摘 要： 以GOLAY碼互補(bǔ)序列為例，研究了超聲編碼激勵(lì)的原理和優(yōu)點(diǎn),。采用TI的TMS320F2812 DSP芯片，把預(yù)先編制好的GOLAY碼脈沖序列存儲(chǔ)在DSP芯片的FLASH中，通過(guò)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(dòng)MOS管信號(hào)放大后直接加載在超聲探頭上，回波信號(hào)增益采集,；最后,，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖壓縮及求和。
關(guān)鍵詞： Golay互補(bǔ)序列對(duì) DSP MOS McBSP 超聲換能器
傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)超聲成像" title="醫(yī)學(xué)超聲成像">醫(yī)學(xué)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(xiàn)性制約,。因此,，傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)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(xué)成像系統(tǒng)" title="成像系統(tǒng)">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(mǎn)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(chēng)序列A和序列B互補(bǔ)，或稱(chēng)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(mén)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(mén)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(xiàn)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(mén)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(mén)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[8]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(xiě),、程序調(diào)試以及在線(xiàn)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[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(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(mǎn)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(xiàn)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,。
參考文獻(xiàn)
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