基于FPGA的超聲診斷儀動態濾波器的設計

引言

超聲成像是當今醫學影像診斷的主要成像方法之一，它以超聲波與生物之間的相互作用作為成像基礎，具有對人體無傷害、無電離輻射、使用方便、適用范圍廣、設備價格低等優點。為了讓超聲圖像能夠更加清晰，現代超聲診斷儀對超聲信號進行動態濾波。動態濾波包含模擬動態濾波和數字動態濾波。模擬動態濾波器要改變器件的參數，從而達到改變通頻帶中心頻率的效果，方法簡易，效果很好。同時，控制信號是來自FPGA輸送出的數字信號，經D/A轉換所得，采用FPGA實現控制信號，實現了很高的精度，達到了預想的效果。

選用cycloneⅢ EP3C16Q240C8在FPGA內實現數字電路，工作頻率高，同時各個模塊并行工作，能夠很好的解決系統時序上的問題。

動態濾波器原理

大量的研究和試驗表明，人體組織對超聲的衰減不僅與被探測介質的深度有關，還與超聲波的頻率有關。隨著頻率的升高，介質對超聲能量的衰減系數增大。當所發射超聲波具有較寬的頻帶時，接收回波中的頻率成分必然與距離有關。在近場，回波頻率成分主要集中在頻帶的高端，隨著探測深度的增加，回波信號頻譜地中心頻率逐漸向頻帶的低端頻移（如圖1）。


圖1 超聲回波頻譜隨深度變化曲線

中心頻率的下移將使橫向分辨力惡化，這是因為發射的超聲脈沖向深度傳播時，其波長將增大，而孔徑大小不變。動態濾波的設計思想就是根據上述因素得出的。包含兩方面含義：一方面均衡色散，也就是用均衡器或者一種逆濾波器來補償深度及淺部，以期得到相同的觀測頻率和分辯力；另一方面，從匹配濾波器的思想可知，當信號的頻譜與接收機選擇性相吻合時，可得到最佳信噪比。動態濾波器就是用來自動選擇以上具有診斷價值的頻率分量，并濾除體表部分以低頻為主的強回波信號和深部以高頻為主的干擾的一個頻率選擇器。

實踐表明，使用動態濾波器后，設備在深度的SNR及圖像可視性得到改善；而在淺部，可以保持高的觀測頻率，使分辯力及圖像細微度得到改善，最終使圖像總體質量得到提升，增加了儀器的實用性。

組成與模塊實現

整體框架

動態濾波器由FPGA內部實現的數據模塊和控制模塊、D/A轉換電路、濾波電路組成。采用離線計算的方式計算出控制信號的數據，從而做成FPGA內部的數據模塊；經由控制模塊，將數字控制信號輸出；輸出的數字控制信號由D/A轉換電路，形成模擬控制信號；模擬控制信號接入到濾波電路的控制端口，實現對濾波電路參數的控制，達到動態改變濾波電路中心頻率的目的，從而完成動態濾波。

濾波電路

濾波器電路采用并聯諧振電路，并聯諧振電路在中心頻率處，具有信號幅值最大的輸出比。同時并聯諧振電路具有很小的功率損耗，廣泛用于帶通濾波。我們采用電感加電容的并聯諧振，電感采用精度較高的鐵氧體線圈，電容采用能改變極間電容的變容二極管（SVC321）。并聯諧振電路如圖2。


圖2 并聯諧振電路