李勇先生深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司超声研发部主任工程师、...

李勇先生深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司超声研发部主任工程师、博士。

在数字超声产品领域，从全数字黑白B超到全数字彩超，迈瑞在掌握核心技术的基础上实现技术突破，在彩超高端技术领域完成了高性能多波束前端设计、血流信号高灵敏度检测方法等众多前沿超声成像技术和先进临床解决方案的设计。本文结合中国首台完全自主知识产权的DC-6全数字彩色多普勒超声诊断系统的特点，重点介绍一下彩超的前沿数字化技术。

一 发射加权

在医学超声成像系统中，发射加权技术是指在超声发射时，各个阵元发射的脉冲波形不相同，这样能够降低发射波束的旁瓣，改善发射波束的质量。各个阵元发射脉冲可以在波形幅度和波形频率中各不相同。迈瑞公司的DC-6全数字化彩色多普勒超声诊断仪，采用数字化技术来控制发射脉冲波形，各个阵元发射脉冲波形的幅度和宽度可以采用数字的方式量化，这样DC-6系统能够非常方便灵活地实现发射加权。

改善发射波束质量的主要目的是为了提高图像的横向分辨率和提高图像的对比分辨率。一般来说，在医学超声成像系统中，图像的横向空间分辨率是由探头发射和接收的波束决定。而图像的纵向空间分辨率由接收到的回波信号的频谱决定。发射和接收波束一般用主瓣宽度、旁瓣两个特征来衡量。一般来说，主瓣宽度这个特征决定图像的横向分辨率，而旁瓣这个特征表示了其它区域的组织对该波束的影响。为了得到较好的对比分辨率，一般超声系统需要有较低的旁瓣。比如在实际成像中，如果感兴趣图像区域是一个被强反射界面包围的低回声区，比如弱回声的肝脏组织以及强回声的肝包膜。如果超声系统的旁瓣比较高，那么在弱回声的肝脏组织区域，波束的旁瓣能够接收到强回声的肝包膜信号，肝脏组织的对比分辨率下降。降低旁瓣可以采用加权的方法来实现，为了达到最优的图像效果，医学超声成像系统一般在发射和接收两个方面实现加权。

发射加权可以通过控制各个阵元发射脉冲的幅度和控制各个阵元发射脉冲的宽度实现。各个阵元发射电压的幅度不同称为发射幅度加权。实现发射幅度加权要求超声系统具有可编程的高压放大电路或多个高压电源。这种采用可编程的高压放大电路或者增加高压电源数目的方式大大增加了超声系统的复杂度。为了提高图像质量，DC-6全数

字化彩色多普勒超声诊断仪采用多个高压电源方式，实现发射幅度加权。

图1是发射波束的剖面图，横坐标表示沿着探头阵元方向，单位是mm，纵坐标表示归一化的幅度，单位是db。实线表示的各个发射通道电压幅度相同的结果，虚线表示各个发射通道电压幅度经过汉明窗加权后的结果。从图中可以看到，汉明窗加权的效果可以将旁瓣降低7db左右，但同时略微加宽主瓣。如前所述，降低旁瓣能够提高图像的对比分辨率，稍稍增宽的主瓣对于图像横向分辨率的影响非常小。

通过改变各个阵元发射脉冲的宽度，也可以改变发射波束的剖面图，从而实现降低旁瓣的作用。图2给出了几个阵元的发射波形。不仅各个通道电压的幅度不同，其脉冲宽度也各不相同。控制发射脉冲宽度可以控制发射脉冲波的能量。简化起见，不妨假设系统具有6个阵元，其中阵元3和阵元4是中心阵元，发射电压较高，发射脉冲宽度较宽。通道离中心通道越远，如阵元1和阵元6，发射电压较低，发射脉宽较窄。

DC-6全数字化彩色多普勒超声诊断仪是同时控制各个阵元发射脉冲的幅度和各个阵元发射脉冲的宽度，实现发射加权。通过这种方式，改善发射波束性能，降低发射波束的旁瓣等级。在该系统中，每个阵元的发射波形均可以用数字化后的发射序列来描述。为了实现图2中的发射加权，图3给出了各个阵元的发射波形控制序列。各个阵元的发射序列经过高压脉冲模块产生高压脉冲，并加载到探头阵元上。简化起见，不妨假设系统具有6个阵元，具有不同发射电压。发射序列中0表示零电平，1、2、3分别代表不同的电压幅度，负号表示电压相反。DC-6系统通过调整数字化后的发射波形的序列，可以调整各个阵元发射脉冲的幅度和宽度，实现发射加权，从而改善发射波束的质量。

二 数字波束合成

如前所述，在医学超声成像系统中，整个波束的形状是由发射和接收波束确定。发射加权是从发射的角度改善波束的性能，波束合成的目的从接收的角度是改善波束的性能。波束合成能够变窄接收到某点回波的波束，减弱从其它位置散射的超声信号的影响。如图4所示，波束合成通过调整各个通道的延时，使得从某点回波同时达到后面的处理模块。这样我们称该点已经聚焦。

波束合成的准确和精度对于超声图像影响非常大。波束合成电路一般是采用时间延时调整或者相位调整的方法。调整依据是超声波的传播时间，波束合成调整超声波从聚焦点到各个阵元之间的时间差异，处理各个通道间相关性较强的回波，提高回波幅度相对于噪声的信噪比，减弱其非聚焦方向上超声波的影响。

波束合成一般分为模拟波束合成和数字波束合成。在模拟波束合成中，一般采用模拟延时线和相加的网络来实现。如图5(a)所示，各个阵元的超声回波信号经过模拟延时线调整后，经过相加处理，再进行AD采样，进入其它处理模块。在波束合成的延时调整环节中是对回波模拟信号处理。在数字波束合成中，一般采用直接对各个阵元的超声回波AD采样、数字化。如图5(b)所示，各个阵元回波信号经过AD采样数字化后，在数字域进行延时调整，再进入其它处理模块。由于对每个阵元先进行AD处理，因此数字波束合成会增加AD的数量。

模拟波束合成在很多方面约束医学超声系统的设计。一般来说，模拟波束合成模块相对比较昂贵，可靠性差，受到环境和元器件老化的影响较大。模拟波束合成模块在生产、安装上要求都比较高。模拟延时线的使用使得超声的设计变得非常不灵活。比如当前超声设备中经常使用多波束处理，多波束能够很好地提高超声实时图像的帧率。如果依然采用模拟波束合成方式，那么超声设备将会变得非常的昂贵。

数字波束合成的优点是延时调整精确高、稳定、设计灵活。一般医学超声成像系统中使用的超声频率是1~10MHz，当前超声系统中的AD采样频率可以达到40~50MHz。这样高的采样频率已经超过超声射频信号的尼奎斯采样频率。DC-6全数字化彩色多普勒超声诊断仪采用数字波束合成方式，其AD采样频率达到40MHz。但是，在数字延时调整处理中，为了保证延时调整的精确性，AD采样率需要比尼奎斯采样频率高好几倍。比如AD采样率最好是100MHz以上。DC-6超声系统通过数字处理方式使得在不增加AD 采样率的情况下，提高延时调整精确性。并且在数字波束合成的方式下，DC-6超声系统可以很方便地实现多波束技术。

三实时逐点动态聚焦，实时动态孔径和实时动态变迹

DC-6全数字化彩色多普勒超声诊断仪采用数字波束合成方式，可以非常方便灵活地实现波束接收时的实时逐点动态聚焦，实时动态孔径和实时动态变迹。

在超声成像系统中，超声回波的接收过程是超声发射过程的逆过程。当某个深度的物体受到超声波激励后，会向各个方向散射。当散射的回波激励探头阵元，那么会产生电信号。由于物体距离各个阵元并不相同，由该物体产生的相干信号在达到各个阵元的时间也不相同。实时逐点动态聚焦是指在接收时，对每个接收点，实时调整各个阵元回波的延时，将回波的相干部分相加，使得回波信号达到最大。

如前所述，为了达到最优的图像效果，降低旁瓣，医学超声成像系统一般需要在发射和接收两个方面实现加权。在数字波束合成系统中，每个通道的回波在波束合成之前已经数字化。在波束合成时，接收焦点随深度变化时，用于相加的通道数目也实时发生改变。这种孔径的实时改变称为实时动态孔径。在波束合成时，接收焦点随深度变化时，各个通道的回波乘以不同的系数，使得波束合成时各个通道的权重并不同。这种动态改变接收的孔径的权重称为实时动态变迹。