老蒋谈超声（二）:动态范围

前言

话说当阳桥头，攻城狮张小德左手键盘右手鼠标，横眉怒目；桥对面敌军十万，“G”“P”“S”大旗铺天蔽日，如潮水般扑将过来。只听张小德大喝一声“老子动态范围二！百！五~五~五~五~！”，天地为之一震，一阵妖风从桥面直扑敌军，一时间飞沙走石，敌军溃散…...

以上纯属扯淡，主要想表达一下对动态范围这个指标延绵不断的蛋疼之情。动态范围差不多是招标中最为喜闻乐见的指标，老蒋身为前首席指标修改攻城狮，这个指标的显示值已经记不清改过多少次了。记得有一个月连改三四回，显示200-300不等，于是当时的菜鸟小蒋去找研发老大商量，“要不咱们在程序里预留一个接口，销售觉得需要，就自己改显示数值，想改多少就多少，免得研发一次又一次改”，老大大惊失色：“千万不能这样，你这样干别人也能这么干，不用多久，超声设备的显示屏宽度就不够显示动态范围数字了！”

动态范围是什么

标准的动态范围定义是：系统可以检测，处理或者显示的最大信号对应及最小信号之间的比例。以上听起来还不够象人话，举个例子：你谈恋爱那会儿，你妹子不管是豪放地说”走，跟老娘骑着单车去看夕阳”，还是以蚊子声音说一声“人家想要……”，你都能迅速捕捉到中心思想该干嘛干嘛，你这时候动态范围就很大；等你结了婚，你媳妇儿不管是温柔地“老公，去把垃圾扔了”还是咆哮“你这臭袜子在窗台放了三天还是不洗是啥意思”，你还是继续打游戏，唯一有反应的时候是“老公，别在家猫着了，去找你朋友喝酒吧”，这时候你的动态范围就极小（我好象举了个动态范围接近于零的例子）。

上面给了一个大致的概念，动态范围的数值表示一般用最大信号能量和最小信号能量的比例来表示，比如最大信号能量是Pow_max，最小信号能量为Pow_min，那动态范围就是Pow_max/Pow_min。这个比例值通常是一个比较大的数字，说起来写起来都麻烦，工程上往往转成分贝数dB来表示：DR(dB)=10log10(Pow_max/Pow_min)

看公式就头疼的同学可以看这张表：

摄影中的动态范围

对于数码相机，动态范围就是能够显示的最强光线和最弱光线之间的能量比；如果说拍摄场景中需要表达的部分，最强亮度和最弱亮度之比超出了相机的动态范围，那么要么最强部分可能会损失，或者最弱部分会损失；

如上图，天空，白云是整个场景中亮度最大的部分，大门内的树林是最弱的部分；用户减少曝光量（一般是加快曝光时间），图像中光强最强的天空强度最终不超过相机能显示的最大强度，保持了比较好的层次，但这种条件下，大门内的景物对应强度已经接近或者低于相机能够显像的最低信号强度，所以基本是黑乎乎的一片；

加大曝光量，可以让大门里面的树林显示得层次比较好，但天空已经是白色一片，这是因为加大曝光量后，云、天空的亮度已经超过了相机能够显示的最大强度，所以变成全白；

有聪明的读者一定想到了可以选择这两张照片各自表现得好的部分合起来，蓝天，白云，建筑，树都可以比较好的显示出来，象下面这样子：

这就是摄影中常用的HDR技术。现在手机摄影软件已经内置HDR功能，很多还是自动打开的，所以不少朋友背一个单反出去，有时候发现拍风景效果还不如手机，原因多半是单反不会自动打开HDR功能。嗯，下次你媳妇儿再骂你把她的脸拍得象张小德一样黑，你就可以这样回答了“这怪相机没有HDR功能，看到你身后层次分明的天空了吗，如果你的脸象阳光一样灿烂，那就不会这样黑了”，同时祝你腿足够结实。

（说明：以上几张图都是从蜂鸟网www.fengniao.com上直接扒下来的，原图是用三张曝光不同的照片合成了最终效果，在此感谢原作者）

超声成像系统的动态范围

这一节会比较烧脑，高中数学知识都已经还给体育老师的童鞋直接跳到最后一节吧。你只要记住，超声成像系统动态范围还是满牛的，250dB不容易，150dB还是有可能的。

从定义来说，超声成像系统的动态范围和其它系统也是类似的：无非是可检测、显示的最大超声信号与最小超声信号之比。对于全数字超声成像系统而言，每个接收通道（通道的定义参见上篇老蒋说超声）都有一个把模拟信号转换成数字的AD转换器，AD转换器的位宽是影响超声系统动态范围最主要的因素，很显然，AD的位数越宽（或者说可以表示的数越大），能够转换的最大信号与最小信号比例越大，动态范围也越大；此外，接收通道数，以及超声系统本身的本底噪声对超声系统的动态范围也有比较大的影响；

现在是公式时间，假定AD转换器位宽为N，接收通道数为K，本底噪声在某些情况下（比如我脸皮突然一厚的时候）可以忽略不计，那么最最理想情况下，系统动态范围应该是6.02*N+1.76+6*sqrt(K)；其中6.02*N+1.76是理想情况下AD贡献的动态范围，6*sqrt(K)是由通道提供的动态范围。目前超声最常用的AD位宽为10-14位，通道数64-256，按照最最理想的情况来算，各种通道数，AD位宽组合时，动态范围大概是这样的：

以上讨论按最宽松的尺度也显得有一些粗暴，毕竟大多数情况下系统噪声是不可能忽略的，AD有3-4dB的动态态度损失也很常见。我们负责模拟电路的攻城狮曾对我们正在开发的系统在不同条件下，噪声对系统动态范围影响写过一篇分析，洋洋洒洒七大页，老蒋写文章前找来看了看，感动得睡着了，醒来后决定以后写20篇文章来介绍，这里就直接把结论扔出来：

1 对于从人体浅表，比如皮肤返回的超声波，信号强度大，超声系统不需要把信号放大，这时候系统里起主导作用的噪声是AD量化噪声，幅度小，所以系统动态范围可以接近理想值。

2 对于从人体中较深位置回来的超声波，信号强度很弱，超声系统一定要搞一个类似“扩音器”的东西把信号放大，同时，系统本底噪声也被一起放得很大，这个对系统动态范围影响是很大的。以我们的系统为例，相对于最理想情况损失大约在20-25dB。

超声图像的动态范围

上一节是纯工程讨论，得到的动态范围仅仅是系统有可能接收信号的动态范围，就象讨论保险箱里有可能放入多少金条。这个保险箱要放满需要很多条件，比如每天都能中彩票，巴菲特的女儿突然看上了你…..数学上成立，但现实中不可能。对于超声成像，如果图像要达到系统最大动态范围，需要满足的条件也不多，也就20来条吧：

1 超声图像不存在伪像，杂波

2 每个通道的数据都可以达到AD最大值，数据都是可用的，并且可以同相相加

3 …

其实看完前两条就不用往下说了。

从自己接触过的系统，以及开发过的系统，老蒋认为医学超声得到的成像结果实际动态范围很难超过90dB。当然会有人会质疑老蒋水平太LOW，我们不妨看看PHILIPS去年推出的超高端系统EPIQ 7一般显示多少：不仅没超过100dB，而给用户推荐使用动态范围一般是50-70dB。

绝大多数超声成像系统是用灰阶图来显示二维B 图像，灰阶图其实类似于黑白照片，是由黑到白，用0-255共256个由黑到白过度的色度来显示图像。不管超声图像实际动态范围多少，能够显示的灰阶也就是这256个，相应灰阶255（白色）对应图像里的最大信号，灰阶0（黑色）对应图像里的最小信号。

由于成像部位、病人身体条件不同，得到的超声图像实际动态范围差别往往比较大，为了充分利用灰阶，最好是让实际的最大信号显示灰阶为255，而实际的最小信号显示灰阶在0；为此大多数超声系统都会让超声医生根据实际的成像结果选择动态范围；

对于超声医生来说，善于调节动态范围还是比较重要的：

1 动态范围选得太小，实际信号必然有一部分无法显示：部分强信号全显示为亮白，一些弱信号又压成了全黑。如果这部分信号恰好含诊断信息，那就比较糟糕；

2 动态范围选得太大，256个灰阶只有一部分能用上，尽管信号不会丢失，也不是最优的显示效果，对诊断同样不利。

以下三张图，是保持其它条件不变，动态范围分别设为30dB, 50dB, 90dB得到的结果；

第一张图，动态范围相对于实际的信号范围偏小了：一部分大信号成为亮白，而肌层里面本来应该有信号的地方已经变成全黑；

第三张图，动态范围相对于实际的信号范围偏大；整张图像有一些灰蒙蒙的，缺乏层次；

相对说来，第二张图设的50dB比较合适，没有明显的信号缺失，层次也得到了保证。

最后给两个动态范围调节的TIPS：

1 病人身体条件不好，杂波比较多，可以适当把动态范围变小，甚至可以适度过小，特别是心血管检查；尽管可能会丢失一些信号，但是可以有效地抑制杂波；比如上面三张图，我相信有部分医生会觉得第一张图不错，因为血管腔里的一些杂波被抑制掉了；

2 不同厂家显示的动态范围值差异很大，最好的办法是不去管显示值是多少，根据需要变大或者变小就可以了。