超声诊断仪FPGA模拟动态滤波器的原理及应用

2011-08-04 17:22:55来源: 互联网
   

    超声成像是当今医学影像诊断的主要成像方法之一,它以超声波与生物之间的相互作用作为成像基础,具有对人体无伤害、无电离辐射、使用方便、适用范围广、设备价格低等优点。为了让超声图像能够更加清晰,现代超声诊断仪对超声信号进行动态滤波。动态滤波包含模拟动态滤波和数字动态滤波。模拟动态滤波器要改变器件的参数,从而达到改变通频带中心频率的效果,方法简易,效果很好。同时,控制信号是来自FPGA输送出的数字信号,经D/A转换所得,采用FPGA实现控制信号,实现了很高的精度,达到了预想的效果。

    选用CycloneⅢ EP3C16Q240C8在FPGA内实现数字电路,工作频率高,同时各个模块并行工作,能够很好的解决系统时序上的问题。

动态滤波器原理

    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。随着频率的升高,介质对超声能量的衰减系数增大。当 所发射超声波具有较宽的频带时,接收回波中的频率成分必然与距离有关。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,回波信号频谱地中 心频率逐渐向频带的低端频移(如图1)。

图1 超声回波频谱随深度变化曲线

    中心频率的下移将使横向分辨力恶化,这是因为发射的超声脉冲向深度传播时,其波长将增大,而孔径大小不变。动态滤波的设计思想就是根据上述因素得出 的。包含两方面含义:一方面均衡色散,也就是用均衡器或者一种逆滤波器来补偿深度及浅部,以期得到相同的观测频率和分辩力;另一方面,从匹配滤波器的思想 可知,当信号的频谱与接收机选择性相吻合时,可得到最佳信噪比。动态滤波器就是用来自动选择以上具有诊断价值的频率分量,并滤除体表部分以低频为主的强回 波信号和深部以高频为主的干扰的一个频率选择器。

    实践表明,使用动态滤波器后,设备在深度的SNR及图像可视性得到改善;而在浅部,可以保持高的观测频率,使分辩力及图像细微度得到改善,最终使图像总体质量得到提升,增加了仪器的实用性。

组成与模块实现

整体框架

    动态滤波器由FPGA内部实现的数据模块和控制模块、D/A转换电路、滤波电路组成。采用离线计算的方式计算出控制信号的数据,从而做成FPGA内部 的数据模块;经由控制模块,将数字控制信号输出;输出的数字控制信号由D/A转换电路,形成模拟控制信号;模拟控制信号接入到滤波电路的控制端口,实现对 滤波电路参数的控制,达到动态改变滤波电路中心频率的目的,从而完成动态滤波。

滤波电路

    滤波器电路采用并联谐振电路,并联谐振电路在中心频率处,具有信号幅值最大的输出比。同时并联谐振电路具有很小的功率损耗,广泛用于带通滤波。我们采 用电感加电容的并联谐振,电感采用精度较高的铁氧体线圈,电容采用能改变极间电容的变容二极管(SVC321)。并联谐振电路如图2。

图2 并联谐振电路

    并联谐振电路的通频带中心频率的计算公式:(当 品质因数Q很大时)。变容二极管随着反向电压增加,其极间电容逐渐变小,在反向电压的作用下,本电路采用的变容二极管电容可以在15pF~470pF之间 变化,随着二极管极间电容的改变,谐振电路的中心频率也跟着发生变化,本电路中心频率的变化范围在2.4M~13.9M之间,满足超声波信号频率在 3.5M左右变化的要求。变容二极管SVC321极间电容随反向电压变化的变化曲线如图3。

图3 变容二极管电容值随反压变化曲线[page]

D/A变换器

    D/A变换器负责将FPGA数字信号转换为控制变容二极管的模拟电压信号,D/A芯片型号为DAC0800,电流输出型。D/A输出信号电流经运放转换为电压,采用运放可以方便的对控制信号进行进一步的控制。具体电路如图4。

图4 变容二极管控制信号形成电路

FPGA控制模块

 

1数据模块

FGPA的控制信号是根据变容二极管所需反向电压精确设计的,设计步骤如下:

1.查阅身体随频率和深度的衰减率,分析出每个超声信号采样点位置的中心频率F(128个点);

2..根据每个中心频率计算出变容二极管的电容值,

3.根据求出的C,查变容二极管C/V变换图,找到对应的电压V,即为二极管的反向控制电压(DF输出),(VY为运放的输出);

4.计算出V,从而推算出VY,故D/A的输出电流,(单位为毫安);

5.根据计算出电流大小I对照DAC0800的datasheet中的电流大小与数字数据的转换对照表,查出对应的数字数据。

以此类推,计算出128个点上的数字数据,在FPGA内做成ROM,提供给控制模块读出。

2控制信号产生模块

    FPGA的控制模块是根据整个控制的时序,输出数据模块ROM里面的数据,提供给D/A转换电路来控制变容二极管的反相端(N)。

    首先根据选取的深度点的间隔,决定控制模块的时钟频率,即每个数据输出的频率。控制模块读入数据模块的数据,再根据控制时序,输出数字控制信号。控制模块接口如表1。

表1 控制模块接口

系统功能验证

    完成了系统的设计后,我们进行在线系统功能验证,验证滤波器频率的稳定性。

以下是验证的步骤:

1、 控制信号模块输出一个特定的数字D(直接在程序内赋值),输出就是一个特定的数;

2、 我们先测量电流转成电压的值V’,再测量经运放改变后DF的输出V,即为变容二极管的反向电压;

3、 然后,根据反向电压查表得到相应的电容值,从而计算出中心频率F;

4、 利用信号发生器产生一系列不同频率相同幅值的信号,让其通过并联谐振电路,再使用示波器测量,确定哪个频率段之间的信号通过量最大,即可以确定中心频率在 此频带内。再与F’对比,看是否相符。为了尽量的缩短频率段的范围,在确定一个频率段后,再在此频率段内分不同频率测量,以便更精确地确定中心频率。

经过一系列特定数字信号的验证,可以确信的得到并联谐振电路中心频率的稳定性。现将其中一个特定数字的验证结果如下:

D=120,测得电压值V’=1.43V,V=2V,计算出中心频率F=3.0MHz结果如表2。

表2 验证结果

实验得出中心频率在3.0MHz~3.2MHz之间,对比满足要求。

结束语

    采用FPGA的模拟动态滤波器,在结构上简易,性能上稳定,测试和设计都十分的方便。FPGA的使用,能根据具体要求很方便的改变控制信号,同时实现超声诊断仪中多个模块并行工作,也为以后的更多模拟部分数字化提供了基础。

关键字:动态滤波器  超声诊断仪

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/0804/article_2375.html
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北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

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