[发明专利]多普勒血流声音信号抗混叠的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及超声技术，尤其涉及医疗超声扫描中的信号处理，特别是涉及多普勒血流声音信号的抗混叠处理方法及装置。

背景技术

频谱多普勒技术被广泛用于血管内血流速度的无损检测和测量。射频电信号经超声发射换能器转变为声信号后，入射到人体内。超声信号遇到人体细胞(组织细胞或者血细胞)将发生散射，部分散射信号到达接收换能器，被该换能器转变为电信号。接收到的微弱信号经过低噪声放大、正交解调、低通滤波，得到两路音频正交多普勒信号。由于组织和血管壁回波具有比血细胞回波大得多的散射幅度，获得的正交多普勒信号往往要先通过一个高通滤波器(又称壁滤波器)，以滤除频率极低的大量大幅度组织和管壁回波信号。对滤波后的多普勒信号进行傅立叶变换来计算该信号的功率谱，再由不同时刻多普勒信号的功率谱获得该多普勒信号的声谱图，送往显示系统进行显示处理。同时，所述正交多普勒信号还经过方向分离，以获得分别对应于正向血流和反向血流的音频多普勒信号，并分别送往立体声扬声器的左、右声道进行输出。另外，还可以在所述声谱图上提取平均频率曲线、最大频率曲线，并从中计算出一些重要的临床诊断参数。

图1示意了包括上述多普勒处理单元的超声诊断成像系统框图。射频超声回波信号经过波束合成后进行正交解调获得I、Q正交多普勒信号。当系统同时工作在两维成像模式和频谱多普勒模式的时候，多普勒信号存在间隙，需经过间隙填充以获得连续的频谱显示和声音输出。高通滤波后的信号经过频谱分析获得多普勒信号的声谱图，由声谱图上提取最大频率、平均频率等曲线，并从中估计出一些重要的临床诊断参数，所述声谱图和最大频率曲线等参数经DSC扫描变换后送显示器实时显示。高通滤波后信号经血流方向分离而获得的正、反向血流多普勒信号，则经DAC的数模转换后送往扬声器。

由于声谱图上每根谱线的频率点数有限，为了获得较高精度的最大频率曲线和平均频率曲线，通常要求显示的声谱图尽量充满整个显示区域，而由于正反向血流速度的不对称，为了达到上述要求就会产生频谱混叠现象，即正向的血流信号出现在负频率位置，或反向血流信号出现在正频率位置。尤其当脉冲波(PW)多普勒成像中脉冲重复频率(PRF)较低时，如图2频谱图所示，以点填充区域代表反向血流，无色填充区域代表正向血流，可见部分正向血流信号将出现在负频率位置，即正向血流信号发生了混叠。该混叠现象在声谱图的直观表现如图10a所示。

当正向血流速度最大值和反向血流速度最大值之和Vrange小于(PRF*c)/(2*f0)时(其中c为声速，f0为超声发射频率，PRF为所述脉冲重复频率)，可以通过调节声谱图的基线位置来消除谱图中的混叠现象。但当所述和Vrange大于(PRF*c)/(2*f0)时，该基线调节方法将无法完全消除混叠现象，仅能在一定程度上减轻混叠程度。可以直接在谱图上进行频谱搬迁来实现谱图的基线调整，也可以在时域进行数字频率调制来实现。

传统的血流方向分离办法如图3所示。经过壁滤波后的正交多普勒信号之I(t)经Hilbert变换滤波、Q(t)经延迟滤波后分别相加和相减获得正反向血流信号R(t)和F(t)。由于经过基线调整的频谱在一个频率方向上信号的带宽大于PRF/2，因此声音输出信号若还是保持PRF的采样率将无法保证信号不失真。为了获得不混叠失真的正反向血流信号的声音输出，输出信号的采样率必须提高，由于基线调节的最大幅度为PRF/2，因此输出声音信号所需要的最大采样率为2PRF。

美国专利US 5,553,621和5,676,148先后公开了一些多普勒声音抗混叠的方法，其核心思想包括：对原始混叠的正交多普勒信号进行插零处理以将采样率提高1倍，对插零后的序列进行滤波来获得没有混叠的信号，最后进行方向分离以获得正向和反向血流信号。其中滤波处理可以是用复系数滤波器直接进行滤波，也可以是对原信号或者插零后的信号进行频率调制后利用实系数滤波器进行滤波，并对滤波后信号进行频率解调以恢复信号的频率特性。图4是所述US 5,553,621公开的处理方法，具体是，将正交多普勒信号组成的复信号I(t)+iQ(t)经过插零处理后得到采样率提高了1倍的复数序列，对该复数序列进行调制处理使得正向(或者反向)血流分量以0频率为中心，再利用实系数的低通滤波器(LPF)来滤除由所述插零处理引起的干扰频率分量，然后进行解调处理来恢复信号的频率特性，最后通过图示的Re{.}操作来选择输出解调后的复数序列实部，即为具有抗混叠效果的正反向血流信号。