（控制科学与工程专业论文）基于fpga的b型超声成像系统的设计与实现.pdf

摘要 便携式b 型超声诊断仪具有无创伤、简便易行、相对价廉等优 势，在临床中越来越得到广泛的应用。它将超声波技术、微电子技术、 计算机技术、机械设计与制造及生物医学工程等技术融合在一起。开 展该课题的研究对提高临床诊断能力和促进我国医疗事业的发展具 有重要的意义。 便携式b 型超声诊断仪由人机交互系统、探头、成像系统、显 示系统构成。其基本工作过程是：首先人机交互系统接收到用户通过 键盘或鼠标发出的命令，然后成像系统根据命令控制探头发射超声波， 并对回波信号处理、合成图像，最后通过显示系统完成图像的显示。 成像系统作为便携式b 型超声诊断仪的核心对图像质量有决定 性影响，但以前研制的便携式b 型超声诊断仪的成像系统在三个方 面存在不足：第一、采用的是单片机控制步进电机，控制精度不高， 导致成像系统采样不精确；第二、采用的数字扫描变换算法太粗糙， 影响超声图像的分辨率；第三、它的c p u 多采用的是5 1 系列单片机， 测量速度太慢，同时也不便于系统升级和扩展。 针对以上不足，提出了基于f p g a 的b 型超声成像系统解决方 案，采用a l t e r a 公司的e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 芯片实现了步进电机步距角的 细分，使电机旋转更匀速，提高了采样精度；提出并采用d s t i u l a 算法( u n i f o r ml a d d e ra l g o r i t h mb a s e do r ld o u b l es a m p l ea n dt r i l i n e a r i n t e r p o t a t i o n ) 在f p g a 内实现数字扫描变换，提高了图像分辨率；人 机交互系统采用$ 3 c 2 4 1 0 a l 作为c p u ，改善了测量速度和系统的扩 展性。 通过对系统硬件电路的设计、制作，软件的编写、调试，结果表 明，本文所设计的便携式b 型超声成像系统图像分辨率高、测量速 度快、体积小、操作方便。本文所设计的便携式b 型超声诊断仪可 在野外作业和抢险( 诸如地震、抗洪) 中发挥作用，同时也可在乡村诊 所中完成对相关疾病的诊断工作。 关键词：便携式b 型超声诊断仪，成像系统，d s t i u l a ，f p g a ， e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 a b s t r a c t p o r t a b l eb - m o d eu l t r a s o n i c d i a g n o s t i ca p p a r a t u s h a sm a n y a d v a n t a g e ss u c ha sn o n i n v a s i v e ，e a s yt oo p e r a t e ，r e l a t i v e l yi n e x p e n s i v e ， i th a sb e e nu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yi nc l i n i c a l d i a g n o s i s i t i n c o r p o r a t e sm a n yi m p o r t a n ts u b j e c t s ，s u c ha su l t r a s o n i c ，m i c r o e l e c t r o n i c s ， c o m p u t e rt e c h n o l o g y , m e c h a n i c a ld e s i g n & m a n u f a c t u r e ，b i o m e d i c a l e n g i n e e r i n g ，e t c t h es i g n i f i c a n c eo ft h i sr e s e a r c hi st h a ti tc a ni m p r o v e c l i n i c a l d i a g n o s t i cc a p a b i l i t i e s a n dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fo u r n a t i o n sh e a l t hc a r e p o r t a b l eb - m o d eu l t r a s o n i cd i a g n o s t i ca p p a r a t u si sm a d eu po f f o u rp a r t s ，h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o ns y s t e m ，p r o b e s ，i m a g i n gs y s t e m a n dd i s p l a ys y s t e m s t h eb a s i cp r o c e s si s ：f i r s t l y ，h u m a n - c o m p u t e r i n t e r a c t i o ns y s t e mr e c e i v e rt h ec o m m a n d sw h i c hi ss e n db yt h ek e y b o a r d o rm o u s e ，t h e nt h ei m a g i n gs y s t e ma c c o r d i n gw i t ht h ec o m m a n d st o c o n t r o lt h ep r o b et r a n s m i t t i n gt h eu l t r a s o u n ds i g n a l ，t h ei m a g i n gs y s t e m t h e nr e c e i v e r sa n dp r o c e s s e st h eu l t r a s o n i ce c h os i g n a la n ds y n t h e t i c st h e i m a g e s ，f i n a l l y ，t h r o u g hd i s p l a ys y s t e md i s p l a yi m a g e i m a g i n gs y s t e ma sac o r ep a r tf o rt h ep o r t a b l eb m o d eu l t r a s o u n d d i a g n o s t i cw i l lh a v ead e c i s i v ei m p a c tf o rt h ei m a g eq u a l i t y b u tt h e i m a g i n gs y s t e m so ft h e p o r t a b l eb m o d eu l t r a s o u n d d i a g n o s t i c s d e v e l o p e ds e v e r a ly e a r sa g oh a v et h r e es h o r t a g e s t h ef i r s ti st h a tt h e y u s e dt h es i n g l e - c h i pt oc o n t r o lt h es t e p p e rm o t o r ，s ot h a tt h ec o n t r o l a c c u r a c i e sa r en o th i g h ，w h i c hr e s u l t e si ni n a c c u r a t es a m p l eo fi m a g e s y n t h e s i ss y s t e m ；t h es e c o n di s t h a tt h ed i g i t a ls c a nc o n v e r s i o n a l g o r i t h m sa r es or o u g ht h a tl e a dt ot h er e s o l u t i o no fu l t r a s o u n di m a g e s a r en o th i g h f i n a l l y ，i ti st h a tt h em i c r o p r o c e s s o r su s e di nt h e s es y s t e r m s m a i n l ya r e8b i tc 51s i g n l ec h i p s ，w h i c ha r en o tk e e pu pt h em e a s u r i n g s p e e da n dh a v ed i f f i c u l t yi nd e v e l o p m e n ta n de x p a n s i b i l i t y w ed e v e l o p e das o l u t i o n sf o ru l t r a s o u n di m a g i n gs y s t e mb a s e do n f p g a f i r s t l y ，w eu s e de p 2 c 5 q 2 0 8 c 8c h i po fa l t e r a st os u b d i v i s et h e s t e pa n g l eo ft h es t e p p e rm o t o r s ，s ot h a tm o r eu n if o r mm o t o rr o t a t i o nt o i m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h es a m p l i n g s e c o n d l y ，p r o p o s e da n da d o p t e d i i d s t i u l aa l g o r i t h m ( u n i f o i t f ll a d d e ra l g o r i t h mb a s e do nd o u b l e s a m p l ea n dt r i l i n e a ri n t e r p o t a t i o n ) i nt h ef p g at oa c h i e v et h ed i g i t a l s c a nc o n v e r s i o n ，w h i c hi n c r e a s e st h ei m a g er e s o l u t i o n ；f i n a l l y , w eu s e d $ 3 c 2 410 a lc h i pa st h ec p uc h i pf o rh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n s y s t e m ，w h i c hi m p r o v e st h em e a s u r e m e n ts p e e da n ds y s t e ms c a l a b i l i t y t h ea u t h o rh a sd e s i g n e da n dm a d et h eh a r d w a r ec i r c u i t so ft h e p o r t a b l eb m o d eu l t r a s o n i cd i a g n o s t i ca p p a r a t u s ，a n dw r i t t e ns o f t w a r e f r o mt h ee x p e r i m e n tr e s u l t i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h ep o r t a b l eb m o d e u l t r a s o n i cd i a g n o s t i ca p p a r a t u sd e s i g n e di nt h i sr e s e a r c h ，w h i c hh a s h i g hi m a g er e s o l u t i o n ，h i g hm e a s u r e m e n ts p e e d ，s m a l ls i z ea n de a s y o p e r a t i o n i tc a nb ep l a yar o l ei nt h ef i e l do p e r a t i o n sa n de m e r g e n c y ，s u c h a se a r t h q u a k e sa n df l o o d s ， a l s oi tc a nb eu s e dt od i a g n o s er e l a t e d d i s e a s e sa ts o m er u r a 】c l i n i c s k e yw o r d s ：p o r t a b l eb - m o d eu l t r a s o n i c d i a g n o s t i ca p p a r a t u s ， i m a g i n gs y s t e m ，d s t i u l a ，f p g a ，e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 储虢粤! 盟吼中上月坐日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ：尘丑年上月盟日 ， 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 项目研究的背景及目的意义 超声诊断( u l t r a s o n i cd i a g n o s i s ) 技术是将超声探测技术应用于人体，对人体组 织进行是否发生病变的图像诊断技术。超声具有频率高、波长短、能量集中、方 向性好、穿透能力强、安全无创等优点，在临床图像诊断中得到广泛应用【l 2 】。 2 0 世纪5 0 年代起为了获得被检对象的断层图像，开始了对b 型超声的研究 【3 】，经过半个多世纪的努力，超声技术进展极快，向高速、高清晰度和丰富的辅 助诊断功能方向发展，采用了诸如高频率、高分辨率声匹配探头、彩色血流显示、 各类腔内探头、三维重建等技术，发展了介入式超声、超声内窥镜、血管内超声、 超声c t 、三维超声、四维超声等等【4 5 】，使超声诊断实现了再次飞跃。然而b 型 超声诊断仪因结构复杂，体积庞大，供电可靠性要求高等因素的影响，一直无法 摆脱只能在医院特定房间中使用的限制。 在计算机技术、微电子技术和生物机械设计和制造以及生物医学工程技术的 进步的推动下，超声诊断仪器变得结构更为紧凑、影像更加精确，超声仪器的使 用已经渐渐摆脱了原先只能在医院中使用的限制。s o n o s i t e 公司于1 9 9 9 年率先 推出了手提式超声诊断仪。2 0 0 2 年通用健康产品公司也涉足这一领域并已经规 划好了便携式超声仪器的产品线。便携式超声仪器行业方兴未艾，在过去的两年 间发展迅速，预计其市场前景十分可观。目前主导该技术发展的公司主要是华盛 顿的s o n o s i t e 公司和坐落于密尔沃基市的通用健康产品公司，他们分别占据了 该领域4 0 的全球市场份额。 本项目将要研究的便携式b 型超声诊断仪的目标是要将当今先进的计算机 技术、微电子技术、生物机械设计和制造以及生物医学工程技术融合在一起，研 究出体积更小，操作更简单实用、携带方便和价格低廉的便携式b 型超声诊断 仪。其目的和意义有两个：第一，据通用公司的统计，2 0 0 6 年，便携式超声仪 器的市场规模是1 7 4 亿美元，比2 0 0 5 年增长7 4 ，这个数字在该公司所有超声 仪器的销售中占到十分之一。此外，2 0 0 6 年该公司的销售额约1 7 1 1 亿美元，增 长1 6 。目前的便携式超声仪器重约3 7 磅，价格在2 5 万一9 万美元。有专家 统计，2 0 0 6 年全球超声仪器的市场总值是4 0 亿美元，而新型便携式超声仪器的 份额占到了1 0 ，到2 0 1 1 年，这两个数字将变为5 0 亿美元和2 0 ，所以对便 携式b 超诊断仪器的研究具有巨大的经济意义。第二，使其在部队野外作业和 抢险( 诸如地震、抗洪) 中发挥作用，s o n o s i t e 公司的便携式超声技术还在美国对 硕士学位论文第一章绪论 阿富汗和伊拉克战争中，以及卡特里娜飓风灾害后的搜救工作中使用，目前我国 医疗体制改革的方向是建立和完善农村医疗合作体制，农村农民普遍存在就医难 的问题，中国超声市场一直受西门子、飞利浦、g e 和日立等公司垄蝌6 1 ，由于 价格昂贵，在乡镇卫生所一级的普及一直很难，所以研究便携式b 型超声诊断 仪器不仅具有巨大的经济意义，同时也具有重大的社会意义。 1 2 医用超声诊断仪在国外的发展现状 1 8 8 0 年压电效应的发现，为法国物理学家朗之万( p l o n g e v i n ) 于1 9 1 7 年建立 超声探测方法奠定了基础。1 9 4 5 年a f i r e s t o n e 据此制成a 型脉冲超声检测仪， 并于1 9 4 9 年成功地用于颅脑的检查，从此开创了超声诊断的历史。5 0 年代起为 了获得被检对象的断层图像，开始了对b 型超声的研究，成功获得了乳腺病变、 眼病变、继发性肝病变、盆腔病变的超声切面图像。6 0 年代以后，数字图像处 理技术开始应用于超声领域。7 0 年代以后，由于采用电子计算机技术、灰度显 示和实时成像方法，超声图像质量得到明显改善和提高，使超声诊断有了很大的 提高【7 】。1 9 7 4 年，第一台带有数字扫描变换器( d s c ) 的b 超仪的问世，被认为是 超声技术向数字化迈出的重要一步。1 9 8 8 年，美国a t l 公司推出全世界第一款 全数字化超声诊断设备，从此超声技术的发展进入了全数字化时代，性能与模拟 系统相比有了质的飞跃。进入9 0 年代以来，在计算机技术、微电子技术和更先 进的数字信息处理技术高速发展的推动下，特别是d s p 技术和f p g a 技术的快 速发展，超声诊断仪器经历了两个里程碑式的发展，即d s c ( 数字扫描变换器) 和数字波束形成技术。综合起来目前b 超影像设备有如下几个发展方向： 1 2 1 全数字化超声波诊断技术 该技术是指超声的发射和接收采用了数字波束形成技术，其核心是数字波束 形成器。它在发射时分段聚焦在接受时逐点聚焦，更好的反映组织特性并提高分 辨率。同时采用动态聚焦和动态变迹，更好的提升主瓣压制旁瓣。信号在前级直 接经a d 变为数字信号，整个信号处理全部采取数字信号处理方法【引。运用最先 进的大规模可编程芯片技术以及适当结合d s p 技术( 根据算法需要) 完成超声实 时信号处理。全数字技术提高了图像的质量，使超声成像系统具有更高的可靠性 和稳定性。另外，应用大规模集成电路将一些功能模块化，整台仪器可简化到几 块电路块，可减少体积，更便携，更利于维修。 1 2 2 成像技术丰富化 目前主要的成像技术有三维四维超声成像技术、扩展视野超声成像技术、宽 频带成像技术、彩色多普勒血流成像技术。 2 硕士学位论文第一章绪论 a ) - - 维四维超声成像技术 自8 0 年代后期开始，由于计算机技术的飞速发展，使得三维超声成像技术 得到了实现，三维超声成像目前有3 种成像模式，即表面成像、透明成像及多平 面成像( 或称断面成像) 。三维超声成像的基本步骤是利用二维超声成像的探头， 按一定的空间顺序采集一系列的二维图像存入二维重建工作站中，计算机对按照 某一规律采集的二维图像进行空间定位，并对按照某一规律采集的空隙进行像素 插值平滑，形成一个三维立体数据库( 即图像的后处理) ，然后勾划出感兴趣的区 域r o i ( r e g i o no f i n t e r e s t ) ，通过计算机进行三维重建，将重建好的三维图像在计 算机屏幕上显示出来，图像具有更高的空间分辨率，所含的信息量大，对组织结 构的分辨力更强更直观【9 。15 1 。在三维b 超的基础上，近年西门子、飞利浦g e 麦 迪逊等公司陆续推出了四维b 超。 b ) 扩展视野超声成像技术 一般常规实时超声只能为临床提供视野很小的超声扫描图像。因此，它限制 了我们对机体许多部位和器官病变进行较大范围的断层扫描观察( 如c t ，m r i ) ， 也不利于临床医师对图像的理解和不同影像方法的对应比较。2 0 世纪9 0 年代末， 扩展视野超声成像技术( e x t e n d e df i e l do f v i e wu l t r a s o u n di m a g i n g ) 取得了突破，并 成功的应用于临床。这项技术被誉为超声c t 和全景超声。他利用移动探头在磁 场三维空间中的变化和高度灵敏而精确的定位术，使我们在应用时不仅可以获得 不易失真的宽视野图像，而且会感到十分方便和快捷【1 6 , 1 7 1 。 c ) 宽频带成像技术 该技术采用具有宽带特性的探头和系统接收通道，可采集到完整的超声回 波。典型的应用例子就是谐波成像，谐波成像利用较低的频率进行发射，而利用 较高的谐波频率进行接收成像，以获取较高的系统分辨率，并有效去除杂波【1 8 】。 d ) 彩色多普勒血流成像技术 其发展是利用回波信号的频移而获取血流的运动信息，使超声诊断水平得以 大幅提高，被认为是超声诊断技术的最大突破。彩色多普勒显示机体的血流，二 维和三维超声成像显示机体的解剖结构，二者的结合提供了完整的机体解剖信 息。由于彩色多普勒不需要方向分离和频域解调等处理，可降低检测阈值，便于 显示小血管中的低速血流，并区分流向和流速【1 9 。2 3 1 。 1 2 3 小型化 随着科技的进步，特别是微电子技术的发展，b 型超声诊断仪在功能和质量 不断得到增加和提升的同时，体积也在不断的减小。尤其是近年来超大规模的 f p g a 的出现，b 型超声诊断仪的体积大大的减小，便携式b 型超声诊断仪器 的出现成为可能。s o n o s i t e 公司于1 9 9 9 年率先推出了手提式超声诊断仪【2 4 】。 巫堂笪丝塞墨二茎堑丝 1 3 医用超声诊断仪在国内的发展现状 超声诊断技术在我国开始于1 9 5 8 年，首先在上海用于临床瞄】，6 0 年代初， 上海、武汉等地丌始大规模生产a 型超声诊断仪，并在全国范围内迅速推广。 7 0 年代，在上海、西安、武汉、汕头、绵阳、北京等地，相继研制和生产出m 型超声诊断仪、连续多谱勒超声诊断仪、电子线阵式、相控阵式及机械扇扫式b 型超声诊断仪等多种设备。我国目前从事超声诊断开发和生产的企业有数十家， 在该领域处于领先地位的有深圳的迈瑞和安科。近两三年来在中低端市场上，深 圳的威尔德和蓝韵做的有声有色的。 目前国内b 超产品市场销售总额约为2 0 亿元( 2 0 0 4 年数据) 。巨大的市场潜 力在国际上产生了巨大的吸引力。并且随着中国经济的发展和人们对健康要求的 逐步提高，以及数字化超声仪的优良特性，国内对数字化超声仪器的需求会越来 越大。但是由于超声图像的数掘处理量非常大，通用芯片根本不能满足要求，因 此，业界通用的做法是研制专用的a s i c 芯片，芯片研发投入与制造成本非常高， 世界上仅有少数几个厂家拥有该技术。所以由于技术和成本门槛都非常高，国内 数字化超声仪的市场大部分被国外的g e 、西门子、飞利浦、日立、阿洛卡( 图 1 - 1 为阿洛卡s s 2 9 0 便携式b 超诊断仪) 等大公司占领，国内仅有清华天惠华、 深圳安科、迈瑞和蓝韵( 图1 2 为蓝韵c 2 0 便携式b 超诊断仪) 等几个公司推出了 数字超声系统，大多数中小型的b 超厂家还很少有能力涉足。 出i i 阿洛卡s s 2 9 0凹1 - 2 蓝韵c 2 0 1 4 课题来源 本课题来源于我所在实验室和深圳奥力捷医疗器械股份有限公司合作开发 的一款便携式b 型超声诊断仪。 硕士学位论文 第一章绪论 1 5 本文的研究方向及内容 以上是对国内外b 型超声诊断仪的研究现状进行的详细介绍，在该项目中 本人主要负责三方面的研究工作： ( 1 ) b 型超声成像系统硬件的设计。在该部分中，我的任务是负责整个超声 成像系统硬件的设计，主要有电源模块、步进电机的驱动电路、发射接收电路、 放大电路、时间增益补偿电路、动态滤波电路、对数压缩电路、检波和a d 采 样电路、图像存储器、与f p g a 相关的电路以及显示驱动电路等。 ( 2 ) b 型超声成像系统数字部分的设计。在该部分中，我的任务是在 q u a t u s l l 7 0 平台上运用v h d l 语言对f p g a 进行编程，包括通信及时序控制、 图像的前端处理、数字扫描变换器( d s c ) 、图像后端处理、字符形成和测量及显 示驱动程序的编写，还有f p g a 的配置和系统的调试工作。 ( 3 ) 数字扫描变换算法的研究。在该部分中分析和总结了目前常用的n n i a 算法、r t h e t a 算法以及u l a 算法的优缺点，针对以上三种算法的不足之处，在 u l a 算法的基础上，提出了一种改进的u l a 的算法即基于双倍采样三线性插值 的均匀梯形算法( u n i f o r ml a d d e ra l g o r i t h mb a s e do nd o u b l es a m p l ea n dt r i l i n e a r i n t e r p o t a t i o n ) 简称d s t i u l a 算法。介绍了d s t i u l a 算法的原理、实现步骤及 方法，并在设计的b 型超声成像系统中应用了该算法来实现数字扫描变换，结 果证明该算法对b 型超声图像质量有较大的改善作用。 论文各章节内容安排如下： 第一章详细阐述便携式b 型超声诊断仪的研究背景、目的及意义，并介绍 国内外的研究现状，最后介绍了自己要完成的内容、各章主要内容及创新之处。 第二章介绍超声成像原理及整个系统的总体设计。 第三章详细的介绍b 型超声成像系统模拟电路部分的设计。 第四章介绍b 型超声成像系统常用的几种数字扫描变换算法，并详细论述 了d s t i u l a 算法的原理、实现步骤及方法；最后介绍了f p g a 理论，主要有 f p g a 原理、开发流程、芯片的选择原则、e d a 工具以及开发语言的选取。 第五章详细介绍b 型超声成像系统数字部分在f p g a 中的实现细节，主要 有通信和时序控制、数字扫描变换算法d s t i u l a 在f p g a 内的实现、字符形 成和测量、显示控制。涉及到的重要知识点有平均频率合成技术及有限状态机。 第六章主要介绍b 型超声诊断仪的模拟部分、数字部分及软件部分的调试 和测试。 第七章为对本文的总结和对以后工作的展望。 硕士学位论文 第一章绪论 1 6 本文的主要创新之处 对于以前研制的便携式超声成像系统不足之处主要有： ( 1 ) 对探头步进电机的控制采用的是单片机，步距角细分不方便，控制精度 不高，影响探头发射导致图像质量不高。 ( 2 ) 采用的数字扫描变换技术算法过于简单，对图像质量的改善不大。 ( 3 ) 支持用户接口的c p u 多是5 l 系列的单片机，测量速度不能满足要求， 而且不支持操作系统，使用户接口不友好，不便于扩张升级。 ( 4 ) 数据处理部分用的f p g a 速度和容量都太小，不便于实现较复杂的数字 扫描变换算法。 ( 5 ) 显示屏采用的是模拟屏幕，影响图像质量。 针对这几方面的不足，我们提出了以下改进方案： ( 1 ) 探头步进电机的控制采用了f p g a 控制，可以对步进电机的步进转角进 行任意细分，实现步进转角的精确控制，使发射角度控制精确，有助于改善图像 质量。 ( 2 ) 提出并采用了基于双倍采样三线性插值的均匀梯形算法( u n i f o r ml a d d e r a l g o r i t h mb a s e do nd o u b l es a m p l ea n dt r i l i n e a ri n t e r p o t a t i o n ) 简称d s t i u l a 算 法，通过双倍采样提高了图像原始数据量，并采用三线性插值的原则，使每个插 值点与周围6 个原始的采样点有关，可以较大的改善图像质量。 ( 3 ) 采用了三星公司a r m 9 系列的$ 3 c 2 4 1 0 a l 2 0 作c p u ，极大的提高了测 量速度，同时把l i n u x 操作系统移植到s 3 c 2 4 10 a l 2 0 上使操作界面更加友好。 ( 4 ) 采用的f p g a 芯片是e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 ，这是a l t e r a 新款c y c l o n ei i 系列的 f p g a 芯片，具有更低的成本、更大的容量和更多特殊性能的特性。其中丰富的 乘法器资源可以支持较复杂的数字扫描变换算法。 ( 5 ) 本课题采用的液晶屏型号是l b 0 6 4 v 0 2 - a 1 ，它是p h i l i p s 公司开发的一 款6 4 寸t f t o l c d ，图像显示比模拟屏清晰。 1 7 小结 本章首先对项目研究的目的和意义进行了阐述，接着对b 型超声诊断仪在 国内外的发展现状进行了归纳总结，然后对课题来源做了简单的介绍，最后给出 了论文的主要研究内容、各章节的安排以及本文的主要创新之处。 6 硕士学位论文第二章超声成像原理及系统的总体设计 2 1 引言 第二章超声成像原理及系统的总体设计 目前使用的超声诊断设备有工业超声仪器和临床的超声诊断仪等，他们的基 本结构都是由人机交互系统、探头、成像系统、显示系统等几大部分构成，而工 作原理的差异主要存在于超声扫描制式上。其中b 型超声诊断仪能够直观的显 示人体组织或器官的二维超声剖面图，因而能提供大量的临床诊断信息，具有很 高的诊断价值，受到医学界的高度重视和普遍接受，应用极为广泛。 2 2 超声波的产生原理及相关物理量 弹性媒介中传播的应力、质点位移、质点速度等量的变化称为声波，声波是 一种机械波。一般人耳对声波的听觉频率范围大约是2 0 h z 至2 m h z ，习惯上我 们把低于该频率范围的叫次声波，而高于该范围的叫超声波，医学临床诊断用的 超声设备的频率范围是2 m h z 至1 0 m h z e 2 6 】。 2 2 1 超声波产生的原理 有些具有特殊性能的天然或人工晶体( 如石英、锆钛酸铅等) ，当在其一定方 向上施加压力时，晶体的两侧面表面上出现相反的电荷。反之，如将此晶体放置 于交变电场中，并使电场方向与晶体压电轴的方向一致，晶体则出现强烈的压缩 与舒张。这种压力与电荷相互转换的物理现象称为压电效应。前者由压力产生电 荷，即由机械能变成电能的过程称为正压电效应( 如图2 1 a 所示) ，后者由电荷产 生压力，即由电能转变成机械能的过程称为逆压电效应( 如图2 1 b 所示) 。具有此 种物理特性的晶体称为压电晶体或称为换能器。声波的发射和接收正是依据晶体 的压电效应原理完成的。 图2 1 a 正压电效应 7 电 场 图2 1 b 逆压电效应 硕士学位论文 第二章超声成像原理及系统的总体设计 2 2 2 超声波的物理量 波长：是指在一个振动周期内波动传播的距离； 频率：即一秒内声源振动的次数，以赫兹作为单位，常用单位有h z ，k h z ， m h z 周期：是声波向移动方向传播一个波长所需的时间； 声速：表示超声波在某介质中传播的速度，即一秒钟传播的距离，单位为米 秒( m s ) ，超声波在人体各组织中传播的速度稍有差别，一般是1 5 4 0 m s 。 波长( 九) ，声速( c ) ，频率，周期( d 它们之间的关系如下： c = , t f( 2 1 ) 即 f：_c(2-2) 频率与周期( d 互为倒数关系，即 =i1(2-3) 2 3 超声设备的诊断成像原理 当超声波传入生物组织器官时，由于这些生物组织器官具有不同密度、不同 声速等理化特性，它们对外来的超声波能量将产生反射、透射或折射、散射、衰 减和非线性参量等效应，运动组织还将产生多普勒效应。对这些信息作提取、分 析或显示就可察知生物组织的内在特性。因此，我们可以利用超声波来传递生物 内部信息，充当信使作用，从而达到无创伤诊断的目的。这就是超声成像得以实 现的物理学基础【2 7 】。 超声成像系统按照显示方式的不同大致可以分a 型、b 型、m 型等几种， 下面我将简要介绍一下a 型和m 型，重点介绍一下b 型的： a 型超声诊断仪采用振幅调制型，即将回波以波的形式显示出来，单条的声 束在传播途径中遇到各个不同声介质界面产生一系列的散射和反射回声，在示波 屏的时间轴上以振幅的高低显示表达。示波屏的x 轴从左向右代表回波时间的 先后顺序，由于人体组织的深度与时间是成正比的，所以也代表人体组织的深度， 而y 轴从基线向上代表振幅的大小。a 型仪器是单声束取样分析法，它不能形 成直观的图形，另外，a 型仪器在示波屏上所显波形的振幅因受非线性放大器和 对数压缩的影响，它不与真正的回波振幅成正比关系( 甚至相差很大) ，所以目前 已经被淘汰了。 硕士学位论文 第二章超声成像原理及系统的总体设计 b 型超声诊断仪采用亮度调匍j ( b r i g h t n e s sm o d u l a t i o n ) 方式来显示超声回波 信号的强弱。亮度调制也叫辉度调制，它一般采用接收脉冲回波的工作方式。先 有探头震激出一脉冲波，当超声波在传播时遇到组织界面时会产生反射和散射回 波，此回波的强弱反映了组织的不同声阻抗特性。通过接收和处理这些载有信息 的回波，就可以获得人体组织结构的可见图形。b 超的亮度调制方式是对超声回 波进行二维的灰阶显示，在x y 平面上，x 轴表示的是声束扫描的方向，y 轴表 示超声波传入人体内的时间( 即深度) ，而其不同的亮度则对应空间点上的不同组 织的声阻抗系数。如声阻抗大的组织和结石等物质，其反射系数也大，所以b 超图像上的光点亮度也高。 b 超仪的接收放大通道中使用对数放大器，因此调亮所用的回波幅度信号已 经经过对数压缩处理，于是显示出来的二维黑白图像具有很大的动态范围。由于 b 超图像所能显示的组织界面及组织内部不均匀的反射系数的变化范围很大，加 上二维截面声像图的解剖学特性，使得b 型图像具有很高的诊断价值。目前， 此类设备已经广泛使用于各类大小医院中。 m 型是活动显示型( t i m e m o t i o n m o d e ) ，此法是在亮度调制中加入一个慢扫 查锯齿波，从而使回波光点自左至右自动扫查，显示的横坐标x 为慢扫查时间， 而纵坐标y 为声波传播时间，也对应人体组织的深度。m 型可获得距离时间曲 线，主要用于活动性的器官诊断，诸如心脏病、胎动及心律等，自从扇形扫查出 现后，m 型的就居于次要地位了，常在扇扫实时心脏成像中，调节m 型取样线， 作选定心脏或瓣膜结构在时相上的细致分析。m 型可丰富和完善扇扫的图像诊 断，事实上，目前的扇扫b 型超声诊断仪器中一般都配有m 型成像方式。 2 4b 型超声诊断仪的性能指标 一般我们采用纵向分辩力、横向分辩力、对比分辩力和信号动态范围四个性 能指标来衡量一台b 超仪器的好坏【2 引。 2 4 1 纵向分辩力 纵向分辩力也称轴向分辩力( a x i a lr e s o l u t i o n ) 或距离分辩力，它是沿超声波 束轴线方向上可区分的两个点目标间的最小距离。纵向分辩力主要取决于系统的 冲激响应速度( 时域分析) 或系统的通带宽度( 频域分析) 。因此我们可以把超声换 能器的响应( 包括发射和接收两个过程) 及接收放大通道的响应看作是决定纵向 分辩力的主要因素。另外，由于人体软组织对超声波传播时的衰减系数近似与频 率成正比，所以接收回波信号的频带比发射信号的频带窄，同时有频谱下移的现 象，这就使设备的远场分辩力劣于近场分辩力。现代电子技术可以把接收放大通 道的带宽作得很宽，因此设备的主要带限部件是超声换能器。目前制作宽频带和 9 硕士学位论文 第二章超声成像原理及系统的总体设计 超宽频带换能器是提高纵向分辩力的重要措施。 2 4 2 横向分辩力 横向分辩力也称为侧向分辩力( l a t e r a lr e s o l u t i o n ) ，它是在超声扫查平面内沿 着与超声波束垂直的方向上可区分的两个点目标的最小距离。横向分辩力与超声 波束的有效宽度成正比，因此采用聚焦技术可以大大提高横向分辩力。如果要在 整个视场内均有良好的横向分辩力，必须采用动态聚焦或跟踪式动态聚焦。脉冲 发射系统不能直接借用光学连续波成像系统的横向分辩力计算结果，脉冲工作条 件下的聚焦效果远没有连续波工作时那样好。 2 4 3 对比分辩力 在超声图像中，对比分辩力是区分由不同的回波幅度所指示的灰度浓淡能 力。它在诊断血管中有无血栓，心肌的组织性状及肿瘤的良性鉴别等方面具有重 要意义。提高对比分辩力的主要途径在于电路技术、成像方法及数字信号处理技 术等方面的改进。在通常的b 超仪中，只是利用回波幅度来成像，而且是回波 信号( 实信号) 包络的检波输出，其中丢弃了回波包络信号的相位信息及回波信号 中的频谱信息。采用宽带数字波束形成技术可以获得高清晰图像，它可捕捉到从 组织反射回来的完整频谱，从而能够采用先进的计算机技术，将可资利用的附加 的组织信息利用起来，增强图像的对比分辩力。 2 4 4 信号动态范围 信号动态范围定义可由式( 2 - 4 ) 表示，它描述了信号幅度变化的大小。 d r = 2 0 l o g 等 ( 2 _ 4 ) 式( 2 - 4 ) 0d r 为动态范围；u 。戤为信号最大值；u i n 为信号最小值。 b 超的信号动态范围由两大因素决定：一是探测深度范围内的超声传播衰 减；另一个是设备所能显示的反射及散射系数范围，它主要由设备的干扰与噪声 电平决定。眼部、心脏和腹部的可探测信号动态范围大概分别为4 0 d b 、1 0 0 d b 和1 2 0 d b 左右。其中由声界面反射特性差异产生的动态范围为3 0 d b 左右，其余 由传播衰减所提供。 2 4 5 工作频率和带宽 b 超的工作频率是指换能器与系统连接后所辐射的实际超声频率。由于采用 脉冲波震激方式，所以实际是指发射超声信号的载波频率，它主要由换能器决定。 由于换能器在制作时要加上匹配层、吸声背衬等负载做匹配，所以实际的谐振频 l o 硕士学位论文第二章超声成像原理及系统的总体设计 率将低于标称频率。由于人体软组织对超声能量的衰减与频率成正比，而横向分 辨率与频率也成正比。所以为了获得一定的探测深度指标，工作频率不能选得太 高。而对于象眼科这样的小器官，则采用较高的工作频率。对发射脉冲信号或全 反射面反射的回波信号作频谱分析，取一3 d b 功率点之间的频率范围称为工作频 带带宽，简称带宽，用甑扭表示。奶扭大小决定着设备的纵向分辨力，因此它 一个重要参数，定义为： 鹭=( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中v 为相对带宽，其值决定于换能器的相对q 值，它是衡量换能 器制作工艺的一个重要参数。在一定的厂值下，厶越大，劬柏就越大，所以用 高频探头往往能得到高分辩力。 2 5b 型超声诊断仪的总体设计 本课题研究的b 型超声诊断仪由以a r m 9 为核心的人机交互系统、探头及 模拟电路、以f p g a 为核心超声成像数字系统、显示系统四大部分组成，其中后 三个部分组成超声成像系统。b 型超声诊断仪的总体设计框图如图2 2 所示。 图2 - 2b 型超声诊断仪的总体设计框图 a r m 与f p g a 各有各的优缺点，它们在设计上并不矛盾，具有很强的互补 性，采用a r m + f p g a 的综合设计方案，是一种非常好的设计选择。a r m 与f p g a 综合设计成本不高，但却可以获得强大的功能。 监厶 硕士学位论文第二章超声成像原理及系统的总体设计 本设计中我们首先利用了a r m 9 可以实现l i n u x 操作系统的移植，这样有 助于改善人机交互系统部分的友好性，同时对于a r m 9 的编程也是模块化的， 使软件设计更容易，有助于缩短开发周期。而f p g a 内具有一定量的嵌入式乘法 器，在数字处理方面能力更强大，可以实现较复杂的数字扫描变换算法。系统采 用采用a r m + f p g a 的综合设计方案可以使整个系统变得功能分明、结构简凑、 时序容易控制，这是单独采用a r m 或f p g a 难以达到的。 2 6 人机交互系统 人机交互系统是本课题研究的超声诊断仪的重要组成部分之一，该部分主要 负责整个系统的人机交互操作，包括键盘和鼠标选择合适的g u i 软件完成字符 区的设计、测量和用户交互界面，然后把控制信息发给f p g a 处理。同时它还对 探头参数进行控制并存入字符区，负责给f p g a 发送信息保存图像等工作。 对于人机交互系统的核心是处理器c p u ，因为它直接决定了能否完成系统 的要求，我们选择了目前市场上用的最广泛的三款a r m 处理器，分别是a r m 7 系列的$ 3 c 4 4 8 0 、a r m 9 系列的$ 3 c 2 4 1 0 a l 2 0 和$ 3 c 2 4 4 0 a l 4 0 2 乳”】。它们都 是a r m 公司推出的3 2 位嵌入式r i s c ( 精简指令集) 微处理器解决方案，三个方