超声回波信号中的相位信息

超声回波信号中的相位信息——与Acuson公司商榷何正权　袁　勤　刘志宏摘　要　回波信号中的幅度信息和相位信息是超声成像的依据。文章首先介绍了获得回波信号相位信息的方法,接着说明了以声束形成器为基础和以相干图像形成器为基础的结构成像方法,指出了相干图像形成在使用相位信息方面的错误。文章最后论述了相位信息在结构成像中的重要意义。关键词　相位信息　正交分解　模成像　相干性PhaseInformationofUltrasoundEchoSignal——toDiscusswithAcusonInc.HeZhengquan,YuanQin,LiuZhihongUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina　610054ABSTRACT　Amplitudeandphaseinformationinechosignalarethebasesofultrasoundimaging.Methodsofobtain-ingphaseinformationofechosignalareintroducedinthispaperfirst,thenimagingmethodsforstructurebasedonbeam-formerandcoherentimageformerarestated.Theerrorcausedbycoherentimageformerinuseofphaseinformationispoint-edout.Finally,thesignificanceofphaseinformationforstructureimagingisdiscussed.KEYWORDS　Phaseinformation　Quadraturedecomposition　Moduleimaging　Coherence 超声诊断设备(UltrasoundDiagnosticEquip-ment,简称UDE)是利用超声回波信号中所携带的信息来工作的。超声波本身是一种波动性质的能量,因此具有幅度(或称振幅)、频率和相位等参数。因为频率是相位的时间变化率,所以用幅度和相位两个参数就可描述任一超声波。当今的UDE主要是指超声成像仪,其中包括软组织结构成像和多普勒运动成像两大类。前者简称结构成像,包括B超仪和M型心动图仪等;后者简称运动成像,包括彩色血流成像仪(简称彩超)和多普勒组织成像等。结构成像是对组织的声反射系数成像,因此关心的是回波信号中的幅度信息;而运动成像是对运动组织(包括血流)的速度等信息成像,因此关心的是回波信号中的相位变化信息(多普勒频移原理)。由此可知,回波信号中的幅度和相位均带有信息,在结构成像和运动成像中各有侧重,因此不能笼统地说“振幅和相位各带有诊断信息的一半”。当然,相位信息在结构成像时是有用的,幅度信息在运动成像时也是有用的,问题是如何来正确使用。在结构成像方面,目前有一种不正确使用相本课题为国家自然科学基金资助项目(39670217)作者单位:610054　成都市电子科技大学自动化系位信息的理论在散布,因此本文将着重讨论正确使用回波信号中的相位信息问题。1.回波信号中的相位信息获取作为物理存在的超声回波信号是一个连续时间的实信号X(t)。在UDE中,回波信号是一种幅度和相位(或频率)均受调制的信号,因此我们可以把X(t)表示为:X(t)=A(t)cos〔wot-2kr+h(t)〕(1)式中,k为圆波数,r为深度(即反射点离探头的距离),A(t)为包络函数,φ(t)为相位函数。与X(t)相对应的虚信号可表示为:∧x(t)=H〔X(t)〕=A(t)sin〔wot-2kr+h(t)〕(2)式中,H〔X(t)〕表示对X(t)作Hilbert变换。于是实信号X(t)的复解析信号为:XA(t)=X(t)+j∧x(t)=〔A(t)ejh(t)〕ej(wot-2kr)(3)XA(t)中不含负频率成分,它是一个带通信号。一般将Z(t)=A(t)ejφ(t)称为复数包络。由此可见,回波信号中的幅度和相位信息均包含在复包络信号Z(t)中。必须指出,相位(wot-2kr)中只包含距离信息,而不包含与反射系数及运动速度等有关的信息,即不包含诊断用信息。X(t)和∧x(t)是Hilbert变换对。Hilbert变—4—中国超声医学杂志1998年第14卷第9期换是实现复包络信号正交分解的一种技术,此外,复包络信号的正交分解技术还有正交解调及二次采样或多次采样〔1,2〕。可以证明,在一定条件下,多次采样等效于最平型设计的Hilbert变换器〔3〕。实现正交分解可以用模拟方式,也可以用数字方式。 2.以声束形成器为基础的结构成像方法不管是采用单声束形成器或多声束形成器,也不管是模拟式的还是数字式的声束形成器,其结构成像方法均可用图1所示框图来描述。在以声束形成器为基础的结构成像方法中,

图1　以声束形成器为基础的结构成像法框图沿垂直于声束方向的不同扫查声束实质上是对二维组织结构的空间采样。当空间采样间隔较大时,在数字扫描变换器中应采用插值方法,以避免显示图像中产生阶梯状伪像。数学上的插值方法很多,但目前在UDE中采用的插值方法基本上都是线性插值。线性插值是假设两采样点间的象素值为均匀变化的,这无疑是一种平滑滤波过程。由此可见,当空间采样率低于实际结构的空间频率的两倍时,这种用线性插值方法所得到的图像分辨力将不能令人满意。当采用大孔径作跟踪式动态接收聚焦时,其焦点直径可能会小于相邻两条超声扫查线间的距离(特别是扇形扫查的远场区),这时的线性插值方法将使图像分辨力蒙受损失。解决这一问题的唯一方法是增加超声扫查线密度,即提高空间采样频率。但当收发聚焦形成的焦点直径不小于相邻两接收声束间距时,线性插值并不会降低整机分辨力,却使图像变得柔和。3.以相干图像形成器为基础的结构成像法Acuson公司在1996年5月的北京用户会议上推出了Sequoia512机,声称他们采用了以相干图像形成器为基础的结构成像方法,其关键是利用了四声束形成器输出的相邻接收声束之间的相位,其框图如图2所示。为了说明以声束形成器为基础和以相干图像形成器为基础间的差异,Acuson公司用图3的对照图来说明相位信息的重要性,并可看到两者显示图像的差别,以相干图像形成器所得到的横向分辨力十分理想。Acuson公司强调说,这是由于保证了相邻声束间的相干性(即相位同步),并利用了两声束间的相位关系而产生的根本性新技术。我们对此问题提出如下不同看法。(1)图3中,相邻两声束中的目标点有λ/4的

图2　以相干图像形成器为基础的结构成像法框图—5—中国超声医学杂志1998年第14卷第9期

图3　以相邻三条声束为例,说明不同方法得到的显示图像的差异左　以声束形成器为基础 右　以相干图像形成器为基础纵向距离,因此回波信号中将有180度相位差。但这是载波信号的相差,而不是复包络信号的相差,它不包含反射特性及反射体运动等有用信息(详见1节)。因此不能用高频相位来说明结构成像中的幅度(即反射系数)特性,更不能以此来断定声束1与2的目标点之间定有零点(即无反射目标)存在。(2)很明显,当在声束1、2、3之间存在一个连续反射界面时,只要此界面通过图3中的三个目标点,则以相干图像形成器为基础的系统仍将得到图3右所示的图像,显然这是不真实的。由此可见,相干图像形成器在使用回波信号相位信息时存在严重问题,以此方法获得的图像必定存在伪像。在结构成像中,每条接收声束可以理解为对声束路径上反射系数的连续取样。图像的纵向分辨力与回波信号数字化过程中的采样频率等因素有关,若采样频率低于Nyquist频率,则后续的数字信号处理不可能恢复原始回波信号的分辨力。同样,在声束较细的情况下,决定横向分辨力的采样率是由相邻声束的间隔决定的,当空间采样率不足时,不可能由数字信号处理技术来恢复真实的空间结构图像。由此可见:“依靠波束的相干性,可以用不同的线性迭加得到不同的组合波束,达到提高空间分辨力的效果”〔4〕,这是违背采样定理的。4.关于波动的相干性在一些辞典中〔5,6〕,对于波动的相干性有较严格的叙述,归纳如下。(1)相干波是两列简谐振动波,具有相同的频率和振动方向,并具有固定的相位差,两波相干涉的结果,相位相同处振幅最大,相位相反处振幅最小,甚至为零。(2)任何一种实际的波,包括象激光那样的单色光源,都具有一定的谱线宽度,因此它的空间和时间相干性都不是完全的。光源的相干度大小等于两光束干涉实验条纹的可见度:V=Imax-IminImax+Imin(4)式中,Imax是在干涉图样极大处的强度,Imin是在干涉图样极小处的强度。当相干度超过0.88时称高度相干光;相干度低于0.88时称部分相干光;当相干度很小时称不相干光。在结构成像中采用的是脉冲回波法,发射脉冲具有较宽的谱线宽度,超声回波信号具有比发射脉冲更宽的谱线宽度,具体宽度将与反射界面的结构特性和是否运动有关。由于人体组织结构分布的随机性,不同方向的声束受到的幅度和相位调制的程度也各不相同,因此不同方向的回波信号之间基本上是不相干的。5.回波信号相位信息在结构成像中的意义大家知道,在模拟式声束形成技术中,回波信号经全波振幅检波后作A/D转换,形成了二维图像的象素,可能还需在相邻声束间作线性插值后再去显示。由于被检波的回波信号只是实信号,不但检波时产生非线性失真,失去了回波信号中的相位信息,而且实信号的峰值构成的包络线不一—6—中国超声医学杂志1998年第14卷第9期定就是复包络信号的真实幅度,如图4所示。这样,在A/D转换时,由于采样时钟与回波信号的相位是随机的,因此采样值与实际的包络值可能相差较大,例如图4中的t1、t2和t3点。在数字声束形成技术中,可以采用复包络信号的正交分解技术,从接收的实回波信号X(t)恢复出回波信号虚部∧x(t),从而得到复包络信号的幅度及相位信息,幅度信号为:A(t)=x2(t)+∧x2(t)(5)因此可见,不管A/D转换器的采样时钟相位如何,我们都可以通过求“模”的方法得到复包络信号的真实幅度信号,因此可获得更真实的反射系数图像。参考文献1　ChangSHetal.Phase-error-freequadraturesamplingtech-niqueintheultrasonicB-scanimagingsystemanditsapplica-tiontothesyntheticfocusingsystem.IEEETransonUFFC,1993,40(3):

216图4　复包络信号的幅度线与实信号经全波检波后的视频信号2　ChoWH,AhnYB.Multi-ordersamplingfordigitalbeam-formingofwide-bandsignals.IEEETransonUFFC,1996,43(3):4953　何正权,何　旭.多次采样与希尔伯特变换.电子科技大学学报,1997,26(5):5044　王威琪,等.医学超声技术,第四讲医学超声技术的应用和前景.世界医疗器械,1997,3(2):585　汪思谦,苏云荪,瞿鸣荣编.物理学词典,力学分册.北京,科学出版社,1986,1376　龙赞易,等编译.英汉光通信光纤技术辞典.北京,人民邮电出版社,1985,第一版,55(1998-03-06收稿)