（电路与系统专业论文）超声瞬时弹性成像数据采集系统的研究.pdf

摘要 随着集成电子技术和计算机技术的快速发展，超声弹性成像技术采用了大量 的电子和信号处理方面的科技成果，并结合了先进的处理器，实现了超声弹性成 像系统的高精度、高分辨率。在超声系统检测仪的设计和实现中，e d a 技术与 f p g a 器件作为一种先进、便捷、高效的设计手段，得到了广泛的应用。以f p g a 为代表的可编程逻辑器件的迅速发展，使得传统的电路设计发生了较大的变化， 在产品的研发过程中，不再是单一的使用模拟电路或者数字电路，而是可以将所 设计系统的功能模块设计成为用户定制的专用集成电路，选择用f p g a 和u s b 2 0 相结合来实现超声检测仪的数据采集与传输系统则是一种全新的应用。 本文简要介绍了肝硬化检测仪中超声瞬时弹性成像技术，并结合国内外的超 声瞬时弹性成像技术，设计出了一种超声信号采集与传输系统模块，并对该系统 模块做了详细的介绍。该系统的设计方案具有超声成像系统的高精度、高分辨力， 同时具有较高的数据传输速率，可以满足大量数据传输的情况，另外还可以通过 修改相关软件的配置进而对其功能进行扩展，获取相关检测信息。 本课题对肝硬化检测仪中的数据采集与传输系统进行研究，该数据采集与传 输系统主要包括硬件电路设计和软件编程。硬件电路设计主要包括a d 转换电 路设计、模拟开关电路设计、模拟输入电路设计、时钟输入电路设计以及f p g a 控制模块、u s b 2 0 传输模块、电源转换电路设计等电路设计。软件编程主要包 括f p g a 对a d 的控制、f i f o 模块的实现、c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的固件程序编写、上 位机读取数据以及相关图形显示的操作界面设计。 通过硬件与软件相结合的方式进行系统功能测试与性能分析，结果表明该数 据采集与传输系统的设计可以实现超声瞬时弹性成像数据采集与传输的要求，达 到了设计的效果。 最后，对本课题的研究情况进行了总结，同时进一步对本课题的研究方向做 出了展望。 关键词：超声检测；信号采集；f p g a ；u s b a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e de l e c t r o n i ca n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ， u l t r a s o n i ce l a s t o g r a p h yt e c h n o l o g yu s e dal o to fe l e c t r o n i ca n ds i g n a lp r o c e s s i n g a s p e c t so fs c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a la c h i e v e m e n t s ，a n dc o m b i n e d 谢廿la d v a n c e d p r o c e s s o r , r e a l i z e t h eu l t r a s o n i ce l a s t o g r a p h ys y s t e m o f h i g hp r e c i s i o n , h i g hr e s o l u t i o n i nu l t r a s o n i ct e s t m gs y s t e mo fd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n , e d at e c h n o l o g ya n d f p g ad e v i c ea sa na d v a n c e d , c o n v e n i e n ta n de f f i c i e n td e s i g nm e t h o d ，h a sb e e nw i d e l y u s e d t h er a p i dd e v e l o p m e n to ff p g a 弱t h e p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，m a k i n g t h et r a d i t i o n a lc i r c u i t d e s i g n o ft h el a r g e rc h a n g e si nt h ep r o d u c t d e v e l o p m e n t p r o c e s si sn ol o n g e ras i n g l eu s eo fa n a l o gc i r c u i t so rd i g i t a lc i r c u i t s ，b u tc a nh a v e d e s i g ns y s t e mf u n c t i o nm o d u l ed e s i g nb ec u s t o m i z e ds p e c i a li n t e g r a t e dc i r c u i t s ， c h o o s ef p g aa n du s b 2 0c o m b i n a t i o no fd a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n s y s t e mo f t h eu l t r a s o n i cd e t e c t o ri san e w a p p l i c a t i o n t h i s p a p e rb r i e f l y i n t r o d u c e st h ef i v e rc i r r h o s i si ni n s t a n t a n e o u sd e t e c t o r u l t r a s o u n de l a s t o g r a p h yt e c h n o l o g y ，c o m b i n i n gd o m e s t i ca n df o r e i g nu l t r a s o n i c t r a n s i e n te l a s t o g r a p h yt e c h n o l o g y , d e s i g n e dau l t r a s o n i c s i 粤谢a c q u i s i t i o na n d t r a n s m i s s i o ns y s t e mm o d u l e ，a n dt h es y s t e mm o d u l ea l ed e s c r i b e di nd e t a i l t h e d e s i g no ft h es y s t e ms o l u t i o nh a st h eu l t r a s o n i ci m a 西n gs y s t e mo fh i 曲p r e c i s i o n , l l i g hr e s o l u t i o n , a n dh a sh i g hd a t ar a t e ，c a ns a t i s f yl a r g ea m o u n t so fd a t at r a n s m i s s i o n , i tw a sa l s ot h r o u g ht h em o d i f i c a t i o no fr e l a t e ds o f t w a r ec o n f i g u r a t i o na n dt h ef u n c t i o n e x p a n s i o n , a c c e s st or e l e v a n ti n f o r m a t i o n d e t e c t i o n t h i sp a p e ri nl i v e rc i r r h o s i so ft h ed e t e c t o rd a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n s y s t e mf o rr e s e a r c h , t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mm a i n l yi n c l u d e h a r d w a r ec i r c u i ta n dt h es o f t w a r ep r o g r a m m i n gd e s i g n h a r d w a r ec i r c u i t d e s i g n i n c l u d e sa dc o n v e r s i o nc i r c u i td e s i g n ，a n a l o gs w i t c hc i r c u i td e s i g n ，t h ea n a l o gm p u t c i r c u i td e s i g n , t h ec l o c ki n p u tc i r c u i td e s i g na n df p g ac o n t r o lm o d u l e ，u s b 2 0 t r a n s m i s s i o n m o d u l e ，s w i t c h i n gp o w e r c i r c u i t d e s i g nc i r c u i td e s i g n s o f t w a r e p r o g r a m m i n gm a i n l y i n c l u d e st h ef p g ac o n t r o lt h e a d ，t h em o d u l ef i f o ， c y 7 c 6 8 013 af i r m w a r ep r o g r a m m i n g ，p cr e a d st h ed a t aa n dr e l a t e dg r a p h i cd i s p l a y n i n t e r f a e ed e s i g n t h r o u g ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo nt h ew a y o ft h ec o m b i n a t i o no ft h es y s t e m f u n c t i o nt e s ta n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed a t ac o l l e c t i o n a n dt r a n s m i s s i o ns y s t e md e s i g nc a nr e a l i z et h eu l t r a s o n i ct r a n s i e n te l a s t o g r a p h yd a t a a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o nr e q u i r e m e n t so f t h ed e s i g n ，u pt ot h ee f f e c t f i n a l l y ，t h e r e s e a r c hs i t u a t i o no ft h i sp r o j e c ta r es u m m a r i z e d ，a n df u r t h e r r e s e a r c hd i r e c t i o no ft h i sp r o j e c tm a d eap m s p c c t k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cd e t e c t i o n ；s i g n a la c q u i s i t i o n ；f p g a ；u s b i i i 武汉理r 大学硕十学位论文 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 课题来源：中国科学院深圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所国家 自然科学基金项目( 编号：1 0 9 0 4 0 9 4 ，1 0 9 0 4 0 9 5 ) ，国家“九七三”重点基础研究发展 计划项目( 编号：2 0 1 0 c b 7 3 2 6 0 4 ，2 0 1 0 c b 7 3 2 6 0 5 ) 。 超声弹性成像是2 0 世纪9 0 年代初由美国学者j o p h i r 首先提出的一种新超 声成像，其实质是超声组织定征技术的进一步拓展。超声弹性成像技术以软组织 的杨氏模量和剪切模量以及应力与应变等软组织弹性参量作为成像的对象。它的 突出优点是对组织硬度差异分辨能力强，能弥补常规超声成像方式对声阻抗差异 较小的软组织分辨能力有限的不足。超声弹性成像技术不仅可以提供一些以软组 织( 如乳房、肝脏、肌肉、眼睛、胰腺等) 的弹性为基础的病变诊断信息，而且 在动物科学和食品科学中也具有潜在的应用价值。 超声瞬时弹性成像( t r a n s i e n te l a s o g r a p h y ，t e ) 系统是一种新型的肝纤维化检 测系统，是一项建立在超声诊断基础上的简单、迅速、可重复性强的非侵袭性新 技术，通过测定肝脏瞬时弹性成像图谱来反映肝脏的实质硬度【l 】，当肝组织出现 纤维化病理改变时，可评估肝脏纤维化的程度并进行定量分级【2 】。近年来利用瞬 时弹性成像技术测量肝脏硬度( l i v e rs t i f f n e s sm e a s u r e m e n t ，l s m ) 来评估肝纤维 化的程度，是一种无创、无痛、快速、简单、客观、定量检测肝纤维化的方法， 是肝纤维化评价的一个重要研究方向，将可能挑战活检在肝纤维化评估中的地 位，其中法国e c h o s e n s 公司研制的超声瞬时弹性成像系统被称为f i b r o s e a n l 3 1 。 近几年来，此项技术在我国蓬勃开展，尚需可靠临床数据力争推出我国有关超声 瞬时弹性成像技术在肝纤维化诊断中应用的权威性指南。 肝硬化和肝癌是较为严重的肝脏疾病，而肝纤维化是它们发展的初期阶段。 因此，肝纤维化的初期检测与诊断以及治疗对于预防肝硬化和肝癌有重要意义。 肝纤维化( h e p a t i cf i b r o s i s ) 是指肝脏内过量的胶原沉积，它是造成细胞外基质 ( e c m ) 合成过多或降减不足的结果，从而导致肝纤维化组织过度积淀【4 】。肝纤 维化是许多肝脏疾病尤其是各种慢性肝病的常见和共同的病理转归，其形成与发 展是一个动态的病理过程1 5 j 。肝纤维化既是一种代偿修复反应，又是肝损伤的一 武汉理工大学硕+ 学位论文 种促进因素，这种动态演变过程是慢性肝病的共同特征【6 l 。各种病因引起的慢性 肝病绝大多数都伴随有肝纤维化，其中2 5 4 0 的肝纤维化最终发展为肝硬化 以至肝癌【7 】。一直以来，人们普遍认为肝纤维化不可逆转，其发展趋势就是慢性 肝病一肝纤维化一肝硬化_ 肝癌。近几年来的研究已经表明肝纤维化在某些特定 情况下是可逆转的【s 】f 9 l ，但如若病因一直持续存在，肝纤维化最终也将发展为不 可逆转的肝硬化。肝脏疾病发展为肝纤维化通常是一个缓慢而长期的过程，没有 明显的症状。因此，肝纤维化的早期检测与诊断以及肝纤维化程度的量化对及时 预防和治疗有显著的作用，同时对逆转肝纤维化的发展和预防肝硬化乃至肝癌也 具有十分重要的意义。 目前，全世界有各种肝脏疾病的患者有2 0 多亿，其中乙肝病毒感染者约有 3 5 亿，丙肝病毒感染者近2 亿，再加上其他一些病毒性慢性肝病( 丁型) 和非 病毒性慢性肝病( 如酒精性肝病) ，全世界每年死于肝硬化及肝癌的患者达数百 万人。我国是乙肝病毒感染高流行区，约有1 2 亿乙肝病毒感染者，占总人口的 1 1 0 ，是当前我国人民健康的一个严重威胁，也是一个严重的社会问题。由此可 见，肝纤维化无创检测技术的研究和相应设备的开发具有重要的社会价值和经济 价值。 1 2 国内外研究现状 为了更好的对肝纤维化进行量化，国内外按照肝纤维化的严重程度进行了一 定的分级。如大家普遍接受的m e t a v i r 经典分纠加l ，他通过组织学的方法对肝纤 维化的过程进行分期，f 0 表示为无纤维化，f l 表示为轻度纤维化，f 2 表示为中 度纤维化，f 3 表示为重度纤维化，f 4 表示为肝硬化。目前，我国一般采用2 0 0 0 年中华医学会、传染性疾病和寄生虫病学分会以及肝病学分会等机构联合修订后 推出的病毒性肝炎防治方案【1 1 1 ，将肝炎性肝纤维化的病理诊断分为从无纤维化到 肝硬化等5 期，分别表示为s o s 4 。 目前肝纤维化检测的“金标准”依然是肝活体病理组织学检查。它通过肝穿刺 ( 如图1 1 ) 的方法获得肝活检标本，然后对标本进行连续切片、染色、检查。 然而肝活体病理组织学检查有其显著的缺点【1 2 1 1 1 3 l ：第一，它是一种有创的检查， 可能引起局部的疼痛( 2 4 6 ) ，严重的时候甚至危及生命的并发症( o 3 1 ) ， 因而在临床的应用上将受到极大的限制并且难以重复进行，若没有明显的临床症 状，患者一般都难以接受；第二，由于纤维化分布的不均匀性以及肝穿刺的软体 2 武汉理一j 大学硕： ：学位论文 组织只占整个肝脏的1 5 0 0 0 0 ，这样将会导致肝穿的活检会存在取样的误差 ( 1 0 - - 4 5 ) ，势必会影响其检测的准确性；第三，病理观察者之间对诊断的 结果在认识程度上也存在一定的差异，这样在纤维化的定性分级上就会产生差 异，势必给患者在心里承受力上也造成了一定的负面影响【1 4 1 2 s l 。 图1 一l 肝穿刺示意图图1 2 肝组织病理图 近几年来，国内外学者纷纷致力于无创性肝纤维化检测方法的研究，发现临 床、影像和生化及综合评估等在肝纤维化的评估方面具有重要的参考价值。 临床评估通常包括相关病因、年龄、性别、病程、发病过程、治疗情况以及 临床表现等观察参数i l 引，通过对这些临床的观察参数进行整合后综合评定来判断 肝纤维化的程度。这种方法包含相当的经验性和主观性，在临床上还是缺乏足够 的准确度，只能作为一种辅助手段和方法。 影像学评估方法如超声成像、计算机断层扫描、磁共振成像等各种影像手段 互为补充，大大提高了对肝脏疾病的诊断水平。目前来看，作为肝纤维化的影像 学诊断仍以b 超最为常见，但尚未有比较敏感和特异的指标【15 1 。主要原因就是 当肝组织出现纤维化病理改变时，组织的声界面阻抗差异或声散射系数的变化并 不明显，所以反应到b 超图像上与正常肝组织差异不大【1 6 】。 生化指标评估包括血清病原学指标( 如h b e a g 、h b vd n a 等) 、血清肝纤 维化标志物( 如透明质酸h a 、层黏素l n 、i i i 型前胶原肽等) 、相关生化指标 ( 如天冬氨酸氨基转移酶、丫谷氨酰转肽酶、血小板等) 及尿生化指标( 如弹性 蛋白和胶原的降解产物赖氨素和羟赖氨酰吡啶啉) 1 5 j 。目前的研究结果显示，透 明质酸( h a ) 是目前所有肝纤维化血清标志物中最具临床实用价值的一个指标， 血液中透明质酸在肝纤维化早期即见显著增加，可反应肝纤维化的程度、活动性， 对判断预后也有重要的临床意义【l 引。尽管如此，生化指标目前仍然只能作为肝纤 维化或肝硬化的判断标准而不能作为对肝纤维化程度的量化标准【1 7 】。 近十年发展起来的超声瞬时弹性成像技术可以无创和实时的检测软组织的 武汉理1 ：大学硕士学位论文 弹性模量，从而为肝纤维化乃至肝硬化的检测提供了新的研究方向。2 0 0 3 年法 国研究学者s a n d r i n 等团队根据机械波传导的速率与组织硬度相关联的原理，采 用超声瞬时弹性成像的方法【1 8 j 1 1 9 】对肝纤维化进行了检测和量化【2 们，从而证实了 该方法用于肝纤维化和肝硬化检测的可行性和可靠性。由于肝组织的弹性模量随 着肝纤维化的加重而有显著的增大，因此这种方法具有较好的敏感性和特异性。 目前已经通过临床检验，已经获得了广泛的认可，同时该方法与血清学检测的方 法相结合，使之具有了更高的敏感性和可靠性1 2 i j 俐。这种在临床上无创肝纤维 化检测的有效方法，在医学临床上有极好的应用前景，有望取代肝活检成为临床 无创检测肝纤维化的t c 金标准，【2 1 儿2 2 1 2 3 1 1 2 4 1 。 1 3 本文的研究内容 本课题是基于一种低成本健康肝硬化检测仪的超声成像系统设计为基础，将 完成超声诊断仪信号采集的电路设计。超声回波信号采集与传输系统的设计主要 工作在于输入信号的通道选择，模数转换( a d ) 和高速数据传输三大模块的方 案设计。设计和实现超声成像的信号采集硬件电路，主要包括超声的电源电路， 模拟开关电路，a d 转换电路以及核心f p g a 控制部分，并且完成p c b 板的设 计。用f p g a 控制并完成将采集的数据通过u s b 传输到上位机，从而进行进一 步的数据处理，并进行系统测试。 全文共分为六章，其结构与主要内容： 第一章是绪论，介绍了本课题的来源，主要说明了研究的背景与意义以及国 内外的发展现状，最后提出了本文的主要研究内容。 第二章是超声瞬时弹性成像技术及其系统结构，主要介绍了超声瞬时弹性成 像技术及其系统的分类、构成，同时提出了设计系统的相关参数。 第三章是超声信号采集系统硬件设计与实现，主要对信号采集系统硬件的设 计与实现进行了介绍，并重点对系统的各个功能模块进行了阐述。 第四章是系统软件设计，主要介绍了固件程序的功能及其在系统里的作用。 第五章是系统功能测试与性能分析，主要阐述了系统的功能测试情况，进而 作出系统的性能分析。 第六章是总结与展望，主要是对所做的工作进行了总结，并提出了其中的不 足及其以后要改进的地方。 4 武汉理一1 ：大学硕士学位论文 第2 章超声瞬时弹性成像技术及其系统结构 2 1 超声瞬时弹性成像技术 c a t h e l i n e 和s a n d r i n 等研究者提出了基于脉冲振动激励的超声瞬时弹性成像 法( t r a n s i e n te l a s t o g r a p h y ) t 1 9 1 1 2 6 1 。这种方法是通过估计瞬时剪切波在组织内的传 播速度，计算出组织的剪切模量，从而克服了静态弹性成像中应变受边界条件的 影响以及超声弹性成像中相位图和幅度由于波的干涉与衍射将会导致获取的结 果不容易解释的缺点【2 7 1 。超声瞬时弹性成像技术的原理是：将一个单阵元超声换 能器集成到一个低频振荡器的振动轴上，振荡器发生瞬时的低频、低幅振动产生 向人体组织中传播的剪切波，超声换能器以高脉冲重复频率发射接收超声波信 号记录剪切波传播信息，通过弹性成像中的互相关算法处理得到组织应变图，从 而提取出组织弹性模量，用于对肝纤维化程度进行评估和分级。 超声瞬时弹性成像技术如图2 1 所示。 u l 亿蠊如i c 搿i d l o w - f r e q u e t * c y g n a j s 1 ) e d l c a t o d 图2 1 超声瞬时弹性成像技术刚1 9 1 超声瞬时弹性成像技术的优点是不易受病人移动和呼吸以及组织边界条件 等的影响，通过获取组织检测图片的同时也可以获得定量的组织弹性图；缺点是 由于剪切波是由比较笨重的机械振荡器产生的波，同时也不利于操作并且难以扩 展到二维成像，只适用于检测相对均匀的病变组织，如胰腺、肝脏、乳房等组织。 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 超声瞬时弹性成像系统分类 根据低频振荡器和超声换能器固定在不同的位置，超声瞬时弹性成像系统可 以分为透射式弹性成像系统和反射式弹性成像系统。在透射式弹性成像系统中， 低频振荡器固定在组织一侧，用于发射和接收超声信号的超声换能器固定在与低 频振荡器轴向的组织的另一侧；而在反射式弹性成像系统中，用于发射和接收超 声信号的超声换能器与低频振荡器集成在一起，固定在组织的同一侧。两种超声 瞬时弹性成像系统的实验装置及介绍如下。 2 2 1 透射式弹性成像系统 透射式弹性成像系统实验装置如图2 - 2 所示。超声换能器t l 固定在介质的 一侧，用于发射和接收超声波；低频振荡器固定在介质的另一侧，两者都垂直于 介质的表面，超声换能器t 2 固定在低频振荡器的轴向上，其作用类似于一个活 塞式振荡器( 振荡器的位移垂直于活塞表面) ，用于产生低频剪切波。计算机控 制整个成像系统，电子系统控制低频振荡器的发射以及超声波的发射和接收。低 频振荡器的型号是b r u e l & k j a e rm i n i s h a k e rt y p e4 8 1 0 ，低频振荡的中心频率范 围为5 0 2 0 0 h z 。 ；厂 酶ll 竺三竺竺j _ 谬磊 散射子- ： 7 0 m “ 。m h l ；l a )” 图2 2a ) 透射式弹性成像系统实验装置 b ) 超声换能器t l 固定在振荡器的正对介质面 窑 i孽 口ohz低频羡荔器一 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 反射式弹性成像系统 由于在透射式弹性成像系统中需要低频振荡器和超声换能器接触介质的两 个正对面，所以如果应用于临床透射式是不方便的，而反射式则可以避免这个问 题。反射式弹性成像系统实验装置如图2 3 所示。低频振荡器在介质内部产生低 频剪切波，超声换能器t 2 用于发射和接收超声波，同时起到活塞式振荡器的作 用。 在反射式中，由于超声换能器自身的振动，所以无法直接得到剪切波在介质 中产生的绝对位移。剪切波所产生的绝对位移应该等于实验所测得的位移减去超 声换能器自身振动的位移。因此，需要分辨出剪切波产生的位移和测量装置本身 的位移。 伪 o 一、一一 工 低 频 振 a )b ) 图2 3a ) 反射式弹性成像系统实验装置 b ) 超声换能器他固定在振荡器的轴向上 2 3 超声瞬时弹性成像系统构成 m m 超声瞬时弹性成像系统结构主要包括以下几个模块：超声探头( 含低频振荡 器) 、收发电路、保护电路( 高压隔离电路、近场抑制电路) 、l n a ( 低噪放大 器电路) 、f i l t e r ( 滤波器) 、v g a ( 可变增益放大器电路) 、t g c ( 时间增益控制电路) 、 a d ( 模数转换) 、f p g a ( 现场可编程门阵列) 、u s b 2 0 ( 通用串行总线) 、p c ( 计 算机) 等模块。 该超声瞬时弹性成像系统的结构图，如图2 4 所示。 7 武汉理_ 下大学硕士学位论文 图2 4 超声瞬时弹性成像系统结构图 2 3 1 超声瞬时弹性成像系统结构的研究 超声瞬时弹性成像系统中，超声探头是由一个超声换能器集成到一个低频振 荡器的振动轴上构建而成。当振荡器发生低频低幅振动的时候，集成在振荡器振 动轴上的超声换能器向人体组织中传播一个剪切波的信息，同时超声换能器接收 到回波的信号。 收发电路主要是当系统给一个高压脉冲信号的时候，该电路完成信号的发 送与接收的装置。 保护电路主要是由高压隔离电路和近场抑制电路构成，发射的信号( 高压信 号与回波信号) 进入到放大电路，防止因电压信号过高对电路造成损坏而设置的 高压隔离电路。另外，对设计的系统而言，皮肤组织有较强的回波信号，其近场 抑制电路主要是避免超声波在皮肤组织与人体内深度组织的信号产生相互影响。 低噪声的前置放大器( l n a ) 主要是解决放大电路对信号的低噪放大，当发 射的超声波在人体内进行衰减后变得很微弱，一般只有几微伏到十几毫伏，工作 频率为1 m h z 至1 5 m h z ，这么小的信号很容易被系统附带的噪声所覆盖，因此 在系统设计中要求必须有一定的信噪比。若使用单一的增益放大器，噪声与信号 会一起被放大，势必影响测量的结果，那么就要求放大电路对回波信号有一个低 噪声的前置放大功能。 滤波器( f i l t e r ) 主要是在超声前端系统里滤除引入的噪声，因为前段元器 件的特性决定了系统的性能特性，若在前端产生了相关的噪声和失真，那么在后 续部分就很难滤除该部分的噪声，因此在前端就将该引入的噪声进行了滤除和控 制。 此外，超声波到达人体内的深度不同，其衰减也不一样，随入射深度的增加 8 武汉理 二大学硕十学位论文 回波信号将逐渐减弱。因此我们就需要采用一种时间增益控制( t ( 论) 的放大器 和可变增益放大器( v g a ) 来平衡不同深度下信号的幅度。 可变增益放大器( v g a ) 主要是为了便于观察人体的组织结构，消除超声 波在人体内传输时问的影响，对回波信号进行不同幅度的增益进行了控制。 时间增益控制( t g c ) 主要是控制可变增益放大器( v g a ) ，提高人体组 织深处的信号增益，由操作者操控，来维持图像的均匀度。 模数转换( d ) 主要是将所要采集的模拟量转换成数字量，由f p g a 接收、 缓冲、存储、经u s b 2 0 端口传送至主机工作站。 现场可编程门阵列( f p g a ) 在系统里，作为整个系统的控制芯片，实现对 u s b 2 0 芯片的控制；数据传输过程的控制；存储器的控制；外围电路的控制。 通用串行总线( u s b 2 0 ) 主要用于系统的信号与相关数据的传输。 计算机( p c ) 在系统里称作主机，主要解决硬件语言的编程和操作界面图 像的显示。 低频振荡器 ； 轴 ； 能器 图2 5 探头示意图图2 - 6 低频振动信号 2 3 2 超声瞬时弹性成像系统相关参数 超声瞬时弹性成像系统是将一个单阵元超声换能器集成到一个活塞式低频 振荡器的振动轴上，由低频振荡器带动超声换能器振动并形成剪切波，因此超声 换能器一方面提供瞬时弹性成像所需的低频振动，另一方面又同时发射超声波并 接收超声回波信号。其中超声换能器中心频率为4 - 7 m h z ( 考虑肝组织穿透深 度和位移估计精度的折衷) ，直径6 1 0 m m ( 考虑肋间隙的宽度) ，聚焦深度 3 0 - - - 4 0 r a m 左右( 考虑肝组织最有价值的检查深度) ；向低频振荡器发出的激励 信号是3 0 - - - 8 0 h z ( 考虑低频衍射和高频衰减的折衷) 的单周期正弦波信号，振 动的振幅0 5 - - 2 m m 左右。 本课题主要利用u s b 2 0 接口的高速、热插拔等特性来设计超声数据采集与 传输系统，其系统硬件设计所需要达到的技术指标有：数据采集通道为单通道： 9 武汉理丁大学硕士学位论文 a d 转换精度为1 2 位；采样频率不低于1 6 m s p s ；f p g a 选择外接有源晶振为 5 0 m h z ，通过f p g a 内部p l l 生成系统所需时钟；供电方式为u s b 接口供电和 外接电源2 种，供电电压为+ 5 0 v 。 2 3 3 超声回波信号特点 超声回波信号经过人体内进行衰减后，其信号较为微弱，幅度也非常的小， 一般只有几微伏到十几毫伏，工作频率为1 m h z 至1 5 m h z 。超声回波信号经过 放大后得到的信号波形图，呈现出周期状态，其中，从a 到b 是一个周期，在t 处，是被测物的最深处部分，如图2 7 所示。 2 4 本章小结 图2 7 超声回波信号放大后的波形图 在本章中，重点介绍了超声瞬时弹性成像技术和该系统的分类及其系统构 成。首先介绍了超声瞬时弹性成像技术及其应用的范围；其次介绍了两类瞬时弹 性成像系统( 透射式和反射式瞬时弹性成像系统) ，将两种系统模型迸行对比， 发现透射式系统在临床上应用产生了诸多的不利因素。因此，本文的实验系统选 用的是反射式瞬时弹性成像系统；最后，概要介绍了超声瞬时弹性成像系统构成 模块的功能以及相关参数，为后文的设计与研究打下基础。 1 0 武汉理1 ：人学硕+ 学位论文 第3 章超声信号采集系统硬件设计与实现 3 1 超声信号采集系统的总体设计 本论文该部分的设计是基于低成本健康的肝硬化超声诊断成像系统的设计 为基础，将设计出基于f p g a 的数字超声成像仪的信号采集的电路。数字超声信 号采集系统的设计主要是解决超声回波的通道选择、模数转换、高速数据传输 等三个模块的方案设计。超声成像系统的信号采集硬件电路的设计与实现，主要 包括超声的模拟开关电路、模数转换电路以及f p g a 核心的控制部分。 超声信号采集系统总体设计方案框图如图3 一l 所示。 图3 1 超声信号采集系统总体设计方案框图 本设计的主要思路：模拟信号经过模拟开关时，模拟开关将对输入的模拟信 号进行通道的选择，通过f p g a 软件编程来控制输入信号( 机械振动波信号与超 声回波信号) 的选择。选择的模拟信号通过差分变压器( 抑制共模信号，放大差 分信号) 将信号差分输入a d 转换器，经过模数转换后的1 2 b i t 数字信号，在f p g a 的时序控制下，将采样值传输给f p g a 并存于其内部的f i f o 中，f p g a 内部的 f i f o 数据由f p g a 的u s b 2 0 接口控制逻辑取出，通过u s b 2 0 控制器，使其在 高速读取f i f o 中暂存的数据后，从而将数据通过s l a v e f i f o 方式传给p c 机。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 系统关键功能模块芯片 3 2 1 模拟开关芯片 在数据采集中，模拟开关主要用于对超声回波信号的通道选择和对马达机械 振动波的监测的通道选择。 模拟开关的主要功能如图3 2 所示。 i j 一耖 模 拟 入 开 模戥睁号a d c f 谳 一 关 图3 2 模拟开关主要功能框图 基于这个要求，我们选择了t i 公司的双通道单刀双掷( s p d t ) 模拟开关 t s 3 a 2 4 1 5 7 2 9 1 ，其结构如图3 3 所示。 图3 3t s 3 a 2 4 1 5 7 结构 t s 3 a 2 4 1 5 7 是一个双通道单刀双掷( s p d t ) 的模拟开关，工作的电压范围 介于1 4 n 6 v 。它提供了与其独特的先开后合特性相匹配的超低导通阻抗和 优异的导通电阻，以防止一条通道至另一条通道信号传输期间的信号失真，还有 超低的总谐波失真( t h d ) 。该芯片其工作原理如表3 1 所示。 表3 - 1 模拟开关工作原理 1 2 武汉理工人学硕士学位论文 当输入控制端i n 连接高电平时，n o 端和c o m 端连通，n c 端和c o m 端 断开；当输入控制端i n 连接低电平时，n c 端和c o m 端连通，n o 端和c o m 。 端断开。 3 2 2 模数转换器芯片 本系统是主要是对高速的超声瞬时弹性成像信号的采集与传输，采用的是 u s b 2 0 进行大批量的数据传输，其理论上最大传输速率可达4 8 0 m b s ( f i l l 6 0 m b s ) 。本设计选用的是t i 公司的高性能模数转换器a d s 6 1 2 2 芯片。 a d s 6 1 2 2 t 3 0 l 是t i 公司生产的1 2 b i t 模数转换器，其采样频率高达6 5 m s p s 。 它是高性能的低供电的3 2 脚q f n 封装，即使是在很高的输入频率的时候，也能 使用一个内部高带宽的采样和存储，并且它还具有有低抖动时钟缓冲器来实现高 信噪比( s n r ) 、高无杂散动态范围( s f d r ) 。它的特点是粗调和细调增益的 选择：在较低的全面模拟输入范围，它们用来改善s f d r 的性能。a d s 6 1 2 2 包 括内部参考，取消了传统引脚及相关的外部解耦，同时也支持外部参考模式。该 芯片其主要特性有：单片集成1 2 b i t a d 转换器、采样频率为6 5 m s p s 、3 5 d b 增 益和权衡s n r s f d r 的6 d b 可编程增益、并行c m o s 数据输出和双数据通道 l v d s 数据输出、支持外部参考的内部参考模式、3 3 v 模拟供电和1 8 v 3 3 v 数 字供电。 a d s 6 1 2 2 芯片有两种控制方式：并口控制模式和串口控制模式。 a d s 6 1 2 2 芯片有两种数据输出方式：并行c m o s 数据输出模式和双数据通 道l v d s 数据输出模式，本系统采用并行c m o s 数据输出模式。 并行c m o s 数据输出模式下的封装图，如图3 7 所示。 d k v d d r e s e t s c l k s d a l a s e n a g n o c l k p c l k m 图3 7 并行c m o s 模式引脚 部分重要引脚说明如表3 2 所示。 1 3 武汉理i r 大学硕士学位论文 表3 - 2a d s 6 1 2 2 重要引脚说明 引脚 性能 c l k ，c l k m n 妒，烈m v c m r e s e t s c l k s d a t a s e 】n p d n 差分时钟输入 差分信号输入 内部参考方式：共模电压输出。 外部参考方式：参考输入，由内部参考提供电压 串口控制模式：用外部开关提供脉冲实现复位 并口控制模式：r e s e t 必须保持高电平。 r e s e t 是低电平时，s c l k 可以看作串口控制的时钟输入 r e s e t 是高电平时，s c l k 控制增益和内部，夕 部参考方式 r e s e t 是低电平时，s d a t a 相当于串口控制的使能引脚 r e s e t 是高电平时，s d a t a 和p d n 一起控制功耗降低模式 r e s e t 是低电平时，s e n 是串口控制的使能引脚 r e s e t 是高电平时，s e n 控制数据输出方式和数据模式 全局功耗降低控制引脚 3 2 3f p g a 芯片e p l c 6 f p g a 是目前市场上主流的大规模可编程专用集成电路，不仅可以实现系统 集成，还可以较为便捷地进行芯片和电路板的测试。另外，根据后期的需要可以 进行现场编程以及调试，可反复擦写多次。 超声信号采集要求高速、高精度、数据流量比较大，而基于f p g a 的算法具 有专用集成芯片的运算速度，可以满足高速数据采集的需要。同时f p g a 还可以 进行现场可编程，使检测系统具有更灵活性的功能，进而满足各种不同的检测需 求。f p g a 的编程技术已经发展的日趋成熟，算法实现较为简单，编程较为容易， 可操作性强，具有较好的可移植性和继承性。它大大的降低了开发成本，从而降 低了整个超声系统的成本，满足了低成本医疗器械的开发要求。 因此，本系统采用f p g a 作为核心器件，基于u s b 2 0 的超声信号采集与传 输系统。 e p l c 6 q 2 4 0 c 8 是a l t e r a 公司推出的c y c l o n e 系列f p g a 中的一款，在成 本上进行了优化，相对于市场竞争者的f p g a ，只有其成本的一半，但依然为使 用者提供了强大的功能p 1 1 1 3 2 】1 3 3 1 。它可以为使用者提供的逻辑单元数量高达2 0 0 6 0 1 4 武汉理- = 大学硕十学位论文 个和2 8 8 k 位的r a m 。c y c l o n e 管理和拥有专用的i o 接口，这些接口通常将用 于连接标准的外部存储器件。 3 2 4c y 7 c 6 8 01 3 a 芯片 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 具有传输速度快、功耗低、单 一化、即插即用、热插拔等特点。同时，它将大大的简化了计算机和外部设备的 连接过程，使计算机接口的扩展变的更加方便和容易。 本系统选用的是c y p r e s s 公司推出的u s b 控制芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 a ( e z u s b f x 2 简称f x 2 ) ，它极大的降低了u s b 外部设备在开发过程中的难度。 c y 7 c 6 8 0 1 3 a 主要包括u s b 2 0 收发器、s i e ( 串行接口引擎) 、4 k b 的f i f o 存储器、i o 口、增强型8 0 5 1 、1 6 k b 的r a m 、a b ( 地址总线) 、d b ( 数据总线) 以及g p i f ( 通用可编程接口) d 4 i i ”】。 e z u s bf x 2 系列芯片结构图，如图3 - 4 所示。 图3 4e z u s bf x 2 系列芯片结构 e z - u s bf x 2 具有一些独特的功能特点，其中它的s i e ( 串行接口引擎) 主 要负责完成独立的串行数据的编解码和位填充以及差错控制等与u s b 协议有关 武汉理一r 大学硕士学位论文 的功能：它里面的嵌入式m c u ( 增强型8 0 5 1 ) 将被解放出来，这样大大的简化 了固件程序代码的开发。 e z u s bf x 2 的数据传输模式，如图3 5 所示。 u s 图3 - 5e z u s bf x 2 的数据传输模式 e z u s bf x 2 芯片内部包含3 个固定的6 4 字节端点缓冲区( 0 ) 【e 7 4 0 0 x e 7 f f ) 和4 k b 的可配置端点缓冲区空间( 0 ) 【f o o ) 【f f f f ) ，如图3 - 6 所示。 e p 0i n & o u t 塑 曼 曼 塑习 霸 曼 e p ii n 固 妇 弱 豳 髓 口 e p io u t 匕翌 堕刁 堡 匕堕 翌 匕黧 l s 2 i l 5 1 2 l | 5 1 2 l l p 2t 一 1 i l 1 0