一种眼科超声生物显微镜探头设计

朱明善，陈 浩，瞿 佳，徐亮禹

1 温州医科大学附属眼视光医院，温州市，325027

2 温州医科大学眼视光器械有限公司，温州市，325027

一种眼科超声生物显微镜探头设计

【作 者】朱明善1，陈 浩1，瞿 佳1，徐亮禹2

1 温州医科大学附属眼视光医院，温州市，325027

2 温州医科大学眼视光器械有限公司，温州市，325027

超声生物显微镜主要应用于眼科，是眼科重要的超声检查设备。该文设计了一种便携式、低功耗、高性能的眼科超声生物显微镜探头，在电脑上插上USB接口即可使用。

眼科；超声生物显微镜；设计

0 引言

为了清晰的观察到眼前节的细微结构，包括房角的关、闭情况，角膜和前房的厚度，虹膜、睫状突、睫状冠、角膜缘、巩膜突、脉络膜的形态及病灶，必须克服光学设备的局限性。目前，国内外眼科临床认可的行之有效的方法之一就是利用35 MHz到80 MHz的高频超声信号，将其发射到眼内，通过分析眼内反射的高频超声信息获得眼睛2～5 mm范围内的结构图像，结构分辨率最高可以达到30 μm，这一技术在眼科临床称为眼科超声生物显微镜(Ultrasound Biomicroscopy, UBM)。UBM是20世纪90年代初发展起来的新型眼科B超影像学检测工具，具有高分辨率、实时、非干扰、定量和不受浑浊角膜影响等特点，可活体观察眼前节结构，为眼前节的生理和病理研究，包括诊断、疗效的动态观察及发病机制的探讨等提供了准确的客观依据[1]。

目前，眼科UBM都需要台车及机械臂，在台车和机械臂里面安装了硬件控制电路，本文设计了一种眼科UBM探头，探头小巧，USB供电，内置集成电路，不需要台车及机械臂，插上USB接口即可使用，拓展了UBM产品的应用范围。

1 设计

1.1 原理

UBM是利用高频超声作为探测能源，利用超声反射成像法，结合计算机图像处理技术为人们提供低倍光学显微镜效果和不同断面的眼前段二维超声图像。UBM检查与传统B型超声设备一样，将换能器置于所检查的区域并移动换能器以获取最满意的切面图像[2]。

1.2 整体探头结构

目前临床使用的眼科UBM，包括UBM主机和UBM探头，还有机械臂、电脑主机、显示器等配套部件。UBM主机包括电源、驱动电路、信号处理电路、控制电路、图像缓存电路、图像传输电路等。UBM探头包括机械扫描结构，其中机械扫描结构包括机械扇形扫描和机械线性扫描。本文设计采用机械线性扫描，因为机械线性扫描比机械扇形扫描失真小，图像无需插值处理。采用小封装、低功耗、高集成的IC电路为选型原则，设计了一种集成主机的UBM探头，只需要插上USB传输线就可以工作。本文设计的UBM探头和其内部电路结构图分别如图1和图2所示。

1.3 机械设计

本文采用日本THK高精密直线导轨，使用直流电机驱动，电机连轴片带动一个装在导轨上的支架，把电机的圆周运动转化为直线运动，连轴片和支架之

间有滚珠轴承，减少摩擦和噪声[3]。机械设计如图3所示。

图1 UBM探头设计图Fig.1 UBM probe design

图2 探头电路结构图Fig.2 Circuit structure of UBM probe

图3 机械设计图Fig.3 Mechanical design

1.4 电源电路设计

电源采用TI公司的tps62400可调开关电源芯片，输出电压为1.2 V、2.5 V、3.3 V，采用TI公司的tps60400电荷泵反向芯片，输出电压为-5 V。采用TI公司的LM2622DC-DC转换芯片，输出电压为8 V，高压电路采用DC-DC升压模块，输出电压为100 V，总体功率约为4.5 W，采用定制的USB接头供电，其中一个USB接头只供电，另一个USB接头供电和传输信号，输入功率为5 W，满足设计要求。通过对电源的功耗管控，在探头启动状态电源开通，停止状态电源关闭，减少功耗。

1.5 发射控制电路设计

由于扫描的时候直线导轨不是匀速直线运动，而是正弦函数相关的线速度，因此需要控制超声波的发射时间。本文设计了一种基于正弦函数的超声发射控制方法[4]，保证图像不失真。发射控电路如图4所示。

图4 发射电路Fig.4 Transmitting circuit

1.6 接收电路设计

超声发射和接收共用一个传感器，因此需要将发射端和接收端分离出来，在发射端和接收端通过一个2W的 51欧姆电阻和两个钳位二极管来连接，在高压脉冲发射时，不会损坏接收电路，如图5所示。接收电路采用Mini-circuits公司的GALI-74+芯片，该芯片具有低噪声，高共模抑制比，具有20 dB增益。

图5 接收电路Fig.5 Receiving circuit

1.7 信号调理电路设计

信号调理电路包括运放电路、滤波电路、VGA电路、对数放大电路[5]。本文采用ADI公司的AD8004芯片，该芯片具有高速、低噪声、高带宽、低功耗等优点，4路运放集成，并且压摆率高达3 000 V/μs；采用Mini-circuits公司的LPF-B50+低通滤波芯片，滤除50 MHz以上的高频噪声；采用TI公司的LMH6505型号的VGA芯片，该芯片具有高带宽、低功耗、线性增益等特点，增益控制端连接AD8004的A3级运放输出，构成TGC放大电路，弥补超声信号随着穿透深度的增加而指数衰减；采用AD公司的AD641对数放大解调电路，该芯片具有250 MHz的带宽，44 dB的输入动态范围，线性电流输出，并且内部带有衰减电路。由于AD641是电流输出，经过AD8004的A4级运

放电路后变为电压信号，信号调理电路如图6所示。

图6 信号调理电路Fig.6 Signal regulation circuit

1.8 采集电路设计

最后采用BB公司的ADS831模数转换芯片对超声信号进行采集。该芯片具有8 bit数据，80 MHz的采样率，输入范围可选择，参考电源可变等特点，适合对超声图像的采集。

1.9 USB固件开发

本文采用Cypress公司的CY7C68013USB2.0芯片，使用Slave模式和BULK方式进行图像传输，Cypress公司提供标准的驱动程序，只需要对USB固件进行开发[6]。USB固件程序流程图如图7所示。本文采用1024根超声发射线，每根发射线上768个采样点，8 bit采样，采用cy7c68013的 USB2.0控制芯片，芯片的最大传输速率为480 Mbits/s，能满足8 fps的扫描速度要求。

图7 USB固件程序流程图Fig.7 Program fl ow of USB fi rmware

1.10 FPGA开发

本文FPGA采用Altera公司cyclone系列的EP4CE10F17I7N芯片，采用Verilog hdl 语言开发，FPGA功能综合后有USB SlaveFIFO模块、命令解释模块、缓存管理模块、TGC参数模块、DA模块、AD采集模块，如图8所示。

图8 FPGA功能图Fig.8 Function chart of FPGA

2 动物实验

本文采用活体家兔眼睛和离体猪眼睛进行动物实验。活体家兔眼睛图像如图9所示，可见角膜、前房、虹膜等结构；离体猪眼睛图像如图10所示，可见房角、角膜基质层、虹膜、巩膜等结构，由于离体的原因，角膜水肿。

图9 活体兔眼睛图像Fig.9 Image of vivo rabbit eye

图10 离体猪眼睛图像Fig.10 Image of vitro pig eye

3 体模测试

本文采用中科院声学所定制的眼科超声诊断设备专用仿组织超声体模（KS102-2）来测试探头的图像质量和作用深度，体模装置如图11所示。体模的TM材料声速为1540±10 m/s，声衰减系数为0.2±0.05 dB/cm/MHz。用UBM探头来扫描距防组织超声体模声窗1 mm和5 mm的靶线，经系统电子游标测量为0.99 mm和4.98 mm，成像清晰，结构细腻，扫描图像如图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

陈浩，E-mail: chenhao@mail.eye.ac.cn

1671-7104(2014)03-0196-03