一种基于FPGA的超声全数据聚焦快速成像方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于FPGA的超声全数据聚焦快速成像方法及系统，该基于FPGA的超声全数据聚焦快速成像方法包括：采集由至少一个第一阵元的每一个阵元发射的第一超声波信号至像素点，及由像素点反射至少一个第二超声波信号至至少一个第二阵元，并将采集后的数据存储；根据第一超声波信号和至少一个第二超声波信号，确定像素点对应的至少一个传输时延；根据像素点的至少一个传输时延检索存储的像素点对应的数据；根据像素点对应的数据合成像素点对应的像素值；对像素点对应的像素值进行变换，确定像素值的解析信号，并在获取解析信号的包络后成像。基于本发明专利技术的成像方法，提高了成像并行化程度，加快了成像效率，同时显著改善了阵元数和像素数增加对效率的影响。

Ultrasonic full data focusing fast imaging method and system based on FPGA

The invention relates to a rapid imaging of FPGA ultrasound data focusing method and system based on the FPGA ultrasound imaging method based on fast focusing data including: acquisition by at least one of the first element of each array element transmitting the first ultrasonic signal to the pixels, and the pixels are reflected at least one second the ultrasonic signal to at least one of the second elements, and the collection of data after storage; according to the first ultrasonic signal and at least one of the second ultrasonic signal, determining at least one pixel corresponds to the transmission delay; according to the corresponding pixel is stored at least one pixel of the transmission delay of the data according to the corresponding pixel pixel; the corresponding data synthesis pixel values; transform pixel value of the pixel corresponding to the determined analytic signal pixel values, and imaging in the analytic signal after obtaining the envelope . The imaging method based on the invention improves the imaging parallelism, accelerates the imaging efficiency, and remarkably improves the efficiency of the array element and the number of pixels.

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的超声全数据聚焦快速成像方法及系统
本专利技术涉及超声检测领域，特别涉及一种基于FPGA的超声全数据聚焦快速成像方法及系统。
技术介绍
超声全数据聚焦(TFM)成像是一种基于全矩阵捕捉(FMC)的高级相控阵检测方法，相比于常规相控阵成像方法，具有高分辨率、检测范围大等优势，具有着广阔的应用前景。TFM是基于FMC的一种成像方法，如图1所示，TFM对检测区域网格化，根据阵元与像素的空间距离计算传输延时，检索相应的FMC数据，完成像素点的叠加合成。任一像素点P(x,z)的值I由公式1给出。hij为激发阵元为i时，j阵元的接收数据，并经过了Hilbert变换。xi和xj分别是阵元i和j的横轴坐标，c是声速，N是阵元个数。长期以来，全数据聚焦只能在实验室中非实时实现，大量的数据处理和计算成为其走向应用的瓶颈。并行运算平台以其高效的并发执行能力，成为提高全聚焦成像效率的重要方法。并行运算平台主要有GPU，多核CPU和FPGA等。基于GPU+CPU的TFM算法加速是近年来主要的实现方式，但没有考虑硬件采集和数据传输带来的影响，同时限于软件处理器的并行能力，TFM计算效率仍然不足，在阵元或像素增多时，成像效率会急剧下降。FPGA为TFM的高效计算提供了良好并行平台。2013年有研究提出基于多片FPGA的TFM成像，在16阵元、60*60像素量下达到73Hz成像速率，但像素提高到128*128时，效率大幅下降至20Hz以下。原因就在于当前的FPGA设计方法并行化程度不足。如聚焦延时采用软件计算和下传存储的方式，致使FPGA需要花费多个周期才能读取延时值、计算出一个像素，限制了计算效率；同时像素点只能串行合成，在像素分辨率较高时，成像速率明显下降，难以满足以机械扫查为代表的TFM快速检测要求。现有技术TFM成像，由于计算方法的并行化不足而导致的成像速率低下、受阵元和像素数量影响明显等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的缺陷，提出了一种基于FPGA的超声全数据聚焦快速成像方法及系统，相比现有技术，有效提高了TFM成像效率，并显著改善阵元数和像素数增加对成像效率的影响，为以机械扫查为代表的高速TFM检测提供快速成像方案。为实现上述目的，一方面，本专利技术提供了一种基于FPGA的超声全数据聚焦快速成像方法，该基于FPGA的超声全数据聚焦快速成像具体包括：采集由至少一个第一阵元的每一个阵元发射的第一超声波信号至像素点，及由像素点反射至少一个第二超声波信号至至少一个第二阵元，并将采集后的数据存储；根据第一超声波信号和至少一个第二超声波信号，确定像素点对应的至少一个传输时延；根据像素点的至少一个传输时延检索存储的像素点对应的数据；根据像素点对应的数据合成像素点对应的像素值；对像素点对应的像素值进行变换，确定像素值的解析信号，并在获取解析信号的包络后成像。优选地，并在采集后存储的步骤具体包括：将像素点对应的第一超声波信号和至少一个第二超声波信号存储在双端口内存。优选地，方法还包括：当采集和检索并发执行时，由配置有第一端口和第二端口的双端口内存的第一端口作为数据输入的端口，配置有第一端口和第二端口的双端口内存的第二端口作为数据的检索输出；当采集完毕后，检索执行时，由配置有第一端口和第二端口的双端口内存的第一端口和配置有第一端口和第二端口的双端口内存的第二端口分别作为检索输出。优选地，根据第一超声波信号和至少一个第二超声波信号，确定像素点对应的至少一个传输时延的步骤具体包括：通过实时延时算法计算像素点对应的至少一个第一阵元的每一个阵元与至少一个第二阵元之间的声程；根据声程和声速，确定至少一个传输时延。优选地，通过实时延时算法计算像素点对应的至少一个第一阵元的每一个阵元与至少一个第二阵元之间的声程的步骤为：其中，至少一个第一阵元的第i个阵元的横坐标xi，至少一个第二阵元的第j个阵元的横坐标xj，像素点坐标为(x，z)。优选地，方法还包括：通过现场可编程逻辑门阵列芯片对第一超声波信号和至少一个第二超声波信号并发计算，得到像素点对应的至少一个传输时延。优选地，对像素进行变换，得到像素的解析信号的步骤具体包括：根据希尔伯特变换对像素值变换，将像素值由时域信号变为频域信号；根据时域信号的像素值和频域信号的像素值合成解析信号。优选地，并在获取解析信号的包络后成像的步骤具体包括：将解析信号的包络上传至上位机进行成像。优选地，希尔伯特变换还可以为：FIR滤波器。另一方面，本专利技术实施例提供一种基于FPGA的超声全数据聚焦快速成像系统，该基于FPGA的超声全数据聚焦快速成像系统包括：采集模块、存储模块、计算模块、检索模块和变换模块；采集模块用于，采集由至少一个第一阵元的每一个阵元发射的第一超声波信号至像素点，及由像素点反射至少一个第二超声波信号至至少一个第二阵元；存储模块用于，将采集后的数据存储；计算模块用于，根据第一超声波信号和至少一个第二超声波信号，确定像素点对应的至少一个传输时延；检索模块用于，根据像素点的至少一个传输时延检索存储的像素点对应的数据；合成模块用于，根据像素点对应的数据合成像素点对应的像素值；变换模块用于，对像素点对应的像素值进行变换，确定像素值的解析信号。本专利技术采用FPGA片内计算，无需CPU参与，有效提高了TFM成像的并行化程度，加快了成像效率，同时显著改善了阵元数和像素数增加对效率的影响。附图说明图1为现有技术中的超声全数据聚焦成像图；图2为本专利技术的实施例提供的一种基于FPGA的超声全数据聚焦快速成像的方法结构流程图；图3为极坐标转换图；图4为FIR滤波器的频率、幅度、相位图；图5为本专利技术实施例提供的一种基于FPGA的超声全数据聚焦成快速像系统的结构示意图；图6为基于图1中基于FPGA的超声全数据聚焦快速成像方法的一个具体的成像图。具体实施方式下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。本专利技术设计了FPGA片内全并行计算方案，包括基于CORDIC(CoordinateRotationalDigitalComputer)的实时延时计算、并行像素合成以及像素合成后的Hilbert变换。分别实现聚焦延时的实时并行计算，多像素点的并发合成以及像素解析信号的获取。图2为本专利技术的实施例提供的一种基于FPGA的超声全数据聚焦快速成像方法的流程图。如图2所示，超声全数据聚焦快速成像的步骤具体包括：步骤S100：采集由至少一个第一阵元的每一个阵元发射的第一超声波信号至像素点，及由像素点反射至少一个第二超声波信号至至少一个第二阵元，并在采集后存储；以具有N个阵元激发-接收组合为例，每次FMC采集仅对超声相控阵探头中的一个第一阵元激发发射第一超声波信号，N个第二阵元作为接收单元，对于N通道相控阵，一次激发就可以得到N个第二超声波信号，第二超声波都是经由N个第二阵元接收的回波信号。第一阵元是被激发的发射阵元用于发射第一超声波信号，第二阵元则是接收第二超声波信号的接收阵元。如16阵元系统为例，其过程为：阵元1发射，阵元1-16均采集发射波和采集超声反射回波；采集完后，阵元2发射，阵元1-16均采集发射波和超声反射回波；以此类推，直到阵元16发射，阵元1-16均采集超声反射回波。由于成像的清晰度不同像素点的个数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的超声全数据聚焦快速成像方法，其特征在于，包括：采集由至少一个第一阵元的每一个阵元发射的第一超声波信号至像素点，及由所述像素点反射至少一个第二超声波信号至至少一个第二阵元，并将采集后的数据存储；根据所述第一超声波信号和所述至少一个第二超声波信号，确定所述像素点对应的至少一个传输时延；根据所述像素点的至少一个传输时延检索存储的所述像素点对应的数据；根据所述像素点对应的数据合成所述像素点对应的像素值；对所述像素点对应的像素值进行变换，确定所述像素值的解析信号，并在获取所述解析信号的包络后成像。

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的超声全数据聚焦快速成像方法，其特征在于，包括：采集由至少一个第一阵元的每一个阵元发射的第一超声波信号至像素点，及由所述像素点反射至少一个第二超声波信号至至少一个第二阵元，并将采集后的数据存储；根据所述第一超声波信号和所述至少一个第二超声波信号，确定所述像素点对应的至少一个传输时延；根据所述像素点的至少一个传输时延检索存储的所述像素点对应的数据；根据所述像素点对应的数据合成所述像素点对应的像素值；对所述像素点对应的像素值进行变换，确定所述像素值的解析信号，并在获取所述解析信号的包络后成像。2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述并在采集后存储的步骤具体包括：将所述像素点对应的所述第一超声波信号和所述至少一个第二超声波信号存储在双端口内存。3.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述方法还包括：当采集和检索并发执行时，由配置有第一端口和第二端口的双端口内存的所述第一端口作为数据输入的端口，配置有第一端口和第二端口的双端口内存的所述第二端口作为数据的检索输出；当采集完毕后，检索执行时，由配置有第一端口和第二端口的双端口内存的所述第一端口和配置有第一端口和第二端口的双端口内存的所述第二端口分别作为检索输出。4.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述根据所述第一超声波信号和所述至少一个第二超声波信号，确定所述像素点对应的至少一个传输时延的步骤具体包括：通过实时延时算法计算所述像素点对应的所述至少一个第一阵元的每一个阵元与所述至少一个第二阵元之间的声程；根据所述声程和声速，确定所述至少一个传输时延。5.根据权利要求4所述的成像方法，其特征在于，所述通过实时延时算法计算所述像素点对应的所述至少一个第一阵元的每一个阵元与所述至少一个第二阵元之间的声程的步骤为：

【专利技术属性】
技术研发人员：王冲，毛捷，冷涛，安志武，陈秋颖，宋波，周文佳，廉国选，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11