摘 要： 以GOLAY碼互補序列為例，研究了超聲編碼激勵的原理和優點。采用TI的TMS320F2812 DSP芯片，把預先編制好的GOLAY碼脈沖序列存儲在DSP芯片的FLASH中，通過DSP的McBSP多通道緩沖串口把編碼脈沖發送給電壓放大器，驅動MOS管信號放大后直接加載在超聲探頭上，回波信號增益采集；最后，對采集到的數據進行脈沖壓縮及求和。
關鍵詞： Golay互補序列對 DSP MOS McBSP 超聲換能器
傳統醫學超聲成像" title="醫學超聲成像">醫學超聲成像系統通常采用單一脈沖波[1][2]，為了獲取高的信噪比" title="信噪比">信噪比，需要提高發射的脈沖峰值功率，這樣就受到安全診斷閾值的限制及超聲換能器" title="換能器">換能器非線性制約。因此，傳統的醫學超聲系統存在脈沖峰值功率高、信噪比差、穿透力弱等缺陷。
現代超聲醫學成像系統" title="成像系統">成像系統采用編碼激勵脈沖序列來替代單一脈沖作為發射信號[3]，這降低了發射脈沖的峰值。在接收信號時經過相關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性好的編碼序列(如GOLAY互補序列對)，將其作為超聲編碼激勵成像系統的發射編碼，來達到提高圖像的信噪比和穿透力，實現動態超聲圖像的實時處理。
本文以GOLAY碼互補序列對為例研究了基于DSP的超聲編碼激勵發射。實驗數據表明信號信雜比SCR≈31dB，已經滿足醫學超聲成像的要求。
1 GOLAY碼互補序列對
1.1 采用GOLAY互補序列對模型
GOLAY互補序列對定義[4]：一對由兩種元素構成的等長有限序列，且在任何給定間隔下，一個序列中的相同元素對的個數等于另一個序列中的相異元素對的個數。數學語言描述如下：設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。其非周期自相關函數分別為：
則稱序列A和序列B互補，或稱A、B為互補序列。二相互補序列長度為N必須是偶數，且為兩個完全平方數之和。
1.2 GOLAY互補序列對自相關
要發射的是128位GOLAY碼互補序列對，設探頭的中心頻率為5MHz，則GOLAY碼脈寬為100ns，128位需要128×100ns=12.8μs。這里構造GOLAY互補對分別為A、B(各自長度為128bit)，其自相關后數據圖如圖1所示。
由圖1可以看出，采用GOLAY碼互補序列對作為發射激勵碼，自相關之后求和，旁瓣已經完全消失。其各自的回波自相關也具有這樣的特性。所以，采用GOLAY碼互補序列對，其信號穿透力強，圖像信噪比高。
2 系統整體設計
2.1 采用DSP理論模型
TMS320F2812是TI公司推出的功能強大的32位定點DSP芯片。該芯片處理能力強、運算速度高，具有豐富的片內外設，如內部看門狗、CAN、MCBSP、SCI、ADC、集成Flash等。該處理器芯片主要用于家電產品、工業控制等高性能的應用領域。
本文使用TMS320F2812[5]作為發射編碼的主控芯片，使用多通道緩沖串口(McBSP[6])完成連續128位編碼的發射，并且發射速率可以隨時修改，以適應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口發送到超聲脈沖電壓放大板進行電壓放大。放大的電壓送入探頭換能器進行電聲轉換，超聲在組織內的回波被超聲探頭換能器接收進行聲電轉換，之后信號進行放大并驗證波形。
2.2 系統硬件設計
系統時鐘為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，其他引腳在該發射編碼程序中暫且不用。引腳SPICLKA、SCITXDA、SPISTEA、MDXA還具有跳線設置功能，只有當SCITXDA設置為高電平，系統從FLASH開始執行程序。該芯片內部集成了看門狗，方便調試、節省資源。XMP/MC一般拉地，則該芯片就可認為是微計算機器狀態，無須外擴FLASH和RAM。
連續128位的編碼激勵信號經過DSP的MDXA口發出之后，送入SN75372非門進行電壓提升。提升的電壓可以驅動IRFU420 NMOS管，在MOS管源極下拉電阻并在源極處取電壓送入探頭。當開始產生回波信號時，NMOS截止，回波信號送入運算放大器AD8048[8]同向放大，放大倍數為
。為了改善放大部分的波形，在運放輸出端加小電容濾波，去除尖銳沿，如圖2。
2.3 軟件系統設計
2.3.1 程序設計流程描述
DSP編碼發射程序是在CCS2.0環境下實現的。整個系統過程包括程序代碼的編寫、程序調試以及在線將程序下載到片內Flash中。
CCS(Code Composer Studio)是TI開發的一個完整的DSP集成開發環境。由于TI 的DSP使用非常廣泛，使得CCS成為目前使用最為廣泛的DSP開發軟件之一。程序設計流程圖如圖3。
2.3.2 回波分析與采集
在超聲成像系統中，若不考慮超聲在介質中的衰減，則信號通道的框圖如圖4所示。其中e(t)是激勵信號，p1(t)是發射換能器的傳遞函數，u(t)是聲場中的反射函數，p2(t)是接收換能器的傳遞函數，n(t)是接收電路的電子噪聲。E(f)、P1(f)、U(f)、P2(f)和N(f)分別是它們的傅立葉變換[8]。
超聲回波r(t)可以表示為：
r(t)=e(t)×p1(t)×u(t)×p2(t)+n(t) (1)
醫學超聲成像系統的研究中，通常將發射換能器和接收換能器的傳遞函數視為一致，即：p1(t)=p２(t)=p(t)。為了簡化分析，只研究聲場中單一散射子的反射，不考慮接收電路電子噪聲的影響，即：u(t)=δ(t)，n(t)=0。因此，式(1)可簡化為：r(t)=e(t)×p(t)×δ(t)。
圖5為分貝表示的壓縮脈沖包絡。從圖5可以看出，采用編碼激勵超聲脈沖發射方式，其信噪已經滿足了醫學超聲成像的要求。
本文采用GOLAY碼互補序列對作為發射編碼激勵脈沖，使用DSP2812實現編碼的發射，使用MOS進行電壓放大。因為回波信號很小，所以進行增益補償放大。整個過程包括DSP板和發射電壓放大及回波信號放大，在CCS2.0軟件下編制和調試，具體的時序調試需匹配好，以便正確發射。在工程應用中要注意每次編碼發射之后的空閑循環時間與幀頻、每幀線數搭配。采集的回波信號在MATLAB中展開，并在MATLAB中進行編碼壓縮和求和。
參考文獻
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[2] 關力勛，雷紀勝.超聲診斷儀原理和維護[M].北京：人民衛生出版社，1982.
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[8] AD8048.DataSheet.Analog device，1995.
[9] 彭旗宇．數字化醫學超聲成像方法的研究（清華大學博士學位論文）[D].北京：清華大學，2003.