专利名称：基于几何滤波器抑制超声彩色血流成像中杂波的方法
技术领域：
本发明属于超声彩色血流成像技术领域，具体为一种基于几何滤波器的杂波抑制 方法。
背景技术：
超声彩色血流成像技术(CFI)能够显示待测剖面上的二维血流速度分布，具有实 时、无损的特点，是临床诊断血管类病变的重要依据。CFI首先利用超声换能器沿某扫描线 方向重复发射M次短脉冲(间隔为U。依次接收到的M段回波信号便携带了该扫描线上 各深度处目标的速度信息。对回波信号进行解调等一系列处理后[1]可得到该方向上的血 流速度分布。最后将各条扫描线上的速度估计剖面按顺序排列，以伪彩色编码显示，就得到 了整个二维剖面上的CFI图像。在接收的回波中除了红细胞的散射信号外，还包含了来自管壁和组织的反射信号 (统称为杂波)。通常杂波功率要比血流功率高出40到100dB不等，这就给最终血流速度 的正确估计带来很大的困难。所以有必要在流速估计前，采用高性能的杂波滤波器来抑制 杂波的影响。在传统的连续波和脉冲波多普勒系统中，常采用高通滤波器(HPF)来抑制杂波。 现代CFI系统出于帧率等原因，重复发射脉冲次数M受到了严格限制，所以不得不采用低阶 的HPF。因此HPF的滤波性能难以得到保障。近几年来，基于特征的杂波滤波器(eigen-based filter)得到了广泛的关注。特 征滤波器从实现原理上看可分为两大类多数据集法(multi-ensemble approach)和单数 据集法(single-ensemble approach)。前者需利用多个采样容积内的回波信号估计自相关 矩阵，且要求杂波运动具有空间平稳性，其典型代表是特征向量滤波器(Eigenfilter)；而 单数据集法仅需单个采样容积内的回波信号即可进行滤波操作，且无空间平稳性要求，其 唯一代表是Hankel-SVD滤波器。另外，递归的特征向量分解法(RED)，结合了以上两类方法 特点，也取得了较好的效果。本发明提出了一种新的单数据集杂波抑制方法几何滤波器。本方法在简化的杂 波运动模型基础上，从空间解析几何和线性代数的角度构造出独特的自相关矩阵，从而获 得杂波子空间。在空间非平稳杂波情况下，本方法具有出色的空间自适应性能，是一种有效 的杂波抑制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空间自适应性强，效果好的抑制杂波的方法。本发明提出的抑制杂波方法是一种基于几何滤波器的杂波抑制方法。其具体步骤 为先以自相关法估计杂波运动速度《。；接着用《。构造高维椭圆表达式的系数矩阵A ；再 利用奇异值分解找到A的特征向量，即为该高维椭圆的各主轴方向；最后可重建杂波子空 间，得到滤波输出；完成杂波抑制。下面对各步骤作进一步具体描述。
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设输入为长度为M的矢量信号x，M即为重复脉冲发射次数。假定认为x由杂波c、 血流b和噪声w三个成分叠加而成 其中x(m)可表示为
x(m) = c(m) + b(m) + w{m)(6)
=K Qxp(j\(Ocm + (pc)) + kb exp(j\o)bm + (pb)) + kww(m)变量k。、kb和kw分别是杂波、血流和噪声成分的幅度权重系数；《。为杂波速度； 小。和cK是随机相位，服从W，2ji]上的均勻分布。若杂波成分幅度远大于血流成分，即k。远大于，则x(m)可近似为
x(m) kc Qxp(j'(o)cm + q>c)), m = 0, 1，…’ M~\. (7)当M = 2时，x (0)与x (1)之间只相差一个相位《。。若令横轴x = Re {x (0)}，纵 轴y = Re{x(l)}，那么式(7)就表示了二维平面x_y上的一个椭圆(一种特殊情况下的李 萨如图形)。当 M>2 时，∑aijxixj=C其中是aij二项式系数，C为常数。式(6)也可等价地表示成矩阵形式
M维椭圆可以用二次项形式统一表达 xTAx=C其中矢量x等于[X(l，Xl，…，xm_Jt ；矩阵A第i行第j列元素即为a…根据式(7)的定义，可以导出A的表达式 接着用线性代数的方法找出系数矩阵A代表的M维椭圆的主轴方向。对A做奇异 值分解(SVD) xT (Q A QT) x = C(11) 其中Q是A的特征向量矩阵，而A是A的特征值矩阵。A对角线上元素的平方根的倒数就对应了该椭圆的各主轴长度[3] ；Q的各列则对应了相应的主轴方向。最后，用找到的M维椭圆的主轴方向构造出杂波子空间，并获得滤波输出y 其中qi是矩阵Q的第i列；K。是人为确定的杂波空间维数，一般取1或2 ;1为MXM 的单位阵。注意此处A对角线上的元素已重新排列，满足条件、彡、彡…彡人㈣。另外在实际应用中，杂波速度《。未知，需用自相关法估计得到 综上，本发明提出的几何滤波器的基本流程可以概括为首先根据式(13)估计杂 波运动速度《。；再按式(10)的定义构造矩阵A;接着对A做SVD，获得其特征向量和特征 值；将特征向量按照特征值的升序重新排列；最后按式(12)构造杂波子空间并滤波输出。
图1、几何滤波器算法流程图。图2、(a)理想血流速度剖面和杂波速度剖面。(b)杂波血流功率比(CBR)剖面。图3、采样不同杂波滤波器后的血流速度剖面比较(a)HPF(b)Hankel-SVD(C) RED(d)几何滤波器。图4、人体颈动脉彩色血流成像结果比较(a)滤波前(b)HPF(c)Eigenfilter(d) RED(e)Hankel-SVD(f)几何滤波器。
具体实施例方式图1给出了整个算法的流程框图。在PC上用MATLAB (R2010a)进行仿真实验，运行环境为Pentium Core Dual 1.8GHz。采用近期文献中介绍的仿真方法，对一条扫描线上的回波信号进行仿真。图2给 出了理想流速剖面、杂波速度剖面和杂波血流功率比(CBR)剖面。用四种流行的杂波滤波器进行杂波抑制，对滤波后的信号再做自相关速度估计， 实验结果在图3中给出。可见RED和几何滤波器的表现要比DM-HPF和Hankel-SVD更出色。 RED由于初始化的需要，在起始若干点处的估计值发生了明显偏差，而几何滤波器的结果则 没有此现象。图4为实际人体颈动脉信号的实验结果。从CFI成像结果可以看出几何滤波器与 其他几种方法一样，都能有效地抑制杂波，提取出较为明显的血管区域轮廓。表1比较了五种杂波抑制方法的时间复杂度和运行速度。表中M为重复发射脉冲 次数，N为纵向采样容积数。从单扫描线耗时来看，几何滤波器要优于Hankel-SVD和RED滤 波器，但逊于HPF和Eigenfilter。表1时间复杂度和耗时比较 由仿真和实验结果可见，几何滤波器能有效抑制杂波，相对完整地保留血流速度 剖面，是一种有效的单数据集杂波抑制方法。 1996.
参考文献J.A.Jensen，超声测量血流速度的信号处理方法.纽约剑桥大学出版社，S.Levy，微分几何流型、曲线和曲面.纽约施普林格出版社，1988.G.Strang，线性代数导论.马萨诸塞威尔斯利-剑桥出版社第二版，1997.
权利要求
一种基于几何滤波器抑制超声彩色血流成像中杂波的方法，其特征在于先以自相关法估计杂波运动速度ωc；接着用ωc构造高维椭圆表达式的系数矩阵A；再利用奇异值分解找到A的特征向量，即为该高维椭圆的各主轴方向；最后可重建杂波子空间，得到滤波输出；其中所述以自相关法估计杂波运动速度ωc的算式为 <mrow><msub> <mi>ω</mi> <mi>c</mi></msub><mo>≈</mo><mo>∠</mo><mrow> <mo>(</mo> <munderover><mi>Σ</mi><mrow> <mi>m</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn></mrow><mrow> <mi>M</mi> <mo>-</mo> <mn>2</mn></mrow> </munderover> <msup><mi>x</mi><mo>*</mo> </msup> <mrow><mo>(</mo><mi>m</mi><mo>)</mo> </mrow> <mi>x</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>m</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中x(m)为某一个采样容积内，解调后多普勒矢量信号的第m个采样值；M为同一扫描线上的重复发射次数；上标*表示共轭；符号∠表示取相角；所述利用ωc构造高维椭圆表达式的系数矩阵A的算式为其中exp()表示e指数函数；j是虚数单位；所述利用奇异值分解找到A的特征向量，并构造杂波子空间的算式为其中Q为特征向量矩阵，由M个特征向量qi构成，i＝0，2，…，M-1；Λ为对角阵，对角线上的元素是A的M个特征值λi，i＝0，2，…，M-1；上标H表示共轭转置；λ0至λM-1的顺序经过调整，其满足条件λ0≤λ1≤…≤λM-1，且q0至qM-1的顺序应与其对应的特征值保持一致；所述重建杂波子空间得到滤波输出的算式为 <mrow><mi>y</mi><mo>=</mo><mi>x</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>I</mi> <mo>-</mo> <munderover><mi>Σ</mi><mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn></mrow><mrow> <mi>Kc</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </munderover> <msub><mi>q</mi><mi>i</mi> </msub> <msubsup><mi>q</mi><mi>i</mi><mi>H</mi> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中矢量x和y分别为滤波器输入和输出；Kc为人为设定的杂波子空间维数，一般取1或2。FSA00000149252200012.tif,FSA00000149252200013.tif,FSA00000149252200014.tif
全文摘要
本发明属于超声彩色血流成像技术领域，具体为一种基于几何滤波器的杂波抑制方法。本方法先用自相关法估计出杂波运动速度；再根据杂波运动速度构造对应的高维空间椭圆表达式，并用解析几何的方法找出其主轴方向；最后用主轴方向构造杂波子空间，完成杂波抑制工作。本方法与传统的特征向量滤波器相比，无需构造自相关矩阵，且具有出色的空间自适应性能，能得到较完整的血流流速剖面，是彩色血流成像中一种高效实用的杂波抑制方法。
文档编号A61B8/06GK101849841SQ20101019797
公开日2010年10月6日 申请日期2010年6月10日 优先权日2010年6月10日
发明者尤伟, 汪源源 申请人:复旦大学