基于變窗口函數(shù)的仿人體組織材料超聲散射信號處理研究

楊夢薇， 祝海江

（北京化工大學信息科學與技術學院，北京 10013）

基于變窗口函數(shù)的仿人體組織材料超聲散射信號處理研究

楊夢薇， 祝海江

（北京化工大學信息科學與技術學院，北京 10013）

基于仿人體組織材料超聲散射成像，提出了一種變窗口函數(shù)算法。該算法首先對散射信號進行閾值變換處理，再進行窗口漏檢調和，最后對信號進行量化成像。實驗表明該技術能夠使圖像有效區(qū)域與噪聲明顯區(qū)別開來，滿足后期邊緣提取及三維重建要求。

計量學；超聲散射成像；變窗口函數(shù)；MATLAB；散射信號處理

1 引 言

近年來，隨著超聲技術的發(fā)展，超聲成像逐漸成為醫(yī)學超聲診斷應用最重要分支之一，在醫(yī)學臨床診斷中得到廣泛應用［1］。生物組織的超聲散射特性是一切回波超聲診斷的物理基礎［2］，對組織定征和超聲成像等探討組織聲學特性［3］與超聲表現(xiàn)之間相互關系的基礎與臨床應用研究有十分重要的意義。尋求有效手段從超聲信號中分離出能反映組織狀態(tài)散射信號［4］，從而將其作為區(qū)別不同組織及鑒別疾病性質的依據(jù)，是目前很重要的研究方向［5，6］。

本文從分析散射信號入手，提出了一種可變窗口函數(shù)的散射信號處理方法。研究證明該算法能夠從噪聲信號中將微弱的散射信號區(qū)別提出，使目標物體成像邊緣輪廓清晰。

2 實驗方法

2.1 實驗環(huán)境

超聲掃描平臺由伺服電機、水槽、示波器、探傷儀、聚焦換能器和一臺PC機組成。水槽帶有三維掃描架，掃描架由PC機根據(jù)示波器接收到的換能器信號進行位置控制，完成整個掃描過程。其中，控制臺程序是在VC＋＋6.0平臺下實現(xiàn)的。本文掃描所用為超聲仿組織模體，其聲學參數(shù)與人體軟組織相似。模體內部包含類圓柱體散射結構，外圍為無散射基質。

2.2 超聲信號采集

在超聲診斷設備發(fā)射產生的超聲聲場中，聲軸是整個聲場的中心，根據(jù)基爾霍夫-亥姆霍茲聲場遠近場理論可知，在沿聲軸的分布上總有一個極值點，而對于聚焦換能器來說，能量最大點集中在焦點處。因此，聲場掃描的具體步驟如下：

1）首先，確定聲束準直軸，取與超聲傳播方向垂直的兩個平面，分別進行平面掃描，得到兩平面之間最大聲強位置點連線便是該聲場對應的聲束軸。以下所有掃描操作均以此為參考。

2）以聲束軸（以下稱作y軸）為中心，確定空間垂直聲軸的掃描平面（以下稱作x-z平面）的位置。由于聚焦換能器在焦點位置處能量最大，為了提高信噪比，使散射信號能與電噪聲更好地區(qū)別開來。本文采用焦點內置，即將換能器焦點置于模體內部的方法使最終獲得能量盡可能大。

3）x-z平面掃描：采用如圖1所示掃描路徑，從而獲取整個模體內散射數(shù)據(jù)；

圖1 掃描路徑示意圖

4）掃描步驟1～3的數(shù)據(jù)作為一次空間掃描結果存儲。

超聲信號由聚焦換能器接收后至示波器進行波形顯示和相關的處理，本課題選用Tektronix DPO4054示波器。PC對示波器進行通訊讀取所采集的信號電壓值，根據(jù)該電壓值反饋給控制伺服電機的掃描程序，形成閉環(huán)的回路控制。在聲場掃描中，PC會自動記錄存儲x-z中每一個點對應的整個y軸數(shù)據(jù)。

2.3 超聲信號處理

由于散射信號的無規(guī)律性以及微弱性，常規(guī)均值去噪、閾值去噪及小波去噪等信號處理方法都無法有效將散射信號與噪聲信號區(qū)別開來［7］，當散射信號較小時，常規(guī)信號處理方法容易將其當作噪聲信號一起剔除掉，從而造成實際人體結構在醫(yī)學圖像中的缺失，這對病理診斷是極為不利的。本文提出的變窗口函數(shù)算法能夠有效將微弱散射信號與噪聲信號區(qū)別開來，從而保證診斷信息的完整性與準確性。

本文中對所有垂直于x-z平面的一維數(shù)據(jù)進行處理，最后通過x-z面成像檢測處理效果。文中采用兩步式變窗口函數(shù)算法。通過窗口均值及像素點統(tǒng)計方法對窗口內數(shù)據(jù)點進行閾值處理，達到將有效散射信號放大、噪聲信號剔除的效果，兩步處理完畢后得到方波輸出。

算法流程如圖2所示。

圖2 變窗口函數(shù)算法流程圖

3 實驗結果及分析

算法利用matlab軟件編程實現(xiàn)，算法的處理結果如圖3～圖6所示。其中，圖3為掃描系統(tǒng)采集到的單點y軸原始信號?？梢钥闯?，在該點處噪聲信號與散射信號可以明顯區(qū)別開來，在少數(shù)地方存在信號突變。但該現(xiàn)象在整個掃描數(shù)據(jù)中極少出現(xiàn)，這一點可以由原始信號直接成像所得，即由圖6（a）看出，目標區(qū)域邊界不連續(xù)，噪聲信號形成的偽像素點大量存在。針對此現(xiàn)象，通過兩步式變窗口函數(shù)處理得到的單點y軸數(shù)據(jù)分別如圖4、圖5所示。經過第二次處理后的信號可以實現(xiàn)邊界清晰定位及突變點剔除，成像效果分別如圖6（c）、圖6（d）所示?？梢钥闯?，成像效果遠遠優(yōu)于處理前，可見算法可以從噪聲信號中有效提取出微弱的散射信號。

圖3y軸單點原始信號

圖4y軸單點一次窗口處理信號

圖5y軸單點二次窗口處理信號

圖6 成像效果

4 結 論

利用基于VC＋＋6.0和MATLAB的超聲信號采集和處理平臺，研究了超聲散射信號的信號處理算法，獲得了滿意效果。本文所提出的變窗口函數(shù)信號處理算法為散射成像提供了良好的數(shù)據(jù)支持，C程序化后可應用于實際中。

［1］ Pavlin C J，Sherar M D，F(xiàn)oster F S.Subsurface ultrasound microscopic imaging of intact eye［J］.Ophthalmology，1990，97（2）：244－250.

［2］ Ye SG，Harasiewicz K A，Pavlin C J，etal.Ultrasonic characterization of normal ocular tissue in the frequency range from 50MHz to100MHz［J］.IEEETransactionson Ultrasonics，F(xiàn)erroelectricsandFrequencyControl，1995，42（1）：8－14.

［3］ 國家技術監(jiān)督局.GB 15261－94，超聲仿人體組織材料聲學特性的測量方法［S］.1994.

［4］ 毛偉年，馮若，張衛(wèi).哺乳動物軟組織超聲背向散射譜研究［J］.聲學學報，1992，17（6）：430－435.

［5］ 劉曉宙，葉式公，龔秀芬，等.離體甲狀腺的高頻超聲成像和組織定征［J］.中國生物醫(yī)學工程學報，2001，20（2）：110－115.

［6］ 劉曉宙，葉式公，龔秀芬，等.離體豬淋巴組織的高頻成像研究［J］.聲學學報，2004，29（3）：272－276.

［7］ 葉盛楠，蘇開娜，肖創(chuàng)柏，等.基于結構信息提取的圖像質量評價［J］.電子學報，2008：36（5）：856－861.

Processing of the Tissue-m im icking Material U ltrasonic Scattering Signal Based on Variable W indow Function

YANG Meng-wei， ZHU Hai-jiang
（College of Information Science＆Technology，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

Based on the ultrasonic backscattering imaging of tissue－mimicking phantom，an variable window function algorithm was suggested.At first，the threshold translation processwas carried out in backscattering signal.At second，the window－undetection was corrected.At last，the signal achieved by scanning mechanism was quantized to imaging.The experimental result shows that this algorithm could strengthen the difference between noise and interested zone in a target image.The improvement makes it possible for us to do the follow－up research，like edge extraction and threedimensional reconstruction.

Metrology；Ultrasonic backscattering imaging；Variable window function；MATLAB；Scattered signal processing

TB95

A

1000-1158（2014）02-0177-03

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．02．18

2012-11-16；

2013-04-30

楊夢薇（1989－），女，陜西安康人，北京化工大學碩士研究生，主要從事超聲信號測量及圖像處理研究。ymwcrystal＠yahoo.com.cn