（光学工程专业论文）基于usb20的光纤偏振oct系统高速图像采集接口设计.pdf

基于u s b 2 0 的光纤偏振o c t 系统高速图 像采集接口设计 h i g h s p e e di m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m f o r p s o c tb a s e do nu s b 2 0 学科专业：光学工程 研究生：胡智强 指导教师：陈晓冬副教授 天津大学精密仪器与光电子工程学院 二零零八年六月 摘要 o c t ( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，光学相干层析技术) 是一种基于白光 干涉技术的新型光学成像技术。o c t 技术以其无损伤、非介入、高分辨率等特 性满足了医学技术发展的要求。随着o c t 成像技术在眼球、皮肤、胃肠以及心 血管等生物组织上的成功应用，它逐渐得到了医学界的认可。o c t 系统主要由 测量光路、信号处理模块、同步控制f p g a 、图像采集接口四部分组成。图像采 集接口完成图像数据的传输与显示。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 是近年来广泛应用的接口技术， 它具备支持热插拔、传输速度快且稳定、低能耗等优势。目前u s b 2 0 协议标准， 规定u s b 总线的传输速率提高到4 8 0 m b p s ，满足了批量数据传输速度要求，为 计算机与外设的高速数据交换提供了一种简单快速的实现方法。 本文完成的主要工作如下： 1 、基于c y p r e s s 公司推出的新型u s b 2 0 设备芯片e z u s bf x 2 l p 的功 能及特点，制定合适的数据传输方案，并设计完成了u s b 2 0 高速硬件电路。 2 、基于厂商提供的u s b 设备固件框架，编写了设备固件程序，并在k e i lc l x v i s i o n 2 的环境下对程序进行了调试和编译；深入剖析了w d m 驱动模型，以及 影响u s b 速度的因素，在w i n d o w sd d k 环境下编译u s b 功能驱动程序和固件 下载驱动程序；在v c + + 6 0 环境下开发了o c t 图像采集客户端程序。 3 、分析了光纤偏振o c t 的结构组成，以及各个部分对系统性能的影响。剖 析了在f p g a 控制下信号的传输流程，定义了图像数据在f p g a 与u s b 2 0 接口 之间的传输协议，将o c t 系统采集部分与图像传输接口有机结合。 4 、利用现场可编程器件( f p g a ) 作为控制核心，模拟数据源控制u s b 接 口电路进行数据传输测试，验证系统的稳定性和可靠性。此外，在偏振o c t 系 统中，利用u s b 2 0 接口采集了多层玻片图像，在异步模式下达到了8 m b s 的传 输速度。 关键词：偏振o c tu s b 2 0 固件程序驱动程序f p g a a b s t r a c t o c t ( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ) i san e wo p t i c a lt e c h n o l o g y i m a g i n g t e c h n o l o g yb a s e d o nw h i t el i g h ti n t e r f e r e n c e o c ti san o n 。i n v a s i v e ，n o n i n t e r v e n t i o n ， h i g h - r e s 0 1 u t i o n a n dt e c h n o l o g yw h i c hg r e a t l ym e e t s t h er e q u i r e m e n t so ft h em e d i c a l t e c h n 0 1 0 9 yd e v e l o p m e n t w i t ho c ti m a g i n gt e c h n o l o g y u s e di nt h ee y e ，s k i n ， 2 a s t r o i n t e s t i n a la n dc a r d i o v a s c u l a ra n do t h e rb i o l o g i c a l t i s s u es u c c e s s f u l l y , i ti s g r a d u a l l yr e c o g n i z e db yt h em e d i c a la r e a o c ts y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do f o p t i c a l m e a s u r e m e n t 。s i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e s ，s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lb yf p g a ，i m a g e a c q u i s i t i o ni n t e r f a c e i m a g ea c q u i s i t i o ni n t e r f a c eu s e df o ri m a g e d a t at r a n s m i s s i o na n d d i s p l a y i nr e c e n ty e a r su s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) h a sb e c a m eaw i d e l yu s e di n t e r f a c e t e c h n o l o g y ，i th a sa d v a n t a g e st h a t o t h e rb u si si n c o m p a r a b l e ，s u c ha sh o t p l u g ， h i g h s p e e da n ds t a b i l i t y , l o w p o w e ra n ds oo n a tp r e s e n tu s b 2 0 s t a n d a r da g r e e m e n t t h a tt h eu s bb u st r a n s f e rr a t eu pt o4 8 0 m b p sw h i c hm e e tn e e do ft h eb u l k d a t a t r a n s m i s s i o n ，p r o v i d e sah i g h - s p e e dd a t ae x c h a n g em e t h o db e t w e e nc o m p u t e ra n d p e r i p h e r a l s t h i st e x tf i n i s h e dt h em a i nw o r ka sf o l l o w s ： 1 、b a s e do nt h ef u n c t i o n sa n df e a t u r e so fn e wu s b 2 0c h i pe z u s bf x 2 l p f - r o mc y p r e s s ，f o r m u l a t ea na p p r o p r i a t e d a t at r a n s m i s s i o np r o g r a m m e ，a n d c o m p l e t e dt h ed e s i g no f u s b 2 0h i g h s p e e dc i r c u i t 2 、u s e dt h ef i r m w a r ef r a m e w o r kp r o v i d eb yu s bd e v i c em a n u f a c t u r e r s ， c o m p l e t e dt h ee q u i p m e n tf i r m w a r ea n df i n i s h e dc o m p i l i n ga n dd e b u g g i n gu n d e r k e i l cu v i s i o n 2e n v i r o n m e n t ；i n d e p t ha n a l y s i so ft h ew d m ，t of i n dt h ef a c t o r sa f f e c t i n g t h es p e e do fu s b ，c o m p i l e ru s bd r i v e r sa n d f i r m w a r ed o w n l o a dd r i v e r su n d e r w i n d o w sd d ke n v i r o n m e n t ：d e v e l o p e do c ti m a g ea c q u i s i t i o nc l i e n tp r o g r a m u n d e r v c + + 6 0e n v i r o n m e n t 3ja n a l y s i so c t s t r u c t u r ea n dt h ei m p a c to ns y s t e mp e r f o r m a n c e a n a l y s i so f t h es i g n a lt r a n s m i s s i o np r o c e s sc o n t r o l l e db yt h ef p g a ，d e f i n et h et r a n s p o r tp r o t o c o l o ft h ei m a g ed a t ab e t w e e nt h ef p g aa n du s b 2 0i n t e r f a c e ，w h i c hc o m b i n et h eo c t s y s t e ma n di m a g et r a n s m i s s i o ni n t e r f a c ep e r f e c t l y 4 、u s e df p g aa st h ec o n t r o l l e ra n ds i m u l a t ed a t as o u r c e ，c o m p l e t e dd a t a t r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n tf o ru s bi n t e r f a c ec i r c u i t s ，v e r i f i e ds t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f s y s t e m i na d d i t i o n ，a d du s b 2 0a c q u i s i t i o ni n t e r f a c et ot h ep o l a r i z a t i o no c ts y s t e m ， g o tt h em u l t i w a v ep l a t ei m a g e s ，a n da c h i e v et h e8 m b st r a n s m i s s i o ns p e e di n a s y n c h r o n o u sm o d e k e y w o r d s ：o c t , u s b 2 0 ，f i r m w a r e ，w d m ，f p g a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名玎i ：镐地 签字同期：力帕8 年6 月岁同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名鸹缘 签字日期：8 年6 月玉t ：t 导师签名：话吨条 签字同期：办确年乡月多p l 第一章绪论 第一章绪论 随着人们对于生活质量要求的不断提高，人们对自身健康的关注程度有了显 著的增加，在医疗检测中对无损伤、安全无害检测方式的需求也就越来越强烈， 同时面对一些难以治愈的疾病如恶性肿瘤等，需要在病变早期进行确诊和治疗， 因此一种能够尽早地发现、治疗病变，减少检测损伤的技术应运而生。光学技术 在医学和生物学领域中的应用由来已久，随着光纤光学和激光技术的不断发展， 出现了基于激光相干特性成像的o c t 技术。o c t 技术只需借助光这个媒介，无 需任何外加显影剂，不需要进行诸如生理切片等创伤手段来进行探测，故而远比 之前的影像技术安全，因此被称之为“光学活检”i lj 。o c t 技术以其无损伤、非 介入、高分辨率的特性满足了医学技术发展的要求。随着o c t 成像技术在眼球、 皮肤、胃肠以及心血管等生物组织上的成功应用，它逐渐得到医学界的认可，并 成为关注的焦点。 电子技术是半个世纪以来发展最迅速、应用最广泛的技术之一。随着大规模 集成电路和计算机技术逐渐渗透到各个研究领域，各种以数字技术为基础的装置 和系统不断涌现。o c t 系统借助集成电路和计算机技术快速的处理和显示所提 取的数据信号，使自身速度快、分辨率高等特点得到了充分发挥，同时数字技术 也为o c t 技术发展成为一种新型医疗仪器奠定了基础。现有的图像采集传输系 统多种多样，u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行总线) 接口技术在速度、安 装、操作、可扩展性和成本等方面相比其他接口技术有较大的优势，因此u s b 接口技术更适合作为o c t 系统的图像采集接口。 本文研究了u s b 2 0 协议和不同类型u s b 总线实现方案，通过对比找到最 优的实现方案，同时分析了u s b 设备不同组成部分对其速度的影响，最终完成 了光纤偏振o c t 系统高速图像采集接1 2 1 设计，使其速度优势得到最大限度的发 挥，并利用现场可编程逻辑器件( f p g a ) 作为控制核心，实现了o c t 图像的实 时传输与显示，在实验中验证了系统的可靠性与稳定性。 1 1o c t 系统概述 1 1 1o c t 的发展历程及分类 1 9 9 1 年，美国麻省理工学院的d h u a n g 博士等人在s c i e n c e 上发表论文，首 第一章绪论 次提出了o c t 技术。他们将低相干光反射仪与共焦显微镜的原理应用到生物医 学层析成像领域中，使用中心波长为8 3 0 n m 的超发光二极管测量生物组织的后 向散射光，提出了光学相干层析成像技术( o p t i c a lc o h e r e n c et o m o g r a p h y ，o c t ) ， 并以其无损伤、成像分辨率高、系统结构简单、造价低廉等优点而备受科学和工 程研究者的瞩目；1 9 9 5 年麻省理工研究院研究员f u j i m o t o 2 与其他研究人员合 作，利用飞秒激光器对活体非洲蛀进行成像，得到了1 1 t m 的纵向分辨率和3 m 的 横向分辨率；哈佛大学医学院的b e b o u m a 和q j t e a m e y 等人设计了一种标准 的o c t 导管式内窥镜，它能以环形方式对光束进行扫描并对内窥镜所能探测到 的区域进行截面成像，该项研究拓宽了o c t 的成像范围，使之能够用于心血管、 胃肠道组织，泌尿系统及呼吸道等管状生物组织的高分辨率成像，目前他们正从 事能够进行视频成像的o c t 系统。总而言之，经过十几年的发展o c t 技术的应 用领域得到了极大的扩展，如眼科、乳腺癌早期诊断、发育生物学、皮肤病诊断、 牙齿、口腔和声带等等。 目前o c t 技术发展出四个分支【3 】：时域o c t 、频域o c t 、平行光束o c t 、 功能o c t 。时域o c t 是o c t 家族中发展最早的形式，o c t 的其它分支都是由 其演变而成的。它利用低相干光成像，使用扫描延迟线或扫描振镜实现纵向扫描， 利用样品的水平移动或旋转实现横向扫描，从而形成二维图像：频域o c t 在时 域o c t 的基础上取消了纵向扫描，而在光接收端使用光谱仪代替光电探测器； 平行光束o c t 照在干涉计两臂的不是光点而是平行光束，从而提高了成像速度； 功能o c t 不仅可以采集普通o c t 所关注的组织反射率信息，形成灰度图像，还 对其它由病变引起的组织特性变化也十分敏感，对这些附加信息的提取为医学诊 断提供了更多的依据。 1 1 2o c t 系统的研究意义 近十几年，o c t 作为一种新的成像方式获得了突飞猛进的发展，被称为新 千年的成像形式。o c t 技术利用宽带光的相干特性，通过测量样品背向散射光 的干涉信号对生物组织的内部微观结构进行高分辨率层析成像。与传统光学显微 镜相比，o c t 利用宽带光的弱相干性来抑制背景能量，可获得比传统的超声成 像高l 2 个数量级的分辨率】。这种相干成像技术除了能对透明组织成像外，还 可以对非透明组织成像。由于它具有非接触性和非侵入性的特点，因此可在自然 条件下进行实时在体测量，且测试结果与被测对象的热学和机械特性无关。 由于o c t 高时空分辨率、在体测量、快速便捷和无损伤等特点，使其应用 领域十分广泛，涉及到医学、生物学、工业检测等多个方面，特别是在眼科、心 脑血管、癌症肿瘤、软组织、内窥镜活检、牙科等医学领域的诊断或疗效检测方 第一章绪论 面，可望获得全面临床应用。其中偏振o c t 还具有优于普通o c t 的特性，是 o c t 的技术领域的一个重要分支。 偏振o c t 具有以下优势： 1 、提供双重诊断信息。普通o c t 使用宽带光源成像，不能检测到病变组织 的双折射变化【4 】。而偏振o c t 利用偏振光成像，它既可以与普通o c t 一样对组 织的反射率成灰度图像，也能将病变组织的双折射率变化用图像的形式反映出来 【5 j ，从而显著地提高诊断效率。 2 、图像清晰。偏振o c t 在光路中使用偏振控制器，从而避免了光的偏振态 的影响，减少了图像噪声【6 j 。 3 、可以与其它功能o c t 相结合。偏振o c t 与多普勒o c t 可以结合成为一 套成像系统，一次检测即可同时获得患者病灶大小、形状、层次分布及周围血流、 血管信息，为医生诊断提供更多的依据，并减少病人检查的次数，减轻了患者的 痛苦和经济负担。 1 2 常用数据采集接口概述7 】 数据采集是信息处理系统的最前端，它是以传感器信号测量与处理、微型计 算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术。它把设备上经过传感器变换后的 模拟电信号作为输入，首先结合各种信号处理技术产生数字信号，然后通过接口 总线将硬件仪器搭载到计算机平台上，最后利用软件系统进行数据的分析处理和 多样化的输出显示，这样就实现了完整的基于通用计算机的全数字化采集测试和 监测分析系统。数据采集器可以广泛应用于智能仪器、信号处理以及自动控制等 领域，是实验室、产品设备的检测、工业自动化状态监测和故障诊断的必备仪器。 采用i n t e l 或兼容的硬件及微软或兼容的软件的数据采集系统，俗称w i n t e l 架构。现今w i n t e l 架构已经成为商业p c 机的主流，其标准公开、结构公开、软 件及开发工具公开，因此具有很好的开放性，并且其硬件成本和开发成本均相对 较低。因此，这种基于p c 的数据采集系统以其开发成本低、开放性、运算能力、 通讯能力强、易于使用成为了设计应用的主流。目前基于p c 的数据采集系统已 经在速度、接口方式以及功能上有了很大发展，现在已有采集速度高达2 g b s 的数据采集系统，其接口方式也已经拓展到i s a 、p c i 、u s b 、i e e e l 3 9 4 及v x i 、 p x i 等多种总线接口，形成了以插卡式和便携式为主的两种产品。w i n t e l 架构的 数据采集系统可分为基于板卡的集中式数据采集系统和基于分布式的数据采集 系统。 集中式的基本方式是采用数据采集卡进行数据采集。具有代表性的厂家如 第一章绪论 a d v a n t e c h 、n i ，主要做法是将一块基于1 s a 或p c i 的板卡插入工业计算机 或商用机上，将外部信号通过导线引至计算机的端子上然后接入数据采集卡，通 过定制的软件就可以进行采集。优点是成本较低、速度快；缺点是传输距离短、 可靠性一般，同时布线费用高。 分布式的基本方式有两种形式：一种是先利用智能采集模块记录信号，再通 过一些通用总线如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 进行传送，但这样的速度、距离都受到很大限 制；另一种是采用基于现场总线的数据采集模块，常用的现场总线如c a nb u s 、 p r o f i b u s 等。基本做法是通过现场总线将智能模块引入计算机，上位机通过定制 的软件和智能模块通讯。它的优点是易维护、布线简单、可靠性高；缺点是采样 速度低、成本较高。 通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，简称u s b ) 和i e e e l 3 9 4 总线( 即f i r e w i r e ，俗称火线) 的逐渐普及以及大容量存储芯片的出现，为设计基于w i n t e l 架 构的便携式高速数据采集系统提供了可能。基于u s b 总线、i e e e l 3 9 4 总线的数 据采集系统由于总线的先进性，其速度更快，且易于连接使用。特别是基于u s b 总线接口的数据采集系统在主机硬件、操作系统和外设三个方面得到了p c 厂家 的广泛支持。 1 3 通用串行总线( u s b ) 1 3 1u s b 总线发展历程 u s b 总线是1 9 9 5 年由i n t e l 、c o m p a q 、d i g i t a l 、i b m 、m i c r o s o f t 、n e c 、n o r t h e r n t e l e c o m 等7 家世界著名的计算机和通信公司共同推出的一种新型接i s i 标准【2 6 | 。 它基于通用连接技术，实现外设的简单快速连接，达到方便用户、降低成本、扩 展p c 连接外设范围的目的。它可以为外设提供电源。u s b 总线从诞生起便引发 了一场产业革命。它以灵活、方便、应用范围广、通信稳定、成本低廉等优点， 使得p c 的接口纷纷从串行口和并行口转到u s b 总线上来。 u s b 接口技术使用一个4 针插头作为标准插头。通过这个标准插头，采用 菊花链形式可以把所有的外设连接起来，并且不会损失带宽。一个完整的、可行 的u s b l 1 规范于1 9 9 8 年9 月完成，在u s b l 1 版本中定义了两种速度的u s b 传输工作模式，低速( l o ws p e e d ) 模式的数据传输速度为1 5 m b p s ，全速( f u l l s p e e d ) 模式使得u s b 的速度峰值达到了1 2 m b p s 。这一版本得到了计算机业界 的广泛响应，到1 9 9 9 年，u s b 已经被广泛应用。受到这一潮流的鼓舞，2 0 0 0 年 4 月u s b 组织又推出了新版本的规范一i s b 2 0 ，这个版本将u s b 总线的传输 4 第一章绪论 速度提高到了4 8 0 m b p s 的高速( h i g hs p e e d ) 模式水平，由于u s b 在速度、便 携性，以及扩展性多方面的优势，现在u s b 已经渗透到了人们生活的每个角落， 诸如摄像头、网络设备、语音设备、大容量存储设备等。目前u s b 3 0 协议已经 修订完成，并将会在年内发布，预计两年内得到普及。u s b 3 0 具有后向兼容标 准，并兼具传统u s b 技术易用性和即插即用功能。该技术的目标是推出比目前 连接水平快1 0 倍以上的产品，采用与现有u s b 相同的架构。除对u s b3 0 规格 进行优化以实现更低的能耗和更高的协议效率之外，u s b3 0 的端口和线缆能够 实现向后兼容，以及支持未来的光纤传输。因此，u s b 3 0 将广泛应用于p c 、消 费电子和移动设备领域。 1 3 2u s b 2 0 总线特点与优判副 1 速度快。u s b 2 0 支持三种设备传输速率：1 5 m b p s ( 低速设备) 、12 m p s ( 全速设备) 和4 8 0 m b p s ( 高速设备) 。相比之下，串1 2 1 数据传输率是1 1 5 k b p s 2 3 0 k b p s ，标准并口的数据传输率为1 m b p s ，这些都远远低于u s b 的传输速率。 2 设备安装和配置容易。u s b 设备支持即插即用，安装u s b 设备不必再打 开机箱，增减已安装过的设备完全不用关闭计算机。所有u s b 设备支阿持热插 拔，系统对其进行自动配置，不再占用中断资源或者d m a 资源，彻底抛弃了过 去的跳线和拨码开关设置。u s b 为电缆和连接头提供了单一模型，解决了外设 越来越多所造成的插槽紧张问题。 3 易于扩展。通过使用h u b 扩展，可接多达1 2 7 个外设。标准u s b 电缆长 度为3 m ( 5 m 低速) ，通过h u b 或中继器可以使外设距离达到3 0 m 。 4 能够采用总线供电。u s b 总线提供最大达5 v ，5 0 0 m a 电流，对于功耗 较小的设备来说这是非常有效的。 5 使用灵活。u s b 共有4 种传输模式：控制传输( c o n t r 0 1 ) 、同步传输 ( s y n c h r o n i z a t i o n ) 、中断传输( i n t e r r u p t ) 、批量传输( b u l k ) ，以适应不同设备 的需要。 1 4 论文的主要工作与意义 1 4 1 论文的主要工作 o c t 技术是一种新型的医学诊断技术，具有高分辨率、无损伤、结构简单 等优势，配合以高速图像采集系统，可实现基于o c t 技术的医疗诊断设备，可 在眼科、心脑血管、内窥活检等领域得到广泛应用【9 】。本文设计并完成基于u s b 2 0 第一章绪论 接口技术的光纤偏振o c t 高速图像传输系统，实现了图像信号实时采集、传输、 处理和存储。本系统充分利用了计算机丰富的软硬件资源，突破了传统仪器在数 据处理、表达、传送、存储等方面的限制，更易于偏振o c t 图像的传输、存储 和处理。在本系统设计中，要求采集的图像为5 1 2 x 5 1 2 的8 b i t 灰度图像，也就是 说每一幅图像的大小为2 5 6 k b ，对于具有较好实时显示效果的o c t 系统，帧频 需达2 0 h z 以上，因而需要数据传输速率大于5 m b s 。u s b 2 0 的高速特性完全能 够满足o c t 系统快速、实时的图像显示要求，另外u s b 2 0 即插即用的特性也 大大方便了仪器的操作和使用。 本文主要工作如下： 1 、基于c y p r e s s 公司推出的新型u s b 设备芯片e z u s bf x 2 l p 的功能及特 点，制定了适合o c t 系统的传输方案，在p r o t e l 9 9 环境下设计完成了u s b 2 0 高速硬件电路，并分析了高速电路板布线的注意事项。 2 、在厂商提供的u s b 设备固件框架下，添加了初始化函数和用户函数，完 成了设备固件程序编写，并在k e i lcg v i s i o n 2 的环境下对程序进行了调试和编 译。 3 、深入分析了w d m 驱动模型，确定了u s b 驱动程序框架，添加相应的例 程，完成驱动程序编写，在w i n d o w sd d k 环境下编译生成u s b 功能驱动程序 和固件下载驱动程序；此外，通过分析u s b 驱动结构，找到影响u s b 速度的因 素，对驱动程序进行了优化。 4 、分析了应用程序与驱动程序通信过程，在v c + + 6 0 环境下开发了o c t 图像采集客户端程序，实现了数据采集与b m p 灰度图象显示功能。 5 、利用现场可编程器件( f p g a ) 作为控制核心，模拟数据源控制u s b 接 口电路进行数据传输测试，验证系统的稳定性和可靠性。o c t 系统通过u s b 2 0 接口采集多层盖玻片图像。 1 4 2 论文的研究意义 o c t 技术作为一门新兴的医疗诊断技术，具有其独特的优势，将会广泛应 用在医疗诊断的各个领域，为人类找到更多的疾病诊断检测方法，因此研制新型 的光纤偏振o c t 内窥镜1 1 0 】对医疗事业的发展具有重要深远的意义，同时也具有 广阔的市场前景。高速性，便携性和可扩展性将会是未来医疗仪器发展的方向， 高速图像采集接口设计正是满足这一需求的一项关键技术。 随着u s b 2 0 协议的完善和技术的成熟，u s b 2 0 已经成为一种工业级总线 标准，其良好的可靠性可以很好的满足各种数据采集系统的要求。另外，其热插 拔的使用方法也带给了用户极大的方便。同时，基于u s b 2 0 的总线设备已成为 第一章绪论 客户选择的主流，所以开发基于u s b 2 0 接口的数据采集系统也将成为一种必然 趋势。新兴的o c t 技术与高速的u s b 2 0 系统相结合，发挥两种技术各自的优 势，是生物医学仪器领域的项重要突破，同时也会推进o c t 技术的产业化。 因此，本课题的研究与完成具有积极的现实意义。 第二章系统成像原理及接口设计方案 第二章系统成像原理及接口设计方案 本章主要介绍了o c t 成像基本原理和全光纤偏振o c t 系统的结构组成，通 过介绍基本原理与构成来阐述图像数据产生、处理及传输的整个过程。同时介绍 了u s b 2 0 协议的基础理论，分析了u s b 设备的组成，对比了u s b 系统不同的 方案，找到了最优的实现方案。 2 1 偏振o c t 系统成像基本原理 2 1 1o c t 基本原理 光学相干层析成像系统的核心是一个迈克尔逊干涉仪，其组成部分包括低相 干光源、干涉系统、样品臂、参考臂以及探测系统等。其典型原理框图如2 1 所 示。干涉仪的一臂装有反射镜作为参考臂，另一臂置于待测样品上作为测量臂。 为获得高分辨率，光源通常采用近红外宽带低相干光源。从光源输出的光被2 2 分束器均匀分为两束，分别进入干涉仪的测量臂和参考臂。一束光经准直器到 达反射镜作为参考光；另一束光经聚焦透镜到达被测样品，在样品表面或内部形 成直径很小的光斑。从反射镜返回的参考光与被测样品背向散射的测量光在耦合 器汇合，当两臂光程差在光源相干长度内时则发生干涉，光电探测器探测到干涉 信号，信号强度可反映样品的散( 反) 射强度。纵向移动扫描参考臂，使参考光分 别与从样品中不同深度和结构反射回来的测量光发生干涉，同时分别记录相应的 参考镜空间位置，这些位置便反映了样品内不同结构的空间位置，由此可获得样 品深度方向( z 轴) 的一维测量数据；然后扫描测量平行于样品表面( x 方向) 的数 据。测得的信号经计算机处理后，根据信号的强弱赋予相应的灰度值，即可得到 样品的二维灰度图，即图像重建。可见，层析分辨率直接由光源的相干长度确定。 图2 1o c t 成像原理图 $ x 第二章系统成像原理及接口设计方案 偏振o c t 是o c t 的一个重要分支，它与普通时域o c t 的主要区别在于它 利用偏振光成像。由于病变组织的双折射变化。会改变反射测量光的偏撮态因 此反射的信号会带有组织双折射率信息，为医生提供了更多地诊断信息。 2 1 2 偏振o c t 系统构成 在o c t 的基本原理下，组建o c t 系统会有多种具体的结构实现方案。任何 方案的选择以及评价测量方法必须综合考虑各种因素，如成像速度、系统分辨率、 成本、方案的复杂性等，不能一概而论。如何选取合适的光源，如何选取适当的 干涉仪形式，采用何种光学延迟线嘭式作为参考臂，以及采用什么样的探铡器是 整个系统成败的关键，尤其是光学延迟线的设计，要获得好的系统分辨率，除了 选取合适的光源，影响最大的就是光学延迟线的设计。 u s b 20 采集接口是牟= 光纤偏振o c t 成像系统的一个重要部分，如图2 2 所 示。o c t 成像系统主要由宽带光源、干涉系统、扫描系统、信号接收与处理系 统、同步控制系统以及图像传输系统六个部分构成，同时光纤化设计的o c t 系 统紧凑、灵活，便于与光纤导管、内窥镜和其它成像装置相结合，以拓展其观察 范围和应用领域。 图2 - 2 偏振o c t 系统框图 1 、光源 光是测量信号的直接载体，选择合适的光源对整个系统至关重要。为了降低 人体组织的吸收损耗及光在组织中的多次散射，应选择波长在“近红外窗口”内 的光源，约为6 5 0 n m 1 6 0 0 n m 。同时o c t 的轴向分辨率与光源带宽有关，应选 择低相干宽带光源。 第二章系统成像原理及接口设计方案 2 、干涉系统 干涉系统是o c t 系统的核心，目前使用的是迈克尔逊干涉仪，主要作用是 形成参考光和信号光，并使其反射光在干涉仪处发生干涉。此外，需要在光源入 口处增加起偏器。 3 、扫描系统 扫描系统主要分为两部分：参考臂的纵向扫描和样品臂的横向扫描。参考臂 上的扫描延迟线多种多样，目前本系统采用了机械扫描线性延迟线，扫描深度约 为1 3 m m ，扫描速度为2 0 h z ，因此样品臂的横向移动频率也为2 0 h z 。 4 、信号接收与处理系统 由于系统接收的是偏振光，因此需要两个光电探测器接收x 和y 方向分量， 判断其偏振态，从而得到双折射率变化信息。光电探测器采集到的光信号较微弱， 经光电转换后输出的电信号只有微伏级；光信号中还伴有大量背景光和杂散光， 以及电信号中出现的直流和高频干扰，严重降低了有用信号的可分辨性：此外， 包含样品臂信息的干涉信号被调制在纵向扫描产生的载波上。为了解决上述问 题，必须加入电信号处理模块，即放大、滤波和解调。 上限uuu uuuu 下限山山山山山山山山j i il ii il li | |i il l| i| | i i _ _ 悱_ _ _ _ _ r 柚_ _ 嗍嗍 - l l i i i i | ii i i i i | i | l | l | i l i i | l 数双山山山山；山f 1u 1l 啪捌划甘蚪叫哗聃辄坤忖 横移u 山山山山山山山l 敦据 图2 3同步控制时序图 第二章系统成像原理及接口设计方案 5 、同步控制系统 在偏振o c t 系统中，f p g a 作为同步控制核心，协调系统各部分的工作。 主要完成接收由纵向扫描延迟线输出产生的脉冲，以此为依据控制其它器件的工 作，使它们与纵向扫描同步；控制模数转换的起止时刻；产生同步数据头，利用 同步数据头在内存区找到图像数据的起始位置以正确显示图像；控制横向扫描台 的移动时刻；产生u s b 的读写控制信号。f p g a 同步控制时序如图2 3 所示。 6 、图像传输模块 图像传输模块是本论文的核心内容，也是o c t 系统的关键部分。处理后的 数据将通过高速图像采集系统传输到计算机进行进一步处理与显示。图像为51 2 5 1 2 像素，预期实现的图像帧频为2 0 h z ，因此数据传输速度至少应为5 m b s 。 2 2u s b 接口理论基础 2 2 1u s b 系统结构 u s b 按照通信服务协议为主机和连接的设备提供通信服务。通信服务的协 议按照不同的功能分为功能层、设备层和接口层，主机和设备间的连接要求不在 一层的实体之间有相互作用，这些层之间的通信模型如图2 4 所示。 主机 上 物理设备 上 爪 ：f ll r l 接 客户软件 ij 口 功能设备 l ，t 卜一 窄f ；首亩v i b m 缓冲器一； i 专jj 接口墨工无u s b 格式 钐 i 兀u 3 廿怡a 式 u s b 系统软件 姜| u s b 逻辑设各 默训管道 善u 邮蛊，腻v 霉$ u s b 格茧 謦个 u s b 格式数据 j上 主机iu s s 总线接d u s b 翌旧 - l s i el 总线接口 u sb ：电缆 图2 4u s b 通信模型 数据 磁上 第二章系统成像原理及接口设计方案 2 2 1 1u s b 主机 u s b 主机通过主机控制器和u s b 设备相互作用，为u s b 提供了众多功能， 比如：检测u s b 设备的连接和断开；管理主机和u s b 设备间的控制通信流；管 理主机和u s b 设备间的数据通信流；收集总线状态和总线活动信息；管理主控 制器和u s b 设备间的电气接1 2 1 u 2 。 u s b 系统中只允许有一个主机，它为u s b 设备提供了连接起点，并实现数 据的传输，u s b 主机可划分为3 个功能模块：u s b 总线接口、u s b 系统软件和 客户软件，如图2 4 所示。 1 、客户软件 客户软件由u s b 设备的提供者或者操作系统提供，负责和u s b 设备的功能 单元进行通信，以实现u s b 设备的特定功能。客户软件不能直接访问u s b 设备， 它与功能单元间的通信必须经过u s b 系统软件和u s b 总线接口才能实现。一般 包括u s b 设备驱动程序和界面应用程序两部分。u s b 设备驱动程序负责和u s b 系统软件通信，界面应用程序负责和u s b 设备驱动程序通信，以操纵u s b 设备 并向主机提供可视化的操作。 2 、u s b 系统软件 u s b 系统软件用于在特定的操作系统中支持u s b ，它由操作系统提供，与 具体的u s b 设备无关，也独立于客户软件，负责和u s b 逻辑设备进行配置通信， 并管理客户软件启动的u s b 数据传输。系统软件一般包括u s b 总线驱动程序 u s b d ( u s bd r i v e r ) 、u s b 主控制器驱动程序h c d ( h o s tc o n t r o l l e rd r i v e r ) 和非 u s b 主机软件三部分。其中u s b 总线驱动程序为客户软件提供了通信接口 u s b d i ，它们之间通过i o 请求包( i r p ) 进行数据传输；u s b 主控制器驱动程序 的存在使得客户软件在进行u s b 数据传输时不必知道主控制器的具体实现细 节；h c d 和u s b d 以特定的方式协同工作，简化了客户软件与u s b 功能单元间 的通信，它们之间的接口称为主控制器驱动程序接口，它不能被客户软件直接访 问。 3 、u s b 总线接口 u s b 总线接口包括u s b 主控制器和根集线器。其中根集线器为u s b 系统提 供连接起点；u s b 主控制器负责完成主机和u s b 设备间的数据传输。u s b 总线 与u s b 系统软件的功能依赖于主控制器的硬件实现。 其中主控制器负责读取主控制器驱动程序h c d 建立的事务处理列表，并将 它们安排在一系列长度为1 m s 的帧( 全速传输) 或1 2 5 岫的小帧( 高速传输) 中发送 到u s b 总线上；根集线器同其他集线器一样，为主机提供附加的u s b 端口，但 是根集线器被集成在u s b 主控制器内部，h c d 对其访问时不需要产生事务处理。 第二章系统成像原理及接口设计方案 2 2 1 2u s b 设备 u s b 设备【l3 j 是集线器或者功能设备，其中h u b 为u s b 提供额外的节点，功 能设备为系统提供附加功能。u s b 设备具有标准的u s b 接口：它们包含了u s b 协议；相应标准的u s b 操作；有标准的描述信息。u s b 设备可被划分为3 层： 底层是传送和接收数据包的总线接口；中间层是处理总线接口与不同端口之间的 数据路由，端1 ：3 是数据传输的最终的数据源或者数据接收端( s i n k ) ；最上层的功 能由串行总线设备提供，比如硬盘或数据采集卡。 2 2 1 3u s b 系统的分层 u s b 系统是u s b 设备到主机的连接，对开发人员来说这种连接可被分为三 个逻辑层：u s b 总线接口层、u s b 设备层和功能层1 14 1 。每一层都由主机和u s b 设备的不同功能模块组成，如图2 4 所示。其中u s b 总线接口层提供了在主机 与设备间的物理连接、发送连接、数据包连接。u s b 设备层对u s b 系统软件是 可见的，系统软件基于它所见到的设备层来完成对设备的一般u s b 操作。应用 层可以通过与之相配合的客户软件向主机提供一些用户的功能。u s b 设备层和 应用层各自的通信是逻辑上的，对应于这些逻辑通信的实际物理通信都是由主机 和u s b 设备的s i e ( 串行接口引擎) 来完成。这种分层结构简化了u s b 通信机制。 1 、功能层负责实现u s b 设备的特定功能，该层不理解u s b 的串行传输机 制，而只是知道应和u s b 设备传输哪些数据，它由主机方的客户软件和设备方 的功能单元组成。 2 、u s b 设备层实现了主机和u s b 设备间的配置通信，如为u s b 设备分配 地址、读取其配置描述符等。该层理解u s b 通信机制和功能层所要求的传输特 性，它由主机方的u s b 系统软件和设备方的u s b 逻辑设备组成，u s b 逻辑设备 是u s b 系统软件对u s b 设备的抽