基于FPGA的超聲診斷儀動(dòng)態(tài)濾波器的設(shè)計(jì)

基于FPGA的超聲診斷儀動(dòng)態(tài)濾波器的設(shè)計(jì)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(wú)傷害、無(wú)電離輻射、使用方便、適用范圍廣、設(shè)備價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。為了讓超聲圖像能夠更加清晰，現(xiàn)代超聲診斷儀對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)濾波。動(dòng)態(tài)濾波包含模擬動(dòng)態(tài)濾波和數(shù)字動(dòng)態(tài)濾波。模擬動(dòng)態(tài)濾波器要改變器件的參數(shù)，從而達(dá)到改變通頻帶中心頻率的效果，方法簡(jiǎn)易，效果很好。同時(shí)，控制信號(hào)是來(lái)自FPGA輸送出的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換所得，采用FPGA實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了很高的精度，達(dá)到了預(yù)想的效果。

選用cycloneⅢEP3C16Q240C8在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路，工作頻率高，同時(shí)各個(gè)模塊并行工作，能夠很好的解決系統(tǒng)時(shí)序上的問(wèn)題。

動(dòng)態(tài)濾波器原理

大量的研究和試驗(yàn)表明，人體組織對(duì)超聲的衰減不僅與被探測(cè)介質(zhì)的深度有關(guān)，還與超聲波的頻率有關(guān)。隨著頻率的升高，介質(zhì)對(duì)超聲能量的衰減系數(shù)增大。當(dāng)所發(fā)射超聲波具有較寬的頻帶時(shí)，接收回波中的頻率成分必然與距離有關(guān)。在近場(chǎng)，回波頻率成分主要集中在頻帶的高端，隨著探測(cè)深度的增加，回波信號(hào)頻譜地中心頻率逐漸向頻帶的低端頻移（如圖1）。

圖1超聲回波頻譜隨深度變化曲線

中心頻率的下移將使橫向分辨力惡化，這是因?yàn)榘l(fā)射的超聲脈沖向深度傳播時(shí)，其波長(zhǎng)將增大，而孔徑大小不變。動(dòng)態(tài)濾波的設(shè)計(jì)思想就是根據(jù)上述因素得出的。包含兩方面含義：一方面均衡色散，也就是用均衡器或者一種逆濾波器來(lái)補(bǔ)償深度及淺部，以期得到相同的觀測(cè)頻率和分辯力；另一方面，從匹配濾波器的思想可知，當(dāng)信號(hào)的頻譜與接收機(jī)選擇性相吻合時(shí)，可得到最佳信噪比。動(dòng)態(tài)濾波器就是用來(lái)自動(dòng)選擇以上具有診斷價(jià)值的頻率分量，并濾除體表部分以低頻為主的強(qiáng)回波信號(hào)和深部以高頻為主的干擾的一個(gè)頻率選擇器。

實(shí)踐表明，使用動(dòng)態(tài)濾波器后，設(shè)備在深度的SNR及圖像可視性得到改善；而在淺部，可以保持高的觀測(cè)頻率，使分辯力及圖像細(xì)微度得到改善，最終使圖像總體質(zhì)量得到提升，增加了儀器的實(shí)用性。

組成與模塊實(shí)現(xiàn)

整體框架

動(dòng)態(tài)濾波器由FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)模塊和控制模塊、D/A轉(zhuǎn)換電路、濾波電路組成。采用離線計(jì)算的方式計(jì)算出控制信號(hào)的數(shù)據(jù)，從而做成FPGA內(nèi)部的數(shù)據(jù)模塊；經(jīng)由控制模塊，將數(shù)字控制信號(hào)輸出；輸出的數(shù)字控制信號(hào)由D/A轉(zhuǎn)換電路，形成模擬控制信號(hào)；模擬控制信號(hào)接入到濾波電路的控制端口，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波電路參數(shù)的控制，達(dá)到動(dòng)態(tài)改變?yōu)V波電路中心頻率的目的，從而完成動(dòng)態(tài)濾波。

濾波電路

濾波器電路采用并聯(lián)諧振電路，并聯(lián)諧振電路在中心頻率處，具有信號(hào)幅值最大的輸出比。同時(shí)并聯(lián)諧振電路具有很小的功率損耗，廣泛用于帶通濾波。我們采用電感加電容的并聯(lián)諧振，電感采用精度較高的鐵氧體線圈，電容采用能改變極間電容的變?nèi)荻O管（SVC321）。并聯(lián)諧振電路如圖2。

圖2并聯(lián)諧振電路并聯(lián)諧振電路的通頻帶中心頻率的計(jì)算公式：(當(dāng)品質(zhì)因數(shù)Q很大時(shí))。變?nèi)荻O管隨著反向電壓增加，其極間電容逐漸變小，在反向電壓的作用下，本電路采用的變?nèi)荻O管電容可以在15pF~470pF之間變化，隨著二極管極間電容的改變，諧振電路的中心頻率也跟著發(fā)生變化，本電路中心頻率的變化范圍在2.4M~13.9M之間，滿(mǎn)足超聲波信號(hào)頻率在3.5M左右變化的要求。變?nèi)荻O管SVC321極間電容隨反向電壓變化的變化曲線如圖3。

圖3變?nèi)荻O管電容值隨反壓變化曲線

D/A變換器

D/A變換器負(fù)責(zé)將FPGA數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制變?nèi)荻O管的模擬電壓信號(hào)，D/A芯片型號(hào)為DAC080