高频超声编码激励系统研究与设计_周奇.doc

《高频超声编码激励系统研究与设计_周奇.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高频超声编码激励系统研究与设计_周奇.doc（66页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文硕 士 学 位 论 文 高频超声编码激励系统研究与设计 (天津市科技支撑 计划项目立项代码： 207CKFSF01400) Study and Design of High Frequency Ultrasound Coded Excitation System 所院：生物医学工程研究所 姓名：周 奇 指导教师：王延群研究员 /博士生导师 导师小组：杨军李跃杰计建军宋学东 学科专业：生物医学工程 研究方向：数字超声成像技术 完成日期： 2009.05学校代码 : 学 号 : 10023 S2006379 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 独创性

2、声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获 得 中国医学科学院北京协和医学院 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年月闩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 中国医学科学院北京协和医学院 有关 保留、使用学位论文的规定。特授权 中 国医学科学院北京协和医学 院 可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、

3、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字 n 期： 年月円 签字 R期： 年月 n 中文摘 要 随着电子技术和半导体集成电路的不断发展， 1C 芯片的性能不断提升，增 加电中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 路设计集成度，降低电路设计面积成为一种趋势，医疗伩器正在朝着便携式 和低功耗方向发展。对于超声诊断设备而言，发射电压峰值功率已经达到安全极 限，在不降低成像质量情况下降低仪器发射电压十分有必要。 编码激励技术使用一连串脉冲序列激励宽带换能器，再

4、接收一连串序列的回 波，通过脉冲压缩得到信噪比增强，而分辨率与单脉冲一样的解码脉冲。编码激 励技术能够降低超声发射电 ffi， 提高图像的信噪比。 论文首先介绍了超声编码激励技术 的理论基础，然后着重分析了超声编码激 励技术原理，脉冲压缩技术。论文在研究超声编码激励技术的原理基础上提出了 一种以现场可编程门阵列 FPGA 为基础的高频超声编码激励方案，并设计了发射 接收电路。电路采用 XC3S400 FPGA 产生编码激励所对应的数字编码，经过数模 转换产生编码激励发射波形，再将发射波形经过集成运放后作用于超声换能器， 并设计了回波信号放大电路来提取回波信号。通过对回波信号进行脉冲压缩处理 分

5、析，说明该编码激励电路能够在满足超声成像指标要求条件下，具有降低医学 超声单脉冲发射峰值声功率，提高 信噪比等优点，在眼科超声中有良好应用前景。 关键词：编码激励，脉冲伍缩，信噪比，现场可编程门阵列 (FPGA)中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 Abstract With the development of electronic technology and semiconductor integrate circuit. The performance of IC chip has been enhanced gradually. It is a new direction in

6、decreasing the area of print circuit board and increasing the integration level. Medical equipment is moving along the direction of portable type and low power. As to ultrasonic diagnose equipment, the emission voltage arrives to the limit of safety standards. Then it is necessary in decreasing the

7、emission voltage on the premise of not cutting down the quality of imaging. Coded excitation technology excites the transducer with a serial pulse. Then receive a serial echo signal According to the pulse compression, get the decoding pulse whose signal-to-noise is higher than single pulse. Its reso

8、lution ratio is the same as the single pulse. Coded excitation can decrease the emission voltage and enhance the signal-to-noise. The thesis introduces the theory basement of coded excitation first. Then analyze the principles of ultrasonic coded excitation and pulse compression. Based on the princi

9、ples of ultrasonic coded excitation, design a high frequency ultrasound coded excitation circuit system controlled by Field Programmable Gate Array (FPGA). The digital codes corresponding to coded excitation is generated by XC3S400 FPGA. The digital code is then transformed coded excitation form by

10、digital-to-analog converting. Coded excitation form is amplified and then acts on the ultrasound transducer* This paper also designs an amplifier circuit for the coded excitation echo. This circuit can fulfill the standard of pulse compression by analyzing and dealing with the echo. The circuit incr

11、eases the Signal-to-Noise. So it can reduce peak value power of single pulse transmitting. The circuit will have an extensive application in ophthalmology ultrasonic diagnostic apparatus. Key words: Coded excitation; Pulse compression; Signal-to-Noise; FPGA 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 3 攸轆 . 4 Abstract . 2

12、 m-m . 5 1.1 本文 研究背景与意义 . 5 1. 1. 1 研究背景 . 5 1. 1.2 研究意义 . 6 1.2 超声编码激励技术的历史与发展现状 . 6 1.3 研究内容及论文结构 . 8 1.3. 1 研究内容 . 8 1. 3. 2 论文主要工作 . 9 第二章编码激励技术理论基础 . 10 2.1 超声波检测技术 . 10 2. 1. 1 超声脉冲回声检测原理 . 10 2. 1.2 探测深度和脉冲重复频率 . 11 2. 1. 3 工作频率和带宽 . 12 2. 1.4 分辨率 . 14 2.2 编码激励技术 . 15 2.3 编码脉冲方式 . 19 2. 3. 1

13、内噪编码和 M 序列伪随机编码 . 19 2. 3. 2 Go lay 码 . 20 2. 3. 3 Barker 编码方式 . 21 2.3.4 连线波编码方式 . 22 2. 4 脉冲压缩技术 . 22 2.4. 1 脉冲压缩 信号波形的产生 . 23 2.4.2 脉冲压缩实现方法 . 24 第三章超声编码激励电路软硬件设计 . 26 3. 1 编码激励总体设计 . 26 3.2 系统硬件系统设计 . 27 3. 2. 1 FPGA 原理介绍 . 27 3. 2. 2 FPGA 在医疗屯子上的应用 . 28 3. 2. 3 FPGA 电路模块 . . . 29 3. 2. 4 数模转换 （

14、 DAG)电路 . 29 3.2.5 编码波形放大电路 . 32 3. 2.6 探头驱动电路 . 33 3. 2. 7 冋波信兮提取屯路 . 34 3.3 系统软件设计 . 34 3. 3. 1 软件总体设计 . 34 3. 3. 2 时钟管理模块 (DCM)原理 . 35 3. 3. 3 DCHH 吏用相关设置 . 37 3. 3. 4 内部 RAM . 39 3. 3. 5 ROM 模块和延迟模块之间时序控制 . 39 第四章设计结果与验证 . 40 4. 1 设计结果 . 40 4. 2 编码激励电路验证与实验分析 . 41 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 4 4. 2. 1M

15、at lab 数 据 分 析 工 爲41 4. 2. 2DAC 电路 和放大电路的验证42 4. 2. 3 杯底单面反射实验 . 42 4. 2. 4 人眼视网膜回波检测实验 . 44 第五章总结与展望 . 47 . 48 研究生期间发表论文 . 50 SC ilf . 51 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 5 第一章绪论 1.1 本文研究背景与意义 1.1.1 研究背景 随着电子技术在医疗仪器行业的不断应用，医疗电子市场 |卜 :在升温，并且广 受半导体 j商关注，甚至有潜质成为超越通信和 PC 成为半导体最大的应用领域。 个球医疗电子市场的热闹，一方面得益于电子技术的进 步，另一

16、方面受到以下趋 势所影响： （ 1)人口老龄化，世界老年人口比例从 20年前的 11%增加到 2007 年 的 20%|1。 （ 2)人们生活水平提高带来的对健康的关注度提升，人们对于增进健康 照顾的期望持续增加。 （ 3)保险公司和雇主在医疗开销的支付和保险范丨爛逐渐消 减，但受保人或病患需缴纳的医疗保健费用却日益增加。 （ 4)科技的进步让一些 较微的疾病可在家庭内部进行早期分析、预防与治疗，远比去医院便捷廉价。 在技术领域，医疗电子设备则开始呈现向便携性和网络化发展的趋势。半导 体供应商也在不断提供医疗设备便携式和网 络化产品的解决方案。可以随身携带 的血压计、血糖仪，可以在家庭或小型社

17、康医院中使用的呼吸机、心电监护仪必 然会有越来越大的市场需求。医疗便携式设备主要分为两种。一种是手持设备， 例如用于患者监控的产品，像测量脉搏、血压等的产品，可以方便随时携带；另 -种则不一定能够随身携带，但它们是低成本、简单的设备，一般用于设备较简 单的医院。随着医疗设备便携式的发展趋势，我们将会得到这样的产品：血糖仪 的外形和形状类似于 PDA;自动外用电震发 4:器 (def ibri 1 lator)现正广泛采用。 从空气中提取氧气对 病患进行氧气治疗的便携式制氧机，现在可以像钱包一样挎 在肩上。过去在医院必须动用推车来运输的超声波成像仪，现在的外形尺寸就像 一部笔记本电脑。所有这些医

18、疗设备都是依靠低功耗和小外形尺寸来实现的。 便携式超声设备提供了一个不同类别的应用机会，特别是在电力系统不太稳 定或不可靠的地方，如偏远村庄珍所、紧急医疗服务、动物养殖场、桥梁和大型 机械设备检修车间图 1.1 为大型饲养农场的便携式超声系统。从图中可以看 出该设备携带十分方便。中国医学科学院北京协和医学脘硕士学位论文 基于上述医疗仪器发展趋势，超声成像设备也向着便携式方向发展，因此有 必要降低发射电压。同时，由于超声的空化效应和热效应对人体可能造成的损害， 需要对医学超声成像系统的峰值声功率和平均声功率进行限定 在脉冲和连续 多普勒血流测量系统中，峰值声功率和平均声功率都比较接近最大允许值。

19、而在 脉冲回波成像系统中，超声发射的占空比非常小，在发射超声的峰值声功率接近 最大允许值的情况下，实际的平均声功率往往不 到最大允许值的 1%w。雷达系 统中的编码激励技术 (5能够在不増加峰值发射功率的前提下，显著提高平均发射 功率，从而提高系统的信噪比。受此启发， Newhouse在 1974 年提出了白噪编码 的超声成像和多普勒测量系统 (。在此后的近 30 年里，包括M 序列伪随机码、 Golay 码、 Chirp 和伪 Chirp 码等各种编码方法被用于超声编码激励的研究 7。 1.1.2 研究意义 超声编码激励是一项先进的超声成像技术，对于改善超声诊断仪器的图像质 量，促进其向智能

20、化、小型化等方面的发展都有着重要的研究意义。与传统的脉 冲回波成像技术相比，超卢编码激励技术能够在保持发射峰值不变的情况下，增 加平均发射功率和声束的穿透深度，提高超声图像的信噪比和对比度，降低超声 的空化效应与热效应；为进一步实现谐波成像，多普勒血流测量和二维灰阶血流 成像提供了基础，对于多种临床疾病的诊断都有着重要的研究价值。 1.2 超声编码激励技术的历史与发展现状 雷达系统中的脉冲压缩馆达是指发射宽脉冲丨曰 ，接收和处奶 !Il1丨波，丨 f输出 切 脉冲的茁达。为获得脉冲以缩的效米，发射的宽脉冲采取编码形式，并在接收 机 图 1.1 大型饲养农场的便携式超声系统 中国医学科学院北京协

21、和医学院硕士学位论文 7 中经过匹配滤波器的处理。脉冲压缩雷达的优点是能获得大的作用距离和具有很 高的距离分辨力 8。类似地，在超声成像系统中，如何提高探 测深度和轴向分辨 率也是主要研究课题。因此，有了把雷达系统中的脉冲乐缩技术应用与超声成像 系统中的应用，利用编码和脉冲压缩技术提高超声成像系统的信噪比，提高成像 质量。 虽然将雷达系统中广泛使用的编码激励技术引入医学超声成像已经有 30年 的历史，但是由于实时超声成像的时间带宽 (TB)乘积较小，适用于雷达系统的 编码方法用于超声成像时会产生严重的距离旁瓣 (range side lobe) m。同时，超声 编码系统的电路复杂性也远大于传统

22、的脉冲回波成像系统。因此，如何将编码激 励方法成功应用到医学超声仪器中，还 是一个值得研究的问题 7。 数字编码超声 (DEU)是一项革命性的声像形成技术，它采用了先进的数字编 码与解码技术来发射与接收信号，达到了将有用的微弱信号提升放大，抑制不需 要的超声回波信号。数字编码超声技术将数字化超声概念从波束形成器进一步前 推到超声波束 w，也就是说通过设计利于脉冲解码的编码来激励换能器，这样更 利于提高成像质量。与传统单脉冲激励相比，编码激励技术发射经过编码的长脉 冲序列，接收回波也为长脉冲序列，通过匹配滤波或者非匹配滤波方式进行脉冲 压缩，获得与单脉冲激励相近的空间分辨率。编码激励可 以提高系

23、统的信噪比， 文献 1 指出，通过编码激励可以获得最高达 15_20dB的信噪比提升。下面介绍一 下超声编码激励技术发展情况。 早期编码激励系统采用白噪编码 6_u或伪随机 M 序列编码 11 12方式，通过匹配 滤波方式进行脉冲压缩。由于这两种编码方式的脉冲压缩距离旁瓣过大，相当于 引入了更多的噪声，同传统脉冲发射系统相比并无明显优势，已逐渐被淘汰。 Golay 互补序列 u以其发射电路和解码滤波器相对简单，却能得到无距离旁 辧的理想脉冲压缩效果，而受到了人们的关注。 Takeuchi 开始探讨将 Golay 互补 序列引入超声编码激励系统的可能性 。 Chirp 信号的频率特性非常容易把握

24、，且可以解析表达，已经在雷达技术中 得到了深入的研究和较成熟的应用。在超声成像领域中，采用 Chirp 信号的编码 激励成像系统也是相对研究最为充分的编码系统。 O Donnell、 Wilhjelml516、 Pollakowskil7等先后研究了 Chirp 或伪 Chirp 信号激励的超声成像系统。 尽管 Chirp 及伪 Chirp 信号若采用匹配滤波的脉冲压缩方法同样会面临距离 旁瓣高的问题，但是通过利用窗函数调整激励信号 波形、对匹配滤波器加窗、根 据系统中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 8 通带特性设计新的脉冲压缩滤波器等方法 IS_2G，可以获得令人满意的脉冲 JfL

25、缩效果，因而基于 Chirp 信号的编码激励技术得到较快的发展 21。 Misaridis 等 对采用 Chirp 信号的超声编码激励系统中的激励信号设计、脉冲压缩方法、以及 实际应用等涉及到的一系列问题进行了详细的分析和总结 1221。 随着对编码激励信号设计研究的深入，人们提出了采用基础序列调制的方 法，不仅提高了系统的发射效率，而且可以降低组织运动和衰减对脉冲压缩结果 的影响 12:”。并根据这一技术 制造出采用 Golay 互补序列编码激励的普通超声显像 仪 241。基础序列调制方法同样也适用于单次发射的二进制编码激励，与 Golay 互 补序列相比，它只需要发射一次就可以完压成脉冲缩

26、，不会额外降低帧频，受组 织运动影响很小，因此也有较好的应用前景。最常用的单次发射二进制编码序列 是 Barker 码 |251，除此之外还有其它二进制最优码 |261。 除了在 B 型成像上的应用，编码激励技术由于可以降低发射的峰值声功率 而仍保持较高的信噪比，能够避免破坏造影剂微泡，因此在造影剂谐波成像领域 也具有较好的应用前景 127 %。此外，编码激励还在组织衰减测量 |3IH、 组织弹性成 像 1311、血管直径及血管壁厚度测量 132;等研究方面也都取得了进展。 1.3 研究内容及论文结构 1.3.彳研究内容 本课题在研究超声编码激励技术的原理基础上提出了一种以现场可编程门 阵列F

27、PGA 为基础的超声编码激励方案，并设计了发射接收电路。电路采用 XC3S400 FPGA产生编码激励所对应的数字编码，经过数模转换产生编码激励发 射波形，再将发射波形经过集成运放后作用于超声换能器，并设计了冋波信号放 大电路来提取回波信号并验证了电路在眼科超声诊断设备 中应用的可行性。 1. 超声编码激励技术研究 编码激励技术使用一连串脉冲序列激励宽带换能器，再接收一连串序列的回 波。通过脉冲压缩得分辨率与单脉冲一样的解码脉冲。在峰值声功率相同的条件 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 下，由于编码激励与单脉冲激励相比提高了发射激励的平均声功率，采用适当的 解码方法如匹配滤波，得到的解

28、码脉冲能够提高系统的信噪比，成像质量更高。 2. 系统设计灵 活性 以 FPGA 为基础了提出了一种新型的超声编码激励系统，在 FPGA 上实现 数字编码码型设计，采用高速集成运放简化了编码激励电路。同时，通过可编程 现场门阵列 FPGA的使用，对系统的配置和改变更加方便，理论上可以根据任一 种频率的换能器做出相应的调整而不用重新修改电路，大大缩短了产品开发的周 期。利用 VerilogHDL 硬件描述语言使时序控制灵活；同时，利用 EDA 仿真工 具在验证设计方面的优势，使设计准确可靠。 3. 小型化设计 该编码激励系统在 15 30V 的低发射电压的条件下，可获得与高压发射的 黾脉冲 激励

29、相当的回波信噪比，同时由于采用集成运算放大器以及 FPGA 的使用 带来的电路简化设计，使仪器更加小型化，这些能够在便携式设备中有良好应用。 1.3. 2 论文主要工作 论文第 1章首先从编码激励技术降低超声发射电压、提高图像信噪比入手介 绍了超声编码激励技术当前发展状况。第 2 章首先介绍超声检测技术重要概念如 重复频率，分辨率等；接着介绍了编码激励技术原理、脉冲压缩原理。第 3 章在 超声编码激励原理基础上，提出了一种以 FIGA 为基础的超声编码激励发射接收 系统，包括硬件电路和 程序设计。第 4 章在该超声编码发射电路上用 Golay 码序 列激励做单面板发射实验和人眼回波提取实验，并

30、用 Matlab 对回波信号进行压 缩分析说明该编码激励电路能够降低系统信噪比，提高图像质量。第 5章对论文 中的工作进行了总结及将来工作的展望。 第二章编码激励技术理论基础 2.1 超声波检测技术 从 20世纪 20 年代起，法国科学家朗之万研制出第一台超声辐射器时就可以 观察超声对生物的效应。但直到第二次世界大战结束前，超声探测技术主要用于 军事和工业部门。第二次世界大战结束后，超声 脉冲回声技术在医学超声诊断中 获得了发展。 50年代初从脉冲回声技术为基础的 A 型超声诊断仪获得了推广应 用，使得超声脉冲反射技术超过了超声透射技术在医学上的应用。其后逐步发展 起来的 M 型超声诊断仪和

31、B 型超声断中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 层显像仪也都是以超声脉冲回声技术为基础 的。 A 型、 M 型和 B 型超声诊断仪是医学超声诊断中应用最广的 33。因此，超声 脉冲回波技术也是现代生物医学超声工程研究中最重要的一种技术。 与 X 射线等物理医学方法相比，超声脉冲回声法使医学检测的灵敏度获得很 大的提高，减少了辐照剂量，提高了安全性，可以更加方便地观察 人体内部组织 状态。 2.1.1 超声脉冲回声检测原理 利用超声换能器向人体内部发射超声脉冲，遇到组织器官界面时将产生反射 或散射脉冲信号，即脉冲回声信号。检测这些回波信号，就能对此种组织器官进 行定位，并检测组织的特性。实

32、质上，超声脉冲回波技术所检测的正是超声波在 物体表面进行反射的物理特性。传统超声脉冲回波检测系统如图 2.1所示。 在图 2. 1中，发射电路用于产生作用于换能器的高压脉冲信号，一般用 CMOS 开关管构成发射电路，接收电路用于接收从换能器传回来的负载人体器官信息的 微弱回波信号，检波放大用于对微弱回波信号进行放大，并检出回波包络值。时 间增益控制是指根据反射面与界面换能器的距离远近对接收电路进行增益控制， 控制电路用于产生发射电路的脉冲开关信号以及时间增益控制。 超声波在人体组织中传播时必然会引起反射和吸收等能量 的损失。因此透射 到体内的超声波强度将随深度的增加而减弱。同样，相同反射系数的

33、声反射界面， 由于深度的不同，换能器所接收到的回波信号也将不同。为使超声诊断设备显示 器所显示的波形幅度或图像的黑白对比度能反映界面的反射系数而与界面离换 能器的距离（即深度 )无关，这就需要在回波信号的接收放大通道中加入增益随时 间（即 深度 )而变化的电路，通常称之为时间增益控制 （ Time Gain Control)， 简 称 TGC,也可称为 STC(Sensitivity Gain Control)即灵敏度时间控制 |lUl。 实验表 明。水对超声波的吸收系数较小， 1MHz 时为 0.0022dB/cm,吸收值 随频率的平方增加。如超声波频率为 5MHz,探测距离为 20cm 时

34、，吸收引起的衰 减为 2. 2dB。人体的各种组织对超声波的吸收系数有很大差异，平均而言，人体 各软组织的吸收系数图 2. 1 传统脉冲回波成像系统结构图 中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 为 . 60-0. 7dB/cm. MHz。 对 5MHz 的超声波，探测深度为 20cm 时。吸收衰减高达130dB。 要对如此大的超声波衰减进行补偿，在电路技术上具 有很大的难度。因此，对于探测深度达到 20cm 时，所用的探头 (换能器 )频率都 在 3. 5MHz 以下，而只有 对较小的探测深度 (例如 l cm)， 为了获得较高的轴向分 辨力才使用 5MHz 乃至 7. 5MHz 的换能器。 2. 1.2 探测深度和脉冲重复频率 在超声脉冲回波诊断系统中，超声换能器在电脉冲激励下产生短脉冲，而在 更长的时间里超声换能器则处在接收态。例如超声脉冲可以在 lus 时间里发射， 而在其余的99999US中不发射 .通常把发射脉冲持续时间与脉冲间隔时间之比称 为工作周期即公式 2-1所示 |M|。 (2-D 其中： 7为脉冲周期， r 为脉冲持续时间，图中标出了 7；即脉冲持 续时间 1 -j 脉冲周期之比。中国医学科学院北京协和医学院硕士学位论文 M 2. 2 超声脉冲发射状态