2023年12月20日发(作者：)
第25卷 第5期生物医学工程学杂志Vol.25 No.5 2008年 10月JournalofBiomedicalEngineeringOctober 2008基于USB2.0的医用内窥镜超声探头旋转扫描成像系统＊陈晓冬 温世杰 郁道银(天津大学精密仪器与光电子工程学院,教育部光电信息技术科学重点实验室,天津300072)Δ 摘要 介绍基于USB2.0接口的医用超声内窥镜旋转扫描成像的设计与实现。根据超声成像的特点,本系统采取脉冲回波成像方式,文中介绍了超声波激发、接收电路以及收发隔离电路。针对旋转扫描的特点,设计了基于FPGA的同步控制电路和基于USB2.0接口的数据传输电路。对采集到的原始图像,进行坐标变换,获得了按直角坐标显示的灰度图像。利用连续旋转马达对实际物体扫描成像的实验结果,验证了系统的正确性。关键词 医用超声内窥镜 超声探头 超声扫描成像 USB2.0接口 坐标变换中图分类号 TH785+.5 文献标识码 A 文章编号 1001-5515(2008)05-1048-05RevolvingUltrasonicProbeforMedicalEndoscopeImagingSystemBasedonUSB2.0ChenXiaodong WenShijie YuDaoyin(CollegeofPrecisionInstrument&Opto-electronicEngineering,TianjinUniversity,Opto-electronicInformationScienceandTechnologyLaboratory,MinistryofEducation,Tianjin300072,China) Abstract Thispapermainlyintroducesthedesignandimplementationofrotaaper,wesimplyintroducetheemissioncircuit,ingtothecharacterofrotaryscanning,wedesignthesynchronouytheo-riginalpolarcoordinateimageistransformedtemperformanceshavebeenvalidatedbytheexperimentads Medicalultrasonicendoscope Ultrasonicprobe Ultrasonicscanningimaging USB2.0inter-face Coordinateconversion1 引 言医用超声内窥镜是电子内窥镜技术与超声传感技术、微机电技术、现代计算机技术等高新技术的不断发展和融合的产物,是当前应用前景非常广阔的医疗仪器[1]层的组织学特征,因此扩大了内窥镜的诊断范围,提高了内窥镜的诊断能力,其诊疗优势已为医学界所共识。与体外超声比较,探头与器官间距离短,避免了脂肪、体腔内气体对成像的影响,获得的图像信息要比体表上获得的扫描信息准确详细。电子内窥镜是通过如食道这样的狭小通道进入人体内部进行检查诊断,而超声探头又是通过内窥镜的钳道口进出,因此微型超声探头成为系统设计的关键,本系统采用微型超声电机前置驱动超声换能器的探头设计方案。本系统采用脉冲回波成像方式[4],利用FPGA实现系统整体时序控制,通过USB2.0接口实时地将超声探头采集的经A/D转换后的数字信号传输。内窥镜超声扫描系统将微型超声探头[2,3]通过电子内窥镜的活检口插入消化道器官后,既可以通过内窥镜直接观察粘膜表面的病变形态,又可以进行超声扫描,获得消化器官管壁各个断＊教育部重点资助项目:医用超声内窥镜关键技术及数字化研究(106048)Δ通讯作者。E-mail:xdchen@
1049第5期 陈晓冬等。 基于USB2.0的医用内窥镜超声探头旋转扫描成像系统 给计算机进行存储、显示。USB总线具有灵活、方便、通信稳定、成本低廉等优点。USB2.0接口使得USB总线的传输速率由原来的12Mb/s提高到480Mb/s,使得超声内窥镜图像信号的实时采集、处理和显示成为可能。实验中用连续马达带动超声换能器转动,得到实际物体的扫描图像,验证了系统的正确性。现有的超声内窥镜系统(如日本富士能产品)都采用体外电机带动进入人体的探头旋转扫描,它们之间通过一根钢丝相连,依靠钢丝的扭动驱动换能器,导致探头寿命非常短。为了解决这个问题,本系统采用微型超声电机前置驱动超声换能器的超声探头设计,如图2所示。2 超声脉冲回波成像原理与系统结构利用换能材料的逆压电效应,将高频电脉冲激励以声波的形式在人体内发射,声波遇到组织器官界面时将产生脉冲回波信号;利用换能材料正压电效应检测这些回波信号,将其转化为电信号,并进行成像处理,就能对此组织器官进行定位,并检测组织的特性。在超声脉冲回波诊断系统中,超声换能器在电脉冲激励下发射短脉冲,而在更长的时间里超声换能器则处在接收状态。 医用超声内窥镜成像系统的原理如图1所示。系统包括超声激发电路、连续旋转马达、超声探头、回波接收及A/D转换电路、FPGA时序控制电路、USB2.0接口和计算机。本系统采用的是B型显示方式,用回波脉冲的幅度调制显示亮度。图2 超声电机前置探头原理图Fig2 Schematicdiagramofpre-ultrasonicmotorprobe 超声电机是利用压电材料制成的驱动器,它依靠摩擦力来驱动超声换能器。与电磁电机相比,超声电机的主要特点:①大力矩低转速,不需减速机构;②能量密度大,可达电磁电机的3～10倍;③响应速度快,仅ms量级;④定位精度高;⑤无电磁干扰;⑥因为靠摩擦驱动,具有自锁功能。内窥镜超声探头通过电子内窥镜的直径仅为2.8mm的活检通道进入体内,因此要求电机加超声换能器的外型尺寸很小,长不超过14mm,直径不超过2.2mm。因此本系统计划分两步进行设计和研制,第一步利用连续旋转电机实现整个扫描成像系统稳定运行,第二步再解决超声探头小型化以及微型电机和换能器信号的动连接问题。本论文着重讨论第一步的研究内容。3.2 超声激发电路超声激发电路由主激发电路和调谐匹配电路两部分组成。主激发电路采用窄脉冲激发方式。窄脉冲发射对缩小盲带、提高探测精度具有重要意义[6]。窄脉冲发射是通过电感或电容快速放电产生尖锐的高压脉冲信号来激励超声换能器以发射超声。考虑到医疗仪器诊断和操作的安全性,采用储能电感瞬时放电方式。该方式以直流低压供电就能达到系统的要求。图3为储能电感快速放电激发换能器发射超声的原理图。 从换能器的发射效率考虑,超声波辐射至发射阻抗的能量,只有串联阻抗为零时才最大,最佳工作图1 医用超声内窥镜系统原理图Fig1 Schematicdiagramofmedicalultrasonicendoscope 激发电路的功能是在超声换能器上施加瞬时高压脉冲,激发超声换能器发射超声波;回波接收电路对超声换能器接收回波后产生的电信号进行放大和解调输出;在激发电路和接收电路工作的同时,由马达带动超声探头旋转,实现对目标物体的扫描;解调出的信号经A/D转换后,经USB2.0数据接口进入计算机内存,完成图像的显示和存储工作。FPGA时序控制电路保证超声波发射、接收、A/D转换以及USB数据传输之间的同步。3 系统模块介绍[5]3.1 微型超声电机前置驱动设计
1050 生物医学工程学杂志 第25卷频率是换能器的串联谐振频率。调谐匹配电路和换能器本身的静态电容调谐于换能器的谐振频率,保证发射电路输出的功率能高效率的传输给换能器。路采用Philips公司的USB2.0接口芯片,并应用增强型51单片机作为本地CPU,承载固件程序,实现对接口电路的全局控制。选用Xilinx公司的CPLD作为DMA控制器,负责DMA信号的发出和读取,实现DMA方式下的数据传输。同时,CPLD还负责产生SRAM的读写控制信号,以及有效的地址信号(见图4)。图3 超声波激发电路原理Fig3 Schematicdiagramofultrasonicemissioncircuit3.3 超声接收电路接收电路用于提取超声回波中携带的人体组织信息。包括放大、滤波、检波以及A/D转换等。超声在胃壁组织中的传播衰减较大,回波信号很微弱,一般在10mV以下,为了提高信号强度,系统采用了高增益前置放大器,放大倍数在40～60dB即100～1000倍左右。回波信号中含有目标的多种信息,如幅度、频率、相位、时间等,因此有幅度检波、相位检波、频率检波。本系统采用B型成像方式[7]图4 USB2.0接口电路原理图Fig4 SchematicdiagramofUSB2.0interface3.5.2 USB2.0数据采集卡的数据接口 USB2.0接口电路通过8条数据线和一条数据传输控制线与超声回波接收电路相连。由FPGA产生的信号控制回波接收电路与接口电路之间的通信,控制信号高电平表示数据传输,低电平表示数据传输停止。接口电路检测到高电平后,开始读数,当该信号变为低电平后,停止读数,处于等待状态,直到该信号再次变为高电平。接口电路采集完一条扫描线的数据后,以DMA方式将采集到的数据送入计算机内存,进行处理和显示。,最终显示的是器官壁各个断层的灰度图像,因此采用幅度检波,检出回波信号的包络,用幅度调制显示亮度。3.4 收发隔离电路本系统采用收发共用的换能器,因此必须设计收发隔离电路。隔离电路能使超声回波信号几乎无衰减地传递到接收电路,同时阻止发射电路的高压激励脉冲,以防对接收电路可能造成的损伤。3.5 USB2.0接口设计本系统中图像大小为512×512,帧频为15Hz,因此要求数据采集系统的传输速率高于3.75Mbyte/s。在USB2.0规范的高速批量数据传输中,1微型帧(125μs)中最大能传输13个数据包,每个数据包的最大有效负载为512字节,高速批量传输的最大速率可以达到50.78Mbyte/s。因此USB2.0接口能够满足医用超声内窥镜系统实时传输和显示图像的要求。3.5.1 USB2.0接口电路的原理 USB2.0接口电[8]4 系统时序控制设计系统采用美国Altera公司的Cyclone系列的芯片实现超声扫描和数据传输的同步控制功能。FPGA作为时序控制模块,完成以下几个部分的工作;(1)产生行同步脉冲信号,控制超声探头以行同步脉冲的周期发射超声波;(2)控制A/D转换的时刻;(3)内建一个RAM接收A/D转换后的数据;(4)与USB2.0接口通信,实现数据实时传输;(5)产生行同步数据头。4.1 行同步脉冲行同步脉冲为超声激发电路提供发射基准时刻,该脉冲由FPGA系统时钟分频得到。行同步脉冲为低电平时,超声激发电路激励超声换能器发射
1051第5期 陈晓冬等。 基于USB2.0的医用内窥镜超声探头旋转扫描成像系统 一次超声波,其回波为图像的一条扫描线信号。行同步脉冲控制超声激发电路的工作原理见图3。4.2 A/D转换控制激发电路发射超声波的时间为3.3μs,之后的时间处于接收状态。胃壁组织的平均厚度为5mm,我们设定距离超声探头5～25mm为系统的有效探测深度。接收20mm内反射回波的时间为38.96μs。因此,接收回波时段中只有这38.96μs内的数据是有效的。FPGA产生的A/D转换控制信号在这段时间内设成低电平,ADC开始模数转换,实现8位数字输出。4.3 内部RAMFPGA内建一个RAM用于在数据采集过程中接收A/D转换后的数据,再输出到USB2.0接口电路,以实现两者之间的速度匹配。4.4 USB2.0接口通信FPGA和USB2.0接口电路之间依靠一条信号线来实现两者之间的数据传输控制。FPGA用高电平表示数据传输状态,低电平表示数据传输停止。USB2.0接口电路检测到高电平后,开始读数;当信号变为低电平后停止读数,处于等待状态,直到该信号再次变为高电平。USB2.0接口电路根据预先设定的一幅图像的扫描线数完成数据采集。4.5 同步数据头FPGA和USB2.0接口电路在进行数据传输时,虽然工作频率一致,但都是根据系统时钟,经过各自的分频电路获得的,彼此之间的延时较严重,而且由于FPGA电路自己的延时,表示数据传输的信号在开始和结束时刻上也不准确,这样就造成了USB2.0接口读取数据的时刻不准确,得不到正确的超声扫描图像。所以由FPGA产生一个特殊的8bit数据作为每一行数据的同步数据头,这样在软件中可依据该数据头获得每一行图像数据的起始位置,保证图像正确显示。复制,并显示和保存。图5 显示程序流程图Fig5 Flowchartofimagingprogram 极坐标图像的样本点与直角坐标图像的样本点的位置并不一一对应,相邻扇形扫描线之间必然有很多漏点需要进行插补,这种现象在远场尤为明显。目前我们采用的插补算法为简单插补法,即采用四舍五入的方法确定极坐标。用户程序的编写及调试采用VisualC++6.0实现。6 实验结果及分析实验采用频率为6MHz的超声换能器,尺寸为2mm×6mm×1.5mm,利用连续旋转马达带动超声换能器扫描成像。 实验对象为一个装满超声耦合液的玻璃杯,将超声换能器从正上方垂直伸入到玻璃杯的耦合液中,进行旋转扫描。如图6所示。5 软件设计系统软件主要功能有:打开相应的USB设备,发出各种控制命令,接收来自USB接口的图像数据,并进行坐标变换,在显示器上实时显示超声图像。程序流程如图5所示。超声回波数据经USB2.0接口进入计算机内存,生成相应的极坐标图像。然后依据极径和极角,找到直角坐标图像中每一点的(x,y)坐标对应的极坐标(ρ,θ),进行像素 图7为超声探头旋转扫描一周所成的灰度图像。图中的中心到边界的一条半径代表一个角度的扫描回波信号,中心区域的黑色部分是由激励信号图6 目标物体Fig6 Theobjectintheexperiment
1052 生物医学工程学杂志 第25卷引入的噪声。图中的深灰色圆环表示扫描到的玻璃杯壁。圆环内部为耦合液,对超声基本无反射,成像为浅色背景。深灰色圆环在图中的位置反映了玻璃杯半径尺寸3cm,其轴向分辨率达到了0.96mm。结合,使其具有观察表面病变和扫描器官断层的双重诊断能力。而且,避免了体外扫描时,脂肪、体腔内气体对超声成像的影响,提高了图像的清晰度。另外,微型超声电机前置驱动超声换能器的探头设计方案,能大大提高系统的使用寿命。参1考文献-jing:ChineseMedicineScienceandTechnologyPress,1993∶339-356,438-496[冯 若.超声诊断设备原理与设计.北京:中国医学科技出版社,1993∶339-356,438-496]ansactions,Ultrasonic,FerroelectricsandFrequencyControl,2000;47(6)∶137734图7 目标扫描图像Fig7 trasonicsSymposium,2000;2∶1101UenoSI,seJournalofAppliedPhysics,1989;28∶1917 结 论以上分析了基于USB2.0接口的超声内窥镜扫描成像系统的结构和功能。实物扫描实验成功的实现了FPGA同步控制下的超声发射、反射回波的放大、滤波、检波、A/D转换及USB2.0接口电路数据传输工作。现场可编程器件FPGA的应用使该系统集成度高、可扩充性强。USB2.0接口的应用保证了超声图像的实时显示,并为系统的安装和使用带来方便。总之,内窥镜超声扫描系统将超声与内窥镜相5XiaoZ,ChenXD,LiWH,eJournalofSen-sorsandActuators,2005;18(3)∶642[肖 哲,陈晓冬,李婉晖等.医用内窥镜超声探头驱动系统的设计.传感技术学报,2005;18(3)∶642]:HarbinIndustrialUniver-sityPress,1989∶109-111[会长善.超声工程.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1989∶109-111]g:ScientificPress,1990∶254-336[应崇福.超声学.北京:科学出版社,1990∶254-336]Compaq,Intel,Microsoft,salSerialBusSpecificationReversion2.0,2000(收高:2006-12-04 修回:2007-02-14)
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