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　　前言

　　醫學超聲成像是利用超聲波通過人體各組織時所反映的聲學特征的差異來區分不同組織,并以圖像的形式顯示出臟器的界面和組織內部的細微結構。這種檢查方式結合了超聲物理學、現代電子技術和生物醫學等多種技術,是繼X線成像技術后,在醫學中發展最迅速,應用最廣泛的成像方法。特別是數字掃描轉換器(DSC)和數字信號處理(DSP)的出現,把B型超聲成像技術推向以計算機數字圖像處理為主導的,功能強,自動化程度高,圖像質量好的新水平。

　　在數字超聲成像系統中,數字圖像處理的方法直接影響著成像的質量。近幾年來,為了提高超聲圖像的分辨率,改善圖像的質量,以便于更好地提取有益于醫療診斷的信息,發展了多種圖像處理的方法。根據處理模式的不同,主要分為兩個方向:(1)一類對圖像中的加性噪聲進行抑制或對圖像進行區域操作,以提高圖像質量。(2)采用反卷積的方法。而在很多圖像處理的算法上,采用的實驗圖像數據是經過一系列線性和非線性及檢波后的圖像數據,原始的超聲射頻信號已經失去了一定的信息。為了更好的評價一個算法的有效性,采用直接從B型超聲系統的射頻信號直接量化而來的原始數據是理想的選擇。但是現階段的大部分醫 
用超聲成像系統所提供的圖像數據都是通過檢波等處理后的數據。因此就有必要設計數據采集卡,來取得直接從射頻信號量化而來的圖像數據。

　　1 系統設計

　　本實驗設計的數據采集卡的實驗對象:Belson200AB型超聲診斷儀。它是便攜式電子凸陣掃描B超,主頻3.5MHz、2.5MHz～5MHz變頻、80基元R60凸陣探頭,探頭寬度:3.84cm,探測深度:≥170mm,掃描范圍:100mm×210mm,256灰階,分辨率:橫向≤2mm縱向≤1mm,掃描線:512線/幀,幀率:30幀/秒。

　　Belson200AB型超聲診斷儀接收及顯示部分的原理框圖如圖1所示。在該圖中,B型超聲波的射頻回波信號通過前置發動、聚焦、微分放大、時間增益補償、檢波等一系列的處理,最后通過數字處理將超聲波圖像送監視器顯示和存儲及打印圖像。根據原始數據的要求,數據采集卡的射頻信號輸入源來之圖1中DF/TGC放大模塊之前的射頻信號。

　　系統設計包含硬件部分和軟件部分,其中硬件部分是基于計算機PCI(peripheral component interconnect)局部總線設計的,采用PCI9054作為PCI局部總線和FIFO數據總線和CPLD控制總線的橋接芯片,它符合PCIv2.2規范的32位33MHz總線主控接口控制器。ADC采用AD9283,8位分辨率和最高100M/s的轉換速率,用到了2片FIFO作為數據緩沖器和LatticeCPLDispMACHLC4128V用于各個芯片之間的邏輯控制。軟件系統用Windriver開發驅動程序和VC集成開發環境編寫應用程序。

　　1.1  硬件設計

　　圖2顯示了本數據采集系統硬件部分的框圖:在該硬件框圖中,PCI9054將兩片FIFO連接到了PC機的PCI局部總線上。

　　PCI9054接口芯片的特點:符合PCIv2.2規范的32位33MHz總線主控接口控制器可獲得高達132兆字節/秒的PCI突發傳輸速度;具有兩個DMA引擎,可編程目標和起始器數據傳輸模式和PCI信息傳輸功能;3.3V,5V容錯PCI信號支持通用PCI適配器設計;靈活的3.3V,5V容錯局域總線操作,高達50MHz;32位多路復用或非多路復用局域總線支持8位、16位以及32位外圍設備和存儲設備;工業溫度范圍操作等。

　　在本設計中采用PCI9054C模式下的從目標模式和DMA模式。通過從目標模式向CPLD發出各種命令控制字來設定采樣率和采樣深度。通過DMA模式,將采集存儲在FIFO的數據通過PCI9054的DMA通道0傳輸到計算機的內存中。為了使ADC采集的數據不被覆蓋,采用兩片FIFO交替存儲數據,數據存儲和讀取時序如圖3所示。

　　圖中觸發脈沖由Belson200AB超儀發出,是該儀器一組陣元發射超聲波和接受超聲波的觸發信號,周期為320μs。Belson200AB超儀的80基元R60凸陣探頭被分成160組陣元,即一幅原始的B超圖像由160線數據組成。數據采集是對每一線采集一定量的數據(采集的數據量可以由CPLD控制),在觸發脈沖的下降沿開始采樣數據,同時鎖存該線在陣元組中的編號地址(該地址由Belson200AB超儀產生,通過排線接入采集卡CPLD的I/O口)。當達到預設的數據量時,通知PC機將數據和地址從FIFO讀入PC機內存。兩片FIFO交替工作的邏輯通過CPLD實現。

　　PCI9054支持兩種方式的DMA傳輸:塊(BLOCK)傳輸和散/聚(Scatter/Gather)傳輸。快傳輸相對簡單,圖4是其傳輸的一個示意圖。只要對PCI9054的各個DMA控制寄存器寫了相應的值,如PCI地址寄存器存保存本次DMA在PC機端一片連續內存塊的起始地址,而Local地址寄存器則保存了Local總線端的起始地址(這里是FIFO存儲器的地址)等。

　　而散/聚(Scatter/Gather)傳輸相對來說較為的復雜。在這種傳輸方式中,DMA控制器從PCI或Local總線存儲器中的傳輸鏈表中加載傳輸參數,其中每個節點包括PCI地址,Local地址,傳輸數據量,同時還必須加上下一塊傳輸節點的地址指針。DMA在啟動時自動將設置的各參數傳遞給相應的寄存器,這樣通過一個傳輸鏈表就可以實現多地址,多數據快的傳輸。DMA控制器通過檢查鏈表結束標志來判斷一個傳輸是否已經結束。這兩種方式可以通過設置PCI9054的DMA控制寄存器DMAMODE0的Bit9來選擇。

　　從目標模式和DMA模式的讀寫時序控制均通過CPLD中的邏輯控制來實現(從目標模式的單周期讀寫時序和DMA模式的讀寫時序可以參考PCI9054DataBook)。為了實現這兩種方式,我們設計了一個簡單的狀態機來實現(如圖5)。S1狀態表示一次傳送周期的開始;S2狀態表示單次傳送周期;S3狀態是突發傳送周期。當PC機通過PCI9054向CPLD寫入控制命令時狀態機應該是S0→S1→S2→S0狀態切換;而當PC機通過PCI9054以DMA方式讀取FIFO數據時狀態機應該是S0→S1→S3→S0狀態切換。

　　圖6是對狀態機控制FIFO讀時序的仿真,其結果符合我們設計狀態機的要求。在該圖中LCLK是PCI9054的Local時鐘,LHOLD是PCI9054申請Local總線的請求信號,LHOLDA是對Local總線申請所作出的應答信號;ADS_(ADS#)有效表示讀寫操作周期的開始;BLAST_(BLAST#)有效表示操作的最后一個周期;LWR_(LWR#)低電平表示讀周期,高電平表示寫周期;ROE_FIFO輸出使能信號; REN_FIFO讀使能信號; READY_(READY#)有效表示Local端數據已經準備好。

　　在PCB板設計中采用雙層PCB板。對PCI信號線,按照PCI局部總線的電氣規范要求布線,信號線的長度不超過1.5英寸,33M時鐘走線控制在2.5±0.1英寸,可以采用蛇形走線來達到該走線長度。為了減小數字信號對模擬信號的干擾將模擬信號部分與數字信號部分的電源和地分別隔離。將PCI總線的電源通過DC-DC轉換再供給模擬電源使用;而將模擬地接入數字地的連接點用高頻磁珠隔離;同時為了減少射頻信號在傳輸中的衰減和干擾,射頻信號的接入采用同軸電纜。

　　1.2  軟件設計

　　軟件的編寫調用Windirver的API函數作為數據采集卡的各種讀寫和控制操作的驅動函數。Windriver驅動編寫簡單,而 
且提供了PLX公司PCI接口芯片的示例程序,極大地提高了開發的效率。整個軟件系統用VC6.0開發,主程序調用和協調各WindriverAPI函數的運行,同時完成對數據的存儲,圖像的顯示等。

　　應用程序界面基于Dialog類,應用程序主要有四個類組成如表1。CUSoundSconnerDlg的基類是CDialog類,用于顯示程序界面和接受各種用戶輸入。

　　PCI9054CARD通用類封裝了Windriver的API函數,用于管理數據采集卡的各種操作,包括對采集卡的初始化、DMA傳送數據、各種控制命令的寫入等。CDisplayImage線程類用于將讀取的數據以BMP圖的格式顯示在PC機屏幕上,也完成對BMP圖像的保存。CGetDatafromDevice線程類將FIFO中的數據以DMA方式讀入PC機內存中,將數據保存在PC機硬盤。該線程類在存活期一直都在查詢FIFO數據就緒滿信號,信號有效就啟動DMA讀取數據。

　　2 實驗結果

　　圖7是用本數據采集系統采集到的一組陣元接收到的一次回聲信號,從圖中可以看出有三個強的回聲信號。其中第一個(從左向右)為探頭的回聲,第二、三個位被測物體上下表面的反射波。高頻噪聲大約在1%左右。

　　圖8是將160組陣元接收到回聲信號按編號組成的一幀圖像,即直接將如圖7所顯示的數據用256色的灰度圖表示,在圖中可以觀察到有三個地方有灰度不同的條紋,第一處(從左向右)為超聲出探頭時形成的回聲所形成,第二、三處分別為被測物體的上下兩個表明的回聲所形成。這與圖7顯示的單組陣元接收到的回聲信號一致。

　　3 結論

　　本數據采集系統較好的將Belson200AB型超聲診斷儀的射頻信號量化成數字信號,并且將數據通過DMA方式傳送到PC機顯示和存儲。高頻噪聲控制在1%左右,為估計該系統的系統函數和數字信號處理算法提供了較好的實驗數據。該系統通過對CPLD器件寫入控制字,可以實現80M、40M、20M的采樣率和采樣深度2K、4K的動態控制。同時本系統也可以用于其它射頻信號的高速數據采集。

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