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(gòu)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(shè)計方案以及FPGA在該設(shè)計中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞: B超 反射法 FPGA FIFO

　　20世紀50年代初超聲探測開始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域至今,超聲診斷技術(shù)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(shù)比較成熟,已在醫(yī)學(xué)科研和臨床中得到普遍應(yīng)用。超聲波在通過不同的聲阻抗組織的界面時會發(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(yīng)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(shù)上發(fā)展的一項超聲診斷新技術(shù),是彩色B型顯像技術(shù)與超聲多普勒探測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,20世紀80年代中期應(yīng)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(yīng)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型超聲診斷儀在我國已使用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(chǔ)上,開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(xué)的原則。

A超回波顯示采用幅度調(diào)制(Amplitude modulation),在顯示屏幕上以橫坐標(biāo)代表被測物體的深度,縱坐標(biāo)代表回波脈沖的幅度。

B型超聲診斷儀通過機械的方法改變探頭角度,實現(xiàn)了超聲波束指向(方位)的快速變化(相當(dāng)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)的形式顯示在對應(yīng)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(shè)計

2.1總體描述

本儀器的硬件框圖如圖1所示。單片機MCU中的CPU設(shè)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(shè)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(shè)定的方式進行顯示。同時,CPU還負責(zé)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。

2.1.1 MCU

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(biāo)準的8052引腳、指令和片內(nèi)資源全兼容,采用全靜態(tài)設(shè)計,內(nèi)含32K字節(jié)高性能FLASH ROM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。

2.1.2 FPGA

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)果以及我們的設(shè)備情況,選用了Xilinx公司Spartan XL系列的XCS30XLPQ208芯片。

設(shè)計的軟件環(huán)境使用Xilinx Foundation 2.1i版本。采用了原理圖和VHDL語言混合的輸入方法,將復(fù)雜的控制模塊分塊放在同一設(shè)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。

2.1.3 FIFO

本設(shè)計中采用了Averlogic公司的大容量FIFO AL422B作為采樣和顯示的共享數(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(shè)計的設(shè)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(fù)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(yīng)信號使電機反向轉(zhuǎn)動256步。在電機反向轉(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,如此不斷重復(fù)。

2.3 顯示控制

顯示控制部分完成字符疊加、灰階變換及標(biāo)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(shè)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(yīng)的時序,控制CPU將文字、圖形、標(biāo)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)射的功率和接收靈敏度,還關(guān)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(shè)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(biāo)、移動選定的游標(biāo)并計算兩游標(biāo)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(biāo)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(shè)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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