《数字超声成像原理和架构体系设计》在超声成像的硬件和体系构架设计基础上，以B型超声成像系统为主要分析对象，详细介绍了数字超声成像中宽频带传感器、高速前端AD转换、数字波束合成、回波信号的处理技术、图像显示处理、可控波形编码发射、线性调频波、Golay互补码和Barker码等编码技术的设计要点，以及合成孔径成像等方面的研究内容，重点介绍了数字声束合成技术。针对超声传播的*特性，《数字超声成像原理和架构体系设计》还涉及声传播的基础理论和超声弹性成像方面的内容。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 超声成像的背景与意义 1
1.2 超声成像方法的现状 1
1.3 波束形成技术 4
参考文献 5
第2章 数字超声的基础理论与成像原理 6
2.1 数字B型超声成像系统原理 6
2.2 超声成像基础理论 7
2.2.1 超声波产生与接收原理 7
2.2.2 超声波信号的特性 7
2.2.3 超声波的反射、折射和散射 9
2.2.4 超声波的衰减 10
2.2.5 超声波声场特性 11
2.3 高速采样的AD转换 12
2.4 时间增益控制 13
2.5 超声成像质量的评价标准 14
2.5.1 轴向分辨率 14
2.5.2 横向分辨率 14
2.5.3 对比度 14
2.5.4 时间分辨率 15
2.5.5 动态范围 15
参考文献 15
第3章 数字超声硬件系统的设计与研究 17
3.1 数字B型超声系统的原理 17
3.2 超声发射电路 18
3.3 超声扫描线的生成 19
3.3.1 超声扫查的原理 19
3.3.2 间隔扫查方法 20
3.3.3 收发交叉扫查方法 20
3.3.4 收发间隔交叉扫查方法 22
3.3.5 飞越扫查方法 22
3.4 发射阵列开关 23
3.4.1 发射阵列 23
3.4.2 超声发射信号的整序网络 24
3.4.3 超声发射信号的产生 28
3.5 TR接收电路 30
3.6 时间增益控制电路 32
3.6.1 时间增益控制原理 32
3.6.2 时间增益控制电路的设计 33
3.7 高速AD转换 36
3.8 接收整序网络 37
参考文献 42
第4章 敢字波束舍成技术 43
4.1 延时叠加被束形成 43
4.2 聚焦技术 44
4.2.1 聚焦技术的实现过程 45
4.2.2 声场分布的计算 46
4.2.3 凸阵探头的仿真 47
4.2.4 超声圄像的仿真 50
4.3 动态聚焦的工程实现方法 51
4.4 非均匀采样法动态聚焦 55
4.5 均匀采样内插法动态聚焦 59
4.5.1 聚焦延时参数实时修正的产生方法 59
4.5.2 聚焦延时参数的压缩存储与实时生成方法 62
4.5.3 逐点聚焦算法的FPGA实现 67
4.5.4 改进聚焦算法的性能分析与讨论 69
4.6 数字多波柬逐点聚焦技术 70
4.7 幅度变迹技术 74
4.7.1 单一幅度变迹 74
4.7.2 分段动态变迹技术的研究 77
4.7.3 动态幅度变迹技术的实现方法 82
4.8 动态孔径技术 83
4.8.1 动态孔径的优点 84
4.8.2 动态孔径的原理及实现算法 85
4.8.3 仿真成像 87
4.9 动态孔径与动态聚焦延时参数的融合设计 90
4.9.1 聚焦延时的计算90
4.9.2 动态孔径控制方法 91
4.9.3 融合动态孔径聚焦延时参数的压缩 91
4.9.4 Geabr0实验数据集成像 95
参考文献 95
第5章 超声回渡信号的处理技术 97
5.1 动态滤波技术 97
5.1.1 数字滤披器98
5.1.2 动态滤波器设计 99
5.1.3 动态滤披棒的FPGA 实现 101
5.2 包络检测技术 104
5.3 对数压缩技术 108
参考文献 109
第6章 超声的数字图像处理技术 110
6.1 数字扫描变换技术 110
6.1.1 坐标变换 11 111
6.1.2 线性插值 111
6.2 图像的帧相关 112
参考文献 114
第7章 基于虚拟阵元的超声成像双黯焦波束合成 115
7.1 基于虚拟阵元的双聚焦波束合成方法 115
7.2 披束合成器BF1的延迟参数计算 117
7.3 被束合成器BF2的延迟参数计算 118
7.4 仿真结果及讨论 119
参考文献 122
第8章 自适应波束合成算法 123
8.1 标准的*小方差波束合成算法 123
8.2 稳健的自适应加权波束合成算法 124
8.2.1 对角加载法 124
8.2.2 空间平滑法 125
8.2.3 特征空问法 127
8.2.4 广义相干系数 128
8.3 *小方差波束合成与基于*小方差相干系数融合的超声成像方法 129
8.4 基于特征壁间的前后向*小方差波束合成 130
8.5 仿真结果及讨论 131
8.5.1 传统延时叠加成像 131
8.5.2 *小方差波束合成与基于*小方差相干系数融合的成像 134
8.5.3 基于特征空间的前后向*小方差披束合成的成像 138
参考文献 142
第9章 Chirp码与自适应加权融合的鲁棒双翼焦超声波束合成 143
9.1 Chirp编码信号 143
9.2 匹配滤波器与脉冲压缩 144
9.3 基于Chirp码与自适应加权的鲁棒超声双聚焦波束合成 146
9.4 仿真结果及讨论 147
参考文献 151
第10章 数字超声系统设计中的若干问题与解决方法 152
10.1 控制策略与***的问题 152
10.1.1 分时复用的四波柬控制策略 153
10.1.2 数据码流的降频处理问题 156
10.2 超声硬件系统设计的噪声问题 159
10.2.1 超声硬件拓扑结构布局问题 159
10.2.2 超声电路的元器件参数选择问题 160
10.2.3 超声电路中的电源波动引人噪声问题 162
10.2.4 超声电路中信号传输阻抗匹配问题 163
10.2.5 超声电路中的信号串扰问题 167
10.2.6 超声回波信号的屏蔽问题 169
10.2.7 超声电路中的信号隔离与共地问题 172
10.3 高速AD转换器的时钟设计 176
10.3.1 AD转换器时钟的抖动问题 177
10.3.2 抑制AD转换器时钟的抖动 179
10.3.3 多路AD转换器同步时钟的设计 180
10.4 高速LVDS串行接口 182
10.4.1 E5805的LVDS充数据连接 183
10.4.2 LVDS数据线的皿配设计 184
10.4.3 LVDS数据的串行接收 185
10.4.4 LVDS数据的测试与分析 187
参考文献 188
第11章 超声弹性成像基本原理和成像关键方程 189
11.1 弹性成像的形成背景 190
11.1.1 超声弹性成像的原理和方法 190
11.1.2 弹性固与声像图的区别 191
11.1.3 与超声弹性图质量有关的重要参数及理论方面的进展 191
11.1.4 算法方面的进展 193
11.2 弹性波与物质相互作用及超声弹性成像的物理基础 195
11.2.1 弹性披在生物组织中传播的物理方程 197
11.2.2 披动方程的导出 198
11.2.3 非齐次波动方程的Fredhohn 解 202
11.2.4 声波与生物组织相互作用 203
参考文献 206
第口章声波与声子晶体 207
12.1 背景 207
12.2 声子晶体 207
12.2.1 声子晶体的带隙形成机制 208
12.2.2 声子晶体的研究方法 209
12.2.3 声子晶体的缺陆态 210
12.2.4 声子晶体的应用 211
12.3 转移矩阵方法与一维声子晶体的带结构 212
12.3.1 运动方程 212
12.3.2 转移矩阵方法 213
12.4 折射率呈余弦变化的一维光子晶体带结构 216
12.4.1 弹性波波动方程 216
12.4.2 电磁波动方程 218
参考文献 219
第13章 弹性波在介质中的传播成像及Nα法正则参戴的选择 221
13.1 弹性波 221
13.2 Fredholm方程的离散化 221
13.3 逆散射成像中的正则化方法 223
13.3.1 Tikhonov方法 223
13.3.2 截断奇异值方法 224
13.3.3 L-*线法 225
13.4 Burg谱估计与K-S检验 225
13.5 求正则参数的归一化累积频谱Burg法 228
参考文献 231
第14章 NCB正则化Lanczos超声反卷积大规模逆成像 232
14.1 超声解卷面临的问题 232
14.2 Lanczos-NCB混合法解卷 233
14.2.1 卷积问题的离散化 233
14.2.2 Lanczos混合法求解大规模逆问题 235
14.2.3 正则NCB方法 235
14.3 算法实现与模拟 236
参考文献 237
第15章 基于光流的超声心动圄心肌运动与变形分析 238
15.1 光流的基本概念 239
15.1.1 光流 239
15.1.2 运动场与光流 240
15.1.3 光流的梯度约束方程 241
15.1.4 孔径问题 242
15.2 光流法 243
15.3 不同模型光滑项选择 248
15.4 中值公式 250
15.4.1 以TV模型为基础的中值公式计算 250
15.4.2 图像离散的中值公式计算 252
15.5 **Horn-Schunck鲁棒性p函数光流估计 255
15.6 离散中值滤波高阶TV模型的计算 256
15.6.1 P函数光流估计的全变差中值滤披离散方程 256
15.6.2 阶梯效应的消除 257
15.6.3 改进的p函数光流估计与中值公式的刮算 259
15.6.4 对高阶项模型的改进方式 261
15.7 实验结论与数值计算 262
参考文献 269

第1章 绪论
　　1.1 超声成像的背景与意义
　　医学超声成像技术与X射线诊断技术、磁共振成像（MRI）及核医学成像一起被公认为现代四大医学超声影像技术，成为现代医学影像技术中不可替代的支柱.与其他成像技术相比，医学超声成像具有实时性好、无创、无电离辐射、无痛苦以及低成本等优势，广泛应用于临床检查和诊断，备受医务工作者和患者的欢迎。
　　超声成像虽然具有很多优势，但由于其工作模式、成像理论多年来都未有大的突破，因此当前的超声成像系统还有很多问题值得深人研究。例如，超声成像帧率低，现今的超声成像系统约为30帧/s，这对运动器官的实时诊断存在不利的影响；空间分辨率不够高，成像分辨率不如CT、核磁共振超声成像是从大量背景噪声中提取有用的信息，图像质量受到噪声干扰严重[1]。因此，目前的超声成像质量并不理想，有待进一步改进。
　　波束形成技术是超声成像系统中*关键与*基本的一项核心技术，直接决定了超声诊断设备的整体质量。波束形成一般分为模拟波束形成和数字波束形成。模拟波束形成一般采用模拟延迟线来完成每个阵元接收信号的延时控制。因为模拟波束形成的精度差，不灵活，受环境和元器件老化的影响较大，部分较为先进的算法难以实现等，所以模拟超声成像系统的图像质量难以大幅度的提高。随着近年来数字电子技术的快速发展，数字波束形成技术得到了迅速发展，即对各个阵元的超声回波进行AD采样数字化，然后在数字域中进行波束合成和其他后处理。由于数字波束形成具有延时精度高、稳定、设计灵活等优点，能够有效提高图像的分辨率，增加动态范围，降低随机噪声，从而获得较佳的超声图像质量，提高超声诊断的准确性，因此随着数字超声成像技术的迅速发展，数字波束形成算法成为医学超声成像的研究热点。
　　1.2 超声成像方法的现状
　　1.超声成像的发展历史与现状
　　20世纪70年代以来，医学超声工程技术的不断革新，推动了医学超声图像诊断广泛而深人地发展。数字化成像（digital technique imaging）、谐波成像（hannonic imaging，HI）、超声体成像（ultrasonic volume imaging）、组织弹性成像（tissue elasticity imaging）、合成孔径成像（synthetic aperture imaging）、Fourier成像（Fourier imaging）等新技术的应用推动了超声成像诊断技术的迅猛发展。现代医学超声诊断仪是结合了*新医学超声理论基础研究、新型压电材料和超声传感器、计算机处理、声成像技术与信息传输技术的产物，当今医学超声诊断新技术发展的特点主要体现在宽频带化、数字化、多功能化、多维化及信息化等五个方面的综合应用阻，这一发展引导着未来先进医学超声诊断设备研制的创新思维。
　　2.数字化成像
　　全数字化技术在目前超声诊断系统中广泛使用，相比模拟超声诊断仪，不但提高了图像质量，而且改善了系统的可靠性和稳定性。其核心是：
　　（1）宽频带传感器：解决了分辨力和穿透力的矛盾，能够同时获得丰富的组织结构反射信息。
　　（2）高速前端AD转换、传感器接收到的回被信号，直接进人AD转换，数字波束形成可以采用比模拟延迟线精度高的数字延迟，从而更加精确地进行聚焦。
　　（3）数字波束合成：全数字化技术中*为关键的技术，同时实现难度*大，包括聚焦技术、幅度变迹技术和可变孔径技术三个技术环节，成功地完成这三个环节的设计，即可显著提高系统的图像分辨率，增加动态范围，降低随机噪声，获得几乎完全没有失真的超声图像。
　　（4）回波信号的后处理：对数字波束合成后的回波信号进行处理，包括动态滤波技术、正交解调技术、对数压缩技术。
　　（5）图像显示处理z主要通过数字变换扫描技术实现超声图像的显示，包括数据存储技术、坐标变换技术以及线性插值技术。
　　（6）可控波形编码发射、线性调频波、Golay互补码和Barker码等编码技术的应用，对于提高成像的深度和信噪比，有显著效果因。
　　3.谐波成像
　　通常超声传感器中的压电振子以固有频率谐振发射基频超声波。若产生为基频n倍的超声波则称为n次谐波。谐波的成像质量是明显高于基波的，不过由于声衰减量与频率的平方成比例，通常二次谐波信号是微弱的。目前二次谐波成像技术主要用于自然组织和造影剂二次谐波成像。前者来自于检测组织所产生的非线性声学效应，后者来自于造影剂微气泡突然破裂所产生的激励信号。另外，分谐波（subharmonic）成像技术也在发展，它利用1月或1/3基频探测人体组织，可以减少衰减，提高横向分辨率。
　　4.超声体成像
　　虽然多种技术有力地促进了医学超声二维图像技术的飞跃发展，但在深人应用中也发现其中的不足：诊断的准确性较高地依赖于诊断医师掌握仪器的能力与医学知识；成像面间隙区域信号丢失；受检体空间结构是在诊断医师大脑中瞬间合成的印象；介入性治疗明显受到平面声像制约。1961年，&un和Greewood提出了超声体成像概念。超声体成像就是三维成像，其关键问题包括：三维重建与显示方式的算法、精确而方便使用的定位系统等。目前，三维超声成像技术主要应用在心脏、胎儿形体检查及血管内三维重建。
　　5.组织弹性成像
　　软组织弹性的改变通常与物理病变有关，因此触诊在现实疾病诊断中仍然广泛使用。触诊的基本原理就是对组织施加一个低频压力，利用手指的触觉定性地测量组织的响应，从而得到组织的定性估计。但触诊的有效性受限于病灶距体表的位置和医生的主观经验。组织弹性成像反映组织弹性特征，它利用特制的超声源对被测组织进行辐射激振，测量其动态位移，由应变与辐射力计算出响应的弹性系数显示组织的弹性及老化状态。
　　6.合成孔径成像
　　与传统的超声成像方法不同，合成孔径聚焦成像可以通过低的工作频率和较小的传感器孔径获得较好的分辨率。合成孔径聚焦（synthetic aperture focusing technique，SAFT）技术要求采样和存储每一个孔径点和整个国波信号，其全波采样与重建理论复杂，元论对硬件或软件都要求较高，后来人们又提出了各种改进方案，如多阵元合成孔径聚焦（multielement synthetic aperture focusing，M-SAF）、合成聚焦（synthetic focusing，SF）、舍成发射孔径（synthetic transmit focusing，STA）、合成接收孔径（synthetic receive focusing，SRA）。
　　7.Fourier成像
　　为了提高成像质量，探索新的成像理论和算法，Lu在1997年提出了一种Fourier超声成像系统。在这种方法中，*先发射脉冲平面波或阵列波束（arraybeam）到要成像的物体上，然后用参数不同的阵列波束对接收到的回波信号进行加权处理，其结果经插值后就得到图像的空间频谱，*后通过Fourier逆变换就可得二维或三维超声图像。这种成像算法的核心是Fourier变换，所以系统又称为Fourier成像系统。一次发射就可以重构一帧图像，从而可以到达高帧率（high frame rate，HFR）的成像输出，因此人们又称该成像为高帧率成像。
　　1.3 波束形成技术
　　在超声成像发展初期，绝大多数的B超和彩超仪采用模拟波束形成方式，即各个阵元的超声回波信号先前置放大，再通过模拟延迟线进行调整，*后经过求和处理模块进行波束合成。由于电子聚焦、幅度变迹等都是在模拟信号方式下完成的，因此这种方式的精度差，易受环境和元器件老化的影响，并且模拟延时线的使用也使超声成像系统的设计变得非常不灵活，先进的算法难以实现，从而使模拟超声的成像质量难以有大幅度的提升。
　　直到20世纪90年代，美国ATL公司研制出了世界**台前端全数字化超声诊断仪，将超声的数字化技术进一步前推到波束形成的则是美国GE公司，他们在2000年将数字编码技术应用于超声脉冲的编码与解码，这一处理放大了有用的微弱信号，抑制了不需要的回被信号，多方面改善了图像的质量。
　　在数字波束形成中，各个阵元的回波信号经过放大后，经AD采样数字化，在数字域进行延时叠加、变迹和合成孔径处理。采用数字波束形成技术存在以下优势：实现跟踪式动态聚集，大大改善了图像的横向分辨率；实时动态变迹；幅度信息（获得B塑图像）与相应信息（获得多普勒血流图像）可以在基本相同的硬件通道上得到；有效降低电路系统中噪声对波束形成的影响；先进的算法在数字系统中易于实现。这些技术优势使得数字超声系统的成像质量明显优于模拟超声，并在临床应用中逐步取代模拟超声成像系统阻。
　　数字波束形成技术作为超声成像的关键核心技术，直接决定着超声成像系统的图像质量。在近十几年，数字波束形成技术得到进一步的发展，相继出现了空间复合成像、自适应波柬形成技术以及数字多声束形成技术。
　　空间复合成像的原理早在20世纪80年代初就已被提出，但受当时计算机技术和电子技术的限制，一直停留在理论阶段。近几年来随着计算机处理能力和大型集成电路的发展，实时复合成像又被提起，并逐步进人实用阶段。
　　自适应波束形成已广泛用于元线通信、语音信号处理、雷达、声纳等阵列信号处理领域。近年来，自适应波束形成也被应用到超声领域。自适应波束形成技术是指利用接收的回披数据计算出动态的加权系数。该技术充分利用回波数据本身的特点，实现了真正的动态变迹，从而达到提高图像空间分辨率的目的。其中，*小方差波束形成（minimum variance beamfonning）是一种*常用的自适应波束形成方法。该方法*早由Capon在1969年提出，基本思想是在无失真约束条件下在指定方位或频率上获得*小方差，进而推导出*优权向量。但这种波束形成方法仅适用于远场、窄带非相关信号，而超声数据具有近场、宽带和强相关性等特点，限制了MV算法在医学超声成像中的应用。针对这些问题，Synnevag等采用前向空间平滑法，去除了回波信号的相关性。Asl等采用前后向（FB）空间平滑法，进一步提高了去除回波信号相关性的能力。Li等利用对角加载技术提高MV算法的稳健性。MV算法虽然能够有效地提高成像壁间分辨率，但对成像的对比度却没有改善。Asl等分别提出了MV与相干系数（CF）结合的算法及基于特征空间的MV（EIBMV）算法来提高成像分辨率、对比度，以及降低旁瓣等级。基于以上阐述，如何进一步提高图像的分辨率、对比度以及成像算法的稳健性是数字波束形成技术中重要的研究课题。
　　数字多波束形成技术是由数字波束形成技术与多波束形成技术结合而成。数字多波束形成技术只需发射一次脉冲信号，然后利用多个阵元接收到的回波信号形成多条接收声束。关于多波束形成技术的讨论在文献中极少见，但近几年已开始有产品问世。数字多波束形成技术具有很大的技术意义，不仅提高了图像的纵向分辨率、横向分辨率、时间分辨率及对比分辨率，而且也提高了成像速度。从而使得数字超声成像能够更好地应用于血流成像系统以及高速度的三维成像。
　　目前B型超声在临床中的应用*为广泛，因此，本书重点以B型超声成像系统进行分析。数字声束合成是超声成像的关键核心技术，对超声成像起着决定性的作用，也是本书要重点分析的内容。
　　参考文献
　　第2章 数字超声的基础理论与成像原理
　　本章将重点分析研究数字B型超声成像系统的原理和超声成像的基础理论，包括系统成像流程，超声信号的波形，传播过程中的反射、折射、衰减和声场特性。让读者逐渐掌握超声信号的基本特征，大致了解数字B型超声系统的成像过程。