眼科超声诊断仪分析论文

2021-06-10 论文

  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(Amplitudemodulation),在显示屏幕上以横坐标代表测物体的深度,纵坐标代表回放脉冲的幅度。

  B型超声诊断仪通过机械方法改变探头角度,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总线描述

  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。

  2.1.1MCU

  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FLASHROM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。

  2.1.2FPGA

  本仪器中的采样控制和显示控制,各使用一块FPGA芯片。根据仿真的结构以及我们的设备情况,选用了Xilinx公司SpartanXL系列的XCS30XLPQ208芯片。

  设计的软件环境使用XilinxFoundation2.1i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。

  2.1.3FIFO

  本设计中采用了Averlogic公司的大容量FIFOAL422B作为采样一显示的共享数据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。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活度,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。

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