專利名稱：基于正弦函數(shù)的超聲生物顯微鏡直線掃描發(fā)射控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲生物顯微鏡的直線掃描發(fā)射技術(shù)，尤其是一種超聲頻率在 35Mhz以上的用于眼科疾病診斷的超聲生物顯微鏡掃描控制方法。
背景技術(shù)：
超聲生物顯微鏡(Ultrasound Biomicroscope，UBM)是20世紀(jì)90年代初發(fā)展起 來的新型眼科B超影像學(xué)檢測設(shè)備。UBM利用可編程邏輯器件控制電子電路激勵(lì)高頻超聲 傳感器發(fā)射高頻超聲作為信號(hào)源、接收超聲回波信號(hào)并進(jìn)行電子信號(hào)處理，得到與檢查組 織相關(guān)的數(shù)字圖像，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)為人們提供類似低倍光學(xué)顯微鏡效果和不同 斷面的眼前段二維圖像。UBM具有分辨率高、實(shí)時(shí)、定量和不受混濁角膜、晶狀體影響等特 點(diǎn)，在眼科臨床上得到廣泛的應(yīng)用。UBM目前在臨床上廣泛使用的是扇型掃描和直線掃描方式。直線掃描具有圖像幾 何失真小，圖像清晰范圍廣等優(yōu)勢。但是直線掃描機(jī)械裝置比扇型掃描機(jī)械裝置復(fù)雜很多， 目前應(yīng)用比較多的是利用電機(jī)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線的往返運(yùn)動(dòng)。但這種直線掃描過 程中直線運(yùn)動(dòng)不勻速，設(shè)圓周速度為V，則直線運(yùn)動(dòng)的V=VX sin θ (θ為圓周角)，直線運(yùn)動(dòng) 速度是正弦函數(shù)相關(guān)的。取θ值的弧度范圍[π/6，π 5/6]為直線掃描的有效路徑，則ν 的范圍為W.5V，V]。臨床上采用等時(shí)間距來發(fā)射超聲脈沖，這樣就會(huì)給圖像帶來一定程度 的幾何失真，而且掃描路徑的利用率比較低。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有的超聲生物顯微鏡的等時(shí)間距直線掃描發(fā)射方法的存在幾何失真、 掃描路徑利用率低、圖像質(zhì)量較差的不足，本發(fā)明提供了一種消除幾何失真、提高掃描路 徑利用率，提升圖像質(zhì)量的基于正弦函數(shù)的超聲生物顯微鏡直線掃描發(fā)射控制方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種基于正弦函數(shù)的超聲生物顯微鏡直線掃描發(fā)射控制方法，將超聲生物顯微鏡直線 掃描運(yùn)動(dòng)過程對(duì)應(yīng)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)過程的周長等距離取IOM個(gè)圓周速度點(diǎn)，每個(gè)速度點(diǎn) 的速度值V為圓周速度值V和對(duì)應(yīng)速度點(diǎn)所在圓弧的正弦值的乘積，所述勻速圓周運(yùn)動(dòng)過 程分為1023段，取每段相鄰的兩個(gè)速度點(diǎn)的速度值ν的平均值為每段平均速度值vavg(i)， i表示段數(shù)編號(hào)，i為自然數(shù)，i=l, 2··· 1023計(jì)算得到Vavg(I)…vavg(1023)；
勻速圓周運(yùn)動(dòng)過程的周長的弧度范圍為η AT π 5/6，圓周運(yùn)動(dòng)半徑為R，有效掃描路 徑距離為S為R，每段發(fā)射距離S為R/1023= 0. 001693R,每段發(fā)射時(shí)間分別為T=S/ Vavg(i)， 依照計(jì)算所得的發(fā)射時(shí)間進(jìn)行控制發(fā)射。作為優(yōu)選的一種方案采用FPGA作為控制器，F(xiàn)PGA產(chǎn)生脈沖計(jì)數(shù)器來設(shè)置1023 個(gè)時(shí)間壓縮參數(shù)，并通過控制數(shù)據(jù)總線和地址總線將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)按地址順序儲(chǔ)存到對(duì)應(yīng)的 FPGA內(nèi)部生成的儲(chǔ)存RAM里，當(dāng)超聲傳感器到達(dá)發(fā)射位置時(shí)，F(xiàn)PGA將接收到一個(gè)觸發(fā)信號(hào)， 啟動(dòng)發(fā)射控制程序，第一次發(fā)射超聲脈沖后即馬上讀取儲(chǔ)存RAM里的第一個(gè)時(shí)間壓縮參數(shù)，按時(shí)間壓縮參數(shù)來啟動(dòng)計(jì)時(shí)程序，即相應(yīng)Vavg(I)…Vavg (1023)的時(shí)間，當(dāng)完成計(jì)時(shí)后即 可發(fā)射第二次發(fā)射脈沖，然后再讀取儲(chǔ)存RAM里的第二個(gè)時(shí)間壓縮參數(shù)，如此按特定順序 讀取1023個(gè)時(shí)間壓縮參數(shù)，完成IOM次脈沖發(fā)射的控制。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為基于正弦函數(shù)的超聲生物顯微鏡直線掃描發(fā)射方式，由于 其掃描過程不是完全直線勻速運(yùn)動(dòng)的，而是和sin函數(shù)相關(guān)的，最大速度比最小速度足足
高了一倍。本發(fā)明為彌補(bǔ)以上掃描方式的不足，在直線運(yùn)動(dòng)過程中每次發(fā)射間距相等，嚴(yán)格 控制幾何距離精度，使圖像無幾何失真。在有效圓周上等距取IOM個(gè)值，并用相鄰的兩個(gè) 直線速度求1023個(gè)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矩陣就是IOM個(gè)直線運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的瞬時(shí)速度，ν的矩陣如下所示
； vavg為相鄰ν的兩點(diǎn)的平均速度，有1023個(gè)平均速度，矩陣如下所示
。 由于 sin 函
數(shù)是偶函數(shù)，所以Vavg的值也是中心對(duì)稱。設(shè)圓周運(yùn)動(dòng)頻率為f，因?yàn)樗街本€ 速度的不同，所以要在時(shí)間上動(dòng)態(tài)壓縮，使掃描過程中在掃描路徑上等距發(fā)射超聲 脈沖。設(shè)圓周運(yùn)動(dòng)半徑為R，所以有效掃描路徑距離為S為R，每段發(fā)射距離S為 S R/1023= 0.001693R，因此每段發(fā)射時(shí)間分別為 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)]；
即能夠得到
T=
，因?yàn)?V= ω XR=2X Ji XfXR，故時(shí)間的壓 縮參數(shù) 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是中心對(duì)稱，兩端數(shù)值小，中間數(shù) 值大，所以T是兩端數(shù)值大，中間數(shù)值小，兩側(cè)對(duì)稱。UBM在臨床上使用時(shí)的頻率f 一般在 [4,8]之間，所以T值小于134. 55us。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在幾何失真非常小、掃描路徑利用率高。


圖1是基于正弦函數(shù)的超聲生物顯微鏡直線掃描發(fā)射控制方法原理框圖。圖2是直線掃描路徑的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
參照?qǐng)D1，一種基于正弦函數(shù)的超聲生物顯微鏡直線掃描發(fā)射控制方法，將超聲 生物顯微鏡直線掃描運(yùn)動(dòng)過程對(duì)應(yīng)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)過程的周長等距離取IOM個(gè)圓周速度 點(diǎn)，每個(gè)速度點(diǎn)的速度值V為圓周速度值V和對(duì)應(yīng)速度點(diǎn)所在圓弧的正弦值的乘積，所述勻 速圓周運(yùn)動(dòng)過程分為1023段，取每段相鄰的兩個(gè)速度點(diǎn)的速度值ν的平均值為每段平均速 度值，i表示段數(shù)編號(hào)，i為自然數(shù)，i=l, 2··· 1023計(jì)算得到Vavg(I)…vavg(1023)；
勻速圓周運(yùn)動(dòng)過程的周長的弧度范圍為η AT π 5/6，圓周運(yùn)動(dòng)半徑為R，有效掃描路 徑距離為S為R，每段發(fā)射距離S為R/1023= 0. 001693R,每段發(fā)射時(shí)間分別為T=S/ Vavg(i)， 依照計(jì)算所得的發(fā)射時(shí)間進(jìn)行控制發(fā)射。采用FPGA作為控制器，F(xiàn)PGA產(chǎn)生脈沖計(jì)數(shù)器來設(shè)置1023個(gè)時(shí)間壓縮參數(shù)，并通 過控制數(shù)據(jù)總線和地址總線將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)按地址順序儲(chǔ)存到對(duì)應(yīng)的FPGA內(nèi)部生成的儲(chǔ)存 RAM里，當(dāng)超聲傳感器到達(dá)發(fā)射位置時(shí)，F(xiàn)PGA將接收到一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)發(fā)射控制程序， 第一次發(fā)射超聲脈沖后即馬上讀取儲(chǔ)存RAM里的第一個(gè)時(shí)間壓縮參數(shù)，按時(shí)間壓縮參數(shù)來 啟動(dòng)計(jì)時(shí)程序，即相應(yīng)VavJlhiavg(Km)的時(shí)間，當(dāng)完成計(jì)時(shí)后即可發(fā)射第二次發(fā)射脈 沖，然后再讀取儲(chǔ)存RAM里的第二個(gè)時(shí)間壓縮參數(shù)，如此按特定順序讀取1023個(gè)時(shí)間壓縮 參數(shù)，完成IOM次脈沖發(fā)射的控制。本實(shí)施例利用電機(jī)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線往返運(yùn)動(dòng)，如圖2所示，在不勻速 的直線運(yùn)動(dòng)中實(shí)現(xiàn)等間距發(fā)射超聲脈沖，總體思路是在不勻速的直線運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)態(tài)壓縮 發(fā)射時(shí)間來實(shí)現(xiàn)等間距發(fā)射，具體控制過程如下在勻速圓周運(yùn)動(dòng)過程的周長上取有效的 IOM個(gè)圓周速度點(diǎn)，各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水平直線速度各異，因?yàn)閽呙柽\(yùn)動(dòng)范圍非常小，在臨床使用 過程中，16mm的有效掃描范圍即可實(shí)現(xiàn)超聲生物顯微鏡眼前節(jié)的全景掃描，基于積分原理， 可認(rèn)為小范圍掃描具有1023個(gè)勻速掃描線段，其速度為vavg(i)。線速度Vi =VXsinCrad), (i=l，2...1024，rad 圓周弧度)，vavg(i) = [v (i)+v (i+l)]/2, (i=l，2…1023)，T=S/vavg (i)， (i=l，…1023)，因此根據(jù)各掃描線段T的不同，在不勻速的直線運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)態(tài)壓縮發(fā)射 時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)近似的等間距發(fā)射。本發(fā)明采用FPGA (Field Programmable Gate Array)作為控制器，F(xiàn)PGA 具有充足 的IO及內(nèi)部資源和靈活的控制方法，使用FPGA內(nèi)部的PLL (Phase Locked Loop)可輸出 不同頻率的同步時(shí)鐘脈沖，F(xiàn)PGA可控制超聲發(fā)射電路和時(shí)間壓縮參數(shù)的讀取。在系統(tǒng)復(fù)位 時(shí)，F(xiàn)PGA將產(chǎn)生脈沖計(jì)數(shù)器來設(shè)置1023個(gè)時(shí)間壓縮參數(shù)，并通過控制數(shù)據(jù)總線和地址總線 將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)按地址順序儲(chǔ)存到對(duì)應(yīng)的FPGA內(nèi)部生成的RAM里，這樣不僅讀寫速度快，而 且不增加外圍器件。當(dāng)超聲傳感器到達(dá)發(fā)射位置時(shí)，F(xiàn)PGA將接收到一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)發(fā)射 控制程序，第一次發(fā)射超聲脈沖后即馬上讀取儲(chǔ)存RAM里的第一個(gè)時(shí)間壓縮參數(shù)，按時(shí)間 壓縮參數(shù)來啟動(dòng)計(jì)時(shí)程序(即相應(yīng)Vavg(I) "1.(1023)的時(shí)間)，當(dāng)完成計(jì)時(shí)后即可發(fā)射第 二次發(fā)射脈沖，然后再讀取儲(chǔ)存RAM里的第二個(gè)時(shí)間壓縮參數(shù)，如此按特定順序讀取1023 個(gè)時(shí)間壓縮參數(shù)，可完成IOM次脈沖發(fā)射的控制。本實(shí)施例中，在設(shè)計(jì)上可用FPGA的PLL輸出60Mhz的時(shí)鐘用來計(jì)算，每個(gè)時(shí)鐘周 期為16. 7ns，當(dāng)f=4hz時(shí)，故最多需要8056 (134550/16. 7)個(gè)時(shí)鐘數(shù)。在具體轉(zhuǎn)換過程中， 需要把T的各個(gè)值按60Mhz的時(shí)鐘周期來計(jì)數(shù)，用整數(shù)的計(jì)數(shù)值來代替時(shí)間的壓縮參數(shù)。在 系統(tǒng)啟動(dòng)復(fù)位時(shí)，F(xiàn)PGA先自動(dòng)生成各個(gè)T轉(zhuǎn)換后的時(shí)鐘計(jì)數(shù)值，如8056 (十進(jìn)制)，并把生 成的時(shí)鐘計(jì)數(shù)值按地址總線從低到高順序?qū)懙絻?nèi)部生成的RAM里面，本發(fā)明可采用512 X16的RAM來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，因?yàn)門值是兩端對(duì)稱的。因此，在FPGA第一次使能超聲發(fā)射脈沖后 即馬上讀取儲(chǔ)存RAM里的000000000 (二進(jìn)制)地址里的數(shù)據(jù)，并按讀取的數(shù)據(jù)啟動(dòng)計(jì)時(shí)程 序，該計(jì)時(shí)程序是按時(shí)鐘數(shù)來遞減數(shù)據(jù)直到該數(shù)據(jù)為零即可完成相應(yīng)的計(jì)時(shí)。當(dāng)完成計(jì)時(shí) 后即可使能第二次超聲發(fā)射脈沖，然后再讀取儲(chǔ)存RAM里的000000001 (二進(jìn)制)地址里的 數(shù)據(jù)，也用該讀取數(shù)據(jù)啟動(dòng)計(jì)時(shí)程序，直到RAM的地址為111111110 (二進(jìn)制)，即T值的中 心數(shù)據(jù)，第512個(gè)數(shù)據(jù)。因?yàn)門值的對(duì)稱性，在讀取第513-第1023個(gè)數(shù)據(jù)需要按地址遞減 來讀取，即第513個(gè)數(shù)據(jù)地址為111111101 (二進(jìn)制)，第1023個(gè)數(shù)據(jù)地址為000000000 (二 進(jìn)制)。如此先按地址遞加然后再遞減順序取值，啟動(dòng)相應(yīng)的計(jì)時(shí)程序，即可完成動(dòng)態(tài)時(shí)間 壓縮功能，實(shí)現(xiàn)超聲等距發(fā)射。
權(quán)利要求
1.一種基于正弦函數(shù)的超聲生物顯微鏡直線掃描發(fā)射控制方法，其特征在于將超聲 生物顯微鏡直線掃描運(yùn)動(dòng)過程對(duì)應(yīng)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)過程的周長等距離取IOM個(gè)圓周速度 點(diǎn)，每個(gè)速度點(diǎn)的速度值V為圓周速度值V和對(duì)應(yīng)速度點(diǎn)所在圓弧的正弦值的乘積，所述勻 速圓周運(yùn)動(dòng)過程分為1023段，取每段相鄰的兩個(gè)速度點(diǎn)的速度值ν的平均值為每段平均速 度值，i表示段數(shù)編號(hào)，i為自然數(shù)，i=l, 2··· 1023計(jì)算得到Vavg(I)…vavg(1023)；勻速圓周運(yùn)動(dòng)過程的周長的弧度范圍為η AT π 5/6，圓周運(yùn)動(dòng)半徑為R，有效掃描路 徑距離為S為R，每段發(fā)射距離S為R/1023= 0. 001693R,每段發(fā)射時(shí)間分別為T=S/ Vavg(i)， 依照計(jì)算所得的發(fā)射時(shí)間進(jìn)行控制發(fā)射。
2.如權(quán)利要求1所述的基于正弦函數(shù)的超聲生物顯微鏡直線掃描發(fā)射控制方法，其特 征在于采用FPGA作為控制器，F(xiàn)PGA產(chǎn)生脈沖計(jì)數(shù)器來設(shè)置1023個(gè)時(shí)間壓縮參數(shù)，并通 過控制數(shù)據(jù)總線和地址總線將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)按地址順序儲(chǔ)存到對(duì)應(yīng)的FPGA內(nèi)部生成的儲(chǔ)存 RAM里，當(dāng)超聲傳感器到達(dá)發(fā)射位置時(shí)，F(xiàn)PGA將接收到一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)發(fā)射控制程序， 第一次發(fā)射超聲脈沖后即馬上讀取儲(chǔ)存RAM里的第一個(gè)時(shí)間壓縮參數(shù)，按時(shí)間壓縮參數(shù)來 啟動(dòng)計(jì)時(shí)程序，即相應(yīng)VavJlhiavg(Km)的時(shí)間，當(dāng)完成計(jì)時(shí)后即可發(fā)射第二次發(fā)射脈 沖，然后再讀取儲(chǔ)存RAM里的第二個(gè)時(shí)間壓縮參數(shù)，如此按特定順序讀取1023個(gè)時(shí)間壓縮 參數(shù)，完成IOM次脈沖發(fā)射的控制。
全文摘要
一種基于正弦函數(shù)的超聲生物顯微鏡直線掃描發(fā)射控制方法，將超聲生物顯微鏡直線掃描運(yùn)動(dòng)過程對(duì)應(yīng)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)過程的周長等距離取1024個(gè)圓周速度點(diǎn)，每個(gè)速度點(diǎn)的速度值v為圓周速度值V和對(duì)應(yīng)速度點(diǎn)所在圓弧的正弦值的乘積，勻速圓周運(yùn)動(dòng)過程分為1023段，取每段相鄰的兩個(gè)速度點(diǎn)的速度值v的平均值為每段平均速度值vavg(i)，i=1,2…1023；周長的弧度范圍為π/6~π5/6，圓周運(yùn)動(dòng)半徑為R，有效掃描路徑距離為S為R，每段發(fā)射距離S為R/1023=0.001693R，每段發(fā)射時(shí)間分別為T=S/vavg(i)，依照每段發(fā)射時(shí)間進(jìn)行控制發(fā)射。本發(fā)明能消除幾何失真、提高掃描路徑利用率，提升圖像質(zhì)量。
文檔編號(hào)A61B8/10GK102068282SQ201010561828
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月26日
發(fā)明者徐亮禹, 朱明善, 陳浩 申請(qǐng)人:溫州醫(yī)學(xué)院眼視光器械有限公司, 溫州醫(yī)學(xué)院眼視光研究院