Устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов
Полезная модель относиться к области медицинского приборостроения, в частности, к устройствам для ультразвуковой эхолокации внутренних органов, и может быть использовано в системах медицинской диагностики. Устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов содержит коммутатор каналов, датчики, цифровой приемник, по меньшей мере два диаграммо-формирующих устройства, при это каждое диаграммо-формирующее устройство входом подключено к коммутатору каналов, выходом к цифровому приемнику, при этом цифровой приемник содержит общий сумматор подключенный через цифровой фильтр и модуль интерфейса к персональному компьютеру. Техническим результатом является унификация аппаратных средств устройства передачи и приема ультразвуковых сигналов при увеличении числа приемо-передающих каналов для улучшения качества формируемого ультразвукового изображения. 1 н.з.п. ф-лы, 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Настоящее техническое решение относится к области медицинского приборостроения, в частности, к устройствам для ультразвуковой эхолокации внутренних органов, и может быть использовано в системах медицинской диагностики.
Из существующего уровня техники известно устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов с расширенной компьютерной обработкой данных, содержащее диаграммо-формирующее устройство и персональный компьютер (см., напр., United States Patent 5,795,297, опубл. 18.08.1998).
В данном техническом решении фильтрация и последующие этапы обработки и преобразования ультразвуковых данных осуществляются не с помощью дорогостоящих специализированных устройств, а программным способом на стандартном компьютере. Устройство с расширенной компьютерной обработкой имеет существенно более низкую стоимость за счет использования дешевых стандартных программно-аппаратных средств. Кроме того, поскольку многие функции прибора реализуются на программном уровне, то упрощается техническое сопровождение и модернизация оборудования. Однако недостатком этого устройства является необходимость доработки программно-аппаратных средств ДФУ при увеличении числа приемо-передающих каналов с целью получения ультразвуковых изображений с более высоким пространственным разрешением.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству передачи и приема ультразвуковых сигналов является устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов для формирования ультразвукового изображения внутренних органов, которое включает в себя коммутатор каналов, формирователь луча приемник (см., напр., Л.В. Осипов Ультразвуковые диагностические приборы, М., ВИДАР, 1999, стр. 70, рис. 7).
Недостатком данного технического решения является то, что для цифровой обработки ультразвуковых сигналов используются набор специализированных вычислительных устройств, что приводит к увеличению массогабаритных характеристик устройства, стоимости устройства и невозможности модернизации программного обеспечения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является унификация аппаратных средств устройства при увеличении числа приемо-передающих каналов с целью получения ультразвуковых изображений с более высоким пространственным разрешением.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является унификация аппаратных средств устройства передачи и приема ультразвуковых сигналов при увеличении числа приемо-передающих каналов для улучшения качества формируемого ультразвукового изображения за счет использования определенным способом запрограммированных однотипных диаграммо-формирующих устройств с меньшим числом приемо-передающих каналов.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве передачи и приема ультразвуковых сигналов, содержащем коммутатор каналов, датчики, цифровой приемник, согласно полезной модели введено по меньшей мере два диаграммо-формирующих устройства, при это каждое диаграммо-формирующее устройство входом подключено к коммутатору каналов, выходом к цифровому приемнику, при этом цифровой приемник содержит общий сумматор подключенный через цифровой фильтр и модуль интерфейса к персональному компьютеру.
При этом каждое диаграммо-формирующее устройство содержит передатчик, выходом подключенный к входам каналов приема-передачи данных; каждый канал приема-передачи данных содержит аналогово-цифровой преобразователь, последовательно соединенный с цифровой линией задержки, умножителем и сумматором; выход передатчика в диаграммо-формирующем устройстве связан с входом каждого аналогово-цифрового преобразователя, каналы приема-передачи данных последовательно связаны между собой через входы/выходы сумматоров.
В современных ультразвуковых приборах среднего класса, используемых в медицинской диагностике, оптимальным по соотношению цена-качество является использование 64-канального диаграммо-формирующего устройства. Однако для ультразвуковых приборов высокого и экспертного класса число приемопередающих каналов должно составлять величину 128 и более. В заявляемом устройстве предлагается для увеличения числа приемо-передающих каналов при построении ультразвуковых приборов высокого и экспертного класса использовать однотипные диаграммо-формирующие устройства с меньшим числом приемопередающих каналов, запрограммированных определенным способом. В частности, 128-канальное диаграммо-формирующее устройство может быть реализовано на основе двух 64-канальных ДФУ.
Сущность заявленного устройства передачи и приема ультразвуковых сигналов 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:
На фиг. 1 - блок-схема устройства;
На фиг. 2 - структурная схема ДФУ.
Устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов состоит из набора датчиков 1, коммутатора каналов 2, диаграммо-формирующего устройства 3/1, 
, 3/К, цифрового приемника 5, персонального компьютера 6. Цифровой приемник 5 состоит из сумматора 7, цифрового фильтра 8, модуля интерфейса 9. Каждое диаграммо-формирующее устройство содержит передатчик 10 и N приемных каналов сигналов 11/1 11/N. В свою очередь каждый приемный канал 11/j, j=1, 2, , N содержит аналого-цифровой преобразователь 12, цифровую линию задержки 13, умножитель 14, сумматор 15.
Компоненты устройства передачи и приема ультразвуковых сигналов связаны между собой следующим образом. Каждый из датчиков 1 соединен с коммутатором каналов 2. При этом к выходам коммутатора 2 каналов подключены входы диаграммо-формирующих устройств 3/1, , 3/K. Выходы диаграммо-формирующих устройств 3/1, , 3/K подключены ко входам сумматора 7. Выход сумматора 7 соединен со входом цифрового фильтра 8. Выход цифрового фильтра 8 соединен со входом модуля интерфейса 9. Выход модуля интерфейса подключен к персональному компьютеру 6.
Работает устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов следующим образом.
Перед проведением обследования пациента к устройству передачи и приема ультразвуковых сигналов подключаются несколько ультразвуковых датчиков в зависимости от вида обследования. Для разных видов обследования обычно используются от одного до четырех подключенных к устройству датчиков. Датчики представляют собой многоэлементные решетки и различаются между собой количеством элементов, конструктивным исполнением и рабочей частотой.
Перед проведением обследования один из подключенных к устройству ультразвуковых датчиков 1 размещается на теле пациента таким образом, чтобы формируемый ультразвуковой луч был направлен в область расположения исследуемого органа. Включение режима локации одним из подключенных к устройству датчиков производится с помощью коммутатора каналов 2.
Формирование данных для формирования ультразвукового изображения осуществляется путем излучения в интересующую область тканей направленного ультразвукового луча и приема эхо-сигналов из облученной области тканей. За счет направленного излучения и приема ультразвуковых волн регистрируеются эхо-сигналы, одновременно поступающие только из узкой области вдоль направления зондирования. Пространственное смещение апертуры излучения-приема для формирования двумерного ультразвукового изображения реализуется путем активизации соответствующей группы элементов многоэлементного датчика с помощью коммутатора 2 каналов.
При формировании ультразвукового луча входящий в состав каждого диаграммо-формирующего устройства передатчик 10 при излучении зондирующего сигнала выполняет две основные функции: фокусировку и аподизацию.
Фокусировка производится за счет компенсации задержек, обусловленных разными путями распространения ультразвукового сигнала от разных участков апертуры в зону интереса. Зондирующие сигналы, поступающие на линейку пьезопреобразователей датчика 1 задерживаются в соответствии с законом геометрической оптики в зависимости от пространственного положения фокуса излучения. В пьезопреобразователях электрические импульсы преобразуются в механические колебания, сфокусированные в определенную область зондирования. Каждое диаграммо-формирующее устройство 3/1, , 3/K реализует 1/K часть суммарной апертуры на излучение и прием.
За счет аподизации, обеспечивающей постепенное снижение уровня излучения от центра апертуры к краям, уменьшается уровень излучения ультразвука боковыми лепестками диаграммы направленности.
В каждом приемном канале сигналов 11/i, i=1, , N диаграммо-формирующих устройств 3/1, , 3/K, сначала выполнятся преобразование эхо-сигнала из аналоговой в цифровую форму с помощью аналогово-цифрового преобразователя 8, и далее производится обработка данных, представленных в цифровом виде. Частота дискретизации сигнала, реализуемая современными многоканальными аналогово-цифровыми преобразователями, предназначенными для ультразвуковых приборов, составляет величину 50-60 МГц.
В процессе приема эхо-сигнала в каждом диаграммо-формирующем устройстве с помощью приемных каналов сигналов 11/1 11/N реализуется режим динамической фокусировки. Динамическая фокусировка ультразвукового луча представляет собой изменение фокуса во времени в соответствии с глубиной приема эхо-сигнала и обеспечивает максимальное пространственное разрешение по всей глубине зондирования. При реализации динамической фокусировки изменяются с темпом перестройки фокуса параметры цифровых линий задержки 13.
Каждая цифровая линия задержки 13 включает в себя 2 элемента: оперативную память типа FIFO (First Input First Output) для реализации грубой задержки сигнала с точностью до шага дискретизации сигнала и фильтр-интерполятор для формирования плавной задержки сигнала, составляющую величину, меньшую шага дискретизации сигнала.
Уменьшение уровня боковых лепестков приемной диаграммы направленности (аподизация на прием) достигается ослаблением эхо-сигналов от центра апертуры к краям с помощью умножителей 14, установленных в каждом приемном канале 11/I, I=1, , N.
На выходе сумматора 15 в приемном канале сигналов 1/N каждого диаграммо-формирующего устройства образуется результат вычислений 1/K части приемной апертуры, и сформированные данные поступают на цифровой приемник 5 для последующей обработки.
На выходе сумматора 7, входящего в состав цифрового приемника 5, формируется суммарная апертура излучения-приема путем сложения сигналов, поступающих с диаграммо-формирующих устройств 3/1, , 3/K. Далее выполняется полосовая фильтрация сигнала с помощью полосового фильтра 8. Для реализации данной операции используется один из вариантов стандартного цифрового фильтра с коэффициентами, перестраиваемыми в зависимости от глубины зондирования. Одновременно с выделением дипазона частот полосовой фильтр выполняет также ресемплирование данных: изменяет частоту дискретизации сигнала в зависимости от выделенного диапазона частот эхо-сигнала. Для передачи отфильтрованных отсчетов сигнала в персональный компьютер используется модуля интерфейса 9, реализующий стандартный интерфейс PCI. Скорость передачи данных зависит от режима работы устройства и достигает в реальных случаях 80 Мбайт в секунду.
Таким образом, зачет то, что в устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов введено по меньшей мере два диаграммо-формирующих устройства, при это каждое диаграммо-формирующее устройство входом подключено к коммутатору каналов, выходом к цифровому приемнику, при этом цифровой приемник содержит общий сумматор подключенный через цифровой фильтр и модуль интерфейса к персональному компьютеру достигается унификация аппаратных средств устройства передачи и приема ультразвуковых сигналов при увеличении числа приемо-передающих каналов для улучшения качества формируемого ультразвукового изображения.
1. Устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов, содержащее коммутатор каналов, датчики, цифровой приемник, отличающееся тем, что в него введено по меньшей мере два диаграммоформирующих устройства, при это каждое диаграммоформирующее устройство входом подключено к коммутатору каналов, выходом к цифровому приемнику, при этом цифровой приемник содержит общий сумматор, подключенный через цифровой фильтр и модуль интерфейса к персональному компьютеру.
2. Устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов, отличающееся тем, что каждое диаграммоформирующее устройство содержит передатчик, выходом подключенный к входам каналов приема-передачи данных.
3. Устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов, отличающееся тем, что каждый канал приема-передачи данных содержит аналогово-цифровой преобразователь, последовательно соединенный с цифровой линией задержки, умножителем и сумматором.
4. Устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов, отличающееся тем, что выход передатчика в диаграммоформирующем устройстве связан с входом каждого аналогово-цифрового преобразователя.
5. Устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов, отличающееся тем, что каналы приема-передачи данных последовательно связаны между собой через входы/выходы сумматоров.
