摘 要:介绍一种以Winbond公司的W78E58单片机为控制核心,并采用FPGA" title="FPGA">FPGA和大容量FIFO" title="FIFO">FIFO等器件构成的眼科" title="眼科">眼科B型超声诊断仪" title="超声诊断仪">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。

关键词:B超" title="B超">B超反射法" title="反射法">反射法FPGA FIFO

　　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遍应用。超声波在通过不同的声阻抗组织的界面时会发生较强的反射,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型超声诊断仪在我国已使用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被测物体的深度,纵坐标代表回波脉冲的幅度。

B型超声诊断仪通过机械的方法改变探头角度,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)的形式显示在对应的扫描线上,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总体描述

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。根据仿真的结果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作为采样和显示的共享数据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。在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,如此不断重复。

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敏度,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。

参考文献

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