硕士学位论文-电阻抗乳腺扫描(EIS)系统改进的部分关键技术研究.pdf

第四军医大学 硕士学位论文 电阻抗乳腺扫描（eis）系统改进的部分关键技术研究 姓名：甄诚 申请学位级别：硕士 专业：生物医学工程 指导教师：董秀珍 20070501 独独独独 创创创创 性性性性 声声声声 明明明明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德， 本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知， 除了文中特别加以标 注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 不包含 本人或他人已申请学位或其他用途使用过的成果。 与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 保保保保 护护护护 知知知知 识识识识 产产产产 权权权权 声声声声 明明明明 本人完全了解第四军医大学有关保护知识产权的规定， 即： 研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属第四军医大学。 本人保证毕业离校后， 发表 论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为第四军医大学。 学校可以公布论文的 全部或部分内容（含电子版，保密内容除外） ，可以采用影印，缩印或其他复制 手段保存论文。 学校有权允许论文被查阅和借阅， 并在校园网上提供论文内容的 浏览和下载服务。 论文作者签名： 导师签名： 日期： 第四军医大学硕士学位论文 2 电阻抗乳腺扫描(eis)系统改进 的部分关键技术研究 硕士研究生：甄 诚 导 师：董秀珍教授 第四军医大学生物医学工程系，西安 710032 中文摘要中文摘要 乳腺癌作为一种严重危害妇女健康的恶性肿瘤，其早期发现和早期治疗 对于提高生存率和改善患者生活质量至关重要，因此世界卫生组织和我国政 府都大力提倡对适龄妇女进行乳腺癌普查。电阻抗扫描（electrical impedance scanning，eis）作为一种新型的乳腺检测技术，具有无创无害、 实时成像、操作简便、费用低廉的特点。这项技术可以作为乳腺检查的一种 辅助手段，尤其适用于乳腺癌的早期普查。 2002 年，第四军医大学生物医学工程系电阻抗研究小组研制出国内第一 台电阻抗乳腺扫描仪 angelplan-eis1000，并开始进行临床试验。在临床试 验中，该仪器获得了较好的检测效果，显示了 eis 技术广阔的应用前景。同 时临床试验也对这一设备提出了新的要求。为了更好地应用于临床普查，有 必要在原有 eis 检测系统的基础上作进一步的研究。一方面探索该仪器的小 型化、便携化解决方案，另一方面尝试对检测数据作进一步的分析，以便从 中获得更多信息。 本课题即围绕着这些问题展开研究，以期通过软件方法对上述问题进行 探讨。 首先，为了探索小型化 eis 检测设备软件系统的解决方案，本课题建立 了一整套嵌入式 eis 软件研究平台，完成了包括嵌入式操作系统、图形界面 第四军医大学硕士学位论文 3 系统、用户程序和设备驱动程序在内的全套软件体系的构建。同时对开发过 程中的一系列关键问题进行了研究和探讨，对各种嵌入式软件解决方案进行 了评估。 其次，本课题在研究现有文献的基础上，编程实现了病灶深度算法并进 行了物理模型测量，验证了这一算法的实际效果，同时对这一算法的实现步 骤、适用范围、参数选择等实际问题进行了讨论。这些工作弥补了原有数学 仿真的不足，为该算法实际应用于临床奠定了基础。另外，本课题还探讨了 多频 eis 测量数据的分析方法，得到了一系列有用的结论，为后续的研究提 供了参考。 最后，根据实际应用的反馈，本课题对原有的 angelplan-eis1000 软件 进行了多项改进，使得该软件的功能更加强大，操纵更加方便，界面更加美 观。 关键词关键词: 电阻抗扫描技术电阻抗扫描技术 乳腺癌乳腺癌 嵌入式系统嵌入式系统 linux 第四军医大学硕士学位论文 4 study of some important technical improvements for the electrical impedance scanning (eis) system candidate for master: zhen cheng supervisor: dong xiuzhen department of biomedical engineering, fourth military medical university, xian 710032, china abstract breast cancer is a kind of malignant tumor that is badly imperiling womens health. the early diagnoses and treatment of breast cancer are crucial to improve the survival rate of patients and the quality of their lives, so both the who and our government are zealously advocating the screening of it for the women at the right age. as a new method for breast cancer examination, electrical impedance scanning (eis) has many advantages: non- invasive, real- time imaging, easy operation and low cost. it has been proven that eis can serve as an adjunct imaging device, especially for early detection of breast cancer. in 2002, the electrical impedance research group in the biomedical engineering department, fourth military medical university, developed the first eis breast scanner in chinathe angelplan- eis 1000and began clinical trial. the performance of angelplan- eis 1000 is satisfying and the future of it is promising. meanwhile, clinical trial brought forward more requirements for this device and it is necessary to begin further research based on existing system. one direction of further research is the solution for pocket eis device, while another 第四军医大学硕士学位论文 5 direction is resultful analysis for the eis data, which may yield more information. this task focuses on these purposes and tried to solve problems through software methods. first of all, in order to realize the software system of pocket eis device, this task established a whole set of embedded eis software researching platform, including the embedded operation system, graphical user interface (gui), application program and device driver. the task also discussed a series of significant questions during the development and evaluated different solutions for the embedded software buildup. second, this task realized the tumor- depth computing program according to the correlative reference. then it carried out physical model measurement to verify its effect, and discussed the actual approach, application condition, parameter selection and other practical aspects of this arithmetic, which laid the foundation for its clinical application. besides, this task tried some methods to analyze the multi- frequency data of eis measurement and drew several useful conclusions for the coming research. finally, according to the feedback of practical use, this task improved the software of angelplan- eis1000, which endowed it with stronger function, easier operation and more handsome interface. key words: electrical impedance scanning; breast cancer; embedded system; linux 第四军医大学硕士学位论文 6 前言和文献回顾前言和文献回顾 1 前言前言 乳腺癌是严重危害妇女健康的恶性肿瘤。 据统计， 美国每8位女性中就会 有1人患乳腺癌 1。 近年来， 乳腺癌发生率和死亡率在我国也呈明显上升趋势。 据卫生部统计,我国每10000名适龄女性中就有35-45人为乳腺癌患者,而实际 上这个数字可能更高 2。特别是在某些大城市，乳腺癌已居女性恶性肿瘤的 首位 3。 乳腺癌的早期检查和早期治疗对于提高存活率和改善患者的生活质量非 常重要 4。因此，国家卫生部公布的中国癌症预防与控制规划纲要指出， 开展大规模乳腺普查，实现乳腺癌的早期发现、早期诊断及早期治疗，对降 低乳腺癌发病率和死亡率有着非常积极的意义 5。同时，世界卫生组织也把 乳腺癌列入了第二类防治标准,推荐进行大规模的普查 6。 乳腺癌的大规模普查始于上个世纪60年代美国纽约市的“健康保险计 划”。其结果证明，乳腺癌普查可以有效地降低乳腺癌病死率 7。从20世纪 70年代开始，更大规模的普查先后在美国、加拿大、瑞典等国展开。通过普 查，乳腺癌的死亡率都有不同程度的降低。我国部分地区从上个世纪80年代 开始推广乳腺癌早期普查。2005年4月,由中国抗癌协会发起的“全国百万妇 女乳腺普查工程”正式启动 8。 2 常用的乳腺检查方法常用的乳腺检查方法 目前，临床上用于乳腺检查的方法很多，主要有：x线钼靶摄影，超声诊 断，近红外乳腺成像，x线ct成像，磁共振成像(mri)等等。 乳腺x线钼靶摄影是目前临床上诊断早期乳腺癌的最有效的方法。 它可以 发现包括乳腺增生、 囊肿和纤维腺瘤在内的多种良性病变及恶变肿瘤,具有很 第四军医大学硕士学位论文 7 高的准确率 9。但这种方法也存在不足。除了设备体积较大，费用昂贵之外， 其所使用的x线具有放射性， 可能会对人体造成伤害。 特别是对于年轻妇女 （40 岁以下）和孕期妇女，危险性较大 10。 超声也是一种广泛使用的乳腺检查方式。目前诊断早期乳腺癌主要依靠 二维灰阶超声。 有报道显示， b超对于乳腺导管内癌和浸润性导管癌具有较高 的敏感性和特异性 11。同时超声具有无放射性、无痛苦的优点,对年轻妇女, 特别是妊娠、哺乳期妇女的检查更为合适 12。但是，超声检查需要较高的操 作技巧，费时较长，并且对于直径小于1cm的包块往往不能清晰显示,因此制 约了其在乳腺癌普查方面的应用。 近红外乳腺扫描成像是另一种广泛使用的乳腺诊断方法。近红外乳腺成 像虽然具有快速、 无创等优点， 但对较小癌肿或含血量较少的癌肿特异性差, 尤其是对扪不到肿块的微小恶性钙化病灶难以观察 13。同时该方法在乳腺癌 诊断中假阳性率较高。在国际上，该方法尚未得到业界普遍的认可 14。 x线ct和磁共振（mri）也可以用作乳腺检查。对于乳腺检查而言，这两 种成像方式都具有出色的分辨率和较高的准确性。 但是它们的缺陷同样明显： 设备庞大，操作复杂，费用高昂，x线ct还有放射性。这些都使它们难以应用 于大范围普查。 综上所述，乳腺检查方法虽然有很多种，但是从实际情况来看，这些方 法或是效果欠佳，或是价格高昂，有的还对人体有潜在伤害，都不太适合乳 腺癌的大规模普查。世纪之交，一种新型的检测技术应运而生，为乳腺癌的 早期发现提供了新的手段，这就是电阻抗乳腺扫描（electrical impedance scanning，eis）技术。 3 电阻抗乳腺扫描电阻抗乳腺扫描(eis)成像技术成像技术 生物组织由细胞和细胞间质共同组成，具有一定的阻抗特性 15。恶性肿 第四军医大学硕士学位论文 8 瘤组织中，由于肿瘤细胞的水盐含量的增加、细胞膜通透性的提高以及细胞 密度的改变都可能造成其阻抗特性与正常组织不同 1617，从而为利用电阻抗 测量检测恶性肿瘤提供了可能。 从上个世纪 20 年代起， 众多学者和研究机构对乳腺组织的阻抗特性进行 了研究。其中 singh 等人以及后来的研究者对乳腺中的恶性组织和健康组织 的电特性进行了离体测量。结果显示，在离体的情况下恶性组织的电导率明 显高于健康组织 181920。与离体测量相比，乳腺在体测量的报道很少，但已 有的数据同离体测量的结果基本上是相符合的 2122。 电阻抗扫描技术 （eis） 正是基于乳腺中的恶性肿瘤组织与正常组织的电 导率存在显著差异来成像的。eis 检测仪器含有两个电极，分别是激励电极 和测量电极。这两个电极将乳房组织置于一个交变电场中，其中测量电极置 于乳房表面。通过检测测量电极平面上的电流密度就可以得到乳腺组织的二 维阻抗分布图， 由此观察乳腺内是否有异常包块。 同其他乳腺检测技术相比， eis 技术具有无创、无辐射，操作简单，成本低廉的优点，在乳腺早期普查 图图 1 电阻抗乳腺扫描系统的测量原理电阻抗乳腺扫描系统的测量原理 图中图中 v 是激励电极，是激励电极，b 平面为测量电极。乳腺组织位于平面为测量电极。乳腺组织位于 a、b 平平 面之间，其内部的电流场会因为病变区域的存在而变得不均匀。面之间，其内部的电流场会因为病变区域的存在而变得不均匀。 第四军医大学硕士学位论文 9 方面具有巨大的应用前景。 3.1 以色列的以色列的 transcan ts2000 电阻抗成像系统电阻抗成像系统 以色列transcan医学研究机构于20世纪90年代开始进行乳腺成像系统的 研究，并推出了代号为 transscan ts2000的eis乳腺检测仪。这是医疗器械 行业内第一个商用电阻抗乳腺扫描系统。1999年该系统获得美国fda认证 2324。 ts2000使用的激励频率有30种，范围从58hz到5khz。目前该系统已经完 成了临床应用评估，并被美国fda批准作为乳房x线照相术的辅助诊断设备。 联合报道它有90%的灵敏度和77%特异性 25。 3.2 第四军医大学第四军医大学 angelplan-eis1000 电阻抗乳腺扫描系统电阻抗乳腺扫描系统 第四军医大学生物医学工程系电阻抗研究小组从 1993 年起开始专注于 生物电阻抗领域的研究工作。2002 年该小组推出了国内第一台基于电阻抗成 像原理的乳腺扫描系统 angelplan-eis1000。 angelplan-eis1000系统根据中国妇女的实际情况，设计了88电极阵 列、1111电极阵列、1616电极阵列等多种探头，测量电压0.1v2.5v， 测量频率50hz-20khz。 该系统有两种测量模式： “扫描模式” 和 “目标模式” 。 前者用于在单一的激励频率下测量，后者用于在多个频率下实施扫频测量。 同时该小组还为angelplan-eis1000开发了专用的软件系统， 可以实现图像显 示、文件读写、打印及预览、测量设置与控制等多种功能 26。 angelplan-eis1000系统自推出后已在国内多家医院展开了多方面的临 床实验研究 2728。初步的结果表明，该测量方法对人体不造成损害，成本低 廉，不需要特殊的环境和测量条件，能够比较准确地反映乳腺组织内部的阻 第四军医大学硕士学位论文 10 抗分布信息。 4 eis 乳腺电阻抗数学模型和深度算法乳腺电阻抗数学模型和深度算法 transscan ts2000 推出之后，各国的研究人员试图根据 ts2000 的测量 原理并模拟测量中的各种要素（如乳腺、病灶、电极等）建立数学模型，以 便根据 ts2000 的测量结果利用数学方法来计算病变组织的大小、深度等参 数。此前针对 ts2000 提出的数学模型主要有： (1)由 assenheimer 提出的简化的单个偶极子模型 29 (2)由 scholz 提出的多个偶极子分布模型 30 (3)由 jin keun seo 等人提出的“双层球面模型” 31 在 assenheimer 的论文中，他用一个偶极子来模拟异常的组织，并给出 了两种状态下的模型： 第一种状态：偶极子位于两个平行电极板之间，两平行电极板间的距离 为无限远。他给出了一个方程，通过这个方程可以计算异常组织的大小和深 度： 2 3 222 2 5 222 2 0z )zyx( k )zyx( 3kz ee + + += 公式 1 其中 3 2 1 k + = , 11 22 i i + + = , 是球状病变区域的半径， 11 i +和 22 i +分别是正常乳腺组织和病变组织的介电特性。 第二种状态：偶极子位于两个平行电极板之间，但两电极板的距离是有 限的。这种情况下他没有给出相应的数学表达式。 scholz 扩展了 assenheimer 的模型。在他的模型中病变组织可以用一组 偶极子的分布（而不是一个）来表示，这样可以使病变组织的形状更加一般 化。然而由于这种表示方法仍然基于偶极子模型，并且同样假设病变组织位 于无限大的导体内，因此仍然缺乏一般性。 第四军医大学硕士学位论文 11 针对上述两种数学模型的不足，韩国庆熙大学的jin keun seo教授等人 提出了新的模型。在他们的模型中彻底抛弃了将病变组织简单等效为偶极子 的方法，而是根据麦克斯韦方程组对乳腺内部及其表面的电磁场进行了严格 的推导，提出了“双层球面模型”。他们对这个模型进行了数学仿真。仿真 结果表明，这种模型可以有效地计算出深度；同时还表明，在背景上叠加随 机噪声时，算法的精度随着噪声水平和病灶深度的增加而降低。对于这个模 型的推导过程，在正文部分还将详细介绍。 第四军医大学硕士学位论文 12 正正 文文 1 嵌入式嵌入式 eis 软件研究平台的建立软件研究平台的建立 1.1 概述概述 小型化是新一代医疗仪器的发展方向之一。目前无论是以色列还是第四 军医大学的eis乳腺检查系统，体积和重量都比较大。但是，作为一种用于乳 腺肿瘤大范围早期筛查的设备， 小型化、 便携化和社区化是eis系统发展的必 然趋势，这就为eis系统的小型化提出了要求。 当前嵌入式系统的研究开发方兴未艾，嵌入式产品正广泛应用于信息电 器、移动计算设备、网络设备、医疗仪器等领域。嵌入式技术的发展为eis 设备的小型化提供了有效的技术手段， 很可能是实现eis系统小型化的必由之 路。因此有必要对基于嵌入式系统的小型化eis设备的开发进行探索和评估。 嵌入式eis系统的开发涉及到硬件和软件在内的多个领域。 其中， 嵌入式 软件系统作为嵌入式系统的重要组成部分，对于整体系统的开发意义重大。 软件系统涉及的问题很多，例如：嵌入式操作系统的选择、安装和配置；图 形用户界面的选择和安装； 嵌入式eis软件的编写和编译； 嵌入式设备驱动程 序的开发等等。为了解决上述问题，有必要建立嵌入式eis软件研究平台，以 便为嵌入式eis软件系统提供完整的解决方案。 本文所论述的嵌入式软件研究平台是基于西安傅立叶电子科技公司生产 的fft-rm9200开发系统建立的。该开发系统由fft-rm9200开发板、液晶屏、 电源、鼠标和键盘等组成。其开发板的核心处理器为atmel公司生产的arm9 处理器at91rm9200。 开发板的外部接口包括：usb、音频接口、jtag/ice调试接口、rs232串 口、 网络接口以及扩展插槽。 另外该开发板上集成有图形显示控制芯片 （epson 第四军医大学硕士学位论文 13 s1d13806），可以外接lcd显示器和crt显示器。 1.2 嵌入式操作系统的评估、安装和裁减嵌入式操作系统的评估、安装和裁减 1.2.1 嵌入式操作系统概述嵌入式操作系统概述 从八十年代起， 一些 it 组织和公司相继开始进行商用嵌入式操作系统和 专用操作系统的研发，并相继推出多种商用嵌入式操作系统。其中比较常见 的有：windows ce，vxworks，psos 和 palm os 等。这些嵌入式操作系统虽 然各具特色，但有两个共有的缺陷：首先它们均属于商业化产品，价格昂贵。 其次，这些系统各自的源代码都不公开或不完全公开，从而影响到系统的可 配置性和兼容性。在嵌入式领域，linux 操作系统适时地出现在开发人员面 前，以其自身的诸多优势引起了业界广泛关注，被认为是最有潜力的嵌入式 操作系统。 linux作为嵌入式操作系统具有如下优点： n 开放源代码，高度可配置。 n 内核体积小，效率高，节省资源 n 跨平台，移植性好 n 价格低廉 正是由于linux的这些优点,本论文在开发嵌入式eis软件研究平台时选 择了嵌入式linux作为该平台的操作系统。 1.2.2 交叉编译环境的建立交叉编译环境的建立 在编译 linux 内核之前， 需要在 pc 机上建立一个专门的开发环境， 用以 生成运行在嵌入式处理器上的二进制代码，这个环境被称为交叉编译环境。 它是一整套开发软件的集合，是嵌入式软件开发中最重要的工具。开发中使 第四军医大学硕士学位论文 14 用的交叉编译软件包是由傅立叶公司提供的，解压缩后即可使用。需要注意 的是， 进行交叉编译时需要指明交叉编译工具的名称和路径， 以区别于 linux 自带的本地编译工具。 1.2.3 操作系统内核的裁减和编译操作系统内核的裁减和编译 内核（kernel）是 linux 操作系统的核心部分。在嵌入式系统中，内核 和文件系统多以影像文件的形式保存在存储器中。系统启动后，内核影像被 bootloader 解压缩并调入内存，开始执行操作系统的功能。 开发中使用的内核源代码版本为linux-2.4.19-rmk7。 在编译内核前， 需 要设置源代码文件夹下makefile文件中列出的编译选项。其中最重要的两个 字段是arch和cross_compile。 前者定义目标平台的类型， 根据实际情况设置 为arm，后者定义交叉编译工具的路径和前缀。 随后对内核进行了配置和裁减，尽量使系统轻便简洁。通过配置，嵌入 式eis系统可以支持usb接口，支持frame buffer设备，可以兼容ext2, vfat 等多种文件格式，同时支持16bpp的显示位宽。 内核配置完毕后需要交叉编译，以生成二进制代码。交叉编译器的位置 在内核源代码的makefile文件中指明。 内核编译完毕之后尚不能直接使用，还需要进行压缩，并且转化成影像 文件的形式。内核移植的总体过程如图 2 所示： 第四军医大学硕士学位论文 15 1.2.4 建立文件系统建立文件系统 linux 可以将内存模拟为硬盘空间，从而方便文件的操作。这种内存中 的“文件系统”被称为 ramdisk，它可以用来将应用程序加入到嵌入式系统 中。 厂家提供了现成的ramdisk压缩文件。但是依赖现成的ramdisk文件也有 缺点：厂家提供的ramdisk容量是固定的，不能调整。一旦系统的存储容量有 变就难以满足需要。因此有必要掌握生成任意容量的ramdisk的方法。 本论文在开发中尝试了下面两种生成ramdisk的方法： 第一种方法适合于资源紧张的嵌入式系统，步骤如下： 1) 创建一定大小（比如 4096k）的 ext2 类型的文件系统 mke2fs -vm0 /dev/ram 4096 2) 文件系统挂载（/mnt 为挂载的目标节点） mount -t ext2 /dev/ram /mnt 3)文件系统的操作 将系统所需的文件以及用户自己的文件添加到文件系统之中去。 4)去除挂载 图图 2 内核的配置和编译过程内核的配置和编译过程 配置配置内内核核 形形成成二进制二进制文文件件.bin 压压缩缩 解开源码压解开源码压缩缩包包 安装安装mkimage工具工具 交叉编译交叉编译内内核核 形形成成 vmlinux 文文件件 形形成成最终最终的内的内核影核影像文像文件件 第四军医大学硕士学位论文 16 umount /mnt 5)文件系统生成 dd if=/dev/ram bs=1k count=4096 of=ext2ramdisk 6)压缩文件系统影象 gzip c v9 ext2ramdisk 这种方法可以自由设定板载文件系统的容量，但最大容量却只有 4096k， 这一大小是由 linux 系统中的 lilo.config 文件设定的。如果要建立容量更 大的文件系统，可以更改 lilo.config 文件，加入一行: ramdisk_size= 单位为 k 这样就更改了文件系统容量的上限。 另一种方法则更为灵活，建立的文件系统大小可以不受限制： 1) 建立挂载的目标节点（/mnt/ramdisk2） mkdir /mnt/ramdisk2 2) 建立一个名为 initrd.img 的任意大小（例如 8192k）的文件，并用 /dev/zero 对其进行初始化。 dd if=/dev/zero of=images/initrd.img bs=1k count=8192 3) 在 initrd.img 上强制建立 ext2 格式的文件系统 /sbin/mke2fs f v m0 images/initrd.img 4) 挂接文件系统影像 mount o loop images/initrd.img /mnt/ramdisk2 剩下的就是文件操作和文件系统的压缩。 这两种方法都可以建立任意容量的 ramdisk。值得注意的是， ramdisk 内部空间的一致性越高，压缩比越大。因此为了最大限度地节约嵌入式系统 的存储空间，应当每次建立新的 ramdisk,然后将所需文件拷贝进去，而不应 该对原有的 ramdisk 进行文件操作。 第四军医大学硕士学位论文 17 1.3 图形用户界面的安装以及嵌入式图形用户界面的安装以及嵌入式 eis 软件的开发软件的开发 1.3.1 嵌入式图形用户界面概述嵌入式图形用户界面概述 图形用户界面（graphical user interface, gui）的广泛流行是当今计 算机技术的重大成就之一，极大地方便了非专业用户的使用。越来越多的嵌 入式系统中也加入了对图形界面的支持。 由于嵌入式系统的特殊性，对其 gui 的要求也更高。首先，嵌入式系统 的 gui 在不损失基本性能的前提下必须轻便简洁。另外嵌入式的图形用户界 面必须是高度可配置的。目前比较常见的嵌入式 gui 有： microwindows、 minigui、opengui 和 qt/embedded 等。综合考虑各种因素，尤其是可移植性 和开发成本， 在以上各种嵌入式 gui 中着重考察了 microwindows 和 minigui。 1.3.2 microwindows 的评估和测试的评估和测试 microwindows 是一个开放 源代码的嵌入式 gui 软件， 可以 工 作 于linux nano-x和 microsoft windows32 两种工作 模式。为了考察 microwindows 的整体性能，在嵌入式 linux 的基础上安装了这种嵌入式图 形用户界面，并实现了一个 microwindows 应用程序。该程 序用 win32 api 编写，可以实现 文件的读入和图像的显示，如图 3 所示。实践表明，microwindows 系统便于 图图 3 一个一个 microwindows 程序界面程序界面 第四军医大学硕士学位论文 18 安装和配置，程序编写容易入门，但是存在下面一些不足：首先，microwin- dows 的图形引擎没有硬件加速能力，同时代码未经优化，导致程序执行效率 差，严重影响运行速度。其次，microwindows 的开发和升级长时间处于停滞 状态， 相关的支持文档也比较少， 用户遇到困难后难以得到有效的技术支持。 1.3.3 minigui 的特点和评估的特点和评估 minigui 由原清华大学教师魏永明开发，是一种基于 linux 的轻型 gui。 它提供了完备的多窗口机制和消息传递机制，提供了众多的窗口控件。 minigui 支持多字符集和多种字体、多种图像文件格式以及各种 windows 资 源文件，并具有良好的可移植性 32。作为一款自由软件，minigui 目前遵循 gpl 许可证（1.3.0 版本之前遵循 lgpl 许可证）。 研究中对 minigui 也进行了安装和测试。minigui 的如下特点给人留下 了很深的印象： 首先，minigui 可以很好地支持汉字的显示和输入。其次，它可以兼容 c+，这样就能够实现面向对象的程序设计，非常方便。最后，minigui 作为 中国人开发的系统，有详尽的中文文档，并拥有很好的中文开发论坛，开发 中遇到问题后可以方便地寻求帮助。 由于以上这些原因， 最终选择了 minigui 作为嵌入式 eis 系统的图形用户界面平台。 1.3.4 minigui 的编译安装的编译安装 minigui 可以编译成两个不同的版本，一个是 minigui-threads版，一 个是 minigui-lite版。 这两个版本适用于不同的领域。 minigui-threads 适 合于功能单一、 实时性要求很高的系统； 而 minigui-lite 适合于功能丰富、 结构复杂、显示屏幕较小的系统。 第四军医大学硕士学位论文 19 minigui的编译安装步骤相对于microwindows而言显得较为复杂。特别 是，由于嵌入式系统的软硬件结构各不相同，其他系统上的安装经验难以直 接应用在新的系统之上。在参考飞漫公司用户手册的基础上，经过多次 尝试，终于成功地将minigui系统安装在嵌入式开发板上。同时在pc机的 redhat linux系统下也安装了minigui，目的是方便应用软件的编写和调试。 整个安装过程得到了西安交通大学刘青博士和唐晓刚硕士的无私帮助，同时 参考了minigui论坛上多位网友的发言。 1.3.5 基于嵌入式基于嵌入式 linux 和和 minigui 的的 eis 软件的开发软件的开发 1.3.5.1 嵌入式 eis 软件的体系结构 minigui下的嵌入式eis软件是基于minigui的对话框结构编程实现的。 在 minigui中，对话框是一类特殊的窗口，它将各种控件集合在一起，负责程序 与用户的交互。同时对话框通过其窗口回调函数接收和处理所有发送到该窗 口的消息，从而实现消息循环。 整个嵌入式 eis 软件中共定义各种控件 106 个，定义对话框和属性框的 页面模板共计 14 种，各种页面的窗口过程函数 12 个。嵌入式 eis 软件框架 的具体实现过程如下： 首先在嵌入式 eis 软件的入口函数 miniguimain 中，将主对话框模板 dlgpropsheet 与其控件结构数组 ctrlpropsheet 建立关联，然后以 dlgpropsheet 为模板，以桌面 hwnd_desktop 为托管窗口建立主对话框，并 将主对话框的回调函数设定为 propsheetproc. 主对话框模板上包含的控件有：属性表（idc_propsheet）和“保存”， “打开”，“关闭”，“显数”四个按钮。 然后，在主对话框的回调函数 propsheetproc 的初始化消息处理过程中， 第四军医大学硕士学位论文 20 先为属性表中的子窗口（子对话框），也就是各个属性页的模板和模板所对 应的控件结构数组建立关联，然后将各个属性页逐一添加到属性表中，并关 联各自的回调函数。 在 各 个 属性页本身的回调函数中，在 其 初始化阶段（即 case msg_initpage:阶段）又一次为属性页中的各个子对话框（控件）和其控件列 表建立关联，然后将子对话框加入属性页中，并指定子对话框的回调函数。 整个基于minigui的嵌入式eis软件就是这样通过对话框的嵌套完成的。 这种嵌套关系不仅将不同的控件和窗体组合在一起构成 eis 软件的界面，而 且通过各级回调函数实现了事件驱动和消息处理。 1.3.5.2 嵌入式 eis 软件主要的类和结构 minigui 可以兼容 c+，因此用户程序中可以定义类。嵌入式 eis 软件 中主要的类和结构包括： typedef struct _eis_information /* eis 相关信息结构，字段包括版本号，测量流水号，患者姓名，年龄，测 量地点等 */ typedef struct _eisunitlist /* eis 单元列表结构，字段包括是否有数据，单元序号，激励频率数，单元 总长度等 */ typedef struct _eisunitdata /* eis 数据单元的结构，字段包括电极型号，电极数量，电压幅值，测量电 流(实部, 虚部)数组等 */ struct eis_information /* 病人信息结构，字段包括病人姓名，年龄，民族，出生日期，测量地点， 结果简述等 */ 第四军医大学硕士学位论文 21 struct windowposition_width /* 窗宽窗位的结构，字段包括虚部和实部的窗宽和窗位 */ class crirectangle /* eis 图像显示的正方形类，字段包括实部和虚部图像所在的正方形，函数 包括设置正方形边界，得到正方形边界，绘制边界，矩形拷贝等等 */ 1.3.5.3 嵌入式 eis 软件的功能和界面 嵌入式 eis 软件的主界面由一个属性表及其右侧的一系列功能按钮构 成。属性表有三个页面，分别为“病人信息”， “扫描模式”和“信息模式”。 另外软件中还有其他功能对话框。各个页面和对话框的界面及其功能如下： “病人信息”页面“病人信息”页面 功能：实现病人信息的显示，录入和修改。 “扫描模式”页面“扫描模式”页面 图图 4 “病人信息”页面“病人信息”页面 第四军医大学硕士学位论文 22 功能：实现扫描数据的显示，测量信息（如测量参数、图象信息等）的 显示和窗宽窗位的调节。 “目标模式”页面“目标模式”页面 图图 6 “目标模式”页面“目标模式”页面 图图 5 “扫描模式”页面“扫描模式”页面 第四军医大学硕士学位论文 23 功能：实现目标数据的显示，测量信息的显示和窗宽窗位的调节，具有 翻页功能，能够显示多个页面。其它功能同“扫描模式”。 打开文件对话框打开文件对话框 功能：选择需要打开的文件。 数据显示对话框数据显示对话框 功能：显示每一组数据中所有的测量值，包括实部和虚部。其中的最大 值用红色表示，最小值用蓝色表示。 图图 8 数据显示对话框数据显示对话框 图图 7 打开文件对话框打开文件对话框 第四军医大学硕士学位论文 24 1.4 嵌入式嵌入式 linux 下驱动程序的开发下驱动程序的开发 1.4.1 嵌入式嵌入式 linux 设备驱动程序概述设备驱动程序概述 设备驱动程序是 linux 操作系统的重要组成部分，在应用程序与硬件设 备之间建立了标准的接口。通过这个接口用户可以像处理普通文件一样对硬 件设备进行打开(open)、关闭(close)、读写(read/write)等操作。这些操作 和驱动程序之间是通过 struct file_operations 这一数据结构关联起来的， 编写设备驱动程序的核心工作就是编写子函数填充 file_operations 的各 个字段 33。 嵌入式 eis 系统的处理器 at91rm9200 拥有 pa，pb，pc，pd 四个并行输 入输出（pio）控制器。这些 pio 控制器与通用 i/o 复用外设输入/输出线， 每条线上包含可编程上拉电阻，并具有输入变化中断和开漏能力。作为 at91rm9200 中最常用的输入/输出端口， pio 控制器普遍用于驱动各种外部设 备。 因此选择针对 pio 端口开发驱动程序。 每个 pio 控制器由一组 32 位控制 寄存器来控制，这些寄存器都有各自的偏移地址及复位值 34。所有的 pio 控 制器均被映射到内存地址空间。研究中选择了并行输入输出控制器 pc 的 14， 15 两个引脚做测试。pc 的物理地址范围是 0xfffff8000xfffff9ff。 1.4.2 嵌入式嵌入式 linux 驱动程序的开发过程驱动程序的开发过程 1.4.2.1 驱动程序的编写 编写嵌入式驱动程序之前一般先在 pc 机上编写一个模块化的驱动程序 用以调试，调试完成后再将此程序编译到嵌入式 linux 内核中。 如前所述，编写 linux 设备驱动程序的主要工作就是编写子函数填充 file_operations 的各个字段。下面就是填充之后的 file_operations 第四军医大学硕士学位论文 25 struct file_operations test_fops = read：read_test， write：write_test， open： open_test， release：release_test ; 上述各个子函数的功能如下： open_test 函数实现请求 i/o 内存资源；映射寄存器地址并保存；读取 寄存器初始值并更改控制寄存器等功能。 该函数将 pc14， 15 端口设置为通用 i/o 端口，并且可以输出。 release_test 函数实现 i/o 内存资源的释放。 read_test 函数实现对寄存器当前状态的读取，并将读到的数据传递给 应用程序。 write_test 函数实现将应用程序传来的数据输出。 需要指出的是， 为了调试方便， 开发过程中将 pc 机上的驱动程序写成模 块 化 的 ， 故 驱 动 程 序 中 要 包 含int init_module(void) 和void cleanup_module(void)两个函数， 在 init_module 中调用 register_chrdev() 向系统的字符设备表注册一个字符设备，在 cleanup_module 中调用 unregister_chrdev()，释放该字符设备在系统字符设备表中的表项。 1.4.2.2 驱动程序的编译 pc 机上调试完毕后，还需要将此驱动程序编译进嵌入式 linux 的内核。 因此对运行于 pc 机上的驱动进行了如下修改： (1) 删除 int init_module(void)和 void cleanup_module (void)这两个 安装/卸载模块时调用的函数。 第四军医大学硕士学位论文 26 新建函数 int init_mytest(void)，将设备注册写在这个函数里： result=register_chrdev(254,“test“, (2) 将 驱 动 程 序 源 码 文 件test.c复 制 到linux-2.4.19-rmk7/ drivers/char 目录下（linux-2.4.19-rmk7 为内核源代码根目录），并且在 linux-2.4.19-rmk7/drivers/char目录下mem.c 文件的int chr_dev_init() 函数中增加如下代码： init_mytest(); (3)在linux-2.4.19-rmk7/drivers/char目录下makefile第一行后增加 如下代码： obj-y+= test.o 将 test.o 列入目标文件列表。 经过以上步骤，在交叉编译内核时 test.c 文件会被自动编译并嵌入内 核。然后将编译好的内核制作成影像文件下载到开发板上。 1.4.2.3 驱动程序的测试 为了测试这个驱动程序的性能，编写一个测试程序，功能是打开设备文 件， 先通过 read 操作调用驱动程序的 read_test 函数读取当前各个寄存器的 状态，然后通过 write 操作向设备文件中写入数据，驱动程序的 write_test 函数会根据写入的数据控制引脚输出高低电平。将引脚连接到示波器，波形 可以随输入数据的变化而变化，证明驱动程序能够正常工作。 1.5 嵌入式嵌入式 eis 软件总体性能的评估和总结软件总体性能的评估和总结 嵌入式 eis 软件系统由嵌入式操作系统，嵌入式图形用户界面，嵌入式 eis 软件和驱动程序组成。 经过测试， eis 嵌入式软件系统的各个部分配合良 好，软件和硬件系统运转正常。程序能够比较迅速地完成信息显示，文件读 第四军医大学硕士学位论文 27 写，图像绘制以及各种运算功能，灵敏地响应鼠标和键盘操作，并能够按照 设计要求控制相应端口。软件系统整体运行顺畅，完成了预期的设计目标。 实践证