摘 要: 根据数字超声成像的要求和超声信号的特点, 设计了由高速采样电路和FPGA 正交解调电路组成的数字超声内窥镜接收系统。采样电路由AD8138 和AD9235 实现, 对放大后的超声回波信号直接进行模数转换; FPGA 利用内部RAM、乘法器、IP 核和宏模块构建数字正交解调电路, 提取超声回波信号的幅度; 获取的幅度信息经USB2. 0 接口电路送入计算机显示。对玻璃杯进行的静止扫描成像实验, 验证了接收系统的小信号检测能力, 可以检测到信噪比约为4 dB 的回波信号; 对玻璃杯进行的旋转扫描成像实验, 表明接收系统可用于数字超声内窥镜成像。
关键词: 内窥镜; 超声信号; 正交解调; FPGA
医学超声内窥镜是内窥镜技术与超声传感技术、微机电技术、现代计算机技术等高新技术不断发展、融合的产物, 是当前应用前景非常广阔的医疗仪器[ 1] 。超声内窥镜将微型超声探头通过内窥镜的活检钳道插入消化道器官后, 由微型电机[ 2-3] 前置驱动超声换能器旋转, 进行超声扫描, 获得消化器官管壁各个断层的组织学特征, 这样能够较早发现组织病变。与体外超声相比, 探头与器官间距离短, 避免了脂肪、体腔内气体对成像的影响, 获得的图像信息要比体表上所获得的扫描信息准确详细, 其诊疗优势已为医学界所共识。
传统的超声成像系统, 超声发射和回波处理完全由模拟电路组成, 模数转换环节位于回波处理的末端, 其电路复杂, 图像信噪比相对较低[ 4-5] 。近年来, 随着数字技术的发展, 模拟系统中的各个环节逐步被数字电路所取代[ 6] 。但是, 由于国内起步较晚,加上国外的技术封锁, 数字超声成像系统中的一些关键技术有待我们进一步的研究。
本文借鉴软件无线电中的数字下变频思想[ 7] ,设计了由采样芯片和现场可编程门阵列( FPGA ) 构成的数字超声内窥镜接收系统。将模数转换推进到接收系统的最前端, 在高频完成回波信号采样, 使得超声成像系统中, 除发射和放大电路外的各部分完全由数字电路实现, 电路集成度高, 图像信噪比高。经实验验证, 接收系统能够提取信噪比为4 dB 的回波信号。
1 数字超声内窥镜成像系统
数字超声内窥镜成像系统的原理如图1 所示。系统包括超声探头、驱动电机、激发电路、接收隔离电路、回波放大电路、A/ D 转换电路、FPGA 数字处理电路、U SB2. 0 接口和计算机。FPGA 作为系统核心, 完成时序控制、发射驱动、增益补偿控制、回波信号幅度提取和USB 数据传输控制。系统采用B型成像方式, 用回波脉冲的幅度调制显示亮度。
工作时, FPGA 首先驱动电机带动超声换能器旋转, 在转动过程中, 超声激发电路激励换能器发射超声信号, 同时放大和增益补偿电路对反射回波进行放大和衰减补偿, 然后由A/ D 电路转换为数字信号, 并由FPGA 利用内建的正交解调器提取回波信号的幅度信息, 最后通过U SB 将幅度信息传送到计算机中显示。超声换能器旋转一周获取的物体扫描图像, 先以极坐标形式在计算机中存储, 然后由软件对其进行坐标变换, 实现直角坐标形式显示。
本文设计的数字超声内窥镜接收系统, 实现信号的高频采样与数字解调, 是数字化超声成像系统的关键环节。
2 接收系统电路设计
2. 1 A/ D 采样电路
从人体组织反射的超声信号如下式所示:
系统中选用的换能器的中心频率范围在4~ 12MHz 之间, 根据抽样定律, A/ D 转换的频率必须大于信号最高频率的2 倍。为了较好的保持信号波形, 系统采用4 倍抽样, 即A/ D 电路的抽样频率至少要达到48 MHz。同时, 根据理论和实验证明, 人体组织不同界面反射系数的变化范围很大, 可以达到50~ 60 dB, 这就要求A/ D 电路具有较大的输入动态范围。此外, 为了便于数字电路运算, 希望A/ D电路能够以二进制补码格式输出采样数据。
根据以上要求, 选用AD 公司的AD9235, 它是一款3 V 供电, 12 位采样精度, 最高采样频率为65MHz 的集成采样芯片。AD9235 的输入端为差分式采样保持放大电路, 差分输入的峰峰值范围为1~ 2 V。12 位的采样精度, 使得A/ D 电路的输入动态范围达到了66 dB。输出端为多级差分流水线结构, 并配有差错校正逻辑, 保证了65 MHz 采样时数据的准确性。此外, 输出数据可以配置为标准二进制或二进制补码格式。
A/ D 采样电路的原理如图2 所示。其中,AD8138 是一款专用的差分ADC 驱动芯片, 它将放大电路输出的单端信号转换为差分信号, 送入AD9235。AD8138 差分输出的共模电压由管脚Vocm设定。AD9235 完成采样后, 将数字信号以二进制补码格式送入FPGA, 进行解调处理。实验中选用中心频率为5 MHz 的换能器, 根据4 倍采样的要求, 设定A/ D 采样频率为20 MHz。
2. 2 FPGA 正交解调电路
超声内窥镜成像系统采用B 型成像模式, 用回波信号的幅度信息调制显示亮度。根据公式( 1) , 超声回波信号为一个调幅信号, 需通过解调来获取信号的幅度信息。系统中采用数字正交解调法, 其原理如图3 所示。输入信号分别与正交的同频正余弦信号相乘, 再经低通滤波器滤除倍频分量, 得到I、Q两路正交的基带信号, 计算其均方根, 即可得到信号的幅度信息[ 8] 。
系统选用的FPGA 芯片为A ltera 公司CycloneIII 系列的EP3C25Q240C8, 它资源丰富, 共有逻辑单元( LE) 24 624 个, RAM 容量608 256 bit , 18 位嵌入式乘法器66 个, PLL4 个, I/ O 端口149 个。由系统中已知的超声信号频率和A/ D 采样频率, 能够得到正余弦的样本值, 因此可采用预存样本值的方法实现数控振荡器。将计算所得的正余弦样本值先行存入FPGA 的内部RAM 中, 然后以A/ D采样频率读出[ 9] , 并与采样数据同时送入数字混频器中。在FPGA 中采用嵌入式乘法器实现数字信号的混频。
实验中选用的超声换能器的中心频率为5MHz, 经数字混频后, 信号分解为中心频率为10MHz 和0 Hz 的两个信号。因此设定低通滤波器的通带截止频率为3 MHz, 阻带截止频率为7 MHz,以保留最高频率为1 MHz 的低频分量和滤除10MHz 的倍频分量。借助Alter a 公司提供的FIR 滤波器IP 核, 设计了一个基于汉宁窗的32 阶FIR 滤波器, 其通带截止频率处的衰减为6 dB, 阻带截止频率处的衰减为66 dB, 完全能满足系统要求。
滤波后的两路基带信号, 幅度相同, 相位正交,求其均方根, 即可获得超声回波信号的幅度信息。在FPGA 程序中调用平方、加法和平方根的宏模块, 即可完成设计要求。
2. 3 系统同步控制
在由A/ D 采样电路和FPGA 正交解调电路组成的数字超声内窥镜接收系统中, FPGA 需在特定的时间段内, 准确的读取采样数据, 以完成幅度提取, 因此, 同步控制是系统设计的关键。这里, 我们采用FPGA 主控模式, 即由FPGA 控制整个系统运行。以FPGA 正交解调电路中的时钟作为系统运行主控时钟, 并将其引到A/ D 采样电路中, 作为采样时钟。同时利用FPGA 的可编程性, 输出A/ D采样电路的使能控制信号, 以实现数据采集与读取的同步。
3 实验结果
实验中, 超声换能器的中心频率为5 MH z, 带宽为1 MHz, A/ D 采样频率和FPGA 工作频率为20 MHz。FPGA 解调后的数据通过USB2. 0 接口电路传输到计算机显示。
实验对象如图4 所示, 为一个装满超声耦合液的玻璃杯。将超声换能器固定在电机上, 从正上方垂直伸入到玻璃杯的耦合液中, 由模拟电机驱动换能器旋转, 实现对玻璃杯壁的扫描成像。实验中, 先进行换能器静止状态下的回波接收实验, 以验证数字接收系统的小信号采集能力。在此基础上, 进行换能器旋转扫描成像实验。
3. 1 静止成像实验
换能器在静止的状态下, 周期性的对同一反射面发射和接收超声信号。单脉冲激励时, 由激励脉冲引起的振荡信号会使换能器激发多个超声信号, 由示波器采集的一个周期内的回波信号如图5 所示。图6为采集后由计算机显示的图像, 图中的行表示发射接收周期, 列表示各个周期中接收到的信号。
图6 显示了3 条平行的灰度条纹, 其中左数第一条条纹的灰度值最小, 第二条的灰度值最大, 这与图5 中3 个回波信号的幅度关系一致。此外, 前两条回波间距是15 个像素, 后两条回波间距是5 个像素, 其比例关系也与图5 中回波时间间隔3. 8 us 和2 us 相一致。玻璃杯内部为超声耦合液, 对超声基本无反射, 在图像中表现为浅色背景。
实验中, 当回波信号幅度降低到与噪声幅度基本一致时, 数字接收系统依然能够提取出信号包络,此时的信噪比约为4 dB, 完全能够满足系统对微弱信号检测的要求。
3. 2 旋转成像实验
实验中, 电机以50 r/ min 的转速驱动超声换能器旋转, 旋转一周所得的极坐标扫描图像如图7 所示。图中的列表示扫描的角度, 行表示各个角度的回波信号。深灰色条纹表示扫描到的玻璃杯壁, 条纹在图中的横向偏移, 说明扫描过程中, 换能器与玻璃杯间的距离有变化。图中r 表示设定的系统探测深度35 mm。
图8 为坐标变换后的直角坐标图像。图中圆环条纹表示玻璃杯壁, 其直径d 为48 mm, 与玻璃杯内径相符。
4 结论
借鉴数字下变频的思想, 设计了由采样芯片AD9235 和FPGA 解调电路组成的数字超声内窥镜接收系统。A/ D 采样电路直接对放大后的回波进行采样, 较完整地保留了回波信息。由FPGA实现的幅度解调电路, 设计灵活, 信噪比高。对玻璃杯壁的超声成像实验结果, 验证了系统设计的正确性。
参考文献:
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