眼组织超声回波信号动态滤波器的设计与研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 8 4 2.46MB 67 页 15积分

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摘要

眼组织回波频谱是设计眼科超声接收滤波器的基本参数。眼是一个不均匀的

器官，所以无法用软组织平均声衰减系数对其回波频谱作出准确的估计。本文从

声学的角度研究了人眼结构，用 10MHz 单元超声换能器对人眼在体扫描，观察

了回波频谱的变化规律，并在此基础上讨论了眼组织特性的影响。结果表明，球

内回波的中心频率的变化很小，眼底 3-5m 后中心频率随着深度快速下降，平均

斜率约为-0.16MHz/mm。在探头通带范围内消除探头和电路的影响后观察组织的

频谱特性，发现晶状体后囊频谱比较平坦而眼底组织的频谱有随频率升高的趋势。

前者特性接近于高反射率的平面靶，而后者接近于瑞利散射子的特性。

根据眼组织随深度变化的频率下降规律，采取 1-7MHz 不同带宽，设计不同

滤波器，将其应用在对应的眼组织回波信号，与采取 1-7MHz 每段回波信号采用

同一常值滤波器的处理方法做比较，发现动态滤波器既照顾了浅部的高频信号，

又兼顾了深部的低频信号，图像表现效果好。

本文结合眼组织结构特征讨论了眼组织特征区域超声衰减和散射的频谱特

征。实验结果和分析表明，组织结构的变化，深度加深，在频谱图上有明显特征

表现，根据这一特征设计出的眼部超声仪器动态滤波器与常值滤波器效果相比较

优。去除探头等影响因素，观察组织自身的频谱特性曲线时也有一定的规律可循，

为将来组织分辨提供路径。

关键字：眼科超声频谱分析组织定征动态滤波器

ABSTRACT

The spectral parameters of echo signals from eyes are critical for designing the

receiving filter of the ophthalmological ultrasound device. It is inappropriate to

estimate the echo spectra of the eyes with the averaged acoustic attenuation coefficient

derived from soft tissues, because the ocular tissues are far from uniform. This paper

studies the echo spectrum from human eyes in vivo. A 10 MHz ultrasonic transducer is

used to scan the human eye and the result shows that the center frequencies of echo

signal from eyeball are almost unchanged from the lens till retina, but decline rapidly

with the depth about 3-5 mm behind the fundus with the average slope about -0.16

MHz/mm. When the contributions of the probe and electronic elements are eliminated,

the remaining spectrum of the posterior lens capsule is relatively flat which is similar

to the feature of a plane reflector with high reflectivity, while the remaining spectrum

of fundus present an ascending trend with the frequency, which is close to the

characteristic expected for Rayleigh scatters.

According to the frequencies of the eye tissue declining with depth, we design

different filters with bandwidths from 1MHz to 7MHz to deal with the echo signal

corresponding to the eye tissue. The result shows that dynamic filter can take better

care of high-frequency from shallow and low-frequency from deep signals than the

same fixed filter, and the former image is better too.

This paper discusses the ultrasound attenuation and scattering characteristics of

the eye tissues. Experimental results and analysis show that the spectrums have

obvious features with the changes of tissues in depth. According to the characteristics,

the dynamic filter compared with the fixed filter effect is excellent for the

ocular ultrasound diagnostic equipment. When the affects of the probe and others are

removed, the spectral characteristics of their own have some certain rules to follow,

which can be provided a path for the future to distinguish organizations.

Key words: ultrasound for ophthalmology, power spectrum

analysis, tissue characterization, dynamic filter

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................... 1

§1.1 课题来源与意义 .............................................................................................1

§1.2 国内外研究及现状 .........................................................................................3

§1.3 本文的主要工作 .............................................................................................4

第二章眼组织超声回波及动态滤波器 .........................................................................5

§2.1 超声的相关声学理论 .....................................................................................5

§2.1.1 声波的基本特性 ..................................................................................5

§2.1.2 声的传播 ............................................................................................6

§2.2 眼组织相关理论 .............................................................................................8

§2.2.1 眼组织结构 ..........................................................................................8

§2.2.2 临床探测方法 ....................................................................................9

§2.3 动态滤波器的提出 ......................................................................................10

第三章眼组织回波信号测量系统的实现 .................................................................. 12

§3.1 回波信号的采集方法 ...................................................................................12

§3.1.1 眼组织回波信号的采集 ....................................................................12

§3.1.2 平面靶信号采集 ................................................................................13

§3.2 实验系统总体构架 .......................................................................................14

§3.2.1 软件系统 ............................................................................................14

§3.2.2 硬件系统 ............................................................................................18

§3.3 数据处理与分析 ...........................................................................................19

§3.3.1 回波信号的分段和功率谱分析 ........................................................20

§3.3.2 平面靶功率谱 ..................................................................................21

§3.3.3 组织声特性 ......................................................................................21

第四章眼组织超声回波频谱的特征及其成因 .......................................................... 22

§4.1 眼组织超声回波频谱的特征 .......................................................................22

§4.1.1 眼组织回波频谱的变化 ....................................................................22

§4.1.2 中心频率及带宽的变化 ....................................................................22

§4.2 眼组织超声回波频谱的特征的成因 ...........................................................24

§4.2.1 平面靶的回波频谱 ..................................................................................24

§4.2.2 去除测试系统影响各组织回波频谱 ......................................................25

第五章动态滤波器的设计及其效果 .....................................27

§5.1 滤波器实验总体安排 ...................................................................................27

§5.2 动态滤波器的设计 .......................................................................................27

§5.2.1 滤波器的系数 ....................................................................................28

§5.2.2 Fdatool 界面设计 .............................................................................. 32

§5.2.3 滤波器的程序设计 ............................................................................34

§5.3 动态滤波器及常值滤波器的效果 ...............................................................34

第六章总结和展望 .......................................................................................................38

附录一眼组织回波信号频谱分析程序 .......................................................................40

附录二动态滤波器程序(以 7M 带宽为例) .................................................................44

附录三 VB 成像程序 .................................................. 47

参考文献 ............................................................ 62

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 64

致谢 .............................................................. 65

第一章绪论

§1.1 课题来源与意义

超声是一种频率超过 20KHz 的机械波，因为其方向性好在探测和诊断区域应

用非常广泛。因超声可无损检测、操作简单、价格经济、显像清晰、对软组织鉴

别能力强等优点，已成为当代医院眼科图像诊断时的首选技术。通常用于临床眼

科诊断的超声频率范围为 2-20MHz 左右。超声图像质量的对于医生诊断疾病有着

极大的意义。

本课题题为眼组织超声回波频谱特性研究以及动态滤波器设计，其目的在于

通过研究眼组织超声回波频谱特性，以此来设计对应的滤波器，进行信号处理来

获得质量较好的成像效果。为什么要研究这个问题，我们从两方面来分析：

一、从声学角度来看：超声信号在人体软组织中的衰减系数与频率有关，两

者大致为线性关系，即频率越高，衰减越严重。由于声衰减的对频率有依赖性，

组织中超声传播具有明显的频移特性[1,2]，即回波中心频率随探测深度的增加向低

端移动，如图 1-1。这就导致了超声回波信号中心频率随着探测深度的增加而降

低，且带宽也会逐渐变窄。因为衰减，眼底深部的信号会比较微弱，更有甚者会

被噪声淹没，在超声成像时导致图像对比度差。

图1- 1 回波中心频率与探测深度的关系曲线

因为超声的衰减特性，传统的常值频率及带宽的滤波器不可能成为理想滤波

眼组织超声回波信号动态滤波器的设计与研究

器，实际上一般为了保证超声信息的完整性，不得不使用能够通过所有深度回波

的宽通带滤波器，但是这样会放过过多的噪声，不利于提高信噪比。我们知道，

如果一个滤波器的频率特性和信号相匹配，那么就能获得最佳的信噪比（SNR），

所以超声接收器中的射频滤波器参数必须随时调整，以获得最佳的滤波效果。

采用动态滤波器[3,45,6]的方法在一定程度上可以满足这种要求。但如何设定滤

波器中心频率和带宽是这个方法的一大难题。为了简化设计，一般假设超声波在

组织中严格符合线性衰减，这样只要知道换能器的幅频特性和衰减系数，就可以

轻松算得动态滤波器参数。但是这种假设下设计的滤波器只有在探头为理想全频

带响应探头，超声传播过程中没有产生非线性作用，并且探头激励为理想的脉冲

激励等理想情况下，才能和超声回波很好的匹配。而实际情况与理想情况的差别，

导致了滤波器与实际回波的不匹配，而这种情况的发生除了使滤波器不能很好的

完成提高回波信噪比及图像分辨率的任务外，还可能导致部分信号频率成分丢失

等情况。为此我们要研究眼组织实际的回波信号频谱以获取更加准确的动态滤波

器的参数。

二、从眼的解剖角度来看：眼是一种特性非常不均匀的研究对象。眼部组织

是由脂肪、蛋白质、水等多种成份组成的复杂介质，入射超声在声通路上，依次

经过眼睑、角膜、虹膜、瞳孔、晶状体、玻璃体、球后脂肪区，这些组织组成成

分不一样。当介质不均匀时，会出现声波的散射，故各段组织所表现的超声特征

由此也很复杂。在临床检查中声脉冲依次穿过角膜、房水、晶状体（也可能避过

此组织）、玻璃体、眼底多层膜状组织、球后软组织，最后抵达眼眶，散射脉冲又

以相反的方向依次穿过各组织回到探头。眼组织中，房水和玻璃体特性与水接近，

晶状体和眼底膜状组织中含有致密组织成分，球后组织又以脂肪和肌肉为主，是

典型的软组织结构。前人对眼球中各种离体组织的超声特性做了充分的研究，从

他们的研究结果中可以看到不同组织之间的差别[7]。可以想见，通常从相对均匀

的软组织中总结的规律很难用于估计在体眼组织的回波频谱特性，而有关器官水

平的在体研究的却又十分缺乏。

研究以获得眼组织超声回波的特性不仅具有重要的临床意义，而且对眼科超

声检查设备的设计也十分重要。本文工作的主要意义在于探究眼部超声的各个部

位的回波特性，提出眼部超声回波信号的特征模型，根据实际反映的频谱特性，

设计动态滤波器，以供眼科超声诊断仪器的设计使用，最终可以实现更好的成像

效果。

第一章绪论

§1.2 国内外研究及现状

通过傅立叶变换之后，宽频带超声信号中的中各频率成分将按频率顺序展开，

形成频率的函数，考察各个频率的变化规律称为频谱分析。超声回波频谱分析是

超声组织定征(ultrasonic tissue characterization ,UTC)的基本方法[8]，其根据是不同

组织具有各自不同的特征性的散射频谱，很多工作将此方法用于各种正常或病变

组织的识别[9,10,11,12]。早在上世纪 80 年代，Lizzi 等人从组织定征的角度出发研究

了在体眼组织的超声散射特性[13]，指出组织结构与回波谱具有相关性，对眼组织

的组织定征做出了有益的尝试。他们对离体眼组织如脱落的视网膜、星状性玻璃

体病变（如图 1-2）、眼内黑色素瘤等已经作了相关组织定征的研究。为了便于理

论分析，他们在实验中有意让声束避开晶状体，并且将研究对象局限于焦点附近，

在这种条件下观察到了眼底附近不同组织散射谱的差异。但由于观察范围的局限，

其结果不足以为扫描设备的设计提供参考，但他们的实验方法给了我们启发，在

下文中的实验设计中得以应用；后续 lizzi 实验室又研究了二维超声回波信号的频

谱分析，并且结果显示二维频谱分析可以提供比一维频谱分析时更加显著的组织

各向异性的新信息[10]；同时代的 Vlad 等人应用超声频谱定征的方法实现在 24 小

时以内在体评估肿瘤放疗后的反馈效果[11]；

Kumon 等人利用高强度聚焦超声扫查

病变心肌组织并通过频谱特性分析组织病变[12]。

图1- 2 超声频谱分析星状性玻璃体病变

虽然研究眼组织的超声频谱特征的文献也有一些，但是将眼组织各部分回波

的数值变化具体化的研究成果却鲜见。而目前有关人体软组织的超声回波频谱研

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摘要：

摘要眼组织回波频谱是设计眼科超声接收滤波器的基本参数。眼是一个不均匀的器官，所以无法用软组织平均声衰减系数对其回波频谱作出准确的估计。本文从声学的角度研究了人眼结构，用10MHz单元超声换能器对人眼在体扫描，观察了回波频谱的变化规律，并在此基础上讨论了眼组织特性的影响。结果表明，球内回波的中心频率的变化很小，眼底3-5m后中心频率随着深度快速下降，平均斜率约为-0.16MHz/mm。在探头通带范围内消除探头和电路的影响后观察组织的频谱特性，发现晶状体后囊频谱比较平坦而眼底组织的频谱有随频率升高的趋势。前者特性接近于高反射率的平面靶，而后者接近于瑞利散射子的特性。根据眼组织随深度变化的频率下降规...

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