编码激励技术在医学超声内窥镜系统中的实现

说明：1、图9和图10是从示波器直接采集的，无法进行放大处理，它们坐标轴的定义和幅度在图的顶部。2、图11为Matlab仿真的结果，其坐标的大小没有实际意义。修稿细节：1、更换图7。2、在文中添加了图9，图10和图11坐标轴的说明。3、修改了参考文献[4]和[8]的作者。编码激励技术在医学超声内窥镜中的设计与实现*陈晓冬△，温世杰，周浩，郁道银（天津大学精密仪器与光电子工程学院，光电信息技术科学教育部重点实验室，天津300072）摘要：为了提高医学超声内窥镜系统的探测深度和成像质量，将广泛应用于雷达系统的编码激励技术引入到超声成像系统中，采用编码脉冲信号激励超声换能器，以增加超声发射功率，提高回波信号信噪比。本文首先分析了编码激励的原理和超声换能器的暂态工作特性，然后在此基础上，设计并实现了超声信号的4位Barker编码脉冲发射。实验中，激发电路输出的编码激励信号与超声换能器的暂态工作特性吻合；玻璃杯壁的反射超声回波信号，具备编码特征，与Matlab仿真结果相同，且幅度较强。关键词：编码激励；超声换能器；超声内窥镜；发射电路TheDesignandImplementationofcodedexcitationinUltrasonicEndoscopeSystemCHENXiaodong,WENShijie,ZhouHao,YUDaoyin(CollegeofPrecisionInstrument&Opto-electronicEngineering,TianjinUniversity,Opto-electronicInformationScienceandTechnologyLaboratory，MinistryofEducation,Tianjin300072,China)Abstract:Inordertoincreasedetectingdepthandimagingqualityofthemedicalultrasonicendoscope,weintroducedthecodedexcitationtechniqueintotheultrasonicimagingsystem,whichiswidelyusedinradarsystem.TheultrasonictransducerisdrivenbyacodedpulsetoincreaseemissionpowerandSNRofultrasonicecho.Inthispaper,weintroducedtheprincipleofcodedexcitationandthetransientoperatingcharacteristicofultrasonictransducerfirstly.Then,wedesignedandimplementedthe4-bitBarkercodedpulsetransmittingofultrasonicsignal.Intheexperiment,thecodedexcitationpulseoutputedbythetransmittingcircuitisconsistentwiththetransientoperatingcharacteristicofultrasonictransducer.Andthereflectedultrasonicechofromtheglasswallpossessesthecharacterof4-bitBarkercode,whichisidenticalwiththesimulatingresultbyMatlab.Furthermore,thesignal’s*资助：教育部重点项目“医用超声内窥镜关键技术及数字化研究（106048）”；863专项“医学超声电子内窥镜的研制（2007AA04Z339）”△通讯作者。E-mail:[e-mail]:codedexcitation;transducer;ultrasonicendoscope;ultrasonicsignal1引言医学超声内窥镜是内窥镜技术与超声传感技术、微机电技术、现代计算机技术等高新技术不断发展、融合的产物，是当前应用前景非常广阔的医疗仪器[1]。本课题组设计的用于检查胃部病灶的超声内窥镜，将微型超声探头通过电子内窥镜的活检钳道送入人体，由前置微型电机驱动超声换能器旋转[2]，进行超声扫描，获得胃壁各个断层的组织学特征，这样能够较早的发现组织病变。与体外超声相比，探头与器官间距离短，避免了脂肪、体腔内气体对成像的影响，获得的图像信息要比体表上获得的扫描信息详细、准确，其诊疗优势已为医学界所共识。为了保证微型超声探头能够顺利的通过电子内窥镜的活检钳道进入体内，探头的直径要求不超过2.2mm，不可弯曲长度不超过14mm。这样使得超声换能器的发射面积很小，从而导致超声发射功率较小。此外，传统的脉冲回波系统，激发效率低，且激励电压已接近允许的最大值[2,3]，这样就进一步限制了超声信号的发射功率。而广泛应用于雷达系统的编码激励技术，能够在不改变激励电压的前提下，增强超声信号的发射功率和信噪比[4]，进而提高超声内窥镜的检测深度和成像质量。本文具体分析了编码激励的原理[5,6]和超声换能器的工作特性[7]，并在此基础上实现了超声信号的编码发射。编码激励电路采用专用超声发射芯片输出高压编码激励信号，并通过并联电感实现换能器的电学匹配，达到了提高发射效率的目的。实验采集的玻璃杯壁反射回波信号，具备编码特征，与软件仿真结果相同，且回波幅度较强。2超声内窥镜成像系统超声内窥镜成像系统的原理如图1所示。超声探头从直径仅为2.8mm的电子内窥镜的活检钳道伸出，并由前置微型电机驱动超声换能器旋转，实现扫描成像。超声探头通过连接电缆与外部超声信号处理系统相连，实现超声波的激发与接收。超声内窥镜系统采用B型成像方式，用回波脉冲的幅度调制显示亮度。Handle90°CodedexcitationEchoprocessingDisplayUltrasonicsignalprocessingsystemBiopsychannelUltrasonicprobeUltrasoundElectronicendoscopeΦ2.8mm图1超声内窥镜成像系统原理图Fig.1Sketchofultrasonicendoscopesystem由于受超声探头尺寸的限制，超声换能器的发射功率很小，激发的超声波能量小、信噪比低，影响系统探测深度和成像质量。因此，如何有效的提高超声波的能量成为系统设计的关键。3编码激励作为一种已广泛应用于雷达系统的成像技术，编码激励能够在不提高激励电压的情况下，显著的增强超声信号的能量，同时不降低系统纵向分辨率，其成像原理[8]如图2所示。CodeEmissioncircuitReceivingcircuitPulsecompressionProbeA/D图2编码激励成像原理图Fig.2Schematicdiagramofcodedexcitationsystem与传统的单脉冲激励不同，编码激励采用一串长脉冲激励换能器，激发的超声信号为一个长脉冲，如图3所示。由于激励信号的持续时间远长于超声换能器的脉冲响应时间，因而可以增加超声信号携带的能量。编码激励的反射回波也为一个长脉冲，这样，大大降低了系统的纵向分辨率，因此需对其进行脉冲压缩，以获得与单脉冲激励相同的纵向分辨率，同时提高回波信号的信噪比。SinglepulseexcitationCodedexcitation图3单脉冲激励与编码激励的不同Fig.3Differencebetweensinglepulseexcitationandcodedexcitation超声内窥镜主要用于胃部病变的检查，而胃壁各层的平均厚度约为0.8mm，为了防止相邻反射面的超声回波发生混叠，编码激励的脉冲不能太长。根据超声在人体软组织中的传播速度1540m/s和超声换能器的中心频率5MHz，我们采用4位Barker（＋1＋1＋1－1）码作为编码激励脉冲。此外，为了进一步提高发射效率，使发射码的能量主要集中在换能器的带宽范围内，需要对激励码进行调制[9,10]，即采用正负脉冲构成单个码元，并使单个码元的长度为换能器中心频率的倒数。图4为调制后的激励码，其中前三组正负脉冲构成4位Barker码的前三位，最后一组负正脉冲构成4位Barker码的最后一位。调制后的编码脉冲，其能量主要集中在换能器中心频率附近的频带内。xy1/f图44位调制Barker码Fig.4Demodulated4-bitBarkercode4换能器工作特性超声换能器作为超声内窥镜的检测元件，分析其在检测过程中的暂态信号传输特性，并进而掌握检测超声信号的特征，对实现编码激励有着至关重要的作用[7]。压电超声换能器的换能原理如图5所示，图中RB、RT、RF分别为背衬、压电片和负载的声阻抗率。薄压电片在厚度方向加电场时，由于表面处电场不连续，形成表面换能，做双面辐射。从图5中可以看出，当在压电片上加一个电脉冲时，在压电片的两个表面同时产生4个声脉冲，两个是由晶片表面向外辐射，两个是从晶片表面向内辐射。通常规定向晶片外辐射为正，向晶片内辐射为负。l()VtBackingPZTLoadBRTRFR图5换能器换能原理图Fig.5TransducingofultrasonictransducerBRTRFRlt()FPt021345678234()BPt图6表面换能器辐射脉冲Fig.6Excitatedpulsesbyultrasonictransducer假设电激励脉冲为冲击函数δ(t)，激励电压为V，作用于换能器产生的超声波辐射如图6所示。在0时刻，换能器的前后表面产生向晶片内和晶片外辐射的4个脉冲。向内辐射的两个超声脉冲在晶片内传播到对面的表面时，还将产生反射和透射，如此反复，就在负载和背衬内产生了有一定周期的超声脉冲序列。而背衬通常为高吸声材料，这样，就只在负载中形成超声脉冲序列，保证了换能器的单面辐射特性。在负载中传播的相邻脉冲，位相相反，时间相差Tvl，其中，l为压电片的厚度，vT为压电片内的声速，τ为声波在压电片内的传播时间。换能器的接收暂态特性可近似认为与发射一样，因此，收发一体换能器的超声波发射与接收可用同一个函数表示。根据信号与系统的原理，不同电激励脉冲所激发的超声波脉冲可表示为激励信号与换能器冲击响应函数的卷积，这样，在超声内窥镜系统中，由同一个换能器激发并接收的回波信号可表示为：)()()()(tPtPtVtPFF(1)其中，V(t)为激励信号，PF(t)为换能器的冲击响应函数，两次卷积分别表示发射与接收过程。5编码激励电路INA1INB1HVoutVLLVDDVPPVNN18765432MD121132156784TC6320FPGAINA2INB2VLLVDD18765432MD121132156784TC6320U1U4U3U2C1C2C3C4D3D4D1D2CodegenerationPowerAmplifierLRTransducer图7编码激励电路原理图Fig.7Sketchofcodedexcitationcircuit系统选用的编码激励电路如图7所示。利用FPGA的可编程性，生成要发射的编码信号，并驱动MD1211；MD1211通过内部电平转换电路，将FPGA输出的3.3V编码信号，转换成同样码型的5V编码信号，以驱动专用超声发射芯片TC6320；TC6320的内部互补N、P沟道根据编码信号轮流导通，产生高压编码激励脉冲。图7中的电阻R和电感L为匹配电路[11]，其目的是提高编码激励效率。反射回波经换能器接收后，由放大电路采集。6实验结果及分析实验中，超声换能器的中心频率为5MHz，带宽为1MHz。FPGA在20MHz的系统时钟驱动下，输出5MHz编码信号，并驱动编码激励电路输出±20V的编码激励信号。Mo