（电力电子与电力传动专业论文）全数字超声诊断系统部分核心算法的fpga实现.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：b - t y p eu l t r a s o n o s c o p ew a sa p p l i e dt oc l i n i c a ld i a g n o s i sf i r s t l yi n t h ee a r l y19 6 0 s i nt h el a s tf o r t yy e a r so rs o ，t h eb - t y p eu l t r a s o n o s c o p eh a sb e e n d e v e l o p i n gr a p i d l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h e c o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h em o s ta d v a n c e du l t r a s o n i cd i a g n o s t i ce q u i p m e n ti nt h ew o r l d c o n t a i n st h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gp a r ti na l m o s te a c hc o m p o n e n to ft h es y s t e m t h e r e s e a r c ho ft h ef u l l yd i g i t a lu l t r a s o n i cd i a g n o s t i ce q u i p m e n th a sb e c o m eat r e n d t h ef u l l yd i g i t a lu l t r a s o n i cs y s t e mw h i c hb a s e so nf p g aa n de m b e d d e d o p e r a t i n g s y s t e mi sm a r k e db yf e a t u r e so fh i g ht e c h n o l o g ya n dp o r t a b i l i t y i tc a nr e a l i z et h e r e a l - t i m ep r o c e s s i n go ft h eh u g eu l t r a s o n i cd a t aw i t ht h ed i g i t a lh a r d w a r ec i r c u i t t h i st h e s i ss t a r t sw i t ht h eu l t r a s o n i cd i a g n o s i sp r i n c i p l e s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e s a r ei n t r o d u c e db r i e f l ya tf i r s t t w oc o r ea l g o r i t h m so ft h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gi nt h e s y s t e ma r ea n a l y z e di nd e t a i l o nt h eb a s i co ft h e s ea l g o r i t h m sa n df p g ac h i p ，t h e p r o g r a mo ft h ed i g i t a lf i rf i l t e ra n dc o r d i ca l g o r i t h ma ler e a l i z e db ya d o p t i n gt h e v e r i l o gh d l t h es p ii n t e r f a c ew h i c hc a nb eu s e di nt h em o d u l eo fi m a g ed i s p l a yi s a l s oi n t r o d u c e da n db ep r o g r a m m e db yv e r i l o gh d l i t sp r o g r a mi sc o m p i l e da n d d o w n l o a dt of p g ah a r d w a r ed e v e l o p i n gp l a t f o r m t h eh i g hc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n s p i a n dt h eo m p g 3 5 3 0o f a r ma 8i si m p l e m e n t e d d u et ot h ea d o p t e do ft h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n go ft h es y s t e mi nas i n g l ef p g a c h i pa n dt h ec o m b i n a t i o nw i t hh i g hp e r f o r m a n c ea r ma 8p r o c e s s o r , t h es t r a t e g yo f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gh a v e sc h a r a c t e r i s t i c so fh i g hs p e e d ，h i g hp r e c i s i o n ，f u l l y d i g i t a l i z e d ，h i g hi n t e g r a t i o na n dp o r t a b i l i t y t h i sl a y sag o o df o u n d a t i o nf o rb u i l d i n g m o d e mm e d i c a lu l t r a s o n i cd i a g n o s t i ce q u i p m e n t s k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cd i a g n o s t i cs y s t e m ；f p g a ；d i g i t a lf i rf i l t e r ；c o r d i c a l g o r i t h m ；s p ib u s c l a s s n 0 ：t p 2 7 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：鸯勿 签字日期：砷年7 月2 日 导师签名： 冲压- 黼瓤砧r 日 独创性声明 本人声明所旱交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同t 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 致谢 紧张而充实的研究生生活转眼就要结束了，回首这两年的时光，心中充满无限 感慨。我在一个充满知识和智慧、尊重与友爱的实验室中学习和生活，我的导师 和同学都给予了我热心的帮助和鼓励，使我不断取得进步。 我的论文是在我的导师申萍教授和王立德教授的悉，d 指导下完成的，从课题的 选择、研究，直至0 论文的撰写、修改的每一个环节都倾注了两位老师的心血。他 们广博的知识，丰富的经验都使我受益匪浅，而他们严谨的治学风格、刻苦的钻 研精神和实事求是的科学态度又是我学习的榜样。研究生期间在两位老师的指导 下，我在各方面都有了很大的进步。在此谨向申老师和王老师表示衷心的感谢! 另外还要感谢我的师兄林锥，因为同一个课题组的关系，他给予我非常多的 帮助。他总是给我最耐心的指导与讲解，帮助我克服了许多课题上的难关，他的 宽容、严谨与勤奋给我留下了至为深刻的印象。 在研究生期间，还得到了周围许多老师、同学的真诚相助，鼓舞我面对困难， 不断进步，在此也向他们表示衷心的谢意。 我还要感谢我的父母，永远支持和信任我，永远是我最坚强的后盾。 1 1课题背景 1 引言 超声诊断( u l t r a s o n o g r a p h y ) 是在现代电子学发展的基础上，将雷达技术与超 声原理相结合，并应用于临床医学的诊断方法。与其它物理方法相比，如激光、x 射线等，超声波的波长与生物组织细胞及小器官大小相当，因而与生物组织的相 互作用主要是发生在细胞级水平上，而细胞是体现组织特性的基本单位，因此超 声波与组织的相互作用信息，要比x 射线等丰富的多，临床应用价值也大得多。 超声诊断除具有安全、方便、无损、廉价等优点，其重要性还在于它能无创、实 时的提供有关血流的信息，而这是x 线、核医学、c t 、m r i ( 核磁共振成像) 以及 p e t ( 医学成像，p e t s p e c t ) 等所做不到的。 6 0 年代初，国际上首次将b 超诊断仪应用于临床诊断，4 0 多年来b 超诊断仪发 展极为迅速。7 0 年代，以超声诊断为核心的生物医学超声工程学获得了很大的发 展。8 0 年代以来，随着微型计算机的迅速发展以及超声医学基础研究、超声材料 和探头工艺水平的提高，超声诊断技术突飞猛进。总的来说，早期的超声诊断设 备多数采用模拟线路，将接收到的回波信号按照与探头一致的扫描方式直接送往 显示器显示。这样的图像不仅存在闪烁严重、灰阶等级少、扫描间隙大等问题， 而且很难将图像冻结，也就谈不上进一步的图像处理【2 1 。这是由模拟线路不可避免 的缺陷造成的： ( 1 ) 线路抗干扰能力弱，易受到外界干扰或器件参数漂移等影响，电信号在沿模 拟线路传输的过程中会受到外界和通信系统内部的各种噪声干扰，噪声和信号混 合后难以分开，并且线路越长，噪声的积累也就越多，从而使通信质量下降； ( 2 ) 模拟线路对信号的处理精度较低； ( 3 ) 采用模拟线路无法高保真的传递、转换图像信息，当然也就难于再对图像做 进一步处理来获取更好的图像。 这些都直接影响着超声诊断设备的性能。随着半导体技术和计算机技术的发 展，近几年来，数字信号与图像处理技术在超声诊断仪器中得到了，“泛的应用， 如探头的扫描、图像的数字扫描变换d s c 、图像的数字扫描处理d s p 、仪器操作 的程序控制、各种功能的自动监测与显示等。特别是嵌入式系统的出现及在超声 诊断设备中的应用，使设备的性能更是有了很大的提高，把超声诊断仪推向了以 计算机数字图像处理为主、功能强、自动化程度高、图像质量好的新高度。 目前，国际上先进水平的超声诊断设备几乎每个环节都包含着数字信号处理 的内容：在波束合成过程中，数字式延迟线提高了波束聚焦的精度，从而提高了 图像分辨力：在回波信号的预处理中，数字帧相关技术抑制了图像中的斑点噪声： 高性能的数字扫描变换器f 仪实现了坐标变换和数据插补，而且可以使图像具有 放大、缩小、变焦镜头等多种功能。医疗设备中的数字电路部分的发展已经远远 超过模拟电路部分，不但数字电路中的中央处理器和存储器达到了超大规模集成 电路( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ，v l s i ) 的水平，而且其逻辑控制器什也由采用中、 小规模的集成芯片发展到应用现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y , f p g a ) 。与其他p l d 相比，f p g a 内部不仅有可编程的i o 模块和逻辑功能模块， 更莺要的是其内部是由开关矩阵实现的可编程的互连资源，因此f p g a 具有更大 的设计灵活性。f p g a 的出现是v l s i 和计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i 2 n c a d ) 技术发展的结果，f p g a 将逻辑控制部分带入v l s i 的水平，使医疗设备数字 系统可由v l s id s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 器件、存储器件和f p g a 器件3 个模 块实现。使用f p g a 器件可以大大缩短医疗设备的研制周期，减少资金投入，将 原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性，同时 还可以很方便地对设计进行在线修改。另外，因为f p g a 具有更大的设计灵活性， 使得超声诊断仪器的设计可以实现功能的个性化定制，从而使整个系统向着综合 化、自动化、定量化、多功能化及小型化的方向发展。因此f p g a 在医疗设备的 产品设计、样机开发和批量生产中得到了广泛应用。 我国1 9 5 8 年研制成a 型超声诊断仪，1 9 6 5 年研制成m 型超声诊断仪，自7 0 年代末掀起了超声显像诊断设备的研究热潮。首先在上海东海站研制成了6 4 阵元 线阵b 超诊断仪。随后汕头、绵阳、简阳等地也相继推出了改进的b 超诊断仪， 这些b 超诊断仪的诞生填补了当时我国在该领域的空白。8 0 年代初a l o k a 公司 生产s s d 一2 5 6 及h i t a c h i 公司生产的e u b 2 6 进入我国b 超市场。这些产品都采用 了动态聚焦和d s c 技术，使图像质量大为提高，使我国医疗界大开眼界。8 0 年代 以来，我国约有大小近2 0 家工厂和研究所投入超声诊断设备的研制和开发，一般 都是引进国外技术，消化吸收后进行国产化设计。近年来，在引进国外先进技术 的情况下，我国的超声诊断设备生产水平取得了很大进步，2 0 0 6 年9 月由深圳迈 瑞公司推出的基于p c 机平台的全数字彩色多普勒超声诊断仪d c 6 ，虽然其体积 还没有达到目前国际上便携式的程度，但它是我国首台拥有自主知识产权的超声 诊断设备，打破了我国由进口品牌所垄断的彩超市场，对于我国超声产业跨入高 端技术领域、实现产业化进程具有重要的意义。尽管如此，从国内超声诊断设备 的总体发展水平上来看，与具备先进技术和雄厚资本的国外公司相比，我国的超 声诊断仪器产业仍然缺乏竞争力。因此利用计算机的强大功能及现代图像处理的 2 方法研制新型的、高成像质量的、小型化便携式的全数字化超声诊断仪器，具有 很高的理论价值和现实意义。 1 2医学超声技术的发展趋势 现代超声医学从快速发展的工程技术中不断获益，近几年来，其技术发展主要 体现在换能器技术、数字化技术、谐波成像技术、三维超声等方面。 ( 1 ) 换能器技术 换能器即发射超声波的探头，其性能指标对超声成像系统的性能起着制约作 用。换能器的频率特性是整个超声系统的主要频带限制部分。早期应用频率为2 5 、 3 5 、5 、7 、1 0 m h z 等的探头，其带宽约1 m h z ，此类窄带探头的不足之处是深部 组织高频回声信号损失较大，影响图像的清晰度及灵敏度。近十年来人们根据超 声在生物组织中的衰减规律( 衰减与频率的平方成正比) 及其对超声图像的影响， 研制出多种高性能、适应各种临床需要的探头，探头的线密度、相对带宽不断提 高，出现了高频、变频、高密度、超宽频带、微型探头，如2 5 6 阵元的线阵探头、 工作频率达6 0 m h z 、外径l m m 的血管内探头等。 ( 2 ) 数字化技术 数字化的超声诊断仪可以实现图像的无纸存档、电影回放和网上传输等，为临 床诊断提供了高品质、实时动态的图像，其数字化过程可分为前端数字化处理和 后端数字化处理。早期超声设备应用的数字扫描转换( d s c ) 技术是一利一在回声 信号模拟放大处理后进行的数字化后处理，模拟回声信号经a d 转换成数字信号 进入图像存储器，然后按帧读出，它可实现图像存储、冻结、无闪烁及动态显示 等功能。 全数字超声诊断系统是基于f p g a 及嵌入式操作系统的一种新型的、操作方便 的、技术含量高的、便携式的全新机型，其基本特点是用数字硬件电路来实现数 据量极其庞大的超声信息的实时处理，采用计算机对数字声束形成器及其控制系 统进行控制是全数字超声诊断系统的关键。这种系统再与工作在射频下的高采集 率a d 变换器及高速数字信号处理技术结合起来形成数字化的核心。它包括有三 个重要技术：数字化声束形成技术；前端数字化或射频信号模数变换技术； 宽频探头和宽频技术。真正的数字式超声诊断仪应从波束形成到信号转化的全 过程采用数字处理，包括数字图像管理和数字图像传送，无失真的图像存储和调 用。 全数字技术提高了图像的质量，保证了超声诊断设备图像更清晰、更准确、分 辨率更高，大大提高了超声诊断的准确率，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些功能模块化，整台仪器可简化为几个 简单的模块，可减少设备体积，使其更便携，更利于维修。 ( 3 ) 谐波成像技术 长期以来超声医学成像采用线性声学原理，认为人体是一种线性的传播媒质， 即若发射频率为厶的声波，从人体内部反射或散射并被探头接收的回声信号也将 是厶附近的窄带信号，实际上医学超声存在着非线性现象，谐波成像便是非线性 声学在超声诊断方面的应用。 由于声波在人体内部传播过程中产生非线性以及组织界面入射反射关系的非 线性，当发射基频( 石) 超声波，回波( 反射或散射) 频率中除有基频石外还有2 五 ( 二次谐波) 、3 层( 三次谐波) 等成分，其中以二次谐波能量最大( 声波衰减与 频率平方成正比) ，二次谐波的强弱和传播距离与入射波能量大小有关。超声二次 谐波成像就是利用接收二倍于基频的超声信号来提取有用信息并结合到所显示的 图像上的一种成像技术。二次谐波信号只有在特定的情况下才能激发产生，并被 高灵敏换能器接收到。目前，各大公司如惠普a c u s o n 、a t l 、g e 推出的新产品都 包括谐波成像功能，谐波成像已成为最近两年推向市场的各种彩超的基本功能， 它将会像b 型、m 型和d 型一样成为彩超的基本工作模式。 ( 4 ) 三维成像技术 传统的b 超成像系统仅能提供人体断面的二维图像，其主要缺点是对操作者依 赖性强，诊断的准确性较高地依赖临床医生掌握仪器的能力和医学知识，临床医 生须凭经验在脑子里重新将二维图像整合出人体的三维结构，故在一定程度上影 响了诊断的准确性和治疗的有效性，传统超声存在的不足可以通过使用三维成像 弥补。 三维超声成像是在二维图像基础上，应用电子计算机进行图像重建而成的直 观、立体、能显示人体组织三维结构的新方法。与大多数医学三维成像技术相似， 三维超声成像也要经过数据采集、三维重构、图像分割与显像等步骤。三维图像 采集通常是在二维图像采集时使用机械或电子方式跟踪探头位置，进行图像重构 的。为了获得准确的三维图像，须快速采集以避免产生移动的伪影，并且需要明 确每个二维图像间的位置和角度关系，即在记录二维图像的同时记录每一幅图像 的几何位置，将两者信息存入超声诊断仪或外部计算机系统，然后由相应的软件 重构三维图像。三维超声成像除可显示立体结构形态外，还可显示任意剖面，有 利于辨认某一解剖结构和理解空间方位。三维成像技术包括血管三维、组织三维、 表面三维，是当今超声发展的新领域。 1 3数字信号处理技术 4 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 是。门涉及多学科且应用广泛 的新兴学科，自上世纪六十年代随着信息学科的高速发展而蓬勃发展。近年来， 数字信号处理已经成为通信等领域里的一项极为重要的技术。d s p 算法，! t l i f f t ， d w t 等在许多领域应用极其广泛，如无线电通信、图像处理、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。过去，人们通常采用软件来实现这 些算法，其缺点是处理速度慢、延时大、效率低。而现代电子科技领域对电子系 统的速度和体积的要求越米越高，实时、快速已经成为电子与信号处理行业的一 大发展趋势。因此，将软件实现的设计思想用高效硬件来实现成为必然趋势，而 微电子技术的篷勃发展正为这种趋势奠定了基础】。 高密度现场可编程逻辑阵列( f p g a ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 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，是可编程逻辑器件( p l d p r o g r a m m a b l el o g i c a ld e v i c e ) 中的一种。近年来由于其设计灵活、功耗低、体积 小、集成度高、速度快、开发周期短、费用低、可重复编程和擦写、用户可定义 功能等许多优点，以f p g a 为核心的可编程逻辑器件在嵌入式系统设计领域占据 越来越重要的地位。 f p g a 由硬件电路完成所设汁的功能，采用并行处理。具有d s p 处理能力的 f p g a 芯片与依靠软件程序顺序执行的方式来完成数字信号处理算法的通用d s p 芯 片相比，具有以下几点优判1 9 j ： ( 1 ) 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。处理速度相对更快，系统也更稳定，不存在指令周期即程序跑飞等问题，相 对于通用处理器和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； ( 2 ) 采用f p g a 设计，实时性更高。由于d s p 芯片存在数据总线宽度、固定的 乘加器资源、顺序执行的基本架构等不可变性的瓶颈，而高密度的f p g a 芯片内 部面向数字信号处理的要求集成了大量可配置r a m 、m a c 、l u t 等资源，所以 在实时性要求较高的数字信号处理中越来越多的倾向于使用f p g a 进行设计； ( 3 ) 相对于a s i c 而言，采用f p g a 可避免巨大的开发投资，同时拥有微处理器 的通用性和灵活性。在算法修改时，可以在很短的时间内就将新的算法付诸实际。 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。 硬件描述语言( h d l ，h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是f p g a 设计和e d a i 具之间的桥梁，h d l 代码通过e d a i 具转化为物理实现。硬件描述语言不仅可以 定义具体电路器件、具体描述其逻辑功能和电路结构，而且还可以在系统层次上 用硬件描述语言调用已定义的模型来构成大规模系统。目前主要的硬件描述语言 为v h d l 和v e r i l o gh d l 两种，均为i e e e 标准，v h d l 的语法严谨，而正是严谨使 得描述起来较为复杂；而v e r i l o gh d l 语法宽松，因为宽松使得描述中容易出现_ 些问题，但其风格与c 语言类似，所以易学【15 1 。 1 4本文的主要工作与内容安排 在对模拟b 超系统的缺点有了清晰认识的基础上，本文基于现场可编程逻辑门 阵列f p g a ，从超声诊断原理及全数字超声诊断仪的设计入手，对超声诊断系统的 关键技术进行了简单的介绍。在此基础上，采用v e r i l o gh d l 语言编程，以f p g a 芯片为载体，研究并实现了可应用于超声诊断系统的几个核心算法。论文的主要 工作包括以下几个部分： ( 1 ) 对超声诊断系统的工作原理及关键技术进行了简单的介绍，并结合现代超声 诊断设备的发展方向，提出了基于f p g a 的、适应现代电子系统发展的、新型便 携式超声诊断仪的设计方法； ( 2 ) 研究了适合于f p g a 器件结构及性能特点，并且将应用于超声诊断系统的数 字式f i r 滤波器算法，采用m a t l a b 软件生成所设计滤波器的系数，根据此系数采 用v e r i l o gh d l 语言编程实现了滤波级数达2 5 阶的数字式f i r 滤波器； ( 3 ) 研究实现了能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 和移位操作的c o r d i c 算法，结合该算法编程完成了可应用于超声诊断系统图像 显示模块的坐标变换功能，初步实现了扫捕变换中直角坐标极坐标的变换； ( 4 ) 对串行外围设备接e ls p i 协议进行了简单的介绍，采用v e r i l o gh d l 建模， 以a v a l o n 片上总线为基础，对s p i 总线主从模块进行了结构设计，并通过与标准 s p i 核的比较，验证了设计的正确性，最后将去除a v a l o n 总线的s p i 模块与a r m a 8 的o m p g 3 5 3 0 板进行双机通信实验，实现了高速的串行数据通信。 本文的结尾对所做的工作进行了总结，提出了各个程序模块的不足之处及改进 办法，为后续工作奠定了基础。 6 2 全数字超声诊断系统及关键技术 2 1全数字超声诊断系统 2 1 1 超声波的基本特性 超声波是指频率超过了人耳听觉范围，即超过2 m h z 的机械波。与其它波动过 程一样，超声波的产生也需要声源，在超声诊断系统中，探头晶片发射时即产生 超声波，所以探头品片就是声源。超声波的传播需要在介质中进行，其速度因介 质声阻抗的不同而不同，在人体软组织中约为1 5 4 0 m s 。此外，超声波还具有波长 ( 入) ，频率( f ) ，声速( c ) ，周期( t ) 等基本物理参数。 超声波与其它波动过程一样，具有方向性、聚焦性、声5 h 抗、衰减性、反射、 折射、散射、衍射、多普勒效应等物理特性。在介质中的传播一般是遵循几何光 学的原则。下面对几个关键的特性进行说吲5 】【7 】： ( 1 ) 场特性 超声在介质中传播时，明显受到超声振动影响的区域称超声场。超声场具有以 下特点：由于超声波频率极高，波长很短，远远小于换能器的直径，被发射的超 声波能量可集巾于一个方向向前传播，声场分布呈狭窄的圆柱状，宽度与换能器 压电晶片大小相近，具有明显的方向性，故称超声束( s o u n db 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。换能器近侧的超声波束宽度与声源直径相近似，平行而不扩散， 近似平面波，该区域称近场区。近场区内声强分布不均匀。近场区以外的声波以 某一角度扩散称远场区。该区声波近似球面向外扩散，声强分布均匀，但逐渐减 弱，换能器的频率愈高，直径愈大，则超声束的指向性越好，能黾越集中。 ( 2 ) 声阻抗 介质密度与超声在介质中传播速度的乘积称声阻抗。声阻抗值一般为固体 液 体 气体。超声在均匀介质中传播，不产生反射和散射。当通过声阻抗不同的介质 时，在两种介质的交界面上产生反射、折射、散射与绕射。两介质声阻抗相差愈 小，则界面处反射愈小，透入第二介质愈多；相反，声阻抗愈大，界面处反射愈 强，透入第二介质愈少。 ( 3 ) 吸收衰减特性 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其声幅和声强会逐渐减少，称 为衰减( a t t e n u 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 7 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。 ( 4 ) 声束的聚焦 平面型声源无论在近场区还是在远场区，声束束宽如果过大，均有可能使图像 质量下降，因此需要采用声束聚焦技术( c o n v e r g e n c e ) 实现超卢波的发射聚焦和 接收动态聚焦。目前，常用的聚焦方式是动态聚焦。动态聚焦分为三种情况： 非实时动态聚焦；实时分段动态聚焦；连续动态聚焦。 ( 5 ) 多普勒效应 多普勒效应是自然界普遍存在的一种物理现象。当某一声源以足够的速度接近 我们时，音调频率变高，而远离时音调频率变低，如果声源不动而接收者移动， 其结果也一样。因此，当声源和接收体发生相对运动时，声源频率与接收频率之 间会出现差别，这种变化的频率称为多普勒频移。 多普勒频移可由下列公式来理解： 厶一石= 石= 2 v 丁c o s 0 f o 式( 2 - 1 ) 中厶为频移，即发射频率与接收频率之差，五为声源发射频率，厶 为接收频率，v 是运动体与声源的相对运动速度，c 为介质的声传播速度。利用 多普勒效应可探测血流或组织器官的活动方向及速度。 2 1 2 超声诊断仪的分类 根据波束扫查方式的不同，超声诊断仪可分为a ( a m p l i t u d e ) 型、b ( b r i g h t n e s s ) 型、 m ( m o t i o n ) 型及d ( d o p p l e r ) 型。其它如超声全息、超声c t 及超声显微镜等目前尚处 于研制阶段。在a 、m 、b 、d 四种类犁中，以超声成像方法不同可将其分为两大 类：一类是基于回波，另一类是基于多普勒原理的i 7 1 。 a ) 基于同波成像 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 ) ，属一维显示，将同波以波的形 式显示出来，回声强度以振幅显示、探头由单晶片构成。采用单声束取样分析法， 工作原理可简单描述为：单晶片探头产生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，在显示屏时问轴上以振幅高低表达。即：显示 屏的x 轴自左至右代表回声时间的先后次序，它一般代表人体软组织的深浅，而 y 轴自基线向上代表回声振幅的高低。其缺点在于：不能形成直观图形，并且显 8 示器上所显示振幅因受非线性放大及显示压缩等影响，不与真正的回声振幅成正 比关系( 甚至相差甚大) ，因此已被淘汰。 b 型：为辉度调制型( b r i g h t n e s sm o d u l a t i o n ) ，属二维显示，可将回波用光点 形式显示出来。其基本原理为：将单条声束传播途径中遇剑的各个界面所产生的 一系列散射和反射回声，在显示器时间轴上以光点的辉度( 灰度) 表达。与a 型 仪器不同的是，b 型显示器的时间轴在y 轴上。显示光点的辉度与回波强弱成正 比，回声强则亮，回声弱则暗。当探头以不同方式移动扫查时，可形成脏器的二 维切面图像，即为我们通常所说的b 超图像。 m 型：为活动显示型( t i m e m o t i o nm o d e ) 。属一维、光点显示，光点的亮度 代表回声强弱、探头为单晶片。将a 型方法取得的回波信息用亮度调制的方法在 时间轴上加以展开，得到界面运动的轨迹图。用于心脏、胎心、血管检查、显示 心脏、血管结构的活动轨迹曲线，获得的图又称m 型超声心动图。 d 型：属二维显示，即多普勒诊断模式。是利用运动物体反射声波造成的频率 偏移来获取人体运动信息的成像方式。在超声诊断系统中，界面朝向探头运动时， 回声频率增高，正向频移；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。d 型设备主要用于心血管方面，如多普勒 超声心动图，可检测其形态学和血液动力学状况，对于先天性心脏病、风湿性心 脏病、心肌病、冠心病等有很大价值，多与b 型、m 型超声合为一体化设备使用。 多普勒诊断包括以下3 种方式：( a ) 连续多普勒( c w ) ：超声波为连续发射，能准 确测量高速血流，但不能分辨深度：( b ) 脉冲多普勒( p w ) ：超声波为脉冲式发射， 能分辨深度，可测量血流速度，缺点足不能准确测量深部血管高速血流，可能错 误显示为低速血流，又称倒错现象；( c ) 彩色多普勒：可以直观和动态的显示血流 状况，以红、蓝、绿三种基本色来反映血流方向，颜色深浅可反映血流的速度， 颜色的混合可反映湍流，又称彩色多普勒血流现象。其中，连续多普勒和脉冲多 普勒都是以频谱方式显示的。 b 型超声诊断是超声诊断的主要方法，它形成的二维切面图具有直观的优点。 目前，a 型法、m 型法、多普勒法和彩色多普勒血流显示基本上都要与b 型法相 结合才能充分发挥作用。而三维成像也是在b 型法的基础上进行计算机重建。 2 1 3 全数字超声诊断的系统设计 人体不同类型组织之问、病理组织与止常组织之间具有不同的声阻抗，即其声 学特性存在差异，当入射的超声波进入相邻的两种组织或器官时，就会出现声阻 抗差，当此差值 0 1 时，通过这两种组织的交界面上的超声波就会发生反射和折 9 射。因而当声波穿过时在两种组织之间就形成了声学界面，不同组织又表现j 十 不 同的回声。这种不同的反射与衰减是构成超声图像的基础。将接收到的回声，根 据回声强弱，用明暗不同的光点依次显示在显示屏上，则可显示出人体的断面超 声图像，称为声像图。声像图能显示出脏器的界面和组织内部的细微结构，因此 可作为诊断的依据。 用于医学诊疗领域的超声仪器主要分为超声治疗设备和超声诊断设备，分属于 功率超声和检测超声领域。自从1 9 8 8 年美国a t l 实验室研制成功全1 廿= 界第一台数 字化超声诊断设备以来，数字化超声系统以其优良的性能为临床医生们的诊断提 供了方便，迅速在医院推广使用开来，同时也被从事超声技术研究的人士所关注 并广泛开展研究。但是，不管技术怎么改变，作用于人体的超声信号特性是不变 的，凶此数字化超声设备的信号处理环节与模拟设备是相同的，不i 司的只是功能 实现的途径不同而已，所以在数字化超声设备推出初期，虽然技术方案受到当时 的集成芯片制造技术的限制而落后，但是它的信号处理技术及其思想至今仍有许 多可取之处，甚至至今还在使用。 由第一章的分析可知，超声诊断仪的数字化过程分为两个阶段。第一阶段是后 端数宁化，从广义上来说即所谓的数宁扫描变换器( d s c ，d i g i t a ls c a nc o n v e r s i o n ) ， 即早期的超声诊断系统。第二阶段是前端数字化，即发射和接收通过数字延迟的 方式实现电子聚焦，聚焦精度更高，参数的调整更为方便，同时也为编码激励、 合成孔径成像等新技术的实现提供了硬件平台。前端的数字化可以说是超声诊断 仪的一次划时代的革命，系统的带宽和图像的质量都有了大幅度的提高，具有数 字化前端的超声诊断仪通常被称为全数字超声诊断仪。 依据超声波的基本传播及处理过程，成像系统的典型结构可由四部分组成：超 声探头、前端处理、后端处理和显像，系统框图如图2 1 所示。系统工作过程为： 发射声束形成模块产生的高压电脉冲经探头转换成超声脉冲，该超声脉冲在人体 组织中传播时产生反射和衰减，反射波经探头转换成回波电信号，前端模块对采 集到的同波信号进行声束形成，包括动态孔径、动态聚焦等，经过前端处理的信 号进入后端处理，经过动态滤波、t g c 补偿、对数压缩、灰阶变换、帧相关等操 作，产生的信号按照极坐标的方式存入图像存储器，显示模块根据坐标变换结果 从图像存储器中读出数据显示出来。 从图中可以看出，超声诊断系统主要由主机和换能器组成。其中，换能器即超 声探头，主机部分由前端处理、后端处理及显像等几部分组成。 l o j e 夏g 逼左生亟土堂鱼监塞 金熬主超堕选逝垂荭霆羞壁拄盎 图2i 超声诊断系统原理框图 f i g , 21f u n c t l o n a l b l o c k d i a g r a mo f u l t r o n i c d i a g n o s t i cs y s t e m 2 2全数字超声诊断系统的关键技术 2 2 1 换能器技术 1 压电效应 超声波的发射与接收是依据压电效应原理完成的，其麒理蜘图2 2 所示，图中 实线代表影变前的情况，虚线代表形变后的情况。 嵯 ( a ) 正压电效应示意图 ( b ) 逆压电效应示意图 ( a ) s k e t c ho f d i r e c t p i e z o e l e c t r i ce f f e c t伯) s k e t c h o f r e v e r s e dp i e z o e l c e t r i ce f f e c t 图2 2 压电效应原理图 f i g22s c h e m a t i c d i a g r a mo f p i e z o e l e e t t i c e f f e c t 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，晶体的两侧表面上会出现相反的电荷。反之，如将此晶体至于 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 睁鉴气 舒张。这种压力与电荷互相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，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，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。 2 探头 超声换能器又称探头。由天然或人丁的压电晶片组成，其作用为发射超声波和 接收回声信号。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。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h z 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i 一的组织构成的界面时，产生反射。反射回声到达探头后，沿压电 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，以不同的方式显示于显示屏上， 即形成代表界面回升的不同类型的超声。 换能器的性能指标对超声成像系统的性能起着制约性作用，其频率特性是整个 超声系统的主要带限部件。目前一般探头的相对带宽为5 0 左右。获得超宽频带 换能器的主要技术难点是在压电振予表面制作多层旯4 匹配层，个匹配层的声阻 抗及其厚度的误差要求十分严格，层次越多，要求越严。目前，a t l 公司下属的 e c h o 公司已开发出相对带宽在9 0 以上，工作频带在2 1 2 m h z 的各类探头。本 文的信号滤波、坐标变换及数据传输等部分都是以1 0 m h z 的高频探头为基础进行 设计。 2 2 2 数字波束合成 接收通道收到回波信号并对其进行隔离前置预放和整序、a d 采样等基本处理 之后进入数字波束合成模块。 当使用多阵元探头成像时，图像数据是靠对多个通道接收到的数据进行合成得 到的，因而图像质量的高低取决于波束合成的质量。多波束合成的功能主要是对 接收到的各通道超声同波信号进行延时求和，从而实现动态聚焦、动态变迹以及 动态孔径，延时精度决定了合成波束的好坏。因为动态聚焦的延时精度直接关系 到整个系统的性能，所以可以说数字声束合成器是数字化超声诊断系统的核心部 件。 无论在发射模块还是在接收模块，声束的聚焦都是通过控制各个通道的电子延 时实现，本文以如图2 3 所示的5 阵元线阵换能器为例来说明。其发射顺序为，位 1 2 于换能器边沿的2 、2 阵元首先被同时激励产生超声发射；经定延时后，第1 、1 号阵元被激励产生超声发射；最后，再经过一定延时，位于换能器中心的第0 号 阵元被激励脉冲触发产生超声发射。这样，所有阵元的合成波阵面将是延时曲线 的二次曲面，从而可以在换能器阵面法线( 对换能器多个阵元进行中心对称的延 时聚焦) 某一距离处出现一个焦域，使各阵元发射的波束在焦点处同相叠加得到 加强，而在焦点以外异相叠加减弱。 ( a ) 发射聚焦( b ) 接收聚焦 ( a ) t r a n s m i t t e db e a mf o c u s i n g ( b ) r e c e i v e db e a mf o c u s i n g 图2 3 超声聚焦示意图 f i g 2 3s k e t c ho fu l t r a s o n o g r a p h yf o c u s i n g 图中p 和f 分别表示焦点和焦距。显而易见，焦点距换能器阵面的距离受各阵 元间激励脉冲延时量的控制，而各阵元的延时时间可由几何光学的原理计算得出： 【。= 矣 1 - 【1 - i - ( 等) 2 】- ) + t o 式( 2 2 ) l1 式中：d 为阵元中心间距，阵元数为n 。 接收电子聚焦的原理和发射聚焦基本相似，各阵元接收回波信号并转变为电信 号后，对各阵元输出电信号按设计的聚焦延迟量进行延迟后叠加求和。得到的信 号在焦点或焦点附近相互叠加增强，而在聚焦区域以外则相互抵消而减弱。根据 此原理，控制孔径中各阵元回波的延时差即可调整接收焦点的位置。对探头的阵 元进行一次激励，只能形成一个发射脉冲，却可以得到一序列的回波信号，所以 对探头进行一次激励只能形成一个发射焦点，却可以形成多个接收焦点，即所谓 的接收动态聚焦，这样可以显著的提高图像的横向分辨率【2 2 j 【2 4 j 。 2 2 3 动态滤波 动态滤波器是为了满足人体组织不同深度对超声回波信号衰减的不同而设计 的，它其实就是一个通带频率可控的选频网络。大量的研究和试验表明，人体组 织对超声的衰减不仅与被探测介质的深度有关，还与超声波的频率有关。无论是 单层匹配超声探头还是多层匹配超声探头，其发射的超声波频谱都并非是单- 频 率，因此接收频率也有一定的带宽。随着频率的升高，介质对高频分量的衰减比 对低频分量的衰减多。因此，在近场，回波频率成分主要集中在频带的高端，随 着探测深度的增加，回波信号频谱的中心频率逐渐向频带低端频移。中心频率的 下移将使横向分辨率恶化。根据超声回波在近场和远场的分布规律特点，选择接