АДАПТИРУЕМЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЛОКАТОР

ЬСлассы ПО МКИ: A61 В 8/00 - 8/14; G 01N 29/04 - 29/14
Адаптируемый ультразвуковой локатор
АУЛ относится к ультразвуковым (УЗ) медицинским диагностическим устройствам и дефектоскопам.
Известно несколько групп аналогов предлагаемой полезной модели (ПМ).
Первой группой аналогов являются УЗ медицинские диагностические устройства и дефектоскопы, построенные на базе микропроцессоров и/или персональных компьютеров (ПК). Например, патенты №№ 5.190.044 от 15.12.1992г. Kawasaki и др. Ultrasonic Blood Flow Imaging Apparatus; 5.425.365 от 20.06.1995г. linuma и др. Ultrasonic Diagnosis Apparatus Utilizing Doppler Technique; 5.553.620 от 10.09.1996г. A.R.Snider и др. Interactive Goal-direct Ultrasound Measurement System.
Общим недостатком аналогов этой группы является то, что из-за недостаточной производительности даже самых современных и мощных микропроцессоров и ПК в устройствах этой группы посредством их вычислительных средств нельзя одновременно программно формировать циклограмму работы и управлять оборудованием УЗ локатора, формировать радиоимпульсы (РИ), обрабатывать эхо-сигналы, визуализировать скорость кровотока. Для вьшолнения этих задач приходиться добавлять оборудование, что увеличивает объём используемых аппаратных средств и, следовательно, увеличивает сроки и стоимость разработки, повьппает себестоимость УЗ локаторов.
Второй группой аналогов предлагаемой ПМ являются УЗ медицинские диагностические устройства и дефектоскопы, имеющие в своём составе помимо ПК с периферией ещё и однопроцессорные цифровые сигнальные процессоры с традиционной Гарвардской архитектурой. Это, например, устройства, на которые вьщаны следующие патенты: 5.665.907 от 9.09.1997г. Sheen и др. Ultrasonic imaging system for in-process fabric defect detection; 5.779.638 от 14.07.1998r. Vesely и др. Ultrasound-based 3-D tracking system using a digital signal processor и др. Их общим недостатком является то, что здесь цифровые сигнальные процессоры используются для рещения узкоспециализированных задач, их включение не нацелено на получение практически универсальной архитектуры УЗ локатора, предназначенного для построения широкого класса устройств. Поэтому эти устройства не могут быть унифицированы.
Третьей группой аналогов являются УЗ медицинские диагностические устройства и дефектоскопы, в которых задачи обработки эхо-сигналов рещаются специализированными функциональными узлами. Это, например, устройства, на которые вьщаны следующие патенты: 5.170.792. от 15.12.1992г. Sturglll и др. Adaptive Tissue Velosity Compensation for Ultrasonic Doppler Imaging; 5.190.044 от 2.03.1993г. Kawasaki и др. Ultrasonic Blood Flow Imaging Apparatus; 5.220.923 от 22.06. 1993г. Hagiwara и др. Ultrasonic Doppler Blood Flowmeter; 5.419.333 от 30.05.1993г. Hagiwara и др. Ultrasonic Doppler Blood Flow Meter Apparatus и др. Недостатком устройств этой группы является существенное увеличение объёма оборудования и, как следствие, увеличение сроков разработки и стоимости, невозможность унификации.
Четвёртой группой устройств-аналогов являются устройства, хотя и адаптируемые, но в смысле только возможности вариации параметров в рамках какой-то одной задачи (а не в смысле заявляемой возможности построения пшрокого класса устройств различного назначения). Примером устройств этой группы является упоминавщееся выше устройство, на которое вьщан патент № 5.170.792. от 15.12.1992г. Sturgill и др. Adaptive Tissue Velosity Compensation for Ultrasonic Doppler Imaging и др. Общим недостатком устройств этой группы также являются непригодность их для унификации, большие сроки и стоимость разработки.
..-.. ;  ,(АУЛ)
интерфейс используется только для управления самим компьютером. Примерами таких устройств являются совмещённые с компьютером отечественные УЗ сканеры ЭхосканЮ и Сономед-300.
Наиболее близким к заявляемой ПМ решением является устройство согласно патента № 5.058.593 от 22.10.1991г. S.F.Forestieri. Apparatus and Processing and Displaying Ultrasonic Data. Здесь в составе устройства имеются программируемый приёмо-передающий модуль (называемый в тексте патента Radio Frequency Processor), ГЖ, включающий видеопроцессор, монитор и периферию, а также группа дополнительных специализированных процессоров (Doppler Processor, Color Flow Processor, Graphics Processor), причём в составе Color Flow Processor (процессора цветового потока) имеется группа из 16 однопроцессорных ДСП, предназначенных для цифровой обработки допплеровских сигналов. В составе устройства имеется общее устройство управления работой перечисленных специализированных процессоров, ЦСП и другого оборудования. Принцип построения прототипа также обусловливает присутствие упомянутых недостатков (большой объём специализированного оборудования, плохая адаптируемость, невозможность унификации и пр).
Предлагаемой ПМ решается задача расширения функциональных возможностей, улучшения параметров, гибкости, адаптируемости к различным требованиям Пользователей, экономии оборудования, унификации аппаратных и программных средств различных УЗ локаторов, сокрашение сроков и снижение стоимости разработок.
Для достижения этих технических результатов в предлагаемой ПМ все перечисленные функциональные узлы прототипа: специализированные процессоры, 16 однопроцессорных ЦСП и устройство управления - заменены одним 8-процессорным ЦСП, управляющим приёмопередающим модулем и осуществляющим конвейерную обработку данных, а предлагаемый способ его включения позволяет унифицировать аппаратные и программные средства практически любых УЗ локаторов.
Сущность ГОМ. Предложен адаптируемый ультразвуковой локатор, состоящий из управляемого приёмо-передающего модуля (НИМ), набора ультразвуковых датчиков и персонального компьютера с периферией, отличающийся тем, что в его состав включён модуль мультипроцессорного цифрового сигнального процессора с субблоком аналогового интерфейса, осуществляющий связь персонального компьютера с управляемым приёмо-передающим модулем, вырабатьтающий сигналы управления работой этого модуля, формирующий сигналы зондирующих радиоимпульсов, вьфабатывающий напряжение временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ), оцифровываюпщй эхо-сигналы и вьшолняюнщй их цифровую обработку посредством программного конвейера, причём управление работой всего адаптируемого УЗ локатора осуществляется посредством экранного интерфейса с Пользователем.
Предлагаемый объект позволяет посредством использования:
П МОДУЛЯ мультипроцессорного ПСП с субблоком аналогового интерфейса:
распараллелить процедуры управления работой оборудования УЗ локатора, формирования циклограммы его работы, формирования радиоимпульсов, выработки напряжения ВАРУ, синтеза двумерных изображений, вычисления скорости кровотока (для медицинских диагностических устройств), что ускорит обработку эхо-сигналов и повысит частоту кадров ультразвуковых изображений;
повысить разрещающую способность в поперечном направлении посредством использования процедуры синтеза апертуры;
расширить функциональные возможности;
совместно с ПК распараллелить процедуры формирования двумерных изображений и визуализации двумерных изображений или синтеза и визуализации трёхмерных изображений;
удешевить устройства посредством реализации большинства функций программными, а не аппаратными средствами, уменьшить объём оборудования;
унифицировать построение аппаратных и программных средств различных УЗ локаторов для медицинских диагностических устройств и дефектоскопов;
сделать единообразной методику проектирования различных УЗ локаторов;
сократить стоимость и сроки при одновременном повышении качества разрабатываемых устройств;
2) программы экранного интерфейса с Пользователем:
- легко адаптировать экранный интерфейс УЗ локатора под конкретные области применения;
дополнительно сократить стоимость разработок и изготовления устройств посредством отказа от использования специализированной клавиатуры.
Модуль мультипроцессорного ДСП с сз блоком аналогового интерфейса и программы экранного интерфейса с Пользователем совместно позволяют получить адаптируемый УЗ локатор.
На рис. 1 показана структурная схема АУЛ.
На рис. 2 приведена структурная схема медицинского ультразвукового диагностического устройства - акустического визуализатора предстательной железы и других органов малого таза (АВТ) как пример конкретного промышленного осуществления АУЛ.
На рис. 3 приведена классификация семейства медицинских УЗ диагностических устройств, унифицированных посредством АУЛ
На рис. 4 показано семейство УЗ дефектоскопов, унифицированных также посредством АУЛ.
Рассмотрим работу АУЛ. Посредством экранного интерфейса с Пользователем из меню выбирается режим работы АВТ. Затем для выбранного режима на ПК рассчитываются необходимые уставки (период повторения зондирующих импульсов, вид кривой ВАРУ, начало и конец строба оцифровки отражённых сигналов и пр). Эти уставки цересылаются в мультипроцессорный ЦСП.
После нажатия кнопки Пуск мультицроцессорный ЦСП формирует циклограмму работы и сигналы управления работой ШТМ, формирует радиоимпульсы, принимает и оцифровывает отражённые эхо-сигналы, вьшолняет цифровую обработку отсчётов.
Изложенная концепция построения, выражаемая предлагаемой ПМ, заложена во все разработки двух семейств унифицированных УЗ локаторов: медицинских диагностических устройств и дефектоскопов - конверсионной программы НИИТП Росавиакосмоса (см. рис. 3 и 4).
В составе модуля в качестве мультипроцессорного ЦСП используется ЦСП типа TMS320C6201, имеющий архитектуру класса с очень длинным командным словом (ОДКС), т.е. с параллелизмом на уровне команд. В качестве модуля с мультипроцессорным ЦСП и субблоком аналогового интерфейса использовано устройство типа ADP62PCI, разработанное и серийно изготавливаемое фирмой Инструментальные системы (Москва). Конструктивно это устройство вьшолнено в виде печатной платы, вставляемой в свободный слот ПК. Только появление на рьшке сверхбыстродействующих мультипроцессорных ЦСП класса TMS320C6xxx, ориентированных на конвейерную (потоковую) обработку данных, сделало возможным реализацию предлагаемой ПМ.
Использование предлагаемой ПМ позволило расширить функциональные возможности, улучшить параметры, унифицировать аппаратные и программные средства различных УЗ локаторов, сократить стоимость и сроки разработок при одновременном повьппении их качества.
:лянин/ИП Г В.В.Риман
Авторы:Л