B型超声诊断仪设计及编码激励方法研究_黄伟华.doc
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1、 答辩委员会主席 : 委员1: 委员 2: 委员3: 委员 4: 委员5: B型超声诊断仪设计及编码激励方法研究论文作者签名 :4, 指导教师签名; 论文评阅人 1: 评阅人 2: 评阅人 3: 评阅人 4: 评阅人 5: 答辩日期 : 签 字 曰 期 年 月 曰 签字日期: 0 月 日 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研宄工作及取得的 研宄成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人己经发 表或撰写过的研宄成果,也不包含为获得 浙江大 学 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研宄所做的任何贡献均己
2、在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 浙江大学 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权 浙 江大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书 ) 学 位 论 文 储 签 名 导 师 签 名 :浙江大学硕士学 位论文 致谢 I 致谢 两年的研究生生活即将结束,时间匆匆,却让我在求是园里收获了回忆和成 长。 首先,要感谢我的导师胡大可教授,他严谨的治学态度和广博的学识给了我 很大的影响,使
3、我开始了对超声系统的认识和探索,同时也要感谢他为我创造了 良好的科研环境;在我研究生期间,给予了许多学术上的指导、学习上的点拨和 关于人生的谆谆教诲,并对胡老师豁达积极的生活态度 十分的钦佩,我要向我尊 敬的导师表迗最衷心的感谢! 我还要感谢实验室的师兄师姐们,在我初入求是园时,李鹏师兄与我一起讨 论超声成像系统,并建立了深厚的友谊;汪洋旦,樊艳红,章瑶瑛教会了我很多 知识,给予我无私的帮助;还要感谢李赫,周兴平,祁香冰,李育林师兄,在我 们一起的研究生生活中互相鼓励,给予我最美好的回忆。 还要感谢我的父母和程娟,他们在我困难时、低落时、无助时鼓励、支持我, 他们无微不至的关怀,我将铭记终生
4、*。在完成论文之际,由衷的向他们表示深深 的谢意。 最后,还要感谢那些曾经关心我、帮助我的朋友 们! 黄伟华 2008 年 5 月于求是园浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 超声诊断技术不仅具有安全、无损等优点,其优越性还在于诊断参数的多样 性和工程实现上的灵活性。同时,超声理论与技术快速发展,使超声设备不断更 新,超声诊断已经成为预测和评价疾病及其治疗结果不可缺少的方法。 本文首先对超声波进行了描述,阐述了超声发展的历史,超声成像系统发展 的历史。接着阐述了超声波的基本 的物理基础,描述了超声成像系统所要达到的 动态范围、图像分辨率等主要指标。然后,总结了传统单脉冲数字超声成像系统 的设计与实
5、现过程,并详细描述了每个模块的作用和实现方式。接着讨论了时间 带宽积 ( TB积)的概念,并利用模糊函数作为依据,讨论了脉冲编码的选择。 最后利用计算机仿真设计实现了具有编码压缩的超声成像系统,通过肾脏仿真图 片分析了其图像质量的提升,得到了高时间带宽积的脉冲压缩超声成像系统可以 大幅度提高系统的信噪比的结论。 关键词:超声成像,单脉冲激励,模糊函数,编码激励,计算机仿真浙江大学硕士学位论文 Abstract t Abstract The ultrasound imaging system is safe, injury free; and its superiority also consi
6、sts in selecting multiplicity diagnosis parameters and realizing the project flexibility. With the development of Ultrasound theory and technology, ultrasound devices are updating increasingly. Ultrasound Diagnoses has become an important means of forecast, pre-diagnoses and post-diagnoses the disea
7、ses. The thesis firstly describes the ultrasound wave, a brief history of the development of the ultrasound and the ultrasound imaging system. Then the thesis depicts the basic physics foundation of the ultrasound, describes some main parameters to implement an ultrasound imaging system such as dyna
8、mic rage and the resolution of the system. On the next part, the dissertation describes the design and the implementation of the conventional single pulsed digital ultrasound imaging system by dividing the whole system into several functional subsystems. A concept of the Time Bandwidth Product is pr
9、oposed. And by using the Ambiguity Function, the dissertation discussed the selection of the code. Finally, a simulation program of code excitation ultrasound system is designed and leads to the result that a code with high Time Bandwidth Product would greatly enhance the quality of image for the gr
10、eatly increasing of the Signal to Noise Ratio of the digital ultrasound imaging system, which is in the end proved by the emulated kidney image. Keywords: Ultrasound Imaging, pulse excitation, Ambiguity Function, coded excitation, simulation of computer ill浙江大学硕士学位论文 IV 目次 i 射 . I t f . n Abstract .
11、 . . Ill 1 仑 . 1 1.1 超声及超声成像系统的发展概况 . 1 1.2 课题研究内容和任务 . 4 1.2.1课题研究内容 . 4 1.2.2课题任务 . 5 2医学超声成像系统概述 . 7 2.1医学超声 . 7 2.1.1医学超声的物理基础 . 7 2.1.1.1超声波的一般概念 . 7 2.2超声诊断技术及分类 . 9 2.3脉冲回波法超声诊断系统 . 10 2.3.1脉冲回波法超声系统的工作原理 . 10 2.3.2脉冲回波法超声系统的显示方式 . 11 2.3.2.1 A 型显不方式 . 11 2.3.2.2B 型显示方式 . 12 2.3.2.3M 型显示方式 .
12、12 2.3.3脉冲回波法超声系统的特征与主要参数 . 12 2.3.3.1 工作周期比 TW . 12 2.3.3.2工作频率及系统带宽 . 13 2.3.3J 设备分辨力 . 14 3 单脉冲数字超声成像系统设计 . 16 3.1 超声成像的数学基础 . 16 3.1.1 聚焦与变迹技术 . 16 浙江大学硕士学位论文 目次 3.1.2 空间脉冲响应 ( Spatial impulse responses) . 17 3.2 可编程逻辑器件及 FPGA . 18 3.3 FIELD II 概况 . 19 3.4 发射与接收 . 20 3.4.1 概述 . : . 20 3.4.2 发射与接
13、收过程的相关仿真 . 21 3.5 波束合成 . 24 3.5.1 波束合成的模块实现 . 24 3.5.2 波束合成的计算机仿真 . 27 3.6 信号处理 . 31 3.6.1 动态滤波技术 . 32 3.6.2 回波信号的包络检波 . 32 3.7 图像处理 . 33 3.7.1 压縮动态范围变换 . 33 3.7.2 灰阶变换 . . . 35 3.73 时间滤波 . 35 3_7.4 空间滤波 . 37 3.7.5 帧相关 . 38 3.8 DSC 变换 . 40 3.9 电影回放 . 42 3.10 系统实现结果 . 45 4 编码激励超声成像系 统的计算机仿真 . 48 4.1
14、顏 . 48 4.2 编码的种类 . : . 48 4.2.1 . 49 4.2.2 频率编码 . 50 4.3 模糊函数 ( AmbiguityFunction) . 50 4.3.1 信号的调制 . 51浙江大学硕士学位论文 目次 VI 4.3.2 匹配滤波与脉冲压缩 . 52 4.3.3 TB 积和信噪比增益 . 52 4.3.4 衰减介质中的匹配滤波 . 53 4.3.5 模糊函数的性质 . 56 4.3.6 波形的选择一基于模糊函数的讨论 . 56 4.3.6.1 不同激励信号的模糊函数图形 . 56 4.3.6.2 激励信号的分类与选择 . 59 4.4 匹配滤波与失配滤波 . 6
15、0 4.5 仿真结果 . 62 5 总结与展望 . 65 参考文献 . 66 作者简历 . 68浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1.1超声及超声成像系统的发展概况 超声成像的发展是和雷达以及声呐的发展紧密联系的 1。声音是具有有限传 输速度的机械波,这个认识使得人们认为光也是具有类似的性质。伽利略曾经尝 试测量光速,但是由于条件的限制,他得出了一个结论:如果光速不是无限大 , 它肯定非常地快速。接下来,有关电磁波的最早实验产生了利用电磁波回波来测 量距离的方法,通过这些实验,人们预言电磁现象会以波的 形式进行传递,同时 它的速度和光的速度接近。而这个预言在 30 年以后,也就是 18
16、96 年才被赫兹利 用精确的实验证实,也是这个实验,成为射频通信时代的开端。 1912 年,在著名的泰坦尼克号悲剧之后,引入了利用声脉冲侦测大的冰山 的方法。在第一次世界大战期间,法国人 Paul Langevin 成功的将脉冲回波方法 用于潜水艇的探测,他的发明成为今天声呐技术的基础。到了第二次世界大战, 雷迖和声呐技术的发展开始进入成熟期。战后,这些技术开始转为民用。 如果要将声呐技术用于医疗领域,声呐的频率必须高于 1MHz,然而对于 声 呐探头,要迗到这个頻率是很困难的,因为这些探头是利用磁弹性材料制作的, 他们的工作频率一般低于 100kHz。 频率高于 1MHz 的超声波可以利用石
17、英和其 他的压电材料来产生。当时,这些材料的机电耦合特性太差了以至于不能达到超 声诊断波的能量需求。 1942 年,美国人 Wainer 和 Salomon 发现了铁电陶瓷 (ferroelectric ceramic) BaTi03,当它被极化的时候,这种材料的机电耦合特性 可以被用来有效地产生和检测兆赫兹范围的超声脉冲。在二战期间,这种脉冲被 用来检测飞机材料的缺陷,为现 代超声无损检测技术奠定了基础。 二战以后,一些基本的超声原理被应用于医学领域 1947 年在美国丹佛, 还是放射医学实习生的 D. Howry 开始了他利用导航声呐装置和放大器的超声成 像实验。在 1948 年到 49
18、年期间 , Howiy 和工程师 Bliss 起开发了脉冲回波技 术。一年之后,他们得到了一幅水中物体的横截面图像。 1952 年 Howiy 在 J. of浙江大学硕士学位论文 1 绪论 2 Laboratory and Clinical Medicine 杂志上发表了他的第一篇研究成果。 几乎和 Howry同时,美国明尼阿波利斯的 Wild开始使用导航声呐开始了研 究。刚开始的时候,他对不同的组织的区分感兴趣,例如检测癌变姐织。他和工 程师 Reid 起开发了胸部检测器,受检病人胸部损伤检测的正确率可迗百分之 九十。 1953 年, Leksell 使用脉冲回波技术得到了闭合头频的脑图;同
19、年, Edler 和 Hertz 使用这个技术记录了心脏瓣膜的运动并用来诊断心脏病;三年后,脉冲回 波技术被 Mundt 和 Hugnes 用于眼科; 1955 年, I. Donald 和工程师 T. G. Brown 首先将超声应用于产科。 1957 年,日本人 Satumora 第一次利用反射型超声的多普勒频移性质测量人 体血流速度。而第一个脉冲多普勒设备在 1967 年到 1969年间由巴黎的 Pemmeau, 西雅图的 DonaldBaker 和英格兰的 Wells 推出。下表 1.1 是超声成像系统发展的 特点的简要描述。 随着临床诊断的需求和科学技术的进步,尤其是高速度、大容量和
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