摘 要:研究基于现场可编程门阵列(FPGA)的超声多普勒内窥成像系统,针对内窥系统超声探头体积小、回波信号微弱的特点,设计了具有较高增益和较低噪声的超声信号前端接收电路.在FPGA中对微弱信号进行全数字化处理,实现了正交解调与频谱分析等功能,系统具有电路匹配性好、信噪比高、处理速度快及体积小等优势;搭建基于多普勒物理模型的实验平台进行实验验证,分析对比不同实验条件下的声谱,验证了系统及信号处理方法的合理性和正确性.
医学超声多普勒内窥成像以超声内窥镜为基础[1],将超声在疾病诊断上的优势和多普勒效应对运动物体的高敏感度结合起来对疾病进行诊断,利用血流中红细胞对超声信号的散射,由超声探头探测包含多普勒频移的回波信号,以实时获得血液流动状况的信息,对消化道疾病的诊断具有重要意义.与体外超声多普勒相比,内窥超声探头与器官间距离短,避免了脂肪、体腔内气体对多普勒成像的影响,获得的图像信息要比体表上获得的扫描信息准确详细,可有效提高内窥镜对疾病的早期诊断能力[2].
目前基于模拟及数字信号处理的超声多普勒技术已经取得较大进展[3-4],但基于小探头的微弱超声多普勒信号检测问题还很少研究.本文中针对超声内窥成像提出了全数字化的信号处理方案,对内窥小探头获得的微弱信号进行处理,利用现场可编程门阵列(fieldprogrammable gate array, FPGA)实现信号的解调和频谱分析,并进行基于多普勒物理模型的成像实验,对超声内窥成像系统的正确性进行验证.
1 超声多普勒内窥成像系统
1·1 系统整体设计
数字式超声多普勒内窥成像系统主要包括超声探头、前端模拟电路、A/D转换、FPGA数字处理、谱图显示5部分.超声多普勒内窥成像系统原理如图1所示,FPGA控制在适当时间产生一组激励脉冲信号,脉冲信号经发射电路放大、匹配,激励超声探头向待测组织发射超声波;超声探头接收经组织散射的回波信号并将其转换为电信号;接收电路对回波信号放大,并进行A/D转换;输出的数字信号进入FPGA进行正交解调、选通累加、滤波、频谱分析等,得到多普勒信号的频谱信息;频谱数据经USB口送入通用计算机转换为动态功率谱并进行显示.
超声多普勒内窥成像系统的探头即超声换能器有两个作用:首先,将电信号转换为超声信号,向人体组织发射超声波;然后,在信号接收时接收多普勒回波信号并将其转换为电信号,传送给信号处理电路.医用超声换能器主要构件有匹配层、压电元件、背衬层和聚焦块,其结构如图2所示.
图2中,匹配层对介质和压电元件进行匹配,以减少超声能量在界面处的反射,提高发射效率和带宽;压电元件是换能器的核心部件,进行能量的转换;背衬层位于压电元件之后,使得压电元件后向发射的声波很少反射回压电元件中,大多进入背衬层中并被衰减,合适的背衬层能够提高超声换能器的带宽.聚焦块是提高发射声束指向性能的部件.超声换能器的设计需要选择合适的匹配层以提高灵敏度,以及反射能力强的背衬层来产生高频单向发射的超声波.同时,考虑到内窥系统对探头的尺寸限制,本文中采用收发一体探头,即利用同一个探头来发射并且接收回波,为使超声探头顺利进入消化道,本系统设计的探头尺寸为2 mm×4 mm×1 mm,发射超声的中心频率为8MHz.
1·2 回波信号处理分析与FPGA算法实现
超声回波信号由超声探头接收并且转化为电信号,由于微型探头接收面积的限制,组织体反射的载波信号比较微弱(μV级),而由血流中散射子散射的多普勒信号则更加微弱(约为载波信号幅度的1/10),这就要求前端接收电路具有足够大的增益和极低的噪声系数.本系统选择具有前置放大功能并且噪声极低的放大器AD8331(ADI公司生产),采用两级AD8331级联放大,理论放大增益可达71 dB,满足系统对增益以及信噪比的要求;为滤除回波信号中的干扰,在A/转换之前设计了模拟滤波电路.本设计中选用了集成有源RC滤波器LT1568(Linear公司),通过选择合适的外围电路参数值, LT1568能实现最高10 MHz的截止频率且具有非常低的噪声,可支持90 dB以上的信噪比.根据换能器与后端信号处理电路的特性,设计了中心频率为8 MHz、3 dB带宽为2 MHz的带通滤波电路.
滤波后的信号经A/D转换后送入FPGA中进行处理[5],FPGA的功能包括两方面:一是对数字信号处理系统进行时序控制;二是实现数字回波信号的解调和频谱分析等功能.
正交解调用于提取多普勒信号的频移信息,用频率与幅度相同、相位相差90°的正弦信号(与超声发射信号频率相同)分别与回波信号做乘法混频,再通过低通滤波去除倍频项,得到两路正交多普勒频移信号[6],正交解调的信号流程如图3所示.
图3中,多普勒回波信号V(t)可以表示为
式中:A0和ω0分别表示载波信号的幅度和频率;Af和ωf分别表示正向血流回波的幅度和频移大小;Ar和ωr分别表示反向血流的回波幅度和频移大小.
将多普勒回波信号V(t)与正交信号sinω0t和cosω0t分别相乘混频,得到
在FPGA中,正交解调通过乘法器和低通滤波器实现[7],数控振荡器(numerically controlled oscillator,NCO)产生载波信号,乘法器实现载波信号与输入信号的数字混频,混频后的数据再进入低通滤波器.脉冲多普勒系统超声回波的中心频率为8 MHz,A/D转换以4倍频率32 MHz对数据进行采样,NCO产生8 MHz的正余弦载波与回波信号混频,信号混频之后经过低通滤波器滤除倍频信号.
解调后的两路正交信号Vi和Vq同时包含有正向信息和反向信息,需要进一步分析处理.短时傅里叶变换是常用的分析多普勒信号的方法,其基本思想是把信号划分成许多小的时间间隔,用傅里叶变换分析每一个时间间隔,以便确定在相应时间间隔内存在的信号频率[8].短时傅里叶变换定义为
式中:w(t)为时间紧支函数,用于提取不同时间间隔内的多普勒数据;ω和b分别表示信号的频率和时移.窗函数沿时间轴不断移动,能够对信号逐段进行频谱分析.
FPGA中多普勒信号的频谱分析流程如图4所示,经正交解调与滤波的数据以10 kHz的频率不断输出,将其存储到16 bit输入缓冲器中,控制器计数实现32点步进,完成每条谱线分析所需的256点数据抽取,然后进行快速傅里叶变换( fastFourier transform,FFT)运算,得到两路幅度相同、相位正交的信号,求其均方根即可得动态功率谱的值. FFT运算器由IP( in-tellectual property)核实现,求模运算器通过调用平方、加法和平方根宏模块在FPGA中实现. FFT的设计选用Burst模式,具有单输出、缓冲突发型结构、节约资源的特点,每次能够对256个数据点进行运算[9].
2 脉冲多普勒成像实验及结果分析
基于物理模型的多普勒成像实验装置主要包括模拟血流实验台、数据接收与处理电路、波形监测与谱图显示3部分.多普勒系统实验装置如图5所示,模拟血流实验台利用含有散射颗粒的水流在模拟血管中的流动来模拟人体内血液在血管中的循环流动;数据接收与处理电路接收并放大回波信号,并且通过FPGA电路处理A/D之后的数字信号;波形监测与谱图显示通过示波器实时监测波形,并且在PC机上显示FPGA输出的谱图信号.
模拟血流实验台是产生多普勒信号的装置,由贮血器、水槽、仿人体血液、蠕动泵、流量计、模拟血管组成.将微型超声探头垂直插入贮血器中进行探测;同时,蠕动泵将模拟血液从贮血器中抽出,血液通过连接的模拟血管及流量计后再回到贮血器,完成整个流动循环.其中,微型超声探头是超声波的发射与接收装置,考虑到今后它需要经过电子内窥镜的活检钳道送入人体进行探测,因此其尺寸很小,仅为2 mm×4 mm×1 mm;蠕动泵是模拟血流实验台的核心器件,相当于人体的心脏,本实验装置选用的是兰格蠕动泵BT00-600M,转速范围0·1~600 r/min,正反转可逆;模拟血液采用6%的淀粉水悬液,模拟血管采用蠕动泵厂家提供的20#(内径4·8 mm)硅胶管.
观察示波器采集的一组回波信号,图6所示波形是声束和模拟血管夹角接近90°时得到的超声回波信号.图中,回波幅值Vpp最大可以达到600 mV,证明前端电路的设计满足系统对增益的要求;中间两个包络峰的时间间隔约为6·08μs,利用超声传播的计算公式得到硅胶管内径,即
d=ct/2=1 540 m/s×6·08μs/2=4·68 mm
该数值与硅胶管的实际内径值(4·8 mm)基本一致,证明管壁回波信号的正确性.
为了考察血流速度与方向对多普勒成像的影响,设计了两个实验方案:首先调整声束与血流夹角至45°,蠕动泵转速调至300 r/min和400 r/min的稳流状态,分别对这两种速度下得到的回波数据进行处理;然后保持探头与模拟血管之间的角度不变,改变蠕动泵的转向,相当于检测反向血流,仍然将转速调整为300r/min和400 r/min的稳流状态,分别对这两种速度下得到的回波数据进行处理.实验得到的声谱如图7所示.
图7(a)和图7(b)中血流频谱值位于零频线以上,代表血流方向朝着换能器,图7(c)和图7(d)中血流频谱值位于零频线以下,代表血流方向背向换能器,与实验情况相符;频谱幅度表示频移和血流速度大小300 r/min时的平均频移值小于400 r/min时的平均频移值,也与实际流速相符;正常血流属于层流,有一定的频谱宽度,所以频移在垂直方向上会有一定的宽度,表示某一时刻采样血流中散射颗粒分布的范围大小;频谱灰度表示某一时刻采样容积内速度相同的散射颗粒数目的多少,散射颗粒数目越多灰度越大.
3 结 语
超声多普勒内窥成像系统利用多普勒技术对上消化道进行诊断,可以得到血流速度、血流方向、血流状态、红细胞相对数量等信息,扩大了内窥镜的诊断范围,早期病变诊断能力强,能够及时发现微小病变.内窥镜系统数字化,采用FPGA实现对回波信号的处理,增强了系统抗干扰能力,提高了系统的性能.
实验结果表明,本文中设计的超声多普勒内窥成像系统能够接收并放大微弱的多普勒回波信号;按照FPGA的数字信号处理方案对多普勒回波信号进行处理,得到不同实验条件下的声谱,正确反映了血流的方向和速度信息,说明本设计的正确性和可行性.
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基金项目:国家自然科学基金仪器专项(60827005);国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2007AA04Z339).
作者简介:李伟锋(1976— ),男,博士.
通讯作者:陈晓冬,副教授
