基于变窗口函数的仿人体组织材料超声散射信号处理研究

杨梦薇， 祝海江

（北京化工大学信息科学与技术学院，北京 10013）

基于变窗口函数的仿人体组织材料超声散射信号处理研究

杨梦薇， 祝海江

（北京化工大学信息科学与技术学院，北京 10013）

基于仿人体组织材料超声散射成像，提出了一种变窗口函数算法。该算法首先对散射信号进行阈值变换处理，再进行窗口漏检调和，最后对信号进行量化成像。实验表明该技术能够使图像有效区域与噪声明显区别开来，满足后期边缘提取及三维重建要求。

计量学；超声散射成像；变窗口函数；MATLAB；散射信号处理

1 引 言

近年来，随着超声技术的发展，超声成像逐渐成为医学超声诊断应用最重要分支之一，在医学临床诊断中得到广泛应用［1］。生物组织的超声散射特性是一切回波超声诊断的物理基础［2］，对组织定征和超声成像等探讨组织声学特性［3］与超声表现之间相互关系的基础与临床应用研究有十分重要的意义。寻求有效手段从超声信号中分离出能反映组织状态散射信号［4］，从而将其作为区别不同组织及鉴别疾病性质的依据，是目前很重要的研究方向［5，6］。

本文从分析散射信号入手，提出了一种可变窗口函数的散射信号处理方法。研究证明该算法能够从噪声信号中将微弱的散射信号区别提出，使目标物体成像边缘轮廓清晰。

2 实验方法

2.1 实验环境

超声扫描平台由伺服电机、水槽、示波器、探伤仪、聚焦换能器和一台PC机组成。水槽带有三维扫描架，扫描架由PC机根据示波器接收到的换能器信号进行位置控制，完成整个扫描过程。其中，控制台程序是在VC＋＋6.0平台下实现的。本文扫描所用为超声仿组织模体，其声学参数与人体软组织相似。模体内部包含类圆柱体散射结构，外围为无散射基质。

2.2 超声信号采集

在超声诊断设备发射产生的超声声场中，声轴是整个声场的中心，根据基尔霍夫-亥姆霍兹声场远近场理论可知，在沿声轴的分布上总有一个极值点，而对于聚焦换能器来说，能量最大点集中在焦点处。因此，声场扫描的具体步骤如下：

1）首先，确定声束准直轴，取与超声传播方向垂直的两个平面，分别进行平面扫描，得到两平面之间最大声强位置点连线便是该声场对应的声束轴。以下所有扫描操作均以此为参考。

2）以声束轴（以下称作y轴）为中心，确定空间垂直声轴的扫描平面（以下称作x-z平面）的位置。由于聚焦换能器在焦点位置处能量最大，为了提高信噪比，使散射信号能与电噪声更好地区别开来。本文采用焦点内置，即将换能器焦点置于模体内部的方法使最终获得能量尽可能大。

3）x-z平面扫描：采用如图1所示扫描路径，从而获取整个模体内散射数据；

图1 扫描路径示意图

4）扫描步骤1～3的数据作为一次空间扫描结果存储。

超声信号由聚焦换能器接收后至示波器进行波形显示和相关的处理，本课题选用Tektronix DPO4054示波器。PC对示波器进行通讯读取所采集的信号电压值，根据该电压值反馈给控制伺服电机的扫描程序，形成闭环的回路控制。在声场扫描中，PC会自动记录存储x-z中每一个点对应的整个y轴数据。

2.3 超声信号处理

由于散射信号的无规律性以及微弱性，常规均值去噪、阈值去噪及小波去噪等信号处理方法都无法有效将散射信号与噪声信号区别开来［7］，当散射信号较小时，常规信号处理方法容易将其当作噪声信号一起剔除掉，从而造成实际人体结构在医学图像中的缺失，这对病理诊断是极为不利的。本文提出的变窗口函数算法能够有效将微弱散射信号与噪声信号区别开来，从而保证诊断信息的完整性与准确性。

本文中对所有垂直于x-z平面的一维数据进行处理，最后通过x-z面成像检测处理效果。文中采用两步式变窗口函数算法。通过窗口均值及像素点统计方法对窗口内数据点进行阈值处理，达到将有效散射信号放大、噪声信号剔除的效果，两步处理完毕后得到方波输出。

算法流程如图2所示。

图2 变窗口函数算法流程图

3 实验结果及分析

算法利用matlab软件编程实现，算法的处理结果如图3～图6所示。其中，图3为扫描系统采集到的单点y轴原始信号。可以看出，在该点处噪声信号与散射信号可以明显区别开来，在少数地方存在信号突变。但该现象在整个扫描数据中极少出现，这一点可以由原始信号直接成像所得，即由图6（a）看出，目标区域边界不连续，噪声信号形成的伪像素点大量存在。针对此现象，通过两步式变窗口函数处理得到的单点y轴数据分别如图4、图5所示。经过第二次处理后的信号可以实现边界清晰定位及突变点剔除，成像效果分别如图6（c）、图6（d）所示。可以看出，成像效果远远优于处理前，可见算法可以从噪声信号中有效提取出微弱的散射信号。

图3y轴单点原始信号

图4y轴单点一次窗口处理信号

图5y轴单点二次窗口处理信号

图6 成像效果

4 结 论

利用基于VC＋＋6.0和MATLAB的超声信号采集和处理平台，研究了超声散射信号的信号处理算法，获得了满意效果。本文所提出的变窗口函数信号处理算法为散射成像提供了良好的数据支持，C程序化后可应用于实际中。

［1］ Pavlin C J，Sherar M D，Foster 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，FerroelectricsandFrequencyControl，1995，42（1）：8－14.

［3］ 国家技术监督局.GB 15261－94，超声仿人体组织材料声学特性的测量方法［S］.1994.

［4］ 毛伟年，冯若，张卫.哺乳动物软组织超声背向散射谱研究［J］.声学学报，1992，17（6）：430－435.

［5］ 刘晓宙，叶式公，龚秀芬，等.离体甲状腺的高频超声成像和组织定征［J］.中国生物医学工程学报，2001，20（2）：110－115.

［6］ 刘晓宙，叶式公，龚秀芬，等.离体猪淋巴组织的高频成像研究［J］.声学学报，2004，29（3）：272－276.

［7］ 叶盛楠，苏开娜，肖创柏，等.基于结构信息提取的图像质量评价［J］.电子学报，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

杨梦薇（1989－），女，陕西安康人，北京化工大学硕士研究生，主要从事超声信号测量及图像处理研究。ymwcrystal＠yahoo.com.cn