現(xiàn)代超聲醫(yī)學(xué)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(bǔ)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(dá)到提高圖像的信噪比和穿透力,，實(shí)現(xiàn)動態(tài)超聲圖像的實(shí)時處理。

本文以GOLAY碼互補(bǔ)序列對為例研究了基于DSP的超聲編碼激勵發(fā)射,。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明信號信雜比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

1.1 采用GOLAY互補(bǔ)序列對模型

GOLAY互補(bǔ)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(xué)語言描述如下：設(shè)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(bǔ),，或稱A,、B為互補(bǔ)序列。二相互補(bǔ)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(bǔ)序列對自相關(guān)

要發(fā)射的是128位GOLAY碼互補(bǔ)序列對，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(bǔ)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(bǔ)序列對，其信號穿透力強(qiáng),，圖像信噪比高,。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

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,，之后信號進(jìn)行放大并驗(yàn)證波形。
2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)時鐘為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)為是微計算機(jī)器狀態(tài)，無須外擴(kuò)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(jìn)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(dāng)開始產(chǎn)生回波信號時，NMOS截止,，回波信號送入運(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

2.3.1 程序設(shè)計流程描述

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(shè)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,。

　　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(luò),。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(xué)超聲成像的要求,。

本文采用GOLAY碼互補(bǔ)序列對作為發(fā)射編碼激勵脈沖,，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盘柡苄?，所以進(jìn)行增益補(bǔ)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(yīng)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(jìn)行編碼壓縮和求和。