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高频医学超声成像系统的研究与设计

作　者: 孙平
导　师: 王高峰
学　校: 武汉大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 高频超声传感器高频医学超声成像系统超声波波束形成技术大规模并行数字信号处理器阵列现场可编程门阵列
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

医学超声诊断设备,由于其具有无创、无痛、方便有效、显示直观、成本低廉等优点,被广泛的使用于医学诊断的各个领域。频率大于20 MHz的高频超声,能够提供更高的图像分辨率,因此特别适用于显示精细的结构,可用于探测人体的眼睛、皮肤和血管等器官,也可用于对小动物如老鼠、斑马鱼等的成像。当前,研究和制作性能良好的高频超声传感器和高频超声成像系统仍是一项非常重要的、具有挑战性的工作。本文首先设计和制作了两种不同类别的35 MHz高频超声传感器。其中用新的铌酸铅铟-铌镁酸铅-钛酸铅(PIN-PMN-PT)材料制作的PIN-PMN-PT超声单阵元传感器具有比传统铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)超声传感器更高的温度稳定性,并且可以在更高的电压下工作。用PMN-PT\Epoxy 1-3复合材料制作的PMN-PT\Epoxy 1-3复合超声单阵元传感器具有比传统铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)超声传感器更高的机电耦合系统和更低的声阻抗特性。其次,本文设计和制作了用于高频超声传感器阵列的高频医学超声成像系统。该系统具有64个通道,采用了多个高速A/D转换芯片,能实现64通道12位精度超声接收数据的高速采集(160MSPS)。系统中设有多个强大的现场可编程门阵列(FPGA)芯片和一个大规模并行数字信号处理器阵列(MPPA),可以完成数据的缓存、系统的控制,并实现高速的数字信号处理。系统中还使用了GPIO接口和PCI EXPRESS接口,实现了高速的数据传输(200MBPS以上)。此外,本文还对系统的软件进行了开发。整个系统采用了模块化的结构,因此具有良好的灵活性和适应性,可以便利的实现系统的调整和升级。再次,本文研究了超声波波束形成技术,讨论了超声波波束发射和接收算法和延迟技术。在单片FPGA中实现了64通道的数字式超声发射,并提出了三种基于本文硬件系统的超声波波束接收算法的实现方案。其中FPGA+MPPA的实现方案可实现数据的高效处理,结合使用FIR插值滤波的方法可将接收延迟精度提高到1 ns以内。最后,本文对设计和制作的高频超声传感器以及高频医学超声成像系统进行了测试。对PIN-PMN-PT超声传感器和PMN-PT\Epoxy 1-3复合超声传感器的测试结果表明,这两种传感器的性能良好,工作频率均在30 MHz以上,插入损耗在20db一下,可以用于高频超声成像。对高频医学超声成像系统的测试结果表明,该系统硬件部分能够完成64通道超声信号的发射、接收和数据采集,利用MPPA-Am2045芯片可以实现高精度的数据延迟,实现了高频医学超声成像系统的基本功能。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-13
引言  13-15
第一章绪论  15-32
  1.1 医学超声成像  15-27
    1.1.1 超声及医学超声成像的基本原理  15-19
    1.1.2 医学超声成像技术的演变  19-23
    1.1.3 超声传感器探头的发展趋势  23-25
    1.1.4 医学超声成像电子系统的发展趋势  25-27
  1.2 本论文的研究背景、意义和主要研究内容  27-30
    1.2.1 医学超声成像技术的优缺点  27-28
    1.2.2 高频医学超声成像系统的研究现状及应用前景  28-29
    1.2.3 本论文的主要研究内容  29-30
  1.3 本章小结  30-32
第二章高频超声传感器的设计和制作  32-46
  2.1 超声传感器基本原理  32-37
    2.1.1 压电材料与压电效应  32-33
    2.1.2 超声探头的结构  33-34
    2.1.3 医学超声探头的类别  34-35
    2.1.4 超声传感器性能参数  35-37
  2.2 PIN-PMN-PT超声单阵元传感器  37-41
  2.3 PMN-PT\Epoxy 1-3复合超声单阵元传感器  41-44
  2.4 本章小结  44-46
第三章高频医学超声成像系统的硬件设计  46-67
  3.1 系统的总体结构  46-48
  3.2 超声传感器探头  48-49
  3.3 前端超声发射子板  49-51
    3.3.1 脉冲激励信号发生模块  49-50
    3.3.2 数字隔离与高频放大  50-51
  3.4 前端超声接收与采集子板  51-57
    3.4.1 模拟滤波器  52
    3.4.2 差分放大器  52-53
    3.4.3 A/D转换  53-54
    3.4.4 现场可编程门阵列(FPGA)  54-55
    3.4.5 其他  55-57
  3.5 前端系统控制子板  57-60
  3.6 后端数字信号处理子板  60-65
    3.6.1 大规模并行数字信号处理器阵列(MPPA)  60-63
    3.6.2 Am2045集成开发板  63-65
  3.7 前端系统母板与系统主控PC机  65-66
  3.8 本章小结  66-67
第四章超声波波束形成算法的实现  67-94
  4.1 超声波波束形成技术  67-74
    4.1.1 超声波波束形成技术的原理  67-70
    4.1.2 超声波波束形成技术的优点  70-71
    4.1.3 延迟时间的计算  71-72
    4.1.4 超声波波束形成技术的实现  72-74
  4.2 超声波波束形成发射算法的FPGA实现  74-75
  4.3 超声波波束形成接收算法的方案  75-82
    4.3.1 IP核  76
    4.3.2 FPGA方案系统总体结构  76-77
    4.3.3 FIFO模块  77-79
    4.3.4 CIC模块  79-80
    4.3.5 Delay模块  80-81
    4.3.6 Adder模块  81
    4.3.7 时钟相关模块  81-82
  4.4 超声波波束形成接收算法的FPGA+MPPA方案  82-86
    4.4.1 FPGA+MPPA方案系统总体结构  82-83
    4.4.2 前端超生接收和采集子板中的FPGA协处理器  83-85
    4.4.3 前端系统控制子板中的FPGA协处理器  85
    4.4.4 接收算法在Am2045中的实现  85-86
  4.5 超声波波束形成接收算法的FPGA+MPPA改进方案  86-92
    4.5.1 FPGA+MPPA改进方案系统总体结构  87-88
    4.5.2 FIR插值滤波器  88-92
  4.6 本章小结  92-94
第五章系统的软件设计  94-102
  5.1 控制程序  94-98
    5.1.1 Swift API  94-96
    5.1.2 系统控制程序  96-98
  5.2 图像显示程序  98-100
    5.2.1 包络检波  98-99
    5.2.2 图像显示程序的Matlab实现  99-100
    5.2.3 图像显示程序的VC实现  100
  5.3 本章小结  100-102
第六章测试和实验结果  102-114
  6.1 PIN-PMN-PT超声单阵元传感器的性能测试  102-105
  6.2 PMN-PT\Epoxy 1-3复合超声单阵元传感器的性能测试  105-107
  6.3 高频医学超声成像系统的硬件测试  107-111
    6.3.1 前端超声接收和采集子板的测试  107-108
    6.3.2 系统数据采集和接收通道的测试  108-110
    6.3.3 系统超声发射和接收的测试  110-111
  6.4 Am2045芯片中超声接收算法的测试  111-113
  6.5 本章小结  113-114
第七章结论  114-116
参考文献  116-122
攻读博士期间发表的论文  122-123
致谢  123-125
附录  125-136

高频医学超声成像系统的研究与设计

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