如何用FPGA構建便攜式超聲系統(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)療保健服務提供商能夠在災區(qū)、發(fā)展中地區(qū)和戰(zhàn)場等地區(qū)使用超聲設備。然而設計這些結構緊湊的系統(tǒng)非常復雜，面臨諸多挑戰(zhàn)，因為此類系統(tǒng)要包含多達128個通道，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)轉換、高端DSP、高速互聯(lián)和強大的處理能力等。本文將向設計工程師介紹如何利用Virtex-6、Spartan-6和7系列FPGA解決上述復雜問題，在適當?shù)某杀竞凸募s束范圍內快速為市場提供尖端超聲技術。

超聲技術

超聲設備向身體發(fā)射聚焦聲束超聲波，并通過聲波反射的強度及延遲差異重現(xiàn)對象圖像，從而形成生物組織的聲波照片。聲波技術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)脈沖電流激勵下產生振動，進而生成發(fā)射聲波。陣列中各個元件的相位彼此對齊，在身體預先指定的位置和距離形成聚焦聲束超聲波。入射波通過對象時，各組織層之間的聲阻抗差就會產生反射發(fā)回到換能器(見圖1)。

圖1 聲波反射

發(fā)射聲波后，換能器元件立即變成檢測器，接受回波信號。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(見圖2)。3D超聲系統(tǒng)沿著副軸機械移動換能器陣列，增加三維掃描線。

圖2 通過掃描線形成圖像

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

便攜式超聲系統(tǒng)組件

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

圖3 便攜式超聲設備的外形

本文將重點介紹膝上型超聲設備。從高級層面而言，超聲系統(tǒng)由三個獨特的處理模塊組成：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)是超聲應用中一款高度專業(yè)化的系統(tǒng)，既可通過每8至16個通道采用全集成單芯片的形式，也可通過每通道采用多芯片定制解決方案來實現(xiàn)。為了滿足換能器接收信號動態(tài)范圍較大的要求，我們可用可變增益放大器(VGA)或時間增益補償器(TGC)將信號映射到模數(shù)轉換器(ADC)較窄的動態(tài)范圍上。在全集成AFE(圖5)中，VGA/TGC由邏輯通過SPI接口控制。ADC數(shù)據(jù)串行連接，并通過LVDS或新興JEDEC JESD204x標準傳輸?shù)綌?shù)字處理器件。

圖5 模擬前端

在AFE發(fā)射側，DAC用來將輸出脈沖數(shù)據(jù)轉換為模擬數(shù)據(jù)。模擬信號驅動高壓脈沖器或放大器，進而產生換能器的發(fā)射波形。