一种基于超声的便携式脂肪肝检测装置及其数据处理方法
阅读说明：本技术 一种基于超声的便携式脂肪肝检测装置及其数据处理方法 (Portable fatty liver detection device based on ultrasound and data processing method thereof ) 是由 赵军宁 吴哲 李晓鲁 王权泳 徐川 陈林 于 2021-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明属于医疗设备技术领域,具体涉及一种基于超声的便携式脂肪肝检测装置及其数据处理方法。针对现有技术中基于超声的脂肪肝检测装置小型化和便携化的困难,本发明提供基于超声的便携式脂肪肝检测装置的数据处理方法,其包括：使超声探头发射至少两个频率的超声波并接受超声波回波数据,对所述超声波回波数据进行波束合成后,得到超声RF数据；最后根据用户的指令,将所述超声RF数据输出,或将所述超声RF数据在所述便携式脂肪肝检测装置中进行后处理。本发明还提供一种结构简单,功率低,体积小的便携式脂肪肝检测装置。本发明在对芯片结构的要求极低的情况下,使得便携式设备通过得到超声衰减系数或弹性成像等结果,能够对脂肪肝进行检测。(The invention belongs to the technical field of medical equipment, and particularly relates to a portable fatty liver detection device based on ultrasound and a data processing method thereof. Aiming at the difficulty of miniaturization and portability of the ultrasonic-based fatty liver detection device in the prior art, the invention provides a data processing method of the ultrasonic-based portable fatty liver detection device, which comprises the following steps: enabling an ultrasonic probe to emit ultrasonic waves with at least two frequencies and receive ultrasonic echo data, and obtaining ultrasonic RF data after performing beam forming on the ultrasonic echo data; and finally, outputting the ultrasonic RF data according to the instruction of a user, or carrying out post-processing on the ultrasonic RF data in the portable fatty liver detection device. The invention also provides a portable fatty liver detection device with simple structure, low power and small volume. Under the condition of extremely low requirement on the chip structure, the invention enables the portable equipment to detect the fatty liver by obtaining the results of ultrasonic attenuation coefficient or elastic imaging and the like.)
技术领域
本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及一种基于超声的便携式脂肪肝检测装置及其数据处理方法。
背景技术
脂肪肝是指正常肝脏组织被超过5％至6％的脂肪替代的疾病。在该疾病中，脂肪的积累会导致炎症，细胞死亡和疤痕的形成，我们也将其称为非酒精性脂肪性肝炎。如果不加以治疗，脂肪性肝炎会导致肝纤维化，从而导致整个肝脏的血流减少，并形成疤痕组织。进一步地，肝纤维化可能导致肝硬化，肝衰竭和肝癌。从全球情况来看，大约有1/4的人口患有非酒精性脂肪性肝病，其中不同国家略微有差异，不同的人群也会有些差异。我国的脂肪肝患病率略高于全球平均水平。
通常的检查方式包括肝功能血液检查，腹部B超检查，腹部CT检查，MRI检查，超声弹性成像，磁共振弹性成像或肝活检等，其中尤以超声B超检查最为普及。脂肪肝或肝纤维化的治疗通常在于合理预防，减慢或逆转肝纤维化的进展。方案包括改变生活方式，药物治疗以及胆固醇和糖尿病管理等。
目前脂肪肝检测方式最常用的是通过医生对肝部进行常规B超扫描来进行诊断。随着对脂肪肝特性及检测方法的深入研究，很多新的方法也开始得到重视并应用到检测设备中。例如弹性成像主要通过测量肝脏受振动时产生的应变来测量肝脏硬度，进而判定脂肪肝严重程度。该方法已经得到了比较普遍的应用，但是相关设备价格昂贵，体积庞大，不利于脂肪肝检测的普及。也有学者根据超声衰减系数的变化来进行脂肪肝检测，但其数据基于大型超声设备，且尚未形成有效的系统设备方案，更不要说便携低成本的检测设备了。
在脂肪肝超声检测装置中，为了提高通道数据量，通常需要较为复杂的处理系统。在数字波束合成系统中，通常采用多个高速高分辨率ADC。另一方面，鉴于ADC的采样速率直接影响分辨率和通道间的相位延迟调节的准确度，采样速率越高，相位延迟就越精细；但是相应的，提高采样速率会导致功耗增加。以上两个方面的问题导致了便携式设备的设计困难。例如，通常的128通道全数字波束合成，需要16个8通道的高速ADC，其功耗和散热要求远超便携设备的设计要求。
由此可见，现有技术中制约脂肪肝超声检测装置小型化和便携化的一大主要因素在于：对超声信号的处理过程较为复杂，导致设备的芯片组等部件较为复杂，因而对设备的供电、散热和占用空间都有不利的影响。
发明内容
针对现有技术中基于超声的脂肪肝检测装置小型化和便携化的困难，本发明提供一种基于超声的便携式脂肪肝检测装置及其数据处理方法，其目的在于：通过改进对超声波数据的处理方法，降低装置中芯片的要求，进而降低对设备的供电、散热和空间的需求，使得设备更加适用于便携式设备。
一种基于超声的便携式脂肪肝检测装置的数据处理方法，其包括：使超声探头发射至少两个频率的超声波并接受超声波回波数据，对所述超声波回波数据进行波束合成后，得到超声RF数据；最后根据用户的指令，将所述超声RF数据输出，或将所述超声RF数据在所述便携式脂肪肝检测装置中进行后处理。
优选的，所述超声波回波数据通过发射两个频率的超声波后采集得到，所述两个频率的大小关系为成整数倍；进一步优选的，所述两个频率分别为3-5MHz和6-10MHz。
优选的，其具体包括如下步骤：
(1)超声探头以合成发射模式发射柱面波并接收超声波回波数据；
(2)采用孔径合成技术对发射的柱面波和接收的回波数据进行重构，得到波束数据；
(3)采用波束并行合成技术，改变超声探头的发射和/或接收的阵列组合后重复步骤(1)和步骤(2)，并将每一次重复得到的波束数据与之前的波束数据进行叠加，得到新的波束数据；直到发射和/或接收的阵列组合全部采用一遍后，最终得到的波束数据即为超声RF数据；
(4)根据用户的指令，将所述超声RF数据输出，或将所述超声RF数据在所述便携式脂肪肝检测装置中进行后处理。
优选的，步骤(4)中，所述后处理包括如下步骤：
(a)将每一个频率的柱面波得到的超声RF数据分别进行带通滤波；
(b)对步骤(a)得到的数据进行数据解调；
(c)对步骤(b)得到的数据依次进行低通滤波和信号降采样；
(d)对步骤(c)得到的数据进行包络处理，得到与每一个频率的柱面波得到的超声RF数据对应的衰减曲线；
(e)将衰减曲线分别进行对数压缩后，相减得到的差值进行线性拟合，即可得到超声衰减系数α。
优选的，步骤(b)中，所述数据解调的方法为正交解调，得到I通道和Q通道的数据；步骤(c)中，分别对I通道和Q通道的数据依次进行低通滤波和信号降采样；步骤(d)中，将步骤(c)处理后得I通道和Q通道的数据进行包络处理。
优选的，步骤(e)中，超声衰减系数α的计算方法为：
其中，f1和f2为探头发射频率，I(d)为超声波信号强度，d为超声波传播深度。
本发明还提供一种便携式超声脂肪肝检测装置，包括前端超声发射接收装置、处理芯片和电源；所述前端超声发射接收装置包括超声探头、高压脉冲发生器和超声发射接收芯片；
所述超声发射接收芯片和处理芯片用于按照上述方法进行数据处理。
优选的，所述超声发射接收芯片为AFE5805芯片，用于控制所述超声探头发射柱面波和接收超声波回波数据；和/或，所述处理芯片为FPGA芯片，用于实施上述方法中的数据重构、叠加和输出的数据处理过程。
优选的，所述FPGA芯片中设置有用于控制RF数据走向的选择器，所述RF数据走向为直接输出或处理成图像信号。
优选的，所述超声探头为多阵元超声探头。
优选的，所述超声发射接收芯片中包括ADC，所述ADC的数量为一个。
本发明方法利用波束合成技术，实现了对超声探头上的阵元及处理芯片的复用，从而在不损失通道数据量的前提下降低了超声探头和处理芯片的复杂程度，降低了超声探头的发射功率和处理芯片的工作功率。因而，本发明的技术方案能够大幅度减小设备尺寸和功率，使得设备小型化和便携成为可能。
通常的128通道全数字波束合成，需要16个8通道的高速ADC，其功耗和散热要求远超便携设备的设计要求。而在本发明的优选方案中，128通道全数字波束合成可通过1个ADC完成。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的
具体实施方式
，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1为实施例1中基于超声的便携式脂肪肝检测装置的系统结构示意图；
图2为实施例1中选择器的原理示意图；
图3为实施例2中RF数据灰度图的示例；
图4为实施例2中RF数据的处理流程示意图；
图5为实施例2中用手压缩检测部位前后得到的两条衰减曲线。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。需要特别说明的是，实施例中未具体说明的数据采集、传输、储存和处理等步骤的算法，以及未具体说明的硬件结构、电路连接等均可通过现有技术已公开的内容实现。
实施例1：基于超声的便携式脂肪肝检测装置
本实施例装置的系统结构如图1所示，包括前端超声发射接收装置、处理芯片和电源。所述前端超声发射接收装置包括探头、高压脉冲发生器和超声发射接收芯片。
本实施例中超声发射接收芯片为AFE5805芯片。AFE5805芯片用于控制发射和接收超声信号。所述超声发射接收芯片中包括ADC，所述ADC的数量为一个。
本实施例的超声探头为多阵元探头，采用倍频设置，即发射出的两个频率之间是成整数倍。两个频率可以同时发射，也可以具有时间差先后发射。
处理芯片为FPGA芯片。FPGA芯片用于处理采集得到的超声信号转化为RF数据，同时对前端超声发射接收装置起到控制作用。FPGA发布指令控制高压脉冲发生器发射电信号，并接收AFE5805传入的数字信号，然后波束合成形成RF数据通过USB接口传入PC。本实施例中，FPGA芯片含有用于信号接收的多路带通滤波器，用数字滤波器对接收的回波信号进行滤波，把接收到的多路带宽信号分解分析并对超声信号进行增益补偿。作为一种优选的方案，所述FPGA芯片中设置有用于控制RF数据走向的选择器，通过选择器逻辑的0,1设置来控制所述RF数据走向为直接输出或处理成图像信号，所述选择器的原理如图2所示。
电源负责给装置各个系统提供工作所需要的电力支持，同时为高压脉冲发生器提供足够强的工作电压。
本实施例提供的装置具有结构简单，功率低，体积小的优点，从而能够实现装置的便携化。
实施例2：基于超声的便携式脂肪肝检测装置的数据处理方法
本实施例所用的装置为实施例1所述的基于超声的便携式脂肪肝检测装置，本实施例提供对采集到的超声数据的处理方法。
具体包括如下步骤：
(1)超声探头以合成发射模式发射柱面波并采集超声波回波数据；
(2)采用孔径合成技术对发射的柱面波和接收的回波获得的数据进行重构，得到波束数据；
(3)采用波束并行合成技术，改变超声探头的发射和/或接收的阵列组合后重复步骤(1)和步骤(2)，并将每一次重复得到的波束数据与之前的波束数据进行叠加，得到新的波束数据，直到发射和/或接收的阵列组合全部采用一遍后，最终得到的波束数据即为超声RF数据；
(4)根据用户的指令，将所述超声RF数据输出，或将所述超声RF数据在所述便携式脂肪肝检测装置的FPGA芯片中进行后处理。
现有的中低端超声设备是在单个通道中发射1条超声波束(即本申请的柱面波)，同时接收回1条回波数据；GE与西门子的高端设备则能够在单个通道中一次性发射1条超声波束，接收回2-4条回波数据。本实施例提出的方法，能使超声设备一次发射1条柱面波，接收回64-128条回波数据。由于能同时接收64-128条发射超声波束，则可实现每秒3000帧以上的超高速图像刷新频率。通过优化算法技术，将接收回的64-128条反射超声波束进行叠加计算后，最终在超声设备上显现的图像质量得到明显提升。该方法实现了用简单、低功耗的超声探头和处理芯片采集到高质量超声RF数据的目的，因此有利于装置的小型化和便携化。
本实施例检测到的超声RF数据灰度图示例如图3，该图中两个轴均可理解为时间轴，纵轴是超声波发射返回过程，横轴是RF数据采集延续时间。图3的明暗程度代表回波的强度幅值，幅值高的偏亮，幅值低的偏暗。本实施例中纵向2048点表示一条回波数据，横向2560表示有2560条数据。纵向的点间距是由系统采样频率定的，横向的点间距是PRF(脉冲重复频率Pulse Recurrence Frequency)来定的。在数据分析时，纵向的时间轴可以换算成深度，而横向则视为采集数据的时间，这样每个纵线的2048个点，将可视为一条回波数据，在分析时获得回波信号的幅值。
本实施例可直接输出RF数据。目前现有技术也有利用超声数据的处理结果来对比脂肪肝和正常肝脏的技术方案，但是基本采用的都是医用超声设备直接输出的超声图像，该图像是针对医生和病人的，所以都没有超声RF数据采集功能。但是，通常用户从超声设备上看到的图像信息与设备产生的最原始的RF数据相比，丢失了很多重要的信息。而各个节点上的数据都有其自身的价值。RF数据携带反射点丰富的声学信息，其中包括很多肉眼所不能识别的信息，比如相位和频率。如果从RF数据的步骤开始采集，就可以充分利用RF数据里的丰富信息，从而得到更加准确的图像。本实施例涉及的系统在硬件采集和软件分析上都基于超声RF数据，相较传统的超声设备检测方式而言，可以将采集到的超声RF数据直接导入PC端显示，而不经过FPGA芯片自带的包络、对数压缩等后处理，因此得到的数据比较完整(信息量大概是图像数据的10-20倍)，甚至还包括相位和频率等信息，丰富的信息量可以进行自定义科学分析，使得在检测装置为了实现小型化而采用较低硬件配置的情况下，对脂肪肝的准确检测成为可能。
所述RF数据通过与FPGA芯片相连的USB接口输入PC进行进一步的处理。对RF数据，一种优选的处理过程如图4所示，具体步骤如下：
(a)将两个频率的超声信号得到的超声RF数据分别进行带通滤波；
(b)对步骤(a)得到的数据进行正交解调，得到I通道和Q通道两路正交的本振信号。超声RF数据为超声回波信号，位于高频分段，正交解调的处理可以将其变频到基频，从而使得信号处理变得更加容易。
(c)因正交解调所得信号中仍含有部分高频信号，对步骤(b)得到的数据依次进行低通滤波。然后进行信号降采样。信号降采样保存了原信号的数据不丢失情况下，大幅度减少了超声信号数据的处理量，可提升软件代码运行效率。
(d)对步骤(c)得到的数据进行包络处理，得到两个频率的超声信号对应的两组衰减曲线；
(e)将两组衰减曲线分别进行对数压缩后，相减得到的差值进行线性拟合，即可得到超声衰减系数α。
超声图像中信号的振幅I(f，d)可以表示如下：
I(f，d)＝A(f)D(f，d)R(f，d)G(d)exp(-2αdf)
为了减少增益对实验结果的影响，我们可将以上式子转化为：
其中衰减系数可以表达为：
其中，I(f,d)为频率f下的超声波信号强度，A(f)为初始脉冲波形幅值(f,d)为发射接收波束轮廓值，R(f,d)为散射参数分布值，G(d)为接收信号增益补偿值，f1为发射频率1，f2为发射频率2，I(d)为超声波信号强度，d为超声波传播深度。
由以上公式可见，不同频率下脂肪肝超声回波强度都随深度呈衰减趋势有明显差异并可用两个频率下的强度值比较来计算肝脏的衰减系数。因此、可以采用本实施例提供的谱差法进行衰减系数的计算。
超声衰减系数(α)可以用来描述超声信号在人体组织内的衰减情况，正常人体肝脏的衰减系数在0.5dB/cm-0.6dB/cm之间，脂肪肝患者的衰减系数平均在0.74dB/cm左右，与正常人体肝脏有明显差异。
除了计算超声衰减系数判断检测者是否患有脂肪肝外，作为本发明提供的技术方案的一种拓展的应用，还可通过按压等方式采集不同压力下的超声信号，并通过本实施例的数据处理方法得到不同压力下的衰减曲线(图5显示了用手压缩检测部位前后得到的两条衰减曲线)，进而通过衰减曲线的变化计算应变，得到和肝部弹性相关的超声图像。
综上所述，本发明提供了一种基于超声的便携式脂肪肝检测装置，其具有结构简单，功率低，体积小的优点。此外，本发明还提供了该装置的数据处理方法，其在对芯片结构的要求极低的情况下，使得便携式设备通过得到超声衰减系数或弹性成像等结果，能够对脂肪肝进行检测。
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