超声诊断仪FPGA模拟动态滤波器的原理及应用

    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。为了让超声图像能够更加清晰，现代超声诊断仪对超声信号进行动态滤波。动态滤波包含模拟动态滤波和数字动态滤波。模拟动态滤波器要改变器件的参数，从而达到改变通频带中心频率的效果，方法简易，效果很好。同时，控制信号是来自FPGA输送出的数字信号，经D/A转换所得，采用FPGA实现控制信号，实现了很高的精度，达到了预想的效果。

    选用CycloneⅢ EP3C16Q240C8在FPGA内实现数字电路，工作频率高，同时各个模块并行工作，能够很好的解决系统时序上的问题。

动态滤波器原理

    大量的研究和试验表明，人体组织对超声的衰减不仅与被探测介质的深度有关，还与超声波的频率有关。随着频率的升高，介质对超声能量的衰减系数增大。当 所发射超声波具有较宽的频带时，接收回波中的频率成分必然与距离有关。在近场，回波频率成分主要集中在频带的高端，随着探测深度的增加，回波信号频谱地中 心频率逐渐向频带的低端频移（如图1）。

图1 超声回波频谱随深度变化曲线

    中心频率的下移将使横向分辨力恶化，这是因为发射的超声脉冲向深度传播时，其波长将增大，而孔径大小不变。动态滤波的设计思想就是根据上述因素得出 的。包含两方面含义：一方面均衡色散，也就是用均衡器或者一种逆滤波器来补偿深度及浅部，以期得到相同的观测频率和分辩力；另一方面，从匹配滤波器的思想 可知，当信号的频谱与接收机选择性相吻合时，可得到最佳信噪比。动态滤波器就是用来自动选择以上具有诊断价值的频率分量，并滤除体表部分以低频为主的强回 波信号和深部以高频为主的干扰的一个频率选择器。

    实践表明，使用动态滤波器后，设备在深度的SNR及图像可视性得到改善；而在浅部，可以保持高的观测频率，使分辩力及图像细微度得到改善，最终使图像总体质量得到提升，增加了仪器的实用性。

组成与模块实现

整体框架

    动态滤波器由FPGA内部实现的数据模块和控制模块、D/A转换电路、滤波电路组成。采用离线计算的方式计算出控制信号的数据，从而做成FPGA内部 的数据模块；经由控制模块，将数字控制信号输出；输出的数字控制信号由D/A转换电路，形成模拟控制信号；模拟控制信号接入到滤波电路的控制端口，实现对 滤波电路参数的控制，达到动态改变滤波电路中心频率的目的，从而完成动态滤波。

滤波电路

    滤波器电路采用并联谐振电路，并联谐振电路在中心频率处，具有信号幅值最大的输出比。同时并联谐振电路具有很小的功率损耗，广泛用于带通滤波。我们采 用电感加电容的并联谐振，电感采用精度较高的铁氧体线圈，电容采用能改变极间电容的变容二极管（SVC321）。并联谐振电路如图2。

图2 并联谐振电路

    并联谐振电路的通频带中心频率的计算公式：(当 品质因数Q很大时)。变容二极管随着反向电压增加，其极间电容逐渐变小，在反向电压的作用下，本电路采用的变容二极管电容可以在15pF~470pF之间 变化，随着二极管极间电容的改变，谐振电路的中心频率也跟着发生变化，本电路中心频率的变化范围在2.4M~13.9M之间，满足超声波信号频率在 3.5M左右变化的要求。变容二极管SVC321极间电容随反向电压变化的变化曲线如图3。

图3 变容二极管电容值随反压变化曲线[page]

D/A变换器

    D/A变换器负责将FPGA数字信号转换为控制变容二极管的模拟电压信号，D/A芯片型号为DAC0800，电流输出型。D/A输出信号电流经运放转换为电压，采用运放可以方便的对控制信号进行进一步的控制。具体电路如图4。

图4 变容二极管控制信号形成电路

FPGA控制模块

1数据模块

FGPA的控制信号是根据变容二极管所需反向电压精确设计的，设计步骤如下：

1.查阅身体随频率和深度的衰减率，分析出每个超声信号采样点位置的中心频率F（128个点）；

2..根据每个中心频率计算出变容二极管的电容值，；

3.根据求出的C，查变容二极管C/V变换图，找到对应的电压V，即为二极管的反向控制电压（DF输出），（VY为运放的输出）；

4．计算出V，从而推算出VY，故D/A的输出电流，（单位为毫安）；

5．根据计算出电流大小I对照DAC0800的datasheet中的电流大小与数字数据的转换对照表，查出对应的数字数据。

以此类推，计算出128个点上的数字数据，在FPGA内做成ROM，提供给控制模块读出。

2控制信号产生模块

    FPGA的控制模块是根据整个控制的时序，输出数据模块ROM里面的数据，提供给D/A转换电路来控制变容二极管的反相端（N）。

    首先根据选取的深度点的间隔，决定控制模块的时钟频率，即每个数据输出的频率。控制模块读入数据模块的数据，再根据控制时序，输出数字控制信号。控制模块接口如表1。

表1 控制模块接口

系统功能验证

    完成了系统的设计后，我们进行在线系统功能验证，验证滤波器频率的稳定性。

以下是验证的步骤：

1、 控制信号模块输出一个特定的数字D（直接在程序内赋值），输出就是一个特定的数；

2、 我们先测量电流转成电压的值V’，再测量经运放改变后DF的输出V，即为变容二极管的反向电压；

3、 然后，根据反向电压查表得到相应的电容值，从而计算出中心频率F；

4、 利用信号发生器产生一系列不同频率相同幅值的信号，让其通过并联谐振电路，再使用示波器测量，确定哪个频率段之间的信号通过量最大，即可以确定中心频率在 此频带内。再与F’对比，看是否相符。为了尽量的缩短频率段的范围，在确定一个频率段后，再在此频率段内分不同频率测量，以便更精确地确定中心频率。

经过一系列特定数字信号的验证，可以确信的得到并联谐振电路中心频率的稳定性。现将其中一个特定数字的验证结果如下：

D=120，测得电压值V’=1.43V，V=2V，计算出中心频率F=3.0MHz结果如表2。

表2 验证结果

实验得出中心频率在3.0MHz~3.2MHz之间，对比满足要求。

结束语

    采用FPGA的模拟动态滤波器，在结构上简易，性能上稳定，测试和设计都十分的方便。FPGA的使用，能根据具体要求很方便的改变控制信号，同时实现超声诊断仪中多个模块并行工作，也为以后的更多模拟部分数字化提供了基础。