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TWI640301B - 具適應性溢滿與增益控制之超音波系統及其方法 - Google Patents

具適應性溢滿與增益控制之超音波系統及其方法 Download PDF

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TWI640301B
TWI640301B TW106137577A TW106137577A TWI640301B TW I640301 B TWI640301 B TW I640301B TW 106137577 A TW106137577 A TW 106137577A TW 106137577 A TW106137577 A TW 106137577A TW I640301 B TWI640301 B TW I640301B
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黃永順
洪源茂
林銘哲
林奕忻
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財團法人工業技術研究院
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Abstract

一種具適應性溢滿與增益控制之超音波系統及其方法，其主要技術為使用兩階段的增益控制方式以達成提高信號訊雜比及正確分析結果。第一階段採用類比增益，此階段會即時監測信號是否可能溢滿或強度太弱來調整增益值，以不溢滿為目標，並盡量放大增益值，以提高信號訊雜比(SNR)值。第二階段採用數位增益，接收所有該第一階段類比增益調整後之所有具增益之含增益資料，並由所有資料中，依時間順序持續取出一具增益之含增益資料段，並將該具增益之含增益資料段轉換為相同增益之一相同增益資料段。最後，將該將相同增益資料段提供給都卜勒信號分析器分析。

Description

具適應性溢滿與增益控制之超音波系統及其方法
本案係關於一種超音波系統控制系統及其方法，特別是指一種具適應性溢滿與增益控制之超音波系統及其方法。
醫學超音波檢查是一種基於超音波的醫學影像學診斷技術。屬於醫學超音波檢查領域的都卜勒超音波是利用都卜勒效應判斷某結構(通常是以血流為例)是否朝向或背離探頭運動，並計算出其相對速度。通過計算部分樣本容積的頻率漂移(例如心臟瓣膜上方的噴射血流)，可以確定其方向、速度，並顯示出來。這對心血管方面的研究特別有用，對其他的一些醫學領域也是必要的，比方說診斷動脈時的血流逆行。都卜勒信息的圖形化顯示可以使用頻譜都卜勒，也可以使用彩色都卜勒或者能量都卜勒。
然而，在現有的都卜勒超音波系統中的濾波及增益控制電路中需對微弱的都卜勒頻移信號進行增益放大，若增益值調得太小，且當都卜勒頻移信號太小或與後續雜訊強度接近時，會產生不佳的信號訊雜比(SNR)，將無法真實且 完整地呈現代表血流流速的都卜勒頻移信號的內容。
若增益值調得太大，容易造成溢滿(Over Flow)，經都卜勒超音波系統中的類比數位轉換電路所取得之資料，經都卜勒信號分析後，其頻移信號會有信號變形的發生，同樣地無法真實且完整地呈現代表血流流速的都卜勒頻移信號的內容。
再者，現有的超音波心跳輸出監測儀使用都卜勒超音波測量病患的心臟瓣膜上的血流量時，通常需要將由超音波探頭將所收到都卜勒信號透過有線連線方式傳至電腦，如此，電腦得以計算出病患的血流速度並且畫出血流速度圖像。
換言之，現有的超音波心跳輸出監測儀會因超音波探頭所佔用的面積過大且需要透過有線連線方式而不利於攜帶外出。
因此，如何提出一種具高信號訊雜比且易攜帶外出又能快速準確測量如血流速度之超音波系統，實已成為本領域技術人員之一大課題。
本案係提供一種具適應性溢滿與增益控制之超音波系統，其特徵為使用兩階段的增益控制(Gain Control)方式以達成提高信號訊雜比及正確分析結果。第一階段採用類比增益，此階段會即時監測信號是否可能溢滿(Over Flow)或強度太弱來調整增益值，以不溢滿為目標，並盡量放大增益值，以提高信號訊雜比(SNR)值。第二階段採用數位增 益：將都卜勒信號分析器所使用之短時傅立葉轉換(Short-time Fourier transform)資料段內所有信號之增益調整到一致，以便正確取得短時傅立葉轉換分析結果，使得本案所提出醫學超音波檢查系統具有高信號訊雜比且易攜帶外出，又能快速準確測量如血流速度之影像技術優勢。
因此，本案之目的在於提供一種具適應性溢滿與增益控制之超音波系統，其包含：一類比增益濾波器，其陸續接收一超音波都卜勒頻移信號資料進行濾波，並對該都卜勒頻移信號資料進行增益(Gain)放大以陸續產生一具增益之類比式都卜勒頻移信號資料；一類比數位轉換器，其陸續將該具增益之類比式都卜勒頻移信號資料轉換為一具增益之數位式都卜勒頻移信號資料；一具適應性增益控制的模組，其陸續接收該類比數位轉換器所輸出之該具增益之數位式都卜勒頻移信號資料，並利用一第一增益演算法更新該類比增益濾波器之增益，使得該類比數位轉換器所輸出之後續具增益之數位式都卜勒頻移信號資料介於一組預定範圍數值，並陸續集合一個或多個具增益之數位式都卜勒頻移信號資料及其增益，以產生一組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料；以及一數位增益模組，其依序接收該組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料及後續組具增益之含增益數位式 都卜勒頻移信號信號資料，將接收之所有資料儲存至該數位增益模組內的一資料暫存器內，由該資料暫存器中依時間順序持續取出一具增益之含增益資料段，並利用一第二增益演算法調整該具增益之含增益資料段轉換為相同增益之一相同增益資料段，並將該將相同增益資料段提供給都卜勒信號分析器進行分析。
因此，本案之目的在於提供一種調整增益控制之超音波方法，其包括：透過一類比數位轉換器將一具增益之類比式都卜勒頻移信號資料轉換為一具增益之數位式都卜勒頻移信號資料；透過一具適應性增益控制的模組使用一類比增益演算法以更新一類比增益濾波器之增益，並使得該類比數位轉換器所輸出之後續具增益之數位式都卜勒頻移信號資料介於一組預定範圍數值，並陸續集合一個或多個具增益之數位式都卜勒頻移信號資料及其增益為一組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號信號資料；以及透過一數位增益模組依序接收該組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料及後續組之具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料，由接收之所有具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料依時間順序陸續取出一定數量之具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料成為一具增益之含增益數位式信號資料段，並利用一數位增益演算法將該具增益之含增益資料段轉換為相同增益之一相同增益資 料段。
為讓本案之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明。在以下描述內容中將部分闡述本案之額外特徵及優點，且此等特徵及優點將部分自所述描述內容顯而易見，或可藉由對本案之實踐習得。本案之特徵及優點借助於在申請專利範圍中特別指出的元件及組合來認識到並達到。應理解，前文一般描述與以下詳細描述兩者均僅為例示性及解釋性的，且不欲約束本案所主張之範圍。
2‧‧‧具適應性溢滿與增益控制之超音波系統
21‧‧‧超音波壓電片
22‧‧‧都卜勒解調器
23‧‧‧類比增益濾波器
24‧‧‧類比數位轉換器
248~251‧‧‧資料段
25、52‧‧‧具適應性增益控制的模組
26、44、53、62‧‧‧數位增益模組
261‧‧‧資料暫存器
27、45、54、63‧‧‧都卜勒信號分析器
28、46、55、64‧‧‧顯示器
40、42、50、51、60‧‧‧中央處理器
41‧‧‧第一增益控制模組
43‧‧‧第二增益控制模組
61‧‧‧類比增益控制模組
70‧‧‧低功耗藍牙
8‧‧‧類比增益調整方塊
9‧‧‧數位增益調整方塊
A‧‧‧第一裝置
B‧‧‧第二裝置
C‧‧‧第三裝置
S1~S15‧‧‧步驟
第1圖為本案之具適應性溢滿與增益控制之超音波系統之概念第一實施例之方塊圖；第2圖為本案之具適應性溢滿與增益控制之超音波系統之第二實施例之方塊圖；第3圖為本案調整一組預定範圍數值之示意圖；第4圖為本案執行第一增益演算法之流程圖；第5圖為本案以封包形式傳送的一組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料之示意圖；第6圖為本案執行第二增益演算法之流程圖；第7圖為本案之具適應性溢滿與增益控制之超音波系統之第三實施例之方塊圖；第8圖為本案之具適應性溢滿與增益控制之超音波系統之第四實施例之方塊圖；第9圖為本案提供一種調整增益控制之超音波方法之 流程圖；第10A圖為當增益調整太小所繪示血流速度圖像；第10B圖為當增益調整恰當所繪示血流速度圖像；第10C圖為當增益調整太大所繪示血流速度圖像；第11A圖為相應於步驟S8~S19之硬體實作圖；以及第11B圖為相應於步驟S10~S12之硬體實作圖。
以下藉由特定的具體實施形態說明本案之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本案之其他優點與功效，亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。
體液流速(Bodv fluid flow rate)，包括血液速度、淋巴液速度等通常可作為醫生診斷之依據，例如血流速度，是指紅細胞在血管中的流動速度，它是一個非常重要的生理參數，能夠反映很多機體功能，如心臟功能、血液循環系統功能及人體新陳代謝水平等。因此，人體血液速度的檢測在臨床診斷、手術監護等方面都具有重大的生理意義和臨床價值。血流速度還可有助於診斷血管類疾病，如人體外周血管硬化、狹窄、阻塞、斑塊的評估，判斷斷肢再植和燒傷病人的血管完好性等許多方面都具有重要的臨床應用價值，是臨床上不可或缺的重要的診斷手段之一。
因此，根據上述所言及針對習知偵測如人體血流速度之儀器之缺陋，本案提出一種具適應性溢滿與增益控制之超音波系統。
如第1圖所示，本案具適應性溢滿與增益控制之超音波系統之方塊圖，主要具有兩段式調整增益之方塊，第一階段採用類比增益調整方塊8及第二階段採用數位增益調整方塊9，其中，該類比增益調整方塊8接收超音波壓電片21之信號資料，並包含有都卜勒解調器22、類比增益濾波器23、類比數位轉換器24及具適應性增益控制的模組25，該數位增益調整方塊9包含有數位增益模組26、都卜勒信號分析器27及顯示器28。
所述超音波壓電片21，首先向檢測的部位(如肺動脈的血管)發出一定頻率的超聲波，並利用都卜勒效應陸續接收一都卜勒反射波資料。
所述都卜勒解調器22，陸續依據對都卜勒反射波資料解調成一超音波都卜勒頻移信號資料(以下稱之為都卜勒頻移信號資料)。
所述類比增益濾波器23，陸續對該都卜勒頻移信號資料進行高頻的雜訊信號濾掉並對微弱的都卜勒頻移信號進行增益(Gain)放大。例如，假設要監測的人體血流信號之最高速度為1.2公尺/秒，使用之超音波發射頻率為2.5MHz，則依都卜勒效應公式可以算出，接收之頻移頻率最高約為4KHz，便可以將過濾器設為濾除高於4KHz之信號，保留4KHz以下之信號(含4KHz以下之血流信號及雜訊)。系統中4KHz以下之雜訊除了從超音波接收器途徑進入外，也會由其他電路，例如揚聲器及藍牙傳輸模組途徑進入，因此在不造成資料滿溢之情況下，再同時將增益盡 量調高，將使得其他電路之信號訊雜比重降低，提高信號訊雜比(SNR)，並產生一具增益之類比式都卜勒頻移信號資料。當然，假設要監測的人體血流信號之最高速度為2.4公尺/秒，則以上參數都需調整為2倍。
其中，所述類比增益濾波器23可由獨立之積體電路、或獨立之模組、電子零件、或由積體電路/模組/電子零件混合組成。例如，在某些情況下，基本上使用一個現有類比增益濾波器模組即適合使用需求，假設該類比增益濾波器模組能調整之增益值範圍太小，就可在該類比增益濾波器模組之訊號輸入前端，加上一些電阻及可變電阻所組成之電阻增益電路，讓訊號進來後，先在該電阻增益電路中放大，然後再輸入到該類比增益濾波器模組。上述訊號放大方式不在此限。
所述類比數位轉換器24，陸續將該具增益之類比式都卜勒頻移信號資料轉換為一具增益之數位式都卜勒頻移信號資料。
所述具適應性增益控制的模組25，參考第3圖中，當類比數位轉換器24所輸出之該組具增益之數位式都卜勒頻移信號資料高於或低於一組預定範圍數值(2048*3/10=615~2048*7/10=1434)，由具適應性增益控制的模組25執行第一增益演算法(如第4圖的步驟S1至S7)，使得後續組之具增益之數位式都卜勒頻移信號資料被調回至該組預定範圍數值內。具適應性增益控制的模組25陸續接收類比數位轉換器24所輸出之該具增益之數位式都卜 勒頻移信號資料，並利用第4圖之一第一增益演算法(為一類比增益演算法)之流程圖包含步驟S1~S7：
步驟S1：接收時間間距內所有資料及增益，等同複數個資料與增益；也就是說，該所有資料及增益係具適應性增益控制的模組25陸續接收類比數位轉換器24所輸出之該具增益之數位式都卜勒頻移信號資料及後續具增益之數位式都卜勒頻移信號資料。例如，假設調整增益之時間間距設定為2秒，每秒取樣率為8KHz，則2秒內接收的資料數為16000個。
步驟S2：在時間間距內對該些資料中界定一間距資料最大值，也就是間距資料最大值=時間間距內所有資料之最大值；亦即，該所有資料及增益係具適應性增益控制的模組25陸續接收類比數位轉換器24所輸出之該具增益之數位式都卜勒頻移信號資料及後續具增益之數位式都卜勒頻移信號資料界定一間距資料最大值。以本例而言，計算此16000組資料之最大值即為間距資料最大值。
步驟S3：判斷間距資料最大值是否大於最大極限值，若否，則執行步驟S4，若是，則執行步驟S6。舉例來說：類比數位轉換器24採用12bit解析轉換器(resolution converter)，則數值範圍值為-211(-2048)到+211(2048)間，中心值為0，假設希望控制間距資料之最大值(必為正數)介於2048*7/10=1434及2048*3/10=615間，表示間距資料之最高值大於1434則後續資料可能溢滿，間距資料之最高值小於615則後續資料可能SNR比太弱，均無法呈現正確信號， 此時最大極限值(正值最大極限)為1434，最小極限值(正值最小極限)為615。假設該2秒內接收到之16000組資料之最大值為300(間距最大值=300)，小於最大極限值1434，所以執行步驟S4。
步驟S4：判斷間距資料最大值是否小於最小極限值，若否，則執行步驟S5，若是，則執行步驟S6。以本例而言，此次2秒內收到16000筆的最大值300小於最小極限值615，所以執行步驟S6。
步驟S5：不更新類比增益濾波器23之增益，所以新的增益=目前類比增益濾波器23之增益。
步驟S6：更新增益，新的增益=(目標值/間距資料最大值)*目前增益。當增益值需要調整時，不論原來間距最大值太大或太小，一律都以將間距最大值調整到一資料目標值為目標，資料目標值介於最小極限值及最大極限值之間，以此例言，資料目標值可設定為最小極限值及最大極限值之中間值，資料目標值=2048*5/10=1024。假設該間距資料之增益均為3(一間距資料內不調整增益)，則新的增益將更新為3*615/300=6(6.15四捨五入取整數)。
步驟S7：依據步驟S6所取得的新的增益更新類比增益濾波器23之增益，具適應性增益控制的模組25計算出新的增益值後，將新的增益設定到類比增益濾波器23，使得之後一個時間間距內所有具增益資料組之間距最大值介於一最大極限值及一最小極限值間之預定範圍數值內。
由步驟S3及步驟S4判斷結果不論是執行步驟S5(不 更改增益)或步驟S7(更改增益)，具適應性增控制的模組25都會將包含一組具增益數位式都卜勒頻移信號資料及其增益所構成之一組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料(見於第5圖，為關聯於肺動脈的血流流速的243個資料之位元組加上依序編號位元及目前增益的位元，並以封包形式傳送的該組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料之示意圖)，傳送到數位增益模組26。
還需了解地，不限於上述說明，本案實施例中一個或多個具增益之數位式都卜勒頻移信號資料成為一組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料，其中，一個具增益之數位式都卜勒頻移信號資料也能成為一組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料。
所述數位增益模組26，可透過低功耗藍牙70(Bluetooth Low Energy，BLE)或其他通訊方式依序接收該組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料及後續組之具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料，並在接收之所有組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料中，依時間順序持續取出一具增益之含增益資料段，並依據如第6圖所示第二增益演算法(為一數位增益演算法)之流程圖包含步驟S8~S12將該具增益之含增益資料段轉換為相同增益之一相同增益資料段，並將該將相同增益資料段提供給都卜勒信號分析器27分析。
如第6圖所示第二增益演算法(為一數位增益演算法)之流程圖包含步驟S8~S12，請一併見於如第11A圖，該圖 為相應於步驟S8~S9之軟體及硬體實作圖。
步驟S8：接收從具適應性增益控制的模組25所傳送的資料組(每組資料含複數個資料及增益)，資料組係一組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料及後續組之具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料。例如，具適應性增益控制的模組25所傳送的該組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料如第5圖所示，每一組資料包含243個具增益資料及增益資訊。假設開始量測後，已經陸續收到66組資料(每組資料均含243個資料及其增益)，本次收到第67組資料。
步驟S9：將該些資料組(亦是一組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料及後續組之具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料)依序放入數位增益模組26內的資料暫存器261，第N個一具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號所含的資料組存放在資料暫存器261之<起始位置，結束位置>為<(N-1)*243，(N-1)*243+242>。
以此例而言，因之前收到66個資料組已儲存在資料暫存器，這些資料組之資料已佔用資料暫存器261之位置0~位置16037位置(66*243=16038)，其中第66組具增益之含增益數位訊號資料存放之<起始位置，結束位置>等於<15795，16037>位置，以及第67組具增益之含增益數位訊號資料存放之<起始位置，結束位置>等於<16038，16280>位置。
並請一併見於如第11B圖，該圖為相應於步驟S10~S12 之軟體及硬體實作圖。
步驟S10：判斷資料暫存器261可處理資料數量是否大於都卜勒信號分析器資料段所需之資料數量，若是，則執行步驟S11，若否，則執行步驟S8。例如，都卜勒信號分析器27可使用短時傅立葉轉換(Short Time Fourier Transform)來分析資料，短時傅立葉轉換接收依時間順序之一相同增益資料段，並依序分析該資料段。
假設都卜勒信號分析器資料段所需之資料段大小為256個資料，且每次移動64個資料後再取得下一個資料段之256筆資料，以數學式表示第N個資料段之<起始資料位置，終止資料位置>=<(N-1)*64，(N-1)*64+255>。由公式可知前面66組資料已經提供247個資料段(247-1)*64+255=15999，並留下從位置(248-1)*64=15808到位置16037總共230個可處理資料(不足資料段所需256個資料)，加上本次接收第67組資料，則合計共230+243=473個可處理資料，大於一個資料段所需256個資料，故可執行步驟S11。
步驟S11：依序由資料暫存器261取出都卜勒信號分析器資料段所需數量之資料。以本例而言(如第11B圖)，接收第67個封包時，可以陸續取出資料段248~251共4個資料段，提供給短時傅立葉轉換分析，此4個資料段之<起始位置，終止位置>分別為<15808，16063>、<15872，16127>、<15936，16191>、<16000，16255>。
步驟S12：將各資料段內所有資料調整成相同增益， 並提供給都卜勒信號分析器27進行分析。一資料段被提供給短時傅立葉轉換分析前，需將資料段內所有資料轉換為使用相同增益之數值。假設前66組資料為同一個時間間距(同一時間間距內之資料不會更改增益)，其資料增益均為3，則前247個資料段可以不需調整數值，直接提供給短時傅立葉轉換分析。假設第67組資料起屬於另一個時間間距，增益調整為6，則資料段248~251中，同資料段內之資料因都含有使用不同增益之資料，有的資料增益是3，有的資料增益是6，所以均需調整增益後，更新為新的數值後，才能提供給短時傅立葉轉換分析。
舉例說明，假設資料段之增益均調整到3，則假設一資料段內有一資料，其值為N1，增益為3，則此資料不需調整，但另有一資料，其值為M1，增益為6，則此資料需更新為M2=M1* 3/6=0.5M1。
所述都卜勒信號分析器27，其利用短時傅立葉轉換依序接收由數位增益模組26傳送過來之具相同增益資料段，依序執行短時傅立葉轉換為供醫學診斷之影像(即為分析結果)以便能顯示在顯示器28。
近似於第1圖所示，第2圖為本案之具適應性溢滿與增益控制之超音波系統之第二實施例之方塊圖。
所述具適應性溢滿與增益控制之超音波系統2分兩個區塊，包含第一裝置A及第二裝置B。第一裝置A以嵌入式系統為例，其包含都卜勒解調器22、類比增益濾波器23、類比數位轉換器24、中央處理器40所包含的第一增 益控制模組41。其中，中央處理器40陸續接收由類比數位轉換器24轉換後之一具增益之數位式都卜勒頻移信號，並結合多個該數位式都卜勒頻移信號及其增益成為一組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號，再藉由低功耗藍牙70將該組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號傳送到第二裝置B。中央處理器40同時也藉由低功耗藍牙70接收第二裝置B傳送過來之新的增益命令，(其中，此新增益命令由中央處理器42內的第二增益控制模組43計算出來)，再由中央處理器40之第一增益控制模組41於新的資料組之資料開始收集時，設定新的增益命令，以改變類比增益濾波器23之增益。
承上，第二裝置B以智慧型手機為例，且中央處理器42包含第二增益控制模組43(為一種類比增益控制模組)、數位增益模組44及都卜勒信號分析器45，第二裝置B包含用於顯示分析結果(如供醫學診斷之影像)之顯示器46。其中，第二裝置B之中央處理器42，陸續接收第一裝置A傳送過來之一組具增益含增益數位式都卜勒頻移信號後，由第二增益控制模組43於一時間間距後(例如設定時間間距為2秒)，執行第一增益演算法(如第4圖的步驟S1~S7)計算出新的增益命令，再將新的增益命令藉由低功耗藍牙70傳送到中央處理器40之第一增益控制模組41，再由第一增益控制模組41將新的增益傳至增益濾波器23用以改變類比增益濾波器23之增益，以將後續之一組具增益之數位式都卜勒頻移信號資料調整回至該組預定範圍數值。其 中，在第1圖中的具適應性增益控制的模組25功能，在第2圖中，係由第一增益控制模組41及第二增益控制模組43合作完成。換言之，具適應性增益控制的模組25拆分為第一增益控制模組41及第二增益控制模組43。
數位增益模組44依序接收該組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號信號資料及後續組之具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號信號資料，並利用前述第二增益演算法(如第6圖的步驟S8~S12)，將接收之所有資料依時間順序儲存到資料暫存器261中，並依時間順序持續取出一具增益之含增益資料段，並將該具增益之含增益資料段轉換為相同增益之一相同增益資料段，也就是說，第二增益演算法調整該具增益之含增益資料段轉換為該相同增益之該相同增益資料段，係將該組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料及該後續組之具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料均調整為具有該相同增益，並依序將該相同增益資料段提供給都卜勒信號分析器45分析。
都卜勒信號分析器45，其依序利用短時傅立葉轉換將每段具相同增益的數位式信號資料段轉換為供醫學診斷之影像(即為分析結果)以便能顯示在顯示器46。
中央處理器40被裝配在嵌入式系統，另一中央處理器42裝配在智慧型手機上，其中，第二增益控制模組43被嵌入於中央處理器42執行第一增益演算法，其目的主要是中央處理器42能加快執行第一增益演算法進而分擔第一裝置A之中央處理器40之運算資源，以利微小化第一裝 置A之尺寸。
相似於第1圖與第2圖，如第7圖所示，係為本案具適應性溢滿與增益控制之超音波系統2之第三實施例之方塊圖。
具適應性增益控制的模組52被嵌入至中央處理器51，藉由中央處理器51加快執行第一增益演算法(如第4圖的步驟S1~S7)之執行效率，而第7圖中數位增益模組53及都卜勒信號分析器54被嵌入至中央處理器50，藉由中央處理器50能加快執行第二增益演算法(如第6圖的步驟S8~S12)之執行效率及顯示器55功能描述與前述第1圖相同，故此不在贅述。
最後，如第8圖為本案之具適應性溢滿與增益控制之超音波系統之第四實施例之方塊圖。
具適應性溢滿與增益控制之超音波系統2被整合於一第三裝置C(如攜帶型或桌上型超音波裝置)中。且中央處理器60包含用於執行第一增益演算法(如第4圖的步驟S1~S7)之類比增益控制模組61，用於執行第二增益演算法(如第6圖的步驟S8~S12)之數位增益模組62及都卜勒信號分析器63，以及用於顯示分析結果之顯示器64功能描述與前述第1圖相同，故此不在贅述。
再者，如第9圖為本案之提供一種調整增益控制之超音波方法之流程圖及搭配第8圖之系統之部分元件實現本案之調整增益控制之超音波方法之步驟，包括：步驟S13：透過類比數位轉換器24將一具增益之類比 式都卜勒頻移信號資料轉換為一具增益之數位式都卜勒頻移信號資料；步驟S14：透過類比增益控制模組61(或具適應性增益控制的模組)使用一類比增益演算法(第4圖的步驟S1~S7)以更新一類比增益濾波器23之增益，並使得類比數位轉換器24所輸出之後續具增益之數位式都卜勒頻移信號資料介於一組預定範圍數值，並陸續集合一個或多個具增益之數位式都卜勒頻移信號資料及其增益為一組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料，並將該組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料傳送給數位增益模組62；以及步驟S15：透過數位增益模組62依序接收該組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料及後續組之具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料，由接收之所有具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料依時間順序陸續取出一定數量之具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料成為一具增益之含增益數位式信號資料段，使用一數位增益演算法(第6圖的步驟S8~S12)將該具增益之含增益資料段轉換為相同增益之一相同增益資料段，並將該將相同增益資料段提供給都卜勒信號分析器63分析。
結論：本案提供一種具適應性溢滿與增益控制之超音波系統及其方法。第一階段採用類比增益，此階段會即時監測信號是否超過或低於一預定範圍數值來調整增益值，以不溢滿為目標，並盡量放大增益值，以提高信號訊雜比 (SNR)值。第二階段採用數位增益：將所有都卜勒信號分析器所需之同一資料段內之所有信號之增益調整到一致，以便進入短時傅立葉轉換增益功能，使得本案所提出醫學超音波檢查系統具有高信號訊雜比且易攜帶外出，又能快速準確測量如血流速度之技術優勢。
習知第10A圖為當增益調整太小所繪示血流速度圖像。第10A圖說明增益值太低會產生不佳的信號訊雜比(SNR)，將無法真實且完整地呈現代表血流流速的都卜勒頻移信號的內容。
習知第10C圖為當增益調整太大所繪示血流速度圖像。第10C圖說明增益值太高時，經都卜勒超音波系統中的類比數位轉換電路所轉換的都卜勒數位信號，經短時傅立葉轉換後所得之頻移信號會有信號變形的發生，同樣地無法真實且完整地呈現代表血流流速的都卜勒頻移信號的內容。
然而，經本案所提供的具適應性溢滿與增益控制之超音波系統及及其方法中，第10B圖為當增益調整恰當所繪示血流速度圖像。同時，由於第一階段採用類比增益及第二階段採用數位增益，使得信號訊雜比(SNR)值提高及進入短時傅立葉轉換時資料段內之資料有相同增益值，持續進行短時傅立葉轉換可以得出正確之血流資訊，以便供醫學診斷之影像能以較佳的對比影像顯示在顯示器。
上述實施形態僅例示性說明本案之原理、特點及其功效，並非用以限制本案之可實施範疇，任何熟習此項技藝 之人士均可在不違背本案之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本案所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為申請專利範圍所涵蓋。因此，本案之權利保護範圍，應如申請專利範圍所列。

Claims (15)

  1. 一種具適應性溢滿與增益控制之超音波系統，包括：一類比增益濾波器，用以接收一超音波之類比式都卜勒頻移信號資料進行濾波，並對該類比式都卜勒頻移信號資料進行增益(Gain)放大以產生一具增益之類比式都卜勒頻移信號資料；一類比數位轉換器，用以將該具增益之類比式都卜勒頻移信號資料轉換為一具增益之數位式都卜勒頻移信號資料；一具適應性增益控制的模組，用以持續監測該具增益之數位式都卜勒頻移信號資料及後續之具增益之數位式都卜勒頻移信號資料，並使用一第一增益演算法更新該類比增益濾波器之增益，以使該類比數位轉換器所輸出之後續具增益之數位式都卜勒頻移信號資料落於一組預定範圍數值內，俾集合一個或多個具增益之數位式都卜勒頻移信號資料成為一組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料；以及一數位增益模組，其依序接收該組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料及後續組之具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料，將接收之所有資料儲存至該數位增益模組之一資料暫存器，由該資料暫存器中依時間順序持續取出一具增益之含增益資料段後，利用一第二增益演算法調整該具增益之含增益資料段轉換為相同增益之一相同增益資料段。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之超音波系統，其中，該具適應性增益控制的模組拆分為一第一增益控制模組及一第二增益控制模組，且該第二增益控制模組執行該第一增益演算法，使得該類比數位轉換器所輸出之該組具增益之數位式都卜勒頻移信號資料介於該組預定範圍數值，及該第一增益控制模組每隔一預定時間後，將該第二增益控制模組經該第一增益演算法所產生的新的增益設定至該類比增益濾波器以更新該類比增益濾波器之增益。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之超音波系統，其中，該組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料透過低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy，BLE)通訊方式被傳輸至該數位增益模組。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之超音波系統，更包含一都卜勒信號分析器，利用短時傅立葉轉換(short-time fourier transform)將該資料段及後續資料段依序轉換為具相同增益的數位式信號以作為供醫學診斷之圖形、影像或資料。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之超音波系統，其中，該都卜勒信號分析器及該數位增益模組係嵌入於智慧型手機中。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之超音波系統，更包含一都卜勒解調器，其將一都卜勒反射波資料解調為一超音波都卜勒頻移信號資料。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之超音波系統，其中，該第二增益演算法調整該具增益之含增益資料段轉換為該相同增益之該相同增益資料段，係將該組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料及該後續組之具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料均調整為具有該相同增益。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之超音波系統，其中，該組超音波都卜勒頻移信號資料由至少一檢測的部位經反射而被產生，且該檢測的部位為一動物的身體部位。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之超音波系統，其中，該身體部位的體液流速為血液流速或淋巴液速度。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之超音波系統，其中，該具適應性溢滿與增益控制之超音波系統被整合於一攜帶型或桌上型超音波裝置。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之超音波系統，其中，當該類比數位轉換器所輸出之該組具增益之數位式都卜勒頻移信號資料高於或低於該組預定範圍數值，該組具增益之數位式都卜勒頻移信號資料被調回至該組預定範圍數值。
  12. 一種調整增益控制之超音波方法，包括：透過一類比數位轉換器將一具增益之類比式都卜勒頻移信號資料轉換為一具增益之數位式都卜勒頻移信號資料；透過一具適應性增益控制的模組使用一類比增益演算法以更新一類比增益濾波器之增益，並使得該類比數位轉換器所輸出之後續具增益之數位式都卜勒頻移信號資料介於一組預定範圍數值，並陸續集合一個或多個具增益之數位式都卜勒頻移信號資料及其增益為一組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料；以及透過一數位增益模組依序接收該組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料及後續組之具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料，由接收之所有具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料依時間順序陸續取出一定數量之具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料成為一具增益之含增益數位式信號資料段，由該數位增益模組利用一數位增益演算法將該具增益之含增益資料段轉換為相同增益之一相同增益資料段。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之超音波方法，其中，該組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料關聯於至少一檢測的部位所反射的一超音波都卜勒頻移信號資料。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之超音波方法，其中，該類比增益演算法包含：步驟S1：接收時間間距內該具增益之數位式都卜勒頻移信號資料及該後續具增益之數位式都卜勒頻移信號資料；步驟S2：在該時間間距內對該具增益之數位式都卜勒頻移信號資料及該後續具增益之數位式都卜勒頻移信號資料中界定一間距資料最大值；步驟S3：判斷該間距資料最大值是否大於一最大極限值，若否，則執行步驟S4，若是，則執行步驟S6；步驟S4：判斷該間距資料最大值是否小於一最小極限值，若否，則執行步驟S5，若是，則執行步驟S6；步驟S5：不更新類比增益濾波器之增益；步驟S6：更新增益使得一新的增益=(一目標值/該間距資料最大值)*目前增益；以及步驟S7：依據步驟S6所取得的該新的增益更新該類比增益濾波器之增益。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之超音波方法，其中，該數位增益演算法包含：步驟S8：接收該組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料及該後續組之具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料；步驟S9：將該組具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料及該後續組之具增益之含增益數位式都卜勒頻移信號資料依序放入該資料暫存器；步驟S10：判斷該資料暫存器可處理資料數量是否大於都卜勒信號分析器資料段所需之資料數量，若是，則執行步驟S11，若否，則執行步驟S8；步驟S11：由該資料暫存器依序地取出該些都卜勒信號分析器資料段所需數量之資料；以及步驟S12：將該些都卜勒信號分析器資料段調整成具一相同增益資料段以提供給一都卜勒信號分析器進行分析。
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Sripriya Natarajan,"Automatic Gain Control for a Small Portable Ultrasound Device",Massachusetts Institute of Technology, May 23, 2001
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Texas Instruments, "Software Implementation of Automatic Gain Controller for Speech Signal", White Paper SPRAAL1–July 2008. Sripriya Natarajan,"Automatic Gain Control for a Small Portable Ultrasound Device",Massachusetts Institute of Technology, May 23, 2001 *

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