超聲雜波濾波器的製作方法
2023-05-05 07:26:31
專利名稱：超聲雜波濾波器的製作方法
技術領域：
本發明涉及醫療成像系統，更具體地說涉及在估計血流速度的過程中使不希望的雜波信號最小化同時保持對較低速度的血流的敏感性。
已有技術的描述診斷超聲設備將聲能量發射到人體並接收組織和器官(比如心臟、肝臟、腎臟等)反射的信號。這些聲波也被流經在組織中的脈管和毛細管的血細胞反射。通過超聲波裝置接收的信號是組織部分(例如心臟壁、血管壁等)反射的聲波和血細胞反射的聲波的矢量和。
由於血細胞的運動通過反射聲波的互相關函數的都卜勒頻移或在時域中的平移可以獲得血流模型並以稱為彩色流成像或者彩色速度成像的二維格式顯示它。通常，比如心臟或脈管壁的結構的反射部分的幅值具有較小的絕對速度，並且比由血細胞引起的反射分量大20dB至40dB(10-100倍)。估計血流速度的算法必需考慮雜波的影響，即來自「靜止」或慢速運動的結構(例如，心臟、肝臟等)的信號分量的影響。
已有技術的裝置使用固定頻率、固定階數的濾波技術以消除或減小在速度估計中的雜波的影響。此外，已有技術裝置已經使用自適應技術比如零控制技術(參見美國專利US 4,016,528和US 5,197,477)以減小或消除由雜波造成的影響。其它的文獻提出了考慮雜波的參數技術(美國專利US 5,228,009)。
一般地，基於濾波器的技術比參數技術要求更少的計算。但是，基於濾波器的技術必需固定濾波器的階數。基於濾波器的技術必需假設雜波的帶寬足夠窄以便進行固定階數的濾波，否則，濾波器的階數必需過高地指定以便考慮最壞的雜波情況。
發明概述本發明的一個目的是提供一種在血流速度的估計中使不希望的雜波信號最小同時保持對較低速度的血流的敏感性的濾波技術。
本發明的另一目的是提供一種能夠動態地自適應地修改濾波器的係數和濾波器的階數以在存在低電平或高電平的雜波的情況下提供最佳的濾波的自回歸參數技術。
本發明以兩種方式減小雜波。第一，它基於超聲血流加上雜波信號的功率和平均頻率修改雜波濾波器的階數。第二，它基於線性預測和自適應網格濾波的原理修改雜波濾波器的係數。
因此，本發明提供了一種基於線性預測領域的原理實施雜波濾波器的系統和方法。該濾波器基於輸入信號和用戶可定義的控制輸入增加濾波器的階數並確定濾波器的係數。確定這種濾波器的係數以使濾波器零值對應於部分相關係數，或者在部分相關係數的頻率的單元圓上，或者從濾波器係數的預定義表中選擇。濾波器階數和濾波器係數的動態和自適應修改允許基於特定的應用或組織類型更好地調諧雜波濾波器。
本發明採集雜波和血液數據。接著，估計數據的信號強度和頻率。通過迭代處理，每次在幾個範圍的一個範圍內確定信號強度和頻率，根據這些信號強度和頻率範圍處理該數據。可以不變地傳輸數據、根據反射係數進行濾波或者根據預定的濾波係數進行濾波。
附圖概述附
圖1所示為根據本發明的雜波濾波器的方塊圖。
附圖2所示為根據本發明的雜波濾波器的優選實施例的方塊圖。
附圖3所示為根據本發明實施的自適應雜波濾波器的流程圖。
附圖4所示為根據本發明實施的自適應雜波濾波器的變型實施例的流程圖。
附圖5所示為適合於實施根椐本發明的雜波濾波器的程序的執行的計算機系統的方塊圖。
附圖6所示為網格濾波器係數計算器的優選實施例的方塊圖。
本發明的詳細描述色流圖像或彩色速度圖像由沿徑向圖像線採集的速度估計構成。從一組超聲脈衝回波序列中獲得一個徑向圖像線的速度估計。通常，一線的速度估計由4至16個脈衝回波序列或者脈衝重複周期構成。如下文所討論，本發明源自兩種生理觀察結果。
第一種觀測結果是雜波(即生理超聲回波的不希望的部分)高度相關。這種高度相關存在於沿深度尺寸的短時間和從一個脈衝重複周期到下一個脈衝重複周期的慢時間中。雜波信號通常具有從一個脈衝回波周期到下一個脈衝回波周期的較低相位變化，比如易於成為具有窄頻寬的低頻信號。在給定的深度上並跨越多個脈衝重複周期的回波數據稱為流量包。本發明針對在流量包中以慢速存在的雜波的情況。線性預測濾波自適應地消除數據流的相關分量。在彩流成像的情況下，數據流是流量包。因此，基於線性預測技術的本濾波方案非常適合於從包括來自血液的回波和雜波的信號中消除雜波。
第二種觀察結果是雜波信號的幅值範圍從所需的血液信號的幅值大得多的幅值到比所需的血液信號的幅值更小的幅值。在雜波信號的幅值比所需的血液信號的幅值大得多時，比如處於或接近心臟壁附近，雜波濾波器優選提供高度濾波。但是，在雜波低於所需的信號的幅值時，比如處於心臟的左心室的中心，雜波濾波器優選對組合的血液和雜波信號進行程度非常低的濾波。
這兩種觀察結果導致了本發明的濾波器結構，這種結構組合了線性預測濾波和基於信號的強度選擇濾波器階數的原理。更具體地說，濾波器結構基於線性預測網格濾波。
線性預測濾波是通過適當選擇濾波器係數估計信號的頻譜內容的技術。可以認為信號是一組正弦信號和噪聲信號的總和。例如，對於由兩種不同頻率的兩個正弦信號和高斯噪聲構成的信號，可以構造線性預測濾波器，這種濾波器濾去相干或正弦分量並剩下非相干或噪聲分量。使用抑制的最小技術可以確定這個濾波器的濾波器係數。Burg研究出了通過使前向和後向平均平方預測誤差或預測誤差功率最小化來估計這些濾波器係數(也稱為反射係數)的方法。
預測誤差是在實際的信號值和從將來或過去的信號值中預測的信號值之間的差值。在實際信號和從過去的信號值中預測的信號值之間的差值稱為前向預測誤差。在實際信號和從將來的信號值中預測的信號值之間的差值稱為後向預測誤差。線性預測是識別信號的主要或相干分量的技術。線性預測通過選擇使預測誤差最小的濾波器係數識別這些相干信號分量。
前向和後預測誤差的完整解釋可以參見Kay、Steven M.、ModernSpectral Estimation-Theory and Application，Prentice Hall，1987，或Clarkson，Peter M.，Optimal and Adaptive SignalProcessing，CRC Press，1993。Kay在「Modern Spectral EstimationTheory and Application」，Prentice Hall，1988中提供了線性預測網格濾波的詳細描述。
在上述的實例中，輸入信號由兩個正弦信號組成。線性預測濾波器消除正弦信號分量的能力是濾波器的長度或階數的函數。對於上述實例，二階預測器足夠完全濾去輸入信號的正弦分量。通過將濾波器零點設置在信號分量的頻率上來濾去正弦分量。
有限脈衝響應(FIR)濾波器的頻率響應由多項式表示。這個多項式方根描述了在頻域中濾波器的輸出何時接近零。網格濾波器是數字FIR濾波器的實施例方式的直接替換方案的FIR濾波器。網格濾波器提供了模態結構並且易於測試穩定性。網格濾波器在有限字長實施方面具有優點並且對量化噪聲具有較低的敏感性。
Burg方法可用於估計反射係數，然後使用Levinson遞歸來獲得自回歸(AR)參數估計。反射係數估計通過以遞歸的方式使不同的階數預測器的預測誤差功率的估計最小化獲得。Burg算法允許該零值在一個單元圓內或其上移動。零點的位置是數據相關的。對於窄的帶寬，該零值在單元圓上，而對於寬的帶寬，該零值在單元圓內。還存在其它的預測算法，本發明的濾波器結構可以使用任何常規的算法來確定濾波器係數。
從Burg方法中導出的反射係數也可以稱為濾波器係數，通過部分相關的處理從輸入數據中確定這些濾波器或者反射係數。部分相關允許以從兩個變量中消除的第三變量(或者第三及其以後的變量等)檢查在這兩個變量之間具有統計結果的關係。結果是濾波器或者反射係數等於部分相關係數的負值。
本發明的一種實施例是從具有血液信號分量和雜波信號分量的採樣流中自適應濾去雜波的方法。簡言之，該方法包括如下的步驟(a)估計採樣流的信號強度和頻率，以及(b)在信號強度估計落在信號強度的預定範圍內時以及在頻率估計落在預定的頻率範圍內時基於採樣流的線性預測分析確定濾波器的零值。濾波器接收採樣流並提供具有相對血液信號分量降低了雜波信號分量的電平的輸出流。因此，濾波器階數和濾波器係數基於輸入信號電平、信號頻率、預定的閾值和預定的濾波器係數。濾波器零值的動態和自適應確定允許基於應用或組織類型精確調整雜波濾波器。此外，濾波器階數可以根據信號強度和信號頻率改變。在信號強度、頻率和濾波器階數之間的關係通過查詢表可編程。這種可編程性允許該系統設計者基於應用使濾波器性能最佳。
附圖1所示為特別適合用於超聲系統的濾波器100的示意圖。濾波器100包括一階網格濾波器105、一階有限脈衝響應(FIR)濾波器110和係數計算器120。係數計算器120接收對應於血液和雜波的超聲數據的採樣流的控制器。係數計算器120基於信號強度閾值、信號頻率閾值和採樣流產生一個或多個濾波器係數。總地來說，網格濾波器105和FIR濾波器110作為接收採樣流和濾波器係數的濾波器運行，並且具有由濾波器係數界定的可變配置。可變配置包括(a)可變階數、(b)自適應零值選擇和(c)可變中心頻率。濾波器100產生減小的雜波血液信號。
濾波器零值使濾波器輸出接近在特定的頻率上的零值，由此稱為「濾波器零值」。濾波器階數是在濾波器中定義的零值的數量。零值選擇是指確定零值所處於的一個或多個頻率。
係數計算器120是具有用戶通過處理器接口125可定義輸入的控制器，並且接收包括雜波和血液數據的輸入信號x(n)(即採樣流)。輸入信號x(n)包括零階前向預測誤差e0f(n)和零階後向預測誤差e0b(n)。對於濾波器100零階前向和後向預測誤差信號等於輸入信號x(n)。在網格濾波器係數計算器120中的查詢表(參見下文對附圖4的描述)根據輸入信號x(n)的信號強度和平均頻率通過係數計算器120確定了濾波器100的階數和濾波器係數的公式。係數計算器120提供了濾波器係數C1、C2和C3的輸出和反射係數rc1。如在下文的公式1所確定，反射係數rc1＝k1，這裡m＝1。濾波器係數C1和C2由網格濾波器105使用，而濾波器係數C3由FIR濾波器110使用以減小輸入信號x(n)的雜波分量。
網格濾波器105接收輸入信號x(n)並從係數計算器120接收濾波器係數C1和C2。網格濾波器105產生前向預測誤差e1f(n)和後向預測誤差e1f(n)。前向預測誤差e1f(n)作為輸入提供給FIR濾波器110。
FIR濾波器110從網格濾波器105接收前向預測誤差e1f(n)並從網格濾波器105接收濾波器係數C3。FIR濾波器110產生雜波減小的輸出y1(n)。
濾波器100的輸出是y1(n)、e1b(n)和rc1。下遊的速度估計器使用網格濾波器係數計算器120的這些雜波被濾去的輸出y1(n)、e1b(n)和/或rc1輸出以確定組織或血液的速度。
作為濾波器100的操作的說明，係數計算器120根據下面的公式計算網格濾波器105的反射係數k1=-2n=1N-1e0f[n]e0b[n-1]*n=1N-1|e0f[n]|2+|e0b[n-1]|2]]>(根據Burg線性預測的零值)或k1=-n=mN-1e0f[n]e0b[n-1]*|n=1N-1e0f[n]e0b[n-1]*|]]>(在單元圓上的零值)其中N＝在流量包中的採樣數；em-1f(n)＝前向預測誤差，em-1b(n)＝後向預測誤差，em-1b[n-1]*＝em-1b[n-1]的復共軛，e0f(n)＝e0b(n)＝x(n)，m＝網格濾波器級(對於網格濾波器105，m＝1)係數計算器120計算輸入信號x(n)的強度和平均頻率。除了處理器可編程的查詢表之外，係數計算器120使用輸入信號x(n)的強度和平均頻率以確定km的上述公式中的一個還是預先確定的濾波器係數組用於C1、C2和C3。
在本實例中，已經對網格濾波器係數計算器120的查詢表進行了編程以為隨後幾個輸入信號x(n)的功率電平指定C1和C2(網格濾波器105的濾波器係數)。定義為高、中和低功率的輸入信號x(n)的功率的絕對值取決於超聲系統、超聲換能器和成像的組織類型的特定的組合。但是，對於心臟成像情況，通過心外膜形成高功率，通過心肌形成中等功率，以及通過心內膜形成低功率，在左心室的中間的區域將形成非常低的功率。
功率範圍1對於x(n)的較高輸入功率狀態，濾波器係數C1、C2和C3選擇如下C1=k1=-n=1N-1x[n]x[n-1]*|n=1N-1x[n]x[n-1]*|,]]>C2＝0，和C3＝C1功率範圍2對於x(n)的中等輸入功率狀態，濾波器係數C1、C2和C3選擇如下C1=k1=-n=1N-1x[n]x[n-1]*|n=1N-1x[n]x[n-1]*|,]]>C2＝0，和C3＝0功率範圍3對於x(n)的較低輸入功率狀態，濾波器係數C1、C2和C3選擇如下C1=k1=-2n=1N-1x[n]x[n-1]*n=1N-1|x[n]|2+|x[n-1]|2,]]>C2＝k1*，和C3＝0.
功率範圍4對於x(n)的很低輸入功率狀態，選擇網格濾波器105的係數以給固定濾波提供在DC上的零值。因此，網格濾波器105的濾波器係數選擇為C1＝0、C2＝0，並且選擇FIR濾波器110的濾波器係數為C3＝-1。
將來自係數計算器120的濾波器係數C1、C2和C3輸送給網格濾波器105和FIR濾波器110。對於功率範圍1通過設定濾波器係數C3＝C1雜波濾波器100的階數為二階，對於功率範圍2通過設定濾波器係數C3＝0該階數為一階。對於功率範圍3雜波濾波器100為一階並且濾波器係數基於Berg線性預測。由此通過網格濾波器105對輸入信號x(n)進行濾波，隨後通過FIR濾波器110進行濾波以形成雜波減小的輸出y1(n)和e1b(n)。
在上述的實例中，網格濾波器105的濾波零值不必對應於血液或在輸入x(n)中的雜波的都卜勒頻移。具體地說在x(n)是較低的功率信號的功率範圍3中，雜波和血液信號分量具有類似的幅值和不同的頻率。在這些條件下網格濾波器零值的頻率實際位於血液分量的都卜勒頻移和雜波分量的都卜勒頻移之間。
常規的速度估計器不正確地估計功率範圍3的血液速度位於血液和雜波分量的都卜勒之間。在這種假設的情況下絕對的血液速度大於雜波速度，通過反射係數Km和輸出e1b(a)和y(n)的組合可以估計功率範圍3的血液平均頻率的更精確的測定。這種濾波和估計過程公知為自回歸信號模型。自回歸信號模型通過稱為Levinson遞歸的技術如下提供了自回歸(AR)係數km=n=mN-1efm-1[n]ebm-1[n-1]*n=mN-1|efm-1[n]|2+|ebm-1[n-1]|2---(1)]]>am[i]＝km；i＝m，m＝1，2，3...p (2)am[i]=am-1[i]+kma*m-1[m-i];i=1,2,...m-1;m=2,3,...p-----(3)]]>這裡p是模型階數，並且AR模型係數由ap[1]，ap[2]...ap[p]。
這些AR係數可用於估計血液和/或超聲信號的雜波分量的平均都卜勒頻率。取決於濾波器和/或模型階數，血液速度從所得的AR係數的角度中或者從所得的AR系統的方根的角度中估計。作為附加的實例，對於二階模型，p＝2，同時如上設置C1、C2和C3，所得的AR系統是二階多項式；ARsystem＝1+a1[1]·z-1+a2[2]·z-2(4)
通過二次方公式給定這個二階系統的方根r1,r2=-a2[1]a2[1]2-4a2[2]22------(5)]]>這些方根的角度描述了雜波和血液平均頻率。與雜波相關的方根通過相對於DC查r1、r2確定。假設雜波的方根的角度比都卜勒方根更接近DC。由於已經確定了血液與雜波之比的適當的方根，通過取r(血液)的反正切獲得速度估計。
除了方程式1的km的公式以外，基於Burg AR模型方法，本發明利用方程式6的km的公式。
km=n=mN-1efm-1[n]ebm-1[n-1]*|n=mN-1efm-1[n]ebm-1[n-1]*|------(6)]]>在方程式6中用於功率範圍1和2的反射係數的公式包含位於單元圓上的網格濾波器105和FIR濾波器110的零值。這個公式用於高功率移動雜波的情況比如心壁。將零值置於單元圓上會使濾波器零值置於高功率相干雜波信號中。上述的實例描述了操作雜波濾波器100的模式。基於x(n)的輸入功率修改濾波器的階數和濾波器係數的公式。網格濾波器係數計算器120計算x(n)的輸入功率。功率範圍1說明了提供移動雜波信號的非常積極(aggressive)濾波的二階雜波濾波器。功率範圍2說明了提供移動雜波信號的不太積極濾波的一階雜波濾波器。功率範圍3適合於在心臟的心內膜附近的雜波濾波。
將輸入信號劃分為4個不同的功率範圍的上述的實例說明了本發明的濾波器結構的靈活性，但它不是使用這種濾波器結構的唯一方式。網格濾波器係數計算器120也計算輸入信號x(n)的平均頻率。結合輸入信號x(n)的功率電平使用這個平均頻率信息可以進一步符合使用一階濾波器(功率範圍2、3或4)或者二階濾波器(功率範圍1)的條件。此外，使用方程式1、方程式6或者固定濾波比如功率範圍4的條件可以進一步界定。如果輸入頻率超出閾值則輸入信號x(n)的這種平均頻率也可用於限制使用的濾波量。例如在心臟的左心室中非常低的雜波條件下這個特徵比較有用。在輸入信號x(n)的平均頻率在頻率閾值之下時雜波濾波器100可以設置成基於方程式1或6進行自適應濾波或者在輸入信號x(n)等於或在頻率閾值之上時使用固定的非自適應濾波比如在上述的功率範圍4。
雜波濾波器100也可以級聯成p階濾波器。在p階濾波器中，對於每個濾波器級，可以將前向和後向預測誤差輸送給下一濾波器級，或則通過下遊速度估計器使用它們。速度估計器可以是簡單的後延1(lag1)自相關器或者更複雜的p階AR模型比如在方程式2、3、4和5中描述的二階AR模型。更高階AR速度估計器可以用於在包含多重信號分量的雜波的情況下更精確地估計血液速度。這些信號分量是由通過超聲成像束的側瓣採樣的心臟壁運動和心臟膜運動引起的。因此，如附圖1所示的雜波濾波器100和如附圖2的級聯形式(將在下文描述)可與幾種速度估計算法結合使用。
附圖2所示為根據本發明的線性預測網格雜波濾波器200的優選實施例。濾波器200是雜波濾波器100的級聯實施方式，每個雜波濾波器表示為濾波器段220。濾波器200包括p個一階網格濾波器段205(參見附圖1的標號105)、p個一階FIR濾波器段206(參見附圖1的標號110)和p個網格濾波器係數計算器210(參見附圖1的標號120)。在每個段220中，係數計算器210控制網格濾波器205和FIR濾波器206。
每個係數計算器210具有第一、第二和第三輸入。第一輸入對應於在每個係數計算器210內對查詢表(參見下文的附圖4的描述)進行編程的處理器連接。對查詢表的指令確定輸入功率電平和輸入平均頻率，在這個頻率上使用方程式1和6和濾波器的結構，如上文在功率範圍1-4中所描述。第二和第三輸入對應於如前文參考附圖1描述的em-1f(n)和em-1b(n)。
對於在濾波器200的第一段220(m＝1)中的係數計算器210，從輸入信號x(n)中獲取兩個輸入em-1f(n)和em-1b(n)。對於在隨後的段220(m＝2，3，...，p)中的係數計算器210，分別從在前的濾波器段220的ym-2(n)和m-2b(n)的輸出(參見附圖1)中獲取輸入em-1f(n)和em-1b(n)。
每個係數計算器210給它相應的網格濾波器205和FIR濾波器206提供濾波器係數輸出。這些濾波器係數對應於濾波器係數C1、C2和C3，如附圖1中所描述。此外，係數計算器210提供了根據下遊的速度估計器所使用的方程式1計算的反射係數rcm，這裡rcm＝km，m＝1，2，3，...，p，p是濾波器的階數。
每個係數計算器210計算方程式1和用於反射係數km的方程式6。每個係數計算器210根據可編程的查詢表和根據輸入em-1f(n)和em-1b(n)的功率和平均頻率選擇用於它的相應的濾波器段220的係數。這些濾波器係數可以基於上文描述的功率範圍1-4或者可以經驗地確定的某些其它方法計算。
濾波器段220提供了輸出yp(n)。這種輸出yp(n)表示消除了雜波的血液信號。下遊速度估計器直接使用yp(n)以通過後延1自相關估計速度或者與來自係數計算器210的rcl至rcp組合以確定血液都卜勒頻率，如上文通過方程式2、3、4和5所描述。這個結構的靈活性允許雜波濾波器對於多種應用都是最佳的。
附圖3所示為根據本發明從具有血液信號分量和雜波信號分量的採樣流中自適應濾去雜波的方法的流程圖。簡言之，該方法包括如下的步驟(a)估計採樣流的信號強度，以及(b)基於信號強度估計和信號強度閾值之間的關係確定濾波器的階數。濾波器接收採樣流並提供具有相對血液信號分量降低了雜波信號分量電平的輸出流。
這種方法使用信號功率確定濾波器的階數和來自方程式1或方程式6或者來自固定濾波器值的濾波器係數的公式。該方法以步驟305開始。
在步驟305中，該方法採集組織和血液數據包x＝[x0，x1，...，xN-1]然後該方法進行到步驟310。
在步驟310中該方法估計數據的信號強度。
然後該方法進行到步驟315。
在步驟315中，該方法確定信號強度的值是否大於或等於零並小於第一閾值(T1)。
0≤功率≤T1。
如果信號強度大於或等於零值並小於T1，則該方法進行到步驟320。如果信號強度不大於或等於零值並且小於T1，則該方法轉到步驟325。
在步驟320中，該方法設定k1＝-1。濾波器被構造為一階濾波器。
km＝-1；m＝1該方法然後進行到步驟345。
在步驟325中，該方法確定信號強度的值是否大於或等於第一閾值T1並小於第二閾值T2。
T1≤功率≤T2。
如果信號強度大於或等於T1並小於T2，則該方法進行到步驟330。如果信號強度不大於或等於T1並小於T2，則該方法轉到步驟335。
在步驟330中，濾波器被構造為一階濾波器。根據下面的公式使用線性預測計算k1。
km=-2n=mN-1xn*xn-1*n=mN-1|xn|2+|xn-1|2;m=1]]>然後該方法進行到步驟345。
在步驟335中，該方法確定信號強度的值是否大於或等於第二閾值T2並小於第三閾值T3。
T2≤功率≤T3。
如果信號強度大於或等於T2並小於T3，則該方法進行到步驟340。如果信號強度不大於或等於T2並小於T3，則該方法轉到步驟350。
在步驟340中，濾波器被構造為一階濾波器。根據下面的公式計算k1以使自適應濾波器係數在單元圓上。
km=-n=mN-1xn*xn-1*|n=mN-1xn*xn-1*|;m=1]]>然後該方法進行到步驟345。
在步驟345，該方法通過如下計算輸入信號x與x(n)的卷積來確定輸出信號YY＝[1，k1]x然後該方法進行到步驟365。
在步驟350中，信號強度大於最大閾值T3。濾波器被構造為二階濾波器。根據下面的公式計算k1km=-n=mN-1xn*xn-1*|n=mN-1xn*xn-1*|;m=1]]>然後該方法進行到步驟355。
在步驟355中，x與[1，k1]進行卷積，由此得到中間結果Z。
Z＝[1，k1]x然後該方法進行到步驟360。
在步驟360，該方法通過如下計算中間結果Z與濾波器係數的卷積來確定經濾波的輸出信號YY＝[1，k1]Z然後該方法進行到步驟365。
在步驟365中，該方法提供所計算的結果Y。
附圖4所示為根據本發明實施雜波濾波器的方法的另一實施例的流程圖。在這種方法中，輸入信號的平均頻率與信號強度結合以確定濾波器階數。該方法包括如下的步驟(i)估計採樣流的信號強度和頻率，以及(ii)基於(a)在信號強度估計和信號強度閾值之間的關係和(b)在頻率估計和頻率閾值之間的關係確定濾波器的階數。該方法以步驟405開始。
在步驟405中，該方法採集組織和血液數據包x＝[x0，x1，...，xN-1]然後該方法進行到步驟410和415。
步驟410與步驟415平行地執行。在步驟410中，該方法估計數據的信號強度。
然後該方法進行到步驟420。
步驟415與步驟410平行地執行。在步驟415中，該方法根據下面的公式確定超聲輸入信號x(n)的都卜勒頻移，這裡「im」是輸入信號x(n)的後延1自相關的虛部，「re」是實部。
frequency=arctan(im(n=1N-1xn*xn-1*)re(n=1N-1xn*xn-1*))]]>然後該方法進行到步驟420。
在步驟420中，該方法使用從步驟410中得到的功率和從步驟415中得到的頻率作為查詢表的索引。查詢表的輸出指示落在四種情況(即查詢表(LUT)的情況0、1、2或3)中的一種的功率和頻率的組合。
如果情況＝0，則該方法分支到步驟425。
如果情況＝1，則該方法分支到步驟430。
如果情況＝2，則該方法分支到步驟435。
如果情況＝3，則該方法分支到步驟445。
下文的表1說明了步驟420的查詢表的可能設置。查詢表具有兩個雜波頻率種類和四個雜波功率種類。在較低的頻率雜波種類下根據雜波功率電平選擇步驟425、430、435或445中的一個。在較高的頻率雜波種類下根據雜波功率電平選擇步驟425和445中的一種。高頻雜波種類假設較高的中等的雜波功率電平對應於快速運動組織比如心臟膜並從步驟405提供雜波+血液信號的非常積極濾波。高頻雜波種類的較低和非常低的功率電平認為來自步驟405的信號基本是血液信號並且提供減小的濾波。
表1
在步驟425中，該方法設定k1＝-1。該濾波器構造為一階濾波器。
Km＝-1；m＝1然後該方法進行到步驟440。
在步驟430中，濾波器被構造為一階濾波器。根據下面的公式計算k1。
km=-2n=mN-1xn*xn-1*n=mN-1|xn|2+|xn-1|2;m=1]]>然後該方法進行到步驟440。
在步驟435，濾波器被構造為一階濾波器。根據下面的公式計算k1。
km=-n=mN-1xn*xn-1*|n=mN-1xn*xn-1*|;m=1]]>然後該方法進行到步驟440。
在步驟440中，該方法通過如下與濾波器係數的卷積來確定輸出信號YY＝[1，k1]x然後該方法進行到步驟460。
在步驟445中，濾波器被構造為二階濾波器。根據下面的公式計算k1
km=-n=mN-1xn*xn-1*|n=mN-1xn*xn-1*|;m=1]]>然後該方法進行到步驟450。
在步驟450中，x與[1，k1]進行卷積，由此得到中間結果Z。
Z＝[1，k1]x然後該方法進行到步驟455。
在步驟455，該方法根據下式通過中間結果Z與濾波器係數的卷積來確定最終濾波的輸出信號YY＝[1，k1]Z然後該方法進行到步驟460。
在步驟460中，該方法提供所計算的結果Y。
附圖6所示為可作為在附圖1中的係數計算器120或者在附圖2中的係數計算器210的係數計算器600的優選實施例的方塊圖。它有效地執行與附圖3或4相關的上文描述的方法的步驟。係數計算器600包括信號強度估計器605、信號頻率估計器610、閾值查詢表615和濾波器係數計算器620的模塊。
信號強度估計器605接收包括前向預測誤差ef0(n)和反向預測誤差eb0(n)的採樣流。它形成採樣流的信號強度估計。信號強度估計作為輸入提供給閾值查詢表615。
信號頻率估計器610接收包括前向預測誤差ef0(n)和反向預測誤差eb0(n)的採樣流。它形成採樣流的信號強度估計。信號強度估計作為輸入提供給閾值查詢表615。
閾值查詢表615具有從外部源輸入的處理器，通過該處理器以一個或多個信號強度閾值和一個或多個頻率閾值對閾值查詢表615進行編程。閾值查詢表615從信號強度估計器605接收信號強度估計和從信號頻率估計器610接收頻率估計。它將信號強度估計與信號強度閾值進行比較和將頻率估計與頻率閾值進行估計。閾值查詢表615產生表示比較結果的索引。
濾波器係數計算器620從閾值查詢表615接收索引。濾波器係數計算器620使用這個索引確定km的公式和指定給C1、C2、C3和rcl的值，這些值界定了濾波器階數、零值和中心頻率。
附圖5所示為適合於執行如上文所述的實施雜波濾波器的方法的程序的執行的計算機系統500的方塊圖。更具體地說，系統500從包含血液和雜波信號的採樣流中自適應濾去雜波的程序。在執行的過程中，程序執行如下的步驟(1)估計採樣流的信號強度和平均頻率，(2)從信號強度估計、頻率估計、K輸入信號強度閾值和L輸入信號頻率閾值中形成濾波器係數，以及(3)基於K輸入信號強度閾值和L輸入信號頻率閾值選擇濾波器的階數。
系統500包括處理器510、超聲接口515、存儲器520、用戶接口525和通信總線530。系統500可以在通用計算機(比如個人計算機)或單個的硬體或固件的專用裝置上實施。雖然在此它表示為獨立的系統，但是系統500可以集成在超聲系統(未示)中。
處理器510是執行程序指令的計算機處理單元(CPU)。處理器510控制在系統500的其它的部件之間的數據交換和操作。
超聲接口515能夠從超聲系統(未示)將數據傳輸到系統500的部件。這種數據表示通過掃描患者的身體採樣的組織和血液的圖像。
存儲器520是用於處理器510執行的數據和指令(尤其是執行在此所描述的方法的指令)的存儲裝置。存儲器520可以是任何形式常規的存儲器，比如隨機存取存儲器(RAM)、硬碟驅動器145和只讀存儲器(ROM)。
用戶接口525是用戶通過它可以將數據或控制參數輸入到系統500並且通過它用戶可以觀測來自系統500的處理結果的一個或多個部件。用戶接口525例如可以包括鍵盤和顯示器。這種顯示器可以是顯示由超聲數據形成的圖像的任何常規的模擬或數字顯示器。
通信總線530可以耦合到系統500的其它的部件中的每個部件。它提供其它的部件可以交換數據的通道。
在操作中，處理器510從超聲接口515接收超聲數據。處理器510根據在此描述的方法濾去數據的雜波並將經處理的結果發送給用戶接口525。
雖然如上文所示要求執行本發明的程序裝入在存儲器520中，但是也可以將它們設計為將其置於存儲媒體(比如數據存儲器535)以便隨後裝入到存儲器520中。數據存儲器535可以任何常規的存儲媒體比如磁帶、光學存儲媒體、光碟或軟盤。作為變型，數據存儲器535可以是隨機存取存儲器或者位於遠處的存儲系統中的其它類型的電子存儲裝置。
雖然上文根據醫療成像系統進行描述，但是本領域的普通技術人員應該認識到本發明的教導不必限於醫療成像。本發明可以應用於對包含相關噪聲分量比如雜波的其它信號進行濾波。
因此，應該理解的是前文的描述僅是本發明的實例。本領域的普通技術人員在不脫離本發明的精神範圍的前提下可以設計出各種變型和修改。因此，本發明希望包含落在附加的權利要求的範圍內的所有的變型、改進和改變。
權利要求
1.一種從具有血液信號分量和雜波信號分量的採樣流中自適應地濾去雜波的方法，所說的方法包括如下的步驟估計所說的採樣流的信號強度，以及基於所說的信號強度估計和信號強度閾值之間的關係確定濾波器的階數，其中所說的濾波器接收所說的採樣流並提供具有相對所說的血液信號分量降低了所說的雜波信號分量的電平的輸出流。
2.權利要求1所述的方法，其中估計步驟進一步包括如下的步驟估計所說的採樣流的頻率；和確定步驟進一步包括如下的步驟基於在所說的頻率估計和頻率閾值之間的關係確定所說的濾波器的階數。
3.權利要求1所述的方法，其中估計步驟進一步包括如下的步驟估計所說的採樣流的頻率；和確定步驟進一步包括如下的步驟在所說的信號強度估計落入信號強度的預定範圍內時和在所說的頻率估計落入在預定的頻率範圍內時基於所說的採樣流的線性預測分析確定所說的濾波器的零值。
4.一種用於從具有血液信號分量和雜波信號分量的採樣流中濾去雜波的濾波器的控制器，包括估計所說的採樣流的信號強度的模塊，以及基於所說的信號強度估計和信號強度閾值之間的關係確定所說的濾波器的階數模塊，其中所說的濾波器接收所說的採樣流並提供具有相對所說的血液信號分量降低了所說的雜波信號分量的電平的輸出流。
5.權利要求4所述的控制器，進一步包括估計所說的採樣流的頻率的模塊。
6.權利要求5所述的控制器，包括基於在所說的頻率估計和頻率閾值之間的關係確定所說的濾波器的階數的模塊。
7.權利要求6所述的控制器，進一步包括通過所說的採樣流的線性預測分析確定所說的濾波器的濾波器係數的模塊。
8.權利要求7所述的控制器，進一步包括基於所說的頻率估計確定所說的濾波器的零值的模塊。
9.權利要求8所述的控制器，其中確定所說的零值的所說的模塊從查詢表中獲得所說的濾波器的濾波器係數。
10.權利要求8所述的控制器，其中所說的零值在單元圓上。
11.一種超聲雜波濾波器，包括接收具有血液信號分量和雜波信號分量的採樣流的控制器，所說的控制器產生基於(a)信號強度閾值、(b)信號頻率閾值和(c)所說的採樣流產生濾波器係數；以及接收所說的採樣流和所說的濾波器係數的濾波器，所說的濾波器具有通過所說的濾波器係數確定的可變配置，所說的可變配置包括(a)可變的階數、(b)自適應的零值和(c)可變的中心頻率，其中所說的濾波器接收所說的採樣流並提供具有相對所說的血液信號分量降低了所說的雜波信號分量的電平的輸出流。
12.權利要求11所述的超聲雜波濾波器，其中所說的控制器包括估計所說的採樣流的信號強度的信號強度估計器；估計所說的採樣流的頻率的信號頻率估計器；基於所說的信號強度估計和所說的頻率估計確定所說的可變階數的模塊；和基於所說的信號強度估計和所說的頻率估計產生所說的濾波器係數的係數計算器。
13.權利要求11所述的超聲雜波濾波器，其中所說的控制器通過所說的採樣流的線性預測分析確定所說的濾波器係數。
14.權利要求11所述的超聲雜波濾波器，其中所說的自適應零值在單元圓上。
15.權利要求11所述的超聲雜波濾波器，其中所說的濾波器包括接收所說的採樣流並提供輸出的網格濾波器；和接收所說的網格濾波器的所說的輸出並形成所說的輸出流的有限脈衝響應濾波器。
16.一種存儲媒體，包括用於控制處理器以通過如下的步驟從具有血液信號分量和雜波信號分量的採樣流中自適應地濾去雜波的指令估計所說的採樣流的信號強度；和基於所說的信號強度估計和信號強度閾值之間的關係確定濾波器的階數，其中所說的濾波器接收所說的採樣流並提供具有相對所說的血液信號分量降低了所說的雜波信號分量的電平的輸出流。
全文摘要
一種從具有血液信號分量和雜波信號分量的採樣流中自適應地濾去雜波的方法包括如下的步驟(a)估計採樣流的信號強度，和(b)基於信號強度估計和信號強度閾值之間的關係確定濾波器的階數。該濾波器接收採樣流並提供具有相對所說的血液信號分量降低了雜波信號分量的電平的輸出流。
文檔編號G01S7/52GK1518669SQ02812402
公開日2004年8月4日 申請日期2002年6月20日 優先權日2001年6月22日
發明者R·A·哈格爾, R A 哈格爾, D·W·克拉克, 克拉克, K·E·蒂勒, 蒂勒, J·F·維特, 維特 申請人:皇家菲利浦電子有限公司