一種眼科B型超聲診斷議

20世紀(jì)50年代初超聲探測(cè)開(kāi)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(zhǎng)足的進(jìn)展。超聲診斷儀更是形式多樣，型號(hào)繁多。

超聲診斷儀通常按三種方法分類(lèi)，它們是：①按圖像信息的獲取方法分類(lèi)，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(lèi)，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(lèi)型，除A型和M型外，其它均屬于廣義的B型顯示；③按超聲波束的掃描方式分類(lèi)，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通應(yīng)用。超聲波在 通過(guò)不同的聲阻抗組織的界面時(shí)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(lái)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(cè)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(lái)，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(duì)人們來(lái)說(shuō)非常重要。眼科B型超聲診斷儀在起起國(guó)已使用20 余年，它可用來(lái)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?cè)谝M(jìn)、吸收國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了具有自主知 識(shí)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)代表測(cè)物體的深度，縱坐標(biāo)代表回放脈沖的幅度。

    B 型超聲診斷儀通過(guò)機(jī)械方法改變探頭角度，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(cè)方向上不同深度的 所有界面的反射回波，都以亮點(diǎn)（灰度）的形式顯在對(duì)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 總線描述

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(pán)的輸入和通過(guò)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(kāi)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)構(gòu)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(yǔ)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(duì)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作為采樣一顯示的共享數(shù)據(jù)RAM，從而使采樣部分和顯示部分相對(duì)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(hào)、 VDF（電壓增益）控制信號(hào)和DF（動(dòng)態(tài)濾波）控制信號(hào)，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(guò)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(kāi)始工作，開(kāi)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(guò)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(hào)使電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)256步。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(kāi)始執(zhí)行新的一 幀數(shù)據(jù)采樣，如此斷重復(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(hào)的生成，其框圖如圖3（虛線框內(nèi)）所示。

其工作過(guò)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(hào)同步的控制時(shí)序， 從FIFO中讀出B超圖象信號(hào)，經(jīng)過(guò)灰階變換后送入信號(hào)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(hào)數(shù)據(jù)寫(xiě)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(hào)合成電路。信號(hào)合成電路將上述兩部分信號(hào)連同VGA顯示消隱信號(hào)一 起合成為VGA顯示所需的RGB信號(hào)數(shù)據(jù)輸出，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后即為模擬RGB信號(hào)輸出。

2.4 信號(hào)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)射的功率和接收靈活度，還關(guān)系到探測(cè)深度和分辨率的好壞，因此對(duì)于超聲儀器來(lái)說(shuō)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(guò)對(duì)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(hào)接收部分將接收到的回波信號(hào)放大并進(jìn)行檢波，變成A/D轉(zhuǎn)換器可以接收的信號(hào)。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(yǔ)言編寫(xiě)而成，主要完成以下功能：輸入ID（病歷號(hào)）、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(guò)標(biāo)準(zhǔn)體模測(cè)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(cè)深度≥52mm，橫向位置幾何精度≤10%，縱向位置幾何精度≤5%。與同類(lèi)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(guó)內(nèi)機(jī)型中屬于較好水平，但與國(guó)外先進(jìn)水平相比，還有一定差距，需要進(jìn)一步改進(jìn)。