基于FPGA的B超成像系统的设计

谢佳峰,谭冠政

(中南大学信息科学与工程学院,长沙410083)

基于FPGA的B超成像系统的设计

谢佳峰,谭冠政

(中南大学信息科学与工程学院,长沙410083)

阐述了基于FPGA的B超成像系统的设计方案.该系统采用FPGA产生脉冲串,经过功率放大电路驱动超声波换能器,超声波经过探测后到达接收换能器,利用时间增益补偿电路对信号进行补偿,再用对数放大器 TL 441对回波信号进行检波放大,经过A/D转换到FPGA进行动态滤波,最后由FPGA控制信号在显示屏上显示输出.

B超成像系统;FPGA;滤波器

便携式B型超声诊断仪具有无创伤、简便易行、相对价廉等优势,在临床中越来越得到广泛的应用[1-4].便携式B型超声诊断仪由人机交互系统、探头、成像系统、显示系统构成.基本工作过程是:首先人机交互系统接收到用户通过键盘或鼠标发出的命令,然后成像系统根据命令控制探头发射超声波,并对回波信号处理、合成图像,最后通过显示系统完成图像的显示.由于目前信号的滤波都是在模拟部分完成,本文提出在FPGA中用数字滤波器来代替.

1 理论分析

弹性媒介中传播的应力、质点位移、质点速度等量的变化称为声波,它是一种机械波.一般人耳对声波的听觉频率范围大约是20 Hz至2 M Hz,习惯上我们把低于该频率范围的叫次声波,而高于该范围的叫超声波,医学临床诊断用的超声设备的频率范围是2 M Hz～10 M Hz[5].

当超声波传入生物组织器官时,由于这些生物组织器官具有不同密度、不同声速等理化特性,它们对外来的超声波能量将产生反射、透射或折射、散射、衰减和非线性参量等效应,运动组织还将产生多普勒效应.对这些信息作提取、分析或显示就可察知生物组织的内在特性.因此,我们可以利用超声波来传递生物内部信息,充当信使作用,从而达到无创伤诊断的目的.这就是超声成像得以实现的物理学基础[5].

2 系统硬件设计

如图1所示,整个系统以超声波发射和接收为核心进行设计,系统采用 FPGA产生脉冲串,经过功率放大电路驱动超声波换能器,超声波经过生物组织到达接收换能器,利用对数放大器 TL 441对回波衰减信号进行对数放大,最后由A/D采样进入 FPGA对数据进行处理并合成图像进行显示输出.系统还配备了键盘、显示、数据存储等功能.

图1 系统框图

2.1 主控芯片

本系统采用 A ltera公司的 Cyclone-II系列EP2C5Q208C8 FPGA作为本系统的核心.B超成像系统要求对超声波发射和接收的时序上需要精确地控制,这不仅需要处理器的速度快,而且需要多个定时器;由接收单元返回的是电压信号,需要经过精确地A/D采集转换成数字信号传递给FPGA进行处理.

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个逻辑单元(LE),有一组优化特性,其中包括多达150个嵌入18×18乘法器、专用外部存储器接口电路、4kbit嵌入存储块、锁相环(PLL)和高速差分I/O能力.这种新器件比第一代Cyclone产品具有2倍多的 I/O管脚,且对可编程逻辑、存储块和其他特性进行最优的组合.这样,整个系统具有较低的风险和较快的面市时间.

2.2 超声波发射电路

超声波的发射电路是B超成像系统的关键部分,对超声图像质量有重要影响.具体发射电路如图2所示.

图2 发射电路

图2中R1电阻起限流保护作用.发射电路的脉冲由FPGA产生,该脉冲为高电平时使IFR830导通,使二极管D1负极处产生一段电压脉冲加到换能器上.在换能器接收回波时,D1截止,换能器将与脉冲发生电路断开.这些都能有效地防止发射电路的噪声进到回波接收电路中.

2.3 超声接收电路的时间增益补偿(TGC)

超声波在生物组织内传播,由于反射和组织吸收等原因,透射到生物组织内的超声波会随着深度的增加而减弱,并且在同等反射系数的声反射界面,由于深度不同,换能器所接收到的回波信号也不同.为使B超成像系统精确反映反射的情况,就需要在接收回波放大通道中插入随时间而变化的电路,一般称为时间增益控制(Time Gain Control),简称 TGC.

2.4 超声回波接收电路的对数放大器

超声波在生物组织中传播时,在不同组织界面均会发生反射,通常在同一组织中传播时,也会因为不均匀性而发生反射或背向散射.理论和实践表明,反射和散射的变化范围可以达到50～60 dB,而目前一般小型LCD液晶数字显示屏是没有能力显示60 dB的反射或散射信号的.因此,接收放大通道中要加入一个对数放大器,用来把60 dB的动态范围压缩到40 dB内.

如图3所示,B超仪器中常用的 TL 441型对数放大器,它是美国 TI(Texas Instrument Inc)的产品,16脚双列直插式封装.TL 441具有四级对数放大器,对数线度为1 dBV,每级的输入阻抗为500Ω,工作频率从直流到40 M Hz,左右两路并联后形成120 dB的对数放大器,并且有4个脚可用作线性度调整.

图3 回波接收电路的对数放大器

2.5 A/D采样电路

B超信号接收电路有一款合适的A/D转换器十分重要.经过对转换速度和转换精度、信噪比以及功耗和价格这几个方面的衡量,我们选择ADS930作为本系统的A/D转换芯片.

3 软件设计

B超成像系统的软件由信号处理程序和界面程序2部分组成.信号处理程序实现了超声波发射控制、信号时间增益补偿、回波信号A/D采集、信号滤波处理以及最终的成像等功能,是软件程序的重点.界面程序包括界面显示、模式选择、键盘处理等功能,实现了与用户良好地沟通.B超成像系统软件总框图如图4所示,程序的编写语言为V HDL.

3.1 超声波发射程序、回波AD采集和TGC控制程序

超声发射的控制脉冲由FPGA产生,在这里采用的是ROM读值法.把事先设置好的符合超声波发射规律的数值存储在ROM中,根据用户界面上按键的要求,进行不同频率的脉冲发射.当然,其中也包含了脉冲的发射方向、发射速度和工作停止/运转状态的转换.

图4 B超成像系统软件总框图

假设本设计系统的超声信号频率是20 M Hz.这是普通的可以对A/D芯片进行采样控制的单片机所不能承受的,所以在本设计中采用FPGA的脉冲信号输出控制A/D芯片的工作情况.输出的脉冲是由FPGA内部时钟分流而成.

TGC的控制信号也是在 FPGA中产生.在此采用ROM读值法,把事先设置的 TGC曲线按一定的采样频率取点,然后再把这些点存储在ROM中,读出来的数值经过D/A转换,产生所需要的曲线.

3.2 信号滤波程序和成像程序

大量的研究和试验表明,人体组织对超声的衰减不仅与被探测介质的深度有关,还与超声波的频率有关.随着频率的升高,介质对超声能量的衰减系数增大,因此,当所发射超声波具有较宽的频带时,接收回波中的频率成分必然与距离有关.在近场,回波频率成分主要集中在频带的高端,随着探测深度的增加,回波信号频谱的中心频率逐渐向频带的低端频移.中心频率的下移将使横向分辩力恶化,这是因为发射的超声脉冲向深度传播时,其波长将增大,而孔径大小不变.因此,在B超中应用的滤波器将是带通滤波器.

常用的滤波器一般为模拟滤波器,在此我们使用数字滤波器,滤波器在 FPGA中实现.并且该滤波器是基于分布式算法的有限脉冲响应滤波器[6-7].由于滤波器的质量直接关系到最终图像质量的好坏,因此该步骤是一重要环节.

图5 脉动结构

该滤波器采用了脉动结构,具体的结构如图5所示.这个脉动结构有 P+1个处理单元(PE)和一个位移寄存器组成,其中处理单元有3种类型,即A、B和C.在此我们以四输入LU T(查找表)为例进行说明,如图5所示.输入的信号经过位移寄存器输送到合适的位置,把 X(0)送到左边第1个位置(X(0)代表输入的第1个信号),按从最高位到最低位的次序.T是2个时钟的时间间隔.当前4个时钟过后,前4个数都已经在合适的位置上了,此时,我们定义这4个时钟为1个循环周期.当开始第2个循环周期,即把第5个和第8个信号输送进来时,第1个处理单元开始工作,即以4个数的最低位为地址,读出LU T的值,并输送到右边.在第3个循环周期内,第1个处理单元以4个数的第2低位为地址读取表的内容,而第2个处理单元以4个数的最低位为地址读取表的内容,并加上从左边传过来的值最后再从右输出,如此顺延,每个处理单元都进行工作.处理单元A和B的不同之处在于B有一个加法器,而A没有.当传输的值最后到达处理单元C时,它进行一个累加的工作,即把先前的值左移一位加上新进来的值,W个循环周期后,输出一个值作为最终的输出.

此外,图5的结构是最基础的结构,即每次都是处理一个数的一个位,要取得高速的实现,则可以设置W个类似的 P+1个处理单元,只需要稍许的改动即可.也就是每输入一个数,所有W位都进行处理,这样的结构是具有最高速度的,但也因为处理单元的增多而付出硬件消耗大的代价.

成像程序主要是图像的存储和图像的后端处理.图像的存储根据用户界面上按键的要求有不同的图像存储方式,而图像的后端处理则是把存储的图像读取出来进行图像重建并最终显示在显示屏上.

3.3 界面程序

超声设备显示的字符是都是与图像同时显示的.这里的字符包括菜单、号码、产科表以及测量时的鼠标走过的轨迹以及注释等.在本系统中,菜单、ID、产科表等是显示在四周而不显示在图像的空白区域,而测量是直接显示在图像上的,目的是方便操作和不影响图像显示的质量.

同时根据液晶屏的工作原理进行显示驱动程序的编写.具体原理如下:从屏幕的左上方开始扫描,从左到右,从上到下进行扫描.每扫完一行,又回到屏幕的左边下一行起始位置,扫描完所有行,扫描又回到屏幕的左上方,预备下一帧的扫描.

4 结 语

本文讨论的B超成像系统的实现方法及所应用的主要技术,,在工程实践中都是可行的.其中把滤波器放在FPGA中,大大提高了信号处理的精度和处理速度.

[1] 林轶翰,陈思平.医学超声影像技术及展望[J].医疗装备,2006,19(6):13-15.

[2] 李朝伟,李晓东,张良才.医学超声影像技术的发展创新[J].中国医学装备,2006,2(2):45-47.

[3] 钟勇.迈瑞全数字彩超上市揭开超声新篇章[J].医疗保健器具,2006(10):23-24.

[4] 陈思平.医学超声影像产业现状和发展[J].应用声学,2005,24(4):201-207.

[5] 冯若.超声诊断设备原理与设计(第一版)[M].北京:中国医药科技出版社,1993.

[6] Croisier Esteban D J,Lecilion M E,et al.Rizo.Digital Filter for PCM Encoded Signals[J].U.S.Patent 3777130,1973,12(4):10.

[7] Parhi K K.VLSIDigital Signal Processing System s:Design and Implementation[M].New Yo rk:Wiley,1999.

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

谢佳峰(1983-),男,浙江宁波人,硕士生.