編碼激勵(lì)技術(shù)及運(yùn)用

1、編碼激勵(lì)技術(shù)及運(yùn)用1編碼激勵(lì)技術(shù)為了防止超聲的空化效應(yīng)和熱效應(yīng)對(duì)人體可能造成的損害,需要對(duì)醫(yī)學(xué)超聲成像系統(tǒng)的峰值聲功率和平均聲功率進(jìn)行限定1,2。在脈沖和連續(xù)多普勒血流測(cè)量系統(tǒng)中,峰值聲功率和平均聲功率都比較接近最大允許值。而在脈沖回波成像系統(tǒng)中,超聲發(fā)射的占空比非常小,在發(fā)射超聲的峰值聲功率接近最大允許值的情況下,實(shí)際的平均聲功率往往不到最大允許值的1%1,3。雷達(dá)系統(tǒng)中的編碼激勵(lì)技術(shù)4能夠在不增加峰值發(fā)射功率的前提下,顯著提高平均發(fā)射功率,從而提高系統(tǒng)的信噪比。受此啟發(fā),Newhouse在1974年提出了白噪編碼的超聲成像和多普勒測(cè)量系統(tǒng)5。在此后的近30年里,包括M序列偽隨機(jī)碼610、B

2、arker碼7,11、Golay碼6,11、Chirp1216和偽Chirp碼3,17等各種編碼方法被用于超聲編碼激勵(lì)的研究。由于實(shí)時(shí)超聲成像的時(shí)間帶寬(TB)乘積較小,適用于雷達(dá)系統(tǒng)的編碼方法用于超聲成像時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的距離旁瓣(rangesidelobe)3。同時(shí),超聲編碼系統(tǒng)的電路復(fù)雜性也遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的脈沖回波成像系統(tǒng)。因此,如何將編碼激勵(lì)方法成功應(yīng)用到醫(yī)學(xué)超聲儀器中,還是一個(gè)值得研究的問題。本文將從編碼激勵(lì)的原理、常用編碼方法以及編碼激勵(lì)的應(yīng)用三個(gè)方面來介紹醫(yī)學(xué)超聲編碼激勵(lì)技術(shù)。2編碼激勵(lì)的原理2.1編碼激勵(lì)成像系統(tǒng)的工作原理編碼激勵(lì)成像系統(tǒng)的簡(jiǎn)單框圖17。編碼激勵(lì)成像系統(tǒng)與傳統(tǒng)的脈沖回波

3、成像系統(tǒng)的不同之處在于:(1)發(fā)射電路采用編碼發(fā)射激勵(lì),必要時(shí)還需要對(duì)發(fā)射編碼進(jìn)行調(diào)制;(2)接收電路中需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮。采用長(zhǎng)脈沖激勵(lì)發(fā)射陣元有可能提高超聲成像系統(tǒng)的信噪比。但是,如果僅僅是簡(jiǎn)單地加大發(fā)射脈沖的長(zhǎng)度,則會(huì)明顯降低成像系統(tǒng)的軸向分辨率,造成圖像的模糊18。編碼激勵(lì)技術(shù)能較好地解決這一問題。編碼激勵(lì)系統(tǒng)的基本工作原理。(a)所示的傳統(tǒng)脈沖發(fā)射系統(tǒng)用單脈沖進(jìn)行激勵(lì),軸向分辨率取決于傳感器的脈沖響應(yīng)。(b)所示的編碼激勵(lì)系統(tǒng),用一長(zhǎng)串編碼脈沖進(jìn)行激勵(lì),激勵(lì)脈沖的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于傳感器的脈沖響應(yīng)時(shí)間。編碼長(zhǎng)脈沖激勵(lì)時(shí),探查空間中某一固定點(diǎn)產(chǎn)生的回波信號(hào)也是一長(zhǎng)串脈沖。所以接收到

4、的回波信號(hào)需要與一個(gè)參考信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算,才能夠得到近似于傳統(tǒng)脈沖激勵(lì)系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)。這一處理過程稱為脈沖壓縮。編碼激勵(lì)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是,在峰值負(fù)聲壓一致的前提下,壓縮脈沖的信噪比遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)回波脈沖的信噪比。信噪比增加值約等于編碼長(zhǎng)脈沖的TB積7,(b)右側(cè)的高脈沖示意了這一結(jié)果。編碼激勵(lì)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是,除采用Golay碼的系統(tǒng)外,相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果不可能象示意的那么理想,總會(huì)在主瓣的周圍殘余一些雜波6,又稱為距離旁瓣3。此外,發(fā)射長(zhǎng)脈沖還會(huì)造成發(fā)射聚焦困難、圖像死區(qū)增加、空間聲場(chǎng)的旁瓣能量增加等問題。2.2編碼激勵(lì)成像系統(tǒng)的信噪比分析根據(jù)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局執(zhí)行的“醫(yī)用診斷超聲設(shè)備聲輸出公布要求”的I

5、EC標(biāo)準(zhǔn)1,對(duì)換能器部件和B超主機(jī)配套組合的所有工作模式聲輸出應(yīng)滿足如下三個(gè)條件:(1)峰值負(fù)聲壓:P-1MPa(2)波束聲強(qiáng):Iob20mW/cm2(時(shí)間平均聲功率除以輸出超聲波束面積)(3)空間峰值時(shí)間平均值聲強(qiáng):Ispta100mW/cm2綜上所述,當(dāng)探頭的中心頻率為f0,帶寬百分比為,成像幀頻為fp,介質(zhì)聲阻抗率為Zs時(shí),編碼長(zhǎng)脈沖激勵(lì)相對(duì)于傳統(tǒng)的短脈沖激勵(lì)。3發(fā)射編碼的選擇3.1發(fā)射編碼選擇的原則編碼激勵(lì)成像系統(tǒng)中,編碼方法選擇和參考信號(hào)的設(shè)計(jì)對(duì)圖像質(zhì)量的影響很大。是無編碼長(zhǎng)脈沖和Barker碼兩種不同編碼方式時(shí),脈沖壓縮效果的示意圖11。圖中采用匹配濾波來壓縮脈沖,使主瓣能量極大。

6、兩種編碼方式得到的壓縮脈沖的主瓣大小一致。下面兩個(gè)指標(biāo)可以定量地衡量壓縮脈沖的效果7:(1)主瓣寬度()即主瓣的-3dB寬度。主瓣寬度反映了系統(tǒng)的軸向分辨率,它們之間的關(guān)系為:R=c(12)其中,c為聲速?？梢?主瓣寬度越窄,系統(tǒng)的軸向分辨率越高。(2)信雜比(Signal-to-clutterratio,SCR)即主瓣峰值和距離旁瓣峰值之比。SRC越小,圖像的模糊越嚴(yán)重。大部分成像系統(tǒng)要求SCR大于50dB。綜合上述兩個(gè)指標(biāo),發(fā)射編碼選擇的原則是:使得壓縮脈沖的主瓣寬度很窄,而且具有很高的SCR。事實(shí)上,這兩方面的要求是矛盾的。一般來說壓縮主瓣寬度會(huì)造成SCR的降低,反之亦然。最理想的壓縮脈

7、沖是函數(shù)。發(fā)射編碼確定后,可以直接采用匹配濾波的方法來進(jìn)行脈沖壓縮。當(dāng)匹配濾波得到的壓縮脈沖的SCR不能滿足要求時(shí),可以考慮采用非匹配濾波3,17。非匹配濾波器的系數(shù)比匹配濾波器長(zhǎng)。因此,非匹配濾波中SCR的提高,是以距離旁瓣持續(xù)時(shí)間的增加和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性的增加為代價(jià)的。在設(shè)計(jì)非匹配濾波器時(shí),把傳感器對(duì)編碼脈沖的影響考慮在內(nèi),可以進(jìn)一步地提高SCR1214。3.2常用的發(fā)射編碼3.2.1白噪編碼和M序列偽隨機(jī)編碼最早出現(xiàn)的編碼發(fā)射系統(tǒng)是白噪相關(guān)系統(tǒng)6。是這種系統(tǒng)的框圖。白噪發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)n(t)。考慮到換能器的帶通特性,從固定深度返回的回波將不再是白噪,設(shè)得到回波信號(hào)x(t-e),e為目

8、標(biāo)深度產(chǎn)生的延遲。激勵(lì)信號(hào)n(t)經(jīng)水延遲線延遲r。如果水延遲線的通帶特性與換能器一致,延遲得到的信號(hào)為x(t-r)。其中:B為換能器的帶寬;f0為中心頻率。則,x(t)的自相關(guān)函數(shù)Rx(e-r)=exp-Be-rcos2f0(e-r)(15)Rx()包絡(luò)的主瓣寬度為=0.22B,即軸向分辨率R=0.22CB,這與脈沖系統(tǒng)的軸向分辨率非常接近。Rx()的信雜比為:SCR=10log(BT)(16)其中:T為激勵(lì)白噪的長(zhǎng)度。若探頭頻率為f=5MHz,探頭帶寬為40%。若要求SCR50dB,必須T50ms。在B模式成像中,這顯然是不可能的。M序列偽隨機(jī)碼的編碼發(fā)射系統(tǒng)和白噪相關(guān)系統(tǒng)相似6?？紤]到換

9、能器的帶寬,一般需要對(duì)M序列偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制19。與白噪編碼相比,M序列偽隨機(jī)碼的主要優(yōu)點(diǎn)是便于生成和延遲。3.2.2Golay碼Golay碼又稱Golay互補(bǔ)序列對(duì),其定義為一對(duì)由兩種元素構(gòu)成的等長(zhǎng)、有限序列。且在任何給定間隔下,一個(gè)序列中的相同元素對(duì)的個(gè)數(shù)等于另一個(gè)序列中的相異元素對(duì)的個(gè)數(shù)20,21。設(shè)Golay互補(bǔ)序列對(duì)A(a0,a1,aN-1),B(b0,b1,bN-1),其長(zhǎng)度為N,元素為-1和1。序列A、B的自相關(guān)函數(shù)分別為:cj=i=N-1i=jaiai-jj=0,N-1i=N-1+ji=0aiai-jj=-N+1,-1(17)dj=i=N-1i=jbibi-jj=0,N-1i=

10、N-1+ji=0bibi-jj=-N+1,-1(18)則有:cj+dj=2Nj=00j0(19)因此,利用Golay互補(bǔ)序列對(duì)進(jìn)行兩次發(fā)射和脈沖壓縮,并將兩次壓縮的結(jié)果求和可以完全消除旁瓣。是這一方法的示意圖。Golay碼脈沖壓縮的示意圖Fig5PulsecompressionofGolaycode理論上,Golay互補(bǔ)序列對(duì)的編碼發(fā)射可以在保持主瓣寬度不變的情況下,完全消除旁瓣。但實(shí)際應(yīng)用中,由于兩次發(fā)射間組織的運(yùn)動(dòng),往往達(dá)不到理論的效果。另外,采用Golay碼會(huì)使圖像的幀頻降低一半。3.2.3Chirp信號(hào)和偽Chirp碼線性調(diào)頻(Chirp)信號(hào)在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用很廣泛。由于Chirp信

11、號(hào)具有很好的自相關(guān)特性,很適合應(yīng)用于超聲編碼發(fā)射15,16?？紤]到超聲探頭的帶通特性,超聲編碼發(fā)射中使用的Chirp信號(hào)為:其中:f0為探頭的中心頻率;B為探頭的帶寬;為線性調(diào)頻的斜率。為了簡(jiǎn)化Chirp信號(hào)編碼系統(tǒng)中的發(fā)射電路,可以采用偽Chirp信號(hào)3:S(t)=signcos2(f0-B2)t+2t2(21)其中:sign為符號(hào)函數(shù)。4超聲編碼發(fā)射成像的應(yīng)用4.1B模式成像在B模式成像中,編碼激勵(lì)時(shí),每次發(fā)射的超聲能量比常規(guī)的脈沖激勵(lì)高,因此可以提高圖像的信噪比和掃查深度22,23。此外,由于信噪比和穿透能力的提升,在掃查深度相同的條件下編碼發(fā)射可以采用更高的中心頻率進(jìn)行,從而提高圖像的

12、軸向分辨率。4.2Doppler血流測(cè)量Doppler血流測(cè)量中,Doppler頻偏為:fD=3vcoscf0(22)其中:f0為發(fā)射聲波的中心頻率;c為聲速,v為血流速度;為聲束和流速v之間的夾角。所示的白噪編碼系統(tǒng)中,當(dāng)T足夠小時(shí),有:y(t)=tt-Tx(t-e)x(t-r)dtRTx(-1t+r-e)(23)其中,=1-2vcosc。由(15)式得:RTx(t)=exp-Br-e-2vcosctcos2f0(r-e-2vcosct)(24)上式表明,RTx(t)是一個(gè)被exp-Br-e-2vcosct調(diào)制的余弦信號(hào),其頻率為Doppler頻偏6,8。傳統(tǒng)脈沖Doppler的測(cè)量受到著名

13、的速度距離乘積的限制,即:maxRmaxc28f0(25)式中:vmax、Rmax分別為可測(cè)量的最高流速和最大探測(cè)深度。編碼發(fā)射的Doppler血流測(cè)量系統(tǒng)可以不受速度距離乘積的限制。4.3B-flow成像B-flow是一種能夠提高超聲成像分辨率、幀頻和動(dòng)態(tài)范圍的新技術(shù)11。它能夠同時(shí)顯示血流和組織圖像。B-flow使用編碼發(fā)射和接收技術(shù)來增強(qiáng)血流散射子的回波信號(hào),通過組織均衡技術(shù)來同時(shí)顯示血流和組織,而不需要象傳統(tǒng)彩色血流成像(CFM)那樣采用閾值判斷和疊加的方法。臨床應(yīng)用表明在動(dòng)態(tài)范圍為60dB的情況下,與傳統(tǒng)的CFM圖像相比,B-flow圖像的分辨率和幀頻提高了3倍。能夠清晰地顯示血管壁

14、和血液的動(dòng)力學(xué)特性。圖6是B-flow成像的原理框圖。與普通的編碼激勵(lì)系統(tǒng)不同的是,B-flow成像需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行組織均衡處理,以便同時(shí)顯示組織信號(hào)和血液信號(hào)。組織均衡處理實(shí)際上就是前后兩幀圖像相減。即,B-flow圖像的像素點(diǎn)的亮度為:B=Eu1-u22=2(R(0)-R(1)(26)上式中,u1、u2為兩次發(fā)射得到的回波;R(0)為每次發(fā)射的自相關(guān);R(1)為兩次發(fā)射的互相關(guān)。與組織回波相比,血流前后兩次回波的相關(guān)性弱,所以顯示亮度大。B-flow成像的原理框圖Fig6BlockdiagramofB-flowimagingsystemB-flow成像克服了傳統(tǒng)的CFM的不足:(1)發(fā)射

15、脈沖越長(zhǎng),軸向分辨率越低。而短脈沖攜帶的能量少,穿透能力弱;(2)動(dòng)態(tài)范圍不足和噪聲的影響使得紅血球反射的弱回波不可見。B-flow成像在臨床上的主要優(yōu)點(diǎn):(1)血流圖像直觀;(2)能清楚地顯示動(dòng)脈粥樣斑和血管的不規(guī)則性;(3)高幀頻,細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)清晰(如瓣膜的開合,CFM中經(jīng)常被疊加的血流蓋住)。4.4諧波成像諧波成像中,采用常規(guī)的脈沖發(fā)射有兩個(gè)缺點(diǎn):(1)基波和二次諧波間的頻譜泄漏:這是由于發(fā)射脈沖的傳播過程中的非線性畸變引起的。(2)造影劑微泡的破裂?；谝陨蟽蓚€(gè)原因,要求發(fā)射聲波的最大負(fù)聲壓小于50100KPa。常規(guī)的脈沖發(fā)射的峰值負(fù)聲壓為:0.51MPa。降低常規(guī)脈沖發(fā)射的峰值負(fù)聲壓,會(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)的信噪比。通過加大發(fā)射脈沖長(zhǎng)度,