雙波束合成孔徑超聲成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試

雙波束合成孔徑超聲成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字波束合成技術(shù)在b超和超聲波儀中得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字波束合成方法可以采用更高層次的數(shù)字信號處理技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理,因此,數(shù)字波束合成方法具有模擬波束合成方法所不具備的許多優(yōu)越性能,例如:1)容易實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)和超低旁瓣;2)可實(shí)現(xiàn)跟蹤式動態(tài)接收聚焦,獲得超高分辨率;3)可以在相同的硬件通道上得到幅度信息(獲得B型圖像)與相位信息(獲得多普勒血流圖像)。目前,數(shù)字波束合成技術(shù)可分為單波束合成與多波束合成兩大類。在國內(nèi),大多數(shù)B超儀都采用單波束合成技術(shù),該技術(shù)的缺陷是幀頻會受到超聲傳播速度及探測深度的限制,而多波束合成技術(shù)卻沒有此限制,它可以大大提高幀頻?；诖?本文研究了數(shù)字雙波束合成技術(shù)及其硬件實(shí)現(xiàn)方法。1雙波束合成法1.1單波束接收線信號在傳統(tǒng)的單波束合成中,發(fā)射時(shí)采用延時(shí)順序激勵(lì)陣元的方法,使各陣元按設(shè)計(jì)的延時(shí)依次先后發(fā)射聲波;媒質(zhì)內(nèi)聲波在發(fā)射焦點(diǎn)F處同相疊加增強(qiáng),而在F點(diǎn)以外異相疊加減弱。接收時(shí)各陣元連續(xù)接收回波信號并轉(zhuǎn)換為電信號;對各陣元輸出電信號按預(yù)定的單波束接收線位置動態(tài)分配聚焦延時(shí),并對延時(shí)后的回波信號求和,從而得到一根掃描線的信號。借鑒上述單波束合成思想,如圖1所示,一種雙波束合成的可能途徑是:1)在發(fā)射時(shí),由于焦點(diǎn)直徑df∞λ0·f/D,λ0為發(fā)射信號的載波波長,f為發(fā)射焦距,D為發(fā)射孔徑,故可通過增大發(fā)射焦距或減小發(fā)射孔徑實(shí)現(xiàn)弱聚焦,使得發(fā)射聚焦波束寬度包括兩根接收線。2)在接收時(shí),與單波束接收類似,針對兩個(gè)分別位于兩條不同雙波束接收線上的接收焦點(diǎn)D1、D2,各陣元連續(xù)接收超聲回波信號;對經(jīng)A/D采樣得到的回波數(shù)據(jù),分成兩路送給兩個(gè)波束合成器,從而利用一次發(fā)射得到兩根掃描線。1.2波束合成條件校正為檢驗(yàn)上述雙波束合成方法的可行性,使用Matlab進(jìn)行了建模仿真。表1給出的雙波束接收在不同焦點(diǎn)處所產(chǎn)生的偏移,可以看出都出現(xiàn)了向左偏移,而且偏移規(guī)律為發(fā)射與接收焦點(diǎn)相同時(shí)偏移最大,隨著發(fā)射與接收焦點(diǎn)的遠(yuǎn)離,偏移也逐漸減小。由于發(fā)射和接收不在同一條軸線上,接收回波能量更多來自于發(fā)射和接收線之間,而不是來自于接收線,經(jīng)過分析,可知上述接收線失真具有圖2所示的規(guī)律,圖2中兩條虛線分別代表發(fā)射與接收線,接收點(diǎn)的psf(點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù))出現(xiàn)了向發(fā)射線靠近的現(xiàn)象。因此,可在接收過程中,使實(shí)際聚焦線按照圖3所示,選取適當(dāng)?shù)木劢寡訒r(shí),從而使psf中心點(diǎn)正好落在希望接收線上。按照上述方法思想,對波束合成進(jìn)行了校正,表2給出了不同焦點(diǎn)位置經(jīng)過校正后的偏移。可以看出,經(jīng)過校正后的偏移幾乎為零,已經(jīng)可以滿足實(shí)用的要求。2合成波束的特色結(jié)合合成孔徑技術(shù),筆者在某公司數(shù)字B超平臺上實(shí)現(xiàn)了上述雙波束合成技術(shù)。圖4為雙波束合成FPGA實(shí)現(xiàn)的總體框圖。6路AD分時(shí)送來12通道的數(shù)據(jù),并將每路送來的AD數(shù)據(jù)同時(shí)送兩個(gè)數(shù)據(jù)流CHAN模塊,去除A/D零偏并完成粗延時(shí)后送到乘加模塊進(jìn)行乘加,合成兩個(gè)半波束數(shù)據(jù),其中第一次發(fā)射接收時(shí)合成的兩個(gè)半波束數(shù)據(jù)拼為32位數(shù)據(jù),存入雙口RAM存儲器(M512kB)中;在第二次發(fā)射接收時(shí),讀出雙口RAM存儲器(M512kB)中的數(shù)據(jù)并與此次合成的兩個(gè)半波束數(shù)據(jù)合并。將合成的一個(gè)波束數(shù)據(jù)送DSP做后處理,另一根線數(shù)據(jù)重新存入雙口RAM存儲器(M512kB)中。接下來在第三次發(fā)射接收時(shí),將雙口RAM存儲器(M512kB)中存儲的另一個(gè)波束數(shù)據(jù)讀出送DSP,并延時(shí)兩個(gè)時(shí)鐘寫此次合成數(shù)據(jù)與該雙口RAM存儲器(M512kB)中,這樣每次發(fā)射將送出一個(gè)波束的數(shù)據(jù),從而與單波束合成的幀頻相同。此處利用LN0來區(qū)分奇數(shù)次(LN0=1)與偶數(shù)次掃描(LN0=0)。系數(shù)流COEF模塊給CHAN模塊提供fifo_ram的讀地址計(jì)數(shù)器使能以及計(jì)數(shù)器加載控制信號,給合乘加模塊提供兩個(gè)波束的6路變插系數(shù),并給孔徑補(bǔ)償模塊提供孔徑補(bǔ)償系數(shù)。下面介紹各模塊的電路實(shí)現(xiàn)。2.1插值變跡系數(shù)系數(shù)流COEF模塊結(jié)構(gòu)由3部分組成:一是根據(jù)聚焦RAM和延時(shí)RAM里的數(shù)據(jù)判斷fifo_ram讀地址計(jì)數(shù)器使能,并產(chǎn)生細(xì)延時(shí)讀地址(聚焦延時(shí)控制模塊);二是根據(jù)插值RAM與變跡RAM中的數(shù)據(jù)算出插值和變跡系數(shù)的乘積,并根據(jù)細(xì)延時(shí)選擇系數(shù)來實(shí)時(shí)選擇出12路變插系數(shù)A和B(插值變跡控制模塊);三是要提供孔徑補(bǔ)償系數(shù)(孔徑控制模塊)。插值鎖存器的使能是fifo_ram讀地址計(jì)數(shù)器的使能信號的延時(shí)產(chǎn)生。變插系數(shù)是存放在24個(gè)小的RAM存儲區(qū)域中,其讀寫數(shù)據(jù)寬度都是16bit。由于插值和變跡系數(shù)都是128個(gè)時(shí)鐘周期變化一次,所以在當(dāng)前128個(gè)時(shí)鐘周期要計(jì)算出下一128周期的變插系數(shù)并存儲在24個(gè)小的RAM存儲區(qū)域中,并同時(shí)要往外以60MHz/16變化速率讀出當(dāng)前的變插系數(shù)并將兩個(gè)通道合并成60MHz的變插系數(shù)流。如果當(dāng)前變插系數(shù)存儲于I區(qū),則下一128周期的變插系數(shù)就往II區(qū)寫。因?yàn)樽儾逑禂?shù)是根據(jù)細(xì)延時(shí)來選擇,現(xiàn)在將細(xì)延時(shí)作為讀地址,而乘法器計(jì)算出來的插變系數(shù)順序地讀出。2.2ad采樣數(shù)據(jù)隔直數(shù)據(jù)流模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示,主要包括隔直,fifo_ram讀、寫控制幾個(gè)模塊。該模塊首先完成對采樣數(shù)據(jù)隔直(去零偏)處理;接下來以60MHz時(shí)鐘鎖存AD采樣后輸入的雙通道30MHz數(shù)據(jù)流,并寫入fifo_ram;最后根據(jù)系數(shù)流模塊提供的延時(shí)信息控制fifo_ram數(shù)據(jù)讀出,產(chǎn)生含有延時(shí)信息的數(shù)據(jù)流:outf_[7..0],outs_[7..0]。2.3接收波束2與接收波束2的合成系統(tǒng)采用兩個(gè)同樣的雙波束合成乘加模塊,分別負(fù)責(zé)接收波束1與接收波束2的合成,最后將合成數(shù)據(jù)與孔徑補(bǔ)償系數(shù)相乘并截掉低位得到掃描線送DSP做后續(xù)處理。2.4波束合成模塊測試對前述雙波束合成等模塊筆者編寫了FPGA邏輯測試模塊,通過CPU將一組數(shù)據(jù)寫入測試RAM中,經(jīng)過雙波束合成模塊后,將數(shù)據(jù)通過CPU讀入回讀數(shù)據(jù)RAM中。同時(shí)使用Matlab編寫同樣的波束合成模塊,計(jì)算出波束合成的數(shù)據(jù),二者進(jìn)行比較數(shù)據(jù)相同,證明波束合成模塊設(shè)計(jì)正確。通過此測試后,進(jìn)行整機(jī)成像測試,通過B超觀察體模圖像,所觀察圖像與體模所標(biāo)圖像一致,證明整機(jī)設(shè)計(jì)正確。3彩色超聲多普勒血流的實(shí)時(shí)顯像研究根據(jù)雙波束合成原理,在一次發(fā)射周期內(nèi)可