用于声电成像的相控阵超声聚焦系统 |
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| 申请号 | CN201710470719.5 | 申请日 | 2017-06-20 | 公开(公告)号 | CN107280707A | 公开(公告)日 | 2017-10-24 |
| 申请人 | 天津大学; | 发明人 | 许燕斌; 朱凯; 董峰; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种应用于声电成像的 相控阵 超声聚焦系统，包括上位机、发射模 块 、接收模块、数字控制及 数据处理 模块，上位机根据聚焦点的 位置 与深度通过PC机终端运算出相控阵换能器各阵元的延时时间和脉冲宽度并传输给FPGA，通过FPGA编程实现多通道相控阵 探头 的收发控制和发射的聚焦、偏转和动态扫描功能，实时将换能器延时信息和脉冲宽度信息传输给波束成形器。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种应用于声电成像的相控阵超声聚焦系统，包括上位机、发射模块、接收模块、数字控制及数据处理模块，上位机根据聚焦点的位置与深度通过PC机终端运算出相控阵换能器各阵元的延时时间和脉冲宽度并传输给FPGA，通过FPGA编程实现多通道相控阵探头的收发控制和发射的聚焦、偏转和动态扫描功能，实时将换能器延时信息和脉冲宽度信息传输给波束成形器，其中， |
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| 说明书全文 | 用于声电成像的相控阵超声聚焦系统技术领域[0001] 本发明属于声电成像技术领域，涉及一种可应用于声电成像技术的相控阵超声聚焦系统。 背景技术[0002] 人体不同的组织(器官)具有不同的电学特性，电阻抗特性是生物体固有的电学特性，包含着丰富的生理活动和病理信息。并且生物组织的功能性病变早于结构性病变，而功能性恢复却滞后于结构性恢复。通过一定的技术手段重建生物组织的电学特性或者介质分布图像，功能性成像技术在临床上对于疾病的诊断和人体健康状态的评估具有重要的指导意义。 [0003] 电阻抗层析成像技术(Electrical Impedance Tomography，EIT)是基于电特性敏感机理的层析成像技术，依据人体内不同组织具有不同的电阻抗/同一组织在不同位置的电阻抗不同这一物理现象，通过电学手段判断出敏感场内物体的电特性分布，进而获得该场内介质的分布图像。相比于现有的医学影像技术，EIT具有快速、无创、无放射性危害、便携、经济、检测灵敏度高、可长期使用于临床观测等优点，在医疗普查和对患者进行长期的医学图像监护方面，是非常有应用和研究价值的技术手段。近几十年学者对EIT进行广泛研究，其在理论、硬件、软件、算法等方面都取得很大进步。 [0004] 但是由于电阻抗层析成像的空间分辨率相对较低，在很大程度上限制其实际应用和发展。研究者们在完善实验设计和改进重建算法的同时，尝试从物理场耦合的角度将电阻抗成像与其他成像技术相结合以增加成像的有效信息。 [0005] 声电成像技术(Acousto-Electrical Tomography,AET)是基于声电调制效应将超声和电学成像相结合的一种成像方法。超声调制效应是指聚焦的超声波在介质传播中引起压力变化，造成了局部区域(聚焦区域)周期的机械压缩和松弛(由超声波的频率决定)，引起局部区域的微小弹性形变，从而导致局部电导率变化。这种成像方法通过增加超声引起的声场信息从而提高图像的空间分辨率。 [0007] 目前所使用的超声聚焦扫描技术有以下几种方法： [0008] 第一，移动扫描的聚焦探头，将带有聚焦透镜的探头按照一定方式在试验表面进行移动扫描。单探头只能形成固定的焦点，但是在实际测量中，由于要求焦点的深度和方向都不断变化，以达到对检测区域全面的扫查。要改变焦点位置，就只能通过机械方法，但是机械方法改变焦点速度慢，无法满足快速扫查的要求。 [0009] 第二，合成孔径聚焦技术(SAFT)，使用信号处理的方法将单个聚焦探头的孔径合成大孔径阵，即将移动过程中探头的声场信息记录叠加，形成虚拟聚焦点。合成孔径聚焦技术以单探头进行移动发射/接收合成阵列探头，且在成像系统中具有分辨率高、信噪比好等优点，但由于是通过信号合成来实现聚焦，在物理上物确切的聚焦点，对信号处理技术提出了高要求。 [0010] 第三，超声相控阵聚焦技术，通过一维、二维相控阵直接通过电子技术来改变聚焦的方向和深度，通过调整发射脉冲的相位来动态调节声束的偏转方向和聚焦深度。相控阵技术不同于合成孔径技术，在物理上采用阵列结构，同时又避免了单探头机械移动的缺陷，由于其声束方向可调节，且集中了多探头的发射能量，使聚焦点的声压强度增强，相控阵技术的应用有助于提高超声聚焦的精确性、快速性，能够提高声电调制图像重建的质量，因此受到了广泛的重视。 发明内容[0011] 本发明的目的是针对声电成像试验中声电信号较小的不足，提出一种应用于声电成像技术的相控阵超声聚焦系统，提高超声聚焦区域的声压大小，从而增大电导率变化量，并可以实现快速聚焦和扫描，以提高声电调制图像重建的质量。技术方案如下： [0012] 一种应用于声电成像的相控阵超声聚焦系统，包括上位机、发射模块、接收模块、数字控制及数据处理模块，上位机根据聚焦点的位置与深度通过PC机终端运算出相控阵换能器各阵元的延时时间和脉冲宽度并传输给FPGA，通过FPGA编程实现多通道相控阵探头的收发控制和发射的聚焦、偏转和动态扫描功能，实时将换能器延时信息和脉冲宽度信息传输给波束成形器，其中， [0013] 发射模块，包括波束成形器(1)、高压脉冲产生电路(2)和发射匹配电路(3)，波束成形器(1)选用TI的LM96570芯片，根据FPGA配置的16个通道的延时量以及发射的波形样式和波形宽度数据控制高压脉冲产生电路片发射制定波形；高压脉冲产生电路(2)采用HV7331芯片，根据制定延时信号发射范围为0-300V的高压；发射匹配电路(3)为电感-电容匹配电路，通过匹配层设计超声换能器的声阻抗匹配，匹配层厚度取波长的四分之一；在超声换能器两端并联一个匹配电容C，同时在前端串联一个匹配电感L和串联可变电容； [0014] 接收模块，对高压脉冲进行隔离限幅，接收并处理回波信号，使之变为后续电路能够处理的量化数字信号，接收模块包括收发隔离限幅电路(5)和回波信号处理前端(6)两部分。隔离限幅电路(5)采用MMBD4148SE芯片，单路的限幅电路包括三个MMBD4148，第一个MMBD4148的1、2引脚分别与第二个MMBD4148的1、2引脚连接，1引脚通过电阻接到+5V，2引脚通过电阻接在-5V，3引脚与第三个MMBD4148的1、2引脚连接，实现两级限幅；第一级将电压限制到±5V，次级限幅电路将幅值限制在±0.7V；回波信号处理前端电路(6)选用芯片AFE5805，经FPGA连接解调后传给上位机供数据处理分析； [0015] 数字控制及数据处理模块，通过对波束成形器进行程序设计实现发射波束的延时和波形控制。并且对回波信号进行数据滤波解调处理； [0018] FPGA控制信号模块主要是产生脉冲重复触发时钟，SPI通信时钟，SPI读写控制信号，内部数据和地址总线连接； [0019] 重复发射控制模块是根据实际要求设置超声波单位时间的发射次数；FPGA产生固定重复触发时钟CLK1，通过频率寄存器多设置几组数据选择倍数，通过PLL分频倍频产生时钟CLK2，当对LM96570进行配置时选择TX_EN2为低电平禁止脉冲发射；脉冲发射也可以通过外部时钟输入的TX_EN1进行控制； [0020] 所述的SPI读写控制模块根据输入的地址、数据以及控制信号将数、地址、并串转换为串行信号送给LM96570；首先主状态机复位后，对LM96570的控制寄存器，包括可编程延时寄存器和脉冲波形样式寄存器，进行初始化配置，判别初始化是否完成。再判断是否有读写信号，主状态机进入发送地址装载状态。如果读和写信号均没有则返回到空闲状态。时钟上升沿，判定下一状态进入数据接收状态或者数据读取状态；在数据接收状态，控制开关将内部时钟连接到SPI时钟线SCLK，地址移位寄存器Addr_buf和数据移位寄存器data_buf的数据分别写入LM96570寄存器中；在数据读取状态，加入地址范围判别部分.根据不同的地址设定不同的数据宽度，发送或读取数据完成后配置计数器为零并发出数据请求信号ACK，然后返回到空闲状态进行下一次数据传输。 [0021] 本发明应用于声电成像技术的相控阵超声聚焦系统，系统基于FPGA和HV7331，硬件部分主要由三部分组成，分别是发射模块(波束成形、高压脉冲发射、阻抗匹配电路)、接收模块、数字控制及数据处理模块。软件部分FPGA通过SPI模块配置波束成形器(beam-former)的各通道延时量以及各通道发射脉冲波形样式和频率，灵活控制波束方向和检测深度。本发明的有益效果是 [0022] (1)电路板尺寸更小，可作为便携式超声仪器使用，方便应用于临床检测与电学设备结合。 [0023] (2)通过超声相控阵的使用，不必改变探头的位置，容易操作，容易改变扫描方向和焦点深度。相控阵在焦点聚焦的声压能量远远大于单个阵元的辐射能量，能够提高电学电导率的变化，降低声电信号的提取难度。 [0024] (3)延时精度高，自主设计延时精度，延时范围大，能够增大检测深度，扩大检测范围； [0025] (4)发射波形灵活，发射带宽更宽，发射带宽0-20MHz，覆盖现有主要相控阵探头发射频率，适配性好。 [0027] 以下附图描述了本发明所选择的实施示例，均为示例性附图而非穷举或限制性，其中： [0028] 图1为本发明的聚焦超声波对聚焦域介质电导率扰动的示意图； [0029] 图2为本发明的系统设计方案示意图； [0030] 图3为本发明的链路设计示意图； [0031] 图4(a)为超声波发生器原理框图，图4(b)为本发明的采用的电感-电容匹配电路示意图； [0032] 图5为本发明限幅电路设计示意图； [0033] 图6是波束成形器LM96570读写控制程序设计框图； [0034] 图7为发射脉冲重复频率程序设计示意图； [0035] 图8波束成形器的SPI读写控制器程序设计示意图。 具体实施方式[0036] 下面结合附图及实施例对本发明的应用于声电成像技术的相控阵超声聚焦系统加以说明，旨在作为本发明的实施例描述，并非是可被制造或利用的唯一形式，对其他可实现相同功能的实施例也应包括在本发明的范围内。 [0037] 本发明应用于声电成像技术的相控阵超声聚焦系统是建立在声电基础理论上的发明。根据声电效应原理，聚焦超声波对聚焦域的电导率产生扰动，并满足[0038] δσ＝k·P·σ [0039] 其中，δσ为聚焦超声波作用导致的电导率变化量，σ为物场内介质初始电导率分布，P为测量得到的声压值，k＝10-9为介质的声电效应系数。图1为聚焦超声波对聚焦域介质电导率扰动的示意图。 [0040] 从公式中显然，在其他参数一定的情况下，电导率变化量与测量得到超声波声压值成正比，由于相控阵超声换能器集中了多探头的发射能量，使聚焦点的声压强度增强，从理论上证实相控阵换能器在声电成像应用的可行性。 [0041] 图2为本发明的系统设计方案示意图，应用于声电成像技术的16通道相控阵超声聚焦系统主要包括四部分构成：发射模块(波束成形、高压脉冲发射、阻抗匹配电路)、超声相控阵换能器、接收模块、FPGA逻辑控制、数据处理和传输。根据聚焦点的位置与深度通过PC机终端运算出相控阵换能器各阵元的延时时间和脉冲宽度，再通过USB高速数据传输给FPGA。通过FPGA编程实现16通道相控阵探头的收发控制和发射的聚焦/偏转/动态扫描等功能实时将换能器延时信息和脉冲宽度信息传输给波束成形器。波束成形器驱动高压脉冲产生电路发射高压，使超声相控阵换能器发射指定波束实现聚焦扫描。通过接收模块对高压脉冲进行隔离限幅以防止发射的高压脉冲破坏超声系统的回波信号的接收，并且对接收到的回波信号进行一系列处理变成可供后面FPGA处理的量化数字信号传输给上位机进行数据分析验证聚焦扫描结果。 [0042] 本发明应用于声电成像技术的相控阵超声聚焦系统主要从硬件电路设计和FPGA逻辑功能设计两方面完成。 [0043] 1.硬件电路设计 [0044] 系统硬件部分采用模块化设计方案，主要分为发射模块、接收模块、数字控制及数据处理模块。图3为本发明的链路设计示意图。 [0045] 发射模块电路主要包括波束成形器、逻辑电平转换、信号隔离电路(高速磁耦或光耦隔离)、DC-DC隔离、MOSIFET驱动电路，发射匹配电路。16通道的超声相控阵聚焦系统，FPGA(7)通过SPI通信接口将16个通道的延时量以及发射的波形样式和波形宽度数据分别配置到两个波束成形器。波束成形器(1)选用TI的LM96570芯片。波束成形器直接连接四个Supertex公司的HV7331高压脉冲芯片，芯片内部集成了几部分电路(逻辑电平转换、信号隔离电路(高速磁耦或光耦隔离)、DC-DC隔离、MOSIFET驱动电路)。波束成形器发出的脉冲波为3.3V的TTL电平，而MOSFET的漏极连接在电压范围为0-300V的高压上，避免高压进入低压回路损坏元件，数字隔离电路主要用于隔离FPGA控制电路与系统高压部分的电气连接，数字隔离器可采用高速光耦或者高速磁耦实现数字隔离同时保证传输速度，DC-DC隔离电源主要用于高压MOSFET管驱动部分隔离供电，MOSFET驱动超声相控阵换能器。最后通过机械(匹配层)设计超声换能器的声阻抗匹配(3)。 [0046] 在本发明的装置中，超声相控阵换能器的匹配层(3)设计，为使机械能传输最佳，考虑对压电晶片的解除保护(防磨损)，匹配层取波长的四分之一，当换能器和超声发生器电阻抗匹配时，电效率最高，传输给被测物的声能量达到最大值。图4(a)为超声波发生器匹配原理框图，其中Zi是换能器的输入阻抗；Zc为换能器加匹配电路后的输入阻抗；Zo为超声发生器的输出阻抗。换能器是一个抗性原件，其输入阻抗可表示为Zi＝Ri+jXi，经匹配电路后其阻抗变为Zc＝Rc+jXc。由于超声发生器的输出阻抗一般是纯阻性的，所以Zo＝Ro。 [0047] 本发明匹配层设计中L、C、Cd值的选择和设计需要遵循以下原则： [0048] 图4(b)为本发明的采用的电感-电容匹配电路示意图。虚线部分表示压电超声换能器，Ce是换能器单个阵元的静态电容；Re是换能器单个阵元的等效电阻；L是匹配电感；C是匹配电容；Cd是串联可变电容。由图中电路计算可得： [0049] [0050] 选择L、C、Cd值要满足理想匹配条件： [0051] [0052] [0053] 回路的电品质因数为： [0054] [0055] 这样设计既可以实现理想匹配。降低串联和并联谐振频率，而且能够改善回路的电品质因数。 [0056] 本发明的接收电路模块包括收发隔离限幅电路(5)和回波信号处理前端(6)两部分，通过回波信号来检验发射波束是否实现聚焦。发明设计有16通道，故采用封装面积小适宜高密度安装的MMBD4148SE来设计限幅电路，一共有16*3＝48个MMBD4148SE组成。单路的限幅电路由三个MMBD4148SE构成，单路限幅保护电路的设计如图5所示，包括两级限幅电路。第一级在A点将电压限制到±5V，次级限幅电路在B点将幅值限制在±0.7V。后级AFE5805容许的最大输入为733mV，满足设计要求，不会损坏后级设备。回波信号处理前端电路(6)中选用的是德州仪器公司超声专用的集成模拟前端芯片AFE5805，拥有8个通道的完整超声回波信号处理芯片，单个通道包含低噪声放大器(LNA)、电监控制衰减器(VCA)、可编程增益放大器(PGA)、低通滤波器(LPF)以及12位采样精度的ADC转换器等常规超声回波信号处理链路。硬件连接上每八个回波限幅电路连接在一个模拟前端上。最后两个模拟前端与FPGA连接再传给上位机进行数据处理分析。 [0057] 2.FPGA逻辑功能设计 [0058] 本发明的逻辑控制和数据传输处理模块由FPGA来实现，选用Spartan-6系列的XC6SLX16来承担相应的传输处理任务。 [0059] 发射部分的延时和波束控制主要是由波束成形器传输给超声相控阵换能器，激发换能器发射设计的波形。波束成形器LM96570通信采用4线SPI通信从机通信模式，每个通道的延迟设置和发射脉冲样式都可以从SPI接口写入和读出。图6是波束成形器LM96570读写控制程序设计框图。 [0060] LM96570读写控制程序设计主要包括FPGA控制信号模块(9)、SPI读写控制器模块(11)、重复发射控制(10)和波束成形器(12)模块。FPGA控制信号模块主要是产生脉冲重复触发时钟，SPI通信时钟，SPI读写控制信号，内部数据、地址总线连接等。重复发射控制模块是根据实际要求设置超声波单位时间的发射次数，合适的发射频率设计可以实现目标平面的快速扫描而不造成电导率变化的相互叠加。SPI读写控制模块根据输入的地址、数据以及控制信号将数、地址、并串转换为串行信号送给LM96570。下面是子程序设计流程： [0061] (1)脉冲重复频率设计 [0062] 图7为发射脉冲重复频率设计示意图。脉冲重复频率设计主要用于设置超声波单位时间的发射次数，通常重复频率越高，检测速度越高，但是频率太高会导致单位面积电导率叠加，不利于检测，因此需要根据检测深度和检测平面网格的划分合理调整频率重复频率。FPGA产生固定重复触发时钟CLK1，可以通过频率寄存器多设置几组数据选择倍数，通过PLL分频倍频产生时钟CLK2。当对LM96570进行配置时选择TX_EN2为低电平禁止脉冲发射。脉冲发射也可以通过外部时钟输入的TX_EN1进行控制。 [0063] (2)LM96570硬件SPI读写控制器程序设计 [0064] 波束成形器的SPI读写控制器程序由开关组合电路与时序控制电路设计完成，如图8所示。开关组合电路在设计的主状态机时序控制电路控制下，实现数据按SPI通信输入或输出，实现LM96570的控制。 [0065] 首先主状态机复位后，对LM96570的控制寄存器(可编程延时寄存器、脉冲波形样式寄存器等)进行初始化配置。程序通过判别初始化配置寄存器是否为零判别初始化是否完成。 [0066] 初始化完成后在空闲状态下，时钟的上升沿出现，判断是否有读写信号，并将相应读写控制信号装到发送地址缓存器Addr_buf[5]，主状态机进入发送地址装载状态。如果读和写信号均没有则返回到空闲状态。 [0067] 在地址装载状态的时钟上升沿，根据Addr_buf[5]值确定下一状态进入数据接收状态(0状态)或者数据读取状态(1状态)。在数据接收状态，控制开关将内部时钟连接到SPI时钟线SCLK，Addr_buf(地址移位寄存器)和data_buf(数据移位寄存器)的数据分别写入LM96570寄存器中。在数据读取状态，由于LM96570各寄存器数据位宽范围为12～64，不能以固定位宽传输数据，因此这一步需要加入地址范围判别部分.根据不同的地址设定不同的数据宽度data_width。 [0068] 发送或读取数据完成后SCLK、SWR、SRD通过开关选择连接到低电位，配置计数器为零并发出数据请求信号ACK，然后返回到空闲状态进行下一次数据传输。 [0069] 本发明的应用于声电成像技术的相控阵超声聚焦系统，属于声电成像技术领域，增大电导率变化量，并实现快速聚焦和扫描，最终达到提高声电调制图像重建的质量，有很高的实用价值。 [0070] 以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方案之一，如有本领域的普通技术人员在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造形的设计出与本发明相类似的结构形式或实施例，均应属于本发明的保护范围。 |
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