医学高频超声编码成像中解码压缩技术的研究

【作者】周 盛，王晓春，杨军，王延群＊

中国医学科学院 生物医学工程研究所，天津，300192

空间分辨率和信噪比是决定超声图像质量的关键因素。由于超声波具有频率越高分辨率越好，所获得图像的细节越清晰的特性。为实现人的眼球、眼眶组织的全景成像，但目前的眼科A/B型超声诊断设备存在所使用的超声波中心频率10 MHz尚嫌不高的问题。当临床上需要获取病灶组织更多的细节信息，中心频率进一步提高到15 MHz甚至20 MHz时，对于晶状体、玻璃体和视网膜等相对浅表组织图像的分辨率会得到很大提高。但由于超声波频率越高在传播过程中衰减越快，传播距离减小，且检测标准对声输出参数的要求限定了超声波单脉冲的最大发射功率，依靠提高单脉冲幅值的方法难以得到高质量的眼科图像，因此影响了其在眼科临床诊断中的应用。

本文针对眼科临床诊断中出现的上述问题，提出了在眼科超声成像中采用数字编码激励的方法，替代传统的单脉冲激励。此方法使声输出参数在满足相关检测标准的前提下，提高超声波的平均发射功率，实现以更高频率的超声波获取人体眼部组织的全景成像，从而提高图像的分辨率，特别是能够改善深度眼眶组织的成像细节。本文将超声波编码发射的中心频率提高到了15 MHz，并适当降低脉冲幅值，此法对于改善眼科超声图像质量，提高设备安全性等方面具有重要的应用价值。

1 数字编码激励原理

超声编码成像技术是近年来国内外医学超声诊断成像领域的一个研究热点。与传统单脉冲激励相比，编码激励技术发射经过编码的长脉冲序列，接收回波也为长脉冲序列，通过匹配滤波或者非匹配滤波方式进行脉冲压缩，获得与单脉冲激励相近的空间分辨率[1][2]。编码激励技术能够在不增加峰值发射功率的前提下，显著提高平均发射功率，增加穿透力，提高信噪比。实践证明，超声成像中采用编码激励技术，可以提高扫查深度、信噪比和帧频[3]。

单脉冲激励与编码激励的原理如图1所示，经脉冲压缩后的波形与单脉冲激励的波形相同，但压缩脉冲的幅度要远大于单脉冲激励时回波脉冲的幅度，因此数字编码超声回波信噪比要远大于传统超声回波信噪比。文献[4]指出，通过编码激励，理论上可以获得最高达15dB～20dB的信噪比增益。对于长度为N的二进制编码，在使用匹配滤波的方法进行脉冲压缩时，其信噪比增益为[5]：

由公式(1)可知，编码序列长度每增加一倍，信噪比增益提高3dB。为获得15dB信噪比提升，所用二进制长度为32位。

图1 单脉冲激励与编码激励的原理Fig.1 The theory of one pulse and code excitation

目前常用的编码方式主要分为二进制编码（即双极性相位编码，包括Barker码、Golay互补序列及其他二进制编码）和连续编码（主要是线性或非线性调频Chirp序列）两种。Chirp信号要取得较好的旁瓣抑制效果，必须采用变迹发射，发射电路很复杂。Barker码最大长度只有13位，而且总会在主瓣的周围残余一些杂波[6]，信噪比不高。Golay码由两个互补序列构成，通过两次发射Golay互补序列，经匹配滤波后将两个压缩脉冲相加，在理论上能够完全消除距离旁瓣，获得较好的脉冲压缩效果，而且发射电路简单，更易于实际应用。

Golay码又称Golay互补序列对，其定义为一对由两种元素构成的等长、有限序列。该码在任何给定间隔下，一个序列中的相同元素对的个数等于另一个序列中相异元素对的个数[7,8]。一对长度为N的双向序列A和B为Golay互补序列的条件是当且仅当a(n)*a(-n)+b(n)*b(-n)=2N(n)成立[8]。

Golay互补序列对可由其他互补序列对递归构造，给定一个Golay对{A,B}，另一个两倍长的Golay对可通过{AB,A(-B)}产生。这种递归可从长度为2的Golay对A=[1,1]和B=[1,-1]开始。

将Golay对用于成像的方法是对每一个聚焦点进行两次发射。在第一次发射Golay码A后，回波信号用相应的解码滤波器A滤波（即作相关运算），并存入缓冲存储器中，随后发射Golay码B后，回波信号用相应的解码滤波器B滤波，并按照上面的互补条件将这两次滤波输出波形相加以完成解码过程，如图2所示。

图2 Golay码脉冲压缩示意图Fig.2 Pulse compression of Golay code

理论上，Golay互补序列对的编码发射可以在保持主瓣宽度不变的情况下，完全消除旁瓣。但实际应用中，由于两次发射间组织的运动，往往达不到理论的效果。另外，采用Golay码会使图像的帧频降低一半。

2 系统方案与设计

实验搭建了编码激励与解码压缩的超声成像系统，以验证实际应用中的性能。设计中由FPGA（可编程逻辑门阵列， field programming gate array）产生超声编码发射脉冲，激励N&P双沟道高速MOSFET管，产生双极编码脉冲序列。超声波发射频率达到15 MHz，电源电压±80～±100 V可调。

接收电路中，前置放大电路总增益在50 dB以上，可变增益范围达到40 dB，并根据探测深度的不同实现时间增益控制。回波信号经14bits、120 MHz高速A/D采样，送入FPGA。FPGA芯片采用EP3C55F484C6，内部具有2396160Bits的存储单元，55856个逻辑单元和156个18×18硬件乘法器。数据经数字滤波和解码压缩后送入10 bits、40 MHz的D/A输出，结果显示在示波器上。

设计中FPGA的程序设计基于ALTERA公司的QUARTUS II 8.1环境下进行的，分别产生A码：-1，-1，+1，-1，-1，-1，-1，+1，-1，-1，+1，-1，+1，+1，+1，-1；B码：-1，-1，+1，-1，-1，-1，-1，+1，+1，+1，-1，+1，-1，-1，-1，+1。图3为Golay码输出的仿真波形，输出信号驱动MOSEFT芯片。

图3 16位Golay码激励仿真Fig.3 Simulation of 16 bit Golay code excitation

系统中A/D的采样频率为120 MHz。为了实现FPGA对A/D采样数据的有效读取，应该在采样时钟的负半周的后半部分进行采样，也就是说在A/D采样时钟CLK的上升沿到达之后的4.16ns内进行采样。由FPGA产生A/D转换所需要的时钟ad_clk_120m，时钟的占空比为1:1；数据读取至内部寄存器的输入时钟sample_clk_120 m，占空比为1:3，则寄存器输入时钟的上升沿在A/D采样时钟到来后3/4周期来临时。

由于回波经A/D采样后的数据为120 MHz，14bit，要对此数据进行高速处理，硬件的要求非常高。为了避免数据处理不及时，发生数据丢失，影响系统的可靠性，并进一步提高系统的实时性，系统中采用基于Cycline III FPGA实现的异步FIFO结构来实现高速缓存，如图4所示，输入时钟为sample_clk_120m，输出时钟为40 MHz，FIFO的深度为我们所需要探测深度的采样点数。通过这种变频方法，可以保证接着对回波数据进行实时解码压缩的准确性。

为了保证解码算法的正确性，系统中先将接收的回波数据进行前滤波处理。滤波器由vhdl语言编程实现，基于并行分布式算法，可确保运算的高速性。滤波器的系数由MATLAB生成，采样频率为120 MHz，通带频率为5～20 MHz，Hamming窗设计，输入输出数据都为14bit补码数据。

图4 高速异步FIFOFig.4 High speed asynchronous FIFO

由于回波信号中心频率为15 MHz，采样频率为120 MHz，16bit Golay码解码，所以需要开辟一个16*(120/15)=128深度，14 bit的存储空间进行卷积解码。考虑到Golay码解码滤波器的系数仅由（+1，-1）组成，可以使用更改回波数据（二进制补码）符号位的方法来取代全部乘法器；将解码滤波系数序列中为+1的系数对应的回波数据保持原数，将解码滤波系数序列中为-1的系数对应的回波数据进行补码取反，然后进行对应数据并行累加。这样，就省去了大量的乘法器，降低了资源消耗。解码输入数据为14bit，输出数据为14+log216=18bit。如图5所示，galay_encode16_p为A码的解码程序，galay_encode16_n为B码的解码程序，由ep_alt信号切换输出，即为对应发射编码激励的回波解码数据。

图5 A码、B码回波分别解码Fig.5 Decoding process of A code and B code

由于Golay码需要进行两次发射后，对两次激励回波进行解码并相加，才能得到一次最终解码结果，因此会降低B超图像的帧频。本设计中，我们只用于对A超图像进行观测，对比输出解码回波的分辨率及幅值，所以系统中对解码回波通过两个同步FIFO进行存储。galay_fifo1的写使能信号为FIFOOUT1，读使能信号为FIFOOUT3；galay_fifo2的写使能信号为FIFOOUT1，读使能信号为FIFOOUT2，具体时序如图6所示。而且，galay_fifo1的存储深度为galay_fifo2的两倍，对两个FIFO输出相加即得到了A码和B码解码相加的结果。仿真结果如图7所示，从第三个ep发射周期后，每个发射周期都能得到一个解码结果。

图6 回波延迟叠加输出Fig.6 Delay output of echo

图7 系统控制时序仿真Fig.7 Simulation of system control timing sequences

3 实验结果与讨论

为了验证编码激励在实际应用中的效果，本文设计了单反射面回波实验。编码激励信号由FPGA产生，经激励电路激励超声换能器。图8显示了发射电压为±85 V时，单脉冲激励与16位Golay码（A码，B码）的编码激励波形。激励信号峰峰值达到了130 v。

换能器在编码信号激励下，发射超声波；超声信号经反射面反射，驱动换能器产生回波信号。回波信号经放大后，通过A/D采样进入FPGA进行数据处理和解码，并最终通过D/A输出到示波器输出显示。图9显示了单脉冲激励射频回波、16位Golay码的编码激励回波经过脉冲压缩后的射频回波。由于D/A输出的最大幅值为1.5 V，输出为10位，而系统中射频回波数据为14位，解码压缩后的回波数据为19位，理论上解码后的回波幅值将是单脉冲激励回波幅值的32倍。我们分别截取了它们的高10位输出，由于系统声衰减和前滤波等造成的回波幅值减小，可见单脉冲激励射频回波为1.3 V，编码射频回波为0.7 V，解码回波为1.1 V。解码压缩后的回波轴向分辨率与单脉冲回波保持一致，而穿透力和信噪比都有了很大的提升。

图10中(a)、(b)分别为用单脉冲激励和16位Golay码编码激励回波，经过解码压缩和检波和对数放大后，对眼球采集的A超波形。在图10(b) 中，角膜前后沿、晶体前后沿和视网膜都清晰可见，且较（a）图幅值和信噪比都有了很大的提升。对比两幅图，我们可以清楚地看出编码激励技术的有效性。

图8 单脉冲激励及16位Golay码激励波形Fig.8 Excitation wave of one pulse and 16 bits Golay code

图9 回波信号Fig.9 echo signals

图10 正常眼球A超波形Fig.10 The panorama of normal ophthalmic ultrasonic echoes

4 结语

Golay码激励的医学超声成像技术能够明显增加回波信噪比，提高超声成像的探查深度和空间分辨率。另外，由于Golay互补序列具有完美的抵消旁瓣的性能，图像中不会出现由于距离旁瓣引起的明显的伪迹。本文从理论上分析了Golay编码激励超声成像技术的原理及性能，并通过仿真和搭建实验系统，证实了编码激励成像技术在医学高频超声成像中的优越性和有效性。相对于传统的单脉冲激励成像技术，数字编码激励成像是提高超声图像质量的一种有效的方法，具有广阔的应用前景。

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