基于FPGA的数字超声内窥镜接收系统设计

　　医学超声内窥镜是内窥镜技术与超声传感技术、微机电技术、现代计算机技术等高新技术不断发展、融合的产物, 是当前应用前景非常广阔的医疗仪器[ 1] 。超声内窥镜将微型超声探头通过内窥镜的活检钳道插入消化道器官后, 由微型电机[ 2-3] 前置驱动超声换能器旋转, 进行超声扫描, 获得消化器官管壁各个断层的组织学特征, 这样能够较早发现组织病变。与体外超声相比, 探头与器官间距离短, 避免了脂肪、体腔内气体对成像的影响, 获得的图像信息要比体表上所获得的扫描信息准确详细, 其诊疗优势已为医学界所共识。

　　传统的超声成像系统, 超声发射和回波处理完全由模拟电路组成, 模数转换环节位于回波处理的末端, 其电路复杂, 图像信噪比相对较低[ 4-5] 。近年来, 随着数字技术的发展, 模拟系统中的各个环节逐步被数字电路所取代[ 6] 。但是, 由于国内起步较晚,加上国外的技术封锁, 数字超声成像系统中的一些关键技术有待我们进一步的研究。

　　本文借鉴软件无线电中的数字下变频思想[ 7] ,设计了由采样芯片和现场可编程门阵列( FPGA ) 构成的数字超声内窥镜接收系统。将模数转换推进到接收系统的最前端, 在高频完成回波信号采样, 使得超声成像系统中, 除发射和放大电路外的各部分完全由数字电路实现, 电路集成度高, 图像信噪比高。经实验验证, 接收系统能够提取信噪比为4 dB 的回波信号。

　　1 数字超声内窥镜成像系统

　　数字超声内窥镜成像系统的原理如图1 所示。系统包括超声探头、驱动电机、激发电路、接收隔离电路、回波放大电路、A/ D 转换电路、FPGA 数字处理电路、U SB2. 0 接口和计算机。FPGA 作为系统核心, 完成时序控制、发射驱动、增益补偿控制、回波信号幅度提取和USB 数据传输控制。系统采用B型成像方式, 用回波脉冲的幅度调制显示亮度。

　　工作时, FPGA 首先驱动电机带动超声换能器旋转, 在转动过程中, 超声激发电路激励换能器发射超声信号, 同时放大和增益补偿电路对反射回波进行放大和衰减补偿, 然后由A/ D 电路转换为数字信号, 并由FPGA 利用内建的正交解调器提取回波信号的幅度信息, 最后通过U SB 将幅度信息传送到计算机中显示。超声换能器旋转一周获取的物体扫描图像, 先以极坐标形式在计算机中存储, 然后由软件对其进行坐标变换, 实现直角坐标形式显示。

　　本文设计的数字超声内窥镜接收系统, 实现信号的高频采样与数字解调, 是数字化超声成像系统的关键环节。

　　2 接收系统电路设计

　　2. 1 A/ D 采样电路