全数字B超信号的处理(2)

模拟信号早期数字化 

B超的接收电路用于检测由人体组织反射的超声信息。传统模拟B超接收电路经过对超声回波信号的放大、增益补偿、检波、滤噪及A/D转换等处理,将超声回波所携带的人体组织信息解调出来,最综将数字信号送到计算机进行成像处理;而全数字B超则利用高速A/D直接对前置放大后的回波信号进行采样,使得模拟信号提早转换成数字信号,即模拟信号早期数字化,在利用可编程逻辑器件对采样所得到的数据进行过滤、对数放大及检波等各种处理,有效地维护了信号的完整性,降低了失真,避免伪像。然而早期的数字化对A/D的位数,提高分辨率。采样频率理论上选择为回波信号最高频率的两倍以上,但还要考虑到相位量化误差等原因,就必须提高采样频率或者采用内插值方法来等效地提高采样率;但是,采样频率和采样位数本身是一对矛盾,只能这种考虑,根据系统的性能要求,兼顾器件各方面的参数和性能来选择。

超声信号处理流程如图:

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动态滤波:

     组织的衰减不仅与被探测介质的深度有关,还与超声波的频率有关,随着频率的升高,介质对超声能量的衰减系数增大。因此,当所发射超声波具有较宽的频带时,所接收回波中的频率成分必然与距离有关。在近场,回波频率成分主要集中在频带的高端,随着探测深度的增加,回波频率成分足渐向频带的低端偏移,这是因为随着深度的增加,高频成分的衰减要比低频成分的衰减大,当探测深度较大时,高频成分甚至不能到达介质的深部便已被全部吸收。

      动态滤波电路就是用于自动选择回波信号中有诊断价值的频率成分,并滤除近体表以低频为主的强回声和远场以高频为主的干扰的一个频率选择器,从而提高了近场分辨力和远场信噪比,使得回声图像的质量得到改善。

      在全数字B超中,动态滤波器有几种实现方法:

1.基于匹配滤波概念来实现的动态滤波器,能有效地提高系统的信噪比。在信号处理过程中,匹配滤波器系数随接收深度的变化动态地改变。信号处理模块的输入是波束合成器输出的射频数据流。在经过匹配滤波之后进行对数放大与包络检测。

2.基于自适应门限子波消噪算法的动态滤波器,能在整场中很好的消噪,并且不损坏中场 的有用信号。这种消噪法克服了通常子波消噪不能很好处理时变或空变噪声不均匀问题,但是计算量有所增加,有待改善。

应选用FIR有限冲激响应数字滤波器。

对数放大:

对数放大电路用于压缩回波信号的动态范围,他是保证图像实现灰阶显示以突出有诊断意义图像信息的基础。

       超声回波幅度的动态范围很大 ,常可达100~110dB 。其中,组织界面的差异 所引起的动态范围约20dB;声束与界面成不同角度产生所谓“对准效应” 引起的动态范围约 为 30dB。由于人体组织对超声波衰减所引起的动态范围为1dB/cm.MHz,而作为终端设备的一般的CRT显 示 器的动态范围只有20dB~26dB左右。显然,如果将 回波信号简单地放大后送显示器显示,仅不能获得对 应幅度的不同辉度 ,还将产生强信号时的“ 阑效应 ”致使强信号图像一片模糊 ,弱信号图像星星点点 ,不能提取出有诊断价值的信息。  

       解决办法就是对回波信号进行对数压缩,经过对数压缩的回波图成为灰阶显示回波图。灰阶显示回波图虽然动态范围小于原图像的动态范围,但保留了原图像信息的差异,因而最综得到的超声图像包含了各种幅度信息,使图像层次丰富,表现力大大提高。可见,对回波信息进行对数压缩是超声图像信息处理的一项重要内容。

       全数字B超中的对数放大可基于现场可编程门阵列(FPGA)的查找表(LUT)来实现,LUT本质上就是一个RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后,PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果,并把结果事先写入RAM,这样,每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表,找出地址对应的内容,然后输出即可。

包络检测:

      包络检波电路用于将对数放大器输出的高频回波信号变换为视频脉冲输出。由于回波是矩形脉冲调制的超声振荡,包络检波器的任务就是要将高频的回波转换(解调)为视频信号输出。

主要方法有:

1.绝对值低通滤波法。

2.HIBERT变换发。

3.垂直滤波法。

4.正交数字包络检测法。

5.逐阶极大值拟合包络线法。

二次采样:

在实际的超声信号处理中,常需要根据有用信号来调整采样速率,即对采样后信号进行抽取或插值处理。

一般有以下两种方法:

1.在高速抽取或插值系统中,一种非常有效的方法就是使用Hogenauer提出的“级联积分器梳状(CIC)滤波器”实现多采样率滤波。使用FPGA实现CIC滤波器较之使用数字信号处理器(DSP)实现,有较大优势。

2.非均匀数据实时压缩是基于点压缩比的概念。对超声波回波的采样数据是以帧为单位进行数据处理和显示的。每一帧具有固定的长度,例如256个点,帧中的每一个点对应一个点压缩比。即每一个点实际上是连续若干个点中的具有最大幅值的点。例如某个点的点压缩比为3,即是这个点是从连续的3个点中取出的最大的点。

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