如何用FPGA構建便攜式超聲系統？

人們一直希望便攜式超聲系統能以低成本提供出色的分辨率。便攜式系統使醫療保健服務(wù)提供商能夠在災區、發(fā)展中地區和戰場(chǎng)等地區使用超聲設備。然而設計這些結構緊湊的系統非常復雜，面臨諸多挑戰，因為此類(lèi)系統要包含多達128個(gè)通道，要求支持連續波多普勒，滿(mǎn)足眾多連接功能要求，支持模數轉換、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(wèn)題，在適當的成本和功耗約束范圍內快速為市場(chǎng)提供尖端超聲技術(shù)。

超聲技術(shù)

超聲設備向身體發(fā)射聚焦聲束超聲波，并通過(guò)聲波反射的強度及延遲差異重現對象圖像，從而形成生物組織的聲波照片。聲波技術(shù)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(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而生成發(fā)射聲波。陣列中各個(gè)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(guò)對象時(shí)，各組織層之間的聲阻抗差就會(huì )產(chǎn)生反射發(fā)回到換能器(見(jiàn)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。在待分析區沿著(zhù)成百上千條掃描線(xiàn)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中重組這些掃描線(xiàn)，就形成了2D圖像(見(jiàn)圖2)。3D超聲系統沿著(zhù)副軸機械移動(dòng)換能器陣列，增加三維掃描線(xiàn)。

圖2 通過(guò)掃描線(xiàn)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(jiǎn)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(wù)則比較復雜，涉及專(zhuān)有技術(shù)，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(gè)接收通道適當進(jìn)行相位對齊以設置正確的聚焦深度，濾波輸入的數據，對波形進(jìn)行解調，再將所有通道累加在一起形成掃描線(xiàn)。每條掃描線(xiàn)重復上述操作，然后對所有掃描線(xiàn)進(jìn)行聚集、內插并濾波，以形成最終圖像。

便攜式超聲系統組件

市場(chǎng)上主要有四種不同外形的便攜式超聲產(chǎn)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(diǎn)介紹膝上型超聲設備。從高級層面而言，超聲系統由三個(gè)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(jiàn)圖4)。

圖4 超聲系統模塊方框圖

模擬前端(AFE)

模擬前端(AFE)是超聲應用中一款高度專(zhuān)業(yè)化的系統，既可通過(guò)每8至16個(gè)通道采用全集成單芯片的形式，也可通過(guò)每通道采用多芯片定制解決方案來(lái)實(shí)現。為了滿(mǎn)足換能器接收信號動(dòng)態(tài)范圍較大的要求，我們可用可變增益放大器(VGA)或時(shí)間增益補償器(TGC)將信號映射到模數轉換器(ADC)較窄的動(dòng)態(tài)范圍上。在全集成AFE(圖5)中，VGA/TGC由邏輯通過(guò)SPI接口控制。ADC數據串行連接，并通過(guò)LVDS或新興JEDEC JESD204x標準傳輸到數字處理器件。

圖5 模擬前端

在A(yíng)FE發(fā)射側，DAC用來(lái)將輸出脈沖數據轉換為模擬數據。模擬信號驅動(dòng)高壓脈沖器或放大器，進(jìn)而產(chǎn)生換能器的發(fā)射波形。