淺談醫用X光機控制單元的設計

閻中青

摘 要：本文研究了醫用X光機中的控制單元的結構和工作原理，提出了處理器控制的設計方案。

關鍵詞：醫用x光機；控制單元；設計

醫學醫用X光機是醫療的先進設備，其中的控制單元為了便于進行臨床診斷，需要負責在設備的設計中對X射線圖像進行處理和分析，通過X射線圖像獲得準確的信息，是提高診斷技術水平的關鍵。醫用X光機的組成部分包括電氣部分和機械部分，其中電氣部分主要由X線成像單元、圖像處理和控制單元、存儲單元及圖像顯示單元組成。X光機圖像處理是一款高性能、高密度的FPGA芯片，它支持Nios1I嵌入式處理器，FPGA和NiosⅡ處理器的結合進一步完善了處理器、外設、存儲器和I/O接口的組合，使設計難度大大降低，提高了設計靈活度。目前，如何從X射線圖像獲得更多的信息，已經成為提高醫療設備診斷技術水平的一個新方向，也是醫學界研究與應用的熱點。

一、X光機控制單元設計內容

醫用X光機的中心部分是醫用設備的控制單元，它主要處理X線成像單元輸出的12bit、lkxlk、30幀/秒的數字視頻信號，設計的兩個主要模塊是圖像處理模塊和系統控制模塊，主要通過這兩個模塊來完成高質量的醫學視頻圖像信息。

圖像處理模塊：主要負責輸入的數字圖像的處理，包括圓消隱、陰影校正、遞歸濾波、自動增益控制AGC、邊緣增強、直方圖均衡、Gamma校正、圖像反轉等算法，圖像處理模塊是圖像處理和控制模塊的核心。

系統控制模塊：為了實現圖像處理和控制單元和設備的X線成像單元，改善控制圖像的主要功能，簡要處理模塊的操作模式，實現了存儲單元和顯示單元的聯用，以及PC機和狀態顯示燈等部分的連接和參數的傳遞，確保CPU對外部接口和存儲器等部分進行合理的控制。

二、醫用X光機的原理

隨著醫療技術的進步，醫用X光機在實際工作中的運用越來越廣泛，其主要組成部分包括電源、診斷床運動控制單元、高壓發生器、主操縱臺、高壓發生控制單元、診斷床、副操縱臺等等，這些模塊相互聯系，促進X光機的正常運行和工作。其工作的基本原理如下：在進行醫療診斷和治療的時候，通過運用X射線的穿透、差別吸收、感光、熒光作用，實現對病癥的診斷和治療。當射線穿透人體的時候，受到組織或器官等不同程度的吸收，在熒光屏或攝影膠片上顯示出不同密度的陰影。通過對陰影濃淡的對比分析，然后結合病人的臨床表現，化驗結果，病理診斷，對病人某部分是否發生病變進行判斷和分析。通過對比分析，不僅能夠判斷人體某部分功能是否正常，還能夠對出現的病癥進行判斷，有利于提高病癥判斷的準確性，從而為采取相應的措施治療病癥提供依據。

三、X光機控制的設計方案

（一）設計原理。多種圖像處理算法的流程，采用C語言確保NiosIICPU對外部DDRSDRAM的讀寫操作功能的順利進行，使用VHDL語言達到了易于操作的算法，并在QuartusII軟件工具中進行編譯、綜合和仿真，實現了圖像處理模塊。在NiosII開發板進行上下載和調試，對FPGA的硬件設計程序和軟件設計程序進行調整。

（二）設計方案

1.數字系統硬件的設計方法

一直以來，人們習慣性采用傳統的硬件設計方法來完成系統硬件的設計。設計方法是自下至上的具體操作步驟，從系統對硬件的要求來看，技術規格書和系統控制圖的設計都要首先完成系統控制流圖的簡單描畫；然后對系統重要的部分劃分功能模塊；接著就是進行各功能模塊電路設計，最后完成整個系統的硬件設計。而目前的設計是采用邏輯電路設計方法，對元器件各獨立功能模塊設計需要從選擇具體元器件開始。采用通用的邏輯元器件來構成所需要的邏輯電路，從而完成系統的硬件設計。隨著微處理器的出現，許多系統的硬件功能可以由軟件功能來實現，但這種選擇構成系統的通用的元器件中的硬件電路的方法并未得到根本性改變。后期進行的仿真和調試應該在系統硬件設計的.系統仿真器、邏輯分析儀和示波器等是仿真和調試的儀器，對系統設計時存在的問題會及時發現。通過傳統的硬件設計方法對系統進行設計，并完成調試，最終實現硬件設計。

2.嵌入式處理器硬件電路設計方法

利用硬件描述語言的硬件電路設計方法。利用VHDL語言設計系統硬件的方法，采用TopDown的設計方法，這種方法是逐步將設計內容細化，最后完成系統硬件的整體設計。

（1）設計優點

利用VHDL語言設計硬件電路的優點：這種設計具有可靠性，具有重復定義的邏輯功能。因此，現場可編程門陣列使數字電路系統的設計，縮短了系統研制的周期和數字電路系統的體積和所用芯片的種類。而且設計文件適合于組合等邏輯電路應用場合。設計技術齊全、方法靈活、支持廣泛VHDL語言可以支持自上至下的設計方法，VHDL語言標準、規范，易于共享和復用。

（2）設計方案，首先是行為描述，其次是RegisterTransferLevel的描述

最后是邏輯綜合。此后，將網絡表轉換成FPGA的編程碼點，利用FPGA完成硬件電路設計。接下來要進行行為層次仿真、RTL層次仿真和門級層次仿真，目的是便于早期發現設計中存在的問題，降低了硬件電路設計的難度。

3.采用FPGA設計ASIC電路設計

（1）優點

FPGA具有設計周期最短、開發費用最低、風險最小的優點，設計人員只通過相關的軟硬件環境就可以實現最終功能設計。不需要設計人員承擔投片風險和費用，主要功能就是更換不同的軟件FPGA的平均性能，使得醫療設備的邏輯容量大幅度提高。

（2）設計方案，具體方案

數字信號處理（DSP）塊可以提供專用乘法器、加法器、減法器、累加器和求和單元，每個DSP塊能支持不同的乘法器。能與用戶邏輯相結合，編程至AlteraFPGA中。NiosII處理器具有可變時鐘周期操作的定制指令。設計中應針對不同的性能范圍和系統成本選擇合適的內核，針對最少邏輯占用說明，優化平衡性能和尺寸進行優化流水線的嵌入式設計。NiosII處理器的外圍接口它可以用VerilogHDL和VHDL源代碼方式交付使用，參照外圍設備接口外圍設各接口說明，把用戶邏輯模塊連接至USOPCBuilder生成的系統中。DMA控制器與存儲器進行批量數據交換，減輕CPU的負擔。用戶通過用戶邏輯接口，創建自己的外圍設備，并通向導線傳送到NiosII處理器系統中。用戶還可以通過反復設計，輕松得出優化系統的最好方式。注意事項：1SOPCBuilder系統要選擇合適的CPU和外圍器件，并采用HDL設計文件進行，將配置文件下載到開發板上。系統軟件所需的具體軟件要編寫獨立于器件的C/c++程序；SOPC技術是一種特殊的嵌入式系統。具有靈活的設計方式，豐富足夠的片上可編程邏輯資源。

參考文獻：

[1]黃泉榮.醫療影像設備學[M]北京：人民衛生出版社，2001