一種眼科B型超聲診斷議

　　摘要：介紹一種以Winbond公司的W78E58單片機為控制核心，并采用FPGA和大容量FIFO等器件構成的眼科B型超聲診斷儀。闡述了眼科超聲診斷儀的基本原理，使用FIFO作為數(shù)據(jù)共享RAM實現(xiàn)采樣和顯示相對獨立的模塊化設計方案以及FPGA在該設計中的具體應用。
　　關鍵詞：B超反射法FPGAFIFO
　　
　　20世紀50年代初超聲探測開始應用于醫(yī)學領域至今，超聲診斷技術已有了長足的進展。超聲診斷儀更是形式多樣，型號繁多。
　　
　　超聲診斷儀通常按三種方法分類，它們是：①按圖像信息的獲取方法分類，由此可分為反射法超聲診斷儀、多普勒法超聲診斷儀和透射法超聲診斷儀；②按圖像信息顯示的成像方式分類，可將超聲診斷儀分為A型、M型、B型、P型、BP型、C型、F型以及超聲全息等顯示類型，除A型和M型外，其它均屬于廣義的B型顯示；③按超聲波束的掃描方式分類，超聲診斷儀分為低速（手動）掃描、高速機械線性掃描、高速機械扇形掃描、高速電子線性掃描和高速電子扇形（相控陣）掃描等。
　　
　　反射法和多普勒法超聲診斷儀器技術比較成熟，已在醫(yī)學科研和臨床中得到普通應用。超聲波在通過不同的聲阻抗組織的界面時發(fā)生較強的反射，反射法超聲儀器就是基于這一原理進行工作的。A型、M型、B型、P型、BP型、C型和F型圖像顯示方式的超聲診斷儀均屬反射法超聲儀器。多普勒法超聲儀器則是基于超聲傳播的多普勒效應工作的，有連續(xù)多普勒和脈沖多普勒之分。實時二維彩色多普勒血流顯像儀是近年來在連續(xù)多普勒及脈沖多普勒技術上發(fā)展的一項超聲診斷新技術，是彩色B型顯像技術與超聲多普勒探測技術相結(jié)合的產(chǎn)物，20世紀80年代中期應用于臨床以來，至今已有了較快的發(fā)展。透射法超聲儀器渴望實現(xiàn)超聲全息實時動態(tài)成像，目前尚處于研制中，未達到臨床應用的水平。
　　
　　眼睛是心靈的窗戶，眼睛的健康對人們來說非常重要。眼科B型超聲診斷儀在起起國已使用20余年，它可用來診斷視網(wǎng)膜脫落、眼內(nèi)和眼眶腫瘤、玻璃體混濁、出血、眼底病變及眼內(nèi)異物等疾病。我們在引進、吸收國外同類產(chǎn)品的基礎上，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的KN-3000A眼科B型超聲診斷儀，該反射法超聲診斷儀采用機械扇形掃描B型顯示圖像。
　　
　　1基本原理
　　
　　超聲波在媒質(zhì)中傳播，有波的疊加、反射、折射、透射、衍射、散射以及吸收、衰減等特性，一般遵循幾何光學的原則。
　　
　　A超回波顯示采用幅度調(diào)制（Amplitudemodulation），在顯示屏幕上以橫坐標代表測物體的深度，縱坐標代表回放脈沖的幅度。
　　
　　B型超聲診斷儀通過機械方法改變探頭角度，實現(xiàn)了超聲波束指向（方位）的快速變化（相當于改變A超探頭的位置），使每隔一定小角度，被探測方向上不同深度的所有界面的反射回波，都以亮點（灰度）的形式顯在對應的掃描線上，從而形成一幅由探頭擺動方向決定的垂直扇面二維超聲斷層圖像，即扇掃斷層圖像，或稱剖面圖。
　　
　　2硬件設計
　　
　　2.1總線描述
　　
　　本儀器的硬件框圖如圖1所示。單片機MCU中的CPU設定采樣控制部分和顯示控制部分的工作方式，采樣控制部分根據(jù)CPU設定的方式自動進行數(shù)據(jù)采樣并將數(shù)據(jù)送入FIFO中保存，而顯示控制部分則不斷讀取FIFO中的數(shù)據(jù)并根據(jù)CPU設定的方式進行顯示。同時，CPU還負責處理鍵盤的輸入和通過RS-232接口與上位機進行數(shù)據(jù)傳輸。
　　
　　2.1.1MCU
　　
　　本儀器的MCU采用Winbond公司的W78E58單片機。W78E58是Winbond公司生產(chǎn)的高性能8位單片機，與標準的8052引腳、指令和片內(nèi)資源全兼容，采用全靜態(tài)設計，內(nèi)含32K字節(jié)高性能FLASHROM和256字節(jié)內(nèi)部RAM，內(nèi)建電源管理方式，具有完善的代碼保護功能，可以有效地保護開發(fā)成果。
　　
　　2.1.2FPGA
　　
　　本儀器中的采樣控制和顯示控制，各使用一塊FPGA芯片。根據(jù)仿真的結(jié)構以及我們的設備情況，選用了Xilinx公司SpartanXL系列的XCS30XLPQ208芯片。
　　
　　設計的軟件環(huán)境使用XilinxFoundation2.1i版本。采用了原理圖和VHDL語言混
　　
　　
　　
　　合的輸入方法，將復雜的控制模塊分塊放在同一設計項目中，輸入完畢后進行功能仿真、編譯和器件內(nèi)部的布局布線，生成定時模擬數(shù)據(jù)文件，然后進行定時仿真。在定時仿真滿足要求后，將數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為通用編程器可以接受的Intel格式，使用通用編程器ALL-07對FPGA外附的PROM進行編程。
　　
　　2.1.3FIFO
　　
　　本設計中采用了Averlogic公司的大容量FIFOAL422B作為采樣一顯示的共享數(shù)據(jù)RAM，從而使采樣部分和顯示部分相對獨立，體現(xiàn)了一種模塊化設計的設計思路。
　　
　　2.2采樣控制
　　
　　采樣控制部分的功能是產(chǎn)生激勵探頭振元的同步窄脈沖、TGC（時間增益控制）控制信號、VDF（電壓增益）控制信號和DF（動態(tài)濾波）控制信號，進行數(shù)據(jù)采樣和地址轉(zhuǎn)換以及進行數(shù)值插補，之后將數(shù)據(jù)送入FIFO。該部分由一塊XCS30XL實現(xiàn)，其框圖如圖2（虛線框內(nèi)）所示。
　　
　　其工作過程為：控制邏輯產(chǎn)生電路產(chǎn)生特定的控制邏輯，使電機轉(zhuǎn)動一步，然后地址計數(shù)器開始工作，開始采樣數(shù)據(jù)并存入外部RAM。在采樣到第五個數(shù)據(jù)時輸出發(fā)射脈沖，啟動探頭工作，然后繼續(xù)采樣。采樣完512點后，控制邏輯使電機再轉(zhuǎn)動一步，然后重復以上采樣過程，總共驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動256步后，一幀采樣結(jié)束，控制邏輯輸出相應信號使電機反向轉(zhuǎn)動256步。電機反向轉(zhuǎn)動的這段時間里，控制邏輯將存放在外部RAM中的數(shù)據(jù)取出執(zhí)行插補后再存入外部RAM，在全部數(shù)據(jù)執(zhí)行完插補后，將數(shù)據(jù)按順序送入FIFO。在電機反轉(zhuǎn)完成后，控制邏輯開始執(zhí)行新的一幀數(shù)據(jù)采樣，如此斷重復。
　　
　　2.3顯示控制
　　
　　顯示控制部分完成字符疊加、灰階變換及標準VGA顯示信號的生成，其框圖如圖3（虛線框內(nèi)）所示。
　　
　　其工作過程為：控制邏輯產(chǎn)生電路根據(jù)設定的工作方式產(chǎn)生與行、幀同步信號同步的控制時序，從FIFO中讀出B超圖象信號，經(jīng)過灰階變換后送入信號合成電路。同時控制邏輯還產(chǎn)生相應的時序，控制CPU將文字、圖形、標志等信號數(shù)據(jù)寫入外部RAM，并將外部RAM中的數(shù)據(jù)按順序讀出后送到并串轉(zhuǎn)換電路，變成象素數(shù)據(jù)后送入信號合成電路。信號合成電路將上述兩部分信號連同VGA顯示消隱信號一起合成為VGA顯示所需的RGB信號數(shù)據(jù)輸出，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后即為模擬RGB信號輸出。
　　
　　2.4信號產(chǎn)生和接收
　　
　　2.4.1發(fā)射脈沖產(chǎn)生電路
　　
　　該電路產(chǎn)生探頭振元的激勵脈沖，其電路性能的優(yōu)劣不僅影響到超聲發(fā)射的功率和接收靈活度，還關系到探測深度和分辨率的好壞，因此對于超聲儀器來說它是較為重要的電路。
　　
　　現(xiàn)代超聲診斷儀器通常使用所謂“沖擊激勵”的方法產(chǎn)生超聲波發(fā)射，即通過對振元施加單個極性脈沖，使振元產(chǎn)生持續(xù)時間極短的機械振蕩。
　　
　　2.4.2超聲回波的接收
　　
　　信號接收部分將接收到的回波信號放大并進行檢波，變成A/D轉(zhuǎn)換器可以接收的信號。其框圖如圖4所示。
　　
　　3軟件設計
　　
　　整個軟件全部采用匯編語言編寫而成，主要完成以下功能：輸入ID（病歷號）、切換TGC控制方式、切換灰階變換方式、切換左右眼指示、選擇游標、移動選定的游標并計算兩游標間的距離、凍結(jié)或掃描圖像，其流程圖如圖5所示。
　　
　　本儀器樣機經(jīng)過標準體模測試，B型圖像的橫向分辨率≤0.5mm，縱向分辨率≤0.25mm，實際探測深度≥52mm，橫向位置幾何精度≤10%，縱向位置幾何精度≤5%。與同類產(chǎn)品相比，顯示圖像清晰、輪廓分明，達到設計和使用要求，在國內(nèi)機型中屬于較好水平，但與國外先進水平相比，還有一定差距，需要進一步改進。
　　
　　
　　
　　

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