不同超声诊断仪器的原理和FPGA在超声中应用

Good

一、不同超声诊断仪器的原理
1、A型超声回波显示
2、B型超声成像显示
3、M型超声显示
4、D型超声成像显示
二、彩色超声诊断仪的彩超的原理-百度百科
三、超声波传感器_百度百科
四、彩超（医疗器械）_百度百科
五、FPGA器件在医疗成像设备的应用介绍-电子发烧友网
六、超声诊断仪动态滤波器中FPGA技术的原理分析及应用-AET-电子技术应用
七、安路科技FPGA在超声影像的应用_wangkuijun的博客-CSDN博客
八、学习超声检测成像 - 知乎

超声振动频率在2万赫兹以上，医用超声是通过换能器内晶体的压电效应产生的换能器把电能转换成机械波。

人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。
“超声的诊断原理是利用超声波的反射、折射和衍射,超声波是一种声波,机械波,它在人体内的传导是具有声波的特性,其中脏器与脏器之间的大界面是利用超声波的反射,脏器内部的回声是利用超声波的散射。而反射和散射回来的信号,通过探头接收之后,又通过电频信号变换,最后呈现出显示器上的灰阶二维图像,就是所看到的超声图像。”
压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。
超声换能器，是由一组具有压电效应的特殊晶体制成。这种压电晶体具有特殊的性质，就是在晶体特定方向上加上电压，晶体会发生形变，反过来当晶体发生形变时，对应方向上就会产生电压，实现了电信号与超声波的转换。

超声探头/超声传感器 原理：

施加脉冲电压——>换能器压电效应陶瓷振子振动——>发射机械波（超声波）——>脏器反射散射
产生电压   <——换能器压电效应陶瓷振子<—— 接收机械波（超声波）<——脏器反射散射

由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波信号进行检测.而实际使用中，用作发送传感器的陶瓷振子也可以用作接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。
性能指标：

工作频率

工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

工作温度

超声波传感器
由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

灵敏度

主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

指向性

超声波传感器探测的范围。超声波传感器的检测范围取决于其使用的波长和频率。波长越长，频率越小，检测距离越大，如具有毫米级波长的紧凑型传感器的检测范围为300~500mm波长大于5mm的传感器检测范围可达8m。一些传感器具有较窄的6º声波发射角，因而更适合精确检测相对较小的物体。另一些声波发射角在12º至15º的传感器能够检测具有较大倾角的物体。此外，我们还有外置探头型的超声波传感器，相应的电子线路位于常规传感器外壳内。这种结构更适合检测安装空间有限的场合。

声波是一种机械能的表现形式。声源每秒振动的次数叫频率，一般用赫兹表示，符号为Hz。频率在20000Hz以上的声波即为超声波。超声波本身有一定的方向性；超声波在传播过程中要发生反射、折射以及多普勒效应等；超声波在介质中传播时，发生声能衰减。因此超声通过一些实质性器官，会发生形态及强度各异的反射，声束通过肿瘤组织，声能的吸收和衰减现象也比较明显，由于人体组织器官的生理、病理、解剖情况的不同，对超声的反射、折射和吸收衰减各不相同，超声诊断就是根据这些反射信号的多少、强弱、分布规律来判断各种疾病。医用诊断超声波的发生与接收，均由特制的探头来完成，它能把电能和声能互相转换，声检查法（简称A超），B型超声诊断（简称B超），M型超声诊断以及用于检测人体心脏功能的超声心动图，超声多普勒诊断，也叫D型超声诊断，等等。所有这些诊断及其诊断仪对于疾病诊断无疑是带来很大方便和科学依据，但超声诊断也有一定限制。因之，在临床使用当中，要结合临床和其他诊断技术资料，综合判断，以期得出正确的诊断，求得正确治疗并取得满意疗效。
医用超声诊断仪是指依据超声波的特性来完成检查功能。超声波是一种振动频率>20kHz的机械波，超出了人耳的听觉上限。超声波的频率范围为2×10~2×10°Hz，而医学超声的频率范围在200kHz~40MHz，超声诊断常用频率在1~10MHz。由于超声波频率高、波长短使得超声波具有如定向性、折射和反射等特点。

医用超声诊断仪主要有两大部分，即设备主机及超声探头。超声探头是超声成像设备的关键部件，它的任务是将电信号变换为超声波信号或超声波信号变换为电信号。超声诊断仪器主机部分主要对从探头接收回来的信号进行处理及显示。
彩超（医疗器械）_百度百科
医用超声诊断仪工作原理
振荡器即同步触发信号发生器，产生控制系统工作的同步触发脉冲，它决定了发射脉冲的重复频率。受触发后的发射器产生高压电脉冲以激励超声换能器向探测目标发射超声脉冲，由目标形成的回声脉冲信号经换能器接收后转换成电信号，接着进入回波信息处理系统。该系统由射频信号接收放大器、检波器和视频放大器等组成，最后由显示器进行显示。扫描发生器在振荡器产生同步脉冲控制下，输出扫描信号给显示器，使显示器显示超声回声图稳定。
医用超声诊断仪主机部分
随着电子技术的发展，超声诊断仪器的内部电路由原来的模拟电路逐渐转换为数字合成电路，形成了现今的全数字超声诊断仪器，具体的电路模块，主要是前置放大电路、A/D转换电路、数字电路及电源部分。超声探头将接收到的信号传输到前置放大电路放大后，将模拟信号通过A/D转换电路转换成数字信号，然后经过数字电路的合成处理，在经过数字扫描变换DSC，将处理后的图像视频显示在显示屏上。电源部分则为上述各部分提供电源。
其实彩超并不是看到了人体组织的真正的颜色，而是在黑白B超图像基础上加上以多普勒效应原理为基础的伪彩而形成的。
 彩色多普勒超声一般是用自相关技术进行多普勒信号处理，把自相关技术获得的血流信号经彩色编码后实时地叠加在二维图像上，即形成彩色多普勒超声血流图像。由此可见，彩色多普勒超声（即彩超）既具有二维超声结构图像的优点，又同时提供了血流动力学的丰富信息，实际应用受到了广泛的重视和欢迎，在临床上被誉为“非创伤性血管造影”。其主要优点是：①能快速直观显示血流的二维平面分布状态。②可显示血流的运行方向。③有利于辨别动脉和静脉。④有利于识别血管病变和非血管病变。⑤有利于了解血流的性质。⑥能方便了解血流的时相和速度。⑦能可靠地发现分流和返流。⑧能对血流束的起源、宽度、长度、面积进行定量分析。
但彩超采用的相关技术是脉冲波，对检测物速度过高时，彩流颜色会发生差错，在定量分析方面明显逊色于频谱多普勤，现今彩色多普勒超声仪均具有频谱多普勒的功能，即为彩色──双功能超声。
彩色多普勒超声血流图（CDF）又称彩色多普勒超声显像（CDI），它获得的回声信息来源和频谱多普勒一致，血流的分布和方向呈二维显示，不同的速度以不同的颜色加以别。双功多普勒超声系统，即是B型超声图像显示血管的位置。多普勒测量血流，这种B型和多普勒系统的结合能更精确地定位任一特定的血管。
1．血流方向 在频谱多普勒显示中，以零基线区分血流方向。在零基线上方者示血流流向探头，零基线以下者示血流离开探头。在CDI中，以彩色编码表示血流方问，红色或黄色色谱表示血流流向探头（热色）；而以蓝色或蓝绿色色谱表示血流流离探头（冷色）。
2．血管分布CDI显示血管管腔内的血流，因而属于流道型显示，它不能显示血管壁及外膜。
3．鉴别癌结节的血管种类 用CDI可对肝癌结节的血管进行分类。区分其为结节周围绕血管、给节内缘弧形血管。结节的流人血管、结节内部血管及结节流出血管等。


超声成像的研究最早可追溯到20世纪30年代，随着电子技术、计算机及其信号处理的发展，因超声成像的便携、安全等特性，基于超声的影像设备得到了广泛的应用。近些年，随着半导体技术的发展及其器件集成度大幅度提升(SoC Device)，出现了有线、无线等形态的掌上、便携式超声影像设备(eg PoC器械)。
超声成像的扫描方式，常见的有A、B、C等模式的扫描。其中：
A扫：波形显示，将超声信号的幅度与传播时间的关系以直角坐标的形式显示。横坐标代表声波的传播时间，纵坐标代表信号幅度。
B扫：图像显示，是工件的一个二维截面图。横坐标代表探头在工件表面的一条直线扫查距离，纵坐标代表声传播时间（距离）。显示被检工件任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。
C扫：图像显示，是工件的一个平面投影图。图的二维坐标对应探头的扫查位置，工件中缺陷的形状和深度以亮度或颜色表示。
FPGA作用：
下面将以B扫方式，介绍基于Anlogic FPGA在超声成像中的应用。

系统框架：
可分为模拟前端、超声成像系统及其超声显示系统，可根据产品形态进行增减。
其中：
Probe：超声传感器，当前大部分工艺是基于压电陶瓷，根据成像的要求和复杂度，其传感器的个数可从64~256不等，经过相关工艺，形成一探头面阵；根据其应用场景，可将探头分为腹部探头(凸阵，Convex)、浅表探头(线阵，Linear)、心脏探头(微凸，MicroConvex)等形态

【注】：探头图片来自必应搜索，若有侵权，请告知
Mux：高压切换模块，根据超声成像算法需求，由软件(FPGA逻辑电路)控制；
Ultrasound Pulser：超声脉冲驱动器，通过高压脉冲（电信号）驱动Probe；
ADC：超声探头受激励后，电信号转声信号，遇到障碍物，声信号再转电信号，由于发送链路与接收回波信号，前端属于同一链路，因此在控制时需要，做复用处理；将接收到的回波信号进行信号调理并转换成数字信号；
LVDS/RGB接口显示屏：根据产品形态，可将FPGA处理成像后的图像数据，通过LVDS接口或者RGB接口显示；
系统组成：
系统可分为：1）接收RX Chain、2）发射Tx Chain、3）Configuration Module及其协处理模块（根据需求）。
1）RX Chain包括：RF Unit、Befoming、Signal Processor、Image Processor等基本模块

RF Unit：通过LVDS IO将接收从ADC 过来的串行数据，转换成并行数据，位宽根据需要支持8/10/12/14bit，涉及到的IP或者Macro；Anlogic提供了IDDR、FIFO、ERAM等基本模块；
Beforming：将接收来自RF Unit的数据，并通过孔径合成、动态聚焦（也可用分段聚焦）方法实现信号叠加，确保各路信号进行有效叠加，此模块设计较为复杂；Anlogic提供了FIFO、ERAM、Multiplier等基本模块，其动态生成的延时精度，可根据需求设定；
Signal Processor：对波束合成后的数据，进行加工，包括解调、滤波、求模等处理；Anlogic提供了FIR、ERAM、Multiplier等基本模块；
Image Processor：接收来自Signal Processor数据，将对信号进行对数变化，需注意其变换质量，比如亮度；以及后续的图像重建，包括线阵图像及其凸阵图像转换；转换后的图像数据，可通过RGB接口或者LVDS接口显示；Anlogic提供了ERAM、Multiplier、LVDS Display等基本模块；
2）TX Chain包含TX 发射聚焦参数及其发射脉冲控制器件，提供了系统时钟、相关器件的时钟及其配置接口比如SPI；Anlogic提供了ODDR、ERAM、Multiplier等基本模块；

3）Configuration Module 提供了系统时钟、相关器件的时钟及其配置接口比如SPI；Anlogic提供了ODDR、PLL等基本模块；

 图像数据可根据产品形态进行设定：
便携式超声设备：可将图像经由LVDS/RGB接口，直接显示至屏幕，同时也可选择Anlogic SoC器件（SF1或EF2），提供包括中断、电量检测、开关机及其启动配置等功能；
掌上超声设备：可将图像经由USB接口/WIFI接口，将数据传输到PC终端、安卓终端或者iOS终端进行成像显示；为PoC提供了方便，如术后床旁诊断、穿刺引导等；
大超声设备：通过物理通道数扩展，比如128/256通道，图像经由PCIe接口，传输至PC端，后端图像处理可由GPU实现，实现高质量成像，为临床诊断，提供更可靠的依据；
根据上述分析，在数字超声成像系统中，开发FPGA过程中，涉及到最多的IP为：IDDR/ODDR/ERAM/Multiplier/PLL，经过上述分析，安路FPGA可满足其开发需求。
————————————————
版权声明：本文为CSDN博主「wangkuijun」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/wangkuijun/article/details/123147402

相控阵声束偏转和声束聚焦的原理：
声束偏转：声束偏转相当于使波阵面以一定的角度倾斜，即使各阵元发出的声波在与探头成一定角度 的平面上具有相同的相位。各单元的激励脉冲从左到右等间隔增加延迟时间，使合成波阵面具有一个倾角，实现声束方向的偏转。通过改变延迟时间间隔，可以调整声束角度。
声束聚焦：两端阵元先激励，逐渐向中间加大延迟，使合成的波阵面具有一定曲率的圆弧面，声束指向曲面圆心。通过改变延时间隔，可以调整焦距长短。
为了按按同样的方向或同样的焦点接收回波，各单元接收的信号也需进行同样的延时，再合成为一个回波信号。

相控阵声束偏转原理、相控阵声束聚焦原理

随着90nm和65nm半导体工艺节点的到来，使得低功耗小尺寸和高度集成的医疗设备得以出现。对医疗设备制造商而言，其主要挑战是如何选择正确的半导体器件来满足便携式医疗电子产品的功率、性能和价格需求。为了满足市场的需求，系统设计必须具备灵活性，还需要着重提高诊断图片的质量，方便病人以及降低成本。为了提供这些预期功能，系统开发人员开始转用FPGA。
尽早诊断和治疗正在推动成像技术的使用和混合技术的融合。要得到所需要的更高分辨率的图像，需要采用精确的几何微阵列检测器和复杂的软件/硬件系统对光子和电子信号进行分析。这些系统必须对数量不断增加的图像数据进行高精度且极快速的处理。此外，为了降低病人的医疗费用，设备还存在成本的压力，因而必须具有较长的使用寿命。因此需要能在其有效使用期间升级功能和算法的更灵活的系统。越来越多的工程师们不得不采用可编程组件，如高性能中央处理器（CPU）和现场可编程门阵列（FPGA）。
要开发高效且灵活的医学成像设备，必须要考虑到以下因素：
成像算法的开发需要高级直观的建模工具，以便针对数字信号处理（DSP）做持续改进。
近似实时分析所需要的性能要求系统平台同时配备软件（CPU）和硬件FPGA。
系统架构师和设计工程师需要在这些平台上快速地分割和调试算法，采用最新的工具和知识产权（IP）库来加速其部署和提高收益。
成像算法
各种影像算法通常在FPGA中实现，包括图像增强、稳定、小波分析和分布式矢量处理等。

一般采用卷积（线性）滤波来实现图像增强。高通和低通滤波后的图像经过线性组合，由矩阵乘法模板进行加权，产生的图像增强了细节，同时降低了噪声。
视频图像稳定技术对视频数据序列中的旋转和缩放效果进行归一化处理，以平均连续帧中的噪声。这还平滑了从视频中提取的静止图像的锯齿边沿，能够纠正大约1/10象素的图像抖动。
为获取信号中的事件信息，小波分析使用可变窗口技术每次分析一小部分信号。小波分析对精确的低频信息使用较长的时间间隔，对高频信息使用较短的间隔。小波应用包括探测不连续点以及断点、探测自相似、抑制信号、去除信号噪声、去除图像噪声、压缩图像以及大型矩阵快速乘法运算等。
最近开发的S变换（ST）结合了FFT和小波变换。它揭示出频率随空间和时间的变化。其应用包括纹理分析和噪声滤除等。但是，ST的计算量较大，采用传统的CPU实现起来速度太慢。分布式矢量处理技术解决了这一问题，它在FPGA中同时采用矢量和并行计算，处理时间缩短了25倍。
一种癌症早期探测的方法利用了病人的重新造血能力。数字传感器探测人体辐射出的红外能量，从而“看到”由于癌症导致血流增加而出现的微小差异。其典型实现基于可编程心缩矩阵，采用了通用工作站以及FPGA专用硬件引擎来实现。和目前的高端工作站相比，该引擎将核心算法速度提高了近1,000倍。
这些复杂影像算法需要哪些关键FPGA构建模块函数呢？ 在CT重建中，需要插值、FFT和卷积函数。在超声中，处理方法包括颜色流处理、卷积、聚束、混合和弹性估算等。普通影像算法包括颜色空间转换、图形覆盖、2D/中值/时间滤波、缩放、帧/域转换、对比度增强、锐化、边沿探测、限幅、平移、极坐标/笛卡儿坐标转换、不均匀校正以及象素替换等函数。
视频图像稳定和配准（VISAR）是一种对实时视频图像去抖动的算法。它开发用于提高视频图像的质量，通过视频数据序列的旋转和缩放效果，VISAR使图像质量超越了更简单的横向和纵向的图像配准技术。VISAR通过省去转换、放大和旋转来对准视频图像域。由于VISAR让用户组合多个视频图像，从而使噪声被平均到各帧。VISAR还将提取自视频的静态图像中的锯齿状边缘做平滑处理，并且可以将图像抖动校正至1/10个像素。
VISAR算法可以用于：
将显微镜下的细胞图像明晰化
稳定眼睛图像用于视网膜研究
稳定热红外成像
在内镜手术期间稳定摄像头和身体运动
在查看MRI视频时改进超声波技术以针对身体运动做修正
小波变换是一种分析的算法，它克服了傅里叶分析的某些限制。傅立叶分析在将信号从时域变换到频域的同时丢失了时间信息。这就是为什么当你查看某个信号的傅立叶变换时，它不可能告诉你某个特定事件发生在什么时候。许多成像信号包含有重要的非平稳或短暂的特性：漂移、趋势、突变、事件开始和/或结束。
为了帮助从信号中获取事件信息，将傅立叶变换用于仅分析某个时间一小部分信号–将其称之为信号加窗。近来，通过采用带可变区间的加窗技术对小波分析加以改进。小波分析允许采用长时间间隔以得到更精确的低频信息和更短的区间以得到高频信息。小波应用包括非连续和故障点检测、自相似性检测、信号抑制、信号和图像消噪、图像压缩以及大矩阵的快速乘法。视频和图像处理（VIP）和DSP库面向小波操作提供有核心标准构件，包括缩放、移动、高通/低通滤波、I / O分解和重建。
分布式向量处理是一种用于实现更快计算的算法。S -变换（ST）结合了FFT和小波变换的特点，揭示了频率在空间和时间的变化。应用范围包括纹理分析和噪声过滤。然而，ST需要进行密集计算，这会使得传统CPU的执行速度变得太慢。但这一问题可以通过结合向量和并行计算来解决，可将处理时间压缩25倍。通过在FPGA中实现向量处理器与并行计算的结合，可以大大加速这类计算密集型算法。

现在，我们将讨论推动FPGA器件集成至医疗成像设备的一些趋势和核心开发成果。
X光成像
冠状X射线图像移动校正技术用于减小成像期间呼吸和心脏跳动的影响（心跳呼吸周期）。“3D加时间”冠状模型的移动被投射到2D图像上，用于计算纠偏函数（转换和放大），对移动进行校正，得到清晰的图像。
此外，便携式DR系统也正被越来越多的人所接受。这些尺寸更小的系统大多数提供有采用无线连接的无绳平板检测器，去掉了存在故障点和引发工伤的电缆。FPGA支持协议栈从有线到无线的转变，同时管理上电顺序和监控这些数字式检测器。
分子成像
分子影像是在细胞和分子级对生物医学过程进行特征描述和测量。其目的是探测、采集并监视导致疾病的异常状态。例如，X射线、正电子放射断层扫描 （PET）和SPECT技术相结合，将低分辨率的功能/细胞/分子图像映射到相应的高分辨率解剖图像，最小可以达到0.5 mm。小型化和算法开发推动了在这些紧凑系统平台上使用FPGA，在多核CPU基础上进一步提高了性能。
PET技术取得的进步包括：增加了检测器的数量、扩大检测器配对区域、更短的时间窗、领先的技术和更先进算法的建模。原始数据的显着增加要求数据路径具有更快的处理能力和更早做预处理决定。在许多系统中，FPGA被用在来自光电传感器和数据转换器的电信号的聚集阶段。FPGA内在的可编程本质支持更新的设计，提高数据路径预处理决定，从而减少传送到重建阶段的数据量。
磁共振成像
磁共振影像（MRI）重构技术建立人体的截面图像。借助FPGA，采用了三种功能来重建3D人体图像。从频域数据中，2D重构切片通过快速傅立叶变换（FFT）产生灰度级切片，一般是矩阵的形式。3D人体图像重构通过切片插值使得切片间距接近象素间距，这样，可以从任意2D平面来查看图像。迭代分辨率锐化使用基于迭代反向滤波过程的空间去模糊技术，在降低噪声的同时对图像重构。这样，大大提高了横截面的视觉诊断分辨率。
磁共振成像（MRI）重建生成人体横截面的图像。首先，利用频域数据的快速傅立叶变换（FFT）函数开发二维切片重建。用到了锐化和空间模糊技巧，降低噪音的同时锐化图像。这些函数中大部分是VIP和DSP库中的标准构件，用于FPGA实现。由此来看，三维卷积重建由插补技术生成。
超声波
超声图像中显现的小颗粒被称为斑点。各种无关的散射体相互作用产生了超声斑点（和无线领域的多径RF反射相似），它本质上是一种乘性噪声。使用有损压缩技术可以实现无斑超声影像。先对图像进行对数处理，斑点噪声相对于有用信号成为加性噪声。使用JPEG2000编码器进行有损小波压缩可以减小斑点噪声。
该成像技术的趋势是增多功能和扩大用途。高次传感器通道计数系统支持更先进的成像算法，允许四维成像（时间轴下的三维剖面）。FPGA已被用于波束成形和处理链路，以提供更多的处理功能同时能灵活地适应不断变化的算法。便携式和手持设备需要低成本、低功耗解决方案。可用单个FPGA器件执行波束成形、处理和人机界面（HMI）功能来实现一体化设备。
CT扫描
高次切片计算CT扫描仪被用于心脏、肺和创伤成像应用。这些扫描仪支持更快的检查时间和更详细的图像。然而，最近的趋势一直是采用可减少X射线辐射剂用量的技术。通过开发用于更先进的物理模型的更复杂算法可以做到这一点。新款CT系统处理速度是原始数据的10倍，可提供非常先进的图像处理性能。
PET/ CT融合为基于软件的图像融合（配准）提供了一个选择，它通常用于对齐大脑的功能和解剖图像。至于身体的其它部位，因为患者定位、扫描仪床的尺寸以及内部器官的不自主运动存在差异，图像配准存在更多问题。在PET / CT混合平台中，在单一成像过程中同时获取功能性和解剖性图像，以避免或减少配准和患者运动问题。
视频成像
在血管成像领域，黄金标准一直是血管X射线图像的辐射不透明对比血管造影术，使用基于盐的造影剂。如今，常用的是CT血管造影，时差/相位对比磁共振血管造影和双工/血管内超声波扫描。这些技术涉及同时采集和配准光声和超声影像，对血管和骨骼图像进行分割以及使用基于相关增强滤波器以减少肺部疾病的误诊。
此外，心脏运动估算是量化心肌弹性和收缩性的一个重要辅助项。局部区域表现异常运动标示着缺血性心脏区间，此处血液循环不足。一个发展中的算法包括从一系列超声图像对弹性进行量化评估，使用超声时空配准技术方面寻找到 ，采用时间-空间配准技巧来发现相对参考坐标系的变形场。其中所用的核心VIP和DSP标准构件函数包括二维滤波、降斑、相关和平滑。
关键标准构件函数
有些复杂成像算法所要求的关键标准构件函数包括：色彩空间转换等、图形叠加、2D/中间/时间滤波、缩放、帧/场转换、逐行扫描和锐化；若是CT重建，则需求插值、FFT和卷积函数；对于超声而言，彩色流处理、卷积、波束成形、复合及弹性估算很重要。
VIP套件以及附加IP和参考设计可以加快这些算法在FPGA中的整合，包括具有最高性能和最小封装的系统。考虑算法开发方法和相应的工具也很重要。
开发工具
影像构架师利用高级软件工具来模拟不同的算法和结果。数字成像软件和算法开发需要使用灵活的工具来创建快速且准确的图像处理算法。这些算法定义并实现各种技巧、三维图像处理和统计数据、解方程组和显示/文件的算法等。开发工具被用于FPGA的DSP功能创建、定量图像分析、模式识别、数字图像编码和压缩、自动显微镜、法医图像处理和2D小波转换应用。
在仅用CPU不够的情况下，这些工具包使开发公司能加速算法在FPGA中的实现。DSP Builder高级模块集允许在MATLAB/Simulink设计中使用高级Simulink合成和时序驱动优化。为满足用户规定的Fmax或延迟，在Simulink这类高级工具内部进行设计优化是一项独特的功能。从根本上讲，这意味着可以根据你的系统需求轻松地设置合适的Fmax和延迟，并且该工具将自动在寄存器中相加以提高Fmax或将某些关键路径并行化以满足延迟约束条件。这就省去了花上几周时间对生成的HDL代码做繁琐和低效率的手动调整。
对自动化设计流程的步骤进行了说明：
使用DSP Builder高级模块集中的标准构件来搭建Simulink中的设计。对设计进行仿真以确保它符合该算法。这些模块是可执行的，并允许快速仿真。
它们也可以和传统Simulink模块混合使用，用于搭建一个完整的设计。在高级Simulink设计描述中设定整个系统最大频率（Fmax）和/或延迟。DSP Builder对Simulink设计描述进行分析，并同时生成HDL代码和用于目标FPGA器件的可选比特流。
它包含了时间限制—最大频率（fMAX）和/或延迟—并自动添加到流水线寄存器和所要求的分时复用时间，以满足设计规范要求。

DSPBuilder高级模块集
视频和成像处理套件
能加快先进成像算法的开发并将其用于FPGA的产品是一类理想的解决方案。Altera公司的VIP套件是一个核心IP标准构件的模块集。VIP和其它IP模块及参考设计为设计人员提供了一系列工具，供设计人员用于加速对计算密集型任务的FPGA实现。
VIP套件由18个用于各种不同成像数据路径的常用标准构件函数组成，如图4所示。该套件包括以下函数：从简单的色彩空间转换器到用于多相缩放和运动自适应去隔行的高度复杂函数。

VIP套件标准部件
随着人口老龄化包括婴儿潮的出现，现在急需更加平易近人的新疗法用于对最常见的疾病进行治疗。诊断成像技术及其相关算法取得的进步是推动满足病人需求的医疗设备开发的主要动力。先进的算法需要图像处理性能显着提高的可升级系统平台，并且用在体积更小、成本更低的便携式设备。

超声诊断仪动态滤波器中FPGA技术的原理分析及应用
摘要： 引言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cycloneⅢEP3C16Q240C8在FPGA内实现数字电路，工作频率
关键词：FPGA超声诊断仪EP3C16Q240C8CycloneⅢ
Abstract：
Key words :
　　引言
　　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" title="超声诊断仪">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" title="FPGA">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" title="CycloneⅢ">CycloneⅢ EP3C16Q240C8" title="EP3C16Q240C8">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
　　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。

来源：https://blog.csdn.net/chenhuanqiangnihao/article/details/124337118
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！