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巴克码在提高B超图像信噪比中的应用巴克码在提高B超图像信噪比中的应用刘波,郭建中*,马浪（陕西师范大学物理学与信息技术学院，西安，710062）摘要：传统B超诊断发射的声脉冲都是采用单载频脉冲信号，利用回波信号的包络信息来成像，辨别病变组织的性质从而达到诊断的目的。脉冲宽度直接影响图像的纵向分辨率，生物组织对超声效应的受限程度使得脉冲幅度不能太高而影响探测深度。由于人体组织对超声信号的吸收散射等引起的信号衰减以及噪声的干扰，造成了超声回波信号信噪比的恶化，给病变诊断造成了一定的困难。而通过发射相位编码信号使脉冲长度加大，能量提高，接收时采用匹配滤波对回波进行脉冲压缩，得到与单脉冲宽度相近但幅度远远增强的回波信号，在保证系统分辨率的同时提高图像的信噪比,有利于人体组织的病变诊断。本文针对混叠在一起的四个组织界面的长脉冲回波信号进行脉冲压缩后，得到与单脉冲近似的分辨力但明显的提高了信噪比。关键词：相位编码;脉冲压缩;超声成像；信噪比中图分类号：TB556文献标识码：ATheapplicationofbarkercodeinSNRimprovementofB-modeultrasonicimageLIUBo,GUOJian-zhong,MALang(CollegeofPhysicsandInformationTechnology,ShaanxiNormalUniversity,Xi’an710062)Abstract：TraditionalB-modeultrasonicimagingusessinglecarrierpulsesignaltodiagnosethehumantissuebyanalyzingthebackscatteredsiganal.Thespatialresolutionisdeterminedbythedurationofthepulse,butthepulseamplitudeislimitedbecauseoftheultrasoundbioeffects,sothepenetrationdepthisalsolimited.Becauseoftheattenuationofthehumantissueandnoiseinterference,thesignal-to-noiseratio(SNR)ofthebackscatteredsignalisverylow.Byelongatingthelengthofthetransmittedsignalthroughphasecoding,theenergyofthesignalhasbeenincreased.Thenusematchedfiltertocompressthereceivedsignal,thecompressedsignalhasthesameresolutionofthesinglecarrierpulse,butitsamplitudehasbeenincreasedsignificantly,anditisusefultothediagnosingofhumantissue.Inthisarticle,anelongatedpulsesignalwhichhasbeenreflectedbyfourtissueboundarieshasbeencompressedbythematchedfilter,andthesameresolutionofsinglepulsehasbeenobtained,whiletheSNRhasbeenincreased.Keywords：Phase-coding;Pulsecompression;Ultrasonicimaging;SNR1引言为了防止超声的空化效应和热效应对人体可能造成的损害，医学超声成像系统的峰值声功率和平均声功率均进行了限定[1]。在传统的B超诊断设备中，峰值声功率已经接近最大允许值，为了提高超声图像分辨率，尽可能的采用窄脉冲激励，因此发射的超声信号的占空比非常小，声功率的平均值非常低。由于人体组织对超声的衰减，微弱的回波收稿日期2010-06-21；修回日期2010-.基金项目:国家自然科学基金资助项目（10974128）;陕西省自然科学基金资助项目（SJ08A03）作者简介:刘波（1985-），男，陕西师范大学硕士生，主要从事信号处理的研究工作.通讯作者：**中（1967-），男,陕西师范大学副教授，博士.guojz@snnu.edu信号很容易被噪声信号所淹没，给病变组织的诊断带来了一定的难度。通过相位编码使超声脉冲信号的长度加大，即信号的TB积（时宽带宽）变大，通过发射一串长的脉冲，能够在不增加峰值发射功率的前提下，增强了信号的能量，显著提高平均发射功率，改善了传统机制的缺陷。接收的时候通过对长脉冲回波信号用匹配滤波器进行脉冲压缩（也叫解码），使得信号的TB积“压缩”为1，压缩后信号的分辨力与窄脉冲相值远远增强，显著提高了B超图像的信噪比，提高了系统的轴向分辨力和系统在噪声中的检测能力，给医学诊断带来了很大的方便。2相位编码信号的特性巴克码在提高B超图像信噪比中的应用一般相位编码信号表达式可以写成：tfjtjeetats02)()()(，复包络为)()()(tjetatu,)(t是相位调制函数，对二相编码信号来说只取0和两个值。包络为矩形时有其他,00,/1)(PTtPTta,而二项编码信号的复包络可以写成其他00),(/1)(10PKKPT t KT t v c P t u ，其中二 进制序列{ 1 , 1      j K e c }，v(t)为子脉冲函数， T 为子脉冲的宽度，P 为码长，PT 为编码信号持续 时间。此式可以变换为       1 0 ) ( 1 ) ( ) ( P K K KT t c P t v t u  ，研究表明二相 编码信号的频谱主要取决于子脉冲的频谱，附加因 子{     1 0 2 P K fKt j K e c  }的作用与所采用的码的形式有关 [2] 。计算表明二项编码信号的时宽带宽乘积或脉冲 压缩比为 P P B D         ,所以采用长的二 元序列可以得到大的脉冲压缩比。 研究表明二项编码信号的自相关函数主要取 决于所采用的二元序列的自相关函数，因此为了得 到良好自相关特性的二项编码信号，就必须用载波 对具有良好自相关特性的二元序列进行调制。 3 编码方案及其激励 Barker 码是一种二元伪随机序列，其非周期自 相关函数满足              0 , 1 0 0 ) ( 1 0 m or m P c c m R m P k m K K 可以看出，Barker 码是一种比较理想的编码压缩信 号，其非周期自相关函数的主旁瓣比等于脉冲压缩 比，即为码长P。 本文选择5 巴克码进行计算机模拟仿真，5 位 巴克码序列为（1，1，1，-1，1）。采用中心频率为 2.5MHz ,相对带宽为40％的超声换能器，为了使激 励效果到达最佳，激励信号的频谱特性应该与换能 器的频谱特性相近 [3] 。 激励信号采用 2.5MHz 的正弦波对 5 位巴克码 进行调制，并且每个码元载有三个周期的正弦波， 则单个码元的持续时间为 1.2μs,5 位巴克码总共 持续时间为6μs，激励信号产生过程如图1 和图2 所示。 0 1 2 3 4 5 6 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 时间/μs 幅 度 0 1 2 3 4 5 6 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 时间/μs 幅 度 由于相位编码的频谱取决于子脉冲的频谱，巴 克码子脉冲为宽度为1.2μs 的矩形脉冲，根据矩形 脉冲的时宽与其-4dB 带宽的乘积为1，所以变换到 频域即为-4dB 宽度约0.83MHz 的Sa 函数，经过正 弦波调制即频谱搬移后变为中心频率为2.5M，-4dB 带宽为 0.83M 的 Sa 函数，而换能器的中心频率为 2.5MHz，-3dB 带宽为1MHz,可见激励信号频谱主瓣 处于换能器频谱之内，在激励过程中使得换能器的 等效滤波作用对激励信号的影响最小，即激励信号 通过换能器的能量损失最小。 4 对回波进行脉冲压缩后的信噪比的 分析 由于采用上述激励信号使得换能器对激励信 图1 五位巴克码原始信号 Fig.1 5 bit original barker codes signal 图2 调制后的5 位巴克码激励信号 Fig.2 5 bit barker codes excitation signal after modulation 巴克码在提高B 超图像信噪比中的应用 图6 加入噪声后的混叠回波信号复包络 Fig.6 The complex envelope of the received signals with white Gaussian noise 图4 四个反射界面混叠后的回波信号 Fig.4 4 received signals reflected by the boundary 号的影响最小，则假定发射信号与激励信号波形相 同，并且组织回波信号没有发生波形畸变与发射信 号相比只有时延的不同。 假设有 4 个组织反射界面，坐标分别为 1.8mm,3.6m，7.2mm，14.4 mm，每个界面反射信号 近似为 脉冲 [4] ，归一化幅度依次为1，0.8，0.6， 0.4，如图3 所示。假定组织中的声速为1500m/s， 则三个界面的反射回波相当于单个反射回波与界 面反射函数相卷积结果，时延分别为 2.4μs， 4.8μs,9.6μs，19.2μs,因为单个 5 位巴克码的 持续时间为6μs，所以前三个界面反射的回波信号 就混叠在了一起。四个回波信号如图4 所示。 0 5 10 15 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 界面距离/mm 幅 度 0 5 10 15 20 25 -3 -2 -1 0 1 2 3 时间/μs 幅 度 考虑到传播过程中噪声的影响，加入幅值为 0.2 的零均值高斯噪声后四个界面反射的回波混叠 信号如图5 所示，可以看出最后一个幅值小的回波 信号已经被噪声所淹没。 经过解调后取出其复包络如图6 所示。 匹配滤波函数取图1 所示的反相信号，如图 7 所示。 0 5 10 15 20 25 -3 -2 -1 0 1 2 3 时间/μs 幅 度 0 5 10 15 20 25 -3 -2 -1 0 1 2 3 时间/μs 幅 度 0 1 2 3 4 5 6 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 时间/μs 幅 度 经过匹配滤波对回波信号的复包络进行脉冲 压缩后的结果如图8 所示 图3 界面反射函数 Fig.3 Boundary reflection function 图5 加入噪声后的混叠回波信号 Fig.5 Received signals with white Gaussian noise 图7 匹配滤波函数 Fig.7 Matched filter function