编码激励与脉冲压缩在超声测血流中的应用

编码激励与脉冲压缩在超声测血流中的应用张仁富阔永红张仁富先生，西安电子科技大学通信工程学院硕士，时任深圳理邦精密仪器有限公司实习工程师；阔永红女士，博士、硕士生导师。一概述传统的测量血流的方法是超声多普勒法，包括连续多普勒(CW)和脉冲多普勒(PW)。CW系统没有距离选择性，不能确定血管的位置。PW系统能够测量特定深度的血管，但是在PW系统中存在着最大测量距离和最大可能测量速度之间的矛盾，而且发射信号的峰值与平均功率之比很大，这样就可能引起空化效应，平均功率小，信噪比差。编码激励与脉冲压缩技术在雷达系统的应用已经有50年之久了，但被成功地引用到超声测量中只是近五年的事。超声与雷达系统的一个主要的区别是传输的介质不同，这样适应雷达系统的理论在超声系统中就不一定适应了。经过近几年的研究，很多问题已经得到解决，如宽带超声换能器的研制等。这样脉冲压缩技术在超声系统中的应用已经成为可能，且大大提高了系统的性能，解决了传统测量方法所不能解决的问题。1.信噪比的考虑在超声测量系统中，信噪比(SNR)是决定测量质量的一个非常重要的因素。根据超声理论，信噪比与超声换能器发射的平均功率成正比。而在脉冲多普勒系统中，超声发射的占空比非常小。而为了防止超声的空化效应和热效应对人体可能造成的损害，医学超声系统中的超声发射的峰值功率和平均功率被严格的限定。这样光靠增加峰值功率来提高信噪比是有局限性的。如图1的编码激励，通过在发射端发射一个经过编码后的脉冲，这个脉冲与传统的发射脉冲相比持续时间会大大的加长。这样在相同的峰值功率下，由于后者增加了发射的持续时间从而增加了发射功率，提高了信噪比。在接收端，有一个跟编码激励相对应的过程叫脉冲压缩，把接收到的信号再压缩回去。2.分辨率的考虑在脉冲多普勒系统中，脉冲的持续时间为τ，脉冲周期为T。τ越长，频谱宽度越短，则速度分辨率越好，当τ为无穷长时就变成CW了，连续多普勒能够测量任意速度的血流信号；但τ越大距离分辨力越差，脉冲多普勒系统的最大测量距离Smax和最大可能测量速度vmax之间的关系是：Smax×vmax≤θcosf8C02(1)其中c为超声在组织中的传播速度，f0为载波频率，θ为超声波束与血流方向之间的夹角。从(1)式可以看出，传统的脉冲多普勒系统的距离和速度两者的分辨力是一对矛盾。编码激励与脉冲压缩技术能够达到：像短脉冲一样的高目标距离分辨率，像长脉冲一样的高目标速度分辨率。二脉冲压缩的原理所谓的脉冲压缩处理也就是匹配滤波。图2中，B在发射端用四位的Barker码对发射信号进行编码，接收的时候，用匹配滤波器对接收到的信号进行匹配接收，这样从输出的结果可以看出信号的能量主要集中在很短的一码位内，从此可见，信号被“压缩”了，从四个码位的信号压缩成一个码位的信号。这样在超声测血流系统中，在发射的时候可以发射一个比较长的被编码的信号，然后在接收端进行脉冲压缩后再解调多普勒频偏，这个可以很大程度地提高发射平均功率，增加信噪比，且提高了最大可测量距离；同时又在接收端进行脉冲压缩，使信号的时域持续时间变短，从而保证有高的速度分辨率。在脉冲压缩技术中有一个非常重要的参数时间—带宽积TB，其中T是发射脉冲的时域长度，B是发射脉冲的频域宽度。一般情况下TB1，在雷达系统中TB≥100，但是在超声测量系统中，这个值要小得多，在50以下。由匹配滤波理论，有文献推导出脉冲压缩系统输出在理想情况下信噪比的改善为GSNR=inoutSNRSNR=TB。这样系统可以提高10~20dB的增益。三系统原理根据上述原理可以画出系统框图如图3。假设框图中的码是m序列，它是由n级线性反馈寄存器产生，其值应满足关系N－2n－1。N为序列的周期。其自相关函数为：R(t)=Σx(t)·x(t-τ)=⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧ΔΔ+⋅ΔtN1-tN1Nt-1τττ振荡器产生高频正弦波sinω0t，它编码序列被调制成发射信号fe(t)fe(t)=M(t)sinω0t当信号遇到第i个散射目标后返回到接收探头的时间设为(t-τi)，接收探头的回波信号就可写成：fr(t)=∑=N1iiMA(t-τi)sin[(ω0+ωi)(t-τi)]式中ωi为第i个目标的多普勒频移。用作相关器解调的m序列经延迟τk后为M(t-τi)，解调后，信号就可写成fd(t)=∑=N1iiMA(t-τi)M(t-τi)sin[(ω0+ωi)]由m序列自相关函数的性质可知：fd(t)=∑=N1iiMA(t-τi)M(t-τi)sin[(ω0+ωi)]=Aksin[(ω0+ωk)(t-τk)]-∑=n1iiAN1sin[(ω0+ωi)(t-τi)]如果序列的N值相当大，则上式第二项可略去，即fd(t)=Aksin[(ω0+ωk)(t-τk)]这样，调节延迟时间tk，就可选择不同深度的运动目标。然后再解调就可以得到多普勒频偏信号，从而测得血流速度信号。框图中的码可以有很多种选择，如m序列伪随机码，Barker码、Golay码、chirp信号和伪chirp信号。衡量各个码的性能因素有很多，其中一个很重要的参数就是旁瓣水平(RSLL)。采用匹配滤波来进行脉冲压缩会使得匹配后的输出产生旁瓣，图2中是四位的Barker码叫做脉冲压缩，从图中可以很直观地看出旁瓣效应。旁瓣效应的存在影响检测的准确性，它会使前后脉冲之间产生干扰，同时，它又使得能量被分散，不能够完全的集中在主瓣，所以RSLL要越小越好。于是人们引进了Golay码，Golay码的旁瓣为零。图4中显示Golay码的脉冲压缩原理。但Golay码要求有两个换能器同时发送同时接收信号，这样会带来很多其它的有待研究的问题。四血流成像(B-flow)编码激励的引入还引发了一种新型的超声测量方法血流成像。它能够动态地显示血流在血管中流动的图像。此项技术利用编码发射和脉冲压缩技术来增强血流中散射子的回波信号，同时降低血管壁及其它组织的回波信号。其原理简单的说就是利用编码发射信号的相关性来增加血流回波，抑制组织回波，从而达到平衡，使得血流图像和组织图像能够在同一幅图像里显示出来。已经有商业公司将这种测量原理产品化了。五技术难点及研究热点在人体组织中，超声信号会产生频率选择性衰减，频率高的信号的衰减要比频率低的信号的衰减要强得多，而且存在着非线性传播和旁瓣效应的问题，这些都会降低编码的作用，从而延迟了这种技术的应用。目前的技术难点和研究热点有：1.更好编码方式的研究找出更好更适合超声系统的编码方式和码。目前的结论是线性调频信号(LFM)是最好的，而且B-flow成像系统就是用的这种信号。但LFM信号的产生比较麻烦，而且要能做出与之匹配的换能器，要让换能器能够同时工作在LFM信号的所有带宽上，这对换能器的要求很高。而相位调制信号就没有这个问题，只要找到合适的码，实现起来还是相对方便的。但相位调制也有一系列的缺点。所以，选择一种较好的编码方式还需要进一步的研究。2.更好的解码方式超声信号的频率选择性衰减会使得回波信号产生频移，同时血液的流动也会使得回波信号产生多普勒频移，这些效应会对脉冲压缩产生一定的影响，使得不能达到理想的解码效果。解决方法有非匹配滤波，它的系数比匹配滤波的系数长，从而能够保证较高的信噪比。另外，超声换能器对脉冲压缩也会产生影响，从目前的研究来看，它的作用使得旁瓣效应的影响变得不是那么的重要。3.适合各种编码的超声换能器的研究在前几十年里这个问题是阻碍脉冲压缩技术在超声领域中应用的主要问题。随着相关研究的进展，这个问题已经有所突破。六总结随着B-flow成像系统的出现，脉冲压缩技术在超声测量领域的应用成为可能，但由于超声测量系统的本身的特点使得在雷达中适用的细节在超声系统中不再适用，还需要对编码激励与脉冲压缩技术的技术细节作进一步的研究。（全文完）来源：《世界医疗器械》出版日期：2006年10月