1 引 言
醫(yī)學(xué)超聲診斷成像技術(shù)大多數(shù)采用超聲脈沖回波法，即利用探頭產(chǎn)生超聲波進(jìn)入人體，由人體組織反射產(chǎn)生的回波經(jīng)換能器接收后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過提取、放大、處理，再由數(shù)字掃描變換器轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)，最后由顯示器進(jìn)行顯示。在基于FPGA+ARM 9硬件平臺(tái)的全數(shù)字化B超診斷儀中，前端探頭返回的回波電信號(hào)需由實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)進(jìn)行波束合成、相關(guān)處理、采集并傳輸至ARM嵌入式處理系統(tǒng)，視頻信號(hào)數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性要求高，因此選用FPGA+SRAM構(gòu)成實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，在速度和容量上都能滿足上述要求。主要介紹B超成像系統(tǒng)中應(yīng)用FPGA進(jìn)行邏輯控制進(jìn)行超聲視頻圖像采集的原理和實(shí)現(xiàn)。
2 系統(tǒng)構(gòu)成工作原理
如圖1所示，采集系統(tǒng)首先由數(shù)字波束合成器對(duì)多通道超聲回波信號(hào)進(jìn)行波束合成，數(shù)字波束合成器對(duì)不同通道信號(hào)進(jìn)行延時(shí)，使同一點(diǎn)的信號(hào)同相相加，同時(shí)對(duì)多個(gè)通道的回波信號(hào)進(jìn)行空間域上的加窗，類似匹配濾波，可以提高信號(hào)的信噪比。然后對(duì)合成后的超聲視頻信號(hào)做一個(gè)幀相關(guān)的預(yù)處理，即圖像幀與幀之間對(duì)應(yīng)象素灰度上的平滑處理。因?yàn)榀B加在圖像上的噪聲是非相關(guān)且具有零均值的隨機(jī)噪聲，如果在相同條件下取若干幀的平均值來代替原圖，則可減弱噪聲強(qiáng)度。在幀相關(guān)過程中，F(xiàn)PGA要控制數(shù)據(jù)的讀取、處理以及存儲(chǔ)。在為了滿足視頻顯示的實(shí)時(shí)性，該采集系統(tǒng)采用雙幀存結(jié)構(gòu)的乒乓機(jī)制，由FPGA實(shí)現(xiàn)讀寫互鎖控制。經(jīng)幀相關(guān)處理完后的視頻數(shù)據(jù)交替寫入幀存A和幀存B，幀存讀控制器根據(jù)后端處理速度讀取幀存中的數(shù)據(jù)，送往DMA控制器，DMA控制器開啟DMA通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。FPGA實(shí)現(xiàn)讀寫控制時(shí)，為了避免同時(shí)對(duì)一個(gè)幀存進(jìn)行讀寫操作，需要設(shè)置讀寫互斥鎖進(jìn)行存儲(chǔ)器狀態(tài)切換。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 數(shù)字波束合成
對(duì)于具有128陣元和32收發(fā)通道的超聲探頭，在進(jìn)行32路AD轉(zhuǎn)換后，將其分為4組，每組8路接收通道，每組用一片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)，在該FPGA內(nèi)首先進(jìn)行接收延時(shí)和動(dòng)態(tài)聚焦再進(jìn)行加權(quán)求和，其后再進(jìn)行組間的求和產(chǎn)生超聲數(shù)字視頻信號(hào)。每一組的系統(tǒng)框圖如圖2所示：
對(duì)不同通道的回波信號(hào)進(jìn)行不同的延時(shí)是達(dá)到波束聚焦的關(guān)鍵，延時(shí)按精度可分為粗延時(shí)和細(xì)延時(shí)：粗延時(shí)用于控制A/D采樣的開始時(shí)間，精度為32 ns，延時(shí)參數(shù)由FPGA的片內(nèi)RAM中讀出，更換探頭時(shí)系統(tǒng)控制器將相應(yīng)數(shù)據(jù)寫入這些RAM;細(xì)延時(shí)由采樣時(shí)鐘發(fā)生器根據(jù)不同的通道產(chǎn)生不同的A/D采樣時(shí)鐘，這些時(shí)鐘的相位互相錯(cuò)開，其錯(cuò)開的值剛好等于各陣元傳播延遲之差?？紤]到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性以及探測(cè)過程中深度的變化，需要采用動(dòng)態(tài)聚焦。動(dòng)態(tài)聚焦是在A/D采樣開始后，通過讀取動(dòng)態(tài)聚焦參數(shù)，在采樣的過程中控制采樣時(shí)鐘發(fā)生器實(shí)現(xiàn)。
8個(gè)通道的回波信號(hào)經(jīng)過A/D采樣后，送入FPGA，緩沖之后同步讀出進(jìn)入加權(quán)模塊，加權(quán)模塊由8個(gè)無符號(hào)為數(shù)字乘法器組成?；夭ㄐ盘?hào)分別與加權(quán)參數(shù)相乘后得到具有動(dòng)態(tài)聚焦和加權(quán)特性的數(shù)據(jù)。8組數(shù)據(jù)再經(jīng)過3級(jí)加法器就得到波束合成之后的超聲數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。
3.2 幀相關(guān)處理
幀相關(guān)模塊如圖3所示，由幀相關(guān)控制器和一片存儲(chǔ)器組成，進(jìn)行幀相關(guān)的存儲(chǔ)器采用大小為256 kB的靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)。幀相關(guān)控制器由FPGA實(shí)現(xiàn)，完成地址產(chǎn)生、存儲(chǔ)器讀寫控制、幀相關(guān)計(jì)算功能，因?yàn)閷?shí)時(shí)性的要求，即保證送往后端雙幀存的數(shù)據(jù)不能中斷，所以考慮到對(duì)逐個(gè)象素?cái)?shù)據(jù)讀寫的同時(shí)就進(jìn)行相關(guān)處理，而且需要在同一個(gè)象素時(shí)鐘周期內(nèi)完成。讀寫控制器在1個(gè)象素時(shí)鐘周期的前半段需要讀出存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)和當(dāng)前幀數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理;時(shí)鐘周期的后半段再將相關(guān)處理完的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器以備后用，這樣送往后端雙幀存的數(shù)據(jù)依然是和象素時(shí)鐘對(duì)應(yīng)的連續(xù)象素?cái)?shù)據(jù)。
