一種高頻超聲射頻圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)

胡勝男，鄭 政

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海200093)

一種高頻超聲射頻圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)

胡勝男，鄭 政

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海200093)

為了驗(yàn)證新的圖像處理算法在實(shí)際系統(tǒng)中的處理效果和能力，需要有一個(gè)通用的處理平臺(tái)。利用FPGA設(shè)計(jì)了一種通用高頻超聲射頻圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。系統(tǒng)同時(shí)集成了一片大規(guī)模FPGA，一片250 MHz/14 bit的ADC芯片，一片275 MHz/14 bit的DAC芯片，4片250 MHz，9 MB容量的SSRAM以及USB2.0接口和通用接口等模塊電路。硬件電路完成后，被成功應(yīng)用于常用的高頻超聲射頻圖像處理方法實(shí)驗(yàn)，在系統(tǒng)上運(yùn)行了帶通濾波、IQ分解、幅度檢測(cè)、對(duì)數(shù)壓縮、FFT變換、IFFT變換等。

高頻超聲；射頻圖像；實(shí)時(shí)處理

近年來許多新的超聲圖像處理算法[1-7]被提出，用以提高超聲的成像質(zhì)量和獲取新的信息。比如利用射頻信號(hào)中的相位信息進(jìn)行編碼激勵(lì)和脈沖壓縮以增強(qiáng)信號(hào)[1]；分析超聲圖像斑點(diǎn)從而獲取組織信息[2]；對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理估計(jì)組織彈性，提取血流信息[3-4]、諧波成像[5]，對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行的基于體模點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的均衡化斑點(diǎn)噪聲抑制算法[6]；利用超聲導(dǎo)波波譜法來定位和定量管道缺陷[7]等。為了評(píng)價(jià)這些算法在實(shí)際應(yīng)用中的效果，許多實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了自己的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[8-11]，這些平臺(tái)功能各異，但或多或少都存在一些問題。

以此為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種通用的高頻超聲射頻圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)滿足高頻超聲射頻信號(hào)的采集、圖像信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)檢驗(yàn)等要求，并被成功應(yīng)用于常用高頻超聲射頻圖像處理方法的實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一個(gè)通用的高頻超聲射頻圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)應(yīng)該具備3個(gè)基本功能，能夠采集超聲掃描信號(hào)，提供可編程的器件運(yùn)行實(shí)驗(yàn)算法，具備檢驗(yàn)和調(diào)試手段。根據(jù)這些功能，系統(tǒng)主要分為6個(gè)模塊：ADC模塊、DAC模塊、FPGA模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、接口模塊和電源?？?。

1.1 ADC模塊

高頻超聲的頻率在10～50 MHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，采集模塊的采樣速度必須能達(dá)到100 MHz以上。同時(shí)，考慮到精度，避免數(shù)據(jù)位數(shù)不足導(dǎo)致的截?cái)嗾`差，設(shè)計(jì)選擇250 MHz/14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS4149作為ADC模塊電路的核心。

系統(tǒng)上集成了3片DAC芯片，一片高速DAC和兩片低速DAC。高速DAC選擇275 MHz/14 bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC5672A作為電路核心，用于算法調(diào)試和算法運(yùn)行過程中射頻信號(hào)的檢驗(yàn)。低速DAC選擇125 MHz/8bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9708作為電路核心，一片用于算法運(yùn)行過程中視頻信號(hào)的檢驗(yàn)，另一片用于超聲回波信號(hào)TGC(時(shí)間增益補(bǔ)償)的處理。

1.2 FPGA模塊

選用大規(guī)模的FPGA作為信號(hào)處理主芯片來實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)處理算法的實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)，型號(hào)為Altera公司的Cyclone V E系列的FPGA芯片5CEFA7F31C8N。該芯片具有豐富的片上資源和IO引腳，能滿足復(fù)雜圖像處理算法的資源要求和速度要求。

1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

2維FFT變換時(shí)，需對(duì)一維變換后的結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，待整幅圖像存滿后再作另一維的FFT。此時(shí)，F(xiàn)PGA片內(nèi)資源不能滿足一幅圖像的存儲(chǔ)，故需要外部的存儲(chǔ)器。設(shè)計(jì)選用同步靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SSRAM，型號(hào)為IS61LPS25636A作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的核心，該芯片速率為250 Msample·s-1，數(shù)據(jù)位數(shù)為36位，總?cè)萘繛? MB。在系統(tǒng)上同時(shí)集成了4片這樣RAM，避免了算法復(fù)雜時(shí)存儲(chǔ)器分時(shí)復(fù)用的復(fù)雜時(shí)序設(shè)計(jì)，也保證了足夠的資源和處理速度。

1.4 接口模塊

系統(tǒng)同時(shí)集成了USB 2.0和GPIO兩種常用的接口，用于數(shù)據(jù)的傳輸以及與外部設(shè)備的連接和通訊，同時(shí)也為平臺(tái)未來功能的開發(fā)提供可能。

1.5 電源模塊

系統(tǒng)需要4種不同電壓值的工作電源，DC3.3V、DC2.5V、DC1.8V和DC1.1V，并且DC3.3V、DC1.8V還需要同時(shí)對(duì)數(shù)字域和模擬域進(jìn)行供電。系統(tǒng)采用電池或者3.3 V適配器供電，得到DC3.3V的供電電源，然后將其通過其他電路得到其他工作電源。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)硬件電路完成后，被成功應(yīng)用于常用的高頻超聲射頻圖像處理方法實(shí)驗(yàn)。搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，在平臺(tái)上針對(duì)10 MHz B模式超聲探頭進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)用以驗(yàn)證其功能。采集了人眼超聲RF圖像，并用系統(tǒng)預(yù)制的模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，將處理后的結(jié)果讀取輸入至PC進(jìn)行觀察。

圖1 超聲圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.1 帶通濾波

ADC將采集的超聲回波射頻圖像信號(hào)送入FPGA中，總共采集256條線，每條線上為3 072個(gè)點(diǎn)。先對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的帶通濾波處理，采用20階帶通濾波器。圖2顯示了一次超聲脈沖發(fā)射后，即一條線上采集的回波RF信號(hào)以及帶通濾波后的結(jié)果，可見低頻噪聲得到了明顯的抑制；圖3對(duì)圖2中的虛線區(qū)域進(jìn)行了放大，可見高頻噪聲也得到了有效的抑制，而真實(shí)的回波信號(hào)得到了完整保留，即說明了帶通濾波器發(fā)揮了較好的濾波效果。

圖2 回波信號(hào)帶通濾波前后

圖3 圖2的局部放大

2.2 IQ分解和幅度檢測(cè)

對(duì)帶通濾波后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行IQ分解，移頻到基帶后分成IQ兩路。IQ分解后進(jìn)行降3倍采樣，此時(shí)數(shù)據(jù)量為256×1 024，即將每條線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)由原先的3 072點(diǎn)降為1 024點(diǎn)，為后續(xù)的處理減少了計(jì)算量，同時(shí)也提高了后續(xù)的處理速度。分別采集I、Q兩路數(shù)據(jù)，以及經(jīng)過幅度檢測(cè)后的幅度數(shù)據(jù)，用Matlab程序重現(xiàn)，如圖4所示，圖像大小均為1 024×256像素點(diǎn)。

圖4 I、Q兩路以及幅度數(shù)據(jù)顯示

2.3 對(duì)數(shù)壓縮

FPGA中的處理模塊對(duì)RF圖像信號(hào)進(jìn)行帶通濾波、IQ分解、移頻、幅度提取后，經(jīng)過進(jìn)一步1/2降采樣后再進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮，采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用Matlab程序顯示結(jié)果如圖5所示，圖像大小為512×256像素點(diǎn)。

圖5 硬件對(duì)數(shù)壓縮后圖像

2.4 2D-FFT和2D-IFFT

對(duì)IQ分解降采樣后的數(shù)據(jù)又進(jìn)行了2維的FFT變換，得到頻率域的數(shù)據(jù)，用Matlab程序重現(xiàn)，畫出超聲圖像的二維頻譜圖，如圖7所示。同時(shí)，將數(shù)據(jù)與直接在Matlab中做FFT變換的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，檢查系統(tǒng)硬件上FFT變換是否正確。之后又進(jìn)行了2維FFT逆變換，觀察經(jīng)過此處理后數(shù)據(jù)是否與之前沒作FFT變換的數(shù)據(jù)一致。算法流程如圖6所示，先進(jìn)行1 024點(diǎn)的FFT，再進(jìn)行256點(diǎn)的FFT，由于2維的FFT變換需要將一維處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，待整幅圖像存滿后才能進(jìn)行另一維的FFT變換，故將1 024點(diǎn)FFT變換后的數(shù)據(jù)存入一片外部SSRAM中。后續(xù)的2維FFT逆變換也是如此，將一維FFT逆變換后的數(shù)據(jù)存進(jìn)另一片外部SSRAM中，存滿后讀出進(jìn)行另一維FFT逆變換。在此處理過程中，由于系統(tǒng)上同時(shí)集成了4片SSRAM，所以不需分時(shí)復(fù)用同一片，降低了時(shí)序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

圖7 人眼超聲圖像二維頻譜圖

圖6 2D-FFT和2D-IFFT算法流程圖

實(shí)驗(yàn)證明,在系統(tǒng)硬件上進(jìn)行FFT變換后，數(shù)據(jù)與直接在Matlab上進(jìn)行FFT變換的數(shù)據(jù)一致，同時(shí)在系統(tǒng)硬件上經(jīng)過FFT逆變換后數(shù)據(jù)與FFT變換前的信號(hào)一致，即證明了系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行FFT變換和FFT逆變換。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用FPGA設(shè)計(jì)了一種高頻超聲射頻圖像實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證新的圖像處理算法。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，作了實(shí)時(shí)高頻超聲圖像處理的驗(yàn)證，驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)用性和通用性。然而系統(tǒng)也存在一定的不足之處，系統(tǒng)最后在14層的PCB板上實(shí)現(xiàn)，如果將布局進(jìn)行更加合理的規(guī)劃，板層可以減少，從而降低成本。

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Research And Implement of Real-time Processing System for High-frequency Ultrasound Radio-frequency Image

HU Shengnan，ZHENG Zheng

(School of Medical Instrumentation and Food Engineering,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093,China)

In order to validate the effect and ability of new image processing algorithms in the actual system,a general processing platform is needed. A general-purpose,real-time image processing system based on FPGA is designed. The system integrates a large-scale FPGA,a 250 MHz / 14 bit ADC chip,a 275 MHz / 14 bit DAC chip,4 pieces of 250 MHz,9 MB SSRAM,USB2.0 interface and the common interface module circuit,etc. After the hardware circuit of the system is finished,the system has been successfully applied in the high-frequency ultrasound RF processing methods,such as band-pass filter,IQ decomposition,amplitude detection,logarithmic compression,FFT transform,IFFT transform etc.

high-frequency ultrasound; RF image; real-time processing

TN911.73;R318.04

A

1007-7820(2017)11-042-04

2017- 01- 02

胡勝男(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：醫(yī)學(xué)超聲成像。鄭政(1961-)，男，博士，研究員。研究反向：超聲影像等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.11.012