作者：周盛 王曉春 計建軍 楊軍 王延群 單位：中國醫(yī)學科學院生物醫(yī)學工程研究所

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。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，受組織運動影響較小，因此是超聲成像系統(tǒng)編碼信號的理想選擇之一。但是由于Chirp碼需要多幅值發(fā)射電壓，對發(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備中，基于發(fā)射編碼、系統(tǒng)復雜程度等考慮，一般采用二相編碼信號作為發(fā)射編碼。Golay互補序列雖然可以完全消除旁瓣達到最佳脈沖壓縮效果，但兩次發(fā)射的機制，容易受到組織運動的影響，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械扇形掃描探頭，所以還是會在一定程度上影響成像效果。M序列在碼長較短時的脈沖壓縮效果較Barker碼差;又根據(jù)文獻［10－11］給出的最優(yōu)編碼序列的概念、判斷標準和計算方法，通過窮舉搜索可以得到不同碼長的最優(yōu)編碼序列［8］，Barker碼除了碼長N=11時不是最優(yōu)編碼序列，其余都是。而且文獻［12］中也對13位Barker碼應用于高頻超聲成像中做了一定的實驗室研究。綜合比較，最終采用13位Barker碼作為本項目數(shù)字超聲眼科診斷系統(tǒng)中編碼激勵的發(fā)射碼型。

1．2解碼壓縮方式

目前醫(yī)學超聲編碼激勵系統(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，并且設計及實現(xiàn)方法相對簡單。而對于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碼的長度。對于最長的13位Barker碼，匹配脈沖壓縮得到的信噪比增益為11．1dB，而峰值旁瓣水平(peaksidelobelevel，PSL)也只有(22dB，對距離旁瓣的抑制不夠好［9］。為此設計出了逆濾波器［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來換取更好的距離旁瓣脈沖壓縮效果。對比各種解碼壓縮方式的優(yōu)缺點，本研究對匹配濾波與非匹配濾波分別進行了仿真實驗，結(jié)果表明。失配濾波方法可以達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(integratedsidelobelevel，ISL)和PSL都盡可能的低。

1．3仿真實驗

二進制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回波頻率的8倍，這里用以下序列來構(gòu)造每周期8個采樣點的正弦波，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)果的峰值包絡波形，可見旁瓣衰減達到了－45dB。13位Barker碼匹配濾波的FPGA實現(xiàn)相對簡單，需要開辟一個深度13×8，14bit的存儲空間進行卷積解碼。將解碼濾波系數(shù)序列中為+1的系數(shù)對應的回波數(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)對應的回波數(shù)據(jù)進行補碼取反，然后進行對應數(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碼編碼激勵信號，下端波形為經(jīng)過匹配濾波解碼壓縮后的信號。可見，Barker碼匹配濾波解碼壓縮后存在較大的旁瓣。圖5為13位Barker碼經(jīng)過失配濾波后得到的結(jié)果，實驗中我們設計的失配濾波器的階數(shù)為P=3N=39。主瓣峰峰值達到了±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)果的峰值包絡波形，可見旁瓣衰減達到了－60dB。在FPGA的設計中，具體的實現(xiàn)步驟如圖7所示。首先將失配濾波器系數(shù)進行量化，乘以27=28，并取整存入FPGA的RAM中，然后構(gòu)建實時延時回波矩陣，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碼編碼激勵信號，下端波形為經(jīng)過失配濾波解碼壓縮后的信號。可見，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)方案與設計

編碼激勵系統(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，激勵脈沖的長度遠大于單脈沖;(2)接收電路需要對回波信號進行脈沖壓縮，脈沖壓縮算法的計算量很大。因此，編碼發(fā)射的實驗系統(tǒng)設計有以下特殊要求:(1)發(fā)射電路能夠產(chǎn)生各種不同的編碼激勵;(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個點，要求FPGA能夠?qū)崟r地對編碼激勵的回波進行脈沖壓縮并且成像。根據(jù)以上系統(tǒng)設計要求，圖9為系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)圖。主要包括上位機主機、硬件電路板、3個超聲探頭、LCD液晶顯示、腳閘、USB外設等。系統(tǒng)中的上位機選用嵌入式的工控主板，這樣可以實現(xiàn)儀器的小型化和便攜性。上位機主要用來實現(xiàn)對底層數(shù)據(jù)的接收和處理、以及軟件的實時控制。實驗系統(tǒng)采用單陣元機械扇形掃描探頭，3個超聲探頭分別為中心頻率為10MHz的B超探頭、中心頻率為20MHz的B超探頭和中心頻率為10MHz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量等模式的檢測探頭。LCD液晶顯示用來對圖像實時成像。雙鍵腳閘實現(xiàn)探頭的啟動、凍結(jié)。USB外設包括存儲器、打印機、鼠標和鍵盤。USB外設的使用，使得整機更加人性化和提高了可操作性。

硬件電路板是整個系統(tǒng)的核心部件，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。整個硬件電路以FPGA及其外圍電路為核心進行設計。FPGA采用Altera公司的CycloneIII系列EP3C55型產(chǎn)品。機械扇掃探頭的偏轉(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3.3V轉(zhuǎn)化為12V，以激勵發(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，激勵超聲換能器晶片。回波信號經(jīng)高壓隔離電路后進入前置放大與可變增益控制電路。前置放大電路增益范圍為10～15dB，F(xiàn)PGA產(chǎn)生TGC曲線數(shù)據(jù)，控制可變增益放大器，可以使增益變化50dB左右。實驗系統(tǒng)時鐘為80MHz，高速A/D芯片按照不同模式工作在80MHz和120MHz，采樣精度為14bits，其采樣模式由FPGA通過SPI接口完成設定。FPGA完成的超聲回波數(shù)字信號處理包括:高頻數(shù)據(jù)采集與存儲、數(shù)字濾波、數(shù)字檢波、對數(shù)變換、二次采樣等，如圖12所示。數(shù)字信號處理之后的回波數(shù)據(jù)通過SRAM緩存后，經(jīng)USB2．0接口電路上傳至計算機，并由人機界面完成整個系統(tǒng)的操作與控制。