医学编码激励技术及应用1编码激励的原理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 1,2。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%1,3。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610、 Barker 码7,11、Golay 码6,11、 Chirp12 16和伪 Chirp 码3,17等各种 编码方法被用于超声编码激励的研究。由于实时超声成像的时间带宽乘积较小,适用于雷达系统的编码方法用于超声成像时会产 生严重的距离旁瓣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、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术。2编码激励的原理编码激励成像系统的工作原理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 系统的不同之处在于：发射电路采用编码发 射激励,必要时还需要对发射编码进行调制 接收电路中需要对回波信号进行脉冲压缩。 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所示。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。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。编码长脉冲激励时，探查空间中某 一固定点产生的回波信号也是一长串脉冲。所以接收到的回波信号需要与一个参考信 号做相关运算，才能够得到近似于传统脉冲 激励系统的脉冲响应。 这一处理过程称为脉 冲压缩。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,右侧的高 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。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：峰 值负声压：P-1MPa波束声强:Iob20mW/cm2 空间峰值时间平均值声强:Ispta100mW/cm2其中，空间峰值时间平 均声强Ispta,等于空间峰点上的一个脉冲 在单位面积上传输的能量的总和除以脉冲重复周期 Tp:Ispta= / t2t1idt/Tp 式中:i 为 空间峰值处声强的瞬时值。i=p2/2 p c=p2/2Zs 式中:Zs= p c 为声阻抗率。 由、式，得Ispta= / t2t1idt/Tp= / t2t1p2/2Zsdt/Tp= / t2t1p2dt2ZsTp如果用矩形窗来近似探头 的传递函数，即:H=1f-f0 A f2 其中:f= Y ?f0,则探头的单位冲击响应 为:p0=sin兀 ft兀tsin2兀f0t因此，当发 射声波的峰值负声压为P-时,p=P- f x p0p的傅立叶变换为：F=P- f xh由帕斯瓦尔公 式，得：/ t2t1p2dt= / +8 - ooF2df=P2- f 将式代入式，得:Ispta=P2-2 fZsTp传统的 超声脉冲回波成像系统中，如果发射频率为5MHz,带宽为7i =40%,帧频为30帧/s,脂肪中 Zs=x 106Pa?s/m,当发射脉冲的峰值负声压P-=1MPa时,Ispta=P2-2 fZsTp=/cm2100mW/cm2式 表明，发射脉冲的峰值负声压等于最大值时 空间峰值时间平均值声强远小于允许的最 大值。如果保持发射脉冲的峰值负声压不变 通过增加发射脉冲的长度使Ispta=100mW/cm2,则长脉冲携带的超声能量将是短脉冲的184倍。这表明，将上述系 统的激励由短脉冲改为编码长脉冲时，信噪 比提高的上限约为。综上所述，当探头的中 心频率为f0,带宽百分比为T,成像帧频为 fp,介质声阻抗率为Zs时，编码长脉冲激励 相对于传统的短脉冲激励，信噪比提高的上 限为:SNRinh 50dB,必须 TA 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。与白噪编码相比 序 列伪随机码的主要优点是便于生成和延迟。码Golay码又称Golay互补序列对，其 定义为一对由两种兀素构成的等长、有限序 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,B,其长度为N,元素为-1和1。序列A、 B的自相关函数分别为:cj= E i=N-1i=jaiai- jj=0,N-1 E i=N -1+ji=0aiai-jj=- N+1,，-1dj= 2 i=N-1i= jbibi- jj=0,N-1 E i=N-1+ji=0bibi-jj= -N+1,，-1 则有:cj+dj=2Nj=00j NO 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可以完全消 除旁瓣。是这一方法的示意图。Golay码脉 冲压缩的示意图 Fig5PulsecompressionofGolaycode 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果。另外,采用Golay 码会使图像的帧频降低一半。信号和伪Chirp码线性调频信号在雷达 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15,16。考虑到超声探头的带通特性, 超声编码发射中使用的Chirp信号为:S=cos2兀t+ a 2t2其中:f0 为探头的中 心频率；B为探头的带宽；a为线性调频的斜 率。为了简化Chirp信号编码系统中的发射 电路，可以采用伪Chirp信号 3:S=signcos2 兀 t+ a 2t2）其中:sign 为符号函数。4超声编码发射成像的应用模式成像在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22,23。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 的中心频率进行，从而提高图像的轴向分辨 率。血流测量Doppler血流测量中,Doppler频偏为:fD=3vcos 9 cf0其中:f0为发射声波的中 心频率；c为声速,v为血流速度；。为声束和 流速v之间的夹角。所示的白噪编码系统中， 当T足够小时，有:y= / tt - Txxdt r RTx其 中，a =1-2VCOS 0 Co 由式得:RTx=exp-兀 Ek r- r e-2vcos 0 ct x co s2兀f0上式表明,RTx是一个被exp-兀 B r- r e-2vcos 0 ct调制的余弦 信号,其频率为Doppler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：u maxRmaxc28f0 式中：vmax、 Rmax分别为可测量的最高流速和最大探测 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。成像B-flow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。B-flow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60dB的情况下，与传统的CFM 像相比,B-flow 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。是B-flow成像的原理框图。与普 通的编码激励系统不同的是，B-flow成像需 要对回波信号进行组织均衡处理，以便同时 显示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