全數(shù)字黑白超聲與彩色血流成像

【摘要】近年來，國外彩色血流成像超聲診斷儀（簡稱彩超）在技術(shù)上取得了較大的進展，幾乎都進入了全數(shù)字領(lǐng)域，這主要得益于電子技術(shù)和集成電路的飛速發(fā)展，雖然國內(nèi)的一些知名廠商投入了大量的研究工作并且有些機型已投放市場，但核心技術(shù)的掌握程度及產(chǎn)品的性能與進口產(chǎn)品相比還有較大的差距；相比之下，國內(nèi)的全數(shù)字黑白超聲技術(shù)則比較成熟，有大量產(chǎn)品投放到市場；本文通過對比彩超與全數(shù)字黑白超聲的主要技術(shù)原理，試圖闡述一種基于全數(shù)字黑白超聲框架初步實現(xiàn)彩色血流成像的方法。

【關(guān)鍵詞】全數(shù)字；黑白超聲；多普勒；彩色血流

一、全數(shù)字黑白超聲

（一）系統(tǒng)簡述

全數(shù)字黑白超聲技術(shù)是模擬黑白超聲在電子技術(shù)特別是大規(guī)模集成電路發(fā)展到一定階段才開始出現(xiàn)的，屬于脈沖回波成像技術(shù)。兩者都是數(shù)字控制單元通過數(shù)字發(fā)射單元給每個通道（總的通道數(shù)量對應(yīng)換能器陣列中形成一條波束需要參與工作的基元數(shù)量）一定寬度的脈沖信號，經(jīng)放大后轉(zhuǎn)換成高壓脈沖信號，再經(jīng)過高壓選擇電路連接到換能器，換能器將高壓脈沖能量轉(zhuǎn)化為一定頻率的聲波進入人體組織，從人體組織返回的聲波經(jīng)過換能器逆變換轉(zhuǎn)化為回波小信號，送給接收電路。

聲波在人體組織中衰減很快，衰減系數(shù)可用分貝值來表示，與距離和頻率的乘積成正比，致使人體表面返回信號的幅度遠遠大于深部組織。為了解決這一問題，必須使用TGC（時間增益補償）電路，這是超聲應(yīng)用的關(guān)鍵點。要形成數(shù)字控制單元使用的超聲數(shù)據(jù)，模擬超聲主要依次經(jīng)過低噪聲前置放大、整序、可變孔徑、延時聚焦、TGC、選頻（動態(tài)濾波）、對數(shù)壓縮、PGA（可編程增益放大）、檢波、低通濾波（LPF）、ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）等處理過程，對于數(shù)字超聲來說，雖然處理過程的本質(zhì)都一樣，但實現(xiàn)方法是有很大差別的，數(shù)字超聲技術(shù)的原理框架如圖1。

數(shù)字控制單元在人機交互界面的控制下，將超聲數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的變換，和其它信息一起送往顯示器以灰階顯示，稱為B模式圖像，或者以特定的格式送往其它外部接口。

圖1分為左中右三部分，左邊的內(nèi)容統(tǒng)稱為模擬前端（AFE），已經(jīng)可以使用專用集成電路來實現(xiàn)，中間和右邊的內(nèi)容分別統(tǒng)稱為數(shù)字波束形成、數(shù)字波束處理，后兩部分是全數(shù)字超聲的核心，一般都用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）來實現(xiàn)，由于FPGA容量和擴展功能的不斷增加，數(shù)字發(fā)射單元和大部分數(shù)字控制單元的內(nèi)容都可用它來實現(xiàn)。

全數(shù)字超聲的ADC在檢波之前緊靠TGC之后，需要將模擬載波信號進行數(shù)字量化，使得采樣頻率高，相應(yīng)的數(shù)字處理復(fù)雜，需要的邏輯資源數(shù)量很大，模擬超聲的ADC在檢波之后，采樣的是通過檢波去除了載波的模擬包絡(luò)信號，采樣頻率低，對ADC的性能要求不高，這是兩者的根本區(qū)別。

（二）主要技術(shù)

1.數(shù)字波束形成。機械扇掃探頭只有一個基元，圖像質(zhì)量很差，已經(jīng)很少見到，一般超聲產(chǎn)品的探頭（換能器）都是由很多基元構(gòu)成的，如64、80、128、256甚至更多，為了提高圖像質(zhì)量，產(chǎn)生一條掃描線需要較多的基元，但為了節(jié)約成本，一般也不使用全部的基元，而是使用相應(yīng)的通道數(shù)，然后通過高壓選擇電路連接到換能器，另一方面，為了獲得較好的分辨率，對每個通道的超聲波要給予不同的延時進行發(fā)射聚焦，相應(yīng)地，對返回來的小信號進行一定處理之后也要進行接收聚焦，這就是需要整序和延時聚焦的原因，在全數(shù)字超聲技術(shù)中，延時聚焦用初始延時和動態(tài)延時來實現(xiàn)，動態(tài)延時是指每隔一定時間再進行一次微小的延時調(diào)整，能夠達到全程動態(tài)聚焦的效果，優(yōu)于模擬超聲。這些通道的聲場疊加形成一條波束，在聲場疊加過程中，越是偏離中心基元位置的通道，其指向性越差，貢獻也就越小，因此要對每個通道乘以不同的加權(quán)系數(shù)，稱之為動態(tài)孔徑。整序貫穿在初始延時、動態(tài)延時、動態(tài)孔徑每個處理過程，這一點不同于模擬超聲。通道求和是把動態(tài)孔徑處理后的每個通道信號直接相加。

2.數(shù)字波束處理。波束形成通道求和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進入數(shù)字波束處理過程。黑白超聲的發(fā)射激勵大都是一個或兩個矩形脈沖，或者近似正弦波脈沖，都是寬帶信號，換能器基元產(chǎn)生的聲波也是以特征頻率（Fosc）為中心的具有一定范圍的寬帶信號，比如中心頻率3.5MHz帶寬60%的探頭，產(chǎn)生的聲波頻率范圍主要集中在2.45MHz～4.05MHz，而不同頻率的成分經(jīng)過人體組織返回到換能器后其衰減程度也是不一樣的，因此首先就要進行選頻，即動態(tài)濾波，濾波器的系數(shù)隨著時間的變化而改變，達到選頻目的，靠近換能器的時間段為高頻信號有效，越往深部組織，有效信號的頻率越低。同模擬超聲一樣，檢波的目的是去除載波頻率。對數(shù)壓縮目的是把檢波輸出數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍壓縮到后處理或顯示器的動態(tài)范圍。雖然已經(jīng)去除了載波頻率，對數(shù)壓縮輸出數(shù)據(jù)的傳輸頻率仍然很高，但數(shù)據(jù)本身已經(jīng)是頻率很低的包絡(luò)信號，基本在1KHz以下，后處理或顯示也沒有辦法適應(yīng)高傳輸頻率的數(shù)據(jù)，因此要進行數(shù)據(jù)抽取，最后進行空間濾波，也可包括時間濾波，采用低通濾波器（LPF）設(shè)計，濾除高頻信號和比較尖銳的噪聲信號，使最終產(chǎn)生的圖像比較柔和。

二、彩色血流成像

（一）系統(tǒng)簡述

黑白超聲的探測對象是人體組織或慢速運動器官返回的超聲波轉(zhuǎn)化為電信號的幅度信息，其動態(tài)范圍一般在80-100DB，由血流返回的電信號幅度更小，比組織器官要低40DB-60DB，因此黑白超的處理技術(shù)是沒有辦法檢測到血流的，只能看到血管壁，血管內(nèi)的血流顯示為底噪聲或更暗的黑底色。

彩色血流成像（CFI）是在黑白超聲的感興趣區(qū)域應(yīng)用多普勒技術(shù)探測血管內(nèi)各點的血流速度的大小和方向，進行顯示，以判斷血流是否正常，因此它是脈沖回波成像技術(shù)和多普勒成像技術(shù)的結(jié)合。根據(jù)多普勒原理，聲源產(chǎn)生的聲波遇到運動物體后，返回的聲波頻率將會發(fā)生一定的變化，如果運動物體向著聲源運動，則頻率升高，反之則頻率降低，使用一定的方法從回波幅度信息中提取出改變的頻移量，用來估算速度，并用一定的顏色和亮度顯示，比如紅色表示血流朝向探頭流動，藍色表示血流背向探頭流動，速度越大則顏色越深，這些就是用多普勒技術(shù)研究彩色血流成像的主要手段。

多普勒技術(shù)分為連續(xù)波多普勒（CW）和脈沖波多普勒（PW）。CW是指從一個基元連續(xù)發(fā)射某一頻率的正弦波，從另一個基元接收回波信號，檢測出回波信號的頻移，由于沒有距離分辨能力和速度限制，可以檢測高速血流，現(xiàn)在已經(jīng)很少見到單獨的CW設(shè)備。PW是指從一個基元按一定重復(fù)頻率（PRF）發(fā)射某一脈沖寬度的激勵波形，脈沖寬度遠遠小于重復(fù)周期，使用同一個基元接收回波信號，有距離分辨能力，這些特性類似脈沖回波成像技術(shù)，因為發(fā)射完成之后要迅速切換到接收狀態(tài)，所以要求換能器基元具有較高的阻尼，但同時也降低了靈敏度。

在每個重復(fù)周期中，PW選擇一定時間長度的信號，對這些信號進行多普勒處理，檢測頻移，這個時間長度稱之為GATE，也稱距離選通門時間，該時間一般是發(fā)射脈沖寬度時間的幾倍，GATE和發(fā)射脈沖寬度之和乘以二分之一聲速稱為采樣容積長度，為了獲得好的距離分辨率，應(yīng)當使該時間等于發(fā)射脈沖寬度時間。根據(jù)GATE和發(fā)射脈沖之間的延時，可以確定探測距離。從一個采樣容積的大量的回波數(shù)據(jù)中進行頻移檢測，然后采用快速傅里葉變換（FFT）作為分析工具，將頻率信息（包含方向信息）以頻譜圖（也稱聲圖）的方式進行顯示，稱為頻譜多普勒成像，也可供后續(xù)處理進行輪廓檢測、包絡(luò)分析等，這是PW的主要任務(wù)，當然也很耗費資源，需要大量的數(shù)據(jù)運算，因此不可能對多個采樣容積同時處理及實時顯示。在PW中，PRF是個很重要的指標，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，檢測到的最大頻移是PRF的一半，它對應(yīng)了最大檢測速度，如果要提高最大檢測速度，PRF就必須提高，但同時也會帶來探測深度的降低，因此PRF和最大檢測速度是矛盾的，但兩者的乘積是一個與Fosc相關(guān)的常數(shù)。由于PRF的限制，PW只能用來檢測低速血流。

彩色血流成像實際上是在B圖像中選擇一定寬度和深度的感興趣區(qū)域進行多普勒處理，做簡單的頻譜分析，檢測血流速度的大小和方向，求出方差（也稱帶寬），如果某一點存在血流則顯示速度信息，否則該點就顯示脈沖回波信息（灰階信息），這個判斷過程稱為優(yōu)先編碼。要完成速度檢測，一般需要對同一個波束連續(xù)發(fā)射3-16次，通常取8次。

血液主要包括血漿和血細胞，對多普勒頻移的主要貢獻是血細胞中的紅細胞對超聲波的散射，如果把彩色血流成像中某一點的血流速度信息改為血流能量信息，不關(guān)心速度方向，只關(guān)心多普勒能量，實際上表示了血管內(nèi)紅細胞的數(shù)量或密度，則稱之為能量多普勒成像。一個完整的彩色血流成像系統(tǒng)包括B模式圖像、血流速度成像、頻譜多普勒成像、能量多普勒成像，在這里對后兩者不做更多的介紹。

（二）主要技術(shù)

1.正交解調(diào)和速度評估。由于FFT不能達到實時要求，CFI的速度檢測必須采取另外的方法，這些方法從類型上分為兩種，一種是窄帶方法，也稱相位域（PD）方法，另一種是寬帶方法，也稱時域（TD）方法。PD方法是從同一個點的兩次采樣數(shù)據(jù)（每個PRF對同一個點采樣一次）中求出相位變化，然后轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率，再進行速度評估；一般用正交解調(diào)的方法產(chǎn)生實部和虛部，再用它們方便地求出相位。正交解調(diào)是將輸入信號分別乘以正弦和余弦函數(shù)，產(chǎn)生相差為90度的兩個信號，再通過低通濾波產(chǎn)生實部和虛部。TD方法是把一個采樣容積內(nèi)的數(shù)據(jù)和前一個PRF對應(yīng)時間的數(shù)據(jù)進行比較，通過這些數(shù)據(jù)尋找一種被稱為交叉相關(guān)函數(shù)的最大值來找出時間偏差，計算目標物體的運動，進行速度評估，因此TD方法不需要正交解調(diào)。由于TD方法利用采樣容積內(nèi)的數(shù)據(jù)特性找出時間偏差，而不是兩次采樣容積之間的同一點數(shù)據(jù)的相位偏移，因此TD方法不受PRF的限制，可以檢測較高速度的血流，如果要檢測更高速度的血流，還是要使用CW。在PD方法中進行速度評估主要采取自相關(guān)（ACE）技術(shù)，在TD方法中進行速度評估主要采取交叉相關(guān)（CCE）技術(shù)。PD方法的原理框架如圖2，TD方法的原理框架如圖3.

2.靜態(tài)回波消除器。簡稱DLC。由于回波信號中既有來自于靜止或類似靜止的組織器官的強反射信號，也有來自于運動血流的微弱散射信號，必須要想辦法去除強反射信號，靜態(tài)回波消除器用來達到這種目的。實際上，靜態(tài)回波消除器的概念也就是常說的壁濾波器，它用當前信號減去前一個PRF對應(yīng)的信號，從而消除了靜止物體的信號，而運動物體的信號是變化的，從而得以保留下來。

3.優(yōu)先編碼。顯示速度信號還是灰階信號的判定稱為優(yōu)先編碼，實際上，這是人為抑制過程，因為兩者是重疊顯示的，只能選其一。常使用的判定閾值包括：多普勒信號幅度閾值、速度閾值、最大回波強度閾值、多普勒帶寬閾值。

三、結(jié)語

從上述內(nèi)容可以看出，CFI只是將圖1中的波束處理部分變?yōu)槎嗥绽仗幚淼乃俣葯z測，然后供數(shù)字控制單元根據(jù)優(yōu)先編碼原則判定顯示血流速度還是顯示灰階，如果全數(shù)字黑白超聲使用FPGA來實現(xiàn)數(shù)字波束形成和數(shù)字波束處理，只要FPGA有充足的容量資源，就可以增加流速檢測模塊（如圖2或圖3），實現(xiàn)彩色血流成像。