CN103251428A - 用于超声扫描系统的隔直滤波模块及方法、超声扫描系统 - Google Patents

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本发明提供了一种用于超声扫描系统的隔直滤波模块及方法、超声扫描系统，该隔直滤波模块包括缓存单元、第一级低通滤波器、第二级低通滤波器、差分器，所述第一级低通滤波器输出端与所述第二级低通滤波器输入端相连，所述第二级低通滤波器输出端与所述差分器输入端相连，所述缓存单元输出端与所述差分器输入端相连。本发明的有益效果是本发明通过先对超声回波数字信号进行两级低通滤波处理，然后再将处理后的信号与超声回波数字信号做差分，得到的隔直滤波器通带纹波更加小、通带截止频率更加低，其具有算法简单，易于实现，实用性强等优点。

Description

用于超声扫描系统的隔直滤波模块及方法、超声扫描系统
技术领域
本发明涉及信号处理技术，尤其涉及用于超声扫描系统的隔直滤波模块及方法、超声扫描系统。
背景技术
随着科学技术的不断发展，超声扫描诊断系统在医学上得到越来越广泛的应用。在超声扫描诊断系统中，超声的回波信号经过模拟放大，最后进行AD采集得到的数字信号中是存在直流成分的，直流信号的存在会大大降低回波信号的信噪比，所以必须滤除，可见隔直滤波是超声扫描系统中必不可缺的一部分。
在现有技术中，隔直滤波器通常有两种，一种是普通的高通滤波器；一种是希尔伯特滤波器。图1，图2分别是18阶高通滤波器和11阶希尔伯特滤波器的幅频曲线，两种滤波器都存在着相同的问题：一、在通带内，纹波较大，会对有用信号造成较大的衰减；二、通带截至频率较高，在滤除直流信号的同时，会将部分低频的有用信号一起滤除。为了改善这两个缺陷，通常的做法便是提高滤波器的阶数，以致滤波器的通带更加平坦、截至频率更加低、过渡带更加陡峭，但是这种方法会消耗大量的资源，比如FPGA中的乘法器等。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种用于超声扫描系统的隔直滤波模块。
本发明提供了一种用于超声扫描系统的隔直滤波模块，包括用于存储回波信号的缓存单元（31）、用于对回波信号进行低通滤波处理的第一级低通滤波器（32）、用于对经所述第一级低通滤波器（32）进行处理的回波信号再次进行低通滤波处理的第二级低通滤波器（33）、以及差分器（34），所述第一级低通滤波器（32）输出端与所述第二级低通滤波器（33）输入端相连，所述第一级低通滤波器（32）和所述第二级低通滤波器（33）用于对回波信号进行两级低通滤波处理；所述第二级低通滤波器（33）输出端与所述差分器（34）输入端相连，所述缓存单元（31）输出端与所述差分器（34）输入端相连，所述差分器（34）用于对所述缓存单元（31）输出的回波信号和经两级低通滤波处理的回波信号进行差分处理。
作为本发明的进一步改进，所述第一级低通滤波器为有限脉冲响应滤波器，所述第二级低通滤波器为无限脉冲响应滤波器。
作为本发明的进一步改进，所述有限脉冲响应滤波器采用的阶数为N=2L，所述无限脉冲响应滤波器采用的阶数为1阶。
作为本发明的进一步改进，所述有限脉冲响应滤波器采用的阶数为N=2L，其中L=4。
本发明还提供了一种具有所述隔直滤波模块的超声扫描系统，包括依次相连的超声发射接收模块、信号采集模块、所述隔直滤波模块、回波数字信号波束合成模块、数据解调和图像处理模块、图像数据输出模块，所述超声发射接收模块用于发射超声信号并且接收超声回波信号，所述信号采集模块用于超声回波信号采集并进行信号滤波、放大、模数转换处理；所述缓存单元输入端和所述第一级低通滤波器输入端分别与所述信号采集模块输出端相连，所述差分器输出端与所述回波数字信号波束合成模块输入端相连；所述回波数字信号波束合成模块用于完成波束合成；所述数据解调和图像处理模块用于将波束合成的回波信号进行正交解调，去除载波信号，经抽取后，将数据进行滤波和填黑洞图像处理；所述图像数据输出模块用于将数据解调和图像处理模块传输的图像数据进行数字扫描变化处理。
本发明还提供了一种超声扫描系统的回波信号处理方法，通过超声发射接收模块进行超声发射并接收回波信号；通过信号采集模块将超声回波信号采集并进行信号滤波、放大、模数转换处理，得到超声回波数字信号；将超声回波数字信号输入隔直滤波模块进行隔直滤波，得到无直流的超声回波数字信号；然后将隔直滤波模块内无直流的超声回波数字信号输入回波数字信号波束合成模块完成波束合成；然后通过数据解调和图像处理模块进行图像处理，最后通过图像数据输出模块进行处理将数据进行输出。
本发明还提供了一种用于超声扫描系统的隔直滤波方法，包括如下步骤：
A. 缓存单元和第一级低通滤波器分别接收超声回波数字信号；
B. 第一级低通滤波器对超声回波数字信号进行处理，然后第一级低通滤波器将处理后的超声回波数字信号传入第二级低通滤波器进行再次处理；
C. 将缓存单元的超声回波数字信号和第二级低通滤波器处理后的超声回波数字信号传入差分器进行差处理。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤C中，缓存单元的超声回波数字信号和第二级低通滤波器处理后的超声回波数字信号同步传入差分器进行差分处理。
作为本发明的进一步改进，设缓存单元的超声回波数字信号为y1，第二级低通滤波器处理后的超声回波数字信号为y2；在所述步骤C中，差分器进行差处理输出的为Y，那么：Y=y1 – a*y2，其中a为增益因子用于补偿第一级低通滤波器和第二级低通滤波器造成的信号衰减，a取值范围为a大于等于1且小于等于1.5。
作为本发明的进一步改进，所述第一级低通滤波器为有限脉冲响应滤波器，所述第二级低通滤波器为无限脉冲响应滤波器；所述有限脉冲响应滤波器采用的阶数为N=2L，L=4；所述无限脉冲响应滤波器采用的阶数为1阶。
本发明的有益效果是：本发明通过先对超声回波数字信号进行两级低通滤波处理，然后再将处理后的信号与超声回波数字信号做差分，得到的隔直滤波器通带纹波更加小、通带截止频率更加低，其具有算法简单，易于实现，实用性强等优点。
附图说明
图1是18阶高通滤波器的幅频曲线。
图2是11阶希尔伯特滤波器的幅频曲线。
图3是本发明的隔直滤波模块原理框图。
图4是本发明的超声扫描系统原理框图。
图5是本发明的隔直滤波方法流程图。
图6是本发明的隔直滤波模块的滤波效果图。
具体实施方式
如图3所示，本发明公开了一种用于超声扫描系统的隔直滤波模块30，包括用于存储回波信号的缓存单元31、用于对回波信号进行低通滤波处理的第一级低通滤波器32、用于对经所述第一级低通滤波器32进行处理的回波信号再次进行低通滤波处理的第二级低通滤波器33、以及差分器34，所述第一级低通滤波器32输出端与所述第二级低通滤波器33输入端相连，所述第一级低通滤波器32和所述第二级低通滤波器33用于对回波信号进行两级低通滤波处理；所述第二级低通滤波器33输出端与所述差分器34输入端相连，所述缓存单元31输出端与所述差分器34输入端相连，所述差分器34用于对所述缓存单元31输出的回波信号和经两级低通滤波处理的回波信号进行差分处理。
所述第一级低通滤波器32为有限脉冲响应滤波器，所述第二级低通滤波器33为无限脉冲响应滤波器或者回归型滤波器。
所述有限脉冲响应滤波器采用的阶数为N=2L，所述无限脉冲响应滤波器采用的阶数为1阶。
所述有限脉冲响应滤波器采用的阶数为N=2L，其中L=4。
隔直滤波模块30负责对信号进行隔直滤波处理，滤掉信号中的直流成分。
工作时，缓存单元31和第一级低通滤波器32分别接收超声回波数字信号，然后第一级低通滤波器32对超声回波数字信号进行处理，然后第一级低通滤波器32将处理后的超声回波数字信号传入第二级低通滤波器33进行再次处理，最后将缓存单元31内的超声回波数字信号和第二级低通滤波器33处理后的超声回波数字信号传入差分器34进行差处理。
如图4所示，本发明还公开了一种具有所述隔直滤波模块的超声扫描系统，包括依次相连的超声发射接收模块10、信号采集模块20、所述隔直滤波模块30、回波数字信号波束合成模块40、数据解调和图像处理模块50、图像数据输出模块60，所述超声发射接收模块10用于发射超声信号并且接收超声回波信号，所述信号采集模块20用于超声回波信号采集并进行信号滤波、放大、模数转换处理；所述缓存单元31输入端和所述第一级低通滤波器32输入端分别与所述信号采集模块20输出端相连，所述差分器34输出端与所述回波数字信号波束合成模块40输入端相连；所述回波数字信号波束合成模块40用于完成波束合成；所述数据解调和图像处理模块50用于将波束合成的回波信号进行正交解调，去除载波信号，经抽取后，将数据进行滤波和填黑洞图像处理；所述图像数据输出模块60用于将数据解调和图像处理模块50传输的图像数据进行数字扫描变化处理，即图像数据输出模块60将图像数据进行插值、坐标变换等一系列变化处理，最终得到可供显示装置直接显示的数据，并且送往显示装置显示或者打印。
本发明还公开了一种超声扫描系统的回波信号处理方法，通过超声发射接收模块进行超声发射并接收回波信号；通过信号采集模块将超声回波信号采集并进行信号滤波、放大、模数转换处理，得到超声回波数字信号；将超声回波数字信号输入隔直滤波模块进行隔直滤波，得到无直流的超声回波数字信号；然后将隔直滤波模块内无直流的超声回波数字信号输入回波数字信号波束合成模块完成波束合成；然后通过数据解调和图像处理模块进行图像处理，最后通过图像数据输出模块进行处理将数据进行输出。
如图5所示，本发明还公开了一种用于超声扫描系统的隔直滤波方法，包括如下步骤：
在步骤S1中，缓存单元和第一级低通滤波器分别接收超声回波数字信号；
在步骤S2中，第一级低通滤波器对超声回波数字信号进行处理，然后第一级低通滤波器将处理后的超声回波数字信号传入第二级低通滤波器进行再次处理；
在步骤S3中，将缓存单元的超声回波数字信号和第二级低通滤波器处理后的超声回波数字信号传入差分器进行差处理。
在步骤S3中，缓存单元的超声回波数字信号和第二级低通滤波器处理后的超声回波数字信号同步传入差分器进行差分处理；例如第一级低通滤波器和第二级低通滤波器总共需要40个处理时钟，那么该缓存单元也需缓存超声回波数字信号40个处理时钟，然后一起送往差分器进行处理。
设缓存单元的超声回波数字信号为y1，第二级低通滤波器处理后的超声回波数字信号为y2；在所述步骤C中，差分器进行差处理输出的为Y，那么：Y=y1 – a*y2，其中a为增益因子用于补偿第一级低通滤波器和第二级低通滤波器造成的信号衰减，a取值范围为a大于等于1且小于等于1.5。差分处理后，隔直滤波完成，便可得到无直流的回波信号。
所述第一级低通滤波器为有限脉冲响应滤波器，所述第二级低通滤波器为无限脉冲响应滤波器。
所述有限脉冲响应滤波器具有良好的稳定性和严格的线性相位特性，其采用的阶数为N=2L，L的取值由调试的实际效果而定，优选为L=4；L的定义为：第一级隔直因子。
所述无限脉冲响应滤波器目的在于对有限脉冲响应滤波器效果的加强，无限脉冲响应滤波器的优势在于利用较低的阶数就能实现较高的滤波性能，由于其阶数越高，暂态效应越强，所以在一般的典型设计中都不会采用较高的阶数。本实例中采用的无限脉冲响应滤波器为1阶，用投影初始化法消除暂态效应，其表达式如下： Y(n)=(1-2-m) * X(n) + 2-m  * Y(n-1)，公式中m的取值由调试的实际效果而定，典型值为m=3；Y(n)：当前输出结果，X(n)：当前输入数据，Y(n-1)：上一次的输出结果，m：第二级隔直因子。
本发明中的有限脉冲响应滤波器为FIR（Finite Impulse Response）滤波器，无限脉冲响应滤波器为IIR（Infinite Impulse Response）滤波器。
在本发明的超声扫描系统中，通过超声发射接收模块进行超声发射并接收回波信号；通过信号采集模块将超声回波信号采集并进行信号滤波、放大、模数转换处理，得到超声回波数字信号；将超声回波数字信号输入隔直滤波模块通过本发明的隔直滤波方法进行隔直滤波，得到无直流的超声回波数字信号；然后将隔直滤波模块内无直流的超声回波数字信号输入回波数字信号波束合成模块，每条通道的超声回波数字信号同时进入各自的数据储存器，在聚焦延迟电路的控制下再根据通道间不同的延时，按照不同的读地址读出各条通道数据，每条通道按照各自的插值系数完成插值处理，然后乘以不同的权重进行变迹处理，再将每条通道信号进行求和，求和后变为一路信号，至此完成波束合成；然后通过数据解调和图像处理模块进行图像处理，最后通过图像数据输出模块进行处理将数据进行输出。
本发明通过先对超声回波数字信号进行两级低通滤波处理，然后再将处理后的信号与超声回波数字信号做差分，得到的隔直滤波器通带纹波更加小、通带截止频率更加低，其具有算法简单，易于实现，实用性强等优点，其滤波效果如图6所示。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1. 一种用于超声扫描系统的隔直滤波模块，其特征在于：包括用于存储回波信号的缓存单元（31）、用于对回波信号进行低通滤波处理的第一级低通滤波器（32）、用于对经所述第一级低通滤波器（32）进行处理的回波信号再次进行低通滤波处理的第二级低通滤波器（33）、以及差分器（34），所述第一级低通滤波器（32）输出端与所述第二级低通滤波器（33）输入端相连，所述第一级低通滤波器（32）和所述第二级低通滤波器（33）用于对回波信号进行两级低通滤波处理；所述第二级低通滤波器（33）输出端与所述差分器（34）输入端相连，所述缓存单元（31）输出端与所述差分器（34）输入端相连，所述差分器（34）用于对所述缓存单元（31）输出的回波信号和经两级低通滤波处理的回波信号进行差分处理。
2. 根据权利要求1所述的用于超声扫描系统的隔直滤波模块，其特征在于：所述第一级低通滤波器（32）为有限脉冲响应滤波器，所述第二级低通滤波器（33）为无限脉冲响应滤波器。
3. 根据权利要求2所述的用于超声扫描系统的隔直滤波模块，其特征在于：所述有限脉冲响应滤波器采用的阶数为N=2L，所述无限脉冲响应滤波器采用的阶数为1阶。
4. 根据权利要求3所述的用于超声扫描系统的隔直滤波模块，其特征在于：所述有限脉冲响应滤波器采用的阶数为N=2L，其中L=4。
5. 一种具有权利要求1至4任一项所述用于超声扫描系统的隔直滤波模块的超声扫描系统，其特征在于：包括依次相连的超声发射接收模块（10）、信号采集模块（20）、所述隔直滤波模块、回波数字信号波束合成模块（40）、数据解调和图像处理模块（50）、图像数据输出模块（60），所述超声发射接收模块（10）用于发射超声信号并且接收超声回波信号，所述信号采集模块（20）用于超声回波信号采集并进行信号滤波、放大、模数转换处理；所述缓存单元（31）输入端和所述第一级低通滤波器（32）输入端分别与所述信号采集模块（20）输出端相连，所述差分器（34）输出端与所述回波数字信号波束合成模块（40）输入端相连；所述回波数字信号波束合成模块（40）用于完成波束合成；所述数据解调和图像处理模块（50）用于将波束合成的回波信号进行正交解调，去除载波信号，经抽取后，将数据进行滤波和填黑洞图像处理；所述图像数据输出模块（60）用于将数据解调和图像处理模块（50）传输的图像数据进行数字扫描变化处理。
6. 一种超声扫描系统的回波信号处理方法，其特征在于：通过超声发射接收模块进行超声发射并接收回波信号；通过信号采集模块将超声回波信号采集并进行信号滤波、放大、模数转换处理，得到超声回波数字信号；将超声回波数字信号输入隔直滤波模块进行隔直滤波，得到无直流的超声回波数字信号；然后将隔直滤波模块内无直流的超声回波数字信号输入回波数字信号波束合成模块完成波束合成；然后通过数据解调和图像处理模块进行图像处理，最后通过图像数据输出模块进行处理将数据进行输出。
7. 一种用于超声扫描系统的隔直滤波方法，其特征在于，包括如下步骤：
A. 缓存单元和第一级低通滤波器分别接收超声回波数字信号；
B. 第一级低通滤波器对超声回波数字信号进行处理，然后第一级低通滤波器将处理后的超声回波数字信号传入第二级低通滤波器进行再次处理；
C. 将缓存单元的超声回波数字信号和第二级低通滤波器处理后的超声回波数字信号传入差分器进行差处理。
8. 根据权利要求7所述的用于超声扫描系统的隔直滤波方法，其特征在于：在所述步骤C中，缓存单元的超声回波数字信号和第二级低通滤波器处理后的超声回波数字信号同步传入差分器进行差分处理。
9. 根据权利要求8所述的用于超声扫描系统的隔直滤波方法，其特征在于：设缓存单元的超声回波数字信号为y1，第二级低通滤波器处理后的超声回波数字信号为y2；在所述步骤C中，差分器进行差处理输出的为Y，那么：Y=y1 – a*y2，其中a为增益因子用于补偿第一级低通滤波器和第二级低通滤波器造成的信号衰减，a取值范围为a大于等于1且小于等于1.5。
10. 根据权利要求8或9所述的用于超声扫描系统的隔直滤波方法，其特征在于：所述第一级低通滤波器为有限脉冲响应滤波器，所述第二级低通滤波器为无限脉冲响应滤波器；所述有限脉冲响应滤波器采用的阶数为N=2L，L=4；所述无限脉冲响应滤波器采用的阶数为1阶。
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