一種基于FPGA的數(shù)字超聲電子聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程第33卷132一種基于FPGA的數(shù)字超聲電子聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)史興劉麗佳余龍江(華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院武漢430074)摘要介紹了一種應(yīng)用于數(shù)字超聲診斷儀的電子相控聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。文中簡要討論了電子相控聚焦的原理和影響成像效果的重要因素。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊劃分以及各模塊的功能,使用VHDL語言編程進(jìn)行模塊實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)片上集成。仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)功能和該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞:超聲聚焦FPGA中圖分類號(hào):TP271+.5DesignofAnElectronicPhasedFocusingSystemforDigitalUltrasonicImagingBasedo

2、nFPGAShiXingLiuLijiaYuLongjiang(CollegeofLifeScienceandTechnology,)Abstract:Inthispaper,anapplicationoftoimagingispresented.Itdescribesthefocusingmethod,withsimulationresults,alsoshowstheadvantagesofKeywords,FPGClassnumber+.51引言超聲成像是當(dāng)今醫(yī)學(xué)影像診斷的主要成像方法之一,它以超聲波與生物之間的相互作用作為成像基礎(chǔ),具有對(duì)人體無傷害、無電離輻射、使用方便、適用范圍廣、設(shè)

3、備價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。為使成像更加清晰,現(xiàn)代醫(yī)學(xué)超聲診斷儀在超聲波束發(fā)射上多采用聚焦的方法,以得到指向性良好的聚焦聲束。過去一般使用電容和電感組成的模擬延時(shí)線來實(shí)現(xiàn)調(diào)相,精度較低。隨著集成電路成本的降低,后來使用由A/D變換器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器構(gòu)成的數(shù)字延遲線。隨著當(dāng)前集成電路技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)波形的包括頻率、幅度、包絡(luò)、相位的全數(shù)字化受控產(chǎn)生,同時(shí)由于其精度高、控制方便、穩(wěn)定性好而成為近年來的研究方向1。在工業(yè)超聲探傷儀和醫(yī)用高能聚焦超聲等領(lǐng)域,已有研究報(bào)道借鑒相控陣?yán)走_(dá)中的熱點(diǎn)技術(shù)DDS(directdigitalsyn2thesis)來實(shí)現(xiàn)超聲相控陣2。隨著大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷虴DA技術(shù)

4、的發(fā)展,采用FPGA實(shí)現(xiàn)的ASIC電路代替原有的數(shù)字邏輯電路,具有體積小、功耗小、精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。本文介紹一種使用Altera公司的APEX20K200芯片完成聚焦控制、多路切換、掃查方式控制等功能的數(shù)字超聲電子聚焦系統(tǒng),不僅提高了聚焦延遲的精度可靠性,也大大提高了系統(tǒng)集成度。2超聲電子聚焦原理超聲相控(phasedarray)調(diào)焦的原理是,通過各通道發(fā)射激勵(lì)脈沖之間的到達(dá)延時(shí)控制各振元發(fā)射信號(hào)的相位,使得各振元發(fā)射的到達(dá)焦點(diǎn)的聲束具有相同的相位,控制波陣面在空間某點(diǎn)合成振幅的大小,亦能實(shí)現(xiàn)波束指向的相控偏轉(zhuǎn),如圖1所示3。收到本文時(shí)間:2005年3月21日第33卷(2005)第12期

5、計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程133度要求;帶有4個(gè)鎖相環(huán)電路,可以降低時(shí)鐘的延遲和抖動(dòng);強(qiáng)大的IO接口,兼容多種電壓工作環(huán)境等等5。APEX20K常用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的通信電路、高速信號(hào)處理等功能。由于超聲發(fā)射電路聚焦波束圖1超聲相控發(fā)射示意圖分段動(dòng)態(tài)電子聚焦技術(shù)和可變孔徑技術(shù)用以實(shí)現(xiàn)儀器全探測(cè)深度的波束聚焦,以解決在近場(chǎng)波束混疊、遠(yuǎn)場(chǎng)波束擴(kuò)散而影響靈敏度和分辨力的問題。其基本原理是將探測(cè)深度劃分為2-4段,按照近、中、遠(yuǎn)場(chǎng)的順序,近場(chǎng)激勵(lì)較少的振元,遠(yuǎn)場(chǎng)激勵(lì)較多的振元,每次固定一個(gè)焦點(diǎn)發(fā)射,然后將多次發(fā)射接收到的回聲數(shù)據(jù)重合顯示,從而得到從近距離到遠(yuǎn)距離動(dòng)態(tài)聚焦的、分辨力良好的二維斷面圖像。B超探頭中的換能

6、器由多個(gè)壓電振元成線陣控制系統(tǒng)中的數(shù)字邏輯電路同樣要求很高的運(yùn)行速度、時(shí)間精度、集成度、穩(wěn)定性等,APEX20K同樣非常適用于替代實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)超聲電子聚焦系統(tǒng)中聚焦控制、多路切換、掃查方式控制等數(shù)字邏輯功能。我們基于此提出一種設(shè)計(jì)方案,所需達(dá)到的功能如下:(1)適用3.5MHz和5MHz兩種工作頻率的探頭。(2)多路發(fā)射驅(qū)動(dòng)脈沖的控制,延時(shí)量和占空比可調(diào)。(3)近程N(yùn),中程M,遠(yuǎn)程FA、FB共4段動(dòng)態(tài)聚焦。(4)。2。對(duì)于衰減大的組織或要求探測(cè)深度大時(shí),應(yīng)選取較低的工作頻率;反之則選取較高的工作頻率。當(dāng)焦點(diǎn)距換能器表面距離為F即焦距為F時(shí),設(shè)陣元中心距為d,換能器孔徑為D,人體中平均聲速C(154

7、0米/秒),則單側(cè)距中心第n個(gè)陣元的激勵(lì)延遲時(shí)間通過如下公式計(jì)算:(1-+()2)n=CF兩種工作頻率下都分近場(chǎng)、中場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)A、遠(yuǎn)場(chǎng)B共4段掃查即在4種不同的焦距下分別聚焦發(fā)射,因此共有8組延時(shí)量組合。選擇哪一種延時(shí)方式由來自CPU的3位控制信號(hào)決定?；蛎骊嚺帕袠?gòu)成。單個(gè)振元的輻射面積小,提高了波束指向性;而多個(gè)振元組合發(fā)射,保證了功率,且等效孔徑的加大使波束變窄,分辨力高。實(shí)際應(yīng)用中還常通過陣元間的靈活組合,實(shí)現(xiàn)21/4,。,合成波束的旁瓣,即分辨率越高,旁瓣越小4。因而,聚焦延時(shí)分辨率極大的影響了波束的實(shí)際聚焦效果,因而也決定了成像清晰度。3系統(tǒng)組成與模塊實(shí)現(xiàn)APEX20K是Altera公

8、司生產(chǎn)的首款帶有多核架構(gòu)的可編程邏輯器件,密度在30000到1500000門,時(shí)鐘速度高達(dá)822MHz。主要特點(diǎn)有:多核架構(gòu);內(nèi)含嵌入式系統(tǒng)模塊,并可實(shí)現(xiàn)多種存儲(chǔ)器功能;密度高,門數(shù)多,可以滿足系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的高密一旦設(shè)定了某種延時(shí)方式,該模塊根據(jù)事先的設(shè)置立即產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于該延時(shí)方式的6個(gè)延時(shí)量,控制6路驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生器依次延時(shí)產(chǎn)生一個(gè)窄脈沖,以“開關(guān)”的方式驅(qū)動(dòng)激勵(lì)脈沖產(chǎn)生器的模擬電路產(chǎn)生一個(gè)幅度為100v左右的單極性電壓脈沖每一路驅(qū)動(dòng)脈沖的脈寬T1和周期T2亦可在驅(qū)動(dòng)脈沖控制模塊的控制下調(diào)整,以適應(yīng)在圖2系統(tǒng)框圖不同的探頭工作頻率或掃查方式。使用頻率較高的探頭時(shí)脈寬要適當(dāng)減少,這是因?yàn)樵诟哳l一種基

9、于FPGA的數(shù)字超聲電子聚焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第33卷134時(shí)發(fā)射超聲脈沖如果振元激發(fā)時(shí)間過長會(huì)出現(xiàn)振鈴效應(yīng),從而影響系統(tǒng)的距離分辨力。在脈寬控制碼T1C和周期控制碼T2C的作用下,分別為每路脈沖產(chǎn)生器的計(jì)數(shù)器分別置入脈寬計(jì)數(shù)值和周期計(jì)數(shù)值,共可組合產(chǎn)生4種不同占空比的發(fā)射驅(qū)動(dòng)脈沖?？刂泼}沖擴(kuò)增模塊的作用是將6路驅(qū)動(dòng)脈沖鏡像倍數(shù)擴(kuò)增,同步組合分配到相應(yīng)的多路激勵(lì)脈沖產(chǎn)生電路中,聲波束。,當(dāng)換,欲使焦點(diǎn)越遠(yuǎn),則被激勵(lì)的發(fā)射振元數(shù)應(yīng)該越多,如FA、FB焦點(diǎn)發(fā)射時(shí),分配全部6路脈沖;近距離的焦點(diǎn)時(shí),激勵(lì)較少的發(fā)射振元,如N焦點(diǎn)發(fā)射時(shí),控制脈沖分配器只分配F2-F5的脈沖,不觸發(fā)F0、F1對(duì)應(yīng)的激勵(lì)脈沖產(chǎn)生電

10、路。現(xiàn)代B超線陣式換能器多由數(shù)十乃至上百個(gè)獨(dú)立的陣元組成,顯然不可能為每組陣元提供一套獨(dú)立的波束控制和脈沖產(chǎn)生電路,因此必須通過陣元開關(guān)控制器,在CPU的控制下,產(chǎn)生探頭二極管開關(guān)控制碼,實(shí)現(xiàn)多路激勵(lì)脈沖和線陣探頭中數(shù)十組陣元之間的組合連接。針對(duì)較為常見的80陣元線陣換能器,設(shè)計(jì)一種連線方案如下,使主機(jī)和探頭間僅需32根連線即可實(shí)現(xiàn)任意組合的陣元發(fā)射驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)脈沖擴(kuò)增模塊產(chǎn)生的12路脈沖在CPU控制下選定16路激勵(lì)脈沖產(chǎn)生器中的12路為一個(gè)組合共同工作,輸出激勵(lì)脈沖信號(hào)到對(duì)應(yīng)的激勵(lì)線上。激勵(lì)線上的信號(hào)能否觸發(fā)陣元,還受到開關(guān)線的控制。例如要觸發(fā)12-23號(hào)陣元,那么首先使12路控制脈沖加到12

11、-16、1-7號(hào)共12根激表1激勵(lì)線和開關(guān)線與探頭的連接方案激勵(lì)線陣元編號(hào)開關(guān)線陣元編號(hào)勵(lì)線對(duì)應(yīng)的激勵(lì)脈沖產(chǎn)生器上。由于每根激勵(lì)線均連接了多個(gè)陣元,激勵(lì)信號(hào)亦可能加到其他的陣元上。這時(shí),通過使能3-5,即開關(guān)線只允許11-。兩者取交集1212-23號(hào)。,即可實(shí)現(xiàn)不同的掃描方式。由于掃描方式通常是事先設(shè)計(jì)并編定好的,因此這一部分基本相當(dāng)于存儲(chǔ)控制程序的ROM,或者說在CPU控制信號(hào)的作用下,譯出編碼選通信號(hào)的一個(gè)組合譯碼器。4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證完成系統(tǒng)模塊劃分和定義后,對(duì)各模塊使用VHDL語言建模并在QuartusII中使用向量波形進(jìn)行功能驗(yàn)證。同樣使用VHDL語言建模頂層模塊并調(diào)用、例化各子模塊構(gòu)

12、成系統(tǒng),然后進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的功能測(cè)試。圖3給出了控制脈沖分配器后的12路脈沖產(chǎn)生仿真波形,可以看到在聚焦控制碼的作用下,實(shí)現(xiàn)了對(duì)各路發(fā)射脈沖的精確微小延時(shí)控制。對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)、中場(chǎng)、近場(chǎng)不同的焦點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了觸發(fā)陣元數(shù)量的控制,近場(chǎng)時(shí)只鏡像擴(kuò)增4路觸發(fā)脈沖為8路,遠(yuǎn)場(chǎng)時(shí)則鏡像擴(kuò)增全部6路觸發(fā)脈沖為12路。時(shí)序仿真和分析結(jié)果表明,系統(tǒng)除load信號(hào)通路外,其余部分均可在100MHz頻率下穩(wěn)定工作。由于load信號(hào)表明用戶重置了工作方式,load信號(hào)有效期間實(shí)際上是內(nèi)部寄存器清零和重置時(shí)間,探頭上不會(huì)產(chǎn)生任何波束輸出。因而在系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí),其延時(shí)精度遠(yuǎn)高于以往使用單片機(jī)和模第33卷(2005)第12期計(jì)算機(jī)與數(shù)

13、字工程135圖3仿真生成12路驅(qū)動(dòng)脈沖波形擬延遲線的方法,即達(dá)到了較高的延時(shí)精度。同時(shí)系統(tǒng)全部數(shù)字功能可在單片Apex20K系列FPGA芯片中實(shí)現(xiàn),其復(fù)雜度和系統(tǒng)開銷又遠(yuǎn)小于使用A/D和RAM的數(shù)字延遲線方法。采用LogicLock等布局布線優(yōu)化技術(shù)能夠進(jìn)一步提高系統(tǒng)工作頻率和穩(wěn)定性。結(jié)合系統(tǒng)主控CPU、激勵(lì)脈沖產(chǎn)生器部分的模擬電路和線陣式超聲探頭,就構(gòu)成了低開銷、高精度的電子聚焦超聲波束發(fā)射系統(tǒng)。聲探頭,使儀器的研發(fā)和生產(chǎn)更加靈活方便。如果能夠克服數(shù)字化超聲回波接收系統(tǒng)中的技術(shù)難點(diǎn),兩者結(jié)合,則在全數(shù)字化超聲診療儀器的應(yīng)用中具有較高的價(jià)值。參考文獻(xiàn)1劉晨,魏煒,姜永亮等,超聲數(shù)字式相控陣換能

14、器動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)研制J.應(yīng)用聲學(xué),2000,(6),142陳琦,(3),M.北京:中國醫(yī)藥5結(jié)束語采用FPGA,結(jié)構(gòu)簡單,造成本,。由于FP2GA器件的可重配置性,也可使系統(tǒng)適用于多種超4鮑曉宇,施克仁,陳以方等,超聲相控陣系統(tǒng)中高精度相控發(fā)射的實(shí)現(xiàn)J.清華大學(xué)學(xué)報(bào),2004,44(2),1535楊春燕,張斌,馬馳,可編程邏輯器件APEX20K的原理及應(yīng)用J.國外電子元器件,2004,11,506陳智文,張旦松,B型超聲診斷儀原理、調(diào)試與維修M.武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,1992(上接第105頁)SimonRobinson,BurtHarvey,WroxPressInc,March2002.4GreetanjaliArora,BalasubramaniamAiaswamy,NitinPandey著,徐成傲譯,C#專業(yè)項(xiàng)目實(shí)例開發(fā)M.北20018劉兵,歐陽崢崢Web高級(jí)程序設(shè)計(jì)M.北京,中國水利水電出版社,2003開發(fā)M.中國水利水電出版社,200310孟軍,王寶精通ASP.NET網(wǎng)絡(luò)編程M