一种基于FPGA的数字超声电子聚焦系统的设计

1、计算机与数字工程第33卷132一种基于FPGA的数字超声电子聚焦系统的设计史兴刘丽佳余龙江(华中科技大学生命科学与技术学院武汉430074)摘要介绍了一种应用于数字超声诊断仪的电子相控聚焦系统的设计。文中简要讨论了电子相控聚焦的原理和影响成像效果的重要因素。详细介绍了系统的结构设计、模块划分以及各模块的功能,使用VHDL语言编程进行模块实现和系统片上集成。仿真结果验证了系统功能和该设计方案的优越性。关键词:超声聚焦FPGA中图分类号:TP271+.5DesignofAnElectronicPhasedFocusingSystemforDigitalUltrasonicImagingBasedo

2、nFPGAShiXingLiuLijiaYuLongjiang(CollegeofLifeScienceandTechnology,)Abstract:Inthispaper,anapplicationoftoimagingispresented.Itdescribesthefocusingmethod,withsimulationresults,alsoshowstheadvantagesofKeywords,FPGClassnumber+.51引言超声成像是当今医学影像诊断的主要成像方法之一,它以超声波与生物之间的相互作用作为成像基础,具有对人体无伤害、无电离辐射、使用方便、适用范围广、设

3、备价格低等优点。为使成像更加清晰,现代医学超声诊断仪在超声波束发射上多采用聚焦的方法,以得到指向性良好的聚焦声束。过去一般使用电容和电感组成的模拟延时线来实现调相,精度较低。随着集成电路成本的降低,后来使用由A/D变换器和数据存储器构成的数字延迟线。随着当前集成电路技术的发展,已经可以实现信号波形的包括频率、幅度、包络、相位的全数字化受控产生,同时由于其精度高、控制方便、稳定性好而成为近年来的研究方向1。在工业超声探伤仪和医用高能聚焦超声等领域,已有研究报道借鉴相控阵雷达中的热点技术DDS(directdigitalsyn2thesis)来实现超声相控阵2。随着大规模可编程逻辑器件和EDA技术

4、的发展,采用FPGA实现的ASIC电路代替原有的数字逻辑电路,具有体积小、功耗小、精度高、稳定性好的特点。本文介绍一种使用Altera公司的APEX20K200芯片完成聚焦控制、多路切换、扫查方式控制等功能的数字超声电子聚焦系统,不仅提高了聚焦延迟的精度可靠性,也大大提高了系统集成度。2超声电子聚焦原理超声相控(phasedarray)调焦的原理是,通过各通道发射激励脉冲之间的到达延时控制各振元发射信号的相位,使得各振元发射的到达焦点的声束具有相同的相位,控制波阵面在空间某点合成振幅的大小,亦能实现波束指向的相控偏转,如图1所示3。收到本文时间:2005年3月21日第33卷(2005)第12期

5、计算机与数字工程133度要求;带有4个锁相环电路,可以降低时钟的延迟和抖动;强大的IO接口,兼容多种电压工作环境等等5。APEX20K常用于实现系统级的通信电路、高速信号处理等功能。由于超声发射电路聚焦波束图1超声相控发射示意图分段动态电子聚焦技术和可变孔径技术用以实现仪器全探测深度的波束聚焦,以解决在近场波束混叠、远场波束扩散而影响灵敏度和分辨力的问题。其基本原理是将探测深度划分为2-4段,按照近、中、远场的顺序,近场激励较少的振元,远场激励较多的振元,每次固定一个焦点发射,然后将多次发射接收到的回声数据重合显示,从而得到从近距离到远距离动态聚焦的、分辨力良好的二维断面图像。B超探头中的换能

6、器由多个压电振元成线阵控制系统中的数字逻辑电路同样要求很高的运行速度、时间精度、集成度、稳定性等,APEX20K同样非常适用于替代实现传统超声电子聚焦系统中聚焦控制、多路切换、扫查方式控制等数字逻辑功能。我们基于此提出一种设计方案,所需达到的功能如下:(1)适用3.5MHz和5MHz两种工作频率的探头。(2)多路发射驱动脉冲的控制,延时量和占空比可调。(3)近程N,中程M,远程FA、FB共4段动态聚焦。(4)。2。对于衰减大的组织或要求探测深度大时,应选取较低的工作频率;反之则选取较高的工作频率。当焦点距换能器表面距离为F即焦距为F时,设阵元中心距为d,换能器孔径为D,人体中平均声速C(154

7、0米/秒),则单侧距中心第n个阵元的激励延迟时间通过如下公式计算:(1-+()2)n=CF两种工作频率下都分近场、中场、远场A、远场B共4段扫查即在4种不同的焦距下分别聚焦发射,因此共有8组延时量组合。选择哪一种延时方式由来自CPU的3位控制信号决定。或面阵排列构成。单个振元的辐射面积小,提高了波束指向性;而多个振元组合发射,保证了功率,且等效孔径的加大使波束变窄,分辨力高。实际应用中还常通过阵元间的灵活组合,实现21/4,。,合成波束的旁瓣,即分辨率越高,旁瓣越小4。因而,聚焦延时分辨率极大的影响了波束的实际聚焦效果,因而也决定了成像清晰度。3系统组成与模块实现APEX20K是Altera公

8、司生产的首款带有多核架构的可编程逻辑器件,密度在30000到1500000门,时钟速度高达822MHz。主要特点有:多核架构;内含嵌入式系统模块,并可实现多种存储器功能;密度高,门数多,可以满足系统级设计的高密一旦设定了某种延时方式,该模块根据事先的设置立即产生对应于该延时方式的6个延时量,控制6路驱动脉冲产生器依次延时产生一个窄脉冲,以“开关”的方式驱动激励脉冲产生器的模拟电路产生一个幅度为100v左右的单极性电压脉冲每一路驱动脉冲的脉宽T1和周期T2亦可在驱动脉冲控制模块的控制下调整,以适应在图2系统框图不同的探头工作频率或扫查方式。使用频率较高的探头时脉宽要适当减少,这是因为在高频一种基

9、于FPGA的数字超声电子聚焦系统的设计第33卷134时发射超声脉冲如果振元激发时间过长会出现振铃效应,从而影响系统的距离分辨力。在脉宽控制码T1C和周期控制码T2C的作用下,分别为每路脉冲产生器的计数器分别置入脉宽计数值和周期计数值,共可组合产生4种不同占空比的发射驱动脉冲。控制脉冲扩增模块的作用是将6路驱动脉冲镜像倍数扩增,同步组合分配到相应的多路激励脉冲产生电路中,声波束。,当换,欲使焦点越远,则被激励的发射振元数应该越多,如FA、FB焦点发射时,分配全部6路脉冲;近距离的焦点时,激励较少的发射振元,如N焦点发射时,控制脉冲分配器只分配F2-F5的脉冲,不触发F0、F1对应的激励脉冲产生电

10、路。现代B超线阵式换能器多由数十乃至上百个独立的阵元组成,显然不可能为每组阵元提供一套独立的波束控制和脉冲产生电路,因此必须通过阵元开关控制器,在CPU的控制下,产生探头二极管开关控制码,实现多路激励脉冲和线阵探头中数十组阵元之间的组合连接。针对较为常见的80阵元线阵换能器,设计一种连线方案如下,使主机和探头间仅需32根连线即可实现任意组合的阵元发射驱动。驱动脉冲扩增模块产生的12路脉冲在CPU控制下选定16路激励脉冲产生器中的12路为一个组合共同工作,输出激励脉冲信号到对应的激励线上。激励线上的信号能否触发阵元,还受到开关线的控制。例如要触发12-23号阵元,那么首先使12路控制脉冲加到12

11、-16、1-7号共12根激表1激励线和开关线与探头的连接方案激励线阵元编号开关线阵元编号励线对应的激励脉冲产生器上。由于每根激励线均连接了多个阵元,激励信号亦可能加到其他的阵元上。这时,通过使能3-5,即开关线只允许11-。两者取交集1212-23号。,即可实现不同的扫描方式。由于扫描方式通常是事先设计并编定好的,因此这一部分基本相当于存储控制程序的ROM,或者说在CPU控制信号的作用下,译出编码选通信号的一个组合译码器。4系统实现与验证完成系统模块划分和定义后,对各模块使用VHDL语言建模并在QuartusII中使用向量波形进行功能验证。同样使用VHDL语言建模顶层模块并调用、例化各子模块构

12、成系统,然后进行系统级的功能测试。图3给出了控制脉冲分配器后的12路脉冲产生仿真波形,可以看到在聚焦控制码的作用下,实现了对各路发射脉冲的精确微小延时控制。对于远场、中场、近场不同的焦点,实现了触发阵元数量的控制,近场时只镜像扩增4路触发脉冲为8路,远场时则镜像扩增全部6路触发脉冲为12路。时序仿真和分析结果表明,系统除load信号通路外,其余部分均可在100MHz频率下稳定工作。由于load信号表明用户重置了工作方式,load信号有效期间实际上是内部寄存器清零和重置时间,探头上不会产生任何波束输出。因而在系统实际工作时,其延时精度远高于以往使用单片机和模第33卷(2005)第12期计算机与数

13、字工程135图3仿真生成12路驱动脉冲波形拟延迟线的方法,即达到了较高的延时精度。同时系统全部数字功能可在单片Apex20K系列FPGA芯片中实现,其复杂度和系统开销又远小于使用A/D和RAM的数字延迟线方法。采用LogicLock等布局布线优化技术能够进一步提高系统工作频率和稳定性。结合系统主控CPU、激励脉冲产生器部分的模拟电路和线阵式超声探头,就构成了低开销、高精度的电子聚焦超声波束发射系统。声探头,使仪器的研发和生产更加灵活方便。如果能够克服数字化超声回波接收系统中的技术难点,两者结合,则在全数字化超声诊疗仪器的应用中具有较高的价值。参考文献1刘晨,魏炜,姜永亮等,超声数字式相控阵换能

14、器动态聚焦系统研制J.应用声学,2000,(6),142陈琦,(3),M.北京:中国医药5结束语采用FPGA,结构简单,造成本,。由于FP2GA器件的可重配置性,也可使系统适用于多种超4鲍晓宇,施克仁,陈以方等,超声相控阵系统中高精度相控发射的实现J.清华大学学报,2004,44(2),1535杨春燕,张斌,马驰,可编程逻辑器件APEX20K的原理及应用J.国外电子元器件,2004,11,506陈智文,张旦松,B型超声诊断仪原理、调试与维修M.武汉:湖北科学技术出版社,1992(上接第105页)SimonRobinson,BurtHarvey,WroxPressInc,March2002.4GreetanjaliArora,BalasubramaniamAiaswamy,NitinPandey著,徐成傲译,C#专业项目实例开发M.北20018刘兵,欧阳峥峥Web高级程序设计M.北京,中国水利水电出版社,2003开发M.中国水利水电出版社,200310孟军,王宝精通ASP.NET网络编程M