基于超聲RF信號(hào)的超聲成像實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

黃韞梔，劉 奇，肖 勇

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

基于超聲RF信號(hào)的超聲成像實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

黃韞梔，劉 奇，肖 勇

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

該文為讓學(xué)生更直觀地了解超聲RF信號(hào)重建出B超圖像的過程，首先在超聲設(shè)備上完成RF數(shù)據(jù)的采集，然后在Matlab平臺(tái)上對(duì)每個(gè)成像步驟的信號(hào)進(jìn)行分析，完成成像過程的仿真，最后將得到的結(jié)果與超聲設(shè)備上顯示的圖像進(jìn)行對(duì)比。該實(shí)驗(yàn)具有較強(qiáng)的設(shè)計(jì)性和參與性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有一定的開放性。實(shí)踐表明，實(shí)驗(yàn)過程既能鍛煉學(xué)生分析問題的能力，又能加深學(xué)生對(duì)專業(yè)課程的理解，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而改善教學(xué)效果、提高教學(xué)質(zhì)量。

超聲RF信號(hào)；B超圖像；Matlab

隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的日益成熟以及各種各樣的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備在醫(yī)院中的廣泛使用，醫(yī)學(xué)成像常用于輔助醫(yī)生診斷甚至進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課程［1］，該課程結(jié)合了醫(yī)學(xué)常識(shí)、計(jì)算機(jī)工程、數(shù)字信號(hào)及圖像處理等領(lǐng)域的知識(shí)。傳統(tǒng)教學(xué)，僅從理論上了解醫(yī)學(xué)圖像的基本特點(diǎn)和相應(yīng)的圖像處理基本概念，對(duì)學(xué)生而言，剛接觸到專業(yè)理論知識(shí)，由于缺少主觀的參與，很容易引起厭學(xué)等不良情緒［2－4］，因此，需要利用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)帶動(dòng)教學(xué)。本文實(shí)驗(yàn)包含了設(shè)備的操作、數(shù)據(jù)的分析和數(shù)據(jù)仿真等模塊，可以讓具備不同基礎(chǔ)的各個(gè)層次的學(xué)生參與到實(shí)驗(yàn)中，從中不僅可學(xué)到相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，而且也能獲得成就感，從而激發(fā)其學(xué)習(xí)的興趣。

由于超聲成像是目前非常成熟和重要的診斷手段，已被廣泛使用。相較于其他的成像手段，超聲成像具有經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、實(shí)時(shí)性、無創(chuàng)性等優(yōu)勢(shì)，鑒于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)利用現(xiàn)有的超聲設(shè)備來完成。整個(gè)實(shí)驗(yàn)將超聲成像過程分成8個(gè)模塊，利用模塊化的功能［5］，一方面幫助學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)從RF超聲信號(hào)到B超圖像的處理步驟，從而加深對(duì)B超成像原理的理解；另一方面，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是通過小組內(nèi)成員的合作完成的，模塊化增加了小組間的合作，同時(shí)也利于明確小組成員的分工。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)K設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)

超聲RF數(shù)據(jù)量非常大，需要一定的處理才能顯示成常見的B超圖像。超聲成像系統(tǒng)中，從動(dòng)態(tài)聚焦得到超聲RF信號(hào)到屏幕上顯示出B超圖像的處理過程如圖1所示［6］，主要包括去除低頻干擾、動(dòng)態(tài)正交解調(diào)、低通濾波及下采樣、時(shí)間增益補(bǔ)償、信號(hào)包絡(luò)檢測(cè)、動(dòng)態(tài)顯示范圍壓縮和掃描轉(zhuǎn)換等。

圖1 從RF到B模式圖像處理流程

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)K實(shí)現(xiàn)

1.2.1 去除低頻干擾

超聲設(shè)備在采集超聲RF信號(hào)的過程中，會(huì)引入硬件所產(chǎn)生的低頻干擾，為提高重建B超圖像的質(zhì)量，先設(shè)計(jì)高通濾波器去除混入RF信號(hào)中的低頻干擾。

該部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)合了Matlab仿真平臺(tái)和數(shù)字信號(hào)處理課程的基礎(chǔ)知識(shí)，主要從以下3方面鍛煉學(xué)生分析超聲RF信號(hào)的能力：

1）信號(hào)的時(shí)-頻轉(zhuǎn)換；

2）信號(hào)頻域特性分析；

3）設(shè)計(jì)FIR濾波器［7］。

1.2.2 動(dòng)態(tài)正交解調(diào)

去除低頻干擾后的信號(hào)能量主要集中在探頭中心頻率附近，為了提取有用信號(hào)，需要移除載波信號(hào)（發(fā)射探頭的信號(hào)），即對(duì)高通濾波后的RF信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，常用的解調(diào)方式為正交解調(diào)［8］，標(biāo)準(zhǔn)正交解調(diào)為：

式中，r（n）為高通濾波后的信號(hào)，fcarrier為發(fā)射探頭的中心頻率，tn表示聲束方向上當(dāng)前采樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，n＝0，1，…，N－1為每根聲束上點(diǎn)的下標(biāo)。

由于待測(cè)物體會(huì)吸收和散射部分超聲信號(hào)，發(fā)射信號(hào)的衰減和接收信號(hào)的頻偏都會(huì)隨超聲波束探測(cè)深度而增加。為了得到較好的解調(diào)結(jié)果，在標(biāo)準(zhǔn)正交解調(diào)中加入修正項(xiàng)fshift，動(dòng)態(tài)正交解調(diào)式［6］為：

式中，fshift為探測(cè)深度為d（cm）時(shí)的頻率偏移［9］，可根據(jù)下式求得：

式中，Wratio為頻帶帶寬比例，d為當(dāng)前采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深度，α為物體衰減系數(shù)（dB／MHz－1·cm－1）。

該部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)合了“通信原理”的相關(guān)知識(shí)，從以下3個(gè)方面幫助學(xué)生正確實(shí)現(xiàn)解調(diào)功能：

1）通過積化和差公式理解正交解調(diào)后超聲RF信號(hào)的組成；

2）通過探測(cè)深度的變化理解頻偏；

3）利用Matlab實(shí)現(xiàn)信號(hào)動(dòng)態(tài)正交解調(diào)的功能。

1.2.3 低通濾波及下采樣

通過動(dòng)態(tài)正交解調(diào)后的信號(hào)包含頻偏成分和高頻諧波成分，因此需要設(shè)計(jì)低通濾波器來有效地保留待檢測(cè)物體的信息所處的低頻段。

同時(shí)，每根RF聲束包含幾千個(gè)采樣點(diǎn)，遠(yuǎn)超過圖像顯示的數(shù)據(jù)規(guī)模。因此，需要對(duì)解調(diào)后的I／Q信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行下采樣，為避免頻譜混疊，必須保證抽樣后的采樣頻率仍然大于我們所需要的中心頻率的兩倍。一般，為了方便顯示，通常使采樣后的點(diǎn)數(shù)為常見的圖像高度（如512像素）。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，該部分從以下兩方面鍛煉學(xué)生的分析能力。

1）低通濾波器的設(shè)計(jì)分析：一方面可以像1.2.1節(jié)一樣，利用Matlab中的fdatool工具設(shè)計(jì)濾波器，實(shí)現(xiàn)低通功能；另一方面，對(duì)于編程能力較強(qiáng)的學(xué)生，可以通過自己編寫代碼實(shí)現(xiàn)低通濾波的功能。

2）理解采樣的作用：在Matlab平臺(tái)上完成采樣的仿真。

1.2.4 時(shí)間增益補(bǔ)償

成像深度的增加，會(huì)導(dǎo)致超聲射頻信號(hào)不斷衰減，信號(hào)能量損失，為保證整個(gè)探測(cè)深度范圍內(nèi)圖像亮度的一致性，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行增益補(bǔ)償，補(bǔ)償式［10］為：

式中，β＝（αfcarrier／20）ln（10），α、fcarrier表示的含義與1.2.2節(jié)相同。

該部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)只需要學(xué)生按照式（6），在Matlab平臺(tái)上將功能實(shí)現(xiàn)即可，其中對(duì)于不同的探測(cè)對(duì)象設(shè)定不同的衰減系數(shù)。

1.2.5 信號(hào)包絡(luò)檢測(cè)

經(jīng)過前面步驟的處理，原始超聲RF信號(hào)已經(jīng)變成了兩路正交信號(hào)，顯示之前需要將其進(jìn)行合并，即得到信號(hào)的包絡(luò)：

和1.2.4節(jié)一樣，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中該部分只需要學(xué)生理解該步驟的目的，并按照式（7）在Matlab平臺(tái)上將功能實(shí)現(xiàn)即可。

1.2.6 動(dòng)態(tài)顯示范圍壓縮

超聲波在傳播過程中，會(huì)在檢測(cè)物體間產(chǎn)生極大的反射差異，導(dǎo)致超聲回波信號(hào)具有較大的動(dòng)態(tài)范圍。然而，超聲系統(tǒng)一般只支持8位灰度級(jí)別的回波顯示，因此需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行壓縮。通常采用對(duì)數(shù)壓縮［6］，以保證回波信號(hào)在8位顯示器上正常顯示。對(duì)數(shù)壓縮的標(biāo)準(zhǔn)形式為：

式中，D為控制動(dòng)態(tài)范圍，G為壓縮增益，A、P分別表示壓縮前、后的信號(hào)。

該部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要學(xué)生完成以下工作：

1）從數(shù)學(xué)角度理解對(duì)數(shù)函數(shù)的特性以及對(duì)于自變量范圍較大的數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)函數(shù)的功能；

2）鍛煉學(xué)生編程讀入原始RF數(shù)據(jù)的能力。

1.2.7 掃描轉(zhuǎn)換

采集探頭的類型決定最終超聲圖像的顯示形式。線陣探頭顯示的是矩形圖像，凸陣和相控陣探頭顯示的是扇形圖像。為保證顯示不失真，對(duì)線陣探頭需要根據(jù)實(shí)際探測(cè)的視野范圍和抽樣樣本長(zhǎng)度，推算出顯示圖像的寬度，并且利用雙線性插值法［11］進(jìn)行橫向插值；對(duì)凸陣和相控陣探頭，還需要根據(jù)探頭的掃查角度，將矩形圖像轉(zhuǎn)換成扇形坐標(biāo)系下的圖像，需要采用雙立方插值法［11－12］在橫向進(jìn)行插值，軸向則應(yīng)用雙立方插值法即可滿足要求。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和數(shù)據(jù)

硬件設(shè)備：聲泰特（成都）科技有限公司生產(chǎn)的iMagoC21超聲設(shè)備。

仿真平臺(tái)：Matlab。

數(shù)據(jù)采集：利用128陣元的線陣探頭采集數(shù)據(jù)，采集RF數(shù)據(jù)時(shí)，需確保幀數(shù)率最低，且孔徑合成關(guān)閉。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，該部分出于以下兩方面的考慮：

1）激發(fā)對(duì)編程不感興趣的學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；

2）讓學(xué)生親自操作超聲設(shè)備，對(duì)于超聲數(shù)據(jù)采集有直觀的認(rèn)識(shí)。

3 結(jié)果與討論

以采集到的一幀完整RF數(shù)據(jù)為例演示整個(gè)實(shí)驗(yàn)的分析過程。實(shí)驗(yàn)的RF數(shù)據(jù)包含了168條聲束，每條聲束有5 238個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來自于線性探頭，探頭的發(fā)射頻率為10 MHz，探測(cè)深度為9.9 cm，探測(cè)寬度為3.81 cm。采樣頻率計(jì)算為：

3.1 單根聲束的時(shí)域和頻域顯示

從圖2（b）的頻譜圖可以看出，信號(hào)在低頻和探頭的中心頻率10 MHz附近的能量較大。其中，聲束低頻處較強(qiáng)的能量主要是超聲儀器的硬件產(chǎn)生的干擾，只有中心頻率附近的頻段才包含有用信息。

圖2 單根聲束的時(shí)－頻波形

3.2 濾波器設(shè)計(jì)

要提出待檢測(cè)的有用信息，根據(jù)信號(hào)特性，設(shè)計(jì)濾波器的過程如下：

1）觀察感興趣的頻率范圍；

2）可利用Matlab自帶的fdatool設(shè)計(jì)相關(guān)的FIR濾波器，可以自己編寫函數(shù)實(shí)現(xiàn)濾波功能。

在利用fdatool工具設(shè)計(jì)濾波器的時(shí)候需要注意頻率單位的設(shè)置，由于超聲探頭的頻率一般較高，因此建議學(xué)生選擇兆赫茲為頻率單位。

3.3 動(dòng)態(tài)正交解調(diào)

去除低頻干擾后的信號(hào)能量主要集中在探頭中心頻率附近，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)正交解調(diào)，得到信號(hào)的同相分量（in－phase）和正交分量（quadrature）頻譜如圖3所示?？梢钥吹绞褂胹in和cos函數(shù)處理后，RF信號(hào)發(fā)生頻移，每個(gè)原始頻率被分解成了兩個(gè)，且每個(gè)的幅值為原始的一半。

圖3 信號(hào)正交解調(diào)結(jié)果

3.4 重建結(jié)果

經(jīng)過解調(diào)后的信號(hào)，有用信息集中在低頻附近，設(shè)計(jì)合理的低通濾波器濾除解調(diào)信號(hào)中的高頻諧波，并按照?qǐng)D1所示的步驟完成重建，重建結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，不同的濾波器設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的差異。相對(duì)于窗函數(shù)，高斯函數(shù)的特性更貼近于諧波的包絡(luò)特性，因此采用高斯低通濾波得到的重建效果較好。

重建結(jié)果是由中間過程的多個(gè)參數(shù)共同決定，如圖1所示的每一步驟都會(huì)影響最終的重建結(jié)果，因此在完成實(shí)驗(yàn)的過程中，需要學(xué)生之間相互配合和合作。

圖4 雙線性插值得到的重結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

基于超聲RF信號(hào)重建B超圖像的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)際操作聯(lián)系理論知識(shí)，通過過程模塊化，一方面給學(xué)生演示了重建過程以及每一過程的功能，讓學(xué)生對(duì)成像過程有具體的認(rèn)識(shí)；另一方面，鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和分工合作的能力，從而達(dá)到輔助教學(xué)和鍛煉學(xué)生的預(yù)期目標(biāo)。

該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一方面具有較好的演示性，可以幫助教師在課堂和實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行教學(xué)演示；另一方面也具有較好的操作性，學(xué)生可以通過改變每個(gè)步驟中的參數(shù)，觀察最終的成像效果，加深對(duì)超聲成像每個(gè)步驟的理解和超聲成像原理的理解及掌握。

該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目前是以函數(shù)形式完成功能實(shí)現(xiàn)，下一步將會(huì)被封裝到圖形用戶操作界面中，形成具備可視化、交互性、操作便捷的界面，一定會(huì)更加利于未來教學(xué)和設(shè)計(jì)運(yùn)用。

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Experiment Design for Ultrasound Imaging with Ultrasound RF Signal

HUANG Yunzhi，LIU Qi，XIAO Yong
（School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

In order to better understand intuitively the process of reconstructing B－mode images from focused ultrasound RF signal for undergraduate students，an experiment is well designed.Firstly，it makes students complete the collection of RF data on ultrasound equipment.Secondly，it completes imaging process simulation by analyzing the collected signals in each imaging module on MATLAB platform.Finally，it compares the obtained results with shown image in ultrasound equipment.This experiment allows students participating in designing with an opening result.The practical result shows that：the experiment process can not only help students increase the ability to analyze certain problem，but also deepen students＇understanding of the curriculum，stimulate their interest in learning.Thus this experiment will achieve the purpose of improving the teaching effect and quality.

ultrasound RF signal；B mode ultrasound image；Matlab

TP391.9

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.009

2015－08－12；修改日期：2015－09－11

團(tuán)中央項(xiàng)目——女性乳腺腫瘤超聲影像鑒別診斷的評(píng)價(jià)研究；四川大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)立項(xiàng)項(xiàng)目——基于光學(xué)定位儀的三維超聲成像系統(tǒng)研究。

黃韞梔（1989－），女，碩士，助理工程師，主要從事醫(yī)學(xué)信號(hào)與圖像處理，醫(yī)學(xué)信息工程實(shí)驗(yàn)室管理工作。