面向医学内窥诊断的数字超声多普勒成像系统

　　医学超声多普勒内窥成像以超声内窥镜为基础[1],将超声在疾病诊断上的优势和多普勒效应对运动物体的高敏感度结合起来对疾病进行诊断,利用血流中红细胞对超声信号的散射,由超声探头探测包含多普勒频移的回波信号,以实时获得血液流动状况的信息,对消化道疾病的诊断具有重要意义.与体外超声多普勒相比,内窥超声探头与器官间距离短,避免了脂肪、体腔内气体对多普勒成像的影响,获得的图像信息要比体表上获得的扫描信息准确详细,可有效提高内窥镜对疾病的早期诊断能力[2].

　　目前基于模拟及数字信号处理的超声多普勒技术已经取得较大进展[3-4],但基于小探头的微弱超声多普勒信号检测问题还很少研究.本文中针对超声内窥成像提出了全数字化的信号处理方案,对内窥小探头获得的微弱信号进行处理,利用现场可编程门阵列(fieldprogrammable gate array, FPGA)实现信号的解调和频谱分析,并进行基于多普勒物理模型的成像实验,对超声内窥成像系统的正确性进行验证.

　　1　超声多普勒内窥成像系统

　　1·1　系统整体设计

　　数字式超声多普勒内窥成像系统主要包括超声探头、前端模拟电路、A/D转换、FPGA数字处理、谱图显示5部分.超声多普勒内窥成像系统原理如图1所示,FPGA控制在适当时间产生一组激励脉冲信号,脉冲信号经发射电路放大、匹配,激励超声探头向待测组织发射超声波;超声探头接收经组织散射的回波信号并将其转换为电信号;接收电路对回波信号放大,并进行A/D转换;输出的数字信号进入FPGA进行正交解调、选通累加、滤波、频谱分析等,得到多普勒信号的频谱信息;频谱数据经USB口送入通用计算机转换为动态功率谱并进行显示.

　　超声多普勒内窥成像系统的探头即超声换能器有两个作用:首先,将电信号转换为超声信号,向人体组织发射超声波;然后,在信号接收时接收多普勒回波信号并将其转换为电信号,传送给信号处理电路.医用超声换能器主要构件有匹配层、压电元件、背衬层和聚焦块,其结构如图2所示.

　　图2中,匹配层对介质和压电元件进行匹配,以减少超声能量在界面处的反射,提高发射效率和带宽;压电元件是换能器的核心部件,进行能量的转换;背衬层位于压电元件之后,使得压电元件后向发射的声波很少反射回压电元件中,大多进入背衬层中并被衰减,合适的背衬层能够提高超声换能器的带宽.聚焦块是提高发射声束指向性能的部件.超声换能器的设计需要选择合适的匹配层以提高灵敏度,以及反射能力强的背衬层来产生高频单向发射的超声波.同时,考虑到内窥系统对探头的尺寸限制,本文中采用收发一体探头,即利用同一个探头来发射并且接收回波,为使超声探头顺利进入消化道,本系统设计的探头尺寸为2 mm×4 mm×1 mm,发射超声的中心频率为8MHz.