一种基于FPGA的数字超声电子聚焦系统的设计

1　引言

超声成像是当今医学影像诊断的主要成像方法之一,它以超声波与生物之间的相互作用作为成像基础,具有对人体无伤害、无电离辐射、使用方便、适用范围广、设备价格低等优点。为使成像更加清晰,现代医学超声诊断仪在超声波束发射上多采用聚焦的方法,以得到指向性良好的聚焦声束。过去一般使用电容和电感组成的模拟延时线来实现调相,精度较低。随着集成电路成本的降低,后来使用由A/D变换器和数据存储器构成的数字延迟线。随着当前集成电路技术的发展,已经可以实现信号波形的包括频率、幅度、包络、相位的全数字化受控产生,同时由于其精度高、控制方便、稳定性好而成为近年来的研究方向[1]。在工业超声探伤仪和医用高能聚焦超声等领域,已有研究报道借鉴相控阵雷达中的热点技术DDS(direct digital syn-thesis)来实现超声相控阵[2]。

随着大规模可编程逻辑器件和EDA技术的发展,采用FPGA实现的ASIC电路代替原有的数字逻辑电路,具有体积小、功耗小、精度高、稳定性好的特点。本文介绍一种使用Altera公司的APEX20K200芯片完成聚焦控制、多路切换、扫查方式控制等功能的数字超声电子聚焦系统,不仅提高了聚焦延迟的精度可靠性,也大大提高了系统集成度。

2　超声电子聚焦原理

超声相控(phased array)调焦的原理是,通过各通道发射激励脉冲之间的到达延时控制各振元发射信号的相位,使得各振元发射的到达焦点的声束具有相同的相位,控制波阵面在空间某点合成振幅的大小,亦能实现波束指向的相控偏转,如图1所示[3]。

分段动态电子聚焦技术和可变孔径技术用以实现仪器全探测深度的波束聚焦,以解决在近场波束混叠、远场波束扩散而影响灵敏度和分辨力的问题。其基本原理是将探测深度划分为2-4段,按照近、中、远场的顺序,近场激励较少的振元,远场激励较多的振元,每次固定一个焦点发射,然后将多次发射接收到的回声数据重合显示,从而得到从近距离到远距离动态聚焦的、分辨力良好的二维断面图像。

B超探头中的换能器由多个压电振元成线阵或面阵排列构成。单个振元的辐射面积小,提高了波束指向性;而多个振元组合发射,保证了功率,且等效孔径的加大使波束变窄,分辨力高。实际应用中还常通过阵元间的灵活组合,实现1/2、1/4个阵元中心距扫描或微角扫描的方法,以在不提高探头振元阵密度的情况下,获得更高的线密度。系统阵元数目一定的情况下,合成波束的旁瓣声压与相控延时分辨率成反比,即分辨率越高,旁瓣越小[4]。因而,聚焦延时分辨率极大的影响了波束的实际聚焦效果,因而也决定了成像清晰度。