超聲成像是當(dāng)今醫(yī)學(xué)影像診斷的主要成像方法之一,，它以超聲波與生物之間的相互作用作為成像基礎(chǔ),，具有對(duì)人體無傷害、無電離輻射,、使用方便,、適用范圍廣、設(shè)備價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),。為了讓超聲圖像能夠更加清晰,，現(xiàn)代超聲診斷儀對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)濾波,。動(dòng)態(tài)濾波包含模擬動(dòng)態(tài)濾波和數(shù)字動(dòng)態(tài)濾波。模擬動(dòng)態(tài)濾波器要改變器件的參數(shù),，從而達(dá)到改變通頻帶中心頻率的效果,，方法簡易，效果很好,。同時(shí),，控制信號(hào)是來自FPGA輸送出的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換所得,，采用FPGA實(shí)現(xiàn)控制信號(hào),，實(shí)現(xiàn)了很高的精度，達(dá)到了預(yù)想的效果,。
選用CycloneⅢ EP3C16Q240C8在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路,，工作頻率高，同時(shí)各個(gè)模塊并行工作,，能夠很好的解決系統(tǒng)時(shí)序上的問題,。
大量的研究和試驗(yàn)表明，人體組織對(duì)超聲的衰減不僅與被探測(cè)介質(zhì)的深度有關(guān),，還與超聲波的頻率有關(guān),。隨著頻率的升高，介質(zhì)對(duì)超聲能量的衰減系數(shù)增大,。當(dāng) 所發(fā)射超聲波具有較寬的頻帶時(shí),，接收回波中的頻率成分必然與距離有關(guān)。在近場,，回波頻率成分主要集中在頻帶的高端,，隨著探測(cè)深度的增加，回波信號(hào)頻譜地中 心頻率逐漸向頻帶的低端頻移（如圖1）,。
圖1 超聲回波頻譜隨深度變化曲線
中心頻率的下移將使橫向分辨力惡化,，這是因?yàn)榘l(fā)射的超聲脈沖向深度傳播時(shí)，其波長將增大,，而孔徑大小不變,。動(dòng)態(tài)濾波的設(shè)計(jì)思想就是根據(jù)上述因素得出 的。包含兩方面含義：一方面均衡色散,，也就是用均衡器或者一種逆濾波器來補(bǔ)償深度及淺部,，以期得到相同的觀測(cè)頻率和分辯力；另一方面,，從匹配濾波器的思想 可知,，當(dāng)信號(hào)的頻譜與接收機(jī)選擇性相吻合時(shí)，可得到最佳信噪比,。動(dòng)態(tài)濾波器就是用來自動(dòng)選擇以上具有診斷價(jià)值的頻率分量,，并濾除體表部分以低頻為主的強(qiáng)回 波信號(hào)和深部以高頻為主的干擾的一個(gè)頻率選擇器,。
實(shí)踐表明，使用動(dòng)態(tài)濾波器后,，設(shè)備在深度的SNR及圖像可視性得到改善,；而在淺部，可以保持高的觀測(cè)頻率,，使分辯力及圖像細(xì)微度得到改善,，最終使圖像總體質(zhì)量得到提升，增加了儀器的實(shí)用性,。
組成與模塊實(shí)現(xiàn)
整體框架
動(dòng)態(tài)濾波器由FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)模塊和控制模塊、D/A轉(zhuǎn)換電路,、濾波電路組成,。采用離線計(jì)算的方式計(jì)算出控制信號(hào)的數(shù)據(jù)，從而做成FPGA內(nèi)部 的數(shù)據(jù)模塊,；經(jīng)由控制模塊,，將數(shù)字控制信號(hào)輸出；輸出的數(shù)字控制信號(hào)由D/A轉(zhuǎn)換電路,，形成模擬控制信號(hào),；模擬控制信號(hào)接入到濾波電路的控制端口，實(shí)現(xiàn)對(duì) 濾波電路參數(shù)的控制,，達(dá)到動(dòng)態(tài)改變?yōu)V波電路中心頻率的目的,，從而完成動(dòng)態(tài)濾波。
濾波電路
濾波器電路采用并聯(lián)諧振電路,，并聯(lián)諧振電路在中心頻率處,，具有信號(hào)幅值最大的輸出比。同時(shí)并聯(lián)諧振電路具有很小的功率損耗,，廣泛用于帶通濾波,。我們采 用電感加電容的并聯(lián)諧振，電感采用精度較高的鐵氧體線圈,，電容采用能改變極間電容的變?nèi)荻O管（SVC321）,。并聯(lián)諧振電路如圖2。
圖2 并聯(lián)諧振電路
并聯(lián)諧振電路的通頻帶中心頻率的計(jì)算公式：
(當(dāng) 品質(zhì)因數(shù)Q很大時(shí)),。變?nèi)荻O管隨著反向電壓增加,，其極間電容逐漸變小，在反向電壓的作用下,，本電路采用的變?nèi)荻O管電容可以在15pF~470pF之間 變化,，隨著二極管極間電容的改變，諧振電路的中心頻率也跟著發(fā)生變化,，本電路中心頻率的變化范圍在2.4M~13.9M之間,，滿足超聲波信號(hào)頻率在 3.5M左右變化的要求,。變?nèi)荻O管SVC321極間電容隨反向電壓變化的變化曲線如圖3。
圖3 變?nèi)荻O管電容值隨反壓變化曲線
D/A變換器
D/A變換器負(fù)責(zé)將FPGA數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制變?nèi)荻O管的模擬電壓信號(hào),，D/A芯片型號(hào)為DAC0800,，電流輸出型。D/A輸出信號(hào)電流經(jīng)運(yùn)放轉(zhuǎn)換為電壓,，采用運(yùn)放可以方便的對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的控制,。具體電路如圖4。
圖4 變?nèi)荻O管控制信號(hào)形成電路
FPGA控制模塊
1數(shù)據(jù)模塊
FGPA的控制信號(hào)是根據(jù)變?nèi)荻O管所需反向電壓精確設(shè)計(jì)的,，設(shè)計(jì)步驟如下：
1.查閱身體隨頻率和深度的衰減率,，分析出每個(gè)超聲信號(hào)采樣點(diǎn)位置的中心頻率F（128個(gè)點(diǎn)）；
2..根據(jù)每個(gè)中心頻率計(jì)算出變?nèi)荻O管的電容值,，
,；
3.根據(jù)求出的C，查變?nèi)荻O管C/V變換圖,，找到對(duì)應(yīng)的電壓V,，即為二極管的反向控制電壓（DF輸出），
（VY為運(yùn)放的輸出）,；
4．計(jì)算出V,，從而推算出VY，故D/A的輸出電流,，
（單位為毫安）,；
5．根據(jù)計(jì)算出電流大小I對(duì)照DAC0800的datasheet中的電流大小與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換對(duì)照表，查出對(duì)應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),。
以此類推,，計(jì)算出128個(gè)點(diǎn)上的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，在FPGA內(nèi)做成ROM,，提供給控制模塊讀出,。
2控制信號(hào)產(chǎn)生模塊
FPGA的控制模塊是根據(jù)整個(gè)控制的時(shí)序，輸出數(shù)據(jù)模塊ROM里面的數(shù)據(jù),，提供給D/A轉(zhuǎn)換電路來控制變?nèi)荻O管的反相端（N）,。
首先根據(jù)選取的深度點(diǎn)的間隔，決定控制模塊的時(shí)鐘頻率,，即每個(gè)數(shù)據(jù)輸出的頻率,。控制模塊讀入數(shù)據(jù)模塊的數(shù)據(jù),，再根據(jù)控制時(shí)序,，輸出數(shù)字控制信號(hào)?？刂颇K接口如表1,。
表1 控制模塊接口
系統(tǒng)功能驗(yàn)證
完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后,，我們進(jìn)行在線系統(tǒng)功能驗(yàn)證，驗(yàn)證濾波器頻率的穩(wěn)定性,。
以下是驗(yàn)證的步驟：
1,、 控制信號(hào)模塊輸出一個(gè)特定的數(shù)字D（直接在程序內(nèi)賦值），輸出就是一個(gè)特定的數(shù),；
2,、 我們先測(cè)量電流轉(zhuǎn)成電壓的值V’，再測(cè)量經(jīng)運(yùn)放改變后DF的輸出V,，即為變?nèi)荻O管的反向電壓,；
3、 然后,，根據(jù)反向電壓查表得到相應(yīng)的電容值,，從而計(jì)算出中心頻率F；
4,、 利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一系列不同頻率相同幅值的信號(hào)，讓其通過并聯(lián)諧振電路,，再使用示波器測(cè)量,，確定哪個(gè)頻率段之間的信號(hào)通過量最大，即可以確定中心頻率在 此頻帶內(nèi),。再與F’對(duì)比,，看是否相符。為了盡量的縮短頻率段的范圍,，在確定一個(gè)頻率段后,，再在此頻率段內(nèi)分不同頻率測(cè)量，以便更精確地確定中心頻率,。
經(jīng)過一系列特定數(shù)字信號(hào)的驗(yàn)證,，可以確信的得到并聯(lián)諧振電路中心頻率的穩(wěn)定性。現(xiàn)將其中一個(gè)特定數(shù)字的驗(yàn)證結(jié)果如下：
D=120,，測(cè)得電壓值V’=1.43V,，V=2V，計(jì)算出中心頻率F=3.0MHz結(jié)果如表2,。
表2 驗(yàn)證結(jié)果
實(shí)驗(yàn)得出中心頻率在3.0MHz~3.2MHz之間,，對(duì)比滿足要求。
結(jié)束語
采用FPGA的模擬動(dòng)態(tài)濾波器,，在結(jié)構(gòu)上簡易,，性能上穩(wěn)定，測(cè)試和設(shè)計(jì)都十分的方便,。FPGA的使用,，能根據(jù)具體要求很方便的改變控制信號(hào),，同時(shí)實(shí)現(xiàn)超聲診斷儀中多個(gè)模塊并行工作，也為以后的更多模擬部分?jǐn)?shù)字化提供了基礎(chǔ),。