非均匀结构软组织冲激响应估计方法模拟研究

　　在医学超声中,无论是超声成像或是组织定征,其检测过程(从超声的激励、发射,在介质中的传播、反射、散射,再到接收的过程)在一定假设条件下,可以看成是一个卷积模型:即认为最后的输出信号是待测的真实反射或散射信号与传输系统冲激响应对时间卷积的结果.为叙述简化,本文把由于各种因素引起的超声回波信号统一叫作背散射信号,并把卷积一律用一维表示,即写为

  （1）

　　其中s(t)表示物体内部真实背散射信号,g(t)表示传输系统的冲激响应,*表示线性卷积,n(t)为测量噪声,x(t)为测量信号.

　　解卷估计的方法,就是从这个卷积模型出发,从x(t)中去掉g(t)的影响,恢复出s(t).在恢复s(t)时,g(t)一般可用实验方法得到.对于非均匀结构软组织深部散射源背散射信号,s(t)又要与声程介质冲激响应h(t)相卷积之后,再与接收系统冲激响应g(t)相卷积才能被检测到.表示成数学形式应为

 （2）

　　这里e(t)为发射脉冲,h(t)为非均匀结构软组织声程介质冲激响应,s(t)为真实深层声散射体的背散射信号.在解卷处理时,声程介质冲激响应h(t)的获得很困难,并且随组织及采样位置的不同而不同.然而h(t)的估计,对于通过解卷得到非均匀结构深部组织真实背散射信息s(t)却非常重要.这也是活体检测及组织成像分辨力提高的关键.本文从实际测量数据出发,利用维纳逆滤波的方法,依据改进的声传输模型,分层多次估计出非均匀结构软组织声程介质冲激响应.由于h(t)是直接从测量数据中估计的,反应了这部分组织较真实的情况,因而也可直接把h(t)用于组织定征.本文通过计算机模拟研究,证明这种方法是可行的.

　　1　改进的非均匀结构介质中声传播模型

　　在h(t)为整个声程冲激响应的情况下,如果声程较长,则h(t)不一定是平稳的.笔者提出一个改进的声传输模型:把h(t)分为许多小声程的冲激响应,认为每一小声程的冲激响应具有统计稳态模型特征,且是零均值高斯分布白噪声信号.

　　假设在整个回波信号中,距换能器深度为d的散射源背散射信号,可以从整个回波信号中得到一段代表某一深度的一小段(d2-d1)介质作为散射源的散射回波信息,这一实测信号是受到声程介质冲激响应及测量系统冲激响应影响的结果.

　　在一定的简化条件下,非均匀结构软组织声传播模型也可以认为是一个卷积模型,如图1所示.图1a为实物和散射信号图,其中e(t)为激励电脉冲,h1(t),h2(t),…,hj(t)分别为各段的冲激响应,由于可把每层分得很薄,hj(t)可认为是稳态的.x(t)为散射回波信号,x1(t),x2(t),…,xj(t)分别为用距离选通选出的相应h1(t),h2(t),…,hj(t)区域的散射回波信号.选通时间τk为2dj/c<τkj<2dj+1/c,j=0,1,2,….