TWI507709B - 藉由格雷編碼激發之超音波都卜勒偵測方法 - Google Patents

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Description

藉由格雷編碼激發之超音波都卜勒偵測方法
本發明係有關於一種藉由格雷編碼激發之超音波都卜勒偵測方法，尤指一種對移動待測物發射格雷編碼信號，並且藉由濾波器於慢時域之都卜勒頻域進行濾波處理之超音波偵測方法。
隨著科技的發展與時代的進步，藉由超音波生成影像的技術已大量應用於現代醫療作業當中，舉例而言，相較於臨床常用的醫學影像系統如X光、CT、MRI或核醫影像，其具有低價格、非侵入式、無輻射性危險、即時影像、毫米(mm)級的空間影像解析度、可攜性以及可量測血流等優點，因此當今超音波影像幾乎係被廣泛應用臨床各科的診斷上。
傳統是利用超音波都卜勒偵測系統(ultrasonic doppler detection system)進行成像，其係為利用都卜勒效應判斷某結構(通常是血流)是否朝向或背離探頭運動，並計算出其相對速度，並藉由計算部分樣本容積的頻率漂移(例如心臟瓣膜上方的噴射血流)，進而確定其方向 與速度而顯示成像，其中，上述超音波都卜勒偵測系統係藉由發射與接收超音波弦波來進行成像。
然而，由於超音波為機械波，過大的聲壓會產生熱與空蝕效應(cavitation)，進而對人體產生傷害，此外，超聲波的振幅過大容易產生非線性現象，進而影響成像品質。因此，醫學超音波的應用中，所使用超音波的聲壓振幅需被限定在機械係數(Mechanical Index；MI)規範之下，因而造成超音波都卜勒偵測中低信噪比(Signal to Noise Ratio；SNR)以及低穿透度的缺點。
編碼激發(code excitation)可用以改進超音波都卜勒偵測系統之信噪比限制，其主要係藉由相位調變(phase modulation)與頻率調變(frequency modulation)等方式，而設計出一段發射時間較長以及平均聲壓低的編碼波形，其在發射接收後藉由解碼壓縮處理，得到短而高聲壓強度的結果，進而得到提高都卜勒偵測之信噪比與解析度的效果。其中，在編碼激發波形中，壓縮結果可分為主瓣(mainlobe)與旁瓣(sidelobe)二部分，其中旁瓣會造成假影而有影響編碼波形都卜勒偵測之缺點。
上述編碼激發中之格雷編碼(Golay code)係採用相位編碼方式，具有提升主瓣能量，並完全抑制旁瓣信號的優點。進一步而言，格雷編碼主要為在發射端上，發射一對互補式的編碼信號，並於接收端經由相對應的匹配濾波器(matched filter)進行壓縮，再將壓縮後的互補編碼相加，以達到去除旁瓣信號、增加主瓣強度的效果。此外，相較於其他的編碼波形，格雷編碼在設計與 處理的硬體需求相對簡單，在實際應用上能有效降低生產成本，有助於製造較小儀器而增加便利性。
然而，格雷編碼的方式理論上藉由互補性編碼相加即可提供完全抑制旁瓣信號的效果，但在實務的應用上，在觀測移動待測物時，格雷互補性編碼相加抑制旁瓣信號的能力會大幅削弱，所導致的殘餘旁瓣(residual sidelobe)信號會嚴重影響都卜勒偵測的準確性，因此大多只能應用於移動速度慢的待測物，而無法應用於移動速度快的待測物(如高速流動的血流)，故一般認為格雷編碼不適用於都卜勒偵測。
有鑒於現有藉由格雷編碼相加而抑制旁瓣信號的方式，在應用於移動性待測物的觀測時會影響都卜勒偵測的準確性，進而降低格雷編碼於超音波都卜勒影像系統上的可用性。緣此，本發明之主要目的在於提供一種應用格雷編碼以偵測移動速度快的待測物之超音波都卜勒偵測方法，其主要係每相距一脈衝重複時距(Pulse Repetition Interval；PRI)即交替發射二格雷編碼信號，並於慢時域的都卜勒頻域設計一截止頻率為四分之一倍的脈衝重複頻率(Pulse Repetition Frequency；PRF)的濾波器，用以對反射的格雷編碼信號進行慢時域之濾波處理，藉以使格雷編碼適用於超音波都卜勒系統，而達到上述之目的。
基於上述目的，本發明所採用之主要技術手段係提供一 種藉由格雷編碼激發之超音波都卜勒偵測方法，係用以對一移動待測物進行一超音波偵測，藉以提供移動待測物之移動速度與方向等訊息，並且包含以下步驟：(a)對移動待測物發射一第一格雷編碼信號，藉以使移動待測物反射一第一格雷編碼反射信號；(b)等待一脈衝重複時距，對移動待測物發射一第二格雷編碼信號，藉以使移動待測物反射一第二格雷編碼反射信號，其中脈衝重複時距之倒數係為一脈衝重複頻率；(c)重複執行步驟(a)到步驟(b)N次，依序對移動待測物取得2N次反射信號，其中奇數次為第一格雷編碼反射信號，偶數次為第二格雷編碼反射信號；(d)對第一格雷編碼反射信號於一快時域進行一第一匹配濾波處理，藉以產生N個之一第一波形，並且對第二格雷編碼反射信號於一快時域進行一第二匹配濾波處理，藉以產生N個之一第二波形，而第一波形包含一第一主瓣(mainlobe)波形以及複數個第一旁瓣(sidelobe)波形，第二波形包含一第二主瓣波形以及複數個第二旁瓣波形。
接著執行步驟(e)於一慢時域之一都卜勒頻域對N個第一波形與N個第二波形進行分析，藉以產生一都卜勒波形，都卜勒波形包含一主瓣成分波形與至少一旁瓣成分波形，主瓣成分波形包含第一主瓣波形與第二主瓣波形，而旁瓣成分波形包含該些第一旁瓣波形與該些第二旁瓣波形；(f)藉由一濾波器對都卜勒波形進行一低通濾波處理，藉以濾除該旁瓣成分波形，而濾波器之低通截止頻率係為四分之一倍的脈衝重複頻率；最後執行步 驟(g)依據保留之主瓣成分波形進行超音波偵測處理，藉以獲取移動待測物之如移動速度與方向之移動訊息。
另外，上述藉由格雷編碼激發之超音波都卜勒偵測方法之附屬技術手段之較佳實施例中，係於一快時域進行第一匹配濾波處理與第二匹配濾波處理。此外，第一波形與第二波形係於慢時域上交替出現，相鄰之第一主瓣波形與第二主瓣波形約為同相位，而該些相鄰之第一旁瓣波形與該些第二旁瓣波形約為反相位。因此在慢時域上，主瓣波形與旁瓣波形相差二分之一倍之脈衝重複頻率。另外，第一主瓣波形以及第二主瓣波形具有一中心頻率以及一半頻寬，中心頻率與半頻寬之和係小於四分之一倍的脈衝重複頻率。
因此，藉由本發明所採用之藉由格雷編碼激發之超音波都卜勒偵測方法後，由於在不犧牲主瓣強度以及解析度狀況下，於慢時域藉由濾波器於都卜勒頻域進行濾波之方式以消除格雷編碼壓縮旁瓣，使得格雷編碼可運用在都卜勒分析上，進而可偵測高速血流，並保持都卜勒偵測中訊息(如血流速度、血流出現位置等)的準確性。
本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。
1‧‧‧第一格雷編碼反射信號
2‧‧‧第二格雷編碼反射信號
3‧‧‧第一匹配濾波信號
4‧‧‧第二匹配濾波信號
10‧‧‧第一主瓣波形
20、20a、20b、20c‧‧‧第一旁瓣波形
30‧‧‧第二主瓣波形
40、40a、40b、40c‧‧‧第二旁瓣波形
50‧‧‧主瓣成分波形
60、60a‧‧‧旁瓣成分波形
100‧‧‧第一波形
200‧‧‧第二波形
300‧‧‧都卜勒波形
fd‧‧‧中心頻率
B‧‧‧半頻寬
W、Y‧‧‧區間
第一圖係顯示本發明較佳實施例之藉由格雷編碼激發之超音波都卜勒偵測方法之流程圖；第二圖係顯示本發明較佳實施例之N個第一波形之形 成示意圖；第二A圖係顯示本發明較佳實施例之N個第二波形之形成示意圖；第二B圖係顯示本發明較佳實施例之第一波形與第二波形排列示意圖；第三圖係顯示本發明較佳實施例之主瓣成分波形與旁瓣成分波形之都卜勒頻譜示意圖；以及第四圖係顯示本發明較佳實施例之移動待測物移動時濾波器對其進行濾波處理之示意圖。
由於本發明所提供之藉由格雷編碼激發之超音波都卜勒偵測方法中，其組合實施方式不勝枚舉，故在此不再一一贅述，僅列舉一較佳實施例來加以具體說明。
請一併參閱第一圖至第四圖，第一圖係顯示本發明較佳實施例之藉由格雷編碼激發之超音波都卜勒偵測方法之流程圖，第二圖係顯示本發明較佳實施例之N個第一波形之形成示意圖，第二A圖係顯示本發明較佳實施例之N個第二波形之形成示意圖，第二B圖係顯示本發明較佳實施例之第一波形與第二波形排列示意圖，第三圖係顯示本發明較佳實施例之主瓣成分波形與旁瓣成分波形之都卜勒頻譜示意圖，第四圖係顯示本發明較佳實施例之移動待測物移動時濾波器對其進行濾波處理之示意圖。
如圖所示，本發明較佳實施例之藉由格雷編碼激發之超 音波都卜勒偵測方法，係用以對一移動待測物(圖未示)進行一超音波偵測處理，藉以形成移動待測物之一移動訊息，此移動訊息例如是待測物的移動方向或移動速度，而其偵測方法之步驟如下：步驟S101：對移動待測物發射第一格雷編碼信號，藉以使移動待測物反射第一格雷編碼反射信號；步驟S102：等待一脈衝重複時距，對移動待測物發射第二格雷編碼信號，藉以使移動待測物反射第二格雷編碼反射信號；步驟S103：重複執行步驟S101到步驟S102N次；步驟S104：對第一格雷編碼反射信號於快時域進行一第一匹配濾波處理，並且對第二格雷編碼反射信號於快時域進行一第二匹配濾波處理；步驟S105：於慢時域之都卜勒頻域，對第一波形與第二波形進行分析，藉以產生一都卜勒波形；步驟S106：藉由濾波器對都卜勒波形進行一低通濾波處理，藉以去除旁瓣成分波形；以及步驟S107：依據主瓣成分波形進行超音波偵測處理，藉以獲取移動待測物之移動訊息。
步驟開始後，隨即執行步驟S101對移動待測物發射第一格雷編碼信號，藉以使移動待測物反射第一格雷編碼反射信號。其中，移動待測物例如是移動速度較快之血流，但在其他實施例中不在此限，且在此步驟S101中，係對移動待測物發射第一格雷編碼信號(圖未繪示)，進而使其反射出如第二圖所示之第一格雷編碼反射信 號1。另外，在本發明較佳實施例中，第一格雷編碼反射信號1之信號編碼係為[1,1,1,-1]，但在其他實施例中不在此限。
在執行完步驟S101後，隨即執行步驟S102，等待一脈衝重複時距(Pulse Repetition Interval；PRI)，對移動待測物發射第二格雷編碼信號，藉以使移動待測物反射第二格雷編碼反射信號。其中，在此步驟S102中，係對移動待測物發射第二格雷編碼信號(圖未繪示)，進而使其反射出如第二A圖所示之第二格雷編碼反射信號2，而脈衝重複時距的倒數係為一脈衝重複頻率(Pulse Repetition Frequency；PRF)。另外，在本發明較佳實施例中，第二格雷編碼反射信號2之信號編碼係為[1,1,-1,1]，但在其他實施例中不在此限。
在執行完步驟S102後，隨即執行步驟S103重複執行步驟S101到步驟S102N次，具體而言，在此步驟係可依序對移動待測物取得2N次的反射信號(亦即有N個第一格雷編碼反射信號1與N個第二格雷編碼反射信號2，如第二圖與第二A圖所示)，而奇數次係為第一格雷編碼反射信號1，偶數次係為第二格雷編碼反射信號2。此外，在具體實施中，會進一步將N個第一格雷編碼反射信號1與N個第二格雷編碼反射信號2依序排列為信號矩陣，亦即交替地排列第一格雷編碼反射信號1與第二格雷編碼反射信號2。
在執行完步驟S103後，隨即執行步驟S104，對第一格雷編碼反射信號進行一第一匹配濾波處理，並且對第二 格雷編碼反射信號進行一第二匹配濾波處理。其中，在本發明較佳實施例中，係於快時域(如第二圖所示之橫軸方向)上進行第一匹配濾波處理，且第一匹配濾波處理係指使第一格雷編碼反射信號1與一第一匹配濾波信號3進行褶積，藉以產生如第二圖所示之一第一波形100，而第一匹配濾波信號3之信號編碼係為[-1,1,1,1]，且在褶積後的第一波形100的信號編碼為[-1,0,1,4,1,0,-1]，其中，由於在此步驟中，會對N個第一格雷編碼反射信號1進行第一匹配濾波處理，因此會產生N個第一波形100。此外，每一個第一波形100包含如第二圖所示之一第一主瓣(mainlobe)波形10以及四個第一旁瓣(sidelobe)波形20、20a、20b、20c。
另外，在本發明較佳實施例中，係於快時域(如第二A圖所示之橫軸方向)上進行第二匹配濾波處理，且第二匹配濾波處理係指使第二格雷編碼反射信號2與一第二匹配濾波信號4進行褶積，藉以產生如第二A圖所示之一第二波形200，而第二匹配濾波信號4之信號編碼係為[1,-1,1,1]，且在褶積後的第二波形200的信號編碼為[1,0,-1,4,-1,0,1]，其中，同樣地，由於在此步驟中，會對N個第二格雷編碼反射信號2進行第二匹配濾波處理，因此會產生N個第一波形100與N個第二波形。此外，每一個第二波形200包含如第二A圖所示之第二主瓣波形30以及四個第二旁瓣波形40、40a、40b、40c，另外，在其他實施例中，上述信號編碼並不限於此，其僅視實務上之使用而調整。
此外，在此值得一提的是，可由第二圖、第二A圖與第二B圖清楚地了解到，第一主瓣波形10與第二主瓣波形30係位於區間W，並且為同相位，而第一旁瓣波形20、20a、20b、20c與第二旁瓣波形40、40a、40b、40c係位於區間Y，並且互為反相位。
在執行完步驟S104後，隨即執行步驟S105，於慢時域之都卜勒頻域於慢時域之都卜勒頻域，對第一波形與第二波形進行分析，藉以產生一都卜勒波形。其中，如第二B圖所示，其主要係交替排列N個之第一波形100與N個第二波形200後，於慢時域之都卜勒頻域對其進行分析而得到如第三圖所示之都卜勒波形300，且都卜勒波形300包含一主瓣成分波形50與二旁瓣成分波形60、60a，主瓣成分波形50包含第一主瓣波形10與第二主瓣波形30，而旁瓣成分波形60、60a包含該些第一旁瓣波形20、20a、20b、20c與該些第二旁瓣波形40、40a、40b、40c。另外，由第三圖與第四圖可知，主瓣成分波形50具有一中心頻率fd(第三圖中的中心頻率為0)以及一半頻寬B，另外，本發明較佳實施例中，旁瓣成分波形60、60a之半頻寬B與主瓣成分波形50相等，但不在此限。
在執行完上述步驟S105後，隨即執行步驟S106藉由濾波器對都卜勒波形進行一低通濾波處理，藉以去除旁瓣成分波形。其中，具體而言，其主要是在慢時域(如第二B圖所示之縱軸方向)之都卜勒頻域，設計一濾波器而對都卜勒波形300進行濾波，藉以濾除該些旁瓣成分 波形60、60a而保留主瓣成分波形50。
而在此值得一提的是，本發明較佳實施例中，所設計的濾波器之低通截止頻率係為四分之一倍之脈衝重複頻率，且其係為低通濾波器。另外，旁瓣成分波形60、60a係與主瓣成分波形50相差二分之一倍之脈衝重複頻率。另外，主瓣成分波形50的中心頻率fd與半頻寬B的和係小於四分之一倍之脈衝重複頻率。
進一步來說，為了使所屬領域人員更能夠理解，本發明濾波器的低通截止頻率係為PRF/4，而旁瓣成分波形60與主瓣成分波形50相差PRF/2，旁瓣成分波形60a也與主瓣成分波形50相差PRF/2，亦即旁瓣成分波形60的中心頻率為PRF/2，旁瓣成分波形60a的中心頻率為-PRF/2。另外，都卜勒波形300之主瓣成分波形50滿足(fd+B)<PRF/4的條件。
此外，在此值得一提的是，第四圖與第三圖的差異在於移動待測物的移動，第四圖係繪示出在移動待測物移動時，主瓣成分波形50與旁瓣成分波形60、60a都以等距離進行位移，且在第四圖中，可明顯了解到其位移的範圍仍在本發明所設計濾波器低通截止頻率PRF/4內，使得本發明可應用於移動速度較快之移動待測物。
在執行完步驟S106後，隨即執行步驟S107依據主瓣成分波形進行超音波偵測處理，藉以獲取移動待測物之移動訊息。其中，具體而言，在此步驟中係依據所保留之主瓣成分波形50來進行超音波偵測處理，進而獲取移動待測物的移動訊息，此移動訊息例如是移動待測物的 移動速度或移動方向，但在其他實施例不在此限。另外，上述超音波偵測處理亦可應用於超音波之成像，而成像方式為現有之習知技術，因此不再贅述，而在執行完步驟S107後，隨即執行步驟結束。
綜合以上所述，由於本發明於慢時域藉由截止頻率為PRF/4之濾波器於都卜勒頻域進行濾波之方式，進而達到消除格雷編碼壓縮旁瓣的效果，使得格雷編碼可運用在都卜勒分析上，且可應用於移動速度較為高的移動待測物，實具有產業利用性。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

Claims (7)

  1. 一種藉由格雷編碼激發之超音波都卜勒偵測方法，係用以對一移動待測物進行一超音波偵測處理，藉以獲取該移動待測物之一移動訊息，並且包含以下步驟：(a)對該移動待測物發射一第一格雷編碼信號，藉以使該移動待測物反射一第一格雷編碼反射信號；(b)等待一脈衝重複時距(Pulse Repetition Interval；PRI)，對該移動待測物發射一第二格雷編碼信號，藉以使該移動待測物反射一第二格雷編碼反射信號，其中該脈衝重複時距之倒數係為一脈衝重複頻率(Pulse Repetition Frequency；PRF)；(c)重複執行步驟(a)到步驟(b)N次，藉以取得N個該第一格雷編碼反射信號與N個該第二格雷編碼反射信號；(d)對N個該第一格雷編碼反射信號進行一第一匹配濾波處理，藉以產生N個之一第一波形，並且對N個該第二格雷編碼反射信號進行一第二匹配濾波處理，藉以產生N個之一第二波形，而每一該第一波形包含一第一主瓣(mainlobe)波形以及複數個第一旁瓣(sidelobe)波形，每一該第二波形包含一第二主瓣波形以及複數個第二旁瓣波形；(e)於一慢時域之一都卜勒頻域對N個之該第一波形與N個之該第二波形進行分析，藉以產生一都卜勒波形，該都卜勒波形包含一主瓣成分波形與至少一旁瓣成 分波形，該主瓣成分波形包含該第一主瓣波形與該第二主瓣波形，而該旁瓣成分波形包含該些第一旁瓣波形與該些第二旁瓣波形；(f)藉由一濾波器對該都卜勒波形進行一低通濾波處理，藉以濾除該旁瓣成分波形，而該濾波器之一低通截止頻率係為四分之一倍之該脈衝重複頻率；以及(g)依據該主瓣成分波形進行該超音波偵測處理，藉以獲取該移動待測物之該移動訊息。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之藉由格雷編碼激發之超音波都卜勒偵測方法，其中，該旁瓣成分波形係與該主瓣成分波形相差二分之一倍之該脈衝重複頻率。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之藉由格雷編碼激發之超音波都卜勒偵測方法，其中，在該步驟(d)中，係於一快時域進行該第一匹配濾波處理與該第二匹配濾波處理。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之藉由格雷編碼激發之超音波都卜勒偵測方法，其中，該濾波器係為低通濾波器。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之藉由格雷編碼激發之超音波都卜勒偵測方法，其中，該第一主瓣波形與該第二主瓣波形係為同相位，而該些第一旁瓣波形與該些第二旁瓣波形係為反相位。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之藉由格雷編碼激發之超音波都卜勒偵測方法，其中，該主瓣成分波形具有一中心頻率以及一半頻寬，該中心頻率與該半頻寬之和係小於四分之一倍之該脈衝重複頻率。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之藉由格雷編碼激發之超音波都卜勒偵測方法，其中，該移動訊息係為移動速度與移動方向中之至少一者。
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