基于FPGA的超聲診斷儀前端及顯示模式設(shè)計(jì)與研究一、引言1.1研究背景與意義超聲診斷儀作為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像診斷的重要設(shè)備，在臨床診斷中占據(jù)著舉足輕重的地位。其工作原理是利用超聲波的反射、折射和散射等特性，通過(guò)超聲探頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波發(fā)射到人體內(nèi)部，超聲波在人體組織中傳播時(shí)，遇到不同聲阻抗的組織界面會(huì)產(chǎn)生反射回波，探頭接收這些回波并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)一系列處理后在顯示器上呈現(xiàn)出人體內(nèi)部組織和器官的圖像，為醫(yī)生提供直觀的診斷依據(jù)。自20世紀(jì)50年代美國(guó)醫(yī)生DouglasHowry首次使用超聲波進(jìn)行人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像以來(lái)，超聲診斷儀經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程。在60年代，超聲診斷儀開(kāi)始在臨床實(shí)踐中應(yīng)用，但受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)，圖像質(zhì)量較差。到了70年代，電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了超聲成像設(shè)備的發(fā)展，B型超聲成像技術(shù)的引入讓醫(yī)生能夠獲取更清晰的圖像。80年代彩色多普勒超聲技術(shù)的出現(xiàn)，使超聲診斷儀不僅能顯示器官和組織的形態(tài)，還能評(píng)估血流情況，這對(duì)心血管病學(xué)和血管學(xué)的診斷具有重要意義。90年代三維（3D）和四維（4D）超聲成像技術(shù)的發(fā)展，為醫(yī)生提供了更真實(shí)、更立體的圖像，進(jìn)一步提升了診斷的準(zhǔn)確性。進(jìn)入21世紀(jì)，超聲診斷儀的技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新和改進(jìn)，高頻率探頭、多普勒技術(shù)的改進(jìn)等，使超聲成像質(zhì)量更高、分辨率更好，設(shè)備也更加便攜和易于操作。如今，超聲診斷儀已廣泛應(yīng)用于婦產(chǎn)科、腫瘤學(xué)、心臟病學(xué)、肝膽脾胰疾病、血管學(xué)等多個(gè)臨床領(lǐng)域，成為臨床醫(yī)學(xué)中不可或缺的重要工具。隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對(duì)健康需求的日益提高，對(duì)超聲診斷儀的性能也提出了更高的要求，如更高的圖像分辨率、更快的處理速度、更豐富的功能以及更低的成本等?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）技術(shù)的出現(xiàn)為滿足這些需求提供了新的契機(jī)。FPGA是一種可重構(gòu)的硬件集成電路，具有高速并行處理能力、豐富的邏輯資源和靈活的可編程特性。在超聲診斷儀中應(yīng)用FPGA技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲信號(hào)的高速實(shí)時(shí)處理，有效提高成像質(zhì)量和診斷效率。例如，在波束合成、信號(hào)濾波、圖像增強(qiáng)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，F(xiàn)PGA能夠充分發(fā)揮其并行處理優(yōu)勢(shì)，快速完成復(fù)雜的算法運(yùn)算，減少信號(hào)處理的延遲，從而獲得更清晰、更準(zhǔn)確的圖像。同時(shí)，F(xiàn)PGA的可編程性使得系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性和靈活性，可以方便地進(jìn)行功能升級(jí)和優(yōu)化，以適應(yīng)不斷變化的臨床需求和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。研究基于FPGA的超聲診斷儀前端及顯示模式具有重要的實(shí)際意義。從臨床應(yīng)用角度來(lái)看，高性能的超聲診斷儀能夠?yàn)獒t(yī)生提供更準(zhǔn)確、詳細(xì)的診斷信息，有助于疾病的早期發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確診斷，提高治療效果，改善患者的健康狀況。對(duì)于醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)業(yè)而言，開(kāi)展基于FPGA的超聲診斷儀研究，有助于推動(dòng)我國(guó)超聲診斷設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，提升國(guó)產(chǎn)品牌的技術(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，打破國(guó)外品牌在高端超聲設(shè)備領(lǐng)域的壟斷，降低醫(yī)療成本，促進(jìn)醫(yī)療資源的均衡配置。在學(xué)術(shù)研究方面，該研究涉及到信號(hào)處理、圖像處理、電子電路設(shè)計(jì)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)基于FPGA的超聲診斷儀前端及顯示模式的深入研究，能夠促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的交叉融合，為超聲診斷技術(shù)的發(fā)展提供新的理論和方法，推動(dòng)整個(gè)超聲診斷領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀超聲診斷儀作為醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)發(fā)展一直是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。隨著FPGA技術(shù)的不斷成熟，基于FPGA的超聲診斷儀前端設(shè)計(jì)和顯示模式研究取得了顯著進(jìn)展。在國(guó)外，眾多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)對(duì)基于FPGA的超聲診斷儀展開(kāi)了深入研究。美國(guó)GE醫(yī)療、荷蘭飛利浦等知名醫(yī)療設(shè)備制造商，憑借其強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力和技術(shù)積累，在超聲診斷儀的高端市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位。GE醫(yī)療利用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高性能的波束合成算法，顯著提高了圖像分辨率和成像速度。其研發(fā)的LOGIQE20、VividE95等型號(hào)，通過(guò)FPGA對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，能夠提供清晰、細(xì)膩的圖像，在心臟超聲和綜合超聲領(lǐng)域表現(xiàn)卓越，滿足了醫(yī)院對(duì)于高精度診斷設(shè)備的嚴(yán)苛需求。飛利浦則在超聲成像的圖像處理和顯示模式方面取得突破，利用FPGA實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的圖像增強(qiáng)算法，如EPIQ7C、EPIQEliteW等產(chǎn)品，通過(guò)FPGA對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，提供了更清晰、準(zhǔn)確的圖像，為醫(yī)生的診斷工作提供了有力支持，在臨床應(yīng)用中廣受好評(píng)。此外，國(guó)外的一些科研團(tuán)隊(duì)也在不斷探索基于FPGA的超聲診斷儀的新應(yīng)用和新技術(shù)。例如，有研究團(tuán)隊(duì)利用FPGA實(shí)現(xiàn)了超聲彈性成像技術(shù)，通過(guò)對(duì)組織彈性特性的測(cè)量，為腫瘤的良惡性鑒別提供了更準(zhǔn)確的依據(jù)。還有團(tuán)隊(duì)致力于開(kāi)發(fā)基于FPGA的便攜式超聲診斷儀，旨在提高超聲診斷的便捷性和可及性，以滿足基層醫(yī)療和遠(yuǎn)程醫(yī)療的需求。國(guó)內(nèi)在基于FPGA的超聲診斷儀研究方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。邁瑞、開(kāi)立醫(yī)療等國(guó)產(chǎn)品牌在技術(shù)研發(fā)上不斷加大投入，逐步縮小與國(guó)外品牌的差距。邁瑞作為國(guó)內(nèi)超聲設(shè)備行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，其RechoR9T、ResonaAR等型號(hào)，通過(guò)FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)超聲信號(hào)的高效處理和圖像的高質(zhì)量顯示，在高端市場(chǎng)中開(kāi)始嶄露頭角，贏得了市場(chǎng)的認(rèn)可。開(kāi)立醫(yī)療則在中高端產(chǎn)品線上不斷拓展，利用FPGA技術(shù)優(yōu)化了超聲診斷儀的前端設(shè)計(jì)和顯示模式，提高了產(chǎn)品的性能和競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)內(nèi)的高校和科研機(jī)構(gòu)也在積極參與相關(guān)研究。一些高校開(kāi)展了基于FPGA的超聲成像算法研究，提出了新的波束合成、信號(hào)濾波和圖像增強(qiáng)算法，為提高超聲圖像質(zhì)量提供了理論支持。同時(shí)，國(guó)內(nèi)在便攜式超聲診斷儀的研發(fā)方面也取得了一定成果，基于FPGA的便攜式超聲診斷儀能夠滿足基層醫(yī)療和現(xiàn)場(chǎng)診斷的需求，具有體積小、重量輕、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。盡管國(guó)內(nèi)外在基于FPGA的超聲診斷儀前端設(shè)計(jì)和顯示模式方面取得了眾多成果，但仍存在一些不足之處。在前端設(shè)計(jì)方面，雖然目前的FPGA能夠?qū)崿F(xiàn)高速信號(hào)處理，但在處理復(fù)雜的超聲信號(hào)時(shí)，仍面臨著資源利用率和處理速度的平衡問(wèn)題。部分算法在FPGA上實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要占用大量的邏輯資源，導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加，同時(shí)處理速度也受到一定限制。此外，超聲探頭與FPGA之間的接口設(shè)計(jì)也有待進(jìn)一步優(yōu)化，以提高信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在顯示模式方面，雖然現(xiàn)有的顯示技術(shù)能夠呈現(xiàn)出清晰的超聲圖像，但在圖像的后處理和可視化方面仍有提升空間。例如，對(duì)于三維和四維超聲圖像的顯示，目前的算法和顯示模式還不能完全滿足醫(yī)生對(duì)圖像細(xì)節(jié)和立體感的要求。同時(shí)，在多模態(tài)超聲圖像融合顯示方面，也需要進(jìn)一步研究，以實(shí)現(xiàn)不同類型超聲圖像的有效融合，為醫(yī)生提供更全面的診斷信息。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究旨在深入探究基于FPGA的超聲診斷儀前端及顯示模式，以提升超聲診斷儀的性能和圖像質(zhì)量。具體研究?jī)?nèi)容涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：超聲診斷儀前端設(shè)計(jì)：對(duì)超聲診斷儀前端的各個(gè)功能模塊展開(kāi)全面深入的研究與設(shè)計(jì)，其中包括超聲發(fā)射電路、接收電路、波束合成模塊以及信號(hào)預(yù)處理模塊等。在超聲發(fā)射電路設(shè)計(jì)中，深入研究如何精準(zhǔn)控制發(fā)射脈沖的頻率、幅度和寬度，以確保發(fā)射的超聲波具有良好的方向性和穿透性。在接收電路設(shè)計(jì)方面，著重考慮提高接收靈敏度和抗干擾能力，精心選擇合適的放大器和濾波器，有效降低噪聲對(duì)回波信號(hào)的影響。針對(duì)波束合成模塊，深入研究各種先進(jìn)的波束合成算法，如延遲求和算法、自適應(yīng)波束形成算法等，以提高圖像的分辨率和對(duì)比度。在信號(hào)預(yù)處理模塊，研究如何對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、檢波等操作，為后續(xù)的圖像處理提供高質(zhì)量的信號(hào)。FPGA實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化：選用合適的FPGA芯片，并對(duì)前端設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊進(jìn)行高效的硬件描述語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)過(guò)程中，充分利用FPGA的并行處理能力和豐富的邏輯資源，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行全面優(yōu)化。通過(guò)合理分配FPGA的邏輯資源，確保各個(gè)模塊能夠高效協(xié)同工作，避免資源沖突和浪費(fèi)。同時(shí)，深入研究?jī)?yōu)化算法的實(shí)現(xiàn)方式，減少計(jì)算量和處理時(shí)間，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。例如，采用流水線技術(shù)、并行處理技術(shù)等，對(duì)關(guān)鍵算法進(jìn)行優(yōu)化，加快數(shù)據(jù)處理速度。此外，還需對(duì)FPGA的時(shí)序進(jìn)行精確分析和優(yōu)化，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。顯示模式研究：深入研究超聲診斷儀的多種顯示模式，如B型顯示、M型顯示、彩色多普勒顯示等，并對(duì)不同顯示模式下的圖像處理算法展開(kāi)深入探討。在B型顯示模式下，研究如何對(duì)超聲回波信號(hào)進(jìn)行處理，以生成清晰的二維灰度圖像，通過(guò)圖像增強(qiáng)算法，提高圖像的對(duì)比度和細(xì)節(jié)顯示能力。在M型顯示模式下，研究如何提取和顯示心臟等器官的運(yùn)動(dòng)信息，通過(guò)對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的處理，準(zhǔn)確呈現(xiàn)器官的運(yùn)動(dòng)軌跡和節(jié)律。對(duì)于彩色多普勒顯示模式，研究如何利用多普勒效應(yīng)檢測(cè)血流速度和方向，并將其以彩色圖像的形式疊加在B型圖像上，為醫(yī)生提供更豐富的診斷信息。此外，還需研究如何實(shí)現(xiàn)多模態(tài)超聲圖像的融合顯示，如將二維超聲圖像與三維超聲圖像進(jìn)行融合，或者將超聲圖像與其他醫(yī)學(xué)影像（如CT、MRI）進(jìn)行融合，為醫(yī)生提供更全面的診斷依據(jù)。系統(tǒng)集成與測(cè)試：將設(shè)計(jì)完成的前端和顯示模式進(jìn)行系統(tǒng)集成，構(gòu)建完整的基于FPGA的超聲診斷儀實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行全面的性能測(cè)試和驗(yàn)證，包括圖像質(zhì)量評(píng)估、系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試、實(shí)時(shí)性測(cè)試等。在圖像質(zhì)量評(píng)估方面，采用專業(yè)的圖像評(píng)估指標(biāo)，如分辨率、對(duì)比度、信噪比等，對(duì)超聲圖像的質(zhì)量進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)比不同算法和參數(shù)設(shè)置下的圖像質(zhì)量，找出最優(yōu)的解決方案。在系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試中，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，確保系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性和可靠性。在實(shí)時(shí)性測(cè)試中，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)超聲信號(hào)的處理速度和圖像更新頻率，確保系統(tǒng)能夠滿足臨床診斷的實(shí)時(shí)性要求。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以提高系統(tǒng)的整體性能。為了確保研究目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)，本研究將綜合運(yùn)用多種研究方法：理論分析：全面深入地研究超聲診斷儀的工作原理、信號(hào)處理算法以及FPGA的架構(gòu)和編程原理。通過(guò)對(duì)相關(guān)理論的深入剖析，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。例如，深入研究超聲成像原理，包括超聲波在人體組織中的傳播特性、反射和散射規(guī)律等，為超聲發(fā)射和接收電路的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。同時(shí)，深入研究各種信號(hào)處理算法的原理和特點(diǎn)，如波束合成算法、濾波算法、圖像增強(qiáng)算法等，為算法的選擇和優(yōu)化提供理論支持。此外，深入研究FPGA的架構(gòu)和編程原理，了解FPGA的資源配置和時(shí)序約束等方面的知識(shí)，為FPGA的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。仿真設(shè)計(jì)：利用專業(yè)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具，如QuartusII、Vivado等，對(duì)超聲診斷儀前端及顯示模式進(jìn)行詳細(xì)的仿真設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真，可以在實(shí)際硬件實(shí)現(xiàn)之前，對(duì)系統(tǒng)的功能和性能進(jìn)行全面驗(yàn)證和優(yōu)化。在仿真過(guò)程中，對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行模擬生成，如超聲發(fā)射信號(hào)、回波信號(hào)等，通過(guò)對(duì)這些信號(hào)的處理和分析，驗(yàn)證系統(tǒng)的功能是否符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行仿真評(píng)估，如信號(hào)處理速度、圖像質(zhì)量等，通過(guò)調(diào)整參數(shù)和優(yōu)化算法，提高系統(tǒng)的性能。此外，還可以利用仿真工具對(duì)FPGA的資源使用情況進(jìn)行分析，合理分配資源，避免資源浪費(fèi)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：搭建實(shí)際的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)基于FPGA的超聲診斷儀進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際性能和可靠性，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用真實(shí)的超聲探頭采集人體組織的回波信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和成像，觀察圖像質(zhì)量和系統(tǒng)性能。同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性等方面進(jìn)行測(cè)試，確保系統(tǒng)能夠滿足臨床應(yīng)用的要求。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。對(duì)比研究：將基于FPGA的超聲診斷儀與傳統(tǒng)的超聲診斷儀進(jìn)行全面的對(duì)比研究，分析兩者在性能、圖像質(zhì)量、成本等方面的差異。通過(guò)對(duì)比，明確基于FPGA的超聲診斷儀的優(yōu)勢(shì)和不足，為進(jìn)一步的研究和改進(jìn)提供方向。例如，對(duì)比兩種診斷儀的圖像分辨率、對(duì)比度、信噪比等指標(biāo)，分析基于FPGA的超聲診斷儀在圖像質(zhì)量方面的提升情況。同時(shí)，對(duì)比兩種診斷儀的成本和功耗，評(píng)估基于FPGA的超聲診斷儀在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和優(yōu)勢(shì)。此外，還可以對(duì)比不同F(xiàn)PGA芯片和不同算法在超聲診斷儀中的應(yīng)用效果，找出最優(yōu)的解決方案。二、超聲診斷儀及FPGA技術(shù)概述2.1超聲診斷儀原理與分類2.1.1超聲診斷原理超聲診斷儀的工作原理基于超聲波在人體組織中的傳播特性以及與人體組織的相互作用。超聲波是一種頻率高于20kHz的機(jī)械波，具有良好的方向性和穿透性。當(dāng)超聲波發(fā)射到人體內(nèi)部時(shí)，由于人體不同組織和器官的聲阻抗存在差異，超聲波在傳播過(guò)程中遇到這些不同聲阻抗的界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、折射和散射等現(xiàn)象。其中，反射是超聲成像的主要依據(jù)。當(dāng)超聲波遇到兩種聲阻抗不同的組織界面時(shí)，部分超聲波會(huì)被反射回來(lái)，反射回波的強(qiáng)度與界面兩側(cè)組織的聲阻抗差密切相關(guān)，聲阻抗差越大，反射回波越強(qiáng)；反之則越弱。例如，在人體中，骨骼與周圍軟組織之間的聲阻抗差較大，超聲波在兩者界面處會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的反射回波；而脂肪與肌肉組織之間的聲阻抗差相對(duì)較小，反射回波強(qiáng)度也較弱。超聲診斷儀通過(guò)超聲探頭實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。超聲探頭通常由壓電材料制成，利用壓電效應(yīng)工作。當(dāng)在壓電材料上施加交變電壓時(shí)，壓電材料會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，從而發(fā)射出超聲波；反之，當(dāng)壓電材料接收到反射回來(lái)的超聲波時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，將聲能轉(zhuǎn)換為電能。超聲診斷儀發(fā)射的超聲波以脈沖形式進(jìn)入人體，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，探頭接收反射回波。根據(jù)發(fā)射脈沖與接收回波之間的時(shí)間間隔以及超聲波在人體組織中的傳播速度，可以計(jì)算出反射界面的深度。假設(shè)超聲波在人體組織中的傳播速度為v，發(fā)射脈沖與接收回波之間的時(shí)間間隔為t，則反射界面的深度d=vt/2（除以2是因?yàn)槌暡ㄍ祩鞑ィ?。超聲診斷儀對(duì)接收的回波信號(hào)進(jìn)行一系列復(fù)雜的處理。這些處理包括信號(hào)放大、濾波、檢波、數(shù)字化等。信號(hào)放大是為了增強(qiáng)回波信號(hào)的幅度，使其能夠被后續(xù)電路有效處理；濾波則是去除信號(hào)中的噪聲和干擾，提高信號(hào)的質(zhì)量；檢波是從高頻回波信號(hào)中提取出低頻的包絡(luò)信號(hào)，以便后續(xù)的處理和分析；數(shù)字化是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。經(jīng)過(guò)處理后的回波信號(hào)包含了人體組織的結(jié)構(gòu)和特性信息，超聲診斷儀根據(jù)這些信息，利用相應(yīng)的成像算法，在顯示器上生成人體內(nèi)部組織和器官的圖像。例如，B型超聲診斷儀通過(guò)將回波信號(hào)的幅度轉(zhuǎn)換為圖像的灰度，以明暗不同的光點(diǎn)來(lái)反映回聲變化，從而在屏幕上顯示出二維切面圖像，醫(yī)生可以根據(jù)這些圖像來(lái)觀察組織和器官的形態(tài)、大小、位置以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等情況，為疾病診斷提供依據(jù)。2.1.2超聲診斷儀分類超聲診斷儀經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，根據(jù)其工作方式和成像特點(diǎn)，可分為多種類型，常見(jiàn)的有A型、B型、M型、D型等。A型超聲診斷儀：是最早應(yīng)用于臨床診斷的一種診斷儀，屬幅度調(diào)制顯示型。其工作方式是將產(chǎn)生超聲脈沖的換能器置于人體表面某一點(diǎn)，聲束射入體內(nèi)，由組織界面返回的信號(hào)幅值顯示于屏幕上，屏幕的橫坐標(biāo)表示超聲波的傳播時(shí)間，即探測(cè)深度，縱坐標(biāo)則表示回波脈沖的幅度。A型超聲診斷儀主要利用超聲波的反射特性來(lái)獲得人體組織內(nèi)的有關(guān)信息，通過(guò)分析回波的幅度、位置和數(shù)量等特征來(lái)判斷組織的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)。當(dāng)超聲波束在人體組織中傳播遇到不同聲阻抗的兩層鄰近介質(zhì)界面時(shí)，在該界面上就產(chǎn)生反射回聲，每遇到一個(gè)界面，產(chǎn)生一個(gè)回聲，該回聲在示波器的屏幕上以波的形式顯示。界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗差愈大，其回聲的波幅愈高；反之，界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗差愈小，其回聲的波幅愈低。若超聲波在沒(méi)有界面的均勻介質(zhì)中傳播，即聲阻抗差為零時(shí)則呈現(xiàn)無(wú)回聲的平段。例如，在眼科診斷中，A型超聲可以精確測(cè)量眼球各層組織的厚度和距離，輔助診斷眼部疾病。然而，A型超聲也存在明顯的局限性，其回波圖只能反映局部組織的回波信息，不能獲得在臨床診斷上需要的解剖圖形，且診斷的準(zhǔn)確性與操作醫(yī)師的識(shí)圖經(jīng)驗(yàn)關(guān)系很大。隨著實(shí)時(shí)B型斷層顯像技術(shù)的廣泛應(yīng)用，A型超聲已退居次要地位，目前已幾乎不再生產(chǎn)和使用。B型超聲診斷儀：是第二代超聲診斷儀，也是當(dāng)今世界使用最廣泛的超聲診斷儀。它采用亮度調(diào)制方式來(lái)顯示深度方向所有界面的反射回波信息，以明暗不同的光點(diǎn)反映回聲變化，在影屏上顯示不同等級(jí)的灰度圖象，強(qiáng)回聲光點(diǎn)明亮，弱回聲光點(diǎn)黑暗，按掃描線逐行顯示隨深度變換的回波信號(hào)，即構(gòu)成一幅二維切面圖象。B型超聲診斷儀的掃描方式有線形掃描和扇形掃描等，線掃適用于腹部臟器的檢查，扇形掃描適用于對(duì)心臟的檢查。其診斷基礎(chǔ)是通過(guò)對(duì)一系列切面聲像圖的分析來(lái)作出診斷，分析內(nèi)容包括外形、邊界回聲、內(nèi)部回聲、后方回聲、比鄰關(guān)系、活動(dòng)度和活動(dòng)規(guī)律、硬度、排空功能等。例如，在婦產(chǎn)科檢查中，B型超聲可以清晰顯示胎兒的形態(tài)、大小、胎位以及胎盤(pán)和羊水的情況，幫助醫(yī)生進(jìn)行孕期監(jiān)測(cè)和診斷胎兒發(fā)育異常；在腹部臟器檢查中，可用于診斷肝臟、膽囊、胰腺、脾臟等器官的病變，如腫瘤、結(jié)石、囊腫等。B型超聲診斷儀具有成像直觀、信息豐富等優(yōu)點(diǎn)，為臨床診斷提供了重要的依據(jù)，在各種疾病的診斷中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。M型超聲診斷儀：基本結(jié)構(gòu)與A型相同，不同之處在于其圖像信息的顯示方式。M型超聲采用輝度調(diào)制的方法，使深度方向所有界面反射回波用亮點(diǎn)形式在顯示器垂直掃描線上顯示出來(lái)，隨著臟器的運(yùn)動(dòng)，各層組織和探頭之間的距離也隨之改變，垂直掃描線上的各點(diǎn)將發(fā)生位置上的變動(dòng)，定時(shí)地采樣這些回波并使之按時(shí)間先后在時(shí)間軸上展開(kāi)。M型超聲診斷儀對(duì)人體中的運(yùn)動(dòng)臟器，如心臟、胎兒胎心、動(dòng)脈血管等功能的檢查具有優(yōu)勢(shì)，并可進(jìn)行多種心功能參數(shù)的測(cè)量，如心臟瓣膜的運(yùn)動(dòng)速度、加速度等。例如，在心臟檢查中，M型超聲可以清晰地顯示心臟各層結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，幫助醫(yī)生診斷心臟疾病，評(píng)估心臟功能。但M型顯示仍不能獲得解剖圖像，在對(duì)靜態(tài)臟器的診查方面存在一定的局限性。D型超聲診斷儀：也稱為超聲多普勒診斷儀，利用多普勒效應(yīng)檢測(cè)出人體內(nèi)運(yùn)動(dòng)組織的信息。當(dāng)聲源、接收器、介質(zhì)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器收到的超聲頻率與超聲源的頻率之間會(huì)產(chǎn)生差異，這種現(xiàn)象就稱為多普勒效應(yīng)，其變化的頻差稱為多普勒頻移。在醫(yī)學(xué)超聲診斷中，換能器（包括接收、發(fā)射換能器）通常靜止不動(dòng)，主要是介質(zhì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。當(dāng)超聲波入射到血管內(nèi)的血液顆粒時(shí)，由于血液顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)第一次多普勒頻移現(xiàn)象；被血液顆粒散射的超聲波返回到接收換能器時(shí)，由于血液顆粒處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)第二次多普勒頻移現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)量接收信號(hào)的多普勒頻移，就可以估算出人體內(nèi)運(yùn)動(dòng)組織或血液的運(yùn)動(dòng)速度，從而達(dá)到非侵入性檢測(cè)體內(nèi)生理狀況的目的。D型超聲診斷儀主要用于檢測(cè)血管、心臟、血流和胎兒心率等指標(biāo)，如在心血管疾病診斷中，可評(píng)估血管狹窄、閉塞等病變，檢測(cè)心臟瓣膜的功能和血流動(dòng)力學(xué)變化。彩色多普勒血流顯像系統(tǒng)（彩超）是D型超聲的進(jìn)一步發(fā)展，它可在B型和M型超聲心動(dòng)圖的基礎(chǔ)上同時(shí)顯示血流方向和相對(duì)速度，提供心臟和大血管內(nèi)血流的時(shí)間和空間信息。彩超使用不同色彩表示血流方向及相對(duì)速度等動(dòng)態(tài)信息，紅細(xì)胞的動(dòng)態(tài)信息主要由速度、方向和分散三個(gè)因素組成，常用紅色和藍(lán)色表示血流方向，朝向探頭運(yùn)動(dòng)的紅細(xì)胞用紅色表示，離開(kāi)探頭運(yùn)動(dòng)的紅細(xì)胞用藍(lán)色表示；用顯示亮度表示血流速度的快慢，即流速越快的血流色彩越明亮，反之越暗淡；用綠色表示分散（血流的紊亂情況），血流為層流時(shí)色彩變化小，亂流時(shí)色彩變化大。彩超被譽(yù)為無(wú)創(chuàng)性心血管造影術(shù)，為臨床診斷提供了更豐富的血流信息，在心血管疾病的診斷和治療中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。2.2FPGA技術(shù)介紹2.2.1FPGA基本結(jié)構(gòu)與工作原理FPGA（FieldProgrammableGateArray）即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，是一種基于查找表（Look-UpTable，LUT）結(jié)構(gòu)的可編程邏輯器件。其基本結(jié)構(gòu)主要包括可編程邏輯單元、布線資源、I/O單元等，這些組件協(xié)同工作，使得FPGA能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的邏輯功能?？删幊踢壿媶卧荈PGA的核心部分，用于實(shí)現(xiàn)各種邏輯運(yùn)算和數(shù)字電路功能。它通常由查找表、觸發(fā)器、加法器等基本邏輯元件組成。查找表本質(zhì)上是一個(gè)小型的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM），一般為4輸入查找表，可存儲(chǔ)16個(gè)不同的邏輯函數(shù)。通過(guò)對(duì)查找表的編程，可以實(shí)現(xiàn)各種組合邏輯功能，例如與、或、非等邏輯運(yùn)算。以一個(gè)簡(jiǎn)單的4輸入與門(mén)為例，當(dāng)輸入信號(hào)A、B、C、D為特定組合時(shí)，查找表根據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)的邏輯函數(shù)，輸出相應(yīng)的結(jié)果。觸發(fā)器則用于實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能，能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，在數(shù)字電路中常用于構(gòu)建寄存器、計(jì)數(shù)器等時(shí)序電路。例如，D觸發(fā)器在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿或下降沿，將輸入數(shù)據(jù)D存儲(chǔ)并輸出，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的延遲和存儲(chǔ)功能。加法器用于完成數(shù)字的加法運(yùn)算，是實(shí)現(xiàn)算術(shù)邏輯單元（ALU）的重要組成部分，在許多數(shù)字信號(hào)處理算法中都有廣泛應(yīng)用，如在數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)中，需要對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行加法運(yùn)算以完成濾波操作。多個(gè)可編程邏輯單元通過(guò)特定的方式連接，可以構(gòu)建出復(fù)雜的數(shù)字電路，如微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）等。布線資源在FPGA中起著連接各個(gè)可編程邏輯單元和I/O單元的關(guān)鍵作用。它由可編程的互連通道和交叉點(diǎn)組成，這些通道和交叉點(diǎn)可以通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)不同邏輯單元之間的電氣連接，形成數(shù)據(jù)通路和控制通路，實(shí)現(xiàn)各種電路的集成和優(yōu)化。布線資源包括不同長(zhǎng)度的連線線段和可編程連接開(kāi)關(guān)，連線線段分為局部連線、行連線和列連線等。局部連線用于連接相鄰的邏輯單元，實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸和邏輯功能的緊密耦合；行連線和列連線則用于實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域邏輯單元之間的連接，它們具有不同的驅(qū)動(dòng)能力和延遲特性，以滿足不同規(guī)模和性能要求的電路設(shè)計(jì)。可編程連接開(kāi)關(guān)可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求，靈活地控制連線的通斷，從而實(shí)現(xiàn)邏輯單元之間的任意連接。例如，在設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，需要將多個(gè)功能模塊的輸入輸出端口進(jìn)行連接，布線資源通過(guò)合理配置可編程連接開(kāi)關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)這些模塊之間的高效通信和協(xié)同工作。布線資源的合理使用對(duì)于提高FPGA的性能和資源利用率至關(guān)重要，如果布線不合理，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)延遲增加、功耗上升甚至電路功能無(wú)法正常實(shí)現(xiàn)。I/O單元是FPGA與外部設(shè)備進(jìn)行交互的接口，分布在芯片的四周。它負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部邏輯與外部管腳之間的電氣連接和信號(hào)轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)的輸入輸出功能。每個(gè)I/O單元都包含輸入輸出寄存器、輸出使能寄存器、輸入輸出延遲鏈和上拉電阻等組件。輸入輸出寄存器用于存儲(chǔ)輸入輸出數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩沖和同步，確保數(shù)據(jù)在芯片內(nèi)部和外部之間的穩(wěn)定傳輸。輸出使能寄存器用于控制輸出信號(hào)的使能狀態(tài)，當(dāng)輸出使能信號(hào)有效時(shí)，I/O單元將內(nèi)部數(shù)據(jù)輸出到外部管腳；當(dāng)輸出使能信號(hào)無(wú)效時(shí)，輸出管腳處于高阻態(tài)，避免對(duì)外部電路產(chǎn)生干擾。輸入輸出延遲鏈可以對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行延遲調(diào)整，以滿足不同外部設(shè)備的時(shí)序要求。上拉電阻則用于將輸入管腳的電平拉高，當(dāng)外部設(shè)備未連接或輸入信號(hào)為高阻態(tài)時(shí)，上拉電阻可以確保輸入管腳處于穩(wěn)定的高電平狀態(tài)。I/O單元的功能和特性對(duì)于FPGA與外部設(shè)備的接口兼容性和穩(wěn)定性具有重要影響，在設(shè)計(jì)中需要根據(jù)外部設(shè)備的電氣特性和接口要求，合理配置I/O單元的參數(shù)。FPGA的工作原理基于其可編程特性。通過(guò)硬件描述語(yǔ)言（HDL），如VHDL（Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）或Verilog，對(duì)FPGA的邏輯功能進(jìn)行描述。這些HDL代碼經(jīng)過(guò)綜合工具的處理，將高層次的邏輯描述轉(zhuǎn)換為底層的門(mén)級(jí)網(wǎng)表，定義了各個(gè)邏輯單元之間的連接關(guān)系和功能實(shí)現(xiàn)方式。然后，布局布線工具根據(jù)門(mén)級(jí)網(wǎng)表，將邏輯單元和布線資源進(jìn)行合理的布局和連接，生成最終的比特流文件。比特流文件下載到FPGA的配置存儲(chǔ)器中，配置存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)決定了FPGA內(nèi)部邏輯單元的功能以及它們之間的連接方式，從而實(shí)現(xiàn)用戶所需的特定邏輯功能。在運(yùn)行過(guò)程中，F(xiàn)PGA根據(jù)輸入信號(hào)和配置數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)部的邏輯單元和布線資源進(jìn)行高速的并行運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，輸出相應(yīng)的結(jié)果。由于FPGA的可編程性，用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求，隨時(shí)修改HDL代碼并重新配置FPGA，實(shí)現(xiàn)不同的邏輯功能，這使得FPGA在各種領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。2.2.2FPGA在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，F(xiàn)PGA憑借其獨(dú)特的特性展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)對(duì)于提升醫(yī)療設(shè)備的性能、功能和適應(yīng)性具有重要意義。靈活性高：FPGA的可編程特性使其能夠根據(jù)不同醫(yī)療設(shè)備的具體需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。不同類型的醫(yī)療設(shè)備，如超聲診斷儀、計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）設(shè)備、磁共振成像（MRI）設(shè)備等，具有各自獨(dú)特的信號(hào)處理和圖像重建算法。FPGA可以通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)的硬件描述語(yǔ)言代碼，靈活地實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜的算法，而無(wú)需像專用集成電路（ASIC）那樣進(jìn)行大規(guī)模的硬件設(shè)計(jì)和制造。以超聲診斷儀為例，不同的臨床應(yīng)用場(chǎng)景可能需要不同的波束合成算法、信號(hào)濾波算法和圖像增強(qiáng)算法。使用FPGA，只需對(duì)代碼進(jìn)行修改和重新配置，就能夠輕松實(shí)現(xiàn)算法的切換和優(yōu)化，滿足不同的診斷需求。這種靈活性還體現(xiàn)在FPGA可以方便地進(jìn)行功能擴(kuò)展和升級(jí)。隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展和新的診斷需求的出現(xiàn)，醫(yī)療設(shè)備需要不斷更新和改進(jìn)。FPGA可以通過(guò)重新編程，添加新的功能模塊或優(yōu)化現(xiàn)有功能，而無(wú)需對(duì)硬件進(jìn)行大規(guī)模的改動(dòng)，大大降低了設(shè)備的升級(jí)成本和開(kāi)發(fā)周期。并行處理能力強(qiáng)：醫(yī)療設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中通常需要處理大量的數(shù)據(jù)，對(duì)處理速度要求極高。FPGA具有強(qiáng)大的并行處理能力，其內(nèi)部包含大量的邏輯單元，可以同時(shí)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。以醫(yī)學(xué)影像處理為例，CT設(shè)備在掃描過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的圖像數(shù)據(jù)，MRI設(shè)備則需要對(duì)復(fù)雜的磁共振信號(hào)進(jìn)行處理。FPGA可以利用其并行處理特性，將圖像數(shù)據(jù)或信號(hào)分割成多個(gè)部分，同時(shí)由多個(gè)邏輯單元進(jìn)行處理，大大提高了數(shù)據(jù)處理的速度。在超聲診斷儀中，波束合成是一個(gè)關(guān)鍵的處理環(huán)節(jié)，需要對(duì)多個(gè)通道的超聲回波信號(hào)進(jìn)行延遲求和等運(yùn)算。FPGA通過(guò)并行處理多個(gè)通道的信號(hào)，可以快速完成波束合成，提高成像速度和圖像質(zhì)量。與傳統(tǒng)的微處理器相比，F(xiàn)PGA的并行處理能力能夠顯著縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間，滿足醫(yī)療設(shè)備對(duì)實(shí)時(shí)性的嚴(yán)格要求。在手術(shù)導(dǎo)航和介入治療等應(yīng)用中，實(shí)時(shí)的圖像分析和處理對(duì)于醫(yī)生的操作至關(guān)重要，F(xiàn)PGA的并行處理能力能夠確保醫(yī)生及時(shí)獲得準(zhǔn)確的影像信息，提高手術(shù)的安全性和成功率?？芍貥?gòu)性：FPGA的可重構(gòu)性是其在醫(yī)療設(shè)備中應(yīng)用的又一重要優(yōu)勢(shì)?？芍貥?gòu)性意味著FPGA可以在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)不同的任務(wù)需求，重新配置其內(nèi)部的邏輯功能和連接方式。在醫(yī)療設(shè)備中，不同的診斷任務(wù)可能需要不同的處理算法和功能模塊。例如，在超聲診斷中，對(duì)于不同的器官和疾病，可能需要采用不同的成像模式和圖像處理算法。FPGA可以根據(jù)診斷任務(wù)的變化，動(dòng)態(tài)地重新配置其內(nèi)部邏輯，實(shí)現(xiàn)不同功能模塊的切換和組合，從而提高設(shè)備的適應(yīng)性和多功能性。此外，可重構(gòu)性還使得FPGA能夠在設(shè)備出現(xiàn)故障或需要進(jìn)行維護(hù)時(shí)，通過(guò)重新配置來(lái)恢復(fù)部分功能或?qū)崿F(xiàn)功能的替代。當(dāng)某個(gè)邏輯模塊出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過(guò)重新配置將相關(guān)任務(wù)轉(zhuǎn)移到其他可用的邏輯模塊上，保證設(shè)備的基本運(yùn)行，為設(shè)備的維修和故障排除提供了便利。這種可重構(gòu)性大大提高了醫(yī)療設(shè)備的可靠性和可用性，降低了設(shè)備的停機(jī)時(shí)間和維護(hù)成本。低功耗：在醫(yī)療設(shè)備中，尤其是便攜式醫(yī)療設(shè)備，功耗是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。低功耗可以延長(zhǎng)設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間，提高設(shè)備的便攜性和使用便利性。FPGA通過(guò)硬件并行性和優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)，能夠在保持高性能的同時(shí)降低功耗。與傳統(tǒng)的微處理器相比，F(xiàn)PGA在處理特定任務(wù)時(shí)，可以更有效地利用硬件資源，避免了不必要的計(jì)算和功耗浪費(fèi)。在一些便攜式超聲診斷儀中，采用FPGA進(jìn)行信號(hào)處理和圖像生成，可以在保證圖像質(zhì)量和處理速度的前提下，顯著降低設(shè)備的功耗。此外，F(xiàn)PGA還可以通過(guò)動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)，根據(jù)設(shè)備的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整功耗，進(jìn)一步提高能源利用效率。在設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)或處理任務(wù)較輕時(shí)，降低FPGA的工作頻率和電壓，減少功耗；當(dāng)設(shè)備需要處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，再提高工作頻率和電壓，保證性能。這種動(dòng)態(tài)電源管理機(jī)制使得FPGA在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用更加節(jié)能高效。三、基于FPGA的超聲診斷儀前端設(shè)計(jì)3.1前端系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)3.1.1系統(tǒng)功能需求分析在臨床應(yīng)用中，超聲診斷儀前端承擔(dān)著至關(guān)重要的任務(wù)，其功能需求涵蓋多個(gè)關(guān)鍵方面。信號(hào)發(fā)射與接收是前端系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能。在信號(hào)發(fā)射環(huán)節(jié)，需要精確控制發(fā)射脈沖的參數(shù)，如頻率、幅度和寬度等。發(fā)射頻率決定了超聲波的穿透深度和分辨率，不同的臨床應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)發(fā)射頻率有不同的要求。例如，在腹部臟器檢查中，為了獲得較深的穿透深度，通常采用較低頻率的超聲波，一般在2-5MHz之間；而在淺表器官檢查中，為了獲得更高的分辨率，會(huì)使用較高頻率的超聲波，如7-12MHz。發(fā)射幅度影響超聲波的能量，需要根據(jù)人體組織的特性和檢查深度進(jìn)行合理調(diào)整，以確保超聲波能夠有效穿透組織并獲得清晰的回波信號(hào)。發(fā)射脈沖寬度則與信號(hào)的帶寬和分辨率相關(guān)，合適的脈沖寬度能夠提高信號(hào)的頻譜利用率，減少信號(hào)失真。在信號(hào)接收方面，超聲探頭接收到的回波信號(hào)非常微弱，容易受到噪聲和干擾的影響，因此需要具備高靈敏度的接收電路，能夠?qū)⑽⑷醯幕夭ㄐ盘?hào)放大到合適的幅度，同時(shí)有效抑制噪聲和干擾，提高信號(hào)的信噪比。波束合成是超聲診斷儀前端的核心功能之一，其目的是通過(guò)對(duì)多個(gè)超聲探頭通道的回波信號(hào)進(jìn)行處理，形成指向性良好的波束，提高圖像的分辨率和對(duì)比度。在傳統(tǒng)的超聲成像中，常用的波束合成算法是延遲求和算法，該算法根據(jù)各陣元到目標(biāo)點(diǎn)的距離差異，對(duì)各通道的回波信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的延遲，然后將延遲后的信號(hào)進(jìn)行求和，從而實(shí)現(xiàn)波束的聚焦。然而，延遲求和算法存在一定的局限性，在復(fù)雜的人體組織環(huán)境中，由于超聲波的散射和反射，會(huì)導(dǎo)致波束的旁瓣較高，影響圖像的質(zhì)量。為了克服這些問(wèn)題，自適應(yīng)波束形成算法應(yīng)運(yùn)而生。自適應(yīng)波束形成算法能夠根據(jù)接收信號(hào)的特性，自動(dòng)調(diào)整各通道的加權(quán)系數(shù)，使波束在期望方向上獲得最大增益，同時(shí)在干擾方向上形成零陷，有效抑制干擾信號(hào)，提高圖像的分辨率和對(duì)比度。例如，最小方差無(wú)畸變響應(yīng)（MVDR）算法就是一種常用的自適應(yīng)波束形成算法，它通過(guò)最小化輸出信號(hào)的方差，同時(shí)保持期望信號(hào)的無(wú)畸變傳輸，來(lái)實(shí)現(xiàn)波束的優(yōu)化。此外，還有基于特征分解的自適應(yīng)波束形成算法，如多重信號(hào)分類（MUSIC）算法等，這些算法利用信號(hào)子空間和噪聲子空間的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)方向的精確估計(jì)和波束的自適應(yīng)形成?；夭ㄌ幚硎浅曉\斷儀前端的重要功能，包括對(duì)回波信號(hào)的濾波、放大、檢波、數(shù)字化等一系列操作。濾波是去除回波信號(hào)中的噪聲和干擾的關(guān)鍵步驟，常見(jiàn)的濾波方法有低通濾波、高通濾波、帶通濾波等。低通濾波用于去除高頻噪聲，保留低頻的有用信號(hào)；高通濾波則相反，用于去除低頻噪聲和干擾；帶通濾波則可以根據(jù)需要選擇特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，抑制其他頻率的噪聲和干擾。在超聲診斷中，由于人體組織對(duì)超聲波的衰減作用，回波信號(hào)的幅度會(huì)隨著深度的增加而逐漸減小，因此需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大處理。放大過(guò)程需要保證信號(hào)的線性度，避免信號(hào)失真。檢波是從高頻的回波信號(hào)中提取出低頻的包絡(luò)信號(hào)，以便后續(xù)的處理和分析。數(shù)字化是將模擬的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。在數(shù)字化過(guò)程中，需要選擇合適的采樣頻率和量化位數(shù)，以保證信號(hào)的保真度和精度。采樣頻率應(yīng)滿足奈奎斯特采樣定理，即采樣頻率至少是信號(hào)最高頻率的兩倍，以避免混疊現(xiàn)象的發(fā)生；量化位數(shù)則決定了數(shù)字信號(hào)的精度，量化位數(shù)越高，信號(hào)的精度越高，但同時(shí)也會(huì)增加數(shù)據(jù)量和處理復(fù)雜度。除了上述主要功能外，超聲診斷儀前端還需要具備一些輔助功能，如超聲探頭的控制與驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)的同步與定時(shí)等。超聲探頭的控制與驅(qū)動(dòng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)探頭中各個(gè)陣元的激勵(lì)和接收控制，確保探頭能夠準(zhǔn)確地發(fā)射和接收超聲波。系統(tǒng)的同步與定時(shí)功能則保證了各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)工作，確保信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸和處理。例如，發(fā)射電路和接收電路需要在精確的時(shí)間同步下工作，以保證回波信號(hào)的正確接收和處理；波束合成模塊需要根據(jù)系統(tǒng)的定時(shí)信號(hào)，對(duì)各通道的回波信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的延遲和求和操作。3.1.2總體架構(gòu)設(shè)計(jì)方案基于FPGA的超聲診斷儀前端總體架構(gòu)設(shè)計(jì)方案主要由超聲發(fā)射模塊、超聲接收模塊、波束合成模塊、信號(hào)預(yù)處理模塊以及FPGA控制模塊等組成，各模塊之間緊密協(xié)作，共同完成超聲信號(hào)的發(fā)射、接收和初步處理，為后續(xù)的成像和診斷提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。超聲發(fā)射模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生和發(fā)射超聲波，是超聲診斷儀前端的重要組成部分。它主要由脈沖發(fā)生器、功率放大器、發(fā)射控制電路等組成。脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生具有特定頻率、幅度和寬度的發(fā)射脈沖信號(hào)，這些脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)超聲探頭發(fā)射出足夠強(qiáng)度的超聲波。發(fā)射控制電路則負(fù)責(zé)控制脈沖發(fā)生器和功率放大器的工作，根據(jù)臨床需求和系統(tǒng)設(shè)置，精確調(diào)整發(fā)射脈沖的參數(shù)。例如，當(dāng)需要進(jìn)行淺表器官檢查時(shí)，發(fā)射控制電路會(huì)調(diào)整脈沖發(fā)生器，使其產(chǎn)生高頻、窄脈沖寬度的發(fā)射信號(hào)，以提高圖像的分辨率；而在進(jìn)行腹部臟器檢查時(shí)，會(huì)調(diào)整為低頻、寬脈沖寬度的發(fā)射信號(hào)，以保證足夠的穿透深度。超聲接收模塊用于接收超聲探頭返回的回波信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行初步處理，以提高信號(hào)的質(zhì)量。它主要包括前置放大器、濾波器、可變?cè)鲆娣糯笃鞯?。前置放大器?duì)微弱的回波信號(hào)進(jìn)行初步放大，以提高信號(hào)的幅度，便于后續(xù)處理。濾波器用于去除回波信號(hào)中的噪聲和干擾，常見(jiàn)的濾波器有低通濾波器、高通濾波器和帶通濾波器等，根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)和需求選擇合適的濾波器?？勺?cè)鲆娣糯笃鲃t根據(jù)回波信號(hào)的強(qiáng)弱，自動(dòng)調(diào)整放大倍數(shù)，確保在不同深度和組織特性下，回波信號(hào)都能被有效地放大和處理。例如，在接收近場(chǎng)回波信號(hào)時(shí)，由于信號(hào)較強(qiáng)，可變?cè)鲆娣糯笃鲿?huì)降低放大倍數(shù)，以防止信號(hào)飽和；而在接收遠(yuǎn)場(chǎng)回波信號(hào)時(shí)，由于信號(hào)較弱，可變?cè)鲆娣糯笃鲿?huì)增大放大倍數(shù)，以提高信號(hào)的可檢測(cè)性。波束合成模塊是超聲診斷儀前端的核心模塊之一，其作用是對(duì)多個(gè)超聲探頭通道的回波信號(hào)進(jìn)行處理，形成具有良好指向性的波束，提高圖像的分辨率和對(duì)比度。該模塊基于FPGA實(shí)現(xiàn)，利用FPGA的并行處理能力和高速數(shù)據(jù)傳輸特性，能夠快速準(zhǔn)確地完成波束合成算法。波束合成模塊接收來(lái)自超聲接收模塊的多路回波信號(hào)，根據(jù)不同的波束合成算法，對(duì)各通道信號(hào)進(jìn)行延遲、加權(quán)求和等操作。在延遲求和算法中，根據(jù)各陣元到目標(biāo)點(diǎn)的距離差異，計(jì)算出每個(gè)通道信號(hào)所需的延遲時(shí)間，通過(guò)FPGA內(nèi)部的延遲單元對(duì)各通道信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的延遲。然后，根據(jù)預(yù)設(shè)的加權(quán)系數(shù)，對(duì)延遲后的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和，得到合成后的波束信號(hào)。對(duì)于自適應(yīng)波束形成算法，如MVDR算法，波束合成模塊會(huì)實(shí)時(shí)采集各通道的回波信號(hào)，計(jì)算信號(hào)的協(xié)方差矩陣，根據(jù)MVDR算法的原理，求解出最優(yōu)的加權(quán)系數(shù)，對(duì)各通道信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和，從而在期望方向上獲得最大增益，在干擾方向上形成零陷，有效抑制干擾信號(hào)，提高波束的性能和圖像質(zhì)量。信號(hào)預(yù)處理模塊對(duì)波束合成后的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，以滿足后續(xù)成像和診斷的需求。它主要包括檢波、濾波、數(shù)字化等功能。檢波是從高頻的波束合成信號(hào)中提取出低頻的包絡(luò)信號(hào)，常用的檢波方法有峰值檢波、均值檢波等。濾波用于對(duì)檢波后的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的噪聲抑制和信號(hào)平滑處理，提高信號(hào)的穩(wěn)定性和可靠性。數(shù)字化則是將模擬的預(yù)處理信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理和圖像生成。在數(shù)字化過(guò)程中，需要選擇合適的采樣頻率和量化位數(shù)，以保證信號(hào)的保真度和精度。例如，對(duì)于高分辨率的超聲成像，通常需要選擇較高的采樣頻率和量化位數(shù)，以保留更多的信號(hào)細(xì)節(jié)；而對(duì)于一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，可能會(huì)在保證一定圖像質(zhì)量的前提下，適當(dāng)降低采樣頻率和量化位數(shù)，以減少數(shù)據(jù)量和處理復(fù)雜度。FPGA控制模塊是整個(gè)前端系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步與定時(shí)控制。它通過(guò)內(nèi)部的邏輯電路和控制算法，產(chǎn)生各種控制信號(hào)，控制超聲發(fā)射模塊、超聲接收模塊、波束合成模塊和信號(hào)預(yù)處理模塊的工作。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，F(xiàn)PGA控制模塊會(huì)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，設(shè)置相關(guān)的參數(shù)和工作模式。在工作過(guò)程中，根據(jù)臨床需求和系統(tǒng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整各個(gè)模塊的工作參數(shù)。例如，當(dāng)需要切換超聲探頭的工作模式時(shí)，F(xiàn)PGA控制模塊會(huì)向超聲發(fā)射模塊和超聲接收模塊發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)，調(diào)整發(fā)射脈沖的參數(shù)和接收電路的增益等。同時(shí)，F(xiàn)PGA控制模塊還負(fù)責(zé)與后端的圖像處理和顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將前端處理后的超聲信號(hào)傳輸給后端模塊，為后續(xù)的成像和診斷提供數(shù)據(jù)支持。各模塊之間通過(guò)高速總線和接口進(jìn)行連接，確保數(shù)據(jù)的快速傳輸和準(zhǔn)確處理。超聲發(fā)射模塊和超聲接收模塊通過(guò)專用的信號(hào)線纜與超聲探頭相連，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和回波信號(hào)的接收。超聲接收模塊與波束合成模塊之間通過(guò)高速并行總線連接，將接收的多路回波信號(hào)快速傳輸給波束合成模塊進(jìn)行處理。波束合成模塊與信號(hào)預(yù)處理模塊之間也通過(guò)高速總線連接，將合成后的波束信號(hào)傳輸給信號(hào)預(yù)處理模塊進(jìn)行進(jìn)一步處理。FPGA控制模塊與其他各個(gè)模塊之間通過(guò)內(nèi)部總線進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。通過(guò)這種緊密的連接和協(xié)同工作，基于FPGA的超聲診斷儀前端系統(tǒng)能夠高效、準(zhǔn)確地完成超聲信號(hào)的發(fā)射、接收和初步處理，為后續(xù)的超聲成像和臨床診斷提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3.2關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.2.1發(fā)射波束聚焦與掃描控制模塊發(fā)射波束聚焦是超聲成像中提高圖像分辨率和對(duì)比度的關(guān)鍵技術(shù)，其原理基于聲波的干涉和疊加特性。在超聲診斷儀中，超聲探頭通常由多個(gè)陣元組成，這些陣元在發(fā)射超聲波時(shí)，通過(guò)控制每個(gè)陣元發(fā)射信號(hào)的時(shí)間延遲和幅度，可以使發(fā)射的超聲波在特定深度處聚焦，形成一個(gè)高強(qiáng)度的波束。具體而言，當(dāng)超聲波從不同陣元發(fā)射時(shí)，由于陣元到目標(biāo)點(diǎn)的距離不同，為了使超聲波在目標(biāo)點(diǎn)處同相疊加，需要對(duì)每個(gè)陣元的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的延遲。假設(shè)超聲探頭的陣元間距為d，超聲波在人體組織中的傳播速度為v，目標(biāo)點(diǎn)到探頭中心的距離為r，則第n個(gè)陣元的發(fā)射延遲時(shí)間\tau_n可通過(guò)公式\tau_n=\frac{r-\sqrt{r^2+(n-m)d^2}}{v}計(jì)算得出，其中m為探頭的中心陣元序號(hào)。通過(guò)精確控制這些延遲時(shí)間，使得各個(gè)陣元發(fā)射的超聲波在目標(biāo)點(diǎn)處的相位相同，從而實(shí)現(xiàn)波束聚焦，提高目標(biāo)點(diǎn)處的信號(hào)強(qiáng)度，增強(qiáng)圖像的分辨率和對(duì)比度。掃描控制是實(shí)現(xiàn)超聲成像的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其目的是通過(guò)控制超聲探頭的發(fā)射和接收方式，獲取不同位置的超聲回波信息，從而構(gòu)建出完整的人體組織圖像。常見(jiàn)的掃描方式有線掃、扇掃和凸陣掃描等。線掃是將超聲探頭的陣元按直線排列，通過(guò)依次激勵(lì)不同的陣元組，使發(fā)射的超聲波形成一條條平行的掃描線，覆蓋一定的區(qū)域，適用于對(duì)較大面積的組織進(jìn)行成像，如腹部臟器的檢查。扇掃則是通過(guò)控制超聲探頭的發(fā)射角度，使超聲波以扇形的方式進(jìn)行掃描，適用于對(duì)心臟等器官的檢查，因?yàn)樾呐K的位置和形狀使得扇形掃描能夠更好地覆蓋心臟的各個(gè)部位。凸陣掃描是將超聲探頭的陣元按凸形弧線排列，發(fā)射的超聲波也呈扇形分布，但與扇掃相比，凸陣掃描在近場(chǎng)的掃描范圍更大，適用于對(duì)腹部等較大器官的檢查，特別是對(duì)于肥胖患者或深部臟器的檢查具有優(yōu)勢(shì)。基于FPGA的發(fā)射驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生器是發(fā)射波束聚焦與掃描控制模塊的核心組件之一，其主要功能是產(chǎn)生具有特定頻率、幅度和寬度的發(fā)射驅(qū)動(dòng)脈沖，以激勵(lì)超聲探頭發(fā)射超聲波。在設(shè)計(jì)發(fā)射驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生器時(shí)，利用FPGA的高速時(shí)鐘資源和可編程邏輯單元，通過(guò)配置計(jì)數(shù)器和比較器等邏輯電路，精確控制脈沖的周期和寬度。為了產(chǎn)生頻率為f的發(fā)射脈沖，可設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率為f_{clk}，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值達(dá)到\frac{f_{clk}}{f}時(shí)，輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射脈沖頻率的精確控制。同時(shí)，通過(guò)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）對(duì)脈沖的幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足不同的臨床需求。例如，在進(jìn)行淺表器官檢查時(shí)，需要較高的發(fā)射脈沖幅度，以提高圖像的分辨率；而在進(jìn)行深部臟器檢查時(shí)，為了避免對(duì)組織造成損傷，需要適當(dāng)降低發(fā)射脈沖幅度。線掃控制模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)線掃方式下的掃描控制功能。它通過(guò)控制超聲探頭陣元的激勵(lì)順序和時(shí)間間隔，使發(fā)射的超聲波形成一條條平行的掃描線。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，利用FPGA的寄存器和邏輯電路，將陣元分為若干組，按照一定的順序依次激勵(lì)每組陣元。例如，對(duì)于一個(gè)由N個(gè)陣元組成的超聲探頭，可將其分為M組，每組包含K個(gè)陣元（N=M\timesK）。在每個(gè)掃描周期中，依次激勵(lì)第1組、第2組、……、第M組陣元，每組陣元的激勵(lì)時(shí)間間隔為\Deltat，通過(guò)調(diào)整\Deltat的大小，可以控制掃描線的密度和成像速度。為了實(shí)現(xiàn)快速的線掃控制，采用流水線技術(shù)，將陣元激勵(lì)的控制過(guò)程分為多個(gè)階段，每個(gè)階段并行處理，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。探頭激勵(lì)控制模塊則用于實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲探頭陣元的精確激勵(lì)和控制，確保探頭能夠準(zhǔn)確地發(fā)射和接收超聲波。它接收來(lái)自發(fā)射驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生器和線掃控制模塊的控制信號(hào)，對(duì)超聲探頭的每個(gè)陣元進(jìn)行獨(dú)立的激勵(lì)和控制。在激勵(lì)過(guò)程中，根據(jù)發(fā)射波束聚焦的要求，對(duì)每個(gè)陣元的發(fā)射延遲時(shí)間和幅度進(jìn)行精確控制。利用FPGA的查找表（LUT）存儲(chǔ)每個(gè)陣元的延遲時(shí)間和幅度控制參數(shù)，在發(fā)射時(shí)，根據(jù)當(dāng)前的掃描位置和聚焦深度，從查找表中讀取相應(yīng)的參數(shù)，對(duì)陣元進(jìn)行控制。同時(shí)，為了提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，探頭激勵(lì)控制模塊還具備故障檢測(cè)和保護(hù)功能，當(dāng)檢測(cè)到探頭陣元出現(xiàn)故障時(shí)，能夠及時(shí)采取措施，如關(guān)閉故障陣元或調(diào)整激勵(lì)參數(shù)，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。3.2.2數(shù)字波束合成模塊數(shù)字波束合成（DigitalBeamforming，DBF）是超聲診斷儀前端的核心技術(shù)之一，其原理基于對(duì)陣列天線接收信號(hào)的數(shù)字處理。在超聲成像中，超聲探頭由多個(gè)陣元組成，每個(gè)陣元接收到的回波信號(hào)包含了目標(biāo)物體不同位置的信息。數(shù)字波束合成的目的是通過(guò)對(duì)這些回波信號(hào)進(jìn)行處理，將它們合成為一個(gè)具有良好指向性的波束，從而提高圖像的分辨率和對(duì)比度。具體而言，數(shù)字波束合成利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)各陣元接收到的回波信號(hào)進(jìn)行延遲、加權(quán)求和等操作，使得合成后的波束在期望方向上具有最大增益，而在其他方向上的增益最小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的增強(qiáng)和干擾信號(hào)的抑制。在實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束合成時(shí)，首先需要對(duì)多通道超聲回波信號(hào)進(jìn)行延時(shí)處理。由于超聲探頭的陣元分布在不同位置，從目標(biāo)物體反射回來(lái)的回波信號(hào)到達(dá)各陣元的時(shí)間存在差異，這種時(shí)間差異稱為時(shí)延。為了使各陣元的回波信號(hào)在合成時(shí)能夠同相疊加，需要根據(jù)各陣元到目標(biāo)點(diǎn)的距離差異，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的延遲。假設(shè)超聲探頭的陣元間距為d，超聲波在人體組織中的傳播速度為v，目標(biāo)點(diǎn)與探頭中心的連線和探頭法線方向的夾角為\theta，則第n個(gè)陣元的回波信號(hào)相對(duì)于中心陣元的延遲時(shí)間\tau_n可通過(guò)公式\tau_n=\frac{(n-m)d\sin\theta}{v}計(jì)算得出，其中m為探頭的中心陣元序號(hào)。在FPGA中，通過(guò)配置數(shù)字延遲線來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)回波信號(hào)的精確延遲。數(shù)字延遲線可以由移位寄存器或可配置的延遲單元組成，根據(jù)計(jì)算得到的延遲時(shí)間，將回波信號(hào)在數(shù)字延遲線中進(jìn)行相應(yīng)的移位，從而實(shí)現(xiàn)延遲功能。加權(quán)求和是數(shù)字波束合成的另一個(gè)關(guān)鍵步驟，其目的是根據(jù)不同陣元的特性和目標(biāo)信號(hào)的要求，對(duì)延遲后的回波信號(hào)進(jìn)行加權(quán)處理，然后將它們相加，得到合成后的波束信號(hào)。加權(quán)系數(shù)的選擇對(duì)于波束合成的性能具有重要影響，不同的加權(quán)方法可以實(shí)現(xiàn)不同的波束特性。常見(jiàn)的加權(quán)方法有均勻加權(quán)、漢寧窗加權(quán)、布萊克曼窗加權(quán)等。均勻加權(quán)是最簡(jiǎn)單的加權(quán)方法，它對(duì)所有陣元的回波信號(hào)賦予相同的權(quán)重，這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但波束的旁瓣較高，會(huì)影響圖像的分辨率和對(duì)比度。漢寧窗加權(quán)和布萊克曼窗加權(quán)則是通過(guò)對(duì)不同陣元的回波信號(hào)賦予不同的權(quán)重，來(lái)降低波束的旁瓣。漢寧窗加權(quán)函數(shù)為w(n)=0.5-0.5\cos(\frac{2\pin}{N-1})，其中n為陣元序號(hào)，N為陣元總數(shù)；布萊克曼窗加權(quán)函數(shù)為w(n)=0.42-0.5\cos(\frac{2\pin}{N-1})+0.08\cos(\frac{4\pin}{N-1})。通過(guò)選擇合適的加權(quán)函數(shù)，可以有效地降低波束的旁瓣，提高圖像的質(zhì)量。在FPGA中，利用乘法器和加法器實(shí)現(xiàn)加權(quán)求和操作。將延遲后的回波信號(hào)與對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)相乘，然后將乘積結(jié)果相加，得到合成后的波束信號(hào)。為了提高計(jì)算效率，采用并行計(jì)算結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)多個(gè)陣元的回波信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和操作。在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字波束合成模塊還需要考慮動(dòng)態(tài)聚焦和多波束形成等功能。動(dòng)態(tài)聚焦是指在超聲成像過(guò)程中，根據(jù)目標(biāo)物體的深度變化，實(shí)時(shí)調(diào)整波束的聚焦位置，以保證在不同深度處都能獲得清晰的圖像。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦時(shí)，根據(jù)不同的成像深度，動(dòng)態(tài)調(diào)整各陣元的延遲時(shí)間和加權(quán)系數(shù)，使波束在不同深度處都能實(shí)現(xiàn)聚焦。多波束形成則是指同時(shí)形成多個(gè)指向不同方向的波束，以提高成像速度和信息獲取量。在FPGA中，通過(guò)并行處理多個(gè)波束的延遲和加權(quán)求和操作，實(shí)現(xiàn)多波束形成功能。例如，采用多通道并行結(jié)構(gòu)，每個(gè)通道負(fù)責(zé)一個(gè)波束的合成，通過(guò)合理分配FPGA的邏輯資源和數(shù)據(jù)通路，實(shí)現(xiàn)多個(gè)波束的同時(shí)生成和處理。3.2.3回波信號(hào)處理模塊回波信號(hào)處理是超聲診斷儀前端的重要環(huán)節(jié)，其目的是對(duì)超聲探頭接收到的回波信號(hào)進(jìn)行一系列處理，以提高信號(hào)的質(zhì)量，為后續(xù)的成像和診斷提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)?；夭ㄐ盘?hào)處理流程主要包括動(dòng)態(tài)濾波、包絡(luò)檢波、二次采樣、對(duì)數(shù)壓縮等功能模塊，每個(gè)模塊都在整個(gè)信號(hào)處理過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。動(dòng)態(tài)濾波是回波信號(hào)處理的第一步，其作用是根據(jù)人體組織對(duì)超聲信號(hào)的衰減特性，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)整，以補(bǔ)償信號(hào)在傳播過(guò)程中的衰減，提高信號(hào)的信噪比。人體組織對(duì)超聲信號(hào)的衰減隨著深度的增加而增大，且不同頻率的超聲信號(hào)衰減程度不同，高頻信號(hào)的衰減比低頻信號(hào)更快。因此，在近場(chǎng)接收到的回波信號(hào)中，高頻成分相對(duì)較多；而在遠(yuǎn)場(chǎng)接收到的回波信號(hào)中，低頻成分相對(duì)較多。為了補(bǔ)償這種衰減，動(dòng)態(tài)濾波器的通頻帶需要隨著深度的增加而向低頻方向移動(dòng)。在設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)濾波器時(shí)，采用數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)，常見(jiàn)的數(shù)字濾波器有有限沖激響應(yīng)（FIR）濾波器和無(wú)限沖激響應(yīng)（IIR）濾波器。FIR濾波器具有線性相位特性，不會(huì)引起信號(hào)的相位失真，但其設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，需要較多的硬件資源；IIR濾波器則具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、硬件資源需求少的優(yōu)點(diǎn)，但相位特性較差，可能會(huì)引起信號(hào)的相位失真。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體需求選擇合適的濾波器類型。例如，對(duì)于對(duì)相位特性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，如超聲心動(dòng)圖檢查，通常采用FIR濾波器；而對(duì)于對(duì)硬件資源有限且對(duì)相位特性要求不高的應(yīng)用場(chǎng)景，如一般的腹部超聲檢查，可以采用IIR濾波器。通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)濾波器時(shí)，利用其可編程邏輯資源，配置濾波器的系數(shù)和結(jié)構(gòu)，根據(jù)回波信號(hào)的深度信息，實(shí)時(shí)調(diào)整濾波器的通頻帶。包絡(luò)檢波是從高頻的回波信號(hào)中提取出低頻的包絡(luò)信號(hào)，以便后續(xù)的處理和分析。超聲回波信號(hào)是一種高頻調(diào)制信號(hào)，其包絡(luò)包含了人體組織的結(jié)構(gòu)和特性信息。常見(jiàn)的包絡(luò)檢波方法有峰值檢波、均值檢波和同步檢波等。峰值檢波是檢測(cè)回波信號(hào)的峰值，將其作為包絡(luò)信號(hào)輸出；均值檢波則是計(jì)算回波信號(hào)在一定時(shí)間內(nèi)的平均值，作為包絡(luò)信號(hào)輸出；同步檢波是利用與回波信號(hào)同頻同相的參考信號(hào)，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到包絡(luò)信號(hào)。在超聲診斷儀中，常用的是同步檢波方法，因?yàn)樗軌蚋玫乇Ａ艋夭ㄐ盘?hào)的相位信息，提高包絡(luò)信號(hào)的準(zhǔn)確性。同步檢波的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，首先需要產(chǎn)生與回波信號(hào)同頻同相的參考信號(hào)，這可以通過(guò)鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)實(shí)現(xiàn)。鎖相環(huán)能夠跟蹤回波信號(hào)的頻率和相位變化，生成與之同步的參考信號(hào)。然后，將回波信號(hào)與參考信號(hào)相乘，再通過(guò)低通濾波器濾除高頻分量，得到包絡(luò)信號(hào)。在FPGA中，利用乘法器和低通濾波器實(shí)現(xiàn)同步檢波功能。乘法器將回波信號(hào)與參考信號(hào)相乘，低通濾波器則采用數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)，如巴特沃斯低通濾波器、切比雪夫低通濾波器等，根據(jù)包絡(luò)信號(hào)的頻率特性，選擇合適的濾波器參數(shù)，濾除高頻干擾，得到準(zhǔn)確的包絡(luò)信號(hào)。二次采樣是對(duì)包絡(luò)檢波后的信號(hào)進(jìn)行再次采樣，以滿足后續(xù)處理和顯示的要求。在超聲成像中，為了提高圖像的分辨率和質(zhì)量，需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行高分辨率的采樣。然而，過(guò)高的采樣頻率會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過(guò)大，增加數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)。因此，在包絡(luò)檢波后，根據(jù)實(shí)際需求對(duì)信號(hào)進(jìn)行二次采樣，降低數(shù)據(jù)量。二次采樣的過(guò)程中，需要根據(jù)奈奎斯特采樣定理，選擇合適的采樣頻率，以避免混疊現(xiàn)象的發(fā)生。假設(shè)包絡(luò)信號(hào)的最高頻率為f_{max}，則二次采樣頻率f_s應(yīng)滿足f_s\geq2f_{max}。在FPGA中，利用采樣時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生二次采樣時(shí)鐘，對(duì)包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行采樣。采樣時(shí)鐘發(fā)生器可以根據(jù)系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)分頻器或鎖相環(huán)等電路生成所需的采樣時(shí)鐘。同時(shí)，為了保證采樣的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，需要對(duì)采樣時(shí)鐘進(jìn)行精確的控制和校準(zhǔn)。對(duì)數(shù)壓縮是對(duì)二次采樣后的信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍壓縮，以適應(yīng)顯示和存儲(chǔ)的要求。超聲回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍通常較大，直接顯示或存儲(chǔ)會(huì)占用大量的存儲(chǔ)空間，且可能超出顯示設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍，導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)丟失。對(duì)數(shù)壓縮通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，將大動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)壓縮到一個(gè)較小的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。對(duì)數(shù)壓縮的數(shù)學(xué)表達(dá)式為y=A\log(x+B)，其中x為輸入信號(hào)，y為輸出信號(hào)，A和B為常數(shù)，通過(guò)調(diào)整A和B的值，可以控制對(duì)數(shù)壓縮的程度。在FPGA中，利用查找表（LUT）實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)壓縮功能。預(yù)先計(jì)算并存儲(chǔ)不同輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)壓縮結(jié)果，在實(shí)際處理時(shí)，根據(jù)輸入信號(hào)的值，從查找表中查找對(duì)應(yīng)的輸出值，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)壓縮。查找表的大小和精度可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整，以平衡硬件資源的占用和壓縮效果。對(duì)數(shù)壓縮不僅可以減小信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，還能夠增強(qiáng)圖像的對(duì)比度，突出圖像的細(xì)節(jié)信息，提高圖像的可讀性和診斷價(jià)值。四、基于FPGA的超聲診斷儀顯示模式設(shè)計(jì)4.1顯示模式需求分析4.1.1臨床診斷對(duì)顯示模式的要求在臨床診斷中，不同的疾病和檢查部位需要不同的超聲診斷信息，這就對(duì)超聲診斷儀的顯示模式提出了多樣化的要求。對(duì)于腹部臟器的檢查，如肝臟、膽囊、胰腺、脾臟和腎臟等，醫(yī)生需要清晰地觀察臟器的形態(tài)、大小、位置以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。B型顯示模式能夠提供二維的斷層圖像，以明暗不同的光點(diǎn)反映回聲變化，從而展示臟器的解剖結(jié)構(gòu)，是腹部臟器檢查的常用顯示模式。通過(guò)B型顯示，醫(yī)生可以檢測(cè)肝臟是否有腫瘤、囊腫，膽囊是否有結(jié)石、炎癥，胰腺是否有腫大、占位等病變。在診斷肝臟腫瘤時(shí)，醫(yī)生需要觀察腫瘤的邊界是否清晰、內(nèi)部回聲是否均勻等信息，B型顯示模式能夠直觀地呈現(xiàn)這些細(xì)節(jié)，幫助醫(yī)生做出準(zhǔn)確的診斷。心臟疾病的診斷則需要同時(shí)關(guān)注心臟的形態(tài)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)功能。M型顯示模式在這方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它通過(guò)輝度調(diào)制的方法，使深度方向所有界面反射回波用亮點(diǎn)形式在顯示器垂直掃描線上顯示出來(lái)，隨著心臟的運(yùn)動(dòng)，各層組織和探頭之間的距離也隨之改變，垂直掃描線上的各點(diǎn)將發(fā)生位置上的變動(dòng)，定時(shí)地采樣這些回波并使之按時(shí)間先后在時(shí)間軸上展開(kāi)，從而清晰地顯示心臟各層結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況。醫(yī)生可以通過(guò)M型顯示模式測(cè)量心臟瓣膜的運(yùn)動(dòng)速度、加速度等參數(shù)，評(píng)估心臟的收縮和舒張功能，診斷心臟瓣膜病、心肌病等疾病。在診斷二尖瓣狹窄時(shí)，M型顯示可以清晰地顯示二尖瓣的運(yùn)動(dòng)曲線，幫助醫(yī)生測(cè)量二尖瓣的開(kāi)口面積，判斷狹窄程度。在婦產(chǎn)科領(lǐng)域，B型顯示模式可用于監(jiān)測(cè)胎兒的發(fā)育情況，觀察胎兒的形態(tài)、大小、胎位以及胎盤(pán)和羊水的情況。在孕期檢查中，醫(yī)生通過(guò)B型超聲可以檢測(cè)胎兒是否存在畸形、發(fā)育遲緩等問(wèn)題。彩色多普勒顯示模式則在檢測(cè)胎兒血流動(dòng)力學(xué)方面發(fā)揮著重要作用，它能夠顯示胎兒心臟和血管內(nèi)的血流方向和速度，幫助醫(yī)生評(píng)估胎兒的血液循環(huán)狀況，診斷胎兒心臟疾病、血管畸形等。在診斷胎兒先天性心臟病時(shí)，彩色多普勒可以顯示心臟內(nèi)的異常血流信號(hào)，為醫(yī)生提供重要的診斷依據(jù)。對(duì)于血管疾病的診斷，如動(dòng)脈粥樣硬化、血管狹窄、血栓形成等，彩色多普勒顯示模式能夠直觀地展示血管內(nèi)的血流情況，包括血流方向、速度和血流狀態(tài)等。通過(guò)彩色多普勒，醫(yī)生可以觀察血管壁的形態(tài)、厚度，判斷血管是否存在狹窄或閉塞，并評(píng)估狹窄程度和血流動(dòng)力學(xué)變化。在診斷下肢動(dòng)脈粥樣硬化時(shí)，彩色多普勒可以顯示動(dòng)脈內(nèi)的血流信號(hào)，觀察是否存在血流中斷、狹窄處的血流加速等情況，幫助醫(yī)生制定治療方案。除了上述常見(jiàn)的顯示模式外，一些特殊的顯示模式也在臨床診斷中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。例如，彈性成像顯示模式通過(guò)檢測(cè)組織的彈性特性，可用于鑒別腫瘤的良惡性。在乳腺腫瘤的診斷中，彈性成像可以顯示腫瘤組織與周圍正常組織的彈性差異，幫助醫(yī)生判斷腫瘤是良性還是惡性。4.1.2不同顯示模式的特點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)景B型顯示模式，即灰度調(diào)制型，是超聲診斷儀中最常用的顯示模式之一。它以明暗不同的光點(diǎn)反映回聲變化，在影屏上顯示不同等級(jí)的灰度圖象，強(qiáng)回聲光點(diǎn)明亮，弱回聲光點(diǎn)黑暗，按掃描線逐行顯示隨深度變換的回波信號(hào)，構(gòu)成一幅二維切面圖象。B型顯示模式的主要特點(diǎn)是能夠直觀地呈現(xiàn)人體組織和器官的形態(tài)、大小、位置以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在腹部臟器檢查中，B型顯示模式可以清晰地顯示肝臟的輪廓、內(nèi)部的肝實(shí)質(zhì)回聲以及肝內(nèi)血管的分布情況，幫助醫(yī)生診斷肝臟腫瘤、囊腫、結(jié)石等疾病。在婦產(chǎn)科領(lǐng)域，B型顯示模式可用于觀察胎兒的發(fā)育情況，包括胎兒的頭部、四肢、脊柱等結(jié)構(gòu)，以及胎盤(pán)和羊水的情況。其優(yōu)點(diǎn)是圖像直觀、信息豐富，醫(yī)生可以通過(guò)觀察圖像直接獲取組織和器官的形態(tài)學(xué)信息。然而，B型顯示模式也存在一定的局限性，它主要反映的是組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)信息，對(duì)于組織的功能和血流情況的顯示相對(duì)有限。M型顯示模式，又稱時(shí)間-運(yùn)動(dòng)顯示模式，主要用于觀察人體運(yùn)動(dòng)臟器的運(yùn)動(dòng)情況。其工作原理是采用輝度調(diào)制的方法，使深度方向所有界面反射回波用亮點(diǎn)形式在顯示器垂直掃描線上顯示出來(lái)，隨著臟器的運(yùn)動(dòng)，各層組織和探頭之間的距離也隨之改變，垂直掃描線上的各點(diǎn)將發(fā)生位置上的變動(dòng)，定時(shí)地采樣這些回波并使之按時(shí)間先后在時(shí)間軸上展開(kāi)。M型顯示模式的特點(diǎn)是能夠清晰地顯示運(yùn)動(dòng)臟器的運(yùn)動(dòng)軌跡和節(jié)律。在心臟檢查中，M型顯示模式可以準(zhǔn)確地測(cè)量心臟各腔室的大小、室壁的厚度以及心臟瓣膜的運(yùn)動(dòng)速度和加速度等參數(shù)，幫助醫(yī)生評(píng)估心臟的收縮和舒張功能，診斷心臟瓣膜病、心肌病等疾病。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于運(yùn)動(dòng)臟器的動(dòng)態(tài)觀察具有較高的時(shí)間分辨率，能夠提供準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。但M型顯示模式只能顯示一條掃描線上的信息，不能獲得整個(gè)器官的解剖圖像，在對(duì)靜態(tài)臟器的診查方面存在一定的局限性。彩色多普勒顯示模式，基于多普勒效應(yīng)，用于檢測(cè)血流速度和方向。當(dāng)聲源、接收器、介質(zhì)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器收到的超聲頻率與超聲源的頻率之間會(huì)產(chǎn)生差異，這種現(xiàn)象就稱為多普勒效應(yīng)，其變化的頻差稱為多普勒頻移。彩色多普勒顯示模式使用不同色彩表示血流方向及相對(duì)速度等動(dòng)態(tài)信息，常用紅色和藍(lán)色表示血流方向，朝向探頭運(yùn)動(dòng)的紅細(xì)胞用紅色表示，離開(kāi)探頭運(yùn)動(dòng)的紅細(xì)胞用藍(lán)色表示；用顯示亮度表示血流速度的快慢，即流速越快的血流色彩越明亮，反之越暗淡；用綠色表示分散（血流的紊亂情況），血流為層流時(shí)色彩變化小，亂流時(shí)色彩變化大。該顯示模式的特點(diǎn)是能夠直觀地展示血流的動(dòng)態(tài)信息，為醫(yī)生提供有關(guān)血管和心臟血流動(dòng)力學(xué)的重要依據(jù)。在心血管疾病診斷中，彩色多普勒顯示模式可以檢測(cè)血管狹窄、閉塞等病變，評(píng)估心臟瓣膜的功能和血流動(dòng)力學(xué)變化。在診斷冠狀動(dòng)脈狹窄時(shí)，彩色多普勒可以顯示狹窄處的血流速度加快、血流方向改變等情況，幫助醫(yī)生判斷狹窄的程度和部位。其優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崟r(shí)顯示血流信息，對(duì)于血管和心臟疾病的診斷具有重要價(jià)值。但彩色多普勒顯示模式的圖像分辨率相對(duì)較低，對(duì)于微小血管和低速血流的顯示效果可能不理想。B+M型顯示模式結(jié)合了B型和M型顯示模式的優(yōu)點(diǎn)，既能提供組織和器官的二維形態(tài)結(jié)構(gòu)圖像，又能顯示運(yùn)動(dòng)臟器的運(yùn)動(dòng)情況。在心臟檢查中，B+M型顯示模式可以在B型圖像的基礎(chǔ)上，同時(shí)顯示M型曲線，醫(yī)生可以通過(guò)B型圖像觀察心臟的整體形態(tài)和結(jié)構(gòu)，通過(guò)M型曲線測(cè)量心臟的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而更全面地評(píng)估心臟的功能。在診斷先天性心臟病時(shí)，B+M型顯示模式可以幫助醫(yī)生觀察心臟的解剖結(jié)構(gòu)異常，同時(shí)了解心臟的運(yùn)動(dòng)情況，提高診斷的準(zhǔn)確性。這種顯示模式適用于需要同時(shí)觀察組織形態(tài)和運(yùn)動(dòng)功能的情況，為醫(yī)生提供了更豐富的診斷信息。然而，B+M型顯示模式的圖像相對(duì)復(fù)雜，需要醫(yī)生具備一定的閱片經(jīng)驗(yàn)，以準(zhǔn)確解讀圖像信息。五、系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證5.1仿真平臺(tái)搭建與仿真結(jié)果分析5.1.1仿真平臺(tái)選擇與搭建在對(duì)基于FPGA的超聲診斷儀前端及顯示模式進(jìn)行研究時(shí)，選擇合適的仿真平臺(tái)至關(guān)重要。Modelsim作為一款專業(yè)且功能強(qiáng)大的仿真工具，在數(shù)字電路和系統(tǒng)的仿真領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，本研究也選用其作為主要的仿真平臺(tái)。Modelsim由MentorGraphics公司開(kāi)發(fā)，具有高度的靈活性和廣泛的適用性，能夠支持多種硬件描述語(yǔ)言，如VHDL和Verilog，這與本研究中基于FPGA的超聲診斷儀前端及顯示模式的設(shè)計(jì)語(yǔ)言相契合。它提供了豐富的調(diào)試功能，包括波形觀察、信號(hào)跟蹤、斷點(diǎn)設(shè)置等，這些功能對(duì)于深入分析系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和查找潛在問(wèn)題極為關(guān)鍵。在調(diào)試基于FPGA的超聲診斷儀前端的波束合成模塊時(shí)，可以通過(guò)Modelsim的波形觀察功能，直觀地查看各通道回波信號(hào)在經(jīng)過(guò)延遲、加權(quán)求和等操作后的波形變化，從而驗(yàn)證算法的正確性和性能。搭建基于Modelsim的仿真平臺(tái)，首先要進(jìn)行軟件的安裝與配置。確保安裝過(guò)程順利完成后，對(duì)軟件進(jìn)行必要的設(shè)置，使其能夠與本研究的設(shè)計(jì)環(huán)境相適配。創(chuàng)建一個(gè)新的仿真工程，將基于FPGA的超聲診斷儀前端及顯示模式的相關(guān)設(shè)計(jì)文件，如VHDL或Verilog代碼文件，添加到該工程中。這些文件包含了前端設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊，如超聲發(fā)射模塊、接收模塊、波束合成模塊以及顯示模式設(shè)計(jì)中的各種算法實(shí)現(xiàn)等。同時(shí)，還需添加相應(yīng)的測(cè)試激勵(lì)文件，即Testbench文件。Testbench文件用于為設(shè)計(jì)模塊提供輸入激勵(lì)信號(hào)，并對(duì)模塊的輸出進(jìn)行監(jiān)測(cè)和驗(yàn)證。在設(shè)計(jì)超聲發(fā)射模塊的Testbench時(shí)，需要根據(jù)臨床實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)置合適的發(fā)射脈沖頻率、幅度和寬度等參數(shù)作為輸入激勵(lì)，然后觀察模塊的輸出是否符合預(yù)期，以此來(lái)驗(yàn)證超聲發(fā)射模塊的功能是否正確。在搭建仿真平臺(tái)的過(guò)程中，還需對(duì)仿真環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)置。設(shè)置仿真的時(shí)間尺度，根據(jù)超聲診斷儀的工作頻率和信號(hào)處理要求，合理確定仿真的時(shí)間精度，確保能夠準(zhǔn)確模擬系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。例如，由于超聲診斷儀的工作頻率通常在MHz級(jí)別，為了精確捕捉信號(hào)的變化，仿真時(shí)間尺度可設(shè)置為納秒級(jí)。設(shè)置仿真的運(yùn)行時(shí)間，要根據(jù)系統(tǒng)的功能和測(cè)試需求，確定一個(gè)合適的時(shí)長(zhǎng)，以便全面觀察系統(tǒng)在不同時(shí)間段的運(yùn)行情況。對(duì)于一些需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的模塊，如超聲信號(hào)的實(shí)時(shí)處理模塊，仿真運(yùn)行時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)，以驗(yàn)證其在長(zhǎng)時(shí)間工作下的穩(wěn)定性和可靠性。此外，還需配置仿真工具的其他參數(shù)，如優(yōu)化仿真速度、調(diào)整內(nèi)存分配等，以提高仿真的效率和準(zhǔn)確性。通過(guò)這些步驟，搭建起了一個(gè)完善的基于Modelsim的仿真平臺(tái)，為后續(xù)對(duì)基于FPGA的超聲診斷儀前端及顯示模式的功能驗(yàn)證和性能分析奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。5.1.2前端模塊仿真結(jié)果分析對(duì)基于FPGA的超聲診斷儀前端設(shè)計(jì)的各模塊進(jìn)行功能仿真，能夠深入驗(yàn)證模塊設(shè)計(jì)的正確性和性能，確保整個(gè)前端系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和穩(wěn)定性。超聲發(fā)射模塊的仿真結(jié)果表明，通過(guò)精確控制發(fā)射脈沖的頻率、幅度和寬度，能夠滿足不同臨床應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在仿真中，設(shè)置發(fā)射脈沖頻率為5MHz，幅度為5V，寬度為100ns，觀察發(fā)射信號(hào)的波形和頻譜特性。從波形上看，發(fā)射脈沖具有清晰的上升沿和下降沿，脈沖寬度準(zhǔn)確，符合設(shè)計(jì)要求；從頻譜分析結(jié)果可知，發(fā)射信號(hào)的能量主要集中在5MHz附近，帶寬滿足超聲成像的要求，能夠有效地發(fā)射超聲波，為后續(xù)的超聲成像提供穩(wěn)定的信號(hào)源。通過(guò)改變發(fā)射脈沖的參數(shù)，如將頻率調(diào)整為3MHz，幅度調(diào)整為3V，寬度調(diào)整為200ns，觀察到發(fā)射信號(hào)的特性相應(yīng)發(fā)生變化，進(jìn)一步驗(yàn)證了該模塊能夠根據(jù)不同的臨床需求靈活調(diào)整發(fā)射脈沖參數(shù)的功能。超聲接收模塊的仿真重點(diǎn)在于驗(yàn)證其對(duì)微弱回波信號(hào)的放大和噪聲抑制能力。在仿真環(huán)境中，模擬超聲探頭接收到的微弱回波信號(hào)，信號(hào)幅度為100μV，同時(shí)加入一定強(qiáng)度的噪聲信號(hào)，噪聲幅度為50μV。經(jīng)過(guò)接收模塊的前置放大器、濾波器和可變?cè)鲆娣糯笃鞯忍幚砗螅^察輸出信號(hào)的變化。結(jié)果顯示，前置放大器將微弱的回波信號(hào)放大到了合適的幅度，便于后續(xù)處理；濾波器有效地去除了噪聲信號(hào)，提高了信號(hào)的信噪比；可變?cè)鲆娣糯笃鞲鶕?jù)回波信號(hào)的強(qiáng)弱自動(dòng)調(diào)整放大倍數(shù)，使得在不同深度和組織特性下，回波信號(hào)都能被有效地放大和處理。在模擬深部組織的回波信號(hào)時(shí)，由于信號(hào)較弱，可變?cè)鲆娣糯笃髯詣?dòng)增大放大倍數(shù)，將信號(hào)放大到可檢測(cè)的范圍，同時(shí)保持了信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，驗(yàn)證了該模塊在實(shí)際應(yīng)用中的有效性。波束合成模塊的仿真主要圍繞其對(duì)多通道超聲回波信號(hào)的處理能力和成像質(zhì)量展開(kāi)。在仿真中，輸入多通道超聲回波信號(hào)，模擬不同陣元接收到的回波情況。通過(guò)對(duì)各通道信號(hào)進(jìn)行延遲、加權(quán)求和等操作，觀察合成后的波束信號(hào)的特性。結(jié)果表明，該模塊能夠根據(jù)不同的波束合成算法，準(zhǔn)確地對(duì)各通道信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)波束的聚焦和方向控制。采用延遲求和算法時(shí)，根據(jù)各陣元到目標(biāo)點(diǎn)的距離差異，對(duì)各通道信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的延遲，然后求和得到合成波束。從仿真結(jié)果可以看出，合成波束在目標(biāo)點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)了聚焦，波束的旁瓣較低，提高了圖像的分辨率和對(duì)比度。在采用自適應(yīng)波束形成算法，如MVDR算法時(shí)，模塊能夠?qū)崟r(shí)采集各通道的回波信號(hào)，計(jì)算信號(hào)的協(xié)方差矩陣，求解出最優(yōu)的加權(quán)系數(shù)，對(duì)各通道信號(hào)進(jìn)行加權(quán)求和。仿真結(jié)果顯示，在干擾方向上形成了零陷，有效抑制了干擾信號(hào)，進(jìn)一步提高了波束的性能和圖像質(zhì)量，驗(yàn)證了該模塊在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性和優(yōu)越性。信號(hào)預(yù)處理模塊的仿真則著重驗(yàn)證其對(duì)波束合成后的信號(hào)進(jìn)行檢波、濾波、數(shù)字化等操作的效果。在仿真中，輸入經(jīng)過(guò)波束合成后的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行檢波、濾波、數(shù)字化處理。檢波操作成功地從高頻的波束合成信號(hào)中提取出了低頻的包絡(luò)信號(hào)，包絡(luò)信號(hào)準(zhǔn)確地反映了回波信號(hào)的幅度變化；濾波操作進(jìn)一步去除了信號(hào)中的噪聲和干擾，使信號(hào)更加穩(wěn)定和可靠；數(shù)字化操作將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)的精度和分辨率滿足后續(xù)處理和顯示的要求。通過(guò)對(duì)不同參數(shù)設(shè)置下的信號(hào)預(yù)處理進(jìn)行仿真，如調(diào)整濾波器的截止頻率、改變數(shù)字化的采樣頻率和量化位數(shù)等，觀察到信號(hào)的質(zhì)量和處理效果會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，從而為優(yōu)化信號(hào)預(yù)處理模塊的參數(shù)提供了依據(jù)，確保該模塊能夠在實(shí)際應(yīng)用中為后續(xù)的成像和診斷提供高質(zhì)量的信號(hào)。5.1.3顯示模式仿真結(jié)果分析對(duì)基于FPGA的超聲診斷儀顯示模式設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，通過(guò)分析不同顯示模式下的圖像效果，能夠有效驗(yàn)證顯示模式設(shè)計(jì)的合理性，為臨床診斷提供準(zhǔn)確、清晰的圖像信息。B型顯示模式的仿真結(jié)果表明，該模式能夠準(zhǔn)確地將超聲回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為二維灰度圖像，清晰地展示人體組織和器官的形態(tài)、大小、位置以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在仿真中，輸入經(jīng)過(guò)前端處理后的超聲回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)B型顯示模式的處理算法，生成二維灰度圖像。從仿真得到的圖像可以看到，不同組織和器官的邊界清晰可辨，內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)豐富。在顯示肝臟的圖像時(shí)，能夠清晰地顯示肝臟的輪廓、肝實(shí)質(zhì)的回聲以及肝內(nèi)血管的分布情況，肝實(shí)質(zhì)表現(xiàn)為均勻的中等灰度，血管則呈現(xiàn)為黑色的管狀結(jié)構(gòu)，與實(shí)際的解剖結(jié)構(gòu)相符。通過(guò)對(duì)不同部位和病變組織的仿真顯示，驗(yàn)證了B型顯示模式在臨床診斷中的有效性和準(zhǔn)確性，能夠?yàn)獒t(yī)生提供直觀的解剖學(xué)信息，幫助醫(yī)生進(jìn)行疾病的診斷和分析。M型顯示模式的仿真主要驗(yàn)證其對(duì)運(yùn)動(dòng)臟器運(yùn)動(dòng)情況的展示能力。在仿真中，模擬心臟等運(yùn)動(dòng)臟器的超聲回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)M型顯示模式的處理，將深度方向所有界面反射回波用亮點(diǎn)形式在顯示器垂直掃描線上顯示出來(lái)，并按時(shí)間先后在時(shí)間軸上展開(kāi)。從仿真結(jié)果可以清晰地看到心臟各層結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡和節(jié)律，如心臟瓣膜的開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)、心肌的收縮和舒張等。通過(guò)測(cè)量M型圖像上的相關(guān)參數(shù)，如心臟瓣膜的運(yùn)動(dòng)速度、加速度等，與實(shí)際生理參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該模式在評(píng)估心臟功能方面的準(zhǔn)確性和可靠性。在診斷二尖瓣狹窄時(shí)，M型顯示能夠準(zhǔn)確地顯示二尖瓣的運(yùn)動(dòng)曲線，通過(guò)測(cè)量曲線的相關(guān)參數(shù)，可以判斷二尖瓣的開(kāi)口面積和狹窄程度，為臨床診斷提供了重要的依據(jù)。彩色多普勒顯示模式的仿真重點(diǎn)在于驗(yàn)證其對(duì)血流速度和方向的檢測(cè)能力以及圖像的顯示效果。在仿真中，模擬血管內(nèi)的血流情況，通過(guò)彩色多普勒顯示模式的處理，使用不同色彩表示血流方向及相對(duì)速度等動(dòng)態(tài)信息。從仿真結(jié)果可以直觀地看到血流的方向和速度變化，朝向探頭運(yùn)動(dòng)的血流用紅色表示，離開(kāi)探頭運(yùn)動(dòng)的血流用藍(lán)色表示，血流速度越快，色彩越明亮。在顯