傅立葉處理脈衝都卜勒信號的方法和裝置的製作方法

2023-07-24 19:53:36 4

專利名稱：傅立葉處理脈衝都卜勒信號的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及測定在一物體區域流體速度分量的一種方法，該方法包括下列步驟向物體區域單向發送超聲能的一系列周期性脈衝;
接收回波信號，該回波信號表示所述從所述區域向回散射的諸脈衝的回波;
採用大於兩倍回波最高頻率的取樣頻率對所述收到的信號的幅值進行取樣。
本發明還涉及一種測定在物體區域內運動著的流體的速度用的裝置，它包括發送裝置，用向所述區域定期單向發送射頻超聲能脈衝;
回波檢測裝置，用以檢測一定數量的從所述區域向回散射，且產生表示其本身信號的所述脈衝的回波;
取樣裝置，用以從所述系列脈衝的各脈衝回波中抽取一定量的信號取樣群。
脈衝都卜勒超聲系統通常用以測定和測繪人體和動物體內的血流速度。往人體中沿與血管或冠狀腔相交的路徑通入超聲能量的脈衝。脈衝的超聲能從血管或冠狀腔內的血向回散射，然後回到一換能器中，在那裡被轉換成電信號。若血流在沿超聲波的傳播方向上有一個速度分量，散射回波的頻率就會相對於入射的超聲能的頻率偏移。在回波中如此誘發出來的都卜勒頻移可加以分析以得出血流速度的數字估計值，和/或繪製出血流速度作為體內位置的函數的曲線圖。
都卜勒血流測量系統往往作為一般測繪聲阻抗作為體內位置的函數的關係曲線的超聲顯象系統的附屬或輔助功能部件的一部分。但由於都卜勒血流測量對超聲信號的要求大體上與高清晰度顯象所要求的不同，因而產生了一些困難。一般超聲血流測量的都卜勒頻譜分析要求狹窄的頻帶寬度，而狹窄的頻帶寬度本來就限制了在其它情況下理應在超聲顯象系統能獲取的距離分辨能力。超聲能的短脈衝(因而其固有頻帶寬)便被用以最大限度地提高顯象系統的距離分辨能力，而頻帶寬度狹窄的長脈衝則用以進行都卜勒測量，以便獲得清晰的頻譜偏移和高的信噪比。
一般都卜勒頻譜分析的一個困難在於根據從運動著的血細胞擴散的都卜勒頻移模型對各信號進行的判斷。根據這個模型，都卜勒頻移在入射的超聲波為血細胞所散射之前是與入射超聲波的頻率成正比的。無論擴散著的血細胞其速度分布如何，超聲能的短脈衝都含有寬的入射頻譜，因而使其一系列的散射信號具有寬的頻譜。此外，寬帶濾波器(在這種系統中是需要這種濾波器的)的本性是會使信噪比低於採用窄帶濾波器時可能有的信噪比的。
另外，現有技術的都卜勒頻譜易於混疊，這是因為它們是周期性的，其周期等於脈衝重複頻率。因此，從現有技術的都卜勒頻譜只能確定速度模數(c/2)(fp/fo)，其中fp為脈衝重複頻率。舉例說，若射頻超聲中心頻率fo為5×106赫，譜線頻率為5×103譜線/秒，則現有技術的一維都卜勒頻譜只能明確地確定小於0.75米/秒的速度(假設聲速為1500米/秒)。
P.M.Embree和W.T.Mayo等的「超聲M模式射頻顯示技術在流動顯形中的應用」(1987年的《Proc.SPIE768，第70-78頁，國際圖形識別和聲成象專題討論會，編輯LeonardA.Ferrari)一文論述了採用假色數字顯示所取得的超聲A譜線取樣的方法。各向回散射的A譜線的射頻取樣垂直顯示出來，各相鄰的A譜線則並排水平地顯示，形成二維的假色象。二維圖象中的條紋圖樣可與流體流動顯示的傳統都卜勒處理和相關處理的概念聯繫起來。如此顯示出來的條紋圖樣其矩形部分是個二維的樣本矩陣。
本發明的一個目的是提供處理這種矩陣的一種方法和儀器，以便獲得高質量的流體速度測定值。
本發明方法的特徵在於，它還包括下列步驟就測定取樣周期的第一個快時變量和測定脈衝重複周期的慢時變量對所述取樣進行二維的離散傅立葉變換，從而將取樣組繪製成二維的傅立葉頻率空間，其中各恆定的都卜勒頻移系繪製成輻射線;和沿所述各輻射線分析所述經變換的取樣組，以便從中獲得都卜勒頻移的有關信息。
本發明裝置的特徵在於，它還包括計算裝置，用以根據測定所述各取樣的射頻快時變量和測定所述脈衝列各周期的第二個慢時變量計算二維傅立葉變換，由此將各取樣繪製成二維傅立葉頻率空間，其中恆定都卜勒頻移被繪製成輻射線;和分析裝置，用以沿所述傅立葉頻率空間中的輻射線分析該經過變換的信號取樣，以便確定因流體在所述區域中的流動所產生的都卜勒頻移。
沿超聲A譜線的回波幅值以高於奈奎斯特(Nyguist)頻率的頻率間斷取樣。在沿通過物體某一區域的同一方向取向的各連續的A譜線某一選定範圍的射頻取樣矢量形成一二維矩陣，其各組成部分的位置用第一個快時變量和第二個慢時變量加以描述，其中第一個快時變量給定了數據取樣沿其A譜線的範圍，第二個慢時變量移給定了A譜線在一組集中的A譜線中的位置。數據矩陣是用根據快時變量和慢時變量進行的二維離散傅立葉變換進行處理的，數據組即用該慢時變量繪製成一離散的二維傅立葉頻率空間，其中各恆定速度都卜勒頻移系繪製成輻射線。慢時軸線對應於二維傅立葉頻率空間中的慢頻(都卜勒頻率)的軸線，快時軸線則對應於傅立葉頻率空間中的快頻(射頻)軸線。從運動著的各目標散射的寬帶脈衝的回波通常在二維傅立葉空間中繪製成橢圓形。橢圓長軸與傅立葉空間各坐標軸之間的夾角是散射介質速度的高質度量。
在一較佳實施例中，頻譜在二維傅立葉頻率空間中按角度分布的情況(因而在目標範圍內各速度分量)是通過計算經變換的數據陣列的徑向投影估算出來的。
離散傅立葉變換天生就是周期性的。因此由各高速散射所產生的頻譜成分往往會「卷繞著」傅立葉頻率空間中的格子單位。這就是大家熟知的與任何取樣信號的傅立葉變換有關的「混疊」問題。
估算目標速度的徑向投影法可用於頻譜卷繞場合下投影線卷繞某一格子單位時的高速度。寬帶都卜勒信號的二維傅立葉頻譜都是些高度偏心的橢圓。這些橢圓的徑向投影當投影方向平行於橢圓的長軸時急劇變尖，當投影方向與各橢圓成其它角度相交時則大致變尖。因此在各混疊著的頻譜與真的頻譜完全相同時，各徑向投影使一般都卜勒處理免受混疊的影響。
在另一個較佳實施例中，二維傅立葉變換是從A譜線信號的複合包線而不是從實際的射頻A譜線回波信號計算出來的。複合包線的計算使回波信號系列在傅立葉空間中的橢圓形輪廓偏移。徑向投影法是與複合包線頻譜配用的，具體做法是圍繞對應於超聲入射波的射頻中心頻率的傅立葉空間的快頻軸線上的一個點進行投影。
在對複合包線數據一般進行的都卜勒處理中，各A譜線是在各A譜線具有複合取樣的情況下將數據陣列壓縮成單行的測距選通門上求平均值的，然後在該行上進行一維離散傅立葉變換以產生都卜勒頻譜。都卜勒頻譜的譜峰出現在由fmax＝(2V/C)fo確定的頻率處，其中fo是入射超聲波的頻率，C是介質中的音速，V則是散射物質的速度。在測距選通門求平均值相當於只計算離散傅立葉二維變換的零頻率分量;現有技術的都卜勒譜僅僅是通過沿水平(都卜勒頻率)軸線進行的二維離散傅立葉變換的單個部分。因此本發明的二維頻譜比普通的一維都卜勒頻譜包含更多的信息。
隨機數據的離散傅立葉變換本來就是有幹擾的，而一般的多譜勒頻譜如果不在測距選通門上平均化也會有幹擾。這給測距解析度帶來損失。
在二維傅立葉空間進行徑向投影是根據二維離散傅立葉變換中的所有信息進行的，這種投影過程本身是要比一維多譜勒頻譜的幹擾少一些。因此徑向投影法使我們可以用比現有技術的多譜勒處理每單位測距選通門更少的取樣數和/或更少的A譜線來獲取速度的合理估算值。所以信號處理採用徑向投影算法的系統要比採用現有技術的多譜勒處理的系統可能具有更高的測距解析度和/或更高的時間解析度。
現在參照


本發明的內容，附圖中圖1是一個超聲速度測量系統的方框圖;
圖2例示了數據取樣在一個陣列中的排列情況;
圖3a至3c例示了散射介質中的運動對存儲在陣列中的數據取樣值的影響;
圖4例示了一般多譜勒信號在二維傅立葉頻率空間中的頻譜;
圖5a和5b例示了二維傅立葉頻率空間中的一個徑向投影的幾何形狀;
圖6例示了多譜勒信號複合包線的頻譜在二維傅立葉頻率空間中的徑向投影;
圖7例示了對二維離散傅立葉變換數據值進行插值的情況，該數據值用以計算沿二維傅立葉頻率空間中一顯示線上的徑向投影;
圖8是二維傅立葉頻率空間的輪廓曲線，它顯示了頻譜在各高速情況下「卷繞」的情況;
圖9a和9b是在二維傅立葉空間提取普通的一維多譜勒頻譜的情況;
圖10將由普通一維多譜勒法與二維徑向投影法得出的多譜勒速度測量值進行比較。
圖11和12分別所例示了用徑向投影法和用普通的多譜勒法得出的頸動脈血流速度測量值的範圍。
圖1例示了體現本發明的一個超聲血流速度測量系統。發送器100經由TR開關120(收發兩用開關)激勵超聲變換器110使其往人體130中沿一窄射束髮送超聲能的寬帶脈衝。射束中的超聲能從物體的組成部分(例如在動脈150中流動著的血液)向回散射，產生回到變換器110且為變換器110所檢測的回波。從物體組成部分散射(沿射束140的軸線方向運動)的超聲回波信號其頻率會按多譜勒方程相對於變換器所產生的超聲能的頻率偏移。變換器所產生的回波信號經由TR開關120耦合到接收機160，在接收機160中加以放大。接收機的輸出端連接到射頻數字轉換器170，由射頻數字轉換器170對回波信號進行取樣和數字轉換。數字轉換器的輸出端連接到測距和譜線選通門180的輸入端上。
所發送的射頻脈衝個個產生一A譜線信號，由該信號將沿射束140的軸線映入信號到達的時間。控制電路190操縱著測距選通門180，使其選擇在物體以距離R和射束140為界的部位中產生的信號取樣。數字轉換器170以至少兩倍信號中最大頻率分量的速率對A譜線的射頻信號進行取樣。在距離R內沿各A譜線的連續取樣作為矩陣陣列的列矢量存儲在存儲器200中。各連續的A譜線存儲在矩陣的連續列中，使矩陣的各行表示沿連續A譜線的相應範圍的取樣。於是存儲在存儲器200矩陣中的各元素可藉助於(沿各A譜線因而標記陣的一行的取樣S1、……S8)「快時」係數FT連同(標記特定的A譜線從而標記矩陣列的)「慢時」係數ST一起加以標記和編址。圖2例示了由一些信號組成的矩陣，矩陣有八條A譜線1、……8，各A譜線在測距選通門R範圍內含有八個信號取樣S1、……S8。
採用6微米射束在3釐米的集點以5兆赫的射頻中心頻率和5千赫的脈衝重複頻率從45度角對人的一般頸動脈進行掃描可以獲得對超聲回波數據令人滿意的數據處理，這個處理是採用調定得能使其從各64條A譜線中選取32個樣本的測距選通門。
發明人Embree和Mayo發表的上述現有技術教導我們，存儲在存儲器200矩陣內的數據值會表現出條紋圖樣，該條紋圖樣表徵著物體內有關區域內的運動，如圖3a至3c所示。在這些圖中，正回波信號以白區表示，負信號以黑區表示。超聲變換器100的帶通性質使回波信號看起來象一系列明暗交替的條紋。若固定的換能器面向恆流的單根血管，則血管中心的血流最大，在血管壁處減至零。圖3C是來自血管壁的信號的特徵。水平條紋是沿聲束軸線上沒有速度分量時的結構特徵。圖3b例示了偏離變換器的信號結構特徵，圖3c則例示了趨近換能器的信號的結構特徵。
存儲在存儲器200中的陣列為在二維離散傅立葉變換處理器210中進行處理，處理結果存儲在第二個存儲器220中。視乎系統的速率和數據條件，二維離散傅立葉變換處理器210可作為一般用途數字計算機中的軟體程序來履行任務，也可以由專用的快速傅立葉變換處理器晶片來執行其任務。
離散傅立葉變換處理器210的輸出是一陣列的數據單元，它表示對A譜線取樣數據根據標記出數據組中各A譜線矢量的第一個(慢時)變量和表示沿各A譜線的離散取樣位置的第二個(快時)變量進行的變換。存儲器220中的陣列可以看作是就對應於所收到的回波信號的射頻頻譜的快頻變量f2和對應於多譜勒頻率分量的慢頻變量f1表示的二維頻譜。
二維離散傅立葉變換數據提供關於散射介質在對應於測距選通門的區域中速度的信息。若在有關距離內的介質以速度V移向發送器，則二維離散傅立葉變換值的輪廓曲線其一般形狀如圖4所示。參數取一般值時，橢圓輪廓線的長軸通過二維頻率平面的原點，與垂直軸線成θ0角。在本發明的一個實施例中，長軸的斜率可從信號頻譜的第一要素與總信號頻譜功率的比值確定，再從長軸的斜率計算平均速度。同樣速度偏差可用頻譜的第二要素計算出來。
在一較佳實施例中，多譜勒信號的速度譜由二維傅立葉頻率空間中的徑向投影確定。角度，從而速度，是通過計算二維傅立葉變換A(f1，f2)的量值(或量值的平方)的徑向投影估計出來的，其中f1是多譜勒頻率參數，f2是射頻參數。傅立葉量值沿徑向θ的徑向投影為s(θ)＝∫∞o|A(rsin(θ)，rcos(θ))|dr當θ＝θo(這是與運動著的介質的速度有關的角度)時，徑向投影會有最大值。圖5a例示了徑向投影的幾何圖形，圖5b則例示了徑向投影的一般曲線。
在較佳實施例中，二維傅立葉變換是從A譜線的複合包線而不是從實際的射頻回波信號計算出來的。複合包線信號可用周知的數字濾波法從射頻取樣獲得，或者可用裝在接收機160中的模擬複合包線解調器對複合包線信號進行取樣。複合包線的傅立葉變換是圖4經偏移了的形式;橢圓輪廓線的長軸與快頻軸線在-fc處相交，其中fc為所傳送的各超聲脈衝的中心頻率(圖6)。因此當採用複合包線數位化取樣時，徑向投影集中在二維傅立葉頻率平面的點(0，-fc)上，且若A(f1，f2)是複合包線的傅立葉變換，則所希望有的徑向投影可從下式求出s(θ)＝∫∞o|A(rsin(θ)，rcos(θ)-fo)|dr鑑於二維離散傅立葉變換隻給出了離散的取樣值，因此實際上該積分近似於沿該投影線的取樣值和。徑向投影線通常是不直接通過離散傅立葉變換的各取樣點的，因此需要進行插值處理。圖7表示二維傅立葉變換平面;點表示取樣點位置。徑向投影是近似地通過將在標有星號的各位置經插值的樣本值加起來求出的。這些經插值的數值可用現有技術的插值算法計算出來。在相鄰的水平取樣點之間進行簡單的線性插值能得出令人滿意的結果，計算效率也高。
由於離散傅立葉變換具有周期性的本性，因此二維頻譜在高速度下卷繞一格子單位，如圖8所示。頻譜卷繞時，為了在高速度下繼續獲得良好的徑向投影，需要將投影線卷繞各軸線，如圖8所示。
附錄是個MATLAB程序，例示了從A譜線取樣陣列的二維離散傅立葉變換值的平方計算徑向投影的過程。
如前面談過的那樣，在普通對複合包線數據進行多譜勒處理的過程中，各A譜線是在測距選通門上求平均值的，該門將數據陣列壓成一具有各A譜線均含一複合取樣的單一行。由於在測距選通門上求平均值相當於只計算離散傅立葉變換的零頻率分量，因而多譜勒頻譜只是通過沿慢頻軸線進行二維離散傅立葉變換的部分，如圖9a和9b所示。因此普通的多譜勒處理過程沒有充分利用包含在二維頻譜中的信息。
本發明的徑向投影法也可以看作是對頻率的暫時混合過程。它在數學上相當於將若干取於不同中心頻率獨立的普通多譜勒頻譜改變比例然後求平均值的系統。
圖10對比了用32條A譜線組成的帶一個含八個複合取樣的測距選通門(相當於1.2毫米長的測距選通門)的數據陣列用本發明的方法(實線)和用現有技術的方法(虛線)以人的普通頸動脈中的血流為研究對象測出的速度譜。圖11例示了用徑向投影獲得的速度分布V對距離R的函數曲線圖。往下朝曲線中心的豎向波峰對應於動脈外部速度等於零的區域。從圖中可以清楚地看到動脈內速度的分布。圖12是同樣的採用現有技術的多譜勒法進行處理的示意圖。
權利要求
1.一測量流體在物體區域內的速度分量的方法，包括下列步驟單向向所述物體區域發送超聲能的一系列周期性脈衝；接收回波信號，該回波信號表示所述從所述區域向回散射的各脈衝的回波；採用大於兩倍回波最高頻率的取樣頻率對所述收到的信號的幅值進行取樣；其特徵在於，所述方法還包括下列步驟就測定取樣周期的第一個快時變量和測定脈衝重複周期的慢時變量對所述取樣進行二維的離散傅立葉變換，從而將取樣組繪製成二維的傅立葉頻率空間，其中各恆定的都卜勒頻移是繪製成輻射線；和沿所述輻射線分析所述經變換的取樣組，以便從中獲得都卜勒頻移的有關信息。
2.一如權利要求1所述的方法，其特徵在於，來自運動著的流體的回波信號繪製成二維傅立葉頻率空間中的橢圓，而所述領域中沿所述超聲能傳播方向的速度分量則通過測定所述橢圓長軸與所述傅立葉頻率空間的坐標軸之間的夾角確定。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，分析經變換的取樣組的步驟包括下列步驟計算所述繪製成的信號在所述傅立葉頻率空間中的徑向投影;和分析所述徑向投影的波形來計算所述流體在所述回波中引起的都卜勒頻移。
4.一如權利要求1至3中任一權利要求所述的方法，其特徵在於，進行二維變換的步驟包括對所檢測出的信號的複合包線的取樣進行二維傅立葉變換。
5.一測定在物體區域內運動著的流體的速度用的裝置，包括發送裝置，用以向所述區域定期單向發送射頻超聲能脈衝;回波檢測裝置，用以檢測一定數量的所述脈衝的回波，所述脈衝從所述範圍向回散射，且產生表示其本身的信號;取樣裝置，用以從所述系列脈衝的各脈衝的回波抽取一定量的信號取樣群;其特徵在於，所述裝置還包括計算裝置，用於根據測定所述各取樣的射頻的快時變量和測定所述脈衝列各周期的第二個慢時變量計算二維傅立葉變換，由此將各取樣繪製成二維傅立葉頻率空間，其中恆定都卜勒頻移繪製成輻射線;和分析裝置，用以沿所述傅立葉頻率空間中的輻射線分析該經過變換的信號取樣，以便確定因流體在所述區域中的流動所產生的都卜勒頻移。
6.一如權利要求5所述的裝置，其特徵在於，所述分析經變換信號的裝置包括計算所述經變換信號在所述傅立葉頻率空間中的徑向投影的裝置。
7.一如權利要求5或6所述的裝置，其特徵在於，所述裝置還包括檢測表示回波的信號的複合包線用的裝置，和其中通過對回波的複雜波形進行取樣的函數取樣裝置。
8.一如權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述裝置還包括混疊信號抑制裝置，用以通過計算沿傅立葉頻率空間中卷繞著格子單位的徑向線的徑向投影來抑制混疊信號。
全文摘要
一測量脈衝都卜勒速度用的處理器，採用二維離散傅立葉變換將寬帶信號繪製成頻率空間，在該頻率空間中，各恆速都卜勒頻譜分量用輻射線表示，然後用徑向投影提取目標速度信息。
文檔編號G01N29/06GK1039902SQ8910623
公開日1990年2月21日 申請日期1989年7月24日 優先權日1988年7月26日
發明者威廉·雷勒·梅奧, 保羅·麥可·恩姆布裡 申請人:菲利浦光燈製造公司