全數(shù)字B超動(dòng)態(tài)濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、29卷3期2010年6月中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)Chinese Journal of Biomedical EngineeringJune 2010全數(shù)字B 超動(dòng)態(tài)濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)周盛1李仙琴1王曉春1何新喜2楊軍1計(jì)建軍1王延群1*1(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所,天津3001922(天津邁達(dá)醫(yī)學(xué)科技有限公司,天津300384摘要:為在全探測(cè)深度內(nèi)獲取最佳分辨力的超聲回波圖像,本研究基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA 設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)濾波器,將全數(shù)字B 超的探測(cè)深度平均分為64段,采用64個(gè)32階帶通濾波器與之對(duì)應(yīng),完成人體超聲回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)濾波處理。所設(shè)計(jì)濾波器應(yīng)用于128陣元、3.5MHz

2、的全數(shù)字B 超設(shè)備中,并與使用常值濾波器的圖像進(jìn)行了分析比較。通過(guò)對(duì)仿組織超聲體模的檢測(cè)顯示,在圖像的探測(cè)深度、遠(yuǎn)場(chǎng)分辨力和噪聲濾除等方面都有了較為明顯的提高。關(guān)鍵詞:超聲;動(dòng)態(tài)濾波器;現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA ;有限沖激響應(yīng)(FIR 中圖分類號(hào)R318文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0258-8021(201003-0418-04Design and Realization of a Dynamic Filter in Digital B Mode UltrasonographyZHOU Sheng1LI Xian-Qin1WANG Xiao-Chun1HE Xin-Xi2YANG Jun1JI Ji

3、an-Jun1WANG Yan-Qun1*1(Institute of Biomedical Engineering ,Chinese Academy of Medical Sciences ,Tianjin 300192,China 2(MEDA CO.,LTD ,Tianjin 300084,China 引言超聲圖像質(zhì)量對(duì)于疾病診斷有重要的意義。由于人體軟組織對(duì)超聲波的衰減與頻率大致呈線性關(guān)系,因此在近場(chǎng)應(yīng)主要獲取回波信息中的高頻成分以提高圖像的分辨力和清晰度;而隨著探測(cè)深度的增加,高頻成分更快地衰減使得超聲波逐漸向頻帶的低端偏移,這時(shí)需要提取回波信息中的低頻成分以獲取更豐富的遠(yuǎn)場(chǎng)圖像信息

4、,實(shí)現(xiàn)全探測(cè)深度內(nèi)最佳的成像效果12。全數(shù)字B 超系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)濾波器用以自動(dòng)選擇以上具有診斷價(jià)值的頻率信號(hào),濾除體表部分以低頻為主的強(qiáng)回聲信號(hào)和深部以高頻為主的干擾。動(dòng)態(tài)濾波器設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到全數(shù)字B 超系統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)成像的分辨率,是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分3。在模擬B 超中,動(dòng)態(tài)濾波電路的實(shí)現(xiàn)一般是利用變?nèi)荻O管的結(jié)電容隨其反偏電壓的增大而減小,從而改變了選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率。這種方法雖然比3期周盛等:全數(shù)字B超動(dòng)態(tài)濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)較成熟簡(jiǎn)單,但選頻網(wǎng)絡(luò)的頻譜特性不精確,而且改動(dòng)麻煩,所以現(xiàn)已不被廣泛采用。在全數(shù)字B超中,動(dòng)態(tài)濾波器都是基于匹配濾波的概念來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在信號(hào)處理進(jìn)程中,匹配濾波器

5、系數(shù)隨接收深度的變化而動(dòng)態(tài)改變。數(shù)字濾波器選用具有線性相位的有限沖激響應(yīng)(finite impulse response,FIR數(shù)字濾波器。而傳統(tǒng)的FIR濾波器是采用乘累加的硬件結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的濾波器需要大量的硬件資源。本研究采用全并行的分布式算法并加入多級(jí)流水線,同時(shí)使用分割表技術(shù)來(lái)減少查找表的資源占用4。由于動(dòng)態(tài)濾波器中每個(gè)濾波器的系數(shù)都不同,采用動(dòng)態(tài)查找表的方式,適時(shí)調(diào)整濾波器的輸入系數(shù)。1方法1.1動(dòng)態(tài)濾波器的設(shè)計(jì)為了獲得全探測(cè)深度內(nèi)的最佳分辨力的回聲圖像,需要設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)濾波器是一個(gè)隨著時(shí)間(深度的增加,通頻帶逐漸向下移動(dòng)的帶通濾波器組,該濾波器組由64個(gè)濾波器組成。在濾波

6、器的選擇上,采用具有線性相位的FIR型濾波器,摒棄了傳統(tǒng)的使用乘法器實(shí)現(xiàn)乘累加的硬件描述方法,而是基于分布式算法在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmablegate array,FPGA上實(shí)現(xiàn)濾波器的硬件結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)利用全數(shù)字B超系統(tǒng)的平臺(tái)實(shí)現(xiàn),采用的超聲探頭型號(hào)為C3.5-128R50S,為128陣元的凸陣探頭,中心頻率為3.5MHz,-6dB帶寬為71%。1.2濾波器系數(shù)的生成為實(shí)現(xiàn)人體超聲回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)濾波處理,將全數(shù)字B超的探測(cè)深度平均分為64段,采用64個(gè)帶通濾波器與之對(duì)應(yīng)。超聲回波信號(hào)采樣頻率為40MHz,濾波器階數(shù)為32,其他基本技術(shù)參數(shù)如下:Fc1=2.21.2i6

7、4Fc2=5.21.2i64式中:Fc1為通帶下截止頻率,Fc2為通帶上截止頻率。i的取值范圍為1 64,隨著深度的增加i增加,即i=1代表體表處,i=64代表體內(nèi)最深處。首先,在Matlab中,通過(guò)給定的濾波器階數(shù)和帶寬,利用FDATool工具5,選取Hamming窗函數(shù)來(lái)生成濾波器系數(shù)。然后利用FPGA芯片強(qiáng)大的RAM存儲(chǔ)功能6,在初始化階段,將濾波器系數(shù)量化為8位補(bǔ)碼數(shù),存儲(chǔ)到FPGA芯片的RAM中。在系統(tǒng)運(yùn)行階段,通過(guò)精確的時(shí)序控制從RAM中得到濾波器的系數(shù),并輸入到FIR型動(dòng)態(tài)濾波器的硬件實(shí)現(xiàn)部分。以第1個(gè)和第32個(gè)帶通濾波器為例,圖1中的(a和(b分別是在Matlab仿真下,獲得的

8、兩個(gè)濾波器特性圖。從圖中可以看出,隨著深度i 的增加,濾波器的頻譜逐漸向頻帶的低端移動(dòng),因此可以很好地匹配超聲回波信號(hào)的頻率成分,濾波體表部分以低頻為主的強(qiáng)回聲信號(hào)和深部以高頻為主的干擾,從而獲得全探測(cè)深度內(nèi)最佳分辨力的回聲圖像 。圖1濾波器特性圖。(a第1個(gè);(b第32個(gè)Fig.1Diagram of the filter characteristic.(athe first filter;(bthe thirty-second filter1.3動(dòng)態(tài)濾波器的結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)處理,采用全并行的分布式算法并加入了多級(jí)流水線78,同時(shí)使用分割表9技術(shù)來(lái)減少查找表的資源占用。由于動(dòng)態(tài)濾波器中每

9、個(gè)濾波器的系數(shù)都不同,采用動(dòng)態(tài)查找表的方式,來(lái)適時(shí)調(diào)整濾波器的輸入系數(shù)。根據(jù)FIR濾波器的對(duì)稱性,動(dòng)態(tài)濾波器組的每個(gè)32階濾波器均可以對(duì)折成16階線性FIR濾波器。然后根據(jù)濾波器的線性特性和分割表原理,將用來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式算法的查找表以每4個(gè)抽頭一組,分割成4個(gè)小型查找表,即4個(gè)4階FIR濾波器級(jí)聯(lián)成16階。這種級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)相對(duì)于全并行分布式算法不僅加快了查表速度,還成倍地節(jié)約了資源,很容易實(shí)現(xiàn)更高階擴(kuò)展,同時(shí)濾波器的系數(shù)還可以適時(shí)調(diào)整。算法實(shí)現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)如下圖2所示。圖中LUDT為動(dòng)態(tài)查詢表(look-up dynamic table,根據(jù)系統(tǒng)的需要隨時(shí)通過(guò)C,C1,C2,C3對(duì)系數(shù)的取值進(jìn)行調(diào)整,

10、從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的自適應(yīng)調(diào)整10。圖3為在Altera公司的Quartus II開(kāi)發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)濾波器的頂層模塊圖,主要由ROM模塊、動(dòng)態(tài)濾波器模塊和輸入輸出端口組成。圖中所914中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)29卷 圖2動(dòng)態(tài)分布式算法硬件框圖Fig.2Diagram of the dynamic distributed arithmetic示的ROM 配置圖中,address 5.0是地址線,共存儲(chǔ)64組系數(shù);q 127.0是對(duì)預(yù)先存入的濾波器系數(shù)的輸出,每組共16個(gè)數(shù)據(jù),每個(gè)數(shù)據(jù)代表8位有符號(hào)系數(shù);clock 是讀數(shù)據(jù)同步時(shí)鐘。工作時(shí),系統(tǒng)利用clock 作為時(shí)鐘控制將64組濾波器系數(shù)通過(guò)q 127

11、.0輸出給動(dòng)態(tài)濾波器模塊。在具體的實(shí)現(xiàn)中,濾波器系數(shù)的值可以通過(guò)ROM 表預(yù)先定制,也可以通過(guò)人機(jī)交互的方式實(shí)時(shí)傳輸,還可以根據(jù)系統(tǒng)的輸出端的反饋?zhàn)詣?dòng)地進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整。當(dāng)采用后一種方案實(shí)現(xiàn)系數(shù)調(diào)整時(shí),就實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)濾波功能。然而采用這種方法需要實(shí)現(xiàn)FFT (快速傅立葉變換等運(yùn)算,計(jì)算量較大,而且需要較高性能的FPGA ,所以采用預(yù)先訂制的ROM 表來(lái)傳送濾波器系數(shù)。動(dòng)態(tài)濾波器模塊中,clk _40M 是數(shù)據(jù)輸入同步時(shí)鐘,reset 是復(fù)位信號(hào),x _in 12.0和y _out 12.0分別為輸入輸出數(shù)據(jù),coeff 127.0為動(dòng)態(tài)濾波器的系數(shù)輸入。在Quartus II 開(kāi)發(fā)環(huán)境下,采用V

12、HDL 語(yǔ)言對(duì)以動(dòng)態(tài)分布式算法為核心所設(shè)計(jì)的系數(shù)可編程動(dòng)態(tài)FIR 濾波器進(jìn)行描述、仿真和邏輯綜合。 圖3動(dòng)態(tài)濾波器頂層模塊圖Fig.3Diagram of the top module of the dynamic filter1.4驗(yàn)證方法為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的64組32階FIR 動(dòng)態(tài)濾波器的性能,將這個(gè)動(dòng)態(tài)濾波器邏輯下載到課題組研發(fā)的全數(shù)字B 超成像系統(tǒng)中。該系統(tǒng)由發(fā)射模塊、接收模塊、前端控制器、全數(shù)字B 型成像處理模塊和PC 組成。系統(tǒng)內(nèi)部定義了一條機(jī)器總線,所有的模塊都連在機(jī)器總線上,并通過(guò)PCI 接口與PC 交換數(shù)據(jù)(PC 將控制參數(shù)下載到各個(gè)模塊,并從B 型成像處理模塊讀取成像數(shù)據(jù)。超聲

13、前端由32個(gè)物理通道構(gòu)成,裝配了128陣元的凸陣探頭,采用40MHz 同步時(shí)鐘。分別采用常值濾波器和本研究設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)濾波器的全數(shù)字B 超成像系統(tǒng)對(duì)超聲體模(中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所制造的KS107BD (L 仿組織超聲體模進(jìn)行圖像采集,進(jìn)行對(duì)比。2結(jié)果所采集的利用不同濾波器的標(biāo)準(zhǔn)人體體模圖如圖4所示?？梢钥闯?使用常值濾波器的B 超成像系統(tǒng)在近場(chǎng)分辨率達(dá)到了要求,但在遠(yuǎn)場(chǎng)的效果較差(見(jiàn)圖4(a 。全探測(cè)深度為140mm ,小信號(hào)探測(cè)深度為100mm ,遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲較大,使得體模的深度靶點(diǎn)回波信號(hào)被噪聲掩蓋無(wú)法顯示;而使用本設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)濾波器系統(tǒng)在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)上都獲得了較好的成像效果(見(jiàn)圖4(b 。全探測(cè)深

14、度180mm ,側(cè)向分辨力4mm ,軸向分辨力1mm ,小信號(hào)探測(cè)深度為120mm ,且遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲得到了抑制。圖5為對(duì)人體肝組織的實(shí)際探測(cè)圖,近場(chǎng)背膜和遠(yuǎn)場(chǎng)膈肌清晰可見(jiàn),肝內(nèi)組織圖像細(xì)膩,血管與軟組織邊緣明顯。0243期周盛等:全數(shù)字B超動(dòng)態(tài)濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 圖4所采集利用不同濾波器的標(biāo)準(zhǔn)人體體模圖。(a 常值濾波器;(b 所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)濾波器Fig.4The B mode ultrasonic human model imagecollected by the different filters.(a the const filter ;(b the dynamicfilter 圖5人體肝組織

15、的超聲成像Fig.5The ultrasonic image of human liver3討論和結(jié)論本系統(tǒng)利用Altera 公司Cyclone 系列的EP1C12Q240C6N 型FPGA 芯片,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)FIR 型動(dòng)態(tài)濾波器。從使用該動(dòng)態(tài)濾波器的全數(shù)字B 超成像系統(tǒng)采集的圖像中可以看出,在遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)都達(dá)到了較好的分辨力和信噪比。說(shuō)明本設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)濾波器可以根據(jù)探測(cè)深度自動(dòng)選擇回聲信號(hào)中有診斷價(jià)值的頻率成分,并濾除體表以低頻為主的強(qiáng)回聲信號(hào)和遠(yuǎn)場(chǎng)以高頻為主的干擾,從而提高了近場(chǎng)分辨力和遠(yuǎn)場(chǎng)信噪比,使回聲圖像的質(zhì)量得到了改善。在本設(shè)計(jì)中,動(dòng)態(tài)濾波器中心頻率的變化函數(shù)為線性的經(jīng)驗(yàn)公式,在實(shí)際

16、回波信號(hào)中未必能很好的匹配實(shí)際回波信號(hào)的中心頻率,會(huì)導(dǎo)致超聲成像靈敏度的降低。進(jìn)一步的研究將考慮采用依據(jù)實(shí)際回波信號(hào)的頻譜特性自動(dòng)調(diào)整動(dòng)態(tài)濾波器系數(shù)的設(shè)計(jì)方法,提高信噪比,從而提高圖像的靈敏度。參考文獻(xiàn)1Quistgaard JU.Signal acquisition and processing in medicaldiagnostic ultrasound J .IEEE Signal Processing Magazine ,1997,14:6773.2馮若,劉忠齊,姚錦鐘,等.超聲診斷設(shè)備原理及設(shè)計(jì)M .北京:中國(guó)醫(yī)藥科技出版社,1991.3Christopher JH ,James

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