基于FPGA的超声诊断仪动态滤波器的设计

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

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

表2 验证结果

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。

    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。