一种眼科B型超声诊断议

20世纪50年代初超声探测开始应用于医学领域至今，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，型号繁多。

超声诊断仪通常按三种方法分类，它们是：①按图像信息的获取方法分类，由此可分为反射法超 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，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 超声全息等显示类型，除A型和M型外，其它均属于广义的B型显示；③按超声波束的扫描方式分类，超声诊断仪分为低速（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通应用。超声波在 通过不同的声阻抗组织的界面时发生较强的反射，反射法超声仪器就是基于这一原理进行工作的。A型、M型、B型、P型、BP型、C型和F型图像显示方式的超 声诊断仪均属反射法超声仪器。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，20世纪80年代中期应用于临床以 来，至今已有了较快的发展。透射法超声仪器渴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。

眼睛是心灵的窗户，眼睛的健康对人们来说非常重要。眼科B型超声诊断仪在起起国已使用20 余年，它可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。我们在引进、吸收国外同类产品的基础上，开发了具有自主知 识产权的KN-3000A眼科B型超声诊断仪，该反射法超声诊断仪采用机械扇形扫描B型显示图像。

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（Amplitude modulation），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

本仪器的硬件框图如图1所示。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。

2.1.1 MCU

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。

2.1.2 FPGA

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Spartan XL系列的XCS30XLPQ208芯片。

    设 计的软件环境使用Xilinx Foundation 2.1i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。

2.1.3 FIFO

本设计中采用了Averlogic公司的大容量FIFO AL422B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，其框图如图2（虚线框内）所示。

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，其框图如图3（虚线框内）所示。

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。