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新型眼科B型超声诊断仪
摘要:本设计以Winbond公司的W78E58单片机为系统的控制核心,采用最新的FPGA设计技术，并应用Averlogic公司的大容量图像存储FIFO使采样控制模块和显示控制模块相对独立，从而使本仪器具有很高的集成化程度、很强的设计灵活性。同时，由于FPGA的大容量允许采用较复杂的数据处理，从而大大提高了诊断仪的成像质量。
关键词 B超 反射法 FPGA FIFO
前言
改革开放以来，全国人民生活水平日益提高，健康越来越受到人们的高度重视。眼睛是心灵的窗户，眼睛的健康对人们来说更是重要。眼病的治疗需要建立在确切的诊断基础之上，眼科B型超声诊断仪就是这样一种能确切诊断眼病的仪器，它可以用来诊断视网膜脱落、眼内和眼眶肿瘤、玻璃体混浊、出血、眼底病变及眼内异物等疾病。我公司在引进、吸收国外同类产品的基础上，开发了具有自主知识产权的新型眼科B型超声诊断仪。本仪器以8031系列单片机作为控制核心，采用FPGA设计技术和FIFO芯片，成像质量好、集成度高、设计灵活，和国内外同类仪器相比具有较高的性能价格比。
一、概述
自从50年代初超声探测开始应用于医学至今，超声诊断技术已有了长足的进展。超声诊断仪更是形式多样，型号复杂。
超声诊断仪通常按三种方式分类，它们是：①按图像信息的获取方法分类，由此可区分为反射法超声诊断仪、多普勒法超声诊断仪和透射法超声诊断仪；②按图像信息显示的成像方式分类，则可将超声诊断仪分为A型、M型、B型、P型、BP型、C型、F型以及超声全息等各种，除A型和M型外，其它均属广义的B型范围；③按超声波束的扫描方式分类，超声诊断仪又分为低速（手动）扫描、高速机械线性扫描、高速机械扇形扫描、高速电子线性扫描和高速电子扇形（相控阵）扫描等。
反射法和多普勒法超声诊断仪器技术比较成熟，已在医学科研和临床中得到普遍应用。反射法超声仪器是基于超声在通过不同的声阻抗组织界面时会发生较强反射的原理工作的，按图像显示方式分类的A型、M型、B型、P型、BP型、C型和F型超声诊断仪统属反射法超声仪器，就成像方式而言，A型采用幅度调制的回波显示法，M型采用辉度调制的时基显示法，而B型、BP型、C型和F型则采用辉度调制的二维声像图显示法，且通常可实现实时动态成像显示。多普勒法超声仪器则是基于超声传播的多普勒效应工作的，有连续多普勒和脉冲多普勒之分。实时二维彩色多普勒血流显像仪则是近年来在连续多普勒及脉冲多普勒技术上发展的一项超声诊断新技术，是彩色B型显像技术与超声多普勒探测技术相结合的产物，80年代中期应用于临床以来，至今已有了较快的发展。透射法超声仪器可望实现超声全息实时动态成像，目前尚处于研制中，未达到临床应用的水平。
眼科超声在我国已使用20 余年，在眼科各种疾病的诊断上积累了丰富的经验，已成为眼科临床不可缺少的诊断工具。超声探查所提供的诊断信息是任何其他现代诊断方法所不可取代的，在眼内和眼眶疾病鉴别诊断中起着非常重要的作用。最初的眼科超声诊断是使用内科的B超配以眼科专用探头进行的，但是内科B超高昂的售价妨碍了它的推广，所以国内外各医疗器械生产厂商纷纷研制生产了一系列专门的眼科超声类仪器。我公司最新推出的KN－3000A眼科B型超声诊断仪就是专门为眼科疾病诊断所设计的高集成超声波诊断仪器。它可以诊断视网膜脱落、眼内和眼眶肿瘤、玻璃体混浊、出血、眼底病变及眼内异物等疾病。该诊断仪采用机械扇形扫描显示B型超声图像。
二、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（amplitude modulation），在显示屏幕上以横坐标代表被测物体的深度，纵坐标代表回波脉冲的幅度。
B型超声诊断仪则通过机械的方法改变探头角度，从而使超声波束指向方位快速变化（相当于改变A超探头的位置），使每隔一定小角度，被探测方向不同深度所有界面的反射回波，都以亮点（灰度）的形式显示在对应的扫描线上，便可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，称之为扇扫断层图像，或称剖面图。
三、硬件设计
1．总体描述
本仪器采用Winbond公司的W78E58单片机作为控制CPU进行采样控制、显示控制、通信控制和人机接口处理，采样和显示则选用了Xilinx公司的Spartan XL系列FPGA进行，具体硬件框图如下：
2．MCU
本仪器采用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32Kbyte高性能FLASH ROM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。
3．FPGA
自大规模现场可编程逻辑器件问世以来，先后出现了两类器件：一类是基于SRAM体系结构的FPGA系列，另一类是基于fastFLASH技术的CPLD器件。通常在要求速度很快而功能简单的应用中使用CPLD，而在功能复杂但对速度要求不是特别高的应用场合则使用FPGA。FPGA是80年代中期出现的高密度可编程逻辑器件。FPGA及其系统软件是开发数字集成电路的最新技术。它利用计算机辅助设计，以电路原理图、高级语言、状态机等形式输入设计逻辑，提供功能模拟、定时模拟等模拟手段，在功能模拟、定时模拟都满足要求后，经过一系列的变换，将输入逻辑转换成FPGA器件的编程文件，以实现专用集成电路。FPGA具有容量大、设计资源丰富、片内ROM及RAM设计灵活等特点，但是它们需要在每次上电时进行数据加载。目前实现加载的方法有三种：采用并行PROM（EPROM或FLASH ROM）进行并行加载，采用串行PROM进行串行加载和利用单片机控制实现加载。第一种方法方式需要占用较多的FPGA管脚资源，虽然这些管脚在加载完成后可用作一般I/O口，但在加载时不允许这些管脚有其它任何外来信号源，另外数据存储器PROM与FPGA之间的大量固定连线如8位数据线以及大量访问PROM的地址线等使得PCB设计不便。第三种方式采用单片机控制，由PROM中读取并行数据，然后再串行送出，由于涉及到单片机编程，对于开发者来说较为不便。第二种方法则较为简单，占用资源少，PCB布线方便，而且一般提供FPGA芯片的厂家均提供相应的串行PROM芯片。综合考虑以后，我们选择了串行PROM加载方式。
本仪器中的采样控制和显示控制，各使用了一块FPGA芯片。根据仿真的结果以及我们的设备情况，我们选用了Xilinx公司Spartan XL系列的XCS30XLPQ208芯片。该芯片采用3.3V供电，信号兼容5V容限TTL电平，便于与常用外围器件接口；其内部的Logic Cells为1368个，最大系统门数为30000门，可配置块为576块，最大可用用户I /O数192个，完全可以满足用户需求，且为以后的扩展和修改留有余地。同时，该芯片配套使用的Xilinx公司的XCS17S30XL串行PROM便于使用通用编程器进行编程。
设计的软件环境使用Xilinx Foundation 2。1i版本。该版本支持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，该版本还集成了Core产生器工具。
我们采用了原理图和VHDL语言混合输入的设计方法，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模拟，确认功能准确后，再进行编译并执行FPGA器件内部的布局布线，同时生成定时模拟数据文件，然后进行定时模拟。在定时模拟满足要求后，将数据文件转换为通用编程器可以接受的文件格式。我们选用了通用的Intel格式，然后使用通用编程器ALL－07对PROM进行编程。
4．采样控制
采样控制部分的功能为控制产生激励探头振元的同步窄脉冲、TGC控制信号、DF控制信号，并进行数据采样和地址转换，然后进行数值插补后将数据送入FIFO。该部分由一块XCS30XL实现，其框图(见虚线框内)如下：
5．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,其框图（虚线框内）如下：
6．信号产生和接收
6.1.发射脉冲产生电路
该电路产生对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敏度，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具有较为重要的位置。
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。
6.2.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。其框图如下：
四、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，其流程图如下：
五、研制总结
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％，完全满足设计的要求。经过和BME－210眼科A/B型超声诊断仪、索尔SPJY21-01手掌眼科A/B型超声诊断仪、索尔SMJY21-01台式眼科A/B型超声诊断仪、SONOMED公司 A/B-5500超声诊断仪、SONOMED公司B－1500B型超声诊断仪和TOMY公司UD－6000多功能A/B型超声生物扫描仪作比较，显示图像清晰，轮廓分明，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，需要进一步提高。
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