超聲診斷儀FPGA模擬動態濾波器的原理及應用

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

并聯諧振電路的通頻帶中心頻率的計算公式：(當 品質因數Q很大時)。變容二極管隨著反向電壓增加，其極間電容逐漸變小，在反向電壓的作用下，本電路采用的變容二極管電容可以在15pF~470pF之間 變化，隨著二極管極間電容的改變，諧振電路的中心頻率也跟著發生變化，本電路中心頻率的變化范圍在2.4M~13.9M之間，滿足超聲波信號頻率在 3.5M左右變化的要求。變容二極管SVC321極間電容隨反向電壓變化的變化曲線如圖3。

圖3 變容二極管電容值隨反壓變化曲線[next]

D/A變換器

D/A變換器負責將FPGA數字信號轉換為控制變容二極管的模擬電壓信號，D/A芯片型號為DAC0800，電流輸出型。D/A輸出信號電流經運放轉換為電壓，采用運放可以方便的對控制信號進行進一步的控制。具體電路如圖4。

圖4 變容二極管控制信號形成電路

FPGA控制模塊

1數據模塊

FGPA的控制信號是根據變容二極管所需反向電壓精確設計的，設計步驟如下：

1.查閱身體隨頻率和深度的衰減率，分析出每個超聲信號采樣點位置的中心頻率F（128個點）；

2..根據每個中心頻率計算出變容二極管的電容值，；

3.根據求出的C，查變容二極管C/V變換圖，找到對應的電壓V，即為二極管的反向控制電壓（DF輸出），（VY為運放的輸出）；

4．計算出V，從而推算出VY，故D/A的輸出電流，（單位為毫安）；

5．根據計算出電流大小I對照DAC0800的datasheet中的電流大小與數字數據的轉換對照表，查出對應的數字數據。

以此類推，計算出128個點上的數字數據，在FPGA內做成ROM，提供給控制模塊讀出。

2控制信號產生模塊

FPGA的控制模塊是根據整個控制的時序，輸出數據模塊ROM里面的數據，提供給D/A轉換電路來控制變容二極管的反相端（N）。

首先根據選取的深度點的間隔，決定控制模塊的時鐘頻率，即每個數據輸出的頻率。控制模塊讀入數據模塊的數據，再根據控制時序，輸出數字控制信號。控制模塊接口如表1。

表1 控制模塊接口

系統功能驗證

完成了系統的設計后，我們進行在線系統功能驗證，驗證濾波器頻率的穩定性。

以下是驗證的步驟：

1、 控制信號模塊輸出一個特定的數字D（直接在程序內賦值），輸出就是一個特定的數；

2、 我們先測量電流轉成電壓的值V’，再測量經運放改變后DF的輸出V，即為變容二極管的反向電壓；

3、 然后，根據反向電壓查表得到相應的電容值，從而計算出中心頻率F；

4、 利用信號發生器產生一系列不同頻率相同幅值的信號，讓其通過并聯諧振電路，再使用示波器測量，確定哪個頻率段之間的信號通過量最大，即可以確定中心頻率在 此頻帶內。再與F’對比，看是否相符。為了盡量的縮短頻率段的范圍，在確定一個頻率段后，再在此頻率段內分不同頻率測量，以便更精確地確定中心頻率。

經過一系列特定數字信號的驗證，可以確信的得到并聯諧振電路中心頻率的穩定性。現將其中一個特定數字的驗證結果如下：

D=120，測得電壓值V’=1.43V，V=2V，計算出中心頻率F=3.0MHz結果如表2。

表2 驗證結果

實驗得出中心頻率在3.0MHz~3.2MHz之間，對比滿足要求。

結束語

采用FPGA的模擬動態濾波器，在結構上簡易，性能上穩定，測試和設計都十分的方便。FPGA的使用，能根據具體要求很方便的改變控制信號，同時實現超聲診斷儀中多個模塊并行工作，也為以后的更多模擬部分數字化提供了基礎。