基于FPGA的全数字眼科超声诊断仪信号处理设计与实现

摘 要  目 的 研 制 基 于 F P G A ( f i e l d   p r o g r a m mi n g   g a t e   a r r a y ， 可 编 程 逻 辑 门 陈 列 ) 的 全 数 字 眼科 超声 回 波 信 号处 理 系统 。 方 法 信 号 处 理 技 术 主 要 采 用 内插 、 动 态 滤 波 、 T G C、 包 络 检 波 和对 数 放 大 。 在 F P G A 中 采 用 以 原 理 图设 计 为顶 层 模块 ， 硬 件 描 述 语 言 V H D L作 为底 层 模 块 的 设 计 方 法 。结 果 通 过 构 建 实 验 模 型 验 证 了 系 统 各 阶 段 信号 处理 的 有 效性 。 对 正 常 人 体 眼 球 和眼 眶进 行 检 测 ， 获 得 了 很好 的 回 波 信 号 。结 论 本 设 计 对 眼 科 高 频 超 声 回 波信 号 具 有 良 好 的 实 时 处 理 能 力 ， 达 到 了设 计 要 求 ， 具 有 良好 的应 用 前 景 。

关 键 词  眼 科 超 声 ； 信 号 处 理 ； F P G A

中 图 分 类 号 R 3 1 8 ． 6   文 献 标 识 码 A   文 章 编号 1 0 0 2 - 3 2 0 8 ( 2 0 0 8 ) O 1 - 0 0 6 7 - 0 5

近年 来 ， 随着 现代信 号 处理技 术 的不 断发 展 ， 各类 高性 能 、 低 价格 集 成 芯 片 的广 泛 应 用  [1]， 以及 人们对超 声诊 断仪 性 能 要 求 的 不 断提 高 ， 传 统 的 眼科超声诊 断 仪 便 表 现 出 明 显 的 不 足[2] 。 例 如 易 受 到外界 的干扰 、 性 能 不够 稳 定 ； 精度 较 低 ， 难 以 实现 现代信 号处 理算法 ； 无 法高 保真 地传 递 、 转换 图像 信 息等等 。而 全数字 眼科 超声 诊 断仪 就可 以有 效地 解决上述 问题 ， 直接 对超 声 回波信 号进 行数 字化 处 理 ， 保证 了超 声诊 断设 备 图像更 清 晰 、 更 准确 ， 大 大提 高 了超 声诊 断 图像 的分辨 率 ， 增大 了动 态范 围 ， 直 接 决定着超 声诊 断设 备 的整体 质 量[3]。

本设 计 基 于 可 编 程 逻 辑 门 阵 列 ( f i e l d   p r o g r a m —m i n g   g a t e   a r r a y ， F P G A ) 研 制 了一 套 全数 字眼科 超 声回波信 号处 理 系统 ， 具有较 高的灵 活性 和可移 植性 ，可用 于 传 统 眼 科 A 型 、 B型 超 声 成 像 的 数 字 化 改造 ， 也可 用 于多普 勒血 流测 量 系统 。

1   方 法

超声 回波 信 号 采集 平 台结 构框 图如 图 1 所 示 。前端 所采 用 的 是 中 心 频 率 为 1 0 M H z 的五 环 环 阵换能器 ， 相对 带 宽 约 7 0 ％ ， 即 6～ 1 3   M H z ， 组 织 检测 深度 0～ 5 0 m m， 脉 冲重 复 频 率 1 4 k H z 。 电路 设 计 中所采用 的模 数转 换 器 是 美 国模 拟 器 件 公 司 ( A D I ) 、 采样 率为 4 0 M H z 的 1 2 b i t 双 路 A ／ D芯 片 A D 9 2 3 8 。经过 数字 波束 动态 聚焦 系统 后送 人数 字信 号处 理 系统的数据 流为 4 0 M H z ， 1 5 b i t 。

本 设计 选取 现 场 F P G A， 运 用 多 种 现 代 信 号 处理算 法 ， 实现 了前 端 波束 形 成 后 超 声 回波信 号 的 内插 、 动 态 滤波 、 T G C 、 包 络检 波 和 对 数放 大等 的实 时处理 。F P G A 芯 片 采 用 了 A L T E R A公 司 C y c l o n e   I I

系 列 的 E P 2 C 3 5 F 4 8 4 C 8 ， 其 内 部 集 成 了 3 3 2 1 6个 逻辑单 元 ( L E ) ， 4 8 3 8 4 0位 的 R A M， 4个 P L L和 7 0 个 9位 的嵌入 式乘 法器 ， 非 常 适 用 于低 成 本 数 字 信 号处理 ( D S P ) 技 术 ； 软件设 计采 用 以原理 图 为顶层 模 块 ，硬件 描述语 言 V H D L为底层 模块 的方 法 。

1 ． 1   内插

眼科超 声诊 断 仪 中 ， 脉 冲 回波 信 号 中心 频 率 为1 0 M H z ， 通 常 采 样 频 率 大 于 2 0 M H z 就 可 以 了。 但是 ， 为 了减少 相位 量化误 差 对声束 特性 的影 响 ， 尤 其是 产生栅 瓣 的影 响 ， 要 求 延 迟 量 化 误 差 小 于 1 ／ 8 f o ，于是采样 频率 必须 高 于   ， 即 8 0 M H z[4]。为 了 以低采样 率 的 A ／ D芯 片实 现较 高 的采 样 效 果 ， 本 设 计采用 内插方 法来 等效地 提 高采样 率 。实验 中采 用直 接结构 实现 的 内插 零点 再进 行低 通滤 波 的方 法[5]。

首 先在 一个 已知 抽样 序列 的相邻 抽样 点之 问等间距地 插 入 ( L一1 ) 个 零值 点 ， 然后 进 行 低 通 滤 波 ，即可求得 (   为大 于 1 的整 数 ) 倍 内插 的结 果 。其中插 入 ( L一 1 ) 个 零 值 点 的过 程 称 为  整 数 倍 零 值内插 ，  称 为 内插 因子 ， 实 现 这个 过 程 的系 统称 为一内插 器 。而这 里低通 滤 波器 的作用 是滤 除零 值 内插 后频 域上 产生 的镜像 分量 。

在 内插器 中 ， 低 通 滤 波是 其 中 的关 键 部 件 。 因为 F I R滤 波器 与 I I R滤 波 器 相 比 ， 具 有 严 格 的线 性相 位特性 [6]， 所 以在本 系 统 中采 用 F I R低 通 滤 波 器来 完成 滤 除镜 像 分 量 的功 能 。 已知 对 于 一 个 Ⅳ 阶的 F I R 滤波 器 ， 输入 序列 与输 出序 列 的关 系 可表 示为 ：

本设 计 采 用 2倍 内插 ， 可 将采 样 速 度 由原 来 的4 0 M H z 提 升至 8 0 M H z 。由于插 值 的误差 取决 于 F I R滤波器 的阶数 ， 考虑 资源 和速 度 的因素 ， 所 以实验 中的滤 波器 为 3 2阶 ， H a m m i n g 窗设 计 的 F I R 滤 波器 。图 3 ( a ) 为 4 0 M Hz 采 样 的 5 MH z 及 1 0 MH z正 弦 波 ，图 3 ( b ) 为 内插 为 8 0 M H z 的相应 波 。

由 图中可 以看 出 ， 通 过 插 值后 的信 号 比插 值前更 接 近原信 号 。

1 ． 2 动 态 滤 波

大量 的研究 和 实验 表 明 ， 超声 信 号 的衰 减 不仅与被探 测组 织 的深度 有关 ， 还 与超 声波 的频 率有关 ，随着 频 率 的 升 高 ， 组 织 对 超 声 能 量 的 衰 减 系 数 增大 [4]。

为 了在眼球 近 场和 眼眶远 场不 同情 况下 均能 获得较好 的 成 像 分 辨 率 ， 实 验 中所 使 用 了相 对 带 宽7 0 ％ 的宽频 探头 。宽 频带 中的高频 成分 能够 有效地提高 近场 的成像 分 辨 率 ； 而 低 频成 分 能 够 有 效地 穿透眼球 和眼眶组 织 ， 对较 深 处 组 织 进行 成 像 。 由于超声 波 在 眼球 和 眼眶组 织 中的 d B衰减 值 与频 率 大致成线 性 关系 ， 即 高频 分 量 相 对 于低 频 分 量 在 传 播过程 中衰 减得更 快 ， 这 将 导 致 信 号 频谱 和 中心 频 率随超声 波 向深处 传播 而下 移 。合理 选择 接 收 电路 的带宽 ， 能有 效抑 制 回波通 带 以外 的噪声 ， 改善 深部 的  

信 噪 比与可视 性 ， 并保 持近 场很 高 的观测 频率 ， 提 高图像 质量 。

虽然 理论 上动 态 滤波器 的分 段越 细 ， 效果 越好 ，但 是考虑 到 眼部组 织作 为浅 表小 器 官 的结 构特 点 及设计 实现 的复杂程 度 ， 实 际应用 中 ， 玻 璃体 声 衰减 较小 ， 在视 网膜 及 以前部 分保 持较 高通 频带 ， 在其 后 分两 段 向下 偏 移[7]。本 设 计 中动 态 滤 波是 通 过 一 组中心频率 随深 度动 态 变 化 的 3 2阶 F I R带 通 滤 波 器来 实现 的 。滤波器 参 数采 用 H a m m i n g 窗 设计 ， 工 作在 8 0 M H z 频 率 下 ， 系 数精 度 为 l O b i t 。通 频 带 与 深度 对 应 如 下 ：

1 ． 3   T GC、 包 络 检 波 和 对 数 放 大

超声 信 号处 理 还 包 括 时 间增 益 控 制 ( t i m e   g a i nc o n t r o l ， T G C ) 、 包 络 检 波 和 对 数 放 大 环 节 。T G C是一个增益 随时 间而逐 渐 变 大 的 电路 ， 用 来 补 偿 超 声波在人 体组 织 内传播 时 因为反 射 和吸 收等造 成 的能量损 失 ， 且 该损 失随 着 深 度及 传播 时 间 的增 加 而 增加 ， 并且 与组织 的特性 有关 ， 因此可 以按 照深 度 的变化 乘 以相 应 的系数 ， 来补偿 衰 减 的影 响 。

包络 检波 电路 用于将 高频 回波 信号 变换 为视 频脉 冲输 出 。本 系统 中包 络检 波采 用绝 对值低 通 滤波法 。即对 信号 先取 绝 对 值 ， 然 后 通 过 低通 滤 波 器 取其 包 络 。

对数 放大 电路 用来 压缩 回波 的动 态范 围 。把 由于组 织界 面 的差异 ， 声束 与界 面 的不 同 角度 产 生 的“ 对 准效 应 ” 以及 人 体 组 织 对 超 声 波 的 衰 减 等 引 起的超 声 回波 幅度动 态 范 围 1 0 0～1 1 0 d B压缩 为 适 于终端 设备 显示 器显 示 的范 围 2 0～ 2 6 d B 。

对数 压缩 在压 缩 大信号 的同时有 拉伸 小信 号 的作用 ， 由于人 体背 景 组 织反 射 回来 的超声 回波 信 号很微 弱 ， 处在 小信 号 的区域 内 ， 而对数 曲线 在起 始段具 有很大 的斜 率 ， 因此 能够 将 小 动 态 范 围 的微 弱 回波 信号 映射 到较大 的输 出动 态 范 围 内 ， 起 到增 加 回波 信号对 比度 的作 用 。

2   结 果

为 了验 证本设 计 的有 效 性 ， 分 别 用 模 拟 的 多频混 叠信 号 和对尼 龙丝 靶线及 正 常眼部 组织 的超 声 回波 的处 理作 了实 验 比较 。

2 ． 1 模 拟信 号 的处 理

信 号 源 采 用 等 幅 的 5 M H z 与 1 0 M H z 正 弦 信 号叠 加 而成 ， 先后 通 过 动 态 滤 波 、 T G C 、 检 波及 对 数 放大 。其 中 动 态 滤 波 参 数 设 定 为 9～1 1   M H z 及 4～6 M H z 两段 ， T G C曲线 采用 1 0 段线 性补 偿 。

从 以上 信号 处 理 的结 果 可 以看 出 ， 数 字 信号 处理 的各项 功 能设计 符 合要求 。

2 ． 2 尼 龙 丝 靶 线 超 声 回波 实 验

为 了验 证信 号处 理对 回波 纵 向分辨 率是否 有影响 ， 采 用 尼 龙 丝 靶 线 来 搭 建 实 验 模 型 ： 取 一 个 深l O c m 的纸 杯 ， 在 离 杯 底 3 c m 处 沿 水 平 方 向绷 紧 一根直径 为 0 ． 3 m m ± 0 ． 0 5 m m 的尼龙 丝做 检测 靶 。将纸杯 内注入 纯净 水 ， 水 面高 度超 出尼 龙丝 约 6 c m， 尽 

2 ． 3 正 常 眼部组 织超 声 回波 实验

图 6中上 面 为 包络 检 波后 的信 号 ， 下 面 为经 过对 数放 大之后 的信 号 。从 图 中可 以看 出 ， 小信 号 得到 了提 高 ， 大信号 得到 了压 缩 ， 压 缩 了动态 范 围。在实践 中发现对 数压 缩 和动 态范 围变换 对 图像 的主观效果 有 非常 大的作 用 ， 同样 的 回波数 据 ， 由于动 态压缩 和动态 范 围变换 不 合 适 ， 会 使 得成 像 效 果 发 生 很大改 变 ， 同时对 于 图像 中 的微 弱 噪声 也有 很 大 的影响 。

图 7为正 常眼部组 织 的超 声 回波信 号全 貌 。图中左 端杂 乱 的多个饱 和 、 高衰 减波 峰为 始波 ， 这是探头本 身 、 探 头与 皮 肤 接触 产 生 的 回波 。始 波 后平 段表 示无 回声 界 面 的玻 璃 体 。始 波 后 约 2 5 m m， 可 见玻 璃体 一 视 网膜 波 峰 ， 其后 高低 不等 的波 峰 表示 球后 软 组 织 回声 。

3 讨 论 和 结 论

超声 成像 清晰 度 的提 高受 制 于 多种 因素 ， 本 文详细 分析 了全数 字化 眼科 超 声诊 断仪 中数 字信 号处理各 阶段 的原理 和 F P G A 的实现 方法 。实 验 结 果表明该信 号处 理 系统 的性 能 达 到 了设 计 要 求 ， 且 比传统方 式有 了较 大 的 提 高 ， 实 现 了技 术 创 新 。本 文 通过 引入现 代 E D A设 计 方 法 处 理 超 声 信 号 ， 在 单 片E P 2 C 3 5 F 4 8 4 C 8芯片 上实 现 了各 部 分 模块 并 验 证 了其功 能 ， 系统整 体性 能亦 能在 高速 时 钟下工 作 ， 且 大大减小 了成本 和体 积 ， 因此具 有 良好 的应用 前 景 。

基 于 F P G A实 现 F I R滤 波器 是 本设 计 的关 键部件 ， 包 括 了延 时 、 乘 积 和 相 加求 和 三个 环 节 ， 体 现 了F P G A芯片 逻辑 资 源 、 存储 器 资 源 、 内嵌 硬 件 乘 法器资源 丰富 的优 越 性 。采 用 内部 D S P模 块 结 合 流 水线结 构 ， 并 由 M a t l a b的滤 波 器设 计 工 具 箱 F D A T o o l计算精 确 的滤波 器 系数 ， 可加 快运 算 速度 ， 简化 逻辑控制 ， 适 用 于高速 高阶 的 F I R滤 波器 设 计。

此 外 ， 国外 医学 超 声 成像 的 巨 头公 司 已提 出数字化编 码超声 成 像 ， 并 已将 编码 激励 ， 编码谐 波 等技术 用 于产 品 中， 数 字 信 号 处 理技 术 的进 步 已使 超 高分辨率 和 超 高 帧 频 成 像 成 为 可 能 。 实 际 上 ， 随 着S O P C技 术 的发 展 ， 在 一 片 F P G A 芯 片 中 ， 除 了能 实现 前端 波束 形成 和信 号处 理 ， 还 可 以使 用硬 件 描 述语 言描 述一 个 具 有 完 备 功 能 的嵌 入 式 软核 C P U系统完 成后 端 的图像 处 理 、 图像 重 建 、 诊 断信 息 提 取 、人机 接 口等等 功 能 ， 实现 仪 器 的小 型化 ， 这 是 F P G A技术 的一 个发 展方 向。