超声中的信号处理(2)

超声中的信号处理（二）内容提要：B信号处理C信号处理1.B扫描2.M7的关键点3.M7的核心处理步骤B信号处理用到了很多种改善图像性能的方式：①孔径合成；②线复合；③谐波成像；④多焦点；⑤空间复合等等通常是上述几种方式中的2～3种组合使用，采用的方式确定了扫描过程。反过来，由扫描过程也可以反推出用到了那些改善图像性能的方式。不同的扫描方法，决定了不同的信号处理方式，在M5,DC3中非常明显体现出来。B信号处理-扫描右图为当前扫描的一个例子，横坐标表示扫描序号。上图表示线号，下图表示属性。可以看出扫描方式为8波束4焦点。B信号处理-扫描先扫同一个线的4个不同焦点的数据，然后线号间隔两线，再次扫描4个不同焦点的数据。B信号处理-扫描-孔径合成接收孔径第一次接收第二次接收….….接收电路接收通道选择开关B信号处理-扫描-线复合多波束接收假设为8波束，让扫描线间隔数小于8，然后将接收线中相同线号的线叠加。用于改善信噪比。下图为采用间隔四线扫描，累加两次的复合情况。下图为无复合，错开8线扫描的情况。B信号处理-扫描-线复合下图为采用间隔两线扫描，累加四次的复合情况。B信号处理-扫描-线复合右图为采用间隔一线扫描，累加八次的复合情况。复合是在帧率和性能之间的一个折衷平衡，当复合累加次数分别为1，2，4，8时，实际上分别等价于8，4，2，1波束系统。常用的是错开两线扫描的方式。B信号处理-扫描-多焦点为改善整场的清晰度。保持线号不变，改变每次发射聚焦区域，从回波中取出相应的聚焦区域的数据。很明显多焦点能兼顾整场的清晰度，但是代价是牺牲帧率。B信号处理-扫描-多焦点M5中，为了节省BLOCKRAM，将线复合和多焦点拼接合在一起完成。反复对BOLCKRAM进行读写操作；不断对输入数据和RAM中读出的数据进行复合或者是拼接区的HANNING窗的加权运算。a0a1a2a0a1a2f0f1f2f3connecta1a1+201.先复合3.后两波束更新RAM4.后一重叠区的复合结果更新第二个存储区第一存储区第二存储区a0a0+202.前一重叠区的复合结果和第二存储区相应的数据HANNING加权实现方案非常复杂！B信号处理-扫描-谐波成像超声图像的分辨率和超声波长成反比，即和频率成正比，但是频率越高，衰减越快。对系统动态范围的要求越高。谐波成像，兼顾基波的穿透力，和谐波的分辨率。谐波成像分为：自然谐波成像，正方向谐波成像。其中正反向谐波成像好理解一些。分别发射正向以及反向脉冲，回波数据相加，消除基波，得到谐波；回波数据相减，消除谐波的干扰。B信号处理-扫描-空间复合沿着不同的偏转角度对人体组织进行扫描，然后将不同角度的图像融合成一帧。B信号处理-扫描-空间复合空间复合并不会改变图像的帧率。抑制图像上的突发的黑点噪声，但是图像清晰度有所降低。复合前的图像复合后的图像1.B扫描2.M7的关键点3.M7的核心处理步骤B信号处理B信号处理-M7的关键点系统每次更改方案，每次更改扫描模式，后面的实现方式就会随着更改，调试，，，在M5中的表现非常明显；M7的突破点便是从哲学角度上概括超声扫描接收处理特点。使得前端扫描，数据存储读写和随后的处理分开，后面的实现处理只依赖参数，不依赖前端的扫描方式。哲学：从现实世界纷繁复杂的社会现象中，提炼出形而上的规律。“凡是现实的就是合理的，凡是合理的就是现实的”“人们首先必须吃、喝、住、穿，然后才能从事政治、科学、艺术、宗教等社会活动。”“我思故我在”“反者道之动，弱者道之用。天下万物生于有，有生于无。”B信号处理-M7的关键点M7整体设计理念高于DC6,M5。M7的精髓：数据帧缓存，将正交解调后顺序上不规则的数据存储于FPGA片外DDRII中，读的时候按所需的规则顺序来读取。M7的神奇点一：矩阵乘，对B来说实现相干累加，对C来说实现壁滤波，对TDI模式来说直通。M7的神奇点二：累加器，对B来说实现非相干累加，对C来说实现自相关后速度矢量的相干叠加。B信号处理-M7的关键点鉴于相干叠加，非相干叠加贯穿于超声信号处理的整个过程，有必要加深对相干叠加，非相干叠加的认识。对数据先IQ加权叠加，后求模的方式称为相干叠加；对数据先IQ求模，后模值加权叠加的方式成为非相干叠加；超声B信号处理中，有孔径合成，多焦点拼接，线复合，正反向谐波数据获取，频率复合，空间复合等等。相干叠加方式：孔径复合，线复合，正反向谐波数据获取，非相干叠加方式：线复合，多焦点拼接，频率复合，空间复合。B信号处理-M7的关键点相干叠加，非相干叠加的概念来自于通信系统，在信道的相干时间之内，相干叠加即IQ叠加可以最大限度提高信噪比。B信号处理-M7的关键点超出了相干时间后，信号相位差异较大，相干叠加无助于提高信噪比，反而会降低信噪比。此时采用非相干即模值叠加的方式，因为信号相位差异较大，但其包络变化不大。B信号处理-M7的关键点什么是相干时间？从统计的角度看，维持信道单位冲击响应基本不变的一段时间。反比于多普勒频移，即和组织运动的速度成反比。下面是两种极端情况：假设组织绝对静止，其速度为0，那么其相干时间为无穷大，即可以做无限多次的相干（IQ）叠加，使得其信噪比为无穷大。假设组织运动速度为无穷大，其相干时间为零，即不能做相干叠加。1.B扫描2.M7的关键点3.M7的核心处理步骤B信号处理B信号处理-M7：数据帧缓存DC6,M5数据重排模块，仅在C处理时用到，借助片外SSRAM实现数据的重新整理。M7将数据重排的概念扩展到B，统称为数据帧缓存。数据帧缓存的实质是根据扫描模式，按照符合要求的数据格式，对FPGA片外缓存的读写。可以认为片外缓存是一个三维的矩阵，装载数据方式如下：B信号处理-M7：数据帧缓存第一个焦点内孔径的头8条线；第一个焦点外孔径的头8条线；第二个焦点内孔径的头8条线；第二个焦点外孔径的头8条线；错开两线扫描；------讲到数据帧缓存，不可避免引入基本概念：子帧，子集，线集，线。以一个8波束，错开两线复合，有孔径合成，两焦点为例，看看数据在三维矩阵中如何装载读写：B信号处理-M7：数据帧缓存接收线号先后顺序如下图：B信号处理-M7：数据帧缓存B信号处理-M7：数据帧缓存B信号处理-M7：数据帧缓存上例中，同一线号的数据共16次得到，即子帧个数为16；数据分两批读出，每一批数据称为一个线集，16个子帧的数据共2个线集；每一批数据包含8个子帧，即线集里面子帧的个数为8；将每一批8个子帧的数据送出去相干(IQ)叠加，即矩阵乘里面的系数为：[1111111]分属不同线集的数据求模后，非相干叠加，合并为一帧数据送到后端显示。在这个例子中，非相干叠加的次数即为线集的个数，相干叠加的次数即为矩阵里面系数的个数。B信号处理-M7：数据帧缓存例1：4波束，无复合，只有孔径合成，其接收线号如下：B信号处理-M7：数据帧缓存例1：4波束，无复合，只有孔径合成，往帧缓存中写：B信号处理-M7：数据帧缓存例1：4波束，无复合，只有孔径合成，从帧缓存中读数据：B信号处理-M7：数据帧缓存例1：4波束，无复合，只有孔径合成子帧个数为2；子集个数为1；线集个数为1；矩阵乘里面的系数为：[11]B信号处理-M7：数据帧缓存例2：4波束，有复合，无孔径合成，其接收线号如下：B信号处理-M7：数据帧缓存例2：4波束，有复合，无孔径合成，写帧缓存如下：B信号处理-M7：数据帧缓存例2：4波束，有复合，无孔径合成，读帧缓存如下：B信号处理-M7：数据帧缓存例2：4波束，有复合，无孔径合成子帧个数为2；子集个数为1；线集个数为1；矩阵乘里面的系数为：[11]B信号处理-M7：数据帧缓存例3：8波束，有复合，无孔径合成，3角度的空间复合，其发射线号如下：B信号处理-M7：数据帧缓存例3：8波束，有复合，无孔径合成，3角度的空间复合，子帧个数共为12；子集个数为3；每个子集的线集个数为1；矩阵乘里面的系数为：[1111]B信号处理-M7：数据帧缓存从正交解调的输出，到数据输出给矩阵乘，帧缓存处理数据过程分为三步：第一次变换：正交解调后的数据写入DDRII之前，解交织一次；第二次变换：第一次变换的结果写入DDRII，然后从DDRII中读出；第三次变换：从DDRII中读出的结果再交织一次，变为适合矩阵乘的数据格式。解交织往DDRII中写从DDRII中读交织正交解调矩阵乘B信号处理-M7：数据帧缓存写入DDRII之前，在FPGA中数据格式变换。B信号处理-M7：数据帧缓存DDRII中数据格式变换。B信号处理-M7：数据帧缓存从DDRII中读出数据后，在FPGA中数据格式变换。但是矩阵乘需要的数据格式是同一线号，不同子帧，同一深度的顺序，因此需要将左图顺序交织成上图的输出格式。在矩阵乘，模值累加中合并为一个点。时间假设4波束，有孔径合成，复合一次，因此子帧为4，从DDRII中，按照属于不同的子帧的同一线号的4线数据读出，这4线数据，先读完整的一线，然后读下一线，，，时间B信号处理-M7：数据帧缓存深度变换，模式切换，即只要是涉及到扫描模式变换的，都是帧缓存的天敌。图像无输出，模式切换时图像异常，图像抖动，丢包，帧率不正常，应该优先检查帧缓存模块；三次数据格式转变过程中，任何一次在时序上稍有不当，整个管道就堵塞，导致系统数据流停滞。可以采用下列手段辅助诊断：采集分析波束合成数据(1)，用于检查送给帧缓存的数据是否正确；分析帧缓存写入到DDRII的数据(2)，用于验证写操作是否正确；分析输入到矩阵乘的数据(3)，用于验证帧缓存读是否正确。B信号处理-M7：数据帧缓存Bug27864BCM时数据丢包；Bug29141BM谐波时M图像间或的亮线；Bug晃取样框时，C突然死掉；BugBC奇偶帧扫描下，帧率只有理论的一半；------B信号处理-M7：矩阵乘B的矩阵乘的实质是对同一个线集内，属于同一线的不同子帧的同一深度的IQ加权求和。B矩阵的系数通常取1或-1。如果存在正反向谐波成像，系数有一半取-1，得到谐波数据成分。C的矩阵乘用于实现壁滤波或TDI模式的直通，和DC6,M5类似。B信号处理-M7：累加器对于B信号处理来说，累积器作用有两个：1是用于基波和谐波处理结果的模值加权叠加；2是用于同一子集内部不同线集结果的叠加，比如多焦点结果的模值叠加。对于C信号处理来说，累积器作用：实现速度矢量的相干叠加。内容提要：B信号处理C信号处理1.C扫描2.数据重排3.壁滤波4.自相关5.求速度6.KEYHOLE噪声抑制C信号处理速度对应着多普勒频移；要检测血流速度，即求出多普勒频移，也就是鉴频；对于数字信号处理来说，鉴频是在采样数据中求出数据中可能的频率成分，等价于鉴别数据的相位变化趋势。C信号处理-C扫描上图中第一，第二，，，次回波数据是如何得到的？对同一位置多次等间隔扫描，假设次数为P；等间隔时间T的倒数1／T称为速度样点采样率；而非AD采样率。从速度样点采样率，发射频率，超声速度，又能换算到血流速度范围：Scale（cm/s）下面为多普勒频移公式，以及测速范围Scale的算法。C信号处理-C扫描上面的公式中Fs即为速度样点的采样率，各种模式下Fs含义如下所示：下图中，K的取值表示不同位置的血流扫描线，对于正常的C扫描来说，采用的是下图左边的扫描方式，而不是右边的扫描方式。为什么？C信号处理-C扫描前提条件1：取样框的位置（深度）决定了C发射的PRF，假设PRF=4K；前提条件2：现在要检测极其低速血流，速度范围SCALE非常小，比如手指尖，采样率1K即够；按照下图右边的扫描方式，如果相邻P之间的时间间隔倒数为1K，能达到要求的速度分辨率，最后显示的帧率就太慢了。按照下图右边的扫描方式，如果相邻P之间的时间间隔倒数为4K，