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超声实验室平台的建设黑白超声仪器的研究上海医疗器械高等专科学校毕业设计（论文）超声实验室实验平台的建设黑白超声仪器的研究姓 名： 谢 静 系 部： 医用电子信息 专 业： 医用电子仪器 班 级： 05医电2班 指导教师： 刘 红 完成日期2008年6月10日超声实训室实验平台的建设黑白超声仪器的研究摘要利用超声波在人体中传播的物理特性，对人体内部脏器或病变进行断层显示，从而对一些疾病进行诊断。超声诊断仪已成为医院临床诊断不可缺少的一种诊断技术。本文首先通过调研，了解超声设备的发展历程及目前市场上的应用前景，并且对各类超声设备的成像原理进行分析。文中论述了黑白超声设备的主要技术指标，并举例一典型黑白超声设备KN-3000A眼科B型超声诊断仪，剖析其内部结构，解析其工作原理。最后通过对国内外超声实训室中实验项目的调研，拟定一个适合学校发展的黑白超声实训项目计划。关键词：超声、B超、声速Medical Ultrasound Experiment FlatForm BuildingStudy Of Ultrasound EquipmentABSTRACTUsing the physical characteristic of ultrasonic which propagating in the human body, it can show human internal organs or lesions for diagnosing. The ultrasound diagnostic equipment has become an indispensable diagnosis technology to the hospital clinical diagnosis. This paper will introduce the development course of the ultrasound equipment and the application prospect in current market, on the base of investigating; it will analyze the imaging principle of each kind of ultrasound equipment. This paper will discuss the main technical index of the ultrasound equipment, and a example is given out for typical ultrasound equipmentKN-3000A type B-ultrasonography for ophtalmology, then it will analyze the internal structure and work principle. Finally, parse the experiment items of ultrasound laboratory at home and abroad, study out an ultrasound experiment project which is suitable for the development of school. Key Words: ultrasound，Brightness modulation mode，sound velocity 目录摘要1ABSTRACT2目录3第1章 绪论4第2章 超声的原理及应用52.1 超声的定义及特性52.2 超声诊断仪的成像原理52.2.1 M超原理62.2.2 B超原理62.2.3 超声多普勒成像原理72.3 超声诊断仪的临床应用82.3.1 A型超声诊断仪的应用82.3.2 M型超声诊断仪的应用82.3.3 B型超声诊断仪的应用82.3.4 超声多普勒仪的应用9第3章 黑白超声设备103.1 黑白超声的性能指标103.2 KN-3000A眼科B型超声诊断仪113.2.1 硬件设计113.2.2 软件设计13第4章 超声实验154.1 超声波实验154.2 超声测声速实验16第5章 结论18谢 辞19参考文献20第1章 绪论超声诊断具有无侵袭，不影响人体，适应性广等优点，目前它已成为临床诊断上不可缺少的手段，特别是以超声图像技术为核心的B型超声系统已成为普遍使用的医学检查手段与X射线、CT、磁共振成像并称为4大医学影像技术。在临床各个领域中的应用越趋广泛，它作为一种主要的诊疗手段，显示其在各类疾病的应用价值。1我国超声诊断开展得相当早，早在六十年代早期，我国超声诊断的先驱就已开始以工业用探伤超声仪器用于人体超声诊断研究。可以说，我国超声临床应用一直保持与世界同步，同时完整经历了由A超到M超、B超再到彩超的升级过程。我国超声检查的收费水平与发达国家无法相比一般普通彩超扫查收费因地区差别而略有不同，大致为人民币八十至二百元不等，为发达国家如美日等的十几至几十分之一不止，而黑白超的扫查只收几十元的费用。这些就决定了医院在做购买决定时必须慎重考虑，对于大医院来说，何时能够收回成本是先决条件，而小医院通常很难收回成本，更多的是考虑社会效益。也就是说大医院通常会购买相对昂贵但功能先进完善的高档彩超，用于科研及疑难杂症的诊断，而大医院的普通临床机型通常为中档机型，但同样要求功能完善，性能稳定。中小医院则是中低档机型的购买主力，对机器的全功能要求更高，因为这可能是该院惟一的一台彩超系统。而对于黑白超来说，购买习惯类似。近几年，发现有许多大医院有淘汰黑白超的趋势，这说明中国的超声装备水平正朝世界先进行列靠近，虽然收费水平依然相差很远。虽然单一诊察的收费很低，但每台机器的使用率很高，日检查量达到十几至几十人次不算稀奇，所以超声的收入对于医院来说还是可观的。尤其是超声系统本身的运营成本极低。这也说明了为什么中国超声市场连年持续增长，越来越多的县一级医院都购买了彩超，而黑白超作为一种低成本、性能可靠的简易诊断设备在中国还有着广博的市场。我国医疗器械市场以每年近10%的速度在增长，而高端医疗设备销售更是达到20%以上的增长速度。然而，我国医药机械产业的高端市场却长期为国外企业所占据，国产医疗器械大部分属于中低端产品，高端市场的份额不足1/3。我国医疗器械行业发展空间巨大。这对于国内超声仪器制造企业将构成重大利好。可以预见，未来几年，超声仪器在医疗方面的应用将迎来一个巨大的发展时期。因此，本文主要对黑白超声设备的成像原理、临床应用进行分析，解析超声实验项目，对黑白超声有进一步的了解和认识。论文的内容安排如下：第1章 简单介绍了超声设备的发展和市场前景第2章 主要对超声的成像原理和超声诊断仪的临床应用做了介绍第3章 介绍了黑白超声的主要性能指标，并对一具体设备进行了分析第4章 解析超声实验项目第5章 对课题进行总结第2章 超声的原理及应用超声波物理是超声诊断设备的工作理论基础。本章介绍了超声的基本原理，B超、M超、超声多普勒成像原理，以及各种成像类型的超声诊断仪在临床上的应用。2.1 超声的定义及特性首先让我们谈谈什么是超声波,大家知道人耳能听到的声音频率为20Hz-20KHz,低于20Hz的声波为次声波,人耳是听不到的,高于20KHz的声波为超声波,人耳也是听不见的。2超声波之所以被广泛用于医疗领域是因为他有许多奇妙的特点： 1. 由于超声波频率高、波长短,他可以像光那样沿直线传播,使得我们有可能向某已确定方向上发射超声波,2. 声波是纵波,可以顺利地在人体组织里传播。3. 超声波遇到不同的介质交接面时会产生反射波,这些特点构成了今天超声仪器在医学领域广泛应用的基础。2.2 超声诊断仪的成像原理利用超声成像诊断的设备种类很多，以成像类型可分为五类。1. 一维图像显示：即A型超声诊断仪，它对回波实施幅度调制（amplitude modulation），即回波的脉冲大小决定显示器中脉冲的幅度。显示方法是在荧光屏上出现脉冲波形，脉冲的幅度（坐标纵轴）代表反射回波的强度，脉冲的位置或脉冲之间的距离（坐标横轴）正比于反射界面的位置或界面之间的距离。32. 断层显示：B型超声诊断仪：对回波实施辉度调制，探头直线扫描人体时，可以在示波管或屏上用辉度的强弱表示相应的回波幅度，从而得到一个纵切面断层图像。P型：类似B型，也称扇形扫描，BP型：是B型和P型的结合，可使探头始终保持和人体的曲面垂直。为了突出各种类型的主要特点，将断层显示部分均称为B型。3. 时间运动型：简称M型，对回波也是辉度调制，但探头位置固定，用纵轴表示脏器深度，横轴表示时间，故可构成一幅各反射界面的活动曲线图，以进行超声心动描记等。4. 多普勒型：将发射频率与接收频率进行比较，利用多普勒效应对人体内运动的组织或器官进行探查，如血流、心脏等。5. 其他处于实验阶段的超声诊断技术，如透射型、声全息成像及综合型等。2.2.1 M超原理M型超声诊断仪（简称M超）是在A超基础上发展起来的，适用观察心脏的运动状况，又有超声心动仪之称。M超原理如图2.1所示，可归纳以下三方面特点：图2.1 M超原理图1. M超中的深度扫描信号（锯齿波信号）不像A超那样加到X偏转板，而是加到Y轴偏转板上，于是扫描线是从上向下扫描，回波信号（亮度）距顶部的距离表示被探查组织界面的深度。2. 接收电路的输出信号不是加到X或Y偏转板，而是加到亮度调制栅极（G）。当有回波信号出现时，并不像A超那样显示波形而是显示亮点，亮点的强弱代表回波信号的幅度，多个界面的回波形成一系列垂直点。3. M超中增加了一个时间扫描信号发生器，它产生的信号加到X偏转板上。如果没有时间扫描信号，即被测心脏的运动，各界面空间位置发生的位移在显示屏上表现为一系列亮点沿一条直线上下移动。加上时间扫描信号后，则垂直扫描线自左向右慢慢移动，周期为110s，于是形成了二维的图像，把脏器各界面随时间运动沿X轴展开，这样可以从图像上很容易判断脏器各部分运动的振幅、周期和运动状态等。42.2.2 B超原理B型（brightness modulation mode）超声是目前超声图像诊断应用最广泛的机型。它得到的是脏器或病变的断层图像，并可以进行实时的动态观察。一般的B超工作过程为：当探头获得激励脉冲后发射超声波,（同时探头受聚焦延迟电路控制,实现声波的声学聚焦。）然后经过一段时间延迟后再由探头接受反射回的回声信号,探头接收回来的回声信号经过波束形成处理。然后由数字扫描转换器（DSC）电路进行数字变换形成数字信号,在CPU控制下进一步进行图像处理,再同图表形成电路和测量电路一起合成视频信号送给显示器形成我们所熟悉的B超图像,也称二维黑白超声图像。5 爱爱医网|P%D,Pg uy1. 辉度调制式断层图像的形成 B超的回波信号加在电子枪阴极或控制栅极上，不同深度上的回波对应图像上一个个光点。光点的亮度由回波幅度线性控制，与发射脉冲同步的时间扫描电压是加在垂直偏转板上的，即时间基线是在Y轴上，这样自上而下的一串光点表示在各个深度界面上的回波。当声束沿一直线移动时，相应图像将表现为二维断层形态图像。B型和M型的主要差别在于声线扫描的产生与显示器上对应的断层图像的形成。M型帧扫描加的是一个与时间成线性关系的慢变化，它的变化速率只要能使心脏等器官的动态状况显示清楚即可；而B超的帧扫描则一定要和声线的实际位置严格对应，否则显示的断层图像就会失真，无法根据断层图像来确定组织的相应位置。2. B超中的线扫、扇扫 电子线性扫描（electronic linear scan）：电子线性扫描是以线阵式探头为基础，以电子开关或全数字化系统控制阵元组顺序发射来实现的。阵元数已从早期的40、120发展到现在的256、400等。每次发射和接收声波时，将若干个阵元偏为一组，由一组阵元产生一束扫描声束，并接收信号，然后由下一组阵元发射下一束，并接收。扫描声束发射按阵元组顺序，相当一个声束线性平移。每次接收到的回波信号经过处理后加在显示器Z轴上，调制其亮度。由Y轴表示回波深度，X轴对应声束扫描的位置，由此合成一幅矩形超声断面图像。 相控阵扇形扫描：电子扇形扫描也常称相控阵扫描。它采用尺寸较小的多阵元换能器发射和接收声束，使声束很容易通过胸部肋骨小窗口透入体内作扇形扫描，以达到探测整个心脏的目的。相控阵超声断层成像是借鉴雷达天线相控扫描原理构成的，它利用线阵式换能器阵元发射时有一定的位相延迟，使合成声束的轴线与线阵平面中心线有一夹角，随夹角的变化可实现扇形扫描。在扫描中各阵元之间如果同时被激励，各子波的包迹组成平面波垂直于换能器表面；若相邻各阵元被激励时依次有一个时间差，所发射声束将偏离原垂直方向，如图2.2，依次激励的各阵元组之间有一个顺序变化的相位差，合成声束也会有一角度的变化，如果声束与阵列的法线成角，对不同阵元组，延迟时间变化时，角也变。如果颠倒阵元激励顺序，合成声束将偏转到阵列法线另一侧。图2.2 扇扫原理成像原理2.2.3 超声多普勒成像原理超声多普勒技术（ultrasonic Doppler technique）是研究和应用超声波由运动物体反射或散射所产生的多普勒效应的一种技术。它在医学临床诊断中用于心脏、血管、血流和胎儿心率的诊断，相应的仪器有超声血流测量仪、超声胎心检测仪、超声血管显像仪以及超声血压计、超声血流速度剖面测试仪等。根据电路的结构，超声多普勒成像大致可分为听诊型、指示记录型、电子快速分析型和显像型四类，每一类中又可分为连续波式和脉冲波式。早期超声多普勒血流计以听多普勒频移的声音为主，目前已发展为带有微机处理的超声多普勒实时显像仪。6当超声源与反射或散射目标之间存在相对运动时，接收到的回波信号将产生多普勒频移，频移程度与相对运动速度幅值和方向有关。在医用超声多普勒技术中，发射和接收换能器固定，由人体内运动目标，如运动中的血细胞和运动界面等，产生多普勒频移，由此可确定运动速度大小和方向及其在断层上的分布。多普勒频移信号包括：血流速度的大小和方向、血管深度及内径尺寸、血流速度的二维分布等指标。1 方向信息的提取方向信息的提取是建立在滤波基础之上的。通过数字滤波器（如同一扇依不同对象而开闭的大门）可选择出信号中的某些频率成分，衰减掉其他频率成分。由多普勒效应可知，频率信号本身就携带方向信息。如果获得高于发射频率的信号，意味着多普勒频移为正，血流分量朝探头运动；反之，如果接收频率低于，则意味着其代表反向血流，是远离探头运动的。2. 血流速度大小的提取血流测量的一个基本问题就是从多普勒音频信号中提取速度信息，即实现频率电压的转换。速度提取的方法可分为频率分析和时域分析。时域分析的常用方法有两种。 过零检测法：由统计检测理论可知，接收信号的幅度作高斯分布的平稳随机处理时，统计波形在单位时间里的过零次数N，可以近似的与信号平均频率成比例，用以估计血流平均速度的大小。 平均频率解调：平均频率是在方向信息提取的正交相位检测法基础上，利用公式进行模拟运算求出的。2.3 超声诊断仪的临床应用2.3.1 A型超声诊断仪的应用A型超声波诊断仪是幅度调制型（amplitude modulated mode）的简称。A型显示是超声技术应用于医学诊断中最早、最基本的方式。它主要适用于检查肝、胆、脾、眼及脑等简单解剖结构，测量线度以及获得回波幅度的大小和形状，通过分析回波幅度的分布以获得组织的特征信息。临床诊断中的应用范围：A超可以应用于医学各科的检查，尤其对眼科和妇科疾病方面的病灶深度、大小、脏器厚薄以及病灶的物理性质等检查比较方便准确。但A超的回波图只能体现局部组织信息，无法反映解剖形态，现已被M超和B超取代。 2.3.2 M型超声诊断仪的应用M超是心电、心音、心搏和M型的多参数同步显示的超声心动仪器。主要由同步控制电路、水平（X轴）扫描发生器、高频脉冲发生器、回波接收电路、生理参数通道和显示器等部分组成。临床诊断中的应用范围：M型超声显像诊断仪，又称为时间-运动型（time-motion mode）超声显像诊断仪。它的主要特点是能测量运动器官，因此专用于心脏的各类疾病的诊断，如对心血管各部分大小、厚度的测量，心脏瓣膜运动状况的测量等。同时还可以输入心脏的其他有关生理信号，进行比较研究，如研究心脏各部分和心电图、心音图之间的关系；研究心脏搏动和脉搏之间的关系等。另外还可以研究人体内其他各运动面的活动情况，因此可以用于对胎儿和动脉血管的搏动等的检测。目前的双导超声心动图仪可以同时比较心脏的两个不同部分的活动情况，使临床的诊断更趋于方便和完善。2.3.3 B型超声诊断仪的应用B型超声诊断仪用于诊断的依据是断层图像的特征，主要由图像形态、辉度、内部结构、边界回声、回声总体、脏器后方情况以及周围组织表现等，它在临床医学方面应用十分广泛。7B型超声诊断仪在临床诊断中的应用范围:1. 在妇产科中的探测可以显示胎头、胎体、胎位、胎心、胎盘、宫外孕、死胎、葡萄胎、无脑儿、盆腔肿块等，也可以根据胎头的大小估计妊娠周数。2. 人体内部脏器的轮廓及其内部结构的探测如肝、胆、脾、肾、胰和膀胱等外形及其内部结构；区分肿块的性质，如浸润性病变往往无边界回声或边缘不气，若肿块有膜时其边界有回声且显示平滑；也可显示动态器官，如心脏瓣膜的运动情况等。3. 表浅器官内布组织探测2.3.4 超声多普勒仪的应用超声多普勒仪种类繁多，根据显示方式的不同，可把它大致分为两类：频谱多普勒仪和超声多普勒显像仪。频谱多普勒根据产生信号的方式不同有分为连续性频谱多普勒和脉冲型多普勒。超声多普勒显像仪包括超声多普勒血管显像仪和彩色多普勒血流显像仪。临床应用范围：应用于产科方面的检查胎儿心脏、胎儿和胎盘的血液循环；对心血管、颅脑、肝胆、胰腺、脾脏、肾脏、眼、腹部和盆腔肿块，浆膜腔积液、乳腺、甲状腺、肾上腺和膀胱以及周围血管类疾病作诊断。一连续超声多普勒诊断仪连续超声多普勒诊断仪通过发射与接收连续多普勒信号，来获得运动目标的信息。这类仪器结构简单，价格低廉，可用来观测心壁、瓣膜、胎体的运动状态这类仪器的测量也存在很的局限性。例如不能判断物体的运动方向，不能探测血流状态。由于没有深度分辨力，它也不能探测运动物体的深度，因此目前除用以胎儿的检测外，已很少在临床上使用。二连续超声多普勒血流计利用连续超声多普勒血流计可以检测血流速度的大小与方向，尤其是在测量高速血流时连续式超声多普勒血流计有其独特的优势。此类仪器仍不能分辨探头和运动目标间的距离，测量结果受声束和运动方向夹角的影响较大，无法了解异常血流的产生部位。三脉冲超声波多普勒血流计脉冲超声波多普勒血流计发射的是超声脉冲同时有延迟电路来控制接收器，使得这种仪器具有距离选通能力。如果采用不同的延迟时间，就可以得到沿声束方向上不同深度的血流速度，从而构成血流剖面图。目前脉冲多普勒血流计与B超显像仪进行组合，用前者检查血流状态，用、后者探测解剖结构，所以能在诊断瓣口与血管狭窄、瓣膜关闭不全及先天性间隔缺损所致的分流方面取得良好的效果。这类仪器也有它的缺点，它所测血流速度的大小即多普勒频移大小受脉冲重复频率的限制。当其频移值超过尼奎斯特频率时，速度高的血流尖峰部分不能正常显示，出现频率倒错的显像。此外，由于采样体积范围很小，需要在断面上反复移动，检测时间较长。四彩色多普勒血流显像仪彩色多普勒血流显像计是通过对散射回声多普勒信息作相位检测并经自相关处理，彩色灰阶编码，把平均血流速度分类以彩色显示，它与B型图像和M型超声心动图相结合，可提供心脏和大血管内血流的时间和空间信息。可同时显示心脏某一断面上全部血流束的分布及数目，腔室形态、大小；表现血流途径及方向；辨别层流、湍流或涡流；测量血流束的面积、轮廓长度和宽度；清楚暗示血管结构异常与血液动力学异常的关系。临床用于心脏瓣膜病，先天性心脏病、心肌病、心脏肿瘤的无创伤诊断，彩色多普勒血流显像直观、形象、快速检测，诊断灵敏和准确率很高。第3章 黑白超声设备黑白超作为一种低成本、性能可靠的简易诊断设备在中国有着广博的市场。本章介绍了黑白超声设备的主要性能指标，并且从硬件及软件两方面举例分析了KN-3000A眼科B型超声诊断仪的结构原理。3.1 黑白超声的性能指标黑白超声的主要性能指标一般有以下五点： 1. 灰 阶（Gray scale）： 早期机器在1664灰阶,现代机器多在256灰阶。灰阶是将声信号的幅度调制光点亮度，以一定的灰阶级来表示探测结果的显示方式，超声诊断仪的断面显示就是灰阶显示，它能反映出富有层次的人体软组织图像，有助于识别病变结构。显示屏上的最黑到最亮的灰度等级差，取决于声信号的强度。82. 分 辨 率： 要用专用模块检测,由经验的超声医生用肉眼也可以判断。超声检测成像系统的分辨力（Resolution）是指能够分辨有一定间距的两个界面(或质点)的能力，通常用可分辨的两个界面间的最小距离来表示。也可用在单位距离内可分辩的点数来表示，后者是前者的倒数，称为分辨率。简言之，分辨力指超声区别或鉴别人体内某一结构的变化或不同于另一结构的能力。分辨力又可分为轴向分辨力、横向分辨力和厚度分辨力。9 轴向分辨力 (Axial resolution)指沿超声波声束轴方向上不同深度超声仪可区分的两个点目标的最小距离，它受超声频率和脉冲长度的影响，超声频率越高，脉冲越窄，分辨力越好。故临床上作小儿及浅表器官的超声检查时，常采用高频探头。 横向分辨力 (Transverse resolution)指在垂直于超声波束轴的平面上可区分两个点目标的最小距离，它与点目标到探头之间的距离有关。声束宽，分辨力低，反之，声束越窄，分辨力越高。因此为了提高超声仪的横向分辨力，通常采用声束聚焦的技术。 厚度分辨力（thickness resolution） 超声显像仪探头除法单晶片或环阵探头外，具有一定厚度，故超声切面图像是一较厚的断层信息的叠加图像。厚度分辨力就是区分探头在厚度方向的横向分辨力。厚度分辨力越好，图像上反映组织的切面情况越真实。3. 功 能：有M型,多普勒功能，多种测量能力(距离,面积,周长,体积)，多幅图像存储，多段STC自由控制，动态聚焦，可配宽频探头，变频功能。 4. 探 头：可配多种探头能力，如：心脏、腹部、凸阵、相控、阴道探头、直肠探头、 食道探头、穿刺探头、术中探头、高频探头等等。 5. 图像处理：黑白翻转，图像边缘处理，平滑处理，修正等。3.2 KN-3000A眼科B型超声诊断仪KN-3000A眼科B型超声诊断仪，该超声诊断仪采用机械扇形扫描B型显示图像。3.2.1 硬件设计一总线描述本仪器的硬件框图如图3.1所示。单片机MCU中的CPU设定采样控制部分和显示控制部分的工作方式，采样控制部分根据CPU设定的方式自动进行数据采样并将数据送入FIFO中保存，而显示控制部分则不断读取FIFO中的数据并根据CPU设定的方式进行显示。同时，CPU还负责处理键盘的输入和通过RS-232接口与上位机进行数据传输。图3.1硬件框图1. MCU本仪器的MCU采用Winbond公司的W78E58单片机。W78E58是 Winbond公司生产的高性能8位单片机，与标准的8052引脚、指令和片内资源全兼容，采用全静态设计，内含32K字节高性能FLASH ROM和256字节内部RAM，内建电源管理方式，具有完善的代码保护功能，可以有效地保护开发成果。2. FPGA本仪器中的采样控制和显示控制，各使用一块FPGA芯片。根据仿真的结构，选用了Xilinx公司Spartan XL系列的XCS30XLPQ208芯片。设计的软件环境使用Xilinx Foundation 2.1i版本。采用了原理图和VHDL语言混合的输入方法，将复杂的控制模块分块放在同一设计项目中，输入完毕后进行功能仿真、编译和器件内部的布局布线，生成定时模拟数据文件，然后进行定时仿真。在定时仿真满足要求后，将数据文件转换为通用编程器可以接受的Intel格式，使用通用编程器ALL-07 对FPGA外附的PROM进行编程。3. FIFO本设计中采用了Averlogic公司的大容量FIFO AL422B作为采样一显示的共享数据RAM，从而使采样部分和显示部分相对独立，体现了一种模块化设计的设计思路。二采样控制采样控制部分的功能是产生激励探头振元的同步窄脉冲、TGC（时间增益控制）控制信号、VDF（电压增益）控制信号和DF（动态滤波）控制信号，进行数据采样和地址转换以及进行数值插补，之后将数据送入FIFO。该部分由一块XCS30XL 实现，其框图如图3.2（虚线框内）所示。图3.2采样控制部分框图其工作过程为：控制逻辑产生电路产生特定的控制逻辑，使电机转动一步，然后地址计数器开始工作，开始采样数据并存入外部RAM。在采样到第五个数据时输出发射脉冲，启动探头工作，然后继续采样。采样完512点后，控制逻辑使电机再转动一步，然后重复以上采样过程，总共驱动电机转动256步后，一帧采样结束，控制逻辑输出相应信号使电机反向转动256步。电机反向转动的这段时间里，控制逻辑将存 放在外部RAM中的数据取出执行插补后再存入外部RAM，在全部数据执行完插补后，将数据按顺序送入FIFO。在电机反转完成后，控制逻辑开始执行新的一帧数据采样，如此断重复。三显示控制显示控制部分完成字符叠加、灰阶变换及标准VGA显示信号的生成，其框图如下图3.3（虚线框内）所示。 图3.3显示控制部分框图其工作过程为：控制逻辑产生电路根据设定的工作方式产生与行、帧同步信号同步的控制时序，从FIFO中读出B超图像信号，经过灰阶变换后送入信号合成电路。同时控制逻辑还产生相应的时序，控制CPU将文字、图形、标志等信号数据写入外部RAM，并将外部RAM中的数据按顺序读出后送到并串转换电路，变成象素数据后送入信号合成电路。信号合成电路将上述两部分信号连同VGA显示消隐信号一 起合成为VGA显示所需的RGB信号数据输出，经过D/A转换后即为模拟RGB信号输出。四信号产生和接收1. 发射脉冲产生电路该电路产生探头振元的激励脉冲，其电路性能的优劣不仅影响到超声发射的功率和接收灵活度，还关系到探测深度和分辨率的好坏，因此对于超声仪器来说它是较为重要的电路。现代超声诊断仪器通常使用所谓“冲击激励”的方法产生超声波发射，即通过对振元施加单个极性脉冲，使振元产生持续时间极短的机械振荡。2. 超声回波的接收信号接收部分将接收到的回波信号放大并进行检波，变成A/D转换器可以接收的信号。其框图如图3.4所示。图3.4接收部分框图3.2.2 软件设计整个软件全部采用汇编语言编写而成，主要完成以下功能：输入ID（病历号）、切换TGC控制方式、切换灰阶变换方式、切换左右眼指示、选择游标、移动选定的游标并计算两游标间的距离、冻结或扫描图像，其流程图如图3.5所示。 图3.5 软件流图本仪器图像的横向分辨率0.5mm，纵向分辨率 0.25mm，实际探测深度52mm，横向位置几何精度10%，纵向位置几何精度5%。与同类产品相比，显示图像清晰、 轮廓分明，达到设计和使用要求，在国内机型中属于较好水平，但与国外先进水平相比，还有一定差距，需要进一步改进。由上述B型超声诊断仪的结构原理可见，现代的超声仪器综合了超声学、无线电电子学、电子计算机、图像处理和医学等多种科学技术，从手动扫描式发展到目前全数字化多功能超声图像系统。第4章 超声实验超声实验课面临着的重大改革，使得教学难度更大。抓超声实验课改革是教学的关键。超声学必须有相当比重的实验课，大纲也要求对学生加强动手能力培养。超声实验课是最直观、最捷径的一种教学手段。本章介绍了两个具体的实验：超声波实验和超声测声速实验。了解超声波产生和发射的机理，学习超声波测量的方法，培养使用仪器的能力。4.1 超声波实验一实验目的1. 了解超声波产生和发射的机理；2. 了解超声探头的结构及作用；3. 学习用超声法来测量固体介质常用参数的方法；4. 学习超声扫描成像技术的应用。二实验仪器本实验使用的是一台数字智能化的超声波分析测试仪。它主要有主机，超声波发射接收卡，A/D转换卡和超声波换能器（探头）；超声波卡和A/D卡在使用时，是插在微机ISA插槽中。1. 主机：是一台微处理机，它是整个系统的枢纽，由它完成系统的控制操作、数据采集、数据存储和数据的分析处理。2. 超声卡：实现超声波发射和接收功能，发射功能：产生100-400V高压电脉冲，激励探头上的压电晶片发出超声波；接收功能：把经探头声电转换而得到的微弱电信号，经三级频带放大和视频放大输至A/D卡输入接口。3. A/D卡：（A/D）转换器就是一个编码器，它对输入模拟量进行二进制编码，输出一个与模拟量大小成一定比例关系的数字量，用于协调超声卡和A/D卡工作的同步信号在本仪器中也是由A/D卡产生的。4. 探头：纵波直探头，横波斜探头，水浸式聚焦探头。 5. 测试试块：本实验中作用的试块为钻有个1横通孔钢和铝试块各一块。尺寸如图4.1所示：图4.1 试块的尺寸(mm)6. 超声测量水漕7. 扫描成像成试块：模拟水下地貌测绘，水下地壳扫描，水下地藏勘测试块各一。8. 耦合剂：机油。 本仪器是基于微机的分析测试设备，其操作使用是通过软件界面实现的。 三实验内容1. 了解仪器的操作界面，了解各个功能的意义。2. 了解探头结构及直探头和斜探头的异同。 3. 测量直探头和斜探头的延迟及斜探头在不同材质中的折射角。 在本实验中可以采用横孔人工反射体测量探头的延迟及折射角。设探头的延迟为t0，两个横孔的深度(已知)分别是 H1和H2，在示波器上可以测得两波对应的声时分别为t1和t2，（注意：这里所指的声程为超声波传播单程）它们里面都包含有探头延迟t0，这样通过联立方程计算，我们就可以得到探头延迟。10图4.2 斜探头折射角测量 4. 测量钢、铝二种材质中超声波纵波速度和横波速度； 5. 分别计算钢、铝二种固体的杨氏模量、体弹性模量，泊松比。 6. 利用超声扫描成像进行水下模拟观测。 7. (选作)测量直探头和斜探的振动频率及纵波、斜波在铝和钢中的波长。 (选作)测量水浸式探头的振动频率及超声波在水中的波长。4.2 超声测声速实验一实验目的1. 学习测量超声波在空气中的传播速度的方法。2. 加深对驻波和振动合成等理论知识的理解。3. 了解压电换能器的功能和培养综合使用仪器的能力。二实验仪器1 声速测量仪2 双踪示波器 3. 信号发生器三实验内容1用驻波法测声速 按图4.3连接电路，使S1和S2靠近并留有适当的空隙，使两端面平行且与游标尺正交。 图4.3 驻波法测声速实验装置图 根据实验室给出的压电陶瓷换能片的振动频率f，将信号发生器的输出频率调至f附近，缓慢移动S2，当在示波器上看到正弦波首次出现振幅较大处，固定S2，再仔细微调信号发生器的输出频率，使荧光屏上图形振幅达到最大，读出共振频率f。 在共振条件下，将S2移近S1，再缓慢移开S2，当示波器上出现振幅最大时，记下S2的位置L0。 由近及远移动S2，逐次记下各振幅最大时S2的位置为L1、L2、L11，共测12个以上。 用逐差法算出声波波长的平均值。2用相位法测声速图4.4 相位法测声速实验装置图 按图4.4连接电路。 将示波器“秒