基于PC的超声诊断仪显像以及控制系统设计
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摘 要
本文提出了一种眼科专用 A/B 型超声诊断仪的设计解决方案，基于 Atom
处理器 PC 平台，Linux 操作系统和 Qt 图形软件的设计方案。PC 平台可以嵌入
超声仪器，作为其核心控制平台。不仅可以保持其便携结构，而且可以方便地
满足信息化的需求。该方案具有以下特点：1.可对临床检查中由超声诊断仪获
得的波形、曲线、图像按照诊查要求对相关参数进行测量，计算和分析，并可
进行海量存储以及数据库管理；2.诊断仪图像采集模块被封装为专用 USB 设备
和PC 通信，系统配置更为灵活，具有更好可移植性和可维护性；
3.诊断仪可以
与互联网相连接，实现远程图像 DICOM 传输、远程会诊；4.利用 PC 的高速运
算能力实现软件 DSC 运算，从而大大简化数字电路的设计，提高整个系统的可
靠性；
5.丰富的影像处理和使用功能，可帮助提高医务人员的工作效率；
6.功耗
低，体积小，可以保持眼科专用超声诊断仪传统的便携式结构不变。
为了使 PC 端应用程序能够有效的与图像采集模块进行通信，在方案中定
义它们之间的通信协议。基于该协议和 Linux 操作系统，设计 USB 驱动程序，
完成数据通信。并基于 Qt 图形开发工具设计应用控制系统。该控制系统以用户
控制界面为核心，使用驱动程序与图像采集模块通信，并系统集成 A/B 型超声
图像采集控制、实时软件 DSC、超声图像显示、图像测量、文件存储、病例报
告打印、网络传输等应用功能，为超声诊断提供了更为方便有效的操作控制系
统。
关键字：眼科超声诊断仪 PC Linux 操作系统 USB 驱动程序
图像采集
ABSTRACT
This paper has introduced a solution of a Ultrasound A/B scanner for eyes. It based
on PC platform which is intergraded Atom processor, Linux operating system and Qt
graphics development tool to design the scanner. The PC platform is embedded into the
scanner, as its core controller platform. This solution can not only maintain its portable
structure, and can easily meet the information command. This solution has many
characteristics as following, 1.In clinical examination, by using scanner, we can get the
wave forms, curves, image and measurement result according to relevant parameters, in
advance the mass storage and database management are carried out;2.In the scanner
image acquisition module is packaged into a special USB device, then communicated
with PC. In this way scanner become more flexible, better portability and maintainbilty;
3.It can be connected to the Internet to realize image DICOM transmission and remote
consultation; 4.By using high-speed computing power of PC, the system can achieve
real-time software DSC operation. This characteristic can greatly help simplifies the
work of digital circuits and also improve the whole system’s reliability. 5. Because it
have a lot of image processing and other application function, can help improve the
efficiency of medical staff; 6. It power cost is lower, size is small so can maintain
portable scanner’s traditional structures.
To make the communication between PC and image acquisition module effectivly,
defines the communication protocol between them. Based on the protocol ，Linux
operating system to design USB driver which can complete the data transmission., and
based on Qt graphic development tools to design the scanner’s control system. The
control system used the designed USB driver to communicate with image acquisition
module. It is on the basis of graphical user interface, system integrators A/B mode
ultrasound image acquisition and control image acquisition module, real-time ultrasonic
image display and software DSC, image’s measurement, image file storage, case report
printing, network transmission. It provides a more convenient and effective operating
control system for Ultrasound scanner.
Key Words: Ultrasound Scanner For Eyes, PC, Linux Operating
System, USB Driver, Image Acquisition
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...............................................................................................................1
§1.1 选题背景和意义 .............................................................................................1
§1.2 课题研究内容和任务 .......................................................................................2
第二章 超声诊断仪系统构架 .......................................................................................3
§2.1 硬件构架 .........................................................................................................3
§2.1.1 硬件控制核心平台的选择 .....................................................................4
§2.1.2 Atom 处理器 ...........................................................................................4
§2.1.3 Atom 330 处理器特点 .............................................................................4
§2.2 D945GCLF2 简介 .......................................................................................... 5
§2.3 超图像采集模块 ...............................................................................................5
§2.3.1 超声图像采集模块与 PC 间的数据通信 ...............................................6
§2.4 系统应用程序开发软件平台 .........................................................................7
§2.4.1 Linux 操作系统 ....................................................................................... 8
§2.4.2 Qt 简介 .....................................................................................................9
§2.4.3 Qt 编码支持 .............................................................................................9
第三章 图像模块驱动设计与设备控制 .......................................................................11
§3.1USB 超声图像采集块 ..................................................................................... 11
§3.1.1 CY7C68013A 简介 .............................................................................11
§3.1.2 CY7C68013A 端点配置 ....................................................................... 13
§3.2 USB 设备与 USB 主机通信模型 .................................................................. 14
§3.3 USB2.0 数据通信主机端硬件、软件结构 ....................................................16
§3.3.1 主机控制驱动程序 ................................................................................17
§3.3.2 USBD ..................................................................................................... 17
§3.4 USB2.0 数据流通信的相关概念 ....................................................................18
§3.4.1 USB2.0 通信端点 ..................................................................................18
§3.4.2 USB2.0 通信管道 ..................................................................................19
§3.4.3 USB2.0 数据数据传输协议 ..................................................................19
§3.6USB 设备驱动程序简介 ..................................................................................21
§3.7 USB 设备驱动程序的实现 .............................................................................21
§3.7.1 USB 设备的内核注册管理 ...................................................................22
§3.7.2 USB 驱动程序与设备建立连接 ...........................................................23
§3.7.3 设备文件访问接口 ...............................................................................26
§3.8 图像数据传输协议 .........................................................................................27
§3.9 图像数据流 .....................................................................................................29
§3.10 用户空间图像数据获取 ................................................................................30
§3.11 图像采集显示速率实际结果 ........................................................................31
§3.12 实时控制图像采集模块 ................................................................................32
第四章 Linux 内核 Input 子系统 ..................................................................................35
§4.1 输入控制设备 ..................................................................................................35
§4.2 X Window system ............................................................................................ 36
§4.3 Linux Input subsystem ..................................................................................... 38
§4.4 专用键盘输入信息处理 ...............................................................................38
§4.5 键盘输入控制信息的获取与处理 ..........................................................39
第五章 系统用户应用程序设计 ...................................................................................43
§5.1 超声诊断仪的需求分析 .................................................................................43
§5.2 超声诊断仪控制系统设计 ..............................................................................44
§5.2.1 超声诊断仪控制系统建模 ....................................................................44
§5.2.2 超声诊断仪应用系统的软件结构 .......................................................45
§5.2.3 超声诊断仪应用系统的类图设计 .......................................................45
§5.3 实现细节 .........................................................................................................48
§5.3 1 B 模式 ....................................................................................................50
§5.3.1.1 B 型扫描控制 ..............................................................................50
§5.3.1.2 A+B 显示 ..................................................................................... 51
§5.3.1.3 B 型扫描图像测量 ......................................................................52
§5.3.1.4 B 图像保存 ..................................................................................55
§5.3.1.5 B 诊断报告管理与打印 ..............................................................57
§5.3 2A 模式自动测量眼球参数的实现 .........................................................60
§5.3 2.1 A 超测量简介 ..............................................................................60
§5.3 2.2 A 超自动测量控制 ......................................................................63
§5.3.3 IOL 模式人工晶体计算界面的实现 ....................................................64
§5.3.4 系统参数的设置 ...................................................................................67
第六章 结论与展望 .....................................................................................................68
附录一 系统用例分析图 ...............................................................................................70
参考文献 .........................................................................................................................72
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................74
致 谢 .............................................................................................................................75
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 选题背景和意义
超声成像是医学影像学的重要分支，因其方便、廉价、优越的软组织分辨能
力在临床具有广泛的应用，超声诊断仪也是医疗单位配备得最为普遍的影像设备。
目前使用的超声诊断设备极大多数都基于脉冲回波方法，而且都在某种程度
上实现了数字控制，但是由于检查对象、功能以及研发成型的时机的不同，不同
的超声诊断仪使用的计算机平台却有很大的差别。比如目前大量使用的便携式诊
断仪以及一些专用设备，为了节省成本，缩小体积和降低功耗，一般都使用了比
较简单的处理器，导致这些设备常常没有完善的和外界交换信息的能力，控制界
面比较简陋，功能单一。随着医院信息化程度的不断提高，这样的仪器越来越无
法满足需要。
近年来由于计算机和微电子技术的日新月异的进步，处理器开始向低功耗，
低成本，高性能的方向发展，小体积低功耗而功能强大的 PC 计算机平台不断出现，
如Intel Atom，PowerPC 等，这些先进的 PC 平台可以嵌入超声仪器，不仅可以保
持其便携结构，而且可以方便地满足信息化的需求。
本文提出了一种眼科专用 A/B 型超声诊断仪的设计解决方案，基于 Atom 处
理器 PC 平台，Linux 操作系统和 Qt 图形软件的设计方案，具有以下特点：
1. 可对临床检查中由超声诊断仪获得的波形、曲线、图像按照诊查要求对相
关参数进行测量，计算和分析，并可进行海量存储以及数据库管理；
2. 在诊断仪中图像采集模块被封装专用 USB 设备和 PC 通信，系统配置更为
灵活，具有更好可移植性和可维护性；
3. 诊断仪可以与互联网相连接，实现远程图像 DICOM 传输、远程会诊；
4. 利用其高速的运算能力实现软件 DSC 运算，从而大大简化数字电路的设
计，提高整个系统的可靠性；
5. 丰富的影像处理和使用功能，可帮助提高医务人员的工作效率；
6. 功耗低，体积小，可以保持眼科专用超声诊断仪传统的便携式结构不变。
基于 PC 的超声诊断仪显像与控制系统设计
2
§1.2 课题研究内容和任务
本课题主要完成的内容是，在 PC 平台上基于 Linux 操作系统，开发完成眼科
A/B 型超声诊断仪的图形控制系统。该系统实现了超声图像实时扫描显示以及控
制，电影回放，超声图像生物测量，超声图像的海量存储，图像打印等数字化处
理、DICOM 传输等应用功能。
本课题的任务包括以下几个部分：
1. 系统控制平台的搭建；
本课题使用基于 Intel Atom330 微处理器的开发平台，该平台通过 USB 接口将
超声图像采集模块的接入控制系统。在该开发平台上基于 Linux 操作系统开发应用
程序，完成整机控制。
2. 实现 Linux 下超声图像采集模块的驱动程序；
在课题中，图像采集模块，USB 控制器，Linux 平台下图像采集的 USB 设备
驱动程序组成一个信息传输转换的完整链路，完成图像数据在 PC 端的实时显示，
以及用户应用程序对扫描电路参数的实时控制。
3. 应用程序实现超声图像实时显示；
课题中每幅图像的数据量为 512*512*8bits，且由于临床上 B超图像采集帧率
大于或等于 10 帧/秒[1~2] ，所以图像数据的传输速率最少需达到
512*512*8*10
20Mbps。我们选用双缓冲机制[3]结合位图显示方法来完成图像显
示。
4. 专用输入设备的控制信息接入 Linux Input 子系统；
超声诊断仪使用专用键盘作为系统输入设备，该专用键盘通过 PS2 和UART
接入控制系统。Linux 操作系统中，由 Input Core 管理当前系统中所有的输入设备，
并将输入设备的控制信息提交给指定的 Handler。用户空间的应用程序通过该
Handler 与输入设备交互数据信息。
5. 超声诊断仪 GUI 控制系统设计；
本课题采用 Qt 图形软件开发工具设计人性化用户操作系统，该系统主要实现
超声图像的实时显示，扫描控制，图像召回，电影回放，A超测量，以及人工晶
体IOL 计算的图形操作接口。
设计完成的诊断仪不仅功能完善，而且使用便捷。可为临床诊断带来更高的
价值。
第二章 超声诊断仪系统构架
3
第二章 超声诊断仪系统构架
§2.1 硬件构架
整个超声诊断仪可以分为以下几个部分组成，如图 2-1 所示：
图2-1 超声诊断仪系统框图
超声诊断仪以 Atom 微处理器构架的 PC 主板作为系统核心控制平台，其集成
了各种标准的外设接口，通过这些接口将诊断仪系统中的各个组成部分接入控制
核心，通过上层软件集成控制。除 PC 外，系统还包含以下组成部分：
1. 图像数据输入设备，即超声图像采集模块。其通过 USB 接口接入控制系
统；
2. 用户控制信息输入设备：专用键盘。该键盘上集成了键盘，轨迹球，电位
器，编码器。这些输入信息分为两部分分别通过 PS2 接口和 RS232 接口接入控制
核心；
3. 数据输出设备：LCD 显示器,硬盘，打印机等。
在图像采集系统中，扫描电路控制探头扫描眼组织，得到的超声回波信号由
成像电路组织成 B超图像存入图像存储器，再通过 USB2.0 接口将图像数据上传至
PC，即系统控制核心，同时控制指令也通过 USB2.0 接口下传到图像采集系统。
PC 是仪器的控制核心，承担着图像显示，存储传输等任务。同时可完成对已保存
的图像进行离线处理，例如文件打印，召回再测量，以及 DICOM 传输等任务。
摘要：
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摘要本文提出了一种眼科专用A/B型超声诊断仪的设计解决方案，基于Atom处理器PC平台，Linux操作系统和Qt图形软件的设计方案。PC平台可以嵌入超声仪器，作为其核心控制平台。不仅可以保持其便携结构，而且可以方便地满足信息化的需求。该方案具有以下特点：1.可对临床检查中由超声诊断仪获得的波形、曲线、图像按照诊查要求对相关参数进行测量，计算和分析，并可进行海量存储以及数据库管理；2.诊断仪图像采集模块被封装为专用USB设备和PC通信，系统配置更为灵活，具有更好可移植性和可维护性；3.诊断仪可以与互联网相连接，实现远程图像DICOM传输、远程会诊；4.利用PC的高速运算能力实现软件DSC运算，从...
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