摘 要： 以GOLAY碼互補序列為例，研究了超聲編碼激勵的原理和優(yōu)點。采用TI的TMS320F2812 DSP芯片，把預先編制好的GOLAY碼脈沖序列存儲在DSP芯片的FLASH中，通過DSP的McBSP多通道緩沖串口把編碼脈沖發(fā)送給電壓放大器，驅(qū)動MOS管信號放大后直接加載在超聲探頭上，回波信號增益采集；最后，對采集到的數(shù)據(jù)進行脈沖壓縮及求和。
關(guān)鍵詞： Golay互補序列對 DSP MOS McBSP 超聲換能器
傳統(tǒng)醫(yī)學超聲成像" title="醫(yī)學超聲成像">醫(yī)學超聲成像系統(tǒng)通常采用單一脈沖波[1][2]，為了獲取高的信噪比" title="信噪比">信噪比，需要提高發(fā)射的脈沖峰值功率，這樣就受到安全診斷閾值的限制及超聲換能器" title="換能器">換能器非線性制約。因此，傳統(tǒng)的醫(yī)學超聲系統(tǒng)存在脈沖峰值功率高、信噪比差、穿透力弱等缺陷。
現(xiàn)代超聲醫(yī)學成像系統(tǒng)" title="成像系統(tǒng)">成像系統(tǒng)采用編碼激勵脈沖序列來替代單一脈沖作為發(fā)射信號[3]，這降低了發(fā)射脈沖的峰值。在接收信號時經(jīng)過相關(guān)解碼電路探測到人體深部的微弱回波信號，選擇一組二值自相關(guān)性好的編碼序列(如GOLAY互補序列對)，將其作為超聲編碼激勵成像系統(tǒng)的發(fā)射編碼，來達到提高圖像的信噪比和穿透力，實現(xiàn)動態(tài)超聲圖像的實時處理。
本文以GOLAY碼互補序列對為例研究了基于DSP的超聲編碼激勵發(fā)射。實驗數(shù)據(jù)表明信號信雜比SCR≈31dB，已經(jīng)滿足醫(yī)學超聲成像的要求。
1 GOLAY碼互補序列對
1.1 采用GOLAY互補序列對模型
GOLAY互補序列對定義[4]：一對由兩種元素構(gòu)成的等長有限序列，且在任何給定間隔下，一個序列中的相同元素對的個數(shù)等于另一個序列中的相異元素對的個數(shù)。數(shù)學語言描述如下：設有一對長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，或稱A、B為互補序列。二相互補序列長度為N必須是偶數(shù)，且為兩個完全平方數(shù)之和。
1.2 GOLAY互補序列對自相關(guān)
要發(fā)射的是128位GOLAY碼互補序列對，設探頭的中心頻率為5MHz，則GOLAY碼脈寬為100ns，128位需要128×100ns=12.8μs。這里構(gòu)造GOLAY互補對分別為A、B(各自長度為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碼互補序列對作為發(fā)射激勵碼，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碼互補序列對，其信號穿透力強，圖像信噪比高。
2 系統(tǒng)整體設計
2.1 采用DSP理論模型
TMS320F2812是TI公司推出的功能強大的32位定點DSP芯片。該芯片處理能力強、運算速度高，具有豐富的片內(nèi)外設，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)射速率可以隨時修改，以適應不同頻率的超聲探頭(一般探頭有3.5MHz、5MHz等)。編碼通過DSP的MDXA口發(fā)送到超聲脈沖電壓放大板進行電壓放大。放大的電壓送入探頭換能器進行電聲轉(zhuǎn)換，超聲在組織內(nèi)的回波被超聲探頭換能器接收進行聲電轉(zhuǎn)換，之后信號進行放大并驗證波形。
2.2 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)時鐘為30MHz，因為TMS320F2812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還具有跳線設置功能，只有當SCITXDA設置為高電平，系統(tǒng)從FLASH開始執(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，則該芯片就可認為是微計算機器狀態(tài)，無須外擴FLASH和RAM。
連續(xù)128位的編碼激勵信號經(jīng)過DSP的MDXA口發(fā)出之后，送入SN75372非門進行電壓提升。提升的電壓可以驅(qū)動IRFU420 NMOS管，在MOS管源極下拉電阻并在源極處取電壓送入探頭。當開始產(chǎn)生回波信號時，NMOS截止，回波信號送入運算放大器AD8048[8]同向放大，放大倍數(shù)為
。為了改善放大部分的波形，在運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)設計
2.3.1 程序設計流程描述
DSP編碼發(fā)射程序是在CCS2.0環(huán)境下實現(xiàn)的。整個系統(tǒng)過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開發(fā)的一個完整的DSP集成開發(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開發(fā)軟件之一。程序設計流程圖如圖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，則信號通道的框圖如圖4所示。其中e(t)是激勵信號，p1(t)是發(fā)射換能器的傳遞函數(shù)，u(t)是聲場中的反射函數(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[8]。
超聲回波r(t)可以表示為：
r(t)=e(t)×p1(t)×u(t)×p2(t)+n(t) (1)
醫(yī)學超聲成像系統(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)。為了簡化分析，只研究聲場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)可簡化為：r(t)=e(t)×p(t)×δ(t)。
圖5為分貝表示的壓縮脈沖包絡。從圖5可以看出，采用編碼激勵超聲脈沖發(fā)射方式，其信噪已經(jīng)滿足了醫(yī)學超聲成像的要求。
本文采用GOLAY碼互補序列對作為發(fā)射編碼激勵脈沖，使用DSP2812實現(xiàn)編碼的發(fā)射，使用MOS進行電壓放大。因為回波信號很小，所以進行增益補償放大。整個過程包括DSP板和發(fā)射電壓放大及回波信號放大，在CCS2.0軟件下編制和調(diào)試，具體的時序調(diào)試需匹配好，以便正確發(fā)射。在工程應用中要注意每次編碼發(fā)射之后的空閑循環(huán)時間與幀頻、每幀線數(shù)搭配。采集的回波信號在MATLAB中展開，并在MATLAB中進行編碼壓縮和求和。
參考文獻
[1] NAHAMOO D，KAK A C.Ultrasonic echo imaging with pesdu-random and? pulsed sources：acomparative study. Ultrasonic Imaging，1981，(3)：1-36.
[2] 關(guān)力勛，雷紀勝.超聲診斷儀原理和維護[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，1982.
[3] N.AH.K.Rao.Investigation of pulse compression technique for medical ultrasound：A smulation study.med.biol.Eng.comp，1994，32(2)：181-188.
[4] GOLAY M J.Complementary series? IRE trans Inform? Theory[J].1961，IT-7：82-87.
[5] TMS320F2812.Data Sheet. Texas Instruments，2001.
[6] TMS320F28x Multichannel Buffered Serial? Port(McBSP). Peripheral Reference Guide，2002.
[7] SN75372.Data Sheet.Texas Instruments，1986.
[8] AD8048.DataSheet.Analog device，1995.
[9] 彭旗宇．數(shù)字化醫(yī)學超聲成像方法的研究（清華大學博士學位論文）[D].北京：清華大學，2003.