基于FPGA的B超成像系統(tǒng)的設(shè)計

謝佳峰,譚冠政

(中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,長沙410083)

基于FPGA的B超成像系統(tǒng)的設(shè)計

謝佳峰,譚冠政

(中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,長沙410083)

闡述了基于FPGA的B超成像系統(tǒng)的設(shè)計方案.該系統(tǒng)采用FPGA產(chǎn)生脈沖串,經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動超聲波換能器,超聲波經(jīng)過探測后到達(dá)接收換能器,利用時間增益補(bǔ)償電路對信號進(jìn)行補(bǔ)償,再用對數(shù)放大器 TL 441對回波信號進(jìn)行檢波放大,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換到FPGA進(jìn)行動態(tài)濾波,最后由FPGA控制信號在顯示屏上顯示輸出.

B超成像系統(tǒng);FPGA;濾波器

便攜式B型超聲診斷儀具有無創(chuàng)傷、簡便易行、相對價廉等優(yōu)勢,在臨床中越來越得到廣泛的應(yīng)用[1-4].便攜式B型超聲診斷儀由人機(jī)交互系統(tǒng)、探頭、成像系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)構(gòu)成.基本工作過程是:首先人機(jī)交互系統(tǒng)接收到用戶通過鍵盤或鼠標(biāo)發(fā)出的命令,然后成像系統(tǒng)根據(jù)命令控制探頭發(fā)射超聲波,并對回波信號處理、合成圖像,最后通過顯示系統(tǒng)完成圖像的顯示.由于目前信號的濾波都是在模擬部分完成,本文提出在FPGA中用數(shù)字濾波器來代替.

1 理論分析

彈性媒介中傳播的應(yīng)力、質(zhì)點位移、質(zhì)點速度等量的變化稱為聲波,它是一種機(jī)械波.一般人耳對聲波的聽覺頻率范圍大約是20 Hz至2 M Hz,習(xí)慣上我們把低于該頻率范圍的叫次聲波,而高于該范圍的叫超聲波,醫(yī)學(xué)臨床診斷用的超聲設(shè)備的頻率范圍是2 M Hz～10 M Hz[5].

當(dāng)超聲波傳入生物組織器官時,由于這些生物組織器官具有不同密度、不同聲速等理化特性,它們對外來的超聲波能量將產(chǎn)生反射、透射或折射、散射、衰減和非線性參量等效應(yīng),運動組織還將產(chǎn)生多普勒效應(yīng).對這些信息作提取、分析或顯示就可察知生物組織的內(nèi)在特性.因此,我們可以利用超聲波來傳遞生物內(nèi)部信息,充當(dāng)信使作用,從而達(dá)到無創(chuàng)傷診斷的目的.這就是超聲成像得以實現(xiàn)的物理學(xué)基礎(chǔ)[5].

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖1所示,整個系統(tǒng)以超聲波發(fā)射和接收為核心進(jìn)行設(shè)計,系統(tǒng)采用 FPGA產(chǎn)生脈沖串,經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動超聲波換能器,超聲波經(jīng)過生物組織到達(dá)接收換能器,利用對數(shù)放大器 TL 441對回波衰減信號進(jìn)行對數(shù)放大,最后由A/D采樣進(jìn)入 FPGA對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并合成圖像進(jìn)行顯示輸出.系統(tǒng)還配備了鍵盤、顯示、數(shù)據(jù)存儲等功能.

圖1 系統(tǒng)框圖

2.1 主控芯片

本系統(tǒng)采用 A ltera公司的 Cyclone-II系列EP2C5Q208C8 FPGA作為本系統(tǒng)的核心.B超成像系統(tǒng)要求對超聲波發(fā)射和接收的時序上需要精確地控制,這不僅需要處理器的速度快,而且需要多個定時器;由接收單元返回的是電壓信號,需要經(jīng)過精確地A/D采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳遞給FPGA進(jìn)行處理.

A ltera新款Cyclone II系列是基于Cyclone系列推出的,具有更低的成本、更大的容量和更多特殊性能.新器件具有4 608～68 416個邏輯單元(LE),有一組優(yōu)化特性,其中包括多達(dá)150個嵌入18×18乘法器、專用外部存儲器接口電路、4kbit嵌入存儲塊、鎖相環(huán)(PLL)和高速差分I/O能力.這種新器件比第一代Cyclone產(chǎn)品具有2倍多的 I/O管腳,且對可編程邏輯、存儲塊和其他特性進(jìn)行最優(yōu)的組合.這樣,整個系統(tǒng)具有較低的風(fēng)險和較快的面市時間.

2.2 超聲波發(fā)射電路

超聲波的發(fā)射電路是B超成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,對超聲圖像質(zhì)量有重要影響.具體發(fā)射電路如圖2所示.

圖2 發(fā)射電路

圖2中R1電阻起限流保護(hù)作用.發(fā)射電路的脈沖由FPGA產(chǎn)生,該脈沖為高電平時使IFR830導(dǎo)通,使二極管D1負(fù)極處產(chǎn)生一段電壓脈沖加到換能器上.在換能器接收回波時,D1截止,換能器將與脈沖發(fā)生電路斷開.這些都能有效地防止發(fā)射電路的噪聲進(jìn)到回波接收電路中.

2.3 超聲接收電路的時間增益補(bǔ)償(TGC)

超聲波在生物組織內(nèi)傳播,由于反射和組織吸收等原因,透射到生物組織內(nèi)的超聲波會隨著深度的增加而減弱,并且在同等反射系數(shù)的聲反射界面,由于深度不同,換能器所接收到的回波信號也不同.為使B超成像系統(tǒng)精確反映反射的情況,就需要在接收回波放大通道中插入隨時間而變化的電路,一般稱為時間增益控制(Time Gain Control),簡稱 TGC.

2.4 超聲回波接收電路的對數(shù)放大器

超聲波在生物組織中傳播時,在不同組織界面均會發(fā)生反射,通常在同一組織中傳播時,也會因為不均勻性而發(fā)生反射或背向散射.理論和實踐表明,反射和散射的變化范圍可以達(dá)到50～60 dB,而目前一般小型LCD液晶數(shù)字顯示屏是沒有能力顯示60 dB的反射或散射信號的.因此,接收放大通道中要加入一個對數(shù)放大器,用來把60 dB的動態(tài)范圍壓縮到40 dB內(nèi).

如圖3所示,B超儀器中常用的 TL 441型對數(shù)放大器,它是美國 TI(Texas Instrument Inc)的產(chǎn)品,16腳雙列直插式封裝.TL 441具有四級對數(shù)放大器,對數(shù)線度為1 dBV,每級的輸入阻抗為500Ω,工作頻率從直流到40 M Hz,左右兩路并聯(lián)后形成120 dB的對數(shù)放大器,并且有4個腳可用作線性度調(diào)整.

圖3 回波接收電路的對數(shù)放大器

2.5 A/D采樣電路

B超信號接收電路有一款合適的A/D轉(zhuǎn)換器十分重要.經(jīng)過對轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度、信噪比以及功耗和價格這幾個方面的衡量,我們選擇ADS930作為本系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換芯片.

3 軟件設(shè)計

B超成像系統(tǒng)的軟件由信號處理程序和界面程序2部分組成.信號處理程序?qū)崿F(xiàn)了超聲波發(fā)射控制、信號時間增益補(bǔ)償、回波信號A/D采集、信號濾波處理以及最終的成像等功能,是軟件程序的重點.界面程序包括界面顯示、模式選擇、鍵盤處理等功能,實現(xiàn)了與用戶良好地溝通.B超成像系統(tǒng)軟件總框圖如圖4所示,程序的編寫語言為V HDL.

3.1 超聲波發(fā)射程序、回波AD采集和TGC控制程序

超聲發(fā)射的控制脈沖由FPGA產(chǎn)生,在這里采用的是ROM讀值法.把事先設(shè)置好的符合超聲波發(fā)射規(guī)律的數(shù)值存儲在ROM中,根據(jù)用戶界面上按鍵的要求,進(jìn)行不同頻率的脈沖發(fā)射.當(dāng)然,其中也包含了脈沖的發(fā)射方向、發(fā)射速度和工作停止/運轉(zhuǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換.

圖4 B超成像系統(tǒng)軟件總框圖

假設(shè)本設(shè)計系統(tǒng)的超聲信號頻率是20 M Hz.這是普通的可以對A/D芯片進(jìn)行采樣控制的單片機(jī)所不能承受的,所以在本設(shè)計中采用FPGA的脈沖信號輸出控制A/D芯片的工作情況.輸出的脈沖是由FPGA內(nèi)部時鐘分流而成.

TGC的控制信號也是在 FPGA中產(chǎn)生.在此采用ROM讀值法,把事先設(shè)置的 TGC曲線按一定的采樣頻率取點,然后再把這些點存儲在ROM中,讀出來的數(shù)值經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生所需要的曲線.

3.2 信號濾波程序和成像程序

大量的研究和試驗表明,人體組織對超聲的衰減不僅與被探測介質(zhì)的深度有關(guān),還與超聲波的頻率有關(guān).隨著頻率的升高,介質(zhì)對超聲能量的衰減系數(shù)增大,因此,當(dāng)所發(fā)射超聲波具有較寬的頻帶時,接收回波中的頻率成分必然與距離有關(guān).在近場,回波頻率成分主要集中在頻帶的高端,隨著探測深度的增加,回波信號頻譜的中心頻率逐漸向頻帶的低端頻移.中心頻率的下移將使橫向分辯力惡化,這是因為發(fā)射的超聲脈沖向深度傳播時,其波長將增大,而孔徑大小不變.因此,在B超中應(yīng)用的濾波器將是帶通濾波器.

常用的濾波器一般為模擬濾波器,在此我們使用數(shù)字濾波器,濾波器在 FPGA中實現(xiàn).并且該濾波器是基于分布式算法的有限脈沖響應(yīng)濾波器[6-7].由于濾波器的質(zhì)量直接關(guān)系到最終圖像質(zhì)量的好壞,因此該步驟是一重要環(huán)節(jié).

圖5 脈動結(jié)構(gòu)

該濾波器采用了脈動結(jié)構(gòu),具體的結(jié)構(gòu)如圖5所示.這個脈動結(jié)構(gòu)有 P+1個處理單元(PE)和一個位移寄存器組成,其中處理單元有3種類型,即A、B和C.在此我們以四輸入LU T(查找表)為例進(jìn)行說明,如圖5所示.輸入的信號經(jīng)過位移寄存器輸送到合適的位置,把 X(0)送到左邊第1個位置(X(0)代表輸入的第1個信號),按從最高位到最低位的次序.T是2個時鐘的時間間隔.當(dāng)前4個時鐘過后,前4個數(shù)都已經(jīng)在合適的位置上了,此時,我們定義這4個時鐘為1個循環(huán)周期.當(dāng)開始第2個循環(huán)周期,即把第5個和第8個信號輸送進(jìn)來時,第1個處理單元開始工作,即以4個數(shù)的最低位為地址,讀出LU T的值,并輸送到右邊.在第3個循環(huán)周期內(nèi),第1個處理單元以4個數(shù)的第2低位為地址讀取表的內(nèi)容,而第2個處理單元以4個數(shù)的最低位為地址讀取表的內(nèi)容,并加上從左邊傳過來的值最后再從右輸出,如此順延,每個處理單元都進(jìn)行工作.處理單元A和B的不同之處在于B有一個加法器,而A沒有.當(dāng)傳輸?shù)闹底詈蟮竭_(dá)處理單元C時,它進(jìn)行一個累加的工作,即把先前的值左移一位加上新進(jìn)來的值,W個循環(huán)周期后,輸出一個值作為最終的輸出.

此外,圖5的結(jié)構(gòu)是最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu),即每次都是處理一個數(shù)的一個位,要取得高速的實現(xiàn),則可以設(shè)置W個類似的 P+1個處理單元,只需要稍許的改動即可.也就是每輸入一個數(shù),所有W位都進(jìn)行處理,這樣的結(jié)構(gòu)是具有最高速度的,但也因為處理單元的增多而付出硬件消耗大的代價.

成像程序主要是圖像的存儲和圖像的后端處理.圖像的存儲根據(jù)用戶界面上按鍵的要求有不同的圖像存儲方式,而圖像的后端處理則是把存儲的圖像讀取出來進(jìn)行圖像重建并最終顯示在顯示屏上.

3.3 界面程序

超聲設(shè)備顯示的字符是都是與圖像同時顯示的.這里的字符包括菜單、號碼、產(chǎn)科表以及測量時的鼠標(biāo)走過的軌跡以及注釋等.在本系統(tǒng)中,菜單、ID、產(chǎn)科表等是顯示在四周而不顯示在圖像的空白區(qū)域,而測量是直接顯示在圖像上的,目的是方便操作和不影響圖像顯示的質(zhì)量.

同時根據(jù)液晶屏的工作原理進(jìn)行顯示驅(qū)動程序的編寫.具體原理如下:從屏幕的左上方開始掃描,從左到右,從上到下進(jìn)行掃描.每掃完一行,又回到屏幕的左邊下一行起始位置,掃描完所有行,掃描又回到屏幕的左上方,預(yù)備下一幀的掃描.

4 結(jié) 語

本文討論的B超成像系統(tǒng)的實現(xiàn)方法及所應(yīng)用的主要技術(shù),,在工程實踐中都是可行的.其中把濾波器放在FPGA中,大大提高了信號處理的精度和處理速度.

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Design of B-mode Ultrasonic Imaging System Based On FPGA

X IE Jia-feng,TAN Guan-zheng
(Central South University,Changsha 410083,China)

This paper p resents the p roject of B-mode ultrasonic imaging system design based on FPGA.The pulse of the transmit circuit is p roduced in FPGA,then it is transm itted through the amp lifier circuit to power the transducer.After receiving the echo signals,the signalsare then transffered through the TGC circuit and the logarithmic amp lification circuit.Finally,after the filtering in the FPGA,the signals are show n in the LCD.

B-mode ultrasonic imaging system;FPGA;filter

TP29

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2010.02.019

1671-6906(2010)02-0072-04

2010-03-05

謝佳峰(1983-),男,浙江寧波人,碩士生.