针对不同X光视频设备具有不同技术参数导致无法直接接驳VGA视频的现状,本文在研究建立非标准视频信号特征转换算法库的基础上,提出了一种控制非标准视频AD采样数据读写时序,实现高分辨X光视频对VCA视频的自适应转换设计方案,方便了X光影像的临床研究和教学.

本文介绍了一个自行设计的数字化X射线影像实时处理系统中实现图像实时缩放的子系统.重点分析了缩放涉及的插值算法,设计并实现了基于FPGA的三次插值的模块,系统最终实现了对高显示分辨率和帧率下的X线图像的实时缩放.

目的 医学超声的射频回波信号具有明显的时变特性,传统滤波器难以获得理想的滤波效果,本文提出一种基于现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的实时自适应滤波器以解决这一问题.方法 根据双通道自适应滤波器原理,设计双脉冲激励以获得双通道输入,滤波器集成在一个Altera Cyclone II FPGA上,采用延时最小均方误差(delayed least-mean-square,DLMS)控制算法以提高速度.结果 对超声体模和人体组织回波进行的仿真及硬件滤波实验表明,该滤波器具有明显的信号增强作用,对不同深度信号的处理效果没有明显的差别,并且可以达到50MS/s的数据吞吐量,满足实时处理要求.结论 FPGA速度快,体积小,耗电低,在超声扫描仪中应用广泛,本文提出的基于FPGA超声射频信号的自适应滤波方案滤波效果明显,具有很强的实用性.

目的 设计基于背向散射信号来评判骨密度情况的便携式超声骨密度仪,为实现超声骨密度仪的低成本和便携性提供一种解决方案.方法 使用现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)作为主控以控制整个系统正常工作,配合信号调理、高速模数转换器(analog-to-digital converter, ADC)和USB传输电路,来实现高压脉冲控制模块、增益控制模块、信号采集、数据传输.最后对系统噪声和采集到的背向散射信号进行测试,并用松质骨样本进行骨密度测量的测试.结果 系统整体尺寸为15 cm×10 cm×3 cm,数据传输速率可达60 MB/s,噪声水平低.结论 设计了一种USB接口的便携式背向散射超声骨密度仪,在USB接口供电时,可以有效地获取背向散射信号.

目的 本文对超声骨密度测量系统中的高速数据采集和传输关键技术进行了研究,设计了数据采集系统.方法 该系统基于 Nios II软核,以现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)芯片EP2C8Q208C8为核心,选择ADC12C105芯片进行模数转换,然后经USB接口芯片CY7C68013A上传至PC机进行分析、存储.最后对CY7C68013A的传输速度进行了测试.结果 实验结果证实本文所设计的系统采样率高,数据传输速度快.结论 该高速数据采集和传输系统是超声骨密度测量系统的研发基础.

介绍了一种基于FPGA的实时数字血管减影系统.重点介绍了在数字血管减影过程中图像对数放大、减影、像素移位以及最大充盈等特殊要求的实现.该系统工作稳定,可靠地实现了X光图像1024×1024大小每秒30帧的实时减影处理,并可期望短期内应用于临床.

数据采集系统在全数字医用超声成像设备中占有重要地位.本文介绍了应用于超声成像的数据采集系统的设计方案.系统采用AD9228芯片(Analog Devices Inc)作为模数转换芯片,使用现场可编程门阵列(FPGA)与静态随机存储器(SRAM)构成相关控制、缓存等数字电路模块,使用ISE组件Chipscope对采样结果进行测试.测试结果表明:系统采集样本正确;FPGA准确接收采样数据的输出,并完成串并联转换、缓存等处理;系统可以稳定地工作在40MHz的数据采集与存储速率下,符合医用超声成像系统的使用要求.

目的 对市售的韩国超声骨密度仪(型号为OsteoPro UBD 2002A)进行改进,设计以现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)作为控制芯片的高精度超声骨密度仪,克服其准确度不高及检测速率低等问题.方法 该系统以FPGA芯片XC3S250E-4为核心,采用MAX1449芯片进行模数转换,使用K6T4016V3 C-TF70进行数据存储,通过USB芯片FT232H进行数据传输.最后对系统的传输速度和整体性能进行了测试.结果 实验结果证实该系统采样率高,数据传输速度快.结论 该高精度测量系统是超声骨密度仪性能提升的核心.

X线图像的实时处理要求系统具有强大的运算能力和数据吞吐能力.本研究介绍了一套基于FPGA的图像处理系统,可以对输入的X线图像进行多种实时处理,包括回归滤波、数字减影、基于7×7模板的图像增强以及基于双三次插值的图像缩放等,并生成多种接口的显示图像.该系统可以应用于透视和血管减影造影等多种场合.由于采用高度集成的FPGA器件,整个系统功能强大,结构小巧紧凑.实验结果表明,系统工作稳定,可以初步满足临床应用要求.

0　引言信息社会的一个显著特征是微电子技术、计算机技术向其它传统学科领域的融合、渗透，伴随着这一特点而诞生的是一大批光、机、电算一体化的高新技术仪器设备。医用电子内窥镜正是众多集光学、机械、电子、计算机技术于一体的仪器中具有代表性的一种医疗仪器。与CT、B超图像成像原理不同，医用电子内窥镜图像采集与视频显示系统的任务是用CCD(电荷耦合器件摄取人体器官内部的彩色图像，经视频处理后，在电视监视器上显示高分辨率的图像，因此该系统实际上是一套彩色摄像系统。但与普通的摄像系统不同的是，电子消化道镜的镜身外径大约在Φ10mm左右，电子支气管镜则更细，在这样一个细管中，要安放照明光纤、信号电缆、窥头弯曲牵引钢丝、活检孔和充气/充水孔，特别是在窥头部分，要放置物镜、CCD芯片等，从这种意义上来说，该系统又是一套微型摄像系统。

目的 针对目前技术条件下的多排螺旋计算机断层成像(computerized tomography,CT)设计一种快速稳定的控制器局域网络(controller area network,CAN)总线通讯控制系统.方法 在根据系统需求设计CAN网络后,首先设计CAN硬件接收电路,然后制定CAN网络通讯协议,最后采用基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)和CAN的知识产权逻辑核实现扫描流程的软件设计.结果 螺旋扫描实验表明,系统各节点在扫描过程中能够快速稳定地进行通信.结论 该系统能够实现对多排螺旋CT扫描流程的控制,并且具有很好的可靠性、实时性和扩展性.

介绍了医用电子内窥镜的结构原理以及驱动系统的设计与实现,并主要论述了驱动的方案及其功能,及以FPGA(现场可编程门阵列)为核心的驱动速度及运动方向控制.该微型驱动系统经实验验证,其直线移动速度可在0～10mm/s范围内调节,可平稳灵活地前进、后退及转弯.可编程逻辑器件在步进电机控制中将发挥其可靠性、灵活性等独特的作用.

介绍了超声手术仪的基本工作原理,然后根据超声手术仪硬件电路的特点,提出了一种基于FPGA实现超声手术仪硬件电路设计的方法,着重阐述了利用FPGA实现超声手术仪输人输出接口电路的方法,这种设计方法在保证超声手术仪的工作可靠性和整体治疗性能的前提下提高系统的集成度.

论及FPGA在生理信号抗50Hz干扰中的应用,并给出了其在心电信号去50Hz干扰的实例.由于使用了FPGA,系统除了保持硬件器件速度快的优势,同时也具有软件系统的灵活性,以及并行采集处理多种生理参数的能力.

目的:为了改善脊髓术中监护的准确性和实时性,一种可移植于FPGA的定点数算法自适应噪声消除器被应用于改善体感诱发电位的信噪比.方法:仿真浮点数算法、定点数算法自适应消噪器对离线SEP信号处理的效果.比较两种滤渡器在不同收敛系数下失真指数的趋势.结果:定点数算法在收敛系数较小的范围内失真指数较浮点数算法略大.随着收敛系数的增大,二者差异逐渐缩小.结论:通过合理优化收敛系数,定点数自适应消噪器能够逼近浮点数自适应消噪器,满足SEP检测的要求.

目的:针对X线设备非标准视频信号无法接驳通用VGA视频接口的现状,提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的视频转换算法.方法:在分析了FPGA器件特点及非标准医学视频信号特性的基础上,通过对先进先出存储器(FIFO)中非标准视频A/D采样数据读写时序的控制,使得在每行的有效信号时间段内,输出800个数字采样数据(输出分辨率为800×600、刷新频率60Hz),由输出模块将这800个数字数据与行、场同步信号一起组合成标准的VGA信号.结果:采用VHDL语言在一般的FPGA器件上能够实现非标医学视频信号到标准视频信号的转换算法.结论:实验结果表明,该算法运算速度快,转换效果清晰流畅.

目的:研制一套基于现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)的高频超声皮肤三维扫描控制及数据采集系统,用于控制皮肤等浅表器官的高频超声三维扫描和高频超声二维图像序列的获取,并实现高频超声三维成像.方法:该系统由上位机模块、下位机模块及高频超声三维探头组成,通过精密扫描及采样控制进行数据采集.针对二维超声图像等时间间隔采样的不足,设计了等空间间隔采样方法,提高二维超声图像的质量.系统采集的高频超声图像序列通过USB接口上传至上位机进行实时显示和缓存,并基于可视化工具包VTK(visualization toolkit)对采集到的皮肤高频超声图像序列进行三维重建.结果:该系统可以得到待测部位的三维超声图像及任意角度切面图像.通过对自制超声体模三维重建结果的测量,验证了该系统的准确性;通过上臂皮肤体数据的切面可以清晰地观察到皮肤下血管的形态和走向.结论:该系统准确地实现了皮肤的三维数据采集,为皮肤等浅表器官疾病的临床诊断奠定了实验基础.

目的:针对现有脑电采集系统受限于传输速率低而导致的采集通道数少、采样频率及有效位低等问题,设计一种多通道高性能脑电信号采集与传输系统.方法:该系统在传统“右腿”驱动放大链路中,加入基于RC零极点补偿技术的前馈电路,提高整体链路的环路稳定性;基于高速现场可编程门阵列芯片(field programmable gate array,FPGA)与4片DDR3,设计了2条实时并行处理的“乒乓”交替数据吞吐机制,以提升系统可承载的实时采集通道数.结果:该系统增加了前端模拟链路的相位裕度、增益、稳定性及工频抑制能力,实现了吞吐率达千兆比特的数据整合与高效传输,大幅提高了系统所能承载的通道数量、采样频率及有效位.最终系统实现性能指标为:链路共模抑制比130 dB,有效位24 bit,单通道采样频率500 kHz,传输速率3.125 Gbit/s.结论:该系统可承载256通道大规模采集,尤其可为在非开颅情况下脑部病灶的精确定位诊断提供一套解决方案,为生物学及脑机接口等前沿研究提供有力支撑.

目的:研制一套基于现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)的高频超声灰阶血流成像系统,实现浅表器官血流和组织的同时实时成像.方法:该系统主要由超声换能器、超声发射接收模块、上位机成像软件和外围设备组成.超声换能器采用20～50 MHz单阵元聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)换能器;超声发射接收模块采用高速模数转换器(analog to digital converter,ADC)直接将射频回波信号提前数字化,再由FPGA对数字信号进行多次发射叠加、滤波、检波、对数放大及二次采样等处理,并由USB接口传输至上位机进行实时显示.结果:使用该系统对人手背部静脉距表皮1 mm的血管进行超声扫描检查,可得到各种发射频率对应的血流结果图像.结论:该系统实现了浅表器官血流的实时成像,方案结构简洁清晰,为高频超声灰阶血流成像奠定了实验基础.

目的:针对体感诱发电位(somatosensory evoked potentials,SEP)的特征,基于现场可编程门阵列(field pro grammable gate array,FPGA)硬件平台设计径向基函数自适应减法器,实现体感诱发电位的快速提取.方法:通过对各模块的硬件算法设计,利用Simulink仿真工具对5例接受脊柱侧弯手术患者的原始SEP信号进行仿真实验,以工频干扰、EEG脑电为噪声,对径向基函数自适应减法器提取SEP的性能进行评价.结果:不同输入信噪比条件下,径向基函数自适应减法器比单一自适应减法器输出信号的信噪比高;输入信噪比为-15 dB时,单一的自适应噪声减法器(adaptive noise canceller,ANC)输出相对于模板信号的失真比径向基函数自适应减法器(ANC-RBF)小,但输入信噪比为-25、-30 dB时,ANC输出相对于模板信号的失真比ANC-RBF大;ANC-RBF提取的SEP波形比较平滑.结论:径向基函数自适应减法器比单一自适应减法器对术中体感诱发电位具有更好的去噪效果,不仅提取信号的失真度较小,而且信号波形更为平滑,使SEP信号的潜伏期和幅值更易识别.

目的:研制一种新型的婴儿保温箱智能监护系统,以确保婴儿保温箱的工作安全可靠.方法:使用现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)(CycloneⅡ)芯片作为核心部件,采用双重温度控制系统方案进行设计,将多个功能模块集成到一片FPGA中,构成片上可编程系统.结果:该系统可自动监测婴儿皮肤温度、脉搏以及是否尿床,自动监测和控制箱内的温度和湿度.且仪器发生电路故障时可自动切换到强制保护电路,维持保温箱内的温度,确保婴儿生命安全.结论:该系统性能稳定、精度高、安全可靠、操作方便,具有采集速率快、便携性好、功耗小等特点,可为现代医疗监护系统提供可靠的支持.

在超声诊断系统中,一个重要的环节就是实时处理庞大的超声信号,尤其是用数字硬件电路实时进行信号处理.信号处理的关键部分就是滤波器的设计,数字滤波器的设计会直接影响超声诊断设备的性能.简要介绍数字滤波器的分类,着重介绍近年来基于现场可编程门阵列(FPGA)的多种数字滤波器的硬件实现方法,尤其是经典数字滤波器中基于分布式算法实现有限脉冲响应(FIR)滤波器;分析了每种数字滤波器的优点及存在的问题;展望了超声诊断设备中现代数字滤波器的发展趋势.

目的 眼科高频超声数字化成像中使用内插滤波器可等效地提高采样率以节约资源.方法 在研究分析了级联积分梳状(CIC)滤波器的基础上,结合运用余弦(COSINE)滤波器和内插二阶多项式(ISOP)滤波器对其进行改进.结果 通过硬件描述语言描述改进后的高效结构,并在现场可编程门阵列(FPGA)中实现,最后通过实验仿真验证该内插变频算法的有效性.结论 改进后的CIC滤波器基本保留了效率和资源节约方面的优势,同时也改善了其通带宽度和阻带衰减特性,能够适用于10 MHz的高频眼科超声信号处理的要求.

介绍了一种医用B超中数字扫描变换器(DSC)的原理、设计和用FPGA的实现,并给出了部分实现的结果和实际应用后的感受.

应用DDFS原理,采用基于查找表(Look-Up-Table}结构的方法,建立起产生两路干扰电流的自动扫频模块和DDFS模块,设计了一种干扰电流治疗仪.各模块和整个系统的设计在FPGA的开发工具quartus Ⅱ中进行了仿真,结果表明该设计的原理正确,方案可行,具有应用前景.

目的:超声成像仪在医学成像诊断中扮演重要角色.高频超声成像设备可以提供高分辨率的图像,对眼科和皮肤科的临床医学诊断有重要意义.此外,生物医学影像学中的小动物实验也需要提供精细分明的图像便于观察和研究.为了提供高分辨率和低成本的超声成像设备,本文设计了一种基于单阵元高频率换能器的超声成像系统.方法:使用35 MHz单阵元聚焦换能器作为超声探头,实现超声波与电量信号之间的转换;以现场可编程门阵列为核心控制处理器,控制超声波的发射和接收.设计基于希尔伯特变换的数字正交解调器完成对超声回波信号解调.经过处理的超声回波包络信息在Visual Studio 2012开发环境下设计的上位机交互显示软件进行成像显示.采集离体生物组织和成像仿体的图像数据,结合MATLAB软件进行数据处理,通过分析图像灰度值变化情况判断系统性能指标.结果:通过硬件系统实时观察前端超声回波数据以及最终成像结果判断,该成像系统图像清晰、工作正常.结论:该成像系统电路设计合理、信噪比低,系统分辨率达到40 μm,其他性能参数都达到较好水平.

目的 探讨基于现场可编程门阵列(FPGA)和USB2.0的便携式心电监护仪设计.方法 结合FPGA技术和USB2.0接口技术,以FPGA为核心控制单元,前端采用多通道模数转换芯片采集三导联心电信号,后端采用USB 2.0与上位机通信.结果 本文设计了一款实用便携式心电监护仪,并能给出心电信号的实时监测结果.结论 该便携式心电监护仪具有一定的实用价值.

利用计算机模拟大脑的神经振荡对于分析大脑的功能机制具有重要的意义.丘脑皮层神经群模型(TNMM)是一种通过建立丘脑和皮层耦合关系来反映神经活动机制的模型,有助于我们理解大脑特定认知功能及各个节律脑电信号的神经振荡活动.随着神经群模型的复杂性和规模的不断增加,常规的计算机系统性能无法实现快速和大规模的模型仿真.本文提出了以FPGA为基础的硬件计算仿真方法,利用Altera公司的计算机辅助设计工具DSP Builder,同时结合MATLAB/Simulink实现复杂神经群算法模型的搭建和硬件平台移植.此方法充分利用FPGA的并行计算能力来实现大规模复杂神经群模型的快速仿真,为神经群模型的计算机实现提供了新的方案和思路.

脉搏波中包含着人体心血管系统的生理和病理信息,已有的脉搏波检测设备对心血管疾病的临床诊断与治疗有很大帮助.为实现对脉搏波检测设备性能指标的测试,需要获得准确的波形;然而,现有的信号发生器不能提供精确对应多种生理、病理状态的脉搏波输入信号.本文基于弹性腔理论设计了一种脉搏波发生器,对心血管系统进行建模,得到四种不同阻力条件下波形输出,同时添加噪声选择、设置信噪比(SNR)等功能.由于需要系统具有便携、动态响应好、可扩展性强、低功耗等特点,所以本文采用了现场可编程门阵列(FPGA)作为硬件开发平台,在可编程片上系统(SOPC)开发流程下,完成了脉搏波生成算法设计、外围存储器及用户接口控制.通过液晶屏和触摸屏,用户可通过输入关键参数设定想要的脉搏波,在液晶屏上显示波形,同时输出低电压电压模拟信号.本文设计的脉搏波发生器结构简单,为脉搏波的教学与科研以及采集与诊断设备的检测提供了解决方案.

神经元是构成生物体神经系统的基本单位.在神经元的电生理特性描述上,Hodgkin-Huxley(H H)模型最接近于生物学实际.硬件实现神经元可为临床脊髓损伤治疗、仿生学、人工智能等方面提供新的研究思路.本文以HH模型神经元为研究对象,采用DSP Builder技术,在现场可编程门阵列(FPGA)上完成了单个HH模型神经元的硬件实现.对FPGA实现的神经元施加了不同类型的电流刺激,分析研究其动作电位响应特性,并与相同参数刺激下的数值模拟结果进行了相关系数的计算分析.结果表明,FPGA实现的神经元动作电位响应与数值模拟结果高度一致,为后续通过硬件构建神经元网络奠定了基础.