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1、1 9 9 8 年3 月 第九届全国图象图形学学术会议论文集中国图象图形学会 基于P C I 总线的微机控制线阵B超诊断系统 彭浩苏光大刘敏 ( 清华大学电 子工程系， “ 智能技术与系统”国 家重点实验室图形图 象分 室， 北京 1 0 0 0 8 4 ) 一l. 摘 要这篇文章 简要介 绍了 基于P C I 的功 能和电路. 关健词P C I 总 线， B超诊断系统 1 ,概述 总线的微机控制线阵 B 超诊断系统及构成该系统各模块 超声诊断技术是医学上四大影像技术之 一， 在实际医 疗诊断中 有广泛的用途。 其中线阵 B超由 于有价 格便宜， 携带和使用方便， 成象较 清楚等优点，因 而被
2、大大小小 的医院广泛使用 。 但目 前市场 上销售的 线阵B 超诊断仪大都是八十 年代或九十年 代初研制的 产品， 技术相对老化， 一 些功能已 不能 满足 用户 要求。国 外进口 的一些 高档 B 超诊断仪，功能虽然强大，但价格动辄以 数十万元人民币计算，普通用户难以问津。如何 能在 低价位的前提下，满足广大用户的 要求，是 广大医疗设备生产厂家所面临的一道难题。 九十年代电子技术方面最引人注目的变化 就是计算机的快速普及和发展。 计算机的功能 越来越强 大. 而价格日 趋下降。目 前一台功能强 大的 P e n t i u m I I微机，价格仅在万元左 右。如 果能利 用普通微机中丰富的
3、软硬件资源， 将超声 诊断仪作为 微机的外设. 则可以在成本 增加不大 的情况下， 大大提高超声诊断仪的功能。 计算机外设和主机通信的方式，一般可以 采用串口 、并口 或扩展总线。目 前微机的串口 和 并口 都不能 满足实时 将超声数据传送进主机内 存 的 要求。普 通 P C 机上一般有 I S A 总线( 即A T 总 线) 接口和P C I 总线( 5 8 6以上) 接口。P C I 总线是 为了解决主机和外设之间大量数据流量的问题而 设计的，具有时钟频率高，3 2位或 6 4位带宽、 兼容性好、与处 理器 无关等优点， 得到了计算机 业界的广泛支持，己 成为 P C机事实上的主流总 线
4、 。 清华大学电子工程系自 1 9 9 7年开始研制这 一基于P C I 总线的微 机控 制线阵B 超诊断系统( 以 下简称微机控制 B超系统) 。 本文简要介绍了 构 成这一系统各模块的功 能和电 路。 2 微机控制B 超系统各模块功能 和电路 线阵 B超的 基本原理，可简要概括为 相邻 多 路振元的超声波发射、 接收以及对 接收到的多 路回波信号的后处理过程。传 统的线 阵B 超系 统 电 路可以 从功能 上划分为发射电路模 块、 接收电 路 模块、 超声 基本时序模块、 主控模 块、图 象存 储及显 示模块及人 机交互模块等六部分。目 前 市 场上销售的线阵B 超诊断仪， 其主控一般采用
5、单 片机。由 于单片机自 身的限制( 如其地址空间， 存储体及程序等方面的限 制) ， 使得由单片机构 成的系统无法满足用户对 超声图象 存储、 处理、 传输等方面的要求。 如果将超声诊断 仪作为 普通 微机的外设，通过 P C I总 线传递命 令和图 象数 据， 上述六个模块中的主 控模块、图 象存储及显 示模块和人机交互模块在功能上就可以用一个 P C I 接口 模块和相应的软件来代替。这样就可以 实现在大大增强B 超诊断仪功能的同时保持其 低 价位的目标。这也是我们研制这一系统的初衷 系统中超声基本时序模块比较简单， 其主 要功能是: 1 、 生成超声图象的行场同步信号 ( H S ,
6、V S ) 2 、 生成基本发射激励脉冲信号( D P ) 3 、生成全局统一行动信号( LI C K ) ， 用于 使本次发射/ 接收的命 令字有效 : 111.已. 4 8 1 ;J.月1.卫.，J .奋 4 、生成申请信号( R E Q ) ， 向主控提出申 请，要求写入本次发射/ 接收所需的 命令字。 发射电路棋块要稍复杂一些。这里牵涉到 线阵B 超探头的控制方式及多振元组合发射聚焦 的问理。 线阵B 超探头，顾名思义， 是将多 个相 互 独立的 振元排列成一排的探头。 与线阵探头相 对 应的 有凸 阵探头等， 其振元不是排列在同 一平 面 上。由于 现代B 超线阵探头通常由 若干个
7、振元 组 成( 常见 的有8 0 振元和6 4 振元等) ，对 这样的 探头， 若采用对各振元分别激励和接收的 方法， 则 需要若干条信号线去连接主机和各 振子 群。 考 虑 到这一点，探头在制作上己 采用了 二极管开 关 控 制的方法，使每一条信号线连接到多个 振元， 而 这多 个振元之间又可以 通过控制线加以区别。 以 8 0振元为例，假设每一条信号 线与五个 振元 相连， 即信号线1 与第1 , 1 7 , 3 3 , 4 9 , 6 5 号 振元 相 连， 信号线2与第2 , 1 8 , 3 4 , 5 0 , 6 6 相连， 总 共需要 1 6 条信息线。同时再使用1 6 条二级 管
8、 开 关控制线使开 关K I 控制振元 1 到 5 的导 通， 开关 K 2控制振元 6到 1 0的导通， . 二。我们 可以 证明， 在上述连接方式 下， 如果采用相邻1 2 个 振元发射， 相邻1 2 或1 1 个 振元接收的方式， 一次 超声发 射和接收中 不会出 现两个振元共用一 条 信息 线的 情况。 采用上述方法后，主机与 探头 之间连线由8 0条减少到 3 2 条。现代线阵B超一 般采用多振元组合发射/ 接收的方式。这是因为， 如果采用单一振元发射和接收的话，发射和接收 的超声波幅度太小，整个系统的灵敏度会降低 但多振元组合发射时存在一个各振元之间延时的 问 题。 其原因 在于，
9、 对某一固定信息点来说，如 果 希望 各振元所发射的超声波 脉冲在此点 同相加 强.由于该点距各振元的距离不同，超声波脉冲 从振元发出 到达 该点的 所器时 间长度就有差别， 如果 采用同 样的激励 脉冲的话， 各振元 之间 所发 射的 激励脉冲就必须 遵循一定的时序关系。 综合以上， 我们可以把发射电路模块功能 总结如下: 1 、在聚焦码的作用下，将墓本发射激 励脉冲( D P ) 变换成具有一定时 序关 系的六路发射激励脉冲F O -F 5 .( 本 系统采用相邻 1 2路振元组合发射 相邻1 2 / 1 1 路振元接收) 2 .在转换控制码的 作用下，将 6路发 射激励脉冲分配到 1 6
10、个信号通道 ( H P I -H P 1 6 ) 中的 1 2 路。 3 、将 H P I -H P 1 6中的信号转换到探头 超声发 射所需的 工作电压 范围。 4 、将波束地址翻译为 探头的二极管开 关信号( K I -K 1 6 ) o 5 、将 K l -K l 6中的信号转换到 探头二 极管开关 所需的 工作电压范围。 发射电 路模块电路框图如图1 所示。 接收电路模块，需要解决以下几方面的问 题:其一，由于多 振元接 收，对于被侧介 质中的 同一界 面回声， 各振元接 收到的回波之间 存在相 位差. 必须对它们进行相位合成; 其次， 由于发射 时， 振元的 组合是 随着扫描位置的变
11、化而变化的， 接收振元实际也是在不断变化， 接收放大电路与 振元的连接就需要进行相应的转换; 其三， 由于采 用多振元组合发射， 近场有效孔径加大， 使得近场 分辨率变差， 因此， 必须在接收时采用变孔径接 收设在远场时采用 1 1振元接收，在中场时就 可以 采用9 振元 接收( 去掉最旁边的两个振元) ， 在近场时采用 7 振元接 该 出 地 址 ( 来 自 CP U ) J|eeJI月 图 I线阵B 超发射模块电路框图 4 9 2 2璐回渡多路转换 开关 石璐回波 l M- F 5可空孔径 头 洲 艘1放大 电路 相位调 盛 转换控侧妈R Q A - R Q E 增益控 创 延时控制妈F
12、C N O .- F C N 2 ff i;F57 ILk v 对教放大 与 检波 增 强 E N H A 增强电路 图2 线阵B 超 接收模块电 路框图 收( 去 掉次旁边的两个 振元 ) 。 这样可以有效 减少 近场时的噪声干扰。其四，由于回波信号幅度微 弱为 使得回波中的信 息不致损失并能在A / D 后 被人 眼分 辨出 ，需要 认真考虑电 路的信噪比等诸 多问 题。另 外。由于 超声 回波有效信号幅度和频 率范围都随着探测深度的增加而发生变化，在电 路中必须加以相应的幅度增益补偿和动态滤波， 使得 在整个 深度范围内超声图 象比 较均匀。 线阵 B 超接收电路模块功能如下: I 、对
13、 1 6路信号线( H P l - - i P 1 6 ) 中的回 波信号进行前置放大，以 避免在后 处理过程中噪声对信号的影响过 大。 2 、在转换控制码 ( R Q A -R Q E ) 的作用 下，将回 波中 有信号 的 1 1 或 1 2路 同相盛加合成为不同相位的六路信 号( F O -F S ) 。 3 、在孔径控制码( A P O -A P 2 ) 的作用 下， 屏蔽掉F O -F 5 中 的(1 - 3 路 4 、在延时控制码 ( F C N O -F C N 2 ) 的作用 下，对F O -F 5 进行相位补偿， 并将 其合成为一路回波信号 5 、在T O C电 压和。 F
14、电压 作用下 对合 成的一路回波信号的进行增益调 整 。 6 、对经过增益调整后的回波信号进行 对 数变换和检波。增强等处理。 7 、将最后得到的模拟回波信号变换为 数字信号。 以 上所述发射和接收模块所需控制字均由 主控模块( 在本系统中则为P C 工 接口 模块) 直接或 间接给出。 线阵B 超接收电路模 块框图 如图2 所示。 P C I 接口模 块主 要解决如下两方面的问题: 首 先， 在申 请信号R 印的 作用下，向 发射和接收 棋块写入本次发射和接收的命令字。其次。在超 声图象的行场同步( H S , V S ) 作用下将超声图象数 据实时 地传送到系统内 存中相应的位置。根据 P
15、 C I 总线规范( 2 . 0 版) ， 这样一个P C 接口电路 需 要具备以下能力: 1 . 该电路应具有响应配置操作的能力。 这是所有P C I 设备都必须具 备的 2 . 电 路应具备主控写内 存的能力。 3 . 由于该电 路要在 R E Q信号的作用下写 入本欢 超声发射和接收命令，而这些 命令只能保存在主机内存中.因而该 电路还需具备主控读内存的能力。 此外。由于在传送过程中总线可能忙而导 致B 超数据暂时不能 传送到主机内 存。 还必须 考 虑到B 超数据的暂存问题。如果再将奇偶校验、 中断申请、操作失败等问题考虑在内，则整个电 路会无比复杂。 因此. 无论是从电 路的可靠性、
16、 完备性，还是从开发的 难易 程度来考虑， 采用别 的公司所开发的P C I 接口芯片比自 己从门电 路开 始设计 P C 接口都要优越。 本系统所采用的是 P h i l i p s公司开发的芯 片S A A 7 1 4 6 。该 芯片 具有以 下外部接口: 1 . P C I 接口.该P C I 接口 有响应配置操作 的能力。在系统 初始化时，芯 片会要求系 统分配 一段内存空间给它， 这样就可以 通过内 存读写操 : .1 4 8 3 一公 作对该芯片的内 部寄存器进行访问.同时 该 接 口 还有主控读写能力， 用于读写系统内 存。在 进 行主控读写操作前，先 要设置相应寄存器。 2 、视频接口。该芯片具有两个 。 D I 接 口 或一个D S M D 2 接口。 D D I 接口 输入 / 出8比 特数字视频信号，其格式与 C C I R 6 0 1或 S H KE 1 2 5 M兼容。D S M D 2 接口 输入/ 出 1 6比 特数字 视频信号。 格式与D D I 类似，但U V 信号与Y 信 号不再复用在同样的数据线上。 3 、音频 接
