（生物医学工程专业论文）全数字b超诊断仪中数字信号处理的fpga设计与实现.pdf

浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h eu l t r a s o n o g r a p h y d i a g n o s i st e c h n o l o g y i s s a f c ，c o n v e n i e n t ，h u r t l e s s ， a n d i n e x p e n s i v e ；a n di 蟾s u p e r i o r i t ya l s 0c o n s i s t si ns e l e c t i n gm u l t i p l i c i t yd i a m o s i s p a r 锄e t e ra n dr e a l i z i n gn e x i b i l i t y i l lt h ep r o i e c t t h en e wg e n e r a t i o n d i g i t a l b u l t m s o o g r a p h ye q u i p m e n tb a s e do ne m b e d d e da r m 9 f p o ah a f d w a r ep l a t f o 皿 a n de m b e d d e dl i n u xo 口e r a t i n gs v s t e m t 1 l ee q u i p m e n th 船t l l eb a s i cf u n c t i o no f e x i s t i n gb l a c ka n dw h i t eb - u l t f a s o n o 耵a p h ve q u j p m e n t ： c a c a r r vo nn i m b l e u l t r a s o n i cd a t ap r o c e s s i ng t h u sc a u s e st h eo p e r a t i o nt ob em o r ec o n v e n i e n ta n d f h r h e re n h a n c e st h ei m a e i n gq u a l i ty a l lo ft h e s e b u i l dt l l ef b u n d a t i o no f l o n g d i s t a n c em e d i c a ls e j c e ，s oi tw i l ld e v e l o pr a p i d l yi nt h ef i i t u r em a r k e t t h e d i 舀t a lb - u l t r a s o n o 掣a p h ye q u i p m e n t sb a s i ct e c h n i c a lc h a r a c t e f i s t j ci sr e a i i z i n gt l l e e x t r e m e l yh u g eu l t r a s o n i cd a t ar e a l t i m ep r o c e s s i n gw i t ht h ed i 西t a lh a f d w a r ee l e c t r i c c i r c u i ta n di t sf c a l i z a t i o nr e l i e sh e a v i l vo nt h ef p g at e c h n 0 1 0 9 y n o wf p g ah a s a k c a d yb e e nu s e di nm a n yk i n d so fd i g i t a ls i 印a lp r o c c s s i n g s p ) a p p l i c a t i o n s o l u t i o n s t h eh a r d w a r ea ds o f t w a r ed e s i g n e rc a nu s et l l ep r 0 2 r 锄m a b i el o 西ct o d e v e l o pe a c hk i i i do fd s pa 卯l i c a t i o ns o l u t i o n t h ep m 掣啦m a b ks o l u t i o nc a na d a p t m ef a s tc h a n g i n gs t a n d a r d ，a g r c e m e n ta n dp e r f b 肌a n c ed e m 卸dw e l l - a l o n gw i t ht h e a p p e a r a n c eo fn e wf p g as y s t e m ，d s pi pc o f e s 蛐dt h ei l l c r e a s i n go fd e v e l o p i n gt o o l s ， m o r cu s e f sw 谢d e s i 罂md s pa p p l i c a t i o nw i t i lp l d c o m p a r c dw i t hm a n yl l i 曲 p e r f o h n a n c ed s pp r o c e s s o r s ，f p g ah a st h ei n t e 簿a t c ds u p e r i o f i t ya n dt h el o w e f s y s t e mc o s t 1 1 l i sm e s i so b t a i n sf 如mt h eu l t r a s o n o g m p h yd i a 印吣i s 删n c i p l e 粕dt h ed e s i 班o f d i 舀t a lb u l t m s o n o g m p h ye q u i p m e n t ；d e s c r i b e st h eu l 咖s o n i cd a t ap m c e s s i n g s u b m o d u l e se m p h a t j c a n y ；m 直k e ss i m p l ei n t m d u c t i o no fc h 盯a c t e f i s t i cd s p p f o c e 鼯i n gm e t h o d ，t l l eu i l i q u ef 醯t u f eo fp m g 咖m a b l el o g i c a lc o m p o n e n t ，t h e p m g r a m m i n gp r i n c i p l ea n dt h ed e s i 鲈n o w - o nt l l i sf o 帅d a t i o n ，i tf i r s tw o r k so v e rt h e d i s l r i b u t e da l g o r i t l l i n ，ek i n do fd s pa 1 9 0 m mw h i c hi ss u i t c di nt h ef p g a c o m p o n e n ts t 加c t u r e 柚dp e 由珊柚c ec h 啪c t c r i s t i c ；t h 锄印p l i c si ti nd c s i 酽i i i gf i r f i l t e r so f d i g i t a lb - u l 仃a s m l o 皇9 n a p h ye q u i p m e n t ss i 印a lp r o c c 鹦i l l gs u b - m o d u l e n e x ti t d i s c u s s e st h ec o r d i ca l 留0 r i t h mw h i c hc a nt 珀血s f o 曲m a n yc o m p l e xo p e 朋瞳i o n f i l nc t ：【o 璐t o s i m p l ea d d i t i o 璐 o r r e p l a c c m e n to p e m t i o n sf o r t h es a k eo f i m p l e m e t a t i i nh 曲a r e ；t h e na p p i i e si t i nt h er e c t 柚g u l a rc o o f d i n a t e s p o l 盯 c o o r d i n a t ct r a n s f o m a t i o no f s c m n j m gt f a l l s f o m l a t i o ns u b m o d u l e f i n a l l y i t i n t m d u c e dt l l es o p ch a r d w a r ed e s i 鲫m e t h o du s i n g j u t e r a 球m e g a c o r e k e yw o i l d s ：b - u l 协觞o n o 卿h y d s p f p g a ， c o r d i c 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 超声诊断具有安全、方便、无损、廉价等优点【3 | o 数十年的临床实践及大量 的实验动物研究、流行病学研究表明，诊断剂量的超声波，除对早期胚胎尚待进 一步研究之外，对一切其他器官的诊断应用，应该是安全的。与其他物理方法， 如激光、x 射线相比，超声波的波长与生物组织细胞及小器官大小相当，故超声 波与组织的相互作用主要是发生在细胞级水平上，细胞是体现组织特性的基本单 位，因此超声波与生物组织的相互作用信息，要比x 射线等丰富得多，其临床 应用价值也大得多。 超声诊断技术的优越性还在于它选用诊断参数的多样性及其在工程上实现 的灵活性。就目前已应用( 或试用) 于临床的超声诊断技术，已有波形法、二维 图像法、多普勒法、全息法、c t 法及三维成像法。尚在研究之中的，则有非线 性参数成像、背向散射回波谱分析特征参数的提取、低频振荡法、表面波成像及 血流矢量成像等等，为超声诊断技术展示出十分广阔与五彩斑媲的发展远景i _ 1 。 超声诊断技术在我国始于1 9 5 8 年，首先在上海用于l 临床【4 】。6 0 年代初，上 海、武汉等地开始批量生产a 型超声诊断仪，并在全国范围内迅速推广；7 0 年 代相继研制和生产出m 型超声诊断仪、连续多普勒超声诊断仪、电子线阵式、 相控阵式及机械扇型扫描式b 超等多种诊断设备。近1 0 年来，在改革开放与引 进国外先进技术的形势下，我国的超声诊断设备生产水平取得了很大进步。目前 我国己拥有各种档次的超声诊断设备，但其中有大部分依赖进口【4 】。而且传统的 模拟b 超诊断仪存在着成像分辨力不高，图像不易保存等缺点。有时为了确诊 往往需要用摄像机或其他手段将所成的像摄下来再传到计算机上进行图象处理， 显然比较麻烦。针对以上缺点对b 超诊断仪进行全数字化的工作，并利用计算 机强大的计算能力及现代图象处理的方法来提高超声成像的质量不仅具有迫切 的现实意义，而且具有很重要的理论价值。 目前国内市场上的数字化b 超诊断仪由于自身平台、超声数据处理和超声 成像实现技术的限制，在处理速度、机器性能、稳定性、成像质量和功能扩展方 浙江大学硕上学位论文 面都有很多地方可以改进。本课题采用先进的嵌入式a r m 9 + f p g a 硬件平台、 l i n u x 嵌入式操作系统研制新型的、操作方便的、技术含量高的全数字b 超诊 断仪，立足中低档国际零售市场和国内投标市场，目标迅速推出新一代数字b 超系列产品，奠定全数字化便携式嵌入式系统b 超平台， 数字信号处理技术的实现，有软件实现和硬件实现两种方法【2 5 l 。随着现代 电子科技的飞速发展，实时快速己经成为电子与信号处理领域的一大发展趋势， 传统的软件设计方法是很难满足这方面要求的，所以需要将许多过去用软件实现 的设计思想用高效率的硬件来实现。另外，微电子技术的蓬勃发展也为算法的硬 件实现提供了强有力的支持。近年来，随着小波变换、c o r d i c 等快速算法的出 现，用硬件实现数字信号处理算法已经成为国内外研究和应用的热点。 在目前，数字信号处理方案大致有：用于通用目的的可编程d s p 芯片；用 于特定目的的固定功能d s p 芯片组和a s i c ；可以由用户编程的f p g a 芯片。 d s p 是一种功能强大而且非常快速的微处理器，d s p 的特性在于能即时地处理 信号，这种即时处理的能力特别适合不能容忍任何信号延迟的应用。d s p 以其低 功耗、高速、高集成度和高性价比，在军用、工业和民用领域担负越来越重要的 任务。d s p 的算法是利用通用可编程d s p 器件实现较低速率的应用，而利用专 用d s p 芯片组和专用集成电路( a s i c ) 实现较高速率豹应用。 作为实现d s p 功能的一种专用芯片，f p g a 器件提供了新的选择。与通用 d 灌解决方案相比，f p g a 器件在不牺牲灵活性的条件下，提供了更高的性能。 利用硬件描述语言可实现并行和串行珊r 滤波器、f f r 浮点运算、f i 呵定点运算 等。a s l c 在一些特殊功能的表现上相当好，而且相当省电。而且考虑到a s i c 不能重新组态，在产品发展的过程中，它的功能无法任意修正或改进，因此，任 何的线路改版都需要重新设计并且重新制造，这些步骤不仅增加开发成本，而且 造成产品快速上市的障碍。相反地，卯g a 是一种可以重复改变组态的电路，特 别适合产品发展时需要不断变更设计的应用，有效节省产品上市的时问。即g a 的修正不需要交更硬体，仅仅需要更改软体即可。这大大节省研发的成本，而且 仅需要下载新的程式码便可以达到产品上市后的升级功能。 现在f p g a 已经成为多种数字信号处理( d s p ) 应用的强有力解决方案f 捌。硬 2 浙江大学硕士学位论文 件和软件设计者可以利用可编程逻辑开发各种d s p 应用解决方案。可编程解决 方案可以更好地适应快速变化的标准、协议和性能需求。随着新的即g a 体系的 出现，d s p i p 核和工具数量的增加，采用可编程逻辑的d s p 应用继续增加。f p g a 相对于多个高端d s p 处理器，具有集成优势和更低的系统成本。 a i t c r a 公司的可编程方案，如高效能f p g a 器件、i p 核和嵌入处理器，己成 为现在d s p 应用高效的替代方案【4 3 1 。本全数字b 超诊断仪采用f p g a ( 包括c p u ) ) 进行设计，大大缩短产品上市周期。通过对可编程逻辑器件的结构特点、编程原 理及设计流程的研究，运用基于坐标旋转数字式计算机r c 0 0 r d j n a t er o t a t i o n d i 百t a lc c m p u t 豇c o r d i c ) 的算法，目标使含有非普通的( 超越) 代数函数简化成 一系列乘法和加法运算，并重点讨论了基于f p g a 的分布式算法，使含有大量乘 法累加运算的数字滤波器电路性能和资源大大改善。 1 2 国内外该方向的研究动态 1 2 1医用超声诊断仪的发展现状忉 7 0 年代以来，医学超声工程技术的不断革新，推动了医学超声图像诊断的 广泛而深入的发展。多阵元超声换能器技术，灰阶成像技术，数字扫描变换技术 ( d s c ) ，数字波束形成技术等新技术的开发应用推动了超声成像诊断技术的迅猛 发展。目前，国外超声诊断装置的技术进展很多，某些技术进展是和装疑的设计 相关的，也就是按照使用单位的要求，尽可能将装置制造得小巧些，同时使操作 更加方便，大多数的技术进展在于提高装置的性能，以拓展在临床中的应用范围。 曲小型化 超声诊断装置的设计观念正在变化和改进之中。目前的重点则放在装置的小 型化和便携式上面。另一个趋势则是实用模块式结构，使装置上的内部结构能方 便地引入新开发出来的技术，从而易于升级换代。目前应市的新装置，己通常采 用组入计算功能的软件包。 最近美国还开发出一种可用于战地医院、乡村、船上和飞行器上的远程医学 便携式超声装置( s o o s i t e l 8 0 ) ，它可对脏器进行三维扫描。这一装置的特点是不 要求医生具有高超的操作技巧，因为它只是简单地扫描病人，然后将扫描结果通 3 浙江大学硕上学位论文 过电信电路传输给医院的专家们作出诊断。整机重量3 8 k g ，还可望减至3 0 k g 以 下。 b ) 功率多普勒 近年来，功率多普勒技术是诊断超声的最重要的进展之一。该技术解决了传 统c f m ( c o l o rf l o wm a p p i n g ) 技术中彩色血流成像具有角度依赖性而无法显示垂 直于波束的血流的问题，并可提高装置对体内血流控制的敏感度从理论上说，这 类装置的灵敏度要比现行标准的功率多普勒装置增加6 1 嘣b 。目前技术研究的 重点在于提高超声信号的功率或整体能量。其应用范围包括肌肉和骨骼的炎症、 颈动脉、卵巢病理等成像以及器官移植。 c ) 三维超声成像 三维超声成像可能对诊断技术做出重大的贡献。目前己有静态三维超声成像 和动态三维超声成像两种，前者以空间分辨力为主，重组各种图形；后者以时间 分辨力为主，可做出三个立体相交平面上的投影图、f 型图、俯视图、表面观、 透视观以及环视观等。三维超声成像起初是用在妇产科中作胎儿成像的，目前己 有用于心脏、腹部肿瘤及动脉硬化等方面的报导。目前，三维超声成像技术是 超声界研究的一个热点。 d ) 超声造影技术 超声造影技术，是指将与人体组织声学特性有差异的物质( 造影剂) 注入人体 的特定部位，人为地扩大特定部分与周围组织间的差异，从而使超声图像更为清 晰。目前市场上已有m b u n e x ，l c v o v i s t ，e c h o g e n 和f s 0 6 9 等品种的超声造影剂。 近年来着重研究的是种称为微泡的特殊造影剂，它可以提供类似照相负片效果 的清晰图像。超声造影剂可望提高心血管血供和灰阶成像性能，其应用范围可期 拓展至研究血管内皮功能和新的细胞增长，以及评价早期动脉硬化。 e ) 谐波超声成像 近年来，由于超声造影剂的研究应用，谐波超声成像系统随之发展起来。这 种技术的基本理论为非线性声学，故又称非线性声学成像。这种技术在显示血流 的灵敏度上较一般超声造影法更高，它可实时显示小血管内的血液流动，清晰观 察软组织内的血供。预计这种超声诊断的前沿技术将具有更大的发展前途。目前， 美国 t l 公司生产的h d i 5 0 0 0 支持这项技术，在h d i 3 0 0 0 上也可升级加入谐 4 浙江大学硕十学位论文 波成像的功能。 n 减小或去除斑点噪声 斑点噪声的产生可以通过分立散射子模型加以解释。超声分辨体积元内含有 大量散射子，它们的散射波相位均匀分布在o 2 玎内，探头所接收的回波声压是 该分辨元内所有这些散射子背向散射波的叠加结果。由于各分辨元内的散射子数 目及各散射波到达探头相位都是随机的，因此，总的合成信号也是随机起伏的。 叠加增强的部分在图像上表现为亮点，叠加减弱的部分在图像上表现为暗点。斑 点噪声的存在，降低了图像的分辨力，必须设法将其去除或减弱。原来采用中值 滤波法、空间复合法和频率复合法作为减小斑点噪声的手段，现在又发展了基于 传感器结构的硬件方法和小波分析的方法。 g ) 现有装置的进展 主要表现在探头的阵元数、放大器通道数、计算机运算速度、全数字化等方 面，其目的在于提高声像图的质量，显示更为细微的组织结构。 探头己由一维阵向二维阵发展，二维扫描可形成实时三维声像图。二维探头 己进入市场，但目前大多用于x 和y 两个轴上的声聚焦以提高轴线上的分辨力， 因而形成的仍是二维声像图。二维阵探头目前的阵元数最大己达到1 0 2 4 。 放大器通道数的多少取决于阵元数。为使散射源在声像图上的回声点变细， 阵元数和通道数之间的比例已由4 ：1 也：1 改为1 ：1 。由于接收的电信号至少有振 幅、频率和相位三种不同的参数变化，要同时、迅速分别处理这些参数，就得提 高通道数，目前已有采用1 ：2 或1 ：4 ( 即1 个阵元配2 个或4 个放大器通道) 比例的， 以同时取得频率信息、相位信息，进行多种信息处理。 超声诊断仪器的综合性能高低取决于计算机平台。目前高档仪器己采用高容 量计算机图像处理系统，运算速度为每秒2 0 。1 4 0 亿次。 由美国a n 公司最早推出的全数字化技术已为多种高性能超声诊断装置普 遍采用。这种技术包括数字式波束形成设计在内，其获得的声像图粒子极为细洁， 能清晰地显示病灶，对早期微小肿瘤的检出极为有利。 此外，在放大器动态范围、计算软件、硬件、发射波形和接收回声自适应修 正等方面，也都有很大的发展。 5 浙江大学硕士学位论文 超声诊断装置是诊断成像装置中性价比最高的一种医疗仪器，因而市场一直 在稳定地增长。近年来，技术的进展和应用范围的拓展更促进了市场的繁荣。据 美国f r o s ta n ds u l l i v a i l 市场信息调研公司统计，1 9 9 5 年世界超声诊断装置市场营 业额已达2 0 6 亿美元。从统计结果来看，目前应用超声诊断装置最多的部门是 放射科、心脏科和妇产科，未来增长比例最大的是血管内科，其中高档b 超占 据了主要份额。 我国约有3 0 余家超声诊断装置生产厂，但产品的水平不高，均为中低档， 而且大部分为低档。近年来通过与国外企业合作或引进技术，产品质量和性能都 有所提高，但发展速度不快。随着医学事业的发展，人民生活水平的提高，社区 医疗和私人诊断的兴起，以及仪器本身的进步，市场对于各类超声诊断装置的需 求量会越来越大。 1 2 2 数字信号处理技术的特点及发展概况 数字信号处理( d i 西t a ls i g i l a lp r o c e s s i n 岛d s p ) 是一门涉及许多学科且应用广 泛的新兴学科【1 4 】。随着计算机和信息学科的发展，d s p 技术也得到迅速发展。 近年来，数字信号处理己经成为通信等领域里的一项极为重要的技术。d s p 算法 ( 如f f t d 、t 等) 在许多领域应用极其广泛，如无线电通信、图象处理、语音识 别、光谱分析、噪声分析以及雷达系统中的信号分析等。这些领域都是当代信息 高速公路建设的重要学科。过去，人们通常用软件来实现这些算法，其缺点是处 理速度慢、延时大、效率低。随着现代电子科技的飞速发展，对电子系统的速度 和体积的要求也越来越高，实时、快速己经成为电子与信号处理行业的一大发展 趋势。因此，需要将用软件实现的设计思想用高效硬件来实现。而微电子技术的 蓬勃发展也为用硬件实现d s p 算法提供了强有力的支持。近年来，研究小波变 换快速算法的硬件实现已经成为国内外信息科学的热点，解决这一重大前沿理论 与实际技术难题具有重大意义。 f p c 渔( 现场可编程门阵列) 是一种可由用户编程来实现所需逻辑功能的数 字集成电路1 1 7 l 。它的特点是：复杂互连、性能依赖于设计和较高的逻辑密度。 适于通信设备中复杂数据通路和工业控制的数据采集系统。最初，f p g a 是作为 取代传统的数字逻辑电路器件而出现的。随着。蜘开发工具功能的日渐完善以 浙江大学硕t 学位论文 及f p g a 的优良性能日益显露，f p g a 已经受到广大电子科技人员的普遍重视并 得到了越来越为广泛的应用。现今，利用可编程逻辑器件来进行系统集成设计已 成为一种极为普遍的现象。 用f p g a 来实现d s p 算法主要有以下几点优势： a 、f p g a 非常适合于各种算术运算，包括含有大量乘加运算的数字信号处理 算法。用f p g a 设计d s p 系统时，可以利用并行结构和算术运算的优点，充分 利用硬件资源，并在性能上超过d s p 器件。在现有的d s p 方案中，利用f p g a 中阵列乘法的分布式运算，可以将数据带宽和通过量提高几个数量级。 相对通用处理器和d s p 处理器而言，f p g a 可以由设计者根据算法的内 在结构设计合适的处理阵列，避免前者串行执行指令的低效。 曲相对a s i c 而言，采用f p g a 可避免初期巨大的开发投资，同时拥有微处 理器的通用性和灵活性。在算法修改时，短时间内就将新的算法付诸实际。当然 由于f p g a 仍然属于通用器件，效率要比a s i c 低，但其灵活性的优势仍然可以 在很大程度上弥补其缺点。因此利用f p g a 完成d s p 算法是一种方便、快捷、 最具优势的优化设计方案。 基于上述原因，考虑到d s p 算法在电子系统设计中的核心地位以及未来科 技的快速、实时的发展趋势，可以看出，利用f p g a 来实现d s p 算法这一设计 思想将具有十分重要的科技战略地位和意义。 近年来，国外利用f p g a 已经实现了许多d s p 算法。如f f r 、d c t 、正交 小波变换、离散h a n l e y 变换、各种滤波器等。而且它们已经被应用到许多实际 问题中，如医用超声波图像相位补偿系统，人工神经网络，超声波波束发生器等。 美国的舢t e m 公司以其出品的p 王d 作为目标器件，采用a h d l 语言实现了可参 数化的快速傅立叶变换核心函数。该函数采用了双存储器结构、并行流水的工作 方式，具有快速、灵活等优点。它的诞生不仅为广大f f r 设计者们带来了极大 的方便，而且由于它是p l d 产业中第一个核心函数，因此也为信号处理算法的 f p c 陡实现做出了一个良好的典范。 对通用处理器算法的研究表明，在运算方面，大量在通用处理器运行的耗时 科学运算程序均有以下特征：程序执行的大部分时间花费在程序代码相对很短的 部分，即密集运算部分。因此可以利用f p g a 的内在并行及快速连接等物理结构 7 浙江人学硕士学位论文 特征，并结合d s p 算法的内在规律性在f p g a 内形成一个通用的d s p 单元库一 - d s p 核心单元库。利用它们的灵活性，通过较少的控制输入来实现若干种形式 d s p 算法，以后每一种算法的完成都将以这些单元为基础，从而达到较好的算法 兼容。由于这些单元在算法中所处的核心地位及良好的兼容性，每种算法实现只 需动态改变单元的有限输入及一些外围电路，从而在多算法运行时可以减少动态 配置时间，以利于提高整个系统的性能。因此，可将这些核心算法放于f p g a 中， 利用r c ( r c c o n 啦芦r a b l ec o m p u t i n gs y s t e m ) ，可重配置计算系统) 的快速、可重配 置特性，使其与c p u 相合，共置于同一线路板上来完成具体操作。在执行复杂 运算时，将算法影射到即g a 上，执行完成后，再从f p g a 读回结果以供程序 使用。 这个想法最先是由d e c 公司巴黎实验室及美国s u p e r c o m p u t i n g 研究中心提 出的。由于r c 系统可以在不同的时候执行不同的算法，即可在有限的资源上实 现多种功能，并且随着动态配置时间的缩短，以流水分时方式工作的系统可以以 极小的硬件代价完成，快速的切换将使基于动态重配置的实时处理系统成为可 能，从而大大减小系统的体积和质量。这对一些重量、体积及速度敏感的场合如 卫星系统、移动通信系统等都具有重要的实用价值。 目前，f p g a 在r c 中的应用已得到了越来越多的重视，目前己有数十个研 究小组正在开展这方面的工作，支持r c 的商用f p g a 器件水平在配置方式，配 置速度以及器件规模都有了很大提高。普遍认为，在未来的处理器及计算机系统 中，f p g a 将作为不可缺少的部分被引入。有鉴于此，开展对f p g a 的信号处理 算法的研究是一次非常必要而有意义的工作。 1 3 本课题研究内容和本论文的主要工作 本着立足自身、瞄准国际先进技术的原则，本课题准备开发一种新型的、操 作方便的、技术含量高的机型，这就是基于a r m 嵌入式平台和f p g a 的全数字 黑白b 型超声诊断仪。它具有现有黑白b 超的基本功能，能够对超声回波数据 进行灵活的处理，从而使操作更加方便，图象质量进一步提高，并为远程医疗、 图像存储、拷贝等打下基础，是一种很有发展前景、未来市场的主打产品。 本文从b 超诊断原理及全数字b 超诊断仪设计入手，着重描述了对超声信 8 浙江大学硕士学位论文 号进行数字化处理的各个子模块，结合各种d s p 处理方法的特点，对可编程逻 辑器件的结构特点、编程原理及设计流程作了简单介绍。并且在此基础上，首先 研究了适合于f p g a 器件结构及性能特点的d s p 算法分布式算法，并应用 于b 超诊断仪信号处理模块中的f i r 滤波器实现；其次重点讨论了能够将许多 较复杂的运算函数转化为简单的硬件易于实现的加法和位移操作的c o r d i c 算 法，成功应用于扫描变换模块中直角坐标极坐标变换。最后，介绍了利用a l t e r a i pm e g a c o r e 进行硬件设计的s 0 p c 设计方法。 9 浙江大学预上学位论文 第二章全数字b 超诊断仪的设计原理及理论基础 2 1 医学超声成像的理论基础 超声成像原理基础阐述了超声波的定义、相关物理量、超声波的物理特性及 超声波的发生与接收，这些知识对于更好地理解b 超的成像原理有重要的作用。 2 1 1 超声波的定义及有关物理量m 通过声源、介质、波、横波及纵波的定义，我们可以更好地理解超声波。同 时超声波的波长、频率、周期、声速等相关物理量对于我们在开发b 超控制及 成像系统时理解相应的概念、计算血流速度等方面也很有帮助。 a 1 声源 我们把能发出声音的东西叫做声源。在超声成像中，探头晶片发射时即产生 超声，所以探头晶片就是声源。 b ) 介质 传播声音的媒介物介质。声波必须在介质中传播，在真空中声波是不能传 播的。在超声诊断中，人体脏器、器官等都是介质。 曲波及横波、纵波 波是日常生活中常见的现象，声波是波的一种。物体的振动通过介质f 如气 体、固体、液体) 传播。例如；人们说话、乐器演奏都会产生振动，振动作用于 周围空气分子并发生空气分子间弹性力的作用，连续交替地产生空气压缩区和稀 疏区，其结果会使声源振动产生的声波扩散出去。 根据声波质点振动方向，声波可分为横波和纵波两种。 横波为振动产生的波在介质中传播时，如果介质质点的振动方向与波的传播 方向互相垂直，这种波称为横波。横波只能在高粘性液体和固体中传播，不能在 一般液体和气体中传播。横波只能使介质形状上产生变化，而不能使介质产生体 积上的变化。 纵波为振动产生的波在介质中传播时，介质质点的振动方向与波的传播方向 】0 浙江人学硕士学位论文 相平彳亍，这种波称为纵波。纵波会使介质形成周期性的稀疏和稠密的变化。纵波 是由介质体变弹性决定的，因而只在具有体变弹性的介质中形成。如固体、液体 和气体都可作为纵波的传播介质。纵波可使介质产生体积交化。超声诊断仪向人 体内发射的超声波，是以纵波的形式传播的。 d 1 超声波 超声波是指频率超过了人耳的听觉范围的声波，即频率超过2 兆赫兹的机械 波。一般人耳的听觉范围在2 0 h z 至2 m h z 频域内，高于此频率范围的称为超声， 低于此频率范围的则称为次声。医用超声诊断仪的声波范围通常在2 1 0 m h z 之 间。 曲超声波的物理量 波长：是指在一个振动周期内波动传播的距离。 频率：即一秒钟内声源振动的次数，以赫兹为单位，并常用1 k h z ，l m h z ( 1 h z = 1 次秒) 。 声速：表示超声波在某种介质中的传播速度，即一秒钟传播的距离，单位为 米，秒( m ，s ) 。超声在人体软组织中平均速度为1 5 4 0m s 。 周期：是声波向传播方向移动一个波长所需的时间。 波长( ) ，频率( f ) 和声速( c ) ，它们之问的关系为： c ；a ， 式( 2 1 ) 也就是： a 一睾 式( 2 2 ) 频率 与周期f i ) 的关系互为倒数，即： ，一手 式( 2 3 ) 2 1 2 超声波的物理特性 超声波是一种波动。它和其它波动过程一样，在介质中传播的物理特性与其 它类型的波动( 如光波) 类似，也有波的一些特性。一般是遵循几何光学的原则。 超声波具有方向性、聚焦性、声阻抗、衰减性、反射、折射、散射、衍射、多普 1 1 浙江大学硕十学位论文 勒效应等物理特性。 a 1 超声的方向性 超声波能沿一定方向传播。它与一般的声波不同，由于频率极高，波长很短， 远远小于换能器的直径，发射的超声波集中于一个方向，声场分布呈狭窄的圆柱 状，宽度与换能器压电晶体片大小相接近，具明显方向性，故称超声束( s o u n d b e a m ) 。声束的中心轴线称声轴( b e a m a x i s ) ，代表声束的主方向，在声束的平面 图中，其两侧边缘间的距离称束宽。 声束各处宽度不等。在邻近换能器的一段距离内，束状超声场不扩散，束宽 几乎相等，称为近场区( n e 雅f i e l d ) 。近场的长度( 1 ) 与换能器声源孔径的半径( r ) 的平方成正比，与波长( a ) 成反比。即： t 2 f = 式( 2 4 ) 在近场以远，声束开始扩散，称为远场区( f 盯f i e l d ) 。其扩散程度取决于扩散角 的大小。扩散角由声源半径( r ) 和波长( a ) 决定，如下式： s j n 日；罕式( 2 5 ) 超声波近场的长度和扩散角的大小决定了其方向性的优劣。超声波频率越 高，波长越短，则近场愈长，扩散角愈小，声束的方向性也愈好。虽然加大声源 孔径可以延长近场长度和缩小扩散角，但声束宽度也随之扩大，使侧向分辨力降 低。因此现代超声诊断装置都加用了声束囊聚焦技术，以改善图像质量。 ”反射、折射、散射与衍射 当超声波在介质中传播时，如介质是同质的( 均匀的) ，声阻抗相同，无声学 界面，不引起任何反射；当声阻抗发生变化，声阻差超过o 1 时即产生声学界 面。 反射( r e n e c t i o n ) 当超声波通过声阻抗不同的两种介质时，在介质界面将产生反射。声阻抗差 别越大，反射的超声强度越大。其余的透过界面。 折射限击a c t i o n ) 折射发生在入射角。不为零的情况下。此时入射波束会偏离原来的方向传播 而发生折射。 浙江大学硕士学位论文 散射( s c a t t e f i n 曲 超声波在介质中传播时，如果遇到小于波长的微小粒子时，微粒向各个方向 辐射超声，称散射。 衍射( d i f f f a c t i 曲) 当入射超声波的波长与被测物大小相接近时，声波会绕过障碍物而继续传播 称衍射，又称绕射。 c 1 声阻抗 超声波在介质中传播时受到介质的密度与硬度的影响，物理学上称为声阻 抗。声阻抗或称声阻抗率，等于介质密度与超声速度的乘积，两介质声阻相差愈 小，则界面处反射愈小，透入第二介质愈多；相反，声阻相差愈大，界面处反射 愈强，透入第二介质愈少。 d 1 吸收衰减特性 超声波在介质中传播时，其声幅和声强会逐渐减少，称为衰减( a t t c 肌a t i o n ) ， 单位为分贝( d e c i b e l ，d b ) 。超声能量的衰减与传播距离平方成反比，与介质的衰 减系数和频率成正比。此外，衰减程度还与介质的吸收( 它与介质的摩擦阻力、 粘滞性、导热性和温度) 有关。超声波通过均匀介质主要由吸收和散射被衰减， 通过非均匀介质时，则主要通过反射和折射而使声能消耗减弱。 曲声束的聚焦 平面型声源无论在近场区或在远场区中声束束宽如果过大，均有可能使图像 质量下降。故需加用声束聚焦技术( c 0 n v e e g c n c e ) 。单片型探头一般在其表面加置 声透镜聚焦；多阵元型探头需用两种聚焦方法加置半圆柱形声透镜使声束在 探头的短轴方向聚焦；使用多阵元的相控发射及相控接收使声束在探头的长轴方 向聚焦。 目前，常用的聚焦方式是动态聚焦。动态聚焦分为三种情况，它们为非实时 动态聚焦；实时分段动态聚焦及连续动态聚焦等方式。 d 多普勒效应 声源与接收体作相对运动时，接收体在单位时间内收到的振动次数( 频率) ， 除声源发出者外，若接收体向着声源方向运动时，则收到的频率增加：相反，若 接收体与声源作背离运动，则接收体收到的频率就减少。这种频率的增加和减少 浙江人学硕士学位论文 的现象称为多普勒效应。 当一定频率的超声波在介质中传播时，如遇到活动的大界面或小界面，反射 或散射回声的频率( 将随界面活动的情况) 发生改变，反射回声与入射声波频率之 差称为多普勒频移。界面朝向探头运动时，回声频率增高，j 下向频移；界面背离 探头运动时，回声频率减低，呈负向频移。频移的大小与界面运动的速度成正比。 利用多普勒效应可探测皿流或组织器官的活动方向及速度。 2 1 3 超声波的发生与接收 超声波的发射与接收依据压电效应原理完成。 p i 它s s u r e p r e s s u r e 图2 1 a 正压电效应 一吨e 图五1 b 逆压电效应 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，品体的两侧表面上出现相反的电荷。反之，如将此晶体置于交 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，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。具有此种物理特性的晶体称为压电晶体或称 换能器。 1 4 浙江人学硕士学位论文 超声诊断仪主要由主机和换能器组成。超声换能器又称探头，由天然或人工 的压电晶片构成，其作用为发射超声波及接收回声信号。当主机沿压电晶片压电 轴的方向供给一定频率的交变电场时，由于逆压电效应，晶片即可发生机械性的 压缩与扩张，推动周围介质，使之振动，发出相应频率的声波。当交变电场的频 率大于2 万赫兹时，压电晶片即可产生超声波。超声检查时，探头发出的超声波 在人体组织中传播，遇到声阻抗不同的组织构成的界面时，产生反射。反射回声 到达探头后，沿电压轴方向对晶片施以一定的压力，由于正压电效应，使晶片两 侧产生相反电荷，这种高频微弱电信号经主机接收并予以放大处理，以不同方式 显示于显示屏上，即形成代表界面回声的不同类型的超声。 2 2 超声诊断仪的成像原理 超声诊断仪的成像原理主要就是利用超声波的基本的物理特性。超声波成像 离不开超声换能器，又称探头。探头向人体组织发射超声波，当其在人体内传播 时，被体内组织界面反射或散射回来，回声被探头又接收并转换为电能，经放大 后再在显示荧光屏上以某种方式显示出来，作为诊断依据。 探头在超声波的发射和接收中具有重要的作用，我们必须对探头加以了解。 下面对探头的种类加以论述，然后再论述超声的成像原理。 2 2 1 探头 探头是由压电晶片组成，晶片受电信号激发，发射超声波进入人体，又接受 体内回声信号，转换成电信号送入仪器。晶片将电能转换成超声能( 发射) ，又将 超声能转换成电能( 接收) ，故称之为电声换能器，通常称为探头。探头的主体 是压电晶片，晶片的前端有保护膜，由硅橡胶或还氧树脂制成。有机玻璃或硬 塑料作为探头外壳，起保护支架作用。 探头按使用的种类来分，可分为体表检查用探头、术中探头及腔内探头。 体表检查用探头通常分为线阵式探头、凸阵式探头、相控阵探头及穿刺探头 等。线阵式探头由多数晶片排列成一直线，晶片数可多达数百片。晶片分成若 干组，由电子开关控制各组晶片按顺序工作，实现矩形扫查。线阵式探头通常用 于扫描血管、小器官等。凸阵式探头是晶体按凸弧形线排列，与体表接触面较小， 浙江大学硕士学位论文 通常用于扫描腹部、肝脏等器官。相控阵探头通常用于扫描心脏及小器官等的检 查。穿刺探头通常为线阵探头或扇形探头旁有附加设置，用以引导并监视穿刺针 进入人体及穿刺目标。 术中探头通常为线阵探头，但体积小，制成t 形等，便于手术中检查。 腔内探头根据各部位体腔的形态，将探头制成各种形式，晶片装在探头顶部 的侧面或前端，探头插入体腔检查，通常用高频晶片，可避免胸腹壁衰减及骨骼、 气体的阻挡，图像质量多于体表检查，尤其对离体表较远的深部结构的显示更优 越，目前常有的腔内探头有：经直肠探头、经阴道探头、经食管探头、血管腔内 探头及胃镜探头等。 探头按其频率来分，则分为单频探头、变频探头、宽频探头。宽频探头为目 前较常用的探头。 单频探头的标称频率( 如7 5 m h z ) ，为发射时振幅最强的频率，也是探头的 工作频率。 变频探头可通过面板控制，对同一探头可选择2 3 种频率( 如3 5 m h z ， 5 o m h z ) ，即探头频率可变。 宽频探头在发射时有一很宽的频带范围，如2 1 2 m h z 。接收时分三种情况， 为选频接收、动态接收及宽频接收。选频接收是指在接收回声中选择某一特定的 中心频率，保证能达到所要求的诊断深度；动态接收是在接收时，随深度变化而 选择不同的频率，近场取高频，中场取中频，远场只保低频，达到好分辨和好的 穿透力的要求；宽频接收是接收所有频率的回声在中近场包括不同频率回声，在 远场由于高频成分衰减，只有稍低频率的回声。 2 2 2 显示方式 超声的成像原理是用超声照射人体脏器。利用脏器对入射超声所产生的反 射、散射、衰减( 指穿透部分) 、频移( 多普勒效应) 或声速变化效应中的一种 或数种，组成脏器的声像图( 二维或三维图) ，以表达脏器的形态、结构特征及 疾病时的变化。 超声系统成像方法通常可分为两大类：一类是基于回波，另一类则是基于多 普勒原理的。这些成像原理的描述，对于我们显示各种模式的图像提供了理论基 1 6 浙江大学颁十学位论文 础。 幻基于回波的成像方式 在基于回波的成像方式中，我主要对a 型、b 型及m 型成像方式加以论述。 其中b 型及m 型为常用的成像模式，a 型为淘汰仪器。 a 型 a 型为振幅调制型( a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) ，即将回波以波的形式显示出来。 单条声束在传播途径中遇到各个界面所产生的一系列的散射和反射回声，在示波 屏时问轴