眼科超聲診斷儀分析論文

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超回波顯示採用幅度調製（Amplitudemodulation），在顯示屏幕上以橫座標代表測物體的深度，縱座標代表回放脈衝的幅度。

B型超聲診斷儀透過機械方法改變探頭角度，實現了超聲波束指向（方位）的快速變化（相當於改變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介面的反射回波，都以亮點（灰度）的形式顯在對應的掃描線上，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總線描述

單片機MCU中的CPU設定採樣控制部分和顯示控制部分的工作方式，採樣控制部分根據CPU設定的方式自動進行數據採樣並將數據送入FIFO中儲存，而顯示控制部分則不斷讀取FIFO中的數據並根據CPU設定的方式進行顯示。同時，CPU還負責處理鍵盤的輸入和透過RS-232接口與上位機進行數據傳輸。

2.1.1MCU

本儀器的MCU採用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、指令和片內資源全相容，採用全靜態設計，內含32K字節高性能FLASHROM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。

2.1.2FPGA

本儀器中的採樣控制和顯示控制，各使用一塊FPGA芯片。根據仿真的結構以及我們的設備情況，選用了Xilinx公司SpartanXL系列的XCS30XLPQ208芯片。

設計的軟件環境使用XilinxFoundation2.1i版本。採用了原理圖和VHDL語言混合的輸入方法，將複雜的'控制模組分塊放在同一設計項目中，輸入完畢後進行功能仿真、編譯和器件內部的佈局佈線，生成定時模擬數據檔案，然後進行定時仿真。在定時仿真滿足要求後，將數據檔案轉換爲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。

2.1.3FIFO

本設計中採用了Averlogic公司的大容量FIFOAL422B作爲採樣一顯示的共享數據RAM，從而使採樣部分和顯示部分相對獨立，體現了一種模組化設計的設計思路。

2.2採樣控制

採樣控制部分的功能是產生激勵探頭振元的同步窄脈衝、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，進行數據採樣和地址轉換以及進行數值插補，之後將數據送入FIFO。該部分由一塊XCS30XL實現

其工作過程爲：控制邏輯產生電路產生特定的控制邏輯，使電機轉動一步，然後地址計數器開始工作，開始採樣數據並存入外部RAM。在採樣到第五個數據時輸出發射脈衝，啓動探頭工作，然後繼續採樣。採樣完512點後，控制邏輯使電機再轉動一步，

然後重複以上採樣過程，總共驅動電機轉動256步後，一幀採樣結束，控制邏輯輸出相應信號使電機反向轉動256步。電機反向轉動的這段時間裏，控制邏輯將存放在外部RAM中的數據取出執行插補後再存入外部RAM，在全部數據執行完插補後，將數據按順序送入FIFO。在電機反轉完成後，控制邏輯開始執行新的一幀數據採樣，如此斷重複。

2.3顯示控制

顯示控制部分完成字元疊加、灰階變換及標準VGA顯示信號的生成

其工作過程爲：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，經過灰階變換後送入信號合成電路。同時控制邏輯還產生相應的時序，控制CPU將文字、圖形、標誌等信號數據寫入外部RAM，並將外部RAM中的數據按順序讀出後送到並串轉換電路，變成象素數據後送入信號合成電路。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爲VGA顯示所需的RGB信號數據輸出，經過D/A轉換後即爲模擬RGB信號輸出。

2.4信號產生和接收

2.4.1發射脈衝產生電路

該電路產生探頭振元的激勵脈衝，其電路性能的優劣不僅影響到超聲發射的功率和接收靈活度，還關係到探測深度和分辨率的好壞，因此對於超聲儀器來說它是較爲重要的電路。

現代超聲診斷儀器通常使用所謂“衝擊激勵”的方法產生超聲波發射，即透過對振元施加單個極性脈衝，使振元產生持續時間極短的機械振盪。

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並進行檢波，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

整個軟件全部採用彙編語言編寫而成，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、選擇遊標、移動選定的遊標並計算兩遊標間的距離、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，在國內機型中屬於較好水平，但與國外先進水平相比，還有一定差距，需要進一步改進。