编码激励与脉冲压缩在超声测血流中的应用

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1、编码激励与脉冲压缩在超声测血流中的应用张仁富阔永红张仁富先生，西安电子科技大学通信工程学院硕士，时任深圳理邦精密仪器有限公司实习工程师；阔永红女士，博士、硕士生导师。一概述传统的测量血流的方法是超声多普勒法，包括连续多普勒(CW)和脉冲多普勒(PW)。CW系统没有距离选择性，不能确定血管的位置。PW系统能够测量特定深度的血管，但是在PW系统中存在着最大测量距离和最大可能测量速度之间的矛盾，而且发射信号的峰值与平均功率之比很大，这样就可能引起空化效应，平均功率小，信噪比差。编码激励与脉冲压缩技术在雷达系统的应用已经有50年之久了，但被成功地引用到超声测量中只是

2、近五年的事。超声与雷达系统的一个主要的区别是传输的介质不同，这样适应雷达系统的理论在超声系统中就不一定适应了。经过近几年的研究，很多问题已经得到解决，如宽带超声换能器的研制等。这样脉冲压缩技术在超声系统中的应用已经成为可能，且大大提高了系统的性能，解决了传统测量方法所不能解决的问题。1.信噪比的考虑在超声测量系统中，信噪比(SNR)是决定测量质量的一个非常重要的因素。根据超声理论，信噪比与超声换能器发射的平均功率成正比。而在脉冲多普勒系统中，超声发射的占空比非常小。而为了防止超声的空化效应和热效应对人体可能造成的损害，医学超声系统中的超声发射的峰值功率和平均

3、功率被严格的限定。这样光靠增加峰值功率来提高信噪比是有局限性的。如图1的编码激励，通过在发射端发射一个经过编码后的脉冲，这个脉冲与传统的发射脉冲相比持续时间会大大的加长。这样在相同的峰值功率下，由于后者增加了发射的持续时间从而增加了发射功率，提高了信噪比。在接收端，有一个跟编码激励相对应的过程叫脉冲压缩，把接收到的信号再压缩回去。2.分辨率的考虑在脉冲多普勒系统中，脉冲的持续时间为τ，脉冲周期为T。τ越长，频谱宽度越短，则速度分辨率越好，当τ为无穷长时就变成CW了，连续多普勒能够测量任意速度的血流信号；但τ越大距离分辨力越差，脉冲多普勒系统的最大测量距离Sm

4、ax和最大可能测量速度vmax之间的关系是：2CSmax×vmax≤(1)8fcosθ0其中c为超声在组织中的传播速度，f0为载波频率，θ为超声波束与血流方向之间的夹角。从(1)式可以看出，传统的脉冲多普勒系统的距离和速度两者的分辨力是一对矛盾。编码激励与脉冲压缩技术能够达到：像短脉冲一样的高目标距离分辨率，像长脉冲一样的高目标速度分辨率。二脉冲压缩的原理所谓的脉冲压缩处理也就是匹配滤波。图2中，B在发射端用四位的Barker码对发射信号进行编码，接收的时候，用匹配滤波器对接收到的信号进行匹配接收，这样从输出的结果可以看出信号的能量主要集中在很短的一码位内，

5、从此可见，信号被“压缩”了，从四个码位的信号压缩成一个码位的信号。这样在超声测血流系统中，在发射的时候可以发射一个比较长的被编码的信号，然后在接收端进行脉冲压缩后再解调多普勒频偏，这个可以很大程度地提高发射平均功率，增加信噪比，且提高了最大可测量距离；同时又在接收端进行脉冲压缩，使信号的时域持续时间变短，从而保证有高的速度分辨率。在脉冲压缩技术中有一个非常重要的参数时间—带宽积TB，其中T是发射脉冲的时域长度，B是发射脉冲的频域宽度。一般情况下TB>>1，在雷达系统中TB≥100，但是在超声测量系统中，这个值要小得多，在50以下。由匹配滤波理论，有文献推导出

6、脉冲压缩系统输出在理想情况下信噪比的改善为SNRoutGSNR==TB。这样系统可以提高10~20dB的增益。SNRin三系统原理根据上述原理可以画出系统框图如图3。假设框图中的码是m序列，它是由n级线性反馈寄存器产生，其值应满足关系N－2n－1。N为序列的周期。其自相关函数为：R(t)=Σx(t)·x(t-τ)⎧τN+1⎪1-⋅τ<Δt⎪ΔtN=⎨⎪1-τ>Δt⎪⎩N振荡器产生高频正弦波sinω0t，它编码序列被调制成发射信号fe(t)fe(t)=M(t)sinω0t当信号遇到第i个散射目标后返回到接收探头的时间设为(t-τi)，接收探头的回波信号就可写成

7、：Nfr(t)=∑A(iMt-τi)sin[(ω0+ωi)(t-τi)]i=1式中ωi为第i个目标的多普勒频移。用作相关器解调的m序列经延迟τk后为M(t-τi)，解调后，信号就可写成Nfd(t)=∑A(iMt-τi)M(t-τi)sin[(ω0+ωi)]i=1由m序列自相关函数的性质可知：Nfd(t)=∑A(iMt-τi)M(t-τi)sin[(ω0+ωi)]i=1n1=Aksin[(ω0+ωk)(t-τk)]-∑Aisin[(ω0+ωi)(t-τi)]Ni=1如果序列的N值相当大，则上式第二项可略去，即fd(t)=Aksin[(ω0+ωk)(t-τk)]

8、这样，调节延迟时间tk，就可选择不同深度的运动目标。