基于DSP的超聲編碼激勵發(fā)射分析

現(xiàn)代超聲醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)采用編碼激勵脈沖序列來替代單一脈沖作為發(fā)射信號[3]，這降低了發(fā)射脈沖的峰值。在接收信號時經(jīng)過相關(guān)解碼電路探測到人體深部的微弱回波信號，選擇一組二值自相關(guān)性好的編碼序列(如GOLAY互補(bǔ)序列對)，將其作為超聲編碼激勵成像系統(tǒng)的發(fā)射編碼，來達(dá)到提高圖像的信噪比和穿透力，實現(xiàn)動態(tài)超聲圖像的實時處理。

　　本文以GOLAY碼互補(bǔ)序列對為例研究了基于DSP的超聲編碼激勵發(fā)射。實驗數(shù)據(jù)表明信號信雜比SCR≈31dB，已經(jīng)滿足醫(yī)學(xué)超聲成像的要求。

　　1 GOLAY碼互補(bǔ)序列對

　　1.1 采用GOLAY互補(bǔ)序列對模型

　　GOLAY互補(bǔ)序列對定義[4]：一對由兩種元素構(gòu)成的等長有限序列，且在任何給定間隔下，一個序列中的相同元素對的個數(shù)等于另一個序列中的相異元素對的個數(shù)。數(shù)學(xué)語言描述如下：設(shè)有一對長度相同的有限二相序列A={an}，an∈(+1，-1)，n∈0，1，2，…，N-1和B={bn}，bn∈(+1，-1)，n∈0，1，2，…，N-1。其非周期自相關(guān)函數(shù)分別為：

　　則稱序列A和序列B互補(bǔ)，或稱A、B為互補(bǔ)序列。二相互補(bǔ)序列長度為N必須是偶數(shù)，且為兩個完全平方數(shù)之和。

　　1.2 GOLAY互補(bǔ)序列對自相關(guān)

　　要發(fā)射的是128位GOLAY碼互補(bǔ)序列對，設(shè)探頭的中心頻率為5MHz，則GOLAY碼脈寬為100ns，128位需要128×100ns=12.8μs。這里構(gòu)造GOLAY互補(bǔ)對分別為A、B(各自長度為128bit)，其自相關(guān)后數(shù)據(jù)圖如圖1所示。

　　由圖1可以看出，采用GOLAY碼互補(bǔ)序列對作為發(fā)射激勵碼，自相關(guān)之后求和，旁瓣已經(jīng)完全消失。其各自的回波自相關(guān)也具有這樣的特性。所以，采用GOLAY碼互補(bǔ)序列對，其信號穿透力強(qiáng)，圖像信噪比高。

　　2 系統(tǒng)整體設(shè)計

　　2.1 采用DSP理論模型

　　TMS320F2812是TI公司推出的功能強(qiáng)大的32位定點DSP芯片。該芯片處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度高，具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，如內(nèi)部看門狗、CAN、MCBSP、SCI、ADC、集成Flash等。該處理器芯片主要用于家電產(chǎn)品、工業(yè)控制等高性能的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　本文使用TMS320F2812[5]作為發(fā)射編碼的主控芯片，使用多通道緩沖串口(McBSP[6])完成連續(xù)128位編碼的發(fā)射，并且發(fā)射速率可以隨時修改，以適應(yīng)不同頻率的超聲探頭(一般探頭有3.5MHz、5MHz等)。編碼通過DSP的MDXA口發(fā)送到超聲脈沖電壓放大板進(jìn)行電壓放大。放大的電壓送入探頭換能器進(jìn)行電聲轉(zhuǎn)換，超聲在組織內(nèi)的回波被超聲探頭換能器接收進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換，之后信號進(jìn)行放大并驗證波形。

　　2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)時鐘為30MHz，因為TMS320F2812可以工作在150MHz，所以要想全頻率工作，PLL需要5倍頻率，即30MHz×5=150MHz；JP3為McBSP多引腳，其中用到了MDXA口，其他引腳在該發(fā)射編碼程序中暫且不用。引腳SPICLKA、SCITXDA、SPISTEA、MDXA還具有跳線設(shè)置功能，只有當(dāng)SCITXDA設(shè)置為高電平，系統(tǒng)從FLASH開始執(zhí)行程序。該芯片內(nèi)部集成了看門狗，方便調(diào)試、節(jié)省資源。XMP/MC一般拉地，則該芯片就可認(rèn)為是微計算機(jī)器狀態(tài)，無須外擴(kuò)FLASH和RAM。

　　連續(xù)128位的編碼激勵信號經(jīng)過DSP的MDXA口發(fā)出之后，送入SN75372非門進(jìn)行電壓提升。提升的電壓可以驅(qū)動IRFU420 NMOS管，在MOS管源極下拉電阻并在源極處取電壓送入探頭。當(dāng)開始產(chǎn)生回波信號時，NMOS截止，回波信號送入運(yùn)算放大器AD8048同向放大，放大倍數(shù)為。為了改善放大部分的波形，在運(yùn)放輸出端加小電容濾波，去除尖銳沿，如圖2。