基于FPGA的B超成像系统图像采集的原理和实现

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  • 1、引言

         医学超声诊断成像技术大多数采用超声脉冲回波法,即利用探头产生超声波进入人体,由人体组织反射产生的回波经换能器接收后转换为电信号,经过提取、放大、处理,再由数字扫描变换器转换为标准视频信号,最后由显示器进行显示。在基于FPGA+ARM 9硬件平台的全数字化B超诊断仪中,前端探头返回的回波电信号需由实时采集系统进行波束合成、相关处理、采集并传输至ARM嵌入式处理系统,视频信号数据量大,实时性要求高,因此选用FPGA+SRAM构成实时采集系统,在速度和容量上都能满足上述要求。主要介绍B超成像系统中应用FPGA进行逻辑控制进行超声视频图像采集的原理和实现。

    2、系统构成工作原理

       如图1所示,采集系统首先由数字波束合成器对多通道超声回波信号进行波束合成,数字波束合成器对不同通道信号进行延时,使同一点的信号同相相加,同时对多个通道的回波信号进行空间域上的加窗,类似匹配滤波,可以提高信号的信噪比。然后对合成后的超声视频信号做一个帧相关的预处理,即图像帧与帧之间对应象素灰度上的平滑处理。因为叠加在图像上的噪声是非相关且具有零均值的随机噪声,如果在相同条件下取若干帧的平均值来代替原图,则可减弱噪声强度。在帧相关过程中,FPGA要控制数据的读取、处理以及存储。在为了满足视频显示的实时性,该采集系统采用双帧存结构的乒乓机制,由FPGA实现读写互锁控制。经帧相关处理完后的视频数据交替写入帧存A和帧存B,帧存读控制器根据后端处理速度读取帧存中的数据,送往DMA控制器,DMA控制器开启DMA通道进行数据传输。FPGA实现读写控制时,为了避免同时对一个帧存进行读写操作,需要设置读写互斥锁进行存储器状态切换。


    基于FPGA的B超成像系统图像采集的原理和实现


    3、系统设计与实现

    3.1 数字波束合成

         对于具有128阵元和32收发通道的超声探头,在进行32路AD转换后,将其分为4组,每组8路接收通道,每组用一片FPGA实现,在该FPGA内首先进行接收延时和动态聚焦再进行加权求和,其后再进行组间的求和产生超声数字视频信号。每一组的系统框图如图2所示:


    基于FPGA的B超成像系统图像采集的原理和实现


         对不同通道的回波信号进行不同的延时是达到波束聚焦的关键,延时按精度可分为粗延时和细延时:粗延时用于控制A/D采样的开始时间,精度为32 ns,延时参数由FPGA的片内RAM中读出,更换探头时系统控制器将相应数据写入这些RAM;细延时由采样时钟发生器根据不同的通道产生不同的A/D采样时钟,这些时钟的相位互相错开,其错开的值刚好等于各阵元传播延迟之差。考虑到系统的实时性以及探测过程中深度的变化,需要采用动态聚焦。动态聚焦是在A/D采样开始后,通过读取动态聚焦参数,在采样的过程中控制采样时钟发生器实现。

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