高频超声射频回波信号高速数据传输系统的设计

2021-05-08王晓春刘新鸣计建军

医疗卫生装备 2021年4期

王晓春，刘新鸣，杨军，计建军，周盛*

（1.中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所，天津300192；2.天津迈达医学科技股份有限公司，天津300384）

0 引言

高频超声诊断技术可以对活体生物浅表组织进行无创、高分辨力、实时可视化成像，目前临床上已广泛应用于眼科疾病[1]、皮肤科疾病[2-3]、血管内疾病[4]等的诊断。同时，此技术还可以针对小鼠[5]、大鼠、斑马鱼[6]等与人类疾病相关的小动物模型进行临床前研究，以提高研究人员对病理生理、功能机制以及治疗策略的认识和理解。

超声射频回波信号是指超声诊断仪接收到的由前端超声换能器激励的超声波与所有生物组织发生交互作用后的原始回波信息，其保留了各生物组织间的结构差别与特征[7]。随着计算机技术的迅猛发展，超声射频回波原始数据在图像处理算法验证、人工智能图像识别[8]、超声图像三维重建[9]、远程医疗等方面发挥了越来越重要的作用。

目前，商用的医用超声诊断设备在硬件上由探头模块、超声回波信号处理模块、计算机及其应用软件模块3 个部分组成[10]。所采集到的超声回波信息往往是经过了一系列的线性和非线性放大、包络检波、对数压缩、二次采样后的图像数据，相对于原始超声射频回波信号，采集的信号将不可避免丢失部分有用信息。因此，本文设计了一种基于现场可编程门阵列（field programmable gate array，FPGA）和单阵元高频宽带换能器的高频超声射频回波信号高速数据传输系统，将超声前端采集、放大及数字化的高分辨力超声射频回波信号传输至计算机，为后续的研究提供无损失的数据源，实现超声诊断设备的智能化和信息化。

1 系统设计

高频超声射频回波信号高速数据传输系统由FPGA 控制处理模块、超声探头模块、射频回波信号处理模块、USB 传输模块以及上位机组成[11-12]，如图1 所示。FPGA 控制处理模块作为整个系统的核心模块，完成各模块单元的时序管理和控制。超声探头模块在FPGA 控制处理模块的控制下完成换能器的收发和电动机的行进。射频回波信号处理模块主要用来实现超声射频回波信号的放大和数字化采样。USB 传输模块用来实现FPGA 控制处理模块与上位机的数据通信以及上位机的实时控制。上位机用来实现用户与本系统的交互以及射频回波数据的存储和显示。系统实物如图2 所示，不但能完全实现超声射频回波数据上传的功能，而且其高集成度和可便携性也为移动医疗带来了更多的可行性。

图1 高频超声射频回波信号高速数据传输系统组成框图

图2 高频超声射频回波信号高速数据传输系统实物图

1.1 FPGA 控制处理模块设计

FPGA 控制处理模块采用Altera 公司CycloneⅣ系列的FPGA 芯片EP4CE 22F17C6 作为整个系统控制和射频回波信号处理的核心，该芯片不仅拥有高达22 320 个内置逻辑单元，可以实现实时、快速的逻辑运算，还内置了594 kbits 的嵌入式存储RAM（random acess memory），可以实现数据的大量存储以及查表运算[13]。FPGA 控制处理模块在系统中主要负责上位机命令解析、时序控制、发射脉冲控制、时间增益补偿（time gain control，TGC）参数设置、A/D转换器的模式设置与射频回波数据采集处理、Slave FIFO 模块控制等，其功能结构如图3 所示。本研究中FPGA 控制处理模块工作主频为240 MHz，以满足高频率超声射频回波信号处理的需求，使数据处理和传输都在高速通道中进行，保证系统的稳定、可靠和实时数据的准确上传。

1.2 超声探头模块设计

超声探头模块由超声换能器、电动机和超声发射驱动电路组成。超声换能器选用美国Medtech 公司的中心频率为50 MHz 的聚偏二氟乙烯膜（polyvinylidene fluoride，PVDF）压电晶体换能器，换能器的焦点长度为9～10 mm，相对带宽为70%。系统工作时，超声换能器由步进电动机驱动，利用精密线性导轨完成对仿体或生物组织的精密定位和扫描。

本系统中超声发射频率为50 MHz，重复周期为500 μs。由FPGA 控制处理模块产生的时序脉冲序列通过高速低侧栅极驱动电路将脉冲电平由3.3 V转化为18 V，再通过由N/P 金属-氧化物半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）组成的触发电路产生峰峰值为120 V 的单周期正弦脉冲信号，激励超声换能器产生超声波探测仿体或生物组织。

1.3 射频回波信号处理模块设计

射频回波信号处理模块由前置放大电路、模拟滤波电路、TGC 电路和A/D 转换器组成。从超声换能器回传的超声射频回波信号先经过前置放大电路和模拟滤波电路，再进行TGC，随后通过A/D 转换器将数字射频回波信号送入FPGA 控制处理模块中。系统中的前置放大电路由Mini-circuits 公司的GALI-74+芯片及外围器件组成，该芯片具有低噪声、高共模抑制比、增益值大于20 dB 的特点。随着探测深度的增加，高频超声射频回波信号也会迅速衰减，因此在本系统中引入了TGC 电路，由ADI 公司型号为AD8367 的电压控制型可变增益放大器芯片及外围器件组成，其特点是宽频带和具有45 dB 线性可变增益范围。A/D 转换器采用ADI 公司的LTC2285 来实现超声射频回波信号的模数转换，其内置2 路集成的A/D 转换芯片，经低电压差分信号（low voltage differential signaling，LVDS）接口将2 路采样率均为120 MHz、相位相差180°的数字信号输入至FPGA控制处理模块进行并串转换，得到采样率为240 MHz 的高速数字信号进行超声射频回波数字信号处理。A/D转换器采样位数设定为14 bit。射频回波数据存储深度为换能器焦点处10 mm，声速设定为1 540 m/s，因此得到A/D 采样有效时间为12.99 μs，每条扫描线采集3 117 个数。

图3 FPGA 控制处理模块功能结构图

1.4 USB 传输模块设计

USB 传输模块的设计主要包括通用可编程接口（general programmable interface，GPIF）Ⅱ工作模式的设置、USB 固件程序和USB 驱动程序的开发。

高速通用串行总线USB 3.0 是在USB 2.0 的基础上发展起来的，具有更高传输速率的总线标准，同时优化了电源管理，降低了设备功耗，提高了供电能力，目前已成为基于计算机平台的医学设备数据传输的首选方式[14]。本系统选用支持最新的USB 3.0 协议的Cypress 公司的EZ-USB FX3（CYUSB3014）芯片。该芯片内部集成了核心工作频率为200 MHz 的32位ARM926EJ 处理器内核，具有强大的数据处理功能。而且该芯片给外部设备提供一个并行、可配置的GPIFⅡ接口。本文采用GPIFⅡ接口的Slave FIFO 工作模式。FPGA 控制处理模块通过识别上位机下发的命令确定是否进行数据采集及传输，如命令下发，则FPGA 控制处理模块控制GPIFⅡ接口的写使能信号有效，将超声射频回波数据通过GPIFⅡ接口写入CYUSB3014芯片的输入端点，并传输至上位机。

固件程序的开发基于Eclipse 集成开发环境，用C 语言开发，主要包括定义程序的入口点、设置堆栈、初始化内核、定义应用线程启动代码的位置标识符等功能。

USB 驱动程序用来协调固件程序和上位机程序，使下位机硬件设备通过USB 3.0 接口接入计算机后能被计算机设备管理器识别和访问。USB 驱动程序主要由总线驱动程序与设备驱动程序两部分组成。总线驱动程序由计算机操作系统提供，设备驱动程序采用Cypress 公司提供的通用设备驱动程序CYUSB3.SYS。

1.5 上位机程序设计

上位机程序是用户与本系统的交互接口，用于协调固件程序和驱动程序来控制超声射频回波数据的传输。上位机程序采用Microsoft Visual Studio 2012开发环境开发，Cypyess 公司提供的库文件CyAPI.lib包括访问硬件的接口函数，通过调用其中的Open、Close 和XferData 等函数对USB 设备进行初始化端口、输入/输出、设置等待时间、关闭设备等操作以及对缓存区数据的存/取处理等，上位机软件流程如图4 所示。首先运行程序检测超声探头是否连接，如果已连接，则进入程序人机界面；如果无超声探头连接，则关闭程序。在超声探头连接的情况下进入人机界面后，点击“采集”按钮，并检测是否勾选“将数据保存至文件”选项，如果选择保存文件，则填充“数据文件夹”文本框，并选择数据保存格式，将数据按指定格式保存至硬盘指定位置，同时显示采集的数据；如果不选择保存文件，则直接显示采集到的数据。至此，已完成一次扫描采集的过程，软件中已设置可进行多次采集。

人机界面将采集到的数据以位图的方式显示出来。上位机获取到的数据为字节流，位图中纵坐标取值范围是-8 192～8 192；在数据对应的坐标位置描点，各点横向位置相距为一个像素，因此在屏幕上自然形成一条曲线。位图横坐标取值范围是0～10 mm，代表采样深度。拖动位图下方横向滚动条可以观察该范围内所有数据，点击位图上方右侧按钮可观察不同扫描线的数据，实际每次采集存储1 000 条扫描线。

人机界面中可选择的数据保存文件格式有.txt、.dat 或.bin。本系统中的.dat 文件中数据格式为16 bit（每个采样点占用位宽，二进制补码有符号数）×3 117（点数）×1 000（线数），另外还需要在每条线的前面加上3 B 的同步包头字符、2 B 的扫描线的线数。先从小到大（0～3 117）存储第1 条线3 117 点，然后存储第2 条线3 117 点，以此类推，直到1 000 条线结束。读入的数据为一维向量，根据.dat 格式规则，将一维向量变换为矩阵，可得到一帧完整数据。其他2 种文件中的数据存储格式与之相同。

图4 上位机软件流程图

2 实验验证

为验证系统的可行性，设计锯齿波数据仿真实验与真实超声回波实验。通过传输锯齿波数据，比较上位机获得的幅值、重复频率、数据位数等变化情况，可以单独验证FPGA 控制处理模块对超声射频回波数据传输的准确性。通过对换能器真实获取到的射频回波信号进行采集、存储与传输，实时构建并显示数据波形图，即可验证系统整体对射频回波信号传输的准确性。同时，还可以对采集的超声波信号质量以及硬件系统的整体信噪比进行评价，使系统能够更加适用于临床，为之后的二维实时成像奠定基础。

2.1 锯齿波数据仿真实验

为验证超声射频回波数据上传的准确性，首先设计锯齿波数据仿真实验。由FPGA 控制处理模块产生14 位锯齿波数据，采样频率为240 MHz，每条扫描线数据从0000 开始，每个时钟递加0001。通过USB 3.0 接口实时上传至上位机进行显示和存储，以此来验证系统射频数据上传的准确性。实验结果如图5 所示，“AA 55 C3”是每条扫描线的同步包头字符，后面的“00 09”代表扫描线的线数。后面有4个8 bit 的无效数据，产生的原因是因为数据流在FPGA 控制处理模块处理及上传过程中产生的延迟误差。此后，可见有效数据从“00 00”依次递加，由此验证了FPGA 控制处理模块对于超声射频回波数据传输的准确性。

图5 锯齿波仿真数据上位机读取.dat 文件结果

2.2 真实超声回波实验

在验证了锯齿波上传数据准确性的前提下，又设计了有机玻璃片超声回波实验。将厚度为0.2 mm 的有机玻璃片放入有一定深度的水槽中，再将水槽中注入蒸馏水。系统的换能器垂直于有机玻璃平面，且距离有机玻璃片约为7 mm。

图6 为上位机超声射频回波数据采集控制与波形预览界面，包括采集按键、关闭按键、波形选取、数据存储路径选取等功能。超声射频回波数据存储文件可选择.txt、.dat 和.bin 3 种格式。启动“采集”按钮，可得到超声射频回波信号的波形全景预览[如图6（a）所示]、局部放大[如图6（b）所示]和1 000 条实时扫描线超声射频回波数据的存储（如图7 所示）。由此，验证了本系统对于真实超声射频回波信号数据传输的实时性和准确性。

3 讨论

本文设计了一个基于FPGA 和高频超声换能器的高频超声射频回波信号高速数据传输系统，通过锯齿波数据仿真实验和真实超声回波实验的验证，本系统功能完善，上传的射频回波数据准确。编写的上位机应用软件波形预览界面不仅可以满足后续研究的实验调试，存储多种格式的原始射频数据，还可以满足后续更进一步科学研究的需求。

基于FPGA 可编程器件的灵活性，研究人员可以根据后续需求进行重新编程开发，具有较强的可调试性和通用性。超声发射电路可以输出峰峰值为120 V 的双向脉冲，其脉冲宽度可以根据系统所需的超声频率由FPGA 编程输出。回波接收电路的射频可调增益为20～65 dB，可由FPGA 编程控制。A/D 转换器的采样频率可根据超声射频回波信号的频率进行调整，可调范围为1～250 MHz，不需要修改硬件。

但本系统还存在一些可以持续改进和完善的地方：实验只验证了数据传输的准确性，下一阶段的工作将测试系统的稳定性和抗干扰能力；目前的上位机软件只获取了每一条超声扫描线的实时数据波形显示和存储，接下来将完善上位机软件，实现将传输至上位机的超声射频回波数据恢复为超声二维图像，以实现扫描图像的实时显示和视频存储。