硬件加速机制在超声中的应用研究

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1、中国科学技术大学硕士学位论文硬件加速机制在超声中的应用研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：赵占祥微电子学与固体电子学金西副教授二O一二年五月二日UniversityOfScienceandTechnOIOgyOfChinaAtheSiSfOrmaSter’SdegreeReSearChOnhardWareaCCeIeratiOninUItraSOUndapp¨CatiOnAuthor’sName：ZhanxiangZhaoSpecial时：MicroelectronicsandSolidState

2、ElectronicsSupervisor：Pro￡XiJinFinishedtime：May2n0，2012中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：堑坚叠签字日期：竺!兰：兰∑鲨中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文

3、的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。区么开口保密(——年)作者签名：丝坚墨主导师签名：签字日期：竺!兰：!．趣签字日期：摘要超声成像是最广泛使用的医疗成像方式之一，具有成本低和对人体无损伤的特点，现代超声成像系统的关键问题是怎样在高精度成

4、像的同时保持高帧率输出。高精度成像最重要的技术是波束合成，随着超声探头上阵元数不断增加，传统直接存储波束合成延时参数的方法需要大容量的存储器，不仅速度慢，而且成本较高。目前的超声成像仪器大多使用通用处理器来处理超声图像，这在进行三维体绘制等数据密集型计算时，难以达到高帧率输出。本文研究了硬件加速机制在超声成像中的应用，在需要处理大量数据的波束合成和三维体绘制两方面进行硬件加速，达到高精度成像和高帧率输出的目标。文中根据波束合成延时参数实时计算和三维体绘制计算的特点，利用FPGA的优势，选择适用于硬件的CO

5、RDIC和She卅warp算法，设计了并行流水线的硬件结构，计算精度高、速度快，保证了高精度成像和高帧率输出，同时降低制造成本。随着超声成像系统采集数据的大量增加，成像模式日渐复杂，需要处理的数据量日渐增多，本文研究的硬件加速机制在超声中将有广泛的应用前景，可以在数据采集、信号处理、信息提取、图像绘制等环节进行硬件加速，实现高精度、高帧率的超声成像。本文主要的技术特点为：(1)在高精度成像方面，对波束合成延时参数计算进行硬件加速。根据超声探头的几何形状和超声波发射与接收信号通路的特点，用10级CORDIC

6、流水线结构实时计算延时参数，同时多个延时参数计算硬件加速器可以并行使用，实现大量通道的实时多波束合成。(2)在高帧率图像输出方面，进行三维体绘制的硬件加速。考虑到三维体绘制需要处理大量数据，首次提出使用FPGA来硬件加速基于She雅w￡ulp算法的三维体绘制，采用15路并行流水线结构的浮点运算来进行三维体绘制，利用FPGA丰富的片上存储器资源来快速随机存取数据，最终实现60帧／秒的实时三维成像。(3)利用FPGA的特点和优势，实现硬件加速机制在超声成像系统中的有效应用。通过与使用CPU、GPU进行体绘制计

7、算的已有成果比较，总结出基于FPGA的硬件加速器的优点是计算速度快、功耗低，适用于便携式医疗设备。本文设计的波束合成延时参数实时计算硬件加速器应用于超声前端板，在摘要AlteraAHia—IIGXFPGA上综合后一个硬件加速器占用3238个ALUT，在300MHz工作频率下每秒可以计算3亿个延时参数，同时采用多个硬件加速器并行计算。三维体绘制硬件加速器应用于超声成像板，在XilinxViIrtex．6FPGA上综合后占用38，216个Slice，在100MHz工作频率下可以实现256母256牵256像素三

8、维数据的60帧／秒成像，相比自主开发的基于IntelQ6600CPU(主频2．4GHz)的PC端软件，实现了128．4倍的加速。关键词：硬件加速超声成像延时参数CORDICShear—wa印并行流水线结构IIAbstractUl仃asoundimagingisoneofthewidelyusedmedicalimagingmemodsforitslowcostandbeinghar】[Illesstoh眦anbody．Thec