超聲多普勒內(nèi)窺成像系統(tǒng)及信號處理的研究.pdf

1、近十幾年來,隨著各種電子系統(tǒng)的應(yīng)用和換能器技術(shù)的發(fā)展,超聲醫(yī)學(xué)診斷儀器被廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。其中多普勒血流檢測超聲內(nèi)窺鏡系統(tǒng)具有深度定位能力,能較好的對血流速度進(jìn)行定量檢測,可以更加準(zhǔn)確地判斷病變情況,得到了廣泛的應(yīng)用。
　　 本論文針對超聲多普勒內(nèi)窺成像提出全數(shù)字化的信號處理方案,實現(xiàn)了對內(nèi)窺鏡下小探頭獲得的多普勒微弱信號的處理,利用現(xiàn)場可編程門陣列(FieldProgrammable Gate Array,FPGA)實現(xiàn)信號

2、的解調(diào)和頻譜分析,并進(jìn)行基于多普勒物理模型的成像實驗,對超聲內(nèi)窺成像系統(tǒng)的正確性進(jìn)行驗證。主要內(nèi)容包括:
　　 1.介紹脈沖多普勒檢測技術(shù)的原理、信號模型,并針對血流自身的動力學(xué)特征及其對信號在頻域上分布的影響,確定并完成超聲脈沖多普勒系統(tǒng)的整體方案:設(shè)計脈沖多普勒系統(tǒng)的距離選通裝置,提取目標(biāo)不同深度處的血流速度信息;完成多普勒信號正交解調(diào)環(huán)節(jié),使信號降至基頻;設(shè)計FIR高通濾波器,避免血管及低速血流對信號的干擾;利用短時傅立葉

3、變換完成頻譜分析,并用動態(tài)功率譜圖的形式,形象地反映血流的方向、速度等信息。
　　 2.目前有關(guān)基于內(nèi)窺鏡小探頭的微弱超聲多普勒信號檢測的研究很少,本文針對超聲內(nèi)窺成像系統(tǒng)提出全數(shù)字化的多普勒回波信號處理方案。針對內(nèi)窺系統(tǒng)超聲探頭體積小,回波信號微弱的特點,設(shè)計具有較高增益和較低噪聲的超聲信號前端接收電路。在FPGA中對微弱信號進(jìn)行全數(shù)字化處理,實現(xiàn)正交解調(diào)與頻譜分析等功能,系統(tǒng)具有電路匹配性好、信噪比高、處理速度快,體積小等優(yōu)

4、勢。
　　 3.針對頻譜多普勒系統(tǒng)自身的噪聲和外來干擾對譜圖的影響,綜合小波分析在多普勒超聲信號降噪和血管壁信號消除中的應(yīng)用,提出一種新的超聲多普勒信號分析系統(tǒng)設(shè)計框架。首先介紹小波變換,然后針對小波變換的缺點,給出信號的自適應(yīng)描述,包括小波包和小波框架,最后介紹基于這些變換和取閾值的降噪方法及其時移不變性的獲得方法,并利用基于小波框架及其時移不變特性的降噪方法對多普勒超聲信號進(jìn)行降噪。為了避免直接降噪復(fù)信號時,閾值非線性引起的

5、相位扭曲,結(jié)合非固定取閾值方法,設(shè)計出一種多普勒超聲信號降噪模式,并結(jié)合Matlab給出具體的實驗方法和實驗結(jié)果。
　　 4.搭建基于多普勒物理模型的成像實驗平臺,驗證系統(tǒng)正確性。首先介紹多普勒物理模型實驗平臺的組成及實驗方法。設(shè)計三組實驗——靜態(tài)血流模型、雙路同向血流模型和雙路異向血流模型,分析血流的速度與方向改變時,系統(tǒng)所得動態(tài)功率譜圖的情況,證明硬件電路可以判斷血流速度的快慢、辨別血流方向以及具有距離選通的功能,以此證明系

6、統(tǒng)方案的可行性及正確性。
　　 本論文具有以下幾個創(chuàng)新點:
　　 1、針對內(nèi)窺鏡小探頭的微弱超聲多普勒信號檢測,設(shè)計并實現(xiàn)了具有較高增益和較低噪聲的超聲信號接收系統(tǒng),在TPGA中對微弱信號進(jìn)行全數(shù)字化處理,實現(xiàn)了正交解調(diào)與頻譜分析等功能,系統(tǒng)具有電路匹配性好、信噪比高、處理速度快、體積小等優(yōu)勢。
　　 2、考慮到血流多普勒回波信號的時頻特性及所攜雜波的時變性、復(fù)雜性,本文應(yīng)用基于小波冗余框架理論的非正交小波降噪方

7、法,同時結(jié)合“區(qū)間能量最小”優(yōu)化準(zhǔn)則,設(shè)計了一種新型血流多普勒超聲信號優(yōu)化模型,通過增加適量的冗余性,來克服正交、雙正交小波在信號去噪方面的不足,同時又極大地改善了小波框架的逼近空間與信號空間不匹配產(chǎn)生的邊界畸變失真。通過數(shù)值仿真,本文設(shè)計的這種濾噪方案在信噪比改善(dB)、平均頻率波形均方根誤差(Hz)、譜寬波形均方根誤差(Hz)等指標(biāo)方面,具有比其它濾波方式更好的效果。.通過實驗?zāi)M平臺所得的數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗證了這一結(jié)論。