基于稀疏阵列的二维超声成像系统研究与实现

发布时间：2017-09-18 04:37

  本文关键词：基于稀疏阵列的二维超声成像系统研究与实现

  更多相关文章： 超声成像 稀疏阵列 BP算法 伪影消除 硬件实现

【摘要】：超声成像以其安全、快捷、方便、无损伤等特点,广泛应用于医学检测和工业探伤中,为病灶的诊断和产品检测提供了较大的便利。传统的超声成像系统大都采用多次扫描发射接收的模式,成像帧速率较低,同时为了提高成像质量,需要增加探头阵元数量,这样增加了系统的成本。本文以减少简化成像系统复杂性、降低系统成本同时提高系统成像帧速率为目的,实现二维稀疏阵列成像,同时设计稀疏超声成像硬件系统。本文首先介绍了新型超声成像系统的组成,从超声换能器的阵列排布方式、发射信号的选取、通道分离的方法以及最终成像的方式等进行总结,提出了基于Gold编码调制线性调频波和稀疏阵元阵列的BP伪影消除成像方法,同时也实现以FPGA为控制核心的16通道稀疏阵列超声成像前端系统硬件电路。针对传统系统的多次收发聚焦的成像速率较低的问题,本文中采用多个阵元同时发射正交信号,同时独立接收阵元接收回波信号的方式进行发射接收,结合后续的通道分离技术即可通过一次收发时间完成成像所需数据。稀疏的换能器阵列采用8个发射阵元和8个接收阵元,通过阵列优化可以虚拟出64个等间距的虚拟阵元阵列,即通过16个阵元的合理配置实现64个阵元的性能。通道分离技术需要发射信号具备良好的正交性,所以通过Gold码与线性调频波相结合信号具有良好的自相关和互相关特性。在分析传统的B型扫描成像方式基础上,本文提出了一种适合于稀疏阵元阵列的BP成像算法。BP成像算法在目标点较少的成像时可以有效呈现目标真实信息,而随着成像的目标点增加时,利用该种算法就成像会出现较强的伪影。本文通过BP算法过程的分析,得出成像的伪影主要是由多目标点弧形叠加产生,同时不同目标点散射强度的差异也会增加伪影的产生。为了解决成像的伪影问题,本文通过对系统整体进行成像阈值判断,结合成像的信道进行通道数的阈值判断,利用两次判断来消除伪影对成像的影响,最后通过杰森的人体体膜模型进行成像仿真,说明该成像算法的有效性。基于对稀疏阵元阵列成像关键技术的研究,本文还对稀疏阵列成像系统硬件进行设计和介绍。稀疏阵列超声成像前端系统由FPGA主控模块、H桥功率放大模块、LPF(Low Pass Filter)模块、USB通信模块、接收电路模块、变压器和水声换能器构成。同时对实际硬件系统信号进行发射测试,接收通道回波测试以及TGC模块增益变化检测等,为后续系统进行更为复杂的系统信号处理做准备。
【关键词】：超声成像 稀疏阵列 BP算法 伪影消除 硬件实现
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41;TB559
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-8
• 第一章 绪论8-15
• 1.1 研究背景及意义8-9
• 1.2 超声成像国内外研究现状9-10
• 1.2.1 国外研究现状9
• 1.2.2 国内研究现状9-10
• 1.3 基于稀疏线性阵列的新型成像模式的提出10-13
• 1.3.1 传统超声阵列成像10-12
• 1.3.2 稀疏线性阵列成像模式的提出12-13
• 1.4 论文的安排13-15
• 1.4.1 论文的主要解决问题13
• 1.4.2 论文的内容安排13-15
• 第二章 稀疏阵列和发射信号的优化与设计15-26
• 2.1 基于虚拟阵元技术的稀疏线性阵列优化15-17
• 2.1.1 虚拟阵元技术15-16
• 2.1.2 稀疏阵列的设计16-17
• 2.2 发射信号的优化17-23
• 2.2.1 发射信号的指标17-18
• 2.2.2 Gold-LFM复合信号18-19
• 2.2.3 复合信号的互相关自相关特性19-23
• 2.3 通道分离技术23-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第三章 稀疏阵列成像算法研究26-44
• 3.1 声束控制26-32
• 3.1.1 声束聚焦原理及延时计算26-28
• 3.1.2 可变孔径和幅度变迹28-30
• 3.1.3 自适应加权波束形成30-32
• 3.2 稀疏阵元阵列成像方式32-35
• 3.2.1 传统B型超成像方式32-33
• 3.2.2 稀疏阵元阵列成像方式33-35
• 3.3 稀疏阵列超声成像伪影35-40
• 3.3.1 超声成像伪影35-37
• 3.3.2 稀疏阵列超声成像伪影的产生37-40
• 3.4 成像区域伪影判断与消除40-43
• 3.5 本章小节43-44
• 第四章 稀疏阵元阵列硬件系统设计44-58
• 4.1 硬件系统整体设计44
• 4.2 FPGA主控模块设计44-45
• 4.3 信号发射电路模块设计45-49
• 4.3.1 脉冲宽度调制控制电路原理46-48
• 4.3.2 H桥功率放大电路48-49
• 4.4 信号接收电路模块设计49-52
• 4.4.1 信号隔离级电路49-50
• 4.4.2 低噪放和TGC模块设计50-52
• 4.5 USB通信模块设计52-54
• 4.6 PCB电路板布置54-55
• 4.7 上位机软件的设计55-57
• 4.8 本章小结57-58
• 第五章 稀疏阵列的仿真与实验结果58-66
• 5.1 仿真结果58-61
• 5.1.1 FIELD Ⅱ的仿真环境和过程58-59
• 5.1.2 肾脏模型成像结果与分析59-61
• 5.2 硬件系统实验结果61-65
• 5.2.1 单一通道收发实验62-64
• 5.2.2 TGC控制实验64-65
• 5.3 本章小结65-66
• 第六章 总结与展望66-68
• 6.1 全文总结66-67
• 6.2 未来工作展望67-68
• 参考文献68-72
• 致谢72-73
• 作者介绍73
• 攻读硕士学位期间发表论文73
• 攻读硕士学位期间参与项目情况73

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本文编号：873459