基于FPGA技術(shù)的P-HIFU系統(tǒng)相控信號(hào)發(fā)生器的研制

【作 者】劉文杰，沈國峰*，吳昊，陳亞珠

1 上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)儀器研究所，上海，200030

2 上海交通大學(xué)Med-X研究院，上海，200030

HIFU(High intensity focus ultrasound)是眾多腫瘤物理治療手段中一項(xiàng)具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)[1]。相控型HIFU是指通過改變不同壓電晶體陣元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位，使超聲波到達(dá)指定位置時(shí)相位相同，從而實(shí)現(xiàn)在非自然焦點(diǎn)聚焦的技術(shù)。相對(duì)于探頭機(jī)械移動(dòng)型HIFU，相控型HIFU可以實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)的快速移動(dòng)，多焦點(diǎn)聚焦，指定聲窗聚焦等功能[2]，更加靈活、高效，是當(dāng)前HIFU發(fā)展的重要方向。

生成相控信號(hào)，有多種方式：方式一，基于傳統(tǒng)模擬電路的阻容移相方式，缺點(diǎn)是相位控制精度低，且電路設(shè)計(jì)過于復(fù)雜[3]；方式二，使用高主頻的CPU的方式，比如1 GHz以上主頻的通用處理器，可實(shí)現(xiàn)很高分辨率的相位信號(hào)輸出，但通用CPU由于I/O管腳數(shù)量的限制，無法輸出較多的路數(shù)；方式三，采用數(shù)字延時(shí)芯片加多路選擇器。這種方式成本較低，但當(dāng)路數(shù)較多時(shí)，電路板布線等過于復(fù)雜，因此不具有實(shí)用價(jià)值[4]；方式四，在相控雷達(dá)中采用的鐵氧體移相方式，比上述幾種方案有著最高的相位分辨率，可以達(dá)到pS級(jí)別，但應(yīng)用成本較高，因此也不適用于相控型高強(qiáng)度聚焦超聲。

1 基于FPGA的相控信號(hào)發(fā)生器

在相控信號(hào)發(fā)生器研制的過程中，針對(duì)上述幾種方案的不足，本文提出了基于FPGA的相控信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方式。該種方式使用FPGA輸出多路指定相位的數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過諧振功率放大器進(jìn)行放大，將小電壓的方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)相位的大電壓正弦波信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)壓電晶體陣元輸出超聲信號(hào)。該系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 換能器陣元驅(qū)動(dòng)信號(hào)框圖Fig.1 Block diagram of transducer’s drive signals

FPGA（Field Programmable Gate Array）現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，是可反復(fù)編程的邏輯器件。FPGA是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，常使用FPGA來實(shí)現(xiàn)特定的邏輯電路。FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。一般用戶通過VHDL語言編程，修改電路邏輯單元的配置，來實(shí)現(xiàn)定制化電路。用戶僅需修改配置文件，并通過EDA工具下載到FPGA中，便可修改已經(jīng)生成的電路。

2 基本原理

Firmware一般指嵌入式硬件里面的軟件，對(duì)FPGA來說即是PROM中的配置程序。通過XILINX公司的ISE開發(fā)環(huán)境，可以進(jìn)行FPGA Firmware的相應(yīng)開發(fā)。作為XILINX FPGA的設(shè)計(jì)工具，ISE可以完成FPGA開發(fā)的全部流程，包括設(shè)計(jì)輸入、仿真、綜合、布局布線、生成BIT文件、配置以及在線調(diào)試等。開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 FPGA開發(fā)流程簡圖Fig.2 Block diagram of FPGA development flow

2.1 硬件部分

相控信號(hào)發(fā)生器的硬件部分，由核心板和接口板兩部分組成。核心板電路在FPGA最小系統(tǒng)上拓展而成，包括PROM配置程序模塊、JTAG下載調(diào)試模塊、電源管理模塊、時(shí)鐘電路以及復(fù)位電路模塊。各模塊之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 FPGA外圍電路框圖Fig.3 Block diagram of FPGA peripherals

接口板電路包括光耦隔離電路、電壓轉(zhuǎn)換電路以及驅(qū)動(dòng)電路。光耦隔離電路完成了電-光-電的轉(zhuǎn)換，從而起輸入、輸出間的隔離作用。光耦合器中電信號(hào)的傳輸是單向傳輸，因此具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。電壓轉(zhuǎn)換電路是將FPGA輸出的LVCOMS2.5V電平標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)后級(jí)工作的TTL5V電平標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)，同時(shí)起到提高輸出電流、增大驅(qū)動(dòng)能力的作用。接口板電路框圖如圖4所示。

圖4 接口板電路示意圖Fig.4 Sketch map of interface board

2.2 固件部分

通過數(shù)字可編程技術(shù)，在FPGA內(nèi)部生成指定的邏輯以及時(shí)序電路，使FPGA能夠根據(jù)輸入的控制信號(hào)，輸出指定相位的方波信號(hào)。本相控信號(hào)發(fā)生器的固件部分，通過VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)，具體包括移相模塊、地址譯碼模塊和多路選擇模塊等。固件里各模塊間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 FPGA固件框圖Fig.5 Block diagram of FPGA firmware

2.2.1 移相模塊

移相模塊輸出多路不同相位的方波信號(hào)。從FPGA外部進(jìn)來的低頻時(shí)鐘信號(hào)，首先要經(jīng)過DCM進(jìn)行處理。DCM即數(shù)字時(shí)鐘管理單元（Digital Clock Management），主要完成時(shí)鐘的同步、移相、分頻、倍頻和去抖動(dòng)等。DCM與全局時(shí)鐘有著密不可分的聯(lián)系，使用全局緩沖資源，可以達(dá)到最小的延遲和抖動(dòng)。本相控信號(hào)發(fā)生器中，DCM使用Xilinx ISE軟件中的IP Core Generator直接生成，主要完成了時(shí)鐘信號(hào)整形以及倍頻工作。

2.2.2 地址譯碼模塊

地址譯碼模塊是一個(gè)8位輸入（256路）轉(zhuǎn)256位輸出的譯碼模塊。該模塊的VHDL實(shí)現(xiàn)代碼如下：

2.2.3 多路選擇模塊

多選擇模塊是從不同相位的方波信號(hào)中，選取其中一路，作為輸出。多路選擇器的控制信號(hào)，有清零信號(hào)、使能信號(hào)以及裝載信號(hào)。該模塊的VHDL代碼實(shí)現(xiàn)如下：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在該相控信號(hào)發(fā)生器硬件電路設(shè)計(jì)加工完成后，首先進(jìn)行了子模塊的功能測(cè)試。子模塊測(cè)試包括電源模塊供電測(cè)試，時(shí)鐘電路模塊測(cè)試，復(fù)位模塊電平以及時(shí)序測(cè)試。在子模塊功能測(cè)試后，按照?qǐng)D2中的調(diào)試流程，對(duì)固件代碼進(jìn)行了驗(yàn)證以及改進(jìn)，最終完成硬件測(cè)試。

測(cè)試中所用示波器型號(hào)為Agilent，200 MHz帶寬，2Gsa/s采樣率。經(jīng)過測(cè)量，得到輸出相位信號(hào)頻率為1.361 MHz，與預(yù)期輸出頻率1.360 MHz相比，頻率誤差在0.1%以內(nèi)；峰-峰值5.03 V，并且符合TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，占空比為49.5%，符合性能指標(biāo)；經(jīng)過緩沖器后的波形上升沿，上升時(shí)間為13.0ns。輸出信號(hào)的波形如圖6所示，相位的分辨率為1.40625o。在輸出為1.36 MHz時(shí)，相位最小時(shí)延為2.9ns。在該示波器下，觀測(cè)并統(tǒng)計(jì)得到的相位抖動(dòng)為1ns。

圖6 輸出波形Fig.6 Output waveform

圖7 信號(hào)相位差示例Fig.7 Example of phased-signals

波形延時(shí)邏輯分析如圖7所示。為了便于觀看，圖片中設(shè)定了每個(gè)通道之間相位差為26個(gè)相位。

4 結(jié)論

本文研制的相控信號(hào)發(fā)生器，利用FPGA內(nèi)部復(fù)雜的邏輯資源，完成了特定相位信號(hào)輸出的功能，實(shí)現(xiàn)了256路輸出，以及每路輸出1.406o的相位分辨率。同時(shí)，本相控信號(hào)發(fā)生器具有硬件電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性較高，維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于進(jìn)一步的相控信號(hào)發(fā)生器研制，有幾處值得關(guān)注：加入閉環(huán)控制、供電檢測(cè)、FPGA溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和輸出信號(hào)反饋等。

[1]Crouzet S,Murat FJ,Gilles Pasticier,et al.High intensity focused ultrasound (HIFU)for prostate cancer: Current clinical status,outcomes and future perspectives [J].International Journal of Hyperthermia,2010,26(8): 796-803.

[2]Xiang Ji,Shen G F,Bai Jingfeng,et al.Multi-element ultrasound phased array applicator for the ablation of deep-seated tissue[J].Journal of Shanghai Jiaotong University (Science),2011,16(1): 55-60.

[3]Ma,Y.,Symonds-Tayler,R.et al.A new clinical HIFU system(Teleson II)[A].AIP Conference Proceedings[C],2007,911: 87-91.

[4]Li Jian,Zhan Xianglin,Jin Shijiu,et al.Research on ultrasonic phased array system for automatic defect detection of pipeline girth welds[A].Proceedings of the World Congress on Intelligent Control and Automation (WCICA)[C],2010,5454-5459.