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)，具有對人體無傷害、無電離輻射、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)代超聲診斷儀對超聲信號進(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，方法簡易，效果很好。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)控制信號，實(shí)現(xiàn)了很高的精度，達(dá)到了預(yù)想的效果。

選用cycloneⅢ EP3C16Q240C8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(shí)，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?yàn)榘l(fā)射的超聲脈沖向深度傳播時(shí)，其波長將增大，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補(bǔ)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(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(shí)現(xiàn)對濾波電路參數(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(yùn)放轉(zhuǎn)換為電壓，采用運(yùn)放可以方便的對控制信號進(jìn)行進(jìn)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(jì)的，設(shè)計(jì)步驟如下：

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

2..根據(jù)每個(gè)中心頻率計(jì)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(yùn)放的輸出）；

4．計(jì)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(jì)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(jì)算出128個(gè)點(diǎn)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(gè)控制的時(shí)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(diǎn)的間隔，決定控制模塊的時(shí)鐘頻率，即每個(gè)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(shí)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(yàn)證結(jié)果

系統(tǒng)功能驗(yàn)證

完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，我們進(jìn)行在線系統(tǒng)功能驗(yàn)證，驗(yàn)證濾波器頻率的穩(wěn)定性。

以下是驗(yàn)證的步驟：

1、 控制信號模塊輸出一個(gè)特定的數(shù)字D（直接在程序內(nèi)賦值），輸出就是一個(gè)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(yùn)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(jì)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(gè)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(gè)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(yàn)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(gè)特定數(shù)字的驗(yàn)證結(jié)果如下：

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

實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(jì)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(shí)實(shí)現(xiàn)超聲診斷儀中多個(gè)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)。