CN103584886A - 一种基于相位相干信息的自适应变迹方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于相位相干信息自适应变迹方法，其步骤包括：对各路通道信号做希尔伯特变化获得相位信息；根据初步的相位估计与各个通道相位信息的偏差；通过一定的自适应处理方式获得各个通道的动态加权值；最后进行波束合成。为提高这种自适应处理方式的鲁棒性，动态加权值的计算过程引入相位方差敏感阈值，以及相位差与加权值间多种几何映射关系曲线。本发明利用波束合成时接收多通道数据内在的相位分集，对旁瓣和栅瓣信号进行抑制，同时缩小主波束宽度，提高了图像横向分辨力。

Description

一种基于相位相干信息的自适应变迹方法

技术领域

本发明涉及一种信号分析方法，具体是一种医疗超声信号基于相位相干信息的自适应变迹方法。

背景技术

超声成像具有廉价、安全性系数高等优点，在医疗领域被视为一种有效的诊断手段。超声成像通常采用发射脉冲波接收回波的信号，再通过接收的回波信号进行经典模数转换、起始延迟、动态聚焦等步骤的波束合成方法进行成像。

早期传统的波束合成方法是通过对各个探头阵元收到的信号进行延迟和动态聚焦，用来弥补聚焦点与阵元之间的声传播距离差，并求和，得到聚焦点的信号能量。在理想的聚焦环境下，各路通道回波数据的相位应该是相同的，而旁瓣和栅瓣处的反射信号使通道间的相位变得弥散而不统一。但是在各个通道信号的合成过程中不可避免地会引入轴外的旁瓣和栅瓣信号，这些信号会影响图像的对比度和对小目标的检测能力。传统技术通常采用孔径变迹的方法对旁瓣和栅瓣信号进行抑制，例如：对发射孔径和接收孔径采用汉明窗、海明窗等方法对数据进行加权。由于这些加权函数是随着波束扫查深度而变化，而与孔径接收数据没有关联，从而会导致主波束宽度的变宽，造成图像横向分辨率下降；同时也降低了对比分辨率。

为了避免上述孔径变迹带来的问题，现有一些技术方案采用了一些通过自适应的方法来抑制旁瓣和栅瓣，减少对主波束宽度的影响。例如，中国专利号ZL200810063966.4公布了一种基于相关性分析的超声成像系统自适应波束形成器，利用通道间的相关性系数对通道权重作动态调整，来进行相位差的控制，再合成最终的波束输出。美国专利号：US7744532公布了一种基于孔径接收数据的相干因子计算方法，以提高图像的对比分辨力，动态范围等。类似的技术方案都是基于接收孔径数据的幅度信息和固定加权值来自适应计算变迹系数，主要存在三个问题：①对于基元间距较大的探头，图像处理效果较差，适应性存在一定缺陷；②变迹系数计算过程较复杂；③变迹系数过程中加权值是非实时变化的，与接收数据没有关联，造成了图像横向分辨率降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于相位相干信息的自适应变迹方法，克服了传统超声成像信号处理过程中轴外信号的干扰、计算复杂、加权值不与接收数据关联的问题。

根据本发明提供的技术方案，一种基于相位相干信息的自适应变迹方法，包括以下步骤：

步骤1：将从各个通道获得的超声信号进行模数转换；

步骤2：对经过步骤1处理获得的信号进行起始延迟、动态聚焦处理，得到处理后的各个通道信号Ι_i,1≤i≤N，N是通道数；同时将每路信号延迟若干时钟拍，等待自适应变迹系数获取；

步骤3：将步骤2输入的信号做希尔伯特变换，通过CORDIC算法获取各个通道的相应相位信息Phase_i；

步骤4：对步骤3获得的通道相位信息进行求平均 $\mathrm{PhaseAverage}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Phase}\_i/N;$

步骤5：求各路信号相位与平均相位PhaseAverage的绝对差

PhaseDiff_i=︱Phase_i－PhaseAverage︱，定量的代表各路信号的可信度；

步骤6：对步骤5获得的绝对差通过相应的几何映射运算得到相应变迹系数alpha_i；

步骤7：将变迹系数alpha_i与步骤2中的I_i相乘并求和

得到波束合成输出。

另一种方式为：将步骤2中的各路通道信号I_i做多频率子带分解，得到各路通道信号的子带信号I_i_I_j，1≤j≤M，其中M是信号分解频率的个数，I_i_I_j表示第i路通道信号的第j个子带分量；然后将频率相同的子带信号归类为M个集合，再输入到步骤3。

进一步的，步骤6所述的几何映射运算可以为高斯函数或者幂函数，

高斯函数公式为：

$\mathrm{alpha}\_i=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{-{(\mathrm{PhaseDiff}\_i-\mathrm{PhaseDiffGate})}^2/c^2},& \mathrm{PhaseDiff}\_i\&GreaterEqual;\mathrm{PhaseDiffGatec}=\mathrm{10,20,30,40}\\ 1,& \mathrm{PhaseDiff}\_i<\mathrm{PhaseDiffGate}\end{array}\right.$

幂函数公式为：

其中C是可选常数，PhaseDiffGate为设定的相位方差敏感阈值。

本发明与已有技术相比具有的优点是：提供了一种基于相位相干信息的自适应变迹方法，变迹系数计算过程简单，不但克服了现有技术计算过程较复杂的问题；也大大降低了传统技术横向分辨率低的问题；同时变迹系数过程采用动态加权值方法，进一步提高了横向分辨率。

附图说明

图1是本发明实施例1的信号信息处理框图。

图2是本发明实施例2的信号信息处理框图。

图3是本发明图2中多频率子带分解和自适应变迹系数计算模块的子模块示意图。

图4是本发明图2中自适应变迹系数计算模块的子模块示意图。

图5是本发明实施例的通道阈值与通道相位和加权值的函数映射图。

图6是本发明实施例的远场辐射方向能量性示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1：

如图1所示，一种基于相位相干信息的自适应变迹方法，具体步骤如下：

步骤1：将从各个通道获得的信号进行经典的模数转换（A/D）。

步骤2：对经过步骤1处理获得的信号进行起始延迟、动态聚焦处理，得到处理后的各个通道信号Ι_i,1≤i≤N，其中N为通道数；同时将每路信号延迟若干时钟拍，等待自适应变迹系数获取。

步骤3：将各个通道信号I_i做希尔伯特变换，通过CORDIC算法获取各个通道的相应相位信息Phase_i。

步骤4：对步骤3获得的通道相位信息进行求平均随着扫查深度的增加，接收孔径逐步增大，N逐步增加。

步骤5：在步骤4的基础上，求得各路信号相位与平均相位PhaseAverage的绝对差PhaseDiff_i=︱Phase_i－PhaseAverage︱。由于受到轴外信号的干扰，各路通道信号I_i，不能保持相位的一致性，但是通过对各路信号相位求平均，PhaseAverage代表了一种较为可靠的估计结果。因此，各路信号相位与平均相位的绝对差可以定量的代表各路信号的可信度。

步骤6：通过在各路信号的可信度，即各路信号相位与平均相位的绝对差上进行相应的几何运算得到相应的变迹系数alpha_i，例如可以是高斯函数：

$\mathrm{alpha}\_i=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{-{(\mathrm{PhaseDiff}\_i-\mathrm{PhaseDiffGate})}^2/c^2},& \mathrm{PhaseDiff}\_i\&GreaterEqual;\mathrm{PhaseDiffGatec}=\mathrm{10,20,30,40}\\ 1,& \mathrm{PhaseDiff}\_i<\mathrm{PhaseDiffGate}\end{array}\right.$

其中C是可选常数，C=10,20,30,40。

为提高这种自适应处理方式的鲁棒性，变迹系数的计算过程引入相位方差敏感阈值PhaseDiffGate，以及相位差与变迹系数间多种几何映射关系曲线，如图5所示。当阈值PhaseDiffGate选取较小值时，变迹系数的计算过程对相位差会比较敏感，反之，则不敏感。步骤6中alpha_i的动态加权值随着相位方差敏感阀值PhaseDiffGate变化而变化。例如，当某通道相位与平均相位差PhaseAverage为180°/8，而PhaseDiffGate取180°/7时，则该通道加权值设为1。同样，不同曲率的几何映射关系代表加权值对相位差的不同层度展示。到中远场时将系统全部通道打开，因此参与变迹系数自适应计算的通道数也是逐步增长的。PhaseDiffGate、相位差和变迹系数的数学关系可以用各种几何映射关系。这样可以看出加权值是实时变化的，克服了现有技术加权值不实时变换的问题，从而使图像横向分辨率更好。

步骤7：将变迹系数alpha_i与步骤2中的接收的孔径数据相乘并求和

最后得到合成所得到输出的结果。可以从本步骤看到，波束合成输出的结果包含了各个通道的可信度信息，并且随着波束扫查深度的变化而实时变化，当回波数据受到旁瓣和栅瓣的信号干扰时，接收孔径数据相位开始变得有差异，通过对受到干扰的通道数据进行抑制，合成后的数据就更加真实的反映出聚焦点的反射信息。

实施例2：

如图2、3、4所示：其中图3为图2的子模块，显示了多频率子带分解和自适应变迹系数计算模块示意图；图4为图2的子模块，显示了自适应变迹系数计算模块示意图。具体实施步骤如下：

步骤1：将从各个通道获得的信号进行经典的模数转换。

步骤2：如图2所示，对经过步骤1处理获得的信号进行起始延迟、动态聚焦处理，得到处理后的各个通道信号Ι_i,1≤i≤N，其中N为通道数；如图3所示，对各通道信号做多频率子带分解，得到各路通道信号的子带信号I_i_I_j，1≤j≤M，其中M是信号分解频率的个数，I_i_I_j表示第i路通道信号的第j个子带分量；同时将每路信号延迟若干时钟拍，等待自适应变迹系数获取。

AD采集的信号具有多种频率分量，各种频率分量的信号相位具有不同尺度的周期，低频分量信号的相位周期较长，高频分量信号的相位周期较短，同时，随机噪声在不同频带上有不同的表现。本方案利用这一特性，对起始延迟和动态聚焦之后的信号进行多种中心频率的滤波，即多频率子带分解，获得各个子带信号分量，进而提取各个子带信号的相位信息，通过频率分集方式，减弱随机噪声环境下相位估计不准确对变迹系数自适应计算的影响。

步骤3：如图4所示，将步骤2中获得的相同子带信号归为M类I_i_I_j，j=1,2,3,…,M，输入给自适应变迹系数计算模块，即根据子带频率的不同，把各路通道信号相同子带频率的信号进行归类。

例如M=2时，此时子带个数为2，把各类通道信号分解成两个频率子带的分量信号，即低频分量和高频分量，把所有通道的低频分量信号归成一类，把所有通道的高频分量信号归成另一类。归类成两个集合{I_i_I_1,1≤i≤N}，{I_i_I_2,1≤i≤N}。

步骤4：将步骤3输入的信号做希尔伯特变换，通过CORDIC算法获取各个通道的相应相位信息Phase_i。

步骤5：对步骤3获得的通道相位信息进行求平均 $\mathrm{PhaseAverage}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Phase}\_i/N;$

步骤6：在步骤4的基础上，求得各路信号相位与平均相位PhaseAverage的绝对差PhaseDiff_i=︱Phase_i－PhaseAverage︱。

步骤7：通过在各路信号相位与平均相位的绝对差上进行相应的几何运算得到相应的变迹系数alpha_i，例如可以是幂函数：

其中C是一种可选常数，C=0.1,0.5,1,1.5。

通过实施例1、2可以看到，本发明提出的一种基于相位相干信息的自适应变迹方法，这种方法从接收孔径数据内在的相位分集信息提取出各路通道数据的可信度信息。当可信度较高时，赋予该通道较高的加权值；当可信度较低时，赋予该通道较低的加权值。可信度代表一种相干性，相干信号叠加可以减少合成数据中的各种杂波，有利于图像边界勾勒。这种自适应变迹方法通过实时计算各路通道的加权因子，再将各路通道信号合成，提升波束合成的性能。通过这种方式，旁瓣、栅瓣等其他噪声得到抑制，同时横向分辨力得到提高。

如图6所示：本发明远场辐射方向能量性示意图，从图中可以看到本发明的自适应变迹，相对于传统的汉明窗变迹方法，可以降低旁瓣和栅瓣的同时，减少主瓣的宽度。通过对比传统超声成像汉明窗变迹方法与本发明超声成像采用自适应变迹的方法，可以发现本发明技术方案可以使靶点横向更圆，同时图像横向分辨率和信噪比提升明显。

Claims (3)

1.一种基于相位相干信息的自适应变迹方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将从各个通道获得的超声信号进行模数转换；

步骤2：对经过步骤1处理获得的信号进行起始延迟、动态聚焦处理，得到处理后的各个通道信号Ι_i,1≤i≤N，N是通道数；同时将每路信号延迟若干时钟拍，等待自适应变迹系数获取；

步骤3：将步骤2输入的信号做希尔伯特变换，通过CORDIC算法获取各个通道的相应相位信息Phase_i；

步骤4：对步骤3获得的通道相位信息进行求平均 $\mathrm{PhaseAverage}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Phase}\_i/N;$

步骤5：求各路信号相位与平均相位PhaseAverage的绝对差

PhaseDiff_i=︱Phase_i－PhaseAverage︱，定量的代表各路信号的可信度；

步骤6：对步骤5获得的绝对差通过相应的几何映射运算得到相应变迹系数alpha_i；

步骤7：将变迹系数alpha_i与步骤2中的I_i相乘并求和

得到波束合成输出。

2.如权利要求1所述的基于相位相干信息的自适应变迹方法，其特征在于，步骤2中的各路通道信号I_i做多频率子带分解，得到各路通道信号的子带信号I_i_I_j，1≤j≤M，其中M是信号分解频率的个数，I_i_I_j表示第i路通道信号的第j个子带分量；然后将频率相同的子带信号归类为M个集合，再输入到步骤3。

3.如权利要求1所述的基于相位相干信息的自适应变迹方法，其特征在于，步骤6所述的几何映射运算为高斯函数或者幂函数，

高斯函数公式为：

$\mathrm{alpha}\_i=\left\{\begin{array}{cc}{e}^{-{(\mathrm{PhaseDiff}\_i-\mathrm{PhaseDiffGate})}^2/c^2},& \mathrm{PhaseDiff}\_i\&GreaterEqual;\mathrm{PhaseDiffGatec}=\mathrm{10,20,30,40}\\ 1,& \mathrm{PhaseDiff}\_i<\mathrm{PhaseDiffGate}\end{array}\right.$

幂函数公式为：

其中C是可选常数，PhaseDiffGate为设定的相位方差敏感阈值。

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