超声射频信号的甲状腺结节智能诊断方法

由于人口老龄化的原因,甲状腺癌的发病率增长率在所有癌症中是最为显著的.因此,对存在癌变可能的甲状腺结节进行预检查显得尤为重要,而超声智能诊断系统在甲状腺结节早期筛查方面已展现出巨大的应用前景.该文的工作旨在提出一种基于超声原始射频信号的组织参数定征和人工神经网络相结合的甲状腺结节智能诊断方法,以提高临床超声诊察效率及准...     

基于超声RF信号熵分析的声空化时空监测方法

高强度聚焦超声(HIFU)治疗过程中剧烈的空化效应可能损伤靶区周围健康组织,因此,亟需开发可对生物组织内部声空化效应进行高精度时空定量监测的新型技术手段,方能确保临床安全和有效.相对于传统的商用超声灰度值信号,超声射频(RF)信号可以更好地保留声波散射信号更多的细节信息.而信息熵作为非基于数学函数模型的统计参数,可以表征由声空化效应引发的组织内部散射体无序度演变状态.因此,本文提出了一种基于超声RF信号熵分析的声空化实时监测成像系统,在此基础上实时评估HIFU引发的超声空化区域时空演化行为.首先,通过改制后的B超系统获取凝胶生物仿体内部由HIFU引发的空化泡群产生的散射回波原始RF信号,利用二维均值滤波方法抑制HIFU强声束对声空化监测成像回波信号的干扰后,通过数据标准化处理扩展RF信号的动态变化范围,再基于滑动窗信息熵分析重建熵值图像,经过二值化处理后即可实现对HIFU作用下组织内部声空化区域的时空监测.实验结果表明,相比于传统B超灰度成像法,基于RF信号熵分析的声空化监测成像算法可以更灵敏且精确地确定空化发生的起始时间和空间位置,有助于更好地保障HIFU临床治疗的安全性和有效性.本...     

非线性超声射频信号熵对乳腺结节良恶性的定征

本文提出了一种基于非线性超声射频(radio frequency, RF)信号熵对乳腺结节良恶性进行定征的方法.对306例乳腺结节样本(良性158例,恶性148例)提取了基于超声RF信号二次谐波的熵和加权熵,以及常规超声参数(图像灰度、纵横比、不规则度、乳腺结节大小、深度);采用t检验和线性分类器检测参数对乳腺结节良恶性的区分度;进一步将有效参数组合输入支持向量机对乳腺结节良恶性进行分类.结果表明:除图像灰度外,其余参数均在乳腺结节的良性与恶性间有显著差异.多参数结合输入支持向量机的良恶性分类的准确率、敏感性和特异性分别为81.4%, 78.4%和84.2%.本文工作表明非线性超声RF信号的熵可有效地定征乳腺结节的良恶性,有望成为乳腺结节良恶性定征新参量.     

利用纳米力学方法对皮肤进行超声组织定征的研究

纳米力学方法适用于具有离散特性的材料.利用纳米力学方法,得出声波在多层皮肤组织中的波动方程.分别改变黑素瘤皮肤的泊松比、黑素瘤侵袭厚度(Breslow深度)、节间距离,计算多层皮肤结构模型对垂直入射纵声波的反射系数.同时计算了声速和声衰减系数随组织参数的变化.计算结果表明,可综合利用一定频率段内反射系数最小点数、声速和衰减系数的变化来表征正常皮肤和病变皮肤.     

基于超声射频信号的支持向量机双参量B线识别方法*

肺超声中的特殊征象B线对于临床诊断肺水肿等肺部疾病有重要意义,但诊断结果依赖于医生的主观判断,为了客观、自动地识别B线,提高诊断准确率,本文提出了一种基于超声回波射频信号的肺脏超声特殊征象B线识别方法。本文首先选取了射频信号的排列熵、信息熵、峰度、偏度、能量作为特征参数,利用独立样本t检验和单参数贝叶斯分类的方法检验超声射频数据中B线以及非B线所对应射频数据的各个参量的差异性以及各参数与B线识别的相关性。然后将不同的双参量组合输入非线性支持向量机（SVM）中进行分类,比较各个组合的分类效果。结果显示信息熵与排列熵参数组合基于射频信号的分类效果最好,分类灵敏度为90.521%,特异性为98.106%,准确率为96.328%,AUC等于0.95。在引入后处理算法后,B线识别效果有进一步提升,得到分类平均灵敏度为95.23%,平均特异性为97.22%,平均准确率为96.88%。研究结果表明基于射频数据的SVM双参量B线识别方法对辅助临床诊断具有重要价值,信息熵和排列熵的组合可以有效的对特殊征象B线进行高精度识别。     

超声激发声信号幅值实时监测HIFU焦域组织损伤*

聚焦超声消融肿瘤过程中的损伤实时监测是临床治疗面临的一个关键难题,双频聚焦超声不仅能提高治疗效率,且能在共焦区域激发出声信号,该声信号的幅值、频率等信息与焦域组织的机械和声学特性紧密相关。本文构建了一种双频聚焦超声治疗及组织损伤实时监测系统。该系统在聚焦超声辐照离体组织过程中,通过外部水听器接收双频激发的组织声发射信号,并通过上位机进行高速数据采集、数字滤波、时频处理等,分析声发射信号幅值与离体组织损伤之间的变化规律。实验研究结果表明：随着焦域组织损伤的形成,其弹性等声学特征发生改变,导致声发射信号幅值逐渐降低,表明声发射信号幅值的变化可较好地反映靶组织声学特征和结构的变化,从而实现聚焦超声治疗中靶组织损伤的实时监测。本文提出的监测方案相比传统超声影像监控更灵敏,有望为聚焦超声临床治疗中的组织损伤监控提供一种新的实时监测方案和手段。     

基于遗传算法的超声信号LMS自适应时延估计

为了克服ＬＭＳ自适应时延估计（ＬＭＳＴＤＥ）算法计算量大的问题,引进遗传算法进行ＬＭＳＴＤＥ的寻优规划,并采取了克服过早收敛的措施。对超声信号进行时延估计的实验表明,该方法大大减少了计算量,并有较高的时延估计精度。     

应用于微电容超声换能器的信号处理电路设计*

针对微电容超声换能器的输出信号特征及检测要求,文中设计了换能器的微弱信号处理电路,包括基于跨阻的微弱电流信号检测和多重反馈带通滤波电路。通过搭建水下测试平台,对电路性能及功能进行实际测试,并进行水下测距实验。实验结果表明,该电路可对微电容超声换能器输出的400 k Hz信号进行检测放大与滤波;电路的线性度为0.18%,滤波电路中心频率为396 k Hz,带宽为55 k Hz。该电路可用于CMUT的接收信号处理并应用于超声测距及成像的前端信号处理。     

基于非负矩阵分解的次声信号分类方法*

在中国科学院声学所大气次声波观察网实地采集的,爆炸、地震、闪电、再入四类次声事件105组阵列数据集的基础上,提出应用非负矩阵分解的特征提取方法,对次声信号的计算机自动分类方法进行了研究。针对特征设计过程复杂的问题,本方法使用非负矩阵分解自动挖掘目标信号的隐含结构作为特征。将此特征作为支持向量机和卷积神经网络输入进行分类,以提高特征设计的效率与分类的识别准确率。研究结果指出,在测试集上的平均识别准确率达到了83.13%, 相对于传统方法,简化了特征设计过程,并取得更好的分类结果。     

大功率单脉冲超声信号发生器的设计

为了提高探伤深度,实现混凝土大坝等散射强介质的超声检测,本文提出了一种成本低,小体积,结构简单的大功率单脉冲超声信号发生器,并给出了原理电路设计。所述装置利用控制电容充放电经脉冲变压器产生瞬时高压脉冲的新思路,克服了过去由于信号幅度限制功率上不去的困难。经实验验证该装置与现有的单脉冲信号发生器相比,探伤深度得到了很大提高,可用于混凝土结构构建的超声探伤。     

基于TS201的网络化声纳信号处理平台设计

凭借出色的浮点运算性能,TS201芯片在声纳、雷达等军用电子设备中得到了广泛的应用。然而,由于该芯片本身没有提供原生的高速串口(如串行RapidIO,GbE),不利于多DSP系统接入到网络和实现功能的可重构。本文提出了一种设计方法:利用串行RapidIO技术将TS201芯片构建成可重构的网络,实现了基于TS201芯片信号处理平台的网络化,提高了系统的通用性和使用效率。     

基于支持向量机的肤色滤波器

为了探测图像中的肤色像素,提出了一种新的方法-支持向量机（SVM：Support Vector Machine）方法.它是一种基于肤色的非特定人的面部定位方法,是非接触人机交互技术和机器视觉中的一个重要内容.实验结果表明,采用支持向量机方法较传统人工神经网络方法不仅有更高的探测准确性,而且具有更好的推广性能.由于SVM采用结构风险最小化（SRM：Structural Risk Minimization）准则,在最小化训练误差（经验风险）的同时,尽量缩小模型预测误差的上界,从而使模型有更好的泛化能力.     

Denoising of quadrature ultrasound Doppler signal from bi-directional flow based on matching pursuit

Denoising of Doppler signal is a preliminary and important step in medical ultrasound imaging. To denoise quadrature Doppler signal from bi-directional flow, we propose a novel method based on matching pursuit in this paper. The proposed method is an iterative decomposition algorithm which decomposes the original Doppler signal into a linear expansion of atoms in a time-frequency dictionary. The time-frequency dictionary is similar to Fourier transform domain and the atoms are similar to orthogonal bases in Fourier transform. In each step of the iteration, the atom which gives the largest inner product with the analyzed signal is selected from the dictionary, and the contribution of this atom is subtracted from the Doppler signal. This process is repeated on the residue until the SNR reaches the maximum. The linear expansion of the selected atoms is the denoised signal. Simulations were conducted on a simulation model with a sampling rate of 12.8 kHz. When the original SNRs are 0 dB, 2 dB, 4 dB, 6 dB, 8 dB, 10 dB, the proposed method can improve the SNR for 7.9 dB, 7.8 dB, 7.5 dB, 7.3 dB, 7.05 dB, 6.8 dB respectively, reduce the root mean square error (RMSE) of the mean frequency waveform to 0.0441 kHz, 0.0303 kHz, 0.0245 kHz, 0.0215 kHz, 0.0161 kHz, 0.0125 kHz respectively, and suppress the RMSE of the spectral width waveform to 0.1774 kHz, 0.0591 kHz, 0.0486 kHz, 0.0170 kHz, 0.0145 kHz, 0.0117 kHz respectively. Preliminary in vivo evaluation was also carried out on a healthy 33-year-old male using B-K medical A/S 3535 ultrasound scanner, and the results showed that the proposed method can effectively enhance the Doppler spectrogram.     

Internal tissue displacement measurement based on ultrasonic wave Doppler signal digital detection and its application to fetal movement monitoring

We have developed a fetal movement monitoring system based on small displacement measurement of internal tissues. When ultrasonic pulses are transmitted to the fetus, the reflected ultrasonic waves which have a Doppler frequency shift due to the fetal movements are detected by using an ultrasonic pulsed Doppler technique. In this paper, we propose a displacement measurement method for internal tissues which is based on the Doppler signal digital detection technique. In the method, the received ultrasonic RF signals are sampled with a sampling frequency of four times higher than the centre frequency of the ultrasonic waves; the Doppler frequency shift signals are derived using digital signal processing. From the detected signals, the internal displacements are estimated using the arc-tangent method. The basic algorithm of the detection method has already been used in the area of blood flow sensing, however, we apply the algorithm to the displacement measurement of internal tissues. The comparison between the proposed method and the conventional method is presented. The fetal movement quantitative monitoring system based on the method which has been constructed is shown.     

基于FPGA的射频装定系统编码模块设计

针对射频装定系统易受噪声和干扰的影响,导致数据装定出现错误的问题,提出在装定系统发送端对工作命令进行差错控制编码,增强系统的抗干扰能力。首先,根据(7,4)循环码信息位和监督位之间的线性关系,对工作命令进行编码,使其具有发现并纠正一个错误位的能力。其次,采用平衡Gold码进行扩频调制,使系统具有保密性强的优点。最后,在采用查表法进行正弦信号发生器设计的基础上,进行选择法的QPSK调制,具有结构简单、易于实现的优点。经实验验证,采用31位的的Gold码进行调制,系统扩频增益为14.77dB;QPSK波形频率为781.25 KHz,符合设计需求。     

基于FPGA的多速率信号发送器的设计

针对传统多速率信号发送器信号的非线性失真大、可调性差等问题,文中提出了一种基于FPGA与DAC5682的新型的设计方案。方案中着重介绍了DAC5682数模转换模块的实现方式以及多速率信号处理算法的实现。DAC模块可以同时实现4通道的数模转换,采样率可以达到1Gsps。同时,为了验证FPGA算法设计的可靠性,文中首先通过MATLAB平台对算法进行了仿真建模分析;然后通过硬件描述语言将算法移植到FPGA电路上,在modelsim中实现了综合后仿真;最后给出了仿真波形。通过仿真验证,发送器具有良好的滤波效果,并可根据实际需求灵活的对基带频率以及变换后的混频模块进行相应的变换和升级。通过FPGA+DAC的设计,简化了系统结构,还能较为高效的实现系统中的各项技术指标。该系统可以广泛应用与移动通信系统中。     

Physical design of FEL injector based on the performance-enhanced EC-ITC RF gun

To meet the requirements of high performance THz-FEL (Free Electron Laser), a compact scheme of FEL injector was proposed. A thermionic cathode was chosen to emit electrons instead of a photo-cathode with its complex structure and high cost. The effective bunch charge was improved to ～200 pC by adopting an enhanced EC-ITC (External Cathode Independently Tunable Cells) RF gun to extract micro-bunches; back bombardment effects were almost eliminated as well. Constant gradient accelerator structures were designed to improve energy to ～14 MeV, while the focusing system was applied for emittance suppressing and bunch state maintenance. The physical design and beam dynamics of the key components for the FEL injector were analyzed. Furthermore, start-to-end simulations with multi-pulses were performed using homemade MATLAB and Parmela. The results show that continual high brightness electron bunches with a low energy spread and emittance could be obtained stably.     

Physical design of FEL injector based on the performance-enhanced EC-ITC RF gun

To meet the requirements of high performance THz-FEL （Free Electron Laser）, a compact scheme of FEL injector was proposed. A thermionic cathode was chosen to emit electrons instead of a photo-cathode with its complex structure and high cost. The effective bunch charge was improved to ~200 pC by adopting an enhanced EC-ITC （External Cathode Independently Tunable Cells） RF gun to extract micro-bunches; back bombardment effects were almost eliminated as well. Constant gradient accelerator structures were designed to improve energy to ~14 MeV, while the focusing system was applied for emittance suppressing and bunch state maintenance. The physical design and beam dynamics of the key components for the FEL injector were analyzed. Furthermore, start- to-end simulations with multi-pulses were performed using homemade MATLAB and Parmela. The results show that continual high brightness electron bunches with a low energy spread and emittance could be obtained stably.     

脉冲调制射频功率测量中的标定及FFT分析方法研究

利用电压/电流探头和数字示波器实现了脉冲调制射频功率测量。电压/电流探头输出的电压、电流信号由数字示波器采集存储,电压、电流的幅值及相位差由FFT分析得到。在不同频率下,对电压、电流幅值及相位差进行标定,获得计算射频功率的标定参数。分析表明电压、电流相位差是影响标定系数的主要因素,FFT方法处理非稳态调幅电压、电流时存在问题,只有在零无功功率处才能获得可信的吸收功率。     

基于AD9854重离子治癌加速器高频控制器设计

介绍了兰州重离子治癌加速器治疗装置的高频控制系统原理、软件设计、硬件配置和布局。提出并实现了对重离子治癌加速器高频控制系统的高频腔体的精确控制。在硬件上,重离子治癌加速器高频控制系统硬件平台由监视控制板和数据分析板两部分构成,采用双FPGA+DSP+DDS+PXI 结构,此结构具有强大的数据处理能力,其核心器件是FPGA和DDS。通过设计编写FPGA VHDL代码实现对DDS芯片的配置,产生的IQ两路信号,分别发送到高频腔、幅度调制器以及偏流电源上,完成幅相同调和频率调制。通过该设计,实现与DAC和ADC操作配合进行高速高效的数据传输,产生高品质束流。