BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------------------------

NGUYỄN DUY THÔNG

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO ĐẦU DÒ SIÊU ÂM DỰA TRÊN
CÔNG NGHỆ FPGA ỨNG DỤNG CHO ẢNH SIÊU ÂM TRONG Y TẾ

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. TRỊNH QUANG ĐỨC

Hà Nội - Năm 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận văn này dựa trên các kết
quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép bất kỳ kết
quả nghiên cứu nào của các tác giả khác. Nội dung của luận án có tham khảo và sử
dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí được liệt kê trong danh
mục các tài liệu tham khảo.
Hà Nội, 07/ 2015
Tác giả

Nguyễn Duy Thông

1


Các chỉ tiêu trong thiết kế đầu dò .........................................................18

1.2.5.

Phân loại ...............................................................................................19

1.3.

Các chế độ hiển thị hình ảnh siêu âm với công nghệ mảng pha .................19

1.3.1.

Hiển thị dạng A-Scan............................................................................20

1.3.2.

Hiển thị dạng B-Scan ............................................................................21

1.3.3.

Hiển thị dạng C-Scan ............................................................................22

1.4.
âm

Vai trò của tia siêu âm hội tụ và ảnh hưởng của nó tới chất lượng ảnh siêu
.....................................................................................................................23

TỔNG KẾT CHƢƠNG I ........................................................................................29


Phương pháp tính gián tiếp qua mặt cầu tương đương .........................37
2


2.4.

Lựa chọn gốc tọa độ ....................................................................................38

2.4.1.

Tia hội tụ vuông góc .............................................................................39

2.4.2.

Tia hội tụ lệch góc ................................................................................40

2.4.3.

Lựa chọn tọa độ gốc..............................................................................41

TỔNG KẾT CHƢƠNG II ......................................................................................43
CHƢƠNG III: LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ VÀ MÔ PHỎNG ....................44
3.1.

Mô hình phân bố áp suất âm trên mặt phẳng...............................................44

3.2.

Phương pháp số hóa phương trình phân bố áp suất âm ...............................46


Kích thước lớn nhất của phần tử ...........................................................49

3.3.8.

Kích thước nhỏ nhất của phần tử ..........................................................49

3.3.9.

Dải quét .................................................................................................50

3.3.10. Búp sóng phụ ........................................................................................50
3.3.11. Biên độ búp sóng phụ ...........................................................................51
3.4.

Mô phỏng và đánh giá .................................................................................52

TỔNG KẾT CHƢƠNG III: ...................................................................................56
CHƢƠNG IV : CÔNG NGHỆ FPGA VÀ ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KẾ
ĐẦU DÒ MẢNG PHA ............................................................................................57
4.1.

Ưu thế của công nghệ FPGA trong thiết kế đầu dò mảng pha ....................57

4.2.

Ngôn ngữ mô tả phần cứng .........................................................................61

4.3.


5.2.

Khối Decoder ...............................................................................................71

5.2.1.

Sơ đồ khối .............................................................................................71

5.2.2.

Hoạt động ..............................................................................................71

5.2.3.

Mô phỏng ..............................................................................................72

5.3.

Khối Latch ...................................................................................................72

5.3.1.

Sơ đồ khối .............................................................................................72

5.3.2.

Hoạt động ..............................................................................................72

5.3.3.


5.4.2.2.

Hoạt động ..........................................................................................75

5.4.2.3.

Mô phỏng...........................................................................................76

5.5.

Mô phỏng tín hiệu bộ điều khiển ....................................................................76

5.6.

Thảo luận và đánh giá kết quả mô phỏng .......................................................77

TỔNG KẾT CHƢƠNG V: .....................................................................................80
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................81

4


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

2-D

2- Direction

2- Chiều


DPLL

Digital Phase Locked Loop

Vòng khóa pha số

EHF

Extremely High Frequency

Tần số rất cao

FPGA

Field-Programmable Gate Array

Mảng cổng lập trình được dạng

CPLD

trường
GAL

Generic Array Logic

Mảng logic chung

HDL

Hardware Description Language Ngôn ngữ mô tả phần cứng


LUT

Look Up Table

Bảng tìm kiếm

MAC

Multication and Accumulation

Bộ nhân cộng

PC

Personal Computer

Máy tính cá nhân

PAL

Programable Array Logic

Mảng logic lập trình được

PFD

Phase Frequency Detector

Bộ dò tần số pha

ROM

Read Only Memory

Bộ nhớ chỉ đọc

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SPLD

Simple Programmable Logic

Linh kiện logic lập trình đơn giản

Devices
SPLL

Software Phase Locked Loop

Vòng khóa pha bằng phần mềm

T/R

Transceiver/ Receiver

Máy phát/ Máy thu

Circuit

6


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Cấu tạo đầu dò mảng pha 1 hàng thẳng ...................................................15
Hình 1. 2: Các đầu dò mảng pha 1 hàng thẳng .........................................................15
Hình 1. 3: Các dạng đầu dò mảng pha ......................................................................16
Hình 1. 4: Chùm tia góc được tạo ra bởi đầu dò phẳng bằng cách thay đổi thời gian
trễ. ..............................................................................................................................18
Hình 1. 5: Chùm tia hội tụ quét thẳng .......................................................................18
Hình 1. 6: Hình ảnh quét ở chế độ A-Scans (không có nêm) ...................................20
Hình 1. 7: Hình ảnh quét ở chế độ A-Scans ( có nêm) .............................................21
Hình 1. 8: Hình ảnh quét ở chế độ B-Scans ..............................................................21
Hình 1. 9: Hình ảnh quét thẳng điện tử B-scan hiển thị vị trí và độ sâu tương đối của
lỗ theo chiều dài dãy .................................................................................................22
Hình 1. 10: Hình ảnh quét ở chế độ C-Scans ............................................................23
Hình 1. 11: Tốc độ lan truyền sóng trong từng môi trường ......................................25
Hình 1. 12: Phân bố áp suất âm của một phần tử đầu dò mảng pha với phần tử áp
điện 0,6mm ................................................................................................................26

Hình 2. 1: Một mặt thấu kính âm tiêu biểu ...............................................................31
Hình 2. 2: Một đầu dò siêu âm mặt cầu lõm tiêu biểu ..............................................32
Hình 2. 3: Nguyên lý lái tia siêu âm và hội tụ sóng âm bằng kỹ thuật mảng pha. ...33
Hình 2. 4: Giá trị trễ pha đặt vào từng phần tử trong đầu dò siêu âm......................34
Hình 2. 5: Mô hình của điều khiển hội tụ tia siêu âm ...............................................35
Hình 2. 6: Minh họa phương pháp tính trễ pha trực tiếp bằng hình học...................36
Hình 2. 7: Minh họa phương pháp tính trễ pha bằng xấp xỉ mặt bậc 2 ....................37
Hình 2. 8: Tia hội tụ lệch góc....................................................................................40

Hình 5. 8: Sơ đồ khối Out_pulse ..............................................................................75
Hình 5. 9: Mô phỏng khối Out_pulse .......................................................................76
Hình 5. 10: Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển ..........................................................77

8


Hình 5. 11: Mặt cắt theo trục x của áp suất phân bố (F=20 mm, n=16,p=1mm, sai số
16 ns) .........................................................................................................................78
Hình 5. 12: Áp suất phân bố dọc theo trục y ( sai số 16 ns) .....................................79
Hình 5. 13: Vùng hội tụ của chùm tia theo trục y (sai số 16 ns)...............................80

9


PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ảnh siêu âm đã được biết đến từ lâu như là một phương tiện hữu ích phục vụ
cho chẩn đoán bệnh dựa trên những hình ảnh trực quan về các cơ quan sinh học
trong cơ thể con người. Tuy nhiên, hiện nay, các thiết bị siêu âm được sử dụng tại
Việt Nam vẫn phải nhập ngoại do đó giá thành đầu tư cũng như bảo trì, bảo hành có
chi phí rất cao. Ở khía cạnh kỹ thuật, muốn phát triển và làm chủ công nghệ chẩn
đoàn bằng hình ảnh siêu âm, cần phải có một cơ sở thiết bị nền tảng để phát triển
những thuật toán tái tạo hình ảnh, xử lý nhiễu của tìn hiệu đo, cũng như áp dụng
những thuật toán và phép đo làm tăng độ phân giải của hình ảnh siêu âm từ đó đưa
ra những phát triển cho những thiết kế thiết bị chẩn đoán hình ảnh siêu âm trong y
tế.
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu.
Các thiết bị siêu âm hiện đại ngày nay hầu hết đã sử dụng đầu dò mảng pha để
thay thế cho những đầu dò đơn thể do khả năng quét và đo ở chế độ làm việc BMode được điều khiển bằng điện tử do đó cho kết quả nhanh hơn chính xác hơn

- Thống kê từ các kết quả mô phỏng để đánh giá tính khả thi cũng như sai số
nếu áp dụng cho các linh kiện thực tế
5. Kết luận
Siêu âm trong y tế không phải là một lĩnh vực quá mới. Tuy nhiên, vẫn cần có
những nâng cấp kỹ thuật để cải thiện chất lượng hình ảnh, bên cạnh đó tạo ra nền
tảng bền vững để phát triển các thuật toán xử lý tín hiệu và hình ảnh. Vì vậy, nghiên
cứu, tìm hiểu, cải tiến mới trong siêu âm cần phải có sự quan tâm, chú trọng không
những trong ngành y tế mà còn có khối ngành kỹ thuật. Có như vậy chúng ta có thể
chủ động trong tiếp cận các công nghệ mới đáp ứng với nhu cầu hiện đại hóa các
thiết bị trong ngành y tế.

11


LỜI NÓI ĐẦU
Siêu âm (Ultrasound) là một kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh không xâm lấn,
phương pháp tạo ảnh là sử dụng sóng siêu âm (sóng âm tần số cao) để xây dựng và
tái tạo hình ảnh về cấu trúc bên trong cơ thể. Những hình ảnh này cung cấp thông
tin có giá trị trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh. Do hình ảnh siêu âm được ghi
nhận theo thời gian thực nên nó có thể cho thấy hình ảnh cấu trúc và sự chuyển
động của các bộ phận bên trong cơ thể kể cả hình ảnh dòng máu đang chảy trong
các mạch máu. Kể từ khi siêu âm được ứng dụng vào trong y học đến nay, trải qua
nhiều tiến bộ về kỹ thuật trong chất lượng hình ảnh, siêu âm đã trở thành công cụ
chẩn đoán hình ảnh thông dụng và phổ biến. Phương pháp siêu âm chẩn đoán có
những lợi thế nổi bật: khả năng ứng dụng rộng, thông tin chẩn đoán cao, gọn nhẹ,
cho kết quả nhanh và đặc biệt không can thiệp vào bên trong các đối tượng cần
kiểm tra.
Ngày nay, để đáp ứng với yêu cầu ngày càng cao của chất lượng hình ảnh siêu âm,
đầu dò mảng pha ra đời thay thế các đầu dò thông thường trước đó. Hệ thống mảng
pha có thể quét chùm tia dưới cả dải góc khúc xạ hoặc theo dọc theo đường thẳng,

1.1.

Công nghệ mảng pha.
Công nghệ mảng quét điện tử ra đời là kết quả tự nhiên của công nghệ mảng

tia cố định, đã ra đời vào những năm 1920. Trong đó được biết đến nhiều nhất là
anten mảng Yagi và mảng dọc của lưỡng cực nữa bước sóng trong hệ thống radar
phòng không. Hệ thống quét đầu tiên sử dụng thiết bị cơ khí để tạo ra sự thay đổi về
pha và chùm tia chuyển động, nhưng đến năm 1950 công nghệ này mới thực sự ra
đời và được xem như là nguồn gốc của hệ thống mảng pha ngày nay.
Một trong những phát triển quan trọng, cần thiết để có được hệ thống mảng
pha. Bao gồm sự phát triển của công cụ tổng hợp, sự hiểu biết về các hiện tượng
giao thoa sóng, sự phát triển mạnh của kỹ thuật mô phỏng để mô tả chính xác mảng
với các yếu tố bên trên và bên trong các chất điện môi, sự phát triển của các kỹ
thuật tối ưu hóa thích nghi và máy tính hỗ trợ cho việc thiết kế để cho ra độ chính
xác cao.

13


Mặc dù các nguyên tắc cơ bản của quét mảng được biết vào những năm 1920
và quét điện tử vào những năm 1930, nhưng phải đến năm năm 1950, cơ chế quét
điện tử mới được thực hiện. Trong thời gian quá độ, đã có nhiều máy quét được
phát minh và sử dụng, nhưng công nghệ thiết bị không được hỗ trợ quét điện tử cho
đến khi các máy dịch pha đầu tiên ra đời năm 1954-1955
Từ những năm 1950, được sự hỗ trợ đáng kể kinh phí quân sự của Mỹ và châu
Âu, đã có những tiến bộ đáng kể trong công nghệ quét mảng. Gồm các radar sử
dụng cho hệ thống mặt đất và tàu chiến và các radar mảng pha trên không. Các hệ
thống thông tin liên lạc đã thúc đẩy sự phát triển mảng ở tần số HF, sau đó kích
thích nghiên cứu các kỹ thuật thích ứng và tần số mới được nâng cấp lên dải EHF.

Cấu tạo

Đầu dò mảng pha được đặt vấn đề nghiên cứu lần đầu tiên vào những năm
1960 và đến năm 1970 những đầu dò thương mại lần đầu tiên được xuất hiện trên
thị trường với mục đích ứng dụng vào y học trong việc tái tạo ảnh của nội tạng
trong cơ thể. Sau đó, dựa trên những thành tựu đã đạt được trong các ứng dụng y
học, các nhà nghiên cứu cũng ứng dụng kỹ thuật này để kiểm tra vật liệu không phá
hủy chủ yếu là áp dụng cho những lĩnh vực trong công nghiệp. Cho đến nay, đầu dò
mảng pha đã trở nên thông dụng và xuất hiện trong nhiều ứng dụng của đời sống.
Đầu dò mảng pha thông thường là đầu dò một hàng thẳng, là loại đầu dò bao
gồm nhiều phần tử được xếp thành một hàng thẳng. Ở giữa các phần tử là những
khoảng trống được gọi là khe phần tử. Những cấu hình thông dụng của các loại đầu
dò mảng pha một hàng thẳng bao gồm các tổng số phần tử khác nhau. Tùy thuộc
vào tần số của dao động cộng hưởng của các phần tử mà khoảng cách khe phần tử
phải được tính toán sao cho hợp lý. Nếu quá rộng thì sẽ tạo ra hiệu ứng sinh các búp
sóng phụ, trong khi nếu quá hẹp thì sẽ suy giảm thiết diện phát sóng làm thu hẹp
giới hạn hội tụ.

Hình 1. 1: Cấu tạo đầu dò mảng pha 1 hàng thẳng

Hình 1. 2: Các đầu dò mảng pha 1 hàng thẳng

15


Tùy thuộc vào các dạng ứng dụng khác nhau mà đầu dò mảng pha được thiết
kế với cấu trúc hình học khác nhau và các cách bố trí khác nhau. Ngoài đầu dò
mảng pha dạng một hàng thẳng là loại hình đơn giản nhất thì còn có các dạng đầu
dò thẳng dạng khác như đầu dò 1.5-D bao gồm số phần tử theo chiều ngang nhiều
hơn theo chiều dọc, 2-D bao gồm số phần tử theo chiều dọc và chiều ngang là tương


Hoạt động

Hệ thống dãy tổ hợp pha sử dụng nguyên tắc vật lý của sóng để tạo pha, thay
đổi thời gian giữa các sê- ri xung siêu âm theo cách sao cho từng mặt sóng tạo bởi
mỗi từng biến tử của dãy kết hợp với nhau để tăng thêm hoặc triệt tiêu năng lượng
theo chiều có thể dự đoán để hướng và tạo hình dạng cho chùm tia một cách hiệu
quả.
Nó được thực hiện bởi dao động của các biến tử đầu dò ở những thời gian
khác nhau chút ít. Thường thường các biến tử sẽ bị dao động theo nhóm từ 16 đến
256 để tăng độ nhạy một cách hiệu quả bằng cách giảm độ mở chùm tia không
mong muốn và có thể hội tụ sắc nét hơn. Phần mềm sử dụng các định luật về hội tụ
để thiết lập thời gian trễ phát xung cho từng nhóm các biến tử nhằm tạo ra chùm tia
có hình dạng như mong muốn phù hợp với khả năng của đầu dò, đặc tính của phần
nêm cũng như kích thước hình học và tính chất âm của vật liệu kiểm tra. Chuỗi
xung được lập trình chọn bởi phần mềm hoạt động của thiết bị sau đó từng sóng âm
đó được đưa vào vật liệu kiểm tra. Những sóng âm đó sẽ kết hợp với nhau tăng
thêm hoặc triệt tiêu để tạo thành một sóng đơn sơ cấp truyền qua vật liệu kiểm tra
và phản xạ lại từ các vết nứt, bất liên tục, mặt đáy và các mặt phân cách khác như
sóng siêu âm thông thường. Chùm tia có thể được hướng theo các góc, tiêu cự, kích
thước tiêu điểm khác nhau theo cách mà một đầu dò đơn có khả năng kiểm tra vật
liệu với các phối cảnh khác nhau . Sự hướng chùm tia xảy ra rất nhanh nên quét với
nhiều góc hoặc độ sâu hội tụ khác nhau có thể thực hiện trong một phần nhỏ của
giây.
Xung phản xạ lại được thu bởi các biến tử khác nhau hoặc nhóm các biến tử
và thời gian được thay đổi cần thiết cho sự thay đổi của phần trễ sau đó tổng hợp
lại. Không giống như đầu dò một biến tử siêu âm thông thường hợp nhất tất cả

17


Loại đầu dò
Mặt phẳng

Kiểu lái

Dạng chùm

tia

tia

Nhận xét

A,L,D

Hình trụ

Hoạt động mọi tần số

A,L,D

Hình trụ, ellip

Dùng cho dạng ống, hình trụ

tuyến tính
Hình tròn
Hình khuyên

D

19


1.3.1.

Hiển thị dạng A-Scan

A-scan là thể hiện đơn giản của sóng RF biểu diễn thời gian và biên độ của tín
hiệu siêu âm, như hiển thị trên các thiết bị dò khuyết tật siêu âm thông thường hoặc
các thiết bị đo chiều sâu có hiển thị dạng sóng. Dạng sóng A-scan hiển thị phản xạ
từ một vị trí chùm tia trên chi tiết kiểm tra. Thiết bị dò khuyết tật A-scan dưới đây
hiển thị xung phản xạ từ hai lỗ khoan cạnh trên mẫu đối chứng bằng thép. Cột sóng
âm từ của đầu dò tiếp xúc một biến tử đập vào hai trong ba lỗ và tạo ra hai xung
phản xạ khác biệt ở thời gian khác nhau tỉ lệ thuận với chiều sâu của các lỗ.

Chùm tia được tạo ra

Hình ảnh sóng thẳng A-scan

Hình 1. 6: Hình ảnh quét ở chế độ A-Scans (không có nêm)
Đầu dò góc một biến tử sử dụng với thiết bị dò khuyết tật siêu âm thông
thường sẽ tạo ra chùm tia theo một góc. Khi chùm tia mở rộng nó sẽ làm cho đường
kính chùm tia tăng lên theo khoảng cách, diện tích bao trùm hoặc trường nhìn của
đầu dò góc thông thường vẫn sẽ hạn chế trong một góc. Trong ví dụ dưới đây, nêm
45 độ tại một vị trí cố định có thể phát hiện hai lỗ khoan cạnh trong mẫu vì chúng
nằm trong chùm tia, nhưng không thể phát hiện lỗ thứ ba nếu không dịch chuyển
đầu dò lên phía trước.

20




Hình 1. 9: Hình ảnh quét thẳng điện tử B-scan hiển thị vị trí và độ sâu tương đối
của lỗ theo chiều dài dãy
1.3.3.

Hiển thị dạng C-Scan

C-scan là hình ảnh hai chiều biểu diễn hình chiếu từ trên xuống chi tiết kiểm
tra, tương tự như hình ảnh chụp X-quang, trong đó màu sắc đặc trưng cho biên độ ở
mỗi điểm trong chi tiết được vẽ trên hệ toạ độ x-y. Với thiết bị thông thường, đầu
dò một biến tử phải dịch chuyển theo trường quét x-y trên khắp bề mặt chi tiết. Còn
với hệ thống dãy tổ hợp pha, đầu dò chỉ dịch chuyển theo một trục trong khi chùm
tia quét điện tử quét theo trục còn lại.
Những hình ảnh C-scans của mẫu đối chứng với hệ thống quét nhúng thông
thường với đầu dò nhúng hội tụ, và với hệ thống dãy tổ hợp pha sử dụng bộ mã hoá
kích thước quét tay và đầu dò dãy thẳng. Trong khi độ phân giải không hoàn toàn
tương đương bởi vì kích thước chùm tia lớn hơn, và còn nhiều vấn đề cần xem xét.
Các hệ thống mảng pha có thể di động trong khi các hệ thống thông thường thì
không. Thêm vào đó hình ảnh của tổ hợp pha chỉ hoàn thành trong vài giây, khi mà
quét nhúng thông thường cần tới vài phút.

22


Hình 1. 10: Hình ảnh quét ở chế độ C-Scans
1.4. Vai trò của tia siêu âm hội tụ và ảnh hƣởng của nó tới chất lƣợng ảnh siêu
âm
Siêu âm dùng tần số sóng âm thanh cao từ 1-5MHz để quan sát gân, cơ bắp, các bộ
phận bên trong cơ thể về kích thước, cấu trúc, các tổn thương. Các sóng siêu âm

còn phụ thuộc vào xử lý của máy. Để đo độ phân giải của ảnh người ta dùng đại
lượng  ,
 



(1.1)

e

Trong đó  là bước sóng, e là đường kính của phần tử phát tia. Ngoài ra độ
rộng của phần tử phát tia cũng bị giới hạn, nhìn chung theo nguyên tắc e