專利名稱：用于超聲診斷成像的正交多普勒信號間隙填充方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲診斷成像方法與裝置，具體涉及一種多普 勒信號間隙填充方法與裝置。
背景技術(shù)：
超聲診斷成像系統(tǒng)實時顯示兩維圖像(B模式成像、彩色血流成 像等)和頻譜多普勒信息具有重要的臨床診斷意義。臨床醫(yī)生可以 在實時觀察人體組織解剖結(jié)構(gòu)的同時，獲得某多普勒采樣容積內(nèi)的 血流狀況。該血流狀況信息的獲得有兩種途徑顯示器上實時顯示 的聲譜圖和揚聲器上實時播放的多普勒聲音信號。為了實現(xiàn)上述兩 種(甚至三種)不同成像模式的實時顯示，超聲成像系統(tǒng)利用時分 復(fù)用技術(shù)，為不同的成像模式分配不同的時間段，而且系統(tǒng)周期地 在不同模式下快速切換。以臨床上常用的B+D模式(B模式+脈沖頻 譜多普勒模式)為例，系統(tǒng)通過控制發(fā)射脈沖的時序，實現(xiàn)兩種模 式的輪換掃描。最簡單的一種方法就是單個B脈沖和單個多普勒脈 沖交替發(fā)射，該方法最大的缺點是多普勒脈沖的重復(fù)發(fā)射頻率(PRF) 降低，導(dǎo)致可檢測的最大流速大大降低。另外一種相似的實現(xiàn)方法 是單個B脈沖和多個多普勒脈沖交替發(fā)射，該方法雖然改善了多普 勒檢測最大流速的問題，但單幀B型圖像的成像時間加長，兩維圖 像的實時性受到影響?？紤]到兩維圖像的成像質(zhì)量，本發(fā)明關(guān)注的 是另 一種掃描方式，即成像系統(tǒng)在掃描完一幀兩維圖像后啟動多普 勒脈沖的發(fā)射，且多普勒脈沖的發(fā)射次數(shù)足夠多，保證獲得至少一 條完整的多普勒功率語譜線。由于多普勒信號在2-40 ms內(nèi)可以認(rèn)為 是準(zhǔn)平穩(wěn)的，因此要求間隙的長度盡量小于40 ms。由于在B模式成 像的時間段，無法采集到多普勒信號，導(dǎo)致多普勒信號的不連續(xù)。
該不連續(xù)現(xiàn)象(稱為間隙，即Gap)在聲譜圖上表現(xiàn)為斷裂的頻語， 如圖1所示，可能導(dǎo)致計算機自動提取多普勒頻語參數(shù)失效，而在聲 音輸出上更是出現(xiàn)周期性的突然靜音，使得聲音輸出失去臨床診斷 參考意義。因此，多普勒信號間隙填充技術(shù)已經(jīng)成為超聲診斷成像 設(shè)備必備的一項重要技術(shù)。
多普勒信號間隙填充技術(shù)用于提高超聲診斷成像設(shè)備中頻譜多 普勒信號質(zhì)量，尤其是用于超聲診斷成像設(shè)備同時工作在兩維圖像 成像模式(B模式、彩色血流成^f象模式等)和頻譜多普勒模式的情況 下。超聲診斷成像設(shè)備利用時分復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)不同模式的同時成像， 系統(tǒng)為不同的成像模式分配不同的時間段。當(dāng)系統(tǒng)同時工作在兩維 圖像成像模式和頻譜多普勒模式的時候，音頻多普勒信號和聲譜圖 會產(chǎn)生明顯的不連續(xù)現(xiàn)象(稱為間隙，gap),該不連續(xù)會對診斷信 息的提取帶來很大的不便；另外，兩維圖像的成像幀頻率會有所降 低，但對診斷性能的影響相對較小。多普勒信號間隙填充技術(shù)利用 信號處理的方法對該間隙進行填充，使得填充后的信號在聲音和頻 譜上都能保持很好的連續(xù)性，減小多普勒信號采集的不連續(xù)性對診 斷準(zhǔn)確性的影響。然而，如何有效地填充多普勒信號間隙一直是頻 譜多普勒技術(shù)應(yīng)用中的一個難點。隨著數(shù)字計算機技術(shù)的高速發(fā)展， 研究者提出了許多方法來解決這一問題。根據(jù)聲譜圖的輸出方式， 目前填充間隙的方法大體上可以分成兩大類 一類是直接對二維的 聲譜圖進行插值填充，另外一類則是對正交多普勒信號進行填充后 計算出填充后信號的聲譜圖。
1991年5月，給予G. Schwartz的、名稱"Spectral Interpolation of Ultrasound Doppler Signal"的專利US 5，016，641公開了一種填充方法， 其是利用間隙產(chǎn)生前的功率譜填充間隙階段的功率譜，產(chǎn)生一個具 有一定隨機性的相位，根據(jù)填充的功率譜和產(chǎn)生的隨機相位，由逆 快速傅里葉變換(IFFT)得到時域信號，該時域信號經(jīng)窗函數(shù)加權(quán)， 部分重疊相加后得到?jīng)]有跳變的填充信號。該方法需要每次譜線更
新的時候進行IFFT計算，增加了計算量。
1995年12月，給予M. T. Robinson的、名稱為"Simultaneous Ultrasonic Imaging and Doppler Display System"的專利US 5,476,097公開了 一種頻譜 和聲音分開填充的方法。其中聲音信號直接用間隙兩端的信號反序 拼接，保證間隙兩端的連續(xù)，但拼接中間存在跳變，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換 后再進行低通濾波可以消除該不連續(xù)引起的噪聲。由于對正交多普 勒信號反序后，信號的正負(fù)頻譜發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，因此方向分離后輸出 的聲音會有反向錯誤。而譜線則用聲譜圖間隙兩端的譜線從間隙中 間開始分別向兩邊填充，且每#^普線填充多次(如兩次)，直到填 充的譜線與填充區(qū)域的原始i普線相等為止，其中中間不連續(xù)語線可 以通過插值或者平均的方式平滑輸出。
1995年，由H. Klebak， 丄A. Jensen和L. K. Hansen在Proceedings of IEEE International Ultrasonics Symposium, vol.2: 1553-1556上發(fā)表的、名稱 為"Neural Network for Sonogram Gap Filling"的文獻(xiàn)7^開了一種利用人工神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來估計間隙期間的聲譜圖，但這種方法的計算量比較大，無 法滿足超聲診斷成像系統(tǒng)的實時性要求。
間隙時間足夠短的情況下，根據(jù)多普勒信號的準(zhǔn)平穩(wěn)特性，間 隙附近的信號具有相似的統(tǒng)計特性，因此，可以利用間隙前、后的 信號估計間隙內(nèi)的多普勒信號。1988年,由K. Kristoffersen和B. A.丄 Angelsen在/E￡￡ Trans, S/'omecf. ￡叩.，vol.35:285-295上發(fā)表的、名稱為"A Time-shared Ultrasound Doppler Measurement and 2-D Imaging System"的文 獻(xiàn)公開了 一種利用間隙產(chǎn)生前的信號通過線性預(yù)測估算出間隙內(nèi)信 號的方法，線性預(yù)測是通過最小均方誤差的方法估計出間隙部分的 多普勒信號。
1997年1月，給予丄S.Wang的、名稱為"Apparatus and Method for Estimating Missing Doppler Signals and Spectra"的專利US 5,642,732公開
了 一種基于模型估計的多普勒信號間隙填充方法。首先估計間隙前 的多普勒信號的AR模型系數(shù)和激勵噪聲的方差，并由這些AR系數(shù)
估計出模型的反射系數(shù)。同理，估計出間隙后的多普勒信號的AR系
數(shù)、反射系數(shù)、噪聲方差。然后，內(nèi)插間隙時間段的反射系數(shù)(直
接內(nèi)插AR系數(shù)可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，系統(tǒng)穩(wěn)定的必要充分條件是 反射系數(shù)的幅度小于1, Burg估計方法可以保證反射系數(shù)幅度小于 1 )。最后，利用估計的反射系數(shù)求出AR系數(shù)，該AR系數(shù)構(gòu)造一個 IIR濾波器。用白噪聲激勵該IIR濾波器，濾波后的數(shù)據(jù)加窗后與實際 采集到的信號疊加拼接。填充的信號經(jīng)快速傅立葉變換后可得到填 充段的頻譜。另外，由于可以從AR系數(shù)經(jīng)快速傅立葉變換直接估計 信號功率譜，將插值的噪聲的方差歸 一化后也可直接輸出估計的功 率譜。該方法可以獲得連續(xù)的聲音和譜圖輸出，但是當(dāng)信號帶寬較 寬時，需要用較高階次的AR模型進行頻譜逼近，尤其是當(dāng)檢測到的 血流信號中同時存在正反向血流的情況下，容易導(dǎo)致AR模型參數(shù)估 計誤差偏大，從而影響了填充后譜圖和聲音的質(zhì)量。另外，高階AR 模型的估計具有較大的計算復(fù)雜度，增加了該技術(shù)的實現(xiàn)成本。
1985年12月，給予B. A.丄Angelsen和K. Kristoffersen的、名稱為
"Method of Ultrasounically Measuring Blood Flow Velocity" 的專利US 4，559，952公開了用來產(chǎn)生間隙填充信號的兩種方法1.將寬帶噪聲經(jīng) 過一個濾波器以產(chǎn)生待填充的信號，濾波器的系數(shù)可控制，用于產(chǎn) 生需要的頻譜特性；2.直接讀取最后存儲部分的多普勒信號。為了保 證連續(xù)性，產(chǎn)生的信號和采集到的信號可以經(jīng)過一個窗函數(shù)加權(quán)， 且兩者之間可以有重疊部分。該方法對準(zhǔn)平穩(wěn)的多普勒信號有效， 但是一些大動脈血流在心臟收縮期會產(chǎn)生快速的流速增大或者減小 的情況，此時當(dāng)間隙長度較長時，容易產(chǎn)生i普圖的不連續(xù)性。
1990年7月，給予B. A.丄Angelsen和K. Kristoffersen的、名稱為
"Method and Apparatus for Synthesizing a Continuous Estimate Signal Provided by Ultrasonic Doppler Measurement on a Fluid Row"的專利US 4,934,373 乂> 開了一種詳細(xì)的利用寬帶噪聲經(jīng)過濾波器來產(chǎn)生填充信號的方法。 其主要思想是直接利用采集到的信號加窗后作為FIR濾波器的系數(shù)， 寬帶噪聲經(jīng)過該濾波器后獲得相同的功率譜，但具有隨機相位。具 體實現(xiàn)的時候，考慮到信號帶寬變化緩慢，信號利用平均頻率解調(diào) 到基頻0頻率附近，解調(diào)后的信號加窗作為濾波器的系數(shù)。估計填充 點的平均頻率，濾波后的基帶信號利用估計的平均頻率調(diào)制到較高 頻率上，獲得填充點的信號。為了保證估計信號的連續(xù)，估計的填 充信號用窗加權(quán)后疊加輸出。該方法直接用濾波器濾波后的結(jié)果代 替原先采集到的多普勒信號以及間隙內(nèi)的多普勒信號，較好地解決 了聲音和譜圖的不連續(xù)的問題，但是多普勒信號的非平穩(wěn)性和濾波 器加窗處理會導(dǎo)致產(chǎn)生信號的頻譜帶寬偏寬。
2007年3月，Y丄i提出的、名稱為"Method for Processing Doppler Signal Gaps"專利申請US 2007/0049823公開了一種利用間隙前、后多普勒 數(shù)據(jù)填充間隙的方法，對間隙前、后的數(shù)據(jù)首先進行高通濾波處理， 然后正序讀出并填入間隙中。間隙前段用間隙前面的數(shù)據(jù)填充，間 隙后端利用間隙后面的數(shù)據(jù)填充。對于接口處的不連續(xù)段，利用加 窗的方式使得數(shù)據(jù)收斂到零來保證數(shù)據(jù)連續(xù)。該方法無法處理流速 快速增大或者減小階段的i普圖不連續(xù)的問題，而且對接口處信號加 窗收斂到零使得信號能量周期性變化，導(dǎo)致鐠圖出現(xiàn)周期性的亮暗 變化，而聲音則會出現(xiàn)強弱周期性變化。
1999年4月，給予M. Izumi的、名稱為"Ultrasonic wave Doppler diagnosing apparatus"的專利US 5,891,036公開了 一種利用間隙前(或 者間隙前、后)多普勒數(shù)據(jù)進行平滑填充間隙內(nèi)數(shù)據(jù)的方法。在第 一種實現(xiàn)中，首先對間隙前的數(shù)據(jù)反序讀出，取共軛(或者實部和 虛部交換)后存入間隙位置。由于取共軛后間隙起始點產(chǎn)生相位不 連續(xù)，求解該相位偏差量，對間隙內(nèi)數(shù)據(jù)補償該相位偏差。該方法 可以實現(xiàn)間隙起始點的完全平滑拼接，但間隙結(jié)束點可能會有不連 續(xù)。第二種實現(xiàn)中不僅利用間隙前數(shù)據(jù)，對間隙后的數(shù)據(jù)進行同樣 的操作，然后將處理后的兩段凄t據(jù)加權(quán)疊加，保證間隙兩端都連續(xù) 平滑過渡。該方法同樣無法處理流速快速增大或者減小階段的譜圖
不連續(xù)的問題
本發(fā)明提供一種多普勒信號間隙填充處理的新方法，利用多普 勒間隙前和/或間隙后的信號進4亍間隙填充。與現(xiàn)有技術(shù)不同，該方 法在對多普勒間隙前和/或間隙后的信號經(jīng)過頻率調(diào)制處理后，再利 用窗函數(shù)對該信號以及采集到的多普勒信號進行加權(quán)并疊加，從而 獲得連續(xù)的譜圖和聲音輸出，并很好的保留了多普勒信號原始的頻 譜特性。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，所采取的技術(shù)方案如下。
按照本發(fā)明的第 一方面，提供一種用于超聲診斷成像的正交多
普勒信號間隙填充方法，包括以下步驟存儲步驟，用于存儲間隙 前和/或間隙后的多普勒信號；分析步驟，用于讀取間隙前和/或間隙 后的多普勒信號作為待填充多普勒信號，并分析所述待填充多普勒 信號的頻譜特性，以獲得該信號的頻譜參數(shù)；判斷步驟，用于根據(jù) 所述頻譜參數(shù)來判斷是否對所述待填充多普勒信號進行頻率補償； 補償步驟，用于根據(jù)所述頻鐠參數(shù)對所述待填充多普勒信號進行頻 率補償；以及填充步驟，對于滿足頻率補償條件的待填充多普勒信 號，利用所述頻率補償后的待填充多普勒信號與原始的間隙前和/或 間隙后的多普勒信號進行加權(quán)疊加，以實現(xiàn)間隙填充；對于不滿足 頻率補償條件的待填充多普勒信號，直接利用原始的間隙前和/或后 的多普勒信號進行加權(quán)疊加，以實現(xiàn)間隙填充。
優(yōu)選地是，在所述分析步驟中，利用自相關(guān)法估計所述待填充 多普勒信號的頻譜參數(shù)。或者，在所述分析步驟中，通過傅立葉變 換獲得所述待填充多普勒信號的頻譜，然后從頻譜中估計出所述信 號的頻語參數(shù)。
其中在所述判斷步驟中，當(dāng)斷定間隙前和/或間隙后的多普勒信 號的帶寬小于預(yù)定閾值時，對待填充的多普勒信號進行頻率補償。 或者，在所述判斷步驟中，當(dāng)斷定間隙前和間隙后的多普勒信號的
平均頻率大于預(yù)定閾值并且間隙前和間隙后的多普勒信號的平均頻 率之差也大于另一預(yù)定閾值時，對待填充的多普勒信號進行頻率補 償。再或者，在所述判斷步驟中，當(dāng)斷定間隙前和/或間隙后的多普 勒信號的功率大于預(yù)定閾值時，對待填充的多普勒信號進行頻率補 償。
所述補償步驟進一步包括根據(jù)所述待填充多普勒信號的平均 頻率利用插值估計間隙內(nèi)多普勒信號的平均頻率；利用所估計的間 隙內(nèi)多普勒信號的平均頻率與間隙前和/或間隙后多普勒信號的平均 頻率的差值來確定用于頻率調(diào)制的復(fù)正弦信號的頻率；以及將所述 頻率的復(fù)正弦信號乘以所述待填充多普勒信號以實現(xiàn)頻率補償。其 中，利用插值估計間隙內(nèi)多普勒信號的平均頻率包括頻譜混疊的補 償處理。其中，用于與所述頻率的復(fù)正弦信號相乘的所述待填充多 普勒信號可以是間隙前和間隙后的多普勒信號，也可以根據(jù)間隙前 和間隙后多普勒信號的頻譜參數(shù)判斷選擇間隙前或者間隙后的信號 進行相乘。
所述填充步驟進一步包括利用兩端逐漸衰減到O的窗函數(shù)對頻 率補償后的所述待填充多普勒信號進行加權(quán)，并利用從1逐漸衰減到0 的窗函數(shù)對原始的間隙前多普勒信號進行加權(quán)，以及利用從O逐漸增 加到1的窗函數(shù)對原始的間隙后多普勒信號進行加權(quán)。其中，所述窗 函數(shù)的疊加結(jié)果為1。
按照本發(fā)明的第二方面，提供 一 種用于超聲診斷成像的正交多 普勒信號間隙填充裝置，包括以下模塊存儲模塊，用于存儲間隙 前和/或間隙后的多普勒信號；分析模塊，用于讀取間隙前和/或間隙 后的多普勒信號作為待填充多普勒信號，并分析所述待填充多普勒 信號的頻譜特性，以獲得該信號的頻譜參數(shù)；判斷模塊，用于根據(jù) 所述頻譜參數(shù)來判斷是否對所述待填充多普勒信號進行頻率補償； 補償模塊，用于根據(jù)所述頻語參數(shù)對所述待填充多普勒信號進行頻 率補償；以及填充模塊，對于滿足頻率補償條件的待填充多普勒信 號，利用經(jīng)頻率補償模塊補償后的待填充多普勒信號與原始的間隙 前和/或間隙后的多普勒信號進4亍加權(quán)疊加，以實現(xiàn)間隙填充；對于 不滿足頻率補償條件的待填充多普勒信號，直接利用原始的間隙前 和/或后的多普勒信號進行加權(quán)疊加，以實現(xiàn)間隙填充。
優(yōu)選地是，所述分析模塊利用自相關(guān)法估計所述待填充多普勒 信號的頻譜參數(shù)。或者，所述分析模塊通過傅立葉變換獲得所述待 填充多普勒信號的頻譜，然后從頻語中估計所述信號的頻譜參數(shù)。
其中，當(dāng)所述判斷模塊斷定間隙前和/或間隙后的多普勒信號的 帶寬小于預(yù)定閾值時，對待填充的多普勒信號進行頻率補償?；蛘?， 當(dāng)所述判斷模塊斷定間隙前和間隙后的多普勒信號的平均頻率大于 預(yù)定閾值并且間隙前和間隙后的多普勒信號的平均頻率之差也大于 另一預(yù)定閾值時，對待填充的多普勒信號進行頻率補償。再或者， 當(dāng)所述判斷模塊斷定間隙前和/或間隙后的多普勒信號的功率大于預(yù) 定閾值時，對待填充的多普勒信號進行頻率補償。
所述補償模塊根據(jù)所述待填充多普勒信號的平均頻率利用插值
估計間隙內(nèi)多普勒信號的平均頻率；然后，利用所估計的間隙內(nèi)多 普勒信號的平均頻率與間隙前和/或間隙后多普勒信號的平均頻率的 差值來確定用于頻率調(diào)制的復(fù)正弦信號的頻率；最后，將所述頻率 的復(fù)正弦信號乘以所述待填充多普勒信號以實現(xiàn)頻率補償。其中， 所述補償模塊利用插值估計間隙內(nèi)多普勒信號的平均頻率包括頻譜 混疊的補償處理。其中，用于與所述頻率的復(fù)正弦信號相乘的所述 待填充多普勒信號可以是間隙前和間隙后的多普勒信號，也可以根 據(jù)間隙前和間隙后多普勒信號的頻i普參數(shù)判斷選擇間隙前或者間隙 后的信號進行相乘。
所述填充模塊利用兩端逐漸衰減到0的窗函數(shù)對頻率補償后的所 述待填充多普勒信號進行加權(quán)，并利用從1逐漸衰減到0的窗函數(shù)對原 始的間隙前多普勒信號進行加;f又，以及利用從O逐漸增加到1的窗函數(shù) 對原始的間隙后多普勒信號進行加權(quán)。
采用本發(fā)明技術(shù)方案的用于超聲診斷成像的正交多普勒信號間 隙填充方法與裝置解決了現(xiàn)有^R術(shù)中流速快速變化階段間隙填充導(dǎo) 致譜圖不連續(xù)的問題，即便在間隙長度很大的情況下，聲譜圖和聲 音的連續(xù)性都得到了很好的保證。


圖1是未進行間隙填充的聲譜圖； 圖2是超聲診斷成像系統(tǒng)框圖； 圖3是多普勒處理單元框圖4是按照現(xiàn)有技術(shù)的方法進行間隙填充后的i普圖示意圖5是按照本發(fā)明的方法進行間隙填充后的譜圖示意圖6是實現(xiàn)間隙填充的框圖7是按照本發(fā)明的方法進行間隙填充的流程圖8是按照本發(fā)明的方法的進行混疊補償處理的示意圖9是按照本發(fā)明的方法的進行加權(quán)疊加的示意圖10是按照本發(fā)明的方法進行間隙填充后的聲語圖11是按照本發(fā)明的正交多普勒信號間隙填充裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式
正交多普勒信號間隙填充方法
典型的超聲診斷成像系統(tǒng)的功能框圖如圖2所示。系統(tǒng)具有B 型成像處理單元200，彩色血流成像(CFI)處理單元202和頻譜多普 勒處理單元204。每個處理單元產(chǎn)生的發(fā)射信號經(jīng)發(fā)射波束合成單元 206后，傳送到探頭208中的發(fā)射換能器轉(zhuǎn)變?yōu)槌曅盘枺ㄟ^探頭 208入射到人體組織內(nèi)。超聲信號遇到人體組織細(xì)胞產(chǎn)生散射回波， 部分散射回波由接收換能器接收并經(jīng)過波束合成后，進入相應(yīng)的處 理單元進行成像處理，處理的結(jié)果經(jīng)掃描轉(zhuǎn)換器(DSC) 210后輸出 到顯示器212以供顯示。其中B型成像單元200通過在不同掃描方向
上發(fā)射單個脈沖波束，并對接收到的回波的幅度進行灰度編碼顯示，
從而獲得人體組織的兩維解剖結(jié)構(gòu)圖像。CFI處理單元202與頻譜多 普勒處理單元204均用于處理多普勒血流信號。CFI處理單元202在 不同掃描方向上重復(fù)發(fā)射多個(一般為8 16個)脈沖波束，并計算 接收到的多個采樣容積內(nèi)的多普勒血流信號的平均頻率、帶寬和平 均功率，計算的結(jié)果疊加到B型圖像上進行彩色編碼顯示。另外， 處理單元處理的音頻信號經(jīng)過lt/才莫轉(zhuǎn)換器(DAC) 214轉(zhuǎn)換為模擬信 號之后，輸出到揚聲器216。頻譜多普勒技術(shù)用于獲得固定掃描方向 上單個采樣容積內(nèi)的血流信息，該技術(shù)從不同的發(fā)射波形又可分為 連續(xù)波(CW)多普勒技術(shù)和脈沖波(PW)多普勒技術(shù)，前者發(fā)射的 為連續(xù)波，后者則不斷重復(fù)發(fā)射脈沖波。
頻譜多普勒技術(shù)的典型處理框圖如圖3所示。接收到的射頻多 普勒回波信號經(jīng)正交解調(diào)(塊300)后變?yōu)橐?頻率為中心的基頻信 號。由于解調(diào)后的多普勒信號的帶寬一般為幾千Hz，該頻率范圍為 音頻范圍，因此該信號又稱為音頻多普勒信號。由于靜止和緩慢運 動的組織產(chǎn)生的多普勒信號具有很大的幅度和較低的頻率，該組織 信號的存在將影響微弱血流信息的準(zhǔn)確提取，故多普勒處理單元通 過一個高通濾波器(壁濾波器)(塊302 )提取出有效的多普勒血流 信號。血管內(nèi)血流速度隨心臟的收縮和舒張不斷變化，通常認(rèn)為在 較短的時間內(nèi)(2-40ms)血流速度基本保持不變。根據(jù)多普勒效應(yīng)， 多普勒信號的頻率與血流速度成正比。多普勒處理單元對較短時間 內(nèi)的多普勒信號進行頻譜分析(塊306),獲得多普勒信號的功率語， 該功率譜即反映了該時刻血管內(nèi)血流的速度分布情況。不同時刻的 多普勒信號功率譜組成一個兩維顯示圖像即獲得了信號的聲譜圖 (sonogram, spectrogram)。在聲譜圖上可以提取出最大頻率曲線， 平均頻率曲線以及搏動指數(shù)等重要臨床診斷參數(shù)(塊308),用于表 征血管內(nèi)的血流狀況。頻譜分析的結(jié)果經(jīng)DSC后輸出到顯示器。另 外，正交多普勒血流信號經(jīng)方向分離處理(塊310)后可以獲得正向
和反向的血流信號，該正、反向血流信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換(塊312)后送 到兩個揚聲器進行聲音輸出。多普勒信號的聲音輸出是聲譜圖輸出 的重要補充，而且是調(diào)節(jié)聲譜圖輸出的重要依據(jù)。
頻譜多普勒成像模式(以PW為例)與兩維圖像模式(B模式、 CFI模式等，以B模式為例)同時工作的時候，超聲成像系統(tǒng)在兩種 模式之間不停地切換。當(dāng)系統(tǒng)切換到B模式成像的時候，系統(tǒng)無法 采集到多普勒信號，即產(chǎn)生多普勒信號間隙。按照本發(fā)明的間隙填 充方法，利用間隙前和/或間隙后的數(shù)據(jù)對間隙內(nèi)的聲音和頻語進行 平滑填充。
現(xiàn)譜圖不連續(xù)的情況，例如以一個線性調(diào)頻信號的譜圖來仿真心臟 收縮前期流速的快速增大情況，圖4給出了現(xiàn)有的間隙填充方法導(dǎo)致 頻譜不連續(xù)的示意圖。其中圖4(a)表示分別用間隙前、后的信號(或 頻譜)直接填充間隙前半段和后半段的信號(或頻譜)，圖4(b)則表 示間隙前、后的信號(和頻語)在時域上反序(復(fù)信號還包括取共 軛)后填充間隙前半段和后半段的信號(和頻譜)。顯然兩種處理 方法在這種情況下都會導(dǎo)致i普圖的不連續(xù)。
按照本發(fā)明的方法則是在對間隙前和/或間隙后的信號經(jīng)過頻率 補償后再進行間隙填充，其填充結(jié)果的示意圖如圖5所示。
間隙填充方法的一種實施例如圖6所示。系統(tǒng)根據(jù)B模式和PW 模式的發(fā)射時序確定間隙的長度，多普勒處理單元根據(jù)接收到的多 普勒信號長度判斷是否存在信號間隙。若系統(tǒng)未檢測到信號間隙， 則將采集到的正交解調(diào)后的多普勒信號保存在存儲模塊(塊600)中， 并對采集到的信號進行壁濾波、頻譜分析等處理。若系統(tǒng)檢測到間 隙，則讀取內(nèi)存中間隙前、后的多普勒信號(塊602 )，并判斷該信 號是否是壁濾波后的多普勒信號。若讀取的是壁濾波前的信號則在 進行填充處理前需要進行壁濾波處理，以濾除低頻的組織和管壁回 波對血流信號參數(shù)估計的影響。其中壁濾波處理可以采用常用的IIR
(infinite impulse response)數(shù)字濾波器。對于間隙后的多普勒信號， 由于初始狀態(tài)不確定，因此也可以通過階躍初始化或者投影初始化 處理后的IIR濾波器實現(xiàn)。壁濾波作為多普勒信號處理的一項公知技 術(shù)，不在此做詳細(xì)解釋。濾波后的信號經(jīng)過填充處理(塊604 )后， 為了保證間隙前、后信號的連續(xù)性，需對待填充的信號和原始的間 隙前、后的多普勒信號進行加權(quán)疊加(塊606)。加權(quán)疊加后的信號 可以直接輸入后續(xù)的多普勒信號處理環(huán)節(jié)。
間隙填充處理的流程圖如圖7所示。系統(tǒng)讀取間隙前、后的多 普勒信號(步驟700 )作為待填充的多普勒信號，對讀取的信號進行 頻譜分析(步驟702 )。本實施例中采用了自相關(guān)法進行頻譜分析， 即直接利用時域的自相關(guān)估計來估計多普勒信號的平均頻率、帶寬 和平均功率等參數(shù)。對長度為M的正交多普勒信號x—i+jQi，其中j為 (-1)的平方根，利用自相關(guān)估計獲得
<formula>formula see original document page 18</formula>
其中R(O)表示信號的功率，根據(jù)參量N和D可進一步獲得
<formula>formula see original document page 18</formula>
其中Phase為信號的平均角頻率，除以2Ti即獲得歸一化的數(shù)字頻率。
根據(jù)Magn和R(O)可以估計出信號的方差
<formula>formula see original document page 18</formula>
信號的帶寬可以表示為上述方差的平方根。
顯然，間隙前、后信號的頻i普分析還可以利用傅立葉變換獲得
信號的頻譜，在頻域進行估計，這屬于公知技術(shù)，不在此做詳細(xì)解釋。
利用譜分析獲得頻譜參數(shù)后，可以利用這些參數(shù)判斷(步驟704) 是否在間隙填充前對待填充的多普勒信號進行頻率補償處理。本實 施例中直接利用帶寬進行判別，即當(dāng)間隙前、后的多普勒信號的帶 寬均小于預(yù)定閾值Th時，才對^f寺填充的多普勒信號進行頻率補償處 理。當(dāng)間隙前、后分別為多普勒血流信號和噪聲的情況下，噪聲的 平均頻率具有較大的估計誤差，而頻率補償則需要使用間隙前、后 信號的平均頻率，因此，若無條件對待填充的信號進行頻率補償， 則可能導(dǎo)致頻譜較大的畸變。但是，噪聲通常具有比血流信號大得 多的帶寬。因此，通過判斷帶寬是否小于預(yù)定閾值，可以在一定程 度上避免上述頻語畸變的風(fēng)險。另外，還可用平均頻率進行判斷， 即當(dāng)間隙前、后的多普勒信號的平均頻率均大于預(yù)定閾值，并且間 隙前、后的多普勒信號的平均頻率的差值也大于預(yù)定閾值的情況下， 才對待填充的多普勒信號進行頻率補償處理。除此之外，還可以通 過功率信息來判斷間隙前、后的多普勒信號是否為有效信號，即功 率小于預(yù)定閾值時，認(rèn)為是噪聲，不進行頻率補償；反之，才認(rèn)為 是有效的多普勒信號，進行頻率補償。對上述頻譜參數(shù)的條件判斷 可以組合或單獨使用。
頻率補償處理(步驟706)通過對待填充的多普勒信號乘以不同 頻率的復(fù)正弦波實現(xiàn)頻率的調(diào)制，其中復(fù)正弦波的頻率通過對間隙 前、后多普勒信號的平均頻率進行插值處理后獲得。如圖5所示，fe1 和fs2分別為間隙前、后多普勒信號的平均頻率，若將間隙分成前、 后兩段，則前、后兩段中心點的頻率fg1和柳可以通過插值處理獲 得，插值處理可以是線性插值處理也可以是非線性的插值處理。本 實施例中采用了線性插值，即^2 =會々1 +魯々2
當(dāng)間隙前、后的多普勒信號發(fā)生頻鐠混疊時，直接采用線性插 值將會產(chǎn)生0頻率附近的頻率估計，從而導(dǎo)致填充后頻譜的不連續(xù)。 因此，在頻率插值之前需要進^f亍混疊的補償處理。 一種頻譜混疊的 補償處理方法如圖8所示。圖中兩個實心圓點分別表示fs1和fs2，當(dāng) 卩s1-fs2l大于預(yù)定閾值的時候就判斷為發(fā)生了頻i普混疊。若直接對fs1 和fs2進行插值將獲得錯誤的平均頻率估計，如圖中虛線方框所示。 為了對混疊的頻率進行插值，首先判斷fs2的符號，根據(jù)fs2的符 號估計未混疊的頻率fs2'。若fs2符號為負(fù)，則令fs2、(fs2+l)代 替fs2進行插值；若fs2符號為正，則令fs2、(fs2-l)代替fs2進 行插值。經(jīng)過上述處理后fs2，如圖中空心圓點所示。然后利用fsl 和fs2'進行線性插值，若插值后的頻率絕對值大于0.5,則通過上述 類似的方法獲得[-O. 5， 0. 5]頻率范圍內(nèi)的對應(yīng)頻率點，插值后的頻 率點如圖中實心方框所示。
經(jīng)過上述處理后，選擇來自間隙前的待填充多普勒信號乘以頻 率為(fg1-fs1)的復(fù)正弦波進行頻率調(diào)制，作為間隙前半段的待填充信 號；選擇來自間隙后的待填充多普勒信號乘以頻率為(fg2-fs2)的復(fù)正 弦波進行頻率調(diào)制，作為間隙后半段的待填充信號。另外，本發(fā)明 也不局限于同時采用來自間隙前、后的待填充多普勒信號進行填充 處理，也可以根據(jù)間隙前、后多普勒信號的頻譜特性，只選擇其中 一段多普勒信號進行填充，例如只選擇來自間隙前的待填充信號進 行填充處理。此時，來自間隙前的待填充多普勒信號乘以頻率為(fg1-fs1) 的復(fù)正弦波進行頻率調(diào)制，作為間隙前半段的待填充信號；同一個 信號乘以頻率為(fg2-fs1)的復(fù)正弦波進行頻率調(diào)制，作為間隙后半段 的待填充信號。
經(jīng)過上述處理獲得待填充的多普勒信號后，對待填充的多普勒
信號和原始的間隙前、后的多普勒信號(即未進行頻率補償?shù)亩嗥?勒信號)進行加權(quán)疊加(步驟708),加權(quán)疊加示意圖如圖9所示。
其中圖中上部的"多普勒1"和"多普勒2"分別表示相鄰兩個多普 勒掃描時間段，兩者之間的"B成像"表示兩個多普勒掃描時間段之 間的B成像掃描時間段，即對應(yīng)多普勒信號的間隙時間段。間隙起
始時刻為Tgs，直到Tge時刻間隙結(jié)束，此時系統(tǒng)重新采集到有效的正
交多普勒信號。為了保證填充信號的連續(xù)性，填充的信號與實際采 集到的多普勒信號有重疊，即填充信號段的實際起始時刻為rfe，終
止時刻為Tfe。圖9中[7fe,rj和[rge，Tfe]分別為重疊的兩段信號，簡單起 見，該兩段信號的長度可取相等。由于填充需要間隙后的數(shù)據(jù)，因 此實際填充計算必須等間隙后采集到足夠多的正交多普勒信號后才 開始啟動，如圖9中T^時刻所示?？梢娫摲椒ú⒉皇且环N實時填充 間隙的方法，而是一種準(zhǔn)實時的方法?？梢哉J(rèn)為7",f時刻輸出的為4 的信號，即系統(tǒng)延遲為fc-7>)。由于間隙的長度一般較小，系統(tǒng)延
遲也非常短，因此不會影響到多普勒聲譜圖，以及多普勒聲音和二 維B超圖像的同步性。間隙內(nèi)信號分兩段進行填充，兩段之間也有 重疊，同樣，重疊的長度也可以跟[Tfc, Tgs，[rffe, :g的長度相等。圖9 中下半部分給出了待填充多普勒信號和原始間隙前、后多普勒信號
加權(quán)使用的窗函數(shù)，不失一般性加權(quán)窗函數(shù)的取值范圍為
。由圖
9可見，nvy時間段內(nèi)原始間隙前多普勒信號的加權(quán)函數(shù)Ws1由1逐
漸減小到O(圖中粗實線所示)，而[\,丁16]時間段內(nèi)的間隙前半段待 填充信號的加權(quán)函數(shù)Wg1中間為1向兩端逐漸減小為0 (圖中粗短劃 線所示)。同理，[1"25，、]時間段內(nèi)的間隙后半段待填充信號的加權(quán)函
數(shù)Wg2也與VVg,類似(圖中粗點虛線所示)。最后，[Tge，Tfe]時間段內(nèi)
原始間隙后多普勒信號的加權(quán)函數(shù)Ws2由0逐漸增大到1 (圖中粗點 劃線所示)。為了保證間隙內(nèi)信號功率與間隙前、后信號功率的相 似，可以要求權(quán)函數(shù)之和為1，即
經(jīng)過使用上述加權(quán)函數(shù)對待填充的多普勒信號和原始的間隙 前、后的多普勒信號進行加權(quán)后進行疊加，即實現(xiàn)多普勒信號的間 隙填充。經(jīng)過上述間隙填充處理后，間隙兩端以及填充的兩段信號 的兩端都能保證時域波形和頻域頻譜的連續(xù)性。如圖10所示，是按 照本發(fā)明的方法間隙填充后的聲語圖。填充后的信號輸入頻譜分析、 方向分離等模塊進行其它多普勒信號處理。
在以上參考圖7描述的正交多普勒信號間隙填充方法中，還包
括存儲步驟，以存儲間隙前和/或間隙后的多普勒信號。
對熟悉多普勒信號處理的人而言，直接利用頻率補償后的間隙
更改本技術(shù)方案的一些處理流程，仍應(yīng)該在本技術(shù)方案的保護范圍 之內(nèi)。例如間隙填充可以在壁濾波前進行，此時需要對間隙前、后
的多普勒信號經(jīng)過壁濾波之后作為待填充的多普勒信號，并在對待 填充信號經(jīng)過頻率補償后疊加一個合適的低頻信號使得待填充的信 號具有與原始間隙前、后多普勒信號相似的頻譜特性。然后，—對待
填充的多普勒信號與原始的間隙前、后多普勒信號進行加權(quán)疊加， 疊加后的信號統(tǒng)一進行壁濾波、頻譜分析等其他多普勒信號處理。
正交多普勒^f言號間隙填充裝置
如圖11所示，是按照本發(fā)明的正交多普勒信號間隙填充裝置的結(jié)
構(gòu)框圖，包括存儲模塊110、分析模塊112、判斷模塊114、補償模塊116 和填充模塊118。其中存儲模塊110用于存儲間隙前和/或間隙后的多普 勒信號；分析模塊112讀取間隙前和/或間隙后的多普勒信號作為待填 充多普勒信號，并分析所述待填充多普勒信號的頻i普特性，以獲得 該信號的頻i普參數(shù)；判斷模塊114根據(jù)所述頻鐠參數(shù)來判斷是否對所 述待填充多普勒信號進行頻率補償；補償模塊116根據(jù)所述頻譜參數(shù) 對所述待填充多普勒信號進行頻率補償；以及填充模塊118根據(jù)判斷 模塊114輸出的判斷結(jié)果進行選擇，如果滿足條件，則利用頻率補償
后的待填充多普勒信號與原始的間隙前和/或間隙后的多普勒信號進 行加權(quán)疊加以實現(xiàn)間隙填充；否則，直接利用原始的間隙前和/或后 的多普勒信號進行加權(quán)疊加填充。
權(quán)利要求
1.一種用于超聲診斷成像的正交多普勒信號間隙填充方法，其特征在于，包括以下步驟存儲步驟，用于存儲間隙前和/或間隙后的多普勒信號；分析步驟，用于讀取間隙前和/或間隙后的多普勒信號作為待填充多普勒信號，并分析所述待填充多普勒信號的頻譜特性，以獲得該信號的頻譜參數(shù)；判斷步驟，用于根據(jù)所述頻譜參數(shù)來判斷是否對所述待填充多普勒信號進行頻率補償；補償步驟，用于根據(jù)所述頻譜參數(shù)對所述待填充多普勒信號進行頻率補償；以及填充步驟，對于滿足頻率補償條件的待填充多普勒信號，利用所述頻率補償后的待填充多普勒信號與原始的間隙前和/或間隙后的多普勒信號進行加權(quán)疊加，以實現(xiàn)間隙填充；對于不滿足頻率補償條件的待填充多普勒信號，直接利用原始的間隙前和/或后的多普勒信號進行加權(quán)疊加，以實現(xiàn)間隙填充。
2. 如權(quán)利要求1所述的正交多普勒信號間隙填充方法，其特征在于在所述分析步驟中，使用自相關(guān)法估計出所述待填充多普勒信 號的頻譜參數(shù)。
3. 如權(quán)利要求1所述的正交多普勒信號間隙填充方法，其特征在于在所述分析步驟中，通過傅立葉變換獲得所述待填充多普勒信 號的頻譜，然后從頻譜中估計出所述信號的頻譜參數(shù)。
4. 如權(quán)利要求1所述的正交多普勒信號間隙填充方法，其特征在于在所述判斷步驟中，當(dāng)斷定間隙前和/或間隙后的多普勒信號的 帶寬小于預(yù)定閾值時，對待填充的多普勒信號進行頻率補償。
5. 如權(quán)利要求1所述的正交多普勒信號間隙填充方法，其特征在于在所述判斷步驟中，當(dāng)斷定間隙前和間隙后的多普勒信號的平 均頻率大于預(yù)定閾值并且間隙前和間隙后的多普勒信號的平均頻率 之差也大于另一預(yù)定閾值時，對待填充的多普勒信號進行頻率補償。
6. 如權(quán)利要求1-5所述的正交多普勒信號間隙填充方法，其特征在于在所述判斷步驟中，當(dāng)斷定間隙前和/或間隙后的多普勒信號的 功率大于預(yù)定閾值時，對待填充的多普勒信號進行頻率補償。
7. 如權(quán)利要求1所述的正交多普勒信號間隙填充方法，其特征在 于，所述補償步驟進一步包括根據(jù)所述待填充多普勒信號的平均頻率利用插值估計間隙內(nèi)多 普勒信號的平均頻率；利用所估計的間隙內(nèi)多普勒信號的平均頻率與間隙前和/或間隙 后多普勒信號的平均頻率的差值來確定用于頻率調(diào)制的復(fù)正弦信號 的頻率；以及將所述頻率的復(fù)正弦信號乘以所述待填充多普勒信號以實現(xiàn)頻 率補償。
8. 權(quán)利要求7所述的正交多普勒信號間隙填充方法，其特征在于 利用插值估計間隙內(nèi)多普勒信號的平均頻率包括頻譜混疊的補償處理。
9. 權(quán)利要求7所述的正交多普勒信號間隙填充方法，其特征在于 用于與所述頻率的復(fù)正弦信號相乘的所述待填充多普勒信號可以是間隙前和間隙后的多普勒信號，也可以根據(jù)間隙前和間隙后多 普勒信號的頻譜參數(shù)判斷選擇間隙前或者間隙后的信號進行相乘。
10. 如權(quán)利要求1所述的正交多普勒信號間隙填充方法，其特征在于，所述填充步驟進一步包括利用兩端逐漸衰減到O的窗函數(shù)對頻率補償后的所述待填充多普 勒信號進行加權(quán)，并利用從1逐漸衰減到0的窗函數(shù)對原始的間隙前多 普勒信號進行加權(quán)，以及利用從0逐漸增加到1的窗函數(shù)對原始的間隙 后多普勒信號進行加權(quán)。
11. 權(quán)利要求10所述的正交多普勒信號間隙填充方法，其特征在 于所述窗函數(shù)的疊加結(jié)果為1。
12. —種用于超聲診斷成像的正交多普勒信號間隙填充裝置，其 特征在于，包括以下模塊存儲模塊，用于存儲間隙前和/或間隙后的多普勒信號；分析模塊，用于讀取間隙前和/或間隙后的多普勒信號作為待填 充多普勒信號，并分析所述待填充多普勒信號的頻譜特性，以獲得 該信號的頻i普參數(shù)；判斷模塊，用于根據(jù)所述頻譜參數(shù)來判斷是否對所述待填充多 普勒信號進行頻率補償；補償模塊，用于根據(jù)所述頻語參數(shù)對所述待填充多普勒信號進 行頻率補償；以及填充模塊，對于滿足頻率補償條件的待填充多普勒信號，利用 經(jīng)頻率補償模塊補償后的待填充多普勒信號與原始的間隙前和/或間 隙后的多普勒信號進行加權(quán)疊加，以實現(xiàn)間隙填充；對于不滿足頻 率補償條件的待填充多普勒信號，直接利用原始的間隙前和/或后的 多普勒信號進行加權(quán)疊加，以實現(xiàn)間隙填充。
13. 如權(quán)利要求12所述的正交多普勒信號間隙填充裝置，其特征 在于所述分析模塊根據(jù)自相關(guān)法估計所述待填充多普勒信號的頻譜 參數(shù)。
14. 如權(quán)利要求12所述的正交多普勒信號間隙填充裝置，其特征 在于所述分析模塊通過傅立葉變換獲得所述待填充多普勒信號的頻 譜，然后從頻諳中估計所述信號的頻譜參數(shù)。
15. 如權(quán)利要求12所述的正交多普勒信號間隙填充裝置，其特征 在于當(dāng)所述判斷模塊斷定間隙前和/或間隙后的多普勒信號的帶寬小 于預(yù)定閾值時，對待填充的多普勒信號進行頻率補償。
16. 如權(quán)利要求12所述的正交多普勒信號間隙填充裝置，其特征 在于當(dāng)所述判斷模塊斷定間隙前和間隙后的多普勒信號的平均頻率 大于預(yù)定閾值并且間隙前和間隙后的多普勒信號的平均頻率之差也 大于另 一預(yù)定閾值時，對待填充的多普勒信號進行頻率補償。
17. 如權(quán)利要求12-16所述的正交多普勒信號間隙填充裝置，其特 征在于當(dāng)所述判斷模塊斷定間隙前和/或間隙后的多普勒信號的功率大 于預(yù)定閾值時，對待填充的多普勒信號進行頻率補償。
18. 如權(quán)利要求12所述的正交多普勒信號間隙填充裝置，其特征 在于所述補償模塊根據(jù)所述待填充多普勒信號的平均頻率利用插值 估計間隙內(nèi)多普勒信號的平均頻率；然后，利用所估計的間隙內(nèi)多 普勒信號的平均頻率與間隙前和/或間隙后多普勒信號的平均頻率的 差值來確定用于頻率調(diào)制的復(fù)正弦信號的頻率；最后，將所述頻率 的復(fù)正弦信號乘以所述待填充多普勒信號以實現(xiàn)頻率補償。
19. 權(quán)利要求18所述的正交多普勒信號間隙填充裝置，其特征在于所述補償模塊利用插值估計間隙內(nèi)多普勒信號的平均頻率包括 頻譜混疊的補償處理。
20. 權(quán)利要求18所述的正交多普勒信號間隙填充裝置，其特征在于用于與所述頻率的復(fù)正弦信號相乘的所述待填充多普勒信號可 以是間隙前和間隙后的多普勒信號，也可以根據(jù)間隙前和間隙后多 普勒信號的頻譜參數(shù)判斷選擇間隙前或者間隙后的信號進行相乘。
21. 如權(quán)利要求12所述的正交多普勒信號間隙填充裝置，其特征 在于所述填充模塊利用兩端逐漸衰減到O的窗函數(shù)對頻率補償后的所 述待填充多普勒信號進行加權(quán)，并利用從1逐漸衰減到0的窗函數(shù)對原 始的間隙前多普勒信號進行加權(quán)，以及利用從O逐漸增加到1的窗函數(shù) 對原始的間隙后多普勒信號進行加權(quán)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于超聲診斷成像的正交多普勒信號間隙填充方法與裝置，該方法包括存儲步驟，用于存儲間隙前和/或間隙后的多普勒信號；分析步驟，用于分析待填充多普勒信號的頻譜特性；判斷步驟，用于根據(jù)頻譜參數(shù)來判斷是否對待填充多普勒信號進行頻率補償；補償步驟，用于對待填充多普勒信號進行頻率補償；以及填充步驟，用于根據(jù)判斷結(jié)果對待填充多普勒信號與原始的間隙前和/或間隙后的多普勒信號進行加權(quán)疊加以實現(xiàn)間隙填充。本發(fā)明的方法在對多普勒間隙前和/或間隙后的信號經(jīng)過頻率補償處理后，再利用窗函數(shù)對該信號以及采集到的多普勒信號進行加權(quán)并疊加，從而獲得連續(xù)的譜圖和聲音輸出，并很好的保留了多普勒信號原始的頻譜特性。
文檔編號A61B8/00GK101336830SQ20071012871
公開日2009年1月7日 申請日期2007年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月3日
發(fā)明者羽 張, 鑫 李 申請人:深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司