高頻超聲射頻回波信號高速數據傳輸系統的設計

王曉春，劉新鳴，楊 軍，計建軍，周 盛*

（1.中國醫學科學院北京協和醫學院生物醫學工程研究所，天津300192；2.天津邁達醫學科技股份有限公司，天津300384）

0 引言

高頻超聲診斷技術可以對活體生物淺表組織進行無創、高分辨力、實時可視化成像，目前臨床上已廣泛應用于眼科疾病[1]、皮膚科疾病[2-3]、血管內疾病[4]等的診斷。同時，此技術還可以針對小鼠[5]、大鼠、斑馬魚[6]等與人類疾病相關的小動物模型進行臨床前研究，以提高研究人員對病理生理、功能機制以及治療策略的認識和理解。

超聲射頻回波信號是指超聲診斷儀接收到的由前端超聲換能器激勵的超聲波與所有生物組織發生交互作用后的原始回波信息，其保留了各生物組織間的結構差別與特征[7]。隨著計算機技術的迅猛發展，超聲射頻回波原始數據在圖像處理算法驗證、人工智能圖像識別[8]、超聲圖像三維重建[9]、遠程醫療等方面發揮了越來越重要的作用。

目前，商用的醫用超聲診斷設備在硬件上由探頭模塊、超聲回波信號處理模塊、計算機及其應用軟件模塊3 個部分組成[10]。所采集到的超聲回波信息往往是經過了一系列的線性和非線性放大、包絡檢波、對數壓縮、二次采樣后的圖像數據，相對于原始超聲射頻回波信號，采集的信號將不可避免丟失部分有用信息。因此，本文設計了一種基于現場可編程門陣列（field programmable gate array，FPGA）和單陣元高頻寬帶換能器的高頻超聲射頻回波信號高速數據傳輸系統，將超聲前端采集、放大及數字化的高分辨力超聲射頻回波信號傳輸至計算機，為后續的研究提供無損失的數據源，實現超聲診斷設備的智能化和信息化。

1 系統設計

高頻超聲射頻回波信號高速數據傳輸系統由FPGA 控制處理模塊、超聲探頭模塊、射頻回波信號處理模塊、USB 傳輸模塊以及上位機組成[11-12]，如圖1 所示。FPGA 控制處理模塊作為整個系統的核心模塊，完成各模塊單元的時序管理和控制。超聲探頭模塊在FPGA 控制處理模塊的控制下完成換能器的收發和電動機的行進。射頻回波信號處理模塊主要用來實現超聲射頻回波信號的放大和數字化采樣。USB 傳輸模塊用來實現FPGA 控制處理模塊與上位機的數據通信以及上位機的實時控制。上位機用來實現用戶與本系統的交互以及射頻回波數據的存儲和顯示。系統實物如圖2 所示，不但能完全實現超聲射頻回波數據上傳的功能，而且其高集成度和可便攜性也為移動醫療帶來了更多的可行性。

圖1 高頻超聲射頻回波信號高速數據傳輸系統組成框圖

圖2 高頻超聲射頻回波信號高速數據傳輸系統實物圖

1.1 FPGA 控制處理模塊設計

FPGA 控制處理模塊采用Altera 公司CycloneⅣ系列的FPGA 芯片EP4CE 22F17C6 作為整個系統控制和射頻回波信號處理的核心，該芯片不僅擁有高達22 320 個內置邏輯單元，可以實現實時、快速的邏輯運算，還內置了594 kbits 的嵌入式存儲RAM（random acess memory），可以實現數據的大量存儲以及查表運算[13]。FPGA 控制處理模塊在系統中主要負責上位機命令解析、時序控制、發射脈沖控制、時間增益補償（time gain control，TGC）參數設置、A/D轉換器的模式設置與射頻回波數據采集處理、Slave FIFO 模塊控制等，其功能結構如圖3 所示。本研究中FPGA 控制處理模塊工作主頻為240 MHz，以滿足高頻率超聲射頻回波信號處理的需求，使數據處理和傳輸都在高速通道中進行，保證系統的穩定、可靠和實時數據的準確上傳。

1.2 超聲探頭模塊設計

超聲探頭模塊由超聲換能器、電動機和超聲發射驅動電路組成。超聲換能器選用美國Medtech 公司的中心頻率為50 MHz 的聚偏二氟乙烯膜（polyvinylidene fluoride，PVDF）壓電晶體換能器，換能器的焦點長度為9～10 mm，相對帶寬為70%。系統工作時，超聲換能器由步進電動機驅動，利用精密線性導軌完成對仿體或生物組織的精密定位和掃描。

本系統中超聲發射頻率為50 MHz，重復周期為500 μs。由FPGA 控制處理模塊產生的時序脈沖序列通過高速低側柵極驅動電路將脈沖電平由3.3 V轉化為18 V，再通過由N/P 金屬-氧化物半導體場效應晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）組成的觸發電路產生峰峰值為120 V 的單周期正弦脈沖信號，激勵超聲換能器產生超聲波探測仿體或生物組織。

1.3 射頻回波信號處理模塊設計

射頻回波信號處理模塊由前置放大電路、模擬濾波電路、TGC 電路和A/D 轉換器組成。從超聲換能器回傳的超聲射頻回波信號先經過前置放大電路和模擬濾波電路，再進行TGC，隨后通過A/D 轉換器將數字射頻回波信號送入FPGA 控制處理模塊中。系統中的前置放大電路由Mini-circuits 公司的GALI-74+芯片及外圍器件組成，該芯片具有低噪聲、高共模抑制比、增益值大于20 dB 的特點。隨著探測深度的增加，高頻超聲射頻回波信號也會迅速衰減，因此在本系統中引入了TGC 電路，由ADI 公司型號為AD8367 的電壓控制型可變增益放大器芯片及外圍器件組成，其特點是寬頻帶和具有45 dB 線性可變增益范圍。A/D 轉換器采用ADI 公司的LTC2285 來實現超聲射頻回波信號的模數轉換，其內置2 路集成的A/D 轉換芯片，經低電壓差分信號（low voltage differential signaling，LVDS）接口將2 路采樣率均為120 MHz、相位相差180°的數字信號輸入至FPGA控制處理模塊進行并串轉換，得到采樣率為240 MHz 的高速數字信號進行超聲射頻回波數字信號處理。A/D轉換器采樣位數設定為14 bit。射頻回波數據存儲深度為換能器焦點處10 mm，聲速設定為1 540 m/s，因此得到A/D 采樣有效時間為12.99 μs，每條掃描線采集3 117 個數。

圖3 FPGA 控制處理模塊功能結構圖

1.4 USB 傳輸模塊設計

USB 傳輸模塊的設計主要包括通用可編程接口（general programmable interface，GPIF）Ⅱ工作模式的設置、USB 固件程序和USB 驅動程序的開發。

高速通用串行總線USB 3.0 是在USB 2.0 的基礎上發展起來的，具有更高傳輸速率的總線標準，同時優化了電源管理，降低了設備功耗，提高了供電能力，目前已成為基于計算機平臺的醫學設備數據傳輸的首選方式[14]。本系統選用支持最新的USB 3.0 協議的Cypress 公司的EZ-USB FX3（CYUSB3014）芯片。該芯片內部集成了核心工作頻率為200 MHz 的32位ARM926EJ 處理器內核，具有強大的數據處理功能。而且該芯片給外部設備提供一個并行、可配置的GPIFⅡ接口。本文采用GPIFⅡ接口的Slave FIFO 工作模式。FPGA 控制處理模塊通過識別上位機下發的命令確定是否進行數據采集及傳輸，如命令下發，則FPGA 控制處理模塊控制GPIFⅡ接口的寫使能信號有效，將超聲射頻回波數據通過GPIFⅡ接口寫入CYUSB3014芯片的輸入端點，并傳輸至上位機。

固件程序的開發基于Eclipse 集成開發環境，用C 語言開發，主要包括定義程序的入口點、設置堆棧、初始化內核、定義應用線程啟動代碼的位置標識符等功能。

USB 驅動程序用來協調固件程序和上位機程序，使下位機硬件設備通過USB 3.0 接口接入計算機后能被計算機設備管理器識別和訪問。USB 驅動程序主要由總線驅動程序與設備驅動程序兩部分組成。總線驅動程序由計算機操作系統提供，設備驅動程序采用Cypress 公司提供的通用設備驅動程序CYUSB3.SYS。

1.5 上位機程序設計

上位機程序是用戶與本系統的交互接口，用于協調固件程序和驅動程序來控制超聲射頻回波數據的傳輸。上位機程序采用Microsoft Visual Studio 2012開發環境開發，Cypyess 公司提供的庫文件CyAPI.lib包括訪問硬件的接口函數，通過調用其中的Open、Close 和XferData 等函數對USB 設備進行初始化端口、輸入/輸出、設置等待時間、關閉設備等操作以及對緩存區數據的存/取處理等，上位機軟件流程如圖4 所示。首先運行程序檢測超聲探頭是否連接，如果已連接，則進入程序人機界面；如果無超聲探頭連接，則關閉程序。在超聲探頭連接的情況下進入人機界面后，點擊“采集”按鈕，并檢測是否勾選“將數據保存至文件”選項，如果選擇保存文件，則填充“數據文件夾”文本框，并選擇數據保存格式，將數據按指定格式保存至硬盤指定位置，同時顯示采集的數據；如果不選擇保存文件，則直接顯示采集到的數據。至此，已完成一次掃描采集的過程，軟件中已設置可進行多次采集。

人機界面將采集到的數據以位圖的方式顯示出來。上位機獲取到的數據為字節流，位圖中縱坐標取值范圍是-8 192～8 192；在數據對應的坐標位置描點，各點橫向位置相距為一個像素，因此在屏幕上自然形成一條曲線。位圖橫坐標取值范圍是0～10 mm，代表采樣深度。拖動位圖下方橫向滾動條可以觀察該范圍內所有數據，點擊位圖上方右側按鈕可觀察不同掃描線的數據，實際每次采集存儲1 000 條掃描線。

人機界面中可選擇的數據保存文件格式有.txt、.dat 或.bin。本系統中的.dat 文件中數據格式為16 bit（每個采樣點占用位寬，二進制補碼有符號數）×3 117（點數）×1 000（線數），另外還需要在每條線的前面加上3 B 的同步包頭字符、2 B 的掃描線的線數。先從小到大（0～3 117）存儲第1 條線3 117 點，然后存儲第2 條線3 117 點，以此類推，直到1 000 條線結束。讀入的數據為一維向量，根據.dat 格式規則，將一維向量變換為矩陣，可得到一幀完整數據。其他2 種文件中的數據存儲格式與之相同。

圖4 上位機軟件流程圖

2 實驗驗證

為驗證系統的可行性，設計鋸齒波數據仿真實驗與真實超聲回波實驗。通過傳輸鋸齒波數據，比較上位機獲得的幅值、重復頻率、數據位數等變化情況，可以單獨驗證FPGA 控制處理模塊對超聲射頻回波數據傳輸的準確性。通過對換能器真實獲取到的射頻回波信號進行采集、存儲與傳輸，實時構建并顯示數據波形圖，即可驗證系統整體對射頻回波信號傳輸的準確性。同時，還可以對采集的超聲波信號質量以及硬件系統的整體信噪比進行評價，使系統能夠更加適用于臨床，為之后的二維實時成像奠定基礎。

2.1 鋸齒波數據仿真實驗

為驗證超聲射頻回波數據上傳的準確性，首先設計鋸齒波數據仿真實驗。由FPGA 控制處理模塊產生14 位鋸齒波數據，采樣頻率為240 MHz，每條掃描線數據從0000 開始，每個時鐘遞加0001。通過USB 3.0 接口實時上傳至上位機進行顯示和存儲，以此來驗證系統射頻數據上傳的準確性。實驗結果如圖5 所示，“AA 55 C3”是每條掃描線的同步包頭字符，后面的“00 09”代表掃描線的線數。后面有4個8 bit 的無效數據，產生的原因是因為數據流在FPGA 控制處理模塊處理及上傳過程中產生的延遲誤差。此后，可見有效數據從“00 00”依次遞加，由此驗證了FPGA 控制處理模塊對于超聲射頻回波數據傳輸的準確性。

圖5 鋸齒波仿真數據上位機讀取.dat 文件結果

2.2 真實超聲回波實驗

在驗證了鋸齒波上傳數據準確性的前提下，又設計了有機玻璃片超聲回波實驗。將厚度為0.2 mm 的有機玻璃片放入有一定深度的水槽中，再將水槽中注入蒸餾水。系統的換能器垂直于有機玻璃平面，且距離有機玻璃片約為7 mm。

圖6 為上位機超聲射頻回波數據采集控制與波形預覽界面，包括采集按鍵、關閉按鍵、波形選取、數據存儲路徑選取等功能。超聲射頻回波數據存儲文件可選擇.txt、.dat 和.bin 3 種格式。啟動“采集”按鈕，可得到超聲射頻回波信號的波形全景預覽[如圖6（a）所示]、局部放大[如圖6（b）所示]和1 000 條實時掃描線超聲射頻回波數據的存儲（如圖7 所示）。由此，驗證了本系統對于真實超聲射頻回波信號數據傳輸的實時性和準確性。

3 討論

本文設計了一個基于FPGA 和高頻超聲換能器的高頻超聲射頻回波信號高速數據傳輸系統，通過鋸齒波數據仿真實驗和真實超聲回波實驗的驗證，本系統功能完善，上傳的射頻回波數據準確。編寫的上位機應用軟件波形預覽界面不僅可以滿足后續研究的實驗調試，存儲多種格式的原始射頻數據，還可以滿足后續更進一步科學研究的需求。

基于FPGA 可編程器件的靈活性，研究人員可以根據后續需求進行重新編程開發，具有較強的可調試性和通用性。超聲發射電路可以輸出峰峰值為120 V 的雙向脈沖，其脈沖寬度可以根據系統所需的超聲頻率由FPGA 編程輸出。回波接收電路的射頻可調增益為20～65 dB，可由FPGA 編程控制。A/D 轉換器的采樣頻率可根據超聲射頻回波信號的頻率進行調整，可調范圍為1～250 MHz，不需要修改硬件。

但本系統還存在一些可以持續改進和完善的地方：實驗只驗證了數據傳輸的準確性，下一階段的工作將測試系統的穩定性和抗干擾能力；目前的上位機軟件只獲取了每一條超聲掃描線的實時數據波形顯示和存儲，接下來將完善上位機軟件，實現將傳輸至上位機的超聲射頻回波數據恢復為超聲二維圖像，以實現掃描圖像的實時顯示和視頻存儲。

圖6 數據采集與波形預覽界面

圖7 數據存儲文件路徑與格式截圖