摘 要: 介紹一種以Winbond公司的W78E58單片機(jī)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(shí)現(xiàn)采樣和顯示相對獨(dú)立的模塊化設(shè)計(jì)方案以及FPGA在該設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。
關(guān)鍵詞: B超 反射法 FPGA FIFO
20世紀(jì)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(jìn)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(dòng))掃描、高速機(jī)械線性掃描、高速機(jī)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(shí)會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的反射,反射法超聲儀器就是基于這一原理進(jìn)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(shí)時(shí)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(xiàng)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(jì)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(shí)現(xiàn)超聲全息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像,目前尚處于研制中,未達(dá)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(jìn)、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(jī)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(jī)械的方法改變探頭角度,實(shí)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(diǎn)(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(dòng)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(jì)
2.1總體描述
本儀器的硬件框圖如圖1所示。單片機(jī)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(dòng)進(jìn)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(jìn)行顯示。同時(shí),CPU還負(fù)責(zé)處理鍵盤的輸入和通過RS-232接口與上位機(jī)進(jìn)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(jī)。W78E58是Winbond公司生產(chǎn)的高性能8位單片機(jī),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(jì),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(hù)功能,可以有效地保護(hù)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(jì)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(jì)項(xiàng)目中,輸入完畢后進(jìn)行功能仿真、編譯和器件內(nèi)部的布局布線,生成定時(shí)模擬數(shù)據(jù)文件,然后進(jìn)行定時(shí)仿真。在定時(shí)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(jìn)行編程。
2.1.3 FIFO
本設(shè)計(jì)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(dú)立,體現(xiàn)了一種模塊化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路。
2.2 采樣控制
采樣控制部分的功能是產(chǎn)生激勵(lì)探頭振元的同步窄脈沖、TGC(時(shí)間增益控制)控制信號、VDF(電壓增益)控制信號和DF(動(dòng)態(tài)濾波)控制信號,進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和地址轉(zhuǎn)換以及進(jìn)行數(shù)值插補(bǔ),之后將數(shù)據(jù)送入FIFO。該部分由一塊XCS30XL實(shí)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步,然后地址計(jì)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(gè)數(shù)據(jù)時(shí)輸出發(fā)射脈沖,啟動(dòng)探頭工作,然后繼續(xù)采樣。采樣完512點(diǎn)后,控制邏輯使電機(jī)再轉(zhuǎn)動(dòng)一步,然后重復(fù)以上采樣過程,總共驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)256步后,一幀采樣結(jié)束,控制邏輯輸出相應(yīng)信號使電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)256步。在電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)的這段時(shí)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(bǔ)后再存入外部RAM,在全部數(shù)據(jù)執(zhí)行完插補(bǔ)后,將數(shù)據(jù)按順序送入FIFO。在電機(jī)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(zhǔn)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(shí)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(shí)控制邏輯還產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)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?cái)?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(lì)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(lì)”的方法產(chǎn)生超聲波發(fā)射,即通過對振元施加單個(gè)極性脈沖,使振元產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間極短的機(jī)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(jìn)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(jì)
整個(gè)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(dòng)選定的游標(biāo)并計(jì)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(jī)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(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%。與同類產(chǎn)品相比,顯示圖像清晰、輪廓分明,達(dá)到設(shè)計(jì)和使用要求,在國內(nèi)機(jī)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)一步改進(jìn)。
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