一种超声回波信号的多次谐波自适应分离方法与流程

本发明属谐波检测技术领域，具体涉及一种超声回波信号的多次谐波自适应分离方法。

背景技术：

组织谐波成像是指接收和利用由超声波非线性传播所产生的谐波信息进行成像的技术，是近年来发展起来的超声非线性领域的一项重大突破。它提高了图像的信噪比和质量，在消除伪像和旁瓣干扰方面有较大优势。由于提高了组织成像性能，使许多疾病的临床诊断范围和诊断水平得到拓展和提高。此外，超声造影剂在超声作用下可激发次谐波和超谐波等，并且，次谐波和超谐波比基波和二次谐波具有更好的组织比，在医学诊断领域显示了广阔的应用前景。因此，完整准确地从超声射频回波信号中分离出二次谐波、次谐波和超谐波等成分就成为研究的重点。

目前，从超声回波信号中提取谐波成分的常用方法有高通滤波和脉冲反相两种。其中，高通滤波器的截止频率、阶数和算法类型对谐波信号的分离精度有很大的影响，需根据回波信号的先验知识选择相对合适的滤波器参数和类型对谐波进行分离处理；并且，在现实信号中基波成分的高频部分往往与二次谐波信号的低频部分有重叠，且各次谐波信号间也会出现重叠或某次谐波不存在的情况，高通滤波的方法直接根据截止频率，无论是否有重叠或不存在的情况直接将超声回波信号分为几个部分。这会降低基波及多次谐波分离的精度，同时造成各次谐波成分的缺失。脉冲反相法可以自适应地将奇次谐波和偶次谐波信号分离为两部分，并在一定程度上增强分离后两部分信号的强度，但不能实现多次谐波的自适应分离。此外，因为需要先后发射两次相位相反的入射波，并对回波进行叠加处理，这就降低了检测帧频，且要求被测对象组织必须是静止的。组织的运动或高帧频的应用都会产生较大的分离误差。综上所述，现有方法并不能够完整准确地从在体实测超声射频回波信号中分离出多次谐波信号。

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种超声回波信号的多次谐波自适应分离方法，其目的是在无需待处理信号的先验信息的情况下自适应的从超声回波信号中分离基波及各次谐波成分。

经文献检索，未发现与本发明技术方案相同的超声回波信号的多次谐波自适应分离方法有关的公开报道。

技术实现要素：

针对现有的从超声回波信号中分离多次谐波成分技术的不足，本发明提供了一种超声回波信号的多次谐波自适应分离方法，具有无需待处理信号的先验知识可自适应完成多次谐波检测分离的优点。

本发明采用一种超声回波信号的多次谐波自适应分离方法，包括具体步骤如下：

1)采集并存储组织的超声射频回波信号。由超声换能器发射正弦激励到组织进行超声扫描，再由超声换能器接收从组织中返回的同时包含组织基、谐波信息的超声射频回波信号，保存后做后续分析；

2)对接收保存的射频回波信号做快速傅里叶变换得到信号的频谱；并对频谱做平滑处理后得到频谱曲线，检测谱曲线最大值对应频率记为信号中心频率f0；

3)对射频信号根据其频率成分分布进行单模信号分解，得到若干个频率成分由高到低的单模分量；

4)对单模信号分解得到的每个分量做快速傅里叶变换得到各分量的频谱并做平滑处理得到频谱曲线；

5)获得每个分量频谱曲线的所有局部极大值(共计n个)，并将他们降序排列，记最大值为p1，若p1-pi＜pth，则认为这个极大值可以代表一个单模概率，仅保留可代表单模频率的极大值(共计m个)，其中，i＝1，2，...，n，pth表示极大值满足代表单模频率成分的门限；

6)判断各分量是否含有混合频率：若m≥2，则该分量含有混合频率成分，不是一个单模分量；若m＜2，则该分量是一个单模分量；

7)若是单模分量，则根据各分量能量峰值对应的f0、2f0、3f0等，将它们划分为基波成分、二次谐波成分或三次谐波成分等信号分量，并对应叠加；若不是单模分量，则将其归入需要再次进行单模分解的信号分量；

8)将分解得到的所有频率分量判断分类完成后，判断需要再次进行单模分解的信号分量是否为空；若为空，则进入下一步；否则，将这个分量作为新的待分解信号，直至将信号分解为只含基波成分或各次谐波成分的分量；

9)将得到的各成分分量分别对应叠加，得到完整的只含基波成分或各次谐波成分的射频回波信号。

进一步，所述步骤(7)中不是单模分量的信号分量与所述步骤(8)中待分解信号分量，返回步骤(3)继续分解。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：

1)本发明根据回波信号的频率分布，可以在无需待处理信号的先验信息的情况下，自适应地将信号根据频率成分由高到低分为若干单模分量；

2)本发明根据各单模分量中的频率分布将分量分为只含基波成分、二次谐波成分或三次谐波成分等信号分量；

3)针对同时含有混合频率的分量，将其作为新的待分解信号继续进行单模信号分解，直至不存在含有混合频率的分量，完成超声射频回波信号基波和多次谐波成分的分离。

本发明所使用的超声换能器和信号传输电缆等硬件材料均由市场购买，回波信号存储、频率分析方法、快速傅里叶变换及平滑方法均为已公开的技术。

附图说明：

图1为本发明的一种超声回波信号的多次谐波自适应分离方法的流程图。

图2为实施例超声回波信号的多次谐波自适应分离及成像结果的流程图。

在图2中，1、实施例标准化超声成像的过程形成原始的b超图像；2、射频回波信号一线的时域波形图；3、射频回波信号一线的归一化频谱；4、同时含有基波和二次谐波分量的混合频率；5、同时含有二次谐波和三次谐波分量的混合频率图；6、只含有基波分量的频率；7、只含有二次谐波分量的频率；8、超声回波信号多次谐波自适应分离得到的基波成分归一化频谱；9、超声回波信号多次谐波自适应分离得到的二次谐波成分归一化频谱；10、超声回波信号多次谐波自适应分离得到的三次谐波成分归一化频谱；11、标准化超声成像的过程形成只含基波成分的b超图像；12、标准化超声成像的过程形成只含二次谐波成分的b超图像；13、标准化超声成像的过程形成只含三次谐波成分的b超图像。

具体实施方式：

下面结合图2与实例对本发明作进一步详细说明。

以测量肝脏组织为例，本发明具体实施步骤包括：

1)采集并存储肝脏组织的超声回波信号。将肝脏组织平放在测量台上，使用超声换能器稳定、准确的对组织进行超声扫描，发射并接收从组织中返回的携带基波和各次谐波信息的超声回波信号，根据标准化超声成像的过程形成原始的b超图像1。利用开放式超声检测系统存储射频回波信号，以做后续信号分析；

2)本发明的方法需要对射频信号每一线进行处理后再整合，对每一线的处理方法都是相同的。选择标准化超声成像的过程形成原始的b超图像1中黑色标注的一线为例，其时域波形2对这线信号做快速傅里叶变换得到信号的归一化频谱3；

3)对射频回波信号一线的归一化频谱3的频谱做平滑处理，获得平滑后频谱曲线的最大值，记其对应频率为f0，作为基波的中心频率；

4)对射频信号根据其频率成分分布进行单模信号分解，得到n个频率成分由高到低的分量；

5)对单模信号分解得到的每个分量做快速傅里叶变换得到各分量的频谱并做平滑处理得到频谱曲线；

6)获得每个分量频谱曲线的所有局部极大值(共计n个)，并将他们降序排列，记最大值为p1，若p1-pi＜pth，则认为这个极大值可以代表一个单模概率，仅保留可代表单模频率的极大值(共计m个)，其中，i＝1，2，…，n，pth表示极大值满足代表单模频率成分的门限；

7)判断各分量是否含有混合频率：根据步骤(6)保留可代表单模频率的极大值个数m：

a)若m≥2，含有两个可代表单模分量的极大值(同时含有基波和二次谐波分量4，同时含有二次谐波和三次谐波分量5)，则该分量含有混合频率成分，不是一个单模分量，将其归入需要再次进行单模分解的信号分量；

b)若m＜2，只含有一个可代表单模分量的极大值(只含有基波分量6，只含有二次谐波分量7)，认为这个分量为单模分量，则根据各分量能量峰值对应的频率将它们划分为基波成分、二次谐波成分或三次谐波成分等信号分量。

8)将分解得到的所有频率分量判断分类完成后，判断需要再次进行单模分解的信号分量是否为空；若为空，则进入下一步；否则，将这个分量作为新的待分解信号返回步骤(4)继续分解，直至将信号分解为只含基波成分或各次谐波成分的分量；

9)将得到的各成分分量分别对应叠加，得到完整的只含基波成分或各次谐波成分的射频回波信号。

10)超声回波信号多次谐波自适应分离得到的基波成分归一化频谱8、超声回波信号多次谐波自适应分离得到的二次谐波成分归一化频谱9、超声回波信号多次谐波自适应分离得到的三次谐波成分归一化频谱10展示了超声回波信号多次谐波自适应分离得到的基波成分或各次谐波成分的归一化频谱。

对超声射频回波信号的每一线都重复以上步骤，将每一线信号得到的基波成分或各次谐波成分分别进行整合，得到完整的只含基波成分的射频回波信号和只含多次谐波成分的射频回波信号。根据标准化超声成像的过程形成只含基波成分的b超图像11；只含二次谐波成分的b超图像12；只含三次谐波成分的b超图像13。

综上所述，本发明涉及一种超声回波信号的多次谐波自适应分离方法，能够根据信号的频率成分自适应的检测分离信号中的基波及多次谐波成分。