全数字超声成像系统关键部分的优化设计与实现

发布时间：2017-07-13 11:15

  本文关键词：全数字超声成像系统关键部分的优化设计与实现

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【摘要】：超声成像技术在医学诊断中不仅具有无损、无创、无电离辐射、方法简单、价格便宜等优点,其优越性还体现在诊断参数选择的多样性,以及其在整个系统实现过程中的灵活性。伴随着超声成像技术的不断发展,超声成像系统的全数字化技术自20世纪90年代推出以来,也得到了不断发展和成熟。全数字超声成像系统在使用数字电路实现时,其最基本的一个特点就是需要实时处理数据量极其庞大的超声信息。随着数字芯片和高速处理器,特别是高性能FPGA的快速发展,以及其在处理大数据能力和灵活性的日益显露,庞大数据量超声信息的实时处理的选择越来越依赖于FPGA技术。FPGA已经成为各种数字信号处理应用算法的一个强大解决方案,因此本文超声成像系统的优化设计主要针对的是FPGA实现过程中的优化设计。 本文从全数字超声成像系统亟待解决的两个问题入手：一、提高超声成像系统成像分辨率、对比度和帧频；二、实现超声成像系统的微型化和低功耗。在实验室原有的以ARM, Linux系统作为实时控制,以DSP, FPGA实现算法的全数字超声成像系统基础上,提出了对波束形成器和动态滤波器优化设计的解决方案,并最终在FPGA上实现了对它们的优化设计。本文首先,在常见波束形成算法的基础上提出了一种优化后MV算法,并结合平面波发射方法实现了提高成像分辨率、对比度和帧频的目的；其次,根据FPGA结构和性能特点,在原有DA算法基础上提出了一种优化后DA算法,为超声成像系统的微型化和低功耗提供了理论依据；最后,在原有全数字超声成像系统基础上,结合上文提出的优化后算法,完成了对波束形成器和动态滤波器的FPGA优化实现。
【关键词】：全数字超声成像系统 波束形成器 动态滤波器 FPGA
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R310
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 目录7-10
• 1 绪论10-14
• 1.1 课题背景与意义10-11
• 1.2 超声成像系统的发展趋势11-12
• 1.3 本文内容安排12-14
• 2 全数字超声成像系统的优化设计与理论基础14-23
• 2.1 超声成像系统优化设计的理论基础14-17
• 2.1.1 超声波定义及有关物理量14-15
• 2.1.2 超声波在生物组织中的传播15-16
• 2.1.3 优化设计的角度分析及理论基础16-17
• 2.2 全数字超声成像系统概述17-21
• 2.2.1 超声成像系统构成17-19
• 2.2.2 系统各部分功能简介19-20
• 2.2.3 全数字超声成像系统的关键部分20-21
• 2.3 全数字超声成像系统的优化设计21-22
• 2.3.1 提高超声成像分辨率、对比度和帧频21
• 2.3.2 实现超声成像系统微型化和低功耗21-22
• 2.4 本章小节22-23
• 3 波束形成器的优化设计23-43
• 3.1 波束形成概述23-31
• 3.1.1 波束形成原理23-24
• 3.1.2 波束形成器实现方式24-25
• 3.1.3 波束控制方法25-31
• 3.2 常见波束形成算法及分析31-33
• 3.2.1 延时叠加波束形成算法及分析31-32
• 3.2.2 自适应波束形成算法及分析32-33
• 3.3 自适应波束形成MV算法的优化33-36
• 3.3.1 MV算法34
• 3.3.2 子带波束合成法实现34-35
• 3.3.3 前后向空间平滑法实现35-36
• 3.4 波束形成实现算法间的比较分析36-41
• 3.4.1 仿真准备36-38
• 3.4.2 仿真结果与比较分析38-41
• 3.4.3 结论41
• 3.5 本章小结41-43
• 4 动态滤波器的优化设计43-54
• 4.1 动态滤波概述43-44
• 4.2 动态滤波器中滤波器的分析与确定44-46
• 4.2.1 滤波器类型的分析与确定44
• 4.2.2 滤波器实现方式的分析与确定44
• 4.2.3 FIR滤波器实现方法及分析44-46
• 4.3 滤波器DA算法的优化46-48
• 4.3.1 传统DA46-47
• 4.3.2 优化后DA47-48
• 4.4 滤波器实现算法间的比较分析48-51
• 4.4.1 仿真准备48-49
• 4.4.2 仿真结果与比较分析49-51
• 4.4.3 结论51
• 4.5 优化后DA算法在动态滤波器设计中的应用51-53
• 4.5.1 动态生成滤波器LUT方法52
• 4.5.2 结论52-53
• 4.6 本章小结53-54
• 5 波束形成器和动态滤波器的FPGA优化实现54-67
• 5.1 FPGA概述54-57
• 5.1.1 可编程逻辑设计指导思想54-56
• 5.1.2 采用FPGA进行优化实现的优势56-57
• 5.2 波束形成器的FPGA优化实现与分析57-63
• 5.2.1 原有波束形成器的FPGA实现58-60
• 5.2.2 波束形成器的优化实现与分析60-63
• 5.3 动态滤波器的FPGA优化实现与分析63-66
• 5.3.1 原有动态滤波器的FPGA实现63-64
• 5.3.2 动态滤波器的优化实现与分析64-66
• 5.4 本章小结66-67
• 6 总结与展望67-69
• 6.1 总结67-68
• 6.2 展望68-69
• 参考文献69-73
• 作者简历73

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 齐雁;谭冠政;范必双;;基于FPGA的医学超声成像数字波束合成器设计[J];计算机测量与控制;2010年04期

2 杜旭,王夏泉;ASIC中的异步时序设计[J];微电子学;2004年05期

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4 马家辰;沈毅;苏宝库;;超声声束形成技术的对比分析[J];中国医疗器械杂志;2005年06期

5 张海澜;林伟军;王秀明;;医学超声成像波束形成技术的演变[J];中国医学影像技术;2010年07期

6 吴文焘;蒲杰;吕q，

本文编号：536716