超声内窥成像系统与旁瓣抑制(2)

图3 脉冲压缩仿真结果Fig.3 Simulation results of code compression

图3(a)为探头中心频率为12 MHz，5倍采样率下的编码激励响应波形，图(c)～图(e)为采用匹配滤波法、逆滤波法和尖峰滤波法得到的解调前脉冲压缩结果，图(f)～图(h)为采用以上三种方法解调后的归一化幅度结果。其中，与图(f)相比，图(g)和图(h)的旁瓣都得到了明显抑制，且图(h)的主瓣宽度更小。图(b)为带有高斯白噪声的编码激励响应波形，处理前信噪比为26.8 dB。由图(i)～图(k)可知，由于噪声的存在，匹配滤波结果中的旁瓣会明显增多，信噪比提高并不显著，由于无法对实际系统中的噪声进行精确估计，因此逆滤波器对噪声也具有一定的敏感，而尖峰滤波法仍然可以保持很好的波形，有助于提高信噪比。表1为以上三种方法的主瓣宽度、峰值旁瓣水平及信噪比参数表，可知尖峰滤波法不仅可以有效抑制旁瓣，而且在获得较小主瓣宽度和提高信噪比方面效果更佳，因此尖峰滤波法比较适合作为本系统的脉冲压缩算法。

表1 仿真参数Table1 Simulation parametersC o d e c o m p r e s s i o n m e t h o d M a t c h e d f i l t e r I n v e r s e f i l t e r S p i k e f i l t e r M a i n l o b e w i d t h/m m 0.1 8 0.2 9 0.2 0 P S L/d B -1 7.8 -2 9.6 -5 5.0 S N R/d B 2 7.8 3 0.6 3 1.6

3 实验及分析

为了验证超声内镜实时成像系统的正确性，搭建了如图4所示的超声内镜成像实验平台，探测的目标物体为固定在装满水的烧杯中的四根金属靶线，其中烧杯内径50 mm，靶线直径1 mm。实验中，超声探头中心频率为12 MHz，带宽为40%，换能器尺寸为2 mm×3 mm。采样时钟与系统主频均为180 MHz，系统以25帧/秒的转速进行环扫成像，图像大小1 024 pixels×1 024 pixels，坐标变换后的直角坐标图像在28 MHz同步时钟控制下通过USB2.0控制芯片上传至上位机实时显示。

图4 超声内镜实验系统Fig.4 Experimental system of ultrasonic endoscope

图5所示为分别采用匹配滤波法，逆滤波法和尖峰滤波法进行脉冲压缩得到的对靶线成像的超声扫描图像。图中中心圆环表示换能器所在位置，外侧的白色圆环表示烧杯杯壁，换能器与杯壁间有四处回波点表示4根靶线所在位置。表2所示为通过实验测得的以上三种方法的分辨力与信噪比参数表，其中分辨力结果通过对不同间隔的相邻靶线进行成像并测量得到，信噪比结果通过采集纯背景噪声图像和含噪超声图像进行计算得到。结合图5和表2可知，图5(a)的靶线图像会有明显的旁瓣，而且信噪比较低，仅为38 dB，分辨力也只能达到0.5 mm，无法满足系统成像要求；而图5(b)和图5(c)由于采用失配滤波法，不仅旁瓣得到了抑制，且信噪比要比匹配滤波法高17 dB；而且图5(c)在保证较高信噪比的同时其纵向分辨力可达0.4 mm，证明了上述仿真结论的正确性。

图5 靶线的超声扫描图像Fig.5 Ultrasonic scanning images of target lines

表2 结果参数Table2 Result parametersC o d e c o m p r e s s i o n m e t h o d M a t c h e d f i l t e r I n v e r s e f i l t e r S p i k e f i l t e r V e r t i c a l r e s o l u t i o n/m m 0.5 0.7 0.4 S N R/d B 3 8.0 5 5.4 5 5.5

4 结 论

为了提高超声内镜检测系统的成像质量，弥补由前端探头工艺性问题造成的回波小衰减大的问题，本文设计了基于编码激励与脉冲压缩理论的超声内镜实时成像系统。并针对4位Barker码激励分别设计了采用匹配滤波法与非匹配滤波法的脉冲压缩滤波器，得到采用失配滤波方法可以有效抑制旁瓣，其中通过尖峰滤波法压缩后主瓣宽度可达0.2 mm，PSL可达-55.0 dB的结论。搭建实验系统检验超声内镜系统的实时成像效果，通过环扫成像验证了以上结论的正确性。

0 引 言医用超声内镜是电子内镜技术与超声传感技术、微机电技术、现代计算机技术等高新技术不断发展和融合的产物，是当前应用前景非常广阔的医疗仪器[1]。超声内镜检查在通过电子内镜观察人体消化道内壁粘膜表面病变形态的同时，由前端超声探头进行旋转扫描，获得消化道管壁各层次的形态学特征及周围重要脏器的断层图像，辅助医生诊断。目前，由于国外的超声内镜检测技术比较成熟，我国的医学超声内镜市场主要被日本的奥林巴斯(Olympus)及富士能(Fujinon)等公司垄断[2]，其技术难点主要是前端换能器及微型探头的材料性能及制造工艺要求严格，由于目前国内制造水平有限，因此造成换能器带宽较小，接收回波信号衰减较大，严重影响探测深度与信噪比。采用编码激励技术可以有效增加带宽并提高平均发射功率[3-4]，配合脉冲压缩可获得15～20 dB的信噪比增益，但编码信号进行脉冲压缩后的旁瓣效应会影响超声图像的分辨力[5]，因此需要选择合适的脉冲压缩算法。针对以上问题，本文分别采用匹配滤波法、逆滤波法[6-7]和尖峰滤波法[8]设计了基于4位Barker码激励的脉冲压缩滤波器，并对比了不同脉冲压缩算法的距离旁瓣水平。搭建实验系统验证所设计的超声内镜成像系统的实时成像效果，通过实验说明，采用失配滤波法能够有效抑制旁瓣，减少伪像产生，其中尖峰滤波器法在提高信噪比和分辨力方面效果更佳，满足临床显示的要求。1 超声内镜实时成像系统超声内镜实时成像系统原理如图 1所示。导管式超声探头通过电子内镜的活检钳道进入人体，由MDU(Motor Driver Unit，电机驱动单元)内的直流电机带动软轴和前端微型探头进行环形扫描，置于探头内的换能器在同步信号控制下发射经编码调制的超声波，并接收不同深度的组织反射的编码回波，信号经模数转换由高速数字图像处理系统进行处理和变换，最终图像通过USB2.0接口上传至上位机进行实时显示。此外，通过USB2.0接口还可以进行相关控制信息的交换，实现探头频率的切换与图像增益的调节等功能。图1 超声内镜实时成像系统原理图Fig.1 Schematics of the endoscopic ultrasound real-time imaging system根据当前临床医用超声成像要求，所设计的超声成像系统显示图像大小为1 024 pixels×1 024 pixels，成像速度为5～25 帧/秒可调。超声换能器中心频率从7.5～20 MHz不等，为保证重建信号的精度，采样频率一般为载波信号频率的5～10倍。为了满足以上要求，本文设计的数字图像处理系统选用180 MHz高频时钟源作为采样时钟和信号处理系统的主频，通过增加采样点数，在不降低图像分辨力的前提下获得大尺寸图像。通过高速双SRAM的乒乓操作和USB2.0接口实现图像的缓存和传输，达到实时显示的目的。2 编码数据处理与脉冲压缩2.1 编码数据处理由于Barker码具有良好的自相关特性及噪声抑制特性，因此是一种时域旁瓣较小的编码方式。超声内镜主要用于人体胃部病变的检查，人体胃壁各层平均厚度约为0.8 mm[9]，为避免由相邻面层产生的回波发生混叠，根据超声波在人体组织中的传播速度1 540 m/s和探头中心频率为7.5 ～20 MHz可选，因此采用4位Barker码(+1，+1，+1，-1)作为编码激励脉冲。如图2所示，经过模数转换的超声编码回波信号在数字图像处理系统中首先经带通滤波去除信号载波带宽以外的噪声，然后经脉冲压缩、正交解调、数据压缩，最终以8位256级灰度格式数据保存至缓存。图2 编码回波数据处理Fig.2 Encoded echo data 脉冲压缩算法仿真常用的脉冲压缩方法分为匹配滤波和失配滤波两种。对于Barker码，采用匹配滤波法能够获得最小的距离旁瓣，主瓣幅度与旁瓣幅度比与编码长度相等。对于4位Barker码，其峰值距离旁瓣水平(PSL，Peak Sidelobe Level)的理论值为-16 dB，而大部分超声成像系统要求PSL低于-50 dB[10]，采用匹配滤波法显然不能达到要求。为此本文根据匹配滤波和非匹配滤波理论分别设计了匹配滤波器、逆滤波器和尖峰滤波器，其中匹配滤波法是将输入信号做自相关运算；逆滤波器法从频域出发计算信号频谱的倒谱，再通过逆傅里叶变换得到滤波器系数(滤波器长度为32)；而尖峰滤波器法从时域出发使输出信号在最小均方意义上接近δ函数，并将矩阵方程的最小二乘解作为滤波器系数(滤波器长度为 32)。仿真时，首先利用 Field II(一种基于MATLAB的超声仿真平台)设置换能器发射与接收孔径并得到换能器的脉冲激励响应，然后产生4位Barker码激励(+1，+1，+1，-1)并得到编码激励响应波形，最后分别采用以上三种设计好的滤波器对回波进行解码压缩。三种脉冲压缩方法仿真结果如图3所示。图3 脉冲压缩仿真结果Fig.3 Simulation results of code compression图3(a)为探头中心频率为12 MHz，5倍采样率下的编码激励响应波形，图(c)～图(e)为采用匹配滤波法、逆滤波法和尖峰滤波法得到的解调前脉冲压缩结果，图(f)～图(h)为采用以上三种方法解调后的归一化幅度结果。其中，与图(f)相比，图(g)和图(h)的旁瓣都得到了明显抑制，且图(h)的主瓣宽度更小。图(b)为带有高斯白噪声的编码激励响应波形，处理前信噪比为26.8 dB。由图(i)～图(k)可知，由于噪声的存在，匹配滤波结果中的旁瓣会明显增多，信噪比提高并不显著，由于无法对实际系统中的噪声进行精确估计，因此逆滤波器对噪声也具有一定的敏感，而尖峰滤波法仍然可以保持很好的波形，有助于提高信噪比。表1为以上三种方法的主瓣宽度、峰值旁瓣水平及信噪比参数表，可知尖峰滤波法不仅可以有效抑制旁瓣，而且在获得较小主瓣宽度和提高信噪比方面效果更佳，因此尖峰滤波法比较适合作为本系统的脉冲压缩算法。表1 仿真参数Table1 Simulation parametersC o d e c o m p r e s s i o n m e t h o d M a t c h e d f i l t e r I n v e r s e f i l t e r S p i k e f i l t e r M a i n l o b e w i d t h/m m 0.1 8 0.2 9 0.2 0 P S L/d B -1 7.8 -2 9.6 -5 5.0 S N R/d B 2 7.8 3 0.6 3 1.63 实验及分析为了验证超声内镜实时成像系统的正确性，搭建了如图4所示的超声内镜成像实验平台，探测的目标物体为固定在装满水的烧杯中的四根金属靶线，其中烧杯内径50 mm，靶线直径1 mm。实验中，超声探头中心频率为12 MHz，带宽为40%，换能器尺寸为2 mm×3 mm。采样时钟与系统主频均为180 MHz，系统以25帧/秒的转速进行环扫成像，图像大小1 024 pixels×1 024 pixels，坐标变换后的直角坐标图像在28 MHz同步时钟控制下通过USB2.0控制芯片上传至上位机实时显示。图4 超声内镜实验系统Fig.4 Experimental system of ultrasonic endoscope图5所示为分别采用匹配滤波法，逆滤波法和尖峰滤波法进行脉冲压缩得到的对靶线成像的超声扫描图像。图中中心圆环表示换能器所在位置，外侧的白色圆环表示烧杯杯壁，换能器与杯壁间有四处回波点表示4根靶线所在位置。表2所示为通过实验测得的以上三种方法的分辨力与信噪比参数表，其中分辨力结果通过对不同间隔的相邻靶线进行成像并测量得到，信噪比结果通过采集纯背景噪声图像和含噪超声图像进行计算得到。结合图5和表2可知，图5(a)的靶线图像会有明显的旁瓣，而且信噪比较低，仅为38 dB，分辨力也只能达到0.5 mm，无法满足系统成像要求；而图5(b)和图5(c)由于采用失配滤波法，不仅旁瓣得到了抑制，且信噪比要比匹配滤波法高17 dB；而且图5(c)在保证较高信噪比的同时其纵向分辨力可达0.4 mm，证明了上述仿真结论的正确性。图5 靶线的超声扫描图像Fig.5 Ultrasonic scanning images of target lines表2 结果参数Table2 Result parametersC o d e c o m p r e s s i o n m e t h o d M a t c h e d f i l t e r I n v e r s e f i l t e r S p i k e f i l t e r V e r t i c a l r e s o l u t i o n/m m 0.5 0.7 0.4 S N R/d B 3 8.0 5 5.4 5 5.54 结 论为了提高超声内镜检测系统的成像质量，弥补由前端探头工艺性问题造成的回波小衰减大的问题，本文设计了基于编码激励与脉冲压缩理论的超声内镜实时成像系统。并针对4位Barker码激励分别设计了采用匹配滤波法与非匹配滤波法的脉冲压缩滤波器，得到采用失配滤波方法可以有效抑制旁瓣，其中通过尖峰滤波法压缩后主瓣宽度可达0.2 mm，PSL可达-55.0 dB的结论。搭建实验系统检验超声内镜系统的实时成像效果，通过环扫成像验证了以上结论的正确性。参考文献：[1]Feng R. 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文章来源：《中国内镜杂志》 网址: http://www.zgnjzzzz.cn/qikandaodu/2020/1216/410.html