基于FPGA的医用超声内窥镜成像系统的同步控制

　　医用超声内窥镜是电子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和融合的产物,是当前应用前景非常广阔的医疗仪器[1]。内窥镜超声成像系统以电子内窥镜系统为基础,将超声探头经由电子内窥镜活检通道伸入体腔、接近目标器官,由微型电动机驱动超声探头实现扇面扫描,获得消化器官管壁各个断层的组织学特征。与体外超声比较,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的扫描信息更准确详细。

　　近年来,随着集成电路制作工艺不断成熟和发展,现场可编程门阵列(FPGA)器件集成度不断增大,价格不断下降,并以其高性能、高可靠性以及现场设计、现场修改、现场验证和现场实现的数字系统单片化的应用优势日益成为电子设计自动化(EDA)领域的热门技术[2],利用FPGA来实现复杂功能、小体积和易于管理的电路已经成为一种高效可靠的解决方案。

　　本文设计并实现了超声成像系统中的超声探头的驱动控制及以现场可编程逻辑阵列(FPGA)为系统控制核心的超声波的发射、接收、A/D转换以及成像的同步控制。

　　1　超声成像系统构成和工作原理

　　医用内窥镜系统超声成像方式是以超声换能器为传感元件,由微型电动机驱动换能器旋转实现扇形扫描。利用换能材料的压电效应,激发和接收超声波,并将回波信号中的组织声学特性解调出来。本超声成像系统采用B型显示方式,用回波脉冲的幅度调制显示亮度。系统将解调出的幅度信号以数字形式输出,送到计算机进行处理,显示器官壁断层组织的灰度图像。医用内窥镜成像系统框图如图1所示。系统包括超声激发电路、超声探头、回波处理及A/D转换电路、显示缓存、FPGA同步控制电路、PCI图像采集卡和计算机。激发电路的功能是在超声换能器上施加瞬时高压脉冲,激发超声换能器发射超声波;回波处理电路对超声换能器接收回波后产生的电信号进行解调输出;解调出的信号经A/D转换后输出图像的扫描线数字信号;数字信号经FIFO缓存后,经PCI图像采集卡进入计算机内存。计算机最终完成图像的显示和存储工作。FPGA同步控制电路控制超声波发射、A/D转换以及成像之间的同步。

　　2　成像系统驱动控制的设计

　　2.1　超声激发电路

　　激发电路由同步控制脉冲产生电路、激发主电路和调谐匹配电路三部分组成。激发主电路采用窄脉冲激发方式。窄脉冲发射对缩小盲带、提高探测精度具有重要意义[3]。窄脉冲发射是通过电感或电容快速放电产生尖锐的高压脉冲信号来激励超声换能器以发射超声。考虑到医疗仪器诊断和操作的安全性,采用储能电感瞬时放电方式。该方式以直流低压供电就能达到系统的要求。图2为储能电感快速放电激发换能器发射超声的原理图。