[发明专利]数字超声经颅多普勒数字解调和信号处理方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于医疗器械中高精度与智能检测领域，具体包括高速信号采集与处理，高精度，智能化信号检测与分析。

背景技术

超声经颅多普勒系统目前是脑血流检测以及脑疾病分析的一种重要的电子医疗仪器系统，它主要由换能器，超声转换模拟电路，数字信号采集系统，数据分析系统和软件系统组成。

超声波在传播的过程中，遇到运动的物体，其反射波的频率会发生变化，频率变化的大小和物体运动速度成正比。利用这个原理可测量人脑血管的血流速度以及动力学特性，这就是超声经颅多普勒系统的理论基础。

目前，国内生产的超声经颅多普勒系统都是模拟系统，测量的深度最多也只有8个深度。而且系统噪声大，信噪比弱，测量精度差，体积庞大，结构复杂，探头定位基本上是人工定位，不能实现自动化。国外的超声经颅多普勒系统，虽然已经实现数字化，但测量深度最多也只有32个深度，有头套来固定超声探头，但不能对探头实行智能控制，检测数据处理精度不高。主要原因是系统对血管深度变化的灵敏度高。目前对多普勒数据的处理使用的方法都是是短时傅立叶变换，该方法增加了血流频谱的副瓣效应，从而影响测量精度，血流频谱图与噪声点图界限模糊，使医生对检测者的病情难以准确地判断。受高速信号采集和实时处理技术的限制，目前具有全深度的数字化超声经颅多普勒系统还未出现。数字经颅多普勒需要的信号采样速度至少是模拟经颅多普勒系统的120倍，频移解调由原来的模拟解调转为实时数字解调，且要保证解调精度，算法难度增大。受检测噪声和信号处理算法的影响，除血流频谱图外，血流声音的背景噪声也很大。

发明内容

本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种数字超声经颅多普勒数字解调和信号处理方法及装置。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明数字超声经颅多普勒数字解调和信号处理方法包括如下步骤：

步骤1)将输入调频波即没有经过解调的超声回波信号进行A/D采样，然后经过数字比较器进行限幅；

步骤2)从步骤1)所述限幅后的调频波中检出反映在频率变换上的调制信号；

步骤3)首先将步骤2)所述调制信号取绝对值，将调制信号幅度的变化反应到包络线上，然后经过降采样低通滤波器得到低频调制信号。

采用小波变换对超声回波的时变信号进行变换相关出时变信号的频谱；小波变换的方法有并行算法和串行算法两种，并行算法在DSP中实现，串行算法在FPGA中实现。

采用如下方法得到所述包络线：先计算出原始包络的尖点曲率，在以宽度为5的数据量进行平滑；谷点数据由于数据变化比较平缓，采用格雷厄母算法对谷点数据进行毛刺剔除；并以宽度为7的数据量进行平滑。

一种宽带超声经颅多普勒装置，包括：AD转换器、至少两片大容量高速缓存FIFO、DSP和FPGA；采用高速AD转换器采样数据；使用至少两片大容量高速缓存FIFO来存储数据；FPGA作为该系统的主控制器来控制系统中各个单元协调工作；采用DSP芯片对采集的回波数据进行高速处理；通过PCI总线将处理后的回波数据送往PC机中。

AD转换器要采用高速转换器，转换器的控制频率不低于100MHz，转换时间不高于3个时钟周期。

两片大容量高速缓存FIFO，每个高速缓存的深度为4096个字节，两个高速缓存采用乒乓存储机制，由FPGA来控制对高速缓存进行读写。

FPGA：其一，向AD发送控制时钟信号，向FIFO发送读写与乒乓控制信号，向PCI总线发控制信号，仲裁系统中各个模块使用总线；

FPGA：其二，实现数据解调和串行小波的高速硬件流水线算法。

与现有设计相比，本发明具有如下优点：

(1)可实现宽频带扫描，解决了单一频率扫描距离短，精度不高等缺点。

(2)可实现全深度扫描，可对所扫描深度范围的所有血管进行检测。

(3)由于使用并行和串行小波算法，因此提高了系统的适时性和信噪比。

(4)由于使用准确的包络检测方法，可精确的提取血流动态参数，提高检测信号的信噪比，改善频谱图像的质量。

附图说明

图1为全数字调频波解调系统原理框图；

图2为数字鉴频器鉴频特性曲线；

图3为数字鉴频器幅度谱和相位谱；

图4为包络检波结果波形图；

图5为解调结果与原始低频调制信号波形的放大对比；

图6为解调结果幅度谱图；

图7为全深度高速信号采集系统；

图8为全深度数字超声经颅多普勒实施系统；