全数字黑白超声与彩色血流成像

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1、全数字黑白超声与彩色血流成像【作者】刘兴仁，宋成利，尹红健上海理工大学医疗器械与食品学院（上海200093）【摘要】近年来，国外彩色血流成像超声诊断仪（简称彩超）在技术上取得了较大的进展，几乎都进入了全数字领域，这主要得益于电子技术和集成电路的飞速发展，虽然国内的一些知名厂商投入了大量的研究工作并且有些机型已投放市场，但核心技术的掌握程度及产品的性能与进口产品相比还有较大的差距；相比之下，国内的全数字黑白超声技术则比较成熟，有大量产品投放到市场；本文通过对比彩超与全数字黑白超声的主要技术原理，试图阐述一种基于全数字黑白超声框架初步实

2、现彩色血流成像的方法。【关键词】全数字；黑白超声；多普勒；彩色血流一、全数字黑白超声  （一）系统简述全数字黑白超声技术是模拟黑白超声在电子技术特别是大规模集成电路发展到一定阶段才开始出现的，属于脉冲回波成像技术。两者都是数字控制单元通过数字发射单元给每个通道（总的通道数量对应换能器阵列中形成一条波束需要参与工作的基元数量）一定宽度的脉冲信号，经放大后转换成高压脉冲信号，再经过高压选择电路连接到换能器，换能器将高压脉冲能量转化为一定频率的声波进入人体组织，从人体组织返回的声波经过换能器逆变换转化为回波小信号，送给接收电路。声波在人体

3、组织中衰减很快，衰减系数可用分贝值来表示，与距离和频率的乘积成正比，致使人体表面返回信号的幅度远远大于深部组织。为了解决这一问题，必须使用TGC（时间增益补偿）电路，这是超声应用的关键点。要形成数字控制单元使用的超声数据，模拟超声主要依次经过低噪声前置放大、整序、可变孔径、延时聚焦、TGC、选频（动态滤波）、对数压缩、PGA（可编程增益放大）、检波、低通滤波（LPF）、ADC（模数转换）等处理过程，对于数字超声来说，虽然处理过程的本质都一样，但实现方法是有很大差别的，数字超声技术的原理框架如图1。数字控制单元在人机交互界面的控制下，

4、将超声数据经过一定的变换，和其它信息一起送往显示器以灰阶显示，称为B模式图像，或者以特定的格式送往其它外部接口。回波小信号选频初始延时前置放大检波动态延时TGC对数压缩动态孔径PGA数据抽取通道求和空间滤波ADC灰阶数据图1.全数字黑白超声原理框架图1分为左中右三部分，左边的内容统称为模拟前端（AFE），已经可以使用专用集成电路来实现，中间和右边的内容分别统称为数字波束形成、数字波束处理，后两部分是全数字超声的核心，一般都用现场可编程门阵列（FPGA）来实现，由于FPGA容量和扩展功能的不断增加，数字发射单元和大部分数字控制单元的内

5、容都可用它来实现。全数字超声的ADC在检波之前紧靠TGC之后，需要将模拟载波信号进行数字量化，使得采样频率高，相应的数字处理复杂，需要的逻辑资源数量很大，模拟超声的ADC在检波之后，采样的是通过检波去除了载波的模拟包络信号，采样频率低，对ADC的性能要求不高，这是两者的根本区别。（二）主要技术    1.数字波束形成。机械扇扫探头只有一个基元，图像质量很差，已经很少见到，一般超声产品的探头（换能器）都是由很多基元构成的，如64、80、128、256甚至更多，为了提高图像质量，产生一条扫描线需要较多的基元，但为了节约成本，一般也不使用

6、全部的基元，而是使用相应的通道数，然后通过高压选择电路连接到换能器，另一方面，为了获得较好的分辨率，对每个通道的超声波要给予不同的延时进行发射聚焦，相应地，对返回来的小信号进行一定处理之后也要进行接收聚焦，这就是需要整序和延时聚焦的原因，在全数字超声技术中，延时聚焦用初始延时和动态延时来实现，动态延时是指每隔一定时间再进行一次微小的延时调整，能够达到全程动态聚焦的效果，优于模拟超声。这些通道的声场叠加形成一条波束，在声场叠加过程中，越是偏离中心基元位置的通道，其指向性越差，贡献也就越小，因此要对每个通道乘以不同的加权系数，称之为动态

7、孔径。整序贯穿在初始延时、动态延时、动态孔径每个处理过程，这一点不同于模拟超声。通道求和是把动态孔径处理后的每个通道信号直接相加。   2.数字波束处理。波束形成通道求和产生的数据进入数字波束处理过程。黑白超声的发射激励大都是一个或两个矩形脉冲，或者近似正弦波脉冲，都是宽带信号，换能器基元产生的声波也是以特征频率（Fosc）为中心的具有一定范围的宽带信号，比如中心频率3.5MHz带宽60%的探头，产生的声波频率范围主要集中在2.45MHz～4.05MHz，而不同频率的成分经过人体组织返回到换能器后其衰减程度也是不一样的，因此首先就要

8、进行选频，即动态滤波，滤波器的系数随着时间的变化而改变，达到选频目的，靠近换能器的时间段为高频信号有效，越往深部组织，有效信号的频率越低。同模拟超声一样，检波的目的是去除载波频率。对数压缩目的是把检波输出数据的动态范围压缩到后处理或显