CN111616707B - 基于傅里叶逼近的声电信号二次解码方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于傅里叶逼近的声电信号二次解码方法，包括下列步骤：安装源信号发生器、聚焦超声波发射装置以及声电信号测量，并测量测量聚焦超声换能器的聚焦超声波的特性；声电测量电极置于聚焦超声波焦斑位置，测量声电信号；对采集的原始声电信号，通过降采样，滤波之后得到预处理后的声电信号x(t)；对x(t)用希尔伯特进行解码；对希尔伯特解码之后的包络信号|b(t)|进行傅里叶逼近，得到声电信号二次解码之后的结果。

Description

基于傅里叶逼近的声电信号二次解码方法
技术领域
本发明属于生物医学成像技术领域，涉及声电成像技术，具体是一种基于傅里叶逼近的声电信号二次解码方法。
背景技术
声电成像是一种基于声电效应的新型成像方法，对神经成像技术发展具有重要意义，在临床上有很高的应用价值(CN 109645999A)。声电效应(Acoustoelectric Effect,AE)指超声波的机械振动引起电解质聚焦区域电导率发生变化。基于声电效应，声电信号包含源信号信息，通过声电信号解码可以获取源信号。声电信号解码精度也直接影响声电成像分辨率的高低。
在声电信号的解码方法中，目前普遍使用的是利用希尔伯特对其求包络进行解码(Ultrasound Current Source Density Imaging,Ragnar Olafsson,Russell S.Witte,Sheng-Wen Huang and Matthew O’Donnell,IEEE Transactions on BiomedicalEngineering,2008,55(7):1840-1848)；(Measurement of a 2D electric dipole filedusing the acousto-electric effect，Ragnar Olafsson,Russell S.Witte and MatthewO’Donnell,Proc.SPIE 6513,Medical Imaging 2007:Ultrasonic Imaging and SignalProcessing,65130S(March 12,2007)；doi:10.1117/12.712448，San Diego,CA|February17,2007)；(4D acoustoelectric imaging of current sources in a human headphantom,Qin,Y.,Ingram,P.,Burton,A.,&Witte,R.S.(2016,September).In UltrasonicsSymposium(IUS),2016IEEE International(pp.1-4))；(Performance of a transcranialUS array designed for 4D acoustoelectric brain imaging in humans,Qin,Y.,Ingram,P.,Xu,Z.,O'Donnell,M.,&Witte,R.S.(2017,September).UltrasonicsSymposium(IUS),2017IEEE International(pp.1-4))。
由于希尔伯特对声电信号的解码精度有限，其解码后信号的时序特性与源信号存在较大差异，致使声电成像在临床上的应用存在局限性。为了进一步提高声电信号的解码精度，获取更有效的源信号信息，高精度解码方法的研究具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有希尔伯特对声电信号解码精度低的问题，提出基于傅里叶逼近的声电信号二次解码方法。该方法可以实现声电信号高精度解码，进而提高声电成像的分辨率。包括下列步骤：
一种基于傅里叶逼近的声电信号二次解码方法，包括下列步骤：
(1)安装源信号发生器、聚焦超声波发射装置以及声电信号测量，并测量测量聚焦超声换能器的聚焦超声波的特性；
(2)声电测量电极置于聚焦超声波焦斑位置，测量声电信号；
(3)对采集的原始声电信号，通过降采样，滤波之后得到预处理后的声电信号x(t)；
(4)对x(t)用希尔伯特进行解码。方法如下：
a对x(t)进行希尔伯特变换得到x'(t)，x'(t)与x(t)互为希尔伯特变换对；
b构造x(t)的解析信号为b(t)＝x(t)+jx'(t),得到x(t)的包络信号|b(t)|；
(5)对希尔伯特解码之后的包络信号|b(t)|进行傅里叶逼近：结合包络信号|b(t)|的周期性，用基于周期函数傅里叶级数展开原理的傅里叶逼近方法对|b(t)|进行解码，对原函数|b(t)|进行傅里叶展开，选取傅里叶展开级数，得到|b(t)|拟合函数，所得的拟合函数即为声电信号二次解码之后的结果。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
与已有的利用希尔伯特解码结果进行比较，本发明基于傅里叶逼近的声电信号二次解码方法，可以解码出源信号精确的周期信息和相位信息，提高了声电信号的解码精度，从而提高了声电成像的分辨率。
附图说明
以下附图描述了本发明所选择的实施例，均为示例性附图而非穷举或限制性，其中：
图1为本发明采用的系统的整体结构示意图图；
图2为希尔伯特对声电信号解码之后的时序结果；
图3为本发明利用傅里叶逼近对希尔伯特解码后的信号进行二次解码之后的时序结果。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明基于傅里叶逼近的声电信号二次解码方法加以说明，旨在作为本发明的实施例描述，并非是可被制造或利用的唯一形式，对其他可实现相同功能的实施例也应包括在本发明的范围内。
本发明基于傅里叶逼近的声电信号二次解码方法大概可以分为以下5个步骤。
(1)本发明采用的声电信号检测系统为现成的装置搭建而成。安装源信号发生器、声电信号测量以及聚焦超声波发射装置，并测量聚焦超声波特性。源信号发生器为：RIGOLDG4162；声电信号测量装置：声电测量电极(直径为0.5的针状铂丝电极)、脑电放大器、声电放大器、声电滤波器的声电采集系统以及声电信号采集系统(Neuroscan)；聚焦超声波发射装置(5077PR)包括：1MHZ聚焦超声换能器(A392S)、聚焦超声波驱动装置；测量聚焦超声换能器的聚焦超声波的特性，包括：聚焦超声波的重复频率、聚焦超声波的焦斑尺寸、焦斑位置、焦斑处的声压。
(2)源信号为10Hz正弦信号，超声波脉冲重复频率为2000Hz，使声电测量电极置于聚焦超声波焦斑位置，同时测量声电信号，采样频率为20000HZ。
(3)对采集的声电信号，通过降采样(降采样之后的频率为5000HZ)，滤波(2050HZ-1950HZ)之后得到处理后的声电信号x(t)。
(4)对x(t)用希尔伯特进行解码。
a先对x(t)进行希尔伯特变换得到x'(t)。满足以下数学关系
Figure GDA0002608834480000031
希尔伯特变换相当于一个正交滤波器，此滤波器的脉冲响应为1/(πt)，x'(t)与x(t)互为希尔伯特变换对。
b构造x(t)的解析信号为b(t)＝x(t)+jx'(t)。因为x(t)既包含幅值信息，又包含相位信息，所以可以设x(t)＝A(t)cos(w0t+θ(t))，则
Figure GDA0002608834480000032
其中θ(t)为b(t)的相位；|b(t)|＝|A(t)|为x(t)的包络信号。对x(t)进行希尔伯特解码的结果为图2。
(5)对希尔伯特解码之后的包络信号|b(t)|进行傅里叶逼近。
傅里叶逼近理论，指在所要拟合的函数具有周期信息的情况下，引入谐波分析，将所要测量信号的周期性分为多次误差谐波的叠加，其反映的是原始信号的整体趋势。原始信号的基空间由正弦函数和余弦函数组成。
本发明通过傅里叶级数的不断逼近来实现曲线拟合,拟合曲线会尽可能接近离散数据点，但并非全部通过。因此利用傅里叶逼近实现离散数据的平滑处理,是一种较为常用的曲线拟合方法。结合包络信号|b(t)|的周期性，用基于周期函数傅里叶级数展开原理的傅里叶逼近方法对|b(t)|进行解码。首先对原函数|b(t)|进行傅里叶展开：
Figure GDA0002608834480000033
其中i＝1,2,3,…,n。
则|b(t)|拟合函数表示为:
Figure GDA0002608834480000034
其中i＝1,2,3,…,n。a0与w为常系数；ai与bi为各级系数；n为傅里叶展开级数；y(t)为|b(t)|拟合所得曲线。傅里叶展开级数n越高，得到的拟合曲线越平滑，相应的计算次数也越多,因此在傅里叶拟合过程中，傅里叶展开级数的选择需要权衡平滑效果与计算效率。我们这里选用的是n＝2进行处理。这里所得的拟合曲线即为声电信号二次解码之后的结果。
在希尔伯特解码的基础上，傅里叶逼近的二次解码方法结果如图3所示，解码之后的结果与源信号的频率和相位具有一致性。
本发明的基于傅里叶逼近对声电信号进行二次解码的方法，其主要应用于声电信号解码，进而提高声电信号的解码精度和声电成像的分辨率。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方案之一，如有本领域的普通技术人员在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造形的设计出与本发明相类似的结构形式或实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于傅里叶逼近的声电信号二次解码方法，包括下列步骤：
(1)安装源信号发生器、聚焦超声波发射装置以及声电信号测量，并测量测量聚焦超声换能器的聚焦超声波的特性；
(2)声电测量电极置于聚焦超声波焦斑位置，测量声电信号；
(3)对采集的原始声电信号，通过降采样，滤波之后得到预处理后的声电信号x(t)；
(4)对x(t)用希尔伯特进行解码。方法如下：
a对x(t)进行希尔伯特变换得到x'(t)，x'(t)与x(t)互为希尔伯特变换对；
b构造x(t)的解析信号为b(t)＝x(t)+jx'(t),得到x(t)的包络信号|b(t)|；
(5)对希尔伯特解码之后的包络信号|b(t)|进行傅里叶逼近：结合包络信号|b(t)|的周期性，用基于周期函数傅里叶级数展开原理的傅里叶逼近方法对|b(t)|进行解码，对原函数|b(t)|进行傅里叶展开，选取傅里叶展开级数，得到|b(t)|拟合函数，所得的拟合函数即为声电信号二次解码之后的结果。
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