基于编码激励和脉冲压缩的深层介质超声弹性成像信噪比与分辨率提高_张晗.doc

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1、 陕西师范大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行研究工作所取得的研 宄成果。尽我所知，除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人己 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得陕西师范大学或其他用教育机构 的学位或证书而使用过的材料。对本文的研宄做出重要贡献的个人和集体，均 己在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： )2. 陕西师范大学学位论文使用授权声明 本人同意研宄生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属陕西师范大 学。本人保证毕业离校后，发表本论文或使用本论文成果时署名单位仍为陕西 师范大学。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其他指定

2、机构送交论文 的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进 入学校图书馆、院系资料室被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。作者签名： -k A-j 日期 : h多摘要 相比传统超声成像方法，超声弹性成像可以检测和显示生物软组织内部弹性 参数的分布特征，可以有效的获得组织内部的弹性参数变化情况，在医学检测中 有广泛的应用前景。其不足也同传统超声成像方法一样，尤其在检测深度较大时， 信噪比不高、空间分辨率较差等等，使其应用受到一定的限制。 传统超声弹性成像利用准静态超声互相关估计方法，通过比较经外力压缩前 后的组织的回波信

3、号，获得受外力压缩时组织内部的应变参数 ，反演其内部的硬 度参数分布。这种方法中换能器的激励信号一般为短时脉冲，由于受人体的超声 损害闘值的影响，其幅度不能太尚，因而容易受到噪声的影响，加之组织对超声 信号的散射与吸收，导致在深部组织的弹性成像信噪比不高，图像的时域分辨率 差。 增大回波信号的信噪比，可以采取增大脉冲发射功率和增加脉冲长度两种方 法。然而增大信号的发射功率可能会对人体造成损害，使得保证成像的时域分辨 率和增大其信噪比之间存在矛盾。雷达系统中常用编码激励的方法，增加激励脉 冲的时长，提高平均发射功率，通过脉冲压缩的办法提高信号的分辨 率。在同样 的发射功率下，可以有效的提高回波的

4、时域分辨率和信噪比。 因此本文将编码激励与脉冲压缩的方法与弹性成像相结合，尝试使用编码激 励信号进行弹性成像。本文主要进行了以下工作： (1) 分析在不同噪声条件下的编码激励信号经过不同脉冲压缩方法处理后弹 性成像结果的信噪比和时域分辨率。并探讨在保证应变估计准确率的前提 下，可以接受的噪声水平范围。 (2) 基于组织体对超声信号的吸收、散射及噪声的数学模型，建立存在不同硬 度变化的正常生物体组织弹性成像模型。通过对超声换能器特性的模拟， 进行了超声应变成像 的仿真。 (3) 应用编码激励和脉冲压缩方法，与传统超声成像方法取得的结果相比较， 得到了组织的应变成像结果。 通过对成像结果的分析，本

5、文得到如下结论： (1) 传统方法的弹性成像结果边缘模糊，尤其在组织深度较大时 ,其信噪比低， 分辨率差。 (1) 应用编码激励和脉冲压缩方法的弹性成像结果，与应用传统超声成像方法 的结果相比信噪比更高，时域分辨率也有大幅提升。 (2) 巴克码匹配滤波结果中存在其旁瓣的干扰，在一定程度上影响成像准确 性。 (3) 失配滤波结果中不存在匹配滤波方法造成的旁瓣干扰，在获得 同样的信噪 比与时域分辨率时，成像结果更准确。 关键词：弹性成像，编码激励，脉冲压缩，巴克码Abstract The distribution characteristics of elastic parameters of t

6、he biological soft tissue can be detected by the elastography technique. Compared to the conventional ultrasonic imaging method, elastography has the capability of detecting distribution characteristics of elastic parameters in the tissue, thus has a bright prospect in medical ultrasonic imaging. Ho

7、wever for deep tissue detection, it has drawbacks like low SNR (Signal to Noise Ratio) and low SR (Spatial Resolution) due to serious noise influence, which limits its applications. In conventional elastography method, Quasi-static Ultrasonic Cross-correlation Estimation approach is used to compare

8、the two signals echoed and received fi- m tissue before and after applying an external compression. Thus inner strain of the tissue and the inversed hardness distribution can be obtained. Generally, in this approach, the signal transmitted through transducer is a short-time pulse whose amplitude is

9、limited due to the threshold of ultrasonic damaging on human body, thus is vulnerable to noise, while the signal attenuates by being absorbed and scattered in the tissue. When in greater detection depth, the elastographic result has a low SNR and a relatively poor SR. To increase the SNR of echoed s

10、ignals, we could increase the pulse transmission power and increase the pulse length. However increased transmission power may have chance to damage human body, thus this lays a contradiction ensuring the SR and increasing the SNR. In radar systems, CE (Coded Excitation) and PC (Pulse Compression) i

11、s commonly used to improve the average transmission power. Under the same average transmission power, both better SR and higher SNR can be achieved using the approach introduced above. In this paper CE/PC and elastography was combined to achieve elastographic imaging using CE/PC method. In this pape

12、r following work has been done. (1) SNR and SR of elastographic imaging results under range of noise conditions and two CE/PC approach and also the acceptable noise level ensuring the strain imaging accuracy was analyzed. (2) Based on Mathematical model of absorption, scattering and noise of biologi

13、cal tissue, a biological tissue model for elastographic imaging was illiv established, which contains a simulated region with different hardness implanted into normal tissue. A transducer with specific parameter was simulated and an ultrasonic strain imaging simulation was achieved. (3) Tissue strai

14、n imaging results which applied CE/PC approach was obtained, which was also compared to ones by conventional ultrasonic imaging method. After the study on ultrasonic strain imaging results mentioned above, we now have the conclusion that: (1) Imaging result obtained using conventional method has blu

15、rred edges within that indicate relatively low SNR and poor SR. (2) Imaging results obtained using CE/PC methods have higher SNR and enhanced SR compared to that of conventional method, (3) Sidelobe disturbance occurs in the imaging result of Matched-filtering method that affects accuracy of imaging

16、 results. (4) Sidelobe disturbance does not occur in the imaging result of Mismatched-filtering method thus is more accurate while guarantees almost same SNR and SR. Keywords: Elastography, Coded Excitation, Pulse Compression, Barker-code 目录 織 . . I Abstract . Ill 第 1 章 . 绪论 . 1 1.1. 研究背景 . 1 1.2. 超

17、声弹性成像 . 2 1.3. 编码激励和脉冲压缩技术 . 2 1.4本文的研究内容 . 3 1.4.1. 本文的研究内容 . . . 3 1.4.2本文的结构 . 4 第 2 章 .原理和方法 . 5 2.1. 基于时域互相关估计的弹性成像 . 5 2.1.1弹性压缩 . 5 2.1.2. 短时互相关系数估计 . 7 2.1.3. 应变与信号时延的关系 . 7 2.2. 传统超声检测方法 . 8 2.3. 二相编码激励 . 8 2.3.1. 二相信号编码特性 . 9 2.3.2. 巴克码的编码激励及其匹配滤波 . 9 2.3.3. 二相巴克码时域分辨率分析 . 10 2.4. 脉冲压缩方法 .

18、 12 2.4.1. 匹配滤波与失配滤波 . 12 2.4.2. 脉冲压缩结果 . 12 -2.5本章小结 . 13 第 3 章 .编码激励和脉冲压缩仿真研究 . 15 3.1. 仿真测试方法 . 15 3.1.1. 信噪比与分辨率测试方法 . 15 3.1.2. 估计准确率测试方法 . 15 3.2. 信噪比测试结果 . 16 3.3. 分辨率测试结果 . 19 3.4. 估计准确率测试结果 . 22 3.5. 本章小结 . 23 第 4 章 .深度组织弹性成像仿真研究 . 25 4.1实验平台 . 25 4.2. 实验设计 . 25 4.2.1. 仿真信号模型 . 25 4.2.2. 换能

19、器信 号模型 . 26 4.2.3. 信号衰减模型 . 29 4.2.4. 信号肯女射模型 . 30 4.2_5.噪声模型 . 30 4.3. 实验方法 . 31 4.3.1.实验流程 . 31 4.3.2组织模型 . 31 4.3.3噪声仿真 . 32 4.3.4. 仿真成像方法 . 33 4.4. 本章小结 . 34 第 5 章 .实验结果与分析 . 35 5.1成像结果 . 35 5.2. 信噪比与分辨率测试 . 35 5.3. 实验结果比对分析 . 44 5.4. 本章小结 . 45 第 6 章 .总结与展望 . 47 6.1本文总结 . 47 6.2. . 今 后工作展望 . 47

20、参考文献 . 49 . 55 攻读硕士学位期间承担的科研项目与成果 . 57第 1 章 绪 论 第 1 章 . 绪论 1.1. 研究背景 超声弹性成像兼顾了超声成像技术的优点，如没有电离辐射、无损检测、方便 易用、速度快 （ 无创性、易用性和实时性 )等 1。相比于传统超声成像，超声弹性 成像可以显示出组织内部的弹性参数 2的分布特征，有着广阔的发展前景。由于成 像理论和工作模式所限，存在空间分辨率低、检测深度有限、成像易受噪声影响 等不足。 传统超声成像利用超声换能器发射脉冲，经组织传输反射后形成超声反射波用 来直接成像的方法己经应用的非 常广泛。对于人体医学超声来讲，限于人体组织 对超声强

21、度的承受能力，换能器的发射功率 3_5不能太高，组织的探测深度较深时 受到限制。在深度组织检测时，弹性成像结果中信噪比低，图像分辨率差。 增大回波信号信噪比，一般采取增大发射脉冲功率或者增大脉冲长度的方式 6。针对于生物体组织，增大发射功率产生的空化效应和热效应会对生物体组织产 生不可逆转的损害。而且窄脉冲的占空比非常小，从而发射的超声信号其平均功 率非常低。而脉冲长度增大必定影响时域分辨率，因而减小信号的时域分辨率和 增大其信噪比之间存在矛盾。若要 在不增大平均发射功率的情况下，提高超声回 波信号的信噪比，必须应用新的方法。 雷达系统中常使用编码调制和脉冲压缩技术提高平均发射功率 。相比于传

22、 统单脉冲激励信号，在同样的发射功率下，编码激励信号具有大的等效带宽，可 以获得更高的距离分辨率和信噪比。 在超声成像领域，编码激励和脉冲压缩技术也有广泛应用 1()1。然而在弹性成像 方面的应用却非常少见 11_|2。将编码激励和脉冲压缩技术应用到超声弹性成像当 中，在应用在弹性成像方面是一个非常有意义的尝试，可以拓展用于应变成像的 冋波信号的信噪比，提高成 像的时域分辨率，使得弹性成像结果更准确。第 1 章 绪 论 2 1.2. 超声弹性成像 超声弹性成像 (Sonoelastography)是一种新颖的组织内部超声成像方法。自 1991 年JotiathanOphir 等人首次提出超声弹

23、性成像的概念 213后，发展很快。 1994年 Matthew O Donnell 等人提出了将较大的形变分解为较小形变之和的办法 14，提高 了检测到的组织中应变的信噪比。 1990年 Yoshiki Yamakoshi 提出振动声成像 15, 这里理论在 1998年被 Mostafa Fatemi 和 James Greenleaf 发展 16，他们提出超声激 发振动声谱成像，即振动声成像，利用低频振动在组织内传播，产生组织的振动 图像。 1999 年StefanCatheline 等提出了间歇性弹性成像技术 17，用一个低频间歇 振动使组织内部形成位移，得到组织内 部的相对硬度图像，同时

24、利用超声确定位 移的位置，更加方便的确定组织内部的相对硬度情况。 2010 年 Kui Lin 等提出了爬 行波弹性成像 18。同年 ，Pengfei Song 提出了应用剪切波的间歇性弹性成像 191。 在我国，超声弹性成像也被广泛研究 2()。白净等提出了利用多尺度估计减小应 变较大的情况下组织唯一估计的误差 pl,使得允许的最大应变由 1%-2%提高到 8%-10 /。，并且使用空间互相关的办法 22弥补了组织横向位移对进行应变估计的纵 向位移的影响。同时还研究了超声弹性成像的位移估计与 应变估计二者之间的数 值微分关系。罗建文等将有限元方法应用于超声弹性成像应变估计方法中 231，对

25、组织进行建立有限元模型，利用弹性力学理论计算得到组织在不同情况下的应变 情况。这种方法作为一种逆向研宄，研宄了弹性成像的内部机理，对更深入研宄 弹性成像方法、改良弹性成像技术等是有建设意义的。 在医学研究中超声弹性成像也会显示出其独特价值，随着理论的不断完善，会 日益有更广泛的应用。 1.3. 编码激励和脉冲压缩技术 在超声成像方面，应用编码激励技术也有广泛应用。 TakeuchiYasuhito 于 1979 年提出在医学超声成像系统中采用编码激励的方法 24,指出受限于系统对时间带 宽积的限制，可以在超声成像系统中采用编码激励方式。 1992 年 ， Matthew ODonnell等研究

26、表明超声发射能量受峰值声功率和平均声功率两个安全指标的限 制 3。同年，Pai-chiLi 和 EmadEbbini 等提出使用编码激励和脉冲压缩技术，在 满足安全标准的条件下，可以得到 15dB 到 20dB 的信噪比增益 。 Ihor Trots 和 Andrezej Nowicki 等采用能量相同位数不同的 互补 Golay 码信号激励换能器 26，得 出第 1 章 绪 论 3 频带宽度窄的信号更适用于超声成像的结论。 Chang-hong Hu 和 Qi-faZhou 米用 3 周期单位码元 13位巴克码激励换能器 27，利用失配滤波器得到了 -90dB 的旁瓣 比值。其他的编码方法如

27、 Golay 码、线性调频序列、 M 序列等也陆续有人尝试 28_3。 General Electrics公司和 Siemens公司己经开发出了应用编码激励的超声成像系 统32_34。 西安交通大学的谷金宏、王素品等在仿真实验中采用相关算法 35，表明采用编 码激励和 脉冲压缩可以提高深部组织散射回波的信噪比。谷金宏、万明习等研宂 了调频信号对超声回波信号信噪比的提高效果 36，得到了约 10dB 的信噪比提高。 天津大学陈晓东、周浩等将编码激励方法应用于超声医学内窥镜系统 37，结果表 明码元为 4 的巴克码信号得到的成像效果最好，并且随着换能器相对带宽的增加 , 回波信号信噪比随之提高。清

28、华大学的刘凯、高上凯等采用穷举法彳晏到了 13-53 位长度的脉冲序列 38，得出与巴克码相比，其脉冲序列有更大的信噪比增益。彭 宇旗、高上凯等详细论述了伪随机编码和线性调频编码在超声成 像中可以得到的 信噪比增益上限 391。南昌大学魏庆国、刘晔等釆用 16 位互补 Golay 码应用于超声 成像 4C)： i， 结果表明采用此方法可以消除回波中的距离旁瓣。天津大学綦磊、张涛 等将编码激励技术应用于超声气体流量监测方向 41，研究了编码激励信号与超声 换能器的带宽匹配。陕西师范大学刘波等，进行了多周期二相巴克码的码长与周 期的选择对比研究 K)1， 针对 2.5MHz 超声换能器与现有采集设

29、备，得出三周期巴克 码最适宜作为超声换能器的激励信号结论。本文借鉴其思路，在其结论的基础上， 将编码激励与脉冲压缩方 法尝试应用在组织超声弹性当中。 1.4. 本文的研究内容 1.4.1. 本文的研究内容 本文使用准静态超声互相关估计 （ Quasi-static ultrasonic cross-correlation estimation)方法进行弹性成像 21,并将编码激励与脉冲压缩方法应用于超声弹性成 像当中。分别使用匹配滤波和失配滤波方法与准静态超声互相关估计方法，进行 了超声弹性成像仿真，得到了了组织体弹性成像仿真结果，并对仿真结果进行了 信噪 比和时域分辨率的研究，并以传统脉冲检

30、测成像结果作为对比。结果表明， 使用编码激励和脉冲压缩方法，超声弹性成像结果的信噪比和时域分辨率都有提 高。在编码激励和脉冲压缩方法时，组织的检测深度更大。本文的方法与流程简 单易用，成像效果较好。在第 1 章 绪 论 4 检测深度较深时对成像结果的信噪比与分辨率的提升 非常明显，对于推动超声弹性成像的实用化是很有意义的。 1.4.2.本文的结构 第一章为绪论。第二章简述了超声弹性成像和巴克码编码激励的基本原理，介 绍了脉冲压缩的两种基本方法，及其在不同噪声条件下两者的信噪比和时域分辨 率的性能 和变化情况。第三章介绍了本文仿真的实验模型参数和模型的建立，仿 真数据的选择和提取，使用仿真数据得

31、到了弹性成像结果，并对结果进行了性能 分析，验证了预想结果，得到了满意的结果。第四章为全文的总结和今后工作的 展望。第 2 章原理与方法 图 2.1 软组织体受外力挤压，在挤压方向产生应变的示意图 Figure 2.1 Illustration of strain of soft tissue in the compressed direction when external compression applied. 第 2 章 .原理和方法 2.1. 基于时域互相关估计的弹性成像 文献 42研宄表明，在生物组织中，癌变组织的硬度在正常组织硬度的 5-28 倍的范围内。一般医生的触诊主要是感觉

32、硬度变化，但受限于医生的 知识、经验 等个体情况，不能定性的探讨硬度变化问题。对于硬度的检测，弹性成像的方法 一般采用在轴向外力压缩下的方法，若组织为均匀介质，则组织内部会产生在横 向均等的应力。若组织中存在硬 度不同的区域，则在外力压缩下，硬度较大的区 域的应力会比其周围硬庠较小厌域的应力小 3 。第 2 章原理与方法 6 图 2.2 应变估计的原理示意图 Figure 2.2 Illustration of principle of strain estimation. 如图 2.2所示，在挤压前的回波信号中截取了两段信号。经外力挤压后，此回 波信号发生压缩和时移。上方信号表示未压缩时的信

33、号，作为应变成像计算的标 准。下方信号表示经过外力压缩后的信号。 两者的信号表示分别为 44 表达式中表示整体应变，即受外力压缩后信号长度被压缩的比率。为被 测组织的单位脉冲响应，为换能器发出的超声信号， /7(为检测噪声。如 2.1所示，设 在挤压后组织在受挤压方向整体应变为 ct,即在组织受挤压方 向最大位移与其原来长度的比，其范围在 1%到 5%的范围内 1343。随着压缩比的 增大，应变估计的结果也趋向于具有更大的误差 14。在本文仿真中采用的组织体 压缩率为 1%。若超声换能器发射接收的方向与受到挤压的方向存在平行分量， 则在受挤压前后，组织体的超声回波信号会发生压缩和时移。 n(t

34、) (1) s( )*p(t)+ n2(t) (2) 第 2 章原理与方法 2.1.2. 短时互相关系数估计 文献 45证明，弹性组织内的相对应变与经外力压缩前后的两列回波信号的互 相关系数有关。但若使用整列回波信号进行互相关系数估计，其计算精度不高。 而且得到的是整列信号的应变估计，而无法显示组织体内部的应变差异。因此有 必要采取短时互相关估计对回波信号在更小的尺度上进行应变估计。 文本采取短时互相关估计法如图 2.3所示 46 图 2.3 信号短时互相关估计示意图 Figure 2.3 Illustration of short-time cross-correlation estimat

35、ion of signals. 图 2.3中蓝色与绿色分别代表外力压缩前与压缩后的回波信号。红色方框代表 选取的时窗，红色虚线方框代表下一个时窗，它与上一 h 时窗有一个重叠率，代 表重叠部分的比率。对两个信号采取一定的计算，可以得到当前时窗内的应变估 计。当多个时窗覆盖整个回波 信号时，就可以得到整个组织体回波信号的应变估 计。 2.1.3.应变与信号时延的关系 文献 44表明，外力压缩为时，对弹性体内部造成的应变为 e=l-a。 此时若 外力压缩率较小， p 为两短时时域信号的互相关系数，则有相对应变纟 = l-p。 因 此可以得到组织某处的相对硬度 A =兰 ，其中知为组织的参考硬度。第

36、 2 章原理与方法 8 2.2. 传统超声检测方法 传统超声检测方法通过对超声回波信号的峰值进行检测，通过计算峰值时延， 确定被检测物体中的反射位置。如图 2.4所示，信号为一列典型的超声回波信号 的包络信号，取自本文仿真中获得的组织回波信号，组织中存在两个反射面，图 中可以明显看到两个脉冲峰值，并且信号中存在噪声干扰。 图 2.4 列典型的超声回波信号包络 Figure 2.4. Envelop of a typical echoed ultrasonic signal. 然而此方法具有的局限性是，往往在检测深度较大时，回波信号脉冲与噪声 叠加，降低了回波信号的信噪比，影响成像分辨率，从而无

37、法有效检测反射位置。 因换能器发射出的是短时脉冲，虽然其峰值较大，但整个信号中除脉冲外的其他 位置取值接近于 ,其平均功率非常小。在生物组织中因发射功率的限制，不能 以提高发射功率获得回波信号信噪比的提高。为了使成像结果信噪比更高，分辨 率更大，解决减小信号的时域分辨率和增 大其信噪比之间存在的矛盾，必须应用 新的方法。 2.3. 二相编码激励 单载频脉冲信号的时宽 r 及其带宽 5满足 r5=i47。长脉冲因带宽窄，其距 离分辨力必然降低。应用二相编码信号，使超声发射信号的长度增大。能够在不 增加最大发射功率的前提下，提高平均发射功率 48，即可以达到 ral。 利用匹 配滤波器等对回波信号

38、进行脉冲压缩，使积压缩为 1，信号还原为窄脉冲。在 存在噪声干扰时，压缩后信号幅值第 2 章原理与方法 9 与原窄脉冲相比大大增强，显著提高回波信号 的信噪比，提高时域分辨率。 2.3丄二相信号编码特性 一列相位编码信号，其复数表达式可以写作 (3) a( 为信号包络，为相位调制函数。若信号采用二相编码，则次相位值取 0 和 7C两个值。 当信号包络为矩形时，相位编码序列可以表示为： v(0为子脉冲函数 ， *代表卷积运算， 71为脉冲宽度， P 为二进制序列码长，则 /T 为编码信号的持续时间。信号为二相编码序列，则式中 &=，的取值为 +1 或 -K 若一列二相编码信号总时宽为 ra=pr

39、， 则其时宽带宽乘积或脉冲压缩比可以 表达为z=7； 5=raJp/ra =尸。因此长的二相编码序列可以得到大的脉冲压缩比。 二相编码信号的自相关函数的特性，主要取决于其采用的二元序列的自相关 函数特性。因此为了得到具有良好自相关特性的二相编码信号 ，必须对良好自相 关的二元序列进行调制。 当信号幅值恒定为 d 时，以上表达式可以作 (/)= 2.3.2. 巴克码的编码激励及其匹配滤波 常见的相位编码方式包括巴克码、互补 GolayS4(PM 序列等。这些相位编 码方式中，互补 Golay 码因为其两次发射机制，易收到生物体组织运动的影响。 M 序列在以非周期脉冲方式发射时自相关函数旁瓣较高 4因此后两者在生物组 织弹性成像方面应用不广泛。 第 2 章原理与方法 10 图 2.5 (a)上图：一列 13 位巴克码信号 （ b)下图：一列 13 位巴克码的自相关函数 Figure 2.5 (a) Upper Figure: A 13-bit Barker-code (b)Lower Figure: The auto-correlation signal of a 13-bit Barker-code. 如图 2.5所示， 13位巴克码信号自相关信号在 0时取得相对