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1、生物医学工程学杂志 J Biomed Eng 2005; 22(1) : 175- 180医学超声成像中的编码激励技术及其应用 彭 旗 宇 综 述 高 上 凯 审 校 (清华大学生物医学工程系，北京 100084) 摘要与传统的脉冲回波成像技术相比，编码激励技术能够提高超声图像的信噪比或相应提高声束的穿透深 度。本文首先介绍了编码 激励成像系统的原理，并对医学超声诊断系统中的发射声强进行了分析，得出了采用编码 激励技术提高超声图像信噪比的上暇然后阐述了发射编码的选取原则，详细介绍了白噪编码、伪随机码 、Golay 码、 Chirp 和伪 Chirp 码等编码技米最后，介绍了编码激励技术在 B
2、模式成像、 Doppler 血流测量、 B- flow成像和 谐波成像中的应用。 关 键 词 编 码 激 励 信 噪 比 超 声 成 像 Coded Excitation and Its Applications in Medical Ultrasound Imaging Peng Qiyu Gao Shangkai Department of Biomedical Engineering， Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract Compared with medical ultrasonic pulse-echo imagi
3、ng system, coded excitation system has the potential of higher SNR and deeper penetration depth. In this paper, the basic principle of coded excitation is introduced. Through acoustic intensity analysis, the maximum improvement of SNR of ultrasonic image with coded excitation is deduced. Then, guide
4、 lines to choose codes in ultrasonic imaging are introduced. Some codes, such as white noise, pseudorandom code, Golay code, Chirp and pseudo-chirp are described in details. At last, the applications of ultrasonic coded excitation in Bnode imaging, Doppler flow measurement, Blow imaging and harmonic
5、s imaging are described. Key words Coded excitation SNR Ultrasonic imagingi 引言 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，需要对医学超声成像系统的峰值声功 率和平均声功率进行限定 12! 在脉冲和连续多普勒血流测量系统中，峰值声 功率和平均声功率都比较接近最大允许值。而在脉 冲 回波成像系统中，超声发射的占空比非常小，在发 射超声的峰值声功率接近最大允许值的情况下，实 际的平均声功率往往不到最大允许值的 1% 13! 雷达系统中的编码激励技术 4能够在不增加峰 值发射功率的前提下，显著提高平均发射功率，从
6、而 提高系统的信噪比。受此启发， Newhouse 在 1974 年提出了白噪编码的超声成像和多普勒测量系 统 5!在此后的近 30年里，包括 M 序列伪随机 码卜， Barker 码 Golay 码Chirp心 16和 伪 &丨 码 317等各种编码方法被用于超声编码激 励的研宂 由于 实时超声成像的时间带宽 （ TB)乘积较小， 适用于雷达系统的编码方法用于超声成像时会产生 严重的距尚芳瓣 （ range sidelobe)3!同时，超声编码 系统的电路复杂性也远大于传统的脉冲回波成像系 统因此 ,如何将编码激励方法成功应用到医学超声 仪器中，还是一个值得研究的问题 本文将从编码激励的原理
7、、常用编码方法以及 编码激励的应用三个方面来介绍医学超声编码激励 技米 2 编码激励的原理 2. 1 编码激励成像系统的工作原理 图 1是编码激励成像系统的简单框图 17!编码 激 励成像系统与传统的脉冲回波成像系统的不同之176 生物医学工程学杂志 第 22 卷 (4) 其 中 ： 为 带 宽 百 分 比 ； fi 为探头的中心频 率 ） ,则探头的单位冲击响应为： 处在于： （ 1)发射电路米用编码发射激励，必要时还 需要对发射编码进行调制； （ 2)接收电路中需要对 图 1 编码激励成像系统的框图 Fig 1 Block diagram of coded excitation syste
8、m 采用长脉冲激励发射阵元有可能提高超声成像 系统的信噪比但是，如果仅仅是简单地加大发射脉 冲的长度，则会明显降低成像系 统的轴向分辨率，造 成图像的模糊18!编码激励技术能较好地解决这一 问题 编码激励系统的基本工作原理如图 2 所示。图 2(a)所示的传统脉冲发射系统用单脉冲进行激励 , 轴向分辨率取决于传感器的脉冲响应图 2(b)所示 的编码激励系统 ,用一长串编码脉冲进行激励，激励 脉冲的持续时间远长于传感器的脉冲响应时间。 编码激励系统的主要优点是，在峰值负声压一 致的前提下，压缩脉冲的信噪比远高于传统回波脉 冲的信噪比信噪比增加值约等于编码长脉冲的 TB积 7，图 2(b)右侧的高
9、脉冲示意了这一结果 编码激励系统的主要缺点是，除采用 Golay 码 的系统外，相关运算的结果不可能象图 2示意的那 么理想，总会在主瓣的周围残余一些杂波 6,又称为 距离旁瓣 3!此外，发射长脉冲还会造成发射聚焦困 难、图像死区增加、空间声场的旁瓣能量增加等问 题 2. 2编码激 励成像系统的信噪比分析 根据国家技术监督局执行的“医用诊断超声设 备声输出公布要求”的 IEC 标准 1,对换能器部件 和 B 超主机配套组合的所有工作模式声输出应满 足如下三个条件： (1) 峰值负声压： P- 14! 3. 2常用的发射编码 3. 2. 1白噪编码和 M 序列伪随机编码最早出现 的编码发射系统是
10、白噪相关系统 6!图 4 是这种系 统的框 S白噪发生器产生激励信号 n(t 丨考虑到(ID 图 3 脉冲压缩的示意图 (a)无编码长脉冲； （ b) Barker 编码 Fig 3 Illustration of pulse compression (a) Uncoded pulse sequence; (b) Barker coded pulse sequence 下面两个指标可以定量地衡量压缩脉冲的效 178 生物医学工程学杂志 第 22 卷 (20) 换能器的带通特性，从固定深度返回的回波将不再 是白噪，设得到回波信号 X ( t _ T S ) , T S 为目标深度产 生的延迟激励
11、信号 n ( t )经水 延迟线延迟 如果 水延迟线的通带特性与换能器一致 ,延迟得到的信 号为 X ( t -T j X ( t -T e )和 X ( t -T_湘关运算得到输 出： (13) 上式表明， y其实就是 x ( t )的自相关函数 列。且在任何给定间隔下，一个序列中的相同元素对 的个数等于另一个序列中的相异元素对的个 数20,21! 设 Golay 互补序列对 A(a ,ai,.,aN-i),B(b , bi,， bN-i),其长度为 N,元素为 -1 和 1 序列 A B的自相关函数分别为 ： 因此，利用 Golay互补序列对进行两次发射和 脉冲压缩，并将两次压缩的结果求和
12、可以完全消除 旁輒 I。图 5是这一方法的示意图。(14) 其中： B 为换能器的带宽； fi 为中心频家则 ， x(t)的 自相关函数 (15) Rx(T)包络的主瓣宽度为 ，即轴向分 辨率 A R= .22 这与脉冲系统的轴向分辨率 非常接近 RX(T)的信杂比为： SCR= 10 log(5r) (16) 其中： T为激励白噪的长度。若探头频率为 f= 5MHz,探头带宽为 4脱。若要求 SC 办 50dB,必须 货 50ms 在 B模式成像中，这显然是不可能的。 M 序列伪随机码的编码发射系统和白噪相关 系统相似 6!考虑到换能器的带宽，一般需要对 M 序列伪随机码进行调制 19! 与
13、白噪编码相比， M 序列伪随机码的主要优 点 是便于生成和延迟 3. 2. 2 Go lay码 Golay 码又称 Golay互补序列 对，其定义为一对由两种元素构成的等长、有限序 回波 参考信号 压缩脉冲 求和 图 5 Golay 码脉冲压缩的示意图 Fig 5 Pulse compression of Golay code 理论上 ， Golay 互补序列对的编码发射可以在 保持主瓣宽度不变的情况下，完全消除旁瓣。但实际 应用中，由于两次发射间组织的运动 ,往往达不到理 论的效巢另外，采用 Golay 码会使图像的帧频降低 一半。 3. 2. 3 Chirp 信 号 和 伪 Chirp 码
14、 线 性 调 频 (Chirp)信号在雷达系统中的应用很广泛。由于 Chirp 信号具有很 好的自相关特性，很适合应用于 超声编码发射 1516!考虑到超声探头的带通特性 , 超声编码发图 4 白噪编码系统框图 Fig 4 Basic ultrasound random signal correlation system 设 x(t)的功率谱密麼为： 第 1 期 彭旗宇等。医学超声成像中的编码激励技术及其应用 179 射中使用的 Chirp 信号为：180 生物医学工程学杂志 第 22 卷 其中， a= 1 - 2vco 冶 由 （ 15)式得 : 上式表明， Rj( t)是一个被 exp _
15、7t Bl T r - T e - 式中： Vmas fUx 分别为可测量的最高流速和最大探 其中： fi 为探头的中心频率； B 为探头的带宽 ;为线 性调频的斜家为了简化 Chirp 信号编码系统中的 发射电路，可以米用伪 Chirp 信号 3: St)= signcos2cf - )t+ t2 (21) 其中： sign 为符号函数 4 超声编码发射成像的应用 4. 1 B 模式成像 在 B 模式成像中，编码激励时，每次发射的超 声能量比常规的脉冲激励高，因此可以提高图像的 信噪比和扫查深度 2223!此外，由于信噪比和穿透 能力的提升，在扫查深度相同的条件下编码发射可 以采用更高的中心
16、频率进行，从而提高图像的轴向 分辨氧 4. 2 Doppler 血流测量 Doppler 血流测量中， Doppler 频偏为： f D = f (22) 其中： fi 为发射声波的中心频率； C为声速 ， v为血流 速度 ;0 为声束和流速 v 之间的夹角。图 4 所示的白 噪编码系统中，当 T 足够小时，有： C / (23) (24) 2vms9 tl i 周制的余弦信号，其频率为 Dewier 频偏 6 8! 传统脉冲 Doppler的测量受到著名的速度距离 乘积的限制，即 : (25) 测深度编码发射的 Doppler 血流测量系统可以不 受速度距离乘积的限制。 4. 3 Bflow
17、 成像 Mow 是一种能够提高超声成像分辨率、帧频 和动态范围的新技术 11!它能够同时显示血流和组 织图像 Bow 使用编码发射和接收技术来增强血 流散射子的回波信号，通过组织均 衡技术来同时显 示血流和组 织 ， 而 不 需 要 象 传 统 彩 色 血 流 成 像(CFM)那样采用阈值判断和叠加的方法临床应用 表明在动态范围为 60 dB 的情况下，与传统的 CFM 图像相比， Blow 图像的分辨率和帧频提高了 3 倍。能够清晰地显示血管壁和血液的动力学特性图 6 是B-flow 成像的原理框图。与普通的编码激励系 统不同的是， Bow 成像需要对回波信号进行组织 均衡处理，以便同时显示
18、组织信号和血液信号。 组织均衡处理实际上就是前后两帧图像相减 即，B- flow 图像的像素点的亮度为： B= E in- ui 2= 2(R(0)- R() (26) 上式中 ， us m 为两次发射得到的回波； R(0)为每次 发射的自相关； R(l)为两次发射的互相关与组织 回波相比，血流前后两次回波的相关性弱，所以显示 亮度大 图 6 B- flow 成像的原理框图 Fig 6 Block diagram of B-flow imaging system Blow 成像克服了传统的 CFM 的不足 ：（ 1)发 射脉冲越长，轴向分辨率越彳而短脉冲携带的能量 少，穿透能力弱； （ 2)动
19、态范围不足和噪声的影响使 得红血球反射的弱回波不可见 B- flow 成像在临床上的主要优点： （ 1)血流图 像直观； （ 2)能清楚地显示动脉粥样斑和血管的不规 则性；（ 3)高帧频，细节结构清晰（如 瓣膜的开合 , CFM 中经常被叠加的血流盖住 4. 4 谐波成像 谐波成像中，采用常规的脉冲发射有两个缺点： (1)基波和二次谐波间的频谱泄漏 :这是由于发 射脉冲的传播过程中的非线性畸变引起的。 （ 2)造影 剂微泡的破裂 基于以上两个原因，要求发射声波的最大负声 压小于 5CH 100 KPa 常规的脉冲发射的峰值负声 压为：0. t 1 MPa 降低常规脉冲发射的峰值负声 第 1 期
20、 彭旗宇等。医学超声成像中的编码激励技术及其应用 181 压，会严重降低系统的信噪比 通过加大发射脉冲长度，编码发射可以弥补峰 值负声压降低带来的信噪比损失 24! 5 总结 编码激励技术在雷达系统中早已 经得到了广泛 应用。由于超声成像的时间带宽 （ TB)乘积较小，实 时要求高，编码激励系统比传统脉冲激励系统复杂 等方面的原因，编码激励在医学超声成像系统中还 没有得到广泛应用。 近年来，随着技术的发展 ,采用编码激励的商品 化医用超声成像系统开始出现选择和设计更好的 编码方式和压缩方法，以进一步提高超声图像的质 量，仍然是超声成像系统的研究和开发中的一个热 点。 参考文献 1 AIUM-N
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