（生物醫(yī)學工程專業(yè)論文）基于ARM的眼科A超生物測量系統(tǒng)的研制.pdf

東南大學碩士學位論文 a b s t r a c t t h ee y ea x i a ll e n g t ha n dc o r n e a lt h i c k n e s sa r eb o t ht h es i g n i f i c a n to p h t h a l m i c p a r a m e t e r si nc l i n i c t h ee y ea x i sl e n g t hi sn o to n l yt h ee s s e n t i a lf o ro p h t h a l m i cd i a g n o s i s 。 t r e a t m e n te n dp r o g n o s i se v a l u a t i o n ，b u ta l s oo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r si n i n f r a o c u l a rl e n sr e f r a c t i o nc a l c u l a t i o n a n dt h ec o m e a lt h i c k n e s si su s e f u lf o rg u i d i n gt h e l a s e rs u r g e r y t h ep a p e rs u m m a r i z e st h er e s e a r c ho ft h ec o r n e a lt h i c k n e s sa n de y ea x i a ll e n g t h m e a s u r e m e n t b a s e do nt h ec o m p a r i s o no fs e v e r a lu l t r a s o n i cm e t h o d so ft h i c k n e s s m e a s u r e m e n t ，t h ep u l s e - e c h ow a yi sa d o p t e d ，i nw h i c ht h et h i c k n e s si sc a l c u l a t e df r o mt h e t i m ei n t e r v a lb e t w e e ne c h o e sr e f l e c t e do nt h ei n t e r f a c e so fm e d i u m s t h i sm e t h o di sn o t o n l ym o r ea c c u r a t et h a no p t i c a lp a c h o m e t e r ，b u ta l s os i m p l e ri na l g o r i t h m ，l e s sr e s t r i c t i o n t ot h ed e t e c t e ds u r f a c ea n de a s i e rt oi m p l e m e n t i no r d e rt oi m p r o v ea c c u r a c y ，t h es y s t e m d i s p l a y st h er e a l - t i m ew a v e f o r mo ft h ep u l s e e c h o ，e n dt h e nt h eu s e rc a ns e l e c tt h e s u i t a b l ew a v e f o r me v i d e n t l ya n da d j u s tt h em a r kp o i n tm a n u a l l y ，s oa st or e d u c ee r r o r c a u s e db yn o n i d e a lo ra n o m a l yw a v e f o r m c e n t e r e db ye m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o rb a s e do na r m 9 2 0 tc o r ea n df p g aw i t hr i c h r e s o u r c e s ，t h es y s t e mi se q u i p p e dw i t hs t r o n gc a p a b i l i t yo fd a t ap r o c e s se n dc o n t r o l ，a s w h i l ea sh i g hi n t e g r a t i o n c m o si ce n ds m t c o m p o n e n t sa r ea d o p t e dm o s t l ys oa st o r e d u c et h es i z ee n dp o w e rc o n s u mp i i o no ft h es y s t e m f o rs o f t w a r e ，t h ee m b e d d e dl i n u x o si si m p l a n t e dt oe n h a n c et h em u l t i t a s k i n ga n dm e n a g e m e n ta b i l i t yo ft h es y s t e me n d i m p r o v er e s o u r c ed i s t r i b u t i o n b o t hh a r d w a r ee n ds o f t w a r ea r em o d u l a rs t r u c t u r e ，s oi t i s c o n v e n i e n tf o rf u n c t i o nu p d a t ee n da p p a r a t u sm a i n t e n a n c e d i f f e r e n t i a lc i r c u i ti su s e dt o d e c r e a s et r i g g e rp u l s ew i d t h ，d ac o n v e r t e rt og e td i g i t a lc o n t r o l l e dg a i n ，s y n c h r o n i z a t i o n s a m p l i n gt oa c h i e v eh i g hr e s o l u t i o nd i s p l a ye n dm e a s u r e m e n t ，d y n a m i cs e l e c t i o no fd a t a p r o c e s sw a yt oi m p r o v ep r o g r a me f f i c i e n c y ，c o m b i n a t i o no ff u n c t i o nk e ye n da s s i s t a n t m e n ut oo f f e rf r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e t h ee q u i p m e n td e s i g n e db yt h i sp r o j e c tc a nm e a s u r et h ee y ea x i a ll e n g t ha n dc o m e a l t h i c k n e s sw i t hh i g hr e s o l u t i o n ，f e a t u r e db ys m a l lv o l u m e ，l o wp o w e rc o n s u m p i t o na n dh i g h i n t e l l e c t u a l i z e do p e r a t i o n k e yw o r d s ：e y ea x i a ll e n g t h c o m e a lt h i c k n e s s u l t r a s o n i cp o i s e - e c h o a r m s y n c h m n i z a t i e ns a m p l i n g n 東南大學學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學或其它教育機構 的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均 已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名：j 函恥一日 期：超吐立哆 東南大學學位論文使用授權聲明 東南大學、中國科學技術信息研究所、國家圖書館有權保留本人所送交學位 論文的復印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。本人 電子文檔的內容和紙質論文的內容相一致。除在保密期內的保密論文外，允許論 文被查閱和借閱，可以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內容。論文的公布( 包 括刊登) 授權東南大學研究生院辦理。 研究生簽名：! 擎竭 導師簽名： 洱日期：叼如3 第一章緒論 1 1 課題背景 1 1 1 人眼結構 第一章緒論 人的眼睛近似球形，正常成年人其前后徑平均為2 4 m ，垂直徑平均2 3 r a m 。 最前端突出于眼眶外1 2 1 4 棚，受眼瞼保護。眼球的結構主要包括眼球壁和內容 物。眼球壁分三層，最外層為纖維膜，又分角膜和鞏膜。眼球的內容物包括房 水、晶狀體、玻璃體。眼球結構如圖1 1 所示。 圖1 1 眼球結構 角膜：角膜占纖維膜的前1 6 。因其透明能隔著它看到黑褐色的虹膜，故稱 黑眼珠。角膜像個單側凸透鏡，對穿過的光線起曲折作用。 鞏膜：纖維膜的后5 6 為白色的鞏膜，故稱白眼珠或眼白。不透明，質地 堅韌為眼球的保護層。它的內側為色素膜，包括虹膜、睫狀體和脈絡膜。 虹膜：為一圓盤狀膜，中央有一孔稱瞳孔。虹膜有圍繞瞳孔的環(huán)狀肌，它收 縮時瞳孔縮??；還有放射狀排列的肌纖維，它收縮時瞳孔放大。 睫狀體：由切面觀為三角形。其中有明顯作用的是環(huán)形肌纖維。 東南大學碩士學位論文 脈絡膜：脈絡膜占色素膜的大部分，覆蓋眼球后部，富含色素遮擋光線，為 眼球內成像造成暗箱。充滿著血管，有營養(yǎng)眼球的作用。 視網膜：是一透明的薄膜，它是眼球的感光部位，它的后部有黃斑中心窩， 是白天注視物體最靈敏的部位。在黃斑中心窩的內側有視乳頭，是視神經的起始 部。此處沒有視細胞，故無視覺功能，生理學上稱為盲點。 房水：充滿前后房的水狀液。如果房水產生過多或回流障礙會導致眼壓升 高，甚至青光眼。 晶狀體：位于睫狀肌的環(huán)內。平時睫狀肌處于舒張狀態(tài)，晶狀體在懸韌帶牽 拉下薄而扁平，能使平行光線成像于視網膜。看近時，由于物距小眼內像距大， 視網膜的物像就不清楚，因而引起睫狀肌收縮，懸韌帶變松，解除了對晶狀體的 牽拉，晶狀體就以其彈性變凸，折光增強把超過視網膜的像距再調回到視網膜而 看清。生理學上稱這一過程為調節(jié)，實際上是功能代償。 玻璃體：為透明的膠狀物，充滿了晶狀體與視網膜之間的空隙。為眼內成像 提供了一個透明的空間。 1 1 2 眼科生物測量在臨床上的意義 眼科生物測量包括眼球軸長測量，角膜厚度測量等。其中在進行眼球軸長測 量同時可以測量前房深度、晶體厚度和玻璃體腔長度。下表中為眼球生物測量的 正常指標。 表1 i 眼球生物測量正常指標 前房深度( 砌)晶體厚度( i i n )玻璃體腔長度( 砌)眼軸長度( 咖) 2 3 8 0 4 8 4 0 1 2 21 6 5 0 0 2 52 3 9 7 o 2 9 眼軸長度是從角膜到視網膜之間的距離，其測量一般以從角膜頂點到黃斑 為最佳。因為黃斑區(qū)是視力最敏感的區(qū)域，約9 5 視錐細胞都集中分布在黃斑 區(qū)。測量眼軸時，如果測量點落在黃斑區(qū)是最理想的。眼軸長度的測定具有重要 的臨床意義：眼病診斷方面。通過眼軸測定增長與縮短，了解眼的病變，測知 眼的屈光狀況。高度近視眼軸較長，眼軸增長除軸性近視外，尚可見于青光眼， 廣泛性角膜或鞏膜葡萄腫等。高度遠視眼軸縮短，眼球縮短除軸性遠視外，尚可 見于眼球萎縮，眼球癆，先天性小眼球，永存增長性原始玻璃體，晶體后纖維增 第一章緒論 生癥等。閉角型青光眼前房變淺，晶體增厚。c r a v e s 眼病，通過測量眼肌厚度 而得到鑒別。眼病的估價預后。先天性青光眼通過眼軸測定，可知眼球是否繼 續(xù)增大。人工晶體屈光度的測定。白內障手術后眼內人工晶體植入已普遍開 展，通過超聲測量眼軸長度目前已列為白內障人工晶體植入術常規(guī)檢查。眼軸長 度測量是計算人工晶體屈光度最重要因素之一，測量上誤差l m m 常導致2 5 d 的屈 光不正，嚴重的偏差將長久影響患者視覺質量。因此，測量眼軸的準確性是人工 晶體植入術后理想屈光狀態(tài)的重要保證。 角膜厚度即角膜前后表面的距離，各部分不同，中央部最薄，平均為 0 5 1 ，周邊部約為l m 左右。一般近視跟和老年人的角膜較薄，遭受外傷時很 易破裂；3 歲以下兒童角膜厚度較成人為厚；角膜水腫時增厚。目前，角膜測厚 最主要用于角膜屈光手術即角膜放射狀切開術( r k ) 、準分子激光屈光性角膜切 削術( p r k ) 、準分子激光角膜原位磨鑲術( l a s i k ) 的術前檢查和術后療效評價。對 豚，充分了解角膜厚度，特別是各部位的厚度，對手術時切口深度的掌握至關重 要：切口深度不足，造成矯正不足；切口過深則有穿孔的可能。對p r k ，術前測 量，指導手術切削深度，術后定期測量，指導用藥，避免角膜上皮過度增殖，以 致角膜厚度過度增加而造成屈光回退。對l a s i k ，特別是高度近視眼患者，精確 測量角膜厚度，對選擇手術方式，確定切削深度，防止繼發(fā)性圓錐角膜，具有重 要意義。 此外，角膜厚度還是角膜細胞機能的客觀指標。角膜的內皮好比一個水泵和 屏障，他通過調節(jié)進入角膜的水和其他溶質的數量，來保持角膜的厚度和透明。 如果角膜的上皮層或者內皮細胞層發(fā)生移動或其生物活性降低，就會引起角膜腫 脹。研究表明，不同個體角膜厚度存在差異。這種差異一般認為是由于角膜基 j 賈一膠原蛋白纖維及纖維問物質的數量不同。因此，對于一個健康角膜， 厚度值反映了其組織結構和生物力學特性。而對于一個病變的角膜，引起角膜變 厚的唯一原因就是角膜水合作用的失調。因此，角膜厚度不僅在生理學、藥理學 上有著重要意義，而且對臨床診斷、流行病學和病理學同樣重要。 東南大學碩士學位論文 1 2 眼科生物測量的研究現狀 目前眼科生物測量使用的主要是超聲生物測量，有a 型超聲、b 型超聲、 d o p p l e r 超聲、三維超聲以及超聲生物顯微鏡( u 刪) 。其中，a 型超聲以其檢測 的快速、高效無損傷而經濟地反映眼球結構功能，在眼科的生物測量上顯示出很 大的優(yōu)越性。 傳統(tǒng)測量眼軸的方法包括浸入式a 超、接觸式a 超，也稱為眼軸長度測量的金 標準。由于浸入式a 超測量時需要表面麻醉，放置不同型號的浸潤槽，適量的浸 潤液，同時要防止浸潤液中產生氣泡等，操作相對比較繁瑣，所以目前測量眼軸 長度應用較多的是接觸式a 超。在使用接觸式a 超測量眼軸時，須讓患者注視a 超 探頭，目的是保持注視狀態(tài)，測量角膜前表面至黃斑注視區(qū)的視軸長度：且操作 應由同一熟練的醫(yī)師完成，盡量將誤差降至最低。但在操作過程中仍然不能避免 探頭對角膜的壓迫，可能導致接觸式a 超測得的眼軸長度較其他兩種方法都低。 且測量過程中患者往往會因注視探頭而產生恐懼心理，不能很好的配合，又因表 麻劑的使用，不能避免會有擦傷角膜上皮的情況發(fā)生。 近年來有人提出應用a 、b 超聯(lián)合測量眼軸的方法來提高其精確性，如a 超測 量角膜前表面至晶狀體后表面的距離，b 超狀態(tài)下測量晶狀體后表面至視網膜的 距離。因為b 超測眼軸時眼瞼厚度值無法測到，不能用b 超直接測量眼軸長度。但 是后囊位置在b 超下可以非常清楚地顯示，而且b 超上的a 超尺精確到o o l m m ，因 此b 超測量從后囊中心點到黃斑的距離是很精確的。從角膜到后囊這一段距離，b 超測量不精確，而由a 超測量取得。這樣就成功地將a 超和b 超的優(yōu)點聯(lián)合起來 了。而且通過a 、b 超聯(lián)合測量的方法，可以直接觀察患眼的情況如：有無玻璃體 混濁、視網膜脫離等等，且不使用表麻劑，避免了接觸角膜造成危險，使患者比 較容易接受。但也有研究認為利用a 、b 超聯(lián)合的方法測量眼軸長度并不是一個很 好的方法。首先，b 超實際是一系列a 超組合的二維圖像，利用b 超探及眼球軸位 圖像時，每次所得的軸位圖的位置都不一樣，故而在此基礎上進行定位測量重復 性比較差。其次，b 超凍結圖像下不管是角膜前表面，還是黃斑中心凹的位置圖 像都是比較粗糙的，很難準確確定其位置，尤其是伴有后鞏膜葡萄腫時，錐項位 置一般都很租糙，重復標記多次往往偏差較大。最后，不管是標記視乳頭顳側 3 m m 處，還是標記葡萄腫的錐項位置，都只是一個估計的位置，并不能確定其就 第一章緒論 是沿著視軸的方向。此外，黃斑區(qū)不一定位于后鞏膜葡萄腫的錐頂處，可能位于 錐壁，也是引起測量誤差的一個因素。 光學相干生物測量儀( i o l m a s t e r ) 是用于眼軸長度測量的一種新型儀 器，其主要優(yōu)點是測量角膜前表面至黃斑注視區(qū)的視軸長度非接觸，患者易接 受，且精確性較高，可以精確到0 o l m m 。而傳統(tǒng)接觸式a 超的精確度約為 0 i m m 。不過，i o l m a s t e r 并不適合于所有的患者，對于那些致密白內障，角 膜瘢痕等其他屈光介質嚴重混濁及注視功能不好的患者，其無法測量，就需要借 助超聲生物測量的方法。 因此，目前普遍接受的觀點是：采取注視狀態(tài)下，接觸式a 超測量眼軸準確 性較高；而a 、b 超聯(lián)合方法測量變異度較大：i o l m a s t e r 為我們提供了生物 學測量的新選擇，對高度軸性近視白內障手術人工晶狀體的選擇有重要意義。 目前，角膜厚度的測量有四種方法：( 1 ) 電機械測厚儀；( 2 ) 雷射干涉測厚 儀；( 3 ) 光學測厚儀；( 4 ) 超聲測厚儀。其中超聲角膜測厚對角膜無害無損，操作 非常簡便，同時可以連續(xù)測量同一部位的數點或不同部位的數點取其平均值，故 而較為精確，被認為是可重復性最好、測量最準確的一種方法，作為測量角膜厚 度的金標準，被廣泛應用于眼科臨床。電機械測厚儀主要用于角膜中央厚度的測 量，而不便于多點角膜厚度的測量。雷射干涉測厚儀的價格較昂貴，其使用具有 一定的局限性。光學測厚儀雖曾用于角膜厚度的測量，但因其僅能測量6 1 2 點 子午在線的角膜厚度且誤差較大，已基本被超聲測厚儀所取代。 近年來用于角膜測厚的方法除眼用a 超儀外，還有超聲生物顯微鏡( u b m ) 及 角膜地形圖儀。不同儀器和方法測得的結果都有相差，一般臨床以a 超檢測為 主。u b m 是一種診查眼前節(jié)的新型設備，其換能器發(fā)出高頻率的超聲波( 5 0 1 0 0 姍z ) ，雖然其穿透能力不強，僅能透過組織表層4 5 棚，但它能顯示出各組 織詳細而清晰的結構圖，并將這5 m i n x 5 m m 的圖放大在1 8 c m x1 9 c m 顯示屏上。提高 了分辨率及對角膜的可視性，進而能更客觀地測量其厚度。u b m 的這一優(yōu)點是其 它儀器所不能及的。裂隙燈顯微鏡用光反射，放大倍率低，只能對角膜厚度作大 體估測，無法精確。用a 超測角膜厚度，雖然結果也很準確，但它超聲探頭頻率 低( 1 0 姍z ) ，并無法得出直觀的清晰圖像，且因操作手法、角膜用藥導致角膜水 腫等原因誤差較大。角膜地圖主要利用光學得出角膜表面的形態(tài)和曲率的變化彩 東南大學碩士學位論文 圖，用計算機進行分析兼顧，缺乏直觀性和精確度。 用u b m 測角膜厚度雖然具有直觀性、可視性、較易測量的優(yōu)點，但是定位較 難。中心和周邊尚可用探頭的擺動方向去尋找角膜弧面的前極點對瞳孔中心點及 角膜緣的時鐘點做定位標志。然而，因其顯示范圍小，難以測準距角膜中心的點， 所以旁中央、旁周邊各點的定位較困難。儀器昂貴，費用高，難普及。 角膜地形圖儀是利用光學裂隙掃描原理，可采集眼前界的各個表面的信息數 據，建立眼前節(jié)三維立體圖形，并通過計算機精確計算出角膜前后表面高度、曲 率、角膜厚度、前房深度、k a p p a 角等，它不僅可以測量角膜中央厚度，還可以顯 示周邊角膜厚度及角膜最薄處。對于角膜屈光手術的安全性分析，術前設計及術 后觀察都有著重要的作用。 雖然目前角膜地形圖儀測量角膜厚度的精確性得到提高，但其在檢查過程中 受影響因素較多，如淚液、眼瞼對角膜的遮擋、眼球的輕微運動等都可能影響其 結果，其重復性較差。因此在屈光手術方面尚不能完全代替a 超，手術設計時仍以 a 超測得的角膜厚度為依據。特別是二次手術者，兩者測量值相差很大。 在眼科的生物測量中，測量精度是最重要的技術指標之一。此外，隨著電子 技術的飛速發(fā)展，醫(yī)療儀器領域對智能控制的需求不斷增長，同時也對系統(tǒng)運算 速度、可擴充能力、系統(tǒng)可靠性、功耗和集成度等方面提出了更高的要求。因 此，提高精度和智能化程度，完善功能，縮小體積，降低功耗是研制新一代眼用 a 超儀的主要目標。 1 3 論文的主要內容 本課題的研究重點在于，硬件以嵌入式微處理器與f p g a 為核心，提供強大 的數據處理能力和控制功能；軟件則采用嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)，以加強系統(tǒng)的管 理能力。此外，同步采樣技術的運用有效地降低了成本，提高了效率。論文中對 相關內容做了著重闡述。各章節(jié)的內容簡介如下： 第一章主要介紹了眼科生物測量的臨床意義和研究現狀，并通過多種測量方 案的比較，突出了a 型超聲在眼科生物測量上的優(yōu)越性。 第一章緒論 第二章首先介紹了超聲測厚原理，并對幾種常用的超聲測厚方法進行了比 較。然后詳述了采用脈沖反射法進行眼科a 超生物測量的基本原理，最后分析了 實時顯示回波波形的必要性及其對于提高測量精度的意義。 第三章介紹系統(tǒng)的硬件設計，詳細闡述了硬件的總體結構和每個電路模塊的 作用、設計重點、設計方案、電路圖。在數據采集模塊中，著重介紹了采用同步 采樣技術，以較低速的a d 轉換器實現高分辨率的回波測量與顯示的方案及其實 現。a r m 子板與f p g a 共同構成系統(tǒng)核心，強調其強大的數據處理能力和控制功 能。 第四章為系統(tǒng)的軟件設計，對系統(tǒng)的主流程以及每個功能模塊的算法和流程 做詳細說明。并針對嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)的特點，強調了應用層與驅動層的協(xié) 調。在數據處理模塊中，詳細介紹了采用動態(tài)選擇數據處理方式提高運行效率的 方案及其實現。 第五章的總結與展望回顧了本課題的研究成果，同時提出了進一步提高精 度，擴展功能和應用領域的研究方向。 東南大學碩士學位論文 第二章超聲波測厚原理 2 1 超聲波的基本特性 2 1 1 超聲波的物理特性 超聲波是在彈性媒質中傳播的一種機械波，其頻率高于2 0 k h z ，是一種聽 不到的高頻聲波。通常把2 x1 1 0 1 h z 的聲波稱為超聲波，大于1 0 1 h z 的聲 波稱為特超聲波。 超聲波與聲波一樣，是振動在彈性介質中的傳播，需要有高頻振動源。機 械振動源和彈性媒質是超聲波形成的基本條件。彈性媒質可以是氣體、液體、 固體和等離子體。超聲波與光波、x 射線等物理本質不同，后者是電磁輻射 波，除了在彈性媒質中傳播外，還能在真空中傳播。 超聲波頻率高，波長短，成束傳播，能量集中于束內，指向性好，具有類 似于光線的物理特性。由于頻率很高，即使振幅很小，超聲波傳輸給媒質的能 量也要比可聞聲波大的多。故超聲波與物體作用時有很強的機械作用，能使媒 質粒子做高頻機械振動。經過特殊設計，超聲波可以產生擊碎、凝聚、乳化等 機械效應。 超聲波在人體組織中穿透性強，即使聲強為數m w c m ，甚至于數pw c m 2 ， 也能對人體組織進行有效探測，為超聲診斷提供了條件。w c m 2 級聲強的超聲 波，能與人體組織器官產生機械、化學和溫熱效應，為超聲理療提供了物理基 礎。 超聲波來源于高頻機械振動，振動取消，超聲亦停止傳輸，故在人體應用 超聲波檢查和治療均無劑量積累。在診斷劑量內使用，不產生可檢測出的超聲 生物效應，對人體是安全無損的。 2 1 2 超聲波的傳播特性 l 、超聲的反射和折射 當一束平面超聲波入射到遠大于波長線度的兩種媒質的交界面時，就會產 生反射和折射現象。如圖2 1 所示，只、只、只分別表示入射、反射、折射聲波 聲壓，口，口，口。分別表示入射角、反射角和折射角。媒質i 的特性阻抗z 8 第二章超聲波測厚原理 = p ，g ，媒質i i 的特性阻抗歷= p 厶，假定超聲波在兩種媒質中傳播無損耗。 此時平面聲波的反射和折射定律是與光波相同的。 y 一 弋 詹、 ? 沙 】如 i 一i i 一 圖2 ，l 聲波的反射和折射 反射定律是入射角等于反射角，即 0 i - o r 折射定律是入射角和折射角的正弦值之比等于兩種媒質的聲速之比，即 s i n o ic s i n o t4 芒。，1 1 2c “ 2 、超聲波的衰減 超聲波在媒質中，其聲能量隨著傳播距離的增加而減弱，這種現象稱為超 聲衰減。導致聲衰減的主要原因有：1 ) 超聲傳播過程中的反射、折射、擴散等 現象，使得聲能分散而衰減；2 ) 散射衰減，媒質不均勻，含有懸浮粒子，使得 聲能分散而衰減；3 ) 吸收衰減，由于媒質的粘滯吸收、熱傳導吸收或弛豫吸 收，導致聲能變成熱能而衰減。顯然，衰減是聲能量的總損失，吸收衰減只是 主要成因之一，但利用組織的超聲吸收衰減特性可以進行鑒別診斷，利用吸收 致熱現象，可以進行超聲理療。 當平面超聲波在媒質中傳播時有： i r o e 一“ 式中，i 、厶分別是初始聲強和距離x 處的聲強，o l 是聲強衰減系數。 口 東南大學碩士學位論文 衰減系數用來表示波束在每厘米介質內的衰減程度。它在介質中與超聲波 的頻率成比例，在某些類型的介質中甚至與頻率的平方成比例。因此，聲波穿 透的深度與頻率成反比例。 2 2 超聲波測厚的三種基本方法 2 2 1 共振法測厚 在用頻率在一定范圍內連續(xù)變化的正弦波電信號激勵壓電晶片時，晶片向 試件內所發(fā)射的聲波其頻率也是連續(xù)變化的。如果試件的厚度為聲波半波長的 整數倍時，在試件內會形成駐波，試件產生共振，且 d 。擰互 2 式中d 為試件厚度；a 為聲波在試件中的波長；雄為任一整數。 顯然在共振時，厚度與共振頻率有如下關系： d 。墮 2 l 。丟。詈 即n = 1 時，無= 五稱為基波頻率。 由上式可見 一 一等一可( n - 1 ) g - 寺 所以得知厚度共振的兩個相鄰的共振頻率時，即可按下式算出厚度： d 1 2 ( 無一無一，) 第二章超聲波測厚原理 圖2 2 共振式超聲測厚原理 如圖2 2 所示的測厚裝置，根據試樣共振時振蕩器工作電流相應出現極大 來確定共振頻率和。及共振次數肪利用已知的聲速c ，就可得到試樣厚度 正 d 。 竺 2 ( 無。一， ) 共振式超聲測厚計主要用于l l o o r m 范圍內的厚度測量，精度可達0 1 1 ，可測的最薄厚度為0 1 m 。 2 2 2 干涉法測厚 當一束頻率可調的超聲通過耦合液體入射試件時，一部分在試件上表面反 射，一部分透入試件后在下表面反射。如果試件厚度d 正好是超聲波半波長奇 數倍而發(fā)生共振時，那么試件上下兩表面的信號就有a t 的相位差而相互干涉抵 消，這時接收到的反射信號的頻譜中會出現強烈顯著下降的谷點，谷點處的頻 率療反比于試件的厚度。這樣，測出谷點處的廳，利用試件已知的聲速c ，就 可以確定試件的厚度以 干涉法測厚中，可以使用連續(xù)的超聲波，也可以使用兼有脈沖和連續(xù)波特 點的調制脈沖方波。 1 、連續(xù)波干涉測厚 連續(xù)波干涉測厚系統(tǒng)的原理框圖如圖2 3 所示。系統(tǒng)的發(fā)射和接收換能器 必須分開。兩換能器通過水與待測薄板耦合，水層厚度可適當調節(jié)。掃頻振蕩 器和示波器的x 軸掃描電壓由主控單元同時控制，所以示波器x 軸直接對應于 超聲波頻率。當試樣在某頻率上共振時，接收探頭的輸出在示波器上就出現零 點。測出零點對應的頻率，利用它們與厚度成反比的關系，就可以直接得到材 料的厚度。當共振零點不夠尖銳時，可通過調節(jié)水層的高度來改善。 東南大學碩士學位論文 圖2 3 連續(xù)波干涉測厚系統(tǒng) 為了精確地測定零點的共振頻率，可采用一石英穩(wěn)頻的連續(xù)可調的標準頻 率振蕩器，它的輸出與掃頻振蕩器的輸出在混頻器中互相混合。如果兩者頻率 之差為l k h z ，下一級的單穩(wěn)單元就被觸發(fā)，于是在標準頻率附近形成兩個對 稱的頻率標記。手動調節(jié)這兩個標記到零點相對稱的位置，由頻率計讀出的標 準頻率就是零點的共振頻率。若再對頻率值作適當比例運算，也可直接顯示試 樣的厚度。 這類連續(xù)波干涉測厚計，其精度可達到- t - 6un l ，但由于需要作手動調節(jié)， 不能滿足在線快速自動測厚要求，只是適用于少量試樣的精密測厚。 2 、脈沖干涉測厚 采用調制方波脈沖的脈沖干涉測厚系統(tǒng)如圖2 4 所示。受方波調制的掃頻 振蕩器輸出載波脈沖列，其載波頻率從所需范圍的低端開始，每一相繼脈沖增 加一個不大的頻率增量，比如2 0 k l t z ，總的掃頻范圍由實際情況確定。聚焦換 能器發(fā)出的聚焦聲束垂直入射到管壁表面。兩壁面的反射回波仍由同一換能器 在發(fā)射脈沖的間隙里接收。當載波頻率與管壁厚度共振頻率一致時，接收信號 將出現零點。有兩種判斷零點的方法：一是將接收信號輸出至最小電平鑒別 器，直接檢測出它的最小振幅；另一種方法是將每一個反射脈沖振幅與前一個 相比較，求出其差值。當載波頻率由低到高掃頻通過零點頻率時，回波振幅經 歷了一個逐漸減小而又增大的變化，相應的差值經歷了一個由負到正的突變。 第二章超聲波測厚原理 這樣，根據最小電平鑒別器及正負極性鑒別器的輸出，就可以把出現零點時的 載波頻率取樣輸出，從而確定共振頻率，用以進行厚度測量或自動控制。 圖2 4 脈沖干涉測厚系統(tǒng) 脈沖干涉測厚可以快速、連續(xù)進行，并有相當高的精度。例如對不銹鋼管 壁厚度的測量，在0 2 5 1 2 5 r a m 范圍內，精度可達0 1 。 2 2 3 脈沖反射法測厚 脈沖反射法測厚是通過測量超聲波在工件上下底面之間往返一次傳播的時 間來求得工件的厚度，其計算公式如下： d 竺 2 式中c 為工件中的波速，t 為超聲波在工件中往返一次傳播的時間。 典型脈沖反射法測厚儀的結構框圖如圖2 5 所示。發(fā)射電路發(fā)出脈沖很窄 的周期性電脈沖，通過電纜加到探頭上，激勵探頭中壓電晶片產生超聲波。該 超聲波在工件上下底面產生多次反射。反射波被探頭接收，轉變?yōu)殡娦盘柦浄?大器放大后輸入計算電路，由計算電路測出超聲波在工件上下底面往返一次傳 播的時間，最后再轉換成工件厚度顯示出來。 東南大學碩士學位論文 t | 卜十t1 圖2 5 脈沖反射法測厚儀的結構框圖 測量往返時間t 有以下兩種方法： ( 1 ) 測量發(fā)射脈沖t 與第一次底波b 1 之間的時間。這種方法發(fā)射脈沖寬 度大，盲區(qū)大，一般測量厚度下限受到限制。這種方法的儀器原理簡單，成本 低廉； ( 2 ) 測量第一次底波b 1 和第二次底波b 2 之間的時間或任意兩次相鄰底波 之間的時間。這種方法底波脈沖寬度窄，盲區(qū)小，測量下限值小。但這種方法 儀器線路復雜，成本較高。 所謂盲區(qū)是指如果一個自收發(fā)超聲探頭接收到試件的反射回波落入探頭發(fā) 射脈沖的余震中而無法分辨，這個最小的不能檢測的試樣厚度區(qū)域，就稱之為 盲區(qū)。因此，盲區(qū)限制了超聲脈沖測厚下限。減小探頭盲區(qū)最有效的途徑是減 小探頭的發(fā)射余震。常采用的方法有：1 、改進探頭結構，采用具有高阻尼背襯 的寬帶窄脈沖探頭；2 、設計窄脈沖發(fā)射電路，即除了直接加到探頭上的電信號 外，還有經延遲反相放大后加到換能器上的延遲反相電壓，調節(jié)一定的參數， 使兩信號的時間延遲滿足反相抵消的條件，這樣就可以得到只有開始半周期的 振動超聲窄脈沖；3 、在超聲探頭與試樣之間采用固體聲延遲塊來耦合。 第二章超聲波測厚原理 在許多待測厚度的試樣中，不少是非平面的。這時，為了提高測厚的信噪 比和精度，可以把換能器相應地做成曲面形狀或采用聲透鏡等措施，使聲束集 中或分散。這樣使有些聲束基本上仍垂直于彎曲的試樣表面，從而能反射回換 能器，提高了檢測的信噪比，保證了檢測的精度。 超聲脈沖回波法的優(yōu)點使是： 1 、適用于大而不規(guī)則形被測物； 2 、對被測物表面光潔度要求低： 3 、原理簡單； 4 、用于超聲脈沖回波法的設備可以非常簡單。 2 3 眼科a 超生物測量原理 檢查眼球需要較高分辨率，且穿透深度較淺。由于聲波的頻率越高，能分 辨的最小距離越小，即分辨率越高，而穿透深度越淺，故分辨率和穿透深度對 立，必須進行折中處理：較深層的結構只能用相對低的頻率觀察，因而分辨率 較低；較淺的結構則可以采用較高的頻率從而得到較高的分辨率。而且，組織 的類型影響波束的吸收量，如空氣和骨骼是較強的吸收體，而肌肉組織和水幾 乎不衰減波束。因此，針對眼科a 超生物測量的特殊性，本系統(tǒng)選用了較高頻 率的1 0 刪z 探頭。 本系統(tǒng)采用脈沖反射法n 1 1 ，以角膜厚度測量為例，以往采用的測厚過程如 圖3 1 所示。首先由電路產生高壓脈沖，激勵超聲換能器轉換成同頻率的超聲 波脈沖。超聲波由探頭通過耦合劑傳播至眼角膜表面，在眼角膜的外壁和內壁 產生反射，得到兩次回波，計算出兩次回波脈沖的時間間隔t ，便得到眼角膜的 厚度d ： d c t 2 一( c x 廳) 2 f 式中f 為計數脈沖頻率，理為計數值，c 為超聲波在眼角膜內的傳播速度。 時間間隔，的測量方法：在兩個回波出現時分別產生一個計數觸發(fā)脈沖， 第一個脈沖用來啟動計數器計數，第二個脈沖用來關閉計數器。記錄下在這個 時間段內的計數脈沖個數n ，則時間間隔t - - - - n f o 1 5 東南大學碩士學位論文 該計數器采用的計數脈沖頻率應盡可能的大，這樣計數脈沖的時間間隔才 會盡量小，測量誤差才會小。 鼠角膜前壁 發(fā)射波 探頭 目浚 發(fā)射髂沖 。 廠陟 。太 一- - ，； 氣一 ff ? 一 s b i i j l | | | l i | i川 f | f | 圖2 6 脈沖反射法角膜測厚原理 最角膜后壁 上述的測厚方法雖然簡單易行，但存在一定的缺陷：計數觸發(fā)脈沖的產生 受回波波形的影響較大。因為計數觸發(fā)脈沖一般是通過設定一定的閾值，超過 閾值則觸發(fā)的方式實現的，而超聲回波的波形是不規(guī)則的，即超過閾值的時間 是不定的，故兩次計數觸發(fā)脈沖的時間間隔與實際的兩次回波脈沖的時間間隔 第二章超聲波測厚原理 存在一定的誤差。對于精度要求極高的角膜厚度測量來說，這個誤差是不能忽 視的。因此，實時顯示回波的波形，通過可視化的界面人為控制和動態(tài)調整 “閾值點”，從而實現對時間間隔的更高精度測量，無疑是一個行之有效的方 法。 反射的可視化可用多種方法實現。一維或多維可視化方法有所區(qū)別。在幅 度型即a 型中，每一回聲的能量顯示為發(fā)射脈沖與回波之間時間間隔的函數。 回波的振幅沿垂直軸向，而水平軸向則表示時間。發(fā)射脈沖與回波之間的時間 間隔和換能器與反射組織邊界的距離一致。反射邊界的移動可通過回聲振幅沿 著時間軸水平移動看到。a 型超聲提供了關于反射邊界位置的一維信息，是將 所探測的組織界面回聲以波峰的形式顯示，按回聲返回探頭的時間順序依次排 列在基線上，構成與探頭方向一致的一維圖像。以角膜測厚為例，用示波器得 到的a 超圖像如圖2 7 所示： 圖2 7 角膜測厚波形 同樣的問題也存在于眼球軸長測量中。在常規(guī)采用的角膜接觸式眼軸長度 測量方法中，標準眼軸測量圖像應當包含晶狀體前囊垂直高波，晶狀體后囊垂 直高波，玻璃體平段和眼底復合高波。視軸球壁回聲，其前沿表現為光滑陡直 東南大學碩士學位論文 高波，代表視網膜界面反射，其后為逐漸遞減的叢狀高波，與球后組織波相連， 此間鞏膜反射波較明顯。大多數正常眼球均能獲得符合上述條件的良好波形， 但在某些特殊情況下，則易出現非理想狀態(tài)波形。理想的a 超測軸波形是獲得 準確術后屈光狀態(tài)的保證。長眼軸，后鞏膜葡萄腫，高度角膜散光，視網膜病 變等較易導致非理想波形和遠視。 軸長測量理想波形所要求的3 個飽和高波中，前兩者為晶狀體前后囊的回 聲波。通過擺正探頭位置于瞳孔中央，垂直于眼表即可達到，基本無困難。所 謂非理想波形實質上即指球壁反射波的狀況不理想。我們所見到的非理想球壁 回聲波大致有如下幾種：( 1 ) 高叢波加前小波：( 2 ) 斜高波：( 3 ) 低叢波：( 4 ) 單高波：( 5 ) 單波加前小波。典型的軸長測量理想波形與非理想波形如圖2 8 所示。在回波波形這樣復雜的情況下，計數觸發(fā)脈沖的方法顯然是不可取的， 因此實時顯示波形對于眼軸長度測量來說，不僅是提高精度的要求，更是一種 必需。 第二章超聲波測厚原理 理想球壁回聲波形 高從渡加前小波捩彤 低從渡波形 單高渡竣形 斜高坡波形 單波加前小渡渡形 圖2 8 軸長測量理想波形與非理想波形 為使軸長測量準確，首先要具備高品質的測量設備和有經驗的測量者。對 軸長測量波形應認真鑒別，有所取舍。不能獲得理想波形時，首先應改變探頭 位置探測，多人復測，并尋找可能相關的眼部病因。有時波形的好壞比測量值的 離散程度更為重要。若停留在同一位置取波，容易導致一系列集中的錯誤數 據。所以應避免在同一位置固定測量，每次出波后應當將探頭移開角膜再重新 放置探頭測量。 東南大學碩士學位論文 顯而易見，眼科a 超生物測量的關鍵就是回波波形的實時顯示和測量的可 視化，通過人為的鑒別波形并選擇較合適的測量點，從而得到更高精度的測 量。 此外，通過引入組織靈敏度使超聲圖像標準化，眼科a 超還可為組織學診斷 提供更多信息。事實上，標準化a 超在眼眶腫瘤的診斷中，特別是對于腫瘤性質 的鑒別，要明顯優(yōu)于b 超。 在組織靈敏度設定下，標準化a 超是利用病變的反射性高低、內部結構是否 規(guī)則、聲衰減程度等來確定病變性質。用標準化a 超測量病變內的波峰高度來 確定病變的性質比b 超更加準確，因為a 超的波峰高度不受周圍背景亮度的影 響，b 超則不然，即使最先進的b 超也很難提供組織學診斷所需要的灰階。標準 化a 超還可顯示病變內的血管運動，表現在病交的內反射中有快速、自發(fā)的顫動， 見于動靜脈瘺、惡性腫瘤等。標準化a 超由于使用組織靈敏度，可使每一位檢查 者在檢查同一種類型的組織時，獲得相同的超聲圖像，并具有重復性和可比較 性，這在非標準化超聲上是無法與之相比的，從而提高了診斷的準確性，也使 臨床經驗的積累逐漸增加。 第三章系統(tǒng)硬件設計 3 1 設計思想 第三章系統(tǒng)硬件設計 為實現高精度、智能化、小體積、低功耗的主要目標，眼用a 超儀的c p u 及控制部分顯然是設計的關鍵。傳統(tǒng)的眼用a 超儀一般采用微控制器 ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ，其最大特點是單片化、體積小、可靠性高， 但由于速度和總線寬度的限制，m c u 的數據處理能力較差，很難達到較高的精 度和滿足實時性的要求。同屬嵌入式處理器的數字信號處理器( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 雖然具有強大的數據處理能力，但其靈活性和通用性 較差，無法滿足多功能設計的需要。相比之下，嵌入式處理器家族的另外一 員嵌入式微處理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 以其極強的靈 活性和通用性，以及較強的數據處理能力，提供了一種較佳的方案。因此，本 系統(tǒng)選用了a r m 9 2 0 t 核心的嵌入式微處理器，結合以內嵌功能模塊豐富的 f p g a ，完成系統(tǒng)的功能控制及數據處理，極大地提高了測量精度和系統(tǒng)集成 度。 數據采集部分選用高速a d 轉換器采樣脈沖回波，并針對顯示幀頻較低的特 點，采用了同步采樣技術，以較低頻率的采樣和較小容量的存儲器實現高精度 的測量和顯示，降低了系統(tǒng)成本。采樣頻率可動態(tài)選擇，以適應不同的探頭頻 率和精度要求，增加了靈活性。數據采集和存取的控制時序由a r m 和f p g a 產 生，大量采樣數據的快速存取則采用f i f o 實現。為提高系統(tǒng)集成度和可靠性， 本系統(tǒng)利用了f i ：，i i i a 內部集成的f i f o 。 系統(tǒng)掛接3 5 寸q v g a 分辨率的真彩顯示屏，用于實時顯示波形和系統(tǒng)環(huán)境變 量。 因此，該系統(tǒng)主要包括六個組成部分：c p u 及控制部分，超聲波發(fā)射部 分、回波接收調整部分，數據采集部分，鍵盤和顯示部分。整個系統(tǒng)的硬件結 構框圖如圖3 1 所示。 電路板實物如圖3 2 所示 圖3 1 系統(tǒng)硬件結構框圖 圖3 2 電路板實物圖 第三章系統(tǒng)硬件設計 3 2 超聲發(fā)射電路 a ) 電路作用 超聲波發(fā)射部分的設計如圖3 3 所示。其中發(fā)射電壓產生電路用于將1 2 v 的直流電源升壓到2 0 0 v 3 0 0 v 的發(fā)射高壓。觸發(fā)脈沖產生電路產生的觸發(fā)脈沖 控制開關k 的通斷。當k 導通時，發(fā)射脈沖產生電路工作，激發(fā)換能器工作； 當k 截止時，不產生超聲波。 圖3 3 超聲發(fā)射電路 b ) 設計重點 該部分設計的重點是如何獲得超高頻的超聲波。這是因為超聲波的波長 ，超聲探頭換能器的近場能量集中的近場范圍和半擴散角口的值是( 口為 圓晶片的直徑，方晶片的邊長) ： = v ，f n = f f 4 a e = a r c s i n l l 2 2 a d ) 從上述三式中，可以看出頻率越高，波長越短，能量越集中，擴散角越小，因 而超聲波的指向性好，分辨率高。同時，超聲波在介質傳播時會衰減： i = l 括 a - - gf 式中，五、，是初始聲強和距離x 處聲強，口是衰減系數( 眼角膜的聲衰減系數 口的值不超過1 ) 從上述兩式中可以看出，同一介質中，超聲波頻率越高， 口值越大，超聲波衰減越快，傳播的距離越短。綜合以上因素，系統(tǒng)采用 東南大學碩士學位論文 1 0 m h z 高頻超聲波，其通過眼角膜的最大衰減約為2 5 d b ，而最大分辨率可達 0