專利名稱：全數字化b超裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于醫學超聲成像技術領域。尤其是涉及一種全數字化B超裝置，尤其是基于PC平臺實現的全數字化黑白超聲系統。
背景技術：
目前，市場上大部分黑白超都是采用模擬技術，來實現從換能器返回的各個通道的回波信號到形成可供顯示處理模塊用的超聲數據轉換的這一過程，其主要缺點在于它使用模擬延遲線進行波束合成，精度不高，更不能做到全程逐點動態聚焦，不如數字化機器的圖像質量好。隨著數字化技術的誕生，近兩年內開始有個別廠家推出了數字化機型，是利用計算機采集圖像數據，不做或稍做變換，不使用計算機做系統控制器及相應處理部分，它們的系統控制器及相應處理部分也都局限于DSP、精簡型CPU或嵌入式小型工控機主板等，受存儲容量限制，大量數據存儲及相應處理功能在該機型上都無法實現，一些用戶需求的功能如超聲工作站、三維成像等也無法在機型上升級，更沒有升級使用標準醫用數字圖像通信格式(DICOM)進行網絡會診的可能性。
本申請人的中國專利00240538數字掃描變換器，包括幀存儲器、幀處理器、曲線形成器、字符存儲器、D/A轉換器等組成，并有微處理器的控制端和數據端與幀處理器和存儲器的相應端口相連接，幀處理器由一片超大規模的可編程CPLD構成，其地址和信號端分別與幀存儲器、曲線形成器、字符存儲器、A/D、D/A轉換器連接。但上述不足仍然存在。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種全數字化B超裝置，實現全數字化超聲數據獲取技術，波束合成精度高，能夠全程動態逐點聚焦；本實用新型的目的在于提供一種具備或超過當前市面上高檔黑白超的功能與圖像質量，圖像質量得以明顯的改善，顯示清晰細膩；本實用新型的目的還在于提供大容量數據存儲功能，可達70G，電影回放為128幀；豐富的病人信息、檔案管理、報表等功能；支持多達255種探頭；本實用新型的目的還在于具備計算機的USB、COM、PARALLEL、LAN、CDROM、FLOPPY、音頻等，使用方便靈活；本實用新型的目的還在于具有易升級性，在后續升級時可以很方便的實現超聲工作站、三維成像、網絡診斷等。
本實用新型目的是這樣實現的全數字化B超裝置，基于PC平臺實現的全數字化黑白超聲系統，包括全數字化超聲模塊，PC模塊，用戶接口，電源單元四部分；PC模塊與用戶接口部分采用外購標準的個人計算機組件組裝而成，其相互聯接遵照PC標準；用戶接口以PC的工業標準與系統內部的PC模塊連接，用戶通過計算機人機接口控制系統的工作，電源單元為整個系統提供電源；所述全數字超聲模塊由波束形成板、發射接收板、探頭轉接板、控制接口卡、背板及通道連接板組成波束形成板包括LVDS連接器、48通道的發射脈沖信號以及兩路TGC信號電路發生電路，并由波束形成板提供探頭轉接板上的探頭及基元選擇電路的控制信號電路，LVDS連接器與控制接口卡連接，波束形成板的48通道的發射脈沖信號以及兩路TGC信號經過背板的連接器送至發射接收板，發射接收板的24路回波信號同樣經過背板的連接器送至波束形成板；發射接收板與探頭轉接板上的探頭及基元選擇電路經通道連接板建立48路的信號連接；所述探頭轉接板提供1-3只156芯插座，可同時連接一至三只探頭；8位的探頭識別碼送至波束形成板。探頭轉接板上包含高壓開關組，用于選擇探頭及工作基元，其控制信號來自波束形成板；所述波束形成板通過3只96芯歐式接插件與背板連接，其中輸出信號有送往發射接收板的48路發射脈沖信號、2路TGC信號、接收通道模擬開關控制信號、送往探頭轉接板高壓開關電路的高壓開關控制信號以及前端電源控制信號等，輸入信號有來自發射接收板的24路經孔徑預合成的回波信號以及來自探頭轉接電路的8位探頭及插座識別碼信號；所述發射接收板包括48通道的發射高壓驅動電路、接收信號的模擬電路部分，模擬電路部分包括低噪聲前置放大器、兩級TGC放大器、抗混疊低通濾波器，還包括48通道至24通道的孔徑預合成電路；發射接收板同樣通過3只接插件與背板連接，其中輸入信號有來自波束形成板48路發射脈沖信號、2路TGC信號、接收通道模擬開關控制信號等，輸出信號有送至波束形成板的24路回波信號，同時發射接收板提供48路雙向信號經探頭轉接板的高壓開關電路與探頭連接；所述通道連接板，用于連接探頭轉接板和發射接收板之間的48路通道信號。
所述背板提供3組歐式插頭，分別用于連接波束形成板、發射接收板和探頭轉接板；背板還提供電源輸入連接器，PC電源通過背板向波束形成板提供電源，前端電源經背板向發射接收板和探頭轉接板提供電源；控制接口卡包括PCI接口電路，DMA控制器，系統控制參數存儲器，回波信號FIFO，系統控制電路，LVDS接口電路；控制接口卡通過LVDS方式以電纜與全數字化超聲模塊的波束形成板連接，將全數字化超聲模塊和PC模塊分隔；控制接口卡與波束形成板的連接信號包括下行的FPGA配置信號線、系統控制信號線以及上行的經預處理后的回波信號線。
本實用新型的改進包括PC模塊通過控制接口卡與數字超聲模塊連接，由PCI總線連接并寫入系統內存；計算機對內存中的回波信號進行后處理以及掃描變換后，送往顯示器顯示或經過其他處理送往其他外設。
本實用新型的改進還包括操作面板的選配件包括PC標準鍵盤、軌跡球及專用功能鍵盤三部分組成，PC鍵盤和軌跡球分別以鍵盤和鼠標接口與計算機主板連接，而專用功能鍵盤通過串行口與計算機主板連接。上層為內嵌軌跡球專用功能鍵盤。超聲模塊通過計算機PCI插卡的接口卡總線由可編程FPGA器件進行控制，且每六個通道連接一片FPGA，由一片FPGA控制。
在實施例中探頭轉接板提供3只156芯的探頭連接插座，8位的探頭識別碼送至波束形成板。所述波束形成板通過3只96芯歐式接插件與背板連接，發射接收板同樣通過3只96芯歐式接插件與背板連接，所述探頭轉接板提供3只156芯插座，可同時連接三只探頭。所述背板提供3組(每組3只)96芯歐式插頭，分別用于連接波束形成板、發射接收板和探頭轉接板。所述通道連接板(相同的兩塊)，用于連接探頭轉接板和發射接收板之間的48路通道信號。
如上所述，本實用新型所述的基于PC平臺實現的全數字化黑白超聲系統的基本層次結構請見圖1所示，系統硬件由以下單板及部件組成1、計算機主板；2、顯卡；3、集成網卡；4、集成聲卡；5、操作面板；6、控制接口卡；7、波束形成板；8、發射接收板；9、探頭轉接板；10、背板；11、通道連接板；12、PC電源；13、變壓器；14、電源輸入板；15、前端電源等。
用戶接口以PC的工業標準與系統內部的PC模塊連接，PC模塊通過控制接口卡與數字超聲模塊連接，電源單元為整個系統提供電源。用戶通過計算機人機接口控制系統的工作，計算機在軟件的控制下，通過超聲模塊接口控制全數字化超聲模塊的初始化和工作方式，數字化發射波束形成電路形成發射脈沖驅動探頭產生超聲波進入人體，反射波經探頭轉換為電信號通過數字化接收波束形成電路產生回波信號，經射頻信號預處理電路處理后通過前端模塊接口傳給接口卡，接口卡以DMA方式由PCI總線寫入系統內存。計算機對內存中的回波信號進行后處理以及掃描變換后，送往顯示器顯示。回波信號也可經過其他處理送往其他外設。
1、本實用新型的全數字化B超機在個人計算機架構及通用WINDOWS操作系統基礎上建立產品的結構，使產品具有易升級、用戶接口友好等優點。
2、本實用新型的全數字化B超機采用48通道，而且提高了幀頻，有效的提高了圖像的分辨率，抑制旁瓣。
3、本實用新型的全數字化B超機在波束形成時采用特有的FPGA構架，利用FPGA在線重構技術，實現動態控制。
4、本實用新型的全數字化B超機蘊含數字化發射波束形成、數字化接收波束形成、數字信號處理、數字存儲及傳輸等技術，其關鍵在于數字化接收波束形成——對超聲回波信號直接進行高速A/D變換，以數字化技術完成延時疊加，實現連續動態聚焦、連續動態孔徑、連續動態變跡，提供優質的圖像質量。
本實用新型的全數字化B超機總體框架分為全數字化超聲模塊，PC模塊，用戶接口，電源單元四部分。現把各模塊原理、結構及功能簡述如下PC電源采用250W ATX電源，為符合B型超聲診斷設備的安全要求，輸入交流電源經300W隔離變壓器向系統供電(包括CRT顯示器)，輸入交流電壓為220V±22V、50Hz±1Hz，整機功耗小于300W，其中CRT顯示器功耗小于100W。
探頭轉接板需+5V、+150V、-45V，由前端電源經背板供給。
發射接收板需+5V、-5V及+30V至+145V可調電源，由前端電源經背板供給。
波束形成板需+5V、-5V、+3.3V、+1.8V電源。模擬+5V、-5V由前端電源經背板供給，數字+5V、+3.3V由PC電源經背板供電，+1.8V由+3.3V經LDO穩壓產生。
控制接口卡由計算機板經PCI插槽供電，卡上+1.8V由+3.3V經LDO穩壓產生。
操作面板由PC電源直接供電。
其他部件為計算機標準外部設備，由PC電源直接供電。
本實用新型利用PC平臺的優勢做系統控制器及相應處理部分，從根本上解決了上述所不能解決的問題。
所述全數字化超聲模塊從功能上看由發射部分、接收部分及預處理部分組成，參考圖2所示。
所述發射部分由發射波形存儲器、控制電路和功率驅動電路組成，系統軟件可經過接口電路將發射波形數據寫入發射波形存儲器，進而控制發射脈沖的產生，發射脈沖經功率驅動電路驅動探頭換能器。
所述接收部分由低噪聲前置放大器、TGC放大器、低通濾波器、A/D變換器、波束形成器、控制電路及接收參數存儲器等組成。系統軟件將TGC曲線數據及波束形成中的延時、變跡等參數寫入接收參數存儲器，在控制電路的控制下，TGC曲線數據經D/A變換器控制TGC放大器，延時、變跡參數送到數字波束形成器電路控制波束形成。
所述預處理部分根據系統功能的不同，所實現的功能稍有不同，主要包括濾波、幅度信息提取、對數壓縮等，PC模塊與用戶接口部分采用外購標準的個人計算機組件組裝而成，其相互聯系遵照PC標準。圖中虛線框內的為選配件。操作面板作為用戶操作系統的接口，其由PC標準鍵盤、軌跡球及專用功能鍵盤(包括八段STC控制)三部分組成，PC鍵盤和軌跡球分別以鍵盤和鼠標接口與計算機主板連接，而專用功能鍵盤通過串行口與計算機主板連接。上層為專用功能鍵盤(內嵌軌跡球)，下層為PC小鍵盤，PC小鍵盤安裝可采用抽屜式結構。
系統顯示器采用15時純平CRT顯示器(XGA)，PC的最低配置為INTEL PIII800M CPU、128M內存、20G硬盤、AGP 4X顯示適配器，主板采用標準ATX主板。系統電源采用標準的PC機ATX電源，為符合醫用電氣設備通用安全要求，輸入交流電源經變壓器隔離，供給CRT及系統電源，同時隔離變壓器提供副繞組以線性穩壓的方式產生模擬電路部分所需高壓及低壓電源。
本實用新型的特點是基于PC平臺實現的全數字化黑白超聲裝置，波束合成精度高，能夠全程動態逐點聚焦；具備或超過當前高檔黑白超的功能與圖像質量，，顯示清晰細膩；提供大容量數據存儲功能，支持多達255種探頭等。
圖1本實用新型硬件總體框架圖圖2本實用新型全數字化超聲模塊原理框圖圖3本實用新型硬件結構排列圖圖4本實用新型超聲數據獲取技術流程圖比較圖5本實用新型數字化發射波束形成示意圖圖6本實用新型數字化接收波束形成示意圖圖7本實用新型控制接口卡功能框圖圖8本實用新型前端模塊FPGA方案實現電原理圖具體實施方式
以下結合附圖并通過實施例對本實用新型進行說明。
圖1至圖3，以上已作相應說明，超聲模塊的電路均為現有技術；如圖4所示，a圖為常規超聲數據獲取技術，b圖為采用全數字化技術的超聲數據獲取技術。兩種技術從第二階段開始便采用了不同的技術，所述全數字化技術的超聲數據獲取技術采用48通道，每通道AD變換后數字波束合成一路信號，經一系列的數字功能處理后供數據后處理及顯示處理模塊用。
如圖5所示，所述數字化發射波束形成原理為發射波束形成由FPGA控制，FPGA讀出發射波形存儲器的內容控制發射脈沖的個數、寬度、延時，發射方式為脈沖激勵式。
如圖6所示，所述數字化接收波束形成原理為射頻回波信號經高速A/D變換器采樣后送入FPGA，經FIFO緩存、插值、延時、加權疊加、抽取后形成聚焦波束，在此可以實現波束的連續動態聚焦、連續動態孔徑及連續動態變跡。
上述圖可以看出控制接口卡通過PCI總線與計算機主板連接，接收系統控制參數，并上傳回波信號數據。PC模塊和全數字化超聲模塊在空間上相互隔離，兩者之間通過插在PC模塊中的控制接口卡建立聯系。控制接口卡通過PCI總線與計算機主板連接，而以LVDS方式提供與全數字化超聲模塊的跨機箱的高速信號連接，其中包括下行的FPGA配置總線、系統控制信號線以及上行的經預處理后的回波數據總線。
如圖7所示，控制接口卡作為全數字超聲模塊的控制中心，主要包括PCI接口電路，DMA控制器，系統控制參數存儲器，回波信號FIFO，系統控制電路，LVDS接口電路。控制接口卡通過LVDS方式以電纜與全數字化超聲模塊的波束形成板連接，可以方便系統結構設計，有效地將全數字化超聲模塊和PC模塊分隔，有助于系統抗干擾設計，并便于PC機的升級。控制接口卡與波束形成板的連接信號包括下行的FPGA配置信號線、系統控制信號線以及上行的經預處理后的回波信號線，為減少連線數目，系統控制信號線中的數據線與回波信號線分時復用，寬度為16Bits，系統控制信號線中還包含全局時鐘信號、同步信號等。系統上電復位或需在線重構FPGA時，將配置數據寫入控制接口卡的系統控制參數存儲器，系統控制電路讀取配置數據經FPGA配置信號線對全數字化超聲模塊中的FPGA進行配置。系統上電復位或功能變換時，系統將控制參數(如開關控制數據、波束形成數據、TGC波形參數等)寫入系統控制參數存儲器，系統控制電路將上述參數寫入波束形成板的相應存儲器中。以上操作均為非實時性操作，在實時掃查中，隨同步信號經控制信號數據線寫入波束地址，波束形成板根據波束地址查表取得開關控制、波束形成等參數，完成波束形成。經預處理后的回波數據經FIFO緩存，以DMA方式寫入系統內存，可以減少系統開銷。
如圖8所示，整個超聲模塊通過計算機PCI插卡的接口卡總線協調工作，所述FPGA方案實現原理可由圖8闡述，每六個通道由一片FPGA控制，如圖所示COMPOUND1、COMPOUND2、COMPOUND3、COMPOUND4四片FPGA分別控制六個通道，完成動態孔徑、動態變跡、逐點動態聚焦等波束合成功能；PROCESS通過控制接口卡總線與控制接口卡相連，完成動態濾波、正交變換、幅度提取、回波數據傳輸、數據總線傳輸等功能；RECVCTRL和RMA2存儲器共同完成片選控制、TGC、數據總線傳輸等功能；TRRV和RAM1存儲器共同完成發射控制、接受控制、數據總線傳輸等功能。
權利要求1.全數字化B超裝置，基于PC平臺實現的全數字化黑白超聲裝置，包括全數字化超聲模塊，PC模塊，用戶接口，電源單元四部分；PC模塊與用戶接口部分采用外購標準的個人計算機組件組裝而成，其相互聯接遵照PC標準；用戶接口以PC的工業標準與系統內部的PC模塊連接，用戶通過計算機人機接口控制系統的工作，電源單元為整個系統提供電源；其特征是所述全數字超聲模塊由波束形成板、發射接收板、探頭轉接板、控制接口卡、背板及通道連接板組成波束形成板包括LVDS連接器、48通道的發射脈沖信號以及兩路TGC信號電路發生電路，并由波束形成板提供探頭轉接板上的探頭及基元選擇電路的控制信號電路，LVDS連接器與控制接口卡連接，波束形成板的48通道的發射脈沖信號以及兩路TGC信號經過背板的連接器送至發射接收板，發射接收板的24路回波信號同樣經過背板的連接器送至波束形成板；發射接收板與探頭轉接板上的探頭及基元選擇電路經通道連接板建立48路的信號連接；所述探頭轉接板提供1-3只156芯插座，可同時連接一至三只探頭；8位的探頭識別碼送至波束形成板，探頭轉接板上包含高壓開關組，用于選擇探頭及工作基元，其控制信號來自波束形成板；所述波束形成板通過3只96芯歐式接插件與背板連接，其中輸出信號有送往發射接收板的48路發射脈沖信號、2路TGC信號、接收通道模擬開關控制信號、送往探頭轉接板高壓開關電路的高壓開關控制信號以及前端電源控制信號，輸入信號有來自發射接收板的24路經孔徑預合成的回波信號以及來自探頭轉接電路的8位探頭及插座識別碼信號；所述發射接收板包括48通道的發射高壓驅動電路、接收信號的模擬電路部分，模擬電路部分包括低噪聲前置放大器、兩級TGC放大器、抗混疊低通濾波器，還包括48通道至24通道的孔徑預合成電路；發射接收板同樣通過3只接插件與背板連接，其中輸入信號有來自波束形成板48路發射脈沖信號、2路TGC信號、接收通道模擬開關控制信號，輸出信號有送至波束形成板的24路回波信號，同時發射接收板提供48路雙向信號經探頭轉接板的高壓開關電路與探頭連接；所述通道連接板，用于連接探頭轉接板和發射接收板之間的48路通道信號；所述背板提供3組歐式插頭，分別用于連接波束形成板、發射接收板和探頭轉接板；背板還提供電源輸入連接器，PC電源通過背板向波束形成板提供電源，前端電源經背板向發射接收板和探頭轉接板提供電源；控制接口卡包括PCI接口電路，DMA控制器，系統控制參數存儲器，回波信號FIFO，系統控制電路，LVDS接口電路；控制接口卡通過LVDS方式以電纜與全數字化超聲模塊的波束形成板連接，將全數字化超聲模塊和PC模塊分隔；控制接口卡與波束形成板的連接信號包括下行的FPGA配置信號線、系統控制信號線以及上行的經預處理后的回波信號線。
2.由權利要求1所述的全數字化B超裝置，其特征是PC模塊通過控制接口卡與數字超聲模塊連接，由PCI總線連接并寫入系統內存；計算機對內存中的回波信號進行后處理以及掃描變換后，送往顯示器顯示或經過其他處理送往其他外設。
3.由權利要求1所述的全數字化B超裝置，其特征是操作面板的選配件包括PC標準鍵盤、軌跡球及專用功能鍵盤三部分組成，PC鍵盤和軌跡球分別以鍵盤和鼠標接口與計算機主板連接，而專用功能鍵盤通過串行口與計算機主板連接；上層為內嵌軌跡球專用功能鍵盤。
4.由權利要求1所述的全數字化B超裝置，其特征是所述超聲模塊通過計算機PCI插卡的接口卡總線由可編程FPGA器件進行控制，且每六個通道連接一片FPGA，由一片FPGA控制。
專利摘要全數字化B超裝置，基于PC平臺實現的全數字化黑白超聲裝置，包括全數字化超聲模塊，PC模塊，用戶接口，電源單元四部分；PC模塊與用戶接口部分采用外購標準的個人計算機組件組裝而成，其相互聯接遵照PC標準；用戶接口以PC的工業標準與系統內部的PC模塊連接，用戶通過計算機人機接口控制系統的工作，電源單元為整個系統提供電源；所述全數字超聲模塊由波束形成板、發射接收板、探頭轉接板、控制接口卡、背板及通道連接板組成，本實用新型基于PC平臺實現的全數字化黑白超聲裝置，波束合成精度高，具備或超過當前高檔黑白超的功能與圖像質量，提供大容量數據存儲功能，支持多達255種探頭。
文檔編號A61B8/00GK2717391SQ20042002743
公開日2005年8月17日 申請日期2004年5月31日 優先權日2004年5月31日
發明者陶書僮, 莫善玨 申請人:無錫祥生醫學影像有限責任公司