Tổng quan luận án

Trong kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh y tế, các hệ thống siêu âm lâm sàng thông thường hoạt động ở dải tần số dưới 10 MHz, hướng đến các cấu trúc sâu như tim hoặc cơ quan vùng bụng với độ phân giải không gian trong khoảng vài milimét. Khi tần số siêu âm được nâng lên trên 20 MHz (siêu âm tần số cao), độ phân giải dọc và độ phân giải ngang của hình ảnh được cải thiện đáng kể. Siêu âm hiển vi phản xạ ngược (Ultrasound Backscatter Microscopy - UBM) sử dụng đầu dò đơn phần tử (single element) đã chứng minh giá trị chẩn đoán trong nhãn khoa, da liễu, khảo sát nội mạch và nghiên cứu sinh học trên động vật nhỏ. Tuy nhiên, đầu dò đơn phần tử có tiêu cự truyền cố định và độ sâu tiêu cự (depth of focus - DOF) bị thu hẹp khi tần số tăng, khiến chất lượng hình ảnh ngoài vùng hội tụ bị suy giảm. Việc khắc phục bằng kỹ thuật quét cơ học theo độ sâu (B/D scan) làm giảm tốc độ khung hình và tăng nguy cơ va chạm gây tổn thương bề mặt mô sinh học.

Đầu dò mảng (annular array, linear array, phased array) cho phép điều khiển quét chùm tia điện tử và hội tụ động đa điểm theo độ sâu thu nhận mà không cần dịch chuyển cơ học. Mặc dù công nghệ vi cơ điện tử đã từng bước giải quyết các thách thức chế tạo đầu dò mảng tần số cao (mài mỏng vật liệu áp điện, cắt rãnh kerf siêu nhỏ và kết nối dây dẫn vi mô), rào cản kỹ thuật cốt lõi tại thời điểm tác giả thực hiện nghiên cứu là sự thiếu vắng các khối phần cứng điện tử tạo chùm tia (beamformer) thương mại tương thích với dải tần số cao. Để vận hành và kiểm thử các đầu dò mảng được chế tạo tại Trung tâm Nguồn lực Đầu dò Siêu âm NIH thuộc Đại học Southern California (USC), luận án này thực hiện việc thiết kế và phát triển các hệ thống tạo chùm tia kỹ thuật số thời gian thực trên nền tảng vi mạch logic lập trình được (Field Programmable Gate Array - FPGA).

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm các nội dung sau:

  1. Thiết kế và hiện thực hóa hệ thống tạo chùm tia kỹ thuật số thời gian thực trên chip FPGA nhằm đáp ứng lưu lượng xử lý dữ liệu tốc độ cao từ các đầu dò mảng siêu âm tần số cao (> 20 MHz).
  2. Xây dựng giải pháp kỹ thuật số kết hợp giữa bộ trễ thô (coarse delay) bằng bộ đệm FIFO và bộ trễ mịn (fine delay) bằng bộ lọc trễ phân số (Fractional Delay - FD filter) dựa trên phép nội suy đa thức Lagrange, nhằm đạt độ phân giải trễ dưới chu kỳ lấy mẫu (đến 1 ns) mà không đòi hỏi tần số lấy mẫu của bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) ở mức gigahertz.
  3. Chế tạo hoàn chỉnh phần cứng và phần mềm cho hệ thống tạo chùm tia 8 kênh dành cho đầu dò mảng hình khuyên (annular array), tích hợp khối xử lý chuyển đổi quét (scan converter) trên bộ xử lý DSP và hiển thị hình ảnh trên máy tính cá nhân.
  4. Phát triển hệ thống tạo chùm tia kỹ thuật số thời gian thực cho đầu dò mảng tuyến tính (linear array) tối đa 64 phần tử, với khả năng kích hoạt và xử lý đồng thời 16 kênh thu - phát tại tần số lấy mẫu 100 MHz, độ phân giải 8-bit, đạt tốc độ hiển thị 30 khung hình/giây.
  5. Kiểm chứng hiệu năng của các hệ thống phát triển thông qua mô phỏng trường âm học, thực nghiệm đo đạc chùm tia trên phantom dây vonfram (20 µm) để xác định độ phân giải danh định (-6 dB), và chụp ảnh kiểm chứng trên mẫu mô mắt thỏ ex vivo.

Phạm vi nghiên cứu của luận án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kiến trúc phần cứng tạo chùm tia kỹ thuật số trễ - và - cộng (delay-and-sum), thuật toán trễ phân số, vi mạch FPGA Xilinx Virtex-E, mạch analog đầu cuối (front-end), mạch chuyển mạch ma trận (crosspoint switch), đầu dò mảng hình khuyên 6 phần tử đồng tâm (đường kính 3 mm, kerf 30 µm), và hai đầu dò mảng tuyến tính (30 MHz bước pitch 100 µm và 35 MHz bước pitch 50 µm).
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu cấp hệ thống được thiết kế, gia công bo mạch, tích hợp phần cứng và thử nghiệm thực nghiệm tại phòng thí nghiệm của Trung tâm Nguồn lực Đầu dò Siêu âm NIH thuộc Đại học Southern California (USC), Hoa Kỳ.
  • Phạm vi thời gian và ứng dụng: Luận án được hoàn thành và bảo vệ vào tháng 8 năm 2006, tập trung vào ứng dụng tạo ảnh siêu âm độ phân giải cao cho nhãn khoa và chẩn đoán mô nông.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan, tác giả phân tích cơ sở vật lý của độ phân giải và sự suy giảm âm học ở tần số cao. Độ phân giải không gian được xác định bởi hình học đầu dò, tần số trung tâm $f_0$ và băng thông $BW$ thông qua các công thức giải tích do Foster và cộng sự (1993, 2000) cùng Shung và cộng sự thiết lập. Hunt và cộng sự (1983) đưa ra phương trình thực nghiệm xác định tần số cực đại $f_m(z)$ theo độ sâu thâm nhập $z$ trong môi trường suy giảm âm học:

$$f_m(z) = f_0 \left(1 + \frac{\alpha_0 \cdot \gamma \cdot z \cdot \Delta f^2}{20 \ln(10) \cdot f_0}\right)^{-\frac{1}{\gamma}}$$

Tác giả dẫn chứng số liệu thực nghiệm của Ye và cộng sự (1993), Lockwood và cộng sự (1990) cùng Foster và cộng sự (1991, 1993) về hệ số suy giảm âm học từ 20 MHz đến 100 MHz trên các loại mô. Ở tần số 50 MHz, giác mạc có hệ số suy giảm 1,3 dB/mm, củng mạc là 4,3 dB/mm; trong khi mô thành động mạch có hệ số suy giảm tăng từ 4 dB/mm ở 30 MHz lên 10 dB/mm ở 60 MHz. Tác giả tính toán rằng để thu được hình ảnh độ sâu 6 mm ở tần số 50 MHz với tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) đạt 40 dB, dải động của hệ thống phải đạt tối thiểu 50 dB.

Về lịch sử phát triển thiết bị UBM dùng đầu dò đơn phần tử, văn bản điểm lại các cột mốc:

  • Foster và cộng sự (1986): Máy quét 10–30 MHz đo độ suy giảm và tán xạ tổn thương nhiệt trên da.
  • Yano và cộng sự (1987): Máy quét 40 MHz kiểm tra các bệnh lý da (u hắc tố ác tính, dày sừng tiết bã, u sợi thần kinh).
  • Sherar và cộng sự (1989): Hệ thống UBM 100 MHz tạo ảnh khối tế bào đa cầu và mô mắt người.
  • Silverman và cộng sự (1995): Hệ thống quét cung điều khiển số 50 MHz kiểm tra bề mặt giác mạc.
  • Lockwood và cộng sự (1996): Thiết bị siêu âm kim 45–55 MHz chụp thành động mạch in vitro.
  • Passmann và cộng sự (1996), Vogt và cộng sự (2003): Kỹ thuật B/D scan kết hợp dịch chuyển cơ học dọc trục đạt tốc độ 6 khung hình/giây trên dải 30–150 MHz.
  • Knapik và cộng sự (2000): Hệ thống siêu âm tần số 100–200 MHz đạt tốc độ 12 khung hình/giây.

Về công nghệ đầu dò mảng tần số cao, tác giả trích dẫn Ritter và cộng sự (2002) cùng Cannata và cộng sự (2003) về các khó khăn trong gia công cơ khí chính xác khi kích thước phần tử co nhỏ theo bước sóng siêu âm.

Về phần cứng mạch điện tử tương tự và cao tần:

  • Anderson và Wilkins (1977), McKeighen (1997): Phối hợp trở kháng và dạng xung kích thích.
  • Lockwood và cộng sự (1991, 1992, 1994) cùng Chen và cộng sự (2001): Phân tích tác động của chiều dài đường truyền cáp đồng trục đối với biên độ và băng thông tín hiệu dội.
  • Poulsen (2003): Mạch bảo vệ tiền khuếch đại (LNA); việc đặt điện trở song song 50 $\Omega$ để dập xung áp cao gây suy hao 4 dB tín hiệu thu, từ đó tác giả này đề xuất dùng biến áp tín hiệu nhỏ băng rộng.
  • Chaggares và cộng sự (1999): Cảnh báo hiện tượng mạch giới hạn điện áp (limiter) làm méo dạng tín hiệu thu khi tần số vượt quá 30 MHz.
  • Henry (1998): Kỹ thuật phân tách đường mass analog và digital nhằm triệt tiêu dao động tần số thấp và nhiễu xuyên âm (crosstalk).
  • Chuẩn IPC-2141 (1996): Công thức tính trở kháng đường mạch in vi dải (microstrip trace) để đảm bảo chuẩn 50 $\Omega$.

Về nguyên lý và thuật toán tạo chùm tia:

  • Mucci (1984): Tổng quan so sánh các thuật toán tạo chùm tia trong miền thời gian và miền tần số.
  • Karrer và cộng sự (1980), Steinberg (1976, 1992), Tancrell và cộng sự (1978), Johnson (1993): Phương pháp trễ và cộng tín hiệu đa kênh.
  • Song và cộng sự (1994), Karaman (1993), Stefanelli và cộng sự (2000), Stitt và cộng sự (2002): Hệ thống tạo chùm tia tương tự (analog beamformer) cồng kềnh, cấu trúc điều khiển chuyển mạch trễ phức tạp và dải động bị hạn chế.
  • O'Donnell (1988), Holm (1994, 1995), Peterson và cộng sự (1984): Tạo chùm tia kỹ thuật số (digital beamforming) mang lại độ linh hoạt cao nhưng đòi hỏi số lượng lớn bộ ADC tốc độ cao.
  • Kim và cộng sự (1987), Hazard và cộng sự (1999): Phương pháp nội suy số.
  • Harvat và cộng sự (1992), Cho và cộng sự (1996), Ranganathan và cộng sự (2004): Kỹ thuật lấy mẫu dải thông và lấy mẫu vuông pha (quadrature sampling).
  • Laakso và cộng sự (1996): Tổng quan thiết kế bộ lọc trễ phân số trong miền thời gian.
  • Black và cộng sự (1994), Talman và cộng sự (1999, 2000), Mo và cộng sự (2003): Các nỗ lực tích hợp vi mạch ASIC hoặc BBD cho đầu dò mảng tần số cao gặp khó khăn do chu kỳ chế tạo kéo dài và chi phí cao.
  • Tomov và Jensen (2001), Cao và cộng sự (2002): Khả thi hóa việc sử dụng chip FPGA thay thế DSP và ASIC trong tạo chùm tia siêu âm.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết: Các hệ thống tạo chùm tia tương tự không đáp ứng được tính linh hoạt của hội tụ động đa điểm ở tần số cao; các hệ thống dựa trên chip DSP không xử lý kịp lưu lượng dữ liệu hàng gigabyte mỗi giây phát sinh từ các bộ ADC đa kênh 100 MHz; trong khi việc chế tạo ASIC chuyên dụng quá tốn kém và thiếu khả năng tái cấu trúc. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách xây dựng hệ thống tạo chùm tia số hoàn chỉnh trên chip FPGA Xilinx Virtex-E, tích hợp thuật toán lọc trễ phân số Lagrange 4-tap kết hợp bộ đệm FIFO, cho phép hội tụ động theo thời gian thực với bước trễ 1 ns trên phần cứng thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Cơ sở lý thuyết của hệ thống là nguyên lý tạo chùm tia trễ - và - cộng (Delay-and-Sum). Tín hiệu phản xạ từ một điểm mục tiêu $P$ lan truyền qua các quãng đường hình học khác nhau đến các phần tử của đầu dò mảng. Độ trễ hình học cần bù trừ giữa phần tử thứ $i$ (tại khoảng cách $a_i$ tính từ tâm) so với phần tử tâm được Shung (1992) xác lập theo công thức:

$$\tau(d_i, \theta) = -\frac{a_i \sin\theta}{c} + \frac{a_i^2 \cos^2\theta}{2 d_i c}$$

Trong đó $d_i = \frac{ct}{2}$ là khoảng cách tiêu cự tại thời điểm $t$, $\theta$ là góc quét chùm tia, và $c$ là vận tốc âm trong môi trường. Khi chùm tia không quét góc ($\theta = 0$), công thức độ trễ rút gọn thành:

$$\tau(d_i) = \frac{a_i^2}{2 d_i c}$$

Trong xử lý tín hiệu số, độ trễ thời gian $D$ biểu diễn qua phép biến đổi Z: $H(z) = z^{-D}$. Khi $D$ không phải số nguyên, $D$ được tách thành phần nguyên $[D]$ và phần phân số $d$ ($0 \le d \le 1$):

$$D = [D] + d$$

Đáp ứng tần số của hệ thống dịch pha lý tưởng là:

$$H(e^{j\omega}) = e^{-j 2\pi f t D}$$

Biến đổi Fourier ngược rời rạc cho đáp ứng xung dạng hàm sinc vô hạn, phi nhân quả:

$$h[n] = \frac{\sin[\pi(n - D)]}{\pi(n - D)} = \text{sinc}(n - D), \quad n \in [-\infty, \infty]$$

Để hiện thực hóa trên phần cứng thời gian thực, hàm truyền được xấp xỉ bằng bộ lọc FIR nhân quả bậc $N$ sử dụng công thức nội suy đa thức Lagrange:

$$h(n) = \prod_{k=0, k \neq n}^{N} \frac{d - k}{n - k}, \quad n = 0, 1, 2, \dots, N$$

Luận án chọn bộ lọc FIR trễ phân số 4-tap ($N=3$), cho phép nội suy giá trị biên độ tín hiệu với độ phân giải trễ đạt 1 ns tại tần số lấy mẫu 100 MHz.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ phân tích

  1. Phương pháp thiết kế phần cứng số: Sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng để lập trình cho FPGA Xilinx Virtex-E. Cấu trúc logic tận dụng các khối logic cấu hình được (Configurable Logic Blocks - CLB), các bảng tra cứu 4 ngõ vào (4-input LUTs), mạch nhớ mang (carry logic) và flip-flop để xây dựng đường trễ thô bằng bộ nhớ FIFO và đường trễ mịn bằng mạng nhân - cộng của bộ lọc FIR. Khối hội tụ động thu được điều khiển bằng máy trạng thái hữu hạn (Finite State Machine - FSM).
  2. Phương pháp mô phỏng số:
    • Mô phỏng trường âm học của đầu dò mảng hình khuyên và mảng tuyến tính bằng phần mềm chuyên dụng để tính toán biên dạng chùm tia và độ rộng chùm tia ở mức -6 dB.
    • Mô phỏng kiểm chứng bộ lọc trễ phân số: Tín hiệu xung sin điều chế Gaussian (tần số trung tâm 45 MHz, băng thông 50%) được tăng tần số lấy mẫu lên 1 GHz, tạo bốn bản sao trễ tương đối 1 ns, 2 ns, 3 ns và 4 ns, sau đó giảm tần số lấy mẫu xuống 200 MHz để làm dạng sóng chuẩn so sánh với đầu ra bộ lọc Lagrange.
  3. Phương pháp đo đạc thực nghiệm trên phần cứng:
    • Đo đạc đáp ứng tần số của mạch lọc tương tự thông dải Butterworth bậc 4.
    • Đo phân bố áp suất âm học của đầu dò bằng hệ thống quét thủy âm (hydrophone) trong bể nước khử khí.
    • Kiểm tra độ phân giải của toàn hệ thống bằng cách ghi nhận tín hiệu phản xạ từ phantom dây vonfram đường kính 20 µm.
  4. Phương pháp thử nghiệm sinh học ex vivo: Sử dụng nhãn cầu thỏ (rabbit eye) tươi sau phẫu tích làm mẫu kiểm chứng khả năng phân tách ranh giới giải phẫu giác mạc, tiền phòng, mống mắt và thể thủy tinh.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: High-Frequency Ultrasonic Imaging and High-Speed Electronics

Chương 1 trình bày cơ sở vật lý của sóng siêu âm tần số cao, các đặc tính suy giảm năng lượng trong mô sinh học và các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống điện tử tốc độ cao.

Nội dung trọng tâm gồm:

  • Cơ chế suy giảm âm học do hấp thụ và tán xạ tỷ lệ thuận với tần số. Hiện tượng dịch chuyển tần số trung tâm của xung siêu âm xuống vùng tần số thấp hơn khi truyền sâu vào mô được lượng hóa: một xung có tần số 50 MHz và băng thông 20% khi truyền qua 5 mm mô da sẽ bị giảm tần số trung tâm còn 49,33 MHz; nếu băng thông là 50%, tần số trung tâm giảm xuống 47,8 MHz.
  • Khảo sát hệ số suy giảm âm học thực nghiệm trên mô mắt và mạch máu: giác mạc có độ suy hao 1,3 dB/mm, củng mạc là 4,3 dB/mm ở 50 MHz; thành động mạch có độ suy hao từ 4 dB/mm (ở 30 MHz) đến 10 dB/mm (ở 60 MHz). Từ đó, tác giả xác định hệ thống phải có dải động tối thiểu 50 dB để ghi nhận tín hiệu ở độ sâu 6 mm với SNR 40 dB.
  • Đánh giá giới hạn của đầu dò đơn phần tử: sự đánh đổi giữa độ phân giải ngang và độ sâu tiêu cự (DOF). Kỹ thuật quét cơ học B/D scan có tốc độ khung hình chậm (6 khung hình/giây) và tiềm ẩn nguy cơ chấn thương bề mặt mô.
  • Yêu cầu thiết kế phần cứng điện tử cao tần: mạch giới hạn điện áp bảo vệ tầng tiền khuếch đại (LNA), phương pháp ghép biến áp băng rộng để hạn chế suy hao tín hiệu so với việc dùng trở song song 50 $\Omega$.
  • Phân tích thiết kế mạch in (PCB): sự cần thiết phải phân tách hoàn toàn đường mass tương tự (analog ground) và đường mass số (digital ground) để tránh hiện tượng dòng chuyển mạch số điều chế tín hiệu tương tự; tính toán trở kháng đường mạch in vi dải đạt chuẩn 50 $\Omega$ theo công thức IPC-2141 (1996):

$$Z_0 = \frac{87}{\sqrt{\epsilon_r + 1.41}} \ln\left(\frac{5.98 h}{0.8 w + t}\right)$$

Trong đó $w$ là bề rộng đường mạch, $t$ là độ dày đường đồng, $h$ là độ dày lớp điện môi, và $\epsilon_r$ là hằng số điện môi của vật liệu nền.

Chương 2: Beamforming Principle

Chương 2 phân tích nguyên lý tạo chùm tia và so sánh năm giải pháp kỹ thuật tạo chùm tia khác nhau để lựa chọn cấu trúc tối ưu cho phần cứng:

  1. Tạo chùm tia trễ - cộng trực tiếp (Direct Delay-Sum): Đơn giản nhưng đòi hỏi bộ ADC phải lấy mẫu ở tần số rất cao so với tần số Nyquist để đạt độ trễ mịn, dẫn đến khối lượng dữ liệu quá lớn, không khả thi cho siêu âm tần số cao.
  2. Tạo chùm tia nội suy đệm zero (Zero-Padding Interpolation): Chèn các giá trị zero vào giữa các mẫu tín hiệu rồi đưa qua bộ lọc thông thấp. Nhược điểm là dung lượng bộ nhớ lưu trữ tăng tỷ lệ thuận với hệ số nội suy.
  3. Tạo chùm tia dải thông trong miền thời gian (Bandpass Time-Domain Beamforming): Giải điều chế tín hiệu về băng gốc (base-band) để tách hai thành phần đồng pha (I) và vuông pha (Q), cho phép giảm tần số lấy mẫu của ADC. Tuy nhiên, phương pháp này loại bỏ thông tin pha, mất mức DC và đòi hỏi thêm mạch trộn, bộ lọc và các bộ ADC kép, làm tăng độ phức tạp phần cứng.
  4. Tạo chùm tia trong miền tần số (Frequency Domain Beamforming): Chuyển đổi tín hiệu qua biến đổi Fourier rời rạc, thực hiện dịch pha và chuyển đổi ngược lại miền thời gian. Phương pháp này tạo gánh nặng tính toán rất lớn cho chip FPGA.
  5. Tạo chùm tia nội suy trễ phân số (Fractional-Delay Interpolation): Sử dụng bộ lọc số toàn thông FIR nhân quả xấp xỉ theo đa thức Lagrange.

Kết quả đánh giá mô phỏng bộ lọc Lagrange 4-tap trong chương: Với xung Gaussian 45 MHz (băng thông 50%), sai số quân phương cực đại quan sát được là 0,3% khi độ trễ yêu cầu bằng 0,2 chu kỳ xung nhịp. Nếu các tín hiệu phản xạ được căn chỉnh với độ phân giải trễ 5 ns, chùm tia tổng hợp bị dịch băng thông 3,2% về phía tần số thấp. Tác giả kết luận giải pháp trễ phân số Lagrange 4-tap là phương án phù hợp nhất cho triển khai trên FPGA thời gian thực.

Chương 3: Digital Beamforming Implementation

Chương 3 trình bày chi tiết kiến trúc và giải pháp hiện thực hóa bộ tạo chùm tia số trên chip FPGA Xilinx dòng Virtex-E.

Các nội dung kỹ thuật chính gồm:

  • Phân tích lưu lượng dữ liệu: Hệ thống thu nhận 16 kênh đồng thời tại tần số lấy mẫu 100 MHz tạo ra lưu lượng dữ liệu xấp xỉ hàng gigabyte mỗi giây, vượt quá khả năng xử lý của các bộ xử lý DSP truyền thống. FPGA được lựa chọn nhờ khả năng xử lý dữ liệu song song và khả năng tái lập trình linh hoạt.
  • Cấu trúc logic Virtex-E: Sử dụng các khối logic cấu hình được (CLBs), trong đó mỗi CLB chứa 4 slice; mỗi slice gồm hai bộ tạo hàm 4 ngõ vào (LUT), mạch nhớ mang (carry logic) và phần tử lưu trữ (flip-flop). Khối IOB quản lý giao tiếp chân tín hiệu ngoại vi.
  • Cấu trúc tạo trễ hỗn hợp cho từng kênh tín hiệu:
    • Khối trễ thô (Coarse delay): Xây dựng từ bộ đệm FIFO, áp dụng các bước trễ là bội số nguyên của chu kỳ xung nhịp lấy mẫu (bước trễ 10 ns tương ứng với tần số 100 MHz).
    • Khối trễ mịn (Fine delay): Sử dụng cấu trúc bộ lọc FIR trễ phân số 4-tap với các hệ số lọc Lagrange được nạp động, thực hiện trễ các khoảng thời gian nhỏ hơn chu kỳ xung nhịp (đạt bước trễ 1 ns).
  • Điều khiển hội tụ động khi thu (Dynamic receive focusing): Triển khai máy trạng thái hữu hạn (FSM) trên FPGA để tự động cập nhật các hệ số trễ thô và trễ mịn tương ứng với độ sâu truyền sóng của xung siêu âm theo thời gian thực.
  • Kết quả mô phỏng logic: Mô phỏng chức năng trên hai kênh thu tín hiệu khẳng định mạch logic thực hiện căn chỉnh thời gian chính xác giữa các kênh và thực hiện phép cộng đồng pha mà không làm suy hao dạng sóng.

Chương 4: Development of a High Frequency Ultrasound Digital Beamformer with Annular Array Transducers

Chương 4 mô tả thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống tạo chùm tia số hoàn chỉnh cho đầu dò mảng hình khuyên 6 phần tử (trong cấu hình phần cứng hỗ trợ 8 kênh):

  • Thông số đầu dò: Mảng hình khuyên gồm 6 phần tử đồng tâm, đường kính ngoài toàn phần là 3 mm, kích thước rãnh cách ly giữa các phần tử (kerf) là 30 µm.
  • Cấu trúc hệ thống phần cứng: Gồm đầu dò mảng, khối thu phát tương tự 6 kênh (transceiver), khối tạo chùm tia số trên bo mạch FPGA, khối chuyển đổi quét (scan converter) sử dụng vi xử lý DSP và máy tính PC hiển thị hình ảnh.
  • Đo đạc trường âm: Thực hiện mô phỏng và quét thủy âm đo đạc trường áp suất âm học trong mặt phẳng trục - ngang ($XZ$) trên diện tích $8 \times 2$ mm. Tại điểm tiêu cự (độ sâu 6,5 mm), biên dạng cường độ ngang ở mức -6 dB đo được là 200 µm, trong khi giá trị mô phỏng lý thuyết là 150 µm.
  • Thực nghiệm tạo ảnh phantom: Chụp ảnh mục tiêu dây vonfram đường kính 20 µm. Kết quả cho thấy hệ thống mảng hình khuyên cải thiện độ phân giải ngang và mở rộng độ sâu tiêu cự so với trường hợp chỉ sử dụng một phần tử đơn lẻ của hệ thống.
  • Thực nghiệm trên mô mắt thỏ ex vivo: Hệ thống thu nhận hình ảnh cắt lớp giác mạc mắt thỏ, phân tách rõ các lớp giải phẫu của mô giác mạc.

Chương 5: Development of a High Frequency Ultrasound Digital Beamformer with Linear Array Transducers

Chương 5 trình bày thiết kế và hiện thực hóa hệ thống tạo chùm tia kỹ thuật số cho đầu dò mảng tuyến tính tần số cao (> 20 MHz):

  • Kiến trúc phần cứng: Hệ thống kết nối với đầu dò mảng tối đa 64 phần tử, kích hoạt và xử lý đồng thời 16 kênh thu - phát. Hệ thống sử dụng các bộ ADC lấy mẫu ở tần số 100 MHz với độ phân giải 8-bit. Bộ lọc chống chồng phổ Butterworth bậc 4 được bố trí ở tầng tương tự để làm sạch tín hiệu trước khi số hóa.
  • Khối chuyển mạch ma trận (Crosspoint switch): Định tuyến linh hoạt 16 kênh xử lý của hệ thống dọc theo 64 phần tử của đầu dò mảng tuyến tính, cho phép dịch chuyển nhóm phần tử kích hoạt để quét điện tử tạo từng đường ảnh tử (scan line).
  • Bộ lọc trễ phân số trên FPGA tạo các bước trễ mịn đạt 1 ns, duy trì tốc độ tạo ảnh đạt 30 khung hình/giây. Giao diện phần mềm đồ họa trên PC điều khiển việc thu nhận và hiển thị dữ liệu.
  • Phân tích khẩu độ và trọng số mở cửa sổ (Apodization): Khảo sát ảnh hưởng của các hàm cửa sổ trọng số đến việc giảm mức búp sóng phụ (sidelobe) tại vùng tiêu cự.
  • Thông số hai đầu dò mảng tuyến tính thử nghiệm:
    • Mảng 1: Tần số trung tâm 30 MHz, 48 phần tử, bước pitch 100 µm.
    • Mảng 2: Tần số trung tâm 35 MHz, 64 phần tử, bước pitch 50 µm.

Bảng dưới đây tổng hợp các thông số chế tạo của hai đầu dò mảng tuyến tính được sử dụng trong nghiên cứu (trích xuất từ Bảng 5.1 trong văn bản):

Thông số thiết kế đầu dò Mảng tuyến tính 30 MHz Mảng tuyến tính 35 MHz
Tần số trung tâm ($f_0$) 30 MHz 35 MHz
Số lượng phần tử 48 64
Bước pitch 100 µm 50 µm
Bề rộng rãnh cách ly (Kerf) Không nêu chi tiết 15 µm
Bề rộng phần tử Không nêu chi tiết 35 µm
Chiều dài phần tử (Elevation) 2 mm 2 mm

Kết quả so sánh giữa mô phỏng và lý thuyết về độ rộng chùm tia ngang -6 dB và độ sâu tiêu cự (DOF) khi thay đổi số phần tử kích hoạt hoạt động (active elements) được tác giả thực hiện trong Bảng 5.2 (cho mảng 30 MHz) và Bảng 5.3 (cho mảng 35 MHz). Số liệu cho thấy khi số phần tử kích hoạt tăng lên, độ rộng chùm tia ngang thu hẹp (độ phân giải ngang tốt hơn) nhưng độ sâu tiêu cự bị giảm tương ứng.

Kết quả đo đạc thực nghiệm độ phân giải trên phantom dây vonfram (20 µm tungsten wire) của hai đầu dò mảng:

  • Đầu dò mảng 30 MHz (pitch 100 µm): Độ rộng xung ở mức -6 dB hướng dọc là 68 µm, hướng ngang là 270 µm.
  • Đầu dò mảng 35 MHz (pitch 50 µm): Độ rộng xung ở mức -6 dB hướng dọc là 65 µm, hướng ngang là 550 µm.

Thực nghiệm sinh học trên nhãn cầu thỏ ex vivo: Hệ thống thu nhận hình ảnh cắt lớp vùng bán phần trước nhãn cầu, phân tách rõ các cấu trúc giải phẫu gồm giác mạc, thể thủy tinh và mống mắt.

Chương 6: Summary and Future Work

Chương 6 tổng kết toàn bộ kết quả đạt được của luận án và đề xuất các giải pháp nâng cấp phần cứng:

  • Phân tích giới hạn của hệ thống hiện tại: Khối chuyển mạch ma trận chỉ cho phép xử lý đồng thời 16 kênh trong tổng số 64 phần tử.
  • Đánh giá đường tín hiệu điều khiển: Tác giả lập bảng so sánh số lượng tín hiệu điều khiển giữa thiết kế hiện tại (Bảng 6.1) và thiết kế mới được đề xuất (Bảng 6.2), chỉ ra phương thức tối ưu hóa bus điều khiển để giảm số lượng đường mạch in.
  • Nghiên cứu xung kích thích: So sánh phổ tần số giữa xung kích thích âm nhọn (negative spike) thông thường và bộ kích xung lưỡng cực (bipolar pulser) tạo dạng sóng đơn chu kỳ (monocycle). Đo đạc biên độ đỉnh-đỉnh của tín hiệu dội từ mục tiêu thạch anh (quartz target) sử dụng một phần tử của đầu dò mảng 35 MHz cho thấy việc dùng xung monocycle giúp tối ưu hóa năng lượng truyền âm và đáp ứng tần số của phần tử mảng.
  • Đề xuất kiến trúc hệ thống tạo chùm tia 64 kênh toàn phần: Sơ đồ khối hệ thống mới gồm 64 kênh xử lý số song song hoàn toàn, sử dụng hệ thống cáp và đầu nối cao tốc Samtec, phân chia thành 4 bo mạch chức năng riêng biệt: bo điều khiển số, bo analog front-end, bo tạo chùm tia số, và bo khuếch đại kèm chuyển mạch.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt kỹ thuật và học thuật

  1. Hiện thực hóa kiến trúc trễ phân số kết hợp trên FPGA cho siêu âm tần số cao: Luận án đã đề xuất và triển khai thành công cấu trúc trễ kết hợp giữa bộ đệm FIFO (trễ thô theo chu kỳ xung nhịp) và bộ lọc FIR trễ phân số Lagrange 4-tap (trễ mịn dưới chu kỳ xung nhịp) trên chip FPGA Xilinx Virtex-E. Cấu trúc này cho phép đạt độ phân giải trễ 1 ns tại tần số lấy mẫu 100 MHz, giải quyết bài toán hội tụ động khi thu trong thời gian thực mà không cần nâng tần số lấy mẫu ADC lên hàng gigahertz hay làm quá tải bộ nhớ như phương pháp chèn zero.
  2. Xây dựng hoàn chỉnh hệ thống tạo chùm tia số cho đầu dò mảng hình khuyên: Luận án đã thiết kế, tích hợp và đánh giá thực nghiệm hệ thống tạo chùm tia số 8 kênh (vận hành 6 phần tử mảng hình khuyên đường kính 3 mm, kerf 30 µm), kết nối đồng bộ với khối chuyển đổi quét số trên chip DSP và giao diện máy tính, đạt độ rộng chùm tia ngang 200 µm tại tiêu cự 6,5 mm.
  3. Chế tạo hệ thống tạo chùm tia số thời gian thực cho đầu dò mảng tuyến tính 64 phần tử: Xây dựng hệ thống phần cứng hoàn chỉnh gồm 16 kênh thu phát đồng thời ở tần số lấy mẫu 100 MHz, độ phân giải 8-bit, kết hợp khối chuyển mạch ma trận (crosspoint switch) để quét điện tử dọc theo 64 phần tử mảng, đạt tốc độ khung hình 30 fps.
  4. Kiểm chứng định lượng thực nghiệm: Cung cấp bộ dữ liệu đo đạc thực nghiệm về độ rộng chùm tia -6 dB trên phantom dây 20 µm cho cả mảng 30 MHz (dọc 68 µm, ngang 270 µm) và mảng 35 MHz (dọc 65 µm, ngang 550 µm), đồng thời chứng minh khả năng ghi nhận hình ảnh giải phẫu ex vivo chi tiết của mắt thỏ (giác mạc, mống mắt, thể thủy tinh).

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Tác giả đề xuất chuyển đổi cấu trúc bộ phát xung từ dạng xung âm (negative spike) sang bộ phát xung lưỡng cực (bipolar monocycle pulser) để cải thiện hiệu suất truyền cơ - điện của các phần tử mảng tần số cao.
  • Đề xuất sơ đồ mở rộng hệ thống lên 64 kênh thu phát số độc lập hoàn toàn, sử dụng cáp truyền dẫn vi dải cao tốc Samtec và bố trí lại kiến trúc phân tầng 4 bo mạch riêng biệt để nâng cao tỉ số tín hiệu trên tạp âm và loại bỏ khối chuyển mạch trung gian.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản luận án chỉ rõ bao gồm:

  • Số lượng kênh xử lý đồng thời của hệ thống mảng tuyến tính mới đạt 16 kênh trên tổng số 64 phần tử của đầu dò; việc quét chùm tia trên toàn mảng vẫn phải phụ thuộc vào mạng chuyển mạch ma trận (crosspoint switch), làm hạn chế khẩu độ hoạt động cực đại tức thời.
  • Số lượng đường tín hiệu điều khiển giữa bo mạch điều khiển số và các mạch tương tự/chuyển mạch còn lớn (trình bày tại Bảng 6.1), tạo ra sự phức tạp khi định tuyến đường mạch in PCB tốc độ cao.
  • Xung kích thích âm nhọn truyền thống chưa tối ưu hóa được năng lượng phát cho các phần tử áp điện có diện tích vi mô, dẫn đến biên độ tín hiệu phản xạ còn nhỏ trong môi trường mô có độ suy giảm âm học cao.

Hướng nghiên cứu tiếp theo do tác giả vạch ra:

  1. Thiết kế và chế tạo hệ thống tạo chùm tia số 64 kênh xử lý song song hoàn chỉnh, cho phép kích hoạt và hội tụ động đồng thời trên toàn bộ 64 phần tử của đầu dò mảng tuyến tính mà không cần chuyển mạch ma trận.
  2. Ứng dụng khối phát xung lưỡng cực (bipolar monocycle pulser) có khả năng điều chỉnh biên độ đỉnh-đỉnh vào các kênh phát của hệ thống.
  3. Tái cấu trúc phần cứng thành 4 bo mạch chức năng chuyên biệt (bo điều khiển số, bo analog front-end, bo beamformer số, bo khuếch đại và chuyển mạch) sử dụng chuẩn đầu nối cao tốc Samtec nhằm giảm thiểu suy hao phản xạ và hiện tượng giao thoa tín hiệu trên cáp truyền dẫn.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với các đối tượng sau:

  • Nghiên cứu sinh và kỹ sư phần cứng y sinh: Tham khảo thiết kế hệ thống tương tự và kỹ thuật số cho siêu âm tần số cao (> 20 MHz), đặc biệt là kỹ thuật thiết kế mạch bảo vệ limiter, ghép biến áp băng rộng và tính toán trở kháng đường mạch in microstrip 50 $\Omega$ theo chuẩn IPC-2141.
  • Kỹ sư thiết kế FPGA và xử lý tín hiệu số: Tham khảo mã nguồn kiến trúc trễ phân số Lagrange 4-tap kết hợp bộ đệm FIFO, giải pháp thiết kế máy trạng thái FSM điều khiển hội tụ động khi thu, và cấu trúc đường ống (pipeline) xử lý dữ liệu lưu lượng lớn trong các vi mạch logic.
  • Các nhóm nghiên cứu công nghệ đầu dò siêu âm: Sử dụng các dữ liệu thực nghiệm về thông số mảng (bước pitch, kích thước kerf, số phần tử kích hoạt) và các phép đo trường âm, độ rộng chùm tia -6 dB để đối chiếu và chuẩn hóa khi chế tạo các thế hệ đầu dò mảng tần số cao tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả chọn giải pháp kết hợp bộ đệm FIFO và bộ lọc trễ phân số thay vì tăng tần số lấy mẫu của bộ ADC?

Để đạt độ trễ thời gian đủ mịn cho việc tạo chùm tia siêu âm tần số cao (> 20 MHz) bằng phương pháp trễ - và - cộng trực tiếp, bộ ADC phải lấy mẫu ở tần số rất cao (từ hàng trăm MHz đến mức gigahertz). Việc sử dụng nhiều bộ ADC tốc độ gigahertz làm tăng chi phí phần cứng, tiêu tán công suất lớn và tạo ra khối lượng dữ liệu khổng lồ vượt quá khả năng lưu trữ và xử lý của chip FPGA. Việc kết hợp bộ đệm FIFO (tạo các bước trễ thô bằng bội số nguyên của chu kỳ xung nhịp lấy mẫu 100 MHz, tức bước 10 ns) và bộ lọc trễ phân số FIR Lagrange 4-tap (nội suy các giá trị trễ mịn dưới 10 ns) cho phép đạt độ phân giải trễ 1 ns mà chỉ cần sử dụng các bộ ADC 100 MHz thông dụng.

2. Bộ lọc trễ phân số Lagrange 4-tap được đánh giá với các thông số mô phỏng nào và sai số ra sao?

Tác giả đánh giá bộ lọc Lagrange 4-tap thông qua việc mô phỏng một xung sin điều chế Gaussian có tần số trung tâm 45 MHz, băng thông 50%, được tăng tần số lấy mẫu lên 1 GHz, tạo bốn bản sao trễ tương đối 1 ns, 2 ns, 3 ns, 4 ns rồi giảm tần số lấy mẫu xuống 200 MHz để làm dạng sóng chuẩn. Kết quả cho thấy sai số quân phương cực đại (maximum mean square error) giữa đầu ra của bộ lọc Lagrange và dạng sóng lý tưởng là 0,3% khi độ trễ yêu cầu bằng 0,2 chu kỳ xung nhịp. Khi các tín hiệu phản xạ được căn chỉnh với độ phân giải 5 ns, chùm tia tổng hợp xuất hiện độ dịch băng thông 3,2% về phía tần số thấp.

3. Thông số hình học và tần số của hai đầu dò mảng tuyến tính được thử nghiệm trong Chương 5 là gì?

Luận án thử nghiệm hai đầu dò mảng tuyến tính:

  • Đầu dò mảng tuyến tính thứ nhất: Tần số trung tâm 30 MHz, gồm 48 phần tử, bước pitch giữa các phần tử là 100 µm, chiều dài phần tử (elevation) là 2 mm.
  • Đầu dò mảng tuyến tính thứ hai: Tần số trung tâm 35 MHz, gồm 64 phần tử, bước pitch giữa các phần tử là 50 µm, chiều rộng phần tử 35 µm, rãnh cách ly (kerf) 15 µm, chiều dài phần tử (elevation) là 2 mm.

4. Kết quả đo đạc độ rộng chùm tia ở mức -6 dB trên phantom dây vonfram 20 µm đạt các giá trị cụ thể nào?

Khi quét mục tiêu dây vonfram đường kính 20 µm:

  • Đầu dò mảng tuyến tính 30 MHz (pitch 100 µm): Độ rộng xung ở mức -6 dB đo được là 68 µm theo hướng dọc (axial) và 270 µm theo hướng ngang (lateral).
  • Đầu dò mảng tuyến tính 35 MHz (pitch 50 µm): Độ rộng xung ở mức -6 dB đo được là 65 µm theo hướng dọc và 550 µm theo hướng ngang.
  • Đối với đầu dò mảng hình khuyên 6 phần tử: Độ rộng chùm tia ngang ở mức -6 dB đo được tại điểm tiêu cự (6,5 mm) là 200 µm (so với giá trị mô phỏng lý thuyết là 150 µm).

5. Hệ thống mảng tuyến tính đạt tốc độ khung hình bao nhiêu và đã phân tách được những cấu trúc mô mắt nào?

Hệ thống tạo chùm tia kỹ thuật số cho mảng tuyến tính đạt tốc độ hiển thị hình ảnh thời gian thực là 30 khung hình/giây (fps). Khi thử nghiệm trên mẫu mắt thỏ ex vivo, hệ thống đã phân tách rõ ràng các ranh giới giải phẫu vùng bán phần trước nhãn cầu, bao gồm giác mạc (cornea), thể thủy tinh (lens) và mống mắt (iris).

Kết luận

Luận án của Changhong Hu đã giải quyết yêu cầu kỹ thuật cấp thiết về hệ thống điện tử tạo chùm tia cho đầu dò mảng siêu âm tần số cao (> 20 MHz) thông qua việc phát triển thành công hai hệ thống tạo chùm tia kỹ thuật số dựa trên chip FPGA Virtex-E dành cho mảng hình khuyên và mảng tuyến tính. Bằng việc ứng dụng cấu trúc trễ kết hợp giữa bộ đệm FIFO và bộ lọc trễ phân số Lagrange 4-tap, hệ thống đạt độ phân giải trễ 1 ns tại tần số lấy mẫu 100 MHz, hiện thực hóa tính năng hội tụ động khi thu trong thời gian thực. Các kết quả kiểm nghiệm trên phantom dây vonfram 20 µm và mô mắt thỏ ex vivo với tốc độ hiển thị 30 khung hình/giây đã cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng, mở ra hướng phát triển cho các hệ thống siêu âm mảng tần số cao đa kênh hoàn chỉnh trong chẩn đoán nhãn khoa và y sinh học.