小型化医用超声诊断仪设计优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 题题 目目 小型化医用小型化医用超声超声诊断仪诊断仪设计设计 英 文 题 目英 文 题 目 design of miniaturized medical ultrasound diagnostic imaging systems 姓姓 名名 余炎雄 学学 号号 30809012 所在学院所在学院 工学院 导师姓名导师姓名 沈民奋 专专 业业 电子与通信工程 入学时间入学时间 2009 年 4 月 答辩日期答辩日期 2012 年 5 月 汕头大学 硕士学位论文 题 目 小型化医用超声诊断仪设计 英文题目 design of miniaturized medical ultrasound diagnostic imaging systems 姓姓 名名 余炎雄余炎雄 学学 号号 30809012 所在学院所在学院 工学院工学院 导师姓名导师姓名 沈沈民奋民奋 专专 业业 电子与通信工程电子与通信工程 入学时间入学时间 2009 年年 4 月月 答辩日期答辩日期 2012 年年 5 月月 学位论文原创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的工作研究及取得的研究成果 论文中 除了特别加以标注和致谢的地方外 不包含其他人或其它机构已经发表或撰 写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在论文中以明 确方式标明 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 学位论文使用授权声明 本人授权汕头大学保存本学位论文的电子和纸质文档 允许论文被查阅 和借阅 学校可将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其它复制手段保存和汇编论文 学校可以向国家有关 部门或机构送交论文并授权其保存 借阅或上网公布本学位论文的全部或部 分内容 对于保密的论文 按照保密的有关规定和程序处理 本论文属于 保密 在 年解密后适用本授权声明 不保密 请在以上括号内打 作者签名 导师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 i 摘摘 要要 医用超声诊断仪的产品发展方向越来越趋向于小型化 同时对于产品的功耗要求越来 越严格 期望产品在尽量小的功耗下获得更多的功能和更好的性能 随着 it 技术的飞速 发展和各个 ic 厂家推出各种集成度越来越高的芯片 使得在小型化低功耗的产品设计变 得可行 选择适当的系统平台和高集成度的器件可以明显缩减电路的规模 降低系统的功 耗 而且仍然能有效的获得所需的系统性能 本文所设计的系统平台包括 pc 主板及其相配套的操作系统以及软件运行环境 也包 括了连接超声模块的 usb 接口逻辑 基于对整机的性能和结构要求 我们选择了工业控制 用低功耗主板 运行 windows xp embedded 系统 选用的 cypress 公司的 ez usb 芯片完 成 usb 2 0 接口的数据传输 采用了高集成化的 fpga 以及前端器件 ad9276 和 hdl6v5582 构建了小型化医用超声诊断仪的架构 从而保证了产品小型化和低功耗的需求 本文将对医用 b 超仪器的整机构成和设计原理进行介绍 论述小型化医用 b 超仪器的 软硬件设计和工程实现 并对各设计关键模块的选型和能进行描述 并最终进行整合实现 对于各个模块的简化和改良设计也减小了硬件电路的设计规模 降低了仪器的功耗 在工 程上实现了小型化和低功耗的医用超声诊断仪的设计 关键词 诊断仪 xpe ez usb fpga ad9276 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 ii abstractabstract the product development of medical diagnostic ultrasound imaging systems tends to be miniaturized which has increasingly stringent requirements for power consumption of products while expecting the products to have more functionality and better performance with the minimum power consumption with the rapid development of it technology and the introduction of a variety of more integrated chips by ic manufacturers the design of miniaturized low power products becomes possible selecting the appropriate system platform and highly integrated devices can significantly reduce the size of circuits and lower system power consumption but can still effectively acquire the desired system performance the system platform designed in this paper includes a pc motherboard its supporting operating system and software operating environment which also covers a usb interface logic connecting to the ultrasonic module based on the overall performance and structural requirements a low power motherboard for industrial control was selected which runs on the windows xp embedded system data transmission with usb 2 0 interface acquired by the ez usb chip from cypress highly integrated fpga and front end component ad9276 and hdl6v5582 adopted the architecture of a miniaturized medical ultrasound diagnostic imaging system is built thus ensuring the demand for product miniaturization and low power consumption the paper describes the whole composition and the design principle of medical ultrasound systems the implementation of miniaturized medical ultrasound in terms of hardware and software design and engineering the selection and performance of each designed key module as well as the final integration achieved the simplified and improved design of each module has reduced the size of hardware circuit design and decreased system power consumption consequently the design of miniaturized low power design of medical ultrasound diagnostic system is achieved in engineering key words key words diagnostic imaging system xpe ez usb fpga ad9276 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 iii 目目 录录 小型化医用超声诊断仪设计 iii 摘 要 i abstract ii 目 录 iii 第一章 绪论 1 1 1 超声的医学应用 1 1 2 超声医学仪器发展现状和市场前景 2 1 3 本文的选题背景和意义 5 1 4 论文的主要内容 6 第二章 超声成像原理简介 7 2 1 超声波的物理特性 7 2 2 超声诊断仪及其基本原理 8 2 3 各类超声图像 10 第三章 系统组成和关键部件 13 3 1 外围接口 13 3 2 显示器 14 3 3 控制面板 14 3 4 电源 15 3 5 计算机系统平台 15 3 5 1 工业控制用低功耗主板 16 3 5 2 windows xp embedded 19 3 6 计算机接口 20 3 6 1 usb 体系简介 20 3 6 2 usb 数据流模型 22 3 6 3 usb 接口芯片 cy7c68013a 23 3 7 数字处理模块 25 3 8 收发模拟前端 27 3 8 1 八通道发射集成器件 28 3 8 2 16 通道高压模拟电子开关 29 3 8 3 八通道超声接收器 30 3 9 探头 34 第四章 整机工程设计 35 4 1 低功耗 pc 主板的连接 35 4 2 windows xp embedded 构建 37 4 3 usb 接口实现 38 4 3 1 硬件设计 38 4 3 2 软件设计 40 4 4 数字信号处理模块设计 44 4 4 1 串并转换模块 45 4 4 2 波束合成模块 45 4 4 3 信号处理部分 46 4 4 4 图像处理部分 47 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 iv 4 4 5 前端控制模块 48 4 4 6 fpga 模块化设计 50 4 5 收发模拟前端模块设计 52 第五章 产品实现 56 5 1 产品外观 56 5 2 产品指标 56 5 3 图像性能 58 5 3 1 探测深度和分辨率 58 5 3 2 临床图像质量 62 第六章 总结和展望 64 参考文献 65 致谢 67 个人简介 68 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 1 第一章 绪论 1 1 超声的医学应用 20 世纪初 物理学家朗之万 langevin 首次研制成了石英晶体超声发生器 40 年 代人们开始进行超声医学应用的研究 超声在医学中的应用按照功能来分类 主要非为超 声诊断和超声治疗 超声诊断就是我们通常讲的超声成像 其具体的载体就是超声仪器 超声仪器通过其 配套的探头对人体的不同部位 如肝 肾 心脏 子宫等 进行扫查成像 获得临床诊断需 要的信息 协助医生了解病情 拟订正确的治疗方案 超声波的临床医学诊断技术可以分 为两大类 即基于回波扫描的超声探测技术和基于多普勒效应的超声诊断技术 基于回波 扫描的超声探测技术基本原理是利用超声波在不同组织中产生的反射和散射回波形成的 图像或信号来鉴别和诊断疾病 这种技术主要是用于解剖学范畴的检测 以了解器官的组 织形态学方面的状况和变化 基于多普勒效应的超声诊断技术基本原理是利用运动物体散 射或反射声波时造成的频率偏移现象来获得人体内部的运动信息 这种技术主要是用于了 解组织器官的功能状况和血流动力学方面的生理病理状况 如观测血流状态 心脏的运动 状况和血管是否栓塞等 超声诊断学的历史并不悠久 1950 年 脉冲反射法 a 超 被用于医学诊断 在此过 程中 人们针对这种方法的局限和不足开始进一步研究超声断层成像 b 超 并不断加以 改进 伴随 b 型超声显像的还有 m 型诊断仪 用于辨别心脏 胎儿等的运动状态和功能异 常检测 这些产品主要使用基于回波扫描的超声探测技术 多普勒彩色超声诊断仪则广泛 用于心脏 血管疾病的诊断 这些产品主要使用基于多普勒效应的超声诊断技术 在现在 的超声诊断产品中 一般都会包含以上描述的多种显示模式 超声医学诊断在现代的医学 诊断学中 有着难以取代的作用 超声的发展和应用以其非电离辐射的独到之处 对软组 织鉴别力较高的优势 仪器使用方便价格便宜的特点 成为医学成像中颇具生命力而不可 替代的现代诊断技术 1 超声治疗也是超声医学的重要组成部分 超声波每秒 100 万次以上的高频机械振动作 用于人体 可穿透组织 8 12cm 现已被广泛应用于国内外权威理疗机构 超声波作用于人 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 2 体可产生三大效应 1 理化效应 理化效应是基于超声波的机械作用和温热作用 可继发许多物理的或 化学的变化 具有物理学特性的超声机械振动 以及在此基础上产生的分布特殊的 内生 热 和必然引起的生物理化改变 通过复杂的神经 体液调节途径来治疗疾病 神经系统的 反应和调节在超声波的治疗机理中起着主导作用 2 机械效应 超声在介质中前进时所产生的效应 超声在介质中传播是由反射而产 生的机械效应 它可引起机体若干反应 超声振动可引起组织细胞内物质运动 超声波的 机械作用可软化组织 增强渗透 提高代谢 促进血液循环 刺激神经系统和细胞功能 因此具有超声波独特的治疗意义 超声波的机械作用可软化组织 增强渗透 提高代谢 促进血液循环 刺激神经系统和细胞功能 因此具有超声波独特的治疗意义 3 温热效应 人体组织对超声能量有比较大的吸收本领 因此当超声波在人体组织 中传播过程中 其能量不断地被组织吸收而变成热量 其结果是组织的自身温度升高 产 热过程既是机械能在介质中转变成热能的能量转换过程 即内生热 超声温热效应可增加 血液循环 加速代谢 改善局部组织营养 增强酶活力 一般情况下 超声波的热作用以 骨和结缔组织为显著 脂肪与血液为最少 超声治疗时将超声波能量作用于人体病变部位 以达到治疗疾患和促进机体康复的目 的 超声治疗机有多种类型 以输出方式划分 有连续输出型 脉冲输出型 连续脉冲输 出型 连续超声的射束呈不间断地连续发射 声波持幅相等 这种超声温热效应显著 脉 冲超声射束呈规律地间断发射 第一脉冲持续时间与其间歇时间相比 相对较短 恰与前 者形成鲜明对照 因此可显著减少温热效应 由于后者所输出的毫秒时限的脉冲足可产生 声流 故使用脉冲超声可减少治疗强度的上限可以引起的危险的加热作用 同时保持声流 的有益作用 充分发挥机械效应 如近年发展起来的高强度聚焦超声肿瘤治疗系统 又称 海扶刀 其就是利用超声波的可视性 组织穿透性和聚焦性等物理特征 通过其加热效 应 机械效应和空化效应从体外定位 从而达到免开刀但可直接破坏体内深部的肿瘤组织 治疗的效果 3 1 2 超声医学仪器发展现状和市场前景 超声诊断是将超声检测技术应用于人体 通过测量了解生理或组织结构的数据和形 态 发现疾病 作出提示的一种诊断方法 是一种无创 无痛 方便 直观的有效检查手 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 3 段 尤其是 b 超 应用广泛 影响很大 与 x 射线 ct 磁共振成像并称为 4 大医学影像 技术 随着临床诊断的需求和科学技术的进步 尤其是高速度 大容量和智能型计算机技 术的发展 使超声影像技术在短短二十年间跨越了三个台阶 而且超声影像具有无损性 高灵敏度 应用面广 低成本和操作方便等优点 其发展速度和普及程度 近年已成为四 大医学影像之首 当今医学超声诊断的新技术发展特点主要体现在宽频带化 数字化 多 功能化 多维化及信息化等五个方面的综合应用上 这一发展趋势近年来已日渐明显 也 引导着未来先进医学超声诊断设备研制的创新思维 1 2 近 10 年来 随着计算机 信息技术 电子技术 压电陶瓷等高科技的迅速发展和临 床诊断和治疗的需求 使图像质量和分辨率越来越高 超声诊断范围和信息量不 断扩充 当前超声诊断已从单一器官扩大到全身 从静态到动态 从定性到定量 从模拟到全数字 化 从单参数到多参数 从二维到三维显示 多普勒彩色血液显示 代替了创伤性导管检 查 形成了一门新兴的科学 介人性超声学 大大扩充了超声诊断治疗范围 提高了诊 断的特异性和信息量 由于其损伤性小 电离辐射轻 价格低廉 易被患者所接受 目 前已成为发展最快的成像技术 所以 超声诊断设备是一种高科技产品 在某种程度上反 映一个国家的科技进步水平 世界上的超声诊断设备生产国有美国 日本 德国 澳大利 亚 意大利 丹麦 韩国和中国 美国 日本生产的超声诊断设备占世界超声诊断设备的 70 随着我国经济的高速发展 人民生活水平的日益提高 人们对医疗电子产品的需求 越来越大 尤其是对 ct 扫描仪 核磁共振仪 高档超声波诊断仪器等高端医疗电子产品 需求的快速增加 有力的带动了我国医疗电子市场规模的扩大 其次 随着现代计算机技 术的不断发展 医疗领域的信息化和电子化成为发展趋势 从而引发了对影像化 数字化 等医疗电子产品的需求增长 从产品类型来看 医用电子仪器设备占据中国市场一半以上的份额 而我们所要研究 的超声仪器设备占据了 13 的市场份额 其中彩超占有 9 的市场份额 可见 我国彩超设 备相比其他设备来说还有很大的发展空间 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 4 150 191 249 271 0 50 100 150 200 250 300 2007年2008年2009年2010年 图1 1 2007 2010 年中国电子医疗市场规模 单位 亿元 据调查统计 2010 年我国彩超消费结构分布在不同价格之间 主要集中在 40 70 万之 间 占总彩超消费结构的 57 详细如图 2 2 所示 208 4 1040 20 1334 26 1600 31 800 15 213 4 30万以下 30 40万 40 50万 50 70万 70 150万 150万以上 图1 2 2010 年我国彩超消费结构调查情况 根据彩超的价格分类 将价格在 150 万元以上的仪器成为高端产品 而高端产品又分 为全身产品 全功能机 和单一功能产品 主要指心脏专用机 2010 年我国 150 万元以 上彩超消费量为 213 台 占比为 4 价格在 70 万元 150 万元之间的彩超设备属于中端产品 大部分的中端产品均为全身 产品 没有心脏专用机 2010 年消费量达到了 800 台 占据了整个彩超消费量的 15 预 计这一比例在未来的几年将继续提高 目前 我国彩超机的消费市场主要集中在中低端产品 特别是低端彩超设备 随着医 疗体制的改革以及人们生活水平的提高 我国的彩超市场将逐渐向高端市场转变 但是在 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 5 目前以及未来的几年 低端市场仍旧是最大的彩超消费市场 中国超声诊断影像系统的市 场以其超过 2 亿美元的巨大规模 成为继美 日两国之后的世界第三大市场 这样的市场 规模 吸引了世界上各主要生产厂商不遗余力地在中国进行市场开发及投入 市场上出现 多种价位适中 性能全面 成像优异的彩超系统 而国内品牌的加入 将促使低档超声产 品的战国时代来临 从而引发中国超声市场的重组 4 1 3 本文的选题背景和意义 随着超声诊断仪器变得结构更为紧凑 影像更加精确 医生们已经开始在乡村医院和 一些发展中国家使用便携式超声仪器 超声仪器的使用已经渐渐摆脱了原先只能在医院中 使用 而且需要可靠的电源和摆放庞大仪器的房间等诸多限制 便携式超声仪器行业方兴 未艾 在过去的几年间发展迅速 其市场前景十分可观 近年来 各大超声厂商都在竞相 开发低成本 多功能 高可靠性 易于维护 容易操作的低价位彩色超声影像系统 由于 便携式超声诊断仪在可移动性 灵活方便 体积小 重量轻 耗电低以及价廉等优点 一 直和台车式超声诊断仪同步发展 世界上许多大公司在发展和完善其高性能彩超 黑白 b 超的同时 也同时开发了一系列的高档便携式或者笔记本式超声产品 这类产品既有高性 能 b 超的图像质量 又具有上述优点 深受医院欢迎 如 sonosite 公司推出的 micromaxx m turbo edge 系列 ge 公司推出的 logiq e 系列 esaote 的 mylab 系列等便携式或笔 记本式超声诊断仪都在世界市场上受到广大用户的青睐 近几年来 尽管我国有数十家企业能够制造或开发便携式超声显像诊断仪 但从仪器 的性能 功能和临床应用的适用性等角度看 性能价格比都不是很好 价格低廉的低档产 品 系统平台性能低 计测功能简单 图像质量也不尽人意 支持的功能较少 可扩展性 差 多数使用特定的专用的外设 存储容量有限 不能连接通用外设 比如说 u 盘 硬盘 cf 卡等这些廉价的大容量存储器 而高档便携式仪器 又存在重量大 功耗高 价格昂贵 等问题 为了丰富产品种类 充分利用现有技术 开发出经济实用 性能先进的小型化超声诊 断仪产品 我们开展了小型化医用超声诊断仪产品的设计工作 拟开发设计具有与国际先 进企业性能相近 价格更优的笔记本式超声诊断仪 通过选用最新的系统控制平台 简洁 高效的嵌入式操作系统 超声模块部分选用高集成度的可编程逻辑器件和超声前端收发器 件 实现多种诊断功能 显示模式 图像质量高 计测功能丰富 支持通用外围接口如网 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 6 络接口 usb 接口 串行接口 支持廉价的存储设备 如 u 盘 cf 卡等 通过对于该项目产品的设计和实现 促进民族超声行业掌握高性能便携式超声产品的 开发技术 缩短了同工业发达国家高端企业的差距 促进了民族超声行业产品的技术进步 国外大厂家的产品价格一直居高不下 动辄几十 上百万的售价使得众多经费不是很充裕 的医院望而却步 其中包括了广大的基层医院 甚至是一些经济贫困地区的县市一级医院 而设备采购高昂的价格也将间接的转嫁到患者的诊断费用上 加重了患者的负担 本项目 产品开发成功并形成批量生产也有利于基层医院医学超声诊断水平的提高 更重要的一点 是降低了医院的采购成本 将间接的降低诊断成本 最终减轻患者负担 系列产品价格同 国外同类产品比较相对较低 性能价格比高 在国际市场上有一定竞争能力 1 4 论文的主要内容 论文的主要内容是是从医学超声成像的理论基础开始介绍 进而介绍超声仪器的系统 设计 着重介绍了系统平台 操作系统 计算机接口 可编程逻辑设计 前端收发器件等 部分的设计选型和工程实现 并对各个模块的组成 主要指标以及各模块之间的连接机制 设计架构 部分的实现方式进行描述 对于最终形成的超声诊断仪产品进行描述和验证 最后进行总结 对产品的后续发展进行展望 本文的主要创新点在于使用了低功耗小型化的 pc 主板搭配低功耗的 usb 接口传输芯 片 以及高集成度的 fpga 和前端收发器件 在工程实现方面充分的利用了嵌入式操作系 统和 usb 接口高速传输能力和高集成度的超声模块 实现了以极小的体积和功耗 完成超 声收发 图像处理 数据传输和图像后处理显示 外接接口支持等功能 实现了多种超声 诊断模式 获得了良好的图像质量 达到了较高的图像性能和丰富的显示功能以及多种的 通用外围接口 注 由于本文主要论述的为医用超声诊断仪的设计 后续的叙述提及的超声都是指诊 断超声 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 7 第二章 超声成像原理简介 2 1 超声波的物理特性 超声波和可听声波一样 也是一种机械波 它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 具有波长 频率和传播速度等物理量 依据质点振动方向与波的 传播方向的关系 超声波亦有纵波和横波之分 纵波是质点的振动方向与波的传播方向相 同的波 例如音叉在空气介质中振动所产生的声波 空气介质中的质点沿水平方向振动 振动的方向与声波的传播方向一致 传播时介质的质点发生疏密的变 纵波可以在固体 液体 气体介质中传播 横波是质点振动方向与波的传播方向垂直的波 横波不能在液体 及气体介质中传播 这是因为液体和气体无切变弹性 由超声诊断仪所发射的超声波 在 人体组织中一般是以纵波的方式传播的 就是因为人体软组织基本无切变弹性 横波在人 体组织中几乎不能传播 用于医学上的超声频率为 1 0 15 0mhz 常用的是 2 5 7 5mhz 超声需在介质中传 播 其速度因介质不同而异 在固体中最快 液体中次之 气体中最慢 在人体软组织中 平均传播速度约为 1540m s 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 它 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 由超声波 所引起的媒质微粒的振动 即使振幅很小 加速度也非常大 因此可以产生很大的力量 超声在介质中以直线传播 有良好的指向性 这是可以用超声对人体器官进行探测的基础 超声波在人体组织内传播不仅有衰减 同时还存在着反射 折射与透射现象 在人体 均质性组织内传播时 超声波只沿其传播方向前进 此时不存在反射 折射情况 如果超 声波在非均质性组织内传播或从一种组织传播到另一种组织 组织有一定的声阻抗 声阻 抗等于该介质密度与超声速度的乘积 由于两种组织声阻抗的不同 在声阻抗改变的分界 面上便会产生反射 折射与透射 当超声传播过程中经过两种声阻抗不同相邻介质的界面 时其声阻抗差大于 0 1 而界面又明显大于波长 即大界面时 则会发生反射 一部分声 能则在界面后方的相邻介质中产生折射 然后超声继续传播 遇到另一个界面再产生反射 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 8 直至声能耗竭 反射回来的超声为回声 组织间的声阻抗差越大 则反射越强 如果界面 比波长小 即小界面时 则发生散射 超声在介质中传播还发生衰减 即振幅与强度减小 衰减与介质的衰减系数成正比 与距离平方成反比 同时还与介质的吸收及散射有关 超声还具有多普勒应 doppler effect 1842 年奥地利物理学家多普勒 doppler 发现并研究了声波的 频移 现象 后被命名为 多普勒效应 此效应是指波源将某一 频率的波以一种固定的传播速度向外辐射时 如果发射波的波源与接收波的接收系统产生 相对运动 则所接收到的波的频率会发生变化 即频移 发射和接收的两个频率的差值 正比于运动速度 在超声诊断中当声发射源与声接收器有相对运动时 接收器所接收到的 声波频率与发射频率有所不同 活动的界面对声源作相对运动可改变反射回声的频率 大 多数应用运动结构 如心脏瓣膜 或散射子集合 如血管中的红细胞群体 反射回来的超 声波相对原有的发射波都会存在多普勒频移 这种效应使得超声能探查各类血流状态以及 心脏活动等 4 5 2 2 超声诊断仪及其基本原理 超声诊断仪的类型较多 按照成像模式来分 分为 a amplitude 型 m motion 型 b brightness 型及 d doppler 型等 a 型超声诊断仪因其回声显示采用幅度调制 amplitude modulation 而得名 a 型显 示是超声诊断仪最基本的一种显示方式 即在阴极射线管 crt 荧光屏上 以横坐标代表 被探测物体的深度 纵坐标代表回波脉冲的幅度 故由探头 换能器 定点发射获得回波所 在的位置可测得人体脏器的厚度 病灶在人体组织中的深度以及病灶的大小 根据回波的 其他一些特征 如波幅和波密度等 还可在一定程度上对病灶进行定性分析 m 型超声成像诊断仪由于其显示的影像是由运动回波信号对显示器扫描线实行辉度调 制 并按时间顺序展开而获得一维空间多点运动时序 motion time 图 故称之为 m 型 超声成像诊断仪 其所得的图像也叫作超声心动图 b 型超声成像诊断仪因其成像方式采用辉度调制 brightness modulation 而得名 b 型超声成像仪和 m 型一样采用辉度调制方式显示深度方向所有界面反射回波 但探头发射 的超声声束在水平方向上却是以快速电子扫描的方法 相当于快速等间隔改变 a 超探头在 人体上的位置 逐次获得不同位置的深度方向所有界面的反射回波 当一帧扫描完成 便可得到一幅由超声声束扫描方向决定的垂直平面二维超声断层影像 称之为线形扫描断 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 9 层影像 也可以通过改变探头的角度 机械的或者电子的方法 从而使超声波束指向方位 快速变化 使每隔一定小角度 被探测方向不同深度所有界面的反射回波 都以亮点的形 式显示在对应的扫描线上 便可形成一幅由探头摆动方向决定的垂直扇面二维超声断影 像 称之为扇形扫描断层影像 d 型超声成像诊断仪也即超声多普勒诊断仪 它是利用声学多普勒原理 对运动中的 脏器和血液所反射回波的多普勒频移信号进行检测并处理 转换成声音 波形 色彩和辉 度等信号 从而显示出人体内部器官的运动状态 超声多普勒诊断仪主要分为 3 种类型 即连续式超声多普勒 continuous wave doppler 即 cw 成像诊断仪 脉冲式超声多普勒 pulsed wave doppler 即 pw 成像诊断仪及实时二维彩色超声多普勒血流成像 color doppler flow image 即 cfm 诊断仪 连续式超声多普勒成像仪被最早应用 它是由探头中的一个换能器发射出某一频率的 连续超声波信号 当声波遇到运动目标血流中的红细胞群 则反射回来的信号已是变化了 频率的超声波 探头内的另外一个换能器将其检测出来转成电信号后送入主机 经高频放 大后与原来的发射频率电信号进行混频 解调 取出差频信号根据处理和显示方式的不同 可转换成声音 波形或血流图以供诊断 这种方式由于难以测定距离 不能确定器官组织 的位置 给应用诊断造成诸多不便 脉冲式超声多普勒成像仪是以断续方式发射超声波信号 因此称为脉冲式 它由门控 制电路来控制发射信号的产生和选通回声信号的接收与放大 借助截取回声信号的时间段 来选择测定距离 鉴别器官组织的位置 由于发射和接收的信号为脉冲式 就可以由探头 内的一个换能器来完成发射和接收双重任务 这对于简化探头机械结构 避免收 发信号 之间的不良藕合 提高影像质量都是十分有益的 随着脉冲多普勒技术 方向性探测 频 谱处理和计算机编码技术的采用及发展 超声多普勒诊断仪不仅能够对距离进行分辨 又 能判定血流的方向和速度 以多种形式提供诊断信息给医生 使其测量水平由定性迈向定 量 实时二维彩色超声多普勒血流成像诊断仪是 80 年代后期心血管超声多普勒诊断领域 中的最新科技成果 它将脉冲多普勒技术与二维 b 型 实时超声成像和 m 型超声心动图 结合起来 在直观的二维断面实时影像上 同时显现血流方向和相对速度 提供心血管系 统在时间和空间上的信息 进而通过计算机的数字化技术和影像处理技术 使其在影像诊 断仪器的构架上兼具了生理监测的功能 提供诸如血流速度 容积 流量 加速度 血管 径 动脉指数等极具价值的信息 这就是俗称的 彩超 或 彩色多普勒 6 7 8 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 10 2 3 各类超声图像 各种典型的超声图像显示模式的图像如图 2 3 至图 2 7 所示 图2 1 b 模式图像 图2 2 b m 模式图像 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 11 图2 3 b cfm 模式图像 图2 4 b cfm pw 模式图像 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 12 图2 5 实时三维模式图像 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 13 第三章 系统组成和关键部件 一台超声仪器的基本系统框图如图 3 1 所示 基本的超声仪器主要由外围接口 显示 器 控制面板 计算机系统平台 计算机接口 数字信号处理 收发前端 探头 电源等 各个模块组成 计算机系统平台 计算机接口 数字信号处理 收发模拟前端 探头 电源 外围接口 控制面板 显示器 图3 1 超声仪器构成框图 以下对构成超声仪器的各个模块进行简介 并有针对性的对本设计中在各个模块中所 采用的关键部件及其性能规格进行描述 3 1 外围接口 外围接口模块主要用于实现超声诊断仪与周边设备的接口功能 主要包含连接外部显 示器或视频打印机的视频接口 连接 usb 存储设备或 usb 打印机的 usb 口 用于网络通信 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 14 的网络接口 脚踏开关接口用于连接脚踏开关设备等 这些接口有利于产品的功能拓展和 数据存储通信等 使得超声诊断仪具有更多的拓展功能 3 2 显示器 显示器的用于显示超声图像及相关的用户界面 作为整个超声诊断仪的显示终端 现 在的超声诊断仪基本上都是采用液晶显示器作为显示设备 液晶显示器具有体积小 功耗 低的特点 特别适用于小型化低功耗的诊断仪器使用 本设计采用的是 10 4 英寸的显示器 型号为 g104x1 l031 可以与工业控制 pc 板 的 lcd 接口直接连接 支持 1024 768 60hz 的显示格式 具有响应速度快 视角宽 对比 度大 功耗低等特点 特别适用于小型化的超声诊断仪使用 9 3 3 控制面板 控制面板主要任务就是用于人际交互 接收来自操作者对面板上各种操作对象如按 键 旋钮 轨迹球 多段增益控制滑杆等的动作 再相应的将各种动作转换为既定的协议 送给计算机系统平台 通过软件的处理完成对系统的各类控制 同时也接收来自系统平台 的各种控制信号 相应产生一些指示功能如指示灯 蜂鸣器等 在本设计中为了节省产品的体积 较小控制面板的厚度 多段增益控制不使用滑杆 而是采用多组按键来控制 还采用了触控板作为代替轨迹球 明显的减少了控制面板的体 积和厚度 设计的控制面板如图 3 2 所示 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 15 图3 2 控制面板图 3 4 电源 电源的功能就是提供各部分电路运行所需要的各种直流电压 对于小型化含有电池的 产品电源模块还必须具有电池充电管理的功能 在本设计中超声诊断仪内置电池 可以脱 离交流电独立工作 特别适用于外出急诊或床边复诊使用 仪器内部的设计有专用的电源 管理板 在使用外置的交流适配器进行供电的情况下 电源管理板上的充电电路会对电池 进行充电 同时板上的其它稳压电路也生成其它各个超声模块所需的各路电压信号 包括 为 3 3v 5vd 5va 12v 12v 60v 60v hv hv 等 其中 hv 和 hv 的输出电 压可通过用户界面进行调节 通过调节这两个电压能够调节临床诊断的超声发射功率 用 户可以根据临床的需要在获得有效诊断结果的情况下 尽量调低超声发射的输出功率 更 有效的保障临床诊断的安全性 同时提高产品的使用时间 3 5 计算机系统平台 计算机系统平台作为整个超声诊断仪的处理中心 实现了对整个系统的控制和显示以 及与用户接口的处理工作 计算机系统平台主要包含 pc 主板和操作系统 以及运行在这 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 16 个平台基础上的超声应用软件 以下主要对 pc 主板和操作系统进行介绍 3 5 1 工业控制用低功耗主板 本设计采用的是型号为 pcm 3362 pcm 3362 是一块无风扇 低功耗 小尺寸 96 90mm 具有 pc104 接口的单板工业控制主板 pcm 3362 适用于通信 环境监测 工厂自动化 军 事和医疗器械等需要高稳定性的产品 它支持 lvds 接口的平板显示器 同时具有一个因 特网接口 它具有极低的功耗 特别适用于那些需要超低工厂的嵌入式产品 pc 3362 使 用 intel atom n450 处理器 支持高达 2gb 的 ddrii 667 内存 pcm 3362 整合了 intel 嵌入式的 gen3 5 图像处理技术的图形显示芯片 可以共享最 大 224mb 的显存 这一特性使得 pcm 3362 可以完成复杂的 2d 3d 图像处理 它的 vga 和 lvds 双显示输出使得它特别适合那些需要两路显示的产品 pcm 3362 的功能框图如图 3 3 所示 图3 3 pcm 3362 功能框图 pcm 3362 包含以下特性 intel atom n450 cpu 主频 1 67ghz 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 17 2gb 的 ddr2 内存 intel ich8m 芯片组 pc 104 plus 扩展接口 acpi 电源管理支持 一个速度高达 300mb s 的 serial ata 板载 ide 接口 2gb 闪盘 2 个 rs 232 串行接口 1 个 rs 422 485 串行接口 标准的 pc at 键盘接口和 ps 2 鼠标接口 4 个 usb2 0 接口 8 位通用输入输出接口 高清音频输出接口 显示接口 支持 sxga 1400 x 1060 60hz 的 vga 输出接口 支持 18 位的 wxga 1366 x 768 60hz 的 lvds 输出接口 双显示 crt lvds 模式 支持拓展显示和克隆模式 10 100 1000 mbps 自适应网络接口 电源要求 5v 5 12 v 5 可选 12 v 供 pc104 接口和 lcd 逆变器使用 功耗 最大 12w 机械尺寸 96 x 90 mm 3 8 x 3 5 重量 0 85kg pcm 3362 的各个接口设计合理 容易安装和连接 包含多功能 i o 10 100 1000mbps 的因特网接口 4 个 usb2 0 接口 一个 sata 接口 两个 rs 232 串行接口和一个 rs 422 85 接口 以及 pc 104 接口 这些接口使得 pcm 3362 很容易扩展 从上述特性可以看出 pcm 3362 的性能优越 尺寸小 功耗低 外围接口丰富 特别 适用于对产品体积有严格要求 高集成度的计算机系统平台使用 使用在小型化的超声诊 断仪产品上是非常合适的 各个接口在电路板上的位置和功能简述如图 3 4 至图 3 6 所示 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 18 图3 4 pcm 3362 元器件面 图3 5 pcm 3362 焊接面 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 19 图3 6 pcm 3362 io 接口功能图 它支持的操作系统有 windows 7 windows xp xp embedded windows ce 和 linux pcm 3362 还包含了开发 i2c gpio 接口 看门狗 定时器 硬件监控 平板显示器背光开 关和亮度调节的等各类接口的 api 和驱动 10 11 本系统采用的操作系统为 windows xp embedded 3 5 2 windows xp embedded windows xp embedded 是一种领先的桌面操作系统的组件化版本 它能够快速开发出 最为可靠的全功能连接设备 windows xp embedded 采用与 windows xp professional 相 同的二进制代码 从而使得嵌入式开发人员能够只选择那些小覆盖范围嵌入式设备所需的 丰富定制化特性 windows xp embedded 构建在已经得到验证的 windows 2000 代码库基础之上 它提供 了业内领先的可靠性 安全性和性能 并且具备最新的多媒体 web 浏览 电源管理及设 置支持功能 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 20 windows xp embedded 还集成了最新的嵌入式支持功能 例如无头支持以及灵活的启 动与存储选项 此外 它还包含一套全新设计的工具集 windows embedded studio 这套工 具使得开发人员能够更快速配置 构建并部署智能化设计方案 通过将 windows xp professional 组件化 windows xp embedded 使得开发人员能够 利用 windows 平台提供最新的 windows 技术 同时能够减少内存占用 嵌入式开发人员能 够充分利用 windows xp 中的所有特性 例如多媒体功能 这些特性包括 通用串行总线 usb 支持大量 usb 外围设备 例如扫描仪 鼠标 键盘等等 windows xp embedded 也包括一些支持嵌入式的特性 例如 灵活的启动和存储选项 除了磁盘以外 还为非易失性 永久性 读 写存储设备 例 如 flash rom 和电池支持的 ram 提供了启动能力 当 el torito 的可启动 cd rom 驱动程 序 增强型写过滤器和 rom 结合使用时 可以从 cdrom 启动 windows xp embedded 也支 持 diskonchip flash pcmcia ata compact flash multimediacard 和 memorystick 丰富的网络功能和管理特性提供了 windows xp embedded 设备与 pc 服务器 web 服 务和其它设备的无缝集成 通用即插即用 upnp 通用即插即用 upnp 是一种广泛用于各种设备的对等网络互 联方式 包括智能设备和无线设备 upnp 是一种分布式开放网络互联体系结构 它利用 tcp ip 和 web 方式实现近似无缝的联网 另外它还实现了家庭 办公室及其它场所中上网 设备之间的数据控制和传输 12 3 6 计算机接口 计算机系统平台需要通过计算机接口与超声模块进行数据交换 从而完成对超声模块 的控制 同时获取超声图像 usb universal serial bus 通用串行总线 接口以其连 接方便 传输速率高等特点 成为了很多计算机平台产品的首选接口 usb 接口是一种支 持热插拔的高速串行传输总线 它使用差分信号来传输数据 usb2 0 标准数据传输最高速 度可达 480mb s 大大简化了 pc 机和外设的连接过程 使 pc 机接口的扩展变得更加容易 以下首先简单介绍 usb 体系相关的内容 3 6 1 usb 体系简介 usb 体系包括 主机 设备 以及 物理连接 三个部分 其中主机是一个提供 汕头大学工学院 2012 届工程硕士学位论文 21 usb 接口及接口管理能力的硬件 软件及固件的复合体 可以是 pc 也可以是 otg 设备 一个 usb 系统中仅有一个 usb 主机 设备包括 usb 功能设备和 usb hub 最多支持 127 个设备 usb 体系采用分层的星型拓扑来连接所有 usb 设备 以 host root hub 为起点 最多支持 7 层 tier 也就是说任何一个 usb 系统中最多可以允许 5 个 usb hub 级联 一个复合设备 compound device 将同时占据两层或更多的层 usb 采用轮询的广播机制传输数据 所有的传输都由主机发起 任何时刻整个 usb 体系内仅允许一个数据包的传输 即不同物理传输线上看到的数据包都是同一被广播的数 据包 usb 采用 令牌包 数据包 握手包 的传输机制 在令牌包中指定数据包 去向或者来源的设备地址和端点