基于脉冲压缩技术的医学超声成像研究

    近10年来,随着超声诊断设备在技术上的飞速发展,系统功能、图像质量、成像速度等方面的性能有明显提高^[1-2]。但传统激励方式下的医学超声系统存在脉冲峰值功率高,信噪比差,穿透力弱等缺点。当医生想更精确地了解脏器结构时,目前的B型超声成像系统就不能满足要求了,这在一定程度上影响了临床诊断的准确性与治疗的有效性。因此,如何利用数字化技术改善医学超声成像系统图像质量,增强系统功能,提高系统的可靠性和灵活性,降低系统的成本,一直是医学超声成像研究中的热点^[3-5]。

    随着宽频带技术的发展,一种新的激励方法-编码激励及脉冲压缩技术开始得到深入研究和初步应用^[6-9]。理论证明,采用雷达系统中得到广泛应用的编码激励和脉冲压缩技术,能在不增加发射峰值功率的前提下显著提高平均发射功率,它有可能改善医学超声系统的信噪比与穿透力,从而使成像质量提升。研究发现,适用于雷达系统的编码脉冲压缩技术用于超声成像时会产生严重的距离旁瓣^[10-11],从而降低了编码的性能,制约了脉冲编码激励技术在医疗超声领域的应用性研究。为此,本文设计了近似于逆滤波器的、专门针对最佳二相序列的FIR解码滤波器来实现脉冲压缩和抑制距离旁瓣,并给出了基于线性规划法的求解公式,这里称其为“倒谱FIR滤波器(CSIFIR)”,倒谱是指滤波器频谱与编码序列频谱相位相反。

    1　编码激励超声成像理论基础

    1.1　编码医学超声系统的带宽与信噪比

    香农公式及其推论是现代通信领域中扩频通信的理论基础,同时也是本文研究的基于编解码技术的医学超声图像质量改进方法的理论基础。两者的区别在于前者的发射信号直接携带信息,而后者只是在经过人体组织类瑞利散射后形成超声回波信号时才携有信息;两者的共同特点都是在传输信息时使用一个比信息本身带宽大很多信的传输带宽。由于

    由式(2)可见,在信号功率S和n0一定时,信道容量C是有限的。因此,这里把能实现无错携带的极限信息容量医学超声系统称为理想医学超声系统。编码激励医学超声系统比传统激励方式下的医学超声系统更接近理想医学超声系统,这是因为编码系统的带宽可以比非编码系统的带宽宽很多。图1为理想医学超声系统原理框图。

式中　S_i为解码器输入信号功率;N_i为解码器输入噪声功率。

    解码器将带宽为B的信号解调为带宽为B0的信号,解码器输出信号的信息量为

    由式(6)可见,在理想医学超声系统中,如果增加发射信号的带宽B,输出信噪比(S0/N0)随着带宽(B/B0)的比值成指数规律增加,带宽的增加能明显提高系统的输出信噪比,使系统的性能得到提高。编码方案是增加带宽的有效途径。