应用于医学超声成像系统加速的反向延迟计算方法技术方案

本发明专利技术公开应用于医学超声成像系统加速的反向延迟计算方法。本发明专利技术使用反向延迟计算方法的波束形成算法，基于传统的延迟叠加波束形成算法的逆过程实现，通过数据点在超声回波数据中的位置推导延迟量进而推导该数据点在图像中的位置，进而直接进行叠加，规避了耗时的开根号和除法计算。本发明专利技术中使用反向延迟计算方法的波束形成算法具有更低的计算复杂度，并且在计算过程中使用了更丰富的原始超声数据，可在极短的时间内完成高清医学超声图像算法的复杂计算，可以满足实时且高清地呈现医学超声影像的需求。本发明专利技术并不影响设备的物理结构，可直接在原设备中更新算法从而实现加速，并且在一定程度上提高了设备的成像清晰度。

Backward Delay Calculation Method for Acceleration of Medical Ultrasound Imaging System

The invention discloses a reverse delay calculation method applied to the acceleration of medical ultrasound imaging system. The invention uses the inverse delay calculation method of the beamforming algorithm, based on the inverse process of the traditional delay superposition beamforming algorithm, derives the delay amount from the location of the data points in the ultrasonic echo data and then deduces the position of the data point in the image, and then goes directly into the superposition to avoid the time-consuming open root number and Division calculation. In the invention, the beamforming algorithm using the reverse delay calculation method has the lower computational complexity, and uses more abundant original ultrasonic data in the calculation process, and can complete the complex calculation of the high definition medical ultrasound image algorithm in very short time, which can satisfy the real time and high definition of the medical ultrasound image. Demand. The invention does not affect the physical structure of the equipment, can update the algorithm directly in the original device to achieve acceleration, and to a certain extent, improve the imaging clarity of the equipment.

【技术实现步骤摘要】
应用于医学超声成像系统加速的反向延迟计算方法
本专利技术属于医学超声成像领域，具体涉及应用于医学超声成像系统加速的反向延迟计算方法。
技术介绍
在医学超声成像系统中，物理阵元发射超声波并接收回波信号，然后在运算单元中通过成像算法将回波信号数据转换为图像数据并显示出来。目前在医疗检测领域，医学超声成像设备广泛使用的仍然是使用延迟叠加波束形成算法，在普通计算机的中央处理器中完成对超声回波数据的延迟、叠加计算从而获得超声图像。随着医学的发展，对图像的清晰度和成像速度有了进一步的要求。但高清成像算法的庞大成像数据及复杂的运算过程，使得传统延迟叠加波束形成算法在普通计算机的中央处理器的计算已经无法满足其对高性能高并发运算的需求。近年来CPU的频率不断提高、单芯片上CPU核心数目不断增加，出现了双核、四核甚至八核，但多核CPU的发展存在瓶颈，其核心频率和运算吞吐率很难有进一步的突破性提高。有学者提出集成更多的运算单元来提高单位时间的计算能力，但这会造成设备体积和功耗的增加，同时使成本提高。另一方面，目前的现场可编程逻辑门电路技术(FPGA)和通用计算图形处理器(GPGPU)发展迅猛，二者均可以实现强大的并发计算能力，并且有学者运用这两项技术完成对医学超声成像波束形成算法的加速。然而从科研成果转化为实际产品仍需要很长时间，对旧设备的更新也会造成浪费，并且新加入的硬件加速器也会带来成本的上升。而本专利技术提出的应用于医学超声成像系统加速的反向延迟计算方法，可直接使用在目前的医学超声成像设备中而无需更新硬件，通过对算法本身的改进使得在不降低超声图像的质量情况下提升成像速度。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是解决目前医学超声成像设备速度慢的问题，目前超声医学成像设备中使用的计算核心大多是普通计算机中的中央处理器，内部计算过程实现简单，能满足医学超声成像的基本需求，但图像帧率低，单台成像设备成本高。本专利技术为了在不更新医学超声成像设备硬件的条件下提高成像速度，对延迟叠加波束形成算法本身做出改进，提出了使用反向延迟计算方法的波束形成算法。该方法在不降低图像质量的情况下，大大减少了计算过程中的复杂计算操作，提高了设备成像帧率，达到了在不更新医学超声成像设备硬件的条件下提高成像速度的要求。本专利技术的目的通过以下技术方案实现。应用于医学超声成像系统加速的反向延迟计算方法，使用反向延迟计算方法的波束形成算法，基于传统的延迟叠加波束形成算法的逆过程实现，通过数据点在超声回波数据中的位置推导延迟量进而推导该数据点在图像中的位置，进而直接进行叠加，规避了耗时的开根号和除法计算。进一步地，反向延迟计算方法基于传统的延迟叠加波束形成算法的逆过程实现，首先计算接收到的回声超声信号的延迟量，进而将延迟后的回声信号叠加得到增强的回声信号输出，即超声成像图像中一个像素点的亮度值。进一步地，反向延迟计算方法的输入数据为三维数组超声回波数据signal，定义signal(i,k,d)为第i次超声发射、第k个接收阵元接收的第d个信号的值；输出数据为二维图像image，定义image(i,j)为图像中第i列第j行的像素点的亮度值。进一步地，具体包括如下步骤：(1)设定变量i为列数的循环变量，设定初始值0；(2)设定变量j为行数的循环变量，设定初始值0；(3)设定变量k为阵元数的循环变量，设定初始值0；(4)根据变量i,j,k计算延迟的时间，以及对应的数组下标d；(5)执行叠加，变量image(i,j)叠加信号signal(i,k,d)；(6)自增变量k，若变量k的值小于总阵元数，则跳转到步骤(3)；(7)自增变量j，若变量j的值小于总行数，则跳转到步骤(2)；(8)自增变量i，若变量i的值小于总列数，则跳转到步骤(1)；(9)算法结束，返回图像image。进一步地，对于数据点在回波数据数组中的下标位置为d的情况，假设该数据点在图像中的位置为j，按照公式：可得：其中Wpixel和Hpixel分别为生成图像像素点对应的水平宽度和垂直高度，这里默认发射阵元与像素点在垂直方向上严格对齐。综上可得d的计算公式为：在超声成像设备中，fs、c、Wpixel和Hpixel均为常数；计算过程包含两次乘法和一次除法；对于除d，d为正整数。与现有技术相比，本专利技术的有点主要体现在两个方面：本专利技术中使用反向延迟计算方法的波束形成算法具有更低的计算复杂度，并且在计算过程中使用了更丰富的原始超声数据，可在极短的时间内完成高清医学超声图像算法的复杂计算，可以满足实时且高清地呈现医学超声影像的需求。本专利技术并不影响设备的物理结构，可直接在原设备中更新算法从而实现加速，并且在一定程度上提高了设备的成像清晰度。附图说明图1为医学超声成像设备超声波从发射到接收路径示意图。图2为使用传统延迟叠加波束形成算法计算输出图像实例图。图3为使用反向延迟计算方法的波束形成算法计算输出图像实例图。具体实施方式以下结合附图和实例对本专利技术的具体实施作进一步说明，但本专利技术的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参考现有技术实现的。应用于医学超声成像系统加速的反向延迟计算方法，使用反向延迟计算方法的波束形成算法，基于传统的延迟叠加波束形成算法的逆过程实现，通过数据点在超声回波数据中的位置推导延迟量进而推导该数据点在图像中的位置，进而直接进行叠加，规避了耗时的开根号和除法计算。反向延迟计算方法基于传统的延迟叠加波束形成算法的逆过程实现，首先计算接收到的回声超声信号的延迟量，进而将延迟后的回声信号叠加得到增强的回声信号输出，即超声成像图像中一个像素点的亮度值。反向延迟计算方法的输入数据为三维数组超声回波数据signal，定义signal(i,k,d)为第i次超声发射、第k个接收阵元接收的第d个信号的值；输出数据为二维图像image，定义image(i,j)为图像中第i列第j行的像素点的亮度值。算法具体包括如下步骤：(1)设定变量i为列数的循环变量，设定初始值0；(2)设定变量j为行数的循环变量，设定初始值0；(3)设定变量k为阵元数的循环变量，设定初始值0；(4)根据变量i,j,k计算延迟的时间，以及对应的数组下标d；(5)执行叠加，变量image(i,j)叠加信号signal(i,k,d)；(6)自增变量k，若变量k的值小于总阵元数，则跳转到步骤(3)；(7)自增变量j，若变量j的值小于总行数，则跳转到步骤(2)；(8)自增变量i，若变量i的值小于总列数，则跳转到步骤(1)；(9)算法结束，返回图像image。本专利技术提出的使用反向延迟计算方法的波束形成算法，最终将应用于医学超声成像系统。这里通过三个模块构建一个仿真医学超声成像系统，分别是数据仿真模块、核心计算模块和显示图像模块。延迟叠加算法包含三个循环，如上方算法描述中所示。该算法的时间复杂度为：Complexity＝O(LC×RC×RA)，其中变量LC(LineCount)表示输出图像中垂直的图像列数，变量RC(RowsCount)表示输出图像中的行数，变量PA(ProbeAmount)表示接收回声超声信号的探头阵元数量。传统的延迟叠加波束形成算法的核心代码中，核心操作是对延迟后输入数据的叠加。对于最终生成的图像中的一个特定的像素本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.应用于医学超声成像系统加速的反向延迟计算方法，其特征在于使用反向延迟计算方法的波束形成算法，基于传统的延迟叠加波束形成算法的逆过程实现，通过数据点在超声回波数据中的位置推导延迟量进而推导该数据点在图像中的位置，进而直接进行叠加，规避了耗时的开根号和除法计算。

【技术特征摘要】
1.应用于医学超声成像系统加速的反向延迟计算方法，其特征在于使用反向延迟计算方法的波束形成算法，基于传统的延迟叠加波束形成算法的逆过程实现，通过数据点在超声回波数据中的位置推导延迟量进而推导该数据点在图像中的位置，进而直接进行叠加，规避了耗时的开根号和除法计算。2.根据权利要求1所述的应用于医学超声成像系统加速的反向延迟计算方法，其特征在于反向延迟计算方法基于传统的延迟叠加波束形成算法的逆过程实现，首先计算接收到的回声超声信号的延迟量，进而将延迟后的回声信号叠加得到增强的回声信号输出，即超声成像图像中一个像素点的亮度值。3.根据权利要求2所述的应用于医学超声成像系统加速的反向延迟计算方法，其特征在于反向延迟计算方法的输入数据为三维数组超声回波数据signal，定义signal(i,k,d)为第i次超声发射、第k个接收阵元接收的第d个信号的值；输出数据为二维图像image，定义image(i,j)为图像中第i列第j行的像素点的亮度值。4.根据权利要求3所述的应用于医学超声成像系统加速的反向延迟计算方法，其特征在于具体包括如下步骤：(...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈俊颖，周顺风，闵华清，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44