文摘
白癜风是相对常见的临床。这是一个获取和持久的皮肤和粘膜色素脱色疾病。作为一个非侵入性和非放射性治疗,高能超声波应用于白癜风的皮肤病。治疗取得了良好的临床结果。本文分析了白癜风的原始医学超声系统结构,发现系统的不足和缺失的组件。原设计方案的基础上,设计一个新的结构方案,解决了原系统的不足和缺失部分补充道。随后,根据实际应用需求和特定的组件性能,原理图设计,包括音频和视频输入、输出和存储,DDR3,以太网,和关键电路的设计,如电源模块,专门介绍。之后,在PCB设计,内容包括堆积、布局、路由和介绍了仿真的关键信号。设计包括探针激励信号生成模块,激励信号参数控制模块、高电压和温度监测模块,和相应的电源转换模块。本文主要是开发治疗白癜风皮肤病加热阵列系统基于成本和性能的原则。 This paper is based on the nonrigid registration algorithm of the FFD model and HPV interpolation and the nonrigid registration algorithm combining shape information and SIFT method. In the focused ultrasound treatment system, the image-guided positioning and monitoring functions are realized. Studies have shown that when the peak voltage of the transmitter circuit is 55 V, the sound power is 0.28 W. It can be seen that the transmitting circuit system designed in this article is a relatively stable and reliable system, which is suitable for the ultrasound treatment of vitiligo skin diseases.
1。介绍
高能超声治疗是开着的。通过一定的技术手段,产生的超声波在体外关注身体外的病变组织,和皮肤组织的白癜风患病的皮肤组织是准确地加热。由于病变组织在体外可以毁灭没有侵入性手段,感染的发病率,出血,和器官粘连将显著降低,身体所需的时间大大缩短病人接受治疗后的恢复。有一些并发症,它不会造成不利影响白癜风患者的生活质量。高能超声治疗白癜风皮肤病被认为是另一个新方法,可以有效地治疗白癜风皮肤疾病手术后化疗、介入治疗。
基于医疗疾病的超声治疗的研究,许多外国学者研究,取得了良好的效果。例如,Lotti等人提出了HIFU技术应用于手术。他们发现,在一个良好的深度区域选择计划,治疗超声波能产生良好的核心地带,可用于治疗并摧毁目标组织在不损害相邻正常组织(1]。卡塔琳娜州提议,在肿瘤治疗过程中,高强度超声波辐射疗法比低强度超声治疗更有效(2]。霍弗等人提出了一个方法,使用两个频率信号驱动数组元素来设计一个合理的治疗声场能量(3]。
我国相关研究的学者,讨厌等人提出使用生物焦区描述范围的凝结物的坏死组织和实施定量研究对应的声学焦点区进行理想的声场和是第一个采用JC;类型聚焦超声肿瘤治疗系统已成功用于治疗骨肿瘤、乳腺癌,肝肿瘤,等等,从而为HIFU治疗肿瘤(开一个先例4]。张等人设计和集成了电穿孔的超声电导治疗仪器,研究现代电离子透入疗法,超声空化技术。增强治疗仪器是基于8051单片机为核心控制元件,电穿孔模块和外部扩张,电导模块,超声波模块,电极异常检测模块、人机交互模块和身份证接口模块(5]。低强度脉冲超声波骨折愈合处理系统由广域网等人可以灵活地调整每个参数的处理和也有数据网络管理。与现有产品相比,使用更方便,成本更低,更安全。它有一个广泛的功能(6]。
本文基于FFD模型和非刚性的注册算法HPV插值和非刚性的注册算法结合形状信息和筛选方法,分别应用于白癜风皮肤病超声波处理系统实现图像引导定位和监控功能。结合软件工具包VTK和OpenGL等,开发三个视图和其他人机交互接口和执行目标区域的三维表面重建治疗,并建立一个定位和监控软件系统。通过临床实验真实数据,定位的可行性在临床治疗和监测功能模块测试。
2。加热处理系统的设计和研究基于医学超声白癜风皮肤病
2.1。软件架构和硬件设计研究超声波白癜风皮肤病的加热处理系统
2.1.1。高强度超声治疗系统的硬件部分
(1)发射板硬件设计。发射板主要由FPGA,两个更快,以及FPGA外部配置FLASH,发射电路和连接器。同时,配置电源电路、时钟电路、USB接口电路发射机板电路的正常运行。整个传输电路可以通过主机计算机软件控制,以控制中心频率,脉冲重复频率,传输波形的脉冲数,等等(7,8]。
(2)启动电源模块。这个模块的电源模块使用一个电源转换芯片实现各种电压转换。发射电路,直流电压使用的主芯片EP4CE40F23C6N 1.2 V, 2.5 V和3.3 V, FLASH和SDRAM芯片使用的电压为2.5 V和3.3 V。的直流电压MOSFET驱动电路是11 V。使用的电压温度传感器LM75和缓冲区转换电路是3.3 V。TC6320激发高压使用外部直流电源供电。整个电源模块是由外部直流电源。硬件FPGA设计在实践中,保留积极的和消极的高压控制,可实现积极的和消极的控制高电压。
(3)电路FPGA配置。为了更好地调试FPGA设计方案传输电路板,采用FPGA程序下载的两种基本方法:一个是JTAG在线配置方法,另一个是活跃的配置方法。JTAG是一个国际标准测试协议,它主要用于芯片内部仿真和调试。标准JATG有四个连接端口,即经颅磁刺激(测试模式选择),TCK(测试时钟),TDI(测试数据输入),TDO(测试数据输出)。在传输电路板,JTAG接口采用10-pin接口标准。
(4)控制板的硬件设计。控制板主要实现的功能控制整个系统的一部分。控制板包括一个一样的发射机的FPGA板,内部,外部FLASH FPGA配置。同时,电源电路、时钟电路、USB接口电路控制板电路的配置实现整个系统的控制部分。
2.1.2。软件需求分析和程序设计
(1)实时数据显示需求的分析和设计进行治疗。为了更好地观察治疗状态,应用程序必须能够提供实时动态数据在治疗期间,如治疗时间和剩余时间,责任周期,声音强度,脉冲重复率,每个治疗时间和治疗周期数据,以便医生或患者白癜风可以更好地掌握治疗的过程。
(2)数据存储和查询功能的分析和设计的要求。白癜风的治疗是一个长期的过程,不可能只有一个治疗。因此,白癜风患者的信息和治疗计划的“处方”或定制治疗方案必须保持完全9,10]。每次治疗结束后,接下来的治疗可以继续过去的治疗时间,治疗,和其他数据。
(3)系统管理业务分析和用户界面设计。为了促进功能模块的划分,其他功能都是放置在系统管理界面。有四个主要功能在系统管理:白癜风患者信息管理,蓝牙设置,密码修改,和语言的选择。其中,白癜风患者信息管理是用于管理本地数据库中的数据。页面设置为删除白癜风患者信息,导出白癜风患者信息,和过滤白癜风患者信息的显示功能根据不同的时间和状态。导出数据是指输出选择的白癜风患者信息U盘。文件保存在一个Excel表的形式。在导出数据之前,确保设备支持OTG功能。OTG主要用于各种设备之间的数据通信。
2.2。PCB设计和实现
2.2.1。选择PCB层压板
PCB设计首先需要考虑叠层结构的选择。良好的层压结构可以大大提高董事会的电磁兼容性和信号完整性和提高系统的性能。在叠层设计,以下规则通常满足:(1)印刷电路板的主电源需要靠近地平面,这是有利于缩短自动返回路径,减少功率损耗,减少电磁干扰(11,12](2)高速信号层必须接近平面层,最好地平面层,也可以缩短返回路径,减少信号衰减,屏蔽效应(3)需要彼此对称叠层设计,以避免扭曲和变形的PCB板(4)不能直接相邻信号层;否则,很容易造成串扰和电路功能失败原因(5)重要的信号线路需要路由的内层,最好是两个地面层包围
咨询一些常见的叠层设计知识,考虑到本文的实际应用需求,为了充分满足电磁兼容性和信号完整性的录像机医学超声设备,本文使用了一个ten-layer PCB层压结构,以避免上述错误的音频和视频信息由于免疫等因素和灵敏度也提供一个保证后续的布局。
2.2.2。PCB布局
设备布局的PCB设计是一个关键的步骤。合理布局不仅可以使董事会视觉上美观,而且提高产品的电磁兼容性水平,也为后续布线提供便利。在布局时,你需要考虑相应的每个模块的功能和相应的关系,以及热量分布等因素,敏感和不敏感设备,I / O接口,时钟电路,复位电路(13,14]。总之,总体布局需要遵守以下原则:(1)列出每个模块的位置根据电路中信号流向,确保信号方向是一致的,而且,在同一时间,它可以促进信号流。(2)制定核心组件,组件应均匀,整齐,紧凑的PCB和领先的组件之间的连接应尽可能缩短。(3)高频组件之间尽量减少铅的长度,减少它们之间的电磁干扰。易受干扰的设备应远离彼此,和输入和输出组件应该尽可能地分开。(4)对于一些高频的痕迹,您需要考虑避免它们之间相互耦合在布局。(5)有一个大潜在的一些组件和电线的区别。增加它们之间的距离,以避免危险的放电等现象,这可能会导致电路烧坏。(6)将组件尽可能在一个方向上,这样焊接方便,容易产生。(7)接口的董事会,考虑他们的距离从侧面突出董事会和适应相应的机箱面板的位置。
2.2.3。PCB仿真
在这篇文章中,快速的仿真软件,使用带有节奏的工具,它可以执行SI和π(电源完整性)模拟。只有一些重要信号模拟来为以下线路[铺平道路15,16]。
2.3。基于FFD非刚性的注册算法模型
2.3.1。变形模型
没有模拟步骤在传统的PCB设计,也使得设计很难一次成功,还有或多或少在产品质量和性能问题。高速电路的不断发展,为了保证设计产品的质量,对模拟操作的需求变得越来越高。仿真操作之前执行连接,或者它更方便,以后当布线。FFD模型基于b样条的自由变形方法,它使用b样条基函数的自由变形。为了定义一个基于b样条的FFD模型,假设有三维体积数据V= {(x,y,z)| 0≤x≤X,0≤y≤Y,0≤z≤Z},Φ表达的一组网格控制点 ,控制点的数量nx×纽约×新西兰,它们在三个方向的间距 , ,和 。然后,FFD模型可以写成一个立方的三维张量积b样17,18]:
其中,
b样条基函数的
控制点Φ实际上FFD模型的参数基于b样条,所以控制点网格的分辨率也决定了这个模型的非刚性变形的复杂性(19,20.]。密集的网格控制点,模型越复杂,就越能更好描述目标的局部变形。然而,随着控制点数量的增加,计算复杂度也会大大增加。
2.3.2。测量标准
互信息通常是用于描述两个系统之间的相关性或数量的信息包含在一个系统在另一个系统,通常是由熵。假设有两个图像注册,参考图像和浮动图像,像素灰度值可以看作是两个随机变量一个和B,所以两者之间的互信息可以表示为
其中,H(一个),H(B)边缘熵变量一个和B分别H(一个,B)是他们的联合熵,H(一个|B),H(B|一个)条件熵。他们可以通过以下公式计算:
在这里,PA (一个)和PB (b变量的边际概率分布一个和B分别和帕布(一个,b)是他们的联合概率分布。所以,有
登记使用互信息的方法是基于以下假设:当两个图片是完全一致的,它们包含的信息总量应该最大的;也就是说,互信息最大。从上面的公式可以看出,互信息最大化和最小化联合熵本质上是相同的。然而,互信息优势超过联合熵,前者包含更多信息(21,22]。
一般来说,客观实际对象的变形并不是任意的。适当的约束可以对变形场。这些约束可以更逼真地模拟变形的器官。为了使变形B-spline-based FFD模型有良好的平滑度,我们使用一个平滑约束变形约束项,如下: 在哪里V目标区域的体积是注册。互信息和平滑约束的组合形式的整个非刚性的配准算法的代价函数:
在这里,ω(0≤ω< 1)加权系数,平衡这两个术语的公式在注册过程中。
2.3.3。优化方法
图像配准过程本质上是一个寻找最优参数的过程。为了找到最好的参数Φ,优化方法需要用于最小化代价函数E,即
本文采用一种简单的最陡梯度下降迭代法,沿梯度方向搜索全局最优的成本函数与一个固定的步长μ。算法的迭代终止条件
在这里,ε是一个小的正数。这种优化方法需要计算成本函数的梯度EΦ模型参数,往往很难直接得到梯度互信息的分析公式。假设的重叠区域的联合直方图浮动图像F和参考图像RH= {},这两个图像的像素灰度值{f},{r}(23,24]。然后,互信息的计算公式可以写成
在这里, , ,和 。然后,互信息梯度的MI相对于基于b样条FFDΦ模型参数
根据HPV插值算法的原理,hfr可以写成 在哪里δ(x,y)是单位脉冲响应函数。的权重系数是一个连续函数的意义 ,和点也是一个连续函数的参数 ,因此,柱状图是一个连续函数的 ,和梯度 有以下解析公式:
和 有
固定步长μ迭代的梯度下降法是一个重要因素。当它太大,极端点可以跳过,和目标函数极点附近振荡;当它太小,搜索速度会慢,登记需要太多时间(25]。通常,在工程实践中,妥协是根据经验值选择。
3所示。实验设计的加热处理系统基于医学超声白癜风皮肤病
3.1。准备模拟
当使用快速的仿真软件,有些参数需要配置做出最后的仿真结果真实可信。让我们先给一个大概的介绍每一个步骤。
3.1.1。设置叠加参数
分析了堆栈设置在前一篇文章中,和特定的堆栈结构已经确定。在仿真过程中,确定需要在仿真软件中设置堆栈结构,确保线路模型的准确性。
3.1.2。设置电网参数
模拟过程中,每一个电力网络的网络名称是没有定义的,也就是说,没有电压设置操作。执行仿真操作时,必须确定的直流电压被添加到网络。因此,这些电网参数需要设置前的模拟。这个模拟主要设置直流电源网络。(1)设定的电压值VCC_12V 12 V供电网络(2)设定的电压值VCC_5V 5 V电源网络(3)设定的电压值VCC_1V_AVS和VCC_1V网络1 V(4)设置VCC_3V3网络的电压值为3.3 V
3.2。视频捕捉信号仿真
在这篇文章中,视频图像捕获信号的高速信号的董事会,在董事会及其布局尤为重要。为了确保图像质量和满足电磁兼容的要求和信号完整性,需要模拟信号。视频采集信号主要包括三个数据信号和一个时钟信号。他们都是通过对tmd微分信号。因此,通过模拟的微分信号,可以获得更精确的仿真结果,也为下面的连接提供了帮助。在这个操作中,一个数据信号TMDS_D2选定为模拟。剩下的双微分信号的仿真操作很相似,所以我就不重复了。
3.3。PCB布局
整个PCB设计中最复杂的是,跟踪的质量决定了信号的质量,特别是对高速信号线路;应完全满足信号完整性和电磁兼容性;和一个好的嵌入式相关产品必须完全符合这些标准。也有许多常用的线路指南。具体的实现标准如下:(1)尽量避免长途并联的输入和输出线(微分电线除外)。如果密度需求限制,必须采用3 W原理。(2)布线的角落,135°钝角或arc-angle布线通常使用。直角和锐角连接可能会导致尖锐的排放,增加电容性负载,和阻抗不连续性;单端或差分线的阻抗连续性时,必须确保连接,和适当的终端必须减少反射。此外,对于微分线路,两条线的间距和长度必须相同,以避免过度的共模干扰。(3)信号层应该使用尽可能地平面作为参考面。如果两个相邻层布线,两层必须垂直连接。(4)等不同的信号,数字信号和模拟信号,高速信号,和低速信号,路线他们尽可能远,或者路线通过不同的信号层之间,以避免干扰信号。
3.4。声功率测试结果
在这个实验室中,数组元素是用于测试。通过这个描述,得出相关的声功率主要反映的责任周期波形和输出电压。我们主要使用这两个参数来进行。
4所示。加热处理系统的实验研究和分析基于医学超声白癜风皮肤病
4.1。视频捕捉信号仿真
在本文中,通过设置激发态定制和激励类型同步励磁和根据ADV7611芯片的工作频率,开关频率设置为165 MHz,和它的输出模式状态是在1010年,以完整的输入端激励的设置。得到仿真图形输出和分析。TMDS_D2之前的仿真结果如表所示1。
如图1,获得的图形仿真可以看作是由于信号反射,共模干扰,和其他原因,图形的接收端ADV7611芯片有一定量的抖动,过度,脱靶,可能会导致信号失真或错误触发。为了解决这些可能出现的问题,终止或终止来源通常是用来减少反射。
源的微分信号,也就是说,输入端,与系列终止经营的阻力。根据许多实验,该系列终止的影响结束是最好的来源。差分信号行基本上运行在信号的内层,这可以减少信号损失和外部干扰。postsimulation图形如表所示2。
如图2通过实际的拓扑,可以看出源差分信号,也就是说,输入端,一系列抗终止操作。根据多次实验验证,源端系列终止效果最好的源端系列终端电阻,电阻值是55Ω,约等于的单端信号的电阻值,从而减少反射。信号线在Sig1层和微分长度差异对确保小于±8毫升。通过以上措施,流畅的仿真结果也证明上面的布线方法满足设计要求。
4.2。DDR3仿真
本文首先DDR接口的连接A0别针DDR0 DM的四个DDR3芯片来完成一个地址线的连接。关于其他DDR1 DDR接口,其布局结构对称DDR0和连接方法也是一致的,所以这里不做过多介绍。通过提取的拓扑DDR0_A0信号,得到了仿真结果,如表所示3。
如图3的仿真波形结果四个DDR3芯片被用作DM8168激发后的接收端。可以看出波形有少量的响,这是由于通过和短的存根。但通过实际测量,高水平稳定在1.243 V,峰值电压是1.3 V,所以过冲电压可以通过计算得到(1.3 - -1.042)/ 1.014 V,这可以满足过度不超过90%的要求。此外,根据芯片手册MT41J128M8JP DDR3芯片,它还要求输入高和低水平的阈值电压。高水平的最小电压不小于0.83 V,和低水平的最大电压不高于0.55 V。确保信号高级和低级工作状态,不会有失真或假触发现象和仿真结果也满足工作需求,所以DDR3信号可以完成数据交换,程序操作,和其他任务,在不影响设计。
4.3。特性阻抗控制
对于高速电路的设计,这是非常重要的控制特性阻抗在布线,特别是对高速信号线路。在这个设计中,极地Si软件工具是用来计算高信号线路的特性阻抗。通过调整线宽、线间距,相应的高速信号的特性阻抗线满足既定要求,哪个更有利于信号完整性,确保信号质量。关于类型的信号,本文需要阻抗控制,见表4获取详细信息。
我们可以看到在桌子上4,在这篇文章中,叠层结构已经确定。根据需要计算信号的阻抗线的位置,选择相应的计算模型,然后填入介电常数、介质厚度、厚度和连接在相应的位置。你可以开始计算。根据计算结果,不断调整线宽、线间距值,最后计算结果满足表中显示的特性阻抗控制要求,和相应的线宽、线间距值在这个值可以设置到PCB布线约束。
4.4。声功率测试结果
在这个实验室中,数组元素是用于测试,并发现相关的声功率主要反映的责任周期波形和输出电压。在实验中,我们主要开展这三个参数在表5。
如图4在电压变化的过程中,我们也可以看到,声功率的变化。9 V电压峰值时最低,声功率为0.03 W,当电压峰值最大55 V,声功率为0.28 W。从结果图可以看出,声功率正比于输出电压的峰值。简而言之,传输电路系统是一个相对稳定的和可靠的系统,适用于超声波治疗的需要。
4.5。系统测试
通过改变传输波形文件的中心频率和脉冲的数量,可以实现不同类型的传输来满足不同需求的调查。测试结果如表所示6。
如图5从实际的波形可以看出,整个系统可以支持传输频率范围从1米到6米。对于治疗超声,带宽相对充足。此外,整个发射波形是稳定的,可以激发数组元素。同时,通道延时测试。上电脑设置通道的延迟1到5.75μ年代和通道的延迟2 - 11所示μ年代。
此外,使用示波器使用双通道波形文件,使用的内部触发发射系统,最终结果如表所示7。
如图6,在实际的测试中,通道1的延迟是5.73μ年代,通道2的延迟是12.23μ年代。为了达到预期的实验结果,可以准确地实现每个通道的延迟,并验证整个系统具有良好的触发输出,保证信号的同步。
4.6。合成数据的实验分析
为了进一步定量评价非刚性的注册算法,我们使用互相关系数(CC)的重叠面积和均方根(RMS,单位:毫米)登记结果Tq和真实结果之间的Tr的测量指标。实验结果如表所示8。
图7显示了非刚性的注册五个数据集的结果使用PV和HPV插值算法。可以看出,HPV的CC值插值方法是大于光伏的方法,但是RMS值是相反的,这表明,HPV插值算法可以有效地抑制局部极值。
5。结论
本文使用一些冗余的设计,包括预订一个串行端口和两个USB端口,两个外部显示设备标识信息存储方法,和两个存储方法存储音频和视频信息。产品的应用提供了更多的选择和在特定条件下可以切换功能。当然,也有一些缺点在设计。例如,董事会总体规模相对较大。您可以考虑选择一个模型更高的内存容量的单片DDR3芯片的选择,并且没有测试在实际的应用程序。它在未来需要改进。
本文改进了多通道非刚性的注册算法基于自由变形模型使用传统的插值分手方法:多通道非刚性的注册算法提出了基于HPV插值法,使登记成本函数相对分析自由形变模型参数的梯度计算公式。本文提出的新算法应用于聚焦超声治疗系统,实现计算机辅助定位和监控基于非刚性的配准技术。聚焦超声治疗设备平台上由我们实验室开发人机交互界面等三个观点和治疗目标区域的三维表面重建是在同一时间,和一个图像引导定位的软件系统和监控。
针对需求的音频和视频信息的实时传输和存储所产生的医疗设备,提出了一种基于DM8168医学超声录像机,它收集医疗设备生成的音频和视频信号,实现实时传输和监控,并迅速执行信息存储,从而避免传输速度慢的问题,不清楚图片和早期医疗信息记录设备的大错误。主处理器DM8168强大的图像处理功能,可以完成视频编码和解码操作的同时,提供高分辨率的图像。同时,它提供了大量的外围接口以满足各种功能需求。此外,处理器和内存资源都有一个设计余量,也准备后续的升级。
数据可用性
在这项研究中给出的数据的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。