全數(shù)字B超動(dòng)態(tài)濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周 盛李仙琴王曉春何新喜楊 軍計(jì)建軍王延群*

1(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津 300192)2(天津邁達(dá)醫(yī)學(xué)科技有限公司，天津 300384)

全數(shù)字B超動(dòng)態(tài)濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周 盛1李仙琴1王曉春1何新喜2楊 軍1計(jì)建軍1王延群1*

1(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津 300192)2(天津邁達(dá)醫(yī)學(xué)科技有限公司，天津 300384)

為在全探測(cè)深度內(nèi)獲取最佳分辨力的超聲回波圖像，本研究基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)濾波器，將全數(shù)字B超的探測(cè)深度平均分為64段，采用64個(gè)32階帶通濾波器與之對(duì)應(yīng)，完成人體超聲回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)濾波處理。所設(shè)計(jì)濾波器應(yīng)用于128陣元、3.5 MHz的全數(shù)字B超設(shè)備中，并與使用常值濾波器的圖像進(jìn)行了分析比較。通過(guò)對(duì)仿組織超聲體模的檢測(cè)顯示，在圖像的探測(cè)深度、遠(yuǎn)場(chǎng)分辨力和噪聲濾除等方面都有了較為明顯的提高。

超聲;動(dòng)態(tài)濾波器;現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA);有限沖激響應(yīng)(FIR)

Abstract:This study is aimed to obtain the ultrasonic echo images in all detective depth.A dynamic filter was designed based on field programmable gate array(FPGA).The detective depth of the digital B mode ultrasonography was divided into 64 segments，and sixty four 32-order band-pass filters were adopted to complete the process of the dynamic filtering of human ultrasonic echo signals.Then the design was applied to the digital B mode ultrasonography with 128-elements and the center frequency of 3.5 MHz.With the experiments in tissue mimicking ultrasound phantom，the detective depth，the resolution in far field and the denoising ability were all obviously improved compared with the image created using the fixed filter.

Key words:ultrasonic;dynamic filter;FPGA，F(xiàn)IR

引言

超聲圖像質(zhì)量對(duì)于疾病診斷有重要的意義。由于人體軟組織對(duì)超聲波的衰減與頻率大致呈線(xiàn)性關(guān)系，因此在近場(chǎng)應(yīng)主要獲取回波信息中的高頻成分以提高圖像的分辨力和清晰度;而隨著探測(cè)深度的增加，高頻成分更快地衰減使得超聲波逐漸向頻帶的低端偏移，這時(shí)需要提取回波信息中的低頻成分以獲取更豐富的遠(yuǎn)場(chǎng)圖像信息，實(shí)現(xiàn)全探測(cè)深度內(nèi)最佳的成像效果［1-2］。全數(shù)字B超系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)濾波器用以自動(dòng)選擇以上具有診斷價(jià)值的頻率信號(hào)，濾除體表部分以低頻為主的強(qiáng)回聲信號(hào)和深部以高頻為主的干擾。動(dòng)態(tài)濾波器設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到全數(shù)字B超系統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)成像的分辨率，是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分［3］。

在模擬B超中，動(dòng)態(tài)濾波電路的實(shí)現(xiàn)一般是利用變?nèi)荻O管的結(jié)電容隨其反偏電壓的增大而減小，從而改變了選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率。這種方法雖然比較成熟簡(jiǎn)單，但選頻網(wǎng)絡(luò)的頻譜特性不精確，而且改動(dòng)麻煩，所以現(xiàn)已不被廣泛采用。在全數(shù)字B超中，動(dòng)態(tài)濾波器都是基于匹配濾波的概念來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在信號(hào)處理進(jìn)程中，匹配濾波器系數(shù)隨接收深度的變化而動(dòng)態(tài)改變。數(shù)字濾波器選用具有線(xiàn)性相位的有限沖激響應(yīng) (finite impulse response，F(xiàn)IR)數(shù)字濾波器。而傳統(tǒng)的FIR濾波器是采用乘累加的硬件結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的濾波器需要大量的硬件資源。本研究采用全并行的分布式算法并加入多級(jí)流水線(xiàn)，同時(shí)使用分割表技術(shù)來(lái)減少查找表的資源占用［4］。由于動(dòng)態(tài)濾波器中每個(gè)濾波器的系數(shù)都不同，采用動(dòng)態(tài)查找表的方式，適時(shí)調(diào)整濾波器的輸入系數(shù)。

1 方法

1.1 動(dòng)態(tài)濾波器的設(shè)計(jì)

為了獲得全探測(cè)深度內(nèi)的最佳分辨力的回聲圖像，需要設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)濾波器是一個(gè)隨著時(shí)間(深度)的增加，通頻帶逐漸向下移動(dòng)的帶通濾波器組，該濾波器組由64個(gè)濾波器組成。在濾波器的選擇上，采用具有線(xiàn)性相位的FIR型濾波器，摒棄了傳統(tǒng)的使用乘法器實(shí)現(xiàn)乘累加的硬件描述方法，而是基于分布式算法在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)上實(shí)現(xiàn)濾波器的硬件結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)利用全數(shù)字B超系統(tǒng)的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，采用的超聲探頭型號(hào)為C3.5-128R50S，為128陣元的凸陣探頭，中心頻率為3.5 MHz，-6 dB帶寬為71%。

1.2 濾波器系數(shù)的生成

為實(shí)現(xiàn)人體超聲回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)濾波處理，將全數(shù)字B超的探測(cè)深度平均分為64段，采用64個(gè)帶通濾波器與之對(duì)應(yīng)。超聲回波信號(hào)采樣頻率為40 MHz，濾波器階數(shù)為32，其他基本技術(shù)參數(shù)如下:

式中:Fc1為通帶下截止頻率，F(xiàn)c2為通帶上截止頻率。i的取值范圍為1～64，隨著深度的增加i增加，即i=1代表體表處，i=64代表體內(nèi)最深處。

首先，在Matlab中，通過(guò)給定的濾波器階數(shù)和帶寬，利用 FDATool工具［5］，選取 Hamming窗函數(shù)來(lái)生成濾波器系數(shù)。然后利用FPGA芯片強(qiáng)大的RAM存儲(chǔ)功能［6］，在初始化階段，將濾波器系數(shù)量化為8位補(bǔ)碼數(shù)，存儲(chǔ)到FPGA芯片的RAM中。在系統(tǒng)運(yùn)行階段，通過(guò)精確的時(shí)序控制從RAM中得到濾波器的系數(shù)，并輸入到FIR型動(dòng)態(tài)濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)部分。以第1個(gè)和第32個(gè)帶通濾波器為例，圖1中的(a)和(b)分別是在Matlab仿真下，獲得的兩個(gè)濾波器特性圖。從圖中可以看出，隨著深度i的增加，濾波器的頻譜逐漸向頻帶的低端移動(dòng)，因此可以很好地匹配超聲回波信號(hào)的頻率成分，濾波體表部分以低頻為主的強(qiáng)回聲信號(hào)和深部以高頻為主的干擾，從而獲得全探測(cè)深度內(nèi)最佳分辨力的回聲圖像。

圖1 濾波器特性圖。(a)第1個(gè);(b)第32個(gè)Fig.1 Diagram of the filter characteristic.(a)the first filter;(b)the thirty-second filter

1.3 動(dòng)態(tài)濾波器的結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)處理，采用全并行的分布式算法并加入了多級(jí)流水線(xiàn)［7-8］，同時(shí)使用分割表［9］技術(shù)來(lái)減少查找表的資源占用。由于動(dòng)態(tài)濾波器中每個(gè)濾波器的系數(shù)都不同，采用動(dòng)態(tài)查找表的方式，來(lái)適時(shí)調(diào)整濾波器的輸入系數(shù)。

根據(jù)FIR濾波器的對(duì)稱(chēng)性，動(dòng)態(tài)濾波器組的每個(gè)32階濾波器均可以對(duì)折成16階線(xiàn)性FIR濾波器。然后根據(jù)濾波器的線(xiàn)性特性和分割表原理，將用來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式算法的查找表以每4個(gè)抽頭一組，分割成4個(gè)小型查找表，即4個(gè)4階 FIR濾波器級(jí)聯(lián)成16階。這種級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)相對(duì)于全并行分布式算法不僅加快了查表速度，還成倍地節(jié)約了資源，很容易實(shí)現(xiàn)更高階擴(kuò)展，同時(shí)濾波器的系數(shù)還可以適時(shí)調(diào)整。算法實(shí)現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)如下圖2所示。圖中LUDT為動(dòng)態(tài)查詢(xún)表(look-up dynamic table)，根據(jù)系統(tǒng)的需要隨時(shí)通過(guò)C0，C1，C2，C3對(duì)系數(shù)的取值進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的自適應(yīng)調(diào)整［10］。

圖3為在Altera公司的Quartus II開(kāi)發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)濾波器的頂層模塊圖，主要由ROM模塊、動(dòng)態(tài)濾波器模塊和輸入輸出端口組成。圖中所示的ROM配置圖中，address［5..0］是地址線(xiàn)，共存儲(chǔ)64組系數(shù);q［127..0］是對(duì)預(yù)先存入的濾波器系數(shù)的輸出，每組共16個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)代表8位有符號(hào)系數(shù);clock是讀數(shù)據(jù)同步時(shí)鐘。工作時(shí)，系統(tǒng)利用clock作為時(shí)鐘控制將64組濾波器系數(shù)通過(guò)q［127..0］輸出給動(dòng)態(tài)濾波器模塊。在具體的實(shí)現(xiàn)中，濾波器系數(shù)的值可以通過(guò)ROM表預(yù)先定制，也可以通過(guò)人機(jī)交互的方式實(shí)時(shí)傳輸，還可以根據(jù)系統(tǒng)的輸出端的反饋?zhàn)詣?dòng)地進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整。當(dāng)采用后一種方案實(shí)現(xiàn)系數(shù)調(diào)整時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)濾波功能。然而采用這種方法需要實(shí)現(xiàn)FFT(快速傅立葉變換)等運(yùn)算，計(jì)算量較大，而且需要較高性能的FPGA，所以采用預(yù)先訂制的ROM表來(lái)傳送濾波器系數(shù)。動(dòng)態(tài)濾波器模塊中，clk_40M是數(shù)據(jù)輸入同步時(shí)鐘，reset是復(fù)位信號(hào)，x_in［12..0］和 y_out［12..0］分別為輸入輸出數(shù)據(jù)，coeff［127..0］為動(dòng)態(tài)濾波器的系數(shù)輸入。在Quartus II開(kāi)發(fā)環(huán)境下，采用VHDL語(yǔ)言對(duì)以動(dòng)態(tài)分布式算法為核心所設(shè)計(jì)的系數(shù)可編程動(dòng)態(tài)FIR濾波器進(jìn)行描述、仿真和邏輯綜合。

圖2 動(dòng)態(tài)分布式算法硬件框圖Fig.2 Diagram of the dynamic distributed arithmetic

圖3 動(dòng)態(tài)濾波器頂層模塊圖Fig.3 Diagram of the top module of the dynamic filter

1.4 驗(yàn)證方法

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的64組32階FIR動(dòng)態(tài)濾波器的性能，將這個(gè)動(dòng)態(tài)濾波器邏輯下載到課題組研發(fā)的全數(shù)字B超成像系統(tǒng)中。該系統(tǒng)由發(fā)射模塊、接收模塊、前端控制器、全數(shù)字B型成像處理模塊和PC組成。系統(tǒng)內(nèi)部定義了一條機(jī)器總線(xiàn)，所有的模塊都連在機(jī)器總線(xiàn)上，并通過(guò)PCI接口與PC交換數(shù)據(jù)(PC將控制參數(shù)下載到各個(gè)模塊，并從B型成像處理模塊讀取成像數(shù)據(jù))。超聲前端由32個(gè)物理通道構(gòu)成，裝配了128陣元的凸陣探頭，采用40 MHz同步時(shí)鐘。

分別采用常值濾波器和本研究設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)濾波器的全數(shù)字B超成像系統(tǒng)對(duì)超聲體模(中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所制造的KS107BD(L)仿組織超聲體模)進(jìn)行圖像采集，進(jìn)行對(duì)比。

2 結(jié)果

所采集的利用不同濾波器的標(biāo)準(zhǔn)人體體模圖如圖4所示?？梢钥闯?，使用常值濾波器的B超成像系統(tǒng)在近場(chǎng)分辨率達(dá)到了要求，但在遠(yuǎn)場(chǎng)的效果較差(見(jiàn)圖4(a))。全探測(cè)深度為140 mm，小信號(hào)探測(cè)深度為100 mm，遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲較大，使得體模的深度靶點(diǎn)回波信號(hào)被噪聲掩蓋無(wú)法顯示;而使用本設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)濾波器系統(tǒng)在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)上都獲得了較好的成像效果(見(jiàn)圖 4(b))。全探測(cè)深度≥180 mm，側(cè)向分辨力≤4 mm，軸向分辨力≤1 mm，小信號(hào)探測(cè)深度為120 mm，且遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲得到了抑制。圖5為對(duì)人體肝組織的實(shí)際探測(cè)圖，近場(chǎng)背膜和遠(yuǎn)場(chǎng)膈肌清晰可見(jiàn)，肝內(nèi)組織圖像細(xì)膩，血管與軟組織邊緣明顯。

圖4 所采集利用不同濾波器的標(biāo)準(zhǔn)人體體模圖。(a)常值濾波器;(b)所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)濾波器Fig.4 The B mode ultrasonic human model image collected by the different filters.(a)the const filter;(b)the dynamic filter

圖5 人體肝組織的超聲成像Fig.5 The ultrasonic image of human liver

3 討論和結(jié)論

本系統(tǒng)利用Altera公司Cyclone系列的EP1C12Q240C6N型FPGA芯片，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)FIR型動(dòng)態(tài)濾波器。從使用該動(dòng)態(tài)濾波器的全數(shù)字B超成像系統(tǒng)采集的圖像中可以看出，在遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)都達(dá)到了較好的分辨力和信噪比。說(shuō)明本設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)濾波器可以根據(jù)探測(cè)深度自動(dòng)選擇回聲信號(hào)中有診斷價(jià)值的頻率成分，并濾除體表以低頻為主的強(qiáng)回聲信號(hào)和遠(yuǎn)場(chǎng)以高頻為主的干擾，從而提高了近場(chǎng)分辨力和遠(yuǎn)場(chǎng)信噪比，使回聲圖像的質(zhì)量得到了改善。

在本設(shè)計(jì)中，動(dòng)態(tài)濾波器中心頻率的變化函數(shù)為線(xiàn)性的經(jīng)驗(yàn)公式，在實(shí)際回波信號(hào)中未必能很好的匹配實(shí)際回波信號(hào)的中心頻率，會(huì)導(dǎo)致超聲成像靈敏度的降低。進(jìn)一步的研究將考慮采用依據(jù)實(shí)際回波信號(hào)的頻譜特性自動(dòng)調(diào)整動(dòng)態(tài)濾波器系數(shù)的設(shè)計(jì)方法，提高信噪比，從而提高圖像的靈敏度。

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Design and Realization of a Dynamic Filter in Digital B Mode Ultrasonography

ZHOU Sheng1LI Xian-Qin1WANG Xiao-Chun1HE Xin-Xi2YANG Jun1JI Jian-Jun1WANG Yan-Qun1
*1(Institute of Biomedical Engineering，Chinese Academy of Medical Sciences，Tianjin 300192，China)2(MEDA CO.，LTD，Tianjin 300084，China)

R318

A

0258-8021(2010)03-0418-04

10.3969/j.issn.0258-8021.2010.03.016

2010-01-10，

2010-04-09

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專(zhuān)項(xiàng)資助;天津市科技支撐項(xiàng)目(2007CKFSF01400)

*通訊作者。E-mail:wangyanqun-2008@163.com