超声成像系统中自适应动态滤波器的设计

　　超声在人体组织的传播过程中, 能量随深度的增加而衰减, 且衰减速度与超声的频率成正比。当一束有一定带宽的超声波入射时, 由于各频率的衰减速度不同, 导致了该束声波的中心频率会随深度的变化而变化。深度越深, 中心频率越低。在现代的全数字超声成像设备中常利用动态滤波器来对回波信号进行匹配处理。不同深度下, 动态滤波器的中心频率会发生变化, 从而在回波信号中提取不同频率的信息分量用来成像。

　　衡量超声图像质量的主要标准是图像的分辨率与灵敏度。分辨率除与聚焦、变迹等因素有关外, 所用成像的超声波束的频率高低也是一个非常重要因素。频率越高, 波长越短, 纵向分辨率越好, 同时频率越高, 波束的主瓣旁瓣比越大, 横向分辨率也就越好。所以为了提高图像的分辨率, 需要尽量使用超声波束中的高频分量进行成像。这就要求动态滤波器的中心频率越高越好。

　　灵敏度则与回波信号的中心频率有很大关系。只有使用回波信号中能量最大的频率分量部分来进行成像, 才能够使灵敏度达到最大。这就要求所用的动态滤波器的中心频率要与回波信号的中心频率相一致。对回波信号进行匹配滤波, 以得到具有最大的信噪比。

　　为了使超声图像的总体质量尽可能地提高, 动态滤波器的设计有两个原则, ¹ 在近场利用回波中的高频分量, 有效地提高图像分辨率; º 在远场, 由于高频分量衰减的非常厉害, 其强度通常不能满足成像的要求, 则需利用回波中相对衰减较小的低频成分。这样就既保证了近场图像的质量, 又兼顾到了远场图像的灵敏度。而由匹配思想可知, 当滤波器的频谱特性与信号的频谱相重合时, 会得到最大的信噪比。这样能够有效地提高超声成像的灵敏度。但在传统的超声成像设备的设计中, 动态滤波器中心频率的变化函数, 常为线性的经验公式。并不能很好的匹配回波信号的中心频率, 这也导致了超声成像灵敏度的降低。文章设计了一种自动匹配回波信号中心频率的一种动态滤波器。

　　1 理论分析

　　在设计滤波器之前, 先来分析一下回波信号的频谱。在线性声场模型下[ 5 ] , 不考虑回波信号在组织的传播过程中产生谐波等非线性作用, 则回波信号频谱的变化取决于发射波形中原有的各频率分量在组织中的衰减速度。由于目前超声系统主要采用的为宽频带探头, 探头在较宽的范围内都有较好的频率响应。因此, 发射波形的频谱很大程度上取决于电信号激励波形的频谱。在脉冲回波法超声诊断设备中, 是通过给探头施加高压电脉冲来对探头进行激励, 电脉冲激励方式主要有三种方式。单脉冲单极性激励, 双脉冲单极性激励, 单脉冲双极性激励[ 6 ]。文章采用单脉冲双极性激励, 发射波形如图1( a)。