一种基于延时交错时钟采样的超声生物显微镜成像方法

王效宁 巩丽文 王晓春 周盛

0 引言

超声生物显微镜(ultrasound biomicroscopy，UBM)是一种无创的甚高频超声成像系统，广泛应用于人体浅表组织疾病的检查。眼科临床上的研究主要集中在青光眼[1]、眼外伤[2]、先天性白内障[3]、眼前段肿瘤[4]等疾病的诊断；皮肤科采用UBM联合常规超声，可以提供影像学依据[5]；同时，在各类基础研究中还能够完成相关动物组织实验[6]。

临床应用中，传统数字化超声成像设备中的声波中心频率通常为2～12 MHz[7-8]，采样率在40～60 MHz的范围内[9]。而超声生物显微镜的工作频率在35 MHz以上，使得传统超声系统无法满足奈奎斯特采样率的要求，难以实现超声生物显微镜的数字化成像。使用多路模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)，通过交错时钟采样的方法可以在保证数据采集精度的同时，提高采样率，实现高频超声实时扫描成像[10]。但同步多个ADC时钟将大大增加数据采集电路的硬件成本和时序管理的复杂程度[11]，且需对因不同ADC间参数的微小差异而出现的不准确性进行补偿[12]。压缩感知技术是近年来出现的一种快速、有效且低成本的信号处理方法[13]，可减少原始信号数据量，突破最低采样频率的限制[14]。但目前其重建算法相对复杂，实时性尚不能满足医学超声临床诊断需求[15]。

本文提出了在超声生物显微镜成像系统中，针对眼前节、皮肤等人体浅表组织大多属于静态目标[15]，图像帧频需求较低的特点，通过设计单路80 MHz的ADC采集电路，经延时交错时钟控制，实现320 MHz数据采样率的高频超声实时成像系统。采用钨丝靶线和体外组织进行测试实验，最终验证该方法的成像性能。

1 设计方法

如图1(a)所示，为超声生物显微镜成像传统成像扫描方式。高频超声换能器沿水平方向匀速运动，同时按照固定的重复频率向组织发射超声波，形成扫描线束信息(A1、A2、A3、…、An)。回波数据通过时间增益控制放大、模数转换、数据缓存、以及数字信号处理与图像处理后，实现扫描成像。而延时交错时钟采样方法中，在保持换能器平移速度与行程不变的前提下，将发射脉冲重复频率提高至传统采集方式的4倍，如图1(b)所示。每相邻的4条扫描线束信息作为一组，分别通过不同相位时钟采样后，在可编程逻辑器件(field programmable gate array，FGPA)中进行数据实时存储与重组后，构建诊断图像，达到与超声生物显微镜成像传统采集方式相同的扫描线数与成像帧频。

实际应用中，每幅图像的横向扫描范围为18 mm，传统扫描方式的扫描线数n=900，相邻扫描线水平间距为20 μm，脉冲重复周期T=200 μs，可保证图像扫描帧频在5帧/s以上。4段延时交错时钟采样时，为实现相同的成像帧频和横向显示范围，在保持探头硬件结构、换能器扫描方式、超声波激励电路不变的前提下，需通过FPGA将触发脉冲重复周期缩短至传统扫描方式的1/4，即50 μs，如图2所示。相邻两条扫描线的水平间距为5 μm，远小于系统50 μm的横向分辨能力，对于浅表静态组织目标可近似认为探测目标无形态变化，每组中的4条扫描线回波信息一致。此时，如声速按照1 540 m/s计算，最大的理论探测深度可达38.5 mm，符合临床诊断的需求。该扫描方式不会受到系统硬件结构等因素的限制，只需调整超声波触发重复周期、数据采集与存储方式，达到降低采样频率的目标。

图2 超声发射与数据接收示意图Figure 2 Schematic diagram of ultrasonic emitting and data receiving

为实现40 MHz高频超声回波信息的延时交错时钟采样，采用FPGA设计频率为80 MHz、相位相差90°的一组采样时钟，分别对回波扫描线ai1、ai2、ai3、ai4进行采集，实现每次在不同位置完成采样，如图3所示。在一个完整的信号周期内，通过4个不同延时时钟的精确控制，实际模拟信息的采样频率可达到ADC芯片固有时钟频率的4倍，即320 MHz。最终合成扫描线Ai，作为构建成像的数据源。

图3 延时交错时钟采样原理Figure 3 Principle of time-delay staggered clock sampling

回波信息采集后，在FPGA中设计分时采样控制模块和4通道数据缓存器，将扫描数据依次预存在相应的缓存器中，如图4所示。当一组数据采集完成后，将逐一插点拼接，形成高采样率数据流，用于后续的数字信号处理。

图4 基于FPGA的数据存储与合成模块结构图Figure 4 Structure diagram of data storage and data synthesis based on FPGA

高频超声成像硬件平台设计中，FPGA采用Altera公司的Cyclone IV系列EP4CE55型产品，实现系统的声波触发、时序控制、数据存储、信号处理以及上位机通信等功能。使用Microchip公司的金属氧化物半导体场效应晶体管阵列TC6320，产生幅度为120 V的双极发射脉冲，激励超声换能器。模拟信息增益控制采用Analog Devices公司型号为AD8367的宽频带、电压控制型可变增益放大器，线性可变范围达到45 dB。ADC选用Analog Devices公司采样精度14 bits、采样频率80 MHz的低功耗模数转换芯片AD9246。此外，还采用了TI公司CDCM61002作为系统时钟源，ISSI公司的静态随机存取存储器(static random access memory，SRAM)IS61WV20488用于数据缓存。采集原始射频数据，通过使用Cypress公司的CYUSB3014设计USB 3.0接口电路，实现图像数据的实时传输及控制指令的发送。

2 实验结果

2.1 换能器带宽测试

本文选取高分子聚合压电材料聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)制作的超声换能器，焦点长度为9～10 mm，直径5 mm。采用Tektronix AFG3252任意波形函数发生器作为发射脉冲信号源，结合ADI公司的高速高压电流反馈型放大器ADA4870，设计宽频带高压脉冲触发电路。调整函数发生器，控制发射频率以1 MHz步进，覆盖20～60 MHz。使用数字示波器MSO4104采集各频段平面靶回波信息，波形数据导入MATLAB进行分析与处理，归一化后取对数即可得到换能器的频率响应，如图5所示。

图5 换能器频率响应图Figure 5 Diagram of frequency response of the transducer

2.2 时序仿真实验

为了确保本系统的可实现性，需对FPGA中的延时交错时钟以及数据存储与合成模块进行时序仿真实验，如图6所示，为基于QuartusII获得的时序仿真结果。adclk80ma、adclk80mb、adclk80mc和adclk80md是4路ADC的采样时钟，采样频率均为80 MHz，相位相差90°，adclk320m是FPGA内部系统主时钟。ada_data、adb_data、adc_data和add_data，模拟每组回波信息中，输入至FPGA的4次ADC采样信号。ada_data为[0，4，8，...]，adb_data为[1，5，9，...]，adc_data为[2，6，10，...]，add_data为[3，7，11，...]，ad_data_out 为4路数据经过存储与合成后的输出信号。由仿真结果表明，4路采样频率为80 MHz的信号通过逐一插点，合成最终的输出信号[0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，...]，频率达到320 MHz。验证了基于FPGA设计的该数据存储与合成模块的稳定性与实时性。

图6 时序仿真结果Figure 6 Timing simulation results

2.3 分辨力测试实验

医学超声成像中的轴向分辨力(平行波束方向)与侧向分辨力(垂直波束方向)是评价图像质量和生物测量精度的有效参数。本文根据行业标准YY 0849—2011《眼科高频超声诊断仪》中的相关实验方法，使用甚高频超声图像分辨力测试线靶，进行图像分辨力的测试。如图7所示，U型有机玻璃块两侧通过螺丝固定绷紧直径10 μm±1 μm的钨丝作为超声波扫查靶线，相邻平行靶线间距由光学显微镜校准，设定为50 μm ±5 μm。测试线靶放置在铺设了吸声材料的水槽底部。测量轴向分辨力时，声波的传播方向与两条测试靶线的排列方向一致，即平行靶线排列平面与探头表面垂直，如图7(a)所示；测量侧向分辨力时，声波的传播方向与靶线排列方向垂直，即平行靶线排列平面与探头表面平行，如图7(b)所示。在水槽中缓慢注入蒸馏水，除去换能器表面气泡，并静置10 min，水温保持在23 ℃±3 ℃。固定探头置于测试线靶正上方扫描，调节探头与靶线的距离至焦区范围内，将信号增益、图像对比度与亮度调节至最佳位置。观察钨丝靶线的回波图像，如能清晰显示出两根靶线信息，可证明该系统的轴向分辨力和侧向分辨力能够达到50 μm。

图7 分辨力测试示意图Figure 7 Schematic diagrams of resolution testing device

如图8所示，是超声生物显微镜成像系统轴向、侧向分辨力检测结果。压缩后的实时扫描图像能清楚地得到两个边界明显的回波信息，证明分辨力能够达到50 μm。

图8 分辨力成像验证结果Figure 8 Resolution testing results

2.4 体外组织成像实验

本文通过设计体外组织成像实验，评估图像的信噪比和显示范围。所获取的体外新鲜猪眼球均来自于本地屠宰场，使用手术剪分离残余的眼球外其他组织，用盐水缓冲液仔细清洗，然后将清洗干净的猪眼球及时通过MR-D300眼球模拟支架加以固定，如图9(a)所示。眼杯中充入蒸馏水，保持水温在23 ℃±3 ℃，探头经升降支架固定后，换能器浸入蒸馏水充分耦合，调节探头高度使换能器焦点处于眼前节前房位置附近。调整增益、对比度、亮度至最佳位置，并在实验过程中保持恒定，如图9(b)所示。

图9 体外动物实验Figure 9 Animal experiment in vitro

如图10所示，正常角膜组织结构由外至内分为5层，包括：最外侧的上皮细胞层与前弹力层，占角膜全厚90%以上的基质层，以及最内侧的后弹力层和内皮细胞层。由于内皮细胞层紧贴后弹力层，因此在超声生物显微镜图像中一般只能观察到4个层次。体外动物实验中，与传统成像方式相对比，交错时钟采样方法同样能够实现角膜细微结构的清晰观测，虹膜、晶状体前囊等前节组织清晰可见，前房角边界锐利，便于测量。

图10 体外猪眼球前节的实时成像结果Figure 10 Real-time imaging result of anterior segments of porcine eyeball in vitro

3 讨论与结论

为实现人体浅表组织的精细成像，超声生物显微镜的工作频率通常高于35 MHz，需要更高的模数采样率，因此，传统的超声诊断设备的硬件系统无法实现高频超声成像。本文提出了一种基于延时交错时钟采样的超声生物显微镜成像方法，ADC的采样率设置为80 MHz，通过构建相位相差90°的4组采样时钟，分别对相邻的4条扫描线进行采样。基于FPGA设计分时采样控制模块和4通道数据缓存器，将回波数据逐一插点拼接，达到与采样频率320 MHz相当的图像效果。实现了应用传统超声诊断设备中的数据采集硬件方案，获得超声生物显微镜浅表组织扫描成像的目标。本研究的不足之处在于提高了每幅图像的扫描线数，且每条用于成像的扫描线数据需要多次进行交错时钟采集，因此不适合于对快速移动的组织进行成像。同时，本实验方法尚无法与直接使用320 MHz、14 bits高速采样方式的超声生物显微镜系统进行图像对比。通过针对标靶和体外组织样本的测试，其图像的轴向、侧向分辨力，以及信噪比和显示范围符合诊断需求，证明了该方法是设计高频超声成像数据采集模块的一种可行性方案。在今后的研究工作中，计划与临床应用的超声生物显微镜的成像效果进行比较，并逐步开展临床研究，以验证本系统具备较好的临床应用前景。