基于互补序列的眼科超声成像方法
0 引言
眼科超声成像技术目前是临床上广为应用的一种诊断方式,相对于传统应用的10 MHz频率,20 MHz及以上频段超声波对于显示视网膜[1]、脉络膜[2]、黄斑病变[3]等眼球壁细微结构,以及白内障晶体[4]成像具有更好图像分辨效果。但由于其频率较高,衰减速度快,对于深部眼眶病变组织,包括视神经、肌肉、脂肪及相应肿瘤的成像受到限制[5-6]。而专用眼科超声影像设备对于时间平均声强、脉冲平均声强和机械指数等声输出参数的要求更为严格[7],不能单纯采用提高瞬间发射能量的方式。因此寻找一种安全、高效的方式,在保证较高分辨能力的前提下,提高20 MHz眼科超声图像的信噪比和探测深度,具有重要的临床意义。
超声编码激励技术作为提高声波穿透力、获取微弱信息、改善图像质量的关键手段,其安全有效性已获得普遍认可,在医学超声成像与测量中具备很好的研究潜力与应用前景。例如:在旋转式血管内超声成像中[8],可获得满意的图像质量和旁瓣噪声抑制比,有效改善血管壁的层次信息,突出冠状动脉血管层;内窥镜超声成像中[9],可在提高图像分辨率和信噪比的同时,限制超声波的平均功率和峰值功率,减少超声热效应和空化效应给患者带来的伤害;超声瞬时弹性成像技术中[10],可提高剪切波的信噪比和探测深度,尤其适用于肥胖肝硬化患者的诊断;在评价骨质疏松程度与骨折深度的研究中[11],可增强背向散射信号的幅值,提高抗噪声性能,节约硬件系统成本等。
本研究基于实验室自行设计的数字化眼科超声成像系统[12]。以本系统为核心,课题组与天津迈达医学科技股份有限公司共同合作完成了MD-2300S眼科A/B型超声诊断仪的设计与研发工作,该仪器已广泛应用于眼科临床。为弥补眼科临床应用中20 MHz超声波成像深度不足的缺陷,通过采用8位Golay互补序列编码激发超声换能器,回波信息经高速采集和匹配滤波处理后,使用正、反编码扫描线复用的方法,完成解码压缩运算。在确保显示分辨力和几何位置精度一致,且不降低每幅图像的扫描线数和最终成像帧频的前提下,提高图像信噪比和探测深度,从而拓展20 MHz超声波成像在眼科临床中的应用范围。
1 方法
1.1 系统方案设计
系统硬件电路以大规模现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)及USB 3.0接口电路设计为核心,并实现与上位机的通讯。输出编码脉冲时序序列通过电平转换后激励换能器发射20 MHz高频超声波。输出马达驱动时序信号控制步进电机转动,从而带动换能器实现扇形扫描。回波信息经前置放大与模数变换后完成数字化,其增益倍数和采样参数可由上位机通过FPGA进行设定。硬件系统结构如图1所示。
图1 硬件系统结构图Figure 1 Diagram of the hardware system
1.2 编、解码扫描方式
Golay互补编码序列是一种非常理想的编码方式,其没有码长限制,最大优势在于可完全消除旁瓣达到最佳脉冲压缩效果[13]。但由于Golay互补编码序列双次发射的机制,会使每幅图形扫描线线数减少一半。如图2所示,选用8位Golay互补序列,激励超声换能器产生超声波。通过一对Golay正序列编码X1、X2、X3、…、Xn和Golay反序列编码Y1、Y2、Y3、…、Yn依次交替激发单阵元换能器,每一帧图像依次发射2n次超声波信号,形成2n条扫描线。如按照传统的解码方式处理,解码后每帧图像只剩余n条扫描线进行重建,这将严重影响最终的成像效果。因此本文设计中,在每次发射结束后,通过换能器接收每条扫描线上的回波,采用相邻正、反编码扫描线数据复用的方法交替相加,完成解码运算,形成2n-1条回波扫描线Z1~Z2n-1,最终得到扇形的眼部超声波成像,叠加示意图见图3。
图2 扫描线示意图Figure 2 Schematic diagram of scanning lines
图3 相邻扫描线回波叠加的示意图Figure 3 Schematic diagram of echo superposition of adjacent scanning lines
1.3 FPGA的设计与实现
实验中采用大规模现场可编程门阵列FPGA,实现数据的采集、存储与处理。图4为FPGA内部信号流程图,由AD数字采样后的回波信号先进入FPGA进行缓存,信号流随后进入正反码匹配滤波模块进行滤波,由选择器分别在奇数线和偶数线时选择相应的滤波结果。然后每条线的滤波结果由读写使能信号控制4个FIFO缓存的读写时序。从缓存读出的结果两两相加,再由选择器根据不同时序选择输出对应的每条扫描线的结果。