[发明专利]使用CAPI加速的FPGA医学超声成像系统

说明书

本发明提供了使用CAPI加速的FPGA医学超声成像系统。本发明的系统采用使用CAPI加速的FPGA来实现医学超声成像，并且成像算法本身针对FPGA的结构做出了相应的适配和改进，使其计算流程适用于逻辑门电路的执行，从而提高医学超声成像的成像帧率。与传统的基于计算机执行的医学超声成像系统相比，本发明使用CAPI加速的FPGA医学超声成像系统具有极高的并行计算能力，可在极短的时间内完成高清医学超声图像算法的复杂计算，可以实时且高清地呈现医学超声影像。本发明使用的基于CAPI加速的FPGA计算核心可直接在SuperVessel平台免费使用，成本低、实用性强。

技术领域

本发明属于医学超声成像领域，具体涉及使用CAPI加速的FPGA医学超声成像系统。

背景技术

在医学超声成像系统中，物理阵元发射超声波并接收回波信号，然后在运算单元中通过成像算法将回波信号数据转换为图像数据并显示出来。传统的医学超声成像成像系统的核心计算通常在中央处理器CPU上实现，但高清成像算法的庞大成像数据及复杂的运算过程，使得传统CPU已经无法满足其对高性能高并发运算的需求。

近年来CPU的频率不断提高、单芯片上CPU核心数目不断增加，出现了双核、四核甚至八核，但多核CPU的发展存在瓶颈，其核心频率和运算吞吐率很难有进一步的突破性提高。有学者提出集成更多的运算单元来提高单位时间的计算能力，但这会造成设备体积和功耗的增加，同时使成本提高。另一方面，目前的现场可编程逻辑门电路技术(FPGA)发展迅猛，一块FPGA芯片中可以集成成百上千的定制运算核心，使其并行计算能力大幅提升，这为实现实时高清医学成像提供了很好的硬件条件。另外由IBM提出的CAPI传输接口，解决了FPGA芯片与传统PC机之间数据传输速度较慢的问题，进一步扫清了使用FPGA作为医学超声成像核心计算模块的技术瓶颈。本发明充分利用了CAPI传输接口的数据传输能力和FPGA强大的并行计算能力，将复杂的高清医学成像算法在FPGA芯片中实现，完成了基于CAPI加速的FPGA医学超声成像系统的构建。

目前超声医学成像设备中使用的计算核心大多是普通计算机中的中央处理器，该实现简单，能满足医学超声成像的基本需求，但图像帧率低，单台成像设备成本高。

发明内容

本发明的主要目的是解决目前医学超声成像设备速度慢成本高的问题，提供使用CAPI加速的FPGA医学超声成像系统，为实现低成本高帧率的医学超声成像系统，运用了使用CAPIFPGA加速的SuperVessel云平台，充分挖掘了FPGA芯片高并发运算能力实现延迟叠加波束形成算法的实现，达到了医学超声成像系统中低成本高帧率的要求。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

使用CAPI加速的FPGA医学超声成像系统，其采用基于CAPI传输技术的FPGA芯片实现医学超声成像的核心计算过程，并且超声成像延迟叠加算法本身针对FPGA的结构做出了相应的适配和改进，使其计算流程适用于逻辑门电路的执行，从而提高医学超声成像的成像帧率。

使用CAPI加速的FPGA医学超声成像系统包括数据仿真模块、核心计算模块和显示图像模块；数据仿真模块采用Field II得到的超声仿真数据，通过网络传输到云主机中，经过CAPI接口传输到FPGA芯片后，核心计算模块执行并行的延迟叠加波束形成算法，计算得到图像数据，经过网络传输回来，通过显示图像模块显示出来。

进一步的，所述数据仿真模块使用Field II仿真器模拟超声成像中超声波的传播过程并取得仿真数据；在数据仿真模块中首先根据现实超声成像设备相应配置来模拟对应的仿真物理数据，创建发射和接收阵元，创建模拟检测对象，然后按照扫描线逐条模拟发射并接收回波数据。

进一步的，核心计算模块为基于CAPI传输技术的FPGA芯片，在FPGA芯片中实现延迟叠加波束形成算法，与基于CPU计算的延迟叠加波束形成算法具有相同的输入输出数据流和相同的延迟叠加处理。