基于DSP的超聲編碼激勵(lì)發(fā)射分析系統(tǒng)

現(xiàn)代超聲醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)采用編碼激勵(lì)脈沖序列來(lái)替代單一脈沖作為發(fā)射信號(hào)[3]，這降低了發(fā)射脈沖的峰值。在接收信號(hào)時(shí)經(jīng)過(guò)相關(guān)解碼電路探測(cè)到人體深部的微弱回波信號(hào)，選擇一組二值自相關(guān)性好的編碼序列(如GOLAY互補(bǔ)序列對(duì))，將其作為超聲編碼激勵(lì)成像系統(tǒng)的發(fā)射編碼，來(lái)達(dá)到提高圖像的信噪比和穿透力，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)超聲圖像的實(shí)時(shí)處理。

本文以GOLAY碼互補(bǔ)序列對(duì)為例研究了基于DSP的超聲編碼激勵(lì)發(fā)射。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明信號(hào)信雜比SCR≈31dB，已經(jīng)滿足醫(yī)學(xué)超聲成像的要求。

1 GOLAY碼互補(bǔ)序列對(duì)

1.1 采用GOLAY互補(bǔ)序列對(duì)模型

GOLAY互補(bǔ)序列對(duì)定義[4]：一對(duì)由兩種元素構(gòu)成的等長(zhǎng)有限序列，且在任何給定間隔下，一個(gè)序列中的相同元素對(duì)的個(gè)數(shù)等于另一個(gè)序列中的相異元素對(duì)的個(gè)數(shù)。數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述如下：設(shè)有一對(duì)長(zhǎng)度相同的有限二相序列A={an}，an∈(+1，-1)，n∈0，1，2，…，N-1和B= {bn}，bn∈(+1，-1)，n∈0，1，2，…，N-1。其非周期自相關(guān)函數(shù)分別為：

則稱序列A和序列B互補(bǔ)，或稱A、B為互補(bǔ)序列。二相互補(bǔ)序列長(zhǎng)度為N必須是偶數(shù)，且為兩個(gè)完全平方數(shù)之和。

1.2 GOLAY互補(bǔ)序列對(duì)自相關(guān)

要發(fā)射的是128位GOLAY碼互補(bǔ)序列對(duì)，設(shè)探頭的中心頻率為5MHz，則GOLAY碼脈寬為100ns，128位需要128×100ns=12.8μs。這里構(gòu)造GOLAY互補(bǔ)對(duì)分別為A、B(各自長(zhǎng)度為128bit)，其自相關(guān)后數(shù)據(jù)圖如圖1所示。

由圖1可以看出，采用GOLAY碼互補(bǔ)序列對(duì)作為發(fā)射激勵(lì)碼，自相關(guān)之后求和，旁瓣已經(jīng)完全消失。其各自的回波自相關(guān)也具有這樣的特性。所以，采用GOLAY碼互補(bǔ)序列對(duì)，其信號(hào)穿透力強(qiáng)，圖像信噪比高。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 采用DSP理論模型

TMS320F2812是TI公司推出的功能強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP芯片。該芯片處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度高，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，如內(nèi)部看門狗、CAN、MCBSP、SCI、ADC、集成Flash等。該處理器芯片主要用于家電產(chǎn)品、工業(yè)控制等高性能的應(yīng)用領(lǐng)域。

本文使用TMS320F2812[5]作為發(fā)射編碼的主控芯片，使用多通道緩沖串口(McBSP[6])完成連續(xù)128位編碼的發(fā)射，并且發(fā)射速率可以隨時(shí)修改，以適應(yīng)不同頻率的超聲探頭(一般探頭有3.5MHz、5MHz等)。編碼通過(guò)DSP的MDXA口發(fā)送到超聲脈沖電壓放大板進(jìn)行電壓放大。放大的電壓送入探頭換能器進(jìn)行電聲轉(zhuǎn)換，超聲在組織內(nèi)的回波被超聲探頭換能器接收進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換，之后信號(hào)進(jìn)行放大并驗(yàn)證波形。
2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)時(shí)鐘為30MHz，因?yàn)門MS320F2812可以工作在150MHz，所以要想全頻率工作，PLL需要5倍頻率，即 30MHz×5=150MHz；JP3為McBSP多引腳，其中用到了MDXA口，其他引腳在該發(fā)射編碼程序中暫且不用。引腳SPICLKA、 SCITXDA、SPISTEA、MDXA還具有跳線設(shè)置功能，只有當(dāng)SCITXDA設(shè)置為高電平，系統(tǒng)從FLASH開(kāi)始執(zhí)行程序。該芯片內(nèi)部集成了看門狗，方便調(diào)試、節(jié)省資源。XMP/MC一般拉地，則該芯片就可認(rèn)為是微計(jì)算機(jī)器狀態(tài)，無(wú)須外擴(kuò)FLASH和RAM。

連續(xù)128位的編碼激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)DSP的MDXA口發(fā)出之后，送入SN75372非門進(jìn)行電壓提升。提升的電壓可以驅(qū)動(dòng)IRFU420 NMOS管，在MOS管源極下拉電阻并在源極處取電壓送入探頭。當(dāng)開(kāi)始產(chǎn)生回波信號(hào)時(shí)，NMOS截止，回波信號(hào)送入運(yùn)算放大器AD8048同向放大，放大倍數(shù)為。為了改善放大部分的波形，在運(yùn)放輸出端加小電容濾波，去除尖銳沿，如圖2。

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 程序設(shè)計(jì)流程描述

DSP編碼發(fā)射程序是在CCS2.0環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的。整個(gè)系統(tǒng)過(guò)程包括程序代碼的編寫、程序調(diào)試以及在線將程序下載到片內(nèi)Flash中。

CCS（Code Composer Studio）是TI開(kāi)發(fā)的一個(gè)完整的DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。由于TI 的DSP使用非常廣泛，使得CCS成為目前使用最為廣泛的DSP開(kāi)發(fā)軟件之一。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3。

2.3.2 回波分析與采集

在超聲成像系統(tǒng)中，若不考慮超聲在介質(zhì)中的衰減，則信號(hào)通道的框圖如圖4所示。其中e（t）是激勵(lì)信號(hào)，p1（t）是發(fā)射換能器的傳遞函數(shù)，u（t）是聲場(chǎng)中的反射函數(shù)，p2（t）是接收換能器的傳遞函數(shù)，n（t）是接收電路的電子噪聲。E（f）、P1（f）、U（f）、P2（f）和N（f）分別是它們的傅立葉變換。

　　超聲回波r（t）可以表示為：

　　r（t）=e（t）×p1（t）×u（t）×p2（t）+n（t）　　　　　　?。?）

醫(yī)學(xué)超聲成像系統(tǒng)的研究中，通常將發(fā)射換能器和接收換能器的傳遞函數(shù)視為一致，即：p1（t）=p２（t）=p（t）。為了簡(jiǎn)化分析，只研究聲場(chǎng)中單一散射子的反射，不考慮接收電路電子噪聲的影響，即：u（t）=δ（t），n（t）=0。因此，式（1）可簡(jiǎn)化為：r（t）=e（t）×p（t）×δ（t）。

圖5為分貝表示的壓縮脈沖包絡(luò)。從圖5可以看出，采用編碼激勵(lì)超聲脈沖發(fā)射方式，其信噪已經(jīng)滿足了醫(yī)學(xué)超聲成像的要求。

本文采用GOLAY碼互補(bǔ)序列對(duì)作為發(fā)射編碼激勵(lì)脈沖，使用DSP2812實(shí)現(xiàn)編碼的發(fā)射，使用MOS進(jìn)行電壓放大。因?yàn)榛夭ㄐ盘?hào)很小，所以進(jìn)行增益補(bǔ)償放大。整個(gè)過(guò)程包括DSP板和發(fā)射電壓放大及回波信號(hào)放大，在CCS2.0軟件下編制和調(diào)試，具體的時(shí)序調(diào)試需匹配好，以便正確發(fā)射。在工程應(yīng)用中要注意每次編碼發(fā)射之后的空閑循環(huán)時(shí)間與幀頻、每幀線數(shù)搭配。采集的回波信號(hào)在MATLAB中展開(kāi)，并在MATLAB中進(jìn)行編碼壓縮和求和。