基于cpu+gpu異構(gòu)架構(gòu)的超高速超聲成像裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于超聲成像領域，涉及一種在多角度平面波發(fā)射的基礎上，基于CPU+GPU 異構(gòu)架構(gòu)的超高速超聲成像裝置及成像方法。
【背景技術】
[0002] 傳統(tǒng)的超聲成像系統(tǒng)，不論對于B模式，Color模式或PW模式，均采用多陣元發(fā)射 脈沖波，利用延時控制發(fā)射聚焦，接收的回波信號通過波束合成，產(chǎn)生一條掃查線數(shù)據(jù)；切 換不同發(fā)射接收通道得到多條回波數(shù)據(jù)，從而形成圖像。這種線線聚焦模式使得傳統(tǒng)的超 聲成像得到一幅圖像需要相對長的掃查時間，以整步距掃查為例，利用128陣元超聲換能 器掃查6厘米深，形成一幀圖像需要0.01秒，加大掃查深度，獲取時間會更長。因此，在傳統(tǒng) 超聲成像裝置下，B型成像無法捕捉快速運動的臟器信息（如心臟率動過程），Color成像 會受到掃查幀率的限制而縮小觀察視域大小，同時重復掃查次數(shù)低將導致血流敏感度差， 不易發(fā)現(xiàn)微小血管血流。PW模式由于具有不間斷掃查特點，無法與B或Color模式同時工 作。
[0003] 區(qū)別于傳統(tǒng)的線線聚焦模式的超聲成像，超高速成像方法采用平面波掃查技術， 發(fā)射一次平面波可以得到一幀圖像數(shù)據(jù)，獲取一幅圖像的時間僅依賴于當前的掃查深度， 具有高幀數(shù)、高質(zhì)量等特點。以128陣元超聲換能器掃查6厘米深為例，形成一幀圖像所需 的時間為〇. 0078ms，因此從理論上講，成像幀率為傳統(tǒng)超聲成像的近千倍；即使考慮應用 平面波復合來提高圖像的空間分辨率，也可以將成像幀率提高百倍。超高速的掃查方式使 得后期成像處理不必區(qū)分是何種成像模式，因此前端結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，易于小型化。同時，可以提 供捕捉快速運動的臟器信息、提供大視域彩色血流以及多模式同時工作的功能。
[0004] 超高速超聲的優(yōu)勢明顯，但是其快速數(shù)據(jù)采集導致后端數(shù)據(jù)處理復雜度高，數(shù)據(jù) 量大。前端的簡化對數(shù)據(jù)傳輸以及后端處理提出更高要求。是否能有效解決數(shù)據(jù)傳輸及后 端處理問題，成為超高速超聲成像系統(tǒng)能否能夠?qū)崿F(xiàn)的關鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對超高速超聲成像裝置龐大數(shù)據(jù)量的吞吐，傳統(tǒng)的PCI總線協(xié)議已經(jīng)無 法滿足超高速成像裝置數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅岢隽艘环N基于CPU+GPU異構(gòu)架構(gòu)的超高速超聲 成像裝置及方法。本發(fā)明通過引入PCIe總線來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，利用PCIe總線高帶寬的 優(yōu)勢，實現(xiàn)不間斷采樣和傳輸。同時針對超高速超聲龐大的計算量，提出以CPU+GPU的異構(gòu) 架構(gòu)處理器對超高速超聲成像方法進行實現(xiàn)。CPU作為主控芯片，實現(xiàn)對超高速超聲成像系 統(tǒng)處理流程的調(diào)度和任務分配，同時負責基本的操作；GPU作為加速引擎，利用其高效 并行計算的特性，對超高速超聲成像方法進行實現(xiàn)，縮短空間復合及不同成像的處理時間。
[0006] 本發(fā)明針對超高速超聲成像的原理，設計了具有平面波發(fā)射、多通道并行接收的 高集成度前端，對前端數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)進行統(tǒng)一；借助于PCIe的高速數(shù)據(jù)傳輸，將回波信號 進行預處理、波束合成及模式處理轉(zhuǎn)移到后端CPU及GPU上進行，實現(xiàn)了由硬件到軟件的轉(zhuǎn) 化。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過下述技術方法實現(xiàn)的：
[0008] -種基于CPU+GPU異構(gòu)架構(gòu)的超高速超聲成像裝置，由探頭、前端和后端三部分 構(gòu)成，所述前端由Tx/Rx模擬接口、A/D和預放大模塊和FPGA組成，后端由CPU、由DDR3和 SSD組成的存儲模塊和GPU組成，其中：
[0009] 1、所述FPGA的邏輯控制模塊控制探頭發(fā)射多個角度平面波穿透待測生物組織， 產(chǎn)生射頻回波信號，探頭切換至接收模式；
[0010] 2、所述Tx/Rx模擬接口進行接收，并通過A/D和預放大模塊進行預處理之后，通過 FPGA的PCIe接口模塊將數(shù)據(jù)傳遞到后端CPU中；
[0011] 3、所述CPU串行執(zhí)行前端數(shù)據(jù)的波束合成，再通過DDR3緩存將處理完的數(shù)據(jù)傳遞 給GPU，并將數(shù)據(jù)存儲進SSD ;
[0012] 4、在GPU中實現(xiàn)多個平面波的可變幀率復合以及解調(diào)，并對Color模式、B模式、 PW模式成像進行實現(xiàn)。
[0013] 利用上述裝置進行超高速超聲成像的方法，包括如下步驟：
[0014] 步驟一 ：FPGA控制探頭發(fā)射多角度的平面波超聲信號到待測生物組織上，并將接 收的數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換和預放大處理；
[0015] 步驟二：經(jīng)過預處理后的大量數(shù)據(jù)，通過高速PCIe通道傳遞到后端CPU中；
[0016] 步驟三：在CPU中實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的波束合成，并對人機交互等功能進行實現(xiàn)。
[0017] 步驟四：GPU讀取CPU在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，利用其并行計算能力和可變幀率平面波復 合技術將信號進行復合和解調(diào)，實現(xiàn)超高速成像，并實現(xiàn)高幀率、大視域的多模式成像同時 運行。
[0018] 本發(fā)明所述步驟一中，所述探頭是中心頻率為128陣元的寬帶線陣探頭，單次發(fā) 射一組平面波，發(fā)射多組不同角度的平面波，角度依次等間距遞增，探頭陣列發(fā)射與接收模 式同一通道。
[0019] 本發(fā)明所述步驟二中，F(xiàn)PGA和CPU間的通訊采用最新的基于串行通信系統(tǒng)的 PCIe3. 0總線協(xié)議，采用128b/130b的編碼方式，16條總線的帶寬為15. 754GB/S。以128陣 元超聲換能器發(fā)射接收為例，利用80MHz采樣頻率對128通道的數(shù)據(jù)進行采集，極限待傳輸 數(shù)據(jù)將達到l〇GB/ S，PCIe3. 0能夠滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸需求。
[0020] 本發(fā)明所述步驟三中，CPU與GPU異構(gòu)架構(gòu)進行后端處理，CPU負責必要的人機交 互和波束合成，通過DDR3緩存將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至GPU中，進行可變幀率空間復合以及多模式成 像處理算法。由于CPU并不適合進行大計算量工作，因此CPU只進行必要的人機交互和波 束合成，便將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到GPU中進行更復雜的處理，包括可變幀率空間復合以及多模式成 像處理算法；波束合成將超聲換能器接收的多通道回波數(shù)據(jù)按照延時進行合成，形成一幀 數(shù)據(jù)的過程，波束合成過程還具有對回波信號強度進行放大、對雜波信號進行抑制、對干擾 方向置零等優(yōu)點。
[0021] 本發(fā)明所述步驟四中，CPU+GPU的異構(gòu)架構(gòu)可共用內(nèi)存區(qū)域，GPU能夠高效讀取 (PU在內(nèi)存區(qū)域中的數(shù)據(jù)?？勺儙士臻g復合將不同平面波偏轉(zhuǎn)掃查獲得的多角度平面波 數(shù)據(jù)通過加權融合成一幀圖像數(shù)據(jù)，同時根據(jù)后端的GPU硬件處理能力選擇適當?shù)膹秃蠋?偏移量，使其自適應調(diào)整成像幀率，有效隔離數(shù)據(jù)采集與處理過程。空間復合技術可以提升 超聲圖像的空間分辨率，彌補非聚焦平面波發(fā)射下圖像質(zhì)量低的缺點。超高速超聲成像系 統(tǒng)的最大優(yōu)勢在于不改變前端掃查的基礎上，可以在空間復合后，運用不同的成像方法，實 現(xiàn)多種成像模式同時運行，即可以同時顯示B模式、Color模式、PW模式等。
[0022] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點：
[0023] (1)區(qū)別于傳統(tǒng)超聲所采用的前端方案，本發(fā)明采用高集成度的發(fā)射接收方案和 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集架構(gòu)簡化前端，并將波束合成模塊移至后端進行，不僅進一步對前端進行 精簡，還充分運用后端處理能力，充分發(fā)揮系統(tǒng)性能。
[0024] (2)本發(fā)明針對PCI總線無法滿足超高速成像帶寬需求的問題，引入最新的 PCIe3. 0總線規(guī)范，使裝置能夠滿足超高速成像的高數(shù)據(jù)速率圖像的采集傳輸需求，使得采 樣傳輸連續(xù)，不丟失數(shù)據(jù)，提高成像質(zhì)量和幀率。
[0025] (3)本發(fā)明針對超高速超聲大量數(shù)據(jù)處理，區(qū)別于傳統(tǒng)超聲所采用的串行處理架 構(gòu)，采用CPU+GPU的異構(gòu)處理結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮CPU串行處理和GPU并行處理特點，并且CPU 和GPU共享同一個內(nèi)存空間，優(yōu)化了兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸過程，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，充分發(fā) 揮GPU計算能力。
【附圖說明】
[0026] 圖1為基于CPU+GPU異構(gòu)架構(gòu)的超聲超高速成像裝置的結(jié)構(gòu)圖，圖中：1-探頭， 2-Tx/Rx模擬接口，3-A/D和預放大模塊，4-邏輯控制模塊，5-PCIe接口模塊，6-波束合成模 塊，7-預處理模塊，8-DDR3,9-SSD，10-可變幀率復合及解調(diào)模塊，Il-B模式成像，12-Color 模式成像，13-PW模式成像。
【具體實施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明，但并不局限如此，凡是對本 發(fā)明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋 在本發(fā)明的保護范圍中。
[0028] 如圖1所示，本發(fā)明提供的基于CPU+GPU異構(gòu)架構(gòu)的裝置主要由探頭1、前端和后 端組成，前端主要由Tx/Rx模擬接口 2、A/D和預放大模塊3和FPGA組成，后端主要由CPU、 由D