[發明專利]數字超聲經顱多普勒數字解調和信號處理方法及裝置

無效

• 申請號: 201110009537.0
• 申請日: 2011-01-18
• 公開（公告）號: CN102176121A
• 公開（公告）日: 2011-09-07
• 發明（設計）人: 靜大海;蔣德富
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02;A61B8/06
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 許方

技術領域

本發明屬于醫療器械中高精度與智能檢測領域，具體包括高速信號采集與處理，高精度，智能化信號檢測與分析。

背景技術

超聲經顱多普勒系統目前是腦血流檢測以及腦疾病分析的一種重要的電子醫療儀器系統，它主要由換能器，超聲轉換模擬電路，數字信號采集系統，數據分析系統和軟件系統組成。

超聲波在傳播的過程中，遇到運動的物體，其反射波的頻率會發生變化，頻率變化的大小和物體運動速度成正比。利用這個原理可測量人腦血管的血流速度以及動力學特性，這就是超聲經顱多普勒系統的理論基礎。

目前，國內生產的超聲經顱多普勒系統都是模擬系統，測量的深度最多也只有8個深度。而且系統噪聲大，信噪比弱，測量精度差，體積龐大，結構復雜，探頭定位基本上是人工定位，不能實現自動化。國外的超聲經顱多普勒系統，雖然已經實現數字化，但測量深度最多也只有32個深度，有頭套來固定超聲探頭，但不能對探頭實行智能控制，檢測數據處理精度不高。主要原因是系統對血管深度變化的靈敏度高。目前對多普勒數據的處理使用的方法都是是短時傅立葉變換，該方法增加了血流頻譜的副瓣效應，從而影響測量精度，血流頻譜圖與噪聲點圖界限模糊，使醫生對檢測者的病情難以準確地判斷。受高速信號采集和實時處理技術的限制，目前具有全深度的數字化超聲經顱多普勒系統還未出現。數字經顱多普勒需要的信號采樣速度至少是模擬經顱多普勒系統的120倍，頻移解調由原來的模擬解調轉為實時數字解調，且要保證解調精度，算法難度增大。受檢測噪聲和信號處理算法的影響，除血流頻譜圖外，血流聲音的背景噪聲也很大。

發明內容

本發明目的是針對現有技術存在的缺陷提供一種數字超聲經顱多普勒數字解調和信號處理方法及裝置。

本發明為實現上述目的，采用如下技術方案：

本發明數字超聲經顱多普勒數字解調和信號處理方法包括如下步驟：

步驟1)將輸入調頻波即沒有經過解調的超聲回波信號進行A/D采樣，然后經過數字比較器進行限幅；

步驟2)從步驟1)所述限幅后的調頻波中檢出反映在頻率變換上的調制信號；

步驟3)首先將步驟2)所述調制信號取絕對值，將調制信號幅度的變化反應到包絡線上，然后經過降采樣低通濾波器得到低頻調制信號。

采用小波變換對超聲回波的時變信號進行變換相關出時變信號的頻譜；小波變換的方法有并行算法和串行算法兩種，并行算法在DSP中實現，串行算法在FPGA中實現。

采用如下方法得到所述包絡線：先計算出原始包絡的尖點曲率，在以寬度為5的數據量進行平滑；谷點數據由于數據變化比較平緩，采用格雷厄母算法對谷點數據進行毛刺剔除；并以寬度為7的數據量進行平滑。

一種寬帶超聲經顱多普勒裝置，包括：AD轉換器、至少兩片大容量高速緩存FIFO、DSP和FPGA；采用高速AD轉換器采樣數據；使用至少兩片大容量高速緩存FIFO來存儲數據；FPGA作為該系統的主控制器來控制系統中各個單元協調工作；采用DSP芯片對采集的回波數據進行高速處理；通過PCI總線將處理后的回波數據送往PC機中。

AD轉換器要采用高速轉換器，轉換器的控制頻率不低于100MHz，轉換時間不高于3個時鐘周期。

兩片大容量高速緩存FIFO，每個高速緩存的深度為4096個字節，兩個高速緩存采用乒乓存儲機制，由FPGA來控制對高速緩存進行讀寫。

FPGA：其一，向AD發送控制時鐘信號，向FIFO發送讀寫與乒乓控制信號，向PCI總線發控制信號，仲裁系統中各個模塊使用總線；

FPGA：其二，實現數據解調和串行小波的高速硬件流水線算法。

與現有設計相比，本發明具有如下優點：

(1)可實現寬頻帶掃描，解決了單一頻率掃描距離短，精度不高等缺點。

(2)可實現全深度掃描，可對所掃描深度范圍的所有血管進行檢測。

(3)由于使用并行和串行小波算法，因此提高了系統的適時性和信噪比。

(4)由于使用準確的包絡檢測方法，可精確的提取血流動態參數，提高檢測信號的信噪比，改善頻譜圖像的質量。

附圖說明

圖1為全數字調頻波解調系統原理框圖；

圖2為數字鑒頻器鑒頻特性曲線；

圖3為數字鑒頻器幅度譜和相位譜；

圖4為包絡檢波結果波形圖；

圖5為解調結果與原始低頻調制信號波形的放大對比；

圖6為解調結果幅度譜圖；

圖7為全深度高速信號采集系統；

圖8為全深度數字超聲經顱多普勒實施系統；