專利名稱：全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種眼科超聲生物顯微鏡，尤其是一種超聲頻率在35Mhz以上的用于 眼科疾病診斷、預(yù)防的超聲生物顯微鏡。
背景技術(shù)：
超聲生物顯微鏡(Ultrasound Biomicroscope，UBM)是20世紀(jì)90年代初發(fā)展 起來(lái)的新型眼科B超影像學(xué)檢測(cè)設(shè)備。UBM利用可編程邏輯器件控制電子電路激勵(lì)高頻超 聲傳感器發(fā)射高頻超聲作為信號(hào)源、接收超聲回波信號(hào)并進(jìn)行電子信號(hào)處理，得到與檢查 組織相關(guān)的數(shù)字圖像，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)為人們提供類似低倍光學(xué)顯微鏡效果和不 同斷面的眼前段二維圖像。UBM具有分辨率高、實(shí)時(shí)、定量和不受混濁角膜、晶狀體影響等 特點(diǎn)，在眼科臨床上得到廣泛的應(yīng)用。參照?qǐng)D1，眼科超聲生物顯微鏡包括超聲傳感器、前置放大電路、可控增益放大電 路、濾波器、對(duì)數(shù)放大電路、視頻放大電路和A/D采集模塊以及信號(hào)處理系統(tǒng)，所述信號(hào)處 理系統(tǒng)得到與檢查眼睛相關(guān)的數(shù)字圖像，所述信號(hào)處理系統(tǒng)與FPGA (Field Programmable Gate Array,即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)控制模塊連接，所述FPGA模塊與超聲發(fā)射模塊連接，所 述超聲發(fā)射模塊連接所述超聲傳感器。在臨床運(yùn)用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)因?yàn)榄h(huán)境原因受到不同程度的電磁干擾，導(dǎo)致圖像質(zhì) 量變差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接影響臨床醫(yī)師的診斷。因此在臨床上運(yùn)用的UBM在模擬電路模塊，尤 其是前端的各個(gè)放大電路需要實(shí)行電磁屏蔽技術(shù)。這種屏蔽技術(shù)是利用高磁導(dǎo)材料隔斷電 磁耦合途徑，不僅影響到整體電路的體積，而且效果不是太理想。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有的眼科超聲生物顯微鏡的容易受到電磁干擾、抗干擾能力較差、圖 像質(zhì)量較差的不足，本發(fā)明提供了一種有效避免電磁干擾、提升抗干擾能力、圖像質(zhì)量較 好的全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是
一種全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡，包括超聲波傳感器、超聲發(fā)射電路和FPGA控制模 塊，所述超聲發(fā)射電路與所述超聲傳感器通訊連接，所述超聲發(fā)射電路采用長(zhǎng)脈沖序列，所 述全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡還包括時(shí)序控制電路、前置放大電路、A/D采樣模塊、動(dòng)態(tài)數(shù) 字濾波電路、數(shù)字對(duì)數(shù)放大電路、數(shù)字包絡(luò)檢波電路和二次采樣電路，所述FPGA控制模塊 與所述時(shí)序控制電路連接，所述時(shí)序控制電路與所述超聲發(fā)射電路連接，所述超聲傳感器 與所述前置放大電路連接，所述前置放大電路、A/D采樣模塊、動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波電路、數(shù)字對(duì) 數(shù)放大電路、數(shù)字包絡(luò)檢波電路和二次采樣電路依次連接，所述A/D采樣模塊、動(dòng)態(tài)數(shù)字濾 波電路、數(shù)字對(duì)數(shù)放大電路、數(shù)字包絡(luò)檢波電路和二次采樣電路均與所述FPGA控制模塊連 接。進(jìn)一步，所述全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡還包括數(shù)據(jù)緩存模塊，所述二次采樣電路與所述數(shù)據(jù)緩存模塊連接，所述數(shù)據(jù)緩存模塊與所述FPGA控制模塊連接。再進(jìn)一步，所述動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波電路、數(shù)字對(duì)數(shù)放大電路、數(shù)字包絡(luò)檢波電路和二次 采樣電路與單片F(xiàn)PGA連接，即各個(gè)電路可以通過(guò)單片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)。更進(jìn)一步，所述FPGA控制模塊的PLL時(shí)鐘輸出端連接到A/D采集模塊的時(shí)鐘輸入 端，F(xiàn)PGA控制模塊的一個(gè)I/O輸出端連接到A/D采集模塊的使能控制端，F(xiàn)PGA控制模塊的 I/O引腳和A/D采集模塊的數(shù)據(jù)輸出端相連接。所述超聲發(fā)射電路采用編碼發(fā)射，以Golay互補(bǔ)序列對(duì)作為發(fā)射碼型。所述動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波電路采用無(wú)限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器，所述無(wú)限沖激響應(yīng)數(shù)字濾 波器采用雙線性變換法實(shí)現(xiàn)。所述數(shù)字對(duì)數(shù)放大電路采用基于二叉樹比較法進(jìn)行對(duì)數(shù)放大，所述數(shù)字包絡(luò)檢波 電路采用Hilbert變換解調(diào)檢波法。所述二次采樣電路采用抽取方式，將A2(Ii)變?yōu)锳2(Mn)，厘為fs/fd，fs為數(shù)字回波 的采樣率，fd為超聲生物顯微鏡成像時(shí)掃描線的采樣率，fs是fd的整數(shù)倍，即M為整數(shù)。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為傳統(tǒng)模擬UBM發(fā)射電路一般是通過(guò)單一的高壓脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn) 的，而數(shù)字化的UBM采用編碼發(fā)射。在相同的信噪比條件下，編碼發(fā)射具有低發(fā)射電壓峰峰 值；在相同電壓峰峰值條件下，編碼發(fā)射能提高信噪比。傳統(tǒng)模擬UBM接收電路需要經(jīng)過(guò)對(duì)超聲回波小信號(hào)的去噪、放大、時(shí)間增益補(bǔ)償、 濾波、檢波及A/D轉(zhuǎn)換等處理，目的是將超聲回波所攜帶的人體組織信息解調(diào)出來(lái)形成視 頻信號(hào)，視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)采集、數(shù)字信號(hào)處理，最后送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行成像處理。傳統(tǒng)模擬UBM 性能不穩(wěn)定，精度較低，難以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代信號(hào)處理算法，無(wú)法高保真地傳遞、轉(zhuǎn)換圖像信息等 缺點(diǎn)。全數(shù)字UBM利用高速A/D直接對(duì)前置放大后的回波信號(hào)進(jìn)行采樣，使得模擬信號(hào) 提高轉(zhuǎn)換成數(shù)字，模擬信號(hào)早期數(shù)字化，再利用可編程邏輯器件對(duì)采樣所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行 濾波、對(duì)數(shù)放大及檢波等各種處理，有效維護(hù)了信號(hào)的完整性，降低失真。由于全數(shù)字UBM 前端沒(méi)有對(duì)數(shù)壓縮，回波的動(dòng)態(tài)范圍勢(shì)必較大，所以就要求增加A/D的位數(shù)，提高分辨率。 前端也沒(méi)有解調(diào)，所以對(duì)A/D采樣速度也有很高的要求，采樣速度至少要大于兩倍的載波 頻率。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在UBM的前端電路全數(shù)字技術(shù)化可解決現(xiàn)有技術(shù)中 存在的技術(shù)難題，具有抗干擾能力強(qiáng)，信噪比高，數(shù)字信號(hào)處理能力強(qiáng)，圖像質(zhì)量高，圖像更 清晰，更準(zhǔn)確，提高分辨率，增大動(dòng)態(tài)范圍；圖像質(zhì)量較好。


圖1是現(xiàn)有的眼科超聲生物顯微鏡的原理框圖。圖2是本發(fā)明的全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡的原理框圖。圖3是本發(fā)明的數(shù)字檢波、數(shù)字對(duì)數(shù)放大及二次采樣電路原理圖。圖4是本發(fā)明的平方根和對(duì)數(shù)壓縮電路的原理框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
參照?qǐng)D2 圖4，一種全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡，包括超聲波傳感器、超聲發(fā)射 電路和FPGA控制模塊，所述超聲發(fā)射電路與所述超聲傳感器通訊連接，所述超聲發(fā)射電路 采用長(zhǎng)脈沖序列，所述全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡還包括時(shí)序控制電路、前置放大電路、A/ D采樣模塊、動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波電路、數(shù)字對(duì)數(shù)放大電路、數(shù)字包絡(luò)檢波電路和二次采樣電路， 所述FPGA控制模塊與所述時(shí)序控制電路連接，所述時(shí)序控制電路與所述超聲發(fā)射電路連 接，所述超聲傳感器與所述前置放大電路連接，所述前置放大電路、A/D采樣模塊、動(dòng)態(tài)數(shù)字 濾波電路、數(shù)字對(duì)數(shù)放大電路、數(shù)字包絡(luò)檢波電路和二次采樣電路依次連接，所述A/D采樣 模塊、動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波電路、數(shù)字對(duì)數(shù)放大電路、數(shù)字包絡(luò)檢波電路和二次采樣電路均與所述 FPGA控制模塊連接。所述全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡還包括數(shù)據(jù)緩存模塊，所述二次采樣電路與所述 數(shù)據(jù)緩存模塊連接，所述數(shù)據(jù)緩存模塊與所述 FPGA控制模塊連接。所述動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波電路、數(shù)字對(duì)數(shù)放大電路、數(shù)字包絡(luò)檢波電路和二次采樣電路 可以基于單片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)。本實(shí)施例中，采用FPGA控制A/D采集時(shí)鐘。FPGA的PLL時(shí)鐘輸出連接到A/D采 集芯片的時(shí)鐘輸入，即A/D采樣率。FPGA的一個(gè)I/O輸出連接到A/D采集芯片的使能控制 端。FPGA的I/O引腳和A/D采集芯片的數(shù)據(jù)輸出端相連接。本實(shí)施例中，采用編碼發(fā)射。與傳統(tǒng)單脈沖激勵(lì)相比，編碼激勵(lì)技術(shù)是發(fā)射經(jīng)過(guò)編 碼的長(zhǎng)脈沖序列，接收回波也為長(zhǎng)脈沖序列，通過(guò)匹配濾波或者非匹配濾波方式進(jìn)行脈沖 壓縮，獲得與單脈沖激勵(lì)相近的空間分辨率。本發(fā)明采用Golay互補(bǔ)序列對(duì)作為發(fā)射碼型。設(shè)有一對(duì)長(zhǎng)度相同的有限二相序列A=IaJ，an e (+1，-1)，η e 0，1，2，... ，N-l;B={bn}，bn e (+l，-l)，n G 0，1，2，···，Ν-1 其非周期自相關(guān)函數(shù)分別為ΧΑ (m，0) =
Xb (m，0) =
2N, m=0
Xa (m,0)+XB (m，0) =
0，m 乒 0
則稱A、B為互補(bǔ)序列對(duì)，A、B互補(bǔ)序列對(duì)可取不同長(zhǎng)度，本實(shí)例取值為16，A、B序列編 碼經(jīng)過(guò)壓縮疊加后形成超聲發(fā)射脈沖施加在超聲傳感器上，實(shí)現(xiàn)超聲的編碼發(fā)射。動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波電路，人體組織的聲衰減不僅與被探測(cè)介質(zhì)的深度有關(guān)，還有超聲 波的頻率有關(guān)，隨著頻率的升高，介質(zhì)對(duì)超聲能量的衰減系數(shù)增大。UBM是35Mhz以上的高 頻超聲，可想而知，衰減會(huì)非常大，故需要采用動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波。在濾波器設(shè)計(jì)上需要濾除近 場(chǎng)的低頻和遠(yuǎn)場(chǎng)的高頻干擾。提高近場(chǎng)分辨力和遠(yuǎn)場(chǎng)信噪比，使圖像質(zhì)量得到改善。本發(fā) 明采用匹配濾波算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)濾波，在信號(hào)處理進(jìn)程中，匹配濾波器系數(shù)隨接收深度 的變化動(dòng)態(tài)地改變。本發(fā)明采用無(wú)限沖激響應(yīng)(Infinite Impulse Response，IIR)數(shù)字濾 波器，IIR數(shù)字濾波器具有幅頻特性精度高、階數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，占用非常少的資源，適用于對(duì)相 位不要求的UBM，因此優(yōu)于(Finite Impulse Response，F(xiàn)IR)數(shù)字濾波器。IIR的傳遞函數(shù) 如下所示
權(quán)利要求
1.一種全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡，包括超聲波傳感器、超聲發(fā)射電路和FPGA控制 模塊，所述超聲發(fā)射電路與所述超聲傳感器通訊連接，其特征在于所述超聲發(fā)射電路采 用長(zhǎng)脈沖序列，所述全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡還包括時(shí)序控制電路、前置放大電路、A/D 采樣模塊、動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波電路、數(shù)字對(duì)數(shù)放大電路、數(shù)字包絡(luò)檢波電路和二次采樣電路，所 述FPGA控制模塊與所述時(shí)序控制電路連接，所述時(shí)序控制電路與所述超聲發(fā)射電路連接， 所述超聲傳感器與所述前置放大電路連接，所述前置放大電路、A/D采樣模塊、動(dòng)態(tài)數(shù)字濾 波電路、數(shù)字對(duì)數(shù)放大電路、數(shù)字包絡(luò)檢波電路和二次采樣電路依次連接，所述A/D采樣模 塊、動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波電路、數(shù)字對(duì)數(shù)放大電路、數(shù)字包絡(luò)檢波電路和二次采樣電路均與所述 FPGA控制模塊連接。
2.如權(quán)利要求1所述的全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡，其特征在于所述全數(shù)字眼科超 聲生物顯微鏡還包括數(shù)據(jù)緩存模塊，所述二次采樣電路與所述數(shù)據(jù)緩存模塊連接，所述數(shù) 據(jù)緩存模塊與所述 FPGA控制模塊連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述的全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡，其特征在于所述動(dòng)態(tài)數(shù)字 濾波電路、數(shù)字對(duì)數(shù)放大電路、數(shù)字包絡(luò)檢波電路和二次采樣電路與單片F(xiàn)PGA連接。
4.如權(quán)利要求1或2所述的全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡，其特征在于所述FPGA控制模塊的PLL時(shí)鐘輸出端連接到A/D采集模塊的時(shí)鐘輸入端，F(xiàn)PGA控制 模塊的一個(gè)I/O輸出端連接到A/D采集模塊的使能控制端，F(xiàn)PGA控制模塊的I/O引腳和A/ D采集模塊的數(shù)據(jù)輸出端相連接。
5.如權(quán)利要求1或2所述的全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡，其特征在于所述超聲發(fā)射電路采用編碼發(fā)射，以Golay互補(bǔ)序列對(duì)作為發(fā)射碼型。
6.如權(quán)利要求1或2所述的全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡，其特征在于所述動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波電路采用無(wú)限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器，所述無(wú)限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器 采用雙線性變換法實(shí)現(xiàn)。
7.如權(quán)利要求1或2所述的全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡，其特征在于所述數(shù)字對(duì)數(shù) 放大電路采用基于二叉樹比較法進(jìn)行對(duì)數(shù)放大，所述數(shù)字包絡(luò)檢波電路采用Hilbert變換 解調(diào)檢波法。
8.如權(quán)利要求1或2所述的全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡，其特征在于所述二次采樣 電路采用抽取方式，將A2 (η)變?yōu)锳2(Mn),厘為fs/fd，fs為數(shù)字回波的采樣率，fd為超聲生 物顯微鏡成像時(shí)掃描線的采樣率，fs是fd的整數(shù)倍，即M為整數(shù)。
全文摘要
一種全數(shù)字眼科超聲生物顯微鏡，包括超聲波傳感器、超聲發(fā)射電路和FPGA控制模塊，超聲發(fā)射電路與所述超聲傳感器通訊連接，超聲發(fā)射電路采用長(zhǎng)脈沖序列，F(xiàn)PGA控制模塊與時(shí)序控制電路連接，時(shí)序控制電路與超聲發(fā)射電路連接，超聲傳感器與前置放大電路連接，前置放大電路、高速A/D采樣模塊、動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波電路、數(shù)字對(duì)數(shù)放大電路、數(shù)字包絡(luò)檢波電路和二次采樣電路依次連接，所速A/D采樣模塊、動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波電路、數(shù)字對(duì)數(shù)放大電路、數(shù)字包絡(luò)檢波電路和二次采樣電路均與FPGA控制模塊連接。本發(fā)明有效避免電磁干擾、提升抗干擾能力、圖像質(zhì)量較好。
文檔編號(hào)A61B8/10GK101999909SQ20101056189
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者徐亮禹, 瞿佳, 陳浩 申請(qǐng)人:溫州醫(yī)學(xué)院眼視光器械有限公司, 溫州醫(yī)學(xué)院眼視光研究院