AD9271在全數(shù)字超聲成像系統(tǒng)中的應(yīng)用
前言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/78979.htm隨著電子計算機(jī)、現(xiàn)代信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展,超聲成像系統(tǒng)逐漸向全數(shù)字化方向發(fā)展。全數(shù)字超聲成像技術(shù)在接收前端將回波信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量,通過設(shè)計專用ASIC系統(tǒng)替代傳統(tǒng)模擬處理電路,實現(xiàn)信號的延遲、疊加及信號處理,使圖像更清晰、更準(zhǔn)確,分辨率更高,提高了超聲診斷設(shè)備的質(zhì)量。
AD9271是ADI公司針對全數(shù)字超聲系統(tǒng)推出的8通道單芯片模擬前端。其極高的集成度允許醫(yī)療設(shè)備設(shè)計師將超聲系統(tǒng)的信號通道尺寸減少50%,電路板占用面積減少約40%,順應(yīng)了當(dāng)今超聲儀器向小型化、便攜式方向發(fā)展的趨勢。同時,可大大降低儀器的噪聲水平,各項性能指標(biāo)得到顯著提高,在實現(xiàn)小型化的同時保證了圖像的高質(zhì)量,提高了醫(yī)學(xué)超聲影像診斷的準(zhǔn)確性。
基于AD9271的全數(shù)字超聲成像系統(tǒng)
圖1為基于AD9271的全數(shù)字超聲成像系統(tǒng)框圖。發(fā)射電路產(chǎn)生發(fā)射脈沖,通過陣元選通電路激勵線陣換能器生成超聲波。超聲波遇被探查物體所產(chǎn)生的回波信號傳至AD9271。AD9271可獨立完成前置放大、抗混疊濾波、高速A/D變換等模擬信號處理過程,替代了傳統(tǒng)全數(shù)字B超系統(tǒng)中前端IC電路多芯片分立的設(shè)計方案。獲得的數(shù)字信號通過FPGA,完成信號和圖像的處理,包括波束形成、動態(tài)聚焦、動態(tài)濾波、可變增益放大、對數(shù)放大、檢波和DSC;最后將處理完的圖像傳入顯示器進(jìn)行顯示。
圖1 基于AD9271的全數(shù)字超聲成像系統(tǒng)
線陣換能器
本系統(tǒng)中采用80陣元16通道的線陣探頭,其內(nèi)部包含陣元選通電路。陣元選通電路由10片8通道高壓模擬開關(guān)芯片組成。80通道高壓模擬開關(guān)一端分別與80個陣元相連,另一端則每5個一組分別與16個輸入輸出通道相連,由FPGA輸入控制碼實現(xiàn)換能器陣元的選通。
發(fā)射電路
本系統(tǒng)共有16路發(fā)射電路,單路發(fā)射電路如圖2所示,其是在現(xiàn)有超聲診斷儀的發(fā)射電路[1]為基礎(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)而得到的。FPGA發(fā)出的控制脈沖需要首先通過一個功率觸發(fā)器,將脈沖的幅值提高到12V后,作為激勵脈沖送入場效應(yīng)管的柵極。當(dāng)無激勵脈沖時,作為電子開關(guān)的場效應(yīng)管斷開,電源通過限流電阻R1向隔直流電容C充電到VH。當(dāng)出現(xiàn)激勵脈沖時,開關(guān)打開。由于電容兩端電壓不能瞬時改變,因此在電容C的右端在理論上會出現(xiàn)-VH的電壓脈沖,通過電纜加到換能器上。兩個二極管可以隔離高頻振蕩,減小噪聲干擾。
圖2 超聲發(fā)射電路
AD9271
AD9271是首例將8信道的放大器電路和A/D轉(zhuǎn)換器集成在1枚芯片上的產(chǎn)品。每個通道包括常規(guī)超聲信號模式和連續(xù)多普勒信號模式兩種,通過控制信號進(jìn)行選擇使用。其中常規(guī)超聲信號模式由低噪聲前置放大器(LNA)、可變增益放大器(VGA)、抗混迭濾波器(AAF)和采樣速度為10MSPS~50MSPS的12位A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)組成[2]。
AD9271集成度高、尺寸小,功耗低。在以10 MSPS和50 MSPS采樣速率工作時,其每通道功耗分別為115 mW和175 mW,與其它近似解決方案相比,功耗降低25%,從而允許增加通道數(shù)而不必加大電源功率。此外在實際應(yīng)用中,還可以關(guān)閉不使用通道的電源,減少了功率的損耗,對小型化儀器有著重要的意義。
在此系統(tǒng)中,使用AD9271的常規(guī)超聲信號通道模式,其控制是由FPGA通過SPI接口輸入控制碼實現(xiàn)的。SPI接口由串行時鐘端口(SCLK)、串行數(shù)據(jù)輸入輸出口(SDIO)和片選端口(CSB)組成。SCLK輸入串行位移時鐘,用于保證輸入及輸出數(shù)據(jù)與AD9271同步;SDIO為一雙向端口,用于輸入輸出數(shù)據(jù);CSB為SPI的使能端,控制SPI接口的開閉,其中CSB為低電平時SPI有效。三個端口的時序如圖3所示[3]。
圖3 SCLK、SDIO、CSB時序圖
當(dāng)CSB變?yōu)榈碗娖綍r,SDIO開始跟隨SCLK輸入輸出數(shù)據(jù)。首先輸入的是一16位指示碼,其中第一位為輸入輸出控制位,低電平為輸入,高電平為輸出;第二、三位控制傳送的字節(jié)數(shù);第四位到第十六位為輸入輸出數(shù)據(jù)的起始地址,當(dāng)傳送的數(shù)據(jù)多于一個字節(jié)時,數(shù)據(jù)地址以起始地址為準(zhǔn)按序定址。指示碼傳送完畢后開始傳送控制碼。AD9271的內(nèi)部寄存器大致可以分為芯片配置寄存器、片選及模式轉(zhuǎn)換寄存器、程序寄存器三部分,將控制碼存入相應(yīng)的寄存器以實現(xiàn)相應(yīng)的功能。此外,F(xiàn)PGA還為發(fā)射接收電路和AD9271提供時鐘,以保證它們的同步性。
AD9271輸出的數(shù)字信號將傳送到FPGA中進(jìn)行后期的信號、圖像處理。
圖4為此超聲成像系統(tǒng)對正常眼部組織進(jìn)行檢查所得的超聲回波信號。圖中左端雜亂的多個飽和、高衰減波峰為始波,這是探頭本身、探頭與皮膚接觸產(chǎn)生的回波。始波后平段表示無回聲界面的玻璃體。始波后約25mm,可見玻璃體-視網(wǎng)膜波峰,其后高低不等的波峰是球后軟組織回聲。
圖4 正常眼部組織超聲波信號全貌
結(jié)語
AD9271接口簡單,使用方便、靈活。其極高的集成程度及低功耗在便攜式超聲醫(yī)療儀器等應(yīng)用中具有很強(qiáng)的實用性。
參考文獻(xiàn):
1. 馮若、劉忠齊、姚錦鐘等,超聲診斷設(shè)備原理與設(shè)計,中國醫(yī)藥科技出版社,1993.442
2. AD9271, Octal LNA/VGA/AAF/ADC and Crosspoint Switch. Analog Devices, Inc.2007
3. Interfacing to High Speed ADCs via SPI. Analog Devices, Inc.
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