专利名称：数字超声经颅多普勒数字解调和信号处理方法及装置的利记博彩app
技术领域：
本发明属于医疗器械中高精度与智能检测领域，具体包括高速信号采集与处理， 高精度，智能化信号检测与分析。
背景技术：
超声经颅多普勒系统目前是脑血流检测以及脑疾病分析的一种重要的电子医疗仪器系统，它主要由换能器，超声转换模拟电路，数字信号采集系统，数据分析系统和软件系统组成。超声波在传播的过程中，遇到运动的物体，其反射波的频率会发生变化，频率变化的大小和物体运动速度成正比。利用这个原理可测量人脑血管的血流速度以及动力学特性，这就是超声经颅多普勒系统的理论基础。目前，国内生产的超声经颅多普勒系统都是模拟系统，测量的深度最多也只有8 个深度。而且系统噪声大，信噪比弱，测量精度差，体积庞大，结构复杂，探头定位基本上是人工定位，不能实现自动化。国外的超声经颅多普勒系统，虽然已经实现数字化，但测量深度最多也只有32个深度，有头套来固定超声探头，但不能对探头实行智能控制，检测数据处理精度不高。主要原因是系统对血管深度变化的灵敏度高。目前对多普勒数据的处理使用的方法都是是短时傅立叶变换，该方法增加了血流频谱的副瓣效应，从而影响测量精度， 血流频谱图与噪声点图界限模糊，使医生对检测者的病情难以准确地判断。受高速信号采集和实时处理技术的限制，目前具有全深度的数字化超声经颅多普勒系统还未出现。数字经颅多普勒需要的信号采样速度至少是模拟经颅多普勒系统的120倍，频移解调由原来的模拟解调转为实时数字解调，且要保证解调精度，算法难度增大。受检测噪声和信号处理算法的影响，除血流频谱图外，血流声音的背景噪声也很大。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种数字超声经颅多普勒数字解调和信号处理方法及装置。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案本发明数字超声经颅多普勒数字解调和信号处理方法包括如下步骤步骤1)将输入调频波即没有经过解调的超声回波信号进行A/D采样，然后经过数字比较器进行限幅；步骤2、从步骤1)所述限幅后的调频波中检出反映在频率变换上的调制信号；步骤幻首先将步骤2、所述调制信号取绝对值，将调制信号幅度的变化反应到包络线上，然后经过降采样低通滤波器得到低频调制信号。采用小波变换对超声回波的时变信号进行变换相关出时变信号的频谱；小波变换的方法有并行算法和串行算法两种，并行算法在DSP中实现，串行算法在FPGA中实现。采用如下方法得到所述包络线先计算出原始包络的尖点曲率，在以宽度为5的数据量进行平滑；谷点数据由于数据变化比较平缓，采用格雷厄母算法对谷点数据进行毛刺剔除；并以宽度为7的数据量进行平滑。一种宽带超声经颅多普勒装置，包括AD转换器、至少两片大容量高速缓存FIFO、 DSP和FPGA ；采用高速AD转换器采样数据；使用至少两片大容量高速缓存FIFO来存储数据；FPGA作为该系统的主控制器来控制系统中各个单元协调工作；采用DSP芯片对采集的回波数据进行高速处理；通过PCI总线将处理后的回波数据送往PC机中。AD转换器要采用高速转换器，转换器的控制频率不低于100MHz，转换时间不高于 3个时钟周期。两片大容量高速缓存FIFO，每个高速缓存的深度为4096个字节，两个高速缓存采用乒乓存储机制，由FPGA来控制对高速缓存进行读写。FPGA 其一，向AD发送控制时钟信号，向FIFO发送读写与乒乓控制信号，向PCI总线发控制信号，仲裁系统中各个模块使用总线；FPGA 其二，实现数据解调和串行小波的高速硬件流水线算法。与现有设计相比，本发明具有如下优点(1)可实现宽频带扫描，解决了单一频率扫描距离短，精度不高等缺点。(2)可实现全深度扫描，可对所扫描深度范围的所有血管进行检测。(3)由于使用并行和串行小波算法，因此提高了系统的适时性和信噪比。(4)由于使用准确的包络检测方法，可精确的提取血流动态参数，提高检测信号的信噪比，改善频谱图像的质量。
图1为全数字调频波解调系统原理框图2为数字鉴频器鉴频特性曲线；
图3为数字鉴频器幅度谱和相位谱；
图4为包络检波结果波形图5为解调结果与原始低频调制信号波形的放大对比；
图6为解调结果幅度谱图7为全深度高速信号采集系统；
图8为全深度数字超声经颅多普勒实施系统；
图9为全深度数字经颅多普勒血流频谱和M波；
图10为全深度数字经颅多普勒不同深度血管的血流频谱图。
具体实施例方式本发明提供一种全新的方法来研究数字超声经颅多普勒系统的弱信号增强技术， 在该技术中，系统可在一个探头上发射1. 6MHz到2. OMHz带宽频率的超声，用很小的采样容积和发射功率也可以得到清晰的图像，且可实现全深度检测，最大检测深度可达1 个深度。本发明之一，是提供一种高速的数字信号解调算法，该算法采用流水方法，对高速采集的信号进行实时解调，可用FPGA直接实现。最高的处理速度可达100M。
调频波的解调称为频率检波，简称鉴频。鉴频电路的功能是从输入调频波中检出反映在频率变换上的调制信号，即完成频率-电压的变换作用。先将等幅调频波的瞬时频率变化规律不失真的变换为调频波的振幅包络变化，然后用包络检波器提取出所需的调制信号。这种方法简称为斜率鉴频。当输入调频信号为Ui (t) =Ac cos[coct+Kf f m(t)dt] (1)时，频率解调器的输出信号应为U0 (t) Kfm(t) (2)那么，理想的频率解调器可以看成由一个时域微分器和包络检波器级连，而时域微分器起频幅变换作用。因为其输出ud (t) = -Ac [ ω c+Kfm (t) ] sin [ ω ct+Kf f m (t) dt] (3)已经是一个调频调幅信号，如果只取包络信息，则幅度检波后的输出信号为U0 (t) = Kdm(t) (4)根据上述解调原理，我们设计了全数字调频波解调系统，该系统原理框图如图1 所示整个系统包括如下几个模块1)限幅模块限幅模块由A/D转换器和数字比较器构成，将输入调频波进行A/D采样，然后经过数字比较器进行限幅，限幅的目的是使本系统的输出信号幅度与输入信号幅度无关。2)鉴频模块鉴频模块完成频率-电压变换，实现该功能的关键是保证鉴频模块通带内的频率和幅度响应之间为线性关系，本系统使用数字方法实现斜率鉴频，这样可以得到十分理想的鉴频特性曲线，图2是使用MATLAB软件设计的数字斜率鉴频器，该数字鉴频器中心频率为沈00!1 z，采样频率为10kHz，带宽为100Hz。可以看出，数字鉴频器在通带内具有近似理想的鉴频特性曲线，这是传统模拟鉴频器很难做到的。图3是该数字鉴频器的幅度谱和相位谱，可以看出，数字鉴频器在通带内具有线性相位，这正是很多应用领域所希望的。3)包络检波模块包络检波模块首先将数字鉴频器的输出取绝对值，将信号幅度的变化反应到包络上，然后经过降采样低通滤波器得到低频调制信号。降采样滤波器输入输出关系如下
N-Iy{n) 二 Υ^ιφ、χ{Μη - k、( 5 )
k=Q其中N为滤波器阶数，M为采样率降低的倍数，即该滤波器输出的采样率降低为输入的1/M，h(k)为该滤波器的冲击响应，用以滤除低频调制信号以外的频率分量。降采样滤波器除了完成低通滤波任务，还降低了低频调制信号的采样率，从而降低了对后续模块工作速度的要求，提高了系统的稳定性。包络检波模块的输出即是我们需要的低频调制信号。根据上述全数字调频信号解调系统的原理，我们使用MATLAB软件设计了仿真系统，进行了计算机仿真。仿真系统输入信号载频f。为2600H z，低频调制信号全部存在，低频调制信号频率为fi = 0. 88+0. 64XiHz(i = 0,1, ... 9) (6)噪声为白噪声和工频干扰，信噪比14dB，仿真系统的信噪比设置为实际应用中的最坏情况，图4是包络检波后幅度归一化的结果。解调结果与原始低频调制信号波形的放大对比如图5所示，图中实线为原始低频调制信号，虚线为仿真系统的输出，可以看出，解调结果基本真实再现了原始低频调制信号。解调信号幅度谱如图6所示。从频域也可以看出，本系统正确恢复了原始低频调制信号。本发明目的之二是提供一种用于计算频谱图的计算方法，以往的血流频谱图都是由短时傅立叶变换分析得到的，使得频谱数据旁瓣过大，信噪比低，本发明采用小波变换的方法来分析超声回波数据，经过改进，该算法可在硬件中直接实现，分串行算法和并行算法两种。设f (χ)为一维输入信号，记 Φ Jk (χ) = 2_jV2 Φ (2_JX-k)，Ψ Jk (χ) = 2_jV2 Ψ (2^'x-k)， 这里Φ (X)与Ψ (χ)分别称为定标函数与子波函数，{ΦΛ(Χ)}与{ΨΛ(χ)}为二个正交基函数的集合。记p。f = f，在第j级上的一维离散小波变换DWT(Discrete Wavelet Transform) 通过正交投影P/与Q/将P^f分解为PJ-J = PJf + QJf = T^]k +Σ《ν#( 7 )
k k其中=ΡΣ h(n)cJ2；In , d=^ g(η)c]2~kl+n (j = 1，2，· · ·，L，k = 0，1，· · · ·，
n=0n=0
N/2L1)，这里，{h(n)}与{g(n)}分别为低通与高通权系数，它们由基函数{ΦΛ(χ)}与 l>jk(x)}来确定，P为权系数的长度。{C °}为信号的输入数据，N为输入信号的长度，L为所需的级数。由上式可见，每级一维DWT与一维卷积计算很相似。所不同的是在DWT中， 输出数据下标增加1时，权系数在输入数据的对应点下标增加2，这称为“间隔取样”。算法1 一维离散小波变换串行算法输入C, CJ1)h = (h0，h” · · ·，V1)g = (g0, gl, . . . , gH)输出:c/,d/ (i = 0，1，...，N/2jM, j 彡 0)Begin(1) j = 0, η = N(2) Whi Ie (η 彡 1) do(2. l)for i = 0 to η-Ido(2. 1. 1) ci'=0, di'=0(2. 1. 2) for k = OtoL-Idocj+1 =—47+1 =(ξ+ι +gkdik+2l)modlend forend for(2. 2) j = j+1, η = n/2end whileEnd显然，算法1的时间复杂度为0(N*L)。
在实际应用中，很多情况下采用紧支集小波(Compact Iy Supportedffavelets), 这时相应的尺度系数和小波系数都是有限长度的，不失一般性，设尺度系数只有有限个非零值屯，...，hN，N为偶数，同样取小波使其只有有限个非零值gl，. . .，&。为简单起见， 设尺度系数与小波函数都是实数。对有限长度的输入数据序列-Jn=Xmn=XIAM (其余点的值都看成0)，它的离散小波变换为Ck+l = Σ cJn^n-2k(8)
Zdk+l = Σ cis -2k J = 0,1,Λ ,J-I(9)
ne Z其中J为实际中要求分解的步数，最多不超过Iog2M,其逆变换为Cn1 = Σ cJkhn_2k + Σ cJkhn_2k , j =( 10)
keZkeZ注意到尺度系数和输入系列都是有限长度的序列，上述和实际上都只有有限项。 若完全按照上述公式计算，在经过J步分解后，所得到的J+1个序列《,_/+ = 0,1,Λ J-mc{ 的非零项的个数之和一般要大于M，究竟这个项目增加到了多少？下面来分析一下上述计算过程。j = 0时计算过程为
χ MCk = Σ XnK-2k
"=1 (11)
Md\ = Yj x g _2k( 12 )
n = l不难看出，^的非零值范围为λ = +即有
“-f^+ifhP^1]个非零值。4的非零值范围相同。继续往下分解时，非零项出现的
规律相似。分解多步后非零项的个数可能比输入序列的长度增加较多。例如，若输入序列长度为100，N = 4，则劣有51项非零，^有27项非零，4有15项非零，《4有9项非零，4有 6项非零，《6有4项非零，4项非零。这样分解到6步后得到的序列的非零项个数的总和为116，超过了输入序列的长度。在数据压缩等应用中，希望总的长度基本不增加，这样可以提高压缩比、减少存储量并减少实现的难度。可以采用稍微改变计算公式的方法，使输出序列的非零项总和基本上和输入序列的非零项数相等，并且可以完全重构。这种方法也相当于把输入序列进行延长(增加非零项)，因而称为延拓法。只需考虑一步分解的情形，下面考虑第一步分解(j = 1)。将输入序列作延拓，若 M为偶数，直接将其按M为周期延拓；若M为奇数，首先令xM+1 = 0。然后按M+1为周期延拓。 作了这种延拓后再按前述公式计算，相应的变换矩阵已不再是H和G，事实上这时的变换矩阵类似于循环矩阵。例如，当M = 8，N = 4时矩阵H变为
权利要求
1.一种数字超声经颅多普勒数字解调和信号处理方法，其特征在于所述方法包括如下步骤步骤1)将输入调频波即没有经过解调的超声回波信号进行A/D采样，然后经过数字比较器进行限幅；步骤幻从步骤1)所述限幅后的调频波中检出反映在频率变换上的调制信号；步骤幻首先将步骤幻所述调制信号取绝对值，将调制信号幅度的变化反应到包络线上，然后经过降采样低通滤波器得到低频调制信号。
2.根据权利1所述的数字超声经颅多普勒数字解调和信号处理方法，其特征在于采用小波变换对超声回波的时变信号进行变换相关出时变信号的频谱；小波变换的方法有并行算法和串行算法两种，并行算法在DSP中实现，串行算法在FPGA中实现。
3.根据权利1所述的数字超声经颅多普勒数字解调和信号处理方法，其特征在于采用如下方法得到所述包络线先计算出原始包络的尖点曲率，在以宽度为5的数据量进行平滑；谷点数据由于数据变化比较平缓，采用格雷厄母算法对谷点数据进行毛刺剔除；并以宽度为7的数据量进行平滑。
4.一种宽带超声经颅多普勒装置，其特征在于包括:AD转换器、至少两片大容量高速缓存FIF0、DSP和FPGA ；采用高速AD转换器采样数据；使用至少两片大容量高速缓存FIFO 来存储数据；FPGA作为该系统的主控制器来控制系统中各个单元协调工作；采用DSP芯片对采集的回波数据进行高速处理；通过PCI总线将处理后的回波数据送往PC机中。
5.根据权利要求4所述的宽带超声经颅多普勒装置，其特征在于AD转换器要采用高速转换器，转换器的控制频率不低于100MHz，转换时间不高于3个时钟周期。
6.根据权利要求4所述的宽带超声经颅多普勒装置，其特征在于两片大容量高速缓存 FIFO，每个高速缓存的深度为4096个字节，两个高速缓存采用乒乓存储机制，由FPGA来控制对高速缓存进行读写。
7.根据权利要求4所述的宽带超声经颅多普勒装置，其特征在于FPGA其一，向AD发送控制时钟信号，向FIFO发送读写与乒乓控制信号，向PCI总线发控制信号，仲裁系统中各个模块使用总线；其二，实现数据解调和串行小波的高速硬件流水线算法。
全文摘要
本发明公布了一种数字超声经颅多普勒数字解调和信号处理方法及装置，所述方法包括将输入调频波即没有经过解调的超声回波信号进行A/D采样，然后经过数字比较器进行限幅；所述限幅后的调频波中检出反映在频率变换上的调制信号；所述调制信号取绝对值，将调制信号幅度的变化反应到包络线上，然后经过降采样低通滤波器得到低频调制信号。所述装置包括AD转换器、至少两片大容量高速缓存FIFO、DSP和FPGA。本发明实现宽频带扫描，可实现全深度扫描，提高了系统的适时性和信噪比，精确的提取血流动态参数，提高检测信号的信噪比，改善频谱图像的质量。
文档编号G05B17/02GK102176121SQ20111000953
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月18日 优先权日2011年1月18日
发明者蒋德富, 静大海 申请人:河海大学