1 引 言

醫(yī)學超聲診斷成像技術大多數(shù)采用超聲脈沖回波法，即利用探頭產生超聲波進入人體，由人體組織反射產生的回波經(jīng)換能器接收后轉換為電信號，經(jīng)過提取、放大、處理，再由數(shù)字掃描變換器轉換為標準視頻信號，最后由顯示器進行顯示。在基于FPGA+ARM 9硬件平臺的全數(shù)字化B超診斷儀中，前端探頭返回的回波電信號需由實時采集系統(tǒng)進行波束合成、相關處理、采集并傳輸至ARM嵌入式處理系統(tǒng)，視頻信號數(shù)據(jù)量大，實時性要求高，因此選用FPGA+SRAM構成實時采集系統(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)中應用FPGA進行邏輯控制進行超聲視頻圖像采集的原理和實現(xiàn)。

2 系統(tǒng)構成工作原理

如圖1所示，采集系統(tǒng)首先由數(shù)字波束合成器對多通道超聲回波信號進行波束合成，數(shù)字波束合成器對不同通道信號進行延時，使同一點的信號同相相加，同時對多個通道的回波信號進行空間域上的加窗，類似匹配濾波，可以提高信號的信噪比。然后對合成后的超聲視頻信號做一個幀相關的預處理，即圖像幀與幀之間對應象素灰度上的平滑處理。因為疊加在圖像上的噪聲是非相關且具有零均值的隨機噪聲，如果在相同條件下取若干幀的平均值來代替原圖，則可減弱噪聲強度。在幀相關過程中，F(xiàn)PGA要控制數(shù)據(jù)的讀取、處理以及存儲。在為了滿足視頻顯示的實時性，該采集系統(tǒng)采用雙幀存結構的乒乓機制，由FPGA實現(xiàn)讀寫互鎖控制。經(jīng)幀相關處理完后的視頻數(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通道進行數(shù)據(jù)傳輸。FPGA實現(xiàn)讀寫控制時，為了避免同時對一個幀存進行讀寫操作，需要設置讀寫互斥鎖進行存儲器狀態(tài)切換。

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1 數(shù)字波束合成

對于具有128陣元和32收發(fā)通道的超聲探頭，在進行32路AD轉換后，將其分為4組，每組8路接收通道，每組用一片F(xiàn)PGA實現(xiàn)，在該FPGA內首先進行接收延時和動態(tài)聚焦再進行加權求和，其后再進行組間的求和產生超聲數(shù)字視頻信號。每一組的系統(tǒng)框圖如圖2所示：

對不同通道的回波信號進行不同的延時是達到波束聚焦的關鍵，延時按精度可分為粗延時和細延時：粗延時用于控制A/D采樣的開始時間，精度為32 ns，延時參數(shù)由FPGA的片內RAM中讀出，更換探頭時系統(tǒng)控制器將相應數(shù)據(jù)寫入這些RAM;細延時由采樣時鐘發(fā)生器根據(jù)不同的通道產生不同的A/D采樣時鐘，這些時鐘的相位互相錯開，其錯開的值剛好等于各陣元傳播延遲之差。考慮到系統(tǒng)的實時性以及探測過程中深度的變化，需要采用動態(tài)聚焦。動態(tài)聚焦是在A/D采樣開始后，通過讀取動態(tài)聚焦參數(shù)，在采樣的過程中控制采樣時鐘發(fā)生器實現(xiàn)。

8個通道的回波信號經(jīng)過A/D采樣后，送入FPGA，緩沖之后同步讀出進入加權模塊，加權模塊由8個無符號為數(shù)字乘法器組成。回波信號分別與加權參數(shù)相乘后得到具有動態(tài)聚焦和加權特性的數(shù)據(jù)。8組數(shù)據(jù)再經(jīng)過3級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 幀相關處理

幀相關模塊如圖3所示，由幀相關控制器和一片存儲器組成，進行幀相關的存儲器采用大小為256 kB的靜態(tài)存儲器(SRAM)。幀相關控制器由FPGA實現(xiàn)，完成地址產生、存儲器讀寫控制、幀相關計算功能，因為實時性的要求，即保證送往后端雙幀存的數(shù)據(jù)不能中斷，所以考慮到對逐個象素數(shù)據(jù)讀寫的同時就進行相關處理，而且需要在同一個象素時鐘周期內完成。讀寫控制器在1個象素時鐘周期的前半段需要讀出存儲器中的數(shù)據(jù)和當前幀數(shù)據(jù)進行相關處理;時鐘周期的后半段再將相關處理完的數(shù)據(jù)寫入存儲器以備后用，這樣送往后端雙幀存的數(shù)據(jù)依然是和象素時鐘對應的連續(xù)象素數(shù)據(jù)。