超聲多普勒內(nèi)窺成像系統(tǒng)及信號(hào)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(cè)超聲內(nèi)窺鏡系統(tǒng)具有深度定位能力,能較好的對(duì)血流速度進(jìn)行定量檢測(cè),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(duì)超聲多普勒內(nèi)窺成像提出全數(shù)字化的信號(hào)處理方案,實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)窺鏡下小探頭獲得的多普勒微弱信號(hào)的處理,利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FieldProgrammable Gate Array,FPGA)實(shí)現(xiàn)信號(hào)

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(shí)驗(yàn),對(duì)超聲內(nèi)窺成像系統(tǒng)的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。主要內(nèi)容包括:
　　 1.介紹脈沖多普勒檢測(cè)技術(shù)的原理、信號(hào)模型,并針對(duì)血流自身的動(dòng)力學(xué)特征及其對(duì)信號(hào)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(jì)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(hào)正交解調(diào)環(huán)節(jié),使信號(hào)降至基頻;設(shè)計(jì)FIR高通濾波器,避免血管及低速血流對(duì)信號(hào)的干擾;利用短時(shí)傅立葉

3、變換完成頻譜分析,并用動(dòng)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(hào)檢測(cè)的研究很少,本文針對(duì)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(hào)處理方案。針對(duì)內(nèi)窺系統(tǒng)超聲探頭體積小,回波信號(hào)微弱的特點(diǎn),設(shè)計(jì)具有較高增益和較低噪聲的超聲信號(hào)前端接收電路。在FPGA中對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行全數(shù)字化處理,實(shí)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(shì)。
　　 3.針對(duì)頻譜多普勒系統(tǒng)自身的噪聲和外來干擾對(duì)譜圖的影響,綜合小波分析在多普勒超聲信號(hào)降噪和血管壁信號(hào)消除中的應(yīng)用,提出一種新的超聲多普勒信號(hào)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架。首先介紹小波變換,然后針對(duì)小波變換的缺點(diǎn),給出信號(hào)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(shí)移不變性的獲得方法,并利用基于小波框架及其時(shí)移不變特性的降噪方法對(duì)多普勒超聲信號(hào)進(jìn)行降噪。為了避免直接降噪復(fù)信號(hào)時(shí),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(jì)出一種多普勒超聲信號(hào)降噪模式,并結(jié)合Matlab給出具體的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　 4.搭建基于多普勒物理模型的成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái),驗(yàn)證系統(tǒng)正確性。首先介紹多普勒物理模型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成及實(shí)驗(yàn)方法。設(shè)計(jì)三組實(shí)驗(yàn)——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(shí),系統(tǒng)所得動(dòng)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(gè)創(chuàng)新點(diǎn):
　　 1、針對(duì)內(nèi)窺鏡小探頭的微弱超聲多普勒信號(hào)檢測(cè),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有較高增益和較低噪聲的超聲信號(hào)接收系統(tǒng),在TPGA中對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行全數(shù)字化處理,實(shí)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(shì)。
　　 2、考慮到血流多普勒回波信號(hào)的時(shí)頻特性及所攜雜波的時(shí)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(shí)結(jié)合“區(qū)間能量最小”優(yōu)化準(zhǔn)則,設(shè)計(jì)了一種新型血流多普勒超聲信號(hào)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(hào)去噪方面的不足,同時(shí)又極大地改善了小波框架的逼近空間與信號(hào)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(jì)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(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)所得的數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證了這一結(jié)論。