CN102981156A - 一种超声成像后处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声成像后处理方法及装置，该方法用于处理超声成像波束形成前端输出的信号，包括：步骤1，将超声成像前端的输出信号进行混频处理得到高速超声信号的正交I分量和Q分量；步骤2，利用级联积分梳状滤波器对两路正交信号低通滤波处理，同时在级联积分梳状滤波器中间下采样。所述方法还包含利用矫正滤波器修正级联积分梳状滤波器频率响应的过渡带的步骤。所述步骤2进一步包含如下步骤：步骤2-1，把混频后的正交I和Q分量送入级联积分滤波器中，得到输出信号I_i(n)以及Q_i(n)；步骤2-2，对I_i(n)以及Q_i(n)信号按照后端处理的要求进行下采样，得到下采样信号为I_id(n)以及Q_id(n)；步骤2-3，对I_id(n)以及Q_id(n)通过级联梳状滤波器进行处理，得到的滤波器输出信号为I_idc(n)以及Q_idc(n)信号。

Description

一种超声成像后处理方法及装置

技术领域

本发明属于超声成像技术领域，具体涉及超声成像处理实现技术，具体涉及一种超声成像后处理方法及装置。

背景技术

当前的超声成像仪器主要是采用脉冲回波的工作方式，利用换能器阵列发射超声窄脉冲，换能器阵列接收信号，然后通过聚焦波束形成提高散射目标的信号强度，波束形成后的信号经过正交解调及下变频取包络等处理，最后送于成像显示系统。目前，国内外研究者致力于设备的实时性、小型化、低功耗以及低成本。设备的小型化有利于超声成像设备用于户外、紧急医疗等，同时低成本、低功耗有利于设备在发展中国家的普及。

目前大多数商用超声成像系统都是基于PC平台或是基于微处理器架构的数字信号处理器。软件实现相对于专用系统而言，具有较大的灵活性，但是功耗较大，相对于高速处理，比如射频信号的处理，占用的资源较多，不易于实现。

正交解调方法从历史发展来看，主要存在三大类数字解调的方法：第一种为基于数字矫正的算法(准数字方法)。该方法主要是利用对模拟混频处理后的正交I、Q分量分别进行数字采样，然后利用数字方法来进行相位、幅度等失衡进行补偿，这种方法在现代的数字系统中已经不多见了。第二种是基于数字混频的算法，利用数字混频获取正交I、Q分量的方法能够有效的消除解调中不平衡。第三种为基于Hilbert变换的方法，该方法利用相移通道来获取正交分量，从而得到原信号的解析信号，由于该方法利用数字实现，所以同样可以减少失衡问题。

现有超声成像后处理基本上都采用Hilbert方法，该种方法中使用的滤波器长度一般较长，实现时占用的运算资源、存储资源相对较高，处理时使用的功耗相对较高，不是十分适用于实时处理。现有技术的级联积分梳状滤波器结构用于通信领域的软件无线电中，但是在超声成像系统中并未记载过将这种滤波器应用于超声成像领域中。

由于在超声成像系统中，经过前端处理后的信号频率较高，传输以及存储相对困难，需要经过正交下解调以及下采样后降低数据率。但是处理数据的频率较高，实现有一定的复杂度，本发明针对这个问题提出了一种实现方法，该方法适用于实时处理，对数据处理非常有效。

发明内容

本发明的目的在于，为解决上述问题，提供了一种超声成像后处理方法及装置。

本发明一个目的为提供一种超声成像后处理方法，适用于超声成像中高速处理后端。利用混频结构进行超声成像的后端处理有利于简化滤波器的设计要求。利用基于级联积分梳状滤波器的结构来处理超声成像后端信号。

本方法的另一目的在于减少实现时的运算量，该方法利用的梳状滤波器不需要大量的乘法，可以极大的减少硬件系统设计的难度，同时实现了下采样与滤波器的级联，有效的减少了后端的数据率，为实时成像后端处理做好了准备。

本发明提供一种超声成像后处理方法，该方法用于处理超声成像前端的输出信号，包括：

步骤1，对超声成像前端的输出信号进行混频处理，得到高速超声信号的正交1分量和Q分量；

步骤2，利用级联积分梳状滤波器对两路正交信号进行低通处理，同时在级联积分梳状滤波器中间进行下采样。

优化的，所述方法还包含利用利用矫正滤波器修正级联积分梳状滤波器频率响应的过渡带的步骤。进一步优化的，所述矫正滤波器采用数字矫正滤波器。

可选的，所述混频为将超声成像前端的输出信号乘以超声探头中心频率余弦和正弦两路正交信号，且所述混频使用全数字处理。

所述步骤2进一步包含如下步骤：

步骤2-1，把混频后的正交1分量和Q分量送入级联积分滤波器中，得到输出信号I_i(n)以及Q_i(n)；

步骤2-2，对I_i(n)以及Q_i(n)信号按照后端处理的要求进行下采样，得到下采样信号为I_id(n)以及Q_id(n)；

步骤2-3，对I_id(n)以及Q_id(n)通过级联梳状滤波器进行处理，得到的滤波器输出信号为I_idc(n)以及Q_idc(n)信号。

基于上述方法，本发明提供一种超声成像后处理装置，该装置用于处理超声成像前端的输出信号，所述装置包括：

混频单元，对超声成像前端的输出信号进行混频处理，得到高速超声信号的正交1分量和Q分量；

级联积分梳状滤波器，对两路正交信号进行低通处理，同时在级联积分梳状滤波器中间进行下采样。

其中所述混频单元输入端与超声成像前端的输出单元相连，所述混频单元输出端与所述级联积分梳状滤波器输入端相连。

优化的，所述装置还包含一与所述级联积分梳状滤波器输出端相连的矫正补偿滤波器，该矫正补偿滤波器用于修正级联积分梳状滤波器频率响应的过渡带。

可选的，所述混频单元进一步包含：

第一寄存器102、第二寄存器103、正余弦表104、地址产生器105和乘法器106；

所述超声成像前端的输出信号通过第一寄存器102和第二寄存器103进行寄存输出，输出的两路信号与正余弦表104及地址产生器105产生的正余弦信号通过乘法器106相乘，完成混频操作。

可选的，所述级联积分梳状滤波器进一步包含依次串联的：级联积分滤波器202、下采样模块203和级联梳状滤波器204；其中，所述级联积分滤波器202由N个采样频率为fs的积分器级联而成，且每个积分器都为一个单极点反馈为1的滤波器；所述级联梳状滤波器204由N个梳状滤波器级联而成，每一个梳状滤波器由M个延时相减构成。

在本发明提供的方法中：超声波束形成后的信号首先经过全数字化混频得到两路信号，然后对两路信号分别进行级联积分梳状滤波器处理，其中包括了N阶级联积分滤波器、下采样率为R的下采样处理、参数为M的级联梳状滤波器，然后对信号进行频谱矫正滤波。本方法以较小的计算量，实现了超声成像后处理任务。

与现有技术相比本发明的优点在于：

采用数字混频框架直接在替代Hilbert先求解正交信号，然后求解包络的方法，有效地的获取了信号的包络，使得计算量得到简化。

采用级联积分梳状滤波器来代替普通的低通抗混叠滤波器，不需要乘法处理，使用较少的存储量完成了抗混叠处理，同时在滤波器中间实现了下采样，减少了运算数量以及存数数量。

由于级联积分梳状滤波器在超声成像应用中，超声后处理信号为宽带信号，在混频后的低通信号的高频处引入了一定的衰减，使用较低阶数的校正滤波器校正级联积分梳状滤波器的输出，从而保证了超声成像应用的宽带信号的应用。

本方法采用混频的级联积分梳状滤波器结构，整个算法只在混频中使用了两次乘法，不需要大量的存储滤波器的系统，极大地减少了系统实现存储资源，相对于常规了Hilbert滤波处理的方法，超声信号后处理的整体系统功耗有所降低，特别适用于实时处理以及低功耗、便携式应用。本发明对于超声成像后处理非常的有效，并且计算量小、易于实现、实时性好，适用于超声成像的实时处理。

附图说明

图1是本发明的超声成像后处理实现技术的基本框图；

图2本发明的混频部分的详细结构；

图3是本发明的超声成像后端级联积分梳状滤波器下变频结构；

图4是本发明的级联积分梳状滤波器以及矫正滤波器频率响应曲线；

图5是本发明的级联积分梳状(CIC)滤波器、补偿滤波器以及两种滤波器级联的频率响应曲线；

图6-a是现有技术的基于Matlab的Hilbert算法的成像图；

图6-b是本发明的基于级联积分梳状(CIC)滤波器的成像图。

具体实施方式

下文参照附图对本方法进行说明。在附图中，相同或相似的部件即使在不同的图中被描述，但仍由相同的标号来表示。

为实现上述目的，本发明采用下述的技术方案，整个方法包括，首先利用混频得到高速超声信号的正交I、Q分量。然后利用级联积分梳状滤波器对两路正交信号低通滤波处理，同时由于最后输出的信号频率的采样率相对于原始的超声成像采样率要低4-8倍，在级联积分梳状滤波器中间进行下采样。由于级联积分梳状滤波器本质上是一种低通滤波器，级联积分梳状滤波器频率响应的过渡带不是十分理想，利用矫正滤波器来修正整个滤波过程。整个正交解调过程利用FPGA或者DSP处理器实现。本方法有效地减少了乘法操作的数量，非常有利于实时实现。

根据本发明，提供了一种超声成像后处理实现方法，包括下述步骤：

步骤一：首先对超声成像前端的输出信号x(n)进行混频操作，混频处理把信号x(n)乘以超声探头中心频率cos以及sin两路正交信号，得到正交信号I(n)以及Q(n)；

步骤二：把I(n)以及Q(n)送入级联积分滤波器中，得到输出信号I_i(n)以及Q_i(n)；

步骤三：对I_i(n)以及Q_i(n)信号按照后端处理的要求进行下采样，得到下采样信号为I_id(n)以及Q_id(n)；

步骤四：对I_id(n)以及Q_id(n)进行级联梳状滤波器处理，得到的滤波器输出信号为I_idc(n)以及Q_idc(n)信号，此时的信号已经基本完成了正交解调的目的；

步骤五：为了进一步提高信号的频率平坦，对I_idc(n)以及Q_idc(n)信号进行矫正滤波器滤波，输出信号为最后的I_final(n)以及Q_final(n)，从而完成了超声成像后端处理。

在步骤一中，优选使用全数字处理来完成混频。

步骤二、三、四中，优选利用级联积分梳状滤波器来完成抗混处理以及下采样处理。

步骤五中，优选利用数字矫正滤波器，对低采样数据进行矫正频谱。

图1是整个超声成像后端处理的方框图。参照图1，超声成像前端处理输出信号x(n)，来自于超声成像波束形成前端。信号首先输入到混频模块101，混频模块101完成混频处理，混频输出正交两路信号I(n)以及Q(n)。然后两路信号分别进入级联积分梳状滤波器模块201，完成低通抗混叠处理以及下采样，输出信号I_idc(n)以及Q_idc(n)。最后把输出信号I_idc(n)以及Q_idc(n)输入到301模块，得到最终的输出信号为I_final(n)以及Q_final(n)。

混频模块101主要完成混频处理，使得输入信号x(n)得到两路正交信号。参照图2，输入信号首先通过第一寄存器102和第二寄存器103，从而使得整个电子系统主频提高。得到的两路信号与正余弦表104以及地址产生器105产生的正余弦信号进行相乘106，从而完成混频操作，得到信号然后再通过第一缓存器107以及第二缓存器108进行缓存，得到正交信号I(n)以及Q(n)。

对于级联积分梳状滤波器(CIC滤波器)201，其主要结构如图3所示。参照图3，正交输入信号I(n)或者Q(n)输入到级联积分梳状滤波器201。级联积分梳状滤波器201主要由三个模块构成：级联积分滤波器202、下采样模块203、以及级联梳状滤波器204。级联积分梳状滤波器(CIC滤波器)由积分滤波器部分和梳状滤波器部分组成。级联积分滤波器202由N个采样频率为fs的积分器级联而成，每个积分器都为一个单极点反馈为1的滤波器，其传递函数可以表示为：

$H_I\left(z\right)=\frac{1}{1-Z^{-1}}---\left(1\right)$

下采样模块203完成把采样率下降R倍，把采样率从f_S变成f_S/R，每隔R个数据采样一次。

级联梳状滤波器204由N个梳状滤波器级联而成，每一个梳状滤波器由M个延时相减构成。参数M用于控制滤波器的频率响应函数。通常M＝1或2。系统的传递函数换算到高采样率f_S时，得到的传递函数如下：

H_C(z)＝1-Z^-RM        (2)

在两个滤波器之间进行下采样，把系统从高采样率变换到低采样率，采样率由f_S变为f_S/R。

整个级联积分梳状滤波器(CIC滤波器)201的整体传递函数在采样频率为f_S时可以表示为：

$H_{\mathrm{CIC}}\left(z\right)=H_I^N\left(z\right)H_C^N\left(z\right)=\frac{{(1-Z^{-\mathrm{RM}})}^N}{{(1-Z^{-1})}^N}={\left[\underset{k=0}{\overset{\mathrm{RM}-1}{\mathrm{\Σ}}}{Z}^{-k}\right]}^N---\left(3\right)$

可以看出，级联积分梳状滤波器(CIC滤波器)等效为N个均匀系数滤波器的级联。实现这种滤波器需要N*R*M个存数器以及加法器。而需要下采样R时，采用级联积分梳状(CIC)结构仅需要M个存储器。

级联积分梳状滤波器(CIC滤波器)的优点在于不需要乘法器和存储系数，并且利用等效的多相结构，在积分滤波器和梳状滤波器之间进行下采样，可以有效的减少存储。级联积分梳状滤波器(CIC滤波器)规律结构使得整个滤波器可以仅由两个简单的模块及三个参数N，M，R构成，有利于实现可配置结构。

级联积分梳状滤波器(CIC滤波器)频率响应整体表现为低通特性。当代入z＝e^j(2πf/R)时，其中f为在低采样率fs/R下的频率，整个功率频率响应为

$P\left(f\right)={\left[\frac{\sin \mathrm{\πMf}}{\sin \mathrm{\πf}/R}\right]}^{2N}---\left(4\right)$

图4所示为在采样频率为40MHz，下采样率R＝8，级联级N＝7，M＝1时级联积分梳状滤波器(CIC滤波器)的频率响应曲线。从图中可以看出，级联积分梳状滤波器(CIC滤波器)等效为均匀系数滤波器，一方面，设置参数使得下采样频点处出现了陷波，比如图中5MHz处，这种陷波有利于抑制镜像分量，提高下采样的精度，另一方面，这种滤波器造成了低频段的不平坦，比如图中曲线在靠近0Hz处不远就已经开始下降。

一般需要采用矫正滤波的方式修正这种衰退，在级联积分梳状滤波器(CIC滤波器)之后采用一个矫正滤波器来修正整个滤波器的频谱结构，从而保证系统性能，可以使用最小均方逼近等，也可以利用其他方法，例如参考文献J.F.Kaiser，“sharpening the response of a symmetric nonrecursive filter by Multiple use of the samefilter，”IEEE Trans.On Acoustics Speech and Signal Processing，vol.ASSP-25，1977.

图5给出了级联积分梳状滤波器(CIC滤波器)的频率响应曲线和采用了20阶FIR的补偿滤波器的频率响应曲线。从图中可以看出，通过两个滤波器的级联，可以完成从高采样40MHz，到低采样率5MHz的处理，有效地降低了系统的工作频率。同时由于使用了补偿滤波器，使得低频响应较为平坦，有效的把噪声抑制在60dB以下。

利用生成的射频超声信号作为输入，并采用Matlab仿真对正交解调结构进行验证。超声仿真数据对基于级联积分梳状滤波器(CIC滤波器)的正交解调系统进行验证，结果如图6-b所示(现有技术采用Hilbert算法的成像图如图6-a所示)，可以看出对比图6-a和图6-b与算法级仿真，基于级联积分梳状滤波器(CIC滤波器)的正交解调系统的仿真可以满足系统的设计要求。

尽管已参照本发明选实例表示和描述了本发明，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对实施例进行各种形式和细节上的修改。

Claims (11)

1.一种超声成像后处理方法，该方法用于处理超声成像前端的输出信号，包括：

步骤1，对超声成像前端的输出信号进行混频处理，得到高速超声信号的正交I分量和Q分量；

步骤2，利用级联积分梳状滤波器对两路正交信号进行低通滤波处理，同时在级联积分梳状滤波器中间进行下采样。

2.根据权利要求1所述的超声成像后处理方法，其特征在于，所述方法还包含利用矫正滤波器修正级联积分梳状滤波器频率响应的过渡带的步骤。

3.根据权利要求2所述的超声成像后处理方法，其特征在于：所述矫正滤波器采用数字矫正滤波器。

4.根据权利要求1或2所述的超声成像后处理方法，其特征在于，所述混频为将超声成像前端的输出信号乘以超声探头中心频率余弦和正弦两路正交信号，且所述混频使用全数字处理。

5.根据权利要求1或2所述的超声成像后处理方法，其特征在于，所述步骤2进一步包含如下步骤：

步骤2-1，把混频得到的正交I分量和Q分量送入级联积分滤波器中，得到输出信号I_i(n)以及Q_i(n)；

步骤2-2，对I_i(n)以及Q_i(n)信号按照后端处理的要求进行下采样，得到下采样信号为I_id(n)以及Q_id(n)；

步骤2-3，对I_id(n)以及Q_id(n)通过级联梳状滤波器进行处理，得到的滤波器输出信号为I_idc(n)以及Q_idc(n)信号。

6.一种超声成像后处理装置，该装置用于处理超声成像前端的输出信号，所述装置包括：

混频单元，对超声成像前端的输出信号进行混频处理，得到高速超声信号的正交I分量和Q分量；

级联积分梳状滤波器，对两路正交信号低通滤波处理，同时在级联积分梳状滤波器中间进行下采样。

其中所述混频单元输入端与超声成像波束形成前端的输出单元相连，所述混频单元输出端与所述级联积分梳状滤波器输入端相连。

7.根据权利要求6所述的超声成像后处理方法，其特征在于，所述装置还包含一与所述级联积分梳状滤波器输出端相连的矫正补偿滤波器，该矫正补偿滤波器用于修正级联积分梳状滤波器频率响应的过渡带。 

8.根据权利要求6或7所述的超声成像后处理装置，其特征在于，所述混频单元进一步包含：

第一寄存器(102)、第二寄存器(103)、正余弦表(104)、地址产生器(105)和乘法器(106)；

所述超声成像波束形成前端输出的信号通过第一寄存器(102)和第二寄存器(103)进行寄存输出，输出的两路信号与正余弦表(104)及地址产生器(105)产生的正余弦信号通过乘法器(106)相乘，完成混频操作。

9.根据权利要求6或7所述的超声成像后处理装置，其特征在于，所述级联积分梳状滤波器进一步包含依次串联的：级联积分滤波器(202)、下采样模块(203)和级联梳状滤波器(204)。

10.根据权利要求9所述的超声成像后处理装置，其特征在于，所述级联积分滤波器(202)由N个采样频率为fs的积分器级联而成，且每个积分器都为一个单极点反馈为1的滤波器。

11.根据权利要求9所述的超声成像后处理方法，其特征在于，所述级联梳状滤波器(204)由N个梳状滤波器级联而成，每一个梳状滤波器由M个延时相减构成。 

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