编码发射技术在医学高频超声成像中的研究进展

王宁浩，徐 杰，韩志乐，崔崤峣，简小华

(1.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏苏州215163；2.中国科学技术大学，安徽合肥230026)

0 引 言

频率大于15 MHz的高频超声(High Frequency Ultrasound,HFUS)是获取高分辨率的生物组织图像的有效手段[1]，具有无创、无辐射、分辨率高、实时性好以及检查费用低等优点，其在眼科、消化、呼吸、神经、皮肤和血管内等方面的临床应用日益普及和广泛[2-5]。然而，由于组织中超声波的衰减随频率增加而呈指数级升高，且一般HFUS换能器阵列尺寸较小，具有短波长和低 F数(相对孔径的倒数)的特点，从而导致HFUS成像在组织中较深区域时衰减严重，回波信号幅值弱，极易淹没在噪声中，导致HFUS景深(Depth of Field,DOF)有限且信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)低，严重限制了HFUS的成像质量及其在临床的应用推广。

为解决这些问题，国内外研究人员开展了大量的研究工作。针对 DOF受限方面，研究发现采用高频超声环形阵列进行成像可以有效地增加DOF[6]，但该方法需要使用特制的超声探头，无法兼容现有的常规线阵、凸阵和相控阵探头，限制了其使用范围和能力。针对高频超声波的衰减问题，研究表明编码发射技术利用有限峰值幅度的长串编码脉冲，可在保持HFUS空间分辨率的同时能显著提高图像的 SNR。编码发射技术无须改变现有系统硬件和探头配置，仅通过调制激励脉冲和解码方式即可得到实时的高质量的图像，具有良好的技术兼容性和适用性，因此在弹性成像[7-9]、多普勒成像[10-12]以及谐波成像[13-14]等多个HFUS领域得到了越来越多的研究和应用。编码方式对成像质量有着重要影响，同时，激励脉冲以及回波信号的质量以及信号处理方式等也是决定成像质量的重要因素，为此超声系统的设计[15]、波形发生器[16-17]和滤波器[18]等硬件的改良和实现也是国内外学者越来越重视的方面。

目前，已有相关文献[19]对编码发射技术的研究进展进行了综述，但是就最近几年高频成像领域的编码发射技术，以及针对各种编码组合的新技术的总结尚且不多。因此，本文对最近几年医学高频超声成像中编码发射技术的发展状况进行综述，包括编码发射技术在高频超声成像中的多种应用以及国内外学者针对不同编码发射技术的不足之处提出的改进方法，对其后续的研究进行展望，为从事相关研究工作的人员提供参考和借鉴。

1 高频超声成像中的编码发射技术

编码发射技术的基本流程框图如图1所示，其与传统脉冲回波成像的主要区别在于发射电路和接收电路的功能上，编码发射技术的发射电路需要发射编码激励，必要时还需要对其进行调制处理。同时，为得到与单脉冲激励宽度相近、但幅度远远提高的信号，接收电路需要对回波信号进行脉冲压缩。传统脉冲回波成像方式和编码激励成像方式的基本工作原理如图2[20]所示。

目前，在医学超声成像中应用最广泛的编码发射技术是 Chirp码，巴克(Barker)码和格雷(Golay)码。文献[19]已对这些编码发射技术的工作原理和优缺点进行详细的总结和比较。这些超声编码信号的分类由表1给出，其优、缺点如表2[19]中所示。

图1 编码发射技术流程框图Fig.1 Block diagram of encoding transmission technique

就高频成像而言，当使用相位编码方式时，系统在动态成像时，由于成像对象的运动和成像系统本身的扫描，编码及信号采集时其位置或形态的变化会引起相位偏移，在傅里叶变换时这种相位偏移被误认为是位置信息，从而导致产生无法消除的距离旁瓣伪像[21]，对图像造成无法忽略的影响，同时相位编码会受到码长限制和发射机制的的影响，因此对这些方面的改进以及提高衰减频率的鲁棒性是相位编码在高频成像方面的重点和难点。

图2 脉冲回波发射和编码反射的基本工作原理[20]Fig.2 Schematic diagram of basic working principle for normal pulse excitation and coded excitation[20]

表1 编码信号的分类Table 1 Different coding types

表2 超声成像中编码方式的性能比较[19]Table 2 Performance comparison of different coding types in ultrasound imaging[19]

由表2可知，Chirp码脉冲压缩效果受衰减和波束合成等非线性因素的影响相对较小，且只需要一次发射就可以完成脉冲压缩，受组织运动影响较小，对衰减的频率依赖性方面具有更强的鲁棒性。因此如何在高频成像中将其他方法与Chirp编码发射技术相结合，得到目标效果，是现阶段的主要研究方向[22-23]。但是由于 Chirp码需要多幅值发射电压，对发射电压和硬件的要求较高。为使编码发射技术适用于高频成像，国内外研究人员提出了各种不同的针对性改进方法。

1.1 DF-Chirp编码激励方法

将 Chirp编码激励的脉冲与双频(Dual Frequency,DF)差激励的波形相结合技术被称为DF-Chirp编码激励方法[24]。

双频(DF)差激励技术在高频超声中用于诱导来自微泡的低频非线性散射，并通过传输两个高频正弦波，在差分频率下产生包络分量。包络分量接近微泡共振频率会提高激发效率，然而通过延长传输脉冲长度来提供足够的包络分量需要以降低轴向分辨率为代价。而Chirp编码属于发射线性调频(Linear Frequency Modulation,LFM)编码激励，与传统短时脉冲激励相比，在固定脉冲长度和相同声波能量的条件下，可以提供更宽的信号带宽，从而改善轴向分辨率[15]。在高频超声成像中，DF-Chirp的发射信号是通过将Chirp码嵌入到DF差激励的包络分量中进行脉冲压缩，其波形实现如图3所示。双频(DF)差激励方法提高了横向分辨率，Chirp编码激励技术则在保持声波能量的同时提高了轴向分辨率，DF-Chirp编码激励方法结合两者的成像优势，同时提高了横向分辨率和轴向分辨率。

图3 DF-Chirp码波形形成示意图[24]Fig.3 The diagram of waveform formation of DF-Chirp code

文献[24]的实验结果如图4所示，以对比组织比(Contrast to Tissue Ratio,CTR)为图像评价标准，在 600 kPa和 1 000 kPa的焦点声压下，DF-Chirp的成像效果都明显优于长DF(DF-long)(脉冲长度为5 μs)和短 DF(DF-short)(脉冲长度为 1 μs)：DF-long与DF-Chirp成像脉冲长度相同，DF-Chirp明显提高了轴向分辨率；DF-short和DF-Chirp成像轴向分辨率相近，但DF-Chirp明显降低了背景噪声。

然而，微泡的非线性振荡会改变撞击包络分量的相位[25]，导致回波信号不能使用匹配滤波器进行充分的解码，这种不匹配会导致距离旁瓣增大，引起明显的图像伪影，从而降低图像的对比度。同时Chirp编码对发射电压和硬件要求较高，也是DF-Chirp差激励方法面临的问题。

图4 从左到右：微泡在DF-Chirp，DF-long和DF-short不同激励下的B模式图像(a)～(c)中的焦点声压为600kPa，(d)～(f)为 1 000 kPa[24]Fig.4 Microbubble’s B mode images:From left to right Figures are DF-Chirp,DF-long and DF-short,respectively.The focal acoustic pressure in(a)～(c)is 600 kPa,and(d)～(f)is 1 000 kPa[24]

1.2 组合脉冲反转Chirp编码组织谐波成像技术

组织谐波成像(Tissue Harmonic Imaging,THI)可降低旁瓣水平，获得横向分辨率和组织对比度更高的图像[14]。特别是高频成像方面，精细的成像对器官微创的诊断有重要意义，高频次谐波成像技术可获取高精度的微脉管系统图像[26]，THI已被应用于血管内超声(Intravascular Ultrasound,IVUS)[27-28]。但THI动态范围小，同时受到谐波频率衰减和带宽限制等的影响，会引起空间分辨率降低[29]。

针对这个问题，研究[13]表明编码激励技术应用于THI可以补偿降低的信噪比，同时有研究[30]证明脉冲反转组织谐波成像(Pulse Inversion Chirp Coded Tissue Harmonic Imaging,PI-CTHI)较THI具有更深的穿透深度。PI-CTHI方法是通过交替地发送幅度反转的脉冲串，然后将获得的相邻两条波束线求和，从而抵消基频上的信号。然而旁瓣水平的提高使得PI-CTHI不适用于B模式成像，文献[31]提出的一种组合脉冲反转 Chirp编码组织谐波成像(Combined Chirp Coded Tissue Harmonic and Fun-damental Ultrasound Imaging,CPI-CTHI)技术，该技术在 20～60 MHz频段的成像展现了其优越性。CPI-CTHI的发射波形是组合Chirp脉冲，通过用于基本 Chirp编码激励成像(Found Chirp Coded Imaging,F-CI)的Chirp脉冲串与用于PI-CTHI的子谐波脉冲串组合，其脉冲产生如图 5[31]所示，利用匹配滤波器进行回波的脉冲压缩。这种成像技术能够降低旁瓣水平并提高回波信噪比，同时可以减少旁瓣中的Chirp编码成像占比，可以更为清晰地描绘具有非线性系数、不均匀分布的血管内影像。

图5 组合Chirp脉冲：由基本Chirp脉冲和谐波Chirp脉冲相加产生[31]Fig.5 Generation of a combined chirped waveform [31](Both harmonic and fundamental chirp are summed to generate the final waveform)

文献[31]给出的成像对比如图 6所示，6(a)～6(c)分别显示了通过 CPI-CTHI、PI-CTHI和 F-CI获得的兔气管的横截面超声图像。为了便于对比观察，图6(d)给出了动物的气管组织。CPI-CTHI成像清楚地描绘了上皮层和连接处的组织，而且相较于其他两种成像方式，上皮层下的血管更加清晰。值得注意的是，假回波会导致PI-CTHI成像方式在软骨层外产生伪影，这种伪影会导致图像模糊，而CPI-CTHI成像方式中则没有出现这种问题。

图6 不同编码方法获得的动物气管超声图像[31]Fig.6 Animal tracheal ultrasound images obtained by different coding methods[31]

CPI-CTHI是结合多项前人的工作设计优化出来的一种适用于高频的IVUS的成像技术，解决了旁瓣水平过高、穿透深度不足等医学高频成像中常见的难题，其局限性可能还是在于Chirp编码的固有特点，即对发射电压和硬件的要求较高。

1.3 结合失配滤波器的LFM-Barker编码发射技术

LFM-Barker编码发射技术是LFM代替正弦波作为Barker码载波的编码发射技术[32]。Barker编码激励属于相位编码发射技术，传统的Barker码用正弦波的单频载波调制(Sinusoid-Barker)，与线性调频编码激励相比，具有更简单的脉冲发生器和更低的成本，但其频谱与超声换能器的频谱不一致[33]。此外，由表1可知，Barker码是单次发射的双相位编码，有良好的自相关距离旁瓣水平。对于长度为N的Barker码，其自相关距离旁瓣水平为1/N(正弦波的单频载波具有大约为1的时间带宽积TB，Barker编码激励的SNR增益只能通过其长度来实现)。理想状态下，增加Barker码的长度可获得更低的旁瓣水平，同时改善SNR，但实际情况是最长的Barker码也仅有13位，因此采用Barker码发射成像时，获得的最小自相关距离旁瓣水平也高达 1/13。如此高的旁瓣水平将导致图像中出现不可接受的伪影现象，且该方法在传输能量方面也显得不足。

文献[34]将Barker编码发射技术应用于眼科高频成像，同时对比了匹配滤波器和失配滤波器的效果，表明失配滤波器的使用可得到更加理想的旁瓣水平。匹配滤波器和失配滤波器的主要区别是滤波器的长度以及幅度电平不同[35]。失配滤波器比匹配滤波器更长且具有多个幅度电平，可在保证 SNR的同时显著降低旁瓣电平，从而提高成像水平[36]。

图7 LFM-Barker码：由过采样的Barker码和基本脉冲序列Chirp码卷积形成[37]Fig.7 LFM-Barker:a convolution of a base pulse sequence with an oversampled Barker code sequence[37]

LFM-Barker编码发射技术在一个Barker芯片中采用线性频率调制，而在 Barker芯片间则采用Barker相位调制的方法，其发射信号的产生方式如图7[37]所示。相较于传统的Barker编码发射技术，其频谱可灵活地响应超声换能器频谱，频移灵敏度高，对衰减频率依赖性的鲁棒性强，同时结合失配滤波器解码，可很好地应用于频率相关衰减的情况。

图8[32]是文献[32]运用Field Ⅱ进行的B模式成像模拟结果，图中有4个识别点，两两之间的距离由上往下逐渐递减。比较两种编码方式的成像结果可知，传统的Sinusoid-Barker编码方式不能分辨最后的两个相邻点，而 LFM-Barker编码方式则可以做到，验证了 LFM-Barker编码发射技术能够提高轴向分辨率这一优势。

图8 具有(a)LFM-Barker编码激励和(b)传统Barker编码激励的四点目标的B模式图像[32]Fig.8 B-mode images of four point targets with(a)LFMBarker coded excitation and(b)Sinusoid-Barker[32]coded excitation

由于LFM-Barker编码方式引入了LFM，Barker码相较于Chirp码成本低、电路实现简单的优势将不复存在，其脉冲发生器的电路和硬件将变得复杂，同时SNR增益也会降低。

1.4 Barker-Golay调制编码发射技术

Barker-Golay(Barker Sequence Modulated Golay Coded,BMG)调制编码发射技术是一种Barker码调制的Golay编码激励技术[38]。

与Barker码一样，Golay码也是相位编码，其编码序列皆是由“1”和“-1”排列组合构成，进行编码发射的电路只需产生正负电压即可，因此发射电路易于实现[39]。Golay码是成对发射的双相序列，其具有的优势是与单次发射的编码相比，两次发射在理论上可以消除距离旁瓣。编码激励技术可以在不降低轴向分辨率的情况下实现SNR的提高，SNR的改善程度则是由码长决定的[40]。

传统的Golay码和Barker码都只有有限的码长序列，因此在使用这两种编码激励技术时，面对不同的情况，只有有限的选择。BMG的原理是将一对Golay码分别与Barker码进行卷积处理，将处理后的序列相加，通过解码得到输出信号。此方法可改善编码激励的信号强度并增加码长的灵活性。

图 9[38]为 BMG码的生成和脉冲压缩示例，可见使用 Barker码调制 Golay码后可以有效增加码长，还能增加码长的选择。同时，回波信号脉冲压缩后具有更高水平的主瓣，从而提高了信号的强度。

如图10[38]所示，文献[38]将BMG码发射技术与其他几种编码发射技术进行了成像对比。结果表明，相较于传统脉冲信号、Barker码和Golay码，BMG编码激励成像的SNR提高效果最好。通过图10(c)～10(f)的囊肿放大图像也可以看出BMG码的成像水平要高于其他3种编码发射技术。

但是BMG编码方法在增强信号强度的同时也增加了距离旁瓣，同时两次发射的机制容易受组织运动的影响。并且，这种编码发射技术可能只适应于眼科等组织相对静止的高频超声成像，成像条件比较受限。

1.5 结合PRF/4解码的Golay编码发射技术

结合PRF/4解码的Golay编码发射技术是在发射Golay编码激励的基础上，基于Golay激励的主瓣和距离旁瓣分量之间的半脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency,PRF)fPR的多普勒频谱差异，使用截止频率为fPR/4的低通滤波器(PFR/4解码滤波器)进行慢速解码，将所需的主瓣与旁瓣干扰分开，从而改善成像质量的一种编码发射技术[41]。

图9 BMG码的生成和脉冲压缩示例[38]Fig.9 Illustration of BMG code generation and compression[38]

图10(a)使用BMG编码激励的B模式图像，(b)点目标的轴向轮廓，(c)～(f)：不同编码激励下的囊肿的放大图像(c)传统脉冲，(d)Barker码，(e)Golay码和(f)BMG码[38]Fig.10(a)B-mode image by using BMG code,(b)axial profiles of the point target located.(c)～(f):Enlarged image of the cyst by different code excitation,(c)traditional pulse,(d)barker code,(e)golay code and(f)BMG code[38]

尽管相位编码较Chirp编码具有硬件要求低、SNR增益高的显著优点[42]，但其在动态成像方面不可忽视的旁瓣伪影现象限制了其在高频成像方面的应用。如何抑制旁瓣是相位编码面临的主要问题。

传统的多普勒检测是通过使用同一个波形对成像对象进行重复发射，计算每次发射的回波之间的相移来检测超声换能器和成像对象之间的距离变化。Golay互补序列两次发射的属性，要求分别解码两次回波信号来获得所需的成像信息，这就会产生严重的运动伪影。图11[41]说明了Golay编码发射技术在多普勒成像中运动伪影的产生机理。

结合 PRF/4解码滤波器的 Golay编码发射技术，对于流速介于-fPR/4～fPR/4之间的多普勒成像，可以有效消除旁瓣伪影。为了保证PRF/4解码滤波器的解码性能，PRF/4解码滤波器将±PRF/2频率上的旁瓣置零，同时有效抑制了-fPR/2～-fPR/4及-fPR/4～fPR/2频率范围内的所有旁瓣[12]。文献[41]将这种技术应用于商业40 MHz的商业临床超声系统，并与传统 Golay编码发射技术进行了成像对比，图 12[41]所示的彩色血流(Color Flow,CF)成像中，蓝色阴影的色块是由旁瓣造成的伪影，图12(a)可以看出传统的和修改解码的Golay编码发射技术都受到明显的旁瓣伪影的影响，PRF/4解码技术则能有效抑制了这些伪像以恢复准确的CF信息。

然而，PRF/4解码技术在运动成像中存在的问题是，不同回波的主瓣和旁瓣可能产生混叠，这也称为旁瓣混叠现象，旁瓣混叠的存在可能导致有用的主瓣信息被滤除，如图12(b)所示，当流速增加并超出fPR/4时，具有fPR/4解码的CF图像也在信道外和信道中心呈现蓝色阴影。其成像效果甚至比传统的以及修改解码的Golay编码发射技术更差。

图11 相邻A代码和B代码之间的主瓣(黑色)和旁瓣(白色)(Δτd表示从成像对象的运动开始的时间延迟)[41]Fig.11 The main lobe component(black)and the side lobe component(white)between adjacent A sequence and B sequence(Δτdrepresents a time delay from the motion of the imaged object)[41]

图12 不同解码方式的CF图像：从左到右分别是使用传统解码，修改解码和4fPR/25解码[41]Fig.12 CF images of different decoding methods :from left to right is the use of traditional decoding,modified decoding and 4fPR/25 decoding,respectively[41]

因此，该方法的局限性之一在于，为了避免旁瓣混叠，需要通过仔细选择与流速匹配的PRF，这就限制了该方法的可用范围。同时，Golay码的增长可以提高 SNR增益，但也会增加旁瓣水平。因此，即使在PRF/4编码滤波之后，Golay发送序列越长，残余旁瓣的伪像也越可能保留。

Golay编码存在的另一个问题是其两次发射的机制会导致成像帧率下降，这是影响CF成像速度的重要问题。有相关研究已经提出利用正交 Golay编码技术来克服这一缺点[43-44]，但目前应用到高频成像领域的研究并不多，相信随着研究的进展相关方法会得以应用。

2 总 结

高分辨图像对于临床诊断具有重要意义，高频超声成像是获得高分辨率图像的有效手段。但高频、高衰减限制了其穿透深度和成像质量，而编码激励技术已成为改进高频超声成像深度和质量的重要手段。本文对近年来多种编码发射技术在高频成像方面的改进与应用进行了总结，其优、缺点总结如表3所示。

对于不同的编码技术，CPI-CTHI有效地解决了IVUS中穿透深度与成像质量难以同时满足的问题，对心脑血管疾病的诊断将会有着积极影响；结合PRF/4解码的Golay编码发射技术则找到了相位编码发射技术在动态成像方面的应用，对相位编码在高频成像方面的研究起到了积极作用。

表3 医学高频超声成像中应用的不同编码发射技术Table 3 Different coding techniques in medical high frequency ultrasound imaging

各种编码激励技术的改进方法都在相关应用领域展示出了其相比传统脉冲激励成像的优势。此外，在编码类型已经得到一定发展的情况下，发射信号的质量，发射、接收电路的效率也是影响成像质量和速度的重要因素，因此超声系统的电路设计以及对波形发生器和滤波器等硬件的改良和实现都是高频超声系统发展的重要趋势。相信随着高频超声成像的日益普及和应用，这些编码发射技术将会起到越来越重要的作用。