一種眼科超聲生物顯微鏡探頭設(shè)計(jì)

朱明善，陳 浩，瞿 佳，徐亮禹

1 溫州醫(yī)科大學(xué)附屬眼視光醫(yī)院，溫州市，325027

2 溫州醫(yī)科大學(xué)眼視光器械有限公司，溫州市，325027

一種眼科超聲生物顯微鏡探頭設(shè)計(jì)

【作 者】朱明善1，陳 浩1，瞿 佳1，徐亮禹2

1 溫州醫(yī)科大學(xué)附屬眼視光醫(yī)院，溫州市，325027

2 溫州醫(yī)科大學(xué)眼視光器械有限公司，溫州市，325027

超聲生物顯微鏡主要應(yīng)用于眼科，是眼科重要的超聲檢查設(shè)備。該文設(shè)計(jì)了一種便攜式、低功耗、高性能的眼科超聲生物顯微鏡探頭，在電腦上插上USB接口即可使用。

眼科；超聲生物顯微鏡；設(shè)計(jì)

0 引言

為了清晰的觀察到眼前節(jié)的細(xì)微結(jié)構(gòu)，包括房角的關(guān)、閉情況，角膜和前房的厚度，虹膜、睫狀突、睫狀冠、角膜緣、鞏膜突、脈絡(luò)膜的形態(tài)及病灶，必須克服光學(xué)設(shè)備的局限性。目前，國內(nèi)外眼科臨床認(rèn)可的行之有效的方法之一就是利用35 MHz到80 MHz的高頻超聲信號，將其發(fā)射到眼內(nèi)，通過分析眼內(nèi)反射的高頻超聲信息獲得眼睛2～5 mm范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)圖像，結(jié)構(gòu)分辨率最高可以達(dá)到30 μm，這一技術(shù)在眼科臨床稱為眼科超聲生物顯微鏡(Ultrasound Biomicroscopy, UBM)。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)檢測工具，具有高分辨率、實(shí)時(shí)、非干擾、定量和不受渾濁角膜影響等特點(diǎn)，可活體觀察眼前節(jié)結(jié)構(gòu)，為眼前節(jié)的生理和病理研究，包括診斷、療效的動態(tài)觀察及發(fā)病機(jī)制的探討等提供了準(zhǔn)確的客觀依據(jù)[1]。

目前，眼科UBM都需要臺車及機(jī)械臂，在臺車和機(jī)械臂里面安裝了硬件控制電路，本文設(shè)計(jì)了一種眼科UBM探頭，探頭小巧，USB供電，內(nèi)置集成電路，不需要臺車及機(jī)械臂，插上USB接口即可使用，拓展了UBM產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。

1 設(shè)計(jì)

1.1 原理

UBM是利用高頻超聲作為探測能源，利用超聲反射成像法，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)為人們提供低倍光學(xué)顯微鏡效果和不同斷面的眼前段二維超聲圖像。UBM檢查與傳統(tǒng)B型超聲設(shè)備一樣，將換能器置于所檢查的區(qū)域并移動換能器以獲取最滿意的切面圖像[2]。

1.2 整體探頭結(jié)構(gòu)

目前臨床使用的眼科UBM，包括UBM主機(jī)和UBM探頭，還有機(jī)械臂、電腦主機(jī)、顯示器等配套部件。UBM主機(jī)包括電源、驅(qū)動電路、信號處理電路、控制電路、圖像緩存電路、圖像傳輸電路等。UBM探頭包括機(jī)械掃描結(jié)構(gòu)，其中機(jī)械掃描結(jié)構(gòu)包括機(jī)械扇形掃描和機(jī)械線性掃描。本文設(shè)計(jì)采用機(jī)械線性掃描，因?yàn)闄C(jī)械線性掃描比機(jī)械扇形掃描失真小，圖像無需插值處理。采用小封裝、低功耗、高集成的IC電路為選型原則，設(shè)計(jì)了一種集成主機(jī)的UBM探頭，只需要插上USB傳輸線就可以工作。本文設(shè)計(jì)的UBM探頭和其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖分別如圖1和圖2所示。

1.3 機(jī)械設(shè)計(jì)

本文采用日本THK高精密直線導(dǎo)軌，使用直流電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)連軸片帶動一個(gè)裝在導(dǎo)軌上的支架，把電機(jī)的圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，連軸片和支架之

間有滾珠軸承，減少摩擦和噪聲[3]。機(jī)械設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖1 UBM探頭設(shè)計(jì)圖Fig.1 UBM probe design

圖2 探頭電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Circuit structure of UBM probe

圖3 機(jī)械設(shè)計(jì)圖Fig.3 Mechanical design

1.4 電源電路設(shè)計(jì)

電源采用TI公司的tps62400可調(diào)開關(guān)電源芯片，輸出電壓為1.2 V、2.5 V、3.3 V，采用TI公司的tps60400電荷泵反向芯片，輸出電壓為-5 V。采用TI公司的LM2622DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，輸出電壓為8 V，高壓電路采用DC-DC升壓模塊，輸出電壓為100 V，總體功率約為4.5 W，采用定制的USB接頭供電，其中一個(gè)USB接頭只供電，另一個(gè)USB接頭供電和傳輸信號，輸入功率為5 W，滿足設(shè)計(jì)要求。通過對電源的功耗管控，在探頭啟動狀態(tài)電源開通，停止?fàn)顟B(tài)電源關(guān)閉，減少功耗。

1.5 發(fā)射控制電路設(shè)計(jì)

由于掃描的時(shí)候直線導(dǎo)軌不是勻速直線運(yùn)動，而是正弦函數(shù)相關(guān)的線速度，因此需要控制超聲波的發(fā)射時(shí)間。本文設(shè)計(jì)了一種基于正弦函數(shù)的超聲發(fā)射控制方法[4]，保證圖像不失真。發(fā)射控電路如圖4所示。

圖4 發(fā)射電路Fig.4 Transmitting circuit

1.6 接收電路設(shè)計(jì)

超聲發(fā)射和接收共用一個(gè)傳感器，因此需要將發(fā)射端和接收端分離出來，在發(fā)射端和接收端通過一個(gè)2W的 51歐姆電阻和兩個(gè)鉗位二極管來連接，在高壓脈沖發(fā)射時(shí)，不會損壞接收電路，如圖5所示。接收電路采用Mini-circuits公司的GALI-74+芯片，該芯片具有低噪聲，高共模抑制比，具有20 dB增益。

圖5 接收電路Fig.5 Receiving circuit

1.7 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號調(diào)理電路包括運(yùn)放電路、濾波電路、VGA電路、對數(shù)放大電路[5]。本文采用ADI公司的AD8004芯片，該芯片具有高速、低噪聲、高帶寬、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，4路運(yùn)放集成，并且壓擺率高達(dá)3 000 V/μs；采用Mini-circuits公司的LPF-B50+低通濾波芯片，濾除50 MHz以上的高頻噪聲；采用TI公司的LMH6505型號的VGA芯片，該芯片具有高帶寬、低功耗、線性增益等特點(diǎn)，增益控制端連接AD8004的A3級運(yùn)放輸出，構(gòu)成TGC放大電路，彌補(bǔ)超聲信號隨著穿透深度的增加而指數(shù)衰減；采用AD公司的AD641對數(shù)放大解調(diào)電路，該芯片具有250 MHz的帶寬，44 dB的輸入動態(tài)范圍，線性電流輸出，并且內(nèi)部帶有衰減電路。由于AD641是電流輸出，經(jīng)過AD8004的A4級運(yùn)

放電路后變?yōu)殡妷盒盘?，信號調(diào)理電路如圖6所示。

圖6 信號調(diào)理電路Fig.6 Signal regulation circuit

1.8 采集電路設(shè)計(jì)

最后采用BB公司的ADS831模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對超聲信號進(jìn)行采集。該芯片具有8 bit數(shù)據(jù)，80 MHz的采樣率，輸入范圍可選擇，參考電源可變等特點(diǎn)，適合對超聲圖像的采集。

1.9 USB固件開發(fā)

本文采用Cypress公司的CY7C68013USB2.0芯片，使用Slave模式和BULK方式進(jìn)行圖像傳輸，Cypress公司提供標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動程序，只需要對USB固件進(jìn)行開發(fā)[6]。USB固件程序流程圖如圖7所示。本文采用1024根超聲發(fā)射線，每根發(fā)射線上768個(gè)采樣點(diǎn)，8 bit采樣，采用cy7c68013的 USB2.0控制芯片，芯片的最大傳輸速率為480 Mbits/s，能滿足8 fps的掃描速度要求。

圖7 USB固件程序流程圖Fig.7 Program fl ow of USB fi rmware

1.10 FPGA開發(fā)

本文FPGA采用Altera公司cyclone系列的EP4CE10F17I7N芯片，采用Verilog hdl 語言開發(fā)，F(xiàn)PGA功能綜合后有USB SlaveFIFO模塊、命令解釋模塊、緩存管理模塊、TGC參數(shù)模塊、DA模塊、AD采集模塊，如圖8所示。

圖8 FPGA功能圖Fig.8 Function chart of FPGA

2 動物實(shí)驗(yàn)

本文采用活體家兔眼睛和離體豬眼睛進(jìn)行動物實(shí)驗(yàn)。活體家兔眼睛圖像如圖9所示，可見角膜、前房、虹膜等結(jié)構(gòu)；離體豬眼睛圖像如圖10所示，可見房角、角膜基質(zhì)層、虹膜、鞏膜等結(jié)構(gòu)，由于離體的原因，角膜水腫。

圖9 活體兔眼睛圖像Fig.9 Image of vivo rabbit eye

圖10 離體豬眼睛圖像Fig.10 Image of vitro pig eye

3 體模測試

本文采用中科院聲學(xué)所定制的眼科超聲診斷設(shè)備專用仿組織超聲體模（KS102-2）來測試探頭的圖像質(zhì)量和作用深度，體模裝置如圖11所示。體模的TM材料聲速為1540±10 m/s，聲衰減系數(shù)為0.2±0.05 dB/cm/MHz。用UBM探頭來掃描距防組織超聲體模聲窗1 mm和5 mm的靶線，經(jīng)系統(tǒng)電子游標(biāo)測量為0.99 mm和4.98 mm，成像清晰，結(jié)構(gòu)細(xì)膩，掃描圖像如圖12所示。

Probe Design of Ultrasound Biomicroscopy in Ophthalmology

【 Writers 】Zhu Mingshan1, Chen Hao1, Qu Jia1, Xu Liangyu2
1 Eye Hospital Of WenZhou Medical University, Wenzhou, 325027
2 The Vision Care Instrument Co., Ltd of WenZhou Medical University, Wenzhou, 325027

【 Abstract 】ultrasound biomicroscopy is an important ultrasound medical instrument and primary used in ophthalmology.The article design a probe of ultrasound biomicroscopy which is Portable, Low power consumption and High performance. Which can be used when plug in the computer USB interface

ophthalmology, ultrasound biomicroscopy, design

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2014.03.010

2013-11-21

陳浩，E-mail: chenhao@mail.eye.ac.cn

1671-7104(2014)03-0196-03