8.6. Обработка сигнала

В предыдущих разделах обсуждались акустические аспекты передаточной функции эхо-импульсной системы визуализации. Теперь мы обратимся к электронным и оптическим узлам этих систем и кратко рассмотрим их вклад в передаточную функцию. Хотя такая классификация может быть достаточно произвольной, удобно рассматривать четыре аспекта обработки сигнала: влияние шума, частотную фильтрацию, коррекцию характеристик системы отображения, а также специальные процедуры, причем последний вопрос

будет рассматриваться в гл. 10 в связи с задачами характеризации тканей.

8.6.1. СНИЖЕНИЕ УРОВНЯ ШУМОВ

Как отмечалось в предыдущей главе, шум накладывает основное ограничение на функционирование любой системы визуализации. В частности, его происхождение и уровень определяют максимально возможное усиление сигнала, еще не приводящее к его ограничению. При заданном методе визуализации и определенном уровне шума частотно-зависимое затухание в тканях практически определяет ограничение частоты сверху и, следовательно, предел пространственного разрешения.

В хорошей системе отношение сигнал/шум должно определяться прежде всего цепями, в которых уровень сигнала минимален (для эхо-импульсной системы — преобразователем), и должно примерно соответствовать теоретическому среднеквадратичному уровню шума, определяемому шириной полосы частот и импедансом , а именно при нормальной температуре среды напряжение шумов равно

На практике для многих систем это равенство не выполняется, а характеристики систем ограничиваются максимально возможным уровнем подавления источников шумов и интерференционных явлений.

8.6.2. ЧАСТОТНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ

Все составные части реальных систем имеют ограниченную частотную характеристику, и необходимо учитывать этот факт при разработке сложных систем.

Эхо-импульсная система должна быть спроектирована так, чтобы гарантировать прохождение ультразвука через ткани до определенной глубины, заданной назначением прибора (например, для диагностики внутренних органов, структур глаза и т. д.), а также обеспечить, чтобы рассеянный сигнал превышал некоторый уровень шума. На практике это почти всегда достигается опытным путем, но, как можно видеть из других глав этой книги, при научном подходе можно обобщить основные выводы для получения оптимальных критериев конструирования.

Ткань является фильтром низкой частоты, поэтому эффективная частота, соответствующая наибольшей глубине проникновения,

может оказаться значительно ниже центральной частоты спектра излучаемого импульса. Полоса пропускания системы должна перекрывать диапазон, содержащий обе эти частоты. Для снижения уровня шума необходимо отсекать частоты значительно выше и ниже указанных, сохраняя однако полосу частот, необходимую для передачи быстро меняющейся во времени информации. Отсечка нижних частот может быть особенно важна, потому что в эту область могут попадать нежелательные резонансные частоты преобразователя.

Если прибор рассчитан на работу с двумя или более зондами, имеющими различные центральные частоты, желательно иметь возможность переключать полосы частот.

8.6.3. ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ

Мы уже отмечали, что непосредственное представление эхо-импульсной информации для качественного отображения непригодно. В частности, хотя есть техническая возможность высокочастотную информацию отобразить на ЭЛТ в виде модуляции яркости относительно среднего уровня серого, глаз человека не сможет эффективно воспринять ее в сложном изображении. Кроме того, ЭЛТ и другие средства отображения обладают специфическими ограничениями по динамическому диапазону и по полосе пространственных частот, что необходимо иметь в виду при разработке систем отображения.

Процесс сглаживания или детектирования, высокочастотного сигнала и получения так называемого видеосигнала — стандартная операция в видеотехнике. Так как ширина полосы пропускания модулятора яркости многих дисплеев и запоминающих устройств может быть значительно уже, чем у сигнала на несущей частоте, на этом этапе часто бывает необходимо применять ФНЧ. В свою очередь это может привести к некоторому искажению передаточной функции (см. рис. 8.4). Однако, так как фильтрация влияет только на продольное (аксиальное) разрешение, она будет иметь практическое значение лишь для высокочастотных ультразвуковых систем (например, используемых в офтальмологии).

Уже отмечались как необходимость применения ВАРУ для коррекции амплитуды импульсов, искаженной затуханием в тканях, так и очевидная субъективность этой процедуры в стандартных системах. Даже при использовании ВАРУ динамический диапазон сигналов, принимаемых от различных рассеивающих структур в

тканях, все еще значителен. Так, при проектировании систем часто используют оценку в 40 дБ как требование к диапазону, необходимому для высокого качества диагностики (это диапазон между сильными сигналами, еще не вызывающими ограничения в приемном тракте, и слабыми сигналами, выделяемыми на уровне шума). Так как эта величина почти вдвое превышает динамический диапазон, свойственный самым высококачественным устройствам отображения, необходимо некоторое сжатие сигналов, что представляет собой особый вид нелинейного усиления. В общем случае нелинейное усиление требуется еще и по совсем другой причине — для адекватного согласования уровней сигнала в изображении с характеристиками зрения человека. В этом смысле сам усилитель — просто одно из звеньев последовательности нелинейных элементов в цепи, включающей в себя также устройство отображения, глаз, а иногда и устройство для фотографирования или другого подобного процесса. Для правильного выбора параметров сжатия в усилителе необходимо помнить обо всем этом, хотя обычно этот выбор основан на субъективной оценке качества изображения. В некоторых приборах имеется возможность выбора различных законов сжатия сигнала, выполняемого в высокочастотном тракте до или после запоминания изображения.

Иногда используются методы дополнительной обработки, позволяющие с помощью электроники дифференцировать форму волны эхо-сигналов и путем комбинирования в некоторой пропорции исходного и дифференцированного сигналов несколько подчеркнуть контуры изображения в продольном направлении. Другой фактор, который может влиять на окончательный вид изображения, — правила, используемые для запоминания изображений при сложном сканировании. Так, если одна точка изображения соответствует более чем одному значению полученных данных, в цифровой памяти можно реализовать режим обработки этих данных (например, усреднение, выделение максимального значения) и окончательный вид изображения будет зависеть от выбранного алгоритма обработки [24].

Вышеописанные подходы к обработке изображений носят до некоторой степени эмпирический характер; значительного улучшения диагностической эффективности изображений можно достичь с помощью методов, основанных на физической интерпретации причин появления истинных и ложных сигналов в изображении ([3], см. рис. 8.6).