医学超声内窥镜系统模拟和数字滤波电路的设计

论文摘要

医学超声内窥镜是电子内窥镜技术与超声传感技术、微机电技术、现代计算机技术等高新技术不断发展和融合的产物。内窥镜超声成像系统可以通过超声扫描,获得较为清晰、准确的消化道器官的断层图像,为医生的对症施治提供了客观的依据。相对于其它成像方式,超声成像具有无创伤和无电离辐射等优点。回波信号滤波电路是超声内窥成像系统的关键组成部分。采用微型超声探头的超声内窥成像系统,探头平均发射功率较普通体外超声探头有所降低,其回波信号幅度也比较低。另外,旋转的微型电机以及前端的放大电路和增益补偿电路会引入大量的噪声,因此需要设计模拟和数字带通滤波器,以提高超声图像的信噪比。本文简介了超声成像原理和超声内窥成像系统的特点,设计了模拟带通滤波器和数字带通滤波器,在课题组“数字医学超声内窥成像系统”得到实际应用。本文的主要工作如下:1.在分析超声内窥镜系统特点的基础上,确定模拟带通滤波器和数字带通滤波器的设计指标。2.对四种不同的模拟滤波器系数计算方法(巴特沃思滤波器、切比雪夫滤波器、反切比雪夫滤波器、椭圆滤波器)进行了分析和比较,并对不同的模拟带通滤波器电路结构(无源和有源)进行对比,确定以巴特沃斯滤波器为原型的有源模拟带通滤波器的实现方案;对实现的滤波器进行Spice仿真,并根据实际情况和仿真结果对滤波器参数进行调整;设计基于LT1568模拟带通滤波器的PCB电路并进行调试。3.在比较FIR和IIR滤波器性能的基础上,选取FIR作为数字带通滤波器的实现方法;对不同的滤波器系数设计方法(窗函数法、最佳方法、加权最小平方法)进行比较,选用了加权最小平方法;对不同的滤波器运算结构(直接FIR结构、转置FIR结构、串并结构、查找表结构、基于滤波器系数的位平面结构)进行比较,选用了转置FIR结构;设计、仿真、调试了数字带通滤波器的FPGA程序。4.进行模拟和数字带通滤波器与超声内窥成像系统的联调实验,实验结果表明,带通滤波器有效的提高了超声系统信噪比,达到了设计指标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 内窥镜超声成像系统概述
• 1.1.1 内窥镜发展简介
• 1.1.2 内窥镜超声成像系统结构
• 1.1.3 内窥镜超声成像系统研制的意义
• 1.2 医学超声内窥镜系统中的滤波器技术
• 1.2.1 超声系统中滤波器技术的目的和意义
• 1.2.2 医学超声内窥镜系统滤波器技术发展趋势
• 1.3 本文的主要工作与意义
• 1.3.1 研究意义
• 1.3.2 本论文的主要工作
• 第二章 模拟滤波器与数字滤波器的设计方法
• 2.1 模拟带通滤波器
• 2.1.1 模拟带通滤波器的原理
• 2.1.2 模拟带通滤波器的系数设计方法
• 2.1.3 模拟带通滤波器电路结构的选择
• 2.2 数字带通滤波器
• 2.2.1 数字带通滤波器的原理
• 2.2.2 数字滤波器的系数设计方法
• 2.2.3 数字带通滤波器运算结构的实现方法
• 2.3 本章小结
• 第三章 模拟带通滤波器的设计、仿真及电路实现
• 3.1 模拟带通滤波器的电路设计
• 3.1.1 集成有源滤波器芯片的选择
• 3.1.2 电路结构的设计
• 3.1.3 模拟带通滤波器外围电路参数的设计
• 3.1.4 基于LT1568 带通滤波器的PCB设计
• 3.2 模拟带通滤波器的Pspice仿真及参数调整
• 3.2.1 Pspice仿真工具介绍
• 3.2.2 LT1568 带通滤波器的Pspice仿真
• 3.3 滤波器的调试
• 3.3.1 模拟滤波器的单独调试
• 3.3.2 模拟带通滤波器与超声系统的联调
• 3.4 本章总结
• 第四章 数字带通滤波器的设计、仿真及电路实现
• 4.1 FIR数字带通滤波器的系数设计
• 4.1.1 基于Matlab的滤波器设计工具包简介
• 4.1.2 FIR数字带通滤波器系数的设计
• 4.1.3 系数的量化和误差分析
• 4.2 FIR数字带通滤波器运算结构以及FPGA程序的设计
• 4.2.1 FPGA软件开发环境和设计流程
• 4.2.2 滤波器结构的FPGA设计
• 4.3 数字带通滤波器的仿真
• 4.3.1 功能仿真
• 4.3.2 时序仿真
• 4.4 基于FPGA的数字带通滤波器的电路调试
• 4.4.1 调试方案的设计
• 4.4.2 调试结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 下一步工作的展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢