周 崢 鄭 政

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

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基于FPGA的高頻超聲成像實驗平臺

周 崢 鄭 政#*

(上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海 200093)

高頻超聲具有卓越的分辨能力，在臨床和醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究中都得到重要應(yīng)用。新的圖像和信號處理算法不斷被提出來，用于提高其成像質(zhì)量和獲取新的信息。為了實驗這些算法，需要一個通過編程來改變功能的實驗平臺，這個平臺必須能進(jìn)行高頻超聲掃描以采集圖像，具備足夠?qū)嶒炈惴ㄟ\行的硬件資源，而且能提供方便的調(diào)試手段。針對上述應(yīng)用,提出一種基于FPGA的實驗平臺，用于研究10～50 MHz高頻超聲的圖像和信號處理的實時算法。該平臺具有與實驗算法模塊相獨立的掃描控制器，可以保證在實驗算法的調(diào)試過程中圖像采集和顯示均不受影響。系統(tǒng)以180 MHz的采樣率采集射頻信號，以大規(guī)模FPGA及其外圍電路提供實驗算法運行的空間，并預(yù)置可配置的帶通濾波器、正交解調(diào)、降采樣、基帶信號幅度檢測和對數(shù)壓縮等處理模塊。還開發(fā)一個RAM觀測工具，專門用于讀取處理過程中存入片外RAM的圖像數(shù)據(jù)，以檢驗中間結(jié)果的正確性。采用10 MHz的超聲探頭，對志愿者眼球進(jìn)行在體掃描實驗，分別對平臺的數(shù)據(jù)采集、帶通濾波、幅度提取、對數(shù)壓縮等模塊進(jìn)行驗證。結(jié)果表明，帶通濾波處理能有效濾除射頻信號中的高頻、低頻噪聲，在處理時鐘選為50 MHz的條件下，對于每條探測深度為64 mm的掃描線，平臺從數(shù)據(jù)采集至IQ降采樣輸出完畢，總時間為85.34 μs，而幅度檢測和對數(shù)壓縮算法在340 ns中就可以完成。該處理速度完全能夠滿足成像的實時性要求。

高頻超聲；圖像處理；實驗平臺；FPGA

引言

由于卓越的分辨能力，高頻B模式超聲成像在人體淺表器官無損檢查方面獲得了重要的應(yīng)用。在分辨力和探測深度之間折中，目前臨床應(yīng)用的高頻超聲中心頻率多在10～50 MHz之間，主要用于眼、皮膚、淺表血管、淺表腺體等。目前，雖然已經(jīng)有了高頻超聲陣列式探頭的報道，但由于制造技術(shù)的限制，而且在焦點附近的分辨力不如聚焦單晶片換能器[1]，高頻超聲領(lǐng)域中單晶片換能器仍被普遍應(yīng)用。機械掃描單晶片探頭是目前臨床高頻超聲設(shè)備的一大特點。

近年來，有許多信號處理方法和成像技術(shù)被提出來，用以提高超聲的成像質(zhì)量和獲取新的信息，處理的對象可以是視頻(video frequency，VF) 信號, 也可以是射頻(radio frequency，RF) 信號。比如，利用RF信號中的相位信息進(jìn)行編碼激勵和脈沖壓縮以增強信號[2]；分析超聲圖像斑點，從而獲取組織信息[3]；對RF進(jìn)行相關(guān)處理，估計組織彈性，提取血流信息[4-5]；諧波成像[6]；等等。

這些方法理論上也可以應(yīng)用于高頻超聲，但是還必須通過實際應(yīng)用環(huán)境下的實驗才能評價其效果。實際應(yīng)用環(huán)境，一方面指處理對象是實際的高頻超聲圖像，另一方面指所采用的軟硬件環(huán)境，因為實際的處理系統(tǒng)都受到資源和速度的限制。所以，一個通用的實驗平臺是研究實用化的高頻超聲圖像處理算法的重要工具。這一平臺應(yīng)具備3個基本功能，首先是采集超聲RF信號，其次是提供可編程的器件，最后是檢驗和調(diào)試手段。

許多實驗室都針對其需要研發(fā)了自己的實驗平臺，這些平臺各有特點，但都不能完全符合實際的需要。PUPIL系統(tǒng)[7]利用一個基于PC的商用超聲掃描儀，將掃描儀獲得的數(shù)字視頻信號通過光纖或高速以太網(wǎng)傳送給另一臺高性能計算機，研究可以在該計算機上進(jìn)行，但這個系統(tǒng)的實驗對象只能是視頻信號。ULA-OP系統(tǒng)[8]針對陣列探頭設(shè)計，利用FPGA(field programmable gate array)和DSP(digital signal processor)對信號進(jìn)行處理，結(jié)果通過USB2.0接口傳輸至PC顯示和記錄。系統(tǒng)預(yù)制了相關(guān)解調(diào)等許多硬件處理模塊，可以通過計算機軟件對這些模塊進(jìn)行選擇使用，非常靈活，功能強大，但該系統(tǒng)的超聲頻率范圍為1～16 MHz。Qiu等為超聲活組織檢查(ultrasound biomicroscopy, UBM)的研究開發(fā)了一個實驗系統(tǒng)[9]，用于20～80 MHz的單換能器探頭，利用FPGA對超聲信號進(jìn)行處理，然后通過PCI接口送給PC顯示和記錄，對FPGA進(jìn)行重新編程可以使系統(tǒng)獲得新的功能；這個系統(tǒng)的圖像采集控制、數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器(digital scan converter，DSC)和實驗算法集成在同一片F(xiàn)PGA中，結(jié)構(gòu)緊湊；但該系統(tǒng)沒有獨立的圖像采集監(jiān)控，顯示器上所顯示的是實驗算法處理之后的圖像。

筆者在該課題中研發(fā)了一種基于FPGA的超聲成像實驗平臺，用于研究10～50 MHz單換能器高頻超聲的成像和處理算法及其FPGA的實現(xiàn)。該平臺以180 MHz的采樣率采集射頻信號，實驗算法運行在基于FPGA的可編程電路中，在FPGA中預(yù)制了可配置的帶通濾波器以適應(yīng)不同頻率的超聲換能器，還預(yù)制了實時正交解調(diào)、降采樣、基帶信號幅度檢測和對數(shù)壓縮等射頻和視頻處理模塊。該系統(tǒng)有一個獨立的掃描控制器，超聲回波信號除了送給射頻采集器用作實驗外，還送給這個控制器進(jìn)行實時顯示，這樣的系統(tǒng)構(gòu)成可以保證在任何調(diào)試階段超聲掃描的有效和準(zhǔn)確，提高了調(diào)試的效率。一個專門設(shè)計的調(diào)試模塊允許FPGA調(diào)試工具直接讀取任意測試點的圖像數(shù)據(jù)處理結(jié)果，包括片外和片上RAM。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)由超聲掃描控制、射頻信號采集、可編程處理電路以及RAM觀測工具組成。如圖1所示，超聲掃描控制器由一臺商用眼科B超儀(上海瑞影RU-1020CG)改裝，由BPF-A、ENV.Detect-A、Log.Comp-A、ADC I和FPGA I等組成，可在調(diào)試過程中實時顯示掃描圖像，并產(chǎn)生同步信號供射頻信號采集和可編程處理電路使用。射頻信號采集和信號處理由一個基于FPGA(見圖1中的FPGAII)的電路實現(xiàn)，在FPGA II中預(yù)制了一些通用超聲信號處理模塊，以及為試驗算法模塊預(yù)留的接口電路。RAM觀測工具用來讀取任意片內(nèi)存儲器或片外存儲器的緩存數(shù)據(jù)，由一個基于Matlab的計算機程序?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀和顯示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 The system block diagram

1.1 超聲掃描控制

B超探頭在超聲掃描控制器FPGA I產(chǎn)生的掃描驅(qū)動信號motor、線同步信號lsyn和幀同步信號fsys的控制下，進(jìn)行機械掃描及超聲波發(fā)射；回波射頻(RF)信號由一個TGC(time gain compensation, 時間增益補償)放大器放大，經(jīng)過模擬濾波轉(zhuǎn)換為視頻信號并對數(shù)壓縮，由ADC I進(jìn)行采樣，在FPGA I中進(jìn)行坐標(biāo)變換及插值運算后，通過USB2.0接口送入計算機進(jìn)行實時顯示。

該控制器不僅對B超掃描起到了控制作用，同時為RF信號的采集提供了一個可視環(huán)境，為調(diào)試過程中掃描位置的選取以及處理結(jié)果的分析對比提供參照。

1.2 射頻信號采集

射頻信號的采集和處理基于一塊大規(guī)模FPGA和片外SRAM，所采用的FPGA是Altera公司的Cyclone IV EP4CE115系列，包含114 480個邏輯宏單元，內(nèi)部RAM容量3 888Kbit。外部靜態(tài)存儲器SRAM選用ISSI公司芯片，存儲量1 MB，能夠滿足4幅基帶B超圖像數(shù)據(jù)的存儲。RF圖像采集模塊由一個高速ADC(見圖1中的ADC II)和集成在FPGAII中的控制邏輯(control logic)構(gòu)成，經(jīng)TGC電路放大的RF信號由ADC II直接采集。高頻超聲換能器的相對帶寬一般在80%以下，所以中心頻率50 MHz的超聲回波的最高頻率不超過70 MHz，采用ADI的12 bit高速ADC AD9230進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣率fs設(shè)定為180 MHz，ADC輸出經(jīng)LVDS接口送入FPGA II的可編程處理模塊中。

圖2 單幀圖像采集觸發(fā)時序Fig.2 Timing control of triggering sampling single frame

1.3 可編程處理電路

按照超聲信號處理的需要，在FPGAII中預(yù)制了其常用的電路模塊，以及為實驗算法模塊預(yù)留的接口電路。這些常用處理電路包括帶通濾波器、IQ分解、幅度檢測、對數(shù)壓縮等。

1.3.1 帶通濾波器

帶通濾波器用以濾除RF信號中探頭頻帶以外的噪聲信號。在模擬系統(tǒng)中，通常用無源LC電路構(gòu)成，不僅電路復(fù)雜、一致性差，且無法適應(yīng)不同的探頭頻率，而數(shù)字濾波器則可以克服上述缺點。在FPGA中，利用DSP IP Core設(shè)計了一個20階的FIR帶通濾波器，其參數(shù)根據(jù)不同的超聲頻率計算而得。經(jīng)帶通濾波的信號，其頻率成分已經(jīng)被限制在一個相對狹小的范圍之內(nèi)，所以可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕挡蓸樱瑥亩鴾p小數(shù)據(jù)量，降低后續(xù)電路的資源開銷。降采樣之后，頻率fsam需保證是射頻信號最大頻率的2倍以上。

1.3.2 復(fù)包絡(luò)信號提取與幅度檢測

圖3 從RF信號中提取復(fù)包絡(luò)信號Fig.3 Generation of complex envelope from the RF signal

輸入到乘法器中的被乘數(shù)分別是正弦和余弦信號，這兩個信號的頻率和超聲的中心頻率fc相同，采樣頻率等于fsam。根據(jù)這個原則算出sin和cos的數(shù)據(jù)點，存儲在FPGA的ROM中，系統(tǒng)工作時以fsam頻率順序讀出。

兩個乘法器的輸出分別進(jìn)行低通濾波，得到基帶信號的I和Q兩個分量，然后通過FIFO緩存進(jìn)行1/3降采樣，降采樣后的采樣頻率為fcmp，數(shù)據(jù)輸入后級嵌入式算法模塊的時鐘頻率fpro根據(jù)不同算法的需求可進(jìn)行自定義。

低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率符合1/2B≤fLP≤1/2fcmp，設(shè)計了12階低通濾波器，根據(jù)對應(yīng)的超聲回波中心頻率和采樣頻率fcmp，計算頻譜搬移量以及低通濾波器參數(shù)。

在基帶中，信號的包絡(luò)[10]可以表示為

(1)

預(yù)制基于式(1)的信號幅值運算電路，對于開方運算，使用一種不恢復(fù)余數(shù)的逐位循環(huán)開方算法[11]。假設(shè)被開方數(shù)是一個n位整數(shù)，有

(2)

(3)

余數(shù)為

(4)

(5)

(6)

重復(fù)運算式(5)、(6),直到k=0。如果r0<0，則

(7)

式中，qk=Qn/2-1Qn/2-2…Qk，rk=Rn/2Rn/2-1…Rk，rk+1D2k+1D2k表示rk+1×4+D2k+1×2+D2k，qk+11表示qk+1×2+1。

由于該算法中的乘法和部分加法運算被移位和拼接所替代，加速了硬件電路，節(jié)省了硬件資源。

依據(jù)表1的參數(shù)，如果針對每條超聲掃描線均對其基帶信號采集1 024個點，則對應(yīng)10、20、50 MHz超聲的探測深度分別為64.14、38.48和12.83 mm(設(shè)聲速度等于1 550 m/s)，符合臨床設(shè)備的應(yīng)用范圍。

表1 不同超聲中心頻率相關(guān)參數(shù)

Tab.1 Related parameters of different ultrasonic center frequency

fc/MHzfsam/MHz深度/mmfcmp/MHz1036641412206038482050180128360帶寬B=80%fcfs=180MHz(基帶點數(shù)1024)

1.3.3 對數(shù)壓縮

超聲回波幅度的動態(tài)范圍遠(yuǎn)大于人眼對灰度的區(qū)別范圍，所以在B模式中，需要對其進(jìn)行對數(shù)壓縮。本系統(tǒng)信號以12位采集和處理，最后顯示灰階為0～255, 因此可以得出適用于實驗輸入數(shù)據(jù)的對數(shù)壓縮表示式，即

(8)

式中，分式是對輸入數(shù)據(jù)對數(shù)值的歸一化；5為橫向平移量，目的在于使輸出均為正數(shù)；0.699是對零點處的補償值，是為了保證輸入為0時，輸出也為0；最后乘以255，是得到顯示的灰度值。

使用一種基于CORDIC算法[12]的自然對數(shù)變換，其優(yōu)點在于算法由移位和迭代構(gòu)成，并且無乘法運算，流水線結(jié)構(gòu)實時性良好。

1.4 RAM觀測工具RAM Reader

對處理算法進(jìn)行調(diào)試，常常需要觀察存儲器(RAM)上的緩存數(shù)據(jù)。由于FPGA片內(nèi)資源有限，且不同型號FPGA芯片資源的受限程度不盡相同，因此一些運算復(fù)雜的圖像處理算法往往需要用到外部存儲器來進(jìn)行中間數(shù)據(jù)的緩存。Altera公司的FPGA開發(fā)系統(tǒng)Quartus II帶有In-System Memory Content Editor(ISMCE)工具，可以通過JTAG口讀寫片內(nèi)RAM的數(shù)據(jù)，但是無法直接訪問外部存儲器。

開發(fā)了一種基于ISMCE的外部SRAM觀測工具RAM Reader，在單幀圖像采集模式下，該工具可以把外部RAM中的數(shù)據(jù)復(fù)制到片上RAM中，然后利用ISMCE讀取。由于FPGA片內(nèi)資源受到限制，因此可以將外部存儲器的存儲內(nèi)容分批次寫入。如圖4所示，設(shè)置switch狀態(tài)，可以將RAM Reader切換到任意不同的SRAM區(qū)域進(jìn)行內(nèi)容的監(jiān)測，并且在SRAM時序控制器中設(shè)計使能信號reset/reset1，控制閑時讀取數(shù)據(jù)到片上RAM中，而片上RAM的數(shù)據(jù)則可以通過ISMCE直接讀取。

圖4 基于FPGA的外部SRAM動態(tài)監(jiān)測器Fig.3 FPGA based dynamic monitor of external SRAM

在FPGA內(nèi)部RAM中，開辟出256 K 12位字節(jié)的區(qū)域，用于RAM Reader功能。這樣，對兩塊1MB大小的SRAM分別進(jìn)行4分區(qū)，每個分區(qū)的數(shù)據(jù)可以一次讀入到內(nèi)部RAM中。以觀測I、Q信號為例，將兩路信號分別存儲在SRAM I和SRAM II的第一區(qū)，利用該工具在單次運行電路后依次讀取出I、Q信號。表2列出了選擇不同分區(qū)的地址/數(shù)據(jù)選擇情況，圖5顯示了主要控制信號的時序。當(dāng)trigger按鍵按下時，觸發(fā)進(jìn)行一次圖像數(shù)據(jù)采集及處理；當(dāng)switch撥到000時，選擇SRAM I區(qū)域1，當(dāng)switch撥到100時，選擇SRAM II區(qū)域1；地址變化均為0～262 143。

表2 RAM Reader地址/數(shù)據(jù)選擇

圖5 RAM Reader時序控制Fig.5 Timing control of RAM Reader

在利用ISMCE將RAM數(shù)據(jù)讀取并保存成HEX格式文件之后，用Matlab設(shè)計了針對HEX格式文件的讀取程序，用于順序讀出數(shù)據(jù)，并進(jìn)行后續(xù)DSC坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、插值成像處理。

2 結(jié)果

在本實驗平臺上，針對10 MHz超聲探頭進(jìn)行了一系列實驗，用以驗證其功能。采集志愿者眼球的超聲RF圖像，并用系統(tǒng)預(yù)制的帶通濾波、IQ分解和幅度檢測以及對數(shù)壓縮模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。處理結(jié)果存儲在系統(tǒng)的外部RAM中，利用RAM Reader讀取并輸出至PC進(jìn)行觀察。

2.1 帶通濾波

圖6顯示了一次超聲脈沖發(fā)射后采集的回波RF信號以及帶通濾波后的結(jié)果，可見低頻噪聲得到了明顯的抑制；圖7對圖6中的虛線區(qū)域進(jìn)行了放大，可見高頻噪聲也得到了有效抑制，而真實的回波信號得到了完整保留。

圖6 B超回波信號帶通濾波前后。(a)帶通濾波前回波信號；(b)帶通濾波后回波信號Fig.6 Ultrasound echo signal before and after the bandpass filter. (a)Ultrasound echo signal before the bandpass filter； (b)Ultrasound echo signal after the bandpass filter

圖7 圖6局部區(qū)域放大。(a)帶通濾波前回波信號；(b)帶通濾波后回波信號Fig.7 Local amplification of figure 6. (a)Ultrasound echo signal before the bandpass filter；(b)Ultrasound echo signal after the bandpass filter

2.2 IQ分解和幅度檢測

在對志愿者的一次眼球掃描試驗中，對帶通濾波后的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行IQ分解，移頻到基帶后提取幅度。利用RAM Reader分別采集I、Q和幅度數(shù)據(jù)，用Matlab程序重現(xiàn)(見圖8)，圖像大小均為1 024像素×256像素。用Matlab程序?qū)ι鲜鰯?shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的對數(shù)變換，并用軟件DSC得到成像結(jié)果(見圖9)，可以看到玻璃體、視神經(jīng)和球后脂肪的清晰結(jié)構(gòu)。

圖8 硬件處理所得I、Q及幅度的二維顯示。(a) I信號；(b) Q信號；(c)幅度信號Fig.8 2-D expression of I,Q and amplitude processed by hardware.(a)I signal；(b)Q signal；(c)Amplitude signal

圖9 硬件幅度檢測、軟件對數(shù)壓縮及DSC獲得的圖像Fig.9 Image obtained by hardware amplitude detection, software logarithmic compression and software DSC

2.3 對數(shù)壓縮

在另一次志愿者實驗中，F(xiàn)PGA中的處理模塊對RF圖像信號進(jìn)行帶通濾波、IQ分解、移頻、幅度提取，經(jīng)過進(jìn)一步1/2降采樣后再進(jìn)行對數(shù)壓縮，然后用RAM Reader采集實驗結(jié)果，用Matlab程序顯示結(jié)果(見圖10)，圖像大小為512像素×256像素。Matlab程序?qū)ι鲜鼋Y(jié)果進(jìn)行軟件DSC，得到的成像結(jié)果如圖11所示。圖8中的幅度圖像沒有經(jīng)過對數(shù)壓縮，動態(tài)范圍較大，人眼無法完全接受其灰度信息。圖10中的圖像是由對數(shù)壓縮而來，動態(tài)范圍降低，所以圖像層次比圖8明顯豐富。兩位志愿者進(jìn)行兩次實驗，將采集的射頻回波信號分別經(jīng)FPGA處理模塊和Matlab軟件進(jìn)行對數(shù)壓縮(見圖9、11)，結(jié)果均反映出了志愿者的眼球結(jié)構(gòu)組織信息。

對該平臺開發(fā)所耗用資源進(jìn)行了評估，F(xiàn)PGA II所耗用邏輯宏單元為3 435 LEs，存儲單元約為1 819 KB。

圖10 硬件幅度檢測及對數(shù)壓縮，未做DSC的圖像Fig.10 Image obtained by hardware amplitude detection and logarithmic compression, without having DSC

圖11 硬件幅度檢測及對數(shù)壓縮，軟件DSC獲得的圖像Fig.11 Image obtained by hardware amplitude detection, hardware logarithmic compression and software DSC

3 討論和結(jié)論

超聲信號處理算法對實時性要求很高，所以處理算法必須基于高速器件。FPGA是一種大規(guī)模高速數(shù)字電路，具有極大的靈活性，可以通過編程實現(xiàn)算法，也可以通過增加硬件換取處理速度，所以被廣泛應(yīng)用在各種超聲成像儀中。在本實驗平臺中，如果超聲頻率是10 MHz，處理時鐘選為50 MHz，則對于每條探測深度為64 mm的掃描線來說，射頻數(shù)據(jù)采集至IQ分解并降采樣完畢所需要的總時間約為85.34 μs，而包絡(luò)檢測和對數(shù)壓縮為流水線結(jié)構(gòu)，另需17個時鐘周期即340 ns的延時，和采集時間相比微不足道。此后，可采集下一條超聲回波數(shù)據(jù)，隨著超聲頻率的升高，掃描深度逐漸變淺，這個時間還會縮短。假設(shè)超聲探頭是均勻掃描的，單幀掃描線數(shù)為200條，設(shè)掃描線時間間隔為100 μs，則單幀超聲圖像掃描時間為20 ms，最大幀頻可以做到50幀/s，完全能夠滿足超聲掃描儀通常的實時性要求。隨著超聲頻率升高，探測深度隨之減小，則采集時間也會縮短，系統(tǒng)可以達(dá)到更高的幀頻，如果需要能滿足更高的幀頻。

可見，所設(shè)計的實驗平臺能夠?qū)崿F(xiàn)常用的一些信號處理，并為用戶提供自定義處理模塊數(shù)據(jù)接口和方便的調(diào)試工具，以滿足更進(jìn)一步的研究。本實驗平臺能夠滿足常用超聲掃描儀的實時性要求，具有實用價值。

由于可編程器件的靈活性，超聲成像設(shè)備新功能的研發(fā)過程從某種意義上說就是對器件進(jìn)行重新編程的過程，因此一個與實際系統(tǒng)的硬件環(huán)境盡量接近的實驗平臺對算法研究具有十分重要的意義。除了硬件環(huán)境的要求外，一個好的實驗平臺還應(yīng)該方便使用，有好的調(diào)試工具以及較強的通用性。

本實驗平臺正是遵循上述原則設(shè)計的。超聲發(fā)射電路可以輸出峰-峰100 V的雙向脈沖，其脈沖寬度可以根據(jù)探頭超聲頻率進(jìn)行選擇。接收電路的射頻增益為10～40 dB，可由程序控制。180 MHz的采樣率可以適應(yīng)常用高頻超聲頻段中的任何頻率，而且不需要修改硬件。獨立的掃描控制模塊使得圖像采集過程是可視的，這一功能保證了無論實驗算法是否成功，數(shù)據(jù)采集總是正確的，這在實驗初期尤其重要。單幀圖像采集和片外RAM數(shù)據(jù)的檢測功能則是算法調(diào)試過程中不可缺少的工具。該系統(tǒng)還可以進(jìn)一步擴展，比如可以設(shè)計一個切換開關(guān)，在連續(xù)采集模式下，由掃描控制器直接接收FPGA II形成的視頻數(shù)據(jù)，利用其已有的DSC功能實時顯示實驗算法的成像結(jié)果，這樣此平臺的功能將更加完善。

[1] MadsenEL, FrankGR, McCormickMM,etal.Anechoic sphere phantoms for estimating 3-D resolutionof very-high-frequency ultrasound scanners[J]. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control, 2010, 57(10): 2284-2292.

[2] Misaridis T, Jensen JA. Use of modulated excitation signals inmedical ultrasound.part i: basic concepts and expected benefits[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2005,52(2): 177-191.

[3] Damerjian V, Tankyevych O, Souag N,etal. Speckle characterization methods in ultrasound images-A review[J]. IRBM, 2014, 35(4): 202-213.

[4] Parker KJ, Doyley MM, Rubens DJ. Corrigendum: Imaging the elastic properties of tissue:the 20 year perspective[J].Physics in Medicine and Biology, 2011,56(1):R1-R29.

[5] Brands PJ, Hoeks APG, Ledoux LAF,etal.A radio frequency domain complex cross-correlation model to estimate blood flow velocity and tissue motion by means of ultrasound[J].Ultrasound in Medicine & Biology, 1997, 23(6):911-920.

[6] Duck FA. Nonlinear acoustics in diagnostic ultrasound[J]. Ultrasound in Medicine & Biology, 2002, 28(1):1-18.

[7] Rohling R, Fung W, Lajevardi P. PUPIL: Programmable ultrasound platform and interface library[C]//EllisRE, PetersTM,eds. Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention - MICCAI 2003.Berlin Heidelberg: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2003:424-431.

[8] Tortoli P, Bassi L, Boni E,etal. ULA-OP: An advanced open platform for ultrasound research[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2009, 56(10): 2207-2216.

[9] Qiu Weibao, Yu Yanyan, Tsang FK,etal.An FPGA-based open platformfor ultrasound biomicroscopy[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2012,59(7):1432-1442.

[10] Kolumban G, Krebesz TI, Lau FCM. Theory and application of software defined electronics: Design concepts for the next generation of telecommunications and measurement systems[J]. IEEE Circuits and Systems Magazine, 2012, 12(2): 8-34.

[11] Li Yamin, Chu Wanming. Implementation of single precision floating point square root on FPGAs[J]. The 5th Annual IEEE Symposium on Field-Programmable Custom Computing Machines. Napa Valley：IEEE, 1997: 226-232.

[12] 駱艷卜，張會生，張斌，等. 一種CORDIC算法的FPGA實現(xiàn)[J]. 計算機仿真, 2009, 26(9): 305-307.

FPGA Based Experimental Platform for High Frequency Ultrasound B-Mode Imaging

Zhou Zheng Zheng Zheng#*

(SchoolofMedicalInstrumentandFoodEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

High frequency ultrasound imaging has been extensively applied to small-scale tissue observation in clinic and biomedical research area because of its high-resolution. New processing algorithms have ceaselessly been proposed in this area to improve the image quality. A flexible experimental platform which function can be changed by programming is needed to test the new algorithms. This kind of platform should have the ability to adapt different frequencies of the probes. It also needs to provide sufficient resources to host the algorithms under test and of course the convenient debugging tool is another necessity. We recently developed a Field Programmable Gate Array (FPGA) based experimental platform for these purposes. It scans the tissue by single element probe which central frequency is between 10 MHz and 50 MHz. The platform features an independent scanning control unit to ensure that data acquiring process is always right and the resulting real-time B-mode images are displayed on a screen no matter the algorithm under test works well or not. There is a large-scale FPGA on board to host the algorithm under test, and many general purpose processing modules, such as band-pass filter, orthogonal demodulation, down sampling, amplitude detecting and logarithmic compression modules are prepared in the FPGA. In addition, we developed a debug tool. With this tool one can read RAMs outside the FPGA at any addresses and move the data into a computer connected to the FPGA by JTAG. The software based on the MATLB can plot the data on the computer screen as a waveform or a B-mode image depends on the dimensionality of the data that are under check. We tested the platform by scanning the volunteers’ eyes with a 10 MHz probe. Results show that the band-pass filter is effective in reducing the RF noise. It is also showed that, in the condition of 50 MHz clock rate, the total time from the data is sampled to demodulated is only 85.34 μs for each A-line of 64 mm deep, while amplitude detection and logarithmic compression take 340 ns only.

high frequency ultrasound; image processing; experimental platform; field programmable gate array(FPGA)

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 05.009

2014-12-17， 錄用日期:2015-05-21

上海市研究生創(chuàng)新基金項目(JWCXSL1302)

R318.08

A

0258-8021(2015) 05-0581-08

# 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會會員(Member, Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: zheng.bts@gmail.com