基于超声RF信号的超声成像实验设计

黄韫栀，刘 奇，肖 勇

（四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065）

基于超声RF信号的超声成像实验设计

黄韫栀，刘 奇，肖 勇

（四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065）

该文为让学生更直观地了解超声RF信号重建出B超图像的过程，首先在超声设备上完成RF数据的采集，然后在Matlab平台上对每个成像步骤的信号进行分析，完成成像过程的仿真，最后将得到的结果与超声设备上显示的图像进行对比。该实验具有较强的设计性和参与性，实验结果具有一定的开放性。实践表明，实验过程既能锻炼学生分析问题的能力，又能加深学生对专业课程的理解，激发其学习兴趣，进而改善教学效果、提高教学质量。

超声RF信号；B超图像；Matlab

随着医学影像技术的日益成熟以及各种各样的医学影像设备在医院中的广泛使用，医学成像常用于辅助医生诊断甚至进行手术规划，是生物医学工程专业一门重要的专业课程［1］，该课程结合了医学常识、计算机工程、数字信号及图像处理等领域的知识。传统教学，仅从理论上了解医学图像的基本特点和相应的图像处理基本概念，对学生而言，刚接触到专业理论知识，由于缺少主观的参与，很容易引起厌学等不良情绪［2－4］，因此，需要利用相关的实验带动教学。本文实验包含了设备的操作、数据的分析和数据仿真等模块，可以让具备不同基础的各个层次的学生参与到实验中，从中不仅可学到相关的专业知识，而且也能获得成就感，从而激发其学习的兴趣。

由于超声成像是目前非常成熟和重要的诊断手段，已被广泛使用。相较于其他的成像手段，超声成像具有经济实惠、实时性、无创性等优势，鉴于学校实验室现状，该实验设计利用现有的超声设备来完成。整个实验将超声成像过程分成8个模块，利用模块化的功能［5］，一方面帮助学生更好地认识从RF超声信号到B超图像的处理步骤，从而加深对B超成像原理的理解；另一方面，该实验设计是通过小组内成员的合作完成的，模块化增加了小组间的合作，同时也利于明确小组成员的分工。

1 实验模块设计与实现

1.1 实验总体设计

超声RF数据量非常大，需要一定的处理才能显示成常见的B超图像。超声成像系统中，从动态聚焦得到超声RF信号到屏幕上显示出B超图像的处理过程如图1所示［6］，主要包括去除低频干扰、动态正交解调、低通滤波及下采样、时间增益补偿、信号包络检测、动态显示范围压缩和扫描转换等。

图1 从RF到B模式图像处理流程

1.2 实验模块实现

1.2.1 去除低频干扰

超声设备在采集超声RF信号的过程中，会引入硬件所产生的低频干扰，为提高重建B超图像的质量，先设计高通滤波器去除混入RF信号中的低频干扰。

该部分实验设计，结合了Matlab仿真平台和数字信号处理课程的基础知识，主要从以下3方面锻炼学生分析超声RF信号的能力：

1）信号的时-频转换；

2）信号频域特性分析；

3）设计FIR滤波器［7］。

1.2.2 动态正交解调

去除低频干扰后的信号能量主要集中在探头中心频率附近，为了提取有用信号，需要移除载波信号（发射探头的信号），即对高通滤波后的RF信号进行解调，常用的解调方式为正交解调［8］，标准正交解调为：

式中，r（n）为高通滤波后的信号，fcarrier为发射探头的中心频率，tn表示声束方向上当前采样点所对应的时间，n＝0，1，…，N－1为每根声束上点的下标。

由于待测物体会吸收和散射部分超声信号，发射信号的衰减和接收信号的频偏都会随超声波束探测深度而增加。为了得到较好的解调结果，在标准正交解调中加入修正项fshift，动态正交解调式［6］为：

式中，fshift为探测深度为d（cm）时的频率偏移［9］，可根据下式求得：

式中，Wratio为频带带宽比例，d为当前采样点对应的深度，α为物体衰减系数（dB／MHz－1·cm－1）。

该部分实验设计结合了“通信原理”的相关知识，从以下3个方面帮助学生正确实现解调功能：

1）通过积化和差公式理解正交解调后超声RF信号的组成；

2）通过探测深度的变化理解频偏；

3）利用Matlab实现信号动态正交解调的功能。

1.2.3 低通滤波及下采样

通过动态正交解调后的信号包含频偏成分和高频谐波成分，因此需要设计低通滤波器来有效地保留待检测物体的信息所处的低频段。

同时，每根RF声束包含几千个采样点，远超过图像显示的数据规模。因此，需要对解调后的I／Q信号数据进行下采样，为避免频谱混叠，必须保证抽样后的采样频率仍然大于我们所需要的中心频率的两倍。一般，为了方便显示，通常使采样后的点数为常见的图像高度（如512像素）。

实验设计过程中，该部分从以下两方面锻炼学生的分析能力。

1）低通滤波器的设计分析：一方面可以像1.2.1节一样，利用Matlab中的fdatool工具设计滤波器，实现低通功能；另一方面，对于编程能力较强的学生，可以通过自己编写代码实现低通滤波的功能。

2）理解采样的作用：在Matlab平台上完成采样的仿真。

1.2.4 时间增益补偿

成像深度的增加，会导致超声射频信号不断衰减，信号能量损失，为保证整个探测深度范围内图像亮度的一致性，需对信号进行增益补偿，补偿式［10］为：

式中，β＝（αfcarrier／20）ln（10），α、fcarrier表示的含义与1.2.2节相同。

该部分实验设计只需要学生按照式（6），在Matlab平台上将功能实现即可，其中对于不同的探测对象设定不同的衰减系数。

1.2.5 信号包络检测

经过前面步骤的处理，原始超声RF信号已经变成了两路正交信号，显示之前需要将其进行合并，即得到信号的包络：

和1.2.4节一样，实验设计过程中该部分只需要学生理解该步骤的目的，并按照式（7）在Matlab平台上将功能实现即可。

1.2.6 动态显示范围压缩

超声波在传播过程中，会在检测物体间产生极大的反射差异，导致超声回波信号具有较大的动态范围。然而，超声系统一般只支持8位灰度级别的回波显示，因此需要对回波信号进行压缩。通常采用对数压缩［6］，以保证回波信号在8位显示器上正常显示。对数压缩的标准形式为：

式中，D为控制动态范围，G为压缩增益，A、P分别表示压缩前、后的信号。

该部分实验设计需要学生完成以下工作：

1）从数学角度理解对数函数的特性以及对于自变量范围较大的数据对数函数的功能；

2）锻炼学生编程读入原始RF数据的能力。

1.2.7 扫描转换

采集探头的类型决定最终超声图像的显示形式。线阵探头显示的是矩形图像，凸阵和相控阵探头显示的是扇形图像。为保证显示不失真，对线阵探头需要根据实际探测的视野范围和抽样样本长度，推算出显示图像的宽度，并且利用双线性插值法［11］进行横向插值；对凸阵和相控阵探头，还需要根据探头的扫查角度，将矩形图像转换成扇形坐标系下的图像，需要采用双立方插值法［11－12］在横向进行插值，轴向则应用双立方插值法即可满足要求。

2 实验设备和数据

硬件设备：声泰特（成都）科技有限公司生产的iMagoC21超声设备。

仿真平台：Matlab。

数据采集：利用128阵元的线阵探头采集数据，采集RF数据时，需确保帧数率最低，且孔径合成关闭。

实验设计过程中，该部分出于以下两方面的考虑：

1）激发对编程不感兴趣的学生的学习热情；

2）让学生亲自操作超声设备，对于超声数据采集有直观的认识。

3 结果与讨论

以采集到的一帧完整RF数据为例演示整个实验的分析过程。实验的RF数据包含了168条声束，每条声束有5 238个点的数据，数据来自于线性探头，探头的发射频率为10 MHz，探测深度为9.9 cm，探测宽度为3.81 cm。采样频率计算为：

3.1 单根声束的时域和频域显示

从图2（b）的频谱图可以看出，信号在低频和探头的中心频率10 MHz附近的能量较大。其中，声束低频处较强的能量主要是超声仪器的硬件产生的干扰，只有中心频率附近的频段才包含有用信息。

图2 单根声束的时－频波形

3.2 滤波器设计

要提出待检测的有用信息，根据信号特性，设计滤波器的过程如下：

1）观察感兴趣的频率范围；

2）可利用Matlab自带的fdatool设计相关的FIR滤波器，可以自己编写函数实现滤波功能。

在利用fdatool工具设计滤波器的时候需要注意频率单位的设置，由于超声探头的频率一般较高，因此建议学生选择兆赫兹为频率单位。

3.3 动态正交解调

去除低频干扰后的信号能量主要集中在探头中心频率附近，因此需要对信号进行动态正交解调，得到信号的同相分量（in－phase）和正交分量（quadrature）频谱如图3所示。可以看到使用sin和cos函数处理后，RF信号发生频移，每个原始频率被分解成了两个，且每个的幅值为原始的一半。

图3 信号正交解调结果

3.4 重建结果

经过解调后的信号，有用信息集中在低频附近，设计合理的低通滤波器滤除解调信号中的高频谐波，并按照图1所示的步骤完成重建，重建结果如图4所示。从图4可以看出，不同的滤波器设计会导致结果的差异。相对于窗函数，高斯函数的特性更贴近于谐波的包络特性，因此采用高斯低通滤波得到的重建效果较好。

重建结果是由中间过程的多个参数共同决定，如图1所示的每一步骤都会影响最终的重建结果，因此在完成实验的过程中，需要学生之间相互配合和合作。

图4 双线性插值得到的重结果

4 结束语

基于超声RF信号重建B超图像的实验设计，实际操作联系理论知识，通过过程模块化，一方面给学生演示了重建过程以及每一过程的功能，让学生对成像过程有具体的认识；另一方面，锻炼学生的团队意识和分工合作的能力，从而达到辅助教学和锻炼学生的预期目标。

该实验设计一方面具有较好的演示性，可以帮助教师在课堂和实验中进行教学演示；另一方面也具有较好的操作性，学生可以通过改变每个步骤中的参数，观察最终的成像效果，加深对超声成像每个步骤的理解和超声成像原理的理解及掌握。

该实验设计目前是以函数形式完成功能实现，下一步将会被封装到图形用户操作界面中，形成具备可视化、交互性、操作便捷的界面，一定会更加利于未来教学和设计运用。

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Experiment Design for Ultrasound Imaging with Ultrasound RF Signal

HUANG Yunzhi，LIU Qi，XIAO Yong
（School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

In order to better understand intuitively the process of reconstructing B－mode images from focused ultrasound RF signal for undergraduate students，an experiment is well designed.Firstly，it makes students complete the collection of RF data on ultrasound equipment.Secondly，it completes imaging process simulation by analyzing the collected signals in each imaging module on MATLAB platform.Finally，it compares the obtained results with shown image in ultrasound equipment.This experiment allows students participating in designing with an opening result.The practical result shows that：the experiment process can not only help students increase the ability to analyze certain problem，but also deepen students＇understanding of the curriculum，stimulate their interest in learning.Thus this experiment will achieve the purpose of improving the teaching effect and quality.

ultrasound RF signal；B mode ultrasound image；Matlab

TP391.9

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.009

2015－08－12；修改日期：2015－09－11

团中央项目——女性乳腺肿瘤超声影像鉴别诊断的评价研究；四川大学实验技术立项项目——基于光学定位仪的三维超声成像系统研究。

黄韫栀（1989－），女，硕士，助理工程师，主要从事医学信号与图像处理，医学信息工程实验室管理工作。