人們一直希望便攜式超聲系統能以低成本提供出色的分辨率。便攜式系統使醫療保健服務提供商能夠在災區、發展中地區和戰場等地區使用超聲設備。然而設計這些結構緊湊的系統非常復雜，面臨諸多挑戰，因為此類系統要包含多達128個通道，要求支持連續波多普勒，滿足眾多連接功能要求，支持模數轉換、高端DSP、高速互聯和強大的處理能力等。本文將向設計工程師介紹如何利用Virtex-6、Spartan-6和7系列FPGA解決上述復雜問題，在適當的成本和功耗約束范圍內快速為市場提供尖端超聲技術。

　　超聲技術

　　超聲設備向身體發射聚焦聲束超聲波，并通過聲波反射的強度及延遲差異重現對象圖像，從而形成生物組織的聲波照片。聲波技術通常配合探頭模塊末端的壓電式換能器陣列使用，按壓在身體上。壓電式換能器元件在高壓（5VPP–300VPP）脈沖電流激勵下產生振動，進而生成發射聲波。陣列中各個元件的相位彼此對齊，在身體預先指定的位置和距離形成聚焦聲束超聲波。入射波通過對象時，各組織層之間的聲阻抗差就會產生反射發回到換能器（見圖1）。

　　圖1 聲波反射

　　發射聲波后，換能器元件立即變成檢測器，接受回波信號。在待分析區沿著成百上千條掃描線聚焦發射波束，就能形成代表性身體圖，然后在后端電子系統中重組這些掃描線，就形成了2D圖像（見圖2）。3D超聲系統沿著副軸機械移動換能器陣列，增加三維掃描線。

　　圖2 通過掃描線形成圖像

　　發射電子器件或發射波束形成器的工作相對簡單，只需在圖像范圍發射聲波并正確對齊相位即可。但接收電子器件的任務則比較復雜，涉及專有技術，要把接收到的聲反射轉化為圖像。接收電子元件或接收波束形成器必須對各個接收通道適當進行相位對齊以設置正確的聚焦深度，濾波輸入的數據，對波形進行解調，再將所有通道累加在一起形成掃描線。每條掃描線重復上述操作，然后對所有掃描線進行聚集、內插并濾波，以形成最終圖像。

　　便攜式超聲系統組件

　　市場上主要有四種不同外形的便攜式超聲產品（圖3）：手持式超聲設備、平板式超聲設備、膝上型超聲設備、“飯盒式”超聲設備。

　　圖3 便攜式超聲設備的外形

　　本文將重點介紹膝上型超聲設備。從高級層面而言，超聲系統由三個獨特的處理模塊組成：模擬前端（AFE）、帶前端處理功能的波束形成器和后端（見圖4）。

　　圖4 超聲系統模塊方框圖

　　模擬前端（AFE）

　　模擬前端（AFE）是超聲應用中一款高度專業化的系統，既可通過每8至16個通道采用全集成單芯片的形式，也可通過每通道采用多芯片定制解決方案來實現。為了滿足換能器接收信號動態范圍較大的要求，我們可用可變增益放大器（VGA）或時間增益補償器（TGC）將信號映射到模數轉換器（ADC）較窄的動態范圍上。在全集成AFE（圖5）中，VGA/TGC由邏輯通過SPI接口控制。ADC數據串行連接，并通過LVDS或新興JEDEC JESD204x標準傳輸到數字處理器件。

　　圖5 模擬前端

　　在AFE發射側，DAC用來將輸出脈沖數據轉換為模擬數據。模擬信號驅動高壓脈沖器或放大器，進而產生換能器的發射波形。

　　波束形成器

　　超聲波束形成器包括兩個組成部分。發射波束形成器（又稱Tx波束形成器）負責啟動掃描線并生成發送給換能器元件的定時脈沖串，以設置對象所需的聚焦點。接收波束形成器（又稱Rx波束形成器）負責從模擬前端接收回波波形數據，并將數據通過濾波、開窗（切趾術）、求和及解調整理為代表性掃描線。這兩個波束形成器模塊保持時間同步，連續向彼此傳送時序、位置和控制數據。

　　Tx波束形成器負責定時數字脈沖串的導向（steering）和生成，該脈沖串外部轉換為換能器的高壓脈沖。根據給定掃描線聚焦超聲波束所需的即時位置可實時計算出延遲。Tx波束形成器模塊相當小，占用的邏輯資源不到Rx波束形成器的10%。其包括時序生成器和脈沖成形，通常并行連接到外部DAC。

　　Rx波束形成器對原始換能器Rx數據進行分析，以提取并聚集成超聲掃描線。這是一個DSP密集型模塊，會占用大量的邏輯資源。圖6對處理步驟和子模塊進行了匯總。

　　圖6 Rx波束形成器功能步驟

　　每個通道都要進行上述每個步驟，直到最后求和；而每個掃描線則需要進行其他步驟。這是一種典型的處理流程，實際超聲實施方案可采用上述步驟的任意組合，并配合其他專有處理模塊。

　　后端處理

　　后端處理引擎通常包括B模、M模、多普勒和彩色血流處理功能塊。上述功能塊同時工作，執行多種不同的任務。B模處理引擎負責接收解調和壓縮的掃描線，并用內插和灰度映射在掃描線基礎上形成二維灰度圖像。M模將一段時間內的數據點加以比較，從而識別出聲源的運動、速度和運動位置。多普勒處理來自多普勒專用模擬前端的數據，并生成精確的方向和速度信息。彩色血流處理模塊將色度映射到運動數據上，反映出速度和方向，再將其覆蓋到B模功能塊生成的灰度圖上。隨后后端進行清空，根據超聲醫師和所用顯示設備的要求調節圖像，并存儲、顯示和發送靜態輸出及視頻輸出。

　　我們可在超聲系統中使用多種不同增強技術來減少斑點，改進聚焦，并設置對比度和灰度深度。例如：角復合、小波分解、各向異性雙邊濾波、直方圖均衡化、幀平滑、邊緣檢測等。

　　功耗

　　降低功耗是一項主要的設計約束。就便攜式醫療超聲系統而言，降低功耗至關重要。醫療系統電源對安全性和質量也有著嚴格的標準要求。在滿足上述安全性和質量標準要求的同時，一旦對功率要求有所提升，電源設計必將面臨非常嚴峻的成本和復雜性挑戰。

　　散熱也是降低功耗的一大原因。必須做好散熱工作，確保系統組件的溫度在適當的工作范圍內。因此我們必須認真設計散熱片、風扇、封裝和PCB。而FPGA有助于解決上述一些功耗約束難題。

　　便攜式超聲系統的接口復雜性

　　便攜式超聲系統在小型封裝中集成了眾多不同類型的組件。每個組件都有不同的接口要求，這就需要我們采用多樣化的連接解決方案。

　　便攜式超聲系統接口存在三大問題。其一，就是波束形成器邏輯和數據轉換器之間AFE接口的I/O數量較多。JESD204A為未來的超聲系統提供了極富吸引力的解決方案。

　　其二，就是前端和后端處理模塊之間的問題。為了盡可能減少I/O數量，我們通常在兩個不同領域之間使用高速SerDes鏈接。在高端系統中（通常為購物車外形），我們可用PCIe背板來滿足高帶寬要求。圖7給出了現代便攜式超聲系統中的主要接口。

　　圖7 典型便攜式超聲接口

　　其三，就是設計人員往往受制于常用組件的成本和I/O方面的限制。FPGA能夠讓設計人員在單個器件中集成多種系統功能。該器件將一系列可配置存儲器、DSP和I/O與大量邏輯單元緊密集成在一起，并采用先進的工藝技術制造而成。單個器件系統集成大幅降低了物理PCB級連接的技術挑戰和成本壓力。由于FPGA芯片由FPGA制造商設計，因此用戶不必擔心NRE及生產成本。用戶只需創建設計，把設計文件下載到FPGA器件上，就能完成特定設計的配置工作。

　　賽靈思FPGA在便攜式超聲系統中的應用

　　賽靈思FPGA可幫助便攜式超聲供應商更好地推出小型化高性能低功耗產品。

　　降低功耗

　　降低功耗的主要原因在于：（1）在電池或發電機供電情況下延長工作時間；（2）減少對電源性能的需求（電源性能受制于嚴格的質量與安全控制要求）；（3）最大限度地減少系統熱量，從而減少散熱管理設計的成本、尺寸和重量。

　　賽靈思FPGA能夠在技術、架構和設計工具三個方面進一步降低便攜式超聲設計的功耗。

　　圖8顯示了Virtex-6器件的一般晶體管組合，能夠以最低功耗滿足所需的性能基準要求。這種方案也在7系列FPGA中得以延續，而且與前代產品系列和業界競爭型FPGA相比，利用28nm定制工藝能將靜態功耗銳降40–80%。

　　圖8 Virtex-6 FPGA中的8種晶體管類型分布

　　降低功耗不僅限于工藝技術層面，通過采用較低功耗的LUT6架構，實現更多時鐘門控選項以及嵌入PCI Express、以太網MAC等關鍵IP模塊，并創建更直接的路由選項，我們能夠進一步降低功耗，從而減小連接點之間的電容。對于需要最小化功耗的應用領域而言，相對于前代FPGA而言功耗也能實現50%的顯著改進。

　　賽靈思獨特的自動時鐘門控技術能將動態功耗降低多達30%。下一步重要工作就是用賽靈思的XPower Analyzer全面分析設計功耗情況，如圖9所示。

　　圖9 XPower Power分析界面

　　該工具可提供準確的實現后功耗分析，凸顯了潛在能夠降低功耗的設計區域。根據功耗瓶頸情況，用戶能夠實現賽靈思自動化功耗改進工具的任意組合，如邏輯再綜合、功耗優化放置以及路由電容優化等。如果仍需要進一步降低功耗，我們還能用XPower工具來明確哪些模塊產生的功耗最多，哪些設計方法最適用于降低動態功耗。

　　采用賽靈思FPGA從容應對接口挑戰

　　便攜式超聲系統中最關鍵的接口瓶頸是AFE到波束形成器的接口，我們在此需要大量I/O與并行DAC和LVDSADC接口相連。

　　為了進一步降低AFE到波束形成器接口的復雜性，模擬供應商采用高速串行JEDEC JESD204A標準作為從ADC向DAC傳輸數據的高效途徑，其速率可高達每通道每秒3.125Gb。賽靈思能夠為采用GTP/GTX收發器的ESD204A標準提供全方位的支持。

　　雖然JESD204A標準是比較受青睞的解決方案，但在多個低邏輯密度的高引腳數FPGA上對前端設計進行分區更合適。這種方案幾乎徹底杜絕了在以下方面同時進行輸出（SSO）轉換的問題，如：在更多VCC/GND對上分布I/O；為PCB布局工程師提供更大的工作面積（這可進一步避免PCB路由擁堵問題），以及；為在更大的封裝和PCB空間（可作為散熱片發揮作用）中進行布局設計減少了散熱管理問題。不過，設計分區也會帶來PCB尺寸放大的不利影響，進而導致系統體積增大，因此設計人員應當根據空間約束、通道數量以及模擬前端的設計要求實現良好的平衡。

　　在此情況下，FPGA可謂最佳解決方案，能實現較多的引腳數量，同時還具有大容量的片上存儲器。

　　可高度擴展的設計

　　如果采用7系列FPGA的統一架構，就能大幅縮短開發時間，確保用戶快速在整個產品系列中實現設計模塊的移植。此外，IP核的可用性也能顯著獲得提升，因為賽靈思和IP核合作伙伴僅需一次性優化IP核即可，隨后就能根據不同的器件要求加以調整，從而盡可能減少修改幅度，而且每個系列的重復驗證也會很方便。統一架構的另一優勢在于其能在較短的時間內為新的超生系統獲得醫療設備認證，因為大部分HDL代碼都能在不同產品系列上實現重復利用，在某些情況下甚至包括網表的重復利用。

　　總而言之，賽靈思的通用架構能大幅提高超聲系統供應商的規模經濟效益，幫助他們提供多種不同的系統功能和復雜性選擇，同時還能縮短開發時間和產品的批準認證時間，使供應商能夠更方便地根據不同應用需求使用性價比最高的器件。

　　賽靈思IP核

　　賽靈思IP核是賽靈思設計方案的關鍵構建塊。種類豐富的基礎IP核可滿足FPGA設計人員的一般性需求，而穩健可靠的特定領域和特定市場IP核則能滿足DSP、嵌入式和連接設計的特定需求。超聲系統所需的眾多關鍵DSP功能和連接接口都可作為賽靈思或合作伙伴的IP核提供。使用賽靈思IP核不僅能夠最大限度地縮短開發時間，并且還能幫助用戶集中精力實現產品差異化設計，而非標準功能開發——這是使用賽靈思產品的一項獨到的優勢。

　　總結

　　Spartan-6、Virtex-6和7系列FPGA均可提供專用ASIC和DSP的高性能，同時還具備極低NRE成本、大幅縮短產品上市時間、便于設計移植、高I/O數量和PCB布局簡化等優勢。此外，配合業界領先的功耗優化工具，賽靈思的40nm和即將推出的28nmFPGA定制低功耗工藝技術還能大幅降低功耗，顯著優于業界同類型的競爭解決方案。上述所有優勢都能幫助便攜式超聲系統開發人員快速部署系統，在預算和功耗要求限度內推出最新技術，從而改進患者的護理工作。

　　作者：賽靈思公司醫療市場高級營銷經理Todd Koelling