新型眼科B型超聲診斷儀

關(guān)鍵詞 B超 反射法 FPGA FIFO

前言
改革開放以來，全國人民生活水平日益提高，健康越來越受到人們的高度重視。眼睛是心靈的窗戶，眼睛的健康對人們來說更是重要。眼病的治療需要建立在確切的診斷基礎(chǔ)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。我公司在引進、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(shè)計技術(shù)和FIFO芯片，成像質(zhì)量好、集成度高、設(shè)計靈活，和國內(nèi)外同類儀器相比具有較高的性能價格比。

一、概述
自從50年代初超聲探測開始應(yīng)用于醫(yī)學(xué)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，型號復(fù)雜。
超聲診斷儀通常按三種方式分類，它們是：①按圖像信息的獲取方法分類，由此可區(qū)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，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，超聲診斷儀又分為低速（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。反射法超聲儀器是基于超聲在通過不同的聲阻抗組織界面時會發(fā)生較強反射的原理工作的，按圖像顯示方式分類的A型、M型、B型、P型、BP型、C型和F型超聲診斷儀統(tǒng)屬反射法超聲儀器，就成像方式而言，A型采用幅度調(diào)制的回波顯示法，M型采用輝度調(diào)制的時基顯示法，而B型、BP型、C型和F型則采用輝度調(diào)制的二維聲像圖顯示法，且通?？蓪崿F(xiàn)實時動態(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(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則是近年來在連續(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，80年代中期應(yīng)用于臨床以來，至今已有了較快的發(fā)展。透射法超聲儀器可望實現(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(xiàn)代診斷方法所不可取代的，在眼內(nèi)和眼眶疾病鑒別診斷中起著非常重要的作用。最初的眼科超聲診斷是使用內(nèi)科的B超配以眼科專用探頭進行的，但是內(nèi)科B超高昂的售價妨礙了它的推廣，所以國內(nèi)外各醫(yī)療器械生產(chǎn)廠商紛紛研制生產(chǎn)了一系列專門的眼科超聲類儀器。我公司最新推出的KN－3000A眼科B型超聲診斷儀就是專門為眼科疾病診斷所設(shè)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(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。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(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型超聲診斷儀則通過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(dāng)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（灰度）的形式顯示在對應(yīng)的掃描線上，便可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，稱之為扇掃斷層圖像，或稱剖面圖。

三、硬件設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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32Kbyte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。

3．FPGA
自大規(guī)?，F(xiàn)場可編程邏輯器件問世以來，先后出現(xiàn)了兩類器件：一類是基于SRAM體系結(jié)構(gòu)的FPGA系列，另一類是基于fastFLASH技術(shù)的CPLD器件。通常在要求速度很快而功能簡單的應(yīng)用中使用CPLD，而在功能復(fù)雜但對速度要求不是特別高的應(yīng)用場合則使用FPGA。FPGA是80年代中期出現(xiàn)的高密度可編程邏輯器件。FPGA及其系統(tǒng)軟件是開發(fā)數(shù)字集成電路的最新技術(shù)。它利用計算機輔助設(shè)計，以電路原理圖、高級語言、狀態(tài)機等形式輸入設(shè)計邏輯，提供功能模擬、定時模擬等模擬手段，在功能模擬、定時模擬都滿足要求后，經(jīng)過一系列的變換，將輸入邏輯轉(zhuǎn)換成FPGA器件的編程文件，以實現(xiàn)專用集成電路。FPGA具有容量大、設(shè)計資源豐富、片內(nèi)ROM及RAM設(shè)計靈活等特點，但是它們需要在每次上電時進行數(shù)據(jù)加載。目前實現(xiàn)加載的方法有三種：采用并行PROM（EPROM或FLASH ROM）進行并行加載，采用串行PROM進行串行加載和利用單片機控制實現(xiàn)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，但在加載時不允許這些管腳有其它任何外來信號源，另外數(shù)據(jù)存儲器PROM與FPGA之間的大量固定連線如8位數(shù)據(jù)線以及大量訪問PROM的地址線等使得PCB設(shè)計不便。第三種方式采用單片機控制，由PROM中讀取并行數(shù)據(jù)，然后再串行送出，由于涉及到單片機編程，對于開發(fā)者來說較為不便。第二種方法則較為簡單，占用資源少，PCB布線方便，而且一般提供FPGA芯片的廠家均提供相應(yīng)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(jù)仿真的結(jié)果以及我們的設(shè)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(nèi)部的Logic Cells為1368個，最大系統(tǒng)門數(shù)為30000門，可配置塊為576塊，最大可用用戶I /O數(shù)192個，完全可以滿足用戶需求，且為以后的擴展和修改留有余地。同時，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行編程。
設(shè)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語言混合輸入的設(shè)計方法，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模擬，確認(rèn)功能準(zhǔn)確后，再進行編譯并執(zhí)行FPGA器件內(nèi)部的布局布線，同時生成定時模擬數(shù)據(jù)文件，然后進行定時模擬。在定時模擬滿足要求后，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，并進行數(shù)據(jù)采樣和地址轉(zhuǎn)換，然后進行數(shù)值插補后將數(shù)據(jù)送入FIFO。該部分由一塊XCS30XL實現(xiàn)，其框圖(見虛線框內(nèi))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(biāo)準(zhǔn)VGA顯示信號的生成,其框圖（虛線框內(nèi)）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說它具有較為重要的位置。
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。
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行檢波，變成A/D轉(zhuǎn)換器可以接收的信號。其框圖如下：

四、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，其流程圖如下：

五、研制總結(jié)
本儀器樣機經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)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％，完全滿足設(shè)計的要求。經(jīng)過和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(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，需要進一步提高。

參考文獻
1、陳智文、張旦松， 《B型超聲診斷儀原理、調(diào)試與維修》
湖北科學(xué)技術(shù)出版社，1991年
2、甘心照，《近代電子醫(yī)療設(shè)備與技術(shù)》，南京大學(xué)出版社，1991年
3、袁易全，《近代超聲原理與應(yīng)用》，南京大學(xué)出版社，1996年
4、常青、陳耀輝、孫廣富等，《可編程專用集成電路及其應(yīng)用與設(shè)計實踐》，
北京國防工業(yè)出版社，1998年
5、余永權(quán)、李小青、陳林康，《單片機應(yīng)用系統(tǒng)的功率接口技術(shù)》，
北京航空航天大學(xué)出版社，1992年
6、何立民，《MCS－51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計——系統(tǒng)配置與接口技術(shù)》，
北京航空航天大學(xué)出版社，1990年
7、潘新民、王燕芳，《單片微型計算機實用系統(tǒng)設(shè)計》
人民郵電出版社，1993
8、曾繁秦、陳美金，《VHDL程序設(shè)計》，清華大學(xué)出版社，2000年
9、AD公司放大器手冊（上），世健系統(tǒng)集團翻譯出版，1992年
10、Xilinx DataSource CD-ROM Rev.2 Fourth Quarter 2000 , Xilinx Inc.