[发明专利]一种多通道同步实时数字化光声成像装置及方法

权利要求书

1.一种多通道同步实时数字化光声成像装置，其特征在于，包括激光器、依次相连的多元超声探测器、前置放大电路和数据成像处理单元，所述激光器发射激光照射到生物组织上产生光声信号，然后由多元超声探测器将光声信号转换为电压信号，再经前置放大电路放大传送到数据成像处理单元；

所述数据成像处理单元包括若干个FPGA采集卡、PXIe背板、CPU板卡和时钟同步板卡，每个FPGA采集卡均与前置放大电路信号连接；所述PXIe背板包括PCIe/PCI转接桥、PCIe交换器，用于CPU板卡、FPGA采集卡的连接及通信，所述CPU板卡与FPGA采集卡之间通过PCIe交换器进行数据传输，各个FPGA采集卡通过PXIe总线与CPU板卡进行通信；所述FPGA采集卡之间通过PCIe交换器进行采集卡之间的P2P数据传输，所述时钟同步板卡与PXIe背板连接，通过时钟总线提供系统差分时钟、差分同步信号、差分星型触发，并且向下兼容PXI时钟，实现多个FPGA采集卡的同步处理。

2.根据权利要求1所述的多通道同步实时数字化光声成像装置，其特征在于，所述激光器为纳秒脉冲激光器，脉宽在1-100ns之间，波长在532-1319nm之间，照射到生物组织上的能量小于20mJ/cm²；

所述多元超声探测器的阵元数为64、128、256、384中的一种，探测器的主频从100KHz到30MHz，与探测的光声信号主频匹配，多元超声探测器为线形、扇形、环形的多元超声探测器；

所述前置放大电路放大倍数在25dB～60dB之间，带宽在100KHz～100MHz之间，前置放大电路前端设计了阻抗变换电路，调谐电路用来与多元超声探测器实现阻抗匹配。

3.根据权利要求1所述的多通道同步实时数字化光声成像装置，其特征在于，所述FPGA采集卡包括信号调理与采集模块、FPGA控制器、PXIe控制器和DRAM，所述信号调理与采集模块、PXIe控制器和DRAM均分别与FPGA控制器相连，PXIe控制器与PXIe背板中的PCIe交换器相连。

4.根据权利要求3所述的多通道同步实时数字化光声成像装置，其特征在于，所述FPGA控制器包括FIFO模块、主控制单元、内部RAM、CMT和DSP48E Slices；所述信号调理与采集模块将输入的模拟信号转换成串行的数字信号后通过总线输入到FIFO模块，FIFO模块将信号传输到主控制单元，然后通过DSP48E Slices进行相关的运算并将结果存储在内部RAM里面，CMT提供FPGA采集卡内部运行时钟及外部、DRAM、PXIe时钟；

所述信号调理与采集后的总线传输包括数据总线、控制总线及时钟，数据总线为LVDS传输；

所述信号调理与采集模块包括VCA、A/D转换模块、串行控制模块、LVDS转换模块，用于将输入的模拟信号转换成LVDS输出。

5.根据权利要求1所述的多通道同步实时数字化光声成像装置，其特征在于，所述PXIe机箱采用工业标准，为9槽，14槽，18槽的PXIe机箱；

所述CPU板卡包括内存、CPU、硬盘、USB接口、GPIB接口和RS232接口。

6.一种多通道同步实时数字化光声成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)激光器发射激光照射到生物组织上产生光声信号，并产生同步采集信号触发FPGA采集卡，多元超声探测器同步接收产生的光声信号并将其转换为电压信号，经前置放大电路放大后分别传送到数据成像处理单元中的若干个FPGA采集卡；

(2)每个FPGA采集卡中的信号调理与采集模块对信号进行放大及滤波，然后经A/D转换发送到FPGA控制器，FPGA控制器对信号进行去卷积、连续小波变换、声光衰减补偿，最后将信号通过PXIe背板中的PCIe交换器以P2P数据传输方式传输到其中一块设定的FPGA采集卡上；

(3)该设定的FPGA采集卡对所有信号采用2-D滤波反投影算法进行成像处理，然后将处理后的数据通过DMA通道传输到CPU板卡上，从而在上位机上通过显示、存储、图像调节实现实时显示及动态回放、三维显示。