基于超声多普勒效应血流信号处理方法的研究

论文摘要

超声多普勒在临床医学中具有广泛的应用,如对心血管系统血液动力学信息的获取、胎儿心率的测量等等。检测和量化心脏、动脉和静脉中的血流状况是超声多普勒技术应用中的一个主要方面。运动的红血球细胞等反射的超声波束形成了超声多普勒血流信号,诊断信息就可由此信号中提取。超声多普勒技术因其是无创伤测量而备受推崇,但是由于受到超声换能器指向性、声波在声场中的吸收衰减情况、血管周围组织和血管壁的散射信号及传输过程中带来的噪声干扰等,使得回波信号中的超声多普勒频移值难以精确提取。本文采用了小波变换方法对回波信号进行消噪和信号处理,不仅能获得更精确的多普勒频移值,确定血流速度和血流的方向,还可以精确提取信号的特征参数,是一项非常有实用价值的研究课题。对超声多普勒血流信号传统的处理方法是短时傅立叶变换。该方法用一系列窗口将信号划分为连续的片段,然后对每一段信号作傅立叶变换。我们知道,加窗的傅立叶变换导致频谱展宽和能量泄漏,加大窗口宽度可以克服这一缺点,但是这又会破坏信号在分析窗口内平稳性的假设。显然,在频谱带宽中存在由信号分析窗口引入的频谱展宽误差和信号非稳性引入的频谱展宽误差。与短时傅立叶变换不同,小波变换引入了尺度的概念。在分析信号的高频细节时使用压缩的小波,而在分析信号低频部分的变化时使用扩大的小波。该方法具有较高的时频分辨率,特别适合分析非平稳信号。近年来,小波变换从各个方面被用于超声多普勒血流信号的提取及相关参数的估计。本文主要开展了如下几方面的研究内容:1.作者首先仔细研究了超声多普勒血流信号的特性,建立多普勒血流信号的理论模型,在了解超声波血流检测技术基本原理的基础上,通过计算机模拟出多普勒回波信号。该仿真方法的提出,为进一步研究血流信号提供了方便有效的信号源。2.由于超声多普勒信号中可能存在的噪声将影响血流信号最大频率、平均频率和频谱宽度等曲线的估计,进而降低诊断参数的准确性。我们引入了一种基于小波框架的超声多普勒信号降噪新方法,实验结果表明:该新方法能在滤除噪声信号的同时,较好的保留了整个心动周期内的有效超声多普勒信号,取得了很好的超声多普勒血流信号的降噪效果。3.分别运用小波变换分析方法和短时傅立叶变换分析方法对模拟多普勒信号进行了分析及结果显示。通过对实验结果的分析表明:小波变换方法在时域和频域都具有局部性,同时还只有多分辨率特性,适用于分析同时只有低频利高频的信号,它比短时傅立叶变换更适合用于分析多普勒血流信号,并能达到较好的结果。4.血流量和最大血流速度是血流诊断的重要参数,为了提高它们的估计精度,作者在提取血流信号最大频率、平均频率和频谱宽度等曲线进行了初步尝试:提出了一种基于小波分析的最大频率估计法,实验中通过对仿真超声多普勒血流信号提取最大频率曲线,并与仿真中采用的给定值进行比较,证明了仿真方法的有效性;从频谱图中提取平均频率曲线和频带宽度曲线,研究其提取的精确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的背景及研究意义
• 1.1.1 超声诊断技术的发展
• 1.2 本课题相关的国内外研究现状及发展趋势
• 1.3 小波变换的简介
• 1.3.1 小波的发展由来
• 1.3.2 小波分析理论在生物医学工程中的应用
• 1.4 本课题的主要研究内容和所做工作
• 第2章 血管超声多普勒血流测量原理及信号模拟
• 2.1 超声多普勒血流测量的原理
• 2.2 超声多普勒血流信号的计算机仿真
• 2.2.1 超声多普勒血流信号的合成模型
• 2.2.2 速度剖面和功率谱密度的关系
• 2.2.3 计算机仿真结果
• 2.3 本章小结
• 第3章 小波变换的相关数学背景
• 3.1 连续小波变换
• 3.2 离散小波变换
• 3.3 小波变换的多分辨率分析与MALLAT算法
• 3.4 小波变换的物理意义
• 3.5 傅立叶变换、短时傅立叶变换和小波变换的联系与区别
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于小波变换的超声多普勒血流信号降噪
• 4.1 超声多普勒血流信号的噪声源
• 4.2 超声多普勒血流信号降噪原理
• 4.3 超声多普勒血流信号降噪准则
• 4.4 相关参数的选取
• 4.4.1 小波基函数的选取
• 4.4.2 小波分解层数的影响
• 4.4.3 阈值的确定
• 4.5 多普勒血流信号小波降噪的步骤和方法
• 4.6 计算机仿真测试及结果
• 4.7 本章小结
• 第5章 超声多普勒血流信号特征参数提取方法分析
• 5.1 超声多普勒信号最大频率的估计
• 5.2 超声多普勒信号最大频率提取实验
• 5.3 平均频率和频带宽度的估计
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果