2021-4-9 | 眼科临床论文
作者：周盛 王晓春 计建军 杨军 王延群 单位：中国医学科学院生物医学工程研究所
1方法
1．1发射编码
发射编码按其内容分为相位编码和频率编码，也可以按照发射次数分为单次发射码和多次发射码，如表1所示。Chirp码脉冲压缩效果受衰减和波束合成等非线性因素的影响相对较小，而且只需要一次发射就可以完成脉冲压缩，受组织运动影响较小，因此是超声成像系统编码信号的理想选择之一。但是由于Chirp码需要多幅值发射电压，对发射电压和硬件的要求较高。因此在数字化高频眼科超声诊断设备中，基于发射编码、系统复杂程度等考虑，一般采用二相编码信号作为发射编码。Golay互补序列虽然可以完全消除旁瓣达到最佳脉冲压缩效果，但两次发射的机制，容易受到组织运动的影响，引入误差。虽然眼睛是基本静止的生物组织，但由于我们所选用的是机械扇形扫描探头，所以还是会在一定程度上影响成像效果。M序列在码长较短时的脉冲压缩效果较Barker码差;又根据文献［10－11］给出的最优编码序列的概念、判断标准和计算方法，通过穷举搜索可以得到不同码长的最优编码序列［8］，Barker码除了码长N=11时不是最优编码序列，其余都是。而且文献［12］中也对13位Barker码应用于高频超声成像中做了一定的实验室研究。综合比较，最终采用13位Barker码作为本项目数字超声眼科诊断系统中编码激励的发射码型。
1．2解码压缩方式
目前医学超声编码激励系统中常用的脉冲压缩方法分为匹配滤波和非匹配滤波两种。对于Golay码和Chirp码，匹配滤波都能取得很好的脉冲压缩效果，并且设计及实现方法相对简单。而对于Barker码，采用匹配滤波脉冲压缩方法具有最低的距离旁瓣，但主瓣幅度也只是旁瓣幅度的N倍，其中N是Barker码的长度。对于最长的13位Barker码，匹配脉冲压缩得到的信噪比增益为11．1dB，而峰值旁瓣水平(peaksidelobelevel，PSL)也只有(22dB，对距离旁瓣的抑制不够好［9］。为此设计出了逆滤波器［13－14］、维纳滤波器［15］、尖峰滤波器［16］以及失配滤波器等非匹配滤波脉冲压缩方法［12，17］，以损失很小的信噪比增益为代价来换取更好的距离旁瓣脉冲压缩效果。对比各种解码压缩方式的优缺点，本研究对匹配滤波与非匹配滤波分别进行了仿真实验，结果表明。失配滤波方法可以达到最好的脉冲压缩效果。通过此方法，可以使平均距离旁瓣水平(integratedsidelobelevel，ISL)和PSL都尽可能的低。
1．3仿真实验
二进制13位Barker码表示为:［+1，+1，+1，+1，+1，－1，－1，+1，+1，－1，+1，－1，+1］，由于采样频率一般选用信号回波频率的8倍，这里用以下序列来构造每周期8个采样点的正弦波，分别用［0，－7，－10，－7，0，7，10，7］表示－1，用［0，7，10，7，0，－7，－10，－7］表示+1，图1～图3为Barker码的Matlab仿真波形。其中，图1为13位Barker码波形。图2为经过匹配滤波后得到的结果，主瓣峰峰值达到了±312，而旁瓣峰峰值为±24，主副比为13。图3为13位Barker码匹配滤波结果的峰值包络波形，可见旁瓣衰减达到了－45dB。13位Barker码匹配滤波的FPGA实现相对简单，需要开辟一个深度13×8，14bit的存储空间进行卷积解码。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，即可得到匹配滤波的结果。图4是用Modelsim仿真得到的结果图，上端波形为13位Barker码编码激励信号，下端波形为经过匹配滤波解码压缩后的信号。可见，Barker码匹配滤波解码压缩后存在较大的旁瓣。图5为13位Barker码经过失配滤波后得到的结果，实验中我们设计的失配滤波器的阶数为P=3N=39。主瓣峰峰值达到了±127，而旁瓣峰峰值为±1，主副比为127，是匹配滤波主副比的9．7倍。由此说明失配滤波虽然降低了主瓣峰值，但有效地降低了旁瓣水平，提高了信噪比。图6为13位Barker码失配滤波结果的峰值包络波形，可见旁瓣衰减达到了－60dB。在FPGA的设计中，具体的实现步骤如图7所示。首先将失配滤波器系数进行量化，乘以27=28，并取整存入FPGA的RAM中，然后构建实时延时回波矩阵，将系数分别与回波矩阵各行相乘，随后将矩阵39行相乘的结果累加，并除以量化倍数，即可得到失配滤波解码压缩的结果。图8是用Modelsim仿真的结果图，上端波形为13位Barker码编码激励信号，下端波形为经过失配滤波解码压缩后的信号。可见，13位Barker码失配滤波解码压缩后有效地压缩了旁瓣，在保证分辨率的前提下可以有效地提升信噪比。
1．4系统方案与设计
编码激励系统和传统的脉冲回波成像系统不同之处在于:(1)发射电路采用编码发射激励，激励脉冲的长度远大于单脉冲;(2)接收电路需要对回波信号进行脉冲压缩，脉冲压缩算法的计算量很大。因此，编码发射的实验系统设计有以下特殊要求:(1)发射电路能够产生各种不同的编码激励;(2)该系统成像帧频是10帧/s，每帧由512条线组成，每条线包含768个点，要求FPGA能够实时地对编码激励的回波进行脉冲压缩并且成像。根据以上系统设计要求，图9为系统的整体框架结构图。主要包括上位机主机、硬件电路板、3个超声探头、LCD液晶显示、脚闸、USB外设等。系统中的上位机选用嵌入式的工控主板，这样可以实现仪器的小型化和便携性。上位机主要用来实现对底层数据的接收和处理、以及软件的实时控制。实验系统采用单阵元机械扇形扫描探头，3个超声探头分别为中心频率为10MHz的B超探头、中心频率为20MHz的B超探头和中心频率为10MHz的A超探头，其分别用来作为眼球全景成像、眼部组织高频成像和眼球生物测量等模式的检测探头。LCD液晶显示用来对图像实时成像。双键脚闸实现探头的启动、冻结。USB外设包括存储器、打印机、鼠标和键盘。USB外设的使用，使得整机更加人性化和提高了可操作性。
硬件电路板是整个系统的核心部件，其结构如图10所示。整个硬件电路以FPGA及其外围电路为核心进行设计。FPGA采用Altera公司的CycloneIII系列EP3C55型产品。机械扇扫探头的偏转控制、图像显示的同步、USB接口逻辑等系统控制信号均由FPGA产生。FPGA产生的4组编码脉冲序列通过MOSFET触发电路将脉冲幅度由3.3V转化为12V，以激励发射电路，如图11所示。发射电路由两组双极性脉冲发射芯片构成，并带有归零功能。编码序列通过发射电路后，成为双极性脉冲序列，激励超声换能器晶片。回波信号经高压隔离电路后进入前置放大与可变增益控制电路。前置放大电路增益范围为10～15dB，FPGA产生TGC曲线数据，控制可变增益放大器，可以使增益变化50dB左右。实验系统时钟为80MHz，高速A/D芯片按照不同模式工作在80MHz和120MHz，采样精度为14bits，其采样模式由FPGA通过SPI接口完成设定。FPGA完成的超声回波数字信号处理包括:高频数据采集与存储、数字滤波、数字检波、对数变换、二次采样等，如图12所示。数字信号处理之后的回波数据通过SRAM缓存后，经USB2．0接口电路上传至计算机，并由人机界面完成整个系统的操作与控制。