超聲中信號處理（一）超聲中的信號處置專家講座第1頁內(nèi)容提要：概述超聲前端波束合成信號處理超聲中的信號處置專家講座第2頁1.針對兩年之內(nèi)新員工；2.初步了解超聲各種模式成像原理及過程；3.對超聲圖像怎樣得到，有一個明確概念；概述：目標(biāo)超聲中的信號處置專家講座第3頁好萊塢大片飛機(jī)以及軍艦上經(jīng)常能看到上面圖像；雷達(dá)系統(tǒng)：發(fā)射無線電，經(jīng)過檢測回波信息來判斷有沒有目標(biāo)以及目標(biāo)距離速度等信息。超聲技術(shù)80%起源于雷達(dá)（脈沖波，連續(xù)波，合成孔徑，相控陣，，，）；超聲系統(tǒng)：發(fā)射超聲波，經(jīng)過檢測從人體組織反射回來回波信息，以圖形化方式再現(xiàn)人體內(nèi)部器官情況，供醫(yī)生診療。概述：超聲系統(tǒng)與雷達(dá)相同之處超聲中的信號處置專家講座第4頁線陣頸動脈血流速度圖。概述：幾幅超聲圖像例子腎臟血流能量圖。凸陣肝臟血流速度圖。心臟黑白圖。超聲中的信號處置專家講座第5頁從最開始掃描，到最終計算機(jī)顯示，上面這些圖形是怎樣形成？首先看看超聲信號處理結(jié)構(gòu)。超聲處理結(jié)構(gòu)圖：前端處理，中端處理，后端處理。概述：超聲處理流結(jié)構(gòu)框圖超聲中的信號處置專家講座第6頁前端處理（博大精深，是超聲系統(tǒng)精華）：發(fā)射聚焦；逐層驅(qū)動產(chǎn)生高壓；高壓開關(guān)：對發(fā)射來說是將N個邏輯通道連接到K×N個物理陣元中N個物理陣元。對接收來說是從K×N個物理陣元中選出N個物理陣元輸出到N個邏輯通道。其中M7系統(tǒng)N=64，K=2；模擬前端：小信號放大，低噪放，VGA，抗混疊濾波，AD變換波束合成：延時RAM+聚焦計算+變跡+求和概述：超聲前端處理結(jié)構(gòu)圖超聲中的信號處置專家講座第7頁中端處理（噪聲中必要信號檢測伎倆）：正交解調(diào)：頻移，抽取前抗混疊濾波，抽?。籅信號處理：包絡(luò)檢測，對數(shù)壓縮。。。C信號處理：解交織，壁濾波，自相關(guān)，參量預(yù)計。。。D信號處理：壁濾波，頻譜預(yù)計，聲音信號處理。。。概述：超聲中端處理結(jié)構(gòu)圖超聲中的信號處置專家講座第8頁后端處理（圖像美化以及顯示）：B信號處理：幀相關(guān)，圖像增強(qiáng)，掃描變換。。。C信號處理：幀相關(guān)，KEYHOLE去噪，掃描變換。。。D信號處理：譜后處理，掃描變換。。。各種模式融合。概述：超聲后端處理結(jié)構(gòu)圖超聲中的信號處置專家講座第9頁一個女孩子整體形象組成：先天條件+必要條件+后天填補(bǔ)超聲前端=先天條件：相貌，身材，膚色；超聲中端=必要妝扮：如刷牙，洗臉；超聲后端=填補(bǔ)妝扮：胭脂，香水，減肥藥。概述：超聲前端，中端，后端關(guān)系超聲中的信號處置專家講座第10頁先天條件好，不需要中端，后端填補(bǔ)伎倆。所以說超聲前端是超聲系統(tǒng)精華。概述：超聲前端，中端，后端關(guān)系超聲中的信號處置專家講座第11頁內(nèi)容提要：概述超聲前端波束合成信號處理超聲中的信號處置專家講座第12頁發(fā)射波形發(fā)射波形考慮原因：頻率；級性；脈沖串個數(shù)對圖像清楚度，分辨率，靈敏度影響（已超出我所知）。超聲中的信號處置專家講座第13頁發(fā)射波形第一，第二個波形發(fā)射頻譜：發(fā)射脈寬寬度和頻譜帶寬成反比；單級性，在零頻附近很大一部分發(fā)射能量被浪費了；超聲中的信號處置專家講座第14頁發(fā)射波形雙級性發(fā)射無零頻，能量利用率高：單個雙級性脈沖發(fā)射帶寬比多個雙級性脈沖發(fā)射要寬，慣用于B,M，黑白圖像更強(qiáng)調(diào)是清楚度；多個雙級性脈沖發(fā)射慣用于C,PW，相位檢測圖像更著重是靈敏度；右邊第三圖是發(fā)射加窗后頻譜圖，降低了旁瓣，主瓣有所展寬。超聲中的信號處置專家講座第15頁發(fā)射波形加HANNING窗后線性調(diào)頻（chirp）波：從頻域上看，旁瓣更低，200dB以下，基本無旁瓣：優(yōu)點1：有利于自然諧波成像；優(yōu)點2：能量利用率更高。超聲中的信號處置專家講座第16頁發(fā)射波形傳統(tǒng)發(fā)射波形和加窗線性調(diào)頻波形成像效果對比超聲中的信號處置專家講座第17頁前端發(fā)射框圖超聲中的信號處置專家講座第18頁前端接收框圖超聲中的信號處置專家講座第19頁發(fā)射，接收，高壓隔離細(xì)節(jié)超聲中的信號處置專家講座第20頁前端ATGC控制改進(jìn)信號動態(tài)范圍超聲中的信號處置專家講座第21頁前端ATGC控制改進(jìn)信號動態(tài)范圍超聲中的信號處置專家講座第22頁內(nèi)容提要：概述超聲前端波束合成信號處理培訓(xùn)課程新人培養(yǎng)超聲中的信號處置專家講座第23頁在發(fā)射焦點法線兩側(cè)各32個陣元，發(fā)射脈沖信號；各陣元發(fā)射信號先后次序不一樣，使得64路信號同時抵達(dá)焦點，形成發(fā)射聚焦；很顯著，中間陣元距離焦點短，發(fā)射最晚；最兩側(cè)陣元距離焦點遠(yuǎn)，發(fā)射最早。發(fā)射聚焦超聲中的信號處置專家講座第24頁波束合成：接收線超聲中的信號處置專家講座第25頁假設(shè)發(fā)射焦點法線兩側(cè)有兩條線，能夠認(rèn)為線上每一點都是一個點光源，向四面八方反射，搜集反射波抵達(dá)不一樣陣元等相位點數(shù)據(jù)，相加合并后為該條接收線一個樣點。上圖中圓弧和延時RAM相交位置，即為該點回波等相位點在延時RAM中位置。波束合成：接收線上不一樣點等相位點在延時RAM中位置超聲中的信號處置專家講座第26頁下一次發(fā)射，讓聚焦點向右偏移一點距離；法線也向右偏移一樣距離。參加發(fā)射陣元一樣向右偏移。波束合成：下一條線發(fā)射聚焦超聲中的信號處置專家講座第27頁波束合成：再次得到兩條接收線數(shù)據(jù)。超聲中的信號處置專家講座第28頁發(fā)射->接收；如此重復(fù)下去，直到搜集完成形成一幀所需全部線數(shù)據(jù)；將搜集到線數(shù)據(jù)經(jīng)過后續(xù)處理，以一幀圖像方式直觀顯示出來。波束合成：搜集一幀圖像所需線數(shù)據(jù)。超聲中的信號處置專家講座第29頁多波束概念：在DC6中，認(rèn)為焦點法線兩側(cè)各有一條線，兩條線同一深度點在延時RAM中等相位點位置稍有不一樣，波束合成后值也不一樣。在M5中，認(rèn)為焦點法線兩側(cè)各有兩條線，四條線同一深度點在延時RAM中等相位點不一樣，所以波束合成后值也不一樣。在M7中，能夠做到4，8，12波束兼容。波束合成：多波束概念。超聲中的信號處置專家講座第30頁多波束接收：同一深度不一樣波束點在延時RAM中等相位點位置稍有不一樣。上圖為雙波束接收例子波束合成：多波束概念。超聲中的信號處置專家講座第31頁系統(tǒng)時鐘頻率Fc即為系統(tǒng)總資源；假設(shè)波束個數(shù)為N，即采樣率為Fc/N；DC6:Fc=80M，2波束，所以采樣率=40M；M5:Fc=120M，4波束，所以采樣率=30M；M7:上圖中對于4波束來說，采樣率為160M/4=40M；對于8波束來說，采樣率為160M/8=20M；波束合成：M7兼容4，8，12波束。超聲中的信號處置專家講座第32頁反射點到陣元距離不一樣，所需時間不一樣，回波數(shù)據(jù)先抵達(dá)中間陣元，然后抵達(dá)兩邊陣元；要搜集全部陣元等相位回波數(shù)據(jù)，等最兩邊陣元數(shù)據(jù)抵達(dá)后才能夠合成；所以需要延時RAM來存放中間先到來等相位點數(shù)據(jù)；接收聚焦定義：在不一樣通道延時RAM中求出等相位數(shù)據(jù)過程。波束合成：聚焦定義超聲中的信號處置專家講座第33頁為何要接收多個通道等相位點數(shù)據(jù)？實際每一個通道數(shù)據(jù)現(xiàn)有信號也有噪聲，信號等相位疊加是幅度疊加，而噪聲是不相關(guān)，噪聲疊加是能量疊加。所以當(dāng)通道數(shù)增加一倍時，信號幅度變?yōu)樵瓉韮杀?，能量變?yōu)樵瓉硭谋叮茨芰吭黾恿?dB，而噪聲能量增加了一倍，即3dB。所以理論上：通道每增加一倍，SNR增加（6-3）=3dB。為何不增加更多通道？當(dāng)通道增加到一定值后SNR增益增加有限，不過隨之而來硬件前端成本，波束合成資源成本卻成倍增加，功耗也隨之增加。折衷考慮，DC6：64通道；M5：32通道；M7：64通道。波束合成：多通道相干疊加超聲中的信號處置專家講座第34頁相干疊加概念貫通于超聲信號處理整個過程。波束合成：相干疊加提升信噪比超聲中的信號處置專家講座第35頁沿著接收線方向有很多個樣點，通常是幾千個樣點，計算每一個樣點全部通道在延時RAM中等相位點位置，計算量非常大，因為相鄰樣點弧線與延時RAM交點改變非常小，以前DC6，M5為了降低計算量，認(rèn)為沿接收線方向相鄰若干個接收點半徑相同。M7聚焦：改進(jìn)了聚焦設(shè)計方法，沿著接收線方向，每一個采樣點都計算其在延時RAM中等相位點位置。稱為逐點聚焦。波束合成：逐點聚焦與隔點聚焦超聲中的信號處置專家講座第36頁實際等相位曲線在延時RAM中位置，不一定剛好落在整數(shù)個樣點上，如圖中黑色圈圈所表示。假如就近取出RAM數(shù)據(jù)方法，得到圖中所表示折線，即用折線來近似代替等相位曲線。聚焦精度等于采樣率。波束合成：聚焦精度超聲中的信號處置專家講座第37頁假設(shè)藍(lán)色曲線為采樣前回波曲線，采樣后延時RAM中值為黑色箭頭所表示，現(xiàn)在等相位曲線和延時RAM相交點為圖中紅色箭頭所表示?，F(xiàn)在問題轉(zhuǎn)化為由已知采樣點求出原模擬曲線上任一點。由采樣定理可知，假如采樣頻率大于信號最高頻率兩倍，能夠由采樣后離散點求出原模擬信號上任何一點處值。公式為以SINC函數(shù)為權(quán)重對全部離散點加權(quán)求和。波束合成：插值計算提升聚焦精度超聲中的信號處置專家講座第38頁插值計算，也可認(rèn)為是采樣率變換，后面在將降采樣率濾波器時候，還會有詳細(xì)介紹。插值精度選擇，能夠認(rèn)為是幾倍升采樣，實際中用到是4倍升采樣，即能夠得到兩個樣點之間三個等時間間隔采樣點，上圖中紅色所表示。聚焦精度為1/4chip。波束合成：插值計算提升聚焦精度超聲中的信號處置專家講座第39頁4倍升采樣插值后，插值后位置如上圖黑線所表示，和理論上圓圈點依然存在允許誤差。波束合成：插值計算提升聚焦精度超聲中的信號處置專家講座第40頁兩種濾波方法：傳統(tǒng)插值濾波：在MATLAB中命令為：y=resample(p,q,x),以下列圖藍(lán)色所表示，大約30階，對于64個通道來說，階數(shù)太高，計算量太大。信號帶寬窄，能夠用陷波器方法去掉三份鏡像，以下列圖紅色所表示。如此設(shè)計陷波器，階數(shù)非常低，需要乘法器數(shù)目少。稍微犧牲一點性能，來換取過大計算量。波束合成：插值實現(xiàn)方法超聲中的信號處置專家講座第41頁波束合成：插值前后頻譜超聲中的信號處置專家講座第42頁波束合成：陷波器簡單實現(xiàn)方法用極零點方法來實現(xiàn)陷波器。超聲中的信號處置專家講座第43頁用極零點設(shè)計濾波器方法，得到該FIR陷波器8個系數(shù)，有意思是，該FIR8個系數(shù)并非對稱，不過相頻曲線卻是線性相位。波束合成：陷波器簡單實現(xiàn)方法超聲中的信號處置專家講座第44頁波束合成：插值提升聚焦精度例子超聲中的信號處置專家講座第45頁實際上因為探頭原因，不可能搜集到全部等相位點數(shù)據(jù)，右圖中只收到一部分等相位點數(shù)據(jù)，圖中黑點所表示。等相位曲線上橙色點無法接收到。也能夠認(rèn)為都接收到了，不過權(quán)重不一樣，黑色點權(quán)重為1，橙色點權(quán)重為0.波束合成：變跡超聲中的信號處置專家講座第46頁將弧線展開為直線，等相位曲線上全部有用點加窗如上圖所表示。因為不能搜集全部有用數(shù)據(jù)，加窗不可防止。時域加窗，即時域和數(shù)據(jù)相乘，對應(yīng)于頻域卷積。卷積結(jié)果，是使得理想頻譜被展寬了，而且出現(xiàn)了旁瓣。在數(shù)字信號處理窗函數(shù)截斷效應(yīng)里，有詳細(xì)敘述。波束合成：加權(quán)概念超聲中的信號處置專家講座第47頁波束合成：不一樣窗函數(shù)幸好前人專門研究怎樣降低截斷效應(yīng)引發(fā)旁瓣。開發(fā)了各種其它窗函數(shù)（HANNING，HAMMING，BLACKMAN，，，）。超聲中的信號處置專家講座第48頁局部放大幅頻特征曲線，可得以下結(jié)論：矩形窗旁瓣最高值是-13.26dB，而HANNING窗旁瓣最高值是-31.45dB，即HANNING窗對旁瓣抑制比矩形窗好。HANNING窗旁瓣下降趨勢比矩形窗下降趨勢更加快。HANNING窗主瓣比矩形窗主瓣寬。波束合成：不一樣學(xué)函數(shù)優(yōu)缺點超聲中的信號處置專家講座第49頁變跡：給不一樣通道等相位點數(shù)據(jù)加窗過程。從右圖成像結(jié)果能夠看出：矩形窗旁瓣影響，HANNING窗效果好很多。缺點：加HANNNING窗后，亮點略有展寬。任何一個處理過程都有利有弊，關(guān)鍵看利弊大小，怎樣取舍。波束合成：變跡定義超聲中的信號處置專家講座第50頁右圖是變跡曲線隨深度改變示意圖：遠(yuǎn)離中心陣元接收到等相位點數(shù)據(jù)，認(rèn)為其作用小，離中心陣元越遠(yuǎn)，給于權(quán)重越小，甚至權(quán)重取0。如圖中單根紅色曲線所表示。伴隨深度增加，同一接收通道權(quán)重逐步增加。如圖中紅色曲線和黃線相交點。圖中最窄變跡曲線是最近場變跡曲線。波束合成：變跡曲線隨深度而變超聲中的信號處置專家講座第51頁波束合成小結(jié)波束合成=數(shù)據(jù)延時+聚焦計算+變跡+求和超聲中的信號處置專家講座第52頁內(nèi)容提要：概述超聲前端波束合成信號處理超聲中的信號處置專家講座第53頁內(nèi)容提要：信號處理-檢波信號處理-正交解調(diào)信號處理-B信號處理信號處理-C信號處理信號處理-多普勒信號處理信號處理-聲音處理后端信號處理超聲中的信號處置專家講座第54頁檢波-回波表示式波束合成將多個通道（32，64等）回波數(shù)據(jù)合并為一路數(shù)據(jù)，其特征和單通道回波數(shù)據(jù)類似?；夭ú坏诜壬鲜苋梭w器官調(diào)制，而且相位上因為多普勒效應(yīng)也受到運動組織或者血流調(diào)制。超聲中的信號處置專家講座第55頁回波表示式：對于B,M信號處理，僅關(guān)心回波包絡(luò)信息A(t)，對于C,CM,PW,CW不但關(guān)心回波幅度，而且關(guān)心回波相位信息φ(t)。B,M恢復(fù)包絡(luò)方式：1.傳統(tǒng)絕對值后濾波包絡(luò)檢波（黑白超聲，DC6B處理）2.希爾伯特變換法檢波（產(chǎn)品中沒有用到）3.正交解調(diào)方法得出包絡(luò)（M5,M7,,,,）檢波-回波表示式超聲中的信號處置專家講座第56頁早期黑白產(chǎn)品，以及第一款彩超DC6，對于B,M信號包絡(luò)檢測，都是用對信號取絕對值后低通濾波以恢復(fù)原信號包絡(luò)。檢波-包絡(luò)檢波1超聲中的信號處置專家講座第57頁也能夠采取HILBERT變換方法，HILBERT變換本質(zhì)是一個90度移相器，檢波-包絡(luò)檢波2超聲中的信號處置專家講座第58頁上圖為用HILBERT變換方法求回波包絡(luò)。檢波-包絡(luò)檢波2超聲中的信號處置專家講座第59頁內(nèi)容提要：信號處理-檢波信號處理-正交解調(diào)信號處理-B信號處理信號處理-C信號處理信號處理-多普勒信號處理信號處理-聲音處理后端信號處理超聲中的信號處置專家講座第60頁從下列圖很清楚看出：正交解調(diào)分為三部分：1.頻移；2.去鏡像以及抗混疊濾波；3.抽取在實際邏輯實現(xiàn)過程中，2和3一起完成。正交解調(diào)-組成超聲中的信號處置專家講座第61頁乘以正余弦因子：正交解調(diào)-理論推導(dǎo)低通濾波得到基帶幅度信息以及相位信息：求模：得出相位，用于估算速度，頻譜：超聲中的信號處置專家講座第62頁信號處理-正交解調(diào)處理過程頻譜圖超聲中的信號處置專家講座第63頁第一步：頻移。將信號搬遷到零頻附近。第二步：低通濾波。過濾掉二倍頻成份，同時降采樣之前必須實現(xiàn)低通濾波，預(yù)防頻譜混疊。為何要降采樣？假設(shè)對于深度為5cm以及10cm,采樣率為40M，有用樣點數(shù)分別為：

0.05×2/1540*40e6=26000.1×2/1540*40e6=5200而最終顯示縱向點數(shù)是一定，大約為：480點。即把2600個樣點或5200個樣點變換到最終480個點。所以對于5cm以及10cm，降采樣因子分別為：2600/480約為5；5200/480約為10。正交解調(diào)-步驟超聲中的信號處置專家講座第64頁上圖是B信號回波頻譜示意圖，橫軸表示時間即探測深度，縱軸表示回波頻譜成份，顏色深紅色表示能量集中信號隨深度改變趨勢。從圖中能夠看出，高頻成份衰減快，低頻成份衰減慢，所以，（1）回波中心頻率伴隨深度增加而向低頻漂移；（2）回波帶寬隨深度增加而減小。（1）（2）是設(shè)計正交解調(diào)指導(dǎo)原因。正交解調(diào)-回波特點超聲中的信號處置專家講座第65頁正交解調(diào)-頻移超聲中的信號處置專家講座第66頁正交解調(diào)-頻移頻移對應(yīng)著時域調(diào)制，即乘以COS,SIN旋轉(zhuǎn)因子，對于B來說，頻移歸一化角頻率隨時間而減小，即產(chǎn)生隨深度增加而歸一化角頻率減小正余弦因子。對于C,PW來說，頻移值不變。這是由超聲不一樣模式成像特點決定。超聲中的信號處置專家講座第67頁正交解調(diào)-正余弦因子產(chǎn)生幾款產(chǎn)品COS,SIN旋轉(zhuǎn)因子產(chǎn)生方法：超聲中的信號處置專家講座第68頁正交解調(diào)-不一樣模式正余弦因子示意超聲中的信號處