基于USB的眼科B超图像实时采集与处理系统

第28卷第6期 北京生物医学 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 V01．28No．6 2009年12月 BeijingBiomedicalEngineering December2009 基于USB的眼科B超图像实时采集与处理系统 王剑1’2 计建军2 王延群2 王晓玲2 王晓眷2 周盛2 李川2 摘要提出一种眼科B超图像实时采集的新方法。应用FPGA从眼科B超诊断仪的SVGA信号 连接器(VGAconnector)前端直接采集数字信号，通过对静态RAM和USB接口芯片的时序控制，实现B 超图像的实时高速传输。图像传输经编码处理，以最大限度减少传输的误差。PC对上传的图像进行解 码后，实现实时显示，并对采集后的图像进行必要的后处理。本文充分证实了应用USB接口实现图像 实时传输显示的可行性，并进一步验证了数字视频采集的优势，即图像的高保真性、实时性和存储处理 的便捷性。 关键词 眼科B超；SVGA；FPGA；USB DOI：10．3969／j．issn．1002—3208．2009．06．13 中图分类号 R318．6 文献标志码 A 文章编号 1002—3208(2009)06—0614—04 Real·timeAcquisitingandProcessingSystemforB-scan OphthalmicUltrasoundImagesBasedonUSB WANGJianl-2jIJianjun2WANGYanqun2WANGXiaolin92WANGXiaochun2ZHOUShen92LIChuan2 1PekingUnionMedicalCollege，Beijing100730； 2InstituteofBiomedicalEngineering，ChineseAcademyofMedicalSciences，Tianjin300192 【Abstract】Anewmethodofreal-timeimage—acquisitionfromB-scanophthalmicultrasoundapparatus ispresented．ThismethodCallmaketheB·scanultrasoundimagestransferredinreal—timewithhigh—speed． First，theSVGAdisitalsignalswereacquiredfromthefrontendofVGAconnectorandthentransferredto SRAMandUSB·chipwhichwereallcontrolledbyFPGA．Second，theimagedatawasencodedinorderto reduceerrorsduringtransfer．Atlast．theimagedataw鹊decodedbyPCsoftwaretodisplayandprocess．This subjectexploresthefeasibilityofreal—timetransferanddisplayofB—scanultrasoundimagesbyusingofUSB， andfurthermore，indicatesthatdigitalvideoacquisitionmakestheimagestransferredwithhigh—fidelityand high-speed．andmaketheimageseasytostoreandprocesswhichareaHitsadvantages． 【Keywords】B-scanophthalmicultrasound；SVGA；FPGA；USB O 引言 传统的眼科B超诊断仪一般图像存储空间较 小，图像只能显示于现有诊断仪上，在图像处理与再 利用上有很大局限性： 基金项目：天津市科技支撑计划项目(207CKFSF01400)、中央级公 益性研究院所基本科研业务专项资助 作者单位：l北京协和医学院(北京100730) 2中国医学科学院生物医学工程研究所(天津300192) 作者简介：王剑(1984一)，男．硬士研究生 通信作者：王延群。E．mail：wyq@meda．com．cn ①由于存储空间较小，难以实现图像存储，多 通过视频拷贝保存图像； ②限于硬件条件，无法对图像进行更复杂地处 理。 针对这种问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，传统的解决 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 是通过视频采 集卡采集信号到PC来实现图像的处理与存储，这 种方法主要基于诊断仪的视频输出接口。由于眼科 B超诊断仪一般都提供有视频输出接口，比如天津 迈达医学科技有限公司的ODM一2100SA／B超就 提供有PAL和SuperVideoGraphicsArray(Super 万方数据 第6期 基于USB的眼科B超图像实时采集与处理系统 ·615· VGA，SVGA)视频输出，所以，可通过视频采集卡从 这些接口采集信号，然后利用Pc的强大功能实现 超声图像的处理与存储。目前，国内外很多厂商都 开发有这种采集卡，比如国内陕西维视开发的MV 一350医疗专用高清图像采集卡(MV一350)，荷兰 ARV00公司开发的OrlandoAN采集卡。其中，MV 一350支持PAL、NTSC彩色或黑白视频输入； OrlandoAN支持PAL(50Hz)和NTSC(60Hz)输入。 然而，这些视频输入信号都是模拟信号，是B超诊 断仪内部的数字信号经DA变换后得到的。采集过 程中，视频采集卡再将这些模拟信号AD变换，帧合 成，最后重新获得图像。显然，在这种采集方式中， 信号经过了两次数字与模拟变换(DA—AD)，数据损 失将不可避免，这使得经视频采集卡获得的图像相 对于原图像出现失真，最终影响了图像质量。 本课题采用的眼科B超诊断仪提供SVGA视频 信号输出。系统开发中，从SVGA信号连接器(VGA connector)前端直接采集数字信号，经由USB接口 传输于PC上进行实时显示，这种方法避免了DA— AD变换，整个过程是完全的数字信号，不存在数据 损失，不仅图像清晰度高，而且可以在PC上进行复 杂图像处理，实现了数据存储与再利用，方便了临床 诊断并提高了诊断可靠性。 1系统整体结构 本系统分为硬件、软件两部分。硬件负责数据 采集，软件负责图像显示与处理。首先FPGA从眼 科B超诊断仪的SVGA信号连接器前端直接采集数 字信号，并控制写入RAM，然后再将RAM中的数据 读人USBFIFO中，通过USB接口传输到PC上。 PC上以MicrosoftVisualC++6．0为开发环境编写 相关应用程序，进行图像的实时显示与处理。系统 逻辑框图如图1所示。 甲啪一胂 图l 系统逻辑框图 Figurel Systemlogicblockdiagram 2硬件 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 2．1 SVGA信号连接 SVGA是一个涵盖大范围的电脑显示标准。最 初SVGA是为了扩充IBM于1987年推出的旧VGA 标准而提出的，由VESA(VideoElectronicsShndaMs Association)制定，可以提供比VGA更丰富的色彩与 更高的分辨率。SVGA用来表示解析度时，通常就 是800×600的解析度⋯。 传统的眼科B超诊断仪提供有PAL或SVGA 等视频输出。限于这种硬件条件，图像信号从诊断 仪到视频接口经过了DA变换，而从视频接口采集 信号到PC又必须经过AD变换。假设信号是8位 的灰度信号DATAl[8．．0]，其信号变换过程如图2 所示。显然，经过DA—AD两次数字与模拟变换， 将不可避免地损失部分数据，导致图像失真。 本系统所用的眼科B超诊断仪提供SVGA信号 输出，相对于传统采集方法，采集的信号直接来自 SVGA信号DA转换之前，是完全的数字信号，不存 在数据损失，所以数据更可靠，图像更清晰。 图2信号从B超到PC的变换过程 Figure2 Signalconversionduringtransferfrom B．8canultrasounddevicetoPC SVGA主要的信号包括DCLK、DATA(R、G、 B)、HD、VD、DENA(Dataenable)。其中DCLK为数 据时钟，频率为40MHz，DATA(R、G、B)每组信号都 是8位，HD为行同步时钟，VD为场同步时钟， DENA用来截取SVGA中的有效数据送PC显示呤1。 将这些信号与FPGA相应管脚连接，作为采集通路。 2．2 FPGA程序设计 FPGA采用Ahera公司的Cyclone芯片H1，开发 环境为Quartusll6．0卜3。FPGA是整个系统的控制中 心。SVGA在1S内发送60帧图像，每帧为800×600 字节，如果直接采集传输，FPGA、USB与RAM的速度 都可以满足，但PC软件处理数据的速度较慢，会导致 数据丢失。所以FPGA必须对采集、RAM读写、USB 传输，以及相应的时间分配作合理的控制，使FPGA、 万方数据 ·616· 北京生物医学工程 第28卷 RAM、USB与PC软件四者速度匹配，既保证数据的 完整性，又保证实时显示，使视频清晰流畅。 图像数据的传输显示需要一个编码、解码过程。 为保证图像能够正确可靠地显示，FPGA在每行数 据的开头加入一个标识符，表示每行的起始点，然后 将其与采集到的数据一起传输到PC，以便应用程序 根据该标识符正确解析数据，最后显示。 2．3 USB程序设计 USB芯片选用Cypress公司的CY7C68013A"1。 Cypress公司的EZ—USBFX2系列芯片是世界上第 一款集成了USB2．0协议的微处理器，最典型的就 是Cy7c68013，其提供了强大的功能，包括USB接口 以及和8051兼容的指令系统，但是它的功耗比较 大，其绝对值高达936mW。因此，Cypress公司随后 又推出了低功耗版本的EZ—USBFX2LP系列芯片， CY7C68013A就是其中一款。该芯片内部结构包括 USB2．0收发器、SIE(串行接口引擎，SerialInterface Engine)、增强的8051内核、16KB的RAM、4KB的 FIFO存储器、I／O接口、数据总线、地址总线以及通 用可编程接口GPIF旧o。 CY7C68013A有三种工作模式，Ports模式、 SlaveFIFOs模式与GPIF模式。本系统采用Slave FIFOs模式o¨。由FPGA作为CY7C68013A的外部 Master，控制往FIFO写入数据。 CY7C68013A还有7个端点EP，是用来接收或 保存传输字节的缓冲区。各个端点类型可以通过相 应寄存器来进行配置。EPO不需要配置寄存器，是 默认的控制端点O，被固定配置为有效、IN／OUT、控 制、“字节和单缓冲。EPIIN和EPlOUT可配置作 为Bulk(块传输)，Interrupt(中断传输)或 Isochronous(同步传输)。EP2、EP4、EP6和EP8是 大端点，适用于高宽带片上或片外块传输。EP2和 EP6是最灵活的端点，这是因为它们的大小(512字 节或1024字节)和缓冲的深度(2倍、3倍、4倍)都 是可变换的。 CY7C68013A56管脚封装有A、B、D三个8引 脚的I／O端口，通过相应寄存器对其进行配置。 以上相关配置，都需要在USB固件程序中编程 实现。本系统的固件程序开发环境为Keil uVision3，并配置EP2为Bulk(块传输)，缓冲大小为 512字节，缓冲深度为4倍，作为数据FIFO，使用端 口B作为8位的I／O输出。 3 软件设计 Cypress为CY7C68013A提供了通用的驱动程 序和相应的CyAPI控制函数类，大大减少了开发周 期。在使用该通用驱动程序的基础上，只需在应用 程序中加人头文件CyAPI．H和库文件CyAPI．1ib即 可调用相应控制函数，对CY7C68013A进行控制。 所以，本系统没有也无需重新开发CY7C68013A的 驱动，而是直接进行应用程序的开发。开发环境为 MicrosoftVisualC++6．0。 图像数据的传输显示要有一个编码、解码过程。 如前所述，FPGA在将数据写入RAM时，会在每一 行数据的开头加入标识符作为每行数据开始的标 志，即编码。PC端应用程序在接收到这些数据时， 立即检查标识符，以确定每行的开始位置，并将其按 标识符信息放在缓冲区相应位置，即解码。当一幅 图像的数据全部放人缓冲区后，调用函数BitBh进 行显示。本系统在数据的每行都加入标识符，使数 据传输更稳定可靠。在这种编码方式中，各行数据 相互独立，当一行由于某种原因而丢失数据，该行将 不能正确显示，但不会影响下一行，应用程序会根据 下一行的标识符将其放入缓冲区正确位置并显示。 所以即使其中几行存在数据丢失现象，也不会影响 整体显示效果。本系统的编码解码方式有效保证了 图像传输的可靠性，提高了采集质量。 另外，应用程序的图像处理功能有中值滤波、梯 度锐化、灰度变换和伪彩变换等。 4设计过程 4．1 USB递增数列输出测试 测试中使用了Cypress公司的EZ—USB AdvancedDevelopmentKit(DVK)。该开发包可以 方便的完成USB系统的固件程序开发、驱动程序开 发和主机程序开发等。其中的CypressUSBConsole (CyConsole)是基于Windows的应用程序，当USB驱 动使用的是Cypress公司的通用驱动(Cypress GenericUSBDriver)时，该程序可以使用户在不编写 应用程序的情况下直接对USB进行调试。 本系统在采集实际信号之前，作为对USB的测 试，先通过FPGA写0～9的递增数列到 CY7C68013AFIFO中，然后输出到PC，通过 CyConsole查看数据是否正确并进行进一步调试。 万方数据 第6期 基于USB的眼科B超图像实时采集与处理系统 ·617· USB测试程序时序如图3所示。 图3 USB测试程序时序 Figure3 TimingchartofUSBfortesting 4．2 SVGA仿真信号 SVGA仿真信号由FPGA内部产生，主要有 DCLK、DATA、HD、VD、DENA。实际SVGA信号中， HD和VD同步信号(低电平)要经过上百个DCLK 才会出现，为便于仿真，每三个DCLK产生一个HD 低电平，每三个HD产生一个VD低电平。SVGA仿 真信号时序如图4所示。 图4 SVGA仿真信号时序 Figure4 TimingchartofSVGAsimulation—signal 4．3 SVGA仿真信号显示 SVGA仿真信号由FPGA内部产生后，要通过 PC应用程序显示，需要较多的数据才便于观察。为 此，每1000个DCLK产生一个HD低电平，每800 个HD产生一个VD低电平，产生DATA为0～255 的递增数列，同时用DENA截取800×600的有效数 据，并在每行开始加入标识符，即编码，最后将这些 数据由USB传输到PC显示。PC上需要编写专门 的应用程序用于图像解码显示。本系统应用程序显 示解析度为800×600。 SVGA仿真信号显示效果如图5所示。 4．4实际SVGA信号采集 在4．3节的基础上，去掉SVGA仿真信号输入， 从眼科B超诊断仪采集实际SVGA信号并显示。 图5$VGA仿真信号显示 Figure5 DisplayofSVGAsimulation—signal 眼科B超SVGA信号采集显示效果如图6所示。 图6眼科B超SVGA信号采集显示 Figure6 DisplayofSVGAsignalrequiredfrom B一8Callophthalmicultrasounddevice 系统整机如图7所示。 图7系统整机 Figure7 Thewholedevice (下转第621页) 万方数据 第6期 基于DSP的拟生物神经信号刺激器的研制 ·621· 对比。由图5可见，A图为电刺激装置生成的信号， 幅值为40mV，频率为1Hz，B图为DE一3神经元的 膜电位变化，在频率、幅值、波形上都较好地再现了 该生物信号。 图5 电刺激信号与生物信号的对比 Figure5 Thecomparisonofthesignalbetweenthe stimulatorandbiology 通过一定的实验验证，电刺激装置可以模拟幅 值在0—200mY、单动作电位时程在10～10000ms 的神经信号和频率在0．1一lOOHz的周期神经信 号，并且模拟信号的分辨率可以达到每毫秒5个数 据点，较好地满足了神经电生理实验等的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 。 5 结论 通过系统在线仿真测算及实际输出波形与生物 信号对比实验，表明本装置具有较高的生物信号再 现能力，能够完成较复杂模型的运算，并实时性地输 出刺激波形。可以有效地应用于对生物体神经系统 的研究中，为后期进行相关生物机器人技术的研究 提供了实验平台。 参考文献 [1]HolzerR，ShimoyamaI，eta1．Locomotioncontrolofabin·robot systemviaelectricstimulation[A]．ProceedingsoftheIEEE IntemationalConference．France：1997：1514—1519． [2]Talwar，SKeta1．Ratnavigationguidedbyremotecontrol[J]． Nature，2002。417(6884)：37—38． [3]李海鹏，戴振东，谭华，等．壁虎动物机器人遥控系统[J]． 计算机技术与发展，2008，18(8)：16一19． [4]王勇，苏学成，槐瑞托等．动物机器人遥控导航系统[J]．机 器人，2006，28(2)：183—186． [5]KristanWB，CalabreseBL，eta1．Neuronalcontrolofleech behavior[J]．Pm舒essinNeurobiology，2005，76(5)：279— 327． [6]孙伯原，王广志．用于大鼠实验的脉冲电刺激器的研制[J]． 北京生物医学工程，2005，24(5)：360—362． (2009—03—31收稿，2009一05—20惨回) 鹕鹂鹅{离撰鹕鹕鹋；$秘鹕a辩a$撰零a芦{萍a器留§鹕鹕鹕鹞搴零{$a黔a萍a泌a昂{$撰笞的莽a莽留s攀鹞零秘a$鹋a莽零鹋i萍鹕a芦a摹 (上接第617页) 5 结论 本系统采用USB接口成功实现了眼科B超图 像的实时采集与处理。经测试，速度达到了71Mbit／ 8，满足实时传输要求。同时具有如下优势：①数据 采集自SVGA信号DA转换之前，是完全的数字信 号，图像保真性高；②利用现有Pc强大的处理能力 与大容量存储器，可对图像进行复杂处理；③将这 种采集方法直接整合到眼科B超诊断仪上，不仅极 大的方便了诊断过程，而且有利于数据长期的存储 与诊断可靠性的提高。 参考文献 [1】维基百科．高级视频图形阵列。http：∥zh．wikipedia．orS／． 2Ⅸ聒． MitsubishiCompanies．12．1．’SVGATECHNICALSPECn叮CA’nON． wNqw．mitsubishi．corn．2003． Aheracorporation．CycloneDeviceHandbook．w_w．ahera．corn． 2∞8． Aheracorporation．QuartusII HelpVersion6．0．ww．ahera． corn．2006． CypressSemiconductorCorporation．CY7C68013ADatasheet． http：／／www．cypress．COln．2008． 薛园园．USB应用开发技术大全．北京：人民邮电出版社． 2008：185一186． CypressSemiconductorCorporation．EZ—USBTechnical ReferenceManualDocumentJHJ00l一13670Bey． ·A． http：／／www．cypress．com．2008． (2009一04—03收稿。2009-06一15修回) ] ] j ] 2 3 4 5 6 7 [ [ ；rL 万方数据 基于USB的眼科B超图像实时采集与处理系统 作者： 王剑， 计建军， 王延群， 王晓玲， 王晓春， 周盛， 李川， WANG Jian， JI Jianjun ， WANG Yanqun， WANG Xiaoling， WANG Xiaochun， ZHOU Sheng， LI Chuan 作者单位： 王剑,WANG Jian(北京协和医学院,北京,100730;中国医学科学院生物医学工程研究所,天津 ,300192)， 计建军,王延群,王晓玲,王晓春,周盛,李川,JI Jianjun,WANG Yanqun,WANG Xiaoling,WANG Xiaochun,ZHOU Sheng,LI Chuan(中国医学科学院生物医学工程研究所,天津 ,300192) 刊名： 北京生物医学工程 英文刊名： BEIJING BIOMEDICAL ENGINEERING 年，卷(期)： 2009，28(6) 被引用次数： 0次 参考文献(7条) 1.维基百科.高级视频图形阵列 2006 2.Mitsubishi Companies 12.1" SVGA TECHNICAL SPECIFICATION 2003 3.Altera corporation Cyclone Device Handbook 2008 4.Altera corporation Quartus II Help Version 6.0 2006 5.Cypress Semiconductor Corporation CY7C68013A Datasheet 2008 6.薛园园 USB应用开发技术大全 2008 7.Cypress Semiconductor Corporation EZ-USB Technical Reference Manual Document JHJ 001-13670 Rev.*A 2008 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_bjswyxgc200906013.aspx 授权使用：陕西理工学院(sxlgxy)，授权号：2c6353ab-7fa6-4c51-b22a-9df20115b09f 下载时间：2010年9月15日