射频信号为多个信号的复合，存在严重的交叉项干扰。分数阶傅里叶变换可以抑制视频分布交叉项。示例性的，可以采用如下方式对射频信号进行分数阶傅里叶变换，分数阶傅里叶变换后的信号Sig_frft＝frft(sig，aifa_rx)，frft(.)表示分数阶傅里叶变换函数。

S460，设定带通滤波器的截止频率，并对变换后的射频信号进行滤波处理。

对于第i次扫查信号，分数阶傅里叶变换后第nZ个过0带宽为：

bandwidth_Sig_rx＝4*nZ*abs(sin(aifa_rx*pi/2))/TimeOfFM+D*f_Atten；其中，TimeOfFM表示编码信号的调制时长，D表示最大扫查深度，f_Atten表示频率随深度变化的衰减系数。Z为常数系数，一般可以取1，对于每个扫查信号，可以根据上述公式计算得到该扫查信号的相对频率。所以则滤波器的中心频率为:

f0_bandfilter_i＝f0+(n–(N-1)/2)*bandwidth_Sig_rx

则该带通滤波器的上下截止频率分别为：

Bandfilter_lowFreq＝f0_bandfilter_i-bandwidth_Sig_rx/2；

Bandfilter_highFreq＝f0_bandfilter_i+bandwidth_Sig_rx/2。

S470，对滤波后的射频信号进行逆分数阶傅里叶变换。

对滤波后的射频信号进行逆分数阶傅里叶变换，使所述滤波后的射频信号恢复原有的频率。

S480，对去混叠后的信号解码处理，并通过正交解调，生成同相正交信号。

S490，根据正交调制解调后的信号进行成像处理，生成超声波图像。

本实施例通过将射频信号去混叠，具体优化为：按照预设的长度采样所述射频信号，所述预设的长度根据采样门的宽度和接收超声波编码回波信号的采样频率确定；确定所述射频信号的分数阶傅里叶变换的旋转角度因子；根据所述旋转角度因子对采样得到的所述射频信号进行分数阶傅里叶变换；设定带通滤波器的截止频率，并对变换后的射频信号进行滤波处理；对滤波后的射频信号进行逆分数阶傅里叶变换。可以在较小的频率范围内对射频信号进行过滤，去除杂波，提高超声波扫查的精度。

实施例五

图5是本发明实施例五提供的高脉冲重复扫查频率信号的编码装置的结构示意图，如图5所示，所述装置包括：

集合确定模块510，用于根据扫查深度确定扫查信号集合，所述扫查信号集合包括至少两个信号；

角度因子确定模块520，用于确定扫查信号集合中的信号最佳聚合区域的分数阶傅里叶变换的旋转角度因子；

起始频率计算模块530，用于根据所述旋转角度因子计算所述每个扫查信号的起始频率；

编码模块540，用于根据所述扫查信号的起始频率对与所述起始频率对应的扫查信号进行编码。

本实施例提供的高脉冲重复扫查频率信号的编码装置，通过对不同的发射信号进行编码，并对接收到的信号进行相应的解码，可以确定接收到的信号与发射信号之间的对应关系。能够解除扫查距离对于脉冲重复扫查频率的限制，实现了对高速目标的扫查。

在上述各实施例的基础上，所述起始频率计算模块，包括：

相对带宽确定单元，用于根据所述旋转角度因子确定所述扫查信号集合中每个扫查信号的相对带宽；

频率计算单元，用于根据所述相对带宽频率和超声波系统发射的脉冲的中心频率计算所述每个扫查信号的起始频率。

在上述各实施例的基础上，所述装置还包括：

扫查序号确定模块，用于确定扫查信号集合数，并确定每个扫查信号在对应的扫查集合内的扫查序号；

相应的，所述相对带宽确定单元，用于：

根据所述旋转角度因子和扫查信号在对应的扫查集合内的扫查序号确定所述扫查信号集合中每个扫查信号的相对带宽。

本发明实施例所提供的高脉冲重复扫查频率信号的编码装置可用于执行本发明任意实施例提供的高脉冲重复扫查频率信号的编码方法，具备相应的功能模块，实现相同的有益效果。

实施例六

图6是本发明实施例六提供的超声波成像装置的结构示意图，如图6所示，所述装置包括：

数字信号转换模块610，用于接收超声波编码回波信号，并将所述超声波编码回波信号转换为数字信号；

射频信号生成模块620，用于将所述数字信号进行波束合成，生成射频信号；

同相正交信号生成模块630，用于对所述射频信号去混叠和解码处理，并通过正交调制解调，生成同相正交信号；

图像生成模块640，用于根据正交调制解调后的信号进行成像处理，生成超声波图像。

在上述各实施例的基础上，所述同相正交信号生成模块，用于：

按照预设的长度采样所述射频信号，所述预设的长度根据采样门的宽度和接收超声波编码回波信号的采样频率确定；

确定所述射频信号的分数阶傅里叶变换的旋转角度因子；

根据所述旋转角度因子对采样得到的所述射频信号进行分数阶傅里叶变换；

设定带通滤波器的截止频率，并对变换后的射频信号进行滤波处理；

对滤波后的射频信号进行逆分数阶傅里叶变换。

本实施例提供的超声波成像装置，通过对接收到的超声波信号进行去混叠和解码处理，将接收到的编码信号处理，生成同相正交信号，可以实现获取高速运动采样目标准确的速度信息。

本发明实施例所提供的超声波成像装置可用于执行本发明任意实施例提供的超声波成像方法，具备相应的功能模块，实现相同的有益效果。

显然，本领域技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各操作可以通过如上所述的终端设备实施。可选地，本发明实施例可以用计算机装置可执行的程序来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由处理器来执行，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等；或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或操作制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。