楊夢薇， 祝海江

（北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 10013）

基于變窗口函數(shù)的仿人體組織材料超聲散射信號(hào)處理研究

楊夢薇， 祝海江

（北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 10013）

基于仿人體組織材料超聲散射成像，提出了一種變窗口函數(shù)算法。該算法首先對(duì)散射信號(hào)進(jìn)行閾值變換處理，再進(jìn)行窗口漏檢調(diào)和，最后對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化成像。實(shí)驗(yàn)表明該技術(shù)能夠使圖像有效區(qū)域與噪聲明顯區(qū)別開來，滿足后期邊緣提取及三維重建要求。

計(jì)量學(xué)；超聲散射成像；變窗口函數(shù)；MATLAB；散射信號(hào)處理

1 引 言

近年來，隨著超聲技術(shù)的發(fā)展，超聲成像逐漸成為醫(yī)學(xué)超聲診斷應(yīng)用最重要分支之一，在醫(yī)學(xué)臨床診斷中得到廣泛應(yīng)用［1］。生物組織的超聲散射特性是一切回波超聲診斷的物理基礎(chǔ)［2］，對(duì)組織定征和超聲成像等探討組織聲學(xué)特性［3］與超聲表現(xiàn)之間相互關(guān)系的基礎(chǔ)與臨床應(yīng)用研究有十分重要的意義。尋求有效手段從超聲信號(hào)中分離出能反映組織狀態(tài)散射信號(hào)［4］，從而將其作為區(qū)別不同組織及鑒別疾病性質(zhì)的依據(jù)，是目前很重要的研究方向［5，6］。

本文從分析散射信號(hào)入手，提出了一種可變窗口函數(shù)的散射信號(hào)處理方法。研究證明該算法能夠從噪聲信號(hào)中將微弱的散射信號(hào)區(qū)別提出，使目標(biāo)物體成像邊緣輪廓清晰。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

超聲掃描平臺(tái)由伺服電機(jī)、水槽、示波器、探傷儀、聚焦換能器和一臺(tái)PC機(jī)組成。水槽帶有三維掃描架，掃描架由PC機(jī)根據(jù)示波器接收到的換能器信號(hào)進(jìn)行位置控制，完成整個(gè)掃描過程。其中，控制臺(tái)程序是在VC＋＋6.0平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)的。本文掃描所用為超聲仿組織模體，其聲學(xué)參數(shù)與人體軟組織相似。模體內(nèi)部包含類圓柱體散射結(jié)構(gòu)，外圍為無散射基質(zhì)。

2.2 超聲信號(hào)采集

在超聲診斷設(shè)備發(fā)射產(chǎn)生的超聲聲場中，聲軸是整個(gè)聲場的中心，根據(jù)基爾霍夫-亥姆霍茲聲場遠(yuǎn)近場理論可知，在沿聲軸的分布上總有一個(gè)極值點(diǎn)，而對(duì)于聚焦換能器來說，能量最大點(diǎn)集中在焦點(diǎn)處。因此，聲場掃描的具體步驟如下：

1）首先，確定聲束準(zhǔn)直軸，取與超聲傳播方向垂直的兩個(gè)平面，分別進(jìn)行平面掃描，得到兩平面之間最大聲強(qiáng)位置點(diǎn)連線便是該聲場對(duì)應(yīng)的聲束軸。以下所有掃描操作均以此為參考。

2）以聲束軸（以下稱作y軸）為中心，確定空間垂直聲軸的掃描平面（以下稱作x-z平面）的位置。由于聚焦換能器在焦點(diǎn)位置處能量最大，為了提高信噪比，使散射信號(hào)能與電噪聲更好地區(qū)別開來。本文采用焦點(diǎn)內(nèi)置，即將換能器焦點(diǎn)置于模體內(nèi)部的方法使最終獲得能量盡可能大。

3）x-z平面掃描：采用如圖1所示掃描路徑，從而獲取整個(gè)模體內(nèi)散射數(shù)據(jù)；

圖1 掃描路徑示意圖

4）掃描步驟1～3的數(shù)據(jù)作為一次空間掃描結(jié)果存儲(chǔ)。

超聲信號(hào)由聚焦換能器接收后至示波器進(jìn)行波形顯示和相關(guān)的處理，本課題選用Tektronix DPO4054示波器。PC對(duì)示波器進(jìn)行通訊讀取所采集的信號(hào)電壓值，根據(jù)該電壓值反饋給控制伺服電機(jī)的掃描程序，形成閉環(huán)的回路控制。在聲場掃描中，PC會(huì)自動(dòng)記錄存儲(chǔ)x-z中每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的整個(gè)y軸數(shù)據(jù)。

2.3 超聲信號(hào)處理

由于散射信號(hào)的無規(guī)律性以及微弱性，常規(guī)均值去噪、閾值去噪及小波去噪等信號(hào)處理方法都無法有效將散射信號(hào)與噪聲信號(hào)區(qū)別開來［7］，當(dāng)散射信號(hào)較小時(shí)，常規(guī)信號(hào)處理方法容易將其當(dāng)作噪聲信號(hào)一起剔除掉，從而造成實(shí)際人體結(jié)構(gòu)在醫(yī)學(xué)圖像中的缺失，這對(duì)病理診斷是極為不利的。本文提出的變窗口函數(shù)算法能夠有效將微弱散射信號(hào)與噪聲信號(hào)區(qū)別開來，從而保證診斷信息的完整性與準(zhǔn)確性。

本文中對(duì)所有垂直于x-z平面的一維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后通過x-z面成像檢測處理效果。文中采用兩步式變窗口函數(shù)算法。通過窗口均值及像素點(diǎn)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)窗口內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行閾值處理，達(dá)到將有效散射信號(hào)放大、噪聲信號(hào)剔除的效果，兩步處理完畢后得到方波輸出。

算法流程如圖2所示。

圖2 變窗口函數(shù)算法流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

算法利用matlab軟件編程實(shí)現(xiàn)，算法的處理結(jié)果如圖3～圖6所示。其中，圖3為掃描系統(tǒng)采集到的單點(diǎn)y軸原始信號(hào)?？梢钥闯?，在該點(diǎn)處噪聲信號(hào)與散射信號(hào)可以明顯區(qū)別開來，在少數(shù)地方存在信號(hào)突變。但該現(xiàn)象在整個(gè)掃描數(shù)據(jù)中極少出現(xiàn)，這一點(diǎn)可以由原始信號(hào)直接成像所得，即由圖6（a）看出，目標(biāo)區(qū)域邊界不連續(xù)，噪聲信號(hào)形成的偽像素點(diǎn)大量存在。針對(duì)此現(xiàn)象，通過兩步式變窗口函數(shù)處理得到的單點(diǎn)y軸數(shù)據(jù)分別如圖4、圖5所示。經(jīng)過第二次處理后的信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)邊界清晰定位及突變點(diǎn)剔除，成像效果分別如圖6（c）、圖6（d）所示?？梢钥闯?，成像效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于處理前，可見算法可以從噪聲信號(hào)中有效提取出微弱的散射信號(hào)。

圖3y軸單點(diǎn)原始信號(hào)

圖4y軸單點(diǎn)一次窗口處理信號(hào)

圖5y軸單點(diǎn)二次窗口處理信號(hào)

圖6 成像效果

4 結(jié) 論

利用基于VC＋＋6.0和MATLAB的超聲信號(hào)采集和處理平臺(tái)，研究了超聲散射信號(hào)的信號(hào)處理算法，獲得了滿意效果。本文所提出的變窗口函數(shù)信號(hào)處理算法為散射成像提供了良好的數(shù)據(jù)支持，C程序化后可應(yīng)用于實(shí)際中。

［1］ Pavlin C J，Sherar M D，F(xiàn)oster F S.Subsurface ultrasound microscopic imaging of intact eye［J］.Ophthalmology，1990，97（2）：244－250.

［2］ Ye SG，Harasiewicz K A，Pavlin C J，etal.Ultrasonic characterization of normal ocular tissue in the frequency range from 50MHz to100MHz［J］.IEEETransactionson Ultrasonics，F(xiàn)erroelectricsandFrequencyControl，1995，42（1）：8－14.

［3］ 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB 15261－94，超聲仿人體組織材料聲學(xué)特性的測量方法［S］.1994.

［4］ 毛偉年，馮若，張衛(wèi).哺乳動(dòng)物軟組織超聲背向散射譜研究［J］.聲學(xué)學(xué)報(bào)，1992，17（6）：430－435.

［5］ 劉曉宙，葉式公，龔秀芬，等.離體甲狀腺的高頻超聲成像和組織定征［J］.中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2001，20（2）：110－115.

［6］ 劉曉宙，葉式公，龔秀芬，等.離體豬淋巴組織的高頻成像研究［J］.聲學(xué)學(xué)報(bào)，2004，29（3）：272－276.

［7］ 葉盛楠，蘇開娜，肖創(chuàng)柏，等.基于結(jié)構(gòu)信息提取的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)［J］.電子學(xué)報(bào)，2008：36（5）：856－861.

Processing of the Tissue-m im icking Material U ltrasonic Scattering Signal Based on Variable W indow Function

YANG Meng-wei， ZHU Hai-jiang
（College of Information Science＆Technology，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）

Based on the ultrasonic backscattering imaging of tissue－mimicking phantom，an variable window function algorithm was suggested.At first，the threshold translation processwas carried out in backscattering signal.At second，the window－undetection was corrected.At last，the signal achieved by scanning mechanism was quantized to imaging.The experimental result shows that this algorithm could strengthen the difference between noise and interested zone in a target image.The improvement makes it possible for us to do the follow－up research，like edge extraction and threedimensional reconstruction.

Metrology；Ultrasonic backscattering imaging；Variable window function；MATLAB；Scattered signal processing

TB95

A

1000-1158（2014）02-0177-03

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．02．18

2012-11-16；

2013-04-30

楊夢薇（1989－），女，陜西安康人，北京化工大學(xué)碩士研究生，主要從事超聲信號(hào)測量及圖像處理研究。ymwcrystal＠yahoo.com.cn