1 引 言
醫學超聲診斷成像技術大多數采用超聲脈沖回波法，即利用探頭產生超聲波進入人體，由人體組織反射產生的回波經換能器接收后轉換為電信號，經過提取、放大、處理，再由數字掃描變換器轉換為標準視頻信號，最后由顯示器進行顯示。在基于FPGA+ARM 9硬件平臺的全數字化B超診斷儀中，前端探頭返回的回波電信號需由實時采集系統進行波束合成、相關處理、采集并傳輸至ARM嵌入式處理系統，視頻信號數據量大，實時性要求高，因此選用FPGA+SRAM構成實時采集系統，在速度和容量上都能滿足上述要求。主要介紹B超成像系統中應用FPGA進行邏輯控制進行超聲視頻圖像采集的原理和實現。
2 系統構成工作原理
如圖1所示，采集系統首先由數字波束合成器對多通道超聲回波信號進行波束合成，數字波束合成器對不同通道信號進行延時，使同一點的信號同相相加，同時對多個通道的回波信號進行空間域上的加窗，類似匹配濾波，可以提高信號的信噪比。然后對合成后的超聲視頻信號做一個幀相關的預處理，即圖像幀與幀之間對應象素灰度上的平滑處理。因為疊加在圖像上的噪聲是非相關且具有零均值的隨機噪聲，如果在相同條件下取若干幀的平均值來代替原圖，則可減弱噪聲強度。在幀相關過程中，FPGA要控制數據的讀取、處理以及存儲。在為了滿足視頻顯示的實時性，該采集系統采用雙幀存結構的乒乓機制，由FPGA實現讀寫互鎖控制。經幀相關處理完后的視頻數據交替寫入幀存A和幀存B，幀存讀控制器根據后端處理速度讀取幀存中的數據，送往DMA控制器，DMA控制器開啟DMA通道進行數據傳輸。FPGA實現讀寫控制時，為了避免同時對一個幀存進行讀寫操作，需要設置讀寫互斥鎖進行存儲器狀態切換。
3 系統設計與實現
3.1 數字波束合成
對于具有128陣元和32收發通道的超聲探頭，在進行32路AD轉換后，將其分為4組，每組8路接收通道，每組用一片FPGA實現，在該FPGA內首先進行接收延時和動態聚焦再進行加權求和，其后再進行組間的求和產生超聲數字視頻信號。每一組的系統框圖如圖2所示：
對不同通道的回波信號進行不同的延時是達到波束聚焦的關鍵，延時按精度可分為粗延時和細延時：粗延時用于控制A/D采樣的開始時間，精度為32 ns，延時參數由FPGA的片內RAM中讀出，更換探頭時系統控制器將相應數據寫入這些RAM;細延時由采樣時鐘發生器根據不同的通道產生不同的A/D采樣時鐘，這些時鐘的相位互相錯開，其錯開的值剛好等于各陣元傳播延遲之差。考慮到系統的實時性以及探測過程中深度的變化，需要采用動態聚焦。動態聚焦是在A/D采樣開始后，通過讀取動態聚焦參數，在采樣的過程中控制采樣時鐘發生器實現。
8個通道的回波信號經過A/D采樣后，送入FPGA，緩沖之后同步讀出進入加權模塊，加權模塊由8個無符號為數字乘法器組成。回波信號分別與加權參數相乘后得到具有動態聚焦和加權特性的數據。8組數據再經過3級加法器就得到波束合成之后的超聲數字視頻數據。
3.2 幀相關處理
幀相關模塊如圖3所示，由幀相關控制器和一片存儲器組成，進行幀相關的存儲器采用大小為256 kB的靜態存儲器(SRAM)。幀相關控制器由FPGA實現，完成地址產生、存儲器讀寫控制、幀相關計算功能，因為實時性的要求，即保證送往后端雙幀存的數據不能中斷，所以考慮到對逐個象素數據讀寫的同時就進行相關處理，而且需要在同一個象素時鐘周期內完成。讀寫控制器在1個象素時鐘周期的前半段需要讀出存儲器中的數據和當前幀數據進行相關處理;時鐘周期的后半段再將相關處理完的數據寫入存儲器以備后用，這樣送往后端雙幀存的數據依然是和象素時鐘對應的連續象素數據。
