一种基于FPGA嵌入式系统的超声合成孔径成像系统的制作方法

一种基于fpga嵌入式系统的超声合成孔径成像系统
技术领域
1.本实用新型涉及超声成像技术领域，尤其是涉及一种基于fpga嵌入式系统的超声合成孔径成像系统。


背景技术：

2.医疗超声技术具有许多优点，为现阶段普遍认可和广泛使用的成像途径。起初，合成孔径技术只是在雷达成像系统中使用，20世纪70年代后开始应用于超声成像领域。超声合成孔径技术是流成像的较为理想的方法，它只需要少量发射就能在整个目标区域内持续成像。
3.但是目前基于传统的asic微处理器方案实现合成孔径成像方法由于需要计算和传输大量数据，超声回波fr数据的延迟和变迹值计算，样本插值，波束形成器等计算量十分巨大，超声回波rf数据流会产生与并行性和数据吞吐量有关的问题，实时性较差，传统的嵌入平台很难实现。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种基于fpga嵌入式系统的超声合成孔径成像系统，该超声合成孔径成像系统能够解决现有技术中实现超声模态数据流会产生与并行性、数据吞吐量、计算量较大且实时性较差的问题。
5.为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
6.一种基于fpga嵌入式系统的超声合成孔径成像系统，包括：现场可编程门阵列fpga，用于输出第一调控指令；
7.超声脉冲发生器，其与所述现场可编程门阵列相连，根据所述第一调控指令发射超声脉冲信号；
8.超声探头换能器，其与所述超声脉冲发生器相连，用于接收所述超声脉冲信号并发射超声波和接收超声回波信号；
9.模拟开关，其设于所述超声脉冲发生器和所述超声探头换能器之间的声路上，用于根据所述第一调控指令控制所述模拟开关切换所述超声脉冲信号和所述超声回波信号；
10.模拟前端，其与所述超声探头换能器和所述现场可编程门阵列相连，用于将所述超声回波信号转换为超声回波数字信号，并输出所述超声回波数字信号；
11.所述现场可编程门阵列与所述模拟前端相连，且具有波束形成算法，所述波束形成算法用于分模块处理超声回波数字信号，并形成高度并行的回波数据流；
12.所述现场可编程门阵列包括若干个ai引擎块，进一步用于快速并行处理并存储所述回波数据流，并将所述超声回波数字信号转变为超声图像数字信号。
13.在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进：
14.进一步地，还包括保护开关，所述保护开关与所述超声探头换能器和所述模拟前端相连，用于接收超声回波信号并传输给所述模拟前端，用于保护所述模拟前端。
15.进一步地，所述超声探头换能器具体为多阵元超声探头换能器，用于对病变组织进行超声刺激。
16.进一步地，所述多阵元超声探头换能器包括若干个阵元；其中一个所述阵元发射超声波，所有的所述阵元接收超声回波。
17.进一步地，所有的所述阵元用于接收的所述超声回波并处理后形成第一图像，并将若干张所述第一图像合成第二图像。
18.进一步地，所述现场可编程门阵列包括若干个存储器，若干个所述存储器与若干个所述ai引擎块相对应设置，用于防止缓存遗漏、获得更高带宽以及降低所需容量。
19.本实用新型具有如下优点：
20.本实用新型中的基于fpga嵌入式系统的超声合成孔径成像系统，通过基于fpga的嵌入式系统，处理合成孔径超声回波数据流的能力大幅提升，成像速度大幅提高，可以达到每秒数千帧的成像速度，使得超声合成孔径成像系统实时性大幅提升；在合成孔径成像方法中，2
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10次发射接收即可成像，成像帧率大幅提升，成像质量大幅提高，图像分辨率和对比度更高，使得超声合成孔径成像系统的成像质量大幅提升。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本实用新型中基于fpga嵌入式系统的超声合成孔径成像系统的结构示意图；
23.图2为本实用新型中合成孔径成像的原理图；
24.图3为本实用新型中fpga实现合成孔径成像的波束形成流程示意图；
25.图4为本实用新型中fpga内部构架示意图。
26.附图标记说明：
27.现场可编程门阵列10，ai引擎快101，存储器102，超声脉冲发生器20，模拟开关30，超声探头换能器40，保护开关50，模拟前端60；
具体实施方式
28.下面将结合实施例对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
29.如图1
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4所示，本实用新型提供了一种基于fpga嵌入式系统的超声合成孔径成像系统，包括：
30.现场可编程门阵列10，也叫fpga(全称为fieldprogrammable gate array)，所述现场可编程门阵列10用于输出第一调控指令；
31.超声脉冲发生器20，其与所述现场可编程门阵列10相连，根据所述第一调控指令
发射超声脉冲信号；
32.超声探头换能器40，其与所述超声脉冲发生器20相连，用于接收所述超声脉冲信号并发射超声波和接收超声回波信号；
33.模拟开关30，其设于所述超声脉冲发生器20和所述超声探头换能器40之间的声路上，用于根据所述第一调控指令控制所述模拟开关30切换所述超声脉冲信号和所述超声回波信号；
34.模拟前端60，英文简称为afe(英文全称为active front end)，具有整流/回馈单元的功能，其与所述超声探头换能器40和所述现场可编程门阵列10相连，用于将所述超声回波信号转换为超声回波数字信号，并输出所述超声回波数字信号；
35.所述现场可编程门阵列10与所述模拟前端60相连，且具有波束形成算法，波束形成算法是高度并行的，所述波束形成算法用于分模块处理超声回波数字信号数据，计算超声回波数字信号的变迹值、延迟值和插值，形成高度并行的回波数据流；所述现场可编程门阵列10包括若干个ai引擎块101，用于快速并行处理并存储所述回波数据流；
36.如图4所示的fpga内部构架示意图；每个ai引擎块101都具备乘法
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累加处理能力，可支持正弦、余弦、平方根、平方根倒数等非线性函数，能够快速并行处理并存储回波数据流，成像速度和成像质量大幅提升性能，并将所述超声回波数字信号转变为超声图像数字信号。
37.如图3所示的fpga实现合成孔径成像的波束形成流程示意图，基于fpga嵌入式系统的超声合成孔径成像系统，规避了在传统微处理器上实现超声模态数据流会产生与并行性和数据吞吐量有关的问题，解决了计算量较大和实时性较差的问题，同时也实现了超声成像系统的便携小型化。
38.还包括保护开关50，所述保护开关50与所述超声探头换能器40和所述模拟前端60相连，接收超声回波信号并传输给所述模拟前端60，用于保护所述模拟前端60。对模拟前端60起到高压保护，限流保护作用。
39.所述超声探头换能器40为多阵元超声探头换能器40，用于对病变组织进行超声刺激。
40.如图2所示的合成孔径成像原理图，所述多阵元超声探头换能器40包括若干个阵元；其中一个所述阵元发射超声波，所有的所述阵元接收超声回波。
41.所有的所述阵元接收的所述超声回波经过处理后形成第一图像，若干张所述第一图像合成第二图像。第一个阵元发射，所有阵元接收，第二个阵元发射，所有阵元接收，第n个阵元发射，所有阵元接收。接收的超声回波经过处理后形成图像，n张低分辨率的图像合成高分辨率，高对比度的图像。
42.在合成孔径成像中，发射超声波穿透于整个成像区域，每一次发射接收都可以形成一幅整个成像区域内的图像。
43.如图4所示的fpga内部构架示意图，所述现场可编程门阵列10包括若干个存储器102，若干个所述存储器102与若干个所述ai引擎块101相对应设置，用于防止缓存遗漏、获得更高带宽以及降低所需容量。
44.该基于fpga嵌入式系统的超声合成孔径成像系统实时性大幅提升，基于fpga的嵌入式系统处理合成孔径超声回波数据流的能力大幅提升，成像速度大幅提高，可以达到每
秒数千帧的成像速度。
45.该基于fpga嵌入式系统的超声合成孔径成像系统成像质量大幅提高，合成孔径成像方法中，2
‑
10次发射接收即可成像，成像帧率大幅提升，成像质量大幅提高，图像分辨率和对比度更高。
46.该基于fpga嵌入式系统的超声合成孔径成像系统实现了超声成像系统的便携小型化，实现在嵌入式异构架构下的合成孔径成像，嵌入式系统更加便携小型化。
47.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
48.此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
49.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。