摘 要: 介紹一種以Winbond公司的W78E58單片機為控制核心,并采用FPGA" title="FPGA">FPGA和大容量FIFO" title="FIFO">FIFO等器件構成的眼科" title="眼科">眼科B型超聲診斷儀" title="超聲診斷儀">超聲診斷儀。闡述了眼科超聲診斷儀的基本原理,使用FIFO作為數據共享RAM實現采樣和顯示相對獨立的模塊化設計方案以及FPGA在該設計中的具體應用。
關鍵詞: B超" title="B超">B超 反射法" title="反射法">反射法 FPGA FIFO
20世紀50年代初超聲探測開始應用于醫學領域至今,超聲診斷技術已有了長足的進展。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比較成熟,已在醫學科研和臨床中得到普遍應用。超聲波在通過不同的聲阻抗組織的界面時會發生較強的反射,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工作的,有連續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多普勒及脈沖多普勒技術上發展的一項超聲診斷新技術,是彩色B型顯像技術與超聲多普勒探測技術相結合的產物,20世紀80年代中期應用于臨床以來,至今已有了較快的發展。透射法超聲儀器渴望實現超聲全息實時動態成像,目前尚處于研制中,未達到臨床應用的水平。
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。我們在引進、吸收國外同類產品的基礎上,開發了具有自主知識產權的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型超聲診斷儀通過機械的方法改變探頭角度,實現了超聲波束指向(方位)的快速變化(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CPU設定的方式自動進行數據采樣并將數據送入FIFO中保存,而顯示控制部分則不斷讀取FIFO中的數據并根據CPU設定的方式進行顯示。同時,CPU還負責處理鍵盤的輸入和通過RS-232接口與上位機進行數據傳輸。
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,采用全靜態設計,內含32K字節高性能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,可以有效地保護開發成果。
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。根據仿真的結果以及我們的設備情況,選用了Xilinx公司Spartan XL系列的XCS30XLPQ208芯片。
設計的軟件環境使用Xilinx Foundation 2.1i版本。采用了原理圖和VHDL語言混合的輸入方法,將復雜的控制模塊分塊放在同一設計項目中,輸入完畢后進行功能仿真、編譯和器件內部的布局布線,生成定時模擬數據文件,然后進行定時仿真。在定時仿真滿足要求后,將數據文件轉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據RAM,從而使采樣部分和顯示部分相對獨立,體現了一種模塊化設計的設計思路。
2.2 采樣控制
采樣控制部分的功能是產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(動態濾波)控制信號,進行數據采樣和地址轉換以及進行數值插補,之后將數據送入FIFO。該部分由一塊XCS30XL實現,其框圖如圖2(虛線框內)所示。
其工作過程為:控制邏輯產生電路產生特定的控制邏輯,使電機轉動一步,然后地址計數器開始工作,開始采樣數據并存入外部RAM。在采樣到第五個數據時輸出發射脈沖,啟動探頭工作,然后繼續采樣。采樣完512點后,控制邏輯使電機再轉動一步,然后重復以上采樣過程,總共驅動電機轉動256步后,一幀采樣結束,控制邏輯輸出相應信號使電機反向轉動256步。在電機反向轉動的這段時間里,控制邏輯將存放在外部RAM中的數據取出執行插補后再存入外部RAM,在全部數據執行完插補后,將數據按順序送入FIFO。在電機反轉完成后,控制邏輯開始執行新的一幀數據采樣,如此不斷重復。
2.3 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,其框圖如圖3(虛線框內)所示。
其工作過程為:控制邏輯產生電路根據設定的工作方式產生與行、幀同步信號同步的控制時序,從FIFO中讀出B超圖象信號,經過灰階變換后送入信號合成電路。同時控制邏輯還產生相應的時序,控制CPU將文字、圖形、標志等信號數據寫入外部RAM,并將外部RAM中的數據按順序讀出后送到并串轉換電路,變成象素數據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信號數據輸出,經過D/A轉換后即為模擬RGB信號輸出。
2.4 信號產生和接收
2.4.1 發射脈沖產生電路
該電路產生探頭振元的激勵脈沖,其電路性能的優劣不僅影響到超聲發射的功率和接收靈敏度,還關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。
現代超聲診斷儀器通常使用所謂“沖擊激勵”的方法產生超聲波發射,即通過對振元施加單個極性脈沖,使振元產生持續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轉換器可以接收的信號。其框圖如圖4所示。
3 軟件設計
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、移動選定的游標并計算兩游標間的距離、凍結或掃描圖像,其流程圖如圖5所示。
本儀器樣機經過標準體模測試,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%。與同類產品相比,顯示圖像清晰、輪廓分明,達到設計和使用要求,在國內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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