（检测技术与自动化装置专业论文）基于usb的超声成像系统的研究与设计.pdf

摘要 摘要 基于u s b 的超声成像系统的研究与设计 硕士研究生：刘明强 指导老师：符影杰副教授 东南大学 超声诊断仪是l 临床必备的常规检查设备。近年来，随着人们生活水平的改善、健康意识的增强以及社 区医疗事业的发展，对b 超诊断系统提出了更新更高的要求。 本文针对基于i s a 总线的p c 化b 超诊断系统存在的不足，提出一种新的系统方案，即基于u s b 总 线构建b 超诊断系统。论文结合系统应j j 和设计要求，通过对便携式b 超仪数字扫描变换器( d s c ) 电路 板的改造，构建基丁u s b 总线的b 超图像数据传输的硬件平台，并开发了相应的系统软件，全面提高系 统整体性能、通用性和实用价值。最后，对课题工作做了总结工作，并就今后课题研究开发中的有关问题 进行了讨论并提出了建议。 关键字：u s b超声诊断系统数字扫描变换器超声成像 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ha t l dd e s i g no f u i t r a s o n i c1 m a g i “gs y s t e mb a s e do nu s bb u s b yl i um i n g q i 卸g s “p e r v j s e db yp r o ff uy i n 百j e s o u t h e a s tu n i v e r s i t v u i t r a s o n i cd i a g n o s t i ci n s t r u m e n t sa r en e c e s s a r yc n n i ce q u i p m e n t s i nr e c e n ty e a r s ，w f t ht h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e sl j f ea n dt h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t yh e a l l hs e r v c e s ，t h e r ei s a ni n c r e a s i n gd e m a n df o rh i 曲q u a l j t y u 】t r a s o n i cb s c a n n e r sw i t hb e t t e rp e r f b r m a n c e sa n dl o w e rc o s t n o wt h eu l t r a s o n i cd i a g n o s t i cs y s t e mb a s e do n p e r s o n a lc o m p u t e rw i t hi s ab u sh a sb e e nd e v e l o p e d b u tw j t l lt h eh a r d w a r e su p g r a d eo ft h ep c ，t h es y s t e m p e r f b 肌a n c ec a nb ea 丘色c t e db yt h el i m i t a t i o no f t h ed e s i g n i nt h i sp 印e la i m i n ga tt h es h o r t a g e so ft h es y s t e mb a s e do ni s ab u s ，an e wt y p ep c _ b a s e du l t r a s o n i c d i a g n o s t i cs y s t e m ，w h i c hi sb a s e do nu s bb u s ，j sp r o p o s e dc o n s i d e r i n ga p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m ， a nu l t r a s o n i ci m a g i n gd a t at r a n s m i th a r d w a r ea n ds o 竹w a r ep l a t f o r mv i au s bb u sh a sb e e nc o n s t r u c t e d ，b y m o d i f y i n gt h ed i g i t a l s c a nc o n v e n e r ( d s c ) c j r c u i tb o a r do fap o m b l eu l 廿a s o n i cb s c a n n e lt h en e ws y s t e mi s m o r ep r a c “c a lw i t hb e n e rp e r f o m l a n c ea n dc o n v e n i e n c e f i n a l ly ，曲er e s e a r c hw o r ki ss u m m a z e da n ds o m e t o p i c so nf u r t h e rd e v e l o p m e n ta r ep r e s e n t e d k e v w o r d u s b u 1 t r a s o n j cd i a g n o s t i cs y s t e m d i g i t a ls c a nc o n v e r t e r u l 仃a s o n i ci m a g i n g i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：壶l 鲴缢! 日期：兰坐牛 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：壶i 型9 歪塾 导师签名期：醴：仝! ， 第一章序言 1 1 超声成像与b 超诊断 第一章序言 现代医学影像技术的发展可谓是日新月异，其中超声成像、x c t 断层成像、放射性同位素扫描 成像和核磁共振成像被列为现代医学四大影像技术，在医学现代化中占有重大地位。与其他成像相 比，超声成像具有实时性好、无损伤、无痛苦以及低成本等独特的优点。 1 1 1 超声波的定义及特性i l 】【2 】【6 】 自然界中的波根据其性质基本上分为两大类：电磁波和机械波。电磁波是由于电磁力的作用产 生的，传播的是电磁能量，可以在真空中和介质中传播。机械波是由介质中的质点受到机械力的作 用而发生周期性振动产生的，只能在介质中传播而不能在真空中传播。超声波是机械波的一种。 人的耳朵能够听到的声音其频率在2 0 h z 到2 0 k h z 之间，低于2 0 h z 的和高于2 0 k h z 的声音， 我们都听不见。频率低于2 0 h z 的声波叫做低声波；频率高于2 0 k h z 的声波，叫做超声波。超声波 的频率范围很宽，而医学超声的频率范围在2 0 0 k h z 至4 0 m h z 之间，超声诊断用超声频率多在1 m h z 到1 0 m h z 范围内。 超声波是一种波动，它和其它波动过程一样在媒质中传播的物理性质与其它类型波动( 如光 波) 类似，也有波的叠加、干涉、反射、折射、透射、衍射、散射以及吸收、衰减等特性，一般都 遵循几何光学的原则。 与普通声波( 可闻波) 相比，超声波具有许多特性，其中最突出的有：由于超声波的频率高， 因而波长很短，可以像光线那样沿直线传播，使我们有可能只向某一确定的方向发射超声波；由 于超声波所引起的媒质微粒的振动，即使振幅很小，加速度也很大，因此可以产生很大的力量。超 声波的这些特性使它在近代科学研究、工业生产和医学领域等方面得到日益广泛的应用。 1 1 2 医用超声技术及其应用 按照对超声应用的不同，医学超声大致可以分为超声诊断技术和超声医疗技术。超声诊断技术， 是以超声波为信息载体，用以探查与提取人体的生理或诊断信息的技术，它具有安全、无痛、适用 面厂、直观、可重复检查、对软组织鉴别力强、灵活及廉价等一系列优点，已成为当代医学图像诊 断中的首选技术。 1 8 8 0 年压电效应的发现，揭开了超声技术发展的新篇章。而超声成像的研究最早可以追溯到 1 9 2 0 年。著名的原苏联科学家萨卡洛夫( s js o k o l o v ) 于1 9 3 5 年完成了液面成像装置【。其后由于 技术上的种种原因，超声成像研究进展缓慢。6 0 年代末，由于电子技术、计算机技术和信号处理技 术的飞速发展，声成像研究恢复了生机。7 0 年代形成了几种较成熟的方法，大量商品化设备上市， 在医学诊断中得到极其广泛的应用。 超声成像是用超声波获得物体可见图像的方法，利用超声对人体的作用与反作用规律，观察在 生理和病理状态下人体结构的形态学特征与变化的规律。由于声波可以穿透很多不透光的物体，故 利用声波可以获得这些物体内部结构声学特性的信息，超声成像技术将这些信息变成人眼可见的图 像，即可以获得不透光物体内部声学特性分布的图像。因此，超声成像是人们获得不透光物体内部 声学特性分布最直观的方法。 超声成像方法有很多种，包括有： 1 扫描超声成像 利用超声脉冲回波在示波管荧光屏上显示图像。是应用时间最长，技术掌握最好的成像方法。 2 超声波显像 声波是力学波，它会改变传播介质中的一些力学参数，比如质点位置、质点运动速度、介质密 度、介质中应变、应力等，液体中还引起辐射压力。利用这些参数变化可以使声波成为可见。到目 前，最有效而常用的声波显示方法是施利仑法( s c h l i e r e n ) 和光弹法。施利仑法的根据是声波导致介质 1 东南大学硕士学位论文 密度变化，而后引起光折射率的改变。光弹法成像原理是，超声引起应力，在各向同性固体中，应 力产生光的双折射效应光通过应力区后，偏振将发生变化。 3 超声全息 超声全息法是利用干涉原理来记录被观察物体声场全部信息( 振幅分布和相位分布) ，并实现成像 的种声成像技术和信息处理手段。大致分为两类，一类是激光重建声全息，它是用一种与入射波 同频率的电信号与探测器的输出电信号相叠加，用叠加后所获的信号的幅度去调制荧光屏光点的亮 度，在荧光屏上形成全息图。将全息图拍摄下来，再用激光照射全息图，获得重建像。另一类是计 算机重建声全息它是利用扫描记录到的全息函数与重建像函数之间是空间傅氏变换对的关系，直 接由计算机计算而实现的重建，由于它不需要拍摄全息图，故又称为无全息图重建。 4 超声显微 超声显微镜是利用声波对物体内力学特性进行高分辨率成像研究的系统和技术。 5 相控阵法 相控阵成像是通过控制换能器阵中各阵元激励( 或接收) 脉冲的时间延迟，改变由各阵元发射( 或 接收) 声波到达( 或来自) 物体内某点时的相位关系，实现聚焦点和声束方位的变化，完成超声成像的 技术。 6 合成孔径聚焦成像( s a f t ) 在这项技术中，应用小孔径换能器和较低的工作频率获得高方位分辨率，突破了经典理论的限 制。 除此之外，还有a l o k 超声成像、超声c t 等成像技术。在上述所有成像方法中，扫描超声成 像在医学诊断中己得到了j 泛的应用。根据扫描超声成像中超声脉冲回波在示波管荧光屏上不同的 显示方式，可以分为a 型、b 型、m 型等。近几年来超声成像技术的发展十分迅速，医学超声技 术在基础研究、超声图像改善等多个领域取得了长足进展，尤其是计算机的发展及其在超声医学中 的运用，不仅提高了已有的医学超声技术性能还开发出许多新的技术，如多普勒组织成像技术、三 维超声成像技术等，使得超声诊断的方法更加丰富。尽管这些成像技术的发展向着先进的方向迅速 发展，而成像的宗旨总是为了让呈现于用户面前的图像能够提供更多诊断信息，能够更易于人们的 观察和理解。 1 1 3 超声成像原理 医学超声诊断成像有多种方法，可以是反射成像，也可以是透射成像或散射成像，主要有以下 几类6 】： 1 脉冲回波法 诊断信息产生于超声经人体组织界面的反射和散射后的信号强弱，这是目前使用最广泛的方法。 2 多普勒法 诊断信息产生于超声经运动着的人体组织界面和血流细胞所反射和散射后的超声信号的频移， 或者说多普勒频移。目前应用这类成像方法的设备的品种比较多，如胎儿听诊器、血流检测仪、多 普勒诊断系统和彩色血流显像仪等。 3 透射法 诊断信息产生于超声透射过人体组织后的幅度及相位的变化，其应用有超声全息、透射型超声 c t 、透射型超声显微镜等。 按信号显示方式的不同，脉冲回波法分为a 型、m 型及b 型三大类。 1 a 型显示方式 a 型显示是超声诊断仪最基本的一种显示方式，因其回声采用幅度凋制( a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 而得名。在阴极射线管荧光屏上，以横坐标代表被探测物体的深度，纵坐标代表回波信号的幅度， 由探头( 换能器) 定点发射获得的回波所在的位置可测得人体脏器的厚度、病灶在人体组织种的深度以 及病灶的大小。根据回波的一些特征，如波幅和波密度等，还可以在一定程度上对病灶进行定性分 析。 由于a 超仪显示的是回声波形图，只能反映局部组织的回波信息，不能获得在临床诊断上需要 的解剖图形，且诊断的准确性和操作医生的识图经验关系很大因此其应用价值已渐见低落，很少 第一章序言 被医院使用了。 2 m 型显示方式 m 方式显示的图像是由运动回波信号对显示器扫描线实行辉度调制，并按照时间顺序展开 ( ”m e m o t i o n ) 而获得一维空间多点运动时序图，故称之为m 型超声诊断仪。 m 型超声诊断仪发射和接收的工作原理与a 型相似，不同的是其显示方式。对于运动脏器，由 于各界面反射回波的位置及信号大小是随时间而变化的，如果仍用幅度调制的a 型显示方式进行显 示，所显示波形会随时间而改变，得不到稳定的波形图。因此，m 超仪采用辉度调制的方法，使深 度方向所有界面反射回波，用亮点的形式在显示器垂直扫描线上显示出来，随着脏器的运动，垂直 扫描线上的各点将发生位置上的变动，定时的采样这些回波并使之按时间先后逐行在屏上显示出来， 便可构成一副反射界面的活动曲线图。 m 型超声诊断仪对人体中的运动脏器，如心脏、胎儿胎心、动脉血管等功能的检查具有优势， 并可进行多种心功能参数的测量，如心脏瓣膜的运动速度。加速度等。但m 型显示仍不能获得解剖 图像，它不适用于对静态脏器的诊查。 3 b 型显示方式 采用b 型显示方式的仪器称为b 型超声诊断仪，简称b 超仪。b 超仪采用亮度调制( b r i g h t n e s s m o d u l a t i o n ) 方式来显示回波信号的强弱，因此而得名b 超。b 型显示时，探头中的换能器所发射和 接收的超声波方向按一定规则扫查过一个平面，所以显示的b 型黑白图像是一幅两维的截面声像图， 因此常把这类仪器称为超声断层显像仪，国外则常称它为b 型超声扫查仪( u l t r a s o u n db m o d e s c a n n e n 一 因为脉冲回波法可获得回波信号幅度和回波反射源深度的信息，调亮后的光点亮度( 通常称为 灰阶) 与回波幅度间存在一定的函数关系( 由显示管的调制特性决定) 。在b 超仪的接收放大通道中 使用对数放大器，因此调亮所用的回波信号已经经过对数压缩处理，于是显示出来的两维黑白图像 具有很大的动态范围，其灰阶代表着反射( 或散射) 系数的变化。声阻抗大的组织和结石等物质( 质 量密度大的组织和物质，其声阻抗通常也大) ，其反射系数也大，所以b 超图像上的光点亮度也高。 b 超图像所能显示的组织界面及组织内部不均匀性的反射系数的变化范围很大，加之两维截面 声像图的解剖学特性，使得b 型图像具有极大的诊断价值。目前，b 超图像诊断已适用于医院的很 多科室，促进了b 超仪的技术发展及产品系列化进程。 4 p 型显示方式 p 型超声诊断仪也是一种二维超声断层显像仪，亦采用辉度调制显像方式。与b 型超声诊断仪 不同之处，是其探头发射的超声波束采用圆周扫描方式进行探查，这只要使用机械系统使探头作圆 周旋转，同时使阴极射线示波管扫描线绕屏中心点作相应圆周扫描即可。 p 型超声诊断仪主要适用于对肛门、直肠内肿瘤、食道癌及子宫颈癌的检查，亦可用于对尿道、 膀胱的检查。p 型超声诊断仪所使用的探头称为径向扫描探头，如尿道探头、直肠探头都属于径向 扫描探头。 5 c 型显示方式 c 式显示也是一种亮度凋制的显示，也是以灰阶显示的二维切面声像图。所不同的是，通常b 超仪所获得的是超声波束扫查平面本身的切面像，即纵向切面像：而c 型扫查所获得的是距离探头 某一特定深度的与扫查声束轴向相垂直的切面像，即横向切面像。可见，c 型扫查平面与常规的b 超仪扫查平面是相互垂直的，改变c 型扫查深度，便可获得不同深度的c 型切面图像。 1 1 4b 超的性能指标 b 型超声诊断仪的性能可以通过技术参数和使用参数两个方面予以表征。技术参数主要包括： 超声工作频率：脉冲持续时问；脉冲重复频率：分辨力：探测深度：灰阶级；聚焦方式：动态范围； 图像帧频；时间增益控制等。使用参数主要包括：扫描方式；探头规格：显示方式与显示范围；电 子放大与倍率；注释功能；测量功能：记录方式等。 1 2b 超诊断仪及其发展 随着超声医学基础的研究、超声材料及探头工艺水平、大规模集成电路、电子技术和微电脑的 - 3 - 东南大学硕士学位论文 迅速发展，超声诊断仪在图像质量、检测功能、图像处理及成像技术的开拓等方面部不断取得显著 的进步。现有装置的进展主要表现在探头振元数、放大器通道数、计算机的深入应用、全数字化等 方面，其目的在于提高声像图的质量，显示更加细微的组织结构。 探头己由一维阵向二维阵发展，二维扫描可形成实时三维声像图。二维阵探头已进入市场，但 目前大多数用于x 和y 两个轴上的声聚焦，以提高轴线上的分辨力，因而形成的仍是实时二维声像 图。二维阵探头目前的振元数已达到1 0 2 4 ( 1 2 8 8 ) 。 放大器通道数的多少取决于振元数。为使散射源在声像图上的回声点更细，振元数和通道数之 间的比例已由4 ：1 2 ：1 改为1 ：1 。由于接收到的电信号至少有振幅、频率和相位三种不同的参 数变化，要同时、迅速分别处理这些电参数，就得提高通道数，目前已有采用1 ：2 或l ：4 ( 即1 个 振元配以2 个或4 个放大器通道) 比例的，以同时取得频率信息、相位信息，进行多种信息处理。 超声诊断仪器的综合性能高低取决于计算机平台。计算机在超声诊断中的深入应用使得现代的 超声诊断系统本身就是一台计算机，计算机技术不仅应用于一般的控制( 如面板功能键控制、字符 和图形发生等) 和后处理( 如图像变换、数字滤波、插补和平滑) 以及各种测量计算、显示和自检 功能，而且在声束的形成、前处理、图像产生过程以及图像质量改善等方面也直接采用了计算机技 术，从而使现代的超声诊断系统具有现代计算机的几大特点： 强大的信息处理能力：它应用在前处理中表现为能实时处理大数目的发射与接受通道( 最高达 2 5 6 ) 以及大容量图像数据和像素，由于系统在给定的瞬间内处理的通道数目增加，图像像素点增 加因而能增加分辨力，明显改善图像质量。应用在临床检查中对超声诊断仪获得的波形、曲线、图 像和频谱等按照诊查的要求对有关参数进行测量、计算和分析( 包括距离、周长和面积的测量、体 积的测量、比例的计算、产科中胎儿发育测量、心脏功能计算、多普勒测量和分析) ： 高速运算能力：它指在大数目通道和图像数据的情况下，每微秒内执行大量指令的能力。这种 能力使超声系统能实现动态聚焦、动态孔径和动态变迹等动态图像功能。目前高档仪器己采用高容 量计算机图像处理系统，运算速度为每秒2 0 亿1 4 0 亿次。 灵活的软件控制能力：系统可以编制各种软件，适用于各种探头，如线阵、相控阵和机械扇扫 等。可以适用于各种工作方式，如b 或多b 、m 型、多普勒等。形成系统使用的多样化和智能化。 超声诊断仪中的智能化，近几年的发展主要有以下方面：操作程序化和自动化、“智能化探头”、 “自适应探头”、“自适应像素图像显示”。 近年来，由于计算机技术的广泛应用，超声诊断工作的图像存储和通讯系统也得到了发展。目 前，已有多种此类系统问世，如机内专用或外接通用的各种超声工作站。它的作用是使存储的超声 图形记录不失真，并可作远程传输和遥控医疗。 就目前的发展情况来看，超声诊断仪性能的提高在很大程度上受计算机发展水平的影响。可以 说没有计算机的出现与发展，就不会有今天高性能超声诊断仪的存在。从超声诊断技术的发展过程 来看，超声诊断新技术一般都能够很快应用到实际当中去，而实际应用又推动了超声诊断技术的进 一步发展。 计算机与b 超成像诊断技术的结合主要有以下三种可以实现的结构： 第一种是目前几乎所有b 超图像工作站采用的形式，即p c 机加视频采集卡，采集普通b 超仪 输出的图像视频信号，转换为数字图像数据，再进行有关的成像显示处理。这种方案的优点是简便 易行添加的硬件视频采集卡有很多成熟产品，无需专门设计，但缺点是经两次a ，d 转换秒一次 d a 转换，引起信号损失；并且p c 机与b 超仪之间相互完全独立，两者之间的联系仅依靠视频信 号。由于视频帧频比b 超的扫描帧频快，所以p c 机采样的信号中有冗余信息，在动态图像存贮时 会浪费存贮容量。另外，p c 机不能控制b 超成像功能，例如切换b 月方式。 第二种做法是一种彻底改造的方案，采用p c 机的c p u 代替b 超d s c 中的c p u ，作为b 超成 像系统的主控制器。它的优点是将p c 机和b 超仪功能融为一体，即所谓的一体化设计。两者结合 紧密，可以最大限度地发挥p c 机c p u 的能力。但是，由于p c 机的系统硬件和软件( 尤其是底层 软件，如b i o s 、硬件驱动程序) 结构复杂，设计开发的工作艰巨，并且由于缺乏相关资料，势必导 致设计开发中的困难。另外，由丁：p c 机的工作频率很高，由它直接完成b 超成像控制可能会引起 图像信号中噪声的大幅增加。 第三种做法是前面两种的综合，p c 机通过扩展的a d 转换电路南接对b 超成像模拟信号进行采 样，由b 超仪d s c 提供采样控制信号，采样速率和采样位数可以由p c 机选择确定：p c 机向b 超 仪d s c 控制器发送命令信号，成像控制仍然由d s c 控制器完成。b 超仪可以通过接收到的命令信 号状态识别是否与p c 机相联。从而确定其工作状态：联机方式或独立方式；p c 机也可以通过采样 第一章序言 控制信号识别是否与b 超仪相连。该方案中，p c 机并不是取代b 超仪中的d s c ，而是借助于d s c 完成成像控制。p c 机发给d s c 控制器的命令信号非常简捷，采集控制信号也可直接取自d s c 的有 关信号，所以系统实现十分方便。 我国在超声诊断技术方面的研究工作起步较晚，1 9 5 8 年a 型超声探伤仪借用于临床开始了我国 超声诊断技术研究的历史，直到1 9 8 5 年才能自行生产b 型超声诊断仪。但是国内超声诊断技术的发 展速度还是很快的。1 9 9 0 年深圳的安科公司推出了中国第一台彩色血流成像系统，结束了我国长期 依靠进口彩超的被动局面。1 9 9 2 年经颅超声多普勒血管检查设备也研制成功了。经过近、 个世纪的 努力，我国超声诊断仪器比9 0 年代中期已有可喜的发展，尤其是中、低档普及型黑白b 超正在逐步 替代国外机型。我国自主开发中高档b 超诊断仪的力量仍较薄弱，与目前国际技术相差也较大。 就目前来看，高档超声诊断设各由于其价格因素，它的普及还需要一定时间。但是中低档超声 诊断设备( 尤其是低档) ，正在迅速被普及。随着国内生活水平的提高，人们健康意识的增强，社区 医疗事业正蓬勃发展，b 超仪作为社区医疗服务中不可缺少的常规检查仪器，其应用前景非常广阔， 高品质、价廉物美的b 超诊断仪是其首选。 目前国外进口的一些高档b 超诊断仪，功能虽然较强，但价格昂贵，在国内市场普及还需很k 时间。而国产b 超仪由于其系统结构、控制器功能等方面的限制，无法满足临床诊断和医学研究对 超声图像存储、处理、传输等方面的要求。因此如何能在低价位的前提下，解决上述问题，是广大 医疗设备科研工作者面临的难题。 1 3 课题背景、意义及任务内容 1 3 1 课题背景、意义 医疗实践中，门诊检查等应用对b 超仪器的诊断辅助、信息处理功能的要求较高，而有些场合 对b 超仪器的灵巧轻便性、操作方便性的要求较高，如现场急救、i c u 监护等。随着我国医疗事业 的发展尤其是社区医疗的普及，b 超诊断仪将成为各社区医疗机构的常规检查设备，这就迫切需要 一种在有限的经费条件下能够适应不同应用要求的b 超诊断仪系统即要求b 超诊断仪不仅能单独 工作，还能便捷地与常规配置的微机联机工作，而不需增加系统成本。由此不难看出，解决问题的 关键就是采用标准微机总线联接b 超仪与微机。 据估计，我国县及县以上医院有l5 ，0 0 0 多家，乡村卫生院5 万余家，超声诊断设备的需求量 是很大的，而且随着经济的发展，人民生活水平日益提高，医疗条件逐步改善，超声诊断设备的需 求量在逐年上升。潜在市场和发展前景都是非常可观的。 在前期的研究中，我们已经基于前述的第三种方法设计并开发了基于p c 微机的b 超诊断系统a 该系统硬件上以k j 2 0 0 0 x 型b 超仪为基础，对其d s c 电路加以改进，通过i s a 总线的b 超成像数 据采集卡，将b 超扫描信号实时采样送入p c 微机。在p c 方通过软件设计开发，实现诊断系统的 基本功能，主要包括成像与显示功能、图像诊断处理功能、超声报告管理功能。最终以p c 微机c r t 作为图像显示器输出，从而以较低的价格获得了与高档b 超仪接近的图像显示质量，同时提供比一 般低档b 超诊断仪强大得多的诊断功能。另外，借助于p c 机的通信能力，它还可以实现b 超仪与 其他医疗设备的信息共享以及实现网络化医疗。 但这种设计方案仍存在不足。主要是i s a 总线采集卡应用较繁琐，需要在d s c 板外单独设计硬 件电路，并只能安装在有i s a 接口的p c 机上，而现在新的p c 微机主板上已淘汰了这种接口，所以 系统的通用性受到影响。其次将模拟图像信号从b 超仪引入p c 微机进行a d 采样和处理，必然会 增加噪声干扰，对系统的成像质量有一定的影响。 目前，p c 微机的主流接口有串行r s 2 3 2 接口，并口、i s a 、p c i 、i e e e - 1 3 9 4 、u s b 接口等。 r s 2 3 2 、并口是外部总线，它们都是点对点连接，一个预留接口只能连接一种设备，扩展不同属性 不同速度的设备时，就要占用大量的计算机系统资源，并不得不利用计算机主板上的插槽来扩展相 应的接口与设备匹配。而且，r s 2 3 2 等普通的串行通信方式传输速率太低，不利于图像传输。i s a 是一种早期的计算机内部总线，传输速率为l m b ，s ，但已经在现在的p c 机上淘汰。p c i 为计算机内 部总线，传输速度快( 1 3 3 m b ，s ) 。但软硬件设计更为复杂，开发成本的投入较大。而且也需要专用 的硬件采集卡，实际应用中会给用户带来不便。 i e e e 1 3 9 4 与u s b 具有相似的应用领域，在总线的结构和数据传输等方面有着相似之处。 东南大学硕士学位论文 i e e e 1 3 9 4 a 的速度为4 0 0 m b ，s ，新兴的i e e e 1 3 9 4 b 更是支持3 2 g b ，s 传输速度，但接口开发成本过高， 并用于b 超图像传输并非必要。另外，它并不是目前p c 机的标准配置，只有高档主板配备了 i e e e 1 3 9 4 接口。 通用串行总线( u s b ) 也是一种新兴的高速计算机总线标准。该标准中，输入输出地址空间、 中断请求、d m a 通道等相关资源限制在u s b 方式下不再存在，每一个隶属于u s b 系统的外设被赋 予一个只有u s b 系统知道的地址，不再消耗任何系统资源。u s b 虽然也叫“串行”，可是己和普通 串行方式有了极大差别。u s b 采用预先设定好的3 个通信速率( 低速1 5 m b ，s ，全速1 2 m b ，s ，高速 4 8 0 m b ，s ) 进行数据的传输。u s b 的主要优点参见表1 ，1 。 由于这些特点，u s b 总线技术作为p c 微机普遍采用的技术标准，已在高速数据采集、音频和 视频信号处理等领域得到广泛的应用。因此，构造以u s b 总线为基础的p c 化超声成像与诊断系统 是非常合适的选择。 表1 1u s b 主要特点 蕤鬻鬻黼鍪 低成本为p c 与外设的连接提供了一种低成本的解决方案 热插拔自动检测到设各连接，自动配置，立即使用 单一连接类型u s b 定义了可以连接任何u s b 设各的单一接口 扩展性好u s b 集线器可以增加端口以支持更多设备，每个u s b 端口是多支持1 2 7 个外设 传输速度快 u s b l1 支持1 2 m b ，s ，u s b 2o 支持4 8 0 m b ，s 的最高传输速度 供电方式多外设_ j 以通过总线供电或白供电的方式获得电源 错误榆测修复 u s b 事务包括错误检测机制，一旦数据传输f _ | = ；错，可以重传 l b 源稳定u s b 设备3 m s 没动作自动进入挂起状态，这时消耗电流小于5 0 0 u a 四种类型传播 u s b 定义了四种传输方式以支持不同外设：控制传输、中断传输、批量传输、实 时传输 1 3 2 课题任务内容与论文安排 针对以上问题，并结合已有的技术成果，我们确定以设计并开发基于u s b 的b 超诊断系统为课 题研究目标。该系统硬件上对原b 超仪上的d s c 板重新设计，增加u s b 通信接口单元，升级a d 转换芯片和r a m 芯片以提高转换精度和图像存储容量：软件上，开发b 超仪与p c 机的u s b 驱动 程序，对b 超仪的整体软件程序进行重新设计，原有基于p c 机的b 超诊断系统软件也要进行相应 的改进。从而以u s b 为标准总线构造整个系统，利用p c 机的处理能力，提高b 超仪的总体性能。 本课题的研究成果将使b 超仪在原有功能的基础上，能够直接与常规配置的p c 微机联机：l ：作， 增强图像处理、显示和存贮能力，大大提升系统的整体性能。有关的技术成果还为国内自行设计生 产的中低档b 超仪的升级换代提供了一条可行的技术途径：在现有普通b 超仪的基础上，对其d s c 电路进行改造，就可以通过u s b 接口电路配接p c 机，结台b 超诊断系统软件以提高b 超图像的诊 断价值、拓展b 超仪的应用范围、提高医用超声成像诊断系统的水平。它顺应了目前国内b 超诊断 仪市场的需求，对我国医疗事业的发展和全民医疗水平的提高无疑有着积极的现实意义。 论文的安排如下： 第二章首先介绍u s b 的体系结构，通信原理以及当前的p c 机u s b 接口配置其次针对b 超 诊断仪的主体结构介绍其工作原理和关键技术，最后针对以往研究中的不足，提出并介绍新的系统 设计方案。 第三章主要讨论了b 超仪d s c 板硬件的设计。介绍设计中用到的相关电子器件功能，在此基础 上，对硬件设计中i 与重要地位的c p l d 编程进行讨论。 第四章主要介绍了系统的软件设计。先对整体软件系统进行分析，对软件设计中涉及到的一些 关键技术做了讨论，最后给出了各个模块的实现过程和相关结果。 第五章给出了本文的结论并对今后的进一步开发研究提出了建议。 第二章系统设计 2 1u s b 体系结构 第二章系统设计 u s b 是由i n t 文m i c r o s o 矗、c o m p a q 、n e c 等多家厂商共同开发的一种全新的、快速的、双向 的、同步传输的、并可以热插拔的计算机数据传输总线。 2 1 1u s b 规范简介 u s b 规范是在a c c e s s b u s 规范的基础上形成的而a c c e s s b u s 则是基于1 2 c 总线二来的。 用户可以通过访问u s b 实施者论坛( u s b i f ) 的网站塑! 盥m 虫：q 踞，来得到u s b 的标准，以及有关 的u s b 论文、u s b 问答集和u s b 测试： 具和测试流程等等mj 【“j 。 u s b 标准主要包含三部分：u s b 基本规范( 也就是常说的u s b l * u s b 2 o 标准等) ：u s b 设 备类规范和u s bh o s t 控制器规范。u s b 基本规范中，规定了u s b 总线的系统结构，物理、机械、 电气特性，数据传输格式，u s bh u b 等u s b 总线的基本内容。u s b 设备类规范是u s b i f 把常用的 计算机外设根据其功能特性分类，并为每类设备制定设备与主机的传输标准。主要分为语音设备类、 通信设备类、芯片智能卡接口设备类。 针对研究需要，主要以u s b l ，l 标准为背景进行介绍。 2 1 2u s b 系统拓扑结构【2 5 】 u s b 系统的物理拓扑为星型结构，由三部分组成：u s b 主机( h o s t ) 、u s b 集线器( h u b ) 和 u s 8 设各( d e v i c e ) 。u s b 主机可以通过u s b 集线器级联更多的u s b 设备。 图2 1u s b 拓扑结构 1 u s b 主机 u s b 主机是控制总线上所有u s b 设备和集线器通信的主控组件，所有数据传输都是由u s b 主 机发起的。一般情况下，u s b 主机和u s b 根集线器设计在一起，称为u s b 主机控制器，并且 嵌入在计算机系统中，数据传输过程中不需要计算机的c p u 参与。1 ，l 标准采用的是u h c i ( u n i v e r s a l h o s t c o n t r o u e r i n t e r f a c e ) 规范或者o h c i ( o 口e n h 0 s t c o n t r o l l e r i n t e r f a c e ) 规范，对 于2 o 标准采用e h c i ( e n h a n c e dh o s tc o n t m i l e r i n t e r f a c e ) 规范。 2 u s b 集线器 u s b 集线器提供了连接u s b 主机和u s b 设备的端口，使总线一次能够级联1 2 7 台设备。 它是实现热插拔的关键部件，主要功能是区分设备速度、为设备供电( 总线供电方式) 和检测 设备的各种状态并通知主机。u s b 主机提供的对u s b 集线器的驱动软件可以完成对集线器的每 个端口供电断电，并针对集线器的每个端口的状态变化做出反应。当u s b 设备被主机端协议 软件驱动完成后，集线器对主机和设备的数据传输是透明的。 东南大学硕士学位论文 3 u s b 设备 u s b 设备分为高速( 4 8 0 m b s ) 、全速( 1 2 m b s ) 、和低速( 1 5 m b s ) 三种，不同的设备通 过各自的传输方式与u s b 主机通信( 如u s b 键盘鼠标采用中断传输，u s b 扫描仪打印机采用 批最传输) 。u s b 主机端的协议软件通过和u s b 设备通信获得设备信息，据此在计算机中寻找 台适的驱动程序并提供给设备。 u s b 系统不同器件设计成本和复杂程度远不相同，u s b 主机控制器要比u s b 设备复杂得多。 典型u s b 主机控制器需要l 万多个门电路，而设备端的u s b 接口大约需要1 5 0 0 个门电路。正是由 于这种设计复杂度的不平等性使得u s b 设各可以在短时间内得到广泛应用。 2 1 3u s b 电器特性 u s b 电缆不能超过5 米，包括四根线：v b u s 电源线、g n d 地线、d + 和d 差分数据线。u s b 设备有自供电和总线供电两种方式。总线供电的设备从级联它的集线器获电，刚刚接入时需要1 0 0 m a 电流，配置完成后需要5 0 0 m a ( 高需求) 或1 0 0 m a ( 低需求) 电流。自供点设备需要从集线器获得 1 0 0 m a 总线电流，其他从外部获得。 图2 2 显示了u s b 集线器的下游端口和u s b 设备的上游端口互连的情况。高速、全速设备在 d + 线上有1 5 k o 上拉电阻，低速设各在d 线上有1 5 k q 上拉电阻。当集线器检测到d + 或d 谶上不 再是低电平时，表示有设备插上，集线器给设备供电1 0 0 m a ，并检测设备d + 、d 线上的电平。若 d + 为高，d 为低，则表示插上的设备是高速、全速的：若d + 为低，d 为高，则表示插上的设备是 低速的。 涟1 | s b 设备1 i s 哇机或集线器端口低速u s b 设备 图2 2u s b 的电气连接 u s b 总线的数据是差分传输的，当d + 信号线比d 信号线电平高2 0 0 m v 表示差分“1 ”， d + 比 d _ f 氐2 0 0 m v 时表示差分“o ”。 在u s b 系统中，数据按照包的格式传输，传输方( 主机或设备) 硬件会自动在数据字段前加上 同步字段，在数据后加上e o p 字段。在数据字段，硬件会自动按照这样的顺序传输：对于多字节， 先传低字节，再传高字：肯；对于一个字节，先传低位，再传高位。u s b 中的数据采用反向不归零 ( n o n e r e t u mt oz e r oi n v e r t e d ，n r z i ) 编码方法f 2 目。相应解码过程就是n r z i 的反过程。n r zj 编码 规则遵循： 当有多个“0 ”的信息时，信号的每一位时间按方波变换。 当有多个“1 ”的信息时，信号的每一位时间状态不变。 当有从“l ”到“0 ”的信息时，信号状态要求改变。 当有从“o ”到“l ”的信息时，信号状态要求不变。 由于采用n r z i 编码对于一串1 数据线的电平不会跳转，而数据线电平长时间不变可能会导致 数据接收方的时间同步漂移，为了确保数据的发送方和接收方时间同步得以保持，需要进行位填充 ( b i ts t u 用n g ) ，即要求每遇到6 个l 就在n r z i 编码之前添加一个o 。 2 1 4u s b 通信原理 u s b 协议所说的通信指的就是u s b 设备和u s b 主机之间的通信。物理上，总线上的设备通过 一条物理连线和主机通信，所有设备共享这条物理链路。逻辑上，主机给每个设备提供了一条逻辑 连接，每个设备都有这样一条点对点的连接。u s b 通信逻辑上分成三层：信号层，用来实现u s b 设 备与主机物理连接之间位信息流的传输；协议层，用来实现u s b 设备和u s b 主机端的协议软件之 间传输包字节流信息，它在信号层被编码成n r z i 信息后传送出去：数据传输层，用来实现在u s b 一8 一 第二章系统设计 主机端的驱动程序和设备端的功能接口之间传输有一定意义的信息，这些信息在协议层被打包成包 格式。 协议将信号层传输的位信息流称为包( p a c k e t ) ，将协议层传输的包的信息流称为事务 ( t r a n s a c t i o n ) ，将数据传输层的信息流称为传输( t r a n s f e r ) 。所有的传输最终都以比特流的方式在 信号层上实现通信。协议逻辑上将设各分为三层实体：总线接口、端点和功能接口。 总线接口的功能除了传送和接收数据信号意外，逻辑上还包括识别设备的当前唯一地址。设备 的地址是在设备插入总线时由u s b 主机分配的，范围在o 到1 2 7 之间，其中o 为所有设备在没有 分配唯一地址时使用的默认地址，它是互斥共享的。 端点是设备用于传输数据的接收点和发送点，它的功能相当于其他总线设备的i o 口，也有方 向性。所有的设备都要求有一个端点o ，用来接收u s b 主机端发送的控制命令，完成对殴备的控制 和状态反馈，称为默认端点。主机端的客户端驱动程序也是通过与设备接口的端点的数据传输实现 对设备驱动的，相当于驱动程序对p c l 和i s a 总线设备的i o 读写操作。 功能接口由一组端点组成用来完成特定的功能。每个设备可以同时提供多个功能接口，如打 印机，扫描仪等。 图2 3 为u s b 系统的通信流程，主机的每一层次分别对应设备的相应层次，其中信号层的通信 属于物理通信，协议层与数据传输层的通信是逻辑通信。 u s b 主机u s b 设备 用户软件 数据传输层 管理一个接口 接口( e 巾c e ) u s b 系统软件协议层 驱动管理 端点( e n d 口。i n l ) 信号层 u s b 主控器件总线接口u s b 总线接口 ( 物理接口)( 物理接口) 图2 - 3 u 3 b 通信流程 其中u s b 系统软件部分包括u s b 设备驱动程序、u s b 总线驱动程序和u s b 主机控制器驱动程 序。 每次传输需要在u s b 设备驱动程序和u s b 设备之间建立通信管道，传输的实质就是为u s b 设备驱动程序提供一个内存缓冲区，与u s b 设备内部的特定寄存器进行数据交换。当客户应用程序 调用u s b 系统软件要求一次传输时u s b 设备驱动程序通过输入，输出包( i r p ) 给u s b 总线发送 请求。u s b 总线驱动程序通过在设备配置过程中检测设备描述符，知道u s b 目标设备的特征以及如 何与该设备通信，当u s b 总线驱动程序收到一个i r p 时，将该请求转换成一个独立的事务，在一串 时隙( 帧) 中执行。u s b 主