要包括数字波束形成，动态滤波，动态范围变 换，时间增益控制，帖相关处理，边缘增强处理，伽马变换，最终将程序封装成IP核方便调用 和移植。
[0033] (2a)首先是对回波信号进行数字波束形成，它的主要功能是对接收通道的回波数 据进行A/D转换，然后在系统控制模块的协调下进行延时加权求和处理。具体实现分为S个 过程如图2所示，延时过程是在Vivado化S中通过调用ZYNQ内部化部分的计数器计数实现 的，在写使能信号write_en的作用下，RAM写计数器开始计数，计数器的输出结果作为RAM的 写地址，在时钟信号的配合下回波数据首先写入双端口RAM中，然后延时计数器DBFrdcnt给 出双端口RAM的读地址，将回波数据从RAM中读出，实现数据的延时输出。聚焦过程是通过控 制采样时钟产生器来实现的，加权求和是通过ZYNQ内部化部分的加法器和乘法器实现的。
[0034] (2b)接着是对波束合成后的数据进行截止频率不断变化的动态滤波，进而提高图 像在整个深度范围内的分辨率。实现过程是通过Vivado HLS在ZYNQ的一部分ROM中存储已 经计算好的滤波器系数，当回波数据从寄存器中读出时，利用乘法器将回波数据与从ROM中 取出的各个通道对应的滤波器系数做乘法并输出。具体操作是在输入时钟和使能信号的作 用下，计数器开始计数，计数器的输出值作为存放动态滤波器系数寄存器Dyn_R0M的输入， 在系统时钟的作用下，Dyn_R0M的输出数据同输入数据寄存器EchoReg的输出值相乘，乘积 结果作为动态滤波后的输出值。
[0035] (2c)然后是对回波图像进行动态范围变换，即在保留原有图像信息的前提下，压 缩回波图像，使回波图像能在显示器中显示。具体实现过程分两个步骤如图3,首先是构造 对数变换表存储在ZYNQ的部分ROM中，接着根据对数变换表的地址找到对应的数据并输出 对数变换后的数值。
[0036] (2d)其次是采用时间增益控制来实现对超声波在人体组织中的衰减的抑制和补 偿，W保证不同深度的相同声阻抗差界面发射的回波数据在显示器上显示的灰度近似相 同。具体实现方法是将与通过实际测量的方法确定的超声波衰减系数相关的时间增益控制 参数存储在ZYNQ中化部分的ROM中，当回波数据从寄存器中读出时，同步地从ROM中取出时 间增益控制参数并与回波数据相乘后输出。
[0037] (2e)再次是对回波图像的优化，首先是通广对图像帖与帖之间对应像素灰度进行 平滑处理，通过帖相关处理滤除由于有限机噪声造成的超声图像中的斑点噪声。帖相关处 理其实是一种递归滤波处理方法，如图4所示，可W用下式表示：
[003引 y(n)(i，j)=a ? y(n-"(i，j) + (l-a) ? x(n)(i，j)。
[0039]其中xW(ij)为第n幅超声回波图像中各个像素点的灰阶值，yWQ，j)为帖相关 处理后的图像，a为相关系数。具体实现过程为地址产生器由一个计数器实现，在每一帖处 理的开始时，计数器清零，根据时钟CLK计数生成地址，然后依据此地址进行存储器的读写。 在一个时钟周期内，先从寄存器中读出数据并与a相乘，然后同步地输入回波数据并与1-a 相乘，相加求和后写入原来的地址，同时该数据输出到后面模块进行进一步处理。
[0040] (2f)为了使超声图像轮廓更加突出，需要对帖相关处理后的回波图像进行边缘增 强，设x(n)为未经过边缘增强处理的第n条线的灰度值，y(n)为经过边缘增强处理后的第n 条线的灰度值，则：
[0041] y(n)=a ? x(n) + (l-a) ? [x(n)-x(n-l)]，
[0042] y(n) =x(n)-(l-a) ? x(n-l)。
[0043] 经过归一化处理可得：
[0045] 其中，0<曰<1，0<1^。^1，取|^ = 3,〇<1(。，共有8档可选。1( = 0时，边缘增强功 能关闭，K = 7时，边缘增强程度最大。
[0046] (2g)最后，对与灰度分布服均匀的图像，采用伽马变换实现对具有均匀灰度的图 像的所有灰度值进行逐点修正。显示像素的灰度g(x，y)与输入像素的灰度f(x，y)之间具有 W下函数特性：
[0047] g(x，y)=f(x，y) ?丫。
[004引其中丫的取值在1-4之间，当丫 =1时，函数关系成为线性关系，此时图像不需要再 进行修正。实际操作是采用灰度值查表的方式实现的，预先将全部可能的灰度值的修正结 果写在一个ROM中。当系统运行时，每一像素灰度值数据作为地址加到ROM的地址输入端，贝U 在ROM的数据输出端就可获得已修正的原图像的灰度数据。
[0049] (2h)对超声回波信号处理的所有程序进行封装，在Vivado化S中分别生成与数字 波束形成，动态滤波等过程所对应的IP核，并且预留出参数更改的接口，方便程序的移植和 调用。
[0050] 执行步骤3:超声图像优化及传输，在Vivado HLS中通过调用Xilinx公司提供的 AXI总线相应的IP核，将ZYNQ中化部分处理过的图像传递给PS部分，在PS部分搭建嵌入式系 统并将收到的图像传递给后端加 W显示。
[0051] (3a)前端产生并处理过的超声回波图像需要送入后端的图像处理模块进行加工， 经过图像存储器和坐标变化与插补后便可W在显示器上显示出来。同时，后端还需要传输 全局控制信号和参数总线信号等诸多信息给前端。AXI总线是一种描述主设备和从设备之 间的数据传输方式，主设备和从设备之间通过握手信号建立连接，传输速率和质量都具有 保障。具体操作是通过Vivado HLS和SDK(Software DevelopmentKit)的协同工作来实现 的。
[0052] (3b)首先在Vivado HLS中调用已经封装好的超声发射和超声回波信号处理的IP 核，编译综合并生成Bitstream。将生成的Bits化earn导入到SDK中并进行编译，利用SDK构建 Linux嵌入式系统，并安装网络接口对应的驱动程序，通过网络接口将产生的回波图像在后 端显示屏上显示。
[0053] 本方法基于ZYNQ系列FPGA实现了 一种超声成像方法。与传统的分立元件构成的超 声成像系统相比，本方法具有软件开发效率和质量更高，硬件设计更为精简，难度更低等优 点，具有良好的可移植性和开发空间，非常适合应用在便携、无线超声成像设备等小型化产
【主权项】
1. 一种基于ZYNQ系列FPGA的超声成像方法，其特征在于所述方法具体步骤如下： 步骤1:用ZYNQ系列FPGA自带的Vivado HLS软件设计超声信号的发射控制以及信号接 收的程序，控制超声收发芯片，获取超声成像所需的数据； 步骤2:通过Vivado HLS软件，利用ZYNQ内PL部分对接收到的超声回波信号进行处理， 将处理后的超声回波信号封装成IP核； 步骤3:通过SDK软件，利用ZYNQ内PS部分对处理后的超声回波图像进行成优化并传输 给后端。2. 根据权利要求1所述的基于ZYNQ系列FPGA的超声成像方法，其特征在于所述步骤1的 具体步骤如下： (la) 将若干个阵元进行组合发射超声波，使阵元的发射顺序就满足整序控制要求； (lb) 在VivadoHLS中建立Dyn_Focus模块，将延迟数据存放在开辟的ROM中； (lc) 先把计算好的加权系数提前存放在变迹ROM中，当回波数据从寄存器中读出时，同 步地从变迹ROM中取出各个通道对应的加权系数，两两相乘后相加合成，输出具有加权特性 的数据； (1(1)对控制超声发射的所有程序进行封装，在￥;^3(1〇!11^中生成一个3丨811_?1'〇(111〇;[1^ 的IP核，并且预留出参数更改的接口，方便程序的移植和调用。3. 根据权利要求1所述的基于ZYNQ系列FPGA的超声成像方法，其特征在于所述步骤2 中，超声回波信号处理主要包括数字波束形成、动态滤波、动态范围变换、时间增益控制、帧 相关处理、边缘增强处理和伽马变换。4. 根据权利要求1所述的基于ZYNQ系列FPGA的超声成像方法，其特征在于所述步骤3的 具体步骤如下： 首先在Vivado HLS中调用已经封装好的超声回波信号处理的IP核，编译综合并生成 Bit stream;将生成的Bitstream导入到SDK中并进行编译，利用SDK构建Linux嵌入式系统， 并安装网络接口对应的驱动程序，通过网络接口将产生的回波图像在后端显示屏上显示。5. 根据权利要求1所述的基于ZYNQ系列FPGA的超声成像方法，其特征在于所述ZYNQ内 部PS部分与PL部分通过AXI4总线进行互联。
【专利摘要】本发明公开了一种基于ZYNQ系列FPGA的超声成像方法，具体步骤如下：步骤1：用ZYNQ系列FPGA自带的Vivado？HLS软件设计超声信号的发射控制以及信号接收的程序，控制超声收发芯片，获取超声成像所需的数据。步骤2：通过Vivado？HLS软件，利用ZYNQ内PL部分对接收到的超声回波信号进行处理。步骤3：通过SDK软件，利用ZYNQ内PS部分对处理后的超声回波图像进行成优化并传输给后端。本方法在ZYNQ内实现了超声成像的全过程，有效地提高了控制芯片的集成度，缩小了超声成像设备的体积；同时通过使用Vivado？HLS和SDK软件，有效地提高了研发效率，降低了开发的难度，增强了方法的可移植性，很适合应用于便携、无线超声成像设备等小型化产品。
【IPC分类】A61B8/00
【公开号】CN105534546
【申请号】CN201511022823
【发明人】沈毅, 崔一鸣, 章欣, 郭威, 张淼
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月30日