基于FPGA的彩色多普勒超声信号处理

摘要

随着医用超声成像技术的不断进步，对成像的质量和速度提出了越来越高的要求。彩色超声多普勒信号处理具有数据量大、精度要求高以及实时性等特点，现阶段，随着半导体技术的发展，很多的半导体厂商也相继推出了高性能的信号处理平台以满足超声成像设备对成像质量和速度的要求，尤其是现场可编程逻辑门阵列（FPGA）中的并行处理技术的出现，大大提高了彩色超声多普勒信号的处理能力。
　　本论文正是针对上述问题，选用华西医院临床采集的颈部超声射频数据，以现场可编程逻辑门阵列（FPGA）技术在彩色超声多普勒信号处理中的应用为主要研究对象，在深入分析当今彩色多普勒信号处理的技术原理的基础上，对信号处理过程进行了详尽的讨论和研究：
　　1. FPGA硬件处理系统的设计。彩色多普勒超声信号处理系统是一个高速实时的信号处理系统，其特点是前端数据量大、处理实时性要求高，是整个成像系统设计的基础。
　　2.彩色多普勒射频信号的解调。利用正交解调对彩色多普勒信号进行提取，混频之后数据率仍然处在很高的频段，并通过抽取降低数据的采样率，该部分的算法要求很高的实时性。
　　3.壁滤波器的设计。为了消除从稳定的或慢速运动组织所反射的大幅度回波信号，利用壁滤波器对低频信号进行抑制。而壁滤波器的选型、参数的设置以及频率响应将影响后期成像质量的高低。
　　4.血流信息估计。首先利用解调之后的两路正交的数据完成多普勒信号复包络的功率谱计算，然后利用自相关技术对彩色血流的信息进行估计，并设置和调整阈值。
　　5.利用计算机对FPGA处理后的数据进行显示与验证。通过对比分析，验证了硬件逻辑处理的正确性，为后续工程实践打下基础。

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第一章 绪 论

1.1 超声技术的发展

1.2 本文主要工作

第二章 彩色多普勒超声信号处理算法及FPGA逻辑实现

2.1 超声多普勒效应原理

2.2 多普勒射频信号的存储与读取

2.3 正交解调原理及FPGA逻辑实现

2.4 抽取降频原理及FPGA逻辑实现

2.5 数据重排原理及FPGA逻辑实现

2.6 壁滤波器原理与FPGA逻辑实现

2.7 自相关运算原理及FPGA逻辑实现

2.8 功率计算原理与FPGA逻辑实现

2.9 血流速度估计原理与FPGA逻辑实现

2.10 信号处理总体结构

2.11 程序设计流程

第三章超声信号处理核心Xilinx Spartan-6 LX45分析与设计

3.1 Spartan-6系列FPGA设计

第四章Xilinx Spartan-6 LX45外围硬件设计

4.1 JTAG接口和配置

4.2 SD卡接口

4.3 VGA显示接口

4.4 电源管理

4.5 电路板设计结果

第五章 仿真与测试结果

5.1 模块仿真与测试结果

5.2 硬件处理结果

5.3 系统实物

第六章 结 论

6.1 工作总结

6.2 下一步工作的展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果