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一种眼科B型超声诊断议

发布时间:2020-06-30 21:34:30 阅读: 来源:混合机厂家

摘要:介绍一种以Winbond公司的W78E58单片机为控制核心,并采用FPGA和大容量FIFO等器件构成的眼科B型超声诊断仪。阐述了眼科超声诊断仪的基本原理,使用FIFO作为数据共享RAM实现采样和显示相对独立的模块化设计方案以及FPGA在该设计中的具体应用。 20世纪50年代初超声探测开始应用于医学领域至今,超声诊断技术已有了长足的进展。超声诊断仪更是形式多样,型号繁多。

超声诊断仪通常按三种方法分类,它们是:①按图像信息的获取方法分类,由此可分为反射法超 声诊断仪、多普勒法超声诊断仪和透射法超声诊断仪;②按图像信息显示的成像方式分类,可将超声诊断仪分为A型、M型、B型、P型、BP型、C型、F型以及 超声全息等显示类型,除A型和M型外,其它均属于广义的B型显示;③按超声波束的扫描方式分类,超声诊断仪分为低速(手动)扫描、高速机械线性扫描、高速 机械扇形扫描、高速电子线性扫描和高速电子扇形(相控阵)扫描等。

反射法和多普勒法超声诊断仪器技术比较成熟,已在医学科研和临床中得到普通应用。超声波在 通过不同的声阻抗组织的界面时发生较强的反射,反射法超声仪器就是基于这一原理进行工作的。A型、M型、B型、P型、BP型、C型和F型图像显示方式的超 声诊断仪均属反射法超声仪器。多普勒法超声仪器则是基于超声传播的多普勒效应工作的,有连续多普勒和脉冲多普勒之分。实时二维彩色多普勒血流显像仪是近年 来在连续多普勒及脉冲多普勒技术上发展的一项超声诊断新技术,是彩色B型显像技术与超声多普勒探测技术相结合的产物,20世纪80年代中期应用于临床以 来,至今已有了较快的发展。透射法超声仪器渴望实现超声全息实时动态成像,目前尚处于研制中,未达到临床应用的水平。

眼睛是心灵的窗户,眼睛的健康对人们来说非常重要。眼科B型超声诊断仪在起起国已使用20 余年,它可用来诊断视网膜脱落、眼内和眼眶肿瘤、玻璃体混浊、出血、眼底病变及眼内异物等疾病。我们在引进、吸收国外同类产品的基础上,开发了具有自主知 识产权的KN-3000A眼科B型超声诊断仪,该反射法超声诊断仪采用机械扇形扫描B型显示图像。

1 基本原理

超声波在媒质中传播,有波的叠加、反射、折射、透射、衍射、散射以及吸收、衰减等特性,一般遵循几何光学的原则。

A超回波显示采用幅度调制(Amplitude modulation),在显示屏幕上以横坐标代表测物体的深度,纵坐标代表回放脉冲的幅度。 B 型超声诊断仪通过机械方法改变探头角度,实现了超声波束指向(方位)的快速变化(相当于改变A超探头的位置),使每隔一定小角度,被探测方向上不同深度的 所有界面的反射回波,都以亮点(灰度)的形式显在对应的扫描线上,从而形成一幅由探头摆动方向决定的垂直扇面二维超声断层图像,即扇扫断层图像,或称剖面 图。

2 硬件设计

2.1 总线描述

本仪器的硬件框图如图1所示。单片机MCU中的CPU设定采样控制部分和显示控制部分的工 作方式,采样控制部分根据CPU设定的方式自动进行数据采样并将数据送入FIFO中保存,而显示控制部分则不断读取FIFO中的数据并根据CPU设定的方 式进行显示。同时,CPU还负责处理键盘的输入和通过RS-232接口与上位机进行数据传输。

2.1.1 MCU

本仪器的MCU采用Winbond公司的W78E58单片机。W78E58是 Winbond公司生产的高性能8位单片机,与标准的8052引脚、指令和片内资源全兼容,采用全静态设计,内含32K字节高性能FLASH ROM和256字节内部RAM,内建电源管理方式,具有完善的代码保护功能,可以有效地保护开发成果。

2.1.2 FPGA

本仪器中的采样控制和显示控制,各使用一块FPGA芯片。根据仿真的结构以及我们的设备情况,选用了Xilinx公司Spartan XL系列的XCS30XLPQ208芯片。 设 计的软件环境使用Xilinx Foundation 2.1i版本。采用了原理图和VHDL语言混合的输入方法,将复杂的控制模块分块放在同一设计项目中,输入完毕后进行功能仿真、编译和器件内部的布局布 线,生成定时模拟数据文件,然后进行定时仿真。在定时仿真满足要求后,将数据文件转换为通用编程器可以接受的Intel格式,使用通用编程器ALL-07 对FPGA外附的PROM进行编程。

2.1.3 FIFO

本设计中采用了Averlogic公司的大容量FIFO AL422B作为采样一显示的共享数据RAM,从而使采样部分和显示部分相对独立,体现了一种模块化设计的设计思路。

2.2 采样控制

采样控制部分的功能是产生激励探头振元的同步窄脉冲、TGC(时间增益控制)控制信号、 VDF(电压增益)控制信号和DF(动态滤波)控制信号,进行数据采样和地址转换以及进行数值插补,之后将数据送入FIFO。该部分由一块XCS30XL 实现,其框图如图2(虚线框内)所示。

其工作过程为:控制逻辑产生电路产生特定的控制逻辑,使电机转动一步,然后地址计数器开始工作,开始采样数据并存入外部RAM。在采样到第五个数据时输出发射脉冲,启动探头工作,然后继续采样。采样完512点后,控制逻辑使电机再转动一步,然 后重复以上采样过程,总共驱动电机转动256步后,一帧采样结束,控制逻辑输出相应信号使电机反向转动256步。电机反向转动的这段时间里,控制逻辑将存 放在外部RAM中的数据取出执行插补后再存入外部RAM,在全部数据执行完插补后,将数据按顺序送入FIFO。在电机反转完成后,控制逻辑开始执行新的一 帧数据采样,如此断重复。

2.3 显示控制

显示控制部分完成字符叠加、灰阶变换及标准VGA显示信号的生成,其框图如图3(虚线框内)所示。

其工作过程为:控制逻辑产生电路根据设定的工作方式产生与行、帧同步信号同步的控制时序, 从FIFO中读出B超图象信号,经过灰阶变换后送入信号合成电路。同时控制逻辑还产生相应的时序,控制CPU将文字、图形、标志等信号数据写入外部 RAM,并将外部RAM中的数据按顺序读出后送到并串转换电路,变成象素数据后送入信号合成电路。信号合成电路将上述两部分信号连同VGA显示消隐信号一 起合成为VGA显示所需的RGB信号数据输出,经过D/A转换后即为模拟RGB信号输出。

2.4 信号产生和接收

2.4.1 发射脉冲产生电路

该电路产生探头振元的激励脉冲,其电路性能的优劣不仅影响到超声发射的功率和接收灵活度,还关系到探测深度和分辨率的好坏,因此对于超声仪器来说它是较为重要的电路。

现代超声诊断仪器通常使用所谓“冲击激励”的方法产生超声波发射,即通过对振元施加单个极性脉冲,使振元产生持续时间极短的机械振荡。

2.4.2 超声回波的接收

信号接收部分将接收到的回波信号放大并进行检波,变成A/D转换器可以接收的信号。其框图如图4所示。3 软件设计

整个软件全部采用汇编语言编写而成,主要完成以下功能:输入ID(病历号)、切换TGC控制方式、切换灰阶变换方式、切换左右眼指示、选择游标、移动选定的游标并计算两游标间的距离、冻结或扫描图像,其流程图如图5所示。

本仪器样机经过标准体模测试,B型图像的横向分辨率≤0.5mm,纵向分辨率 ≤0.25mm,实际探测深度≥52mm,横向位置几何精度≤10%,纵向位置几何精度≤5%。与同类产品相比,显示图像清晰、 轮廓分明,达到设计和使用要求,在国内机型中属于较好水平,但与国外先进水平相比,还有一定差距,需要进一步改进。

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