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1、国内图书分类号： TP274+.5 国际图书分类号： 621.38 学校代码： 10213 密级：公开 工 学 硕 士 学 位 论 文 超声成像系统中编码激励和脉冲压缩 技术的研究和应用 硕 士 研 究 生 ： 毕 然 导 师 ： 姚 勇教授 申 请 学 位 ： 工 学 硕 士 学 科 ：物理电子学 所 在 单 位 ： 哈 尔 滨 工 业 大 学 深 圳 研 究 生 院 答 辩 日 期 ： 2010年 12月 授 予 学 位 单 位 ： 哈 尔 滨 工 业 大 学 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All
2、 rights reserved, http:/ Classified Index: TP274+.5 U.D.C: 621.38 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH AND APPLICATION ON CODED EXCITATION AND PULSE COMPRESSION USED IN ULTRASONIC IMAGING SYSTEM Candidate: Supervisor: Academic Degree Applied for: Speciality: Affiliation: Date o
3、f Defence: Degree-Confer ring-Institution: Bi Ran Prof. Yao Yong Master of Engineering Physical Electronics Harbin Institute of Technology Shenzhen Graduate School December, 2010 Harbin Institute of Technology 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/
4、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 医学超声成像是现代医学影像技术中的重要组成部 分，它以其安全、成像 速度快、便携等特点得到越来越高的重视。近年来，电子工艺的迅猛发展带动 了医学超声成像技术的发展和普及，也使得人们对超声成像系统成像质量要求 也越来越高。于是传统超声成像系统的缺点也逐渐暴露出来，其中就包括纵向 分辨率和探测深度这两项超声成像系统重要指标之间存在不可调和矛盾的问 题。编码激励和脉冲压缩技术可以在保持纵向分辨率不变的情况下，増大发射 的平均功率，从而加大超声波在组织中的探测深度。目前国内对编码激励和脉 冲压缩技术的研究很多都局限于理论仿真，很少有对硬件实现的文献。本论文 就
5、是在这个理论的基础上提出的，并搭建了可以实现编码激励和脉冲压缩技术 的超声发射接收实验平台。 本论文主要完成了的工作包括：对医学超声成像系统以及编码激励和脉冲 压缩技术的调研；对编码激励技术的两类调制信号：调频信号和调相信号进行 了详细的推导、分析，并比较了几种编码信号的优缺点，从中选出了本论文设 计所使用的编码发射信号；对脉冲压缩技术进行了详细的分析；详细介绍了本 设计所应用的硬件实验系统平台各个部分的功能和原理；通过硬件平台采集了 发射信号和回波信号数据，并通过仿真和分析比较，证明了编码激励和脉冲压 缩 技术相对于传统超声成像技术的优点，实现了本论文的目的；最后对本论文 进行了总结，并提出
6、了本论文的不足和改进方法。 本论文的主要成果为：对超声成像领域中的编码激励和脉冲压缩技术进行 了详细的理论分析和仿真。并在此基础上搭建了实现该项技术的硬件实验平台， 通过数据采集和仿真分析，初步实现了该项技术在超声领域中的应用，为超声 成像系统应用该项技术的商品化打下了基础。 关键词：超声成像；编码激励；脉冲压缩； Barker码；匹配滤波 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract As an importa
7、nt modern medical imaging technology, medical ultrasonic imaging gets more and more attention for its safe, fast imaging, portable and so on. With a fast development of electronic technology, there is a great innovation in the medical ultrasonic imaging system, which makes it more popularity. Accomp
8、anied with its extensive exposure to various users, the weaknesses of the traditional medical ultrasonic imaging system appear. A weakness is the contradiction between two important parameters of the imaging quality: vertical resolution and penetration depth. Coded excitation and pulse compression c
9、an increase the penetration depth, but at the same time keep the resolution. Currently coded excitation and pulse compression are limited to the theoretical simulation, and there are few literatures on hardware design. The application of coded excitation technology in medical ultrasonic imaging syst
10、em shall improve the image quality, increase the diagnostic depth, and advance the sensitivity of signal. This paper bases on such theories to build a coded excitation and pulse compression ultrasonic transmitting and receiving platform. In this dissertation, I accomplish the following work: do inve
11、stigations on the medical ultrasonic imaging system, coded excitation and pulse compression technology; deduce and analysis two types of coded excitation of frequency modulation signal and phase modulation signal; compare the advantages and disadvantages of several coded excitation signal, and choos
12、e the coded excitation signal which use in this paper; detailed analysis of the pulse compression techniques; introduce detailed the principles and functions of each part of the hardware experimental system platform of this design; collected the transmitted signal and echo signal data by the hardwar
13、e platform, and prove the advantage of coded excitation and pulse compression technology compared to tradition ultrasonic imaging technique by simulation and analysis; finally, give a summary of this paper, and put forward the lack of this design and possible improving methods. The main results of t
14、his dissertation are: give a detailed analysis and simulation of coded excitation and pulse compression technology. And then build the hardware platform. By the data acquisition and simulation, achieve this technology used in II 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All right
15、s reserved, http:/ _ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 _ ultrasound imaging system preliminary. And lay a solid foundation for the commercialization of coded excitation and pulse compression technology used in the ultrasound imaging system. Keywords: ultrasound imaging; coded excitation; pulse compression; Barker cod
16、e; match filter m 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 目 录 . I Abstract . II 胃 一 *雜 . 1 u医学超声成像系统 . 1 l.i.i医学超声发展历史 . 1 L1.2医学超声成像系统基本原理 . 2 U.3超声成像技术的发展趋势 . 3 1.2超声成像系统中的编码激励和脉冲压缩技术 . 4 1.2.1传统超声成像系统发射技术的缺陷 . 5 1.2.2编码激励和脉冲压缩技术 .
17、6 1.2.3编码激励和脉冲压缩技术的发展和市场前景 . 7 1.3论文 的主要工作 . 8 第二章编码激励和脉冲压缩技术 . 9 2.1编码激励和脉冲压缩技术的优势 . 9 2.2编码激励信号 . 13 2.2.1调频信号 . 13 2.2.2调相信号 . 15 2.2.3发射编码的选择 . 18 2.2.4基础序列调制技术 . 19 2.3脉冲压缩技术 . 21 2.3.1脉冲压缩技术中的匹配滤波 . 22 2.3.2脉冲压缩技术中的非匹配滤波 . 22 2.4本章小结 . 24 第三章硬件平台 . 25 3.1 硬件平台功能简介 . 25 3.2发射电路部分 . 26 3.2.1发射电路
18、 . 26 3.2.2发射波束合成 . 27 3.3接收电路部分 . 28 3.3.1高压隔离电路 . 28 IV 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ _ 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 _ 3.3.2模拟放大及 AD转换电路 . 29 3.4 FPGA 部分 . 30 3.4.1 FPGA 简介 . 30 3.4.2信号处理 . 31 3.5 USB传输模块 . 38 3.6本章小结 . 39 第四章实验数据及仿真结果 . 40 4.1系统主板各芯片
19、配置 . 40 4丄 1时钟分配器芯片配置 . 40 4丄 2模拟前端芯片配置 . 41 4丄 3发射芯片配置 . 41 4.2实验数据采集和仿真 . 42 4.2.1发射数据采集 . 43 4.2.2接收波形仿真 . 50 4.3本章小结 . 55 总结与展望 . 56 . 58 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 61 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 . 61 猶 . 62 V 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕士
20、学位论文 第一章绪论 医学超声成像的研究和应用始于上世纪 70年代，随着临床诊断的需求的加 大和科学技术的不断进步，在近三十年间发展十分迅速。医学超声成像和 X射 线计算机断层成像（ X射线 CT)、 磁共振成像、核医学成像等并称为现代四大 医学影像技术。与其它成像技术相比，医学超声成像具有明显的特点 1， 2: 1) 相对安全，无创伤、无痛苦、无需电离福射； 2) 成像速度快，可实时观察运动的脏器，还可以追逐病变并显示其立体变 化，而不受其成像分层的限制； 3) 不需要其他的特殊的设备，便携式超声仪器可方便携带以便患者或野外 环境条件使用； 4) 对实质性器官 （肝 、胰、脾、肾等 ） 以外
21、的脏器可结合多普勒技术来监 测及显示血流流量、方向、状态等。 随着微电子技术、信息处理技术、生物工程学、计算机技术等学科的迅猛 发展，超声成像已经发展成为一门成熟的医学影像学科，具有广阔的发展前景 1。 1.1医学超声成像系统 1.1.1医学超声发展历史 超声成像技术的发展是和雷达的发展紧密联系的 3。 19世纪末至 20世纪初， 正压电效应和逆压电效应相继被发现，由此揭开了超声技术发展的新篇章。 1912 年，英国的 Titanic号客轮在北美海岸附近航行时与冰山相撞而沉没，使数千名 乘客随之丧生，酿成了震撼世界的大惨案。 19141918年第一次世界大战期间， 法国舰队屡遭德国潜艇攻击而损
22、失惨重。这一件件历史事件驱使一些科学家开 始致力于水下探测与定位技术的研究。 1917年，法国科学家保罗 .朗之万首次使 用了主要由石英晶体制成的超声换能器，并发明了声纳 （ sound navigation and ranging， 简称 SONAR)， 即声探测与定位技术，被成功地用于探测水下潜艇。 20世纪 30年代，超声用于医学治疗和工业金属探伤，从而使超声治疗在医学超 声中最先获得发展。1942年， Dussik和 Firestone首先把工业超声探伤原理用于 医学诊断。用连续超声波诊断烦 脑疾病。 1946年 Firestone等研究应用反射波方 法进行医学超声诊断，提出了 A型超
23、声诊断技术原理。 1949年召开的第一次国 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 际超声医学会议促进了医学超声的发展。 1958年， Hertz等首先用脉冲回声法诊 断心脏疾病，开始出现 “ M型超声心动图 ” ，同时开始了 B型两维成像原理的探 索。1955年 Jaffe发现锆钛酸铅压电材料 （ PZT)，这种人造压电材料性能良好， 易于制造，极大促进了工业和医学超声技术的进一步发展。 50年代末期，连续 波和脉冲波多普
24、勒 （ Doppler)技术以及超声显微镜问世。 50年代，用脉冲反射 法检杳疾病获得了很大成功，同时也为多普勒技术及 B型二维成像奠定了基础。 1967年，实时B型超声成像仪问世，这是 B型成像技 术的重大进步，超声全息、 阵列式换能器、电子聚焦等被广泛研究。这一期间，多普勒技术被进一步研究， 用频谱分析法研究血流的方式问世。 60年代末，美口均研制成功压电高分子聚 合物 PVF2 (聚偏氟乙烯）换能器。 70年代，以 B超显示为代表的超声诊断技 术发展极为迅速，特别是数字扫描变换器与处理器 （ DSC与 DSP)的出现，把 B超显示技术推向了以计算机数字影像处理为主导的功能强、自动化程度高
25、、 影像质量好的新水平。 1980年，美国由于投入使用的超声成像仪数量开始超过 X线机，结束了 X线统治影像诊断的近百年历史，而宣称进入了 “ 超声医学年 ” 。 双功超声诊断仪及彩色血流成像仪相继被推出，多功能超声成像仪器与多种专 用显像仪器竞相发展，超声探头结构及声束时空处理技术发展迅速，机器更新 换代日趋频繁。 1.1.2医学超声成像系统基本原理 医学超声成像系统的基本原理如图 1.1所示，主要是利用了超声波的基本物 理特性。一个超声成像系统主要由超声探头、发射电路、接收电路、前端信号 处理模块、上位机和后端处理显示模块组成。 图 1.1超声成像系统原理框图 2 1994-2011 Ch
26、ina Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 超声探头通过压电换能器的声电转换特性将高频电信号转换成超声波信 号，超声波在人体中传播，被组织界面散射或反射后又通过超声探头换能器转 换成电信号，然后对回波信号进行特定的信号处理，便得到了对应扫查方式的 超声图像进行显示 4。 1.1.3超声成像技术的发展趋势 目前，超声成像技术的发展十分迅速，其目标是：获取更多的生理、病理 信息；进一步提高图像质量；能显示更细微的组织结构；进一步増强可视性。 整个超声成像系
27、统正朝着彩色多普勒血流成像、三维图像重构、功能成像及全 数字化等方向发展 2。 U.3.1三维成像技术 1961年 Baun和 Greewood提出了三维成像的概念 2。与二维成像相比，三 维超声成像具有以下明显的优势 56: (1)直接显示脏器的三维解剖结构； （ 2)可对 三维成像的结果进行重新断层分层，从而能从传统成像方式无法实现的角度（例 如在与皮肤平行的平面上）进行观察； （ 3)可对生理参数进行精确测量，对病变 位置精确定位。因此，近年来三维超声成像一直是医学成像领域备受关注的方 面。目前，三维超声成像技术主要应用在心脏、胎儿形体检杳及血管内三维重 建，这些都是超声界研究的热点，关
28、于三维超声成像的具体方法和特点可以参 考文献 m。 1.1.3.2功能成像技术 功能成像是指通过测量相关功能参数，探杳、定性诊断某种疾病，并评估 病程的发展情况。这些功能参数可以为组织密度、传播速度、图像的衰减、流 速、运动、方向性、弹性参数等等 6。超声成像在临床上主要用于实时断面成像， 能直接测量的功能参数就是血流和器官的运动，所以在功能成像方面多见于血 流和器官的运动成像。目前，一种具有临床应用潜力的功能成像方式即弹性参 量超声成像发展起来。利用癌变组织质地坚硬，且与人体正常组织或良性囊肿 相比移动性较差的特点检测组织病变，使弹性参量成像成为医学诊断的依据 6。 1.1.3.3谐波成像技
29、术 谐波成像的引入于 1997年 8，是利用回波信号的谐波成分进行图像重建。 谐波波束和基频波束相比主瓣更窄、旁瓣更低，可以在基频范围内消除引起噪 声的低频成分，从而使组织器官的边缘更清晰。谐波成像分为： （ 1)组织谐波成 像，即利用人体组织本身的声学非线性特性产生的谐波造 影进行成像； （ 2)利用 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 造影剂的非线性振动产生的谐波进行成像 w， 9。 谐波成像技术便于无回声组织 （
30、如心脏、胆囊 ） 的成像，目前已商品化的 谐波成像是二次谐波成像，比如 Philips公司生产的 HDI-5000就支持这项技术 2。 近年来，为了进一步提高超声图像的质量，发展出了脉冲反向谐波成像、功率 造影谐波成像、高次谐波成像、激励增强成像等技术 6。 1.1.3.4全数字化技术 全数字化技术在使超声图像质量提高的同时，还能改善系统的可靠性和稳 定性。其核心是用计算机控制的数字波束合成器、高速 AD转换器及高速数字 信号处理技术。它包含三个重要方面 2，如图 1.1所示： 1) 宽频带探头：不仅能缓解超声成像分辨率和超声波束穿透力的矛盾，而 且信息量 丰富，有可能获取完整的组织结构反射的
31、宽频信号。 2) 前端 AD转换技术：前端数字化后，数字波束合成就可采用比模拟延时 线精度高的数字延时方法，并可在发射和接收的过程中对波束作变迹和综合孔 径处理，这样就能使系统分辨率得以改善，动态范围得以增加，随机噪声得到 降低。 3) 数字化波束合成技术：能实现像素聚焦，获得完全没有失真的超声图像。 真正的数字化超声诊断设备应从波束合成到信号转化的全过程均采用数字 化处理，其图像分辨率要比通道数相同的模拟式超声诊断设备高出 2倍以上。 在数字化超声诊断设备研制方面，美国的 ATL公司走在了世界的前列，他们于 1987年研制出了世界上第一台前端全数字化超声诊断仪，第二年又成功生产出 了全数字化
32、超声诊断设备 Ultra Mark 92。而将超声的数字化进一步前推到 波束合成的则是美国 GE公司，他们在 2000年将数字编码技术应用于超声脉冲 的编码和解码 2，这一处理放大了有用的微弱信号，抑制了不需要的回波信号， 改善了图像的质量。总之，全数字化技术保证了超声诊断设备图像更清晰、更 准确、分辨率更高，大大提高了超声诊断的准确率，直接决定着超声诊断设备 的整体质量。 1.2超声成像系统中的编码激励和脉冲压缩技术 我们在上面讨论到，医学超声成像系统的一个重要发展趋势是全数字化方 向，数字化程度的高低已成为超声成像设备先进程度的重要评判依据。图 1.1 所示是一个典型的数字化超声成像系统的
33、框图。数字编码激励技术进一步将超 声数字化前推到超声脉冲的发射。然而由于数字化的发展，对于前端的要求也 越来越高，传统的超声成像系统也出现了一些局限性，比如图像分辨率和信号 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 穿透力的矛盾问题。利用编码激励和脉冲压缩平衡了图像分辨率和穿透力这一 对矛盾，进一步提高了超声图像的信噪比，改善了超声图像的成像质量 1()。 1.2.1传统超声成像系统发射技术的缺陷 超声在生物组织中传播时，其能
34、量随传播距离迅速衰减，而且衰减与发射 超声的频率有关，几乎与频率成正比，如超声在人体软组织中传播时，平均衰减 系数约为 0.81 dB/cmxMHz;另一方面，图像的纵向分辨率也与超声频率有关， 频率越高，图像的纵向分辨率越好；频率越低，图像的纵向分辨率越差。因此， 要获得好的纵向分辨率，必须采用高频超声，导致短的探测深度；而要获得长 的探测深度，必须采用低频超声，导致差的纵向分辨率。 图 1.2不同频率下超声图像分辨率和探测深度 的对比 图 1.2给出的是 GE公司 LOGIQ7彩超打出的超声图像，如图所示不同频率 下超声图像分辨率和探测深度的对比，左图为发射频率 10MHz下的超声图像，
35、右图为发射频率 5MHz下的超声图像。从两图的对比明显可以看出：左图由于 发射频率高，所以图像的分辨率要好于右图；而右图由于发射频率较低，在远 场较深地方的成像要好于左图。可以看出，纵向分辨率和探测深度是超声成像 系统中两个主要技术指标，而这两个指标在超声发射能量一定的情况下是一对 矛盾。因此，要同时获得好的探测深度和纵向分辨率，必须提高发射能量。 然而，过高的超声能量会在人体中引起热效应和空化效应 11。超声发射能 量受两个安全指标 的限制：峰值声功率和平均声功率。在我们现有的超声成像 系统中，是使用单极性或是双极性的单脉冲发射激励换能器，尽管峰值声功率 已经接近安全标准所要求的上限，但是平
36、均声功率还不到安全标准的 1%1113， 这样就导致低的超声发射能量和回波信噪比（在后面章节会有详细讨论），使好 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的纵向分辨率和长的探测深度不可兼得。脉冲幅度决定了峰值声功率，而脉冲 幅度和宽度共同决定了平均声功率。要提高平均声功率从而提高超声发射能量 和回波信噪比，只能増加发射脉冲的宽度。但是，增加发射脉冲宽度就要降低 发射频率，这样又会降低图像的纵向分辨率。 1.2.2编码激励和脉
37、冲压缩技术 通过以上的论述，提出了解决纵向分辨率和探测深度不可调和的方法：编 码激励和脉冲压缩技术。编码激励和脉冲压缩技术最早是应用于雷达和通讯领 域 14，由 Newhouse在 1974年首次引入到医学超声成像中 15。 数字编码激励超声成像采用一串编码脉冲序列激励换能器，脉冲幅度和单 码宽度与传统超声 系统中脉冲幅度和宽度相同，而脉冲持续时间远大于传统系 统中的脉冲宽度，因而在满足峰值声功率要求的条件下，提高了平均声功率和 超声发射能量。在接收端，使用脉冲压缩技术将一串编码回波脉冲压缩成宽度 等于单码脉宽而幅度远大于单码脉冲幅度的单脉冲，从而提高了超声回波的信 噪比，扩展了探测深度和纵向
38、分辨率约束的界限，提高了图像质量。而且，编 码激励技术还应用到了组织谐波成像领域中，来増强谐波的强度。 图 1.3传统超声图像和应用编码激励和脉冲压缩技术图像 的对比 图 1.3是 GE公司 L0GIQ7彩超打出的两幅超声图像。如图 所示，左图为传 统超声成像系统的图像，右图是应用了编码激励和脉冲压缩技术的超声图像， 可以看出应用了编码激励和脉冲压缩技术之后的超声图像在综合比较纵向分辨 率和探测深度要明显优于传统的超声图像。可见，编码激励和脉冲压缩技术应 该是超声产品未来发展的趋势。 目前对于编码激励和脉冲压缩技术的研究已经比较成熟。研究人员先后提 1994-2011 China Academ
39、ic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, http:/ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 出了多种编码激励信号和脉冲压缩的方法。编码激励信号有线性调频信号 162()、 非线性调频信号 1321、 Barker 码 22 23、 Golay 互补序列 23 24、 m 序列 22 24 27、 二进制最优码 28等等；脉冲压缩的方法也有匹配滤波和非匹配滤波等多种方法。 但是由于组织运动、非线性效应、动态聚焦、频率衰减 29、旁瓣以及帧频等因 素对编码激励和脉冲压缩有不同程度的影响，所以要得到最佳的编码发射和脉 冲压缩
40、的效果是目前限制此类技术发展的重点。不过通过多年的研究，编码激 励和 脉冲压缩技术已经逐渐的商品化，并且一些技术瓶颈的解决已经通过论文 的发表，专利的公开等形式得到了很有效的解决。 1.2.3编码激励和脉冲压缩技术的发展和市场前景 医学超声成像中的数字编码激励技术主要研究方向包括： B型超声成像、 多普勒血流测量、二维灰阶血流成像 （ B-flow)、 谐波成像以及三维成像等方面 3Q33，其中最主要、最基础的应用是 B型超声成像和多普勒血流测量。由于经 过编码的长脉冲具有较高的平均声功率，因此可以降低发射的峰值声功率而仍 然保持较高的信噪比 （ SNR)， 在使用造影剂的谐波成像应用中，降低峰值声功 率可以避免破坏造影剂微泡，因此编码激励在谐波成像领域具有较好的应用前 景。在彩色超声血流图以及实时三维超声成像方面，为了提高系统的帧频，人 们提出了稀疏发射孔径成像的方法，通过 次发射可以同时获得多条扫描线的 回波信号数据，这样通过减少每帧图像的发射次数可以大大提高帧频，但是由 此带来的缺点是图像信噪比的降低。采用编码激励技术可以在一定程度上补偿