關鍵詞 B超 反射法 FPGA FIFO

前言
改革開放以來，全國人民生活水平日益提高，健康越來越受到人們的高度重視。眼睛是心靈的窗戶，眼睛的健康對人們來說更是重要。眼病的治療需要建立在確切的診斷基礎之上，眼科B型超聲診斷儀就是這樣一種能確切診斷眼病的儀器，它可以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。我公司在引進、吸收國外同類產品的基礎上，開發(fā)了具有自主知識產權的新型眼科B型超聲診斷儀。本儀器以8031系列單片機作為控制核心，采用FPGA設計技術和FIFO芯片，成像質量好、集成度高、設計靈活，和國內外同類儀器相比具有較高的性能價格比。

一、概述
自從50年代初超聲探測開始應用于醫(yī)學至今，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，型號復雜。
超聲診斷儀通常按三種方式分類，它們是：①按圖像信息的獲取方法分類，由此可區(qū)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，則可將超聲診斷儀分為A型、M型、B型、P型、BP型、C型、F型以及超聲全息等各種，除A型和M型外，其它均屬廣義的B型范圍；③按超聲波束的掃描方式分類，超聲診斷儀又分為低速（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(yī)學科研和臨床中得到普遍應用。反射法超聲儀器是基于超聲在通過不同的聲阻抗組織界面時會發(fā)生較強反射的原理工作的，按圖像顯示方式分類的A型、M型、B型、P型、BP型、C型和F型超聲診斷儀統(tǒng)屬反射法超聲儀器，就成像方式而言，A型采用幅度調制的回波顯示法，M型采用輝度調制的時基顯示法，而B型、BP型、C型和F型則采用輝度調制的二維聲像圖顯示法，且通?？蓪崿F實時動態(tài)成像顯示。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(xù)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則是近年來在連續(xù)多普勒及脈沖多普勒技術上發(fā)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，80年代中期應用于臨床以來，至今已有了較快的發(fā)展。透射法超聲儀器可望實現超聲全息實時動態(tài)成像，目前尚處于研制中，未達到臨床應用的水平。

眼科超聲在我國已使用20 余年，在眼科各種疾病的診斷上積累了豐富的經驗，已成為眼科臨床不可缺少的診斷工具。超聲探查所提供的診斷信息是任何其他現代診斷方法所不可取代的，在眼內和眼眶疾病鑒別診斷中起著非常重要的作用。最初的眼科超聲診斷是使用內科的B超配以眼科專用探頭進行的，但是內科B超高昂的售價妨礙了它的推廣，所以國內外各醫(yī)療器械生產廠商紛紛研制生產了一系列專門的眼科超聲類儀器。我公司最新推出的KN－3000A眼科B型超聲診斷儀就是專門為眼科疾病診斷所設計的高集成超聲波診斷儀器。它可以診斷視網膜脫落、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。該診斷儀采用機械扇形掃描顯示B型超聲圖像。

二、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型超聲診斷儀則通過機械的方法改變探頭角度，從而使超聲波束指向方位快速變化（相當于改變A超探頭的位置），使每隔一定小角度，被探測方向不同深度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，便可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，稱之為扇掃斷層圖像，或稱剖面圖。

三、硬件設計
1．總體描述
本儀器采用Winbond公司的W78E58單片機作為控制CPU進行采樣控制、顯示控制、通信控制和人機接口處理，采樣和顯示則選用了Xilinx公司的Spartan XL系列FPGA進行，具體硬件框圖如下：

2．MCU
本儀器采用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(tài)設計，內含32Kbyte高性能FLASH ROM和256字節(jié)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(fā)成果。

3．FPGA
自大規(guī)模現場可編程邏輯器件問世以來，先后出現了兩類器件：一類是基于SRAM體系結構的FPGA系列，另一類是基于fastFLASH技術的CPLD器件。通常在要求速度很快而功能簡單的應用中使用CPLD，而在功能復雜但對速度要求不是特別高的應用場合則使用FPGA。FPGA是80年代中期出現的高密度可編程邏輯器件。FPGA及其系統(tǒng)軟件是開發(fā)數字集成電路的最新技術。它利用計算機輔助設計，以電路原理圖、高級語言、狀態(tài)機等形式輸入設計邏輯，提供功能模擬、定時模擬等模擬手段，在功能模擬、定時模擬都滿足要求后，經過一系列的變換，將輸入邏輯轉換成FPGA器件的編程文件，以實現專用集成電路。FPGA具有容量大、設計資源豐富、片內ROM及RAM設計靈活等特點，但是它們需要在每次上電時進行數據加載。目前實現加載的方法有三種：采用并行PROM（EPROM或FLASH ROM）進行并行加載，采用串行PROM進行串行加載和利用單片機控制實現加載。第一種方法方式需要占用較多的FPGA管腳資源，雖然這些管腳在加載完成后可用作一般I/O口，但在加載時不允許這些管腳有其它任何外來信號源，另外數據存儲器PROM與FPGA之間的大量固定連線如8位數據線以及大量訪問PROM的地址線等使得PCB設計不便。第三種方式采用單片機控制，由PROM中讀取并行數據，然后再串行送出，由于涉及到單片機編程，對于開發(fā)者來說較為不便。第二種方法則較為簡單，占用資源少，PCB布線方便，而且一般提供FPGA芯片的廠家均提供相應的串行PROM芯片。綜合考慮以后，我們選擇了串行PROM加載方式。
本儀器中的采樣控制和顯示控制，各使用了一塊FPGA芯片。根據仿真的結果以及我們的設備情況，我們選用了Xilinx公司Spartan XL系列的XCS30XLPQ208芯片。該芯片采用3.3V供電，信號兼容5V容限TTL電平，便于與常用外圍器件接口；其內部的Logic Cells為1368個，最大系統(tǒng)門數為30000門，可配置塊為576塊，最大可用用戶I /O數192個，完全可以滿足用戶需求，且為以后的擴展和修改留有余地。同時，該芯片配套使用的Xilinx公司的XCS17S30XL串行PROM便于使用通用編程器進行編程。
設計的軟件環(huán)境使用Xilinx Foundation 2。1i版本。該版本支持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，該版本還集成了Core產生器工具。
我們采用了原理圖和VHDL語言混合輸入的設計方法，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模擬，確認功能準確后，再進行編譯并執(zhí)行FPGA器件內部的布局布線，同時生成定時模擬數據文件，然后進行定時模擬。在定時模擬滿足要求后，將數據文件轉換為通用編程器可以接受的文件格式。我們選用了通用的Intel格式，然后使用通用編程器ALL－07對PROM進行編程。

4．采樣控制
采樣控制部分的功能為控制產生激勵探頭振元的同步窄脈沖、TGC控制信號、DF控制信號，并進行數據采樣和地址轉換，然后進行數值插補后將數據送入FIFO。該部分由一塊XCS30XL實現，其框圖(見虛線框內)如下：

5．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（虛線框內）如下：

6．信號產生和接收
6.1.發(fā)射脈沖產生電路
該電路產生對探頭振元的激勵脈沖，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，還關系到探測深度和分辨率的好壞，因此對于超聲儀器來說它具有較為重要的位置。
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(fā)射，即通過對振元施加單個極性脈沖，使振元產生持續(xù)時間極短的機械振蕩。
6.2.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。其框圖如下：

四、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，其流程圖如下：

五、研制總結
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％，完全滿足設計的要求。經過和BME－210眼科A/B型超聲診斷儀、索爾SPJY21-01手掌眼科A/B型超聲診斷儀、索爾SMJY21-01臺式眼科A/B型超聲診斷儀、SONOMED公司 A/B-5500超聲診斷儀、SONOMED公司B－1500B型超聲診斷儀和TOMY公司UD－6000多功能A/B型超聲生物掃描儀作比較，顯示圖像清晰，輪廓分明，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，需要進一步提高。

參考文獻
1、陳智文、張旦松， 《B型超聲診斷儀原理、調試與維修》
湖北科學技術出版社，1991年
2、甘心照，《近代電子醫(yī)療設備與技術》，南京大學出版社，1991年
3、袁易全，《近代超聲原理與應用》，南京大學出版社，1996年
4、常青、陳耀輝、孫廣富等，《可編程專用集成電路及其應用與設計實踐》，
北京國防工業(yè)出版社，1998年
5、余永權、李小青、陳林康，《單片機應用系統(tǒng)的功率接口技術》，
北京航空航天大學出版社，1992年
6、何立民，《MCS－51系列單片機應用系統(tǒng)設計——系統(tǒng)配置與接口技術》，
北京航空航天大學出版社，1990年
7、潘新民、王燕芳，《單片微型計算機實用系統(tǒng)設計》
人民郵電出版社，1993
8、曾繁秦、陳美金，《VHDL程序設計》，清華大學出版社，2000年
9、AD公司放大器手冊（上），世健系統(tǒng)集團翻譯出版，1992年
10、Xilinx DataSource CD-ROM Rev.2 Fourth Quarter 2000 , Xilinx Inc.