李 卉

現(xiàn)場可編程門陣列技術在超聲診斷儀信號處理系統(tǒng)中的應用分析

李 卉①

目的：分析現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)技術在B型超聲診斷儀信號處理系統(tǒng)中的應用，以期對超聲診斷儀信號處理的進一步發(fā)展提供理論基礎。方法：以FPGA技術在超聲診斷儀信號處理系統(tǒng)中的應用分析為研究對象，通過文獻研究法對相關原理進行分析。結果：通過對FPGA技術的分析，在超聲診斷儀信號處理系統(tǒng)中得到了準確、廣泛的應用。結論：FPGA技術全面提高超聲診斷儀信號處理系統(tǒng)的可靠性和靈活性，使之向模塊化、微型化、多樣化、系列化以及數(shù)字化方向飛速發(fā)展。

現(xiàn)場可編程門陣列技術；超聲診斷儀；信號系統(tǒng)；應用

[First-author’s address] Assets and Equipment Office of Xiangya Hospital, Central South University, Hunan 410008, China.

近年來，隨著現(xiàn)代信號處理技術的不斷發(fā)展，人們對超聲診斷儀性能要求的不斷提高，超聲診斷儀的邏輯控制器件由采用中、小規(guī)模的集成芯片發(fā)展到應用現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array，F(xiàn)PGA)技術[1]。FPGA將邏輯控制部分帶入超大規(guī)模集成電路(very large scale integration，VLSI)的水平，使數(shù)字信號處理系統(tǒng)由VLSI數(shù)字信號處理(digital signal processing，DSP)器件、存儲器件和FPGA器件3個模塊實現(xiàn)[2]。由于FPGA技術具有較高的靈活性和可移植性，降低了功耗，同時還可以方便地對設計進行在線修改，因此FPGA在超聲診斷儀信號處理中得到了廣泛應用。本研究著重分析FPGA技術在超聲診斷儀信號處理系統(tǒng)中的應用，以期對超聲診斷儀信號處理的進一步發(fā)展有所幫助。

1 FPGA技術的原理

FPGA采用邏輯單元陣列(logic cell array，LCA)，包括可配置邏輯模塊(configurable logic block，CLB)、輸入輸出模塊(input output block，IOB)和內部連線(Interconnect)3個部分[3]。FPGA是可編程器件，利用小型查找表(16×1 RAM)來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅動其他邏輯電路或驅動I/O，由此構成了即可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，而這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。同時也可實現(xiàn)系統(tǒng)在線重構，構建一個根據(jù)計算任務不同而實時定制的CPU。FPGA也由未完成的邏輯陣列所組成，通過將邏輯陣列相連接來完成其功能(如圖1所示)。

圖1 FPGA技術的基本原理圖

2 FPGA技術在超聲診斷儀信號處理系統(tǒng)中的應用流程

FPGA技術在超聲設備的采樣控制和顯示控制中得到重要的應用，用FPGA實現(xiàn)數(shù)字掃描轉換器(digital scan converter，DSC)，其運行速度快，結構簡單，修改、調試方便，系統(tǒng)可靠性高[4]。FPGA技術在超聲診斷儀器信號處理系統(tǒng)中的應用流程如圖2所示。

圖2 FPGA控制超聲診斷儀信號發(fā)射電路流程圖

3 FPGA技術在B型超聲診斷儀信號處理中的應用

在現(xiàn)代超聲診斷設備中B型超聲設備是在醫(yī)學中應用最廣泛的系統(tǒng)，B超可以動態(tài)實時的對組織結構信息進行成像，結合其他一些成像技術還可以形成更先進的成像系統(tǒng)，如三維超聲成像系統(tǒng)。B型超聲成像過程主要包括動態(tài)濾波、包絡檢波、二次采樣、對數(shù)壓縮及坐標轉換等(如圖3所示)。

圖3 B型超聲圖像成像流程圖

3.1 基于FPGA的FIR濾波器設計采樣分布式算法

分布式算法的核心思想是將濾波過程中乘積和運算轉化成移位、加和(或)減法及查表操作[5]?；贔PGA實現(xiàn)式分布式算法的計算過程如圖4所示。

濾波器參數(shù)輸入窗口輸入想要的參數(shù)，即可求得其頻譜響應及濾波器系數(shù)等。直接將設計的濾波器轉化成用硬件描述語言(hardware description language，HDL)描述的代碼，而生成的HDL代碼，直接添加到FPGA開發(fā)工程中。

圖4 基于FPGA的FIR濾波器設計采樣分布式算法示圖

3.2 基于FPGA的包絡檢波

數(shù)字B型超聲系統(tǒng)中，最簡單的包絡檢波法是低通濾波法，利用FPGA技術可以輕易實現(xiàn)低通濾波法。包絡檢波模塊先對輸入數(shù)據(jù)求絕對值，再通過截止頻率為3 MHz的四階無限脈沖響應(infinite impulse response，IIR)低通濾波器，實現(xiàn)了信號的包絡檢波處理[6]。輸入的16位數(shù)據(jù)首先經(jīng)過一個兩階IIR濾波器，輸出一路32位的信號；再經(jīng)過一個兩階IIR濾波器濾波，從而實現(xiàn)四階IIR低通濾波，輸出32位信號；由于該IIR帶通濾波器的增益為1，因此信號經(jīng)過濾波器，數(shù)據(jù)位寬不變，將30位信號經(jīng)過移位寄存器，輸出16位信號。包絡檢波后的數(shù)字信號處理過程不再需要輸出線性相位特性，IIR濾波器可以用較低的階數(shù)實現(xiàn)滿足頻譜特性的低通濾波器，能節(jié)省FPGA資源。

3.3 基于FPGA的二次采樣

回波信號經(jīng)包絡檢波后，信號頻譜主要集中在低頻部分。超聲回波信號處理過程中的二次采樣便是對回波信號降低頻率采樣過程。二次采樣是在最大程度上保留有用信息的基礎上降低了信號的采樣頻率。

二次采樣的實現(xiàn)過程即CIC濾波器實現(xiàn)過程，其Verilog程序實現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 基于FPGA設計CIC濾波器程序實現(xiàn)流程圖

基于FPGA設計級聯(lián)積分梳狀(cascade integrator comb，CIC)濾波器結構實際上是一階IIR濾波器和一階FIR濾波器的級聯(lián)，而且這些濾波器系數(shù)為1或-1，無乘法運算。信號經(jīng)過抽取因子為4的抽取

后，信號采樣率已經(jīng)由40 MHz降為10 MHz，梳狀濾波器即工作在10 MHz時鐘頻率下，因此程序中需要時鐘的分頻模塊。FPGA中時鐘的分頻使用集成在FPGA中專用時鐘管理單元(clock manager tile，CMT)來完成，這樣得到的分頻時鐘相位，占空比等參數(shù)才能滿足要求[7]。

3.4 基于FPGA的對數(shù)壓縮

基于FPGA實現(xiàn)的對數(shù)壓縮過程有兩種實現(xiàn)方法：即查表法和坐標旋轉數(shù)字計算機算法[8]。利用查找法實現(xiàn)對數(shù)壓縮思路是，先將可能的輸入信號x按對數(shù)關系映射為y，然后把得到的這些y值建立查找表，以x的值作為查找表的輸入地址，從而實現(xiàn)了輸入數(shù)據(jù)的對數(shù)運算(公式1)：

式中k、p為常量。

3.5 基于FPGA的坐標轉換

超聲波脈沖從左到右每隔一個角度e發(fā)射一束超聲脈沖信號，發(fā)射N個超聲脈沖信號后完成了一幀圖像的扇形掃描(如圖6所示)。

圖6 B型超聲扇形掃查方式示意圖

在扇形掃描方式下，回波信號各個采樣點對應的極坐標系中的位置/(p，0)，而顯示終端設備中像素點的位置是用直角坐標系表示(如圖7所示)。

圖7 直角坐標系和極坐標系的關系圖

設在圖7中要顯示直角坐標系中點p對應的像素點的值，需要求出對應的極坐標系中點(p，0)的半徑坐標p和弧度角e。同一點在直角坐標系和極坐標系中對應關系如公式2：

公式2顯示，坐標轉換過程實際上是求在直角坐標系中以p(x0，y0)為頂點的向量對應的模和旋轉角，利用FPGA實現(xiàn)向量的求模和旋轉角運算。

3.6 基于FPGA的B超回波信號處理過程的仿真

在各個模塊單獨調試成功后需要將這些模塊整合為一個程序，然后再進行調試并下載到FPGA中[9]。在硬件程序下載到FPGA中之前有必要對程序進行整體的仿真驗證，因為回波信號處理過程中每個環(huán)節(jié)算法的選取、參數(shù)的確定均可直接影響最終的成像效果，為了得到最佳的成像效果，需要在仿真中找到合適的實現(xiàn)算法和參數(shù)。

3.7 基于FPGA的B型超聲成像

超聲診斷儀后端數(shù)字信號處理過程是直接將射頻數(shù)據(jù)保存在FPGA中，在FPGA中存儲部分原始射頻數(shù)據(jù)，基于FPGA的B型超聲成像流程如圖8所示。

圖8 基于FPGA的B型超聲成像程序流程圖

只讀存儲器(read only memory，ROM)模塊用于存儲原始的超聲射頻數(shù)據(jù)，可以通過例化FPGA中雙極隨機存取存儲器(bipolar random access memory，BRAM)的方法得到；數(shù)字信號處理模塊主要包括動態(tài)濾波、包絡檢波、二次采樣、對數(shù)壓縮及坐標轉換等；BRAM模塊用于緩存處理后得到的射頻數(shù)據(jù)[10]；視頻圖形陣列(video graphic array，VGA)時序控制用于產(chǎn)生視頻數(shù)據(jù)輸出的時序控制信號；時鐘管理則用于緩存全局時鐘、對時鐘分頻及時鐘相移等[11]。

4 結語

目前，隨著數(shù)字信號處理技術的不斷發(fā)展，F(xiàn)PGA技術在超聲診斷儀中得到越來越廣泛的全面應用，有效提高了超聲診斷儀信號處理系統(tǒng)的可靠性和靈活性，使之向模塊化、微型化、多樣化、系列化以及數(shù)字化方向飛速發(fā)展。

[1]朱利華，武劍輝，來強厚.基于FPGA超聲信號數(shù)字動態(tài)濾波器的實現(xiàn)[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學進展，2012，12(2)：344-347.

[2]付亞光，武劍輝，欒強厚，等.基于FPGA的彩超信號處理中壁濾波器設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學進展，2013，13(4)：760-762，780.

[3]何賓.FPGA數(shù)字信號處理實現(xiàn)原理及方法[M].北

京：清華大學出版社，2010.

[4]趙成效，項四平.基于FPGA的超聲動態(tài)聚焦數(shù)據(jù)整序設計[J].中國醫(yī)療器械雜志，2014，38(3)：193-195.

[5]萬明習.生物醫(yī)學超聲學[M].北京：科學出版社，2010.

[6]馬航，季振宇，史學濤，等.一種基于FPGA控制的多路并行數(shù)據(jù)采集設計方法[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014，35(2)：1-3，7.

[7]肖積濤，馬幼鳴，周鳴爭，等.基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機技術與發(fā)展，2012，22(6)：217-220.

[8]Manish Kumar Bir1a.FPGA based reconfigurable platform for complex image processing[M]. India：Simens Corporate Technology，2010.

[9]Wang H，Zhang M，Yao Q.A new realization of time-to-digital converters based on FPGA internal routing resources[J].IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control，2013，60(9)：1787-1795.

[10]Tymchenko L，Petrovskiy M，Kokryatskaya N，et al. Modeling of the high-performance PLD-based sectioning method for classification of the shape of optical object images[J]. Springerplus，2013，27(2)：692.

[11]Capogni M，Antohe A.Construction and implementation of a TDCR system at ENEA[J]. Appl Radiat Isot，2014(87)：260-264.

Research on FPGA technology and its application in ultrasonic signal processing systems/

LI Hui// China Medical Equipment,2015,12(4):22-25.

Objective: To analyze FPGA technology in diagnostic ultrasound B signal processing system in order to provide a theoretical basis for the further development of diagnostic ultrasound signal processing. Methods: Analysis of FPGA technology in diagnostic ultrasound signal processing system for the study through literature study to analyze the relevant principles. Results: FPGA to be more widely used in ultrasonic diagnostic apparatus in full. Conclusion: It comprehensively improved the reliability and flexibility of ultrasound diagnostic signal processing system, making the modular, miniature, diversification, serialization and the rapid development of digital direction.

Field programmable gate array technology; Ultrasonic diagnostic apparatus; Signal systems; Application

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.04.007

1672-8270(2015)04-0022-04

R445.1

A

李卉,女,(1971- ),碩士，工程師。中南大學湘雅醫(yī)院資產(chǎn)與裝備辦公室，從事醫(yī)療設備維護及管理工作。

2014-05-12

①中南大學湘雅醫(yī)院資產(chǎn)與裝備辦公室 湖南 長沙 410008