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，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。
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示器的动态范围。
虽然已经去除了载波频率，对数压缩输出数据的传输频率仍然很高，但数据本身已经是频率很低的包络信号，基本在1KHz以下，后处理或显示也没有办法适应高传输频率的数据，因此要进行数据抽取，最后进行空间滤波，也可包括时间滤波，采用低通滤波器（LPF）设计，滤除高频信号和比较尖锐的噪声信号，使最终产生的图像比较柔和。
二、彩色血流成像（一）系统简述黑白超声的探测对象是人体组织或慢速运动器官返回的超声波转化为电信号的幅度信息，其动态范围一般在80-100DB，由血流返回的电信号幅度更小，比组织器官要低40DB-60DB，因此黑白超的处理技术是没有办法检测到血流的，只能看到血管壁，血管内的血流显示为底噪声或更暗的黑底色。
彩色血流成像（CFI）是在黑白超声的感兴趣区域应用多普勒技术探测血管内各点的血流速度的大小和方向，进行显示，以判断血流是否正常，因此它是脉冲回波成像技术和多普勒成像技术的结合。
根据多普勒原理，声源产生的声波遇到运动物体后，返回的声波频率将会发生一定的变化，如果运动物体向着声源运动，则频率升高，反之则频率降低，使用一定的方法从回波幅度信息中提取出改变的频移量，用来估算速度，并用一定的颜色和亮度显示，比如红色表示血流朝向探头流动，蓝色表示血流背向探头流动，速度越大则颜色越深，这些就是用多普勒技术研究彩色血流成像的主要手段。
多普勒技术分为连续波多普勒（CW）和脉冲波多普勒（PW）。
CW是指从一个基元连续发射某一频率的正弦波，从另一个基元接收回波信号，检测出回波信号的频移，由于没有距离分辨能力和速度限制，可以检测高速血流，现在已经很少见到单独的CW设备。
PW是指从一个基元按一定重复频率（PRF）发射某一脉冲宽度的激励波形，脉冲宽度远远小于重复周期，使用同一个基元接收回波信号，有距离分辨能力，这些特性类似脉冲回波成像技术，因为发射完成之后要迅速切换到接收状态，所以要求换能器基元具有较高的阻尼，但同时也降低了灵敏度。
在每个重复周期中，PW选择一定时间长度的信号，对这些信号进行多普勒处理，检测频移，这个时间长度称之为GATE，也称距离选通门时间，该时间一般是发射脉冲宽度时间的几倍，GATE和发射脉冲宽度之和乘以二分之一声速称为采样容积长度，为了获得好的距离分辨率，应当使该时间等于发射脉冲宽度时间。
根据GATE和发射脉冲之间的延时，可以确定探测距离。
从一个采样容积的大量的回波数据中进行频移检测，然后采用快速傅里叶变换（FFT）作为分析工具，将频率信息（包含方向信息）以频谱图（也称声图）的方式进行显示，称为频谱多普勒成像，也可供后续处理进行轮廓检测、包络分析等，这是PW的主要任务，当然也很耗费资源，需要大量的数据运算，因此不可能对多个采样容积同时处理及实时显示。
在PW中，PRF是个很重要的指标，根据奈奎斯特采样定理，检测到的最大频移是PRF的一半，它对应了最大检测速度，如果要提高最大检测速度，PRF就必须提高，但同时也会带来探测深度的降低，因此PRF和最大检测速度是矛盾的，但两者的乘积是一个与Fosc相关的常数。
由于PRF的限制，PW只能用来检测低速血流。
彩色血流成像实际上是在B图像中选择一定宽度和深度的感兴趣区域进行多普勒处理，做简单的频谱分析，检测血流速度的大小和方向，求出方差（也称带宽），如果某一点存在血流则显示速度信息，否则该点就显示脉冲回波信息（灰阶信息），这个判断过程称为优先编码。
要完成速度检测，一般需要对同一个波束连续发射3-16次，通常取8次。
血液主要包括血浆和血细胞，对多普勒频移的主要贡献是血细胞中的红细胞对超声波的散射，如果把彩色血流成像中某一点的血流速度信息改为血流能量信息，不关心速度方向，只关心多普勒能量，实际上表示了血管内红细胞的数量或密度，则称之为能量多普勒成像。
一个完整的彩色血流成像系统包括B模式图像、血流速度成像、频谱多普勒成像、能量多普勒成像，在这里对后两者不做更多的介绍。
（二）主要技术1.正交解调和速度评估。
由于FFT不能达到实时要求，CFI的速度检测必须采取另外的方法，这些方法从类型上分为两种，一种是窄带方法，也称相位域（PD）方法，另一种是宽带方法，也称时域（TD）方法。
PD方法是从同一个点的两次采样数据（每个PRF对同一个点采样一次）中求出相位变化，然后转变为频率，再进行速度评估；一般用正交解调的方法产生实部和虚部，再用它们方便地求出相位。
正交解调是将输入信号分别乘以正弦和余弦函数，产生相差为90度的两个信号，再通过低通滤波产生实部和虚部。
TD方法是把一个采样容积内的数据和前一个PRF对应时间的数据进行比较，通过这些数据寻找一种被称为交叉相关函数的最大值来找出时间偏差，计算目标物体的运动，进行速度评估，因此TD方法不需要正交解调。
由于TD方法利用采样容积内的数据特性找出时间偏差，而不是两次采样容积之间的同一点数据的相位偏移，因此TD方法不受PRF的限制，可以检测较高速度的血流，如果要检测更高速度的血流，还是要使用CW。
在PD方法中进行速度评估主要采取自相关（ACE）技术，在TD方法中进行速度评估主要采取交叉相关（CCE）技术。
PD方法的原理框架如图2，TD方法的原理框架如图3.2.静态回波消除器。
简称DLC。
由于回波信号中既有来自于静止或类似静止的组织器官的强反射信号，也有来自于运动血流的微弱散射信号，必须要想办法去除强反射信号，静态回波消除器用来达到这种目的。
实际上，静态回波消除器的概念也就是常说的壁滤波器，它用当前信号减去前一个PRF对应的信号，从而消除了静止物体的信号，而运动物体的信号是变化的，从而得以保留下来。
3.优先编码。
显示速度信号还是灰阶信号的判定称为优先编码，实际上，这是人为抑制过程，因为两者是重叠显示的，只能选其一。
常使用的判定阈值包括：多普勒信号幅度阈值、速度阈值、最大回波强度阈值、多普勒带宽阈值。
速度信息图2. PD方法原理框架速度信息图3. TD方法原理框架三、结语从上述内容可以看出，CFI只是将图1中的波束处理部分变为多普勒处理的速度检测，然后供数字控制单元根据优先编码原则判定显示血流速度还是显示灰阶，如果全数字黑白超声使用FPGA来实现数字波束形成和数字波束处理，只要FPGA有充足的容量资源，就可以增加流速检测模块（如图2或图3），实现彩色血流成像。
