浅谈医用X光机控制单元的设计

阎中青

摘 要：本文研究了医用X光机中的控制单元的结构和工作原理，提出了处理器控制的设计方案。

关键词：医用x光机；控制单元；设计

医学医用X光机是医疗的先进设备，其中的控制单元为了便于进行临床诊断，需要负责在设备的设计中对X射线图像进行处理和分析，通过X射线图像获得准确的信息，是提高诊断技术水平的关键。医用X光机的组成部分包括电气部分和机械部分，其中电气部分主要由X线成像单元、图像处理和控制单元、存储单元及图像显示单元组成。X光机图像处理是一款高性能、高密度的FPGA芯片，它支持Nios1I嵌入式处理器，FPGA和NiosⅡ处理器的结合进一步完善了处理器、外设、存储器和I/O接口的组合，使设计难度大大降低，提高了设计灵活度。目前，如何从X射线图像获得更多的信息，已经成为提高医疗设备诊断技术水平的一个新方向，也是医学界研究与应用的热点。

一、X光机控制单元设计内容

医用X光机的中心部分是医用设备的控制单元，它主要处理X线成像单元输出的12bit、lkxlk、30帧/秒的数字视频信号，设计的两个主要模块是图像处理模块和系统控制模块，主要通过这两个模块来完成高质量的医学视频图像信息。

图像处理模块：主要负责输入的数字图像的处理，包括圆消隐、阴影校正、递归滤波、自动增益控制AGC、边缘增强、直方图均衡、Gamma校正、图像反转等算法，图像处理模块是图像处理和控制模块的核心。

系统控制模块：为了实现图像处理和控制单元和设备的X线成像单元，改善控制图像的主要功能，简要处理模块的操作模式，实现了存储单元和显示单元的联用，以及PC机和状态显示灯等部分的连接和参数的传递，确保CPU对外部接口和存储器等部分进行合理的控制。

二、医用X光机的原理

随着医疗技术的进步，医用X光机在实际工作中的运用越来越广泛，其主要组成部分包括电源、诊断床运动控制单元、高压发生器、主操纵台、高压发生控制单元、诊断床、副操纵台等等，这些模块相互联系，促进X光机的正常运行和工作。其工作的基本原理如下：在进行医疗诊断和治疗的时候，通过运用X射线的穿透、差别吸收、感光、荧光作用，实现对病症的诊断和治疗。当射线穿透人体的时候，受到组织或器官等不同程度的吸收，在荧光屏或摄影胶片上显示出不同密度的阴影。通过对阴影浓淡的对比分析，然后结合病人的临床表现，化验结果，病理诊断，对病人某部分是否发生病变进行判断和分析。通过对比分析，不仅能够判断人体某部分功能是否正常，还能够对出现的病症进行判断，有利于提高病症判断的准确性，从而为采取相应的措施治疗病症提供依据。

三、X光机控制的设计方案

（一）设计原理。多种图像处理算法的流程，采用C语言确保NiosIICPU对外部DDRSDRAM的读写操作功能的顺利进行，使用VHDL语言达到了易于操作的算法，并在QuartusII软件工具中进行编译、综合和仿真，实现了图像处理模块。在NiosII开发板进行上下载和调试，对FPGA的硬件设计程序和软件设计程序进行调整。

（二）设计方案

1.数字系统硬件的设计方法

一直以来，人们习惯性采用传统的硬件设计方法来完成系统硬件的设计。设计方法是自下至上的具体操作步骤，从系统对硬件的要求来看，技术规格书和系统控制图的设计都要首先完成系统控制流图的简单描画；然后对系统重要的部分划分功能模块；接着就是进行各功能模块电路设计，最后完成整个系统的硬件设计。而目前的设计是采用逻辑电路设计方法，对元器件各独立功能模块设计需要从选择具体元器件开始。采用通用的逻辑元器件来构成所需要的逻辑电路，从而完成系统的硬件设计。随着微处理器的出现，许多系统的硬件功能可以由软件功能来实现，但这种选择构成系统的通用的元器件中的硬件电路的方法并未得到根本性改变。后期进行的仿真和调试应该在系统硬件设计的.系统仿真器、逻辑分析仪和示波器等是仿真和调试的仪器，对系统设计时存在的问题会及时发现。通过传统的硬件设计方法对系统进行设计，并完成调试，最终实现硬件设计。

2.嵌入式处理器硬件电路设计方法

利用硬件描述语言的硬件电路设计方法。利用VHDL语言设计系统硬件的方法，采用TopDown的设计方法，这种方法是逐步将设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。

（1）设计优点

利用VHDL语言设计硬件电路的优点：这种设计具有可靠性，具有重复定义的逻辑功能。因此，现场可编程门阵列使数字电路系统的设计，缩短了系统研制的周期和数字电路系统的体积和所用芯片的种类。而且设计文件适合于组合等逻辑电路应用场合。设计技术齐全、方法灵活、支持广泛VHDL语言可以支持自上至下的设计方法，VHDL语言标准、规范，易于共享和复用。

（2）设计方案，首先是行为描述，其次是RegisterTransferLevel的描述

最后是逻辑综合。此后，将网络表转换成FPGA的编程码点，利用FPGA完成硬件电路设计。接下来要进行行为层次仿真、RTL层次仿真和门级层次仿真，目的是便于早期发现设计中存在的问题，降低了硬件电路设计的难度。

3.采用FPGA设计ASIC电路设计

（1）优点

FPGA具有设计周期最短、开发费用最低、风险最小的优点，设计人员只通过相关的软硬件环境就可以实现最终功能设计。不需要设计人员承担投片风险和费用，主要功能就是更换不同的软件FPGA的平均性能，使得医疗设备的逻辑容量大幅度提高。

（2）设计方案，具体方案

数字信号处理（DSP）块可以提供专用乘法器、加法器、减法器、累加器和求和单元，每个DSP块能支持不同的乘法器。能与用户逻辑相结合，编程至AlteraFPGA中。NiosII处理器具有可变时钟周期操作的定制指令。设计中应针对不同的性能范围和系统成本选择合适的内核，针对最少逻辑占用说明，优化平衡性能和尺寸进行优化流水线的嵌入式设计。NiosII处理器的外围接口它可以用VerilogHDL和VHDL源代码方式交付使用，参照外围设备接口外围设各接口說明，把用户逻辑模块连接至USOPCBuilder生成的系统中。DMA控制器与存储器进行批量数据交换，减轻CPU的负担。用户通过用户逻辑接口，创建自己的外围设备，并通向导线传送到NiosII处理器系统中。用户还可以通过反复设计，轻松得出优化系统的最好方式。注意事项：1SOPCBuilder系统要选择合适的CPU和外围器件，并采用HDL设计文件进行，将配置文件下载到开发板上。系统软件所需的具体软件要编写独立于器件的C/c++程序；SOPC技术是一种特殊的嵌入式系统。具有灵活的设计方式，丰富足够的片上可编程逻辑资源。

参考文献：

[1]黄泉荣.医疗影像设备学[M]北京：人民卫生出版社，2001