超聲中的信號處理課件2

超聲中的信號處理（二）1超聲中的信號處理（二）1內容提要：B信號處理C信號處理2內容提要：B信號處理21.B掃描2.M7的關鍵點3.M7的核心處理步驟B信號處理31.B掃描B信號處理3用到了很多種改善圖像性能的方式：孔徑合成；線復合；諧波成像；多焦點；空間復合等等通常是上述幾種方式中的2～3種組合使用，采用的方式確定了掃描過程。反過來，由掃描過程也可以反推出用到了那些改善圖像性能的方式。不同的掃描方法，決定了不同的信號處理方式，在M5,DC3中非常明顯體現(xiàn)出來。B信號處理-掃描4用到了很多種改善圖像性能的方式：B信號處理-掃描4右圖為當前掃描的一個例子，橫坐標表示掃描序號。上圖表示線號，下圖表示屬性。可以看出掃描方式為8波束4焦點。B信號處理-掃描先掃同一個線的4個不同焦點的數(shù)據(jù)，然后線號間隔兩線，再次掃描4個不同焦點的數(shù)據(jù)。5右圖為當前掃描的一個例子，橫坐標表示掃描序號。上圖表示線號，B信號處理-掃描-孔徑合成

接收孔徑第一次接收第二次接收….….接收電路接收通道選擇開關6B信號處理-掃描-孔徑合成接收孔徑第一次接收第二次接收….B信號處理-掃描-線復合多波束接收假設為8波束，讓掃描線間隔數(shù)小于8，然后將接收線中相同線號的線疊加。用于改善信噪比。下圖為采用間隔四線掃描，累加兩次的復合情況。下圖為無復合，錯開8線掃描的情況。7B信號處理-掃描-線復合多波束接收假設為8波束，讓掃描線間隔B信號處理-掃描-線復合下圖為采用間隔兩線掃描，累加四次的復合情況。8B信號處理-掃描-線復合下圖為采用間隔兩線掃描，累加四次的復B信號處理-掃描-線復合右圖為采用間隔一線掃描，累加八次的復合情況。復合是在幀率和性能之間的一個折衷平衡，當復合累加次數(shù)分別為1，2，4，8時，實際上分別等價于8，4，2，1波束系統(tǒng)。常用的是錯開兩線掃描的方式。9B信號處理-掃描-線復合右圖為采用間隔一線掃描，累加八次的復B信號處理-掃描-多焦點為改善整場的清晰度。保持線號不變，改變每次發(fā)射聚焦區(qū)域，從回波中取出相應的聚焦區(qū)域的數(shù)據(jù)。很明顯多焦點能兼顧整場的清晰度，但是代價是犧牲幀率。10B信號處理-掃描-多焦點為改善整場的清晰度。保持線號不變，改B信號處理-掃描-多焦點M5中，為了節(jié)省BLOCKRAM，將線復合和多焦點拼接合在一起完成。反復對BOLCKRAM進行讀寫操作；不斷對輸入數(shù)據(jù)和RAM中讀出的數(shù)據(jù)進行復合或者是拼接區(qū)的HANNING窗的加權運算。實現(xiàn)方案非常復雜！11B信號處理-掃描-多焦點M5中，為了節(jié)省BLOCKRAM，B信號處理-掃描-諧波成像超聲圖像的分辨率和超聲波長成反比，即和頻率成正比，但是頻率越高，衰減越快。對系統(tǒng)動態(tài)范圍的要求越高。諧波成像，兼顧基波的穿透力，和諧波的分辨率。諧波成像分為：自然諧波成像，正方向諧波成像。其中正反向諧波成像好理解一些。分別發(fā)射正向以及反向脈沖，回波數(shù)據(jù)相加，消除基波，得到諧波；回波數(shù)據(jù)相減，消除諧波的干擾。12B信號處理-掃描-諧波成像超聲圖像的分辨率和超聲波長成反比，B信號處理-掃描-空間復合沿著不同的偏轉角度對人體組織進行掃描，然后將不同角度的圖像融合成一幀。13B信號處理-掃描-空間復合沿著不同的偏轉角度對人體組織進行掃B信號處理-掃描-空間復合空間復合并不會改變圖像的幀率。抑制圖像上的突發(fā)的黑點噪聲，但是圖像清晰度有所降低。復合前的圖像復合后的圖像14B信號處理-掃描-空間復合空間復合并不會改變圖像的幀率。1.B掃描2.M7的關鍵點3.M7的核心處理步驟B信號處理151.B掃描B信號處理15B信號處理-M7的關鍵點系統(tǒng)每次更改方案，每次更改掃描模式，后面的實現(xiàn)方式就會隨著更改，調試，，，在M5中的表現(xiàn)非常明顯；M7的突破點便是從哲學角度上概括超聲掃描接收處理特點。使得前端掃描，數(shù)據(jù)存儲讀寫和隨后的處理分開，后面的實現(xiàn)處理只依賴參數(shù)，不依賴前端的掃描方式。哲學：從現(xiàn)實世界紛繁復雜的社會現(xiàn)象中，提煉出形而上的規(guī)律?！胺彩乾F(xiàn)實的就是合理的，凡是合理的就是現(xiàn)實的”“人們首先必須吃、喝、住、穿，然后才能從事政治、科學、藝術、宗教等社會活動?！薄拔宜脊饰以凇薄胺凑叩乐畡?，弱者道之用。天下萬物生于有，有生于無?！?6B信號處理-M7的關鍵點系統(tǒng)每次更改方案，每次更改掃描模式B信號處理-M7的關鍵點M7整體設計理念高于DC6,M5。M7的精髓：數(shù)據(jù)幀緩存，將正交解調后順序上不規(guī)則的數(shù)據(jù)存儲于FPGA片外DDRII中，讀的時候按所需的規(guī)則順序來讀取。M7的神奇點一：矩陣乘，對B來說實現(xiàn)相干累加，對C來說實現(xiàn)壁濾波，對TDI模式來說直通。M7的神奇點二：累加器，對B來說實現(xiàn)非相干累加，對C來說實現(xiàn)自相關后速度矢量的相干疊加。17B信號處理-M7的關鍵點M7整體設計理念高于DC6,M5。B信號處理-M7的關鍵點鑒于相干疊加，非相干疊加貫穿于超聲信號處理的整個過程，有必要加深對相干疊加，非相干疊加的認識。對數(shù)據(jù)先IQ加權疊加，后求模的方式稱為相干疊加；對數(shù)據(jù)先IQ求模，后模值加權疊加的方式成為非相干疊加；超聲B信號處理中，有孔徑合成，多焦點拼接，線復合，正反向諧波數(shù)據(jù)獲取，頻率復合，空間復合等等。相干疊加方式：孔徑復合，線復合，正反向諧波數(shù)據(jù)獲取，非相干疊加方式：線復合，多焦點拼接，頻率復合，空間復合。18B信號處理-M7的關鍵點鑒于相干疊加，非相干疊加貫穿于超聲B信號處理-M7的關鍵點相干疊加，非相干疊加的概念來自于通信系統(tǒng)，在信道的相干時間之內，相干疊加即IQ疊加可以最大限度提高信噪比。19B信號處理-M7的關鍵點相干疊加，非相干疊加的概念來自于通B信號處理-M7的關鍵點超出了相干時間后，信號相位差異較大，相干疊加無助于提高信噪比，反而會降低信噪比。此時采用非相干即模值疊加的方式，因為信號相位差異較大，但其包絡變化不大。20B信號處理-M7的關鍵點超出了相干時間后，信號相位差異較大B信號處理-M7的關鍵點什么是相干時間？從統(tǒng)計的角度看，維持信道單位沖擊響應基本不變的一段時間。反比于多普勒頻移，即和組織運動的速度成反比。下面是兩種極端情況：假設組織絕對靜止，其速度為0，那么其相干時間為無窮大，即可以做無限多次的相干（IQ）疊加，使得其信噪比為無窮大。假設組織運動速度為無窮大，其相干時間為零，即不能做相干疊加。21B信號處理-M7的關鍵點211.B掃描2.M7的關鍵點3.M7的核心處理步驟B信號處理221.B掃描B信號處理22B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存DC6,M5數(shù)據(jù)重排模塊，僅在C處理時用到，借助片外SSRAM實現(xiàn)數(shù)據(jù)的重新整理。M7將數(shù)據(jù)重排的概念擴展到B，統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)幀緩存。數(shù)據(jù)幀緩存的實質是根據(jù)掃描模式，按照符合要求的數(shù)據(jù)格式，對FPGA片外緩存的讀寫?？梢哉J為片外緩存是一個三維的矩陣，裝載數(shù)據(jù)方式如下：23B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存DC6,M5數(shù)據(jù)重排模塊，僅在B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存第一個焦點內孔徑的頭8條線；第一個焦點外孔徑的頭8條線；第二個焦點內孔徑的頭8條線；第二個焦點外孔徑的頭8條線；錯開兩線掃描；------講到數(shù)據(jù)幀緩存，不可避免引入基本概念：子幀，子集，線集，線。以一個8波束，錯開兩線復合，有孔徑合成，兩焦點為例，看看數(shù)據(jù)在三維矩陣中如何裝載讀寫：24B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存第一個焦點內孔徑的頭8條線；講B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存接收線號先后順序如下圖：25B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存接收線號先后順序如下圖：25B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存26B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存26B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存27B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存27B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存上例中，同一線號的數(shù)據(jù)共16次得到，即子幀個數(shù)為16；數(shù)據(jù)分兩批讀出，每一批數(shù)據(jù)稱為一個線集，16個子幀的數(shù)據(jù)共2個線集；每一批數(shù)據(jù)包含8個子幀，即線集里面子幀的個數(shù)為8；將每一批8個子幀的數(shù)據(jù)送出去相干(IQ)疊加，即矩陣乘里面的系數(shù)為：[1111111]分屬不同線集的數(shù)據(jù)求模后，非相干疊加，合并為一幀數(shù)據(jù)送到后端顯示。在這個例子中，非相干疊加的次數(shù)即為線集的個數(shù)，相干疊加的次數(shù)即為矩陣里面系數(shù)的個數(shù)。28B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存上例中，同一線號的數(shù)據(jù)共16次B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例1：4波束，無復合，只有孔徑合成，其接收線號如下：29B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例1：4波束，無復合，只有B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例1：4波束，無復合，只有孔徑合成，往幀緩存中寫：30B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例1：4波束，無復合，只有孔徑B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例1：4波束，無復合，只有孔徑合成，從幀緩存中讀數(shù)據(jù)：31B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例1：4波束，無復合，只有B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例1：4波束，無復合，只有孔徑合成子幀個數(shù)為2；子集個數(shù)為1；線集個數(shù)為1；矩陣乘里面的系數(shù)為：[11]32B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例1：4波束，無復合，只有孔徑B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例2：4波束，有復合，無孔徑合成，其接收線號如下：33B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例2：4波束，有復合，無孔B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例2：4波束，有復合，無孔徑合成，寫幀緩存如下：34B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例2：4波束，有復合，無孔B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例2：4波束，有復合，無孔徑合成，讀幀緩存如下：35B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例2：4波束，有復合，無孔B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例2：4波束，有復合，無孔徑合成子幀個數(shù)為2；子集個數(shù)為1；線集個數(shù)為1；矩陣乘里面的系數(shù)為：[11]36B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例2：4波束，有復合，無孔B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例3：8波束，有復合，無孔徑合成，3角度的空間復合，其發(fā)射線號如下：37B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例3：8波束，有復合，無孔B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例3：8波束，有復合，無孔徑合成，3角度的空間復合，子幀個數(shù)共為12；子集個數(shù)為3；每個子集的線集個數(shù)為1；矩陣乘里面的系數(shù)為：[1111]38B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例3：8波束，有復合，無孔B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存從正交解調的輸出，到數(shù)據(jù)輸出給矩陣乘，幀緩存處理數(shù)據(jù)過程分為三步：第一次變換：正交解調后的數(shù)據(jù)寫入DDRII之前，解交織一次；第二次變換：第一次變換的結果寫入DDRII，然后從DDRII中讀出；第三次變換：從DDRII中讀出的結果再交織一次，變?yōu)檫m合矩陣乘的數(shù)據(jù)格式。39B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存從正交解調的輸出，到數(shù)據(jù)輸出給B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存寫入DDRII之前，在FPGA中數(shù)據(jù)格式變換。40B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存寫入DDRII之前，在FPGAB信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存DDRII中數(shù)據(jù)格式變換。41B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存DDRII中數(shù)據(jù)格式變換。41B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存從DDRII中讀出數(shù)據(jù)后，在FPGA中數(shù)據(jù)格式變換。42B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存從DDRII中讀出數(shù)據(jù)后，在FB信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存深度變換，模式切換，即只要是涉及到掃描模式變換的，都是幀緩存的天敵。圖像無輸出，模式切換時圖像異常，圖像抖動，丟包，幀率不正常，應該優(yōu)先檢查幀緩存模塊；三次數(shù)據(jù)格式轉變過程中，任何一次在時序上稍有不當，整個管道就堵塞，導致系統(tǒng)數(shù)據(jù)流停滯?？梢圆捎孟铝惺侄屋o助診斷：采集分析波束合成數(shù)據(jù)(1)，用于檢查送給幀緩存的數(shù)據(jù)是否正確；分析幀緩存寫入到DDRII的數(shù)據(jù)(2)，用于驗證寫操作是否正確；分析輸入到矩陣乘的數(shù)據(jù)(3)，用于驗證幀緩存讀是否正確。43B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存深度變換，模式切換，即只要是涉B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存Bug27864BCM時數(shù)據(jù)丟包；Bug29141BM諧波時M圖像間或的亮線；Bug晃取樣框時，C突然死掉；BugBC奇偶幀掃描下，幀率只有理論的一半；------44B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存Bug27864BCM時數(shù)B信號處理-M7：矩陣乘B的矩陣乘的實質是對同一個線集內，屬于同一線的不同子幀的同一深度的IQ加權求和。B矩陣的系數(shù)通常取1或-1。如果存在正反向諧波成像，系數(shù)有一半取-1，得到諧波數(shù)據(jù)成分。C的矩陣乘用于實現(xiàn)壁濾波或TDI模式的直通，和DC6,M5類似。45B信號處理-M7：矩陣乘B的矩陣乘的實質是對同一個線集內，B信號處理-M7：累加器對于B信號處理來說，累積器作用有兩個：1是用于基波和諧波處理結果的模值加權疊加；2是用于同一子集內部不同線集結果的疊加，比如多焦點結果的模值疊加。對于C信號處理來說，累積器作用：實現(xiàn)速度矢量的相干疊加。46B信號處理-M7：累加器對于B信號處理來說，累積器作用有兩內容提要：B信號處理C信號處理47內容提要：B信號處理471.C掃描2.數(shù)據(jù)重排3.壁濾波4.自相關5.求速度6.KEYHOLE噪聲抑制C信號處理481.C掃描C信號處理48速度對應著多普勒頻移；要檢測血流速度，即求出多普勒頻移，也就是鑒頻；對于數(shù)字信號處理來說，鑒頻是在采樣數(shù)據(jù)中求出數(shù)據(jù)中可能的頻率成分，等價于鑒別數(shù)據(jù)的相位變化趨勢。C信號處理-C掃描49速度對應著多普勒頻移；C信號處理-C掃描49上圖中第一，第二，，，次回波數(shù)據(jù)是如何得到的？對同一位置多次等間隔掃描，假設次數(shù)為P；等間隔時間T的倒數(shù)1／T稱為速度樣點采樣率；而非AD采樣率。從速度樣點采樣率，發(fā)射頻率，超聲速度，又能換算到血流速度范圍：Scale（cm/s）下面為多普勒頻移公式，以及測速范圍Scale的算法。C信號處理-C掃描上面的公式中Fs即為速度樣點的采樣率，各種模式下Fs含義如下所示：50上圖中第一，第二，，，次回波數(shù)據(jù)是如何得到的？C信號處理-C下圖中，K的取值表示不同位置的血流掃描線，對于正常的C掃描來說，采用的是下圖左邊的掃描方式，而不是右邊的掃描方式。為什么？C信號處理-C掃描51下圖中，K的取值表示不同位置的血流掃描線，對于正常的C掃描來前提條件1：取樣框的位置（深度）決定了C發(fā)射的PRF，假設PRF=4K；前提條件2：現(xiàn)在要檢測極其低速血流，速度范圍SCALE非常小，比如手指尖，采樣率1K即夠；按照下圖右邊的掃描方式，如果相鄰P之間的時間間隔倒數(shù)為1K，能達到要求的速度分辨率，最后顯示的幀率就太慢了。按照下圖右邊的掃描方式，如果相鄰P之間的時間間隔倒數(shù)為4K，幀率能滿足要求，能達到的速度范圍SCALE為原來的四倍，實際上對于低速血流來說，沒有必要需要如此高的SCALE，速度分辨率降低為原來的1／4。下面左圖的P,K交叉掃描是理想的掃描方式，既提高了幀率，又兼顧了速度分辨率。P，K值取多少，由很多因素折衷決定。C信號處理-C掃描52前提條件1：取樣框的位置（深度）決定了C發(fā)射的PRF，假設P典型的P,K以及C的PRF，C的速度樣點采樣率之間關系。C信號處理-C掃描53典型的P,K以及C的PRF，C的速度樣點采樣率之間關系。C信C線復合的掃描方式：4波束，間隔兩線掃描，B復合一次，C一個取樣框分成5個數(shù)據(jù)包掃描，每個包的P=14,K=2,包內的K=0，K=1線號錯開2；上一個包的最后一線和下一包的第一線線號錯開2.每個包的開頭都有兩次無效的掃描；從下圖可以看出C最終顯示的線數(shù)是：5×4-2×2=16；C信號處理-C掃描54C線復合的掃描方式：4波束，間隔兩線掃描，B復合一次，C一個C線復合的掃描方式：C的子幀個數(shù)為28，以第一次得到的有效線為基準，線號間隔四線得到的線數(shù)據(jù)放在子幀0至13中，即線集0的數(shù)據(jù)；線號間隔二線得到的線數(shù)據(jù)放在子幀14至27中，即線集1的數(shù)據(jù)。C的子集為1，線集共為2。在累加器中，實現(xiàn)速度矢量的累加，C信號處理-C掃描55C線復合的掃描方式：C的子幀個數(shù)為28，以第一次得到的有效線C奇偶幀復合的掃描方式：一個掃描控制幀分兩個顯示幀完成，稱為奇幀和偶幀。對于B來說，奇幀和偶幀掃描過程完全相同；對于C來說，下圖中P=12，K=13，一個C的取樣框由一個包組成；對于C來說，奇幀，偶幀錯開兩線，C的線集數(shù)為0，累加器無累加。但是存在幀復合運算；可以把幀復合當作幀于幀之間的非相干疊加；下圖中C的線數(shù)一共為：13×4-2×2=48；C信號處理-C掃描56C奇偶幀復合的掃描方式：一個掃描控制幀分兩個顯示幀完成，稱為C的線復合屬于矢量的疊加，C的幀復合屬于標量的加權疊加。例如：假設V0角度為25度，V1角度為90度，矢量量疊加后，其角度為35度。標量疊加，假設權值為0.5，結果為（90+25）×0.5=57.5度；兩種方法計算出的結果稍有差異。如果權值為0.5，可以證明標量疊加計算的結果要比矢量疊加的結果大一些。C信號處理-C掃描57C的線復合屬于矢量的疊加，C的幀復合屬于標量的加權疊加。例如1.C掃描2.數(shù)據(jù)重排3.壁濾波4.自相關5.求速度6.KEYHOLE噪聲抑制C信號處理581.C掃描C信號處理58在前面的數(shù)據(jù)幀緩存中講過，C的數(shù)據(jù)重排是通過對數(shù)據(jù)幀緩存的讀寫實現(xiàn)的。假設當前數(shù)據(jù)點為D(P,K,F)，P表示樣點數(shù)據(jù)的編號，K表示線號，F(xiàn)表示深度。如果不考慮多波束的因素，輸入數(shù)據(jù)的先后順序為：F->K->P，如下圖左;數(shù)據(jù)重排后，輸出數(shù)據(jù)的順序為：P->F->K，如下圖右。C信號處理-數(shù)據(jù)重排59在前面的數(shù)據(jù)幀緩存中講過，C的數(shù)據(jù)重排是通過對數(shù)據(jù)幀緩存的讀1.C掃描2.數(shù)據(jù)重排3.壁濾波4.自相關5.求速度6.KEYHOLE噪聲抑制C信號處理601.C掃描C信號處理60得到同一線同一深度的等時間間隔的P個采樣點數(shù)據(jù)后，分析數(shù)據(jù)頻譜，其成分為：較強的低速組織運動。非常微弱的高速的血流運動。C信號處理-壁濾波61得到同一線同一深度的等時間間隔的P個采樣點數(shù)據(jù)后，分析數(shù)據(jù)頻1.C掃描2.數(shù)據(jù)重排3.壁濾波4.自相關5.求速度6.KEYHOLE噪聲抑制C信號處理621.C掃描C信號處理62互相關計算用來求出不同信號之間的相似度，對于自相關，既可以用來求信號的能量，也可以求信號最可能的旋轉成分。序列的自相關C(m)=E[A(n+m)*conj(A(n))]即為延遲共扼相乘。通常用來估算輸入序列的頻偏。在通信系統(tǒng)中，有自動頻偏糾正：AFC，分為自動頻偏估計以及自動頻偏補償兩步完成。其中自動頻偏估計，有下列兩種方法：1.延遲共扼相關；2.FFT；延遲共扼相關是找出信號中最可能的頻偏成份，即最大似然估計；而FFT是以頻率分辨率的間隔，遍歷求出信號可能的頻偏成分的模值。對應到超聲系統(tǒng)：延遲共扼相關用于估計C的血流相位變化；FFT用于求出多普勒模式（PW,CW）的譜線。C信號處理-自相關63互相關計算用來求出不同信號之間的相似度，對于自相關，既可以用假設對同一位置每隔相同時間進行P次掃描，得到P個樣點，P通常取值8，12，14，16。樣點矢量在坐標軸上的分布如下圖，藍色為原始矢量，紅色為原始矢量的共扼向量。延遲共扼相乘后得到相鄰樣點中包含的旋轉矢量，即血流的旋轉矢量。對多個樣點的旋轉矢量平均，以去除噪聲的影響，得到同一位置血流最大可能的旋轉矢量，求出該旋轉矢量的角度即鑒別出血流的相位變化信息。對數(shù)字信號處理鑒相即為鑒頻，反映著血流的多普勒頻移，即血流速度。自相關的結果，得到能量R以及速度矢量在X,Y軸上的分量D,N。C信號處理-自相關64假設對同一位置每隔相同時間進行P次掃描，得到P個樣點，P通常1.C掃描2.數(shù)據(jù)重排3.壁濾波4.自相關5.求速度6.KEYHOLE噪聲抑制C信號處理651.C掃描C信號處理651.求出速度矢量D,N和X軸之間的角度theta，其值為[-pi,pi)之間。2.將該角度用8比特量化，即round(theta/pi/2*2.^8),量化后的值范圍為-128到+127，之間，最高位為符號位表示血流的方向。3.將量化后的值用偽彩的方式顯示出來，即為看到的屏幕上的彩色圖像。C信號處理-求速度661.求出速度矢量D,N和X軸之間的角度theta，其值為[-實際求出的參量中，除了能量，速度外，還有方差。方差的算法：1－（速度矢量的模值/能量）;在超聲中，方差的概念可以這樣去理解：血流成分的準確性，比如方差為0，則認為僅包含血流或組織運動引起的單頻成分，不包含任何其它噪聲；再比如方差趨向于1，則認為該點處的血流矢量太小，該點并非血流。方差在B,C圖像顯示融合的時候，用于輔助判斷是否顯示血流或者黑白圖像。C信號處理-求速度67實際求出的參量中，除了能量，速度外，還有方差。C信號處理-求1.C掃描2.數(shù)據(jù)重排3.壁濾波4.自相關5.求速度6.KEYHOLE噪聲抑制C信號處理681.C掃描C信號處理68實際算出的VTP不一定正確。下圖中，紅色區(qū)域內的V0矢量被認為是壁濾波沒有過濾干凈的低速組織運動，應該被清除；V2,V4矢量認為其模值，或能量值太小，也是被剔除的矢量。只有V1,V3矢量被認為是很可能正確的速度矢量。KEYHOLE是通過一些參量的門限閾值來最大可能的確定當前矢量是否是真實的速度矢量。用來改善血流的顯示形態(tài)。C信號處理-KEYHOLE噪聲抑制69實際算出的VTP不一定正確。C信號處理-KEYHOLE噪聲抑KEYHOLE前后的對比。C信號處理-KEYHOLE噪聲抑制70KEYHOLE前后的對比。C信號處理-KEYHOLE噪聲抑制圖像含義71圖像含義71圖像含義72圖像含義72內容提要：未完，待續(xù)：超聲中的信號處理（三）73內容提要：未完，待續(xù)：73

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END74AGLOBALPARTNERYOUCAN超聲中的信號處理（二）75超聲中的信號處理（二）1內容提要：B信號處理C信號處理76內容提要：B信號處理21.B掃描2.M7的關鍵點3.M7的核心處理步驟B信號處理771.B掃描B信號處理3用到了很多種改善圖像性能的方式：孔徑合成；線復合；諧波成像；多焦點；空間復合等等通常是上述幾種方式中的2～3種組合使用，采用的方式確定了掃描過程。反過來，由掃描過程也可以反推出用到了那些改善圖像性能的方式。不同的掃描方法，決定了不同的信號處理方式，在M5,DC3中非常明顯體現(xiàn)出來。B信號處理-掃描78用到了很多種改善圖像性能的方式：B信號處理-掃描4右圖為當前掃描的一個例子，橫坐標表示掃描序號。上圖表示線號，下圖表示屬性?？梢钥闯鰭呙璺绞綖?波束4焦點。B信號處理-掃描先掃同一個線的4個不同焦點的數(shù)據(jù)，然后線號間隔兩線，再次掃描4個不同焦點的數(shù)據(jù)。79右圖為當前掃描的一個例子，橫坐標表示掃描序號。上圖表示線號，B信號處理-掃描-孔徑合成

接收孔徑第一次接收第二次接收….….接收電路接收通道選擇開關80B信號處理-掃描-孔徑合成接收孔徑第一次接收第二次接收….B信號處理-掃描-線復合多波束接收假設為8波束，讓掃描線間隔數(shù)小于8，然后將接收線中相同線號的線疊加。用于改善信噪比。下圖為采用間隔四線掃描，累加兩次的復合情況。下圖為無復合，錯開8線掃描的情況。81B信號處理-掃描-線復合多波束接收假設為8波束，讓掃描線間隔B信號處理-掃描-線復合下圖為采用間隔兩線掃描，累加四次的復合情況。82B信號處理-掃描-線復合下圖為采用間隔兩線掃描，累加四次的復B信號處理-掃描-線復合右圖為采用間隔一線掃描，累加八次的復合情況。復合是在幀率和性能之間的一個折衷平衡，當復合累加次數(shù)分別為1，2，4，8時，實際上分別等價于8，4，2，1波束系統(tǒng)。常用的是錯開兩線掃描的方式。83B信號處理-掃描-線復合右圖為采用間隔一線掃描，累加八次的復B信號處理-掃描-多焦點為改善整場的清晰度。保持線號不變，改變每次發(fā)射聚焦區(qū)域，從回波中取出相應的聚焦區(qū)域的數(shù)據(jù)。很明顯多焦點能兼顧整場的清晰度，但是代價是犧牲幀率。84B信號處理-掃描-多焦點為改善整場的清晰度。保持線號不變，改B信號處理-掃描-多焦點M5中，為了節(jié)省BLOCKRAM，將線復合和多焦點拼接合在一起完成。反復對BOLCKRAM進行讀寫操作；不斷對輸入數(shù)據(jù)和RAM中讀出的數(shù)據(jù)進行復合或者是拼接區(qū)的HANNING窗的加權運算。實現(xiàn)方案非常復雜！85B信號處理-掃描-多焦點M5中，為了節(jié)省BLOCKRAM，B信號處理-掃描-諧波成像超聲圖像的分辨率和超聲波長成反比，即和頻率成正比，但是頻率越高，衰減越快。對系統(tǒng)動態(tài)范圍的要求越高。諧波成像，兼顧基波的穿透力，和諧波的分辨率。諧波成像分為：自然諧波成像，正方向諧波成像。其中正反向諧波成像好理解一些。分別發(fā)射正向以及反向脈沖，回波數(shù)據(jù)相加，消除基波，得到諧波；回波數(shù)據(jù)相減，消除諧波的干擾。86B信號處理-掃描-諧波成像超聲圖像的分辨率和超聲波長成反比，B信號處理-掃描-空間復合沿著不同的偏轉角度對人體組織進行掃描，然后將不同角度的圖像融合成一幀。87B信號處理-掃描-空間復合沿著不同的偏轉角度對人體組織進行掃B信號處理-掃描-空間復合空間復合并不會改變圖像的幀率。抑制圖像上的突發(fā)的黑點噪聲，但是圖像清晰度有所降低。復合前的圖像復合后的圖像88B信號處理-掃描-空間復合空間復合并不會改變圖像的幀率。1.B掃描2.M7的關鍵點3.M7的核心處理步驟B信號處理891.B掃描B信號處理15B信號處理-M7的關鍵點系統(tǒng)每次更改方案，每次更改掃描模式，后面的實現(xiàn)方式就會隨著更改，調試，，，在M5中的表現(xiàn)非常明顯；M7的突破點便是從哲學角度上概括超聲掃描接收處理特點。使得前端掃描，數(shù)據(jù)存儲讀寫和隨后的處理分開，后面的實現(xiàn)處理只依賴參數(shù)，不依賴前端的掃描方式。哲學：從現(xiàn)實世界紛繁復雜的社會現(xiàn)象中，提煉出形而上的規(guī)律?！胺彩乾F(xiàn)實的就是合理的，凡是合理的就是現(xiàn)實的”“人們首先必須吃、喝、住、穿，然后才能從事政治、科學、藝術、宗教等社會活動。”“我思故我在”“反者道之動，弱者道之用。天下萬物生于有，有生于無?！?0B信號處理-M7的關鍵點系統(tǒng)每次更改方案，每次更改掃描模式B信號處理-M7的關鍵點M7整體設計理念高于DC6,M5。M7的精髓：數(shù)據(jù)幀緩存，將正交解調后順序上不規(guī)則的數(shù)據(jù)存儲于FPGA片外DDRII中，讀的時候按所需的規(guī)則順序來讀取。M7的神奇點一：矩陣乘，對B來說實現(xiàn)相干累加，對C來說實現(xiàn)壁濾波，對TDI模式來說直通。M7的神奇點二：累加器，對B來說實現(xiàn)非相干累加，對C來說實現(xiàn)自相關后速度矢量的相干疊加。91B信號處理-M7的關鍵點M7整體設計理念高于DC6,M5。B信號處理-M7的關鍵點鑒于相干疊加，非相干疊加貫穿于超聲信號處理的整個過程，有必要加深對相干疊加，非相干疊加的認識。對數(shù)據(jù)先IQ加權疊加，后求模的方式稱為相干疊加；對數(shù)據(jù)先IQ求模，后模值加權疊加的方式成為非相干疊加；超聲B信號處理中，有孔徑合成，多焦點拼接，線復合，正反向諧波數(shù)據(jù)獲取，頻率復合，空間復合等等。相干疊加方式：孔徑復合，線復合，正反向諧波數(shù)據(jù)獲取，非相干疊加方式：線復合，多焦點拼接，頻率復合，空間復合。92B信號處理-M7的關鍵點鑒于相干疊加，非相干疊加貫穿于超聲B信號處理-M7的關鍵點相干疊加，非相干疊加的概念來自于通信系統(tǒng)，在信道的相干時間之內，相干疊加即IQ疊加可以最大限度提高信噪比。93B信號處理-M7的關鍵點相干疊加，非相干疊加的概念來自于通B信號處理-M7的關鍵點超出了相干時間后，信號相位差異較大，相干疊加無助于提高信噪比，反而會降低信噪比。此時采用非相干即模值疊加的方式，因為信號相位差異較大，但其包絡變化不大。94B信號處理-M7的關鍵點超出了相干時間后，信號相位差異較大B信號處理-M7的關鍵點什么是相干時間？從統(tǒng)計的角度看，維持信道單位沖擊響應基本不變的一段時間。反比于多普勒頻移，即和組織運動的速度成反比。下面是兩種極端情況：假設組織絕對靜止，其速度為0，那么其相干時間為無窮大，即可以做無限多次的相干（IQ）疊加，使得其信噪比為無窮大。假設組織運動速度為無窮大，其相干時間為零，即不能做相干疊加。95B信號處理-M7的關鍵點211.B掃描2.M7的關鍵點3.M7的核心處理步驟B信號處理961.B掃描B信號處理22B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存DC6,M5數(shù)據(jù)重排模塊，僅在C處理時用到，借助片外SSRAM實現(xiàn)數(shù)據(jù)的重新整理。M7將數(shù)據(jù)重排的概念擴展到B，統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)幀緩存。數(shù)據(jù)幀緩存的實質是根據(jù)掃描模式，按照符合要求的數(shù)據(jù)格式，對FPGA片外緩存的讀寫?？梢哉J為片外緩存是一個三維的矩陣，裝載數(shù)據(jù)方式如下：97B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存DC6,M5數(shù)據(jù)重排模塊，僅在B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存第一個焦點內孔徑的頭8條線；第一個焦點外孔徑的頭8條線；第二個焦點內孔徑的頭8條線；第二個焦點外孔徑的頭8條線；錯開兩線掃描；------講到數(shù)據(jù)幀緩存，不可避免引入基本概念：子幀，子集，線集，線。以一個8波束，錯開兩線復合，有孔徑合成，兩焦點為例，看看數(shù)據(jù)在三維矩陣中如何裝載讀寫：98B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存第一個焦點內孔徑的頭8條線；講B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存接收線號先后順序如下圖：99B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存接收線號先后順序如下圖：25B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存100B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存26B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存101B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存27B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存上例中，同一線號的數(shù)據(jù)共16次得到，即子幀個數(shù)為16；數(shù)據(jù)分兩批讀出，每一批數(shù)據(jù)稱為一個線集，16個子幀的數(shù)據(jù)共2個線集；每一批數(shù)據(jù)包含8個子幀，即線集里面子幀的個數(shù)為8；將每一批8個子幀的數(shù)據(jù)送出去相干(IQ)疊加，即矩陣乘里面的系數(shù)為：[1111111]分屬不同線集的數(shù)據(jù)求模后，非相干疊加，合并為一幀數(shù)據(jù)送到后端顯示。在這個例子中，非相干疊加的次數(shù)即為線集的個數(shù)，相干疊加的次數(shù)即為矩陣里面系數(shù)的個數(shù)。102B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存上例中，同一線號的數(shù)據(jù)共16次B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例1：4波束，無復合，只有孔徑合成，其接收線號如下：103B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例1：4波束，無復合，只有B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例1：4波束，無復合，只有孔徑合成，往幀緩存中寫：104B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例1：4波束，無復合，只有孔徑B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例1：4波束，無復合，只有孔徑合成，從幀緩存中讀數(shù)據(jù)：105B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例1：4波束，無復合，只有B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例1：4波束，無復合，只有孔徑合成子幀個數(shù)為2；子集個數(shù)為1；線集個數(shù)為1；矩陣乘里面的系數(shù)為：[11]106B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例1：4波束，無復合，只有孔徑B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例2：4波束，有復合，無孔徑合成，其接收線號如下：107B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例2：4波束，有復合，無孔B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例2：4波束，有復合，無孔徑合成，寫幀緩存如下：108B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例2：4波束，有復合，無孔B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例2：4波束，有復合，無孔徑合成，讀幀緩存如下：109B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例2：4波束，有復合，無孔B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例2：4波束，有復合，無孔徑合成子幀個數(shù)為2；子集個數(shù)為1；線集個數(shù)為1；矩陣乘里面的系數(shù)為：[11]110B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例2：4波束，有復合，無孔B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例3：8波束，有復合，無孔徑合成，3角度的空間復合，其發(fā)射線號如下：111B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例3：8波束，有復合，無孔B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例3：8波束，有復合，無孔徑合成，3角度的空間復合，子幀個數(shù)共為12；子集個數(shù)為3；每個子集的線集個數(shù)為1；矩陣乘里面的系數(shù)為：[1111]112B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存例3：8波束，有復合，無孔B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存從正交解調的輸出，到數(shù)據(jù)輸出給矩陣乘，幀緩存處理數(shù)據(jù)過程分為三步：第一次變換：正交解調后的數(shù)據(jù)寫入DDRII之前，解交織一次；第二次變換：第一次變換的結果寫入DDRII，然后從DDRII中讀出；第三次變換：從DDRII中讀出的結果再交織一次，變?yōu)檫m合矩陣乘的數(shù)據(jù)格式。113B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存從正交解調的輸出，到數(shù)據(jù)輸出給B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存寫入DDRII之前，在FPGA中數(shù)據(jù)格式變換。114B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存寫入DDRII之前，在FPGAB信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存DDRII中數(shù)據(jù)格式變換。115B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存DDRII中數(shù)據(jù)格式變換。41B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存從DDRII中讀出數(shù)據(jù)后，在FPGA中數(shù)據(jù)格式變換。116B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存從DDRII中讀出數(shù)據(jù)后，在FB信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存深度變換，模式切換，即只要是涉及到掃描模式變換的，都是幀緩存的天敵。圖像無輸出，模式切換時圖像異常，圖像抖動，丟包，幀率不正常，應該優(yōu)先檢查幀緩存模塊；三次數(shù)據(jù)格式轉變過程中，任何一次在時序上稍有不當，整個管道就堵塞，導致系統(tǒng)數(shù)據(jù)流停滯。可以采用下列手段輔助診斷：采集分析波束合成數(shù)據(jù)(1)，用于檢查送給幀緩存的數(shù)據(jù)是否正確；分析幀緩存寫入到DDRII的數(shù)據(jù)(2)，用于驗證寫操作是否正確；分析輸入到矩陣乘的數(shù)據(jù)(3)，用于驗證幀緩存讀是否正確。117B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存深度變換，模式切換，即只要是涉B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存Bug27864BCM時數(shù)據(jù)丟包；Bug29141BM諧波時M圖像間或的亮線；Bug晃取樣框時，C突然死掉；BugBC奇偶幀掃描下，幀率只有理論的一半；------118B信號處理-M7：數(shù)據(jù)幀緩存Bug27864BCM時數(shù)B信號處理-M7：矩陣乘B的矩陣乘的實質是對同一個線集內，屬于同一線的不同子幀的同一深度的IQ加權求和。B矩陣的系數(shù)通常取1或-1。如果存在正反向諧波成像，系數(shù)有一半取-1，得到諧波數(shù)據(jù)成分。C的矩陣乘用于實現(xiàn)壁濾波或TDI模式的直通，和DC6,M5類似。119B信號處理-M7：矩陣乘B的矩陣乘的實質是對同一個線集內，B信號處理-M7：累加器對于B信號處理來說，累積器作用有兩個：1是用于基波和諧波處理結果的模值加權疊加；2是用于同一子集內部不同線集結果的疊加，比如多焦點結果的模值疊加。對于C信號處理來說，累積器作用：實現(xiàn)速度矢量的相干疊加。120B信號處理-M7：累加器對于B信號處理來說，累積器作用有兩內容提要：B信號處理C信號處理121內容提要：B信號處理471.C掃描2.數(shù)據(jù)重排3.壁濾波4.自相關5.求速度6.KEYHOLE噪聲抑制C信號處理1221.C掃描C信號處理48速度對應著多普勒頻移；要檢測血流速度，即求出多普勒頻移，也就是鑒頻；對于數(shù)字信號處理來說，鑒頻是在采樣數(shù)據(jù)中求出數(shù)據(jù)中可能的頻率成分，等價于鑒別數(shù)據(jù)的相位變化趨勢。C信號處理-C掃描123速度對應著多普勒頻移；C信號處理-C掃描49上圖中第一，第二，，，次回波數(shù)據(jù)是如何得到的？對同一位置多次等間隔掃描，假設次數(shù)為P；等間隔時間T的倒數(shù)1／T稱為速度樣點采樣率；而非AD采樣率。從速度樣點采樣率，發(fā)射頻率，超聲速度，又能換算到血流速度范圍：Scale（cm/s）下面為多普勒頻移公式，以及測速范圍Scale的算法。C信號處理-C掃描上面的公式中Fs即為速度樣點的采樣率，各種模式下Fs含義如下所示：124上圖中第一，第二，，，次回波數(shù)據(jù)是如何得到的？C信號處理-C下圖中，K的取值表示不同位置的血流掃描線，對于正常的C掃描來說，采用的是下圖左邊的掃描方式，而不是右邊的掃描方式。為什么？C信號處理-C掃描125下圖中，K的取值表示不同位置的血流掃描線，對于正常的C掃描來前提條件1：取樣框的位置（深度）決定了C發(fā)射的PRF，假設PRF=4K；前提條件2：現(xiàn)在要檢測極其低速血流，速度范圍SCALE非常小，比如手指尖，采樣率1K即夠；按照下圖右邊的掃描方式，如果相鄰P之間的時間間隔倒數(shù)為1K，能達到要求的速度分辨率，最后顯示的幀率就太慢了。按照下圖右邊的掃描方式，如果相鄰P之間的時間間隔倒數(shù)為4K，幀率能滿足要求，能達到的速度范圍SCALE為原來的四倍，實際上對于低速血流來說，沒有必要需要如此高的SCALE，速度分辨率降低為原來的1／4。下面左圖的P,K交叉掃描是理想的掃描方式，既提高了幀率，又兼顧了速度分辨率。P，K值取多少，由很多因素折衷決定。C信號處理-C掃描126前提條件1：取樣框的位置（深度）決定了C發(fā)射的PRF，假設P典型的P,K以及C的PRF，C的速度樣點采樣率之間關系。C信號處理-C掃描127典型的P,K以及C的PRF，C的速度樣點采樣率之間關系。C信C線復合的掃描方式：4波束，間隔兩線掃描，B復合一次，C一個取樣框分成5個數(shù)據(jù)包掃描，每個包的P=14,K=2,包內的K=0，K=1線號錯開2；上一個包的最后一線和下一包的第一線線號錯開2.每個包的開頭都有兩次無效的掃描；從下圖可以看出C最終顯示的線數(shù)是：5×4-2×2=16；C信號處理-C掃描128C線復合的掃描方式：4波束，間隔兩線掃描，B復合一次，C一個C線復合的掃描方式：C的子幀個數(shù)為28，以第一次得到的有效線為基準，線號間隔四線得到的線數(shù)據(jù)放在子幀0至13中，即線集0的數(shù)據(jù)；線號間隔二線得到的線數(shù)據(jù)放在子幀14至27中，即線集1的數(shù)據(jù)。C的子集為1，線集共為2。在累加器中，實現(xiàn)速度矢量的累加，C信號處理-C掃描129C線復合的掃描方式：C的子幀個數(shù)為28，以第一次得到的有效線C奇偶幀復合的掃描方式：一個掃描控制幀分兩個顯示幀完成，稱為奇幀和偶幀。對于B來說，奇幀和偶幀掃描過程完全相同；對于C來說，下圖中P=12，K=13，一個C的取樣框由一個包組成；對于C來說，奇幀，偶幀錯開兩線，C的線集數(shù)為0，累加器無累加。但是存在幀復合運算；可以把幀復合當作幀于幀之間的非相干疊加；下圖中C的線數(shù)一共為：13×4-2×2=48；C信號處理-C掃描130C奇偶幀復合的掃描方式：一個掃描控制幀分兩個顯示幀完成，稱為C的線復合屬于矢量的疊加，C的幀復合屬于標量的加權疊加。例如：假設V0角度為25度，V1角度為90度，矢量量疊加后，其角度為35度。標量疊加，假設權值為0.5，結果為（90+25）×0.5=57.5度；兩種方法計算出的結果稍有差異。如果權值為0.5，可以證明標量疊加計算的結果要比矢量疊加的結果大一些。C信號處理-C掃描131C的線復合屬于矢量的疊加，C的幀復合屬于標量的加權疊加。例如1.C掃描2.數(shù)據(jù)重排3.壁濾波4.自相關5.求速度6.KEYHOLE噪聲抑制C信號處理1321.C掃描C信號處理58在前面的數(shù)據(jù)幀緩存中講過，C的數(shù)據(jù)重排是通過對數(shù)據(jù)幀緩存的讀寫實現(xiàn)的。假設當前數(shù)據(jù)點為D(P,K,F)，P表示樣點數(shù)據(jù)的編號，K表示線號，F(xiàn)表示深度。如果不考慮多波束的因素，輸入數(shù)據(jù)的先后順序為：F->K->P，如下圖左;數(shù)據(jù)重排后，輸出數(shù)據(jù)的順序為：P->F->K，如下圖右。C信號處理-數(shù)