黃韞梔，劉 奇，肖 勇

（四川大學 電氣信息學院，四川 成都 610065）

基于超聲RF信號的超聲成像實驗設計

黃韞梔，劉 奇，肖 勇

（四川大學 電氣信息學院，四川 成都 610065）

該文為讓學生更直觀地了解超聲RF信號重建出B超圖像的過程，首先在超聲設備上完成RF數據的采集，然后在Matlab平臺上對每個成像步驟的信號進行分析，完成成像過程的仿真，最后將得到的結果與超聲設備上顯示的圖像進行對比。該實驗具有較強的設計性和參與性，實驗結果具有一定的開放性。實踐表明，實驗過程既能鍛煉學生分析問題的能力，又能加深學生對專業(yè)課程的理解，激發(fā)其學習興趣，進而改善教學效果、提高教學質量。

超聲RF信號；B超圖像；Matlab

隨著醫(yī)學影像技術的日益成熟以及各種各樣的醫(yī)學影像設備在醫(yī)院中的廣泛使用，醫(yī)學成像常用于輔助醫(yī)生診斷甚至進行手術規(guī)劃，是生物醫(yī)學工程專業(yè)一門重要的專業(yè)課程［1］，該課程結合了醫(yī)學常識、計算機工程、數字信號及圖像處理等領域的知識。傳統(tǒng)教學，僅從理論上了解醫(yī)學圖像的基本特點和相應的圖像處理基本概念，對學生而言，剛接觸到專業(yè)理論知識，由于缺少主觀的參與，很容易引起厭學等不良情緒［2－4］，因此，需要利用相關的實驗帶動教學。本文實驗包含了設備的操作、數據的分析和數據仿真等模塊，可以讓具備不同基礎的各個層次的學生參與到實驗中，從中不僅可學到相關的專業(yè)知識，而且也能獲得成就感，從而激發(fā)其學習的興趣。

由于超聲成像是目前非常成熟和重要的診斷手段，已被廣泛使用。相較于其他的成像手段，超聲成像具有經濟實惠、實時性、無創(chuàng)性等優(yōu)勢，鑒于學校實驗室現狀，該實驗設計利用現有的超聲設備來完成。整個實驗將超聲成像過程分成8個模塊，利用模塊化的功能［5］，一方面幫助學生更好地認識從RF超聲信號到B超圖像的處理步驟，從而加深對B超成像原理的理解；另一方面，該實驗設計是通過小組內成員的合作完成的，模塊化增加了小組間的合作，同時也利于明確小組成員的分工。

1 實驗模塊設計與實現

1.1 實驗總體設計

超聲RF數據量非常大，需要一定的處理才能顯示成常見的B超圖像。超聲成像系統(tǒng)中，從動態(tài)聚焦得到超聲RF信號到屏幕上顯示出B超圖像的處理過程如圖1所示［6］，主要包括去除低頻干擾、動態(tài)正交解調、低通濾波及下采樣、時間增益補償、信號包絡檢測、動態(tài)顯示范圍壓縮和掃描轉換等。

圖1 從RF到B模式圖像處理流程

1.2 實驗模塊實現

1.2.1 去除低頻干擾

超聲設備在采集超聲RF信號的過程中，會引入硬件所產生的低頻干擾，為提高重建B超圖像的質量，先設計高通濾波器去除混入RF信號中的低頻干擾。

該部分實驗設計，結合了Matlab仿真平臺和數字信號處理課程的基礎知識，主要從以下3方面鍛煉學生分析超聲RF信號的能力：

1）信號的時-頻轉換；

2）信號頻域特性分析；

3）設計FIR濾波器［7］。

1.2.2 動態(tài)正交解調

去除低頻干擾后的信號能量主要集中在探頭中心頻率附近，為了提取有用信號，需要移除載波信號（發(fā)射探頭的信號），即對高通濾波后的RF信號進行解調，常用的解調方式為正交解調［8］，標準正交解調為：

式中，r（n）為高通濾波后的信號，fcarrier為發(fā)射探頭的中心頻率，tn表示聲束方向上當前采樣點所對應的時間，n＝0，1，…，N－1為每根聲束上點的下標。

由于待測物體會吸收和散射部分超聲信號，發(fā)射信號的衰減和接收信號的頻偏都會隨超聲波束探測深度而增加。為了得到較好的解調結果，在標準正交解調中加入修正項fshift，動態(tài)正交解調式［6］為：

式中，fshift為探測深度為d（cm）時的頻率偏移［9］，可根據下式求得：

式中，Wratio為頻帶帶寬比例，d為當前采樣點對應的深度，α為物體衰減系數（dB／MHz－1·cm－1）。

該部分實驗設計結合了“通信原理”的相關知識，從以下3個方面幫助學生正確實現解調功能：

1）通過積化和差公式理解正交解調后超聲RF信號的組成；

2）通過探測深度的變化理解頻偏；

3）利用Matlab實現信號動態(tài)正交解調的功能。

1.2.3 低通濾波及下采樣

通過動態(tài)正交解調后的信號包含頻偏成分和高頻諧波成分，因此需要設計低通濾波器來有效地保留待檢測物體的信息所處的低頻段。

同時，每根RF聲束包含幾千個采樣點，遠超過圖像顯示的數據規(guī)模。因此，需要對解調后的I／Q信號數據進行下采樣，為避免頻譜混疊，必須保證抽樣后的采樣頻率仍然大于我們所需要的中心頻率的兩倍。一般，為了方便顯示，通常使采樣后的點數為常見的圖像高度（如512像素）。

實驗設計過程中，該部分從以下兩方面鍛煉學生的分析能力。

1）低通濾波器的設計分析：一方面可以像1.2.1節(jié)一樣，利用Matlab中的fdatool工具設計濾波器，實現低通功能；另一方面，對于編程能力較強的學生，可以通過自己編寫代碼實現低通濾波的功能。

2）理解采樣的作用：在Matlab平臺上完成采樣的仿真。

1.2.4 時間增益補償

成像深度的增加，會導致超聲射頻信號不斷衰減，信號能量損失，為保證整個探測深度范圍內圖像亮度的一致性，需對信號進行增益補償，補償式［10］為：

式中，β＝（αfcarrier／20）ln（10），α、fcarrier表示的含義與1.2.2節(jié)相同。

該部分實驗設計只需要學生按照式（6），在Matlab平臺上將功能實現即可，其中對于不同的探測對象設定不同的衰減系數。

1.2.5 信號包絡檢測

經過前面步驟的處理，原始超聲RF信號已經變成了兩路正交信號，顯示之前需要將其進行合并，即得到信號的包絡：

和1.2.4節(jié)一樣，實驗設計過程中該部分只需要學生理解該步驟的目的，并按照式（7）在Matlab平臺上將功能實現即可。

1.2.6 動態(tài)顯示范圍壓縮

超聲波在傳播過程中，會在檢測物體間產生極大的反射差異，導致超聲回波信號具有較大的動態(tài)范圍。然而，超聲系統(tǒng)一般只支持8位灰度級別的回波顯示，因此需要對回波信號進行壓縮。通常采用對數壓縮［6］，以保證回波信號在8位顯示器上正常顯示。對數壓縮的標準形式為：

式中，D為控制動態(tài)范圍，G為壓縮增益，A、P分別表示壓縮前、后的信號。

該部分實驗設計需要學生完成以下工作：

1）從數學角度理解對數函數的特性以及對于自變量范圍較大的數據對數函數的功能；

2）鍛煉學生編程讀入原始RF數據的能力。

1.2.7 掃描轉換

采集探頭的類型決定最終超聲圖像的顯示形式。線陣探頭顯示的是矩形圖像，凸陣和相控陣探頭顯示的是扇形圖像。為保證顯示不失真，對線陣探頭需要根據實際探測的視野范圍和抽樣樣本長度，推算出顯示圖像的寬度，并且利用雙線性插值法［11］進行橫向插值；對凸陣和相控陣探頭，還需要根據探頭的掃查角度，將矩形圖像轉換成扇形坐標系下的圖像，需要采用雙立方插值法［11－12］在橫向進行插值，軸向則應用雙立方插值法即可滿足要求。

2 實驗設備和數據

硬件設備：聲泰特（成都）科技有限公司生產的iMagoC21超聲設備。

仿真平臺：Matlab。

數據采集：利用128陣元的線陣探頭采集數據，采集RF數據時，需確保幀數率最低，且孔徑合成關閉。

實驗設計過程中，該部分出于以下兩方面的考慮：

1）激發(fā)對編程不感興趣的學生的學習熱情；

2）讓學生親自操作超聲設備，對于超聲數據采集有直觀的認識。

3 結果與討論

以采集到的一幀完整RF數據為例演示整個實驗的分析過程。實驗的RF數據包含了168條聲束，每條聲束有5 238個點的數據，數據來自于線性探頭，探頭的發(fā)射頻率為10 MHz，探測深度為9.9 cm，探測寬度為3.81 cm。采樣頻率計算為：

3.1 單根聲束的時域和頻域顯示

從圖2（b）的頻譜圖可以看出，信號在低頻和探頭的中心頻率10 MHz附近的能量較大。其中，聲束低頻處較強的能量主要是超聲儀器的硬件產生的干擾，只有中心頻率附近的頻段才包含有用信息。

圖2 單根聲束的時－頻波形

3.2 濾波器設計

要提出待檢測的有用信息，根據信號特性，設計濾波器的過程如下：

1）觀察感興趣的頻率范圍；

2）可利用Matlab自帶的fdatool設計相關的FIR濾波器，可以自己編寫函數實現濾波功能。

在利用fdatool工具設計濾波器的時候需要注意頻率單位的設置，由于超聲探頭的頻率一般較高，因此建議學生選擇兆赫茲為頻率單位。

3.3 動態(tài)正交解調

去除低頻干擾后的信號能量主要集中在探頭中心頻率附近，因此需要對信號進行動態(tài)正交解調，得到信號的同相分量（in－phase）和正交分量（quadrature）頻譜如圖3所示?？梢钥吹绞褂胹in和cos函數處理后，RF信號發(fā)生頻移，每個原始頻率被分解成了兩個，且每個的幅值為原始的一半。

圖3 信號正交解調結果

3.4 重建結果

經過解調后的信號，有用信息集中在低頻附近，設計合理的低通濾波器濾除解調信號中的高頻諧波，并按照圖1所示的步驟完成重建，重建結果如圖4所示。從圖4可以看出，不同的濾波器設計會導致結果的差異。相對于窗函數，高斯函數的特性更貼近于諧波的包絡特性，因此采用高斯低通濾波得到的重建效果較好。

重建結果是由中間過程的多個參數共同決定，如圖1所示的每一步驟都會影響最終的重建結果，因此在完成實驗的過程中，需要學生之間相互配合和合作。

圖4 雙線性插值得到的重結果

4 結束語

基于超聲RF信號重建B超圖像的實驗設計，實際操作聯(lián)系理論知識，通過過程模塊化，一方面給學生演示了重建過程以及每一過程的功能，讓學生對成像過程有具體的認識；另一方面，鍛煉學生的團隊意識和分工合作的能力，從而達到輔助教學和鍛煉學生的預期目標。

該實驗設計一方面具有較好的演示性，可以幫助教師在課堂和實驗中進行教學演示；另一方面也具有較好的操作性，學生可以通過改變每個步驟中的參數，觀察最終的成像效果，加深對超聲成像每個步驟的理解和超聲成像原理的理解及掌握。

該實驗設計目前是以函數形式完成功能實現，下一步將會被封裝到圖形用戶操作界面中，形成具備可視化、交互性、操作便捷的界面，一定會更加利于未來教學和設計運用。

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Experiment Design for Ultrasound Imaging with Ultrasound RF Signal

HUANG Yunzhi，LIU Qi，XIAO Yong
（School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

In order to better understand intuitively the process of reconstructing B－mode images from focused ultrasound RF signal for undergraduate students，an experiment is well designed.Firstly，it makes students complete the collection of RF data on ultrasound equipment.Secondly，it completes imaging process simulation by analyzing the collected signals in each imaging module on MATLAB platform.Finally，it compares the obtained results with shown image in ultrasound equipment.This experiment allows students participating in designing with an opening result.The practical result shows that：the experiment process can not only help students increase the ability to analyze certain problem，but also deepen students＇understanding of the curriculum，stimulate their interest in learning.Thus this experiment will achieve the purpose of improving the teaching effect and quality.

ultrasound RF signal；B mode ultrasound image；Matlab

TP391.9

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.009

2015－08－12；修改日期：2015－09－11

團中央項目——女性乳腺腫瘤超聲影像鑒別診斷的評價研究；四川大學實驗技術立項項目——基于光學定位儀的三維超聲成像系統(tǒng)研究。

黃韞梔（1989－），女，碩士，助理工程師，主要從事醫(yī)學信號與圖像處理，醫(yī)學信息工程實驗室管理工作。