基于FPGA的合成孔径超声成像波束合成设计.docx

文 章 编 号 ：（）基于 的合成孔径超声成像波束合成设计王东亚，于成龙，彭虎，（中国科学技术大学电子科学与技术系 ，安 徽 合 肥 ；合肥工业大学医学工程学院 ，安 徽 合 肥 ）摘要：合成孔径超声成像，因其可以利用少量超声传感器得到高分辨率及高对比度超声图像而成为 现代数字医学超声成像常采用的方法传统合成孔 径 方 法 的 复 杂 性 限 制 了 实 时 成 像 系 统 的 成 像 速 度对比传统的定制目标区域及非均匀采样的成像方法，利用高速数字电路设计出了应用于多阵元 合成孔径超声成像系统的均匀 采 样 波 束 合 成 算 法，并 利 用 现 场 可 编 程 门 阵 列 （）技 术 进 行 硬件实现使 用 公 司 的 系 列 芯 片，利 用 同 步 动 态 随 机 存 储 器（）存储回波数据，数据经延时叠加及加权处理后通过 送入 端成 像系 统 测 试 结 果 表明：采用流水线结构及并行数字电路， 可以在高速时钟下完成合成孔径超声成像的波束 合 成算法，结果精确高效，可以运用于实时成像系统关键词：超声成像；波束形成；延时叠加；中图分类号： 文献标识码： ：引 用 格 式 ： ， ， ，（）： 王东 亚 ，于 成 龙 ，彭 虎 基 于 的合成孔径超 声成像波束合成设计 中国科学技术大学学报 ， ，（）： ， ， ，（，； ，）： ， （） （）， 收 稿 日 期 ：；修 回 日 期 ：基 金 项 目 ：国家自然科学基金（，），国家重大科学仪器设备开发专项（，）资 助 作 者 简 介 ：王 东 亚 ，男 ，年 生 ，硕 士 生 研 究 方 向 ：生 物 医 学 工 程 ：通 讯 作 者 ：彭 虎 ，博 士教 授 ：中国科学技术大学学 报第 卷， ：； （）引言合成孔径超声成像是现代数字超声诊断 常 用 的超声成像算法，其采用了合成孔径的思想 ，利用多 次发射超声信号及接收回波信号从而得到目标成像 区域的一幅图像，降低了通道数量，并大大提高了成 像分辨率和对比 度延时叠加波的 束形成是合成孔 径成像中的关键 部 分 ，包含了发射延时聚焦及接收 多阵元合成孔径成像方法 多阵元合成孔径成像原理多阵元 合 成 孔 径 聚 焦 （）成 像 系 统 在 发 射波形时由几个 阵元同时进行延迟发射 ，对 应 也 有 几个阵元同时进 行 延 迟 接 收 ，一般发射与接收阵元 数目相同，称为一组阵元，或叫做子孔径 多阵元合成孔径聚焦表示为（，）延时聚焦传统的 延时叠加方式是 对目标成像区域 的所有成像点发 射 聚 焦 ，再对回波数据进行接收聚 焦，需要进行大量的发射与接收 ，同时需要处理大量 的计算，这在实际情况下很难实现 ，所以常将接收的回波数据在计算机终端处理成像 目前，国外多采用 ， （ ，（） 式中，（）表示第 个 子 孔 径 发 射、第 个 阵 元 接收的回波信号； 表示 阵 元 总 数； 表 示 超 声 波 从 场点到传感器阵列 坐 标 原 点 的 传 播 时 间 ； 表 示 第 个子孔径发射时的 延 迟 时 间 ；， 表 示 第个 子 孔合成孔径方法来实现实时超声成像国外 已 经 在径接收时，子孔径中第个阵元的接收延迟时间 超声 成 像 系 统 中 添 加 现 场 可 编 程 门 阵 列 （，）作为核心器件，多 用 于 数据 采集及插值处理，以 减 少 对 回 波 数 据 的存储量有的研究在 内 部 进 行 非 均 匀 延 时 聚如图所示，共 个阵 元，设 子 孔 径 大 小 为 ， 子孔径个数 以 个 阵 元 中 心 为 原 点，则第 个子孔径的中心位置是 （）焦，不过系统 十 分 复 杂，计 算 实 时 性 较 差，不 利 于 实际应用国 内 也 开 始 利 用 做 波 束 合 成，采（发射延迟时间为 ）用了非均匀采样延时叠加方法 ，控制 采用 的 延 （）时 精 度，与 国 外 研 究 类 似这 些 方 法 利 用 数字电路精确控制延时 ，实现延时叠加，这对延时精度有很高的要求，限制了实际成像的速率 本文在多 接收延迟时间为（） 阵元合成孔径成 像 的 基 础 上 ，对延 时叠加波束的形 ， （）（）成进行了一定的简化 ，能 够 方 便 地 利 用 技 术 实现波束形成算法 ，通 过 在 内 部 设 计 流 水 线 计算延时值，灵活方便，充分利用数字电路系统的灵 活性本文中考虑到系统的灵活可控 ，在对接收回波数据 进 行 波 束 合 成 时，采 用 了 均 匀 采 样 方 法，利 用 内部延时叠加 算 法，对 统 一 采 样 的数据进行处理 得 到 聚 焦 波 束 ，因 此不需要考虑接 收聚焦时的 延时精度问题，仅需要提供足 够 的 存 储 采 样 数 据，这 能 够 实 现 对 一 次 发 射 采 集的 数 据 按 照 需 要 处 理 得 到 不 同 目 标 区 域 不 同 精 度 的 图 像 数 据 ，同时可以作为高帧 率 实 时 超 声 成 像 方 案 ， 图 多阵元合成孔径波束聚焦 第 期基 于 的 合 成 孔 径 超 声 成 像 波 束 合 成 设 计通过式（）和式（），可 以 计 算 出每个探头的聚焦深 度区域的发射延时数据和接收延时数据 接收聚焦实现利用 工 具仿 真 得 到 数 据 集，选 取 了 个阵元子孔径发射接收，每 次 对 接 收 回 波 进 行 采样 得 到个 数 据共 数据，对 此 数 据集进行延时叠加实现 接收聚焦相关参数选取：声速 ，从 发 射 到 每个阵元 开 始 接 收 延 时 为 ， 采样频率 ，阵元中心间距 ，成 像 区 间深度截 取 了 到 之 间，设 置 了 个 散 射点如图所示，对于阵元的子孔径，在发射聚焦 时，实际发射聚焦点为子孔径垂直中心区域 ，所以在 接收时针对垂直 中心的细小 区域进行接收聚焦 由 于发射波束的选 取， 阵 元 实 际 聚 焦 区 域 为 中 心 探头垂直区域的一 条 直 线 子孔径的移动实现了整个 成像 区域的聚焦成像 要 对 到 之 间 的 直 线 区间 实 现 接 收 聚 焦，选 取 实 际 成 像 点 间 隔 为 ，先计算 与 间 有 多 少 个 成 像 点，然 后 计 算 出每个成像点 与 每 个 阵 元 的 距 离，每 个 阵 元对于每个聚焦点的接收延时时间可以计算 ：图 阵 元 声 束 聚 焦 图所示在 内部需 要 实 现 不 同 的 驱 动 控 制 及数据处理 算 法，实 现 波 束 形 成 作 为 通 信 方 式，可以实现与 的交互对 于 发 射 聚 焦 一 点 而 接 收聚焦多点的成像系统 ，其发射聚焦容易实现，而且不需要做很多变化 ，关键在于回波数据的采集 ，因为 不同的深度及成 像区间需要采样不同的数据 ，采 样 间隔及采样的长 度 都 会 有 变 化 本系统则在子孔径 接收波束时不选择延时 采样，而是均同时 采 取 数据，然后 在 内部实现延时叠 加 算法 ，查 找 每个 采样数据区内的延时对应的值 ，作为 子 孔 径延时采样的数据 ，进而实现接收聚焦这样只需要 改变算法的参数 就能实现不同需求的成像 ，且 成 像 方式简单， ， （）那么其对应的 采样深度内的延时查找值为 （， ）（） 式 中，是 从 发 射 到子孔 径 开始同时接收的延 迟时间； 是 采 样 频 率通 过 图 可 以 看 出， 个阵元以聚焦线 为 轴 对 称 所以只 需要计算出上半 部的个阵元对应的延时值即可 ，再通过式（）和式（）计算出延时值延时值对应着阵元 接收成像点 点反射的回波 数 据 在 采 样 的个 数 据 里 面的 偏 移 位 置， 个阵元均查 找到各自的偏移 值 之 后乘上加权数据后累加即得到了 点的成像数据系统实现 系统电路设计基于 系统实现 合 成 孔 径 聚 焦 成 像，需 根 据式（）和式（）计 算 出 延 时 数 据，存 储 在 内 部的 ，通过 的控制，在 接收回波时进行 接收聚焦对于超声成像系统 ，实现方式一般是在数 字波 束 送 入 时 进 行 延 时 控 制， 采 集 回 波 时进行延时控制，多阵元合成孔径 超声成像系统如 图 多阵元合成孔径成像系统 本系 统 中，利 用 仿 真 工 具 得 到 了 发 射 聚 焦后的接收回波 数 据 ，这些数据需要存储在 的 ，考 虑 到 内 部 存 储 资 源 有 限 及 本系统仅验证算 法 的有效 性 ，选 择 了 片 外 ，同时 利 用 一 款 控制芯片来实现 与 数据通 信 芯 片 选 取 了 公 司 的中国科学技术大学学 报第 卷 系列的 ， 控 制 芯 片 选 取 了 的 ，板 上 存 储 芯 片 选取了 的 ，其 含 有 的 存 储 空 间，最 高 时 钟 速 率 可 达 到 逻辑设计围绕着硬件电路，主要设计了以下逻辑模块 ：通 信及 存 储 模 块，包 括 读 写 和 读 写 控 制及 缓存，延时值计算及延时叠加算法模块 通信及存储模块 读写接 口，通 过 对 控制芯片的固件 编程，选 取 传 输 模 式 为 同 步 传 输 模 式 ，由 控制芯片提供同 步 时 钟 给 通 过 设 计 读 写状态机实现数据的快 速 传 输 ， 转 换 的 回 波 数 据或 发 送 的 仿 真 回 波 数 据 经 送 入 的缓冲 ，之 后 送 入 以地址递增的顺 序存储 读写 控制模 块 分为如下几个子模 块：命令控制模块、启动到读 写状态转换模块 、地 址产生模块及读写 请 求 产 生 模 块 ，数 据缓冲模块是为 数据与 数据、 数据与 数 据跨时钟读写而设计，供数据读写缓冲 延时值计算本 系 统 设 计 的 一 个 目 的 是 为 了 在 内 部 通过直接计算得 到 延 时 值 ，而非将 计算好的延时值 存储在 的 中 供 查 找，这样提高成像的 灵活性，便于在改 变发射聚焦参数 后使接收聚焦也 做出相应变动根据 上 面 的 式 （）计 算 延 时 数 据在 内部实现计算，需要简化计算方法，设计出 高 效的流水线于是可以将式（）变换为 ， 内部调用了个图所示的延时计算模块并行计算 延时值，分别对应了子孔径 中 一 侧 的 个 阵 元图 所示的延时值计 算模块采用了流水线 ，为 下 面 的 延 时叠加算法提供 延 时 值 计算得到的延时值存储在 中，供后续查找读取，计算过程如图所示图 延 时 值 计 算 流 水 线 延时叠加流水线设计延时叠 加 流 水 线 如 图 所 示， 分 别 为 计算出的阵元到 与成像点的查找延迟数据 ，经 过地址映射变 为 对 应 内 存 地 址 ，然 后 从 查 找对应地址存储的值即 是 所 需 要 的 回 波 数 据 ，分别 乘 上 对应的加权系数 得 到 ，依 次 累 加 存 储 在 寄 存 器 中， 个 值 累 加存储到寄存器 ，沿着一条聚焦线完成所 有 成 像 点的延时 叠 加之 后，子 孔 径 位 置 位 移 一 个 阵 元 单 位 为 ， 的 地 址 为 地 址，行地址，列地址，共，由 计 数 器 及 移 位 寄 存 器将延时 值 转 换 为 地 址，然 后 读 取 数据得到 数据送入 缓 存 供 写入（ ） （， ） 结果分析（ ） 对 延时 叠 加算法的仿真结 果 ：利 用（）因为 和 都 是 常 数，超 声 参 数 选 定 后，仅 计 算式（）的 第 一 项 即 可 是接收聚焦成像点的深 度， 为起始点深度， 是成像点轴向 间隔距离所以针对不同的 深 度 ，只 需 要 改 变 计 数 的大小即 可 计 算 出 目 标 成 像 点 的 延 时 值 ， 是 存 储在 内部的 中可见 计算一个阵元接 收一个成像点的 延 时 值 需 要 两 个 加 法 器 、两 个 乘 法器在计算中，所有浮点数据量化为位或位二 进制数据，再对计算结果截取有效值 计算一条聚焦 线的 成 像 点 的 延 时 值 的 流 程 如 图 所 示在 环境编写了延时叠加算法的实现，将路通 道的延时值并 行 计 算，然 后 查 找 存 储 的 回 波 数 据，乘 上各个通道的 加 权 值（此 处 均 简 化 为 ）后 累 加图 所示 为 验 证 延 时 叠 加 的算法的时序 仿 真， 为延时值对应的 路 通 道 采 样 的 值， 即为合成数据时序结果 得 到 的 数 据 与 计 算 机计算数据对比完全一致，验证了算法的有效性（）在 模型参数设置的时候 ，采 用 图 的原型，超声辐射场内存在个散射点 ，合 成孔径传感器发 射和接收会对场内成像 ，成 像 区 域第 期基 于 的 合 成 孔 径 超 声 成 像 波 束 合 成 设 计图 延时叠加流水线 图 延时叠加时序仿真 选取了 区间，可知个散射点 均 在 区 域 内， 按 照 图 的 流 水 线 进 行 均 匀 采 样 延 时 叠 加波束合成，最后 得到了经过接收 聚焦和幅度变迹 后的图像数据，在计算机端 显 示 的 图 像 如 图 （）所 示图 （）是 仿 真 数 据 原 型 经 计 算 机 处 理 得到的图像，在参数选取的时候没有设置发射聚焦 ，所以图（）中个散射 点 处 的 横 向 分 辨 率 低，但 是 不影响接收聚焦观 察 处 理 得 到 的 图 （）， 在，和 处均有亮纹，即个散射物体，说 明实现了接收聚焦，同时采用幅度变迹突出了聚焦中 心的主瓣，散射点中心位置的轴向分辨率有提高（）延时叠加流水线效 率：超 声成像的帧率与 成像的深度和数 据 采 集 及 处 理 的 速 度 有 关 本 文 设 计的流水线保证了子孔径接收聚焦的处理速度能够 满足要求实 际 仿 真 区 间 成 像 点 数 有 ，即 一条聚焦线计算 个 成 像 点， 在 主频下完成 聚 焦 只 需 ，一 幅 图 像 只 需 同样的数据在计算机中 处 理 时 则 无 法 遵 照 流 水图 成 像 原 型 线完成，每实现一 个点聚焦都需要按顺序完成乘加 运 算，耗时较大，实际利用的 ，单线程 情况下耗时而使用 流水线，即使成像 深度扩展到 ，一 条 聚 焦 线 成 像 点 数 扩 大 倍，也只需要 ，满足高帧率的处理要求 结论本 文 设 计 的 系 统 实 现 了 一 种 波 束 合 成 方 案 ，从 结果中可以看到，在 内 部 即 可 实 现 回 波 数 据 的延时叠加，减少了对非均匀 采样做精确 延 时 处理，这可以应用于实时合成孔径超声成像系统 在实时合成孔径 超 声 成 像 系 统 中 ，片 外 会 大大降低数据 的 处 理 速 度 随 着 技 术 的 发 展， 综合考虑成本 及 效 率 后 ，可 以 选 取 内 部 量 大 的 芯片，将子孔径采 集 到 的 回 波 数 据 存 储 于 内在多阵元合成孔 径 成像中 ，多 路 采