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相控阵超声内镜发射系统设计及成像算法的并行实现研究

相控阵超声内镜发射系统设计及成像算法的并行实现研究

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作者：李溦天津大学

学位级别：硕士

医用超声内镜成像检查技术将内镜和超声相结合,在利用内镜直接观察消化道病变的同时,可利用超声进行实时扫描诊断,且检查过程对人体无损,是消化道疾病检测最有效的方法之一。医用超声内镜可分为机械环扫超声内镜和相控阵超声内镜两种。... 详细信息

医用超声内镜成像检查技术将内镜和超声相结合,在利用内镜直接观察消化道病变的同时,可利用超声进行实时扫描诊断,且检查过程对人体无损,是消化道疾病检测最有效的方法之一。医用超声内镜可分为机械环扫超声内镜和相控阵超声内镜两种。相对于传统的机械环扫超声内镜而言,相控阵超声内镜不仅成像更加清晰、系统抗干扰能力更强,而且还可用于穿刺等临床治疗,优势明显。目前,制约相控阵超声内镜系统性能的直接因素是超声换能器的阵元数量。增加阵元数量虽然能够改善系统成像分辨率、提升系统性能,但是与之对应的硬件设计会变得更加复杂,同时,待处理数据量也会随之增加,系统的实时性无法得到保证。针对上述问题,本文设计了一种64阵元医用相控阵超声内镜成像系统方案,该系统主要由信号发射选通模块、回波接收传输模块以及数据并行处理模块等三个子系统组成。其中,本文主要完成了基于FPGA的信号发射选通模块及基于GPU的数据并行处理模块的研发,并通过相关实验,验证了所研发模块在相控阵超声内镜成像系统中的可行性与高效性。本文的主要工作包括:1.制定了64阵元相控阵超声内镜成像系统方案:在该系统中,FPGA作为控制核心,负责信号的发射选通与回波的接收传输;GPU作为处理核心,负责数据的并行处理与图像显示。2.设计了相控阵超声内镜发射系统:完成了发射电路、选通电路及限幅电路的硬件设计;以FPGA为控制核心,编写相控发射程序,实现了该子系统的高压脉冲激励、信号延时、阵元选通、限幅隔离等功能。3.完成了对回波数据的并行处理与图像显示:以GPU为数据处理核心,通过对系统采用的合成孔径成像算法进行并行化处理分析,提出了一种“MATLAB+CUDA”的混合软件架构,并使用NVIDIA GeForce GT630显卡实现了成像算法的硬件加速。4.利用各子系统模块搭建了64阵元相控阵超声内镜成像系统,通过对水槽中的铁丝和猪皮组织进行成像实验,验证了系统的可行性与高效性。

关键词：超声内镜成像相控发射 FPGA 合成孔径并行实现 GPU

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