高頻超聲射頻回波信號高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王曉春，劉新鳴，楊 軍，計(jì)建軍，周 盛*

（1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)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)科技股份有限公司，天津300384）

0 引言

高頻超聲診斷技術(shù)可以對活體生物淺表組織進(jìn)行無創(chuàng)、高分辨力、實(shí)時可視化成像，目前臨床上已廣泛應(yīng)用于眼科疾病[1]、皮膚科疾病[2-3]、血管內(nèi)疾病[4]等的診斷。同時，此技術(shù)還可以針對小鼠[5]、大鼠、斑馬魚[6]等與人類疾病相關(guān)的小動物模型進(jìn)行臨床前研究，以提高研究人員對病理生理、功能機(jī)制以及治療策略的認(rèn)識和理解。

超聲射頻回波信號是指超聲診斷儀接收到的由前端超聲換能器激勵的超聲波與所有生物組織發(fā)生交互作用后的原始回波信息，其保留了各生物組織間的結(jié)構(gòu)差別與特征[7]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，超聲射頻回波原始數(shù)據(jù)在圖像處理算法驗(yàn)證、人工智能圖像識別[8]、超聲圖像三維重建[9]、遠(yuǎn)程醫(yī)療等方面發(fā)揮了越來越重要的作用。

目前，商用的醫(yī)用超聲診斷設(shè)備在硬件上由探頭模塊、超聲回波信號處理模塊、計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用軟件模塊3 個部分組成[10]。所采集到的超聲回波信息往往是經(jīng)過了一系列的線性和非線性放大、包絡(luò)檢波、對數(shù)壓縮、二次采樣后的圖像數(shù)據(jù)，相對于原始超聲射頻回波信號，采集的信號將不可避免丟失部分有用信息。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）和單陣元高頻寬帶換能器的高頻超聲射頻回波信號高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，將超聲前端采集、放大及數(shù)字化的高分辨力超聲射頻回波信號傳輸至計(jì)算機(jī)，為后續(xù)的研究提供無損失的數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)超聲診斷設(shè)備的智能化和信息化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高頻超聲射頻回波信號高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由FPGA 控制處理模塊、超聲探頭模塊、射頻回波信號處理模塊、USB 傳輸模塊以及上位機(jī)組成[11-12]，如圖1 所示。FPGA 控制處理模塊作為整個系統(tǒng)的核心模塊，完成各模塊單元的時序管理和控制。超聲探頭模塊在FPGA 控制處理模塊的控制下完成換能器的收發(fā)和電動機(jī)的行進(jìn)。射頻回波信號處理模塊主要用來實(shí)現(xiàn)超聲射頻回波信號的放大和數(shù)字化采樣。USB 傳輸模塊用來實(shí)現(xiàn)FPGA 控制處理模塊與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信以及上位機(jī)的實(shí)時控制。上位機(jī)用來實(shí)現(xiàn)用戶與本系統(tǒng)的交互以及射頻回波數(shù)據(jù)的存儲和顯示。系統(tǒng)實(shí)物如圖2 所示，不但能完全實(shí)現(xiàn)超聲射頻回波數(shù)據(jù)上傳的功能，而且其高集成度和可便攜性也為移動醫(yī)療帶來了更多的可行性。

圖1 高頻超聲射頻回波信號高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成框圖

圖2 高頻超聲射頻回波信號高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)物圖

1.1 FPGA 控制處理模塊設(shè)計(jì)

FPGA 控制處理模塊采用Altera 公司CycloneⅣ系列的FPGA 芯片EP4CE 22F17C6 作為整個系統(tǒng)控制和射頻回波信號處理的核心，該芯片不僅擁有高達(dá)22 320 個內(nèi)置邏輯單元，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時、快速的邏輯運(yùn)算，還內(nèi)置了594 kbits 的嵌入式存儲RAM（random acess memory），可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的大量存儲以及查表運(yùn)算[13]。FPGA 控制處理模塊在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)上位機(jī)命令解析、時序控制、發(fā)射脈沖控制、時間增益補(bǔ)償（time gain control，TGC）參數(shù)設(shè)置、A/D轉(zhuǎn)換器的模式設(shè)置與射頻回波數(shù)據(jù)采集處理、Slave FIFO 模塊控制等，其功能結(jié)構(gòu)如圖3 所示。本研究中FPGA 控制處理模塊工作主頻為240 MHz，以滿足高頻率超聲射頻回波信號處理的需求，使數(shù)據(jù)處理和傳輸都在高速通道中進(jìn)行，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠和實(shí)時數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確上傳。

1.2 超聲探頭模塊設(shè)計(jì)

超聲探頭模塊由超聲換能器、電動機(jī)和超聲發(fā)射驅(qū)動電路組成。超聲換能器選用美國Medtech 公司的中心頻率為50 MHz 的聚偏二氟乙烯膜（polyvinylidene fluoride，PVDF）壓電晶體換能器，換能器的焦點(diǎn)長度為9～10 mm，相對帶寬為70%。系統(tǒng)工作時，超聲換能器由步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動，利用精密線性導(dǎo)軌完成對仿體或生物組織的精密定位和掃描。

本系統(tǒng)中超聲發(fā)射頻率為50 MHz，重復(fù)周期為500 μs。由FPGA 控制處理模塊產(chǎn)生的時序脈沖序列通過高速低側(cè)柵極驅(qū)動電路將脈沖電平由3.3 V轉(zhuǎn)化為18 V，再通過由N/P 金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）組成的觸發(fā)電路產(chǎn)生峰峰值為120 V 的單周期正弦脈沖信號，激勵超聲換能器產(chǎn)生超聲波探測仿體或生物組織。

1.3 射頻回波信號處理模塊設(shè)計(jì)

射頻回波信號處理模塊由前置放大電路、模擬濾波電路、TGC 電路和A/D 轉(zhuǎn)換器組成。從超聲換能器回傳的超聲射頻回波信號先經(jīng)過前置放大電路和模擬濾波電路，再進(jìn)行TGC，隨后通過A/D 轉(zhuǎn)換器將數(shù)字射頻回波信號送入FPGA 控制處理模塊中。系統(tǒng)中的前置放大電路由Mini-circuits 公司的GALI-74+芯片及外圍器件組成，該芯片具有低噪聲、高共模抑制比、增益值大于20 dB 的特點(diǎn)。隨著探測深度的增加，高頻超聲射頻回波信號也會迅速衰減，因此在本系統(tǒng)中引入了TGC 電路，由ADI 公司型號為AD8367 的電壓控制型可變增益放大器芯片及外圍器件組成，其特點(diǎn)是寬頻帶和具有45 dB 線性可變增益范圍。A/D 轉(zhuǎn)換器采用ADI 公司的LTC2285 來實(shí)現(xiàn)超聲射頻回波信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，其內(nèi)置2 路集成的A/D 轉(zhuǎn)換芯片，經(jīng)低電壓差分信號（low voltage differential signaling，LVDS）接口將2 路采樣率均為120 MHz、相位相差180°的數(shù)字信號輸入至FPGA控制處理模塊進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，得到采樣率為240 MHz 的高速數(shù)字信號進(jìn)行超聲射頻回波數(shù)字信號處理。A/D轉(zhuǎn)換器采樣位數(shù)設(shè)定為14 bit。射頻回波數(shù)據(jù)存儲深度為換能器焦點(diǎn)處10 mm，聲速設(shè)定為1 540 m/s，因此得到A/D 采樣有效時間為12.99 μs，每條掃描線采集3 117 個數(shù)。

圖3 FPGA 控制處理模塊功能結(jié)構(gòu)圖

1.4 USB 傳輸模塊設(shè)計(jì)

USB 傳輸模塊的設(shè)計(jì)主要包括通用可編程接口（general programmable interface，GPIF）Ⅱ工作模式的設(shè)置、USB 固件程序和USB 驅(qū)動程序的開發(fā)。

高速通用串行總線USB 3.0 是在USB 2.0 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有更高傳輸速率的總線標(biāo)準(zhǔn)，同時優(yōu)化了電源管理，降低了設(shè)備功耗，提高了供電能力，目前已成為基于計(jì)算機(jī)平臺的醫(yī)學(xué)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x方式[14]。本系統(tǒng)選用支持最新的USB 3.0 協(xié)議的Cypress 公司的EZ-USB FX3（CYUSB3014）芯片。該芯片內(nèi)部集成了核心工作頻率為200 MHz 的32位ARM926EJ 處理器內(nèi)核，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。而且該芯片給外部設(shè)備提供一個并行、可配置的GPIFⅡ接口。本文采用GPIFⅡ接口的Slave FIFO 工作模式。FPGA 控制處理模塊通過識別上位機(jī)下發(fā)的命令確定是否進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及傳輸，如命令下發(fā)，則FPGA 控制處理模塊控制GPIFⅡ接口的寫使能信號有效，將超聲射頻回波數(shù)據(jù)通過GPIFⅡ接口寫入CYUSB3014芯片的輸入端點(diǎn)，并傳輸至上位機(jī)。

固件程序的開發(fā)基于Eclipse 集成開發(fā)環(huán)境，用C 語言開發(fā)，主要包括定義程序的入口點(diǎn)、設(shè)置堆棧、初始化內(nèi)核、定義應(yīng)用線程啟動代碼的位置標(biāo)識符等功能。

USB 驅(qū)動程序用來協(xié)調(diào)固件程序和上位機(jī)程序，使下位機(jī)硬件設(shè)備通過USB 3.0 接口接入計(jì)算機(jī)后能被計(jì)算機(jī)設(shè)備管理器識別和訪問。USB 驅(qū)動程序主要由總線驅(qū)動程序與設(shè)備驅(qū)動程序兩部分組成。總線驅(qū)動程序由計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)提供，設(shè)備驅(qū)動程序采用Cypress 公司提供的通用設(shè)備驅(qū)動程序CYUSB3.SYS。

1.5 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序是用戶與本系統(tǒng)的交互接口，用于協(xié)調(diào)固件程序和驅(qū)動程序來控制超聲射頻回波數(shù)據(jù)的傳輸。上位機(jī)程序采用Microsoft Visual Studio 2012開發(fā)環(huán)境開發(fā)，Cypyess 公司提供的庫文件CyAPI.lib包括訪問硬件的接口函數(shù)，通過調(diào)用其中的Open、Close 和XferData 等函數(shù)對USB 設(shè)備進(jìn)行初始化端口、輸入/輸出、設(shè)置等待時間、關(guān)閉設(shè)備等操作以及對緩存區(qū)數(shù)據(jù)的存/取處理等，上位機(jī)軟件流程如圖4 所示。首先運(yùn)行程序檢測超聲探頭是否連接，如果已連接，則進(jìn)入程序人機(jī)界面；如果無超聲探頭連接，則關(guān)閉程序。在超聲探頭連接的情況下進(jìn)入人機(jī)界面后，點(diǎn)擊“采集”按鈕，并檢測是否勾選“將數(shù)據(jù)保存至文件”選項(xiàng)，如果選擇保存文件，則填充“數(shù)據(jù)文件夾”文本框，并選擇數(shù)據(jù)保存格式，將數(shù)據(jù)按指定格式保存至硬盤指定位置，同時顯示采集的數(shù)據(jù)；如果不選擇保存文件，則直接顯示采集到的數(shù)據(jù)。至此，已完成一次掃描采集的過程，軟件中已設(shè)置可進(jìn)行多次采集。

人機(jī)界面將采集到的數(shù)據(jù)以位圖的方式顯示出來。上位機(jī)獲取到的數(shù)據(jù)為字節(jié)流，位圖中縱坐標(biāo)取值范圍是-8 192～8 192；在數(shù)據(jù)對應(yīng)的坐標(biāo)位置描點(diǎn)，各點(diǎn)橫向位置相距為一個像素，因此在屏幕上自然形成一條曲線。位圖橫坐標(biāo)取值范圍是0～10 mm，代表采樣深度。拖動位圖下方橫向滾動條可以觀察該范圍內(nèi)所有數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊位圖上方右側(cè)按鈕可觀察不同掃描線的數(shù)據(jù)，實(shí)際每次采集存儲1 000 條掃描線。

人機(jī)界面中可選擇的數(shù)據(jù)保存文件格式有.txt、.dat 或.bin。本系統(tǒng)中的.dat 文件中數(shù)據(jù)格式為16 bit（每個采樣點(diǎn)占用位寬，二進(jìn)制補(bǔ)碼有符號數(shù)）×3 117（點(diǎn)數(shù)）×1 000（線數(shù)），另外還需要在每條線的前面加上3 B 的同步包頭字符、2 B 的掃描線的線數(shù)。先從小到大（0～3 117）存儲第1 條線3 117 點(diǎn)，然后存儲第2 條線3 117 點(diǎn)，以此類推，直到1 000 條線結(jié)束。讀入的數(shù)據(jù)為一維向量，根據(jù).dat 格式規(guī)則，將一維向量變換為矩陣，可得到一幀完整數(shù)據(jù)。其他2 種文件中的數(shù)據(jù)存儲格式與之相同。

圖4 上位機(jī)軟件流程圖

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，設(shè)計(jì)鋸齒波數(shù)據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)超聲回波實(shí)驗(yàn)。通過傳輸鋸齒波數(shù)據(jù)，比較上位機(jī)獲得的幅值、重復(fù)頻率、數(shù)據(jù)位數(shù)等變化情況，可以單獨(dú)驗(yàn)證FPGA 控制處理模塊對超聲射頻回波數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。通過對換能器真實(shí)獲取到的射頻回波信號進(jìn)行采集、存儲與傳輸，實(shí)時構(gòu)建并顯示數(shù)據(jù)波形圖，即可驗(yàn)證系統(tǒng)整體對射頻回波信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。同時，還可以對采集的超聲波信號質(zhì)量以及硬件系統(tǒng)的整體信噪比進(jìn)行評價，使系統(tǒng)能夠更加適用于臨床，為之后的二維實(shí)時成像奠定基礎(chǔ)。

2.1 鋸齒波數(shù)據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證超聲射頻回波數(shù)據(jù)上傳的準(zhǔn)確性，首先設(shè)計(jì)鋸齒波數(shù)據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)。由FPGA 控制處理模塊產(chǎn)生14 位鋸齒波數(shù)據(jù)，采樣頻率為240 MHz，每條掃描線數(shù)據(jù)從0000 開始，每個時鐘遞加0001。通過USB 3.0 接口實(shí)時上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示和存儲，以此來驗(yàn)證系統(tǒng)射頻數(shù)據(jù)上傳的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示，“AA 55 C3”是每條掃描線的同步包頭字符，后面的“00 09”代表掃描線的線數(shù)。后面有4個8 bit 的無效數(shù)據(jù)，產(chǎn)生的原因是因?yàn)閿?shù)據(jù)流在FPGA 控制處理模塊處理及上傳過程中產(chǎn)生的延遲誤差。此后，可見有效數(shù)據(jù)從“00 00”依次遞加，由此驗(yàn)證了FPGA 控制處理模塊對于超聲射頻回波數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

圖5 鋸齒波仿真數(shù)據(jù)上位機(jī)讀取.dat 文件結(jié)果

2.2 真實(shí)超聲回波實(shí)驗(yàn)

在驗(yàn)證了鋸齒波上傳數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的前提下，又設(shè)計(jì)了有機(jī)玻璃片超聲回波實(shí)驗(yàn)。將厚度為0.2 mm 的有機(jī)玻璃片放入有一定深度的水槽中，再將水槽中注入蒸餾水。系統(tǒng)的換能器垂直于有機(jī)玻璃平面，且距離有機(jī)玻璃片約為7 mm。

圖6 為上位機(jī)超聲射頻回波數(shù)據(jù)采集控制與波形預(yù)覽界面，包括采集按鍵、關(guān)閉按鍵、波形選取、數(shù)據(jù)存儲路徑選取等功能。超聲射頻回波數(shù)據(jù)存儲文件可選擇.txt、.dat 和.bin 3 種格式。啟動“采集”按鈕，可得到超聲射頻回波信號的波形全景預(yù)覽[如圖6（a）所示]、局部放大[如圖6（b）所示]和1 000 條實(shí)時掃描線超聲射頻回波數(shù)據(jù)的存儲（如圖7 所示）。由此，驗(yàn)證了本系統(tǒng)對于真實(shí)超聲射頻回波信號數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性和準(zhǔn)確性。

3 討論

本文設(shè)計(jì)了一個基于FPGA 和高頻超聲換能器的高頻超聲射頻回波信號高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，通過鋸齒波數(shù)據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)超聲回波實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，本系統(tǒng)功能完善，上傳的射頻回波數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。編寫的上位機(jī)應(yīng)用軟件波形預(yù)覽界面不僅可以滿足后續(xù)研究的實(shí)驗(yàn)調(diào)試，存儲多種格式的原始射頻數(shù)據(jù)，還可以滿足后續(xù)更進(jìn)一步科學(xué)研究的需求。

基于FPGA 可編程器件的靈活性，研究人員可以根據(jù)后續(xù)需求進(jìn)行重新編程開發(fā)，具有較強(qiáng)的可調(diào)試性和通用性。超聲發(fā)射電路可以輸出峰峰值為120 V 的雙向脈沖，其脈沖寬度可以根據(jù)系統(tǒng)所需的超聲頻率由FPGA 編程輸出?；夭ń邮针娐返纳漕l可調(diào)增益為20～65 dB，可由FPGA 編程控制。A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣頻率可根據(jù)超聲射頻回波信號的頻率進(jìn)行調(diào)整，可調(diào)范圍為1～250 MHz，不需要修改硬件。

但本系統(tǒng)還存在一些可以持續(xù)改進(jìn)和完善的地方：實(shí)驗(yàn)只驗(yàn)證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，下一階段的工作將測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力；目前的上位機(jī)軟件只獲取了每一條超聲掃描線的實(shí)時數(shù)據(jù)波形顯示和存儲，接下來將完善上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)將傳輸至上位機(jī)的超聲射頻回波數(shù)據(jù)恢復(fù)為超聲二維圖像，以實(shí)現(xiàn)掃描圖像的實(shí)時顯示和視頻存儲。

圖6 數(shù)據(jù)采集與波形預(yù)覽界面

圖7 數(shù)據(jù)存儲文件路徑與格式截圖