数字超声内窥镜信号接收与处理系统的研究

摘要

医学超声内窥镜是利用电子内窥镜的活检通道将微型超声探头送入人体的消化道内,通过探头的旋转扫描得到消化道壁的超声断层图像,从而发现其中组织的早期癌变和病灶,为医师提供可靠的诊断依据。相对于其他成像方式,超声内窥成像具有无创伤和无电离辐射的优点,是目前诊断体内器官病变的最佳方法之一。
　　 然而,超声内窥镜采用微型超声探头,发射功率较体外超声探头大为降低,并且回波接收面积较小,导致接收的回波幅度也很低,信噪比也较差,原有系统的模拟回波接收电路无法满足系统清晰成像的要求,因此需要重新设计高增益、低噪声的模拟前端接收系统。另外,针对超声回波的特性,为了得到高信噪比的超声图像,设计了基于FPGA的超声数字信号处理模块。
　　 本文的主要工作有:
　　 1.针对超声换能器和回波特性,设计了基于双VGA的模拟前端接收电路,调试完成并实际应用于系统中,较好的提高系统信噪比。
　　 2.针对经过放大和增益补偿后的超声信号,在比较滤波器实现方案的优劣的基础上,选择了有源集成滤波器的模拟滤波方案。在Spice仿真结果的基础上,对滤波器性能进行改进,应用于现有系统中,达到抑制通带外的噪声的目的。
　　 3.在原有数字处理系统的基础上,加入数字滤波、脉冲压缩、灰度拉伸模块,并在FPGA上实现。为满足系统升级的要求,绘制了基于Cyclone EP3C40Q的数字系统板并调试完成,将数字系统集成化。
　　 4.搭建实验平台,完成系统各个模块的联合调试实验,并且进行了烧杯和动物组织的旋转扫描实验,系统以5帧／秒输出直角坐标的超声图像,取得较为理想的成像结果。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 超声内窥成像系统概述

1.1.1 内窥镜发展及其分类

1.1.2 医用超声内窥成像系统构成

1.1.3 医用超声内窥镜的作用和优势

1.2 本文研究的内容及意义

第二章 超声内窥成像原理与超声接收系统

2.1 超声的基本性质

2.1.1 超声波频率

2.1.2 超声波的传播

2.1.3 特性阻抗与声阻抗率

2.1.4 超声波在人体组织中的传播特性

2.2 超声诊断设备的成像原理与模式

2.2.1 脉冲超声成像原理

2.2.2 超声诊断设备的成像模式

2.3 超声回波接收系统

2.3.1 超声信号接收系统的构成

2.3.2 超声接收系统参数要求

2.4 本章小结

第三章 基于双VGA的模拟前端接收系统硬件设计

3.1 前置放大电路设计

3.1.1 放大芯片的选取

3.1.2 AD8331介绍

3.1.3 AD8331外围电路

3.2 增益补偿电路

3.2.1 增益补偿原理

3.2.2 增益补偿电路设计

3.2.3 增益控制电路

3.2.4 AD7801介绍

3.3 带通滤波器设计

3.3.1 带通滤波器原理

3.3.2 模拟带通滤波器的实现方案

3.3.3 集成滤波器设计与仿真

3.4 模拟前端接收电路PCB设计

3.5 本章小结

第四章 基于FPGA的超声数字处理系统设计

4.1 数字滤波器设计

4.1.1 数字滤波器原理

4.1.2 数字滤波器系数设计方法

4.1.3 数字滤波器的FPGA实现

4.2 脉冲压缩

4.2.1 编码激励技术

4.2.2 脉冲压缩的硬件实现

4.3 正交解调

4.3.1 正交解调原理

4.3.2 数字正交解调的FPGA硬件实现

4.4 对数压缩

4.5 超声图像增强算法

4.5.1 图像反色

4.5.2 窗口变换

4.5.3 阈值变换

4.5.4 灰度拉伸

4.6 超声数字处理硬件系统

4.6.1 系统主芯片EP3C40Q240C8N

4.6.2 系统外设时序设计

4.6.3 FPGA设计流程

4.7 数字系统电路板绘制

4.7.1 电路元器件布局

4.7.2 电路布线原则

4.7.3 内电层分割

4.8 本章小结

第五章 数字超声内窥成像系统实验结果和分析

5.1 基于双VGA的模拟前端接收电路实验

5.1.1 三级放大和基于单AD8331的前置放大的对比实验

5.1.2 增益补偿电路调试实验

5.1.3 集成滤波器单独调试和系统联合调试实验

5.2 基于FPGA的超声数字处理系统仿真与实验

5.2.1 数字滤波器Quartus仿真

5.2.2 数字滤波器的系统联合调试实验

5.3 灰度拉伸对比实验

5.4 超声内窥成像系统旋转成像实验

5.4.1 旋转烧杯实验

5.4.2 动物组织旋转扫描实验

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要研究工作

6.2 进一步研究展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢