基于FPGA的超声相控阵一维线阵多焦点系统的设计与实现

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研究发现,在MATLAB算法仿真中可以同时形成两个或者多个超声聚焦点,因此利用电子系统控制各个阵元的发射延迟时间和激励幅度可以实时形成两个或者多个焦点。在传统一维线阵超声相控阵单焦点的研究中,需要改变各个阵元发射延迟数据以形成第二个焦点,在临床实际治疗中,单焦点模式治疗会花费较长的时间,延长患者不必要的疼痛。因此本论文的研究重点是在现有的理论基础上,采用超声相控阵聚焦技术,实现基于FPGA的超声相控阵一维线阵多聚焦点的硬件系统。首先,论文分析了超声相控阵聚焦技术的国内外研究现状,认识到要进行超声相控阵一维线阵多聚焦点的研究与设计,必须对超声相控阵发射聚焦和发射延迟时间精度有很好的掌握,所以论文首先对超声相控阵聚焦技术进行了研究,分析了现有的超声相控阵多聚焦点技术理论的可行性。本文在查阅大量文献基础上,提出了基于FPGA的超声相控线阵多聚焦点硬件系统的设计方案,利用超声相控阵聚焦技术同时形成两个或多个聚焦点进行研究。根据超声换能器内各个阵元的参数,利用MATLAB软件对特定位置及深度的两个聚焦点进行仿真得到64阵元的不同发射延迟时间和激励幅度的数据,存储在FPGA芯片的ROM IP核中,根据超声成像软件对待检测区域选取靶点,将得到的两个聚焦点的位置及其深度信息数据下发给FPGA处理,FPGA调取ROM中的数据发射驱动信号给高压脉冲芯片,最终在指定位置形成两个或者多个实时聚焦点。其次,论文提出了超声相控阵多聚焦点发射系统的总体设计方案,包括USB3.0转FPGA接口电路、控制电路、驱动电路、探头转换板和ACDC电源方案。并根据设计方案利用Cadence软件完成了硬件电路的设计与实现,重点是对控制电路与驱动电路的设计,接着利用Quartus Ⅱ软件完成了逻辑代码设计。为后续验证基于新方案系统的超声相控阵多焦点聚焦性能搭建起了硬件平台。最后,对设计的驱动电路进行了测试与分析,并搭建系统硬件平台,利用声场扫描仪对新系统进行了声场扫描验证。验证结果:新系统形成的超声多聚焦点与预期的理论值相符。
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