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1、学号: 4109005017 泰山医学院毕业设计（论文）题目： 基于FPGA的全数字B超硬件平台设计院（部）系放射学院所 学 专 业生物医学工程年级、班级2009级1班完成人姓名杨慧指导教师姓名专业技术职称焦青 教授2013年 6 月 1 日论文原创性保证书我保证所提交的论文都是自己独立完成，如有抄袭、剽窃、雷同等现象，愿承担相应后果，接受学校的处理。 专业： 生物医学工程 班级： 2009级1班 签名： 2013年 6 月 1 日 摘要随着科技的不断发展和临床诊断的需要，人们对临床检查设备的要求越来越高，而在医学诊断中超声诊断设备以其无痛、无损、无电离辐射、实时动态和快速重复检查等诸多优点而
2、名列医学成像诊断的首位。目前，在我国一万五千多所县级医院中，有相当一部分超声医疗设备档次偏低，很多设备急需更新。尽管我国B超诊断仪行业技术发展很快、产品不断升级，在中低档B型超声设备中，其主要的性能指标已达到国外同类型产品水平，有能力替代进口产品，但在高端产品B超诊断仪中，差距就比较大了。目前国际趋势是高档、中高档、彩超都趋向全数字化技术。信号处理是全数字B超诊断系统中的关键关节，本论文主要探讨了全数字B超的发展方向及主要的信号处理技术。研究并设计了基于FPGA的全数字B超诊断仪的信号处理的硬件系统，讨论了基于FPGA的全数字B超诊断仪在信号处理方面的优势，验证了FPGA在全数字化B超诊断仪的
3、信号处理过程中所起到的重要作用。关键词：B超；全数字B超；信号处理 ；FPGA AbstractWith the continuous development of science and technology and the need of clinical diagnosis, for clinical examination equipment demand is higher and higher, and in medical diagnostic ultrasound diagnostic equipment for its painless, nondestructive, wi
4、thout ionizing radiation, real-time dynamic and rapid and repeated inspection, and many other advantages in medical imaging diagnosis in the first place.At present, in our country, more than fifteen thousand county-level hospitals, a considerable part of the medical equipment level is low, many equi
5、pment needed update. Although our country B ultrasonic diagnostic instrument industry technology development, product constantly upgrading, quickly in cheap B type ultrasound equipment, its main performance index has reached the level of similar products abroad, have the ability to replace imported
6、products, but the B ultrasonic diagnostic apparatus in the high-end products, the gap is big. At present international trend is high-grade, middle-grade, colour to exceed to be fully digital technology.Signal processing is digital ultrasound diagnostic system of key joints, this paper mainly discuss
7、es the development direction of all-digital ultrasound signal processing technology and main. Research and design of the digital ultrasound diagnostic instrument based on FPGA signal processing hardware system, the digital ultrasound diagnostic instrument based on FPGA is discussed in the field of s
8、ignal processing advantages, FPGA is verified in a completely digital ultrasound diagnostic apparatus that play an important role in signal processing.Keywords: ultrasound; All-digital ultrasound; Signal processing; The FPGA目录第一章 绪论11. 课题来源12.论文结构2第二章 全数字B超主要的信号处理技术及发展方向31. 全数字B超主要的信号处理技术311 动态聚焦与全数
9、字波束形成技术312 模拟信号早期数字化32 .全数字B超的发展方向4第三章 基于FPGA的全数字B超系统的优势与硬件平台设计方案61. FPGA简介62.基于FPGA的全数字B超系统的优势63.全数字B超系统中基于FPGA的信号处理设计方案63.1基于FPGA的B超诊断仪信号处理系统简单介绍63.2 电路板组成73.3 电路板连接电路83.4高速数模转换芯片ADV712383.5系统验证114结论11第四章 总结与展望12参考文献13致谢14 第一章 绪论1. 课题来源自1952年首次应用B型超声对肝脏标本显像开始，B型超声诊断仪就在医学诊断中占有了重要地位。然而，由于人体组织器官的复杂性、
10、多样性、特异性，传统的B超诊断技术已无法满足要求。如今医学超声诊断的新技术飞速发展主要体现在宽频带化、数字化功能化、多维化及信息化等特点上。1.1 宽频化80年代中期，人们根据超声在生物组织中的衰减规律及其对超声图像的影响，开发出了宽频带探头，其有效带宽在3MHz左右。90年代，变频宽带探头和超宽频带探头获得应用，一只探头可以分别产生以2.5、3.5、6MHz为中心频率的超声波，其频带宽度可以达到8MHz以上。现在，超宽频带探头已可以产生1.812MHz的超声波，术中探头则能产生615MHz的超声波，超高频探头甚至可以产生60100MHz的超声波。1.2 数字化现代B型超声显像仪发展进程就是不
11、断向数字化发展的过程。70年代中期，数字扫描转换技术就开始应用于超声显像仪。80年代中期，出现了同时发射和接收处理128路回声信号，并由微机控制，由模、数混合运算，计算出符合声学理论计算的每个回波声束，由软件控制的声透镜做动态聚焦、动态变迹、动态孔径和增强处理。随后，又出现了以全数字运算微机控制的128通道回声信号前端数字处理的超声显像诊断仪。1.3 多维化医学超声二维图像虽然有飞跃的发展，但仍有其缺点。因此，实现超声体成像（Ultrasonic Volume Imaging）就成为医学超声诊断技术发展的趋势，体图像不仅弥补了平面声像的不足，还将医学超声诊断推向多维化新阶段。严格地来说，显示空
12、间形态与结构（x，y，z）的是三维参数图像，能够显示结构运动（x，y，z，v）是四维参量图像，即动态体成像，而又能在动态体成像上同时显示动态血流的是五维（x，y，z，t，v）参量图像，可称为彩色动态体成像。1.4 信息化90年代中期，多种功能强大的图像处理工作站相继问世，除上述功能外，可以存档图像上万幅，可以由二维图像重建三维图像。近来又在一些处理机上实现了远程图像传递及远程会诊。全数字B超诊断仪是现代B超诊断仪的发展趋势，其中信号处理又是B超诊断中极为重要的环节。随着超声成像技术的不断发展，医用超声设备变得越来越丰富、系统集成度越来越高，而体积却变得越来越小；随着集成的逻辑资源越来越多、植入
13、的功能模块性能的不断提高，FPGA正朝着单片系统的方向发展，其在超声设备上的应用也变得越来越广泛。2.论文结构 论文探讨了全数字B超主要的信号处理技术。讨论了基于FPGA的全数字B超诊断仪在信号处理方面的优势，对基于FPGA的全数字B超的硬件平台的设计与调试过程作了总结。包括绪论、全数字B超主要的信号处理技术、基于FPGA的全数字B超的硬件平台的设计与调试和总结展望四个部分。第二章 全数字B超主要的信号处理技术及发展方向1. 全数字B超主要的信号处理技术11 动态聚焦与全数字波束形成技术动态聚焦与数字波束形成技术在全数字B超诊断仪的整个系统中发挥重要作用。波束形成的主要功能是对接收的多通道超声
14、回波电信号进行延时求和，对各个通道进行不同的延时可实现超声回波信号的接收聚焦1。随着数字器件速度和规模的提高，数字延时的各项指标正全面赶超模拟延时。图2-2为延时聚焦示意图，图中小方块为阵元。接收通道1接收通道2接收通道3接收通道4接收通道5接收通道6图2-1 延时聚焦示意图12 模拟信号早期数字化B超的接收电路用于检测由人体组织反射的超声信息。全数字B超利用高速AD对前置放大后的回波信号进行采样，使得模拟信号提早转换成数字信号，即模拟信号早期数字化，再利用可编程逻辑器件对采样所得到的数据进行滤波、对数放大及检波等各种处理，有效地维护了信号的完整性，降低失真，避免伪像。动态滤波对数放大包络检波
15、二次采样数据缓存 图2-2 超声信号处理流程1.2.1 动态滤波超声显像中的一个基本问题是人体软组织对超声衰减与频率大致成线性关系，大量的研究和实验表明，组织的衰减同样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。数字滤波器可分为两类，分别是IIR（无限冲激响应）数字滤波器和FIR（有限冲激响应）数字滤波器。由于FIR滤波器具有稳定性、因果性及线性相位等特点，因此在这些领域得到了广泛的应用。1.2.2 对数放大 对数放大电路用于压缩回波信号的动态范围，它是保证图像实现灰阶显示以突出有诊断意义的图像信息的基础。如果将回波信号简单地放大后送显示器显示，不仅不能获得对应幅度的不同辉度，还将产生强信号时的“孔阑效应”，不能提取出有诊断价值的信息2。解决办法就是对回波信号进行对数压缩，经过对数压缩的回波图称为灰阶显示回波图。可见，对回波信息进行对数压缩是超声图像信息处理的
