基于Golay互补序列的20 MHz眼科超声成像方法

王晓春 杨军 计建军 周盛

0 引言

眼科超声成像技术目前是临床上广为应用的一种诊断方式，相对于传统应用的10 MHz频率，20 MHz及以上频段超声波对于显示视网膜[1]、脉络膜[2]、黄斑病变[3]等眼球壁细微结构，以及白内障晶体[4]成像具有更好图像分辨效果。但由于其频率较高，衰减速度快，对于深部眼眶病变组织，包括视神经、肌肉、脂肪及相应肿瘤的成像受到限制[5-6]。而专用眼科超声影像设备对于时间平均声强、脉冲平均声强和机械指数等声输出参数的要求更为严格[7]，不能单纯采用提高瞬间发射能量的方式。因此寻找一种安全、高效的方式，在保证较高分辨能力的前提下，提高20 MHz眼科超声图像的信噪比和探测深度，具有重要的临床意义。

超声编码激励技术作为提高声波穿透力、获取微弱信息、改善图像质量的关键手段，其安全有效性已获得普遍认可，在医学超声成像与测量中具备很好的研究潜力与应用前景。例如：在旋转式血管内超声成像中[8]，可获得满意的图像质量和旁瓣噪声抑制比，有效改善血管壁的层次信息,突出冠状动脉血管层；内窥镜超声成像中[9]，可在提高图像分辨率和信噪比的同时，限制超声波的平均功率和峰值功率，减少超声热效应和空化效应给患者带来的伤害；超声瞬时弹性成像技术中[10]，可提高剪切波的信噪比和探测深度，尤其适用于肥胖肝硬化患者的诊断；在评价骨质疏松程度与骨折深度的研究中[11]，可增强背向散射信号的幅值，提高抗噪声性能，节约硬件系统成本等。

本研究基于实验室自行设计的数字化眼科超声成像系统[12]。以本系统为核心，课题组与天津迈达医学科技股份有限公司共同合作完成了MD-2300S眼科A/B型超声诊断仪的设计与研发工作，该仪器已广泛应用于眼科临床。为弥补眼科临床应用中20 MHz超声波成像深度不足的缺陷，通过采用8位Golay互补序列编码激发超声换能器，回波信息经高速采集和匹配滤波处理后，使用正、反编码扫描线复用的方法，完成解码压缩运算。在确保显示分辨力和几何位置精度一致，且不降低每幅图像的扫描线数和最终成像帧频的前提下，提高图像信噪比和探测深度，从而拓展20 MHz超声波成像在眼科临床中的应用范围。

1 方法

1.1 系统方案设计

系统硬件电路以大规模现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)及USB 3.0接口电路设计为核心，并实现与上位机的通讯。输出编码脉冲时序序列通过电平转换后激励换能器发射20 MHz高频超声波。输出马达驱动时序信号控制步进电机转动，从而带动换能器实现扇形扫描。回波信息经前置放大与模数变换后完成数字化，其增益倍数和采样参数可由上位机通过FPGA进行设定。硬件系统结构如图1所示。

图1 硬件系统结构图Figure 1 Diagram of the hardware system

1.2 编、解码扫描方式

Golay互补编码序列是一种非常理想的编码方式，其没有码长限制，最大优势在于可完全消除旁瓣达到最佳脉冲压缩效果[13]。但由于Golay互补编码序列双次发射的机制，会使每幅图形扫描线线数减少一半。如图2所示，选用8位Golay互补序列，激励超声换能器产生超声波。通过一对Golay正序列编码X1、X2、X3、…、Xn和Golay反序列编码Y1、Y2、Y3、…、Yn依次交替激发单阵元换能器，每一帧图像依次发射2n次超声波信号，形成2n条扫描线。如按照传统的解码方式处理，解码后每帧图像只剩余n条扫描线进行重建，这将严重影响最终的成像效果。因此本文设计中，在每次发射结束后，通过换能器接收每条扫描线上的回波，采用相邻正、反编码扫描线数据复用的方法交替相加，完成解码运算，形成2n-1条回波扫描线Z1～Z2n-1，最终得到扇形的眼部超声波成像，叠加示意图见图3。

图2 扫描线示意图Figure 2 Schematic diagram of scanning lines

图3 相邻扫描线回波叠加的示意图Figure 3 Schematic diagram of echo superposition of adjacent scanning lines

1.3 FPGA的设计与实现

实验中采用大规模现场可编程门阵列FPGA，实现数据的采集、存储与处理。图4为FPGA内部信号流程图，由AD数字采样后的回波信号先进入FPGA进行缓存，信号流随后进入正反码匹配滤波模块进行滤波，由选择器分别在奇数线和偶数线时选择相应的滤波结果。然后每条线的滤波结果由读写使能信号控制4个FIFO缓存的读写时序。从缓存读出的结果两两相加，再由选择器根据不同时序选择输出对应的每条扫描线的结果。

图4 基于FPGA 的回波信号处理流程图Figure 4 Flowchart of echo signal processing based on FPGA

具体FIFO的读写时序如图5所示。缓存1～4采用FIFO先进先出数据存储器。具体存储过程如图5所示：第i线表示奇数线，i=0,1,2,…,n；第j线表示偶数线，j=0,1,2,…,n； 其中i=j。

图5 FIFO读写时序设计Figure 5 Read and write timing design of FIFO

2 初步验证及结果

为了验证Golay互补编码序列激励在20 MHz频段超声成像的应用效果，实验中设计了编码发射激励实验、分辨率检测实验和仿组织超声体模实验。

2.1 编码发射激励波形

本文基于Altera公司的Quartus II 13.0软件开发环境和Verilog硬件描述语言实现了Golay互补序列的激励。图6为8位Golay正、反序列的FPGA激励时序图，其中ep是线同步信号，pa、pb、pc、pd和na、nb、nc、nd为正反序列的四路电平触发信号。图7为由Tektrnoix公司的MSO 4104示波器测得的激励换能器的脉冲波形。其中，发射脉宽为50 ns，脉冲幅值为±90 V。实验结果证明了由FPGA产生的时序信号以及激励超声换能器的触发波形符合本实验设计要求。

图6 8位Golay正、反序列激励时序图Figure 6 Excitation sequence diagram of the 8-bit Golay positive and negative sequences

图7 Golay正、反序列激励脉冲Figure 7 Excitation pulses of Golay positive and negative sequences

2.2 分辨率测试实验

根据国家医疗器械行业标准《YY 0773—2010眼科B型超声诊断仪通用技术条件》的要求，使用分辨力测试线靶模块对常规单脉冲激励与8位Golay互补编码序列激励所获得图像的轴向分辨力和侧向分辨力进行对比。将测试线靶置于底部敷有吸声材料的水槽中，探头置于测试靶上方，平行靶线排列方向分别与探头端面保持垂直或平行。探头扫查平面保持在与靶线垂直的平面上进行扫描。增益、亮度、对比度等调节机构置于最佳位置，调节探头与靶线的距离至最佳值，微动探头角度，从显示器上观察图像，直至平行靶线能被区分开时，则判定分辨力达到了靶线间距离值。如图8所示，靶线采用10 μm±1 μm钨丝，使用光学显微镜制作线靶模块并验证靶线间隔。目前实验室自行设计的20 MHz单脉冲数字化眼科超声成像系统的轴向分辨率和侧向分辨率分别为80 μm和150 μm。因此在这个编码激励的实验中，测量轴向分辨力时，间隔设置为80 μm；测量侧向分辨力时，间隔设置为150 μm。图像扫描结果如图9所示，Golay互补编码模式可达到与单脉冲一致的分辨能力。

图8 分辨率测试装置示意图Figure 8 Schematic diagrams of resolution testing device

图9 分辨率测试结果Figure 9 Resolution test results

2.3 仿组织超声体模实验

为验证编码激励的方式对探测深度的提升，本实验中分别采用单脉冲激励和8位Golay编码激励的方式对仿组织超声体模(中国科学院声学研究所制造的KS107BG)进行图像采集。该体模适用于工作频率≥5 MHz超声设备，其填充的特殊材料具有与人体软组织相似的超声特性，纵向靶群相邻两线中心距离均为10 mm。

对比结果如图10所示，当系统增益倍数设置为相同时，采用编码激励后的图像探测深度有显著提升，图10(a)中的3 cm靶点回波信号只是隐约可见，小信号探测深度也只能达到2.5 cm，而图10(b)中3 cm靶点已清晰可见，小信号探测深度也接近3 cm。整体图像的信噪比也有了显著改善。

图10 体模成像对比图Figure 10 Phantom imaging results

3 讨论与结论

为平衡医学高频超声成像中纵向分辨率和探测深度这两项指标之间的矛盾，本研究以数字化眼科高频超声成像系统为平台，设计采用Golay互补序列编码激励，并通过正、反编码扫描线复用的方法，完成解码压缩运算。在保证每幅图像扫描线数的前提下，使得成像帧频与单脉冲激励成像方式保持一致。实验中由FPGA实现了该方法，并同步传输至上位机进行实时成像。通过扫查钨丝靶线模块和仿组织超声体模实验，与传统的单脉冲激励方式相比，证明了编码激励的方法可在保持成像分辨力不变的前提下，显著提高信噪比和探测深度，从而可拓展20 MHz眼科超声成像在临床中的应用范围。

编码激励方法很多，本实验中选用Golay编码序列也是考虑了软、硬件系统复杂度、实时处理能力与眼睛属于基本静止器官的缘由。但其最大的缺陷在于需要发射2次才可以完成脉冲压缩，虽然在本实验方案中采用了正、反扫描线复用的方法，但是当扫查线较为稀疏时，也会由于声束位置偏移而产生误差。因此，在下一步的深入研究中，将采用更好的码型，如M序列[14]、MAC码[15]、chirp码[16]等其他相位编码模式。同时，可以引入新的脉冲压缩方法，如失配滤波器[17]、维纳滤波[18]等，并进一步研究和改进实现方案，以提高信噪比，提升成像质量。