專利名稱：嵌入式b型超聲診斷設備及其信號處理方法
技術領域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療儀器，特別涉及一種嵌入式B型超聲診斷設備及其信號處理方 法，是一種內含嵌入式操作系統(tǒng)的B型超聲診斷設備。
背景技術：
全數(shù)字B型超聲診斷儀具有無創(chuàng)傷、簡便易行、相對價廉等優(yōu)勢，在臨床中越來越 得到廣泛的應用。它將超聲波技術、微電子技術、計算機技術、機械設計與制造及生物醫(yī)學 工程等技術融合在一起。目前，公知的全數(shù)字B型超聲診斷儀由包括探頭、控制鍵盤、前級 控制器的前端信號采集部分和包括功能鍵盤、CPU、存儲器、顯示器的信號處理部分構成。其 基本工作過程是首先在前端信號采集部分接收到用戶通過控制鍵盤發(fā)出的命令，然后前 級控制器根據(jù)命令控制探頭發(fā)射超聲波并接收回波信號，CPU分別進行前期處理、后期處 理、合成圖像，最后顯示圖像。因此，由一個實時CPU時鐘控制的掃描、前期處理、后期處理， 包括DSC處理和平滑化的視頻圖像處理系統(tǒng)，同時顯示常規(guī)的內容、標注信息、各科室需要 的算法處理及顯示，圖像的存儲、回放，鍵盤等的控制也是由CPU完成的，由于CPU的負擔過 重，所以整個系統(tǒng)的實時性、可靠性和兼容性較差，在正常工作時會出現(xiàn)死機現(xiàn)象，傳統(tǒng)的B 超只能連接視頻打印機，價格一般在萬元以上，普通用戶難以接受。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種嵌入式B型超聲診斷設備及其信號處理方法，該設備 采用多處理器協(xié)同工作提高了系統(tǒng)的實時性、可靠性和兼容性，在正常工作時不會出現(xiàn)死 機現(xiàn)象。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是
一種嵌入式B型超聲診斷設備，包括殼體和顯示器，在殼體中安裝有電源模塊、信號采 集和處理電路，所述電源模塊提供士80V、士60V、12V、士5V的電源；所述信號采集和處理電 路包括8路A/D轉換電路、FPGA芯片和ARM9芯片，F(xiàn)PGA芯片連接有動態(tài)存儲器，所述8路 A/D轉換電路接收來自探頭的超聲波信號，所述8路A/D轉換電路的輸出連接至FPGA芯片 的數(shù)據(jù)輸入口，所述FPGA芯片的控制口與ARM9芯片的控制口連接，ARM9芯片的數(shù)據(jù)口連 接FPGA芯片的數(shù)據(jù)口，F(xiàn)PGA芯片連接顯示器。所述動態(tài)存儲器包括用于圖像回放的SDRAM存儲器、用于數(shù)據(jù)運算的SRAM存儲器 和用于存儲幀圖像的SRAM存儲器。所述FPGA芯片內部順序連接設置有數(shù)據(jù)接收模塊、用于調節(jié)回波信號強度的可 變孔徑控制模塊、得到一線波束數(shù)據(jù)的聚焦延時疊加模塊、隔直降噪處理模塊、動態(tài)濾波模 塊、包絡檢波模塊和對數(shù)壓縮模塊。所述FPGA芯片內部還進一步設置有時鐘管理模塊，所述時鐘管理模塊輸出的時 鐘有 20MHZ、40MHZ、50MHZ、80MHZ。一種嵌入式B型超聲診斷信號處理方法，包括有一個信號采集和處理電路，所述信號采集和處理電路包括8路A/D轉換電路、FPGA芯片和ARM9芯片，F(xiàn)PGA芯片連接有動 態(tài)存儲器，所述8路A/D轉換電路接收來自探頭的超聲波信號，所述8路A/D轉換電路的 輸出連接至FPGA芯片的數(shù)據(jù)輸入口，所述FPGA芯片的控制口與ARM9芯片的控制口連接， ARM9芯片的數(shù)據(jù)口連接FPGA芯片的數(shù)據(jù)口，F(xiàn)PGA芯片連接顯示器，在FPGA芯片內部順序 連接設置有數(shù)據(jù)接收模塊、可變孔徑控制模塊、聚焦延時疊加模塊、隔直降噪處理模塊、動 態(tài)濾波模塊、包絡檢波模塊、對數(shù)壓縮模塊和時鐘管理模塊，所述時鐘管理模塊輸出的時鐘 有20MHZ、40MHZ、50MHZ、80MHZ ；所述的ARM9芯片植入LINUX操作系統(tǒng)，所述信號處理方法 包括的步驟有
a.數(shù)據(jù)接收模塊接收外部8路AD電路芯片提供的IObit數(shù)據(jù)，存為wire型，作為后級 的輸入；
b.可變孔徑控制模塊將接收的數(shù)據(jù)用高速乘法器，分別通過6bit數(shù)據(jù)對每通道數(shù)字 信號進行實時動態(tài)加權處理，實現(xiàn)每個通道的信號由關閉到打開的控制，其信號強度分成 了 64個不同等級，以適應近場、遠場對各通道數(shù)據(jù)處理的不同要求；
c.聚焦延時疊加模塊通過高速加法器將前級數(shù)據(jù)查表累加得到一線波束數(shù)據(jù)；
d.隔直降噪處理模塊通過一個2-9MHz的FIR帶通濾波器對數(shù)據(jù)信號濾波；
e.動態(tài)濾波模塊通過FIR帶通濾波器自動配置參數(shù)對數(shù)據(jù)信號完成不同深度的不同 帶通頻率的濾波；
f.包絡檢波模塊通過3MHz32階FIR帶通濾波器對數(shù)據(jù)信號進行包絡信號提取；
g.對數(shù)壓縮模塊完成對包絡數(shù)據(jù)的二次采樣、取絕對值和對數(shù)壓縮。所述自動配置參數(shù)是在FPGA中設置的的表格中配置，所述表格是根據(jù)超聲波在 人體中傳播的衰減特性編制的。本發(fā)明的有益效果是
1.本發(fā)明采用多處理器協(xié)同工作，采用嵌入式操作系統(tǒng)，可以方便的開發(fā)大量的應用 軟件包，方便醫(yī)生的使用，可以大量的存儲凍結和回放圖像，方便醫(yī)院存檔、查詢；
2.本發(fā)明電路可以方便的與現(xiàn)有的存儲介質如U盤、硬盤、光驅等接口電路連接，直接 連接普通的噴墨或激光打印機；
3.本發(fā)明電路模塊化，可伸縮性強、實時性能好，通信能力強大，界面豐富美觀，使得整 個B超系統(tǒng)性能更穩(wěn)定，在正常工作時不會出現(xiàn)死機現(xiàn)象。下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細的描述。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結構圖2為本發(fā)明FPGA芯片中各模塊的關系圖； 圖3為本發(fā)明信號處理流程圖。
具體實施例方式實施例1
一種嵌入式B型超聲診斷設備實施例，參見圖1、圖2和圖3包括殼體，殼體上安裝有顯 示器，在殼體中安裝有電源模塊、信號采集和處理電路，所述電源模塊為整個診斷設備提供士 80V、士 60V、12V、士 5V的電源；所述信號采集和處理電路包括8路A/D轉換電路1、FPGA 芯片2和ARM9芯片3，F(xiàn)PGA芯片連接有動態(tài)存儲器，所述8路A/D轉換電路接收來自探頭4 的超聲波信號，所述8路A/D轉換電路的輸出連接至FPGA芯片的數(shù)據(jù)輸入口，所述FPGA芯 片的控制口與ARM9芯片的控制口連接，ARM9芯片的數(shù)據(jù)口連接FPGA芯片的數(shù)據(jù)口，F(xiàn)PGA 芯片連接顯示器5。所述動態(tài)存儲器包括用于圖像回放的SDRAM存儲器6、用于數(shù)據(jù)運算的SRAM存儲 器7和用于存儲幀圖像的SRAM存儲器8。所述FPGA芯片內部順序連接設置有數(shù)據(jù)接收模塊201、用于調節(jié)回波信號強度 的可變孔徑控制模塊202、得到一線波束數(shù)據(jù)的聚焦延時疊加模塊203、隔直降噪處理模塊 204、動態(tài)濾波模塊205、包絡檢波模塊206和對數(shù)壓縮模塊207。所述FPGA芯片內部還進一步設置有時鐘管理模塊208，所述時鐘管理模塊輸出的 時鐘有20MHZ、40MHZ、50MHZ、80MHZ。其中20MHZ用于濾波，40MHZ用于接收外部8路AD電 路芯片提供的IObit數(shù)據(jù)，50MHZ用于超聲波的發(fā)射，80MHZ用于對圖像的處理。所述可變孔徑控制模塊中包括有7組獨立的高速乘法器，所述聚焦延時疊加模塊 中包括有7個獨立的高速加法器，所述隔直降噪處理模塊包括有2-9MHz的FIR帶通濾波 器，所述動態(tài)濾波模塊包括有FIR帶通濾波器，所述包絡檢波模塊包括有3MHz32階FIR帶 通濾波器。實施例中ARM9采用的型號是三星公司的S3C2440，F(xiàn)PGA選用Xilinx公司斯巴達 系列的XC3S700A。實施例2:
一種嵌入式B型超聲診斷信號處理方法實施例，參見實施例1，所述處理方法包括有一 個信號采集和處理電路，所述信號采集和處理電路包括8路A/D轉換電路1、FPGA芯片2和 ARM9芯片3，F(xiàn)PGA芯片連接有動態(tài)存儲器，所述8路A/D轉換電路接收來自探頭4的超聲 波信號，所述8路A/D轉換電路的輸出連接至FPGA芯片的數(shù)據(jù)輸入口，所述FPGA芯片的控 制口與ARM9芯片的控制口連接，ARM9芯片的數(shù)據(jù)口連接FPGA芯片的數(shù)據(jù)口，F(xiàn)PGA芯片連 接顯示器5，在FPGA芯片內部順序連接設置有數(shù)據(jù)接收模塊201、可變孔徑控制模塊202、 聚焦延時疊加模塊203、隔直降噪處理模塊204、動態(tài)濾波模塊205、包絡檢波模塊206、對數(shù) 壓縮模塊207和時鐘管理模塊208，所述時鐘管理模塊輸出的時鐘有20MHZ、40MHZ、50MHZ、 80MHZ ；所述的ARM9芯片植入LINUX操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)對信號處理方法包括的步驟有
a.數(shù)據(jù)接收模塊以40MHz的時鐘接收外部8路AD電路芯片提供的IObit數(shù)據(jù)，存為 wire型，作為后級的輸入；
b.可變孔徑控制模塊將接收的數(shù)據(jù)用7組獨立的高速乘法器，分別通過6bit(6位二進 制數(shù))數(shù)據(jù)對每通道數(shù)字信號進行實時動態(tài)加權處理，從而達到每通道的數(shù)據(jù)從關閉到完 全打開效果，6bit數(shù)據(jù)相當于將信號強度分成了 64個不同等級，以適應近場、遠場對各通 道數(shù)據(jù)處理的不同要求，根據(jù)遠場、近場、探頭類型等的不同參數(shù)并結合實際的顯示效果， 確定出每線的分段位置及數(shù)量，然后將數(shù)據(jù)制作成數(shù)據(jù)表；供計算時調用，本模塊的輸出數(shù) 據(jù)為lObit，寫入存儲器，所述的參數(shù)是存儲在寄存器中的根據(jù)不同探頭計算出的已知參數(shù) 表中的參數(shù)；
c.聚焦延時疊加模塊通過7個獨立的高速加法器將前級數(shù)據(jù)查表累加得到一線波束數(shù)據(jù)的步驟；本模塊使用了 7個獨立的高速加法器，以40MHz的時鐘對前級的數(shù)據(jù)進行流 水累加，實現(xiàn)整根聲線數(shù)據(jù)的點點聚焦，延時的時間通過延時控制地址表獲得，延時控制地 址表根據(jù)探頭類型的不同而不同，每種探頭有一個獨立的表格(是已知表格)，為了節(jié)省空 間，要對地址數(shù)據(jù)進行壓縮存儲，目前支持的探頭類型包括80振源3. 5M凸陣探頭、80振源 6. 5M腔內探頭和80振源7. 5M線陣探頭；
d.隔直降噪處理模塊通過一個2-9MHz的FIR帶通濾波器對數(shù)據(jù)信號進行濾波的步驟； 初步濾除干擾，得到相對干凈的信號；
e.動態(tài)濾波模塊通過FIR帶通濾波器自動配置參數(shù)對數(shù)據(jù)信號進行濾波的步驟，所述 自動配置參數(shù)是在FPGA中設置的表格中配置，所述表格是根據(jù)超聲波在人體中傳播的衰 減特性編制的表格存到存儲器中；
f.包絡檢波模塊通過3MHz32階FIR帶通濾波器對數(shù)據(jù)信號包絡信號提取的步驟；所 述濾波器增益為1，輸入輸出均為13bit數(shù)據(jù)；
g.對數(shù)壓縮模塊完成對包絡數(shù)據(jù)的二次采樣，取絕對值和對數(shù)壓縮的步驟。二次采樣 的采樣頻率根據(jù)探頭類型、放大倍數(shù)、探測深度等信息靈活確定，以便得到更清晰的圖像； 對數(shù)壓縮通過查表進行，通過配置多個對數(shù)表，可以實現(xiàn)多種顯示效果，來滿足用戶的需 要。根據(jù)上述步驟，其數(shù)據(jù)流向如下采樣數(shù)據(jù)通過可變孔徑控制模塊對各通道數(shù)據(jù) 進行計權，再通過聚焦延時疊加模塊對各通道數(shù)據(jù)進行疊加，合成一路，完成波束形成；波 束形成數(shù)據(jù)通過隔直降噪處理模塊進行2-9Mhz的帶通濾波，去掉直流，低頻和高頻干擾； 再通過動態(tài)濾波模塊分段進行噪聲的濾除，然后進行包絡檢波；將包絡檢波后的數(shù)據(jù)進行 取絕對值，二次采樣，對數(shù)壓縮，輸出的數(shù)據(jù)取8位即可送到后級進行圖形圖像的進一步處 理了 ；時鐘管理模塊為其他模塊提供同步時鐘。實施例中ARM9安裝嵌入式操作系統(tǒng)，完成輔助顯示內容、標注信息等的疊加，各 科室需要的算法處理及顯示，圖像的存儲、回放等控制。FPGA外掛幾個RAM芯片，用來存放 電影回放、測量計算和幀存儲。ARM9用來內嵌操作系統(tǒng)，規(guī)劃視頻界面，F(xiàn)PGA解析前端處理 命令，并在內部通過數(shù)字圖像處理技術，實現(xiàn)圖像插值、坐標變換、幀相關、線相關等圖像處 理，ARM9與FPGA實時通信，監(jiān)督管理FPGA內部的操作，同時ARM9實現(xiàn)部分按鍵的功能控 制。FPGA前級處理作用就是發(fā)射和接受超聲信號，并把最原始的回波信號在FPGA中 運用復雜的數(shù)字信號處理算法，還原出原始圖像。整個系統(tǒng)的后級信號處理部分采用ARM9 系統(tǒng)與FPGA協(xié)同處理，ARM9內部植入嵌入式操作系統(tǒng)，處理功能按鍵和FPGA后級處理的 通信，F(xiàn)PGA與ARM9顯示部分的接口采用ARM9的液晶接口，讀寫時序模仿液晶的讀寫操作 時序。這樣FPGA只負責后級圖像的處理，而系統(tǒng)的操作就轉交給ARM9內部的嵌入式操作 系統(tǒng)來處理。另外，F(xiàn)PGA控制存放臨時數(shù)據(jù)如幀存儲或測量數(shù)據(jù)。最后通過FPGA和ARM9 一同把超聲圖像顯示到CRT顯示器上。
權利要求
嵌入式B型超聲診斷設備，包括殼體，殼體上安裝有顯示器，在殼體中安裝有電源模塊、信號采集和處理電路，所述電源模塊提供±80V、±60V、12V、±5V的電源；其特征在于，所述信號采集和處理電路包括8路A/D轉換電路、FPGA芯片和ARM9芯片，F(xiàn)PGA芯片連接有動態(tài)存儲器，所述8路A/D轉換電路接收來自探頭的超聲波信號，所述8路A/D轉換電路的輸出連接至FPGA芯片的數(shù)據(jù)輸入口，所述FPGA芯片的控制口與ARM9芯片的控制口連接，ARM9芯片的數(shù)據(jù)口連接FPGA芯片的數(shù)據(jù)口，F(xiàn)PGA芯片連接顯示器。
2.根據(jù)權利要求1所述嵌入式B型超聲診斷設備，其特征在于，所述動態(tài)存儲器包括用 于圖像回放的SDRAM存儲器、用于數(shù)據(jù)運算的SRAM存儲器和用于存儲幀圖像的SRAM存儲ο
3.根據(jù)權利要求1所述嵌入式B型超聲診斷設備，其特征在于，所述FPGA芯片內部順 序連接設置有數(shù)據(jù)接收模塊、用于調節(jié)回波信號強度的可變孔徑控制模塊、得到一線波束 數(shù)據(jù)的聚焦延時疊加模塊、隔直降噪處理模塊、動態(tài)濾波模塊、包絡檢波模塊和對數(shù)壓縮模 塊。
4.根據(jù)權利要求1所述嵌入式B型超聲診斷設備，其特征在于，所述FPGA芯片內部還 進一步設置有時鐘管理模塊，所述時鐘管理模塊輸出的時鐘有20MHZ、40MHZ、50MHZ、80MHZ。
5.嵌入式B型超聲診斷信號處理方法，包括有一個信號采集和處理電路，其特征在于， 所述信號采集和處理電路包括8路A/D轉換電路、FPGA芯片和ARM9芯片，F(xiàn)PGA芯片連接有 動態(tài)存儲器，所述8路A/D轉換電路接收來自探頭的超聲波信號，所述8路A/D轉換電路的 輸出連接至FPGA芯片的數(shù)據(jù)輸入口，所述FPGA芯片的控制口與ARM9芯片的控制口連接， ARM9芯片的數(shù)據(jù)口連接FPGA芯片的數(shù)據(jù)口，F(xiàn)PGA芯片連接顯示器，在FPGA芯片內部順序 連接設置有數(shù)據(jù)接收模塊、可變孔徑控制模塊、聚焦延時疊加模塊、隔直降噪處理模塊、動 態(tài)濾波模塊、包絡檢波模塊、對數(shù)壓縮模塊和時鐘管理模塊，所述時鐘管理模塊輸出的時鐘 有20MHZ、40MHZ、50MHZ、80MHZ ；所述的ARM9芯片植入LINUX操作系統(tǒng)，所述信號處理方法 包括的步驟有a.數(shù)據(jù)接收模塊接收外部8路AD電路芯片提供的IObit數(shù)據(jù)，存為wire型，作為后級 的輸入；b.可變孔徑控制模塊將接收的數(shù)據(jù)用高速乘法器，分別通過6bit數(shù)據(jù)對每通道數(shù)字 信號進行實時動態(tài)加權處理，實現(xiàn)每個通道的信號由關閉到打開的控制，其信號強度分成 了 64個不同等級，以適應近場、遠場對各通道數(shù)據(jù)處理的不同要求；c.聚焦延時疊加模塊通過高速加法器將前級數(shù)據(jù)查表累加得到一線波束數(shù)據(jù)；d.隔直降噪處理模塊通過一個2-9MHz的FIR帶通濾波器對數(shù)據(jù)信號濾波；e.動態(tài)濾波模塊通過FIR帶通濾波器自動配置參數(shù)對數(shù)據(jù)信號完成不同深度的不同 帶通頻率的濾波；f.包絡檢波模塊通過3MHz32階FIR帶通濾波器對信號數(shù)據(jù)進行包絡信號提?。籫.對數(shù)壓縮模塊完成對包絡數(shù)據(jù)的二次采樣、取絕對值和對數(shù)壓縮。
6.根據(jù)權利要求5所述嵌入式B型超聲診斷信號處理方法，其特征在于，所述自動配置 參數(shù)是在FPGA中設置的的表格中配置，所述表格是根據(jù)超聲波在人體中傳播的衰減特性 編制的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種嵌入式B型超聲診斷設備及其信號處理方法，包括殼體和顯示器，在殼體中安裝有電源模塊、信號采集和處理電路，所述電源模塊提供±80V、±60V、12V、±5V的電源；所述信號采集和處理電路包括8路A/D轉換電路、FPGA芯片和ARM9芯片，F(xiàn)PGA芯片連接有動態(tài)存儲器，所述8路A/D轉換電路接收來自探頭的超聲波信號，所述8路A/D轉換電路的輸出連接至FPGA芯片的數(shù)據(jù)輸入口，所述FPGA芯片的控制口與ARM9芯片的控制口連接，ARM9芯片的數(shù)據(jù)口連接FPGA芯片的數(shù)據(jù)口，F(xiàn)PGA芯片連接顯示器；本發(fā)明的有益效果是采用多處理器協(xié)同工作，采用嵌入式操作系統(tǒng)，模塊化及可伸縮性、實時性能好，通信能力強大，界面豐富美觀，使得整個B超系統(tǒng)性能更穩(wěn)定，在正常工作時不會出現(xiàn)死機現(xiàn)象。
文檔編號A61B8/00GK101919714SQ20101025637
公開日2010年12月22日 申請日期2010年8月18日 優(yōu)先權日2010年8月18日
發(fā)明者周東旭, 王蘭芳, 王國賓, 胡坤 申請人:秦皇島市康泰醫(yī)學系統(tǒng)有限公司