Chirp編碼激勵用于高頻醫學超聲系統的實驗及性能評價

張耀楠，付強，唐亮

1.西安思源學院 電子信息工程學院，陜西 西安 710038；2.東北大學 中荷生物醫學與信息工程學院，遼寧 沈陽 110169

引言

當前市場主流的醫學超聲成像系統中，大多數均采用傳統脈沖激勵模式。脈沖激勵模式下，因為發射時間極短，所以當發射的峰值聲功率接近安全范圍內最大值時，平均聲功率僅為最大允許值的1%左右[1]。在這樣的背景下，醫學超聲領域的研究者受雷達技術的啟發，也采用了雷達技術中廣泛應用的編碼激勵模式。該激勵模式通過延長發射時間，在不增加發射能量峰值的前提下，增加了發射功率，改善了穿透深度等成像效果參數[2-11]。同時利用脈沖壓縮技術，將回波信號進行解調，得到與傳統脈沖激勵信號持續時間相似，但是幅度遠遠增強的信號，進而改善了信噪比。

眾所周知，分辨率和穿透深度一直是醫學超聲成像效果的重要評價參數，但醫學超聲成像設備一直面臨著一個魚和熊掌難以兼得的問題：較高的激勵頻率可以獲得較好的分辨率，但是會犧牲一定的穿透深度；反之，較低的激勵頻率可以獲得較深的穿透深度，但是分辨率會變差。造成以上現象的原因是根據超聲波的衰減機制，頻率越高，超聲波的衰減越快，所以穿透深度越淺；反之，較低的成像頻率會導致超聲成像系統的分辨率變差。

針對以上情況，人們曾設想在滿足醫學要求的分辨率的情況下，通過增加換能器兩端的電壓來增加換能器輸出的聲波能量，進而達到增加穿透深度的目的。但FDA及各國的監管機構均對于超聲成像系統的聲波能量劑量有著更為嚴格的要求，在醫用超聲安全劑量的限制下，發射幅度不可以無限制增大，所以，為了傳輸更多能量，具有更長發射時間的超聲編碼成像逐漸走進了人們的視野[12-14]。

編碼激勵技術在高頻超聲成像系統中的應用前景廣闊[15-16]，但在Chirp編碼激勵模式的性能評價上尚未進行較深入研討。針對此，本文設計了一個可以進行Chirp編碼/脈沖激勵的實驗系統并基于其進行了一系列實驗，解決其應用過程中可能遇到的軟硬件方面實際問題。并對比在應用編碼激勵方式與傳統脈沖激勵方式下，高頻超聲成像系統的分辨率、探測深度、信噪比、幀速率等一系列重要參數。然后將高頻超聲編碼成像系統進一步應用于線模、體模等仿體以及離體組織的成像，與傳統激勵模式相對比，進而獲得在實際應用場景下，編碼激勵方式與傳統激勵方式優劣勢的對比。

1 實驗系統實現

本文實驗系統由FPGA芯片XC7K325T、激勵模塊、AD7982、T/R開關、探頭、二維控制平臺、軟件部分等組成，以東軟醫療N7系統TR電路板為核心進行構建。該系統可以完成傳統脈沖激勵和編碼激勵的發射，并可以存儲、處理回波RF信號。實驗系統結構框圖，見圖1。

圖1 實驗系統結構框圖

在系統運行時，由FPGA芯片XC7K325T控制激勵模塊(包含高壓模塊、編碼激勵模塊)產生實驗所需要的激勵：脈沖激勵采用高壓模塊、Chirp編碼激勵采用CPLD及MD2133。激勵經過T/R開關，作用于單陣元探頭上，然后T/R開關切換為接收模式，系統開始接收由探頭回傳的電壓信號，這些電壓信號經過T/R開關，進入AD7982芯片，在其中完成放大、濾波、模數轉化等過程后進入FPGA，然后通過Chipscope軟件將波形存儲導出至Matlab中進行對數壓縮、希爾伯特變換、帶通濾波等操作，并最終形成用于分析的實驗圖像。除此之外，由FPGA控制二維平臺帶動樣品運動，使探頭可以完成整個樣品的成像。

XC7K325T芯片主頻200 MHz，負責控制激勵模塊產生激勵、T/R開關進行收發轉換，以及AD7982接收回波信號，二維平臺運動等。實驗系統中，圖像幀頻為2幀/s，每幀由1000條線構成，即FPGA控制激勵模塊每秒產生2 kHz的激勵，二維平臺每秒沿水平方向x軸運動2000步，步長0.5 mm，每次間隔500 μs。每幀圖像由1000次激勵-接收完成，每個激勵-接收周期時間長度為500 μs，接收2048個點，理論探測深度7.68 mm。FPGA將AD7982處理后的數據通過Chipscope保存為prn格式，該格式文件可以由Matlab通過xlLoadChipScopeData()函數進行讀取，讀取后即可通過Matlab對其進行處理。FPGA芯片是整個系統的核心，負責整個系統各個部分的協同，因為其可編程性質，可以方便的為其加載新的程序進而調整整個系統的成像參數，例如幀頻、線數、每條線采樣點數等，可以較好的滿足實驗要求。

本文中所應用的MD2133是可以產生自定義波形的Chirp編碼激勵源，其設計目的為專門應用于醫學超聲系統和HIFU系統的激勵，除此之外，該方案亦可應用于無損檢測及其他超聲相控聚焦方面的應用。 MD2133集成電路板由CMOS集成電路、8位高速實時孔徑DAC構成。其支持PAM及PWM兩種模式。其中PAM為高速脈沖電流幅度調制模式，PWM為采用脈沖發生器和內置cos/sin查表方式的模式。因為DAC的分辨率為8位，所以該電路板內置波形的角分辨率為1.4°，即一個周期由256個數據點存儲組成。電路板中包括8個1 k位的波形存儲空間用來存儲4中預制波形及其相關參數：動態的波形數據的長度、起始地址、重復周期數、CW模式下的連續波形環、被預分頻的傳輸速率、極性轉置的快速啟動、chirp_up/chirp_down調頻和正向/反向傳輸時域對稱波形保存數據點。電路板采用SSTL差分時鐘，其控制及統一所有的波束寫操作、讀操作、傳輸延遲和波形的頻率。MD2133的輸出端采用一個雙重耗盡型、高壓的N-MOSFET（ DN2625）作為驅動源。除此之外，MD2133還具有100 MHz的高速串行接口，使其可以在兩次激勵之間更新掃描所采用的幅度變跡模式。

在實驗系統中，回波信號的放大、濾波、模數轉化由AD7982芯片完成。AD7982是一款18位、逐次逼近型模數轉換器（Analog-Digital Converter，ADC），采用單電源供電。它內置一個低功耗、高速18位采樣ADC和一個多功能串行接口端口。在轉換輸入上升沿，AD7982對IN+與IN-引腳之間的電壓差進行采樣，這兩個引腳上的電壓擺幅通常在0 V至VREF之間、相位相反。基準電壓（REF）由外部提供，并且可以獨立于電源電壓。其功耗和吞吐量呈線性變化關系。

因為本文實驗中采取了兩大類四小類（30 MHz Pulse，60 MHz Pulse，30 MHz Chirp，60 MHz Chirp）的激勵模式，所以對于RF數據的處理方式也可以分為兩大類四小類，與上面的激勵方式一一對應。對于RF數據的處理，見圖2。

圖2 RF數據處理流程框圖

根據圖2可以看出，上位機中針對各種激勵方式的處理都不相同。Chirp編碼激勵經過卷積解碼后的回波會形成和Pulse激勵模式相類似脈沖類回波，從此之后，4種激勵模式的處理方式變得相同：首先利用希爾伯特變化求回波的包絡信號，然后對包絡信號根據動態范圍進行對數壓縮。下一步中，將壓縮后的數據利用二維均值濾波器進行平滑，去除噪聲，最終形成圖像。

2 實驗設計與實現

2.1 實驗所用材料的制作

本實驗中所采用的實驗材料包括3類：分別是線模、體模、及離體組織，分別用于不同用途的測量。其中，線模采用4根直徑20 μm的鎢絲，以2.5 mm的間隔平行排列，用于測量高頻編碼激勵血管內超聲成像系統的各個深度的橫向、軸向分辨率。體模采用8%的PVA粉末和1%的纖維素粉末經過加熱、攪拌、去除氣泡等系列工序制成，制成的仿體包含了3個大小不同用于評價超聲系統信噪比、載波比的孔洞，其直徑分別為0.9、1.4、3 mm。除此之外，體模的實驗結果還被用來評價高頻Chirp激勵的穿透深度。離體組織采用新鮮的被屠宰的豬的血管組織，因為眼球、血管、腸等結構是高頻Chirp激勵潛在的應用場景。

2.2 線模的制作過程

取直徑20 μm的鎢絲一根，前段以較長頭發牽引，依次“S型”穿過兩塊平行的特制PCB板上傾斜為30°的孔洞。穿過孔洞時，應多加小心以免鎢絲斷裂，完成穿線后，應緩慢逐漸加力，將兩塊PCB板之間的鎢絲繃緊，并將多余鎢絲剪短，并用膠帶將鎢絲兩端與PCB板進行粘合固定。將鎢絲繃緊的目的是為了保證鎢絲與換能器掃描的橫截面垂直，只有這樣才能對線模清晰成像。

2.3 體模的制作過程

（1）制備材料：聚乙烯醇粉末、纖維素粉末、加熱磁力攪拌器（帶小磁體）、燒杯、電子秤、塑料血管模具、組織模具（需要2個可讓血管穿過的直徑略大的孔洞），去離子水。

（2）制備比例：8%聚乙烯醇+1%纖維素。

（3）制備步驟為：① 根據欲制作的仿體體積計算PVA、纖維素、去離子水的量，并使用燒杯稱量；② 將PVA和去離子水加入燒杯，小磁體放在燒杯里，放在加熱磁力攪拌器中，在30℃下，攪拌1～2 h，使PVA充分溶脹，以利于后續加熱PVA的溶解；③ 加熱溫度調至95℃，在這一溫度下加熱攪拌1 h，無懸浮顆粒，均一透明即可，為防止水蒸發，用錫箔紙封蓋住燒杯；④ 加入纖維素，繼續加熱攪拌15 min，使其均勻分布，呈乳白色，即可停止加熱；⑤ 將燒杯放在超聲清洗器中震蕩15 min，以除去溶液內氣泡；⑥ 靜置冷卻至30℃，將溶液緩慢倒入模具中，密封后，置于-20℃冷凍12 h，取出在20℃下解凍12 h。此為一個冷凍-解凍周期。不同周期可制作出不同硬度的仿體，制作過程中需注意平整表面。

3 各種模式的成像結果

根據以上描述的實驗系統和上文實驗方案分別獲得了線模、體模、離體組織的圖像，見圖3。

圖3 線模圖像

各圖右下角兩條線對應的實際長度都是2 mm，圖中橫縱軸的顯示比例是不一樣。4個線模的深度分別為5.9、6.3、7.8、8.2 mm。該圖可以用來評價4種不同的激勵在不同深度上的橫向和軸向分辨率。通過Matlab對于-6 dB分辨率的計算結果可以得到，系統的橫向分辨力弱于縱向分辨力。隨著深度的增加，系統的橫向分辨率逐漸變差。

本次實驗的體模圖像，見圖4。通過體模圖像可以看出，較小的孔洞中信號載波比較差，較大的孔洞中信號載波比較好。

圖4 仿體超聲成像圖

本次實驗的離體組織圖像，見圖5。通過離體組織圖像可以看出，高頻激勵的圖像紋理要比低頻圖像更為細膩，但是穿透深度較淺，例如60 MHz的傳統脈沖激勵只能看到血管的內膜，而30 MHz的激勵可以看到血管外膜的后壁，并可較清晰的看到血管內膜、血管外膜之間的分層。

圖5 離體組織高頻超聲圖像

4 各激勵模式的性能分析

4.1 -6 d B分辨率結果分析

利用前文所述系統，對于線模實驗結果進行分析，得到不同深度的線模的橫向分辨率、軸向分辨率，見表1。

表1 -6 dB不同深度的線模分辨率（μm）

根據計算可以得到，30 MHz Pulse激勵各個深度軸向分辨率的平均值為95.6 μm；30 MHz Chirp 激勵的軸向分辨率的平均值為112.5 μm；60MHz Pulse激勵軸向分辨率的平均值為54.1 μm；60 MHz Chirp激勵軸向分辨率的平均值為118.2 μm。30 MHz Pulse激勵橫向分辨率的平均值為742.6 μm；30 MHz Chirp 激勵橫向分辨率的平均值為492.9 μm；60 MHz Pulse激勵橫向分辨率的平均值為562.0 μm；60 MHz Chirp激勵橫向分辨率的平均值為465.5 μm。通過觀察，我們可以得到如下結論：

（1）與理論結果相同，頻率越高，分辨率越好；頻率越低，分辨率越差。60 MHz的激勵，無論是Pulse激勵還是Chirp激勵，空間分辨率都比30 MHz的激勵更佳。

（2）軸向分辨率普遍優于橫向分辨率，與理論預期結果相同。

（3）無論是30 MHz還是60 MHz，Chirp激勵的橫向分辨率優于Pulse激勵，但軸向分辨率弱于Pulse激勵。

（4）對于比較關心的30 MHz Pulse激勵和60 MHz Chirp激勵，60 MHz Chirp激勵雖然在軸向分辨率上略弱于30 MHz Pulse激勵，但是橫向分辨率上60 MHz具有較大的優勢，這也說明，利用較高頻Chirp激勵替代傳統較低頻Pulse激勵是具有較大意義的。

4.2 穿透深度

在本文實驗中，對于穿透深度的計算是基于體模圖像來完成的。首先，取未穿過孔洞的100條采樣線。然后，將圖像中對于水的回波區域標準化為0，取大于6 dB圖像區域為有效區域。將100條采樣線的數據平均，結果見圖6～7，圖中噪聲是由電路產生的。

圖6 30 MHz激勵穿透深度對比圖

圖7 60 MHz激勵穿透深度對比圖

根據計算得到，相同激勵頻率下，Chirp編碼激勵的穿透深度大于傳統Pulse激勵；相同激勵模式下，低頻的穿透深度大于高頻。由此可見，Chirp激勵模式對于高頻超聲系統穿透深度的提升是具有顯著意義的。

4.3 CNR

CNR指的是對比噪聲比，其被廣泛的應用于評價超聲成像系統組織圖像區域與噪聲的比值，其計算方法如下所示：

其中，Pi指的是組織區域內的取樣像素；Pn指的是噪聲區域內的取樣像素；mean()為均值；sta()為標準差。CNR取樣區域，見圖8，圖中紅色區域為孔洞內的取樣區域，藍色區域為等深度的孔洞外的取樣區域。以式(1)計算不同大小孔洞（0.9、1.4、3.0 mm）的CNR。

圖8 CNR取樣區域

經過計算可以得到，直徑為0.9、1.4、3.0 mm的3個孔洞在Chirp激勵模式下的CNR為2.7、5.1、5.2，而在Pulse激勵模式下的CNR為3.6、3.9、4.3。Chirp激勵的不同大小孔洞的平均CNR較比Pulse激勵的CNR提升了0.4。

5 結果討論

為了對比Chirp編碼激勵與傳統Pulse激勵的成像效果，我們完成了以FPGA芯片XC7K325T為核心，MD2133產生高頻Chirp編碼激勵，AD7982進行回波電信號處理，Matlab進行RF信號成像及成像效果分析的實驗系統。并利用該系統獲得了4種激勵模式（30 MHz Chirp、30 MHz Pulse、60 MHz Chirp、60 MHz Pulse）的線 模、仿體、離體組織超聲圖像，并基于這些超聲圖像計算了不同激勵模式的分辨率、穿透深度、CNR等超聲成像參數。

通過計算結果，可以看出：

（1）實驗結果與理論結果相同，頻率越高，分辨率越好；頻率越低，分辨率越差。60 MHz的激勵，無論是Pulse激勵還是Chirp激勵，空間分辨率都比30 MHz的激勵更佳。

（2）通過線模實驗，可以發現不同激勵模式對超聲成像橫向和軸向分辨率的影響有一定的差異。因此，激勵模式是影響探頭橫向、軸向分辨率的重要因素之一，而且在不同頻率、不同深度上的影響不同，具體影響機制仍需要進一步探討。通過體模實驗實驗可以看出，Chirp激勵對于穿透深度具有約50%的提升能力，可以較為明顯得增加圖像的穿透深度。

（3）通過體模實驗中對于不同孔洞的CNR計算結果可以得出，Chirp激勵的平均CNR要優于Pulse激勵，但是在較小孔洞中的CNR要弱于Pulse激勵。

通過以上結果可以看出，Chirp激勵模式的確可以對高頻超聲的穿透深度，橫向分辨率、CNR等成像參數進行優化，但是會犧牲一定的軸向分辨率，這是由于其激勵發射時間的增加而導致的。在固定頻率下， Chirp激勵的應用對于高頻超聲成像質量有著較為顯著的提升，這對于進一步提升高頻超聲的分辨率有著極為重要的意義。

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