醫學編碼激勵技術及應用范文
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1編碼激勵的原理
為了防止超聲的空化效應和熱效應對人體可能造成的損害,需要對醫學超聲成像系統的峰值聲功率和平均聲功率進行限定[1,2]。在脈沖和連續多普勒血流測量系統中,峰值聲功率和平均聲功率都比較接近最大允許值。而在脈沖回波成像系統中,超聲發射的占空比非常小,在發射超聲的峰值聲功率接近最大允許值的情況下,實際的平均聲功率往往不到最大允許值的1%[1,3]。雷達系統中的編碼激勵技術[4]能夠在不增加峰值發射功率的前提下,顯著提高平均發射功率,從而提高系統的信噪比。受此啟發,Newhouse在1974年提出了白噪編碼的超聲成像和多普勒測量系統[5]。在此后的近30年里,包括M序列偽隨機碼[6～10]、Barker碼[7,11]、Golay碼[6,11]、Chirp[12～16]和偽Chirp碼[3,17]等各種編碼方法被用于超聲編碼激勵的研究。由于實時超聲成像的時間帶寬(TB)乘積較小,適用于雷達系統的編碼方法用于超聲成像時會產生嚴重的距離旁瓣(rangesidelobe)[3]。同時,超聲編碼系統的電路復雜性也遠大于傳統的脈沖回波成像系統。因此,如何將編碼激勵方法成功應用到醫學超聲儀器中,還是一個值得研究的問題。本文將從編碼激勵的原理、常用編碼方法以及編碼激勵的應用三個方面來介紹醫學超聲編碼激勵技術。
2編碼激勵的原理
2.1編碼激勵成像系統的工作原理
是編碼激勵成像系統的簡單框圖[17]。編碼激勵成像系統與傳統的脈沖回波成像系統的不同之處在于:(1)發射電路采用編碼發射激勵,必要時還需要對發射編碼進行調制;(2)接收電路中需要對回波信號進行脈沖壓縮。采用長脈沖激勵發射陣元有可能提高超聲成像系統的信噪比。但是,如果僅僅是簡單地加大發射脈沖的長度,則會明顯降低成像系統的軸向分辨率,造成圖像的模糊[18]。編碼激勵技術能較好地解決這一問題。編碼激勵系統的基本工作原理如所示。(a)所示的傳統脈沖發射系統用單脈沖進行激勵,軸向分辨率取決于傳感器的脈沖響應。(b)所示的編碼激勵系統,用一長串編碼脈沖進行激勵,激勵脈沖的持續時間遠長于傳感器的脈沖響應時間。編碼長脈沖激勵時,探查空間中某一固定點產生的回波信號也是一長串脈沖。所以接收到的回波信號需要與一個參考信號做相關運算,才能夠得到近似于傳統脈沖激勵系統的脈沖響應。這一處理過程稱為脈沖壓縮。編碼激勵系統的主要優點是,在峰值負聲壓一致的前提下,壓縮脈沖的信噪比遠高于傳統回波脈沖的信噪比。信噪比增加值約等于編碼長脈沖的TB積[7],(b)右側的高脈沖示意了這一結果。編碼激勵系統的主要缺點是,除采用Golay碼的系統外,相關運算的結果不可能象示意的那么理想,總會在主瓣的周圍殘余一些雜波[6],又稱為距離旁瓣[3]。此外,發射長脈沖還會造成發射聚焦困難、圖像死區增加、空間聲場的旁瓣能量增加等問題。
2.2編碼激勵成像系統的信噪比分析
根據國家技術監督局執行的“醫用診斷超聲設備聲輸出公布要求”的IEC標準[1],對換能器部件和B超主機配套組合的所有工作模式聲輸出應滿足如下三個條件:(1)峰值負聲壓:P-<1MPa(2)波束聲強:Iob<20mW/cm2(時間平均聲功率除以輸出超聲波束面積)(3)空間峰值時間平均值聲強:Ispta<100mW/cm2其中,空間峰值時間平均聲強Ispta,等于空間峰點上的一個脈沖在單位面積上傳輸的能量的總和除以脈沖重復周期Tp:Ispta=∫t2t1idt/Tp(1)式中:i為空間峰值處聲強的瞬時值。i=p2/2ρc=p2/2Zs(2)式中:Zs=ρc為聲阻抗率。由(1)、(2)式,得Ispta=∫t2t1i(t)dt/Tp=∫t2t1p2(t)/2Zsdt/Tp=∫t2t1p2(t)dt2ZsTp(3)如果用矩形窗來近似探頭的傳遞函數,即:H(f)=1f-f0<Δf20f-f0≥Δf2(4)其中:f=η•f0(η為帶寬百分比;f0為探頭的中心頻率),則探頭的單位沖擊響應為:p0(t)=sinπΔftπtsin2πf0t(5)因此,當發射聲波的峰值負聲壓為P-時,p(t)=P-Δf×p0(t)(6)p(t)的傅立葉變換為:F(f)=P-Δf×H(f)(7)由帕斯瓦爾公式,得:∫t2t1p(t)2dt=∫+∞-∞F(f)2df=P2-Δf(8)將(8)式代入(3)式,得:Ispta=P2-2ΔfZsTp(9)傳統的超聲脈沖回波成像系統中,如果發射頻率為5MHz,帶寬為η=40%,幀頻為30幀/s,脂肪中Zs=1.38×106Pa•s/m,當發射脈沖的峰值負聲壓P-=1MPa時,Ispta=P2-2ΔfZsTp=0.54mW/cm2100mW/cm2(10)(10)式表明,發射脈沖的峰值負聲壓等于最大值時,空間峰值時間平均值聲強遠小于允許的最大值。如果保持發射脈沖的峰值負聲壓不變,通過增加發射脈沖的長度使Ispta=100mW/cm2,則長脈沖攜帶的超聲能量將是短脈沖的184倍。這表明,將上述系統的激勵由短脈沖改為編碼長脈沖時,信噪比提高的上限約為22.6dB。綜上所述,當探頭的中心頻率為f0,帶寬百分比為η,成像幀頻為fp,介質聲阻抗率為Zs時,編碼長脈沖激勵相對于傳統的短脈沖激勵,信噪比提高的上限為(采用MKS單位制):SNRinh≤10logηf0Zsfp-87dB(11)
3發射編碼的選擇
3.1發射編碼選擇的原則
編碼激勵成像系統中,編碼方法選擇和參考信號的設計對圖像質量的影響很大。是無編碼長脈沖和Barker碼兩種不同編碼方式時,脈沖壓縮效果的示意圖[11]。圖中采用匹配濾波來壓縮脈沖,使主瓣能量極大。由可見,兩種編碼方式得到的壓縮脈沖的主瓣大小一致,但(b)對應的壓縮脈沖的距離旁瓣明顯小于(a)。下面兩個指標可以定量地衡量壓縮脈沖的效果[7]:(1)主瓣寬度(Δτ)即主瓣的-3dB寬度。主瓣寬度反映了系統的軸向分辨率,它們之間的關系為:ΔR=c•Δτ(12)其中,c為聲速。可見,主瓣寬度越窄,系統的軸向分辨率越高。(2)信雜比(Signal-to-clutterratio,SCR)即主瓣峰值和距離旁瓣峰值之比。SRC越小,圖像的模糊越嚴重。大部分成像系統要求SCR大于50dB。綜合上述兩個指標,發射編碼選擇的原則是:使得壓縮脈沖的主瓣寬度很窄,而且具有很高的SCR。事實上,這兩方面的要求是矛盾的。一般來說壓縮主瓣寬度會造成SCR的降低,反之亦然。最理想的壓縮脈沖是δ函數。發射編碼確定后,可以直接采用匹配濾波的方法來進行脈沖壓縮。當匹配濾波得到的壓縮脈沖的SCR不能滿足要求時,可以考慮采用非匹配濾波[3,17]。非匹配濾波器的系數比匹配濾波器長。因此,非匹配濾波中SCR的提高,是以距離旁瓣持續時間的增加和系統設計的復雜性的增加為代價的。在設計非匹配濾波器時,把傳感器對編碼脈沖的影響考慮在內,可以進一步地提高SCR[12～14]。
3.2常用的發射編碼
3.2.1白噪編碼和M序列偽隨機編碼最早出現的編碼發射系統是白噪相關系統[6]。是這種系統的框圖。白噪發生器產生激勵信號n(t)。考慮到換能器的帶通特性,從固定深度返回的回波將不再是白噪,設得到回波信號x(t-τe),τe為目標深度產生的延遲。激勵信號n(t)經水延遲線延遲τr。如果水延遲線的通帶特性與換能器一致,延遲得到的信號為x(t-τr)。x(t-τe)和x(t-τr)相關運算得到輸出:y(t)=∫tt-Tx(t-τe)x(t-τr)dt≡RTx(τe-τr)(13)上式表明,y(t)其實就是x(t)的自相關函數。設x(t)的功率譜密度為:S(f)=B/2π(B/2)2+(f-f0)2(14)其中:B為換能器的帶寬;f0為中心頻率。則,x(t)的自相關函數Rx(τe-τr)=exp[-πBτe-τr]cos2πf0(τe-τr)(15)Rx(τ)包絡的主瓣寬度為Δτ=0.22B,即軸向分辨率ΔR=0.22•CB,這與脈沖系統的軸向分辨率非常接近。Rx(τ)的信雜比為:SCR=10•log(BT)(16)其中:T為激勵白噪的長度。若探頭頻率為f=5MHz,探頭帶寬為40%。若要求SCR≥50dB,必須T≥50ms。在B模式成像中,這顯然是不可能的。M序列偽隨機碼的編碼發射系統和白噪相關系統相似[6]。考慮到換能器的帶寬,一般需要對M序列偽隨機碼進行調制[19]。與白噪編碼相比,M序列偽隨機碼的主要優點是便于生成和延遲。
3.2.2Golay碼Golay碼又稱Golay互補序列對,其定義為一對由兩種元素構成的等長、有限序列。且在任何給定間隔下,一個序列中的相同元素對的個數等于另一個序列中的相異元素對的個數[20,21]。設Golay互補序列對A(a0,a1,…,aN-1),B(b0,b1,…,bN-1),其長度為N,元素為-1和1。序列A、B的自相關函數分別為:cj=Σi=N-1i=jaiai-jj=0,…,N-1Σi=N-1+ji=0aiai-jj=-N+1,…,-1(17)dj=Σi=N-1i=jbibi-jj=0,…,N-1Σi=N-1+ji=0bibi-jj=-N+1,…,-1(18)則有:cj+dj=2Nj=00j≠0(19)因此,利用Golay互補序列對進行兩次發射和脈沖壓縮,并將兩次壓縮的結果求和可以完全消除旁瓣。是這一方法的示意圖。Golay碼脈沖壓縮的示意圖Fig5PulsecompressionofGolaycode理論上,Golay互補序列對的編碼發射可以在保持主瓣寬度不變的情況下,完全消除旁瓣。但實際應用中,由于兩次發射間組織的運動,往往達不到理論的效果。另外,采用Golay碼會使圖像的幀頻降低一半。
3.2.3Chirp信號和偽Chirp碼線性調頻(Chirp)信號在雷達系統中的應用很廣泛。由于Chirp信號具有很好的自相關特性,很適合應用于超聲編碼發射[15,16]。考慮到超聲探頭的帶通特性,超聲編碼發射中使用的Chirp信號為:S(t)=cos[2π(f0-B2)t+α2t2](20)其中:f0為探頭的中心頻率;B為探頭的帶寬;α為線性調頻的斜率。為了簡化Chirp信號編碼系統中的發射電路,可以采用偽Chirp信號[3]:S(t)=sign{cos[2π(f0-B2)t+α2t2]}(21)其中:sign為符號函數。
4超聲編碼發射成像的應用
4.1B模式成像
在B模式成像中,編碼激勵時,每次發射的超聲能量比常規的脈沖激勵高,因此可以提高圖像的信噪比和掃查深度[22,23]。此外,由于信噪比和穿透能力的提升,在掃查深度相同的條件下編碼發射可以采用更高的中心頻率進行,從而提高圖像的軸向分辨率。
4.2Doppler血流測量
Doppler血流測量中,Doppler頻偏為:fD=3vcosθcf0(22)其中:f0為發射聲波的中心頻率;c為聲速,v為血流速度;θ為聲束和流速v之間的夾角。所示的白噪編碼系統中,當T足夠小時,有:y(t)=∫tt-Tx(αt-τe)x(t-τr)dt≈RTx([α-1]t+τr-τe)(23)其中,α=1-2vcosθc。由(15)式得:RTx(t)=exp[-πBτr-τe-2vcosθct]×cos2πf0(τr-τe-2vcosθct)(24)上式表明,RTx(t)是一個被exp[-πBτr-τe-2vcosθct]調制的余弦信號,其頻率為Doppler頻偏[6,8]。傳統脈沖Doppler的測量受到著名的速度距離乘積的限制,即:υmaxRmax≤c28f0(25)式中:vmax、Rmax分別為可測量的最高流速和最大探測深度。編碼發射的Doppler血流測量系統可以不受速度距離乘積的限制。
4.3B-flow成像
B-flow是一種能夠提高超聲成像分辨率、幀頻和動態范圍的新技術[11]。它能夠同時顯示血流和組織圖像。B-flow使用編碼發射和接收技術來增強血流散射子的回波信號,通過組織均衡技術來同時顯示血流和組織,而不需要象傳統彩色血流成像(CFM)那樣采用閾值判斷和疊加的方法。臨床應用表明在動態范圍為60dB的情況下,與傳統的CFM圖像相比,B-flow圖像的分辨率和幀頻提高了3倍。能夠清晰地顯示血管壁和血液的動力學特性。是B-flow成像的原理框圖。與普通的編碼激勵系統不同的是,B-flow成像需要對回波信號進行組織均衡處理,以便同時顯示組織信號和血液信號。組織均衡處理實際上就是前后兩幀圖像相減。即,B-flow圖像的像素點的亮度為:B=E[u1-u22]=2(R(0)-R(1))(26)上式中,u1、u2為兩次發射得到的回波;R(0)為每次發射的自相關;R(1)為兩次發射的互相關。與組織回波相比,血流前后兩次回波的相關性弱,所以顯示亮度大。B-flow成像的原理框圖Fig6BlockdiagramofB-flowimagingsystemB-flow成像克服了傳統的CFM的不足:(1)發射脈沖越長,軸向分辨率越低。而短脈沖攜帶的能量少,穿透能力弱;(2)動態范圍不足和噪聲的影響使得紅血球反射的弱回波不可見。B-flow成像在臨床上的主要優點:(1)血流圖像直觀;(2)能清楚地顯示動脈粥樣斑和血管的不規則性;(3)高幀頻,細節結構清晰(如瓣膜的開合,CFM中經常被疊加的血流蓋住)。
4.4諧波成像
諧波成像中,采用常規的脈沖發射有兩個缺點:(1)基波和二次諧波間的頻譜泄漏:這是由于發射脈沖的傳播過程中的非線性畸變引起的。(2)造影劑微泡的破裂。基于以上兩個原因,要求發射聲波的最大負聲壓小于50～100KPa。常規的脈沖發射的峰值負聲壓為:0.5～1MPa。降低常規脈沖發射的峰值負聲壓,會嚴重降低系統的信噪比。通過加大發射脈沖長度,編碼發射可以彌補峰值負聲壓降低帶來的信噪比損失[24]。
5總結
編碼激勵技術在雷達系統中早已經得到了廣泛應用。由于超聲成像的時間帶寬(TB)乘積較小,實時要求高,編碼激勵系統比傳統脈沖激勵系統復雜等方面的原因,編碼激勵在醫學超聲成像系統中還沒有得到廣泛應用。近年來,隨著技術的發展,采用編碼激勵的商品化醫用超聲成像系統開始出現。選擇和設計更好的編碼方式和壓縮方法,以進一步提高超聲圖像的質量,仍然是超聲成像系統的研究和開發中的一個熱點。
