一種基于延時交錯時鐘采樣的超聲生物顯微鏡成像方法

王效寧 鞏麗文 王曉春 周盛

0 引言

超聲生物顯微鏡(ultrasound biomicroscopy，UBM)是一種無創(chuàng)的甚高頻超聲成像系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于人體淺表組織疾病的檢查。眼科臨床上的研究主要集中在青光眼[1]、眼外傷[2]、先天性白內(nèi)障[3]、眼前段腫瘤[4]等疾病的診斷；皮膚科采用UBM聯(lián)合常規(guī)超聲，可以提供影像學(xué)依據(jù)[5]；同時，在各類基礎(chǔ)研究中還能夠完成相關(guān)動物組織實驗[6]。

臨床應(yīng)用中，傳統(tǒng)數(shù)字化超聲成像設(shè)備中的聲波中心頻率通常為2～12 MHz[7-8]，采樣率在40～60 MHz的范圍內(nèi)[9]。而超聲生物顯微鏡的工作頻率在35 MHz以上，使得傳統(tǒng)超聲系統(tǒng)無法滿足奈奎斯特采樣率的要求，難以實現(xiàn)超聲生物顯微鏡的數(shù)字化成像。使用多路模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter，ADC)，通過交錯時鐘采樣的方法可以在保證數(shù)據(jù)采集精度的同時，提高采樣率，實現(xiàn)高頻超聲實時掃描成像[10]。但同步多個ADC時鐘將大大增加數(shù)據(jù)采集電路的硬件成本和時序管理的復(fù)雜程度[11]，且需對因不同ADC間參數(shù)的微小差異而出現(xiàn)的不準(zhǔn)確性進行補償[12]。壓縮感知技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種快速、有效且低成本的信號處理方法[13]，可減少原始信號數(shù)據(jù)量，突破最低采樣頻率的限制[14]。但目前其重建算法相對復(fù)雜，實時性尚不能滿足醫(yī)學(xué)超聲臨床診斷需求[15]。

本文提出了在超聲生物顯微鏡成像系統(tǒng)中，針對眼前節(jié)、皮膚等人體淺表組織大多屬于靜態(tài)目標(biāo)[15]，圖像幀頻需求較低的特點，通過設(shè)計單路80 MHz的ADC采集電路，經(jīng)延時交錯時鐘控制，實現(xiàn)320 MHz數(shù)據(jù)采樣率的高頻超聲實時成像系統(tǒng)。采用鎢絲靶線和體外組織進行測試實驗，最終驗證該方法的成像性能。

1 設(shè)計方法

如圖1(a)所示，為超聲生物顯微鏡成像傳統(tǒng)成像掃描方式。高頻超聲換能器沿水平方向勻速運動，同時按照固定的重復(fù)頻率向組織發(fā)射超聲波，形成掃描線束信息(A1、A2、A3、…、An)?；夭〝?shù)據(jù)通過時間增益控制放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩存、以及數(shù)字信號處理與圖像處理后，實現(xiàn)掃描成像。而延時交錯時鐘采樣方法中，在保持換能器平移速度與行程不變的前提下，將發(fā)射脈沖重復(fù)頻率提高至傳統(tǒng)采集方式的4倍，如圖1(b)所示。每相鄰的4條掃描線束信息作為一組，分別通過不同相位時鐘采樣后，在可編程邏輯器件(field programmable gate array，F(xiàn)GPA)中進行數(shù)據(jù)實時存儲與重組后，構(gòu)建診斷圖像，達到與超聲生物顯微鏡成像傳統(tǒng)采集方式相同的掃描線數(shù)與成像幀頻。

實際應(yīng)用中，每幅圖像的橫向掃描范圍為18 mm，傳統(tǒng)掃描方式的掃描線數(shù)n=900，相鄰掃描線水平間距為20 μm，脈沖重復(fù)周期T=200 μs，可保證圖像掃描幀頻在5幀/s以上。4段延時交錯時鐘采樣時，為實現(xiàn)相同的成像幀頻和橫向顯示范圍，在保持探頭硬件結(jié)構(gòu)、換能器掃描方式、超聲波激勵電路不變的前提下，需通過FPGA將觸發(fā)脈沖重復(fù)周期縮短至傳統(tǒng)掃描方式的1/4，即50 μs，如圖2所示。相鄰兩條掃描線的水平間距為5 μm，遠小于系統(tǒng)50 μm的橫向分辨能力，對于淺表靜態(tài)組織目標(biāo)可近似認(rèn)為探測目標(biāo)無形態(tài)變化，每組中的4條掃描線回波信息一致。此時，如聲速按照1 540 m/s計算，最大的理論探測深度可達38.5 mm，符合臨床診斷的需求。該掃描方式不會受到系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)等因素的限制，只需調(diào)整超聲波觸發(fā)重復(fù)周期、數(shù)據(jù)采集與存儲方式，達到降低采樣頻率的目標(biāo)。

圖2 超聲發(fā)射與數(shù)據(jù)接收示意圖Figure 2 Schematic diagram of ultrasonic emitting and data receiving

為實現(xiàn)40 MHz高頻超聲回波信息的延時交錯時鐘采樣，采用FPGA設(shè)計頻率為80 MHz、相位相差90°的一組采樣時鐘，分別對回波掃描線ai1、ai2、ai3、ai4進行采集，實現(xiàn)每次在不同位置完成采樣，如圖3所示。在一個完整的信號周期內(nèi)，通過4個不同延時時鐘的精確控制，實際模擬信息的采樣頻率可達到ADC芯片固有時鐘頻率的4倍，即320 MHz。最終合成掃描線Ai，作為構(gòu)建成像的數(shù)據(jù)源。

圖3 延時交錯時鐘采樣原理Figure 3 Principle of time-delay staggered clock sampling

回波信息采集后，在FPGA中設(shè)計分時采樣控制模塊和4通道數(shù)據(jù)緩存器，將掃描數(shù)據(jù)依次預(yù)存在相應(yīng)的緩存器中，如圖4所示。當(dāng)一組數(shù)據(jù)采集完成后，將逐一插點拼接，形成高采樣率數(shù)據(jù)流，用于后續(xù)的數(shù)字信號處理。

圖4 基于FPGA的數(shù)據(jù)存儲與合成模塊結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Structure diagram of data storage and data synthesis based on FPGA

高頻超聲成像硬件平臺設(shè)計中，F(xiàn)PGA采用Altera公司的Cyclone IV系列EP4CE55型產(chǎn)品，實現(xiàn)系統(tǒng)的聲波觸發(fā)、時序控制、數(shù)據(jù)存儲、信號處理以及上位機通信等功能。使用Microchip公司的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管陣列TC6320，產(chǎn)生幅度為120 V的雙極發(fā)射脈沖，激勵超聲換能器。模擬信息增益控制采用Analog Devices公司型號為AD8367的寬頻帶、電壓控制型可變增益放大器，線性可變范圍達到45 dB。ADC選用Analog Devices公司采樣精度14 bits、采樣頻率80 MHz的低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9246。此外，還采用了TI公司CDCM61002作為系統(tǒng)時鐘源，ISSI公司的靜態(tài)隨機存取存儲器(static random access memory，SRAM)IS61WV20488用于數(shù)據(jù)緩存。采集原始射頻數(shù)據(jù)，通過使用Cypress公司的CYUSB3014設(shè)計USB 3.0接口電路，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實時傳輸及控制指令的發(fā)送。

2 實驗結(jié)果

2.1 換能器帶寬測試

本文選取高分子聚合壓電材料聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)制作的超聲換能器，焦點長度為9～10 mm，直徑5 mm。采用Tektronix AFG3252任意波形函數(shù)發(fā)生器作為發(fā)射脈沖信號源，結(jié)合ADI公司的高速高壓電流反饋型放大器ADA4870，設(shè)計寬頻帶高壓脈沖觸發(fā)電路。調(diào)整函數(shù)發(fā)生器，控制發(fā)射頻率以1 MHz步進，覆蓋20～60 MHz。使用數(shù)字示波器MSO4104采集各頻段平面靶回波信息，波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB進行分析與處理，歸一化后取對數(shù)即可得到換能器的頻率響應(yīng)，如圖5所示。

圖5 換能器頻率響應(yīng)圖Figure 5 Diagram of frequency response of the transducer

2.2 時序仿真實驗

為了確保本系統(tǒng)的可實現(xiàn)性，需對FPGA中的延時交錯時鐘以及數(shù)據(jù)存儲與合成模塊進行時序仿真實驗，如圖6所示，為基于QuartusII獲得的時序仿真結(jié)果。adclk80ma、adclk80mb、adclk80mc和adclk80md是4路ADC的采樣時鐘，采樣頻率均為80 MHz，相位相差90°，adclk320m是FPGA內(nèi)部系統(tǒng)主時鐘。ada_data、adb_data、adc_data和add_data，模擬每組回波信息中，輸入至FPGA的4次ADC采樣信號。ada_data為[0，4，8，...]，adb_data為[1，5，9，...]，adc_data為[2，6，10，...]，add_data為[3，7，11，...]，ad_data_out 為4路數(shù)據(jù)經(jīng)過存儲與合成后的輸出信號。由仿真結(jié)果表明，4路采樣頻率為80 MHz的信號通過逐一插點，合成最終的輸出信號[0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，...]，頻率達到320 MHz。驗證了基于FPGA設(shè)計的該數(shù)據(jù)存儲與合成模塊的穩(wěn)定性與實時性。

圖6 時序仿真結(jié)果Figure 6 Timing simulation results

2.3 分辨力測試實驗

醫(yī)學(xué)超聲成像中的軸向分辨力(平行波束方向)與側(cè)向分辨力(垂直波束方向)是評價圖像質(zhì)量和生物測量精度的有效參數(shù)。本文根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0849—2011《眼科高頻超聲診斷儀》中的相關(guān)實驗方法，使用甚高頻超聲圖像分辨力測試線靶，進行圖像分辨力的測試。如圖7所示，U型有機玻璃塊兩側(cè)通過螺絲固定繃緊直徑10 μm±1 μm的鎢絲作為超聲波掃查靶線，相鄰平行靶線間距由光學(xué)顯微鏡校準(zhǔn)，設(shè)定為50 μm ±5 μm。測試線靶放置在鋪設(shè)了吸聲材料的水槽底部。測量軸向分辨力時，聲波的傳播方向與兩條測試靶線的排列方向一致，即平行靶線排列平面與探頭表面垂直，如圖7(a)所示；測量側(cè)向分辨力時，聲波的傳播方向與靶線排列方向垂直，即平行靶線排列平面與探頭表面平行，如圖7(b)所示。在水槽中緩慢注入蒸餾水，除去換能器表面氣泡，并靜置10 min，水溫保持在23 ℃±3 ℃。固定探頭置于測試線靶正上方掃描，調(diào)節(jié)探頭與靶線的距離至焦區(qū)范圍內(nèi)，將信號增益、圖像對比度與亮度調(diào)節(jié)至最佳位置。觀察鎢絲靶線的回波圖像，如能清晰顯示出兩根靶線信息，可證明該系統(tǒng)的軸向分辨力和側(cè)向分辨力能夠達到50 μm。

圖7 分辨力測試示意圖Figure 7 Schematic diagrams of resolution testing device

如圖8所示，是超聲生物顯微鏡成像系統(tǒng)軸向、側(cè)向分辨力檢測結(jié)果。壓縮后的實時掃描圖像能清楚地得到兩個邊界明顯的回波信息，證明分辨力能夠達到50 μm。

圖8 分辨力成像驗證結(jié)果Figure 8 Resolution testing results

2.4 體外組織成像實驗

本文通過設(shè)計體外組織成像實驗，評估圖像的信噪比和顯示范圍。所獲取的體外新鮮豬眼球均來自于本地屠宰場，使用手術(shù)剪分離殘余的眼球外其他組織，用鹽水緩沖液仔細清洗，然后將清洗干凈的豬眼球及時通過MR-D300眼球模擬支架加以固定，如圖9(a)所示。眼杯中充入蒸餾水，保持水溫在23 ℃±3 ℃，探頭經(jīng)升降支架固定后，換能器浸入蒸餾水充分耦合，調(diào)節(jié)探頭高度使換能器焦點處于眼前節(jié)前房位置附近。調(diào)整增益、對比度、亮度至最佳位置，并在實驗過程中保持恒定，如圖9(b)所示。

圖9 體外動物實驗Figure 9 Animal experiment in vitro

如圖10所示，正常角膜組織結(jié)構(gòu)由外至內(nèi)分為5層，包括：最外側(cè)的上皮細胞層與前彈力層，占角膜全厚90%以上的基質(zhì)層，以及最內(nèi)側(cè)的后彈力層和內(nèi)皮細胞層。由于內(nèi)皮細胞層緊貼后彈力層，因此在超聲生物顯微鏡圖像中一般只能觀察到4個層次。體外動物實驗中，與傳統(tǒng)成像方式相對比，交錯時鐘采樣方法同樣能夠?qū)崿F(xiàn)角膜細微結(jié)構(gòu)的清晰觀測，虹膜、晶狀體前囊等前節(jié)組織清晰可見，前房角邊界銳利，便于測量。

圖10 體外豬眼球前節(jié)的實時成像結(jié)果Figure 10 Real-time imaging result of anterior segments of porcine eyeball in vitro

3 討論與結(jié)論

為實現(xiàn)人體淺表組織的精細成像，超聲生物顯微鏡的工作頻率通常高于35 MHz，需要更高的模數(shù)采樣率，因此，傳統(tǒng)的超聲診斷設(shè)備的硬件系統(tǒng)無法實現(xiàn)高頻超聲成像。本文提出了一種基于延時交錯時鐘采樣的超聲生物顯微鏡成像方法，ADC的采樣率設(shè)置為80 MHz，通過構(gòu)建相位相差90°的4組采樣時鐘，分別對相鄰的4條掃描線進行采樣?；贔PGA設(shè)計分時采樣控制模塊和4通道數(shù)據(jù)緩存器，將回波數(shù)據(jù)逐一插點拼接，達到與采樣頻率320 MHz相當(dāng)?shù)膱D像效果。實現(xiàn)了應(yīng)用傳統(tǒng)超聲診斷設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集硬件方案，獲得超聲生物顯微鏡淺表組織掃描成像的目標(biāo)。本研究的不足之處在于提高了每幅圖像的掃描線數(shù)，且每條用于成像的掃描線數(shù)據(jù)需要多次進行交錯時鐘采集，因此不適合于對快速移動的組織進行成像。同時，本實驗方法尚無法與直接使用320 MHz、14 bits高速采樣方式的超聲生物顯微鏡系統(tǒng)進行圖像對比。通過針對標(biāo)靶和體外組織樣本的測試，其圖像的軸向、側(cè)向分辨力，以及信噪比和顯示范圍符合診斷需求，證明了該方法是設(shè)計高頻超聲成像數(shù)據(jù)采集模塊的一種可行性方案。在今后的研究工作中，計劃與臨床應(yīng)用的超聲生物顯微鏡的成像效果進行比較，并逐步開展臨床研究，以驗證本系統(tǒng)具備較好的臨床應(yīng)用前景。