基于FPGA的超聲診斷儀動態(tài)濾波器的設(shè)計

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)，具有對人體無傷害、無電離輻射、使用方便、適用范圍廣、設(shè)備價格低等優(yōu)點。為了讓超聲圖像能夠更加清晰，現(xiàn)代超聲診斷儀對超聲信號進行動態(tài)濾波。動態(tài)濾波包含模擬動態(tài)濾波和數(shù)字動態(tài)濾波。模擬動態(tài)濾波器要改變器件的參數(shù)，從而達到改變通頻帶中心頻率的效果，方法簡易，效果很好。同時，控制信號是來自FPGA輸送出的數(shù)字信號，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換所得，采用FPGA實現(xiàn)控制信號，實現(xiàn)了很高的精度，達到了預(yù)想的效果。

選用cycloneⅢ EP3C16Q240C8在FPGA內(nèi)實現(xiàn)數(shù)字電路，工作頻率高，同時各個模塊并行工作，能夠很好的解決系統(tǒng)時序上的問題。

動態(tài)濾波器原理

大量的研究和試驗表明，人體組織對超聲的衰減不僅與被探測介質(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，接收回波中的頻率成分必然與距離有關(guān)。在近場，回波頻率成分主要集中在頻帶的高端，隨著探測深度的增加，回波信號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，這是因為發(fā)射的超聲脈沖向深度傳播時，其波長將增大，而孔徑大小不變。動態(tài)濾波的設(shè)計思想就是根據(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補償深度及淺部，以期得到相同的觀測頻率和分辯力；另一方面，從匹配濾波器的思想可知，當(dāng)信號的頻譜與接收機選擇性相吻合時，可得到最佳信噪比。動態(tài)濾波器就是用來自動選擇以上具有診斷價值的頻率分量，并濾除體表部分以低頻為主的強回波信號和深部以高頻為主的干擾的一個頻率選擇器。

實踐表明，使用動態(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，增加了儀器的實用性。

組成與模塊實現(xiàn)

整體框架

動態(tài)濾波器由FPGA內(nèi)部實現(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。采用離線計算的方式計算出控制信號的數(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)字控制信號輸出；輸出的數(shù)字控制信號由D/A轉(zhuǎn)換電路，形成模擬控制信號；模擬控制信號接入到濾波電路的控制端口，實現(xiàn)對濾波電路參數(shù)的控制，達到動態(tài)改變?yōu)V波電路中心頻率的目的，從而完成動態(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，具有信號幅值最大的輸出比。同時并聯(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算公式： (當(dāng)品質(zhì)因數(shù)Q很大時)。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，滿足超聲波信號頻率在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)字信號轉(zhuǎn)換為控制變?nèi)荻O管的模擬電壓信號，D/A芯片型號為DAC0800，電流輸出型。D/A輸出信號電流經(jīng)運放轉(zhuǎn)換為電壓，采用運放可以方便的對控制信號進行進一步的控制。具體電路如圖4。

圖4 變?nèi)荻O管控制信號形成電路

FPGA控制模塊

1數(shù)據(jù)模塊

FGPA的控制信號是根據(jù)變?nèi)荻O管所需反向電壓精確設(shè)計的，設(shè)計步驟如下：

1.查閱身體隨頻率和深度的衰減率，分析出每個超聲信號采樣點位置的中心頻率F（128個點）；

2..根據(jù)每個中心頻率計算出變?nèi)荻O管的電容值，；

3.根據(jù)求出的C，查變?nèi)荻O管C/V變換圖，找到對應(yīng)的電壓V，即為二極管的反向控制電壓（DF輸出）， （VY為運放的輸出）；

4．計算出V，從而推算出VY，故D/A的輸出電流， （單位為毫安）；

5．根據(jù)計算出電流大小I對照DAC0800的datasheet中的電流大小與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換對照表，查出對應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

以此類推，計算出128個點上的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，在FPGA內(nèi)做成ROM，提供給控制模塊讀出。

2控制信號產(chǎn)生模塊

FPGA的控制模塊是根據(jù)整個控制的時序，輸出數(shù)據(jù)模塊ROM里面的數(shù)據(jù)，提供給D/A轉(zhuǎn)換電路來控制變?nèi)荻O管的反相端（N）。

首先根據(jù)選取的深度點的間隔，決定控制模塊的時鐘頻率，即每個數(shù)據(jù)輸出的頻率?？刂颇K讀入數(shù)據(jù)模塊的數(shù)據(jù)，再根據(jù)控制時序，輸出數(shù)字控制信號?？刂颇K接口如表1。

表1 控制模塊接口

表2 驗證結(jié)果

系統(tǒng)功能驗證

完成了系統(tǒng)的設(shè)計后，我們進行在線系統(tǒng)功能驗證，驗證濾波器頻率的穩(wěn)定性。

以下是驗證的步驟：

1、 控制信號模塊輸出一個特定的數(shù)字D（直接在程序內(nèi)賦值），輸出就是一個特定的數(shù)；

2、 我們先測量電流轉(zhuǎn)成電壓的值V’，再測量經(jīng)運放改變后DF的輸出V，即為變?nèi)荻O管的反向電壓；

3、 然后，根據(jù)反向電壓查表得到相應(yīng)的電容值，從而計算出中心頻率F’；

4、 利用信號發(fā)生器產(chǎn)生一系列不同頻率相同幅值的信號，讓其通過并聯(lián)諧振電路，再使用示波器測量，確定哪個頻率段之間的信號通過量最大，即可以確定中心頻率在此頻帶內(nèi)。再與F’對比，看是否相符。為了盡量的縮短頻率段的范圍，在確定一個頻率段后，再在此頻率段內(nèi)分不同頻率測量，以便更精確地確定中心頻率。

經(jīng)過一系列特定數(shù)字信號的驗證，可以確信的得到并聯(lián)諧振電路中心頻率的穩(wěn)定性。現(xiàn)將其中一個特定數(shù)字的驗證結(jié)果如下：

D=120，測得電壓值V’=1.43V，V=2V，計算出中心頻率F=3.0MHz結(jié)果如表2。

實驗得出中心頻率在3.0MHz~3.2MHz之間，對比滿足要求。

結(jié)束語

采用FPGA的模擬動態(tài)濾波器，在結(jié)構(gòu)上簡易，性能上穩(wěn)定，測試和設(shè)計都十分的方便。FPGA的使用，能根據(jù)具體要求很方便的改變控制信號，同時實現(xiàn)超聲診斷儀中多個模塊并行工作，也為以后的更多模擬部分?jǐn)?shù)字化提供了基礎(chǔ)。