虚拟仪器B型超声波诊断仪系统结构与软硬件设计
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摘要
B型超声波诊断仪是一种非常重要的医学影像诊断仪器，是医学超声影像诊断仪中的一个主要类型。B超是许多内脏器官、软组织器官和妇产科首选的医学影像诊断仪器，超声影像仪器所提供的图像占所有医学影像仪器提供图像的四分之一，其中绝大多数是B超图像。但是，传统B超由于其嵌入式体系结构的局限性，不能充分利用现代计算机及计算机相关理论和技术，限制了其发展。尤其是在利用软件进行图像后处理、实现标准化、网络化、自动化等方面存在发展瓶颈，需要大力研究和改进。另外，我国B超在技术上比较落后，产品也大多数是中低档类型，需要迎头赶上国际先进水平。本文从医学影像诊断的客观需要出发，在总结B超理论研究和工程技术经验的基础上，提出了虚拟仪器B型超声波诊断仪(简称虚拟B超)。
虚拟B超是基于虚拟仪器体系结构的B型超声波诊断仪，由PC机、B超硬件模块、仪器应用软件三部分组成，能够充分利用计算机软件硬件资源，提供比传统B超更加完善的功能和更加优异的性能。这主要表现在以下几个方面：
1)将B超硬件模块设计成PCI插卡，安装在PC机主板上，实现了部分硬件的软件化。比如传统B超中的数字扫描变换电路(A／D转换电路除外)和仪器面板就被计算机软件代替。
2)克服了传统B超声像图处理主要靠硬件完成，而且电路复杂、功能有限的缺点，软件成为仪器核心，能够利用数字图像处理软件技术处理声像图，有利于提高声像图质量。在此基础上，图像后处理功能面向医生提供清晰、可靠的图像，容易识别和理解。同时提供充分的参考信息库，提高诊断的准确性和可靠性。
3)比传统B超操作简便、更具人性化的虚拟仪器面板，提供充分的在线帮助。
摘要
4)能够提供各种图像评价手段、评价标准和建立完善的评价体系。
5)容易实现与医学图像存储与通信系统(Picture Archive and
Comlnun 1 cat ion System，PACS)系统的无缝连接，并且能够通过软件实现诊断
专家系统，使仪器网络化、自动化和智能化。
本文围绕虚拟B超的概念，从B超的历史、现状和发展出发，介绍了虚拟B
超完整的体系结构，并且分别从硬件、软件两个方面对虚拟B超技术进行了研
究。对于具体的虚拟B超，本文主要对仪器硬件中的前置放大电路、对数放大
电路、A/D转换电路、PCI接口电路、发射聚焦电路以及电磁兼容等进行了设计。
在仪器应用软件方面，我们主要开展了仪器主面板、图像处理分面板方又及利用
中值滤波、形态学方法和小波变换进行声像图降噪和边缘提取等工作。
通过本文的研究，我们可以得出如下结论:
1.虚拟B超在理论上是成熟的，在工程技术中也是可以实现的。
2.虚拟B超是B超乃至所有医学仪器的发展方向，正如虚拟仪器是测试分
析仪器的革命一样，虚拟B超将对医学影像学产生深远的影响。
3.虚拟B超值得我们投入人力和物力去深入研究和进行工程开发。
Ultrasonic Tomography Equipment is a kind of very important diagnostic apparatus in medical. It is a main type of medical ultrasonic imaging equipment, and it is the first application imaging diagnosis apparatus in medical scope such as gut, parenchyma, department of obstetrics and gynecology. The images provided by ultrasonic imaging equipment account for one quarter of all the pictures by medical imaging equipment, most of which are Ultrasonic Tomography Equipment images.
However, the embedded system architecture of the traditional Ultrasonic Tomography Equipment has many disadvantages, making it failed to fully employ modern computer science and technology. Hence confines its developing. This can be especially shown in post image processing by software, realizing standardization, becoming online, and realizing automatization as well. Such limits need to be studied and broken through.
In addition, the technology of Ultrasonic Tomography Equipment in the country is still inferior to the international and the product falls into the low grade, calling for catching up with the level of advanced countries.
Based on the real need of medical imaging diagnosis, combined with the summary of Ultrasonic Tomography Equipment theoretical research and experience from engineering technology, and used for reference of foreign virtual diagnosis instrument researches and homeland's virtual ultrasonic flaw detection instrument studies, this thesis proposes the concept of Ultrasonic Tomography Virtual Instrument.
Ultrasonic Tomography Virtual Instrument is Ultrasonic Tomography
Equipment based on Virtual Instrument system architecture. It consists of Personal Computer (PC), Ultrasonic Tomography Equipment hardware module and its application software.
With the characteristic of virtual Instrument, it can fully facilitate computer's hardware and software, providing much more perfect functions and outstanding performance compared with the traditional one. We can now describe them in detail as follows:
i) By designing Ultrasonic Tomography Equipment hardware module into PCI card, installing into the main-board of PC, it make real the transition of some hardware to software.
ii) By overcoming the disadvantages that the image processing of traditional Ultrasonic Tomography Equipment mainly depends on hardware together with the complex circuit and limited functions. Software turned into the kernel of the system. It is capable of employing almost all the new theories, technologies and ways to process images. So the product's image quality can be improved. Further, its post image process function can offer the doctor clear and reliable images, which are easily recognized and comprehended. Meanwhile it enhances the accuracy and reliability of the diagnosis by affording sufficient reference information database.
iii) Compared with the traditional one, it has a very friendly and easily controlled virtual apparatus panel.
iv) It can also afford things such as means for assessing images, standard of evaluation and the architecture of an assessing system.
v) In the foreseeable future, it can connect directly to Picture Archive and Communication System needing no other medium. Furthermore it can employ an expert-diagnosis system. So it can enable the apparatus online, automation and intelligentization.
The thesis centered on the concept of Ultrasonic Tomography Virtual Instrument. Starting with its history and current state and future development, we introduced the architecture of the Ultrasonic Tomography Virtual Instrument. Moreover, the detailed hardware and software design of Ultrasonic Tomography Virtual Instrument is introduced. Finally. As for the practicality Ultrasonic Tomography Virtual
Instrument, we mainly gave the design of preamplifier, logarithmic amplifier, A/D conversion, PCI arbiter logic, dynamic focusing circuits. As to software of the instrument, we developed a serials works such as panel of image processing,
morphologic method and wavelet transformation image processing program.
be By our resea
虚拟B超是基于虚拟仪器体系结构的B型超声波诊断仪，由PC机、B超硬件模块、仪器应用软件三部分组成，能够充分利用计算机软件硬件资源，提供比传统B超更加完善的功能和更加优异的性能。这主要表现在以下几个方面：
1)将B超硬件模块设计成PCI插卡，安装在PC机主板上，实现了部分硬件的软件化。比如传统B超中的数字扫描变换电路(A／D转换电路除外)和仪器面板就被计算机软件代替。
2)克服了传统B超声像图处理主要靠硬件完成，而且电路复杂、功能有限的缺点，软件成为仪器核心，能够利用数字图像处理软件技术处理声像图，有利于提高声像图质量。在此基础上，图像后处理功能面向医生提供清晰、可靠的图像，容易识别和理解。同时提供充分的参考信息库，提高诊断的准确性和可靠性。
3)比传统B超操作简便、更具人性化的虚拟仪器面板，提供充分的在线帮助。
摘要
4)能够提供各种图像评价手段、评价标准和建立完善的评价体系。
5)容易实现与医学图像存储与通信系统(Picture Archive and
Comlnun 1 cat ion System，PACS)系统的无缝连接，并且能够通过软件实现诊断
专家系统，使仪器网络化、自动化和智能化。
本文围绕虚拟B超的概念，从B超的历史、现状和发展出发，介绍了虚拟B
超完整的体系结构，并且分别从硬件、软件两个方面对虚拟B超技术进行了研
究。对于具体的虚拟B超，本文主要对仪器硬件中的前置放大电路、对数放大
电路、A/D转换电路、PCI接口电路、发射聚焦电路以及电磁兼容等进行了设计。
在仪器应用软件方面，我们主要开展了仪器主面板、图像处理分面板方又及利用
中值滤波、形态学方法和小波变换进行声像图降噪和边缘提取等工作。
通过本文的研究，我们可以得出如下结论:
1.虚拟B超在理论上是成熟的，在工程技术中也是可以实现的。
2.虚拟B超是B超乃至所有医学仪器的发展方向，正如虚拟仪器是测试分
析仪器的革命一样，虚拟B超将对医学影像学产生深远的影响。
3.虚拟B超值得我们投入人力和物力去深入研究和进行工程开发。
Ultrasonic Tomography Equipment is a kind of very important diagnostic apparatus in medical. It is a main type of medical ultrasonic imaging equipment, and it is the first application imaging diagnosis apparatus in medical scope such as gut, parenchyma, department of obstetrics and gynecology. The images provided by ultrasonic imaging equipment account for one quarter of all the pictures by medical imaging equipment, most of which are Ultrasonic Tomography Equipment images.
However, the embedded system architecture of the traditional Ultrasonic Tomography Equipment has many disadvantages, making it failed to fully employ modern computer science and technology. Hence confines its developing. This can be especially shown in post image processing by software, realizing standardization, becoming online, and realizing automatization as well. Such limits need to be studied and broken through.
In addition, the technology of Ultrasonic Tomography Equipment in the country is still inferior to the international and the product falls into the low grade, calling for catching up with the level of advanced countries.
Based on the real need of medical imaging diagnosis, combined with the summary of Ultrasonic Tomography Equipment theoretical research and experience from engineering technology, and used for reference of foreign virtual diagnosis instrument researches and homeland's virtual ultrasonic flaw detection instrument studies, this thesis proposes the concept of Ultrasonic Tomography Virtual Instrument.
Ultrasonic Tomography Virtual Instrument is Ultrasonic Tomography
Equipment based on Virtual Instrument system architecture. It consists of Personal Computer (PC), Ultrasonic Tomography Equipment hardware module and its application software.
With the characteristic of virtual Instrument, it can fully facilitate computer's hardware and software, providing much more perfect functions and outstanding performance compared with the traditional one. We can now describe them in detail as follows:
i) By designing Ultrasonic Tomography Equipment hardware module into PCI card, installing into the main-board of PC, it make real the transition of some hardware to software.
ii) By overcoming the disadvantages that the image processing of traditional Ultrasonic Tomography Equipment mainly depends on hardware together with the complex circuit and limited functions. Software turned into the kernel of the system. It is capable of employing almost all the new theories, technologies and ways to process images. So the product's image quality can be improved. Further, its post image process function can offer the doctor clear and reliable images, which are easily recognized and comprehended. Meanwhile it enhances the accuracy and reliability of the diagnosis by affording sufficient reference information database.
iii) Compared with the traditional one, it has a very friendly and easily controlled virtual apparatus panel.
iv) It can also afford things such as means for assessing images, standard of evaluation and the architecture of an assessing system.
v) In the foreseeable future, it can connect directly to Picture Archive and Communication System needing no other medium. Furthermore it can employ an expert-diagnosis system. So it can enable the apparatus online, automation and intelligentization.
The thesis centered on the concept of Ultrasonic Tomography Virtual Instrument. Starting with its history and current state and future development, we introduced the architecture of the Ultrasonic Tomography Virtual Instrument. Moreover, the detailed hardware and software design of Ultrasonic Tomography Virtual Instrument is introduced. Finally. As for the practicality Ultrasonic Tomography Virtual
Instrument, we mainly gave the design of preamplifier, logarithmic amplifier, A/D conversion, PCI arbiter logic, dynamic focusing circuits. As to software of the instrument, we developed a serials works such as panel of image processing,
morphologic method and wavelet transformation image processing program.
be By our resea
引文
[1]高上凯，医学超声仪器技术发展的现状和展望，中国医疗器械杂志，2002(6)：391-394
[2]应崇福，超声学，科学出版社，1990年1月
[3]冯若主编，超声手册，南京大学出版社，1999年10月
[4]陈智文、张旦松，B型超声诊断仪原理、调试与维修，湖北科学技术出版社，1992年2月
[5]张泽宝主编，医学影像物理学，人民卫生出版社，2000年10月
[6]Wayne Wolf, Computer as Components: Principle of Embedded Computing System Design , Harcourt Asia Pte Ltd , 2001
[7]Ren chaoshi, Li sui, Cui yunli etc., Develop way of EIT study in China,Chinese Journal of Biomedical Engineering (English Edition) Volume 6 Number 3 ,1997: 183-187
[8]James S Duncan , Nicholas Ayache ,Medical image analysis :progress over two decades and the challenges ahead ,IEEE Trans .Part .Anal .Mach .Intel .,22(1) 2000: 85-106,
[9]伍于添，目前超声诊断系统的重要技术，超声医学杂志，2000(3)：(191—192
[10]GE医疗，超声新技术，2000年5月
[11]中国国家科技部，2002年度科技型中小企业技术创新基金若干重点项目指南，2001年10月
[12]吴志红，新型B超系统，四川大学硕士学位论文，成都，四川大学图书馆，2003年2月
[13]F. Clemente 、 M. Antonini 、 C. De Lazzari etc , A virtual instrument(Ⅵ) for haemodynamic management in ICU and during surgery ,Journal of Medical Engineering & Technology ,Volume 24 ,Number 3 : 111-116
[14]H. Kahlmeyer ,C. Haubler ,K.O. Lyngsmo ,etc ,Results of the performance testing of purpose-built and PC-based electrocardiographs using a simple evaluation procedure , Journal of Medical Engineering & Technology ,Volume 22 ,Number
2：73-81
[15]沈大鹏、高扬杰，基于虚拟仪器的超声探伤系统，无损探伤，Vol．24，No．2，Feb．2002，(64-65)
[16]傅林、张建州、翟静，虚拟仪器B型超声波诊断仪设计与实现，成都电子机械高等专科学校学报，2002(4)：19-22
[17][日]谷口庆治，数字图像处理(基础篇，应用篇)，科学出版社、共立出版社，2002年2月
[18]章毓晋，图像工程(上、下册)，清华大学出版社，1999年3月
[19]刘君华，现代检测技术与测试系统设计，西安交通大学出版社，1999年1月
[20]Gary W. Johnson, Richard Jennings, LabVIEW Graphical Programming, McGraw-Hill Companies ,Inc. ,2000.1
[21]张易知、肖啸、张喜斌等，虚拟仪器的设计与实现，西安电子科技大学出版社，2002年1月
[22]李宏生、范维光，当今仪器仪表的特点与设计方法，仪器仪表学报 2000(4)：16—20
[23]白同云、吕晓德，电磁兼容设计，北京邮电大学出版社，2001年3月
[24]於文雪、张惠、罗立民，DICOM标准在放射治疗中的应用，中国医疗器械杂志，26卷第5期：352-355
[25]白净，张永红，远程医疗概论，清华大学出版社，2000年10月
[26]ANALOG DEVICES, DATA CONVERTER REFERENCE MANUAL, PRINTED IN U.S.A, 2000ANALOG DEVICES, 2002
[27]王士敏、郑凡其、王健，AD606对数放大器的研究与应用，电测与仪表，2001(7)：45-47
[28]容观澳，计算机图象处理，清华大学出版社，2002年2月
[29]BURR-BROWN, Linear Products Burr-Brown IC Data Book, Printed in USA 1996
[30]刘书明、刘斌，高性能模数与数模转换器件，西安电子科技大学出版社，2000年1月
[31]陈家胜，基于虚拟仪器技术的程控锁相放大器设计，电子技术应用，2001(11)：40-42
[32]Altera Corporation, ALTERA Data Book, 2001.2
[33]Tom Shanley Don Anderson , PCI System Architecture (Fourth Edition),Addison Wesley, 2000.1
[34]马卫国 何佩琨 通用高速PCI总线目标模块的设计，电子技术应用1999(1)：20-27
[35]宋克柱，杨小军，王砚方．基于FPGA的PCI接口设计，电子技术应用，2001(9)：74-77
[36]史美萍、窦文华，基于EPLD的PCI总线仲裁器的时间与实现，电子技术应用，2000(3)：532-54
[37]刘树彬、安琪、张庆民等，高速背板总线的组合式匹配方法，系统工程与电子技术，Vol．24．No．2 2002：76-79
[38]李贵山、戚德虎，PCI局部总线开发者指南，西安电子科技大学出版社，2001年10月
[39]钱照明、程肇基，电磁兼容设计基础及干扰抑制技术，浙江大学出版社，2000年2月
[40]王庆斌、刘萍、尤利文等，电磁干扰与电磁兼容技术，机械工业出版社，1999年8月
[41]于起峰、陆宏伟、刘肖琳，基于图像德精密测量与运动测量，科学出版社，2002年7月
[42]李宗华、徐欣、卢启中等，信号处理中高速计数器的设计及FPGA实现，电子技术应用，1999(11)：67-68
[43]吴永忠、韩江洪、谢华等，低噪声放大器设计中德屏蔽和接地技术研究，电测与仪表，Vol．38，No．427，2001(7)：8-11
[44]王义军，刘晓峰，赵彩虹，两种康电源干扰器件的应用，电测与仪表，2002(6)：55-58
[45]刘兆妍、雷振山，基于虚拟仪器德谐波测量技术，电测与仪表，Vol．38，No．429，2001(9)：19-21
[46]张凤钧等编著，LabWindows／CVI开发入门和进阶，北京航空航天大学出版社，2001年12月
[47]白鹏、汤晓君、郭会军，基于Labwindows／CVI的虚拟仪器设计，电子工业出版社，2003年1月
[48]张兆礼、赵春晖、梅晓丹，现代图像处理技术及MATLAB实现，人民邮电出版社，2001年11月
[49]Kenneth R. Castlman ,digital Image Processing ,Prntice Hall , Inc. ,5/1996
[50]刘文耀，光电图像处理，电子工业出版社，2002年11月
[51]龚炜、石青云、程民德，数字空间中的数学形态学——理论及其应用，科学出版社，1997年1月
[52]林瑶、田捷，医学图像分割方法综述，模式识别与人工智能，第十五卷第二期，2000(6)：192-200
[53]章毓晋，图像分割，科学出版社，2001年1月
[54]J. D. Boissonnat, Shape reconstruction from planar cross section , CNGIP, Vol. 44, 1988
[55]E. Kepple, Approximating complex surfaces by triangulation of contour lines, IBM J. Res. Dev., vol. 19, 1975
[56]陈武凡主编，小波分析及其在图像处理中的应用，科学出版社，2002年4月
[57]Stephane Mallat, A Wavelet Tour of Signal Processing (Second Edition),Academic Press, 2002.12
[58]杨福生，小波变换的工程分析与应用，科学出版社，2000年1月
[59]郭玮玮、黄贤武、葛轶昊，基于样条小波的有噪图像边缘检测方法，计算机应用，Vol．21，No．10：47-48)
[60]王燕华、胡立辉，基于小波分析的嵌入零树图像编码，计算机应用与软件，Vol．19，2002(3)：54-56
[61]刘杰、李政、康克军等，小波变换用于CT图像重建及处理研究，系统工程与电子技术，Vol．24，No．2 2002：80-83
[62]胡昌华、张军波、夏军等，基于MATLAB的系统分析与设计——小波分析，西安电子科技大学出版社，1999年12月
[63]彭玉华，小波变换与工程应用，科学出版社，2002年2月
[64]徐佩霞、孙功宪，小波分析与应用实例，中国科学技术大学出版社，2001年10月
[65]劭谦明、周耀华、宋军等，医学超声动态图像实时通信系统，复旦学报，2001(8)：446-449
[66]苑寅秋，基于知识的计算机图像处理，小型微型计算机系统，2002(9)：1141-1143
[67]李俊山、李莉、沈绪榜等，图像理解SIMD计算机的设计技术，小型微型计算机系统，2002(9)：1129-1132
[2]应崇福，超声学，科学出版社，1990年1月
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[6]Wayne Wolf, Computer as Components: Principle of Embedded Computing System Design , Harcourt Asia Pte Ltd , 2001
[7]Ren chaoshi, Li sui, Cui yunli etc., Develop way of EIT study in China,Chinese Journal of Biomedical Engineering (English Edition) Volume 6 Number 3 ,1997: 183-187
[8]James S Duncan , Nicholas Ayache ,Medical image analysis :progress over two decades and the challenges ahead ,IEEE Trans .Part .Anal .Mach .Intel .,22(1) 2000: 85-106,
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[15]沈大鹏、高扬杰，基于虚拟仪器的超声探伤系统，无损探伤，Vol．24，No．2，Feb．2002，(64-65)
[16]傅林、张建州、翟静，虚拟仪器B型超声波诊断仪设计与实现，成都电子机械高等专科学校学报，2002(4)：19-22
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[18]章毓晋，图像工程(上、下册)，清华大学出版社，1999年3月
[19]刘君华，现代检测技术与测试系统设计，西安交通大学出版社，1999年1月
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[22]李宏生、范维光，当今仪器仪表的特点与设计方法，仪器仪表学报 2000(4)：16—20
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[25]白净，张永红，远程医疗概论，清华大学出版社，2000年10月
[26]ANALOG DEVICES, DATA CONVERTER REFERENCE MANUAL, PRINTED IN U.S.A, 2000ANALOG DEVICES, 2002
[27]王士敏、郑凡其、王健，AD606对数放大器的研究与应用，电测与仪表，2001(7)：45-47
[28]容观澳，计算机图象处理，清华大学出版社，2002年2月
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[30]刘书明、刘斌，高性能模数与数模转换器件，西安电子科技大学出版社，2000年1月
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[37]刘树彬、安琪、张庆民等，高速背板总线的组合式匹配方法，系统工程与电子技术，Vol．24．No．2 2002：76-79
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[39]钱照明、程肇基，电磁兼容设计基础及干扰抑制技术，浙江大学出版社，2000年2月
[40]王庆斌、刘萍、尤利文等，电磁干扰与电磁兼容技术，机械工业出版社，1999年8月
[41]于起峰、陆宏伟、刘肖琳，基于图像德精密测量与运动测量，科学出版社，2002年7月
[42]李宗华、徐欣、卢启中等，信号处理中高速计数器的设计及FPGA实现，电子技术应用，1999(11)：67-68
[43]吴永忠、韩江洪、谢华等，低噪声放大器设计中德屏蔽和接地技术研究，电测与仪表，Vol．38，No．427，2001(7)：8-11
[44]王义军，刘晓峰，赵彩虹，两种康电源干扰器件的应用，电测与仪表，2002(6)：55-58
[45]刘兆妍、雷振山，基于虚拟仪器德谐波测量技术，电测与仪表，Vol．38，No．429，2001(9)：19-21
[46]张凤钧等编著，LabWindows／CVI开发入门和进阶，北京航空航天大学出版社，2001年12月
[47]白鹏、汤晓君、郭会军，基于Labwindows／CVI的虚拟仪器设计，电子工业出版社，2003年1月
[48]张兆礼、赵春晖、梅晓丹，现代图像处理技术及MATLAB实现，人民邮电出版社，2001年11月
[49]Kenneth R. Castlman ,digital Image Processing ,Prntice Hall , Inc. ,5/1996
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[51]龚炜、石青云、程民德，数字空间中的数学形态学——理论及其应用，科学出版社，1997年1月
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[58]杨福生，小波变换的工程分析与应用，科学出版社，2000年1月
[59]郭玮玮、黄贤武、葛轶昊，基于样条小波的有噪图像边缘检测方法，计算机应用，Vol．21，No．10：47-48)
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[64]徐佩霞、孙功宪，小波分析与应用实例，中国科学技术大学出版社，2001年10月
[65]劭谦明、周耀华、宋军等，医学超声动态图像实时通信系统，复旦学报，2001(8)：446-449
[66]苑寅秋，基于知识的计算机图像处理，小型微型计算机系统，2002(9)：1141-1143
[67]李俊山、李莉、沈绪榜等，图像理解SIMD计算机的设计技术，小型微型计算机系统，2002(9)：1129-1132
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