基于PC机的超声多普勒频谱分析系统的研制

　　1　引　　言

　　利用超声多普勒技术检测血流具有无损性的优点,已被广泛用于血管疾病的临床诊断。应用中需先对检测到的多普勒信号进行频谱分析获得声谱图,然后在声谱图的最大频率曲线(或包络)上提取声谱参数。常用的参数,如S/D(收缩期舒张期流速比)、PI(脉动指数)、RI(阻尼指数),经常被用于动脉狭窄等血管疾病的诊断[1,2]。因此,这些参数提取的准确性将直接影响医生的诊断。进口的超声成像仪器大多包含多普勒频谱分析单元,因此仪器价格较高。我国也研制专用的超声多普勒频谱分析系统,先后有以硬件、多CPU单片机和DSP方式实现的系统。但它们要么分析精度低,要么开发成本高。随着PC机的快速发展与普及,超声多普勒的频谱分析完全可以在PC机上实现,即保证分析精度,又缩短系统开发周期,降低仪器成本。

　　本文的研究就是基于这些思想。由于从频谱分析系统提取的声谱参数的精度直接或间接受到信号的信噪比、最大频率估计和曲线特征点提取的影响,本文提出了将新兴的小波变换技术用于多普勒信号降噪、最大频率曲线估计和曲线特征点提取的方法,并结合PC机实现了超声多普勒的频谱分析系统,提高了声谱参数提取的精度。此系统同样适用于低信噪比的情况,为临床诊断提供了很好的帮助。

　　2　方　　法

　　频谱分析系统的硬件由PC机和血流多普勒信号检测单元两部分组成。血流多普勒信号检测单元包括超声波的发射和接收、接收信号的解调、低通滤波后音频多普勒信号的获取。多普勒检测单元输出的音频超声多普勒信号由PC机的标准声卡进行采样,输入PC机后进行数字信号的处理,具体包括:信号降噪、频谱分析、最大频率曲线提取、特征点提取、参数计算和结果输出。系统的框图如图1所示。多普勒检测单元的实现参考我们以前开发的多普勒板[3](也可以直接使用各种商用的超声多普勒仪器),下面主要介绍多普勒信号处理中所使用的一些方法。

　　2.1　多普勒信号的降噪

　　显而易见,噪声会影响声谱图最大频率曲线及其特征点的提取,从而降低声谱参数测量的精度。特别当多普勒信号的信噪比(SNR)较低时,其影响更严重,所以有必要对多普勒信号进行降噪。由于多普勒血流信号是非平稳信号,传统的自适应滤波降噪方法仅考虑最小均方误差,在降噪的同时会引入额外的噪声分量,降噪效果不佳,因此本系统中我们采用新兴的小波变换结合软阈值的方法进行降噪。该方法尽可能保证降噪所得信号与原始信号在一系列“光滑度”定义下相似[4]。

　　设含噪声的信号s(n)为: