专利名称：全数字眼科超声生物显微镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种眼科超声生物显微镜，尤其是一种超声频率在35Mhz以上的用于 眼科疾病诊断、预防的超声生物显微镜。
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。参照图1，眼科超声生物显微镜包括超声传感器、前置放大电路、可控增益放大电 路、滤波器、对数放大电路、视频放大电路和A/D采集模块以及信号处理系统，所述信号处 理系统得到与检查眼睛相关的数字图像，所述信号处理系统与FPGA (Field Programmable Gate Array,即现场可编程门阵列)控制模块连接，所述FPGA模块与超声发射模块连接，所 述超声发射模块连接所述超声传感器。在临床运用过程中，经常会因为环境原因受到不同程度的电磁干扰，导致图像质 量变差，严重时会直接影响临床医师的诊断。因此在临床上运用的UBM在模拟电路模块，尤 其是前端的各个放大电路需要实行电磁屏蔽技术。这种屏蔽技术是利用高磁导材料隔断电 磁耦合途径，不仅影响到整体电路的体积，而且效果不是太理想。
发明内容
为了克服已有的眼科超声生物显微镜的容易受到电磁干扰、抗干扰能力较差、图 像质量较差的不足，本发明提供了一种有效避免电磁干扰、提升抗干扰能力、图像质量较 好的全数字眼科超声生物显微镜。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
一种全数字眼科超声生物显微镜，包括超声波传感器、超声发射电路和FPGA控制模 块，所述超声发射电路与所述超声传感器通讯连接，所述超声发射电路采用长脉冲序列，所 述全数字眼科超声生物显微镜还包括时序控制电路、前置放大电路、A/D采样模块、动态数 字滤波电路、数字对数放大电路、数字包络检波电路和二次采样电路，所述FPGA控制模块 与所述时序控制电路连接，所述时序控制电路与所述超声发射电路连接，所述超声传感器 与所述前置放大电路连接，所述前置放大电路、A/D采样模块、动态数字滤波电路、数字对 数放大电路、数字包络检波电路和二次采样电路依次连接，所述A/D采样模块、动态数字滤 波电路、数字对数放大电路、数字包络检波电路和二次采样电路均与所述FPGA控制模块连 接。进一步，所述全数字眼科超声生物显微镜还包括数据缓存模块，所述二次采样电路与所述数据缓存模块连接，所述数据缓存模块与所述FPGA控制模块连接。再进一步，所述动态数字滤波电路、数字对数放大电路、数字包络检波电路和二次 采样电路与单片FPGA连接，即各个电路可以通过单片FPGA实现。更进一步，所述FPGA控制模块的PLL时钟输出端连接到A/D采集模块的时钟输入 端，FPGA控制模块的一个I/O输出端连接到A/D采集模块的使能控制端，FPGA控制模块的 I/O引脚和A/D采集模块的数据输出端相连接。所述超声发射电路采用编码发射，以Golay互补序列对作为发射码型。所述动态数字滤波电路采用无限冲激响应数字滤波器，所述无限冲激响应数字滤 波器采用双线性变换法实现。所述数字对数放大电路采用基于二叉树比较法进行对数放大，所述数字包络检波 电路采用Hilbert变换解调检波法。所述二次采样电路采用抽取方式，将A2(Ii)变为A2(Mn)，厘为fs/fd，fs为数字回波 的采样率，fd为超声生物显微镜成像时扫描线的采样率，fs是fd的整数倍，即M为整数。本发明的技术构思为传统模拟UBM发射电路一般是通过单一的高压脉冲来实现 的，而数字化的UBM采用编码发射。在相同的信噪比条件下，编码发射具有低发射电压峰峰 值；在相同电压峰峰值条件下，编码发射能提高信噪比。传统模拟UBM接收电路需要经过对超声回波小信号的去噪、放大、时间增益补偿、 滤波、检波及A/D转换等处理，目的是将超声回波所携带的人体组织信息解调出来形成视 频信号，视频信号经过采集、数字信号处理，最后送到计算机进行成像处理。传统模拟UBM 性能不稳定，精度较低，难以实现现代信号处理算法，无法高保真地传递、转换图像信息等 缺点。全数字UBM利用高速A/D直接对前置放大后的回波信号进行采样，使得模拟信号 提高转换成数字，模拟信号早期数字化，再利用可编程逻辑器件对采样所得到的数据进行 滤波、对数放大及检波等各种处理，有效维护了信号的完整性，降低失真。由于全数字UBM 前端没有对数压缩，回波的动态范围势必较大，所以就要求增加A/D的位数，提高分辨率。 前端也没有解调，所以对A/D采样速度也有很高的要求，采样速度至少要大于两倍的载波 频率。本发明的有益效果主要表现在UBM的前端电路全数字技术化可解决现有技术中 存在的技术难题，具有抗干扰能力强，信噪比高，数字信号处理能力强，图像质量高，图像更 清晰，更准确，提高分辨率，增大动态范围；图像质量较好。
图1是现有的眼科超声生物显微镜的原理框图。图2是本发明的全数字眼科超声生物显微镜的原理框图。图3是本发明的数字检波、数字对数放大及二次采样电路原理图。图4是本发明的平方根和对数压缩电路的原理框图。
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2 图4，一种全数字眼科超声生物显微镜，包括超声波传感器、超声发射 电路和FPGA控制模块，所述超声发射电路与所述超声传感器通讯连接，所述超声发射电路 采用长脉冲序列，所述全数字眼科超声生物显微镜还包括时序控制电路、前置放大电路、A/ D采样模块、动态数字滤波电路、数字对数放大电路、数字包络检波电路和二次采样电路， 所述FPGA控制模块与所述时序控制电路连接，所述时序控制电路与所述超声发射电路连 接，所述超声传感器与所述前置放大电路连接，所述前置放大电路、A/D采样模块、动态数字 滤波电路、数字对数放大电路、数字包络检波电路和二次采样电路依次连接，所述A/D采样 模块、动态数字滤波电路、数字对数放大电路、数字包络检波电路和二次采样电路均与所述 FPGA控制模块连接。所述全数字眼科超声生物显微镜还包括数据缓存模块，所述二次采样电路与所述 数据缓存模块连接，所述数据缓存模块与所述 FPGA控制模块连接。所述动态数字滤波电路、数字对数放大电路、数字包络检波电路和二次采样电路 可以基于单片FPGA实现。本实施例中，采用FPGA控制A/D采集时钟。FPGA的PLL时钟输出连接到A/D采 集芯片的时钟输入，即A/D采样率。FPGA的一个I/O输出连接到A/D采集芯片的使能控制 端。FPGA的I/O引脚和A/D采集芯片的数据输出端相连接。本实施例中，采用编码发射。与传统单脉冲激励相比，编码激励技术是发射经过编 码的长脉冲序列，接收回波也为长脉冲序列，通过匹配滤波或者非匹配滤波方式进行脉冲 压缩，获得与单脉冲激励相近的空间分辨率。本发明采用Golay互补序列对作为发射码型。设有一对长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 其非周期自相关函数分别为ΧΑ (m，0) =
Xb (m，0) =
2N, m=0
Xa (m,0)+XB (m，0) =
0，m 乒 0
则称A、B为互补序列对，A、B互补序列对可取不同长度，本实例取值为16，A、B序列编 码经过压缩叠加后形成超声发射脉冲施加在超声传感器上，实现超声的编码发射。动态数字滤波电路，人体组织的声衰减不仅与被探测介质的深度有关，还有超声 波的频率有关，随着频率的升高，介质对超声能量的衰减系数增大。UBM是35Mhz以上的高 频超声，可想而知，衰减会非常大，故需要采用动态数字滤波。在滤波器设计上需要滤除近 场的低频和远场的高频干扰。提高近场分辨力和远场信噪比，使图像质量得到改善。本发 明采用匹配滤波算法来实现的动态滤波，在信号处理进程中，匹配滤波器系数随接收深度 的变化动态地改变。本发明采用无限冲激响应(Infinite Impulse Response，IIR)数字滤 波器，IIR数字滤波器具有幅频特性精度高、阶数少等优点，占用非常少的资源，适用于对相 位不要求的UBM，因此优于(Finite Impulse Response，FIR)数字滤波器。IIR的传递函数 如下所示
权利要求
1.一种全数字眼科超声生物显微镜，包括超声波传感器、超声发射电路和FPGA控制 模块，所述超声发射电路与所述超声传感器通讯连接，其特征在于所述超声发射电路采 用长脉冲序列，所述全数字眼科超声生物显微镜还包括时序控制电路、前置放大电路、A/D 采样模块、动态数字滤波电路、数字对数放大电路、数字包络检波电路和二次采样电路，所 述FPGA控制模块与所述时序控制电路连接，所述时序控制电路与所述超声发射电路连接， 所述超声传感器与所述前置放大电路连接，所述前置放大电路、A/D采样模块、动态数字滤 波电路、数字对数放大电路、数字包络检波电路和二次采样电路依次连接，所述A/D采样模 块、动态数字滤波电路、数字对数放大电路、数字包络检波电路和二次采样电路均与所述 FPGA控制模块连接。
2.如权利要求1所述的全数字眼科超声生物显微镜，其特征在于所述全数字眼科超 声生物显微镜还包括数据缓存模块，所述二次采样电路与所述数据缓存模块连接，所述数 据缓存模块与所述 FPGA控制模块连接。
3.如权利要求1或2所述的全数字眼科超声生物显微镜，其特征在于所述动态数字 滤波电路、数字对数放大电路、数字包络检波电路和二次采样电路与单片FPGA连接。
4.如权利要求1或2所述的全数字眼科超声生物显微镜，其特征在于所述FPGA控制模块的PLL时钟输出端连接到A/D采集模块的时钟输入端，FPGA控制 模块的一个I/O输出端连接到A/D采集模块的使能控制端，FPGA控制模块的I/O引脚和A/ D采集模块的数据输出端相连接。
5.如权利要求1或2所述的全数字眼科超声生物显微镜，其特征在于所述超声发射电路采用编码发射，以Golay互补序列对作为发射码型。
6.如权利要求1或2所述的全数字眼科超声生物显微镜，其特征在于所述动态数字滤波电路采用无限冲激响应数字滤波器，所述无限冲激响应数字滤波器 采用双线性变换法实现。
7.如权利要求1或2所述的全数字眼科超声生物显微镜，其特征在于所述数字对数 放大电路采用基于二叉树比较法进行对数放大，所述数字包络检波电路采用Hilbert变换 解调检波法。
8.如权利要求1或2所述的全数字眼科超声生物显微镜，其特征在于所述二次采样 电路采用抽取方式，将A2 (η)变为A2(Mn),厘为fs/fd，fs为数字回波的采样率，fd为超声生 物显微镜成像时扫描线的采样率，fs是fd的整数倍，即M为整数。
全文摘要
一种全数字眼科超声生物显微镜，包括超声波传感器、超声发射电路和FPGA控制模块，超声发射电路与所述超声传感器通讯连接，超声发射电路采用长脉冲序列，FPGA控制模块与时序控制电路连接，时序控制电路与超声发射电路连接，超声传感器与前置放大电路连接，前置放大电路、高速A/D采样模块、动态数字滤波电路、数字对数放大电路、数字包络检波电路和二次采样电路依次连接，所速A/D采样模块、动态数字滤波电路、数字对数放大电路、数字包络检波电路和二次采样电路均与FPGA控制模块连接。本发明有效避免电磁干扰、提升抗干扰能力、图像质量较好。
文档编号A61B8/10GK101999909SQ20101056189
公开日2011年4月6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, 瞿佳, 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