（生物医学工程专业论文）基于ARM的眼科A超生物测量系统的研制.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee y ea x i a ll e n g t ha n dc o r n e a lt h i c k n e s sa r eb o t ht h es i g n i f i c a n to p h t h a l m i c p a r a m e t e r si nc l i n i c t h ee y ea x i sl e n g t hi sn o to n l yt h ee s s e n t i a lf o ro p h t h a l m i cd i a g n o s i s 。 t r e a t m e n te n dp r o g n o s i se v a l u a t i o n ，b u ta l s oo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r si n i n f r a o c u l a rl e n sr e f r a c t i o nc a l c u l a t i o n a n dt h ec o m e a lt h i c k n e s si su s e f u lf o rg u i d i n gt h e l a s e rs u r g e r y t h ep a p e rs u m m a r i z e st h er e s e a r c ho ft h ec o r n e a lt h i c k n e s sa n de y ea x i a ll e n g t h m e a s u r e m e n t b a s e do nt h ec o m p a r i s o no fs e v e r a lu l t r a s o n i cm e t h o d so ft h i c k n e s s m e a s u r e m e n t ，t h ep u l s e - e c h ow a yi sa d o p t e d ，i nw h i c ht h et h i c k n e s si sc a l c u l a t e df r o mt h e t i m ei n t e r v a lb e t w e e ne c h o e sr e f l e c t e do nt h ei n t e r f a c e so fm e d i u m s t h i sm e t h o di sn o t o n l ym o r ea c c u r a t et h a no p t i c a lp a c h o m e t e r ，b u ta l s os i m p l e ri na l g o r i t h m ，l e s sr e s t r i c t i o n t ot h ed e t e c t e ds u r f a c ea n de a s i e rt oi m p l e m e n t i no r d e rt oi m p r o v ea c c u r a c y ，t h es y s t e m d i s p l a y st h er e a l - t i m ew a v e f o r mo ft h ep u l s e e c h o ，e n dt h e nt h eu s e rc a ns e l e c tt h e s u i t a b l ew a v e f o r me v i d e n t l ya n da d j u s tt h em a r kp o i n tm a n u a l l y ，s oa st or e d u c ee r r o r c a u s e db yn o n i d e a lo ra n o m a l yw a v e f o r m c e n t e r e db ye m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o rb a s e do na r m 9 2 0 tc o r ea n df p g aw i t hr i c h r e s o u r c e s ，t h es y s t e mi se q u i p p e dw i t hs t r o n gc a p a b i l i t yo fd a t ap r o c e s se n dc o n t r o l ，a s w h i l ea sh i g hi n t e g r a t i o n c m o si ce n ds m t c o m p o n e n t sa r ea d o p t e dm o s t l ys oa st o r e d u c et h es i z ee n dp o w e rc o n s u mp i i o no ft h es y s t e m f o rs o f t w a r e ，t h ee m b e d d e dl i n u x o si si m p l a n t e dt oe n h a n c et h em u l t i t a s k i n ga n dm e n a g e m e n ta b i l i t yo ft h es y s t e me n d i m p r o v er e s o u r c ed i s t r i b u t i o n b o t hh a r d w a r ee n ds o f t w a r ea r em o d u l a rs t r u c t u r e ，s oi t i s c o n v e n i e n tf o rf u n c t i o nu p d a t ee n da p p a r a t u sm a i n t e n a n c e d i f f e r e n t i a lc i r c u i ti su s e dt o d e c r e a s et r i g g e rp u l s ew i d t h ，d ac o n v e r t e rt og e td i g i t a lc o n t r o l l e dg a i n ，s y n c h r o n i z a t i o n s a m p l i n gt oa c h i e v eh i g hr e s o l u t i o nd i s p l a ye n dm e a s u r e m e n t ，d y n a m i cs e l e c t i o no fd a t a p r o c e s sw a yt oi m p r o v ep r o g r a me f f i c i e n c y ，c o m b i n a t i o no ff u n c t i o nk e ye n da s s i s t a n t m e n ut oo f f e rf r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e t h ee q u i p m e n td e s i g n e db yt h i sp r o j e c tc a nm e a s u r et h ee y ea x i a ll e n g t ha n dc o m e a l t h i c k n e s sw i t hh i g hr e s o l u t i o n ，f e a t u r e db ys m a l lv o l u m e ，l o wp o w e rc o n s u m p i t o na n dh i g h i n t e l l e c t u a l i z e do p e r a t i o n k e yw o r d s ：e y ea x i a ll e n g t h c o m e a lt h i c k n e s s u l t r a s o n i cp o i s e - e c h o a r m s y n c h m n i z a t i e ns a m p l i n g n 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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：j 函耻一日 期：超吐立哆 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：! 擎竭 导师签名： 洱日期：叼如3 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 人眼结构 第一章绪论 人的眼睛近似球形，正常成年人其前后径平均为2 4 m ，垂直径平均2 3 r a m 。 最前端突出于眼眶外1 2 1 4 棚，受眼睑保护。眼球的结构主要包括眼球壁和内容 物。眼球壁分三层，最外层为纤维膜，又分角膜和巩膜。眼球的内容物包括房 水、晶状体、玻璃体。眼球结构如图1 1 所示。 图1 1 眼球结构 角膜：角膜占纤维膜的前1 6 。因其透明能隔着它看到黑褐色的虹膜，故称 黑眼珠。角膜像个单侧凸透镜，对穿过的光线起曲折作用。 巩膜：纤维膜的后5 6 为白色的巩膜，故称白眼珠或眼白。不透明，质地 坚韧为眼球的保护层。它的内侧为色素膜，包括虹膜、睫状体和脉络膜。 虹膜：为一圆盘状膜，中央有一孔称瞳孔。虹膜有围绕瞳孔的环状肌，它收 缩时瞳孔缩小；还有放射状排列的肌纤维，它收缩时瞳孔放大。 睫状体：由切面观为三角形。其中有明显作用的是环形肌纤维。 东南大学硕士学位论文 脉络膜：脉络膜占色素膜的大部分，覆盖眼球后部，富含色素遮挡光线，为 眼球内成像造成暗箱。充满着血管，有营养眼球的作用。 视网膜：是一透明的薄膜，它是眼球的感光部位，它的后部有黄斑中心窝， 是白天注视物体最灵敏的部位。在黄斑中心窝的内侧有视乳头，是视神经的起始 部。此处没有视细胞，故无视觉功能，生理学上称为盲点。 房水：充满前后房的水状液。如果房水产生过多或回流障碍会导致眼压升 高，甚至青光眼。 晶状体：位于睫状肌的环内。平时睫状肌处于舒张状态，晶状体在悬韧带牵 拉下薄而扁平，能使平行光线成像于视网膜。看近时，由于物距小眼内像距大， 视网膜的物像就不清楚，因而引起睫状肌收缩，悬韧带变松，解除了对晶状体的 牵拉，晶状体就以其弹性变凸，折光增强把超过视网膜的像距再调回到视网膜而 看清。生理学上称这一过程为调节，实际上是功能代偿。 玻璃体：为透明的胶状物，充满了晶状体与视网膜之间的空隙。为眼内成像 提供了一个透明的空间。 1 1 2 眼科生物测量在临床上的意义 眼科生物测量包括眼球轴长测量，角膜厚度测量等。其中在进行眼球轴长测 量同时可以测量前房深度、晶体厚度和玻璃体腔长度。下表中为眼球生物测量的 正常指标。 表1 i 眼球生物测量正常指标 前房深度( 砌)晶体厚度( i i n )玻璃体腔长度( 砌)眼轴长度( 咖) 2 3 8 0 4 8 4 0 1 2 21 6 5 0 0 2 52 3 9 7 o 2 9 眼轴长度是从角膜到视网膜之间的距离，其测量一般以从角膜顶点到黄斑 为最佳。因为黄斑区是视力最敏感的区域，约9 5 视锥细胞都集中分布在黄斑 区。测量眼轴时，如果测量点落在黄斑区是最理想的。眼轴长度的测定具有重要 的临床意义：眼病诊断方面。通过眼轴测定增长与缩短，了解眼的病变，测知 眼的屈光状况。高度近视眼轴较长，眼轴增长除轴性近视外，尚可见于青光眼， 广泛性角膜或巩膜葡萄肿等。高度远视眼轴缩短，眼球缩短除轴性远视外，尚可 见于眼球萎缩，眼球痨，先天性小眼球，永存增长性原始玻璃体，晶体后纤维增 第一章绪论 生症等。闭角型青光眼前房变浅，晶体增厚。c r a v e s 眼病，通过测量眼肌厚度 而得到鉴别。眼病的估价预后。先天性青光眼通过眼轴测定，可知眼球是否继 续增大。人工晶体屈光度的测定。白内障手术后眼内人工晶体植入已普遍开 展，通过超声测量眼轴长度目前已列为白内障人工晶体植入术常规检查。眼轴长 度测量是计算人工晶体屈光度最重要因素之一，测量上误差l m m 常导致2 5 d 的屈 光不正，严重的偏差将长久影响患者视觉质量。因此，测量眼轴的准确性是人工 晶体植入术后理想屈光状态的重要保证。 角膜厚度即角膜前后表面的距离，各部分不同，中央部最薄，平均为 0 5 1 ，周边部约为l m 左右。一般近视跟和老年人的角膜较薄，遭受外伤时很 易破裂；3 岁以下儿童角膜厚度较成人为厚；角膜水肿时增厚。目前，角膜测厚 最主要用于角膜屈光手术即角膜放射状切开术( r k ) 、准分子激光屈光性角膜切 削术( p r k ) 、准分子激光角膜原位磨镶术( l a s i k ) 的术前检查和术后疗效评价。对 豚，充分了解角膜厚度，特别是各部位的厚度，对手术时切口深度的掌握至关重 要：切口深度不足，造成矫正不足；切口过深则有穿孔的可能。对p r k ，术前测 量，指导手术切削深度，术后定期测量，指导用药，避免角膜上皮过度增殖，以 致角膜厚度过度增加而造成屈光回退。对l a s i k ，特别是高度近视眼患者，精确 测量角膜厚度，对选择手术方式，确定切削深度，防止继发性圆锥角膜，具有重 要意义。 此外，角膜厚度还是角膜细胞机能的客观指标。角膜的内皮好比一个水泵和 屏障，他通过调节进入角膜的水和其他溶质的数量，来保持角膜的厚度和透明。 如果角膜的上皮层或者内皮细胞层发生移动或其生物活性降低，就会引起角膜肿 胀。研究表明，不同个体角膜厚度存在差异。这种差异一般认为是由于角膜基 j 贾一胶原蛋白纤维及纤维问物质的数量不同。因此，对于一个健康角膜， 厚度值反映了其组织结构和生物力学特性。而对于一个病变的角膜，引起角膜变 厚的唯一原因就是角膜水合作用的失调。因此，角膜厚度不仅在生理学、药理学 上有着重要意义，而且对临床诊断、流行病学和病理学同样重要。 东南大学硕士学位论文 1 2 眼科生物测量的研究现状 目前眼科生物测量使用的主要是超声生物测量，有a 型超声、b 型超声、 d o p p l e r 超声、三维超声以及超声生物显微镜( u 删) 。其中，a 型超声以其检测 的快速、高效无损伤而经济地反映眼球结构功能，在眼科的生物测量上显示出很 大的优越性。 传统测量眼轴的方法包括浸入式a 超、接触式a 超，也称为眼轴长度测量的金 标准。由于浸入式a 超测量时需要表面麻醉，放置不同型号的浸润槽，适量的浸 润液，同时要防止浸润液中产生气泡等，操作相对比较繁琐，所以目前测量眼轴 长度应用较多的是接触式a 超。在使用接触式a 超测量眼轴时，须让患者注视a 超 探头，目的是保持注视状态，测量角膜前表面至黄斑注视区的视轴长度：且操作 应由同一熟练的医师完成，尽量将误差降至最低。但在操作过程中仍然不能避免 探头对角膜的压迫，可能导致接触式a 超测得的眼轴长度较其他两种方法都低。 且测量过程中患者往往会因注视探头而产生恐惧心理，不能很好的配合，又因表 麻剂的使用，不能避免会有擦伤角膜上皮的情况发生。 近年来有人提出应用a 、b 超联合测量眼轴的方法来提高其精确性，如a 超测 量角膜前表面至晶状体后表面的距离，b 超状态下测量晶状体后表面至视网膜的 距离。因为b 超测眼轴时眼睑厚度值无法测到，不能用b 超直接测量眼轴长度。但 是后囊位置在b 超下可以非常清楚地显示，而且b 超上的a 超尺精确到o o l m m ，因 此b 超测量从后囊中心点到黄斑的距离是很精确的。从角膜到后囊这一段距离，b 超测量不精确，而由a 超测量取得。这样就成功地将a 超和b 超的优点联合起来 了。而且通过a 、b 超联合测量的方法，可以直接观察患眼的情况如：有无玻璃体 混浊、视网膜脱离等等，且不使用表麻剂，避免了接触角膜造成危险，使患者比 较容易接受。但也有研究认为利用a 、b 超联合的方法测量眼轴长度并不是一个很 好的方法。首先，b 超实际是一系列a 超组合的二维图像，利用b 超探及眼球轴位 图像时，每次所得的轴位图的位置都不一样，故而在此基础上进行定位测量重复 性比较差。其次，b 超冻结图像下不管是角膜前表面，还是黄斑中心凹的位置图 像都是比较粗糙的，很难准确确定其位置，尤其是伴有后巩膜葡萄肿时，锥项位 置一般都很租糙，重复标记多次往往偏差较大。最后，不管是标记视乳头颞侧 3 m m 处，还是标记葡萄肿的锥项位置，都只是一个估计的位置，并不能确定其就 第一章绪论 是沿着视轴的方向。此外，黄斑区不一定位于后巩膜葡萄肿的锥顶处，可能位于 锥壁，也是引起测量误差的一个因素。 光学相干生物测量仪( i o l m a s t e r ) 是用于眼轴长度测量的一种新型仪 器，其主要优点是测量角膜前表面至黄斑注视区的视轴长度非接触，患者易接 受，且精确性较高，可以精确到0 o l m m 。而传统接触式a 超的精确度约为 0 i m m 。不过，i o l m a s t e r 并不适合于所有的患者，对于那些致密白内障，角 膜瘢痕等其他屈光介质严重混浊及注视功能不好的患者，其无法测量，就需要借 助超声生物测量的方法。 因此，目前普遍接受的观点是：采取注视状态下，接触式a 超测量眼轴准确 性较高；而a 、b 超联合方法测量变异度较大：i o l m a s t e r 为我们提供了生物 学测量的新选择，对高度轴性近视白内障手术人工晶状体的选择有重要意义。 目前，角膜厚度的测量有四种方法：( 1 ) 电机械测厚仪；( 2 ) 雷射干涉测厚 仪；( 3 ) 光学测厚仪；( 4 ) 超声测厚仪。其中超声角膜测厚对角膜无害无损，操作 非常简便，同时可以连续测量同一部位的数点或不同部位的数点取其平均值，故 而较为精确，被认为是可重复性最好、测量最准确的一种方法，作为测量角膜厚 度的金标准，被广泛应用于眼科临床。电机械测厚仪主要用于角膜中央厚度的测 量，而不便于多点角膜厚度的测量。雷射干涉测厚仪的价格较昂贵，其使用具有 一定的局限性。光学测厚仪虽曾用于角膜厚度的测量，但因其仅能测量6 1 2 点 子午在线的角膜厚度且误差较大，已基本被超声测厚仪所取代。 近年来用于角膜测厚的方法除眼用a 超仪外，还有超声生物显微镜( u b m ) 及 角膜地形图仪。不同仪器和方法测得的结果都有相差，一般临床以a 超检测为 主。u b m 是一种诊查眼前节的新型设备，其换能器发出高频率的超声波( 5 0 1 0 0 姗z ) ，虽然其穿透能力不强，仅能透过组织表层4 5 棚，但它能显示出各组 织详细而清晰的结构图，并将这5 m i n x 5 m m 的图放大在1 8 c m x1 9 c m 显示屏上。提高 了分辨率及对角膜的可视性，进而能更客观地测量其厚度。u b m 的这一优点是其 它仪器所不能及的。裂隙灯显微镜用光反射，放大倍率低，只能对角膜厚度作大 体估测，无法精确。用a 超测角膜厚度，虽然结果也很准确，但它超声探头频率 低( 1 0 姗z ) ，并无法得出直观的清晰图像，且因操作手法、角膜用药导致角膜水 肿等原因误差较大。角膜地图主要利用光学得出角膜表面的形态和曲率的变化彩 东南大学硕士学位论文 图，用计算机进行分析兼顾，缺乏直观性和精确度。 用u b m 测角膜厚度虽然具有直观性、可视性、较易测量的优点，但是定位较 难。中心和周边尚可用探头的摆动方向去寻找角膜弧面的前极点对瞳孔中心点及 角膜缘的时钟点做定位标志。然而，因其显示范围小，难以测准距角膜中心的点， 所以旁中央、旁周边各点的定位较困难。仪器昂贵，费用高，难普及。 角膜地形图仪是利用光学裂隙扫描原理，可采集眼前界的各个表面的信息数 据，建立眼前节三维立体图形，并通过计算机精确计算出角膜前后表面高度、曲 率、角膜厚度、前房深度、k a p p a 角等，它不仅可以测量角膜中央厚度，还可以显 示周边角膜厚度及角膜最薄处。对于角膜屈光手术的安全性分析，术前设计及术 后观察都有着重要的作用。 虽然目前角膜地形图仪测量角膜厚度的精确性得到提高，但其在检查过程中 受影响因素较多，如泪液、眼睑对角膜的遮挡、眼球的轻微运动等都可能影响其 结果，其重复性较差。因此在屈光手术方面尚不能完全代替a 超，手术设计时仍以 a 超测得的角膜厚度为依据。特别是二次手术者，两者测量值相差很大。 在眼科的生物测量中，测量精度是最重要的技术指标之一。此外，随着电子 技术的飞速发展，医疗仪器领域对智能控制的需求不断增长，同时也对系统运算 速度、可扩充能力、系统可靠性、功耗和集成度等方面提出了更高的要求。因 此，提高精度和智能化程度，完善功能，缩小体积，降低功耗是研制新一代眼用 a 超仪的主要目标。 1 3 论文的主要内容 本课题的研究重点在于，硬件以嵌入式微处理器与f p g a 为核心，提供强大 的数据处理能力和控制功能；软件则采用嵌入式l i n u x 操作系统，以加强系统的管 理能力。此外，同步采样技术的运用有效地降低了成本，提高了效率。论文中对 相关内容做了着重阐述。各章节的内容简介如下： 第一章主要介绍了眼科生物测量的临床意义和研究现状，并通过多种测量方 案的比较，突出了a 型超声在眼科生物测量上的优越性。 第一章绪论 第二章首先介绍了超声测厚原理，并对几种常用的超声测厚方法进行了比 较。然后详述了采用脉冲反射法进行眼科a 超生物测量的基本原理，最后分析了 实时显示回波波形的必要性及其对于提高测量精度的意义。 第三章介绍系统的硬件设计，详细阐述了硬件的总体结构和每个电路模块的 作用、设计重点、设计方案、电路图。在数据采集模块中，着重介绍了采用同步 采样技术，以较低速的a d 转换器实现高分辨率的回波测量与显示的方案及其实 现。a r m 子板与f p g a 共同构成系统核心，强调其强大的数据处理能力和控制功 能。 第四章为系统的软件设计，对系统的主流程以及每个功能模块的算法和流程 做详细说明。并针对嵌入式l i n u x 操作系统的特点，强调了应用层与驱动层的协 调。在数据处理模块中，详细介绍了采用动态选择数据处理方式提高运行效率的 方案及其实现。 第五章的总结与展望回顾了本课题的研究成果，同时提出了进一步提高精 度，扩展功能和应用领域的研究方向。 东南大学硕士学位论文 第二章超声波测厚原理 2 1 超声波的基本特性 2 1 1 超声波的物理特性 超声波是在弹性媒质中传播的一种机械波，其频率高于2 0 k h z ，是一种听 不到的高频声波。通常把2 x1 1 0 1 h z 的声波称为超声波，大于1 0 1 h z 的声 波称为特超声波。 超声波与声波一样，是振动在弹性介质中的传播，需要有高频振动源。机 械振动源和弹性媒质是超声波形成的基本条件。弹性媒质可以是气体、液体、 固体和等离子体。超声波与光波、x 射线等物理本质不同，后者是电磁辐射 波，除了在弹性媒质中传播外，还能在真空中传播。 超声波频率高，波长短，成束传播，能量集中于束内，指向性好，具有类 似于光线的物理特性。由于频率很高，即使振幅很小，超声波传输给媒质的能 量也要比可闻声波大的多。故超声波与物体作用时有很强的机械作用，能使媒 质粒子做高频机械振动。经过特殊设计，超声波可以产生击碎、凝聚、乳化等 机械效应。 超声波在人体组织中穿透性强，即使声强为数m w c m ，甚至于数pw c m 2 ， 也能对人体组织进行有效探测，为超声诊断提供了条件。w c m 2 级声强的超声 波，能与人体组织器官产生机械、化学和温热效应，为超声理疗提供了物理基 础。 超声波来源于高频机械振动，振动取消，超声亦停止传输，故在人体应用 超声波检查和治疗均无剂量积累。在诊断剂量内使用，不产生可检测出的超声 生物效应，对人体是安全无损的。 2 1 2 超声波的传播特性 l 、超声的反射和折射 当一束平面超声波入射到远大于波长线度的两种媒质的交界面时，就会产 生反射和折射现象。如图2 1 所示，只、只、只分别表示入射、反射、折射声波 声压，口，口，口。分别表示入射角、反射角和折射角。媒质i 的特性阻抗z 8 第二章超声波测厚原理 = p ，g ，媒质i i 的特性阻抗历= p 厶，假定超声波在两种媒质中传播无损耗。 此时平面声波的反射和折射定律是与光波相同的。 y 一 弋 詹、 ? 沙 】如 i 一i i 一 图2 ，l 声波的反射和折射 反射定律是入射角等于反射角，即 0 i - o r 折射定律是入射角和折射角的正弦值之比等于两种媒质的声速之比，即 s i n o ic s i n o t4 芒。，1 1 2c “ 2 、超声波的衰减 超声波在媒质中，其声能量随着传播距离的增加而减弱，这种现象称为超 声衰减。导致声衰减的主要原因有：1 ) 超声传播过程中的反射、折射、扩散等 现象，使得声能分散而衰减；2 ) 散射衰减，媒质不均匀，含有悬浮粒子，使得 声能分散而衰减；3 ) 吸收衰减，由于媒质的粘滞吸收、热传导吸收或弛豫吸 收，导致声能变成热能而衰减。显然，衰减是声能量的总损失，吸收衰减只是 主要成因之一，但利用组织的超声吸收衰减特性可以进行鉴别诊断，利用吸收 致热现象，可以进行超声理疗。 当平面超声波在媒质中传播时有： i r o e 一“ 式中，i 、厶分别是初始声强和距离x 处的声强，o l 是声强衰减系数。 口 东南大学硕士学位论文 衰减系数用来表示波束在每厘米介质内的衰减程度。它在介质中与超声波 的频率成比例，在某些类型的介质中甚至与频率的平方成比例。因此，声波穿 透的深度与频率成反比例。 2 2 超声波测厚的三种基本方法 2 2 1 共振法测厚 在用频率在一定范围内连续变化的正弦波电信号激励压电晶片时，晶片向 试件内所发射的声波其频率也是连续变化的。如果试件的厚度为声波半波长的 整数倍时，在试件内会形成驻波，试件产生共振，且 d 。拧互 2 式中d 为试件厚度；a 为声波在试件中的波长；雄为任一整数。 显然在共振时，厚度与共振频率有如下关系： d 。堕 2 l 。丢。詈 即n = 1 时，无= 五称为基波频率。 由上式可见 一 一等一可( n - 1 ) g - 寺 所以得知厚度共振的两个相邻的共振频率时，即可按下式算出厚度： d 1 2 ( 无一无一，) 第二章超声波测厚原理 图2 2 共振式超声测厚原理 如图2 2 所示的测厚装置，根据试样共振时振荡器工作电流相应出现极大 来确定共振频率和。及共振次数肪利用已知的声速c ，就可得到试样厚度 正 d 。 竺 2 ( 无。一， ) 共振式超声测厚计主要用于l l o o r m 范围内的厚度测量，精度可达0 1 1 ，可测的最薄厚度为0 1 m 。 2 2 2 干涉法测厚 当一束频率可调的超声通过耦合液体入射试件时，一部分在试件上表面反 射，一部分透入试件后在下表面反射。如果试件厚度d 正好是超声波半波长奇 数倍而发生共振时，那么试件上下两表面的信号就有a t 的相位差而相互干涉抵 消，这时接收到的反射信号的频谱中会出现强烈显著下降的谷点，谷点处的频 率疗反比于试件的厚度。这样，测出谷点处的厅，利用试件已知的声速c ，就 可以确定试件的厚度以 干涉法测厚中，可以使用连续的超声波，也可以使用兼有脉冲和连续波特 点的调制脉冲方波。 1 、连续波干涉测厚 连续波干涉测厚系统的原理框图如图2 3 所示。系统的发射和接收换能器 必须分开。两换能器通过水与待测薄板耦合，水层厚度可适当调节。扫频振荡 器和示波器的x 轴扫描电压由主控单元同时控制，所以示波器x 轴直接对应于 超声波频率。当试样在某频率上共振时，接收探头的输出在示波器上就出现零 点。测出零点对应的频率，利用它们与厚度成反比的关系，就可以直接得到材 料的厚度。当共振零点不够尖锐时，可通过调节水层的高度来改善。 东南大学硕士学位论文 图2 3 连续波干涉测厚系统 为了精确地测定零点的共振频率，可采用一石英稳频的连续可调的标准频 率振荡器，它的输出与扫频振荡器的输出在混频器中互相混合。如果两者频率 之差为l k h z ，下一级的单稳单元就被触发，于是在标准频率附近形成两个对 称的频率标记。手动调节这两个标记到零点相对称的位置，由频率计读出的标 准频率就是零点的共振频率。若再对频率值作适当比例运算，也可直接显示试 样的厚度。 这类连续波干涉测厚计，其精度可达到- t - 6un l ，但由于需要作手动调节， 不能满足在线快速自动测厚要求，只是适用于少量试样的精密测厚。 2 、脉冲干涉测厚 采用调制方波脉冲的脉冲干涉测厚系统如图2 4 所示。受方波调制的扫频 振荡器输出载波脉冲列，其载波频率从所需范围的低端开始，每一相继脉冲增 加一个不大的频率增量，比如2 0 k l t z ，总的扫频范围由实际情况确定。聚焦换 能器发出的聚焦声束垂直入射到管壁表面。两壁面的反射回波仍由同一换能器 在发射脉冲的间隙里接收。当载波频率与管壁厚度共振频率一致时，接收信号 将出现零点。有两种判断零点的方法：一是将接收信号输出至最小电平鉴别 器，直接检测出它的最小振幅；另一种方法是将每一个反射脉冲振幅与前一个 相比较，求出其差值。当载波频率由低到高扫频通过零点频率时，回波振幅经 历了一个逐渐减小而又增大的变化，相应的差值经历了一个由负到正的突变。 第二章超声波测厚原理 这样，根据最小电平鉴别器及正负极性鉴别器的输出，就可以把出现零点时的 载波频率取样输出，从而确定共振频率，用以进行厚度测量或自动控制。 图2 4 脉冲干涉测厚系统 脉冲干涉测厚可以快速、连续进行，并有相当高的精度。例如对不锈钢管 壁厚度的测量，在0 2 5 1 2 5 r a m 范围内，精度可达0 1 。 2 2 3 脉冲反射法测厚 脉冲反射法测厚是通过测量超声波在工件上下底面之间往返一次传播的时 间来求得工件的厚度，其计算公式如下： d 竺 2 式中c 为工件中的波速，t 为超声波在工件中往返一次传播的时间。 典型脉冲反射法测厚仪的结构框图如图2 5 所示。发射电路发出脉冲很窄 的周期性电脉冲，通过电缆加到探头上，激励探头中压电晶片产生超声波。该 超声波在工件上下底面产生多次反射。反射波被探头接收，转变为电信号经放 大器放大后输入计算电路，由计算电路测出超声波在工件上下底面往返一次传 播的时间，最后再转换成工件厚度显示出来。 东南大学硕士学位论文 t | 卜十t1 图2 5 脉冲反射法测厚仪的结构框图 测量往返时间t 有以下两种方法： ( 1 ) 测量发射脉冲t 与第一次底波b 1 之间的时间。这种方法发射脉冲宽 度大，盲区大，一般测量厚度下限受到限制。这种方法的仪器原理简单，成本 低廉； ( 2 ) 测量第一次底波b 1 和第二次底波b 2 之间的时间或任意两次相邻底波 之间的时间。这种方法底波脉冲宽度窄，盲区小，测量下限值小。但这种方法 仪器线路复杂，成本较高。 所谓盲区是指如果一个自收发超声探头接收到试件的反射回波落入探头发 射脉冲的余震中而无法分辨，这个最小的不能检测的试样厚度区域，就称之为 盲区。因此，盲区限制了超声脉冲测厚下限。减小探头盲区最有效的途径是减 小探头的发射余震。常采用的方法有：1 、改进探头结构，采用具有高阻尼背衬 的宽带窄脉冲探头；2 、设计窄脉冲发射电路，即除了直接加到探头上的电信号 外，还有经延迟反相放大后加到换能器上的延迟反相电压，调节一定的参数， 使两信号的时间延迟满足反相抵消的条件，这样就可以得到只有开始半周期的 振动超声窄脉冲；3 、在超声探头与试样之间采用固体声延迟块来耦合。 第二章超声波测厚原理 在许多待测厚度的试样中，不少是非平面的。这时，为了提高测厚的信噪 比和精度，可以把换能器相应地做成曲面形状或采用声透镜等措施，使声束集 中或分散。这样使有些声束基本上仍垂直于弯曲的试样表面，从而能反射回换 能器，提高了检测的信噪比，保证了检测的精度。 超声脉冲回波法的优点使是： 1 、适用于大而不规则形被测物； 2 、对被测物表面光洁度要求低： 3 、原理简单； 4 、用于超声脉冲回波法的设备可以非常简单。 2 3 眼科a 超生物测量原理 检查眼球需要较高分辨率，且穿透深度较浅。由于声波的频率越高，能分 辨的最小距离越小，即分辨率越高，而穿透深度越浅，故分辨率和穿透深度对 立，必须进行折中处理：较深层的结构只能用相对低的频率观察，因而分辨率 较低；较浅的结构则可以采用较高的频率从而得到较高的分辨率。而且，组织 的类型影响波束的吸收量，如空气和骨骼是较强的吸收体，而肌肉组织和水几 乎不衰减波束。因此，针对眼科a 超生物测量的特殊性，本系统选用了较高频 率的1 0 删z 探头。 本系统采用脉冲反射法n 1 1 ，以角膜厚度测量为例，以往采用的测厚过程如 图3 1 所示。首先由电路产生高压脉冲，激励超声换能器转换成同频率的超声 波脉冲。超声波由探头通过耦合剂传播至眼角膜表面，在眼角膜的外壁和内壁 产生反射，得到两次回波，计算出两次回波脉冲的时间间隔t ，便得到眼角膜的 厚度d ： d c t 2 一( c x 厅) 2 f 式中f 为计数脉冲频率，理为计数值，c 为超声波在眼角膜内的传播速度。 时间间隔，的测量方法：在两个回波出现时分别产生一个计数触发脉冲， 第一个脉冲用来启动计数器计数，第二个脉冲用来关闭计数器。记录下在这个 时间段内的计数脉冲个数n ，则时间间隔t - - - - n f o 1 5 东南大学硕士学位论文 该计数器采用的计数脉冲频率应尽可能的大，这样计数脉冲的时间间隔才 会尽量小，测量误差才会小。 鼠角膜前壁 发射波 探头 目浚 发射髂冲 。 厂陟 。太 一- - ，； 气一 ff ? 一 s b i i j l | | | l i | i川 f | f | 图2 6 脉冲反射法角膜测厚原理 最角膜后壁 上述的测厚方法虽然简单易行，但存在一定的缺陷：计数触发脉冲的产生 受回波波形的影响较大。因为计数触发脉冲一般是通过设定一定的阈值，超过 阈值则触发的方式实现的，而超声回波的波形是不规则的，即超过阈值的时间 是不定的，故两次计数触发脉冲的时间间隔与实际的两次回波脉冲的时间间隔 第二章超声波测厚原理 存在一定的误差。对于精度要求极高的角膜厚度测量来说，这个误差是不能忽 视的。因此，实时显示回波的波形，通过可视化的界面人为控制和动态调整 “阈值点”，从而实现对时间间隔的更高精度测量，无疑是一个行之有效的方 法。 反射的可视化可用多种方法实现。一维或多维可视化方法有所区别。在幅 度型即a 型中，每一回声的能量显示为发射脉冲与回波之间时间间隔的函数。 回波的振幅沿垂直轴向，而水平轴向则表示时间。发射脉冲与回波之间的时间 间隔和换能器与反射组织边界的距离一致。反射边界的移动可通过回声振幅沿 着时间轴水平移动看到。a 型超声提供了关于反射边界位置的一维信息，是将 所探测的组织界面回声以波峰的形式显示，按回声返回探头的时间顺序依次排 列在基线上，构成与探头方向一致的一维图像。以角膜测厚为例，用示波器得 到的a 超图像如图2 7 所示： 图2 7 角膜测厚波形 同样的问题也存在于眼球轴长测量中。在常规采用的角膜接触式眼轴长度 测量方法中，标准眼轴测量图像应当包含晶状体前囊垂直高波，晶状体后囊垂 直高波，玻璃体平段和眼底复合高波。视轴球壁回声，其前沿表现为光滑陡直 东南大学硕士学位论文 高波，代表视网膜界面反射，其后为逐渐递减的丛状高波，与球后组织波相连， 此间巩膜反射波较明显。大多数正常眼球均能获得符合上述条件的良好波形， 但在某些特殊情况下，则易出现非理想状态波形。理想的a 超测轴波形是获得 准确术后屈光状态的保证。长眼轴，后巩膜葡萄肿，高度角膜散光，视网膜病 变等较易导致非理想波形和远视。 轴长测量理想波形所要求的3 个饱和高波中，前两者为晶状体前后囊的回 声波。通过摆正探头位置于瞳孔中央，垂直于眼表即可达到，基本无困难。所 谓非理想波形实质上即指球壁反射波的状况不理想。我们所见到的非理想球壁 回声波大致有如下几种：( 1 ) 高丛波加前小波：( 2 ) 斜高波：( 3 ) 低丛波：( 4 ) 单高波：( 5 ) 单波加前小波。典型的轴长测量理想波形与非理想波形如图2 8 所示。在回波波形这样复杂的情况下，计数触发脉冲的方法显然是不可取的， 因此实时显示波形对于眼轴长度测量来说，不仅是提高精度的要求，更是一种 必需。 第二章超声波测厚原理 理想球壁回声波形 高从渡加前小波捩彤 低从渡波形 单高渡竣形 斜高坡波形 单波加前小渡渡形 图2 8 轴长测量理想波形与非理想波形 为使轴长测量准确，首先要具备高品质的测量设备和有经验的测量者。对 轴长测量波形应认真鉴别，有所取舍。不能获得理想波形时，首先应改变探头 位置探测，多人复测，并寻找可能相关的眼部病因。有时波形的好坏比测量值的 离散程度更为重要。若停留在同一位置取波，容易导致一系列集中的错误数 据。所以应避免在同一位置固定测量，每次出波后应当将探头移开角膜再重新 放置探头测量。 东南大学硕士学位论文 显而易见，眼科a 超生物测量的关键就是回波波形的实时显示和测量的可 视化，通过人为的鉴别波形并选择较合适的测量点，从而得到更高精度的测 量。 此外，通过引入组织灵敏度使超声图像标准化，眼科a 超还可为组织学诊断 提供更多信息。事实上，标准化a 超在眼眶肿瘤的诊断中，特别是对于肿瘤性质 的鉴别，要明显优于b 超。 在组织灵敏度设定下，标准化a 超是利用病变的反射性高低、内部结构是否 规则、声衰减程度等来确定病变性质。用标准化a 超测量病变内的波峰高度来 确定病变的性质比b 超更加准确，因为a 超的波峰高度不受周围背景亮度的影 响，b 超则不然，即使最先进的b 超也很难提供组织学诊断所需要的灰阶。标准 化a 超还可显示病变内的血管运动，表现在病交的内反射中有快速、自发的颤动， 见于动静脉瘘、恶性肿瘤等。标准化a 超由于使用组织灵敏度，可使每一位检查 者在检查同一种类型的组织时，获得相同的超声图像，并具有重复性和可比较 性，这在非标准化超声上是无法与之相比的，从而提高了诊断的准确性，也使 临床经验的积累逐渐增加。 第三章系统硬件设计 3 1 设计思想 第三章系统硬件设计 为实现高精度、智能化、小体积、低功耗的主要目标，眼用a 超仪的c p u 及控制部分显然是设计的关键。传统的眼用a 超仪一般采用微控制器 ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ，其最大特点是单片化、体积小、可靠性高， 但由于速度和总线宽度的限制，m c u 的数据处理能力较差，很难达到较高的精 度和满足实时性的要求。同属嵌入式处理器的数字信号处理器( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 虽然具有强大的数据处理能力，但其灵活性和通用性 较差，无法满足多功能设计的需要。相比之下，嵌入式处理器家族的另外一 员嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 以其极强的灵 活性和通用性，以及较强的数据处理能力，提供了一种较佳的方案。因此，本 系统选用了a r m 9 2 0 t 核心的嵌入式微处理器，结合以内嵌功能模块丰富的 f p g a ，完成系统的功能控制及数据处理，极大地提高了测量精度和系统集成 度。 数据采集部分选用高速a d 转换器采样脉冲回波，并针对显示帧频较低的特 点，采用了同步采样技术，以较低频率的采样和较小容量的存储器实现高精度 的测量和显示，降低了系统成本。采样频率可动态选择，以适应不同的探头频 率和精度要求，增加了灵活性。数据采集和存取的控制时序由a r m 和f p g a 产 生，大量采样数据的快速存取则采用f i f o 实现。为提高系统集成度和可靠性， 本系统利用了f i ：，i i i a 内部集成的f i f o 。 系统挂接3 5 寸q v g a 分辨率的真彩显示屏，用于实时显示波形和系统环境变 量。 因此，该系统主要包括六个组成部分：c p u 及控制部分，超声波发射部 分、回波接收调整部分，数据采集部分，键盘和显示部分。整个系统的硬件结 构框图如图3 1 所示。 电路板实物如图3 2 所示 图3 1 系统硬件结构框图 图3 2 电路板实物图 第三章系统硬件设计 3 2 超声发射电路 a ) 电路作用 超声波发射部分的设计如图3 3 所示。其中发射电压产生电路用于将1 2 v 的直流电源升压到2 0 0 v 3 0 0 v 的发射高压。触发脉冲产生电路产生的触发脉冲 控制开关k 的通断。当k 导通时，发射脉冲产生电路工作，激发换能器工作； 当k 截止时，不产生超声波。 图3 3 超声发射电路 b ) 设计重点 该部分设计的重点是如何获得超高频的超声波。这是因为超声波的波长 ，超声探头换能器的近场能量集中的近场范围和半扩散角口的值是( 口为 圆晶片的直径，方晶片的边长) ： = v ，f n = f f 4 a e = a r c s i n l l 2 2 a d ) 从上述三式中，可以看出频率越高，波长越短，能量越集中，扩散角越小，因 而超声波的指向性好，分辨率高。同时，超声波在介质传播时会衰减： i = l 括 a - - gf 式中，五、，是初始声强和距离x 处声强，口是衰减系数( 眼角膜的声衰减系数 口的值不超过1 ) 从上述两式中可以看出，同一介质中，超声波频率越高， 口值越大，超声波衰减越快，传播的距离越短。综合以上因素，系统采用 东南大学硕士学位论文 1 0 m h z 高频超声波，其通过眼角膜的最大衰减约为2 5 d b ，而最大分辨率可达 0