专利名称：基于正弦函数的超声生物显微镜直线扫描发射控制方法
技术领域：
本发明涉及一种超声生物显微镜的直线扫描发射技术，尤其是一种超声频率在 35Mhz以上的用于眼科疾病诊断的超声生物显微镜扫描控制方法。
背景技术：
超声生物显微镜(Ultrasound Biomicroscope，UBM)是20世纪90年代初发展起 来的新型眼科B超影像学检测设备。UBM利用可编程逻辑器件控制电子电路激励高频超声 传感器发射高频超声作为信号源、接收超声回波信号并进行电子信号处理，得到与检查组 织相关的数字图像，结合计算机图像处理技术为人们提供类似低倍光学显微镜效果和不同 断面的眼前段二维图像。UBM具有分辨率高、实时、定量和不受混浊角膜、晶状体影响等特 点，在眼科临床上得到广泛的应用。UBM目前在临床上广泛使用的是扇型扫描和直线扫描方式。直线扫描具有图像几 何失真小，图像清晰范围广等优势。但是直线扫描机械装置比扇型扫描机械装置复杂很多， 目前应用比较多的是利用电机的勻速圆周运动转化为直线的往返运动。但这种直线扫描过 程中直线运动不勻速，设圆周速度为V，则直线运动的V=VX sin θ (θ为圆周角)，直线运动 速度是正弦函数相关的。取θ值的弧度范围[π/6，π 5/6]为直线扫描的有效路径，则ν 的范围为W.5V，V]。临床上采用等时间距来发射超声脉冲，这样就会给图像带来一定程度 的几何失真，而且扫描路径的利用率比较低。
发明内容
为了克服已有的超声生物显微镜的等时间距直线扫描发射方法的存在几何失真、 扫描路径利用率低、图像质量较差的不足，本发明提供了一种消除几何失真、提高扫描路 径利用率，提升图像质量的基于正弦函数的超声生物显微镜直线扫描发射控制方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种基于正弦函数的超声生物显微镜直线扫描发射控制方法，将超声生物显微镜直线 扫描运动过程对应的勻速圆周运动过程的周长等距离取IOM个圆周速度点，每个速度点 的速度值V为圆周速度值V和对应速度点所在圆弧的正弦值的乘积，所述勻速圆周运动过 程分为1023段，取每段相邻的两个速度点的速度值ν的平均值为每段平均速度值vavg(i)， i表示段数编号，i为自然数，i=l, 2··· 1023计算得到Vavg(I)…vavg(1023)；
勻速圆周运动过程的周长的弧度范围为η AT π 5/6，圆周运动半径为R，有效扫描路 径距离为S为R，每段发射距离S为R/1023= 0. 001693R,每段发射时间分别为T=S/ Vavg(i)， 依照计算所得的发射时间进行控制发射。作为优选的一种方案采用FPGA作为控制器，FPGA产生脉冲计数器来设置1023 个时间压缩参数，并通过控制数据总线和地址总线将产生的数据按地址顺序储存到对应的 FPGA内部生成的储存RAM里，当超声传感器到达发射位置时，FPGA将接收到一个触发信号， 启动发射控制程序，第一次发射超声脉冲后即马上读取储存RAM里的第一个时间压缩参数，按时间压缩参数来启动计时程序，即相应Vavg(I)…Vavg (1023)的时间，当完成计时后即 可发射第二次发射脉冲，然后再读取储存RAM里的第二个时间压缩参数，如此按特定顺序 读取1023个时间压缩参数，完成IOM次脉冲发射的控制。本发明的技术构思为基于正弦函数的超声生物显微镜直线扫描发射方式，由于 其扫描过程不是完全直线勻速运动的，而是和sin函数相关的，最大速度比最小速度足足
高了一倍。本发明为弥补以上扫描方式的不足，在直线运动过程中每次发射间距相等，严格 控制几何距离精度，使图像无几何失真。在有效圆周上等距取IOM个值，并用相邻的两个 直线速度求1023个平均速度，使用如下matlab命令
rad= π /62X π /3069:5Χ π /6 ；
v=sin(rad)V ；
for i=l:1023
vavg(i) = [vW+v(i+l)]/2 ；
end ；
ν矩阵就是IOM个直线运动点的瞬时速度，ν的矩阵如下所示
； vavg为相邻ν的两点的平均速度，有1023个平均速度，矩阵如下所示
。 由于 sin 函
数是偶函数，所以Vavg的值也是中心对称。设圆周运动频率为f，因为水平直线 速度的不同，所以要在时间上动态压缩，使扫描过程中在扫描路径上等距发射超声 脉冲。设圆周运动半径为R，所以有效扫描路径距离为S为R，每段发射距离S为 S R/1023= 0.001693R，因此每段发射时间分别为 T=S/vavg(i)，T=[S/ Vavg(I)，S/ Vavg (2)，S/ Vavg (3)，S/ Vavg (4) ...S/vavg (1020)，S/vavg (1021)，S/vavg (1022)，S/ Vavg (1023)]；
即能够得到
T=
，因为 V= ω XR=2X Ji XfXR，故时间的压 缩参数 T=[ (5. 382e-4) /f, (5. 363e-4) /f, (5. 345e-4) /f, (5. 326e-4) /f,…(5. 326e-4) / f, (5. 34 4) /f, (5. 36；3,) /f, (5. 38加_4) /f]由于Vavg是中心对称，两端数值小，中间数 值大，所以T是两端数值大，中间数值小，两侧对称。UBM在临床上使用时的频率f 一般在 [4,8]之间，所以T值小于134. 55us。本发明的有益效果主要表现在几何失真非常小、扫描路径利用率高。
图1是基于正弦函数的超声生物显微镜直线扫描发射控制方法原理框图。图2是直线扫描路径的示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1，一种基于正弦函数的超声生物显微镜直线扫描发射控制方法，将超声 生物显微镜直线扫描运动过程对应的勻速圆周运动过程的周长等距离取IOM个圆周速度 点，每个速度点的速度值V为圆周速度值V和对应速度点所在圆弧的正弦值的乘积，所述勻 速圆周运动过程分为1023段，取每段相邻的两个速度点的速度值ν的平均值为每段平均速 度值，i表示段数编号，i为自然数，i=l, 2··· 1023计算得到Vavg(I)…vavg(1023)；
勻速圆周运动过程的周长的弧度范围为η AT π 5/6，圆周运动半径为R，有效扫描路 径距离为S为R，每段发射距离S为R/1023= 0. 001693R,每段发射时间分别为T=S/ Vavg(i)， 依照计算所得的发射时间进行控制发射。采用FPGA作为控制器，FPGA产生脉冲计数器来设置1023个时间压缩参数，并通 过控制数据总线和地址总线将产生的数据按地址顺序储存到对应的FPGA内部生成的储存 RAM里，当超声传感器到达发射位置时，FPGA将接收到一个触发信号，启动发射控制程序， 第一次发射超声脉冲后即马上读取储存RAM里的第一个时间压缩参数，按时间压缩参数来 启动计时程序，即相应VavJlhiavg(Km)的时间，当完成计时后即可发射第二次发射脉 冲，然后再读取储存RAM里的第二个时间压缩参数，如此按特定顺序读取1023个时间压缩 参数，完成IOM次脉冲发射的控制。本实施例利用电机的勻速圆周运动转换为直线往返运动，如图2所示，在不勻速 的直线运动中实现等间距发射超声脉冲，总体思路是在不勻速的直线运动过程中动态压缩 发射时间来实现等间距发射，具体控制过程如下在勻速圆周运动过程的周长上取有效的 IOM个圆周速度点，各点对应的水平直线速度各异，因为扫描运动范围非常小，在临床使用 过程中，16mm的有效扫描范围即可实现超声生物显微镜眼前节的全景扫描，基于积分原理， 可认为小范围扫描具有1023个勻速扫描线段，其速度为vavg(i)。线速度Vi =VXsinCrad), (i=l，2...1024，rad 圆周弧度)，vavg(i) = [v (i)+v (i+l)]/2, (i=l，2…1023)，T=S/vavg (i)， (i=l，…1023)，因此根据各扫描线段T的不同，在不勻速的直线运动过程中动态压缩发射 时间即可实现近似的等间距发射。本发明采用FPGA (Field Programmable Gate Array)作为控制器，FPGA 具有充足 的IO及内部资源和灵活的控制方法，使用FPGA内部的PLL (Phase Locked Loop)可输出 不同频率的同步时钟脉冲，FPGA可控制超声发射电路和时间压缩参数的读取。在系统复位 时，FPGA将产生脉冲计数器来设置1023个时间压缩参数，并通过控制数据总线和地址总线 将产生的数据按地址顺序储存到对应的FPGA内部生成的RAM里，这样不仅读写速度快，而 且不增加外围器件。当超声传感器到达发射位置时，FPGA将接收到一个触发信号，启动发射 控制程序，第一次发射超声脉冲后即马上读取储存RAM里的第一个时间压缩参数，按时间 压缩参数来启动计时程序(即相应Vavg(I) "1.(1023)的时间)，当完成计时后即可发射第 二次发射脉冲，然后再读取储存RAM里的第二个时间压缩参数，如此按特定顺序读取1023 个时间压缩参数，可完成IOM次脉冲发射的控制。本实施例中，在设计上可用FPGA的PLL输出60Mhz的时钟用来计算，每个时钟周 期为16. 7ns，当f=4hz时，故最多需要8056 (134550/16. 7)个时钟数。在具体转换过程中， 需要把T的各个值按60Mhz的时钟周期来计数，用整数的计数值来代替时间的压缩参数。在 系统启动复位时，FPGA先自动生成各个T转换后的时钟计数值，如8056 (十进制)，并把生 成的时钟计数值按地址总线从低到高顺序写到内部生成的RAM里面，本发明可采用512 X16的RAM来存储数据，因为T值是两端对称的。因此，在FPGA第一次使能超声发射脉冲后 即马上读取储存RAM里的000000000 (二进制)地址里的数据，并按读取的数据启动计时程 序，该计时程序是按时钟数来递减数据直到该数据为零即可完成相应的计时。当完成计时 后即可使能第二次超声发射脉冲，然后再读取储存RAM里的000000001 (二进制)地址里的 数据，也用该读取数据启动计时程序，直到RAM的地址为111111110 (二进制)，即T值的中 心数据，第512个数据。因为T值的对称性，在读取第513-第1023个数据需要按地址递减 来读取，即第513个数据地址为111111101 (二进制)，第1023个数据地址为000000000 (二 进制)。如此先按地址递加然后再递减顺序取值，启动相应的计时程序，即可完成动态时间 压缩功能，实现超声等距发射。
权利要求
1.一种基于正弦函数的超声生物显微镜直线扫描发射控制方法，其特征在于将超声 生物显微镜直线扫描运动过程对应的勻速圆周运动过程的周长等距离取IOM个圆周速度 点，每个速度点的速度值V为圆周速度值V和对应速度点所在圆弧的正弦值的乘积，所述勻 速圆周运动过程分为1023段，取每段相邻的两个速度点的速度值ν的平均值为每段平均速 度值，i表示段数编号，i为自然数，i=l, 2··· 1023计算得到Vavg(I)…vavg(1023)；勻速圆周运动过程的周长的弧度范围为η AT π 5/6，圆周运动半径为R，有效扫描路 径距离为S为R，每段发射距离S为R/1023= 0. 001693R,每段发射时间分别为T=S/ Vavg(i)， 依照计算所得的发射时间进行控制发射。
2.如权利要求1所述的基于正弦函数的超声生物显微镜直线扫描发射控制方法，其特 征在于采用FPGA作为控制器，FPGA产生脉冲计数器来设置1023个时间压缩参数，并通 过控制数据总线和地址总线将产生的数据按地址顺序储存到对应的FPGA内部生成的储存 RAM里，当超声传感器到达发射位置时，FPGA将接收到一个触发信号，启动发射控制程序， 第一次发射超声脉冲后即马上读取储存RAM里的第一个时间压缩参数，按时间压缩参数来 启动计时程序，即相应VavJlhiavg(Km)的时间，当完成计时后即可发射第二次发射脉 冲，然后再读取储存RAM里的第二个时间压缩参数，如此按特定顺序读取1023个时间压缩 参数，完成IOM次脉冲发射的控制。
全文摘要
一种基于正弦函数的超声生物显微镜直线扫描发射控制方法，将超声生物显微镜直线扫描运动过程对应的匀速圆周运动过程的周长等距离取1024个圆周速度点，每个速度点的速度值v为圆周速度值V和对应速度点所在圆弧的正弦值的乘积，匀速圆周运动过程分为1023段，取每段相邻的两个速度点的速度值v的平均值为每段平均速度值vavg(i)，i=1,2…1023；周长的弧度范围为π/6~π5/6，圆周运动半径为R，有效扫描路径距离为S为R，每段发射距离S为R/1023=0.001693R，每段发射时间分别为T=S/vavg(i)，依照每段发射时间进行控制发射。本发明能消除几何失真、提高扫描路径利用率，提升图像质量。
文档编号A61B8/10GK102068282SQ201010561828
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者徐亮禹, 朱明善, 陈浩 申请人:温州医学院眼视光器械有限公司, 温州医学院眼视光研究院