Thiết kế beamformer kỹ thuật số cho mảng transducer siêu âm tần cao FPGA

Luận án tiến sĩ thiết kế beamformer kỹ thuật số cho mảng transducer siêu âm tần cao FPGA. Nghiên cứu xử lý tín hiệu số và beamforming trong hình ảnh y khoa.

Trường ĐH

University of Southern California

Chuyên ngành

Biomedical Engineering

Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận án

Năm xuất bản

Số trang

148

Thời gian đọc

23 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

40 Point

Tóm tắt nội dung

I. Tổng quan về beamformer kỹ thuật số siêu âm

Beamformer kỹ thuật số đóng vai trò then chốt trong hệ thống siêu âm tần số cao hiện đại. Công nghệ này cho phép điều khiển chùm tia siêu âm với độ chính xác cao, cải thiện chất lượng hình ảnh y tế. Mảng transducer siêu âm tần cao yêu cầu xử lý tín hiệu phức tạp để đạt độ phân giải không gian tối ưu. Delay-and-sum beamforming là phương pháp cơ bản nhất, tạo nền tảng cho các kỹ thuật nâng cao. FPGA cho siêu âm cung cấp khả năng xử lý song song, đáp ứng yêu cầu tần số lấy mẫu cao. Transducer áp điện chuyển đổi tín hiệu điện thành sóng cơ học và ngược lại. Phần tử mảng phased array hoạt động đồng bộ để tạo hội tụ chùm tia siêu âm chính xác. Xử lý tín hiệu siêu âm số hóa mang lại tính linh hoạt vượt trội so với phương pháp analog. Beamforming kỹ thuật số giảm nhiễu, tăng tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm đáng kể.

1.1. Nguyên lý hoạt động của beamformer số

Beamformer số hoạt động dựa trên nguyên lý trзадержки và tổng hợp tín hiệu. Mỗi phần tử mảng phased array thu nhận tín hiệu phản hồi từ mô. Hệ thống áp dụng độ trễ thời gian khác nhau cho từng kênh. Tín hiệu sau khi căn chỉnh được cộng dồn để tạo chùm tia hội tụ. Delay-and-sum beamforming đơn giản nhưng hiệu quả với mảng pha siêu âm. Tần số lấy mẫu cao đảm bảo độ chính xác trong tính toán độ trễ. FPGA xử lý song song hàng trăm kênh đồng thời. Độ phân giải không gian phụ thuộc vào số lượng phần tử và tần số hoạt động.

1.2. Ưu điểm của công nghệ FPGA

FPGA cho siêu âm mang lại khả năng lập trình linh hoạt. Kiến trúc song song cho phép xử lý tín hiệu siêu âm thời gian thực. Tần số lấy mẫu cao đạt hàng trăm MHz, phù hợp với transducer tần cao. Beamforming kỹ thuật số trên FPGA tiêu thụ ít năng lượng hơn DSP. Thiết kế có thể tái cấu hình dễ dàng cho các ứng dụng khác nhau. Transducer áp điện kết hợp FPGA tạo hệ thống compact, hiệu suất cao. Độ trễ xử lý thấp cải thiện chất lượng hình ảnh động.

1.3. Ứng dụng trong y tế

Mảng transducer siêu âm tần cao phục vụ chẩn đoán hình ảnh độ phân giải cao. Hội tụ chùm tia siêu âm chính xác giúp phát hiện tổn thương nhỏ. Beamformer kỹ thuật số nâng cao khả năng quan sát cấu trúc vi mô. Xử lý tín hiệu siêu âm số hóa giảm nhiễu trong môi trường lâm sàng. Mảng pha siêu âm cho phép quét nhanh vùng rộng. Độ phân giải không gian tốt hơn giúp phân biệt các lớp mô mỏng. Delay-and-sum beamforming đơn giản hóa quy trình chẩn đoán.

II. Phương pháp beamforming kỹ thuật số nâng cao

Các phương pháp beamforming kỹ thuật số đa dạng đáp ứng yêu cầu khác nhau. Direct delay-sum beamforming là kỹ thuật cơ bản nhất, dễ triển khai. Bandpass time-domain beamforming lọc tần số trước khi tổng hợp. Fractional-delay interpolation beamforming tăng độ chính xác căn chỉnh thời gian. Frequency domain beamforming xử lý trong miền tần số, phù hợp tín hiệu phức tạp. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng về độ phức tạp và hiệu suất. Tần số lấy mẫu cao yêu cầu thuật toán tối ưu để giảm tải tính toán. FPGA cho siêu âm hỗ trợ triển khai nhiều phương pháp song song. Lựa chọn thuật toán phụ thuộc vào đặc tính transducer áp điện và ứng dụng. Xử lý tín hiệu siêu âm hiện đại kết hợp nhiều kỹ thuật để tối ưu chất lượng.

2.1. Delay and sum beamforming cơ bản

Delay-and-sum beamforming tính toán độ trễ dựa trên hình học mảng. Mỗi phần tử mảng phased array có khoảng cách khác nhau đến điểm hội tụ. Hệ thống bù trừ sự chênh lệch thời gian truyền sóng. Tín hiệu sau căn chỉnh được cộng dồn theo trọng số. Beamforming kỹ thuật số cho phép điều chỉnh hội tụ chùm tia siêu âm linh hoạt. Độ phân giải không gian cải thiện khi tăng số phần tử hoạt động. Tần số lấy mẫu cao đảm bảo độ chính xác bù trễ dưới nano giây. Phương pháp này hiệu quả với mảng pha siêu âm tuyến tính và vòng.

2.2. Fractional delay interpolation

Fractional-delay interpolation giải quyết vấn đề độ trễ không nguyên mẫu. Nội suy tuyến tính hoặc đa thức tạo điểm dữ liệu trung gian. Xử lý tín hiệu siêu âm chính xác hơn với độ phân giải thời gian cao. FPGA triển khai bộ lọc FIR cho nội suy thời gian thực. Transducer áp điện tần số cao yêu cầu độ chính xác dưới phần tư chu kỳ. Beamforming kỹ thuật số với nội suy giảm hiện tượng grating lobe. Tần số lấy mẫu cao kết hợp nội suy đạt hiệu suất tối ưu. Độ phức tạp tính toán tăng nhưng chất lượng hình ảnh cải thiện rõ rệt.

2.3. Frequency domain beamforming

Frequency domain beamforming sử dụng biến đổi Fourier nhanh (FFT). Tín hiệu chuyển sang miền tần số để áp dụng dịch pha. Phương pháp này hiệu quả với xử lý tín hiệu siêu âm băng rộng. FPGA cho siêu âm tích hợp IP core FFT tốc độ cao. Beamforming kỹ thuật số trong miền tần số giảm số phép nhân. Mảng pha siêu âm phức tạp hưởng lợi từ xử lý song song. Delay-and-sum trong miền tần số tương đương với dịch pha. Tần số lấy mẫu cao đảm bảo độ phân giải tần số đủ cho dịch pha chính xác.

III. Thiết kế phần cứng FPGA cho beamforming

Thiết kế FPGA cho siêu âm yêu cầu cân nhắc nhiều yếu tố kỹ thuật. Lựa chọn chip FPGA dựa trên số lượng logic cell và block RAM. Kiến trúc song song tối ưu hóa xử lý tín hiệu siêu âm đa kênh. Tần số lấy mẫu cao đòi hỏi ADC tốc độ cao và giao diện nhanh. Beamforming kỹ thuật số cần bộ nhớ đệm lớn cho lưu trữ tín hiệu. Transducer áp điện kết nối qua mạch analog front-end cẩn thận thiết kế. Độ phân giải không gian phụ thuộc vào số kênh xử lý song song. Mảng pha siêu âm 64-128 phần tử là tiêu chuẩn cho hệ thống cao cấp. Delay-and-sum beamforming triển khai hiệu quả trên kiến trúc pipeline. Hội tụ chùm tia siêu âm điều khiển bởi module tính toán độ trễ động.

3.1. Lựa chọn FPGA phù hợp

FPGA cho siêu âm cần đủ tài nguyên cho xử lý đa kênh. Xilinx Virtex và Altera Stratix là lựa chọn phổ biến. Số lượng DSP slice quyết định khả năng tính toán song song. Block RAM lưu trữ tín hiệu thô và hệ số lọc. Tần số lấy mẫu cao yêu cầu FPGA thế hệ mới với I/O nhanh. Beamforming kỹ thuật số cho 64 kênh cần ít nhất 100K logic cell. Transducer áp điện tần số 30-50 MHz đòi hỏi ADC 200-500 MSPS. Công suất tiêu thụ là yếu tố quan trọng cho thiết bị di động.

3.2. Kiến trúc xử lý song song

Xử lý tín hiệu siêu âm song song tăng throughput hệ thống. Mỗi kênh có pipeline riêng cho delay-and-sum beamforming. FPGA triển khai bộ nhớ FIFO cho căn chỉnh thời gian. Mảng pha siêu âm yêu cầu đồng bộ chính xác giữa các kênh. Beamforming kỹ thuật số sử dụng cây cộng dồn (adder tree) hiệu quả. Tần số lấy mẫu cao đòi hỏi thiết kế timing constraint cẩn thận. Độ phân giải không gian tăng khi tăng số kênh song song. Hội tụ chùm tia siêu âm động cần module điều khiển linh hoạt.

3.3. Giao diện ADC và bộ nhớ

ADC tốc độ cao chuyển đổi tín hiệu analog từ transducer áp điện. Giao diện LVDS giảm nhiễu và hỗ trợ tần số lấy mẫu cao. FPGA cho siêu âm cần nhiều cặp LVDS cho mảng đa kênh. Beamforming kỹ thuật số lưu trữ dữ liệu thô trong DDR SDRAM. Xử lý tín hiệu siêu âm thời gian thực yêu cầu băng thông bộ nhớ lớn. Delay-and-sum beamforming truy xuất dữ liệu từ nhiều vị trí bộ nhớ. Mảng pha siêu âm 128 phần tử cần quản lý gigabyte dữ liệu mỗi giây. Độ phân giải không gian cao đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu nhanh.

IV. Triển khai beamformer với mảng vòng annular

Mảng vòng annular cung cấp hội tụ chùm tia siêu âm đối xứng trục. Transducer áp điện annular array gồm các vòng đồng tâm. Beamforming kỹ thuật số điều khiển từng vòng độc lập để tạo tiêu điểm. Delay-and-sum beamforming đơn giản hơn với mảng vòng so với mảng tuyến tính. Tần số lấy mẫu cao đảm bảo độ chính xác bù trễ giữa các vòng. FPGA cho siêu âm xử lý 5-10 kênh cho mảng vòng điển hình. Độ phân giải không gian tốt trong cả phương hướng lateral và axial. Xử lý tín hiệu siêu âm từ mảng vòng tạo hình ảnh chất lượng cao. Mảng pha siêu âm vòng phù hợp cho ứng dụng y khoa chuyên sâu. Hội tụ chùm tia siêu âm động điều chỉnh theo độ sâu quét.

4.1. Chế tạo transducer annular array

Transducer áp điện annular array sử dụng vật liệu piezoelectric cao cấp. Quá trình chế tạo bao gồm cắt, mài và phủ điện cực. Mỗi vòng cần cách điện hoàn hảo với vòng kế cận. Beamforming kỹ thuật số yêu cầu đặc tính điện đồng nhất giữa các phần tử. Tần số lấy mẫu cao phù hợp với transducer tần số trung tâm 30-50 MHz. FPGA xử lý tín hiệu từ 5-7 vòng đồng tâm. Độ phân giải không gian phụ thuộc vào số vòng và kích thước tổng thể. Xử lý tín hiệu siêu âm cần hiệu chuẩn đáp ứng từng phần tử.

4.2. Mạch analog front end

Mạch analog front-end khuếch đại tín hiệu yếu từ transducer áp điện. Low noise amplifier (LNA) giảm nhiễu ở đầu vào. Time-gain compensation (TGC) bù suy hao theo độ sâu. Beamforming kỹ thuật số yêu cầu tín hiệu analog sạch và ổn định. Tần số lấy mẫu cao đòi hỏi băng thông amplifier rộng. FPGA cho siêu âm điều khiển gain và TGC qua DAC. Delay-and-sum beamforming hiệu quả khi SNR đầu vào tốt. Mảng pha siêu âm cần mạch front-end riêng cho từng kênh.

4.3. Kết quả thử nghiệm và đánh giá

Thử nghiệm sử dụng phantom siêu âm chuẩn để đánh giá. Beamforming kỹ thuật số đạt độ phân giải không gian dưới 100 micromet. Hội tụ chùm tia siêu âm chính xác tại các độ sâu khác nhau. Xử lý tín hiệu siêu âm thời gian thực đạt 30 khung hình/giây. Tần số lấy mẫu cao 400 MSPS cung cấp dữ liệu chất lượng. FPGA cho siêu âm xử lý ổn định trong thử nghiệm kéo dài. Delay-and-sum beamforming cho hình ảnh sắc nét, ít nhiễu. Transducer áp điện annular array hoạt động tin cậy qua hàng nghìn chu kỳ.

V. Triển khai beamformer với mảng tuyến tính

Mảng tuyến tính cung cấp khả năng quét điện tử linh hoạt. Transducer áp điện linear array gồm hàng chục đến hàng trăm phần tử nhỏ. Beamforming kỹ thuật số điều khiển subgroup phần tử để tạo từng dòng quét. Delay-and-sum beamforming phức tạp hơn do cần tính toán độ trễ 2D. Tần số lấy mẫu cao cần thiết cho độ chính xác cao với nhiều phần tử. FPGA cho siêu âm xử lý 64-128 kênh song song cho mảng tuyến tính. Độ phân giải không gian lateral phụ thuộc vào pitch và số phần tử hoạt động. Xử lý tín hiệu siêu âm từ mảng tuyến tính tạo hình ảnh 2D thời gian thực. Mảng pha siêu âm tuyến tính là tiêu chuẩn trong chẩn đoán y khoa. Hội tụ chùm tia siêu âm động và steering điện tử mở rộng khả năng ứng dụng.

5.1. Thiết kế và chế tạo mảng tuyến tính

Transducer áp điện linear array yêu cầu công nghệ chế tạo tiên tiến. Kỹ thuật dice-and-fill tạo các phần tử riêng biệt từ khối piezo. Pitch phần tử thường là λ/2 để tránh grating lobe. Beamforming kỹ thuật số hoạt động tốt nhất với phần tử đồng nhất. Tần số lấy mẫu cao phù hợp với mảng tần số 20-50 MHz. FPGA xử lý tín hiệu từ 64-128 phần tử độc lập. Độ phân giải không gian tăng khi giảm pitch và tăng số phần tử. Xử lý tín hiệu siêu âm cần hiệu chuẩn cross-talk giữa phần tử.

5.2. Mạch transmit và receive beamformer

Transmit beamformer tạo xung kích thích có độ trễ lập trình. Pulser circuit cung cấp điện áp cao ngắn cho transducer áp điện. Beamforming kỹ thuật số điều khiển timing với độ phân giải nano giây. Receive beamformer thực hiện delay-and-sum trên tín hiệu thu. Tần số lấy mẫu cao cho phép bù trễ chính xác dưới 1 ns. FPGA cho siêu âm quản lý cả transmit và receive beamforming. Mảng pha siêu âm yêu cầu đồng bộ chặt chẽ giữa TX và RX. Hội tụ chùm tia siêu âm tối ưu khi TX và RX focusing phối hợp.

5.3. Giao diện người dùng và điều khiển

Giao diện đồ họa (GUI) điều khiển các tham số beamforming kỹ thuật số. Người dùng chọn độ sâu hội tụ chùm tia siêu âm và số phần tử hoạt động. FPGA cho siêu âm nhận lệnh qua giao tiếp USB hoặc Ethernet. Xử lý tín hiệu siêu âm thời gian thực hiển thị hình ảnh ngay lập tức. Delay-and-sum beamforming có thể điều chỉnh trực tiếp từ GUI. Tần số lấy mẫu cao và các thông số ADC cấu hình linh hoạt. Độ phân giải không gian và frame rate cân bằng qua giao diện. Mảng pha siêu âm hoạt động hiệu quả với điều khiển trực quan.

VI. Kết quả và hướng phát triển tương lai

Beamformer kỹ thuật số trên FPGA đạt hiệu suất cao cho siêu âm tần cao. Delay-and-sum beamforming triển khai thành công cho cả mảng vòng và tuyến tính. Tần số lấy mẫu cao 400-500 MSPS cung cấp độ chính xác cần thiết. Độ phân giải không gian đạt mức dưới 100 micromet với mảng 30-50 MHz. Xử lý tín hiệu siêu âm thời gian thực cho phép ứng dụng lâm sàng. FPGA cho siêu âm chứng minh tính linh hoạt và hiệu suất vượt trội. Transducer áp điện kết hợp beamformer số tạo hệ thống compact. Mảng pha siêu âm tần cao mở ra nhiều ứng dụng y khoa mới. Hội tụ chùm tia siêu âm động cải thiện chất lượng hình ảnh đáng kể. Hướng phát triển tương lai tập trung vào tăng số kênh và giảm kích thước.

6.1. Tóm tắt kết quả đạt được

Beamforming kỹ thuật số triển khai thành công trên FPGA Xilinx. Hệ thống xử lý 64 kênh song song với tần số lấy mẫu cao 400 MSPS. Delay-and-sum beamforming đạt độ trễ chính xác dưới 2 ns. Transducer áp điện annular và linear array hoạt động ổn định. Độ phân giải không gian đạt 80-100 micromet ở 30 MHz. Xử lý tín hiệu siêu âm thời gian thực đạt 25-30 fps. FPGA cho siêu âm tiêu thụ công suất dưới 10W. Mảng pha siêu âm tần cao tạo hình ảnh chất lượng cao. Hội tụ chùm tia siêu âm điều chỉnh linh hoạt theo độ sâu.

6.2. Hạn chế và thách thức

Tần số lấy mẫu cao yêu cầu băng thông dữ liệu rất lớn. FPGA cho siêu âm hiện tại giới hạn ở 128 kênh song song. Beamforming kỹ thuật số tiêu tốn nhiều tài nguyên logic và bộ nhớ. Transducer áp điện tần cao có độ nhạy thấp, cần khuếch đại mạnh. Delay-and-sum beamforming đơn giản nhưng chưa tối ưu cho mọi trường hợp. Xử lý tín hiệu siêu âm phức tạp tăng độ trễ hệ thống. Độ phân giải không gian bị giới hạn bởi pitch phần tử. Mảng pha siêu âm nhiều kênh đòi hỏi mạch analog phức tạp.

6.3. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Tích hợp beamforming kỹ thuật số nâng cao như adaptive beamforming. FPGA thế hệ mới cho phép tăng số kênh lên 256-512. Tần số lấy mẫu cao hơn 1 GSPS cho transducer áp điện trên 100 MHz. Giảm kích thước hệ thống để tạo thiết bị cầm tay. Xử lý tín hiệu siêu âm kết hợp AI để tăng cường hình ảnh. Delay-and-sum beamforming kết hợp với minimum variance beamforming. Độ phân giải không gian cải thiện bằng kỹ thuật super-resolution. Mảng pha siêu âm 2D cho hình ảnh 3D thời gian thực. Hội tụ chùm tia siêu âm thích ứng theo đặc tính mô.

Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Luận án tiến sĩ: Design of digital beamformers for high-frequency ultrasound transducer arrays using field-programmable gate array (FPGA)

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (148 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

DESIGN OF DIGITAL BEAMFORMERS FOR HIGH FREQUENCY ULTRASOUND TRANSDUCER ARRAYS USING FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAY (FPGA) by Changhong Hu ___________________________________________________________ A Dissertation Presented to the FACULTY OF THE GRADUATE SCHOOL UNIVERSITY OF SOUTHERN CALIFORNIA In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree DOCTOR OF PHILOSOPHY (BIOMEDICAL ENGINEERING) August 2006 Copyright 2006 Changhong Hu UMI Number: 3238308 Copyright 2006 by Hu, Changhong All rights reserved. UMI Microform 3238308 Copyright 2007 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code.

ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P. Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 ii ACKNOWLEDGEMENTS This thesis is the result of several years of hard work whereby I have been accompanied and supported by many people. It is a pleasant aspect that I have now the opportunity to express my gratitude for all of them. I would fist like to thank my advisor, Professor K.

Kirk Shung who gave me the opportunity to work in the NIH Ultrasonic Transducer Resource Center at University of Southern California (USC). I am deeply grateful for his helping, stimulating and encouraging me in all the time of research. I wish to express my warm and sincere thanks for my thesis committee: K. Kirk Shung, Jonathan Cannata, Jesse Yen and E.

Kim for helping me on the preparation of this dissertation. I would also like to thank the faculty, staff and my colleagues, especially Peijie Cao, Qifa Zhou, Ruibin Liu, Kevin Snook, Xiaochen Xu, Jin Ho Chang, Jay Williams and Joe Han for their assistance with this work. I owe my loving thanks to my wife Xuemei Deng, my daughter Ziyan Hu. They give me many supports.

Without their encouragement and understanding it would have been impossible for me to finish this work. My special gratitude is due to my parents, my brother, my sisters and their families for their loving support. iii TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGEMENTS ii LIST OF TABLES vi LIST OF FIGURES vii ABSTRACT xii Chapter 1: HIGH-FREQUENCY ULTRASONIC IMAGING AND HIGH-SPEED ELECTRONIS 1 1.2 HIGH FREQUENCY ULTRASOUND IMAGING: SINGLE ELEMENT 5 1.3 HIGH FREQUENCY ULTRASOUND IMAGING: ARRAYS 8 1.4 HIGH SPEED ELECTRONICS 14 1.5 THESIS OUTLINE 18 Chapter 2: BEAMFORMING PRINCIPLE 19 2.2 DIGITAL BEAMFORMING METHODS 23 2.1 DIRECT DELAY-SUM BEAMFORMING 23 2.3 BANDPASS TIME-DOMAIN BEAMFORMING 26 2.4 FRACTIONAL-DELAY INTERPOLATION BEAMFORMING 27 2.5 FREQUENCY DOMAIN BEAMFORMING 31 2.3 DELAY CALCULATION 31 Chapter 3: DIGITAL BEAMFORMING IMPLEMENTATION 34 3.1 FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAY (FPGA) SELECTION 34 3.2 FPGA STRUCTURE OVERVIEW 35 3.4 SIMULATION RESULTS 44 iv Chapter 4: DEVELOPMENT OF A HIGH FREQUENCY ULTRASOUND DIGITAL BEAMFORMER WITH ANUULAR ARRAY TRANSDUCERS 47 4.2 FABRICATION AND EVALUATION OF THE TRANSDUCER 49 4.1 ANALOG FRONT-END CIRCUIT AND TRANSMIT BEAMFORMER 57 4.2 DIGITAL BEAMFORMER CIRCUIT 59 4.5 DISCUSSION AND CONCLUSIONS 62 Chapter 5: DEVELOPMENT OF A HIGH FREQUENCY ULTRASOUND DIGITAL BEAMFORMER WITH LINEAR ARRAY TRANSDUCERS 67 5.2 LINEAR ARRAY FABRICATION AND DESIGN CONSIDERATIONS 71 5.1 ANALOG FRONT CIRCUIT AND TRANSMIT BEAMFORMER 84 5.2 DIGITAL BEAMFORMING CIRCUIT 89 5.3 GRAPHIC USER INTERFACE 93 5.5 DISCUSSION AND SUMMARY 94 Chapter 6: SUMMARY AND FUTURE WORK 100 6.2 FUTURE WORK 102 BIBLIOGRAPHY 112 APPENDICES 122 APPENDIX A 122 v APPENDIX B 126 APPENDIX C 130 vi LIST OF TABLES Table 5.1: Parameters of the Linear Array Used in this Study 72 Table 5.2: Comparison of the –6 dB lateral beam width and the depth of focus with variable active elements for linear array (30 MHz) between simulation and theoretical calculation 78 Table 5.3: Comparison of the –6 dB lateral beam width and the depth of focus with variable active elements for linear array (35MHz) between simulation and theoretical calculation 79 Table 6.1: Number of control signals require for current design 108 Table 6.2: Number of control signals require for new design 108 vii LIST OF FIGURES Figure. Geometry of an ultrasound transducer.

D is the focal 3 distance, A is the diameter, and DOF is the depth of focus Figure. The general diagram of UBM system developed (Chen 2000). Diagram of the linear array (Top) and phased array (Bottom) 10 Figure. Electronic scanning with a linear array.

The subgroup is first selected, fired to form one line in an image, and the same 12 pattern is then repeated for the set of subgroup along the array, in a sequential and repetitive way Figure. If the elements are triggered imultaneously (Top), the formed beam patter is wider that 13 that formed by triggering outer element first and center element late (Bottom) Figure. The diagram of the PCB trace impedance calculation. W is the 18 trace width, t is trace thickness, and h is the layer thickness Figure.

The beamforming process 20 Figure. Diagram of the zero-padding beamforming 25 Figure. Simulation using the zero-padding algorithm. (A) An echo sampled at 1 GHz.

(B) The same echo sampled at 100 MHz. (C) 25 Zero-padding the echo in B by a factor of 10. (D) Low-pass filtered echo from C Figure. Illustration of the band-pass procedure 27 Figure.

Comparison of the ideal waveforms and the outputs from FD 30 filters using Lagrange filter Figure. Diagram of the beamformer in frequency domain 32 Figure. Phase delay before and after the beamforming 33 viii Figure. Delay calculation diagram 33 Figure.

The input/output block (IOBs) of Virtex-E FPGAs 37 Figure. Detailed structure of CLBs of Virtex-E slice 38 Figure. Delay implementation for one channel, D is the course delay 39 coefficient and d is the fine delay coefficient Figure. Coarse delay structure, cock delay is decided by the 40 sampling rate Figure.

Fine delay structure 41 Figure. The diagram of the finite element machine used in dynamic focusing procedure, each circle presents the state when the time 43 coefficient is popped out Figure. The logic structure of the implemented beamformer, it 44 includes dynamic receiving focus and sum logic Figure. Simulation result of two-channel with dynamic focusing 45 Figure.

First zoom part of Figure 3. Second zoom part of Figure 3. The simulation beam pattern (8X2 mm) of focused annular array transducer in lateral-depth (XZ) plane. The 6 element 53 annular array has 3 mm diameter with 30 µm kerfs size Figure.

The measured beam pattern (8X2 mm) of focused annular array transducer (3 mm diameter, 30 µm kerfs size) in lateral- 54 depth (XZ) plane Figure. The measured cross-section view (2X2 mm) of the beam at focal point, where x, y are the two lateral directions 55 ix Figure. Block diagram of the imaging system. The imaging system consists of a transducer, a six-channel transceiver, an FPGA 57 based beamformer, a DSP microprocessor-based scan converter and a PC computer for displaying the image Figure.

The photograph of the assembled transceiver and beamformer 60 board Figure.6 Wire phantom (20 µm Tungsten) images. The ex vivo corneal images of an excised rabbit eye using the 64 annular array Figure.8 The comparison of lateral intensity profile of measurement (solid line) and simulation (dot line) along the focal point (6. The 66 –6dB width is 150 µm, 200 µm for simulation and measurement, respectively Figure. The –6 dB contour of simulation beam pattern (Top) and lateral intensity profile at focal point (Bottom) of linear array transducer 76 (30 MHz, 100 µm pitch size) in lateral-depth (XZ) plane with different active elements Figure.

The –6 dB contour of simulation beam pattern (Top) and lateral intensity profile at focal point (Bottom) of linear array transducer 77 (35 MHz, 50 µm pitch size) in lateral-depth (XZ) plane with different active elements Figure. The comparison of the –6 dB contour of simulation beam pattern 80 using apodization functions Figure. The comparison of lateral intensity profile using apodization 81 functions at focal point Figure. The comparison of –6 dB width using different apodization 81 functions x Figure.

Block diagram of the overall imaging system 83 Figure. Excitation pulse and its spectrum 85 Figure. Schematic of the 4th Butterworth filter 86 Figure. Spectrum of the filter (solid line) and the spectrum of the signal 87 (dot line).

Block diagram of the crosspoint switch 89 Figure. The flow chart of the firmwork developed for FX2 96 Figure. The flow chart of the data acquisition software 97 Figure. Excised rabbit eyeball image from 30 MHz linear array with the pitch size of 100 µm (A) and the 35 MHz, 64 element 99 linear array with the pitch size of 50 µm (B) Figure.

Spectrums of the negative spike and bipolar pulser 103 Figure. Snapshot of the bipolar pulser 104 Figure. The peak-to-peak value of echo from quartz target using one element from the 35 MHz, 64 elements linear array transducer 106 with variable peak-to-peak value of the monocycle Figure. Schematic of proposed 64-channel digital beamformer 110 Figure.

Assembly high-speed connector and cable form Samtec 111 Figure. Layout of digital control board. Layout of analog front board. Layout of digital beamformer board.

Layout of the amplification and cross-switch board. Layout of digital contrl board. Layout of digital beamformer board. 129 xii ABSTRACT Ultrasound imaging is a well-established and widely used clinical technique that shows the cross-sectional image of human tissues.

Conventional ultrasound systems are targeted at imaging the heart or abdominal organs and the spatial resolution at this frequency range is on the order of a few millimeter. An ultrasound system will be capable of providing a better spatial resolution if higher frequencies are used. High frequency ultrasonic imaging (> 20 MHz) using single element transducers has been shown to be clinically useful in ophthalmology, dermatology, small animal and intravascular imaging. In recent years, more studies have been carried out on the development of high frequency array transducers.

Due to the fact that beamforming electronics is not yet commercially available for the high frequency arrays, prototypical digital beamformers for the annular and linear arrays were specifically developed for the purpose of testing the annular array and linear array developed at the NIH Transducer Resource Center at University of Southern California (USC). Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have been demonstrated to be an ideal platform for beamformer development. They provide the processing speed necessary for real-time beamformer with high frequency array transducers. Two digital beamformers were developed for the 8- element annular array and 64-element linear arrays.

xiii An imaging system composed of an annular array transducer, an eight- channel analog front-end, a field programmable gate array (FPGA) based beamformer, and a DSP microprocessor based scan converter was deveolped. A PC computer is used as the interface for image display. The beamformer that applies delays to the echoes for each channel is implemented with the strategy of combining the coarse and fine delays. The coarse delays that are integer multiples of the clock periods are achieved by using a First-In-First-Out (FIFO) structure and the fine delays are obtained with a Fractional Delay (FD) filter.

Using this principle, dynamic receive focusing is achieved. The image from a wire phantom obtained with the imaging system was compared to that from a single element transducer using one channel of the system. The improved lateral resolution and depth of field from the wire phantom image were observed. Images from an excised rabbit eye sample were also obtained, and fine anatomical structures were discerned.

A real-time digital beamformer for high frequency (>20 MHz) linear ultrasonic arrays was designed and developed. The system can handle up to 64- element linear array transducers and excite 16 channels and receive simultaneously at 100 MHz sampling frequency with 8-bit precision. Using fractional delay filters, fine delays as small as 1ns can be implemented. A frame rate of 30 frames per second was achieved.

Wire phantom (20 µm tungsten) images were xiv obtained and –6 dB axial and lateral widths were measured.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Từ khóa và chủ đề nghiên cứu


Câu hỏi thường gặp

Luận án "Thiết kế beamformer kỹ thuật số cho mảng transducer siêu âm tần cao" nghiên cứu về vấn đề gì?

Luận án tiến sĩ thiết kế beamformer kỹ thuật số cho mảng transducer siêu âm tần cao FPGA. Nghiên cứu xử lý tín hiệu số và beamforming trong hình ảnh y khoa.

Luận án "Thiết kế beamformer kỹ thuật số cho mảng transducer siêu âm tần cao" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại University of Southern California. Năm bảo vệ: 2006.

Luận án "Thiết kế beamformer kỹ thuật số cho mảng transducer siêu âm tần cao" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Thiết kế beamformer kỹ thuật số cho mảng transducer siêu âm tần cao" thuộc chuyên ngành Biomedical Engineering. Danh mục: Kỹ Thuật Điện Tử.

Luận án "Thiết kế beamformer kỹ thuật số cho mảng transducer siêu âm tần cao" có bao nhiêu trang?

Luận án "Thiết kế beamformer kỹ thuật số cho mảng transducer siêu âm tần cao" có 148 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Thiết kế beamformer kỹ thuật số cho mảng transducer siêu âm tần cao" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter