TWI482613B

TWI482613B - 訊號分析方法、超音波影像分析方法以及超音波成像系統

Info

Publication number: TWI482613B
Application number: TW100148921A
Authority: TW
Inventors: Arvin Huang Te Li; Yio Wha Shau; Yu Ching Chang; Bai Kuang Hwang; Min Shih
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2015-05-01
Also published as: TW201325555A; CN103181780A; US8837798B2; CN103181780B; US20130163839A1

Description

訊號分析方法、超音波影像分析方法以及超音波成像系統

本發明是有關於一種訊號分析方法，且特別是有關於一種超音波影像訊號的分析方法以及其應用。

在習知技術中，超音波成像已被廣泛應用於各種領域中，例如工業、軍事、醫學等各種不同領域範圍。其中，超音波成像系統於醫學應用時，可用來量測人體組織的生理特性，諸如血管或血液的流速等。其利用都卜勒(Doppler)原理將超音波能量傳送到待測的人體組織區域，再接收由待測區域反射的超音波能量值。根據所反射的超音波能量，超音波成像系統可顯示此待測區域的二維超音波影像。然而，對於欲偵測血管中血液的低流速或較小血管管徑而言，其資訊必須搭配特定的訊號分析方法來分析待測區域所反射的超音波能量值始可獲得。

習知的訊號分析方法係在頻率域中對反射的超音波能量進行分析。然而，此種頻率域方法存在有部分缺失，不易克服。詳細而言，根據都卜勒原理，當超音波成像系統將超音波發射至待測區域內的待偵測物質，例如血管中的紅血球，而由該待偵測物質反射之回波訊號(echo)，其頻率會偏移，此頻率偏移量與待偵測物質的速度在發射方向上的分量成正比。在脈衝波(pulsed wave)都卜勒模式中，超音波成像系統的探頭向待測區域發射一系列的短脈衝，超音波成像系統所接收的反射訊號可表示為二維的資料集，其中一維代表脈衝發射索引(即慢時間軸)，另一維則為飛行時間(即快時間軸)。慢軸上之訊號即攜有都卜勒頻移之訊息。因此，分析慢軸訊號的相位即可獲得待偵測物質的影像資訊。

習知的訊號分析方法通常是計算兩相鄰慢軸的自相關函數，以估計相位偏移，並據此計算待偵測物質的速度等資訊。但此習知的訊號分析方法係將慢軸上之訊號經傅立葉轉換(Fourier transform)後始進行計算，也就是在頻率域中進行訊號的分析。然而，目前習知的訊號分析方法存在如底下的缺失。一是都卜勒訊號容易受到低頻訊號的干擾，例如血管壁的脈動、心臟脈搏、呼吸或不自主運動。而此方法必須利用wall filter高通濾波器來濾除雜訊，始可進行後續的分析。設計理想的高通濾波器並非易事，從而提高了頻率域分析方法的困難度。二是頻率域分析方法的核心演算法-傅立葉轉換，其本質上為積分轉換，時間域訊號一旦經過轉換，所有的時變訊息將完全遺失。因此習知的訊號分析方法無法提供實際量測情況下，特定瞬時的頻率資訊。

本發明之一實施例提出一種時間域的訊號分析方法。所述訊號分析方法包括如下步驟：(a)接收待分析訊號。(b)利用經驗模態分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)，以疊代方式對待分析訊號進行篩選(iteratively sift)，以分解出至少一本質模態函數(intrinsic function，IMF)。(c)對本質模態函數進行希爾伯特轉換(normalized Hilbert transform)。經轉換後的本質模態函數包含相位資訊(phase information)。(d)利用相位處理手段來處理經轉換後的本質模態函數，以獲得包含角頻率(angular frequency)資訊的本質模態函數。

本發明之另一實施例提出一種超音波影像分析方法，其適用於超音波成像系統。所述超音波影像分析方法包括如下步驟：(a)接收待分析訊號。(b)利用經驗模態分解，以疊代之方式對於待分析訊號進行篩選，以分解出至少一本質模態函數。(c)對本質模態函數進行希爾伯特轉換。經轉換後的本質模態函數包含相位資訊。(d)利用相位處理手段來處理經轉換後的本質模態函數，以獲得包含角頻率資訊的本質模態函數。(e)比對經處理後的本質模態函數與相關待分析訊號的超音波影像，以辨識超音波影像資訊。

本發明之另一實施例提出一種超音波成像系統，其包括訊號收發模組、訊號處理模組以及影像顯示模組。訊號收發模組接收待分析訊號。訊號處理模組利用經驗模態分解，以疊代方式對待分析訊號進行篩選，以分解出至少一本質模態函數。訊號處理模組對本質模態函數進行希爾伯特轉換。經轉換後的本質模態函數包含相位資訊。訊號處理模組利用相位處理手段來處理經轉換後的本質模態函數，以獲得包含角頻率資訊的本質模態函數。訊號處理模組比對經處理後的本質模態函數與相關待分析訊號的超音波影像，以辨識超音波影像的影像資訊。影像顯示模組根據訊號處理模組對於待分析訊號之處理結果來顯示對應一待測區域的該超音波影像。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1繪示本發明實施例之訊號分析方法的步驟流程圖。請參考圖1，本實施例之訊號分析方法係在時間域處理訊號，以獲得時變的頻率資訊。首先，在步驟S110中，接收待分析訊號。此待分析訊號包含例如由待測區域內的待偵測物質所反射的慢軸(Slow time axis)訊號，其包括都卜勒頻移資訊(doppler shift)。接著，在步驟S120中，利用經驗模態分解，以疊代方式對待分析訊號進行篩選，以分解出多個不同頻段的本質模態函數。經驗模態分解方法可以參考US20100092028A1、US6901353B1等文獻，並不在此限。此步驟分解所得之結果包含至少一本質模態函數。在實施例中，若根據此至少一本質模態函數即可分析獲得待偵測物質的影像資訊時，則本發明並不侷限於分解出多個不同頻段的本質模態函數。在步驟S130中，對不同頻段的本質模態函數進行希爾伯特轉換。而經轉換後的各本質模態函數包含相位資訊。繼之，在步驟S140中，利用相位處理手段來處理經轉換後的各本質模態函數，以獲得包含角頻率資訊的各本質模態函數。

在本實施例中，步驟S140的相位處理手段包括搭配曲線擬合來濾除角頻率資訊中的突波(surge)等雜訊，亦即角頻率跳動資訊的成分，以得到穩定的角頻率資訊。詳細而言，本實施例之相位處理手段包括對各本質模態函數的相位資訊進行微分，以獲得對應的角頻率資訊。亦即，若各本質模態函數的相位資訊為ψ，角頻率資訊為ω，此相位處理手段首先對各本質模態函數的相位資訊ψ進行微分，以獲得角頻率資訊ω=dψ/dt。接著，此相位處理手段利用曲線擬合(curve fitting)來濾除角頻率資訊ω中的部份成分，例如突波等雜訊。

簡單來說，本實施例之訊號分析方法係直接分析待測區域所反射的慢軸訊號，先對其進行經驗模態分解，再利用希爾伯特轉換修整所得的本質模態函數之包絡線，進而直接求出各本質模態函數的相位資訊，以計算其角頻率資訊。

此外，在一實施例中，所述訊號分析方法更包括比對分析所得的本質模態函數與相關待分析訊號的二維圖像，以辨識二維圖像上的影像資訊，此影像資訊包含待偵測物質的位置、大小及移動速度。由於本實施例之訊號分析方法係採用時間域方法，因此其分析結果包含時變的頻率資訊，可即時掌握待測區域的實際量測情況。

本實施例之訊號分析方法可廣泛地應用在分析經希爾伯特轉換修整包絡線後的本質模態函數，並利用相位處理手段來獲得穩定的角頻率資訊，此訊號分析方法並不限於任何形式的訊號偵測暨處理系統。為更清楚地瞭解本發明，以下將配合圖式，以本實施例之訊號分析方法應用在超音波成像系統的範例實施例來作詳細說明。

圖2繪示本發明實施例之超音波成像系統的方塊示意圖。請參考圖2，本實施例之超音波成像系統100包括訊號收發模組110、訊號處理模組120以及影像顯示模組130。訊號收發模組110包括換能器陣列單元112及驅動單元114。在此，訊號收發模組110例如包括超音波成像系統100前端的超音波探頭。在本實施例中，驅動單元114用以提供驅動訊號至換能器陣列單元112內的各換能器，以觸發各該換能器將超音波訊號傳遞至待測區域200。換能器陣列單元112被觸發後產生超音波訊號，並發射該超音波訊號至待測區域200。待測區域200通常可為生物體組織區域或其傳輸媒介(例如：人體組織區域/動物組織區域或是其傳輸媒介)，在本實施例中例如是血管及在其中流動的血液。接著，由待測區域200反射出的超音波反射波再被換能器陣列單元112所接收，以使其後的訊號處理模組120取得待測區域的原始數據資料，即待分析訊號。

在本實施例中，換能器陣列單元112在接收到待測區域200所反射的反射波之後，可將該等類比的反射波訊號轉換為數位訊號。換句話說，本實施例之換能器陣列單元112可更包括類比數位轉換器，用以將該等類比的反射波訊號轉換為數位訊號，但本發明並不限於此。在其他實施例中，類比數位轉換功能也可由驅動單元114內部的電路來執行，或者由訊號收發模組110與訊號處理模組120之間的介面電路來執行，本發明並不加以限制。

接著，在本實施例中，訊號處理模組120包括資料處理單元122以及資料分析單元124。在取得待分析訊號之後，資料處理單元122對待分析訊號的數據資料進行波束成形與聚焦操作。如前所述，換能器陣列單元112中的各換能器用以接收待測區域200反射出的反射波。對各該換能器而言，其延遲時間各不相同，因此需要一個波束成形電路來對各該反射波的影像訊號進行不同的延遲。是以，資料處理單元122包括波束成形電路來適當地將微分延遲引入到所接收的各影像訊號中，以動態地聚焦訊號，進而產生出精確的待測區域二維超音波影像。

之後，資料處理單元122將波束成形後的訊號自極座標轉換為直角座標，以獲得用直角座標來表示訊號強度及相位的I/Q資料(I/Q data)。進而，資料處理單元122將I/Q資料進行格式轉換，以使I/Q資料可供影像顯示模組130在其顯示屏幕132上顯示。在本實施例中，二維的超音波影像係超音波成像系統100在B掃瞄模式下偵測待測區域200所得。

另一方面，為了進一步辨識超音波影像的影像資訊，本實施例之資料分析單元124利用圖1之訊號分析方法對待測區域200反射的待分析訊號進行經驗模態分解。接著，資料分析單元124利用希爾伯特轉換修整待分析訊號的本質模態函數之包絡線，進而在時間域利用前述的相位處理手段直接求出各本質模態函數的相位資訊，以計算其角頻率資訊。之後，資料分析單元124比對經處理後的各本質模態函數與待分析訊號的超音波影像，以辨識超音波影像的影像資訊。在此，待分析訊號係超音波成像系統100在A掃瞄模式下偵測待測區域200所得。超音波影像的影像資訊例如是生物體組織(例如：人、動物等)中血管的位置、大小及其中血液的流速。

另外，本揭露的超音波影像的分析方法之各步驟的相關細節均可以由圖1至圖2實施例之敘述中獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。另一方面，本揭露例之超音波影像分析方法可用軟體或可程式化邏輯陣列(FPGA，Field Programmable Gate Array)晶片或其他軟硬體等方式來實現，本發明並不加以限制。

圖3A繪示本發明實施例之仿體的超音波影像。圖3B繪示圖3A之仿體待分析訊號的本質模態函數。其中圖3A之橫軸表示仿體之深度，縱軸表示仿體之橫向位置；圖3B之橫軸表示仿體之橫向位置，縱軸表示仿體各頻段經正規化(normalized)之IMF強度。請參考圖3A及圖3B，圖3A之仿體的超音波影像例如是由圖2的超音波成像系統100在B掃瞄模式下偵測待測區域200所得，其中仿體係配置於待測區域200中可模擬活體的軟組織，因此適於體外實驗的超音波成像。在圖3A中，超音波成像系統100的超音波探頭對待測區域的仿體發射超音波訊號，以偵測其二維超音波影像。

圖3B所例示的不同頻段的本質模態函數，係為例如藉由圖1的訊號分析方法處理所得的本質模態函數。如前所述，利用此方法可直接在時間域中處理各本質模態函數，以濾除訊號突波等雜訊。在本實施例中，比對圖3B的多個本質模態函數與圖3A的超音波影像，可辨識超音波影像上的血管的位置、大小及其中血液的流速。在實務操作上，超音波成像系統100的探頭係由例如圖3A中的左側向仿體發射超音波訊號來獲得回饋訊號。因此，在圖3B中，各本質模態函數在不同介質與界面中會產生訊號變化值，如圖中虛線所圈之處以及兩直虛線包圍住的區域。該等虛線所圈之處即是對應圖3A的血管壁之影像，而兩直虛線包圍住的區域即是血管中血液流動的區域，其中寬度W1代表血管的大小；D1代表血管壁與仿體表面的距離，即血管的位置。此外，根據圖3B中兩直虛線包圍住的區域的各本質模態函數的強度也可計算出血管內血液的流速。在本實施例中，血液的流速例如是每秒2.0毫升(2.0 ml/s)。因此，利用此方法可即時的判斷淺層及深層血管的位置與大小，並且可用於判斷不同血管的流速值，以區別其種類，例如動脈、靜脈或微血管。

圖4A繪示本發明另一實施例之仿體超音波影像。圖4B繪示圖4A之仿體待分析訊號的本質模態函數。其中圖4A之橫軸表示仿體之深度，縱軸表示仿體之位置；圖4B之橫軸表示仿體之位置，縱軸表示仿體各頻段經正規化(normalized)之IMF強度。請參考圖4A及圖4B，同樣地，圖4B所例示的不同頻段的本質模態函數是藉由圖1的訊號分析方法處理所得的本質模態函數。在本實施例中，比對圖4B所例示的多個本質模態函數與圖4A的超音波影像，同樣可辨識出超音波影像上的血管的位置、大小及其中血液的流速。在圖4B中的虛線所圈之處的訊號變化值即是對應圖4A的血管壁之影像，而兩直虛線包圍住的區域即是血管中血液流動的區域，其中寬度W2代表血管的大小；D2代表血管壁與仿體表面的距離，即血管的位置。此外，比較圖3B與圖4B中各對應的本質模態函數的強度可知，兩者的強度並不相同，代表圖3A與圖4A的血管內血液的流速並不相同。在本實施例中，根據圖4B中兩直虛線包圍住的區域的各本質模態函數的強度來計算，可得其血液的流速為例如每秒4.0毫升(4.0 ml/s)。

綜上所述，在本發明之範例實施例中，訊號分析方法利用訊號在不同介質與界面的不同特性，搭配頻段拆解，分析訊號傳遞至不同介質與界面所產生的頻率變化值，以準確描繪出待測物的位置及大小。此外，所述訊號分析方法利用相位處理手段，搭配曲線擬合在時間域中濾除角頻率資訊中的突波等雜訊，以得到穩定的角頻率資訊，並可即時掌握待測區域的實際量測情況。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．超音波成像系統

110．．．訊號收發模組

112．．．換能器陣列單元

114．．．驅動單元

120．．．訊號處理模組

122．．．資料處理單元

124．．．資料分析單元

130．．．影像顯示模組

132．．．顯示屏幕

200．．．待測區域

S110、S120、S130、S140．．．訊號分析方法的步驟

W1、W2．．．血管的大小

D1、D2．．．血管壁與仿體表面的距離

圖1繪示本發明實施例之訊號分析方法步驟流程圖。

圖2繪示本發明實施例之超音波成像系統方塊示意圖。

圖3A繪示本發明實施例之仿體的超音波影像。

圖3B繪示圖3A之仿體的待分析訊號的本質模態函數。

圖4A繪示本發明另一實施例之仿體的超音波影像。

圖4B繪示圖4A之仿體待分析訊號的本質模態函數。

S110、S120、S130、S140．．．訊號分析方法的步驟

Claims

一種時間域的訊號分析方法，包括：接收待分析訊號；利用經驗模態分解，以疊代方式對該待分析訊號進行篩選，以分解出至少一本質模態函數；對該至少一本質模態函數進行希爾伯特轉換，其中經轉換後的該至少一本質模態函數包含相位資訊；利用相位處理手段來處理經轉換後的該至少一本質模態函數，以獲得包含角頻率資訊的該至少一本質模態函數；以及比對經處理後的該至少一本質模態函數與相關該待分析訊號的二維圖像，以辨識該二維圖像上的影像資訊，其中該二維圖像上的影像資訊包含一待偵測物質的位置、大小及移動速度。
如申請專利範圍第1項所述之訊號分析方法，其中利用該相位處理手段來處理經轉換後的該至少一本質模態函數的步驟係在時間域內進行。
如申請專利範圍第1項所述之訊號分析方法，其中利用該相位處理手段處理經轉換後的該至少一本質模態函數的步驟包括：對該至少一本質模態函數的該相位資訊進行微分，以獲得該角頻率資訊；以及利用曲線擬合手段來濾除該角頻率跳動資訊的成分。
如申請專利範圍第1項所述之訊號分析方法，其中在利用經驗模態分解篩選該待分析訊號的步驟中分解所得的該至少一本質模態函數包括多個不同頻段的本質模態函數。
如申請專利範圍第1項所述之訊號分析方法，更包括：發射偵測訊號至待測區域；以及接收該待測區域所反射的該待分析訊號，其中相關該待分析訊號的該二維圖像包括該待測區域的影像。
如申請專利範圍第5項所述之訊號分析方法，其中該待測區域內含有該待偵測物質，該待測區域所反射的該待分析訊號包含該待偵測物質的都卜勒頻移資訊。
一種超音波影像的分析方法，適用於超音波成像系統，該分析方法包括：接收待分析訊號；利用經驗模態分解，以疊代方式對該待分析訊號進行篩選，以分解出至少一本質模態函數；對該至少一本質模態函數進行希爾伯特轉換，其中經轉換後的該至少一本質模態函數包含相位資訊；利用相位處理手段來處理經轉換後的該至少一本質模態函數，以獲得包含角頻率資訊的該至少一本質模態函數；以及比對經處理後的該至少一本質模態函數與相關該待分析訊號的超音波影像，以辨識該超音波影像資訊，其中該超音波影像係一二維圖像，且，其中該超音波影像的影像資訊包含一待偵測物質的位置、大小及移動速度。
如申請專利範圍第7項所述之超音波影像的分析方法，其中利用該相位處理手段來處理經轉換後的該至少一本質模態函數的步驟係在時間域內進行。
如申請專利範圍第7項所述之超音波影像的分析方法，其中利用該相位處理手段處理經轉換後的該至少一本質模態函數的步驟包括：對該至少一本質模態函數的該相位資訊進行微分，以獲得該角頻率資訊；以及利用曲線擬合手段來濾除該角頻率跳動資訊的成分。
如申請專利範圍第7項所述之超音波影像的分析方法，其中在利用經驗模態分解篩選該待分析訊號的步驟中分解所得的該至少一本質模態函數包括多個不同頻段的本質模態函數。
如申請專利範圍第7項所述之超音波影像的分析方法，更包括：發射偵測訊號至待測區域；以及接收該待測區域所反射的該待分析訊號，其中相關該待分析訊號的該超音波影像包括該待測區域的影像。
如申請專利範圍第11項所述之超音波影像的分析方法，其中該待測區域含有該待偵測物質，該待測區域所反射的該待分析訊號包含該待偵測物質的都卜勒頻移資訊。
如申請專利範圍第7項所述之超音波影像的分析方法，其中該待分析訊號係在A掃瞄模式或B掃瞄模式下偵測待測區域所得。
一種超音波成像系統，包括：訊號收發模組，接收待分析訊號；訊號處理模組，利用經驗模態分解，以疊代方式對該待分析訊號進行篩選，以分解出至少一本質模態函數；對該至少一本質模態函數進行希爾伯特轉換，其中經轉換後的該至少一本質模態函數包含相位資訊；利用相位處理手段來處理經轉換後的該至少一本質模態函數，以獲得包含角頻率資訊的該至少一本質模態函數；以及比對經處理後的該至少一本質模態函數與相關該待分析訊號的超音波影像，以辨識該超音波影像資訊；以及影像顯示模組，根據該訊號處理模組對該待分析訊號之處理結果來顯示對應待測區域的該超音波影像，其中該超音波影像係一二維圖像，且該超音波影像的影像資訊包括一待偵測物質的位置、大小及移動速度。
如申請專利範圍第14項所述之超音波成像系統，其中該訊號處理模組係在時間域內利用該相位處理手段來處理經轉換後的該至少一本質模態函數。
如申請專利範圍第14項所述之超音波成像系統，其中該訊號處理模組利用該相位處理手段處理經轉換後的該至少一本質模態函數時，係對該至少一本質模態函數的該相位資訊進行微分，以獲得該角頻率資訊；以及利用曲線擬合手段來濾除該角頻率跳動資訊的成分。
如申請專利範圍第14項所述之超音波成像系統，其中該訊號處理模組分解所得的該至少一本質模態函數包含多個不同頻段的本質模態函數。
如申請專利範圍第14項所述之超音波成像系統，其中訊號收發模組更發射偵測訊號至該待測區域；以及接收該待測區域所反射的該待分析訊號，其中相關該待分析訊號的該超音波影像包含該待測區域的影像。
如申請專利範圍第18項所述之超音波成像系統，其中該待測區域含有該待偵測物質，該待測區域所反射的該待分析訊號包括該待偵測物質的都卜勒頻移資訊。
如申請專利範圍第14項所述之超音波成像系統，其中該待分析訊號係超音波成像系統在A掃瞄模式或B掃瞄模式下偵測該待測區域所得。