一種基于FPGA的B超數(shù)字波束形成技術(shù)

　　摘要：論述了一種運(yùn)行在FPGA芯片上應(yīng)用于B超的全數(shù)字波束形成技術(shù)。采用孔徑變跡、幅度加權(quán)變跡和動(dòng)態(tài)變跡相結(jié)合的綜合變跡技術(shù)和動(dòng)態(tài)聚焦技術(shù)，兩種技術(shù)均形成直觀的數(shù)學(xué)模型，在FPGA上的實(shí)現(xiàn)方法類似，先將數(shù)學(xué)模型數(shù)字化，然后計(jì)算出數(shù)據(jù)表存入ROM，運(yùn)行時(shí)將ROM中提取的數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，即可得到預(yù)期的輸出數(shù)據(jù)。在Matlab仿真和樣機(jī)測(cè)試中達(dá)到了很好的抑制旁瓣和動(dòng)態(tài)聚焦效果，提高了波束形成的精度。

　　引言

　　在線陣、凸陣、環(huán)形陣及相控陣式B超儀中，電子聚焦、變跡及方向控制等技術(shù)對(duì)回波信號(hào)的波束特性具有很大影響，是影響波束特性的主要因素，這些技術(shù)被綜合稱之為波束形成技術(shù)。老式的B超通常采用模擬波束形成方式，即每個(gè)陣元所接收的信號(hào)經(jīng)前置放大及模擬延遲線適當(dāng)延遲后疊加起來(lái)，也就是說(shuō)，電子聚焦、變孔徑方向控制及變跡等都是在模擬信號(hào)控制下完成的。這種方式因器件的準(zhǔn)確度不夠(如延遲時(shí)間、放大器增益等)、阻抗不匹配、引起插入損耗、參數(shù)容易產(chǎn)生漂移及惡化、引入噪聲等，使儀器的整機(jī)分辨力等特性難以達(dá)到更高的水平。本文介紹的數(shù)字波束形成技術(shù)是利用FPGA芯片通過(guò)軟件程序準(zhǔn)確地控制延時(shí)時(shí)間，從而獲得最佳的電子聚焦、變跡、方向控制等方面的效果，最終達(dá)到提高儀器整體性能的目的。

　　數(shù)字波束形成理論及算法基礎(chǔ)

　　動(dòng)態(tài)變跡(Dynamic Apodization)

　　在醫(yī)學(xué)超聲系統(tǒng)中，主波束寬度、旁瓣級(jí)大小、能獲得的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍是影響超聲信號(hào)與圖像質(zhì)量的三個(gè)重要的因素。在超聲設(shè)備中進(jìn)行變跡處理主要是用來(lái)抑制旁瓣的影響。實(shí)現(xiàn)變跡的方法通常有孔徑變跡、幅度加權(quán)變跡、動(dòng)態(tài)變跡等幾種。(1)幅度變跡：是指在信號(hào)接收處理過(guò)程中對(duì)中心振元信號(hào)賦予較大的權(quán)值，向兩邊權(quán)值逐漸減小，然后各振元輸出信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和，進(jìn)而抑制旁瓣和柵瓣的影響。(2)孔徑變跡是指在發(fā)射和接收過(guò)程中分別采用不同的孔徑在保持發(fā)射和接收波束方向一致的條件下，使發(fā)射和接收的旁瓣峰值相互錯(cuò)開(kāi)，由此來(lái)抑制旁瓣。(3)在接收過(guò)程中，采用幅度加權(quán)變跡處理后，抑制旁瓣的效果隨產(chǎn)生回波信號(hào)的深度而變化。在變跡有效的掃查深度附近一個(gè)小范圍內(nèi)能很好地抑制旁瓣，在其他區(qū)域效果會(huì)明顯下降。這樣，根據(jù)回波到達(dá)換能器時(shí)間先后順序，同步動(dòng)態(tài)地改變變跡函數(shù)，及各通道的加權(quán)系數(shù)，可使抑制旁瓣的有效深度由淺漸深地實(shí)時(shí)根據(jù)回波深度的變化而變化，使系統(tǒng)在掃查范圍內(nèi)都具有最佳的抑制旁瓣的性能。在全數(shù)字波束形成系統(tǒng)中，通常將幅度變跡、孔徑變跡和動(dòng)態(tài)變跡結(jié)合使用，來(lái)達(dá)到更好的抑制旁瓣的效果。