新型眼科B型超聲診斷儀
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前言
改革開(kāi)放以來(lái)，全國人民生活水平日益提高，健康越來(lái)越受到人們的高度重視。眼睛是心靈的窗戶(hù)，眼睛的健康對人們來(lái)說(shuō)更是重要。眼病的治療需要建立在確切的診斷基礎之上，眼科B型超聲診斷儀就是這樣一種能確切診斷眼病的儀器，它可以用來(lái)診斷視網(wǎng)膜脫落、眼內和眼眶腫瘤、玻璃體混濁、出血、眼底病變及眼內異物等疾病。我公司在引進(jìn)、吸收國外同類(lèi)產(chǎn)品的基礎上，開(kāi)發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的新型眼科B型超聲診斷儀。本儀器以8031系列單片機作為控制核心，采用FPGA設計技術(shù)和FIFO芯片，成像質(zhì)量好、集成度高、設計靈活，和國內外同類(lèi)儀器相比具有較高的性能價(jià)格比。
一、概述
自從50年代初超聲探測開(kāi)始應用于醫學(xué)至今，超聲診斷技術(shù)已有了長(cháng)足的進(jìn)展。超聲診斷儀更是形式多樣，型號復雜。
超聲診斷儀通常按三種方式分類(lèi)，它們是：①按圖像信息的獲取方法分類(lèi)，由此可區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(lèi)，則可將超聲診斷儀分為A型、M型、B型、P型、BP型、C型、F型以及超聲全息等各種，除A型和M型外，其它均屬廣義的B型范圍；③按超聲波束的掃描方式分類(lèi)，超聲診斷儀又分為低速（手動(dòng)）掃描、高速機械線(xiàn)性?huà)呙?、高速機械扇形掃描、高速電子線(xiàn)性?huà)呙韬透咚匐娮由刃危ㄏ嗫仃嚕呙璧取?BR>反射法和多普勒法超聲診斷儀器技術(shù)比較成熟，已在醫學(xué)科研和臨床中得到普遍應用。反射法超聲儀器是基于超聲在通過(guò)不同的聲阻抗組織界面時(shí)會(huì )發(fā)生較強反射的原理工作的，按圖像顯示方式分類(lèi)的A型、M型、B型、P型、BP型、C型和F型超聲診斷儀統屬反射法超聲儀器，就成像方式而言，A型采用幅度調制的回波顯示法，M型采用輝度調制的時(shí)基顯示法，而B(niǎo)型、BP型、C型和F型則采用輝度調制的二維聲像圖顯示法，且通?？蓪?shí)現實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像顯示。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，有連續多普勒和脈沖多普勒之分。實(shí)時(shí)二維彩色多普勒血流顯像儀則是近年來(lái)在連續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)相結合的產(chǎn)物，80年代中期應用于臨床以來(lái)，至今已有了較快的發(fā)展。透射法超聲儀器可望實(shí)現超聲全息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像，目前尚處于研制中，未達到臨床應用的水平。
眼科超聲在我國已使用20 余年，在眼科各種疾病的診斷上積累了豐富的經(jīng)驗，已成為眼科臨床不可缺少的診斷工具。超聲探查所提供的診斷信息是任何其他現代診斷方法所不可取代的，在眼內和眼眶疾病鑒別診斷中起著(zhù)非常重要的作用。最初的眼科超聲診斷是使用內科的B超配以眼科專(zhuān)用探頭進(jìn)行的，但是內科B超高昂的售價(jià)妨礙了它的推廣，所以國內外各醫療器械生產(chǎn)廠(chǎng)商紛紛研制生產(chǎn)了一系列專(zhuān)門(mén)的眼科超聲類(lèi)儀器。我公司最新推出的KN－3000A眼科B型超聲診斷儀就是專(zhuān)門(mén)為眼科疾病診斷所設計的高集成超聲波診斷儀器。它可以診斷視網(wǎng)膜脫落、眼內和眼眶腫瘤、玻璃體混濁、出血、眼底病變及眼內異物等疾病。該診斷儀采用機械扇形掃描顯示B型超聲圖像。
二、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制（amplitude modulation），在顯示屏幕上以橫坐標代表被測物體的深度，縱坐標代表回波脈沖的幅度。
B型超聲診斷儀則通過(guò)機械的方法改變探頭角度，從而使超聲波束指向方位快速變化（相當于改變A超探頭的位置），使每隔一定小角度，被探測方向不同深度所有界面的反射回波，都以亮點(diǎn)（灰度）的形式顯示在對應的掃描線(xiàn)上，便可形成一幅由探頭擺動(dòng)方向決定的垂直扇面二維超聲斷層圖像，稱(chēng)之為扇掃斷層圖像，或稱(chēng)剖面圖。
三、硬件設計
1．總體描述
本儀器采用Winbond公司的W78E58單片機作為控制CPU進(jìn)行采樣控制、顯示控制、通信控制和人機接口處理，采樣和顯示則選用了Xilinx公司的Spartan XL系列FPGA進(jìn)行，具體硬件框圖如下：
2．MCU
本儀器采用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、指令和片內資源全兼容，采用全靜態(tài)設計，內含32Kbyte高性能FLASH ROM和256字節內部RAM，內建電源管理方式，具有完善的代碼保護功能，可以有效地保護開(kāi)發(fā)成果。
3．FPGA
自大規?，F場(chǎng)可編程邏輯器件問(wèn)世以來(lái)，先后出現了兩類(lèi)器件：一類(lèi)是基于SRAM體系結構的FPGA系列，另一類(lèi)是基于fastFLASH技術(shù)的CPLD器件。通常在要求速度很快而功能簡(jiǎn)單的應用中使用CPLD，而在功能復雜但對速度要求不是特別高的應用場(chǎng)合則使用FPGA。FPGA是80年代中期出現的高密度可編程邏輯器件。FPGA及其系統軟件是開(kāi)發(fā)數字集成電路的最新技術(shù)。它利用計算機輔助設計，以電路原理圖、高級語(yǔ)言、狀態(tài)機等形式輸入設計邏輯，提供功能模擬、定時(shí)模擬等模擬手段，在功能模擬、定時(shí)模擬都滿(mǎn)足要求后，經(jīng)過(guò)一系列的變換，將輸入邏輯轉換成FPGA器件的編程文件，以實(shí)現專(zhuān)用集成電路。FPGA具有容量大、設計資源豐富、片內ROM及RAM設計靈活等特點(diǎn)，但是它們需要在每次上電時(shí)進(jìn)行數據加載。目前實(shí)現加載的方法有三種：采用并行PROM（EPROM或FLASH ROM）進(jìn)行并行加載，采用串行PROM進(jìn)行串行加載和利用單片機控制實(shí)現加載。第一種方法方式需要占用較多的FPGA管腳資源，雖然這些管腳在加載完成后可用作一般I/O口，但在加載時(shí)不允許這些管腳有其它任何外來(lái)信號源，另外數據存儲器PROM與FPGA之間的大量固定連線(xiàn)如8位數據線(xiàn)以及大量訪(fǎng)問(wèn)PROM的地址線(xiàn)等使得PCB設計不便。第三種方式采用單片機控制，由PROM中讀取并行數據，然后再串行送出，由于涉及到單片機編程，對于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)較為不便。第二種方法則較為簡(jiǎn)單，占用資源少，PCB布線(xiàn)方便，而且一般提供FPGA芯片的廠(chǎng)家均提供相應的串行PROM芯片。綜合考慮以后，我們選擇了串行PROM加載方式。
本儀器中的采樣控制和顯示控制，各使用了一塊FPGA芯片。根據仿真的結果以及我們的設備情況，我們選用了Xilinx公司Spartan XL系列的XCS30XLPQ208芯片。該芯片采用3.3V供電，信號兼容5V容限TTL電平，便于與常用外圍器件接口；其內部的Logic Cells為1368個(gè)，最大系統門(mén)數為30000門(mén)，可配置塊為576塊，最大可用用戶(hù)I /O數192個(gè)，完全可以滿(mǎn)足用戶(hù)需求，且為以后的擴展和修改留有余地。同時(shí)，該芯片配套使用的Xilinx公司的XCS17S30XL串行PROM便于使用通用編程器進(jìn)行編程。
設計的軟件環(huán)境使用Xilinx Foundation 2。1i版本。該版本支持Xilinx公司的XC3000A/L、XC3100A/L、XC4000E/L/EX/XL/XV/XLA、XC5200、Spartan、SpartanXL、Virtex、XC9500、XC9500XL以及XC9500XV。此外，該版本還集成了Core產(chǎn)生器工具。
我們采用了原理圖和VHDL語(yǔ)言混合輸入的設計方法，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(jìn)行功能模擬，確認功能準確后，再進(jìn)行編譯并執行FPGA器件內部的布局布線(xiàn)，同時(shí)生成定時(shí)模擬數據文件，然后進(jìn)行定時(shí)模擬。在定時(shí)模擬滿(mǎn)足要求后，將數據文件轉換為通用編程器可以接受的文件格式。我們選用了通用的Intel格式，然后使用通用編程器ALL－07對PROM進(jìn)行編程。
4．采樣控制
采樣控制部分的功能為控制產(chǎn)生激勵探頭振元的同步窄脈沖、TGC控制信號、DF控制信號，并進(jìn)行數據采樣和地址轉換，然后進(jìn)行數值插補后將數據送入FIFO。該部分由一塊XCS30XL實(shí)現，其框圖(見(jiàn)虛線(xiàn)框內)如下：
5．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（虛線(xiàn)框內）如下：
6．信號產(chǎn)生和接收
6.1.發(fā)射脈沖產(chǎn)生電路
該電路產(chǎn)生對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(lái)說(shuō)它具有較為重要的位置。
現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(guò)對振元施加單個(gè)極性脈沖，使振元產(chǎn)生持續時(shí)間極短的機械振蕩。
6.2.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(jìn)行檢波，變成A/D轉換器可以接收的信號。其框圖如下：
四、軟件設計
整個(gè)軟件全部采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)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(dòng)選定的游標并計算兩游標間的距離、凍結或掃描圖像，其流程圖如下：
五、研制總結
本儀器樣機經(jīng)過(guò)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(shí)際探測深度≥52mm，橫向位置幾何精度≤10％，縱向位置幾何精度≤5％，完全滿(mǎn)足設計的要求。經(jīng)過(guò)和BME－210眼科A/B型超聲診斷儀、索爾SPJY21-01手掌眼科A/B型超聲診斷儀、索爾SMJY21-01臺式眼科A/B型超聲診斷儀、SONOMED公司 A/B-5500超聲診斷儀、SONOMED公司B－1500B型超聲診斷儀和TOMY公司UD－6000多功能A/B型超聲生物掃描儀作比較，顯示圖像清晰，輪廓分明，在國內機型中屬于較好水平，但與國外先進(jìn)水平相比，還有一定差距，需要進(jìn)一步提高。
參考文獻
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