[发明专利]多普勒信号频谱计算方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种多普勒信号频谱计算方法与装置，尤其是涉及 一种在超声诊断系统中用于计算多普勒血流或者组织的信号频谱的 方法与装置。

背景技术

频谱多普勒技术被广泛用于人体内血流(或者组织运动)速度 的无损检测和测量。以超声多普勒血流信号检测为例，经过发射换 能器将电信号转变为超声信号，然后，入射到人体内。超声信号遇 到人体细胞(例如组织细胞或者血细胞)会发生散射，部分散射信 号到达接收换能器。接收换能器再将散射的声信号转变为电信号， 接收到的微弱电信号经过低噪声放大、正交解调、低通滤波，得到 两路音频正交多普勒信号。由于组织和血管壁回波具有比血细胞回 波大得多的散射幅度，因此往往要使获得的正交多普勒信号先通过 一个高通滤波器(又称壁滤波器)，以滤除极低频率的组织和管壁 回波信号。对获得的多普勒信号进行频谱分析，就可获得该信号的 功率谱。对不同时刻的多普勒信号求功率谱就可获得多普勒信号的 声谱图，该声谱图可送到显示器进行显示。同时，采集到的正交多 普勒信号经过方向分离，分别获得对应于正向血流和反向血流的音 频多普勒信号，该信号分别送到一对立体声扬声器的左、右声道输 出。另外，可以在声谱图上提取平均频率曲线、最大频率曲线，并 从中计算出一些重要的临床诊断参数。

现有超声诊断系统通常对多普勒信号进行傅立叶变换来计算多 普勒信号的功率谱。在频谱计算之前，先对采集到的一段多普勒信 号用窗函数进行加权处理，对加窗后的信号进行固定长度(如256点) 的FFT计算，然后对计算得到的系数取模的平方。当信号的长度小于 FFT计算的点数的时候，对加窗后的信号进行补零，使得补零后的信 号长度为FFT计算所需要的点数(如256点)。经过上述计算获得的声 谱图的时间和频率分辨率完全取决于窗函数的种类和长度。而窗函 数的种类通常是固定的，因此窗函数的长度也就决定了声谱图的分 辨率。为了保证显示的声谱图有较好的时间分辨率，窗函数的长度 通常与多普勒信号的采样率(即脉冲多普勒信号的脉冲重复频率或 者连续波多普勒信号的采样率)和相邻谱线更新的时间间隔相关。 比如，信号采样率增加，则窗函数长度增加；相邻谱线更新的时间 间隔增加，则窗函数长度增加。但是当待检测目标的运动速度较低 (例如信号采样率下降到1kHz以下)，且要求的谱线更新时间较短(例 如谱线更新间隔为4ms)的时候，为了满足较好的时间分辨率，上述 传统方法所需的窗函数很短，从而使频谱的频率分辨率下降很多， 并导致很大的速度估计误差。另外，也可以利用Autoregressive模型(即 AR模型)对超声多普勒信号进行建模，通过对AR模型的参数进行Z变 换(也可以用FFT实现快速Z变换)可获得信号的频谱。由于AR模型 是纯极点模型，在极点对应的频率上会产生一个非常大的谱峰，因 此直接利用AR模型的参数计算的功率谱具有非常大的动态范围，且 随信号带宽的变化功率谱曲线会产生非常大的改变，声谱图显示形 态显得不自然。文献[3]和[4]结合上述两种方法提出了一种利用AR模型 对采集到的多普勒信号进行建模，然后利用该AR模型对采集到的信 号进行预测估计(即实现信号外插值)，将采集到的信号与预测估 计的信号拼接后进行加窗和FFT计算处理。该方法一定程度上解决了 时间和频率分辨率的问题，声谱图的显示形态也与传统的基于FFT的 方法一样。但是，AR模型参数估计和信号的预测将使得实现成本大 大提高，且AR模型参数的估计偏差可能导致预测信号和拼接信号具 有不同的频率信息，并最终导致声谱图显示的畸变。

发明内容

本发明针对现有技术存在的这些缺点，提供一种多普勒信号频 谱计算方法与装置，其直接根据估计出的多普勒信号的平均频率、 功率和带宽，利用解析函数模型估计多普勒信号的功率谱。为了实 现这一目的，本发明所采取的技术方案如下。

按照本发明实施例的第一方面，提供一种用于计算多普勒信号 频谱的方法，包括以下步骤：估计步骤，用于对多普勒信号进行参 数估计，所述参数用于表征多普勒信号的强度、频率中心、以及频 率离散度；以及计算步骤，用于利用所述参数求解预定的频谱函数， 所述频谱函数至少是用于表征多普勒信号强度、频率中心、以及频 率离散度的参数的函数。