CN116509454A - 一种全数字眼科a/b超装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种全数字眼科A/B超装置，涉及医疗器械技术领域。该全数字眼科A/B超装置通过采用信号前处理单元发射和接收超声回波信号，并将超声回波信号转换为数字信号；采用与信号前处理单元连接的控制单元，生成信号前处理单元的配置指令和控制指令；采用与控制单元连接的PC端，基于数字信号生成精确的、高信噪比的眼科A/B超图像。并且，本发明仅通过采用信号前处理单元、控制单元和PC端皆可以实现眼科A/B超，具有低成本、结构简单的特点。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种全数字眼科A/B超装置。
背景技术
目前眼科A/B超采用的是MOS管驱动A超和B超完成超声脉冲发射，A超和B超共用一个发射电路，通过继电器完成发射切换，超声回波信号经隔离电路进入一个高速低噪声的运算放大器之后再进入一个增益可调的压控放大电路从而完成超声信号的前置放大，然后把信号输入模数转换器转为数字信号，后进入处理器完成数据处理从而成像显示。
基于上述现有的眼科A/B超装置，其存在以下缺点：
1. 用离散的MOS管组成的发射驱动电路，一致性不是很好；同时MOS管的导通和关断时间常数都比较大，甚至大于发射脉宽，这对发射波形的形成很不利；选用高性能的高压MOS管，成本非常高，可替代性也很差。
2. 超声前置放大电路的放大倍数受所用芯片的限制，信号的动态范围不够；信号链路的信噪比也不够好。
3. 回波信号放大后进入模数转换电路，受AD转换器的性能限制，小信号丢失导致图像细腻度不够；且目前的方案只能支持10M的探头，不能支持眼科对20M探头信号的采样需求。
4. 受处理器FPGA的限制，超声聚焦和图像处理不能做的很复杂，这也很大程度的影响了眼科的图像质量。
5. 用继电器来切换A超和B超的发射，也会带来图像的质量损耗，且继电器的老化也会影响整机的使用，增加维护成本。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种全数字眼科A/B超装置。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种全数字眼科A/B超装置，包括：
信号前处理单元，用于发射和接收超声回波信号，并用于将超声回波信号转换为数字信号；
控制单元，与所述信号前处理单元连接，用于生成所述信号前处理单元的配置指令和控制指令；
PC端，与所述控制单元连接，用于基于所述数字信号生成眼科的A/B超图像。
可选地，还包括：
数据传输单元，分别与所述控制单元和所述PC端连接，用于将所述数字信号传输至所述PC端。
可选地，所述信号前处理单元包括：
发射电路，与所述控制单元连接，用于基于所述控制单元的控制指令发射和接收所述超声回波信号；
超声模拟前端电路，分别与所述控制单元和所述发射电路连接，用于基于所述配置指令和所述控制指令将超声回波信号转换为数字信号。
可选地，所述发射电路包括：
发射处理部分，与所述控制单元连接，用于基于所述控制指令生成超声波发射和接收信号；
探头部分，与所述发射处理部分连接，用于基于所述超声波发射和接收信号发射所述超声波信号并接收所述超声回波信号。
可选地，所述发射处理部分包括：芯片HDL1；
所述芯片HDL1的TR0引脚和TR1引脚均作为超声波信号收发转换的延迟时间控制脚，与所述控制单元连接；
所述芯片HDL1的CC0引脚和CC1引脚均作为发射电流的控制脚，与所述控制单元连接；
所述芯片HDL1的EN引脚作为使能脚，与所述控制单元连接；
所述芯片HDL1的IN_P1引脚、IN_P2引脚、IN_P3引脚、IN_P4引脚、IN_P5引脚、IN_P6引脚和IN_N1引脚、IN_N2引脚、IN_N3引脚、IN_N4引脚、IN_N5引脚和IN_N6引脚均作为B超探头的发射控制脚，与所述控制单元连接；所述芯片HDL1的IN_P7引脚、IN_P8引脚、IN_N7引脚和IN_N8引脚均作为A超探头的发射控制脚，与所述控制单元连接；
所述芯片HDL1的HVout1引脚至HVout8引脚均作为探头控制脚，与所述探头部分连接；所述芯片HDL1的LVout1引脚至LVout8引脚均作为超声回波信号传输脚，与所述超声模拟前端电路连接。
可选地，所述超声模拟前端电路包括芯片AFE1A；
所述芯片AFE1A的SEN引脚、SCLK引脚和SDATA引脚均作为配置控制脚，与所述控制单元连接；
所述芯片AFE1A的ACT1引脚、INP1引脚、INM1引脚、ACT2引脚、INP2引脚和INM2引脚作为超声回波信号接收脚，与所述发射电路的超声回波信号传输脚连接；
所述芯片AFE1A的VCNTLP引脚作为控制脚，与所述控制单元连接；
所述芯片AFE1A的CLKP_ADC引脚和CLKM_ADC引脚作为时钟输入控制脚，与所述控制单元连接；
所述芯片AFE1A的D1P引脚、D1M引脚、D2P引脚和D2M引脚作为数字信号传输脚，与所述控制单元连接；
所述芯片AFE1A的FCLKP引脚和FCLKM引脚作为时钟输出控制脚，与所述控制单元连接。
可选地，所述控制单元采用现场可编程门阵列单元。
可选地，所述现场可编程门阵列单元的型号为EP4CE617C8N。
可选地，还包括：
电源单元，与所述发射电路连接，用于为所述发射电路提供电能。
可选地，所述电源单元包括：
第一电源，用于为所述发射电路的3.3V端供电；
第二电源，用于为所述发射电路的+5V端供电；
第三电源，用于为所述发射电路的-5V端供电；
第四电源，用于为所述发射电路的正高压供电；
第五电源，用于为所述发射电路的负高压供电。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种全数字眼科A/B超装置，通过采用信号前处理单元发射和接收超声回波信号，并将超声回波信号转换为数字信号；采用与信号前处理单元连接的控制单元，生成信号前处理单元的配置指令和控制指令；采用与控制单元连接的PC端，基于数字信号生成精确的、高信噪比的眼科A/B超图像。并且，本发明仅通过采用信号前处理单元、控制单元和PC端皆可以实现眼科A/B超，具有低成本、结构简单的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的全数字眼科A/B超装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的发射电路的结构原理图；
图3为本发明实施例提供的超声模拟前端电路的结构原理图；
图4为本发明实施例提供的控制单元和PC端连接的结构原理图；
图5为本发明实施例提供的电源单元的结构原理图；其中，图5的（a）为第一电源的结构原理示意图，图5的（b）为第二电源的结构原理示意图，图5的（c）为第三电源的结构原理示意图，图5的（d）为第五电源的结构原理示意图，图5的（e）为第四电源的结构原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种低成本、结构简单的全数字眼科A/B超装置，能够提高生成图像的信噪比，进而提高眼科的图像质量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的全数字眼科A/B超装置，包括：信号前处理单元、控制单元和PC端。控制单元与信号前处理单元连接。PC端与控制单元连接。
其中，信号前处理单元用于发射和接收超声回波信号，并用于将超声回波信号转换为数字信号。在实际应用过程中，信号前处理单元可以选用八路带收发转换的超声脉冲发生器（六路用于眼科B超的发射，2路用于眼科A超的发射）和集成了数字I/Q解调器和14位模数转换器的超声模拟前端部分，让聚焦精度更高，以便于将超声回波信号无损的被采样，并转为数字信号后进入控制单元。
进一步，基于上述描述，本发明提供的信号前处理单元主要可以包括：发射电路和超声模拟前端电路。
发射电路与控制单元连接，以用于基于控制单元的控制指令发射超声波信号接收超声回波信号。
超声模拟前端电路分别与控制单元和发射电路连接，以用于基于配置指令和控制指令将超声回波信号转换为数字信号。
进一步，发射电路包括：发射处理部分和探头部分。
发射处理部分与控制单元连接，用于基于控制指令生成超声波发射和接收信号。
探头部分与发射处理部分连接，用于基于超声波发射和接收信号发射超声波信号并接收超声回波信号。
其中，发射处理部分的核心处理元件是芯片HDL1。
如图2所示，芯片HDL1的TR0引脚和TR1引脚均作为超声波信号收发转换的延迟时间控制脚，以用于收发控制单元的信号TRKZ0和信号TRKZ1，在本发明中，可以将延迟时间控制间隔设置为0ns，但不限于此。芯片HDL1的CC0引脚和CC1引脚均作为发射电流的控制脚，与控制单元连接，在本发明中，发射电流的控制电流可以设置为2A，但不限于此，可以根据实际需要进行调节设置。
芯片HDL1的EN引脚作为使能脚，与控制单元连接，以用于接收使能信号TREN，以控制发射处理部分电路的工作与停止。
芯片HDL1的IN_P1引脚、IN_P2引脚、IN_P3引脚、IN_P4引脚、IN_P5引脚、IN_P6引脚和IN_N1引脚、IN_N2引脚、IN_N3引脚、IN_N4引脚、IN_N5引脚和IN_N6引脚均作为B超探头的发射控制脚，与控制单元连接，以便于接收用于控制B超探头的发射信号FS1和FS2。芯片HDL1的IN_P7引脚、IN_P8引脚、IN_N7引脚和IN_N8引脚均作为A超探头的发射控制脚，与控制单元连接，以便于用于接收控制A超探头的发射信号FS3和FS4。
芯片HDL1的HVout1引脚至HVout8引脚均作为探头控制脚，与探头部分连接。芯片HDL1的LVout1引脚至LVout8引脚均作为超声回波信号传输脚，与超声模拟前端电路连接。其中，HVout1引脚至HVout6引脚作为A超探头的控制脚，HVout7引脚和HVout8引脚作为B超探头的控制脚。芯片HDL1的LVout1引脚至LVout6引脚均作为B超的超声回波信号传输脚，芯片HDL1的LVout7引脚和LVout8引脚作为A超的超声回波信号传输脚。
进一步，在实际应用过程中，需要通过电容、电阻、电感等元器件的配合使用实现相应的目的，具体的，如图2所示，在本发明中，电感L3、电感L4、电感L6、电感L7、电感L9和电感L10均为B超发射电路的匹配电感。电感L11和电感L13是A超发射电路的匹配电感。电容C23、电容C24、电容C25、电容C26、电容C27和电容C28是B超回波信号的耦合电容，电容C29和电容C30是A超回波信号的耦合电容。电阻R5是热保护电路的上拉电阻。电容C60是发射电路第一电源（例如，3.3V电源）的滤波电容。电容C62是发射电路5V电源的滤波电容。电容C63是发射电路第三电源（例如，-5V电源）的滤波电容。电容C39、电容C40、电容C41和电容C42是发射电路正高压电源的滤波电容。电容C51、电容C52、电容C53和电容C54是发射电路负高压电源的滤波电容。电容C38是正浮点电压的供电耦合电容。电容C50是负浮点电压的供电耦合电容。以上各电子元件及芯片HDL1各引脚间的连接关系如图2所示，在此不再进行赘述。
进一步，如图2所示，探头部分中TR1是B超探头的换能器，电感L8、电容C11、电阻R2和电感L5组成B超探头的换能器的匹配电路，用于协助B超换能器的起振。TR2是A超探头的换能器，电感L12、电容C16、电阻R3和电感L15组成A超探头的换能器的匹配电路，用于协助A超换能器的起振。
进一步，如图3所示，超声模拟前端电路（即超声模拟前端AFE电路）集成了数字I/Q解调器和14位模数转换器，其主要核心部件为芯片AFE1A。
芯片AFE1A的SEN引脚、SCLK引脚和SDATA引脚均作为配置控制脚，与控制单元连接，以便于超声模拟前端电路并通过寄存器控制其的基本工作。芯片AFE1A的ACT1引脚、INP1引脚、INM1引脚、ACT2引脚、INP2引脚和INM2引脚作为超声回波信号接收脚，与发射电路的超声回波信号传输脚连接。芯片AFE1A的VCNTLP引脚作为控制脚，与控制单元连接。芯片AFE1A的CLKP_ADC引脚和CLKM_ADC引脚作为时钟输入控制脚，与控制单元连接。芯片AFE1A的D1P引脚、D1M引脚、D2P引脚和D2M引脚作为数字信号传输脚，与控制单元连接。芯片AFE1A的FCLKP引脚和FCLKM引脚作为时钟输出控制脚，与控制单元连接。
进一步，在实际应用过程中，也需要通过电容、电阻、电感等元器件的配合使用实现超声模拟前端电路相应的目的，具体的，如图3所示，在本发明中，电容C12、电容C13和电容C14是B超回波信号的输入端的耦合电容，将回波信号RV1通过ACT1引脚和ANP1引脚传递给超声模拟前端芯片的低噪声线性放大器（LNP1）。电容C15、电容C21和电容C22是A超回波信号的输入端的耦合电容，将回波信号RV2通过ACT2引脚和ANP2引脚传递给超声模拟前端芯片的低噪声线性放大器（LNP2）。电容C5和电容C6是模数转换器的时钟输入端CH1_LCLK_p和CH1_LCLK_n的耦合电容，电阻R1是输入的差分时钟的端接电阻。电容C55和电容C56是超声模拟前端补偿电路的外接电容。电容C55和电容C56是超声模拟前端参考电压的滤波电容。电阻R6和电容C59组成的RC滤波电路，是压控放大器的滤波电路。与引脚D1P和D1M连接的通道D1_p和通道D1_n是B超数据模数转换后的数据LVDS的传输通道，与引脚D2P和D2M连接的通道D2_p和D2_p是A超数据模数转换后的数据LVDS的传输通道。CH1_FCLK_p和CH1_FCLK_n是超声模拟前端输出的一组时钟信号，用于同步通道上的数据LVDS。
进一步，控制单元与信号前处理单元连接，以用于生成信号前处理单元的配置指令和控制指令。其中，控制单元采用现场可编程门阵列单元。所采用的现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）单元的型号可以为EP4CE617C8N，其各引脚与信号传输间的关系如图4所示。
进一步，为了打造出优质的眼科图像，本发明提供的全数字眼科A/B超装置中控制单元上的高速数据接口将数字信号通过数据传输单-USB模块传给PC端，进一步完成数据的后处理和眼科图像的成像处理。
此外，为了能够满足发射电路的电源使用需求，在本发明提供的全数字眼科A/B超装置中还可以设置以下的电源单元，如图5所示，该电源单元包括：第一电源（图5的（a）部分所示）、第二电源（图5的（b）部分所示）、第三电源（图5的（c）部分所示）、第四电源（图5的（e）部分所示）和第五电源（图5的（d）部分所示）。
其中，第一电源（例如，3.3V电源）用于为发射电路的3.3V端供电。第二电源（例如，+5V电源）用于为发射电路的+5V端供电。第三电源（例如，-5V电源）用于为发射电路的-5V端供电。第四电源（例如，+HV电源）为发射电路的正高压HV VA+供电。第五电源（例如，-HV电源）为发射电路的负高压HV VA-供电。
上述描述过程中没有提及的各电子元件是为了实现相应目的进行的适应性设置，为本领域常规手段，在此不再进行赘述。
基于上述提供的具体结构，相较于现有技术，本发明具有以下优点：
1、电路设计集成度更高，整体的信噪比大大提高，图像的质量也较之前有很大的提升。
2、发射电路的波形更加规整，脉冲完全对称无变形，噪声也大大的降低了，并且使得收发电路（即超声模拟前端电路）的隔离度也大大提高，信号过载问题得到有效的降低。
3、A超和B超有各自的信号链路，AB模式的实时性大幅提高。同步支持10M和20M的眼科探头，大大提高了机器的实用性和应用范围。
4、六组驱动一个眼科B超换能器，发射电压可大幅降低，并且有效的降低了眼科系统的机械指数MI，这是眼科一个非常关键的指标。
5、植入的14位模数转换器可以有效解决之前方案眼科小信号不足的问题，大大提高诊断的质量。模数转换之后的数据采用LVDS的方式传输，不仅速度快，而且大大减少了控制单元的脚位占用。数字I/Q解调器也大大简化了后续的信号处理流程，降低了FPGA的设计难度和复杂度，提高了图像的动态范围和空间分辨率。
6、高速数据传输方案也采用更加复杂的图像后处理成为可能，借助PC强达的处理能力，进一步提高图像质量。同时可以设计出更加友好的操作界面，提高机器的性价比。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种全数字眼科A/B超装置，其特征在于，包括：
信号前处理单元，用于发射和接收超声回波信号，并用于将超声回波信号转换为数字信号；
控制单元，与所述信号前处理单元连接，用于生成所述信号前处理单元的配置指令和控制指令；
PC端，与所述控制单元连接，用于基于所述数字信号生成眼科的A/B超图像。
2.根据权利要求1所述的全数字眼科A/B超装置，其特征在于，还包括：
数据传输单元，分别与所述控制单元和所述PC端连接，用于将所述数字信号传输至所述PC端。
3.根据权利要求1所述的全数字眼科A/B超装置，其特征在于，所述信号前处理单元包括：
发射电路，与所述控制单元连接，用于基于所述控制单元的控制指令发射和接收所述超声回波信号；
超声模拟前端电路，分别与所述控制单元和所述发射电路连接，用于基于所述配置指令和所述控制指令将超声回波信号转换为数字信号。
4.根据权利要求3所述的全数字眼科A/B超装置，其特征在于，所述发射电路包括：
发射处理部分，与所述控制单元连接，用于基于所述控制指令生成超声波发射和接收信号；
探头部分，与所述发射处理部分连接，用于基于所述超声波发射和接收信号发射所述超声波信号并接收所述超声回波信号。
5.根据权利要求4所述的全数字眼科A/B超装置，其特征在于，所述发射处理部分包括：芯片HDL1；
所述芯片HDL1的TR0引脚和TR1引脚均作为超声波信号收发转换的延迟时间控制脚，与所述控制单元连接；
所述芯片HDL1的CC0引脚和CC1引脚均作为发射电流的控制脚，与所述控制单元连接；
所述芯片HDL1的EN引脚作为使能脚，与所述控制单元连接；
所述芯片HDL1的IN_P1引脚、IN_P2引脚、IN_P3引脚、IN_P4引脚、IN_P5引脚、IN_P6引脚和IN_N1引脚、IN_N2引脚、IN_N3引脚、IN_N4引脚、IN_N5引脚和IN_N6引脚均作为B超探头的发射控制脚，与所述控制单元连接；所述芯片HDL1的IN_P7引脚、IN_P8引脚、IN_N7引脚和IN_N8引脚均作为A超探头的发射控制脚，与所述控制单元连接；
所述芯片HDL1的HVout1引脚至HVout8引脚均作为探头控制脚，与所述探头部分连接；所述芯片HDL1的LVout1引脚至LVout8引脚均作为超声回波信号传输脚，与所述超声模拟前端电路连接。
6.根据权利要求4所述的全数字眼科A/B超装置，其特征在于，所述超声模拟前端电路包括芯片AFE1A；
所述芯片AFE1A的SEN引脚、SCLK引脚和SDATA引脚均作为配置控制脚，与所述控制单元连接；
所述芯片AFE1A的ACT1引脚、INP1引脚、INM1引脚、ACT2引脚、INP2引脚和INM2引脚作为超声回波信号接收脚，与所述发射电路的超声回波信号传输脚连接；
所述芯片AFE1A的VCNTLP引脚作为控制脚，与所述控制单元连接；
所述芯片AFE1A的CLKP_ADC引脚和CLKM_ADC引脚作为时钟输入控制脚，与所述控制单元连接；
所述芯片AFE1A的D1P引脚、D1M引脚、D2P引脚和D2M引脚作为数字信号传输脚，与所述控制单元连接；
所述芯片AFE1A的FCLKP引脚和FCLKM引脚作为时钟输出控制脚，与所述控制单元连接。
7.根据权利要求1所述的全数字眼科A/B超装置，其特征在于，所述控制单元采用现场可编程门阵列单元。
8.根据权利要求7所述的全数字眼科A/B超装置，其特征在于，所述现场可编程门阵列单元的型号为EP4CE617C8N。
9.根据权利要求3所述的全数字眼科A/B超装置，其特征在于，还包括：
电源单元，与所述发射电路连接，用于为所述发射电路提供电能。
10.根据权利要求9所述的全数字眼科A/B超装置，其特征在于，所述电源单元包括：
第一电源，用于为所述发射电路的3.3V端供电；
第二电源，用于为所述发射电路的+5V端供电；
第三电源，用于为所述发射电路的-5V端供电；
第四电源，用于为所述发射电路的正高压供电；
第五电源，用于为所述发射电路的负高压供电。
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