超声中的信号处理(1)

1、超声中的信号处理（一）内容提要： 概述 超声前端 波束合成 信号处理 1.针对两年之内的新员工； 2.初步理解超声各种模式的成像原理及过程； 3.对超声图像如何得到，有一个明确的概念；概述：目的好莱坞大片的飞机以及军舰上经常能看到上面的图像；雷达系统：发射无线电，通过检测回波的信息来判断有无目标以及目标的距离速度等信息。超声技术80%来源于雷达（脉冲波，连续波，合成孔径，相控阵，）；超声系统：发射超声波，通过检测从人体组织反射回来的回波信息，以图形化的方式再现人体内部器官的状况，供医生诊断。概述：超声系统与雷达的相似之处线阵颈动脉血流速度图。概述：几幅超声图像例子肾脏血流能量图。凸阵肝脏血流速

2、度图。心脏黑白图。从最开始的扫描，到最后的计算机显示，上面这些图形是如何形成的？首先看看超声信号处理结构。超声处理结构图：前端处理，中端处理，后端处理。概述：超声处理流结构框图 前端处理（博大精深，是超声系统的精髓）：发射聚焦；逐级驱动产生高压；高压开关：对发射来说是将N个逻辑通道连接到KN个物理阵元中的N个物理阵元。对接收来说是从KN个物理阵元中选出N个物理阵元输出到N个逻辑通道。其中M7系统的N=64，K=2；模拟前端：小信号放大，低噪放，VGA，抗混叠滤波，AD变换波束合成：延时RAM+聚焦计算+变迹+求和概述：超声前端处理结构图 中端处理（噪声中必要的信号检测手段）：正交解调：频移，抽

3、取前的抗混叠滤波，抽取；B信号处理：包络检测，对数压缩。C信号处理：解交织，壁滤波，自相关，参量估计。D信号处理：壁滤波，频谱估计，声音信号处理。概述：超声中端处理结构图 后端处理（图像的美化以及显示）：B信号处理：帧相关，图像增强，扫描变换。C信号处理：帧相关，KEYHOLE去噪，扫描变换。D信号处理：谱后处理，扫描变换。各种模式的融合。概述：超声后端处理结构图一个女孩子整体形象的构成：先天条件+必要条件+后天弥补超声前端=先天条件：相貌，身材，肤色；超声中端=必要妆扮：如刷牙，洗脸；超声后端=弥补妆扮：胭脂，香水，减肥药。概述：超声前端，中端，后端关系先天条件好，不需要中端，后端弥补手段。

4、因此说超声前端是超声系统的精髓。概述：超声前端，中端，后端关系内容提要： 概述 超声前端 波束合成 信号处理发射波形发射波形考虑的因素：频率；级性；脉冲串个数对图像清晰度，分辨率，灵敏度的影响（已超出我的所知）。发射波形第一，第二个波形的发射频谱：发射脉宽宽度和频谱带宽成反比；单级性，在零频附近很大的一部分的发射能量被浪费了；发射波形双级性发射无零频，能量利用率高：单个双级性脉冲的发射带宽比多个双级性脉冲的发射要宽，常用于B,M，黑白图像更强调的是清晰度；多个双级性脉冲的发射常用于C,PW，相位检测图像更着重的是灵敏度；右边第三图是发射加窗后的频谱图，降低了旁瓣，主瓣有所展宽。发射波形加HAN

5、NING窗后的线性调频（chirp）波：从频域上看，旁瓣更低，200dB以下，基本无旁瓣：优点1：有利于自然谐波成像；优点2：能量利用率更高。发射波形传统的发射波形和加窗的线性调频波形成像效果对比前端发射框图前端接收框图发射，接收，高压隔离细节前端ATGC控制改善信号的动态范围前端ATGC控制改善信号的动态范围内容提要： 概述 超声前端 波束合成 信号处理 培训课程 新人培养在发射焦点法线两侧各32个阵元，发射脉冲信号；各阵元的发射信号的先后顺序不同，使得64路信号同时到达焦点，形成发射聚焦；很明显，中间阵元距离焦点短，发射最晚；最两侧阵元距离焦点远，发射最早。发射聚焦波束合成：接收线n假设发

6、射焦点法线两侧有两条线，可以认为线上的每一点都是一个点光源，向四面八方反射，收集反射波到达不同阵元的等相位点数据，相加合并后为该条接收线的一个样点。n上图中圆弧和延时RAM相交的位置，即为该点回波的等相位点在延时RAM中的位置。波束合成：接收线上不同点的等相位点在延时RAM中的位置n下一次发射，让聚焦点向右偏移一点距离；n法线也向右偏移同样的距离。参与发射的阵元同样向右偏移。波束合成：下一条线的发射聚焦波束合成：再次得到两条接收线的数据。n发射-接收；n如此反复下去，直到收集完毕形成一帧所需的所有线数据；n将收集到的线数据经过后续的处理，以一帧图像的方式直观显示出来。波束合成：收集一帧图像所需

7、的线数据。n多波束的概念：n在DC6中，认为焦点法线两侧各有一条线，两条线同一深度点的在延时RAM中的等相位点的位置稍有不同，波束合成后的值也不同。n在M5中，认为焦点法线两侧各有两条线，四条线同一深度点的在延时RAM中的等相位点不同，因此波束合成后的值也不同。n在M7中，可以做到4，8，12波束兼容。波束合成：多波束的概念。n多波束接收：同一深度不同波束的点在延时RAM中等相位点的位置稍有不同。上图为双波束接收的例子波束合成：多波束的概念。n系统时钟频率Fc即为系统总的资源 ；n假设波束个数为N，即采样率为Fc/N ；nDC6 : Fc=80M，2波束，因此采样率=40M；nM5 : Fc=

8、120M，4波束，因此采样率=30M；nM7 : 上图中对于4波束来说，采样率为160M/4=40M；对于8波束来说，采样率为160M/8=20M；波束合成：M7兼容4，8，12波束。n反射点到阵元的距离不同，所需的时间不同，回波数据先到达中间阵元，然后到达两边的阵元；n要收集所有阵元的等相位回波数据，等最两边的阵元的数据到达后才可以合成；n因此需要延时RAM来存储中间先到来的等相位点的数据；n接收聚焦的定义：在不同通道的延时RAM中求出等相位数据的过程。波束合成：聚焦的定义n为什么要接收多个通道的等相位点的数据？实际每一个通道的数据既有信号也有噪声，信号的等相位叠加是幅度的叠加，而噪声是不相

9、关的，噪声的叠加是能量的叠加。n因此当通道数增加一倍时，信号的幅度变为原来的两倍，能量变为原来的四倍，即能量增加了6dB，而噪声能量增加了一倍，即3dB。n因此理论上：通道每增加一倍，SNR增加（6-3）=3dB。n为什么不增加更多的通道？当通道增加到一定值后SNR增益增加有限，但是随之而来的硬件前端成本，波束合成的资源成本却成倍增加，功耗也随之增加。n折衷考虑，DC6：64通道；M5：32通道；M7：64通道。波束合成：多通道的相干叠加n相干叠加的概念贯穿于超声信号处理的整个过程。波束合成：相干叠加提高信噪比n沿着接收线方向有很多个样点，通常是几千个样点，计算每一个样点所有通道在延时RAM中

10、等相位点的位置，计算量非常大，因为相邻样点弧线与延时RAM的交点变化非常小，以前DC6，M5为了减少计算量，认为沿接收线方向相邻的若干个接收点的半径相同。nM7聚焦：改进了聚焦的设计方法，沿着接收线的方向，每一个采样点都计算其在延时RAM中的等相位点的位置。称为逐点聚焦。波束合成：逐点聚焦与隔点聚焦n实际等相位曲线在延时RAM中的位置，不一定刚好落在整数个样点上，如图中黑色圈圈所示。n如果就近取出RAM数据的方法，得到图中所示折线，即用折线来近似代替等相位曲线。聚焦精度等于采样率。波束合成：聚焦精度n假设蓝色曲线为采样前的回波曲线，采样后延时RAM中的值为黑色箭头所示，现在等相位曲线和延时RA

11、M相交点为图中红色箭头所示。n现在问题转化为由已知的采样点求出原模拟曲线上任一点。n由采样定理可知，如果采样频率大于信号最高频率的两倍，可以由采样后的离散点求出原模拟信号上的任何一点处的值。公式为以SINC函数为权重的对所有离散点的加权求和。波束合成：插值计算提高聚焦精度n插值计算，也可认为是采样率的变换，后面在将降采样率滤波器的时候，还会有详细的介绍。n插值精度的选择，可以认为是几倍的升采样，实际中用到的是4倍的升采样，即可以得到两个样点之间的三个等时间间隔的采样点，上图中红色所示。聚焦精度为1/4 chip。波束合成：插值计算提高聚焦精度n4倍升采样插值后，插值后的位置如上图黑线所示，和理

12、论上的圆圈点仍然存在允许的误差。波束合成：插值计算提高聚焦精度 两种滤波方法：1.传统的插值滤波：在MATLAB中的命令为：y=resample(p,q,x),如下图蓝色所示，大约30阶，对于64个通道来说，阶数太高，计算量太大。2.信号带宽窄，可以用陷波器的方法去掉三份镜像，如下图红色所示。如此设计的陷波器，阶数非常低，需要的乘法器数目少。稍微牺牲一点性能，来换取过大的计算量。波束合成：插值实现方法波束合成：插值前后频谱波束合成：陷波器的简单实现方法n用极零点的方法来实现陷波器。用极零点设计滤波器的方法，得到该FIR陷波器的8个系数，有意思的是，该FIR的8个系数并非对称，但是相频曲线却是线

13、性相位的。波束合成：陷波器的简单实现方法波束合成：插值提高聚焦精度的例子实际上由于探头的原因，不可能收集到所有的等相位点的数据，右图中只收到一部分等相位点的数据，图中黑点所示。等相位曲线上橙色点无法接收到。也可以认为都接收到了，但是权重不同，黑色点的权重为1，橙色点的权重为0.波束合成：变迹将弧线展开为直线，等相位曲线上所有有用点加的窗如上图所示。因为不能收集所有的有用数据，加窗不可避免。时域加窗，即时域和数据相乘，对应于频域卷积。卷积的结果，是使得理想频谱被展宽了，而且出现了旁瓣。在数字信号处理的窗函数的截断效应里，有详细的论述。波束合成：加权的概念波束合成：不同的窗函数幸好前人专门研究如何

14、降低截断效应引起的旁瓣。开发了各种其它的窗函数（HANNING，HAMMING，BLACKMAN，）。局部放大幅频特性曲线，可得下列结论：矩形窗的旁瓣的最高值是-13.26dB，而HANNING窗的旁瓣的最高值是-31.45dB，即HANNING窗对旁瓣的抑制比矩形窗好。HANNING窗的旁瓣下降趋势比矩形窗的下降趋势更快。HANNING窗的主瓣比矩形窗的主瓣宽。波束合成：不同窗函数的优缺点变迹：给不同通道的等相位点数据加窗的过程。从右图成像结果可以看出：矩形窗旁瓣的影响，HANNING窗效果好很多。缺点：加HANNNING窗后，亮点略有展宽。任何一个处理过程都有利有弊，关键看利弊的大小，如何

15、取舍。波束合成：变迹的定义右图是变迹曲线随深度变化的示意图：远离中心阵元接收到的等相位点的数据，认为其作用小，离中心阵元越远，给于的权重越小，甚至权重取0。如图中单根红色曲线所示。随着深度增加，同一接收通道的权重逐渐增加。如图中红色曲线和黄线的相交点。图中最窄的变迹曲线是最近场的变迹曲线。波束合成：变迹曲线随深度而变波束合成小结波束合成 = 数据延时 + 聚焦计算 + 变迹 + 求和内容提要： 概述 超声前端 波束合成 信号处理内容提要： 信号处理-检波 信号处理-正交解调 信号处理- B信号处理 信号处理-C信号处理 信号处理-多普勒信号处理 信号处理-声音处理 后端信号处理检波-回波表达式

16、波束合成 将多个通道（32，64等）的回波数据合并为一路数据，其特性和单通道的回波数据类似。回波不仅在幅度上受人体器官的调制，而且相位上由于多普勒效应也受到运动组织或者血流的调制。n回波表达式：n对于B,M信号处理，仅关心回波的包络信息A(t)，对于C,CM,PW,CW不仅关心回波的幅度，而且关心回波的相位信息(t)。nB,M恢复包络的方式：n1.传统的绝对值后滤波的包络检波（黑白超声，DC6的B处理）n2.希尔伯特变换法检波（产品中没有用到）n3.正交解调的方法得出包络（M5,M7,）检波-回波表达式n早期的黑白产品，以及第一款彩超DC6，对于B,M信号的包络检测，都是用对信号取绝对值后低通

17、滤波以恢复原信号的包络。检波-包络检波1n也可以采用HILBERT变换的方法，HILBERT变换的本质是一个90度的移相器，检波-包络检波2n上图为用HILBERT变换的方法求回波的包络。检波-包络检波2内容提要： 信号处理-检波 信号处理-正交解调 信号处理- B信号处理 信号处理-C信号处理 信号处理-多普勒信号处理 信号处理-声音处理 后端信号处理n从下图很清楚看出：正交解调分为三部分：n1.频移；n2.去镜像以及抗混叠滤波；n3.抽取n在实际的逻辑实现过程中，2和3一起完成。正交解调-组成n乘以正余弦因子：正交解调-理论推导n低通滤波得到基带的幅度信息以及相位信息：n求模：n得出相位，

18、用于估算速度，频谱：信号处理-正交解调处理过程频谱图n第一步：频移。将信号搬迁到零频附近。n第二步：低通滤波。过滤掉二倍频成分，同时降采样之前必须实现低通滤波，防止频谱混叠。n为什么要降采样？假设对于深度为5cm以及10cm,采样率为40M，有用样点数分别为： 0.052/1540*40e6=2600 0.12/1540*40e6=5200n而最后显示的纵向点数是一定的，大约为：480点。即把2600个样点或5200个样点变换到最终的480个点。n因此对于5cm以及10cm，降采样因子分别为： 2600/480约为5； 5200/480约为10。正交解调-步骤上图是B信号回波的频谱示意图，横轴

19、表示时间即探测深度，纵轴表示回波频谱成份，颜色深的红色表示能量集中信号随深度变化趋势。从图中可以看出，高频成分衰减的快，低频成份衰减的慢，因此，（1）回波的中心频率随着深度增加而向低频漂移；（2）回波的带宽随深度增加而减小。（1）（2）是设计正交解调的指导因素。正交解调-回波特点正交解调-频移正交解调-频移 频移对应着时域的调制，即乘以COS,SIN旋转因子，n对于B来说，频移的归一化角频率随时间而减小，即产生随深度增加而归一化角频率减小的正余弦因子。n对于C,PW来说，频移值不变。这是由超声不同模式的成像特点决定的。正交解调-正余弦因子的产生 几款产品COS,SIN旋转因子产生的方法：正交解调-不同模式的正余弦因子示意正交解调-分数倍采样率变换 掌握采样率变换的理论以及实现技术1. 升采样前后频谱关系以及镜像抑制滤波；2. 降