一种软件定义超声系统的硬件架构介绍

【作 者】李毅

北京东方惠尔图像技术有限公司，北京市，100176

一种软件定义超声系统的硬件架构介绍

【作 者】李毅

北京东方惠尔图像技术有限公司，北京市，100176

该文介绍了一种软件定义超声系统的硬件架构，该架构基于超声射频数据上传，用软件方法实现了超声信号处理，并利用软件方法，实现了波束合成的真实逐点聚焦。该系统省去了硬件信号处理部分，可降低设备成本，降低开发难度，方便后期升级与维护。

超声系统；射频数据；逐点聚焦

0 引言

超声多普勒诊断设备，是利用超声的物理特性与人体器官组织声学特质，进行疾病诊断的检查设备。超声设备具有诸多优点，比如安全、无损、无电离辐射，具有较高的分辨率，并能实时成像，成本也比CT等设备低，因而在临床上具有广泛的应用，是医学影像学中重要的组成部分[1]。

超声用于医学诊断，始于20世纪40年代。之后50年代集成电路的出现，催生了A型、M型超声设备。60年代，摩尔定律提出，集成电路开始快速发展，微控制器（MCU）出现，为B型超声的诞生提供了技术基础。此时的超声二维图像，基于机械扫描，实现了实时图像。到了70年代，集成电路发展出了RAM、ASIC等，集成电路运算能力提升，超声设备也基于电子扫描，实现了实时二维图像。80年代，赛灵思（Xilinx）公司推出了现场可编程门阵列FPGA (Field Programmable Gate Array)，德州仪器（TI）公司推出的数字信号处理器DSP（Digital Signal Processor）TMS32010获得巨大成功，这些类型的器件应用到超声设备后，诞生了彩色多普勒超声系统。90年代，低成本模拟数字转换器（A/D Converter）出现，个人电脑（PC）处理能力日益强大，并出现了3D图像处理器，从而催生出了数字彩超系统。进入新世纪，彩超设备逐渐小型化，便携彩超、平板彩超、掌上彩超陆续出现[2-4]。回顾彩超发展史，每一次集成电路技术的进步，都推动了彩超设备的升级。

目前，传统数字彩超系统中，信号处理是采用FPGA、DSP等硬件实现，具有成本高，开发难度大，不能实现真实的逐点聚焦等问题。随着PC的CPU处理能力的逐步提升，使用软件方法实现彩超信号处理成为可能。本文介绍了一种彩超系统架构，实现超声射频数据（RF）上传，并基于软件实现数据的信号处理，同时，基于软件方法，实现了超声扫描的真实逐点聚焦，具有成本低，开发灵活性高，图像质量优秀等特点。从最初的软件定义无线电（Software Defined Radio，SDR），到最近提出的软件定义一切（Software Def i ned Anything）概念，软件所带来的好处，变革了众多领域。本文介绍一种彩超系统架构，用软件方法代替了部分硬件的功能，设备增加新功能时，只需要在软件上增加相应模块，而不需要改动硬件，可以称之为软件定义超声系统（Software Def i ned Ultrasound，SDU）。

1 传统彩超系统硬件架构介绍

传统彩超系统架构，如图1所示[5-6]。其中，数据传输FPGA实现与PC机的通信，将参数下发给发射FPGA、接收FPGA；发射FPGA根据坐标参数，计算发射延时等参数，并产生发射波形；接收FPGA根据坐标参数，计算接收延时等参数，实现波束合成，生成RF数据；RF数据进一步传给信号处理FPGA（也有用DSP实现），做相应的信号处理，处理后的数据，上传给数据传输FPGA，最终给PC，完成图像显示。

图1 传统彩超系统架构Fig.1 Architecture of traditional ultrasound system

该架构中，FPGA实现了波束合成的延时计算，由于受成本限制，FPGA不能实现实时逐点聚焦延时的计算，而是隔点计算部分采样点的聚焦延时，再利用插值获得逐点聚焦延时。同时，信号处理由硬件处理器DSP或者FPGA完成，相对于PC机上的软件开发，DSP与FPGA的开发、调试难度要大得多。

2 软件定义超声系统硬件架构介绍

软件定义超声系统架构框图如图2所示。与传统架构相比，省去了信号处理DSP/FPGA，而是将波束合成后的RF数据，直接上传给PC，在PC上通过软件方法，实现信号处理；同时，聚焦参数在PC机上计算完成，直接下发给发射接收FPGA，不再由硬件计算延时数据。

图2 软件定义彩超系统架构Fig.2 Architecture of software def i ned ultrasound system

2.1 聚焦延时压缩方法

如图1、图2中所示，波束合成是超声系统中核心处理步骤之一，其聚焦精度直接影响最终的图像质量。为了实现逐点精确聚焦，需要基于浮点数运算，用硬件如FPGA等来实现比较耗费资源，开发费时费力。另外，为了实现逐点聚焦，硬件需要实时计算出每个采样点的延时值，这对硬件的计算能力提出了更高要求。实际工程中，为了实现逐点聚焦，在FPGA中一般采用定点数计算延时，并采用插值的方法获得逐点聚焦延时数据。即通过软件下发定点数表示的坐标参数，FPGA根据坐标参数，计算出部分采样点的延时值，之后，通过插值估计其余采样点对应的延时值。这样就降低了对FPGA计算能力的要求，可以选用较低成本的FPGA。但是，这样计算出的延时在理论上不能保证回波之间的相干性，影响聚焦精度，降低波束合成的效果，势必会影响图像质量。

CPU计算可以得到真实精确的逐点聚焦数据，保证回波间的相干性，但是由于数据量巨大，对数据传输带宽要求高，在目前技术条件下，下载给硬件是不实用的。比如，在采样率40 Msps，通道总数64通道，每个通道的采样点数为8 192点，延时精度16 bit，一帧扫描包含256条线，并采用四波束的情况下，总共需要的数据量为8 192×64×16×256×4=8 Gbit，数据带宽为40×4×16=2.5 Gbps，显然，这样的需求并没有降低对FPGA的要求。本文介绍一种延时数据的压缩方法，可以大幅度减少延时数据的数据量。

首先分析延时数据具有的特征。以探头的一个阵元为例，根据三角函数，可以很容易算出该阵元对应每个采样点的延时值，将延时值以ADC采样率量化，画图，如图3所示，其中横轴是采样深度，纵轴是延时值，可以看出随着深度的增加，延时值具有单调上升和一阶导数单调下降且趋于零的特征。

图3 聚焦延时增量特征Fig.3 Character of the delay data

根据该特征，采用如下的技术方案来实现逐点聚焦延时的压缩。该方法中，不存储具体的延时值，而是存储延时值增加1的时间点，由于在不同深度延时值的变化率不同，所以采用分段存储的方式，具体采用表1格式存储。

表1 延时分段存储格式Tab.1 Storage format of the delay data

其中：

Ns：延时数据的分段数，即本组延时数据分了多少段存储，位宽4 bits；

ts0：波束合成开始时间，即初始的时间，位宽16 bits；

tsk：第k段起效时间，即第k段数据从什么位置开始，位宽16 bits，k =1, 2, ..., Ns；Nb

k：第k段每一数据的位宽，位宽4 bits，k=1, 2,..., Ns；Nu

k：在k段时间内发生的延时更新次数；按照此方式存储的延时数据，如图4所示，其中横轴为通道编号，纵轴为数据量，单位为bit，分两种情况，即扫描线相对于探头偏转45o，和没有偏转，采样点数为4 096点。以压缩后数据量最大的128通道为例，图上可以看出，压缩后的数据不到1 kbit。如果没有压缩，数据量为4 096×16=64 kbit，可见压缩效率。

图4 延时数据压缩效果Fig.4 Effect of the delay data compression

2.2 模拟前端电路设计

本系统的前端电路，采用ADI公司的AD9279[7]，功能框图如图5所示。这是一款高度集成的超声前端电路芯片，包含了8个通道的低噪声放大器（LNA），可变增益放大器（VGA），抗混叠滤波器（AAF），和12 bit、最高采样率80 Msps的模拟数字转换器ADC，另外，还集成了CW解调电路。这种高度集成化的前端芯片，非常有利于实现超声系统的小型化，低成本，低功耗，并简化前端电路的设计复杂度。

图5 AD9279功能框图Fig.5 Diagram of AD9279

2.3 FPGA选型设计

由于延时计算、信号处理等功能都由PC完成，这也就降低了系统对FPGA的要求。

发射接收FPGA可以选用Xilinx公司的Spartan-7器件。Spartan-7系列器件，是Xilinx公司推出的28 nm工艺器件，与上代产品比，速度提升30%，功耗下降50%[8]。该系列器件逻辑单元最高到100 kB，4 320 kB RAM，最大可用I/O为400个。本文成文要晚于实际系统实现，在真实系统设计时，Spartan-7器件尚未发布，实际采用了其上一代器件Spartan-6。

数据传输FPGA需要与PC机通信，将RF数据实时上传，由软件实现RF数据的处理。本系统采用40 Msps采样率，在上传数据位宽16 bit，4波束情况下，数据带宽为40×16×4=2 560 Mbit/s，即320 MB/s。PC机中最常用的外设扩展接口为PCIe，其中PCIe V2.0单个通道（lane）可以支持500 MB/s的带宽，所以采用单通道PCIe V2.0作为通讯接口，就可以满足要求。本系统可以选用Xilinx公司推出的Artix-7器件，这是支持PCIe V2.0的一款低成本，低功耗器件，采用28 nm工艺器件，逻辑单元最高到215 kB，最大拥有13 140 kB RAM。

从FPGA的选型可以看出，该系统架构省去用于信号处理的FPGA，并由软件实现聚焦计算，从而可以采用低成本FPGA实现相应功能，降低了系统成本，并减少了FPGA开发的工作量，有利于系统的开发、升级与维护。

3 系统实现结果

3.1 实时上传的RF数据

图6是在PC机上捕捉到的实时上传的RF数据，通过实践验证了RF数据上传、延时数据压缩方法、软件实现信号处理的可行性。

图6 上传的射频数据Fig.6 RF data being uploaded

3.2 实物图及最终图像

图7 系统实物图Fig.7 Photo of the ultrasound system

图8 系统采集的彩超图像Fig.8 Images of the ultrasound system

图7 和图8，分别是系统的实物图和采集的彩超临床图像。通过临床对比，该彩超系统的临床图像在国际同类产品中，达到了先进水平，可以满足各个科室的图像质量要求。由于该系统采用了基于软件进行信号处理的架构，后期可以进行方便的升级改造，图像品质仍有很大的改善空间。

4 结论

本文介绍了一种基于RF数据利用软件方法实现信号处理的彩超系统架构，因其利用软件实现超声信号处理，实现逐点聚焦延时计算，所以具有灵活性高，开发难度低，成本低的特点，本文将其称为软件定义超声系统（Software Def i ned Ultrasound）。基于该架构的产品已经投入量产，在实际应用中，证明了该架构的可行性。

[1] 冯若, 刘忠齐, 姚锦钟. 超声诊断设备原理与设计[M]. 北京: 中国医药科技出版社, 1993.

[2] Szabo. T L. Diagnostic ultrasound imaging inside out[M]. London:Elsevier Academic Press. 2004.

[3] Wikipedia. Field-programmable gate array[DB /OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/Field-programmable_gate_array.

[4] Wikipedia. Digital Signal Processor[DB /OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_signal_processor.

[5] 毕永年. 合成接收孔径超声成像前端系统设计及实现[D]. 杭州:浙江大学, 2003.

[6] Texas Instruments. Ultrasound Scanner[DB /OL]. http://www.ti.com/solution/ultrasound_system.

[7] Analog Devices. Octal LNA/VGA/AAF/ADC and CW I/Q Demodulator, AD9279 datasheet[R/OL]. http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD9279.pdf.

[8] Xilinx Inc. Spartan-7 FPGA 系列[DB /OL]. https://china.xilinx.com/products/silicon-devices/fpga/spartan-7.html.

[9] Xilinx Inc. Artix-7 FPGA系列[DB/OL]. https://china.xilinx.com/products/silicon-devices/fpga/artix-7.html.

lntroduction of Software Def i ned Ultrasound System’s Hardware Architecture

【 Writer 】Li Yi
Beijing East Whale Imaging Technology Co. Ltd., Beijing, 100176

This article introduces a kind of ultrasound system，named as software defined ultrasound. This system realizes the signal processing by software based on RF (Radio Frequency) data and realizes the real focus-by-point in beamforming. This architecture discards the hardware digital signal processors. It can lower the cost and reduce the design complexity. The architecture also can make system update and maintenance easier.

ultrasound system, RF data, focus-by-point

TP274

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.06.009

1671-7104(2017)06-0424-04

2017-06-01

李毅，E-mail：yi_li@foxmail.com