0 引 言

医用超声内镜是电子内镜技术与超声传感技术、微机电技术、现代计算机技术等高新技术不断发展和融合的产物，是当前应用前景非常广阔的医疗仪器[1]。超声内镜检查在通过电子内镜观察人体消化道内壁粘膜表面病变形态的同时，由前端超声探头进行旋转扫描，获得消化道管壁各层次的形态学特征及周围重要脏器的断层图像，辅助医生诊断。

目前，由于国外的超声内镜检测技术比较成熟，我国的医学超声内镜市场主要被日本的奥林巴斯(Olympus)及富士能(Fujinon)等公司垄断[2]，其技术难点主要是前端换能器及微型探头的材料性能及制造工艺要求严格，由于目前国内制造水平有限，因此造成换能器带宽较小，接收回波信号衰减较大，严重影响探测深度与信噪比。采用编码激励技术可以有效增加带宽并提高平均发射功率[3-4]，配合脉冲压缩可获得15～20 dB的信噪比增益，但编码信号进行脉冲压缩后的旁瓣效应会影响超声图像的分辨力[5]，因此需要选择合适的脉冲压缩算法。针对以上问题，本文分别采用匹配滤波法、逆滤波法[6-7]和尖峰滤波法[8]设计了基于4位Barker码激励的脉冲压缩滤波器，并对比了不同脉冲压缩算法的距离旁瓣水平。搭建实验系统验证所设计的超声内镜成像系统的实时成像效果，通过实验说明，采用失配滤波法能够有效抑制旁瓣，减少伪像产生，其中尖峰滤波器法在提高信噪比和分辨力方面效果更佳，满足临床显示的要求。

1 超声内镜实时成像系统

超声内镜实时成像系统原理如图 1所示。导管式超声探头通过电子内镜的活检钳道进入人体，由MDU(Motor Driver Unit，电机驱动单元)内的直流电机带动软轴和前端微型探头进行环形扫描，置于探头内的换能器在同步信号控制下发射经编码调制的超声波，并接收不同深度的组织反射的编码回波，信号经模数转换由高速数字图像处理系统进行处理和变换，最终图像通过USB2.0接口上传至上位机进行实时显示。此外，通过USB2.0接口还可以进行相关控制信息的交换，实现探头频率的切换与图像增益的调节等功能。

图1 超声内镜实时成像系统原理图Fig.1 Schematics of the endoscopic ultrasound real-time imaging system

根据当前临床医用超声成像要求，所设计的超声成像系统显示图像大小为1 024 pixels×1 024 pixels，成像速度为5～25 帧/秒可调。超声换能器中心频率从7.5～20 MHz不等，为保证重建信号的精度，采样频率一般为载波信号频率的5～10倍。为了满足以上要求，本文设计的数字图像处理系统选用180 MHz高频时钟源作为采样时钟和信号处理系统的主频，通过增加采样点数，在不降低图像分辨力的前提下获得大尺寸图像。通过高速双SRAM的乒乓操作和USB2.0接口实现图像的缓存和传输，达到实时显示的目的。

2 编码数据处理与脉冲压缩

2.1 编码数据处理

由于Barker码具有良好的自相关特性及噪声抑制特性，因此是一种时域旁瓣较小的编码方式。超声内镜主要用于人体胃部病变的检查，人体胃壁各层平均厚度约为0.8 mm[9]，为避免由相邻面层产生的回波发生混叠，根据超声波在人体组织中的传播速度1 540 m/s和探头中心频率为7.5 ～20 MHz可选，因此采用4位Barker码(+1，+1，+1，-1)作为编码激励脉冲。

如图2所示，经过模数转换的超声编码回波信号在数字图像处理系统中首先经带通滤波去除信号载波带宽以外的噪声，然后经脉冲压缩、正交解调、数据压缩，最终以8位256级灰度格式数据保存至缓存。

图2 编码回波数据处理Fig.2 Encoded echo data processing

2.2 脉冲压缩算法仿真

常用的脉冲压缩方法分为匹配滤波和失配滤波两种。对于Barker码，采用匹配滤波法能够获得最小的距离旁瓣，主瓣幅度与旁瓣幅度比与编码长度相等。对于4位Barker码，其峰值距离旁瓣水平(PSL，Peak Sidelobe Level)的理论值为-16 dB，而大部分超声成像系统要求PSL低于-50 dB[10]，采用匹配滤波法显然不能达到要求。

为此本文根据匹配滤波和非匹配滤波理论分别设计了匹配滤波器、逆滤波器和尖峰滤波器，其中匹配滤波法是将输入信号做自相关运算；逆滤波器法从频域出发计算信号频谱的倒谱，再通过逆傅里叶变换得到滤波器系数(滤波器长度为32)；而尖峰滤波器法从时域出发使输出信号在最小均方意义上接近δ函数，并将矩阵方程的最小二乘解作为滤波器系数(滤波器长度为 32)。仿真时，首先利用 Field II(一种基于MATLAB的超声仿真平台)设置换能器发射与接收孔径并得到换能器的脉冲激励响应，然后产生4位Barker码激励(+1，+1，+1，-1)并得到编码激励响应波形，最后分别采用以上三种设计好的滤波器对回波进行解码压缩。三种脉冲压缩方法仿真结果如图3所示。