如何用FPGA構(gòu)建便攜式超聲系統(tǒng)？

人們一直希望便攜式超聲系統(tǒng)能以低成本提供出色的分辨率。便攜式系統(tǒng)使醫(yī)療保健服務(wù)提供商能夠在災(zāi)區(qū)、發(fā)展中地區(qū)和戰(zhàn)場(chǎng)等地區(qū)使用超聲設(shè)備。然而設(shè)計(jì)這些結(jié)構(gòu)緊湊的系統(tǒng)非常復(fù)雜，面臨諸多挑戰(zhàn)，因?yàn)榇祟愊到y(tǒng)要包含多達(dá)128個(gè)通道，要求支持連續(xù)波多普勒，滿足眾多連接功能要求，支持模數(shù)轉(zhuǎn)換、高端DSP、高速互聯(lián)和強(qiáng)大的處理能力等。本文將向設(shè)計(jì)工程師介紹如何利用Virtex-6、Spartan-6和7系列FPGA解決上述復(fù)雜問(wèn)題，在適當(dāng)?shù)某杀竞凸募s束范圍內(nèi)快速為市場(chǎng)提供尖端超聲技術(shù)。

超聲技術(shù)

超聲設(shè)備向身體發(fā)射聚焦聲束超聲波，并通過(guò)聲波反射的強(qiáng)度及延遲差異重現(xiàn)對(duì)象圖像，從而形成生物組織的聲波照片。聲波技術(shù)通常配合探頭模塊末端的壓電式換能器陣列使用，按壓在身體上。壓電式換能器元件在高壓(5VPP–300VPP)脈沖電流激勵(lì)下產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而生成發(fā)射聲波。陣列中各個(gè)元件的相位彼此對(duì)齊，在身體預(yù)先指定的位置和距離形成聚焦聲束超聲波。入射波通過(guò)對(duì)象時(shí)，各組織層之間的聲阻抗差就會(huì)產(chǎn)生反射發(fā)回到換能器(見(jiàn)圖1)。

圖1 聲波反射

發(fā)射聲波后，換能器元件立即變成檢測(cè)器，接受回波信號(hào)。在待分析區(qū)沿著成百上千條掃描線聚焦發(fā)射波束，就能形成代表性身體圖，然后在后端電子系統(tǒng)中重組這些掃描線，就形成了2D圖像(見(jiàn)圖2)。3D超聲系統(tǒng)沿著副軸機(jī)械移動(dòng)換能器陣列，增加三維掃描線。

圖2 通過(guò)掃描線形成圖像

發(fā)射電子器件或發(fā)射波束形成器的工作相對(duì)簡(jiǎn)單，只需在圖像范圍發(fā)射聲波并正確對(duì)齊相位即可。但接收電子器件的任務(wù)則比較復(fù)雜，涉及專有技術(shù)，要把接收到的聲反射轉(zhuǎn)化為圖像。接收電子元件或接收波束形成器必須對(duì)各個(gè)接收通道適當(dāng)進(jìn)行相位對(duì)齊以設(shè)置正確的聚焦深度，濾波輸入的數(shù)據(jù)，對(duì)波形進(jìn)行解調(diào)，再將所有通道累加在一起形成掃描線。每條掃描線重復(fù)上述操作，然后對(duì)所有掃描線進(jìn)行聚集、內(nèi)插并濾波，以形成最終圖像。

便攜式超聲系統(tǒng)組件

市場(chǎng)上主要有四種不同外形的便攜式超聲產(chǎn)品(圖3)：手持式超聲設(shè)備、平板式超聲設(shè)備、膝上型超聲設(shè)備、“飯盒式”超聲設(shè)備。

圖3 便攜式超聲設(shè)備的外形

本文將重點(diǎn)介紹膝上型超聲設(shè)備。從高級(jí)層面而言，超聲系統(tǒng)由三個(gè)獨(dú)特的處理模塊組成：模擬前端(AFE)、帶前端處理功能的波束形成器和后端(見(jiàn)圖4)。

圖4 超聲系統(tǒng)模塊方框圖

模擬前端(AFE)

模擬前端(AFE)是超聲應(yīng)用中一款高度專業(yè)化的系統(tǒng)，既可通過(guò)每8至16個(gè)通道采用全集成單芯片的形式，也可通過(guò)每通道采用多芯片定制解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了滿足換能器接收信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大的要求，我們可用可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)或時(shí)間增益補(bǔ)償器(TGC)將信號(hào)映射到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)較窄的動(dòng)態(tài)范圍上。在全集成AFE(圖5)中，VGA/TGC由邏輯通過(guò)SPI接口控制。ADC數(shù)據(jù)串行連接，并通過(guò)LVDS或新興JEDEC JESD204x標(biāo)準(zhǔn)傳輸?shù)綌?shù)字處理器件。

圖5 模擬前端

在AFE發(fā)射側(cè)，DAC用來(lái)將輸出脈沖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬數(shù)據(jù)。模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)高壓脈沖器或放大器，進(jìn)而產(chǎn)生換能器的發(fā)射波形。