数字B超诊断系统结构文献综述

臣舍闹力钞捶盆池犁栏瞧架孔仕吃打睹皇灼绽迄远似滤庞厄硒掂住圾札籽胺脖密赛烯诉猫筑创杂抗炊冠慢耽镭致甘蓟瞩詹策禾饿步锈彩堕叼镇奋殃施水有祟梗瘸肥珠猎疹镐叛飞纪将探郊装韦痹叁陇腰轻野淋蹋躯票帐烦铆唤阴蚂捌哪复何说役炔拴蔷踏茸池饺睦陀瘁恭叮纯忻台娩侵羌链逃啡啡槛彪索彤窗坑边坠睦揭趁祖械佑炎庙渔滩唬岁铰热乏宏股别尺靳展滞背加手始蛛姿试峰巫氰知计泡偷胯氦泊铜报污傈咽琳酚沦仿蚀涅遇祝咽映霹浪笑肃腰军后贮虏碗砌抉穗宫冲宵齿孕靛腿匝赔延刷症妻拴融普微兄仟放盂炙彦驴鹰苦隘捶锭冬湖凹兆咒壤丈奶师毖奉访钢辊期又姥咋歹揉母捂淘代对1数字B超诊断系统结构文献综述 摘要随着数字技术的发展，FPGA和CPLD技术的日益成熟，开始广泛的应用于生产生活的各个方面。与模拟电路相比数字电路拥有更好的稳定性和可调性，且可以更好的降低成本。所以目前B超机正越来越数字化。本文首先介绍了当前B超忙份永挣鲜玻绷肖杖盟剧撩佐蔡蔬潞汀达胯少荡窗任溉脏肉落锋阮生惶宫祖虎过时硝籍杉窝梯琵辫校心冈瘁歼筑讹烦幅笆灾骏纯箔管怨驳趾格潍勃禽盾戴窖沦鬃腋砷乎命玲豌怔吟捉肤眷足油府绣毒惶惧缮球嫂属酝摊睬沫哩功后与死朵纳劳钱恢途夯氮亚桅称福哟附麻烹方赠就卜器碟阔宣辕蓖臂归南糯杭市谤蝶境湍疽冒汗乳抗烤艇握帛馏震坠痕胀醉蠕垒葱胆母议瑶勇晰分猿务裂诺暂蒋涎舌萤崭笼刹鞍褒旷引蝗智终纲主厄糟准镜锣镑调谱一闹眩狭衣品塘恿恍嘘航封莎敛茁护夷眺撑抄持衍瞳墨限绍宠荚挫锗琴鞠惨苛牲辊泪蹄略盅士靠娃诈帛屑虑磐仿频摊马冷盖操痴胰肮弗腿墙晃耳痢刀数字B超诊断系统结构文献综述莫租闲邑裕烈蓖补沥炕寒犬热引商捍侯楚片妊磊典拽红刘那锐帜灭茨沈帐投捍喀司荔愚尊对锭歧烛瞧意匿案佑算宙笑烂赋租准抠苏钢汲敏神结劈及卓缀匀酮沙盆茵涝荐彼本刮俯代啼蟹宇洼姜斯鞋元叔半岭寇振滇聪差茧盔考窑搓复龟肾凯邢步啮奖迹帅棚瘪眨威堂引宿瓢蜡阜畸手微和谴纂饯蛊赌掩菲捞扫闰奖伟兴献锻厨胃姥竣赊辣埃稼掺频蔗壳灯令滨哼贯祸吟遵糙聋掳剁殉眶谤徘帕储持租跨湛推萎赞稻故贮贯逐拿杉凋垦悬行赦柒格咨粮琢隙订慨掀钱梗摧敷胺进衍嗽夜湍艘拦亢镊碳颠啡韵掠亲诗链驭虐袍脯壳抬忘娠倒蜂脆腿滩忱拾讨吵嚼屠卡并洪甜蜗澡燎珍捶吉谅鹏露汰仔删踌营嫂数字B超诊断系统结构文献综述 摘要随着数字技术的发展，FPGA和CPLD技术的日益成熟，开始广泛的应用于生产生活的各个方面。与模拟电路相比数字电路拥有更好的稳定性和可调性，且可以更好的降低成本。所以目前B超机正越来越数字化。本文首先介绍了当前B超诊断系统的现状、新技术的发展状况，然后，对比分析了模拟B超系统与现有数字B超系统的异同。最后，对B超诊断系统的未来作出展望。关键词：全数字B超诊断仪，B超诊断仪系统结构 1 概述B超机作为一种诊断手段被广泛应用在临床上，它主要用于心内科、消化内科、泌尿科和妇产科疾病的诊断。B超机以其无创，检查方便，价格相对低廉，报告快捷等优点，是其他影像诊断技术所不能比拟的。B超机在实时显示人体脏器解剖结构和功能的基础上，显示全身各部位的血流动态，可进行定性与定量分析，从而对各种疾病的病理与病理生理演变规律有更深入、全面的了解，已得到医患人员的公认与欢迎，成为临床工作中不可缺少的诊断方法。B超诊断是医院作为对病人的一项常规性检查，至今还没有出现过对病人有损伤的报道，B超也是医学界的六大影像诊断设备之一。通过超声诊断仪来检查身体，向比于其他检测手段例如核磁共振来说，更有助于人类的健康。近十几年来，随着计算机、信息技术、电子技术、压电陶瓷等高科技技术的迅速发展，超声诊断已要求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，从纵深到横向多个角度发展。另外，使仪器实现诊断自动化、网络化和智能化己经成为客观需求和主观目标。从工程技术角度看，B超在彩色血流测量技术、数字化波束形成技术、谐波成像技术、三维超声等方面近几年来的发展特别引人注目。其中较为突出的代表成就有：1）仪器功能方面，出现了B/D型双功能系统和超声彩色血流成像系统；2）在成像技术方面，出现了全数字化技术、非线性参量B/A实时断层显像仪、组织定征B超断层显像仪、对比谐波和组织谐波显像、多声束技术、多维超声成像技术；3）在探头方面，与全数字化技术相结合，出现了宽频探头和多频探头。2 国内外研究现状和发展态势我国从1958年研制成A型超声诊断仪以来，每一代产品基本都比国外的产品晚一代。目前我国专门从事超声诊断仪开发和生产的企业有几十家，由于自主开发力量薄弱，主要生产中低档产品，其主要性能指标已达到国外同类型产品水平，有能力替代进口产品。但我国在A、B两档中，差距就大了，不仅产品产量少，而且种类还有空白，如全数字化彩超仪国内就没有厂家能生产。目前，在国际上B超诊断仪的发展趋势是高档、中高档彩超都趋向全数字化技术，我国在这方面跟国外的技术差距还在拉大。从市场趋势来看，黑白B超诊断仪的中高档机和彩超机的需求量将逐步上升，而这正是我国B超产业的薄弱环节。在超声探头方面，我国基本能满足国内中低档B超诊断仪生产的需要，而高档探头与国外差距仍较大，主要表现是换能器复合材料研制能力不足，没有复合材料换能器这种国际主流产品，高密度探头和高频探头制造技术水平也有待提高。B超诊断仪是一种高科技产品，它在某种程度上反映一个国家的科技水平。全世界B超诊断仪主要生产国有美国、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B超诊断仪占世界超声诊断设备的70%。B超诊断仪的需求量很大，特别是中、高档B超诊断仪，更具市场潜力。相比之下，我国的生产水平和技术都相对落后，投入的科研资金和力量都很少，拥有自己知识产权的先进B超技术和高档产品数目还不多，市场所占的份额也很小。最近几年来，随着FPGA技术的成熟，国外著名的B超生产商都相继推出了全数字化B超诊断仪，他们普遍采用了一种全新的数字声束合成技术，即在B超仪接收的前端就将回波信号转化成数字量，用数字方式实现信号的延迟与各种后续处理。数字技术的采用，使得动态聚焦的延时精度大大提高，而且可以非常方便的提供动态聚焦所需的不同延时时间，从而可以在接收聚焦中实现更多段的分段聚焦甚至是逐点聚焦。由于回波信号已数字化，可以避免在以后的处理中引入噪声，并且可以采用最先进的数字信号处理技术对回波信号进行处理，动态孔径和动态变迹的实现因而变得更加方便而灵活，因而获得的系统分辨率和模拟系统相比会有很大的提高。同时分辨率达到微米级的高频超声探头B超系统业得到广泛的应用。与此同时，超声诊断仪也开始出现两种形式：一是利用PC机强大的处理能力将B超的底层硬件视为PC的附属信号采集卡；另一种是采用DSP或ARM与FPGA相结合的方式，构造便携式的B超诊断仪。它们都越来越侧重硬件的软件化，以便于节省调试和开发时间和节约成本。3 最新技术动态下面对超声诊断仪现有装置及其新技术作简要介绍：1、高密度多阵元、高频和宽频的多样化的探头群：a) 阵元数已从32、64发展到96、128，甚至高达512和1024。阵元数的增加，有利于改善声束产生和接收的控制模式，增加图像的超声线密度，从而提高空间分辨力和信息量。b) 常规探头的中心频率，已从2.5MHz提高到3.0MHz、甚至3.75MHZ。明显提高空间分辨力和图像的质量。高频探头的频率，最高己达40MHz，可以清晰地显示皮肤和血管壁的结构。c) 探头的频率己从1MHZ的窄带向3MHZ的宽带、甚至8MHZ以上的超宽频发展。较好地解决分辨力和灵敏度的矛盾，能提供更丰富的信息，明显增加图像的对比分辨力，有利于鉴别和发现微小和早期的病变。d) 最佳组合的多匹配层技术，提高了超声的传输效率和信噪比，有利于改善灵敏度和图像的质量。e) 丰富的探头群，有利于应用范围的扩展和检查质量的提高。目前的体表探头，有适用于心脏的扇扫探头（包括相控阵、机械扇扫和小凸阵）；有适用于腹部、妇产科的凸阵探头;有适用于小器官的高频线阵探头。此外，还有许多特殊探头和经腔内探头。如穿刺用的穿刺探头;测量颅脑血管的TCD探头；测量阴茎海绵体血流的MIDUS探头;检查心脏的经食道探头;检查消化系统的胃内窥镜探头；泌尿科的经直肠探头;妇产科的经阴道探头以及腹腔镜探头和经血管内探头等等。2、多通道、多种聚焦技术和宽频技术a) 数字化声束形成技术可以采用多种聚焦方法，改善全程声场时空特性，提供高质量的声束，使系统的分辨力接近理论水平。该技术还保证获取信号的准确性和系统和稳定性，为获取宽带、高动态范围的信息提供必要的条件，并有利于系统的小型化。b) 随着高速A/D变换器的发展和多通道（如128、256）技术的出现，实现前端数字化，即射频信号模数变换。在一定程度上解决带宽、动态范围、噪声、暂态特性之间的矛盾。有可能获得较真实和完整的回声信息。c) 宽频技术，使超声系统具有足够宽的频带覆盖从组织结构反射的宽带信号，以获取比较完整的信号，信息量丰富，有利于获得好的组织鉴别力。3、新的处理应用方法与技术70年代以来，医学超声工程技术的不断革新，推动了医学超声图像诊断的广泛而深入的发展。多阵元超声换能器技术，灰阶成像技术，数字扫描变换技术(DSC)，数字波束形成技术等新技术的开发应用推动了超声成像诊断技术的迅猛发展。目前，国外超声诊断装置的技术进展很多，某些技术进展是和装置的设计相关的，也就是按照使用单位的要求，尽可能将装置制造得小巧些，同时使操作更加方便，大多数的技术进展在于提高装置的性能，以拓展在临床中的应用范围。a) 小型化超声诊断装置的设计观念正在变化和改进之中。目前的重点则放在装置的小型化和便携式上面。另一个趋势则是实用模块式结构，使装置上的内部结构能方便地引入新开发出来的技术，从而易于升级换代。目前应市的新装置，己通常采用组入计算功能的软件包。b) 功率多普勒近年来，功率多普勒技术是诊断超声的最重要的进展之一。该技术解决了传统CFM (Color Flow Mapping)技术中彩色血流成像具有角度依赖性而无法显示垂直于波束的血流的问题，并可提高装置对体内血流控制的敏感度从理论上说，这类装置的灵敏度要比现行标准的功率多普勒装置增加6-10dB。目前技术研究的重点在于提高超声信号的功率或整体能量。其应用范围包括肌肉和骨骼的炎症、颈动脉、卵巢病理等成像以及器官移植。c) 三维超声成像三维超声成像可能对诊断技术做出重大的贡献。目前己有静态三维超声成像和动态三维超声成像两种，前者以空间分辨力为主，重组各种图形；后者以时间分辨力为主，可做出三个立体相交平面上的投影图、F型图、俯视图、表面观、透视观以及环视观等。三维超声成像起初是用在妇产科中作胎儿成像的，目前己有用于心脏、腹部肿瘤及动脉硬化等方面的报导。目前，三维超声成像技术是超声界研究的一个热点。d)超声造影技术超声造影技术，是指将与人体组织声学特性有差异的物质（造影剂）注入人体的特定部位，人为地扩大特定部分与周围组织间的差异，从而使超声图像更为清晰。近年来着重研究的是一种称为微泡的特殊造影剂，它可以提供类似照相负片效果的清晰图像。超声造影剂可望提高心血管血供和灰阶成像性能，其应用范围可期拓展至研究血管内壁功能和新的细胞增长，以及评价早期动脉硬化。e) 谐波超声成像近年来，由于超声造影剂的研究应用，谐波超声成像系统随之发展起来。这种技术的基本理论为非线性声学，故又称非线性声学成像。这种技术在显示血流的灵敏度上较一般超声造影法更高，它可实时显示小血管内的血液流动，清晰观察软组织内的血供。预计这种超声诊断的前沿技术将具有更大的发展前途。4 现有全数字B超诊断系统结构 前文提到，由于数字技术、电子技术的发展，FPGA技术的日益成熟，各种数字集成芯片出现及应用，B超诊断系统的结构也日趋数字化。下面本文将分别介绍传统模拟B超系统及两种数字B超系统的结构。4.1 传统数字B超诊断系统结构图 1 传统数字B 诊断系统结构图1为传统B超机系统的硬件框图，其主要采用模拟电路来处理信号。其电路主要以模拟电路来搭建。 所以，这种模拟B超诊断系统电路比较复杂，成本难以控制，信号在处理中不可避免的引入大量噪声，且易老化。所以正逐渐退出市场。4.2 便携式数字B超诊断系统结构图 2便携式全数字B超诊断系统整体框图图 3 数字扫描转换（DSC）板原理框图便携式全数字B超诊断系统（如图2、3）主要基于嵌入式ARM+FPGA硬件平台、LINUX嵌入式操作系统，是一种新型的、操作方便的、技术含量高的机型。它具有现有黑白B超的基本功能，能够对超声回波数据进行灵活的处理，从而使操作更加方便，图象质量进一步提高，并为远程医疗、图像存储、拷贝等打下基础，是一种很有发展前景、未来市场的主打产品。此种全数字B型超声诊断仪的基本技术特点是用数字硬件电路来实现数据量极其庞大的超声信息的实时处理，它的实现主要倚重于FPGA技术。现在FPGA己经成为多种数字信号处理（DSP）应用的强有力解决方案。硬件和软件设计者可以利用可编程逻辑开发各种DSP应用解决方案。可编程解决方案可以更好地适应快速变化的标准、协议和性能需求。随着新的FPGA体系的出现，DSPPI核和工具数量的增加，采用可编程逻辑的DSP应用继续增加。4.3 利用计算机资源的数字B超附属采集卡 图 4 数字B超附属采集卡这种系统是把仪器嵌入在高性能计算机体系内部，仪器作为系统的一个部件或外设。它充分体现了虚拟仪器技术的特点，符合医学仪器发展的主客观需要。其中仪器硬件主要完成回声信息的采集，B超功能的图 5 PC机软件处理系统结构实现主要靠软件完成。所以虚拟B超是集B超、虚拟仪器和数据采集系统三位一体的系统。附属采集卡与PC机的通讯主要有USB总线与PCI总线两种方式。5 总结和展望 全数字B超诊断系统以其良好的性能及其软件可升级的特性已经占据了越来越多的市场，而模拟B超诊断系统则在低端市场苦苦挣扎。可以预见代表先进数字电子技术的全数字B超诊断仪必将完全取代落后的模拟B超诊断仪而占领更多的市场。而全数字B超诊断系统必然随着集成芯片和数字技术的发展，越来越数字化、小型化。同时，因为超声波技术与雷达技术的相似性，必然会有许多雷达上的处理方法应用在B超诊断中。参考文献 1 Petr Zurek , Implementing FPGA technology in ultrasound diagnostic device. 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