数字超声成像关键技术的优化设计与实现

摘要

B超诊断仪在医疗诊断设备中有着非常重要的地位，研制全数字化的B超诊断仪已成为当前技术发展的主流。实现全数字化B超诊断仪的关键是数字扫描超声成像技术(DSC)，它直接决定了B超诊断仪的各项性能指标。在数字化超声成像技术领域，我国与国外先进水平尚有较大的差距，因此对数字超声成像关键技术开展研究具有重要的意义。
　　 设计了以FPGA(EP2C35F484C8)为主控器，以发射放大、接收放大、模数转换、USB2.0接口和其它电路为辅的数字B超采集卡硬件电路；对基于FPGA的超声成像数字化方法进行了研究，重点对数字超声成像的核心部分：波束形成、动态滤波、坐标变换、时间增益补偿进行了优化设计，且对它们的设计结果进行了仿真和分析。
　　 在波束形成方面，细化延时基准时钟，提高了延时叠加的精度；采用分段动态聚焦，提高了成像的分辨率和对比度；采用窗函数实现的幅度变迹，有效的抑制了旁瓣的幅度、提高了图像的对比度；通过在不同聚焦深度采用不同的孔径，达到了减少最大延时量、增加近场区的焦区深度和减少时间增益的控制范围的目的。在动态滤波方面，针对回波信号的频率随探测深度增加而变小的状况，通过改变FIR滤波器系数的方法和采用分布式算法的设计方法，达到了高速、有效的滤除杂波的功能。在坐标变换方面，通过采用双时钟控制坐标旋转数字计算机算法和定时输出的方法，使坐标变换达到了实时性好、速度快、精度高、节约资源的效果。在时间增益补偿方面，采用了在B超采集卡上使用定曲线补偿与在上位机上使用可变、可控数字增益放大相结合的二级补偿方法，实现了高增益、可控性好、实时性好的时间增益补偿。
　　 以本文设计的数字B超采集卡硬件和超声成像软件系统为核心的数字B超诊断仪，在医院试用中表现稳定，成像效果较好，图像内容丰富，证明本文的总体设计正确，采用的优化方法有效。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1 B超诊断仪的行业背景

1.1.2研究意义

1.2 B超诊断仪的原理和主要组成

1.2.1 B超诊断仪的成像原理

1.2.2 B超诊断仪工作原理和重要组成

1.3超声成像的研究现状和发展趋势

1.3.1超声成像的研究现状

1.3.2超声成像技术的发展趋势

1.4研究的主要内容

第二章数字化B超诊断仪的方案设计

2.1全数字化B超诊断仪的性能需求

2.2全数字化B超诊断仪总体方案设计

2.3数字B超采集卡的硬件设计

2.3.1主控器电路的设计

2.3.2发射脉冲放大电路的设计

2.3.3回波接收放大补偿电路的设计

2.3.4通信接口电路的设计

2.4数字超声成像过程的总体设计

2.5本章小结

第三章数字波束形成的设计与实现

3.1波束形成的原理

3.1.1多阵元组合发射和接收的意义

3.1.2波束形成的原理

3.2数字波束形成方法的分析和确定

3.2.1波束扫查步距的分析和确定

3.2.2单通道延时计算

3.2.2多通道波束延时的计算

3.2.3数字波束形成控制方法的分析和确定

3.3在FPGA中数字波束形成的实现与结果分析

3.3.1数字波束形成在FPGA中的设计

3.3.2波束延时实现与精度分析

3.3.3动态孔径的实现与结果分析

3.3.4幅度变迹和叠加的实现与结果分析

3.4本章小结

第四章数字动态滤波器的设计与实现

4.1动态滤波的意义

4.2滤波器的分析与确定

4.2.1滤波器类型的分析与确定

4.2.2滤波器实现方式的分析和确定

4.2.3 FIR数字滤波器的原理

4.3 FIR数字滤波器设计方法的分析与确定

4.4 FIR滤波器在FPGA中的设计

4.4.1 FIR滤波器在FPGA中设计方法的分析和确定

4.4.2分布式算法的原理

4.5动态滤波器的实现与结果分析

4.5.1动态滤波系数组的实现

4.5.2在FPGA中动态滤波器的实现与结果分析

4.6本章小结

第五章坐标变换的设计与实现

5.1坐标变换的意义和原理

5.2坐标变换方法的分析和确定

5.2.1坐标变换设计要求的分析

5.2.2坐标变换设计方法的确定

5.3 CORDIC算法的原理

5.4圆周CORDIC在FPGA中设计方法的分析和确定

5.5坐标变换在FPGA中的实现与分析

5.5.1双时钟控制CORDIC算法的程序设计

5.5.2坐标变换的实现与分析

5.5.3坐标变换效果分析

5.6本章小结

第六章时间增益补偿的设计与实现

6.1超声在介质中的衰减规律

6.1.1超声的扩散衰减

6.1.2超声的吸收衰减

6.2时间增益补偿原理与意义

6.3时间增益补偿的分析与确定

6.3.1时间增益补偿方式的分析与确定

6.3.2时间增益补偿方法的分析与确定

6.4定曲线时间增益补偿的设计与实现

6.4.1串口D/A电路的设计与结果测试

6.4.2放大驱动电路的设计与结果测试

6.4.3时间增益补偿结果的分析

6.5本章小结

第七章总结及展望

7.1总结

7.2展望

致谢

参考文献

作者攻读硕期间取得的成果