【摘要】近年來，國外彩色血流成像超聲診斷儀（簡稱彩超）在技術(shù)上取得了較大的進(jìn)展，幾乎都進(jìn)入了全數(shù)字領(lǐng)域，這主要得益于電子技術(shù)和集成電路的飛速發(fā)展，雖然國內(nèi)的一些知名廠商投入了大量的研究工作并且有些機(jī)型已投放市場，但核心技術(shù)的掌握程度及產(chǎn)品的性能與進(jìn)口產(chǎn)品相比還有較大的差距；相比之下，國內(nèi)的全數(shù)字黑白超聲技術(shù)則比較成熟，有大量產(chǎn)品投放到市場；本文通過對(duì)比彩超與全數(shù)字黑白超聲的主要技術(shù)原理，試圖闡述一種基于全數(shù)字黑白超聲框架初步實(shí)現(xiàn)彩色血流成像的方法。

【關(guān)鍵詞】全數(shù)字；黑白超聲；多普勒；彩色血流

一、全數(shù)字黑白超聲

（一）系統(tǒng)簡述

全數(shù)字黑白超聲技術(shù)是模擬黑白超聲在電子技術(shù)特別是大規(guī)模集成電路發(fā)展到一定階段才開始出現(xiàn)的，屬于脈沖回波成像技術(shù)。兩者都是數(shù)字控制單元通過數(shù)字發(fā)射單元給每個(gè)通道（總的通道數(shù)量對(duì)應(yīng)換能器陣列中形成一條波束需要參與工作的基元數(shù)量）一定寬度的脈沖信號(hào)，經(jīng)放大后轉(zhuǎn)換成高壓脈沖信號(hào)，再經(jīng)過高壓選擇電路連接到換能器，換能器將高壓脈沖能量轉(zhuǎn)化為一定頻率的聲波進(jìn)入人體組織，從人體組織返回的聲波經(jīng)過換能器逆變換轉(zhuǎn)化為回波小信號(hào)，送給接收電路。

聲波在人體組織中衰減很快，衰減系數(shù)可用分貝值來表示，與距離和頻率的乘積成正比，致使人體表面返回信號(hào)的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于深部組織。為了解決這一問題，必須使用TGC（時(shí)間增益補(bǔ)償）電路，這是超聲應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)。要形成數(shù)字控制單元使用的超聲數(shù)據(jù)，模擬超聲主要依次經(jīng)過低噪聲前置放大、整序、可變孔徑、延時(shí)聚焦、TGC、選頻（動(dòng)態(tài)濾波）、對(duì)數(shù)壓縮、PGA（可編程增益放大）、檢波、低通濾波（LPF）、ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）等處理過程，對(duì)于數(shù)字超聲來說，雖然處理過程的本質(zhì)都一樣，但實(shí)現(xiàn)方法是有很大差別的，數(shù)字超聲技術(shù)的原理框架如圖1。

數(shù)字控制單元在人機(jī)交互界面的控制下，將超聲數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的變換，和其它信息一起送往顯示器以灰階顯示，稱為B模式圖像，或者以特定的格式送往其它外部接口。

圖1分為左中右三部分，左邊的內(nèi)容統(tǒng)稱為模擬前端（AFE），已經(jīng)可以使用專用集成電路來實(shí)現(xiàn)，中間和右邊的內(nèi)容分別統(tǒng)稱為數(shù)字波束形成、數(shù)字波束處理，后兩部分是全數(shù)字超聲的核心，一般都用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）來實(shí)現(xiàn)，由于FPGA容量和擴(kuò)展功能的不斷增加，數(shù)字發(fā)射單元和大部分?jǐn)?shù)字控制單元的內(nèi)容都可用它來實(shí)現(xiàn)。

全數(shù)字超聲的ADC在檢波之前緊靠TGC之后，需要將模擬載波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字量化，使得采樣頻率高，相應(yīng)的數(shù)字處理復(fù)雜，需要的邏輯資源數(shù)量很大，模擬超聲的ADC在檢波之后，采樣的是通過檢波去除了載波的模擬包絡(luò)信號(hào)，采樣頻率低，對(duì)ADC的性能要求不高，這是兩者的根本區(qū)別。

（二）主要技術(shù)

1.數(shù)字波束形成。機(jī)械扇掃探頭只有一個(gè)基元，圖像質(zhì)量很差，已經(jīng)很少見到，一般超聲產(chǎn)品的探頭（換能器）都是由很多基元構(gòu)成的，如64、80、128、256甚至更多，為了提高圖像質(zhì)量，產(chǎn)生一條掃描線需要較多的基元，但為了節(jié)約成本，一般也不使用全部的基元，而是使用相應(yīng)的通道數(shù)，然后通過高壓選擇電路連接到換能器，另一方面，為了獲得較好的分辨率，對(duì)每個(gè)通道的超聲波要給予不同的延時(shí)進(jìn)行發(fā)射聚焦，相應(yīng)地，對(duì)返回來的小信號(hào)進(jìn)行一定處理之后也要進(jìn)行接收聚焦，這就是需要整序和延時(shí)聚焦的原因，在全數(shù)字超聲技術(shù)中，延時(shí)聚焦用初始延時(shí)和動(dòng)態(tài)延時(shí)來實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)延時(shí)是指每隔一定時(shí)間再進(jìn)行一次微小的延時(shí)調(diào)整，能夠達(dá)到全程動(dòng)態(tài)聚焦的效果，優(yōu)于模擬超聲。這些通道的聲場疊加形成一條波束，在聲場疊加過程中，越是偏離中心基元位置的通道，其指向性越差，貢獻(xiàn)也就越小，因此要對(duì)每個(gè)通道乘以不同的加權(quán)系數(shù)，稱之為動(dòng)態(tài)孔徑。整序貫穿在初始延時(shí)、動(dòng)態(tài)延時(shí)、動(dòng)態(tài)孔徑每個(gè)處理過程，這一點(diǎn)不同于模擬超聲。通道求和是把動(dòng)態(tài)孔徑處理后的每個(gè)通道信號(hào)直接相加。

2.數(shù)字波束處理。波束形成通道求和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)字波束處理過程。黑白超聲的發(fā)射激勵(lì)大都是一個(gè)或兩個(gè)矩形脈沖，或者近似正弦波脈沖，都是寬帶信號(hào)，換能器基元產(chǎn)生的聲波也是以特征頻率（Fosc）為中心的具有一定范圍的寬帶信號(hào)，比如中心頻率3.5MHz帶寬60%的探頭，產(chǎn)生的聲波頻率范圍主要集中在2.45MHz～4.05MHz，而不同頻率的成分經(jīng)過人體組織返回到換能器后其衰減程度也是不一樣的，因此首先就要進(jìn)行選頻，即動(dòng)態(tài)濾波，濾波器的系數(shù)隨著時(shí)間的變化而改變，達(dá)到選頻目的，靠近換能器的時(shí)間段為高頻信號(hào)有效，越往深部組織，有效信號(hào)的頻率越低。同模擬超聲一樣，檢波的目的是去除載波頻率。對(duì)數(shù)壓縮目的是把檢波輸出數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍壓縮到后處理或顯示器的動(dòng)態(tài)范圍。雖然已經(jīng)去除了載波頻率，對(duì)數(shù)壓縮輸出數(shù)據(jù)的傳輸頻率仍然很高，但數(shù)據(jù)本身已經(jīng)是頻率很低的包絡(luò)信號(hào)，基本在1KHz以下，后處理或顯示也沒有辦法適應(yīng)高傳輸頻率的數(shù)據(jù)，因此要進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取，最后進(jìn)行空間濾波，也可包括時(shí)間濾波，采用低通濾波器（LPF）設(shè)計(jì)，濾除高頻信號(hào)和比較尖銳的噪聲信號(hào)，使最終產(chǎn)生的圖像比較柔和。

二、彩色血流成像

（一）系統(tǒng)簡述

黑白超聲的探測對(duì)象是人體組織或慢速運(yùn)動(dòng)器官返回的超聲波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的幅度信息，其動(dòng)態(tài)范圍一般在80-100DB，由血流返回的電信號(hào)幅度更小，比組織器官要低40DB-60DB，因此黑白超的處理技術(shù)是沒有辦法檢測到血流的，只能看到血管壁，血管內(nèi)的血流顯示為底噪聲或更暗的黑底色。

彩色血流成像（CFI）是在黑白超聲的感興趣區(qū)域應(yīng)用多普勒技術(shù)探測血管內(nèi)各點(diǎn)的血流速度的大小和方向，進(jìn)行顯示，以判斷血流是否正常，因此它是脈沖回波成像技術(shù)和多普勒成像技術(shù)的結(jié)合。根據(jù)多普勒原理，聲源產(chǎn)生的聲波遇到運(yùn)動(dòng)物體后，返回的聲波頻率將會(huì)發(fā)生一定的變化，如果運(yùn)動(dòng)物體向著聲源運(yùn)動(dòng)，則頻率升高，反之則頻率降低，使用一定的方法從回波幅度信息中提取出改變的頻移量，用來估算速度，并用一定的顏色和亮度顯示，比如紅色表示血流朝向探頭流動(dòng)，藍(lán)色表示血流背向探頭流動(dòng)，速度越大則顏色越深，這些就是用多普勒技術(shù)研究彩色血流成像的主要手段。

多普勒技術(shù)分為連續(xù)波多普勒（CW）和脈沖波多普勒（PW）。CW是指從一個(gè)基元連續(xù)發(fā)射某一頻率的正弦波，從另一個(gè)基元接收回波信號(hào)，檢測出回波信號(hào)的頻移，由于沒有距離分辨能力和速度限制，可以檢測高速血流，現(xiàn)在已經(jīng)很少見到單獨(dú)的CW設(shè)備。PW是指從一個(gè)基元按一定重復(fù)頻率（PRF）發(fā)射某一脈沖寬度的激勵(lì)波形，脈沖寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于重復(fù)周期，使用同一個(gè)基元接收回波信號(hào)，有距離分辨能力，這些特性類似脈沖回波成像技術(shù)，因?yàn)榘l(fā)射完成之后要迅速切換到接收狀態(tài)，所以要求換能器基元具有較高的阻尼，但同時(shí)也降低了靈敏度。

在每個(gè)重復(fù)周期中，PW選擇一定時(shí)間長度的信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行多普勒處理，檢測頻移，這個(gè)時(shí)間長度稱之為GATE，也稱距離選通門時(shí)間，該時(shí)間一般是發(fā)射脈沖寬度時(shí)間的幾倍，GATE和發(fā)射脈沖寬度之和乘以二分之一聲速稱為采樣容積長度，為了獲得好的距離分辨率，應(yīng)當(dāng)使該時(shí)間等于發(fā)射脈沖寬度時(shí)間。根據(jù)GATE和發(fā)射脈沖之間的延時(shí)，可以確定探測距離。從一個(gè)采樣容積的大量的回波數(shù)據(jù)中進(jìn)行頻移檢測，然后采用快速傅里葉變換（FFT）作為分析工具，將頻率信息（包含方向信息）以頻譜圖（也稱聲圖）的方式進(jìn)行顯示，稱為頻譜多普勒成像，也可供后續(xù)處理進(jìn)行輪廓檢測、包絡(luò)分析等，這是PW的主要任務(wù)，當(dāng)然也很耗費(fèi)資源，需要大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，因此不可能對(duì)多個(gè)采樣容積同時(shí)處理及實(shí)時(shí)顯示。在PW中，PRF是個(gè)很重要的指標(biāo)，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，檢測到的最大頻移是PRF的一半，它對(duì)應(yīng)了最大檢測速度，如果要提高最大檢測速度，PRF就必須提高，但同時(shí)也會(huì)帶來探測深度的降低，因此PRF和最大檢測速度是矛盾的，但兩者的乘積是一個(gè)與Fosc相關(guān)的常數(shù)。由于PRF的限制，PW只能用來檢測低速血流。

彩色血流成像實(shí)際上是在B圖像中選擇一定寬度和深度的感興趣區(qū)域進(jìn)行多普勒處理，做簡單的頻譜分析，檢測血流速度的大小和方向，求出方差（也稱帶寬），如果某一點(diǎn)存在血流則顯示速度信息，否則該點(diǎn)就顯示脈沖回波信息（灰階信息），這個(gè)判斷過程稱為優(yōu)先編碼。要完成速度檢測，一般需要對(duì)同一個(gè)波束連續(xù)發(fā)射3-16次，通常取8次。

血液主要包括血漿和血細(xì)胞，對(duì)多普勒頻移的主要貢獻(xiàn)是血細(xì)胞中的紅細(xì)胞對(duì)超聲波的散射，如果把彩色血流成像中某一點(diǎn)的血流速度信息改為血流能量信息，不關(guān)心速度方向，只關(guān)心多普勒能量，實(shí)際上表示了血管內(nèi)紅細(xì)胞的數(shù)量或密度，則稱之為能量多普勒成像。一個(gè)完整的彩色血流成像系統(tǒng)包括B模式圖像、血流速度成像、頻譜多普勒成像、能量多普勒成像，在這里對(duì)后兩者不做更多的介紹。

（二）主要技術(shù)

1.正交解調(diào)和速度評(píng)估。由于FFT不能達(dá)到實(shí)時(shí)要求，CFI的速度檢測必須采取另外的方法，這些方法從類型上分為兩種，一種是窄帶方法，也稱相位域（PD）方法，另一種是寬帶方法，也稱時(shí)域（TD）方法。PD方法是從同一個(gè)點(diǎn)的兩次采樣數(shù)據(jù)（每個(gè)PRF對(duì)同一個(gè)點(diǎn)采樣一次）中求出相位變化，然后轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率，再進(jìn)行速度評(píng)估；一般用正交解調(diào)的方法產(chǎn)生實(shí)部和虛部，再用它們方便地求出相位。正交解調(diào)是將輸入信號(hào)分別乘以正弦和余弦函數(shù)，產(chǎn)生相差為90度的兩個(gè)信號(hào)，再通過低通濾波產(chǎn)生實(shí)部和虛部。TD方法是把一個(gè)采樣容積內(nèi)的數(shù)據(jù)和前一個(gè)PRF對(duì)應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過這些數(shù)據(jù)尋找一種被稱為交叉相關(guān)函數(shù)的最大值來找出時(shí)間偏差，計(jì)算目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行速度評(píng)估，因此TD方法不需要正交解調(diào)。由于TD方法利用采樣容積內(nèi)的數(shù)據(jù)特性找出時(shí)間偏差，而不是兩次采樣容積之間的同一點(diǎn)數(shù)據(jù)的相位偏移，因此TD方法不受PRF的限制，可以檢測較高速度的血流，如果要檢測更高速度的血流，還是要使用CW。在PD方法中進(jìn)行速度評(píng)估主要采取自相關(guān)（ACE）技術(shù)，在TD方法中進(jìn)行速度評(píng)估主要采取交叉相關(guān)（CCE）技術(shù)。PD方法的原理框架如圖2，TD方法的原理框架如圖3.

2.靜態(tài)回波消除器。簡稱DLC。由于回波信號(hào)中既有來自于靜止或類似靜止的組織器官的強(qiáng)反射信號(hào)，也有來自于運(yùn)動(dòng)血流的微弱散射信號(hào)，必須要想辦法去除強(qiáng)反射信號(hào)，靜態(tài)回波消除器用來達(dá)到這種目的。實(shí)際上，靜態(tài)回波消除器的概念也就是常說的壁濾波器，它用當(dāng)前信號(hào)減去前一個(gè)PRF對(duì)應(yīng)的信號(hào)，從而消除了靜止物體的信號(hào)，而運(yùn)動(dòng)物體的信號(hào)是變化的，從而得以保留下來。

3.優(yōu)先編碼。顯示速度信號(hào)還是灰階信號(hào)的判定稱為優(yōu)先編碼，實(shí)際上，這是人為抑制過程，因?yàn)閮烧呤侵丿B顯示的，只能選其一。常使用的判定閾值包括：多普勒信號(hào)幅度閾值、速度閾值、最大回波強(qiáng)度閾值、多普勒帶寬閾值。

三、結(jié)語

從上述內(nèi)容可以看出，CFI只是將圖1中的波束處理部分變?yōu)槎嗥绽仗幚淼乃俣葯z測，然后供數(shù)字控制單元根據(jù)優(yōu)先編碼原則判定顯示血流速度還是顯示灰階，如果全數(shù)字黑白超聲使用FPGA來實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束形成和數(shù)字波束處理，只要FPGA有充足的容量資源，就可以增加流速檢測模塊（如圖2或圖3），實(shí)現(xiàn)彩色血流成像。