摘 要:介绍了传统B型超声诊断仪成像的工作原理。在虚拟仪器设计核心思想的基础上,建立了“基于高档PC机的虚拟B超诊断仪”的总体模型,着重研制了针对超声回波信号采集的高速数据采集(DAQ)卡,并在Windows下开发了相应的硬件驱动程序和应用程序。探讨了将虚拟仪器技术同传统医疗仪器相结合的意义。
1 传统B超仪和基于PC机的虚拟B超仪
医学成像技术的应用是现代医疗系统的基础,而超声成像技术则是其中的一种重要方法。B型超声诊断仪器又称灰阶超声显像仪(Grayscale Ultrasonography),它是以图像显示组织切面的声像图,也称为断层显像超声诊断仪。传统B型超声诊断仪的工作原理如图1所示。在同步电路和时基的控制下,通过超声换能器发射和接收超声回波信号,经过前置处理、检波、放大等电信号处理后去调制CRT的亮度。对接收的超声信号根据声强的强弱以亮度的形式显示出来,反映切面图像、诊断疾病。
随着信息技术、图像技术、计算机技术在各个领域的应用越来越广泛和深入,基于虚拟仪器概念的PC虚拟仪器在电子测量、教学等许多领域得到运用,本文提出基于PC机的虚拟B超仪将一改传统B超仪的技术构成,具有传统B超仪所不可比拟的优点和特点:
第一:虚拟B超仪在仪器的维护、成本、操作方式上更优越于传统B超仪。其很多功能将由软件来实现,不但不易老化和容易升级,而且友好的图形化界面使用户更容易接受,操作更灵活、方便。
第二:大大提高仪器的可靠性。通常情况下,软件的抗干扰性要比硬件强。
第三:仪器具有高度的可重用性、可移植性、可扩充性。
第四:基于PC机的虚拟B超仪对基于数据库方式数据管理会更高效和快捷。
第五:基于PC机的虚拟B超仪可以很容易地借助Internet进行网络作业,实现信息的共享,这将会更广范围改观医疗现状。
2 基于PC机的虚拟B超诊断仪的总体设计
根据传统B超仪成像的基本原理和虚拟仪器的设计思想,我们建立了基于PC机的虚拟B超仪的整体模型,见图2。系统分为两大部分:超声波的发射与接收及其控制电路;超声回波信号采集、处理与显示。两部分之间的接口信号是同步采集与发射控制信号和经过信号调理后的超声回波信号。本文的重点在于后一部分,即高速A/D卡的设计及其相应的软件开发。图中的虚框为该部分的接口单元,包括PC机和高速A/D卡的总线接口,以及通过驱动程序使PC机和软件界面的连接。
2.1 硬件设计
超声回波信号的高速数据采集(DAQ)卡是采用ISA总线标准,其硬件设计遵循以下几个原则:
·由于B超回波的采集,需实现多次聚焦的功能,因此DAQ卡应实现与前置系统的信号握手,为后续进一步开发打下基础。
·尽可能地用功能强的芯片和可编程逻辑器件,为硬件的设计、调试、维护、扩充提供自由度。
·为了便于功能上的进一步扩充,微机的各种资源(由PC机扩展的I/O端口、中断源、DMA通道等)的分配要留有一定的富余。
根据系统要求,高速DAQ卡的原理框图如图3所示。遵循“自顶向下”的设计方法,将采集卡分为“控制部分”和“受控部分”。受控部分是由A/D转换、16位局部高速地址发生器、高速缓存器、总线缓冲与隔离等部分组成。任务是完成信息的传送、运算和处理等。控制部分包含本卡的时序产生与控制电路。译码控制电路是由PC机和系统控制逻辑单元共同 实现的,作用是解释系统所接收到的外来输入信号以及从受控电路反馈回来的状态信号。根据这些信号,向受控电路输出有序的命令,使系统完成预期的任务。PC机通过系统总线和采集卡上的控制信号线传递信息到相应的受控单元。端口地址分配如表1所示。
采集卡的工作过程是:通过复位端口300H-301H或系统ISA扩展槽输出的RESDRV信号(高电平有效,上电复位或初始化系统逻辑)的复位功能,使采集卡的各个触发器和计数器复位。模拟差分信号经过前置电路进入A/D转换电路,这时,通过端口302H-303H启动A/D开始转换。同时通过控制电路产生16位地址计数器的时钟信号(注意该时钟信号是A/D转换器时钟的二分频)和与之同步的在板存储器的写信号。由A/D转换电路输出的是8位的数字信号,经过2级锁存后形成的16位数据分别写进两片8位的在板存储器。16位地址最大可以寻址64K,故存储器可以存储多达128K字节的数据。当预定采集容量计满后,软件部分可以通过接口将DAQ卡中的数据读取、处理.
2.2 软件设计
2.2.1 软件的总体任务描述
图4表明了软件总体任务分配情况,包括:交互式界面、应用程序调度和数据处理、DAQ驱动程序。整个软件部分在Windows98系统下,用VC++6.0的集成开发环境完成。软件部分完成的功能可以概括为以下几个方面:
·系统初始化和DAQ卡配置
它包括系统整体的软件、硬件初始化工作。软件初始化是对程序过程中运用的各全局变量、数据区的初始化设置。硬件初始化是对数据采集卡的端口地址、中断号的设置及确定采样频率、聚焦次数,它们是由程序来实现的以保证系统能够正常使用的缺省值。
·原始数据的获取
它包括数据采集、显示、存储和输出。
·图像数据分析、处理和输出
对所采集的数字图像进行统计分析和数字图像处理,并对采集的图像输出到界面显示、文件保存或输出到打印机。
·退出系统
安全释放所占用的系统资源。
2.2.2 数据采集卡驱动程序
本文设计的数据采集卡采用中断方式与PC机接口,中断服务程序(ISR)取得数据采集卡采集的实时数据。上层软件通过共享内存的机制来获取实时数据并进行处理。这里中断服务程序由Win98的虚拟设备驱动程序(下简称VxD:Virtual DeviceDriver)完成的。VxD是一个32位保护模式下的可执行动态链接库(DLL),用来管理系统软、硬件资源,它不能够单独运行,只能靠别的应用程序调用。VxD可以用来虚拟实现一个物理硬件,以截取应用程序对硬件的要求,或者仲裁不同的应用程序对硬件的要求。这样一来,在多任务环境中不同的应用程序可以共享相同的硬件设备。通过VxD,多个进程可以同时使用这些资源,从而实现多进程并行运行。它可以在程序运行中动态地装入,从而节约系统内存和资源。
VxD运行于CPU的0级上。因此,通过VxD直接与硬件打交道是Windows 32位编程的一个有效途径。VxD内部也是采用消息驱动机制。虚拟设备驱动程序的编写,需要有Microsoft DDK(Device Driver Kit),一般用32位的汇编编写。用的较多且简单的方法是采用Vireo Software公司推出的VToolsD工具箱。这里使用KRFTech公司提供的WinDriver(windrvr.vxd)来实时获取数据,这种方法获取数据准确、可靠。使用时将windrvr.vxd放在系统的 System Vmm32下。
3 总结与探讨
·本文中的DAQ卡可以对连续周期性信号和非周期连续信号进行采集。采样频率取2.5MHz、1.25MHz、0.625MHz几种,可以通过软件设置。DAQ卡对超声回波信号进行数据采集,能够通过逻辑控制电路来实现一次、二次及多次聚焦的功能。
·通过对加入模拟信号的测试,本数据采集卡在采集图像时,能以7.5帧/秒的速率连续采集和实时显示。图像的大小为256×256,灰阶为256级。
·由于PC总线带宽与速度的限制,我们采用“多体并存”的高速缓存方法在一定程度上缓解了高速采集和数据传输之间的矛盾。
·在系统软件的编制上,我们采用32位Win98的操作系统和VC++6.0为开发工具。本项研究说明了基于PC插卡式虚拟仪器是发展我国虚拟仪器的切实可行的途径之一。
参考文献
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