基于FPGA的医学超声成像数字波束合成器设计

　　0　引言

　　在使用阵列式换能器时,采用电子聚焦、变迹及方向控制等技术来形成指向特性良好的声束,这就是声束形成技术[1]。声束形成技术在医用B超诊断仪中发挥很大的作用,它是获得高质量图像的关键技术之一。传统的做法是采用集中参数L-C模拟延迟线适当地延迟后相加,这种方式因器件的准确度不高,使仪器的整体性能难以达到更高的水平[1]。

　　随着人类对图像质量的高要求以及信号处理芯片的飞速发展,数字波束形成技术应运而生。本文以8阵元为例,讨论了一种基于FPGA芯片的数字波束合成器,通过软件编程实现波束的扫描、动态聚焦和动态变迹,可方便地获得超高分辨率和低旁瓣的医学图像;并对子模块进行仿真,从实验结果验证了本文提出的数字波束形成技术的有效性。

　　1　数字波束合成

　　1·1　波束形成算法

　　波束的形成是对不同阵元的回波信号进行一定的时间补偿,然后加权相加得到的。合成波束可用如下关系式表示

　　针对焦点与各阵元之间的空间距离关系,对不同的阵元引入不同的时间延迟。文献[2-4]中以与阵元法线方向夹角为θ的合成波束上的一个焦点为例,计算出这点到达中心阵元的时间要求,从而给出了不同阵元的延时时间τn的计算公式:

　　同时由聚焦的原理可知,在超声波发射过程中,一旦各阵元按设计的延迟时间发射超声脉冲后,其聚焦焦距仅由聚焦延迟时间决定,所以式(2)中的延时时间τn又可分为接收延时和聚焦延时:

　　由文献[4]可知,当合成波束的指向与阵元的法线方向夹角为θ时,则相邻两阵元的发射波行程差为dsinθ,对应于这一行程差相邻两阵元的延时时间就等于用行程差除以超声波速。所以,相对于序号为n的阵元,其接收延时时间为:

　　1·2　数字波束合成器

　　对于数字波束合成器而言就是要完成公式(1) ~ (6)的运算,然后得到波束输出f (t)。根据数字波束形成的原理和数学模型,本文设计的基于FPGA的数字波束形成系统结构框图如图1所示。

　　它主要由控制模块、存储模块和加权求和模块组成。控制模块是整个系统的控制部件,主要协调各功能模块之间的工作顺序。存储模块用来存放接收延时τa、聚焦延时τf及加权因子an。加权求和模块就是将各阵元的回波信号和其对应的加权因子相乘然后分级进行累加,完成波束的合成。

　　数字波束合成器的主要功能是完成回波信号的接收延时、动态聚焦以及动态变迹,即对接收的多通道超声回波信号进行延时、加权求和。数字波束合成器使用A/D转换器采样来自各个接收通道的回波信号,将模拟信号转变为数字信号。同时FPGA中的控制模块根据聚焦ROM中的延时参数,控制A/D采样的起始时间和采样间隔,实现波束的指向控制和动态聚焦。经A/D采样后的数据进入FIFO (First In First Out)模块,实现同相波束数据的同时输出,之后数据被送入到加权求和模块,系统控制模块将变迹ROM中的参数取出与各个通道的回波数据相乘,所得的数据依次累加,完成波束的合成。