Barker編碼激勵(lì)在眼科高頻超聲成像中的應(yīng)用研究

周 盛 王曉春 計(jì)建軍 楊 軍 王延群

(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津 300192)

引言

臨床上為了防止超聲波的空化效應(yīng)和熱效應(yīng)對(duì)人體可能造成的損害，對(duì)醫(yī)學(xué)超聲成像系統(tǒng)的聲輸出功率進(jìn)行了嚴(yán)格的限定。相對(duì)于人體其它組織器官，專用眼科超聲影像設(shè)備對(duì)于時(shí)間平均聲強(qiáng)(ISPTA.3)、脈沖平均聲強(qiáng)(ISPPA.3)和機(jī)械指數(shù)(MI)等聲輸出參數(shù)的要求更為嚴(yán)格，使得無法單純的依靠提高單脈沖幅值的方法提高超聲波能量。

目前應(yīng)用的眼科 A/B型超聲診斷設(shè)備，使用的超聲波中心頻率一般限制在10 MHz。當(dāng)臨床上需要獲取病灶組織更多的細(xì)節(jié)信息時(shí)，中心頻率可進(jìn)一步提高到15 MHz甚至20 MHz，對(duì)于晶狀體、玻璃體、視網(wǎng)膜等相對(duì)淺表組織圖像的分辨率會(huì)得到很大地提高，卻會(huì)丟失深部眼眶組織的回波信息，失去了全景成像的作用，在很大程度上影響了其在眼科臨床診斷中的應(yīng)用價(jià)值。

將編碼信號(hào)引入到醫(yī)學(xué)超聲成像中來，可以很好的解決上述問題，既能滿足聲輸出檢測(cè)規(guī)范對(duì)于眼科超聲成像設(shè)備的要求，又能很好的提高信噪比和分辨率，最終改善圖像質(zhì)量。這種技術(shù)稱之為數(shù)字編碼超聲技術(shù)(digital encode ultrasound，DEU)，是借鑒雷達(dá)通信中的擴(kuò)頻技術(shù)[1]，利用通信理論中的脈沖壓縮原理，采用長(zhǎng)的編碼脈沖發(fā)射取代單載波、短脈沖的發(fā)射機(jī)制，能夠在不增加峰值發(fā)射功率的前提下，在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射更多的能量，顯著提高平均發(fā)射功率，當(dāng)然還需要利用脈沖壓縮將這些能量壓縮到很短的時(shí)間內(nèi)，從而提高系統(tǒng)的信噪比[2]，進(jìn)而達(dá)到提高分辨力和穿透力的目的[3]。

Newhouse在1974年首次將編碼激勵(lì)技術(shù)引入到醫(yī)學(xué)超聲成像中[4-6]，提出了白噪編碼的超聲成像和多普勒測(cè)量系統(tǒng)。在此后的近30年里，各種編碼激勵(lì)方案得到了廣泛地研究，人們提出了包括Barker碼、Golay互補(bǔ)序列對(duì)、Chirp信號(hào)和偽 Chirp序列在內(nèi)的各種編碼方法[7]。目前在國(guó)外，丹麥技術(shù)大學(xué)的快速成像實(shí)驗(yàn)室、波蘭科學(xué)院超聲波等研究機(jī)構(gòu)仍然在進(jìn)行這方面的研究，并時(shí)有新的結(jié)果。國(guó)內(nèi)一些高校也就此進(jìn)行了有意義的研究[8-9]。但目前國(guó)內(nèi)這方面的研究很多都局限于理論仿真，很少有對(duì)整個(gè)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

本研究基于前人的理論基礎(chǔ)，提出并搭建了可以實(shí)現(xiàn)眼科高頻超聲編碼激勵(lì)和脈沖壓縮技術(shù)的超聲發(fā)射接收實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并最終將實(shí)驗(yàn)所得眼科超聲圖像數(shù)據(jù)通過USB接口實(shí)時(shí)地在上位機(jī)上處理和顯示。

1 方法

1.1 發(fā)射編碼

發(fā)射編碼按其內(nèi)容分為相位編碼和頻率編碼，也可以按照發(fā)射次數(shù)分為單次發(fā)射碼和多次發(fā)射碼，如表1所示。

表1 超聲編碼的分類Table 1 Different types of codes

Chirp碼脈沖壓縮效果受衰減和波束合成等非線性因素的影響相對(duì)較小，而且只需要一次發(fā)射就可以完成脈沖壓縮，受組織運(yùn)動(dòng)影響較小，因此是超聲成像系統(tǒng)編碼信號(hào)的理想選擇之一。但是由于Chirp碼需要多幅值發(fā)射電壓，對(duì)發(fā)射電壓和硬件的要求較高。因此在數(shù)字化高頻眼科超聲診斷設(shè)備中，基于發(fā)射編碼、系統(tǒng)復(fù)雜程度等考慮，一般采用二相編碼信號(hào)作為發(fā)射編碼。Golay互補(bǔ)序列雖然可以完全消除旁瓣達(dá)到最佳脈沖壓縮效果，但兩次發(fā)射的機(jī)制，容易受到組織運(yùn)動(dòng)的影響，引入誤差。雖然眼睛是基本靜止的生物組織，但由于我們所選用的是機(jī)械扇形掃描探頭，所以還是會(huì)在一定程度上影響成像效果。M序列在碼長(zhǎng)較短時(shí)的脈沖壓縮效果較Barker碼差;又根據(jù)文獻(xiàn)[10-11]給出的最優(yōu)編碼序列的概念、判斷標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法，通過窮舉搜索可以得到不同碼長(zhǎng)的最優(yōu)編碼序列[8]，Barker碼除了碼長(zhǎng) N=11時(shí)不是最優(yōu)編碼序列，其余都是。而且文獻(xiàn)[12]中也對(duì)13位Barker碼應(yīng)用于高頻超聲成像中做了一定的實(shí)驗(yàn)室研究。

綜合比較，最終采用13位 Barker碼作為本項(xiàng)目數(shù)字超聲眼科診斷系統(tǒng)中編碼激勵(lì)的發(fā)射碼型。

1.2 解碼壓縮方式

目前醫(yī)學(xué)超聲編碼激勵(lì)系統(tǒng)中常用的脈沖壓縮方法分為匹配濾波和非匹配濾波兩種。對(duì)于Golay碼和Chirp碼，匹配濾波都能取得很好的脈沖壓縮效果，并且設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法相對(duì)簡(jiǎn)單。而對(duì)于Barker碼，采用匹配濾波脈沖壓縮方法具有最低的距離旁瓣，但主瓣幅度也只是旁瓣幅度的N倍，其中N是Barker碼的長(zhǎng)度。對(duì)于最長(zhǎng)的13位Barker碼，匹配脈沖壓縮得到的信噪比增益為11.1 d B，而峰值旁瓣水平(peak sidelobe level，PSL)也只有(22 dB，對(duì)距離旁瓣的抑制不夠好[9]。為此設(shè)計(jì)出了逆濾波器[13-14]、維納濾波器[15]、尖峰濾波器[16]以及失配濾波器等非匹配濾波脈沖壓縮方法[12，17]，以損失很小的信噪比增益為代價(jià)來?yè)Q取更好的距離旁瓣脈沖壓縮效果。

對(duì)比各種解碼壓縮方式的優(yōu)缺點(diǎn)，本研究對(duì)匹配濾波與非匹配濾波分別進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明。失配濾波方法可以達(dá)到最好的脈沖壓縮效果。通過此方法，可以使平均距離旁瓣水平(integrated sidelobe level，ISL)和PSL都盡可能的低。

1.3 仿真實(shí)驗(yàn)

二進(jìn)制13位 Barker碼表示為：[+1，+1，+1，+1，+1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，-1，+1]，由于采樣頻率一般選用信號(hào)回波頻率的8倍，這里用以下序列來構(gòu)造每周期8個(gè)采樣點(diǎn)的正弦波，分別用[0，-7，-10，-7，0，7，10，7]表示 -1，用[0，7，10，7，0，-7，-10，-7]表示 +1，圖 1 ～ 圖 3 為Barker碼的 Matlab仿真波形。其中，圖1為13位Barker碼波形。圖2為經(jīng)過匹配濾波后得到的結(jié)果，主瓣峰峰值達(dá)到了±312，而旁瓣峰峰值為±24，主副比為13。圖3為13位Barker碼匹配濾波結(jié)果的峰值包絡(luò)波形，可見旁瓣衰減達(dá)到了-45 dB。

圖1 13位Barker碼波形Fig.1 Simulated waveform of 13-bit Barker code

圖2 匹配濾波結(jié)果Fig.2 Simulated results of match filter

圖3 匹配濾波結(jié)果的峰值包絡(luò)波形圖Fig.3 Simulated envelope of match filter

13位Barker碼匹配濾波的FPGA實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，需要開辟一個(gè)深度13×8，14 bit的存儲(chǔ)空間進(jìn)行卷積解碼。將解碼濾波系數(shù)序列中為+1的系數(shù)對(duì)應(yīng)的回波數(shù)據(jù)保持原數(shù)，將解碼濾波系數(shù)序列中為(1的系數(shù)對(duì)應(yīng)的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)碼取反，然后進(jìn)行對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)并行累加，即可得到匹配濾波的結(jié)果。

圖4是用Modelsim仿真得到的結(jié)果圖，上端波形為13位Barker碼編碼激勵(lì)信號(hào)，下端波形為經(jīng)過匹配濾波解碼壓縮后的信號(hào)?？梢姡珺arker碼匹配濾波解碼壓縮后存在較大的旁瓣。

圖4 匹配濾波的Modelsim仿真結(jié)果圖Fig.4 Modelsim Simulated of match filter

圖5為13位Barker碼經(jīng)過失配濾波后得到的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)中我們?cè)O(shè)計(jì)的失配濾波器的階數(shù)為 P=3N=39。主瓣峰峰值達(dá)到了 ±127，而旁瓣峰峰值為±1，主副比為127，是匹配濾波主副比的9.7倍。由此說明失配濾波雖然降低了主瓣峰值，但有效地降低了旁瓣水平，提高了信噪比。圖6為13位Barker碼失配濾波結(jié)果的峰值包絡(luò)波形，可見旁瓣衰減達(dá)到了-60 dB。

圖5 失配濾波結(jié)果Fig.5 Simulated results of mis-match filter

圖6 失配濾波峰值包絡(luò)波形Fig.6 Simulated envelope of mis-match filter

在FPGA的設(shè)計(jì)中，具體的實(shí)現(xiàn)步驟如圖7所示。首先將失配濾波器系數(shù)進(jìn)行量化，乘以27=128，并取整存入FPGA的RAM中，然后構(gòu)建實(shí)時(shí)延時(shí)回波矩陣，將系數(shù)分別與回波矩陣各行相乘，隨后將矩陣39行相乘的結(jié)果累加，并除以量化倍數(shù)，即可得到失配濾波解碼壓縮的結(jié)果。

圖8是用Modelsim仿真的結(jié)果圖，上端波形為13位Barker碼編碼激勵(lì)信號(hào)，下端波形為經(jīng)過失配濾波解碼壓縮后的信號(hào)?？梢?，13位Barker碼失配濾波解碼壓縮后有效地壓縮了旁瓣，在保證分辨率的前提下可以有效地提升信噪比。

1.4 系統(tǒng)方案與設(shè)計(jì)

圖7 失配濾波框圖Fig.7 Mis-match filter diagram based on FPGA

圖8 失配濾波Modelsim仿真結(jié)果Fig.8 Modelsim simulated of mis-match filter

編碼激勵(lì)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的脈沖回波成像系統(tǒng)不同之處在于：(1)發(fā)射電路采用編碼發(fā)射激勵(lì)，激勵(lì)脈沖的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于單脈沖;(2)接收電路需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮，脈沖壓縮算法的計(jì)算量很大。因此，編碼發(fā)射的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有以下特殊要求：(1)發(fā)射電路能夠產(chǎn)生各種不同的編碼激勵(lì);(2)該系統(tǒng)成像幀頻是10幀/s，每幀由512條線組成，每條線包含768個(gè)點(diǎn)，要求FPGA能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)編碼激勵(lì)的回波進(jìn)行脈沖壓縮并且成像。

根據(jù)以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，圖9為系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)圖。主要包括上位機(jī)主機(jī)、硬件電路板、3個(gè)超聲探頭、LCD液晶顯示、腳閘、USB外設(shè)等。系統(tǒng)中的上位機(jī)選用嵌入式的工控主板，這樣可以實(shí)現(xiàn)儀器的小型化和便攜性。上位機(jī)主要用來實(shí)現(xiàn)對(duì)底層數(shù)據(jù)的接收和處理、以及軟件的實(shí)時(shí)控制。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用單陣元機(jī)械扇形掃描探頭，3個(gè)超聲探頭分別為中心頻率為10 MHz的 B超探頭、中心頻率為20 MHz的B超探頭和中心頻率為10 MHz的A超探頭，其分別用來作為眼球全景成像、眼部組織高頻成像和眼球生物測(cè)量等模式的檢測(cè)探頭。LCD液晶顯示用來對(duì)圖像實(shí)時(shí)成像。雙鍵腳閘實(shí)現(xiàn)探頭的啟動(dòng)、凍結(jié)。USB外設(shè)包括存儲(chǔ)器、打印機(jī)、鼠標(biāo)和鍵盤。USB外設(shè)的使用，使得整機(jī)更加人性化和提高了可操作性。

圖9 系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)圖Fig.9 The block diagram of system

圖10 硬件電路板結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Structure diagram of the hardware circuit board

硬件電路板是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。整個(gè)硬件電路以FPGA及其外圍電路為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。FPGA采用 Altera公司的CycloneIII系列 EP3 C55型產(chǎn)品。機(jī)械扇掃探頭的偏轉(zhuǎn)控制、圖像顯示的同步、USB接口邏輯等系統(tǒng)控制信號(hào)均由FPGA產(chǎn)生。

FPGA產(chǎn)生的4組編碼脈沖序列通過MOSFET觸發(fā)電路將脈沖幅度由3.3 V轉(zhuǎn)化為12 V，以激勵(lì)發(fā)射電路，如圖11所示。發(fā)射電路由兩組雙極性脈沖發(fā)射芯片構(gòu)成，并帶有歸零功能。編碼序列通過發(fā)射電路后，成為雙極性脈沖序列，激勵(lì)超聲換能器晶片。回波信號(hào)經(jīng)高壓隔離電路后進(jìn)入前置放大與可變?cè)鲆婵刂齐娐?。前置放大電路增益范圍?0～15 dB，F(xiàn)PGA產(chǎn)生 TGC曲線數(shù)據(jù)，控制可變?cè)鲆娣糯笃鳎梢允乖鲆孀兓?0 dB左右。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)鐘為80 MHz，高速A/D芯片按照不同模式工作在80 MHz和120 MHz，采樣精度為 14 bits，其采樣模式由FPGA通過SPI接口完成設(shè)定。FPGA完成的超聲回波數(shù)字信號(hào)處理包括：高頻數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、數(shù)字濾波、數(shù)字檢波、對(duì)數(shù)變換、二次采樣等，如圖12所示。數(shù)字信號(hào)處理之后的回波數(shù)據(jù)通過SRAM緩存后，經(jīng)USB2.0接口電路上傳至計(jì)算機(jī)，并由人機(jī)界面完成整個(gè)系統(tǒng)的操作與控制。

圖11 13位barker碼激勵(lì)仿真Fig.11 The simulation of 13-bit barker coded excitation

圖12 匹配濾波(失配濾波)信號(hào)處理流程Fig.12 Signal processing steps of match filter(mismatch filter)

2 結(jié)果

為了對(duì)比13位Barker碼脈沖壓縮中的匹配濾波和失配濾波在實(shí)際應(yīng)用中的效果，設(shè)計(jì)了單反射面回波實(shí)驗(yàn)。編碼激勵(lì)信號(hào)由FPGA產(chǎn)生，經(jīng)發(fā)射電路激勵(lì)10 MHz超聲換能器，換能器在編碼信號(hào)激勵(lì)下，發(fā)射超聲波，超聲信號(hào)經(jīng)反射面反射驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生回波信號(hào)?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)放大后通過A/D采樣進(jìn)入FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，脈沖壓縮解碼，并最終通過D/A輸出到示波器上顯示。

圖13顯示了發(fā)射電壓為 ±80 V時(shí)，13位Barker碼的編碼激勵(lì)波形。圖14是編碼激勵(lì)的單反射面回波信號(hào)。圖15和圖16顯示了13位Barker碼的編碼激勵(lì)回波經(jīng)過匹配濾波和失配濾波后的脈沖壓縮回波。

由于該系統(tǒng)中回波信號(hào)經(jīng)A/D采樣后為14位輸入，經(jīng)匹配濾波后輸出為18位，經(jīng)失配濾波后輸出為22位，而系統(tǒng)所選用的D/A只有10位，圖15和圖16是示波器實(shí)時(shí)凍結(jié)的回波圖像，只能截取適當(dāng)位數(shù)通過DA輸出至示波器顯示比對(duì)，無法如仿真軟件做到精確量化比對(duì)值。從圖15中可見，13位Barker碼激勵(lì)回波經(jīng)過匹配濾波解碼后單反射面回波的峰峰值為0.6 V，而且存在一些距離旁瓣，最大旁瓣峰峰值達(dá)到了0.15 V，在超聲回波信號(hào)中，強(qiáng)回波旁瓣幅值過高會(huì)淹沒弱小回波信號(hào)，影響信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，因此抑制脈壓旁瓣有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。而圖16中13位Barker碼激勵(lì)回波經(jīng)過失配濾波解碼后單反射面回波就對(duì)旁瓣做了有效的抑制，回波峰峰值為0.72 V，而最大距離旁瓣為0.06 V，增大了主副比，并且距離旁瓣隨著離主瓣距離的增大而明顯減小。因此在最終的B超成像中，所選用的是失配濾波的脈沖壓縮算法。

圖13 13位Barker碼發(fā)射波形Fig.13 The excitation waveform with 13-bit barker code

圖14 13位Barker碼單反射面回波Fig.14 One reflecting surface echoes excited by 13-bit barker coed

圖17為10 MHz探頭眼科B超的眼球全景圖，其中(a)圖為單脈沖發(fā)射接收的眼球B超圖;(b)圖為13位Barker碼編碼發(fā)射且用失配濾波的脈沖壓縮方法實(shí)現(xiàn)的眼球B超圖。對(duì)比兩圖的二維眼球圖像以及下端的A超波形，且實(shí)驗(yàn)中用分辨力測(cè)試線靶進(jìn)行檢測(cè)，采用編碼發(fā)射和解碼壓縮之后的眼科B超圖在保持縱向分辨率為0.2 mm和基底噪聲的同時(shí)，大大提升了信號(hào)的探測(cè)深度，提高了圖像的信噪比。

圖15 13位Barker碼激勵(lì)回波經(jīng)過匹配濾波解碼后單反射面回波Fig.15 Decoded one reflecting surface echoes using match filter

圖16 13位Barker激勵(lì)回波經(jīng)過失配濾波解碼后單反射面回波Fig.16 Decoded one reflecting surface echoes using mis-match filter

3 討論和結(jié)論

本研究搭建了數(shù)字化眼科高頻超聲成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基于Barker碼實(shí)現(xiàn)了編碼激勵(lì)和解碼壓縮技術(shù)，最終將實(shí)驗(yàn)所得眼科超聲圖像數(shù)據(jù)，通過USB接口實(shí)時(shí)的在上位機(jī)上處理和顯示，并獲得了定量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及成像結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，編碼激勵(lì)的回波信噪比明顯優(yōu)于單脈沖激勵(lì)。采用編碼激勵(lì)成像的圖像分辨率與單脈沖激勵(lì)系統(tǒng)相當(dāng)，且圖像沒有出現(xiàn)明顯的距離旁瓣，而圖像的探測(cè)深度和噪聲水平明顯優(yōu)于單脈沖激勵(lì)的圖像。編碼激勵(lì)系統(tǒng)還對(duì)微弱信號(hào)有明顯的提升作用，由此可以檢測(cè)出眼球玻璃體混濁等病變，在眼科診斷中具有重要意義。

圖17 10 MHz探頭眼科B超。(a)單脈沖;(b)13位Barker碼編碼發(fā)射Fig.17 Ophthalmic B mode image with 10 MHz probe.(a) one pulse;(b)13-bit Barker coded excitation

本設(shè)計(jì)初步在系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了編碼激勵(lì)技術(shù)。但還有較多有待拓展、深入之處，主要包括：對(duì)于不同帶寬的超聲換能器，應(yīng)對(duì)發(fā)射編碼進(jìn)行相應(yīng)的加窗處理，使得加窗后形成的激勵(lì)信號(hào)頻帶與換能器的頻帶接近，此時(shí)可充分發(fā)揮超聲換能器的轉(zhuǎn)換能力;在之后的研究中，將應(yīng)用基礎(chǔ)序列調(diào)制技術(shù)來提高長(zhǎng)編碼發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量;在脈沖壓縮仿真過程中，強(qiáng)發(fā)射界面還存在一定的旁瓣影響，在后續(xù)的研究中將借鑒雷達(dá)信號(hào)處理中的線性規(guī)劃法、最小二乘法以及迭代算法等旁瓣抑制方法，以達(dá)到更好的脈沖壓縮效果;為了進(jìn)一步降低脈沖平均聲強(qiáng)(ISPPA.3)和機(jī)械指數(shù)(MI)等聲輸出參數(shù)，下一步將降低發(fā)射電壓，并觀察對(duì)成像質(zhì)量的影響，以便選擇更合適的編碼及解碼方式。

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