数字化超声内窥彩色血流成像系统的研究

摘要

随着人类社会进步和医疗技术的发展，医学超声内窥诊断技术成为人类战胜疾病的利器。医学超声诊断技术具有可重复检查、无损、无痛和无离子辐射等优点，因而被广泛应用于临床医学领域。超声内窥彩色血流成像系统经食管导入探头，对各脏器内流动的血液进行检测，得到血流速度、方向等血流动力学参数信息，在临床上可用于对食管和胃底静脉曲张进行检测，也可辅助血管疾病诊断。
　　 医学超声内窥彩色血流成像系统在超声内窥镜的基础上，结合B型超声成像和多普勒血流成像，利用多普勒效应对血流中散射子的运动敏感性对疾病进行诊断。本文在课题组超声脉冲多普勒系统研究的基础上，针对超声内窥彩色血流成像提出了全数字化的信号处理与解决方案，设计了模拟前端电路和数字信号处理电路板，对超声换能器接收的回波信号进行处理，利用现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array，FPGA)进行系统时序控制和信号处理，搭建基于多普勒效应的物理模型实验装置，进行系统联调实验，通过系统仿真和模拟血流速度检测实验，验证了本系统设计的正确性和有效性。
　　 本论文主要的工作包括：
　　 (1)确定超声内窥彩色血流成像系统方案。通过对超声彩色血流成像原理以及多普勒信号特点的详细分析，确定基于FPGA的数字化超声多普勒回波信号处理方案，使用正交解调从载波中解调出基带信息，设计壁滤波器抑制血管壁信号的影响，利用自相关算法估算血流动力学参数。利用超声成像仿真软件FieldⅡ进行系统旋转扫描成像仿真。
　　 (2)调试前端模拟电路、设计系统数字电路，获取超声多普勒回波信号。设计前置放大电路和抗混叠滤波电路，完成以FPGA为核心的6层数字电路的PCB设计与电路调试。
　　 (3)完成基于FPGA的系统程序设计。在QuartusⅡ软件环境下，使用VerilogHDL语言编写程序，实现FPGA对系统的时序控制，并在FPGA中实现相应算法和信号处理方法，利用FPGA中的IP核和宏功能模块实现解调、滤波、自相关运算等功能。
　　 (4)搭建了由蠕动泵、模拟血管、模拟血液等组成的超声多普勒实验系统，通过对多普勒血流模型进行实验，验证了系统的正确性和有效性。