53

5. Budowa skanera USG.

Typowy aparat USG przedstawiono na poniższym rysunku.

5

Rys 5-1.

Widok zewnętrzny typowego aparatu USG.

W aparacie można wyróżnić kilka charakterystycznych bloków funkcjonalnych:

1.

Monitor (B/W, COLOR)

– w prostszych i tańszych aparatach czarno-biały, w

bardziej rozbudowanych, wyposażonych w prezentację CFM i angiografię

USG kolorowy. Niektóre modele wyposażane są w dwa monitory, czarno-biały

do prezentacji obrazów

B, M i Doppler

oraz kolorowy do prezentacji obrazów

CFM i Angio

Wobec ciągłej poprawy jakości monitorów kolorowych

rozwiązanie dwumonitorowe zanika.

2.

Klawiatura (KBiF)

– najczęściej składa się z kilku wydzielonych pól -

przycisków i regulatorów funkcyjnych, bezpośrednio sterujących parametrami

zobrazowania, pola zawierającego klawiaturę alfanumeryczną oraz pola

zawierającego klawiaturę programowalną, umieszczoną w taki sposób, aby

można było powiązać jednoznacznie przyciski i regulatory z tego pola z ich

opisami wyświetlanymi na monitorze. Aby ułatwić pracę operatora, w polu

regulatorów funkcyjnych stosuje się podświetlanie regulatorów według klucza:

•

Brak podświetlenia – funkcja sterowana tym regulatorem nieaktywna i jej

uaktywnienie w zadeklarowanym trybie pracy niemożliwe.

•

Półpodświetlenie – funkcja nieaktywna, ale można ją wywołać.

•

Pełna jaskrawość – funkcja aktywna.

3.

Analogowy procesor sygnałowy

– składa się z kilku modułów

elektronicznych współpracujących bezpośrednio z głowicami USG i

przetwarzających analogowy sygnał z głowic. Pierwszy z modułów tego

procesora, interfejs głowic, zawiera gniazda głowic – od dwóch do czterech

gniazd po 250 kontaktów każde. Pozostałe operacje wykonywane w

1

2

3

4

5

6

7

54

procesorze analogowym to ogniskowanie wiązki przy nadawaniu I odbiorze

oraz przetwarzanie analogowo-cyfrowe.

4.

Cyfrowy procesor sygnałowy

– składa się z kilku lub kilkunastu modułów

elektronicznych realizujących wszystkie operacje cyfrowe, od cyfrowej obróbki

obrazu USG po wszelkie funkcje sterujące. We współczesnych aparatach

cyfrowy procesor sygnałowy często budowany jest zgodnie z wymaganiami

standardu VME.

5.

Transformator Izolacyjny i zasilacz

– transformator izolacyjny gwarantuje

spełnienie wymagań norm bezpieczeństwa sprzętu medycznego w zakresie

prądu upływu. W starszych aparatach, w których transformator izolacyjny

pracuje na częstotliwości sieci 50Hz, jest to element o pokaźnej masie, około

30kg. Musi dostarczyć w sposób ciągły mocy przekraczającej 1kW. W nowych

aparatach, pracujących z przetwarzaniem częstotliwości, masa transformatora

izolacyjnego i zasilaczy nie przekracza kilku kg.

Skaner USG wyposażony jest często w dodatkowe urządzenia służące do

tworzenia dokumentacji obrazowej. Najpopularniejszym standardem służącym do

tworzenia takiej dokumentacji obrazowej jest standard zespolonego sygnału

wizyjnego PAL lub NTSC. Toteż najpopularniejszym urządzeniem do rejestracji i

odtwarzania obrazów USG jest ciągle wideomagnetofon (

6

). Rejestracja i

odtwarzanie obrazu wideo narzuca konieczność umieszczenia w obrazie pełnego

opisu parametrów zobrazowania. Po odtworzeniu obrazu można na podstawie

tego opisu ustawić aparat dokładnie w takim samym trybie pracy i uruchomić

procedury pomiarowe i automatyczne funkcje diagnostyczne.

Bardzo popularnym urządzeniem do rejestracji obrazów jest „wideoprinter” (

7

),

czyli czarno-biała drukarka termiczna, wyposażona w pamięć jednego obrazu i

układy synchronizacji, pozwalające na zapamiętanie pełnego obrazu o

standardzie TV, z międzyliniowością lub bez.

Wideoprinter (7) i wideomagnetofon (6) umieszczono na rysunku aparatu

USG.

Mniej popularnym urządzeniem, dającym jednak obrazy o znacznie wyższej

jakości jest multiformat kamera – urządzenie pozwalające na wyświetlenie na

jednostronnej błonie rentgenowskiej do sześciu obrazów TV obok siebie.

Nowe aparaty wyposażane są w komputerowe urządzenia dokumentacji

obrazowej – dyski magnetooptyczne, nagrywarki CD-ROM a przede wszystkim w

interfejs DIACOM umożliwiający podłączenie profesjonalnych urządzeń

dokumentujących. Dają dokumentację obrazową najwyższej jakości, jednakże na

przeszkodzie do ich upowszechnienia stoi dość wysoka cena.

W skład poszczególnych bloków funkcjonalnych wchodzą następujące

moduły:

2

. Klawiatura:

2.1 – Interfejs trackball’a

2.2 – Potencjometry TGC – krzywa wzmocnienia toru USG.

2.3 – Interfejs klawiatury

2.4 – Rejestry i sterowniki LED.

2.5 - Kodery, dekodery i interfejs zewnętrzny klawiatury.

3.

Analogowy procesor sygnałowy:

3.1 – PBS (Probe selector) Przełącznik głowic i kryształów w głowicach

3.2 – CONT(Transmit control) Blok sterujący ogniskowaniem przy nadawaniu.

3.3 – MUX (Multiplexer) Przełącznik sygnałów z poszczególnych kryształów.

55

3.4 – SDEL (Short delay) Linia opóźniająca.

3.5 – LDEL (Long delay) Linia opóźniająca.

Moduły 3.3, 3.4 i 3.5 realizują ogniskowanie wiązki przy odbiorze.

4.

Cyfrowy procesor sygnałowy:

4.1 – BUFM Przetwornik ADC , pamięć buforowa (r, ) i interpolator.

4.2 – FRMM Pamięć obrazu (X,Y), układy uśredniania.

4.3 – DISP Post procesing, grafika, przetwornik DAC, sygnał wizyjny cz – b.

4.4 – CW Doppler z falą ciągłą.

4.5 – PW Doppler impulsowy.

4.6 – FFT Przetwornik ADC , moduł FFT, przetwornik DAC.

4.7 – MCPU Komputer główny, komunikujący się z operatorem – master.

4.8 – CCPU Komputer sterujący modułami – slave.

4.9 – MTI Filtr korelacyjny - Identyfikator struktur ruchomych w obrazie.

4.10 - VELO Kalkulator prędkości przepływu.

4.11 – VARI Kalkulator wariancji rozkładu prędkości przepływu.

4.12 – CBUFM Pamięć buforowa obrazu kolorowego.

4.13 – CFRMM Pamięć (X,Y) obrazu kolorowego.

4.14 – CDISP Post proc, grafika, kodery RGB, przetworniki DAC, sygnał kolor

4.15 – MM Pamięć dodatkowa cz-b, np. do animacji ciągu obrazów.

4.16 – CMM Pamięć dodatkowa kolor.

4.17 – BIO Koder sygnałów bioelektrycznych wyświetlanych w obrazie TV.

4.18 – BIO AMP Izolowany wzmacniacz sygnałów bioelektrycznych.

5.

Transformator izolacyjny i zasilacz

5.1 Bezpiecznik sieciowy.

5.2 Przeciwzakłóceniowy filtr sieciowy.

5.3 Transformator izolacyjny.

5.4 Zasilacze i stabilizatory napięć ±5V, ±12V, +130V, -150V.

Połączenia między modułami oraz ich funkcje przedstawiono na

szczegółowym schemacie blokowym poniżej.

56

S

ch

em

at

bl

ok

ow

y

ap

ar

at

u

U

S

G

.

G

ŁO

W

IC

A

1

P

B

S

M

U

X

S

D

E

L

LD

E

L

B

U

FM

FR

M

M

D

IS

P

B

/W

25

0

64

32

G

ŁO

W

IC

A

2

15

1

8

8

25

0

C

O

N

T

1

2

64

S

O

N

D

A

C

W

48

B

IO

A

M

P

B

IO

C

W

P

W

FF

T

C

C

P

U

M

C

P

U

M

M

,C

M

M

K

B

iF

M

TI

V

E

LO

V

A

R

I

C

B

U

FM

C

FR

M

M

C

D

IS

P

C

O

LO

R

5

P

rz

eł

ąc

zn

G

ło

w

ic

,

P

rz

eł

N

ad

/O

db

,

N

ad

aj

ni

ki

M

ul

tip

.

O

gn

is

ko

w

w

ią

zk

i

Li

ni

a

O

pó

źn

ia

j.

O

pó

źn

.

kr

ót

ki

e

Li

ni

a

O

pó

źn

ia

j.

O

pó

źn

.

dł

ug

ie

A D C

P

am

R

,

In te

r

po

l

at

or

P

am

X

,Y

S

te

ro

w

an

ie

in

te

rp

ol

at

S C C

P

am

L

P

am

R

P

os

t

pr

oc

G

ra

fi ik

a

D A C

W

zm

iz

ol

ow

A

D

C

,P

am

TV

ds

pl

K

l+

LE

D

K

ul

a

M

P

U

m

as

te

r

M

P

U

sl

av

e

K

B

in

te

r

fa

ce

G

ra

fik

a

K

on

tr

ol

er

kl

,e

nk

od

er

S

te

ro

w

an

.

og

ni

s

ko

w

a

X

-ta

l,

P

A

L

50

.0

0

N

TS

C

W

zm

au

di

o

C

W

w

zm

C

W

de

m

od

ul

at

or

C

W

N

ad

aj

ni

k

A D C

F F T

D A C

P

W

bu

fo

r

P

W

,

C

FM

R

eg

w

zm

P

W

,

C

FM

de

m

od

ul

P

W

S

&

H

,

fil

tr

y

C

FM

,

W

zm

bu

fo

r

P

am

ci

ne

P

am

m

ul

ti

A D C

M

TI

fil

te

r

O

bl

ic

z

am

pl

itu

dy

O

bl

ic

z

O

bl

ic

z

V

ar

P

am

ię

ć

Li

ni

i

ko

m

pl

e

ks

ow

ej

P

am

R

,

In

te

rp

ol

at

or

U

śr

ed

n

ip

ró

bk

P

am

X

,Y

S C C

P

am

X

Y

L

P

am

X

Y

R

P

os

t

pr

oc

R

G

B

E

nk

o

de

r

R

A

M

G

ra

fi

ka

D A C

53

Na schemacie blokowym w podstawowej części odbiorczej, znajdującej się w górnej

części tego schematu, podano liczbę linii sygnałowych w połączeniach między

modułami. Widać stąd, że przyłączenie każdej głowicy wymaga około 250 linii

sygnałowych. Aparat wyposażony w dwie głowice musi mieć więc 500 linii

sygnałowych, wchodzących do modułu

PBS

. Prócz tego 64 linie nadawcze, 48 linii

sterujących i 64 linie odbiorcze. Przy czterech głowicach 1000 linii sygnałowych do

głowic i odpowiednio więcej linii sterujących. Jest to zatem moduł realizujący

największą liczbę połączeń i przełączeń. Układy przełączające musi

charakteryzować duża dynamika. Kryształy piezoelektryczne pobudzane są

impulsami o wartości szczytowej przekraczającej 100V a pod koniec skanowanej linii

te same kryształy są źródłem sygnałów o wartości szczytowej 2µV. Przełączanie

głowic nie należy zatem do najprostszych operacji.

Moduł

PBS

jest sterowany 64 sygnałami nadawczymi o standardzie CMOS

12V. Sygnały te są odpowiednio poprzesuwane w czasie, zapewniając ogniskowanie

wiązki w zadeklarowanych odległościach od czoła głowicy. Przesunięcia czasowe

wypracowane są przez blok

CONT

na podstawie kodów programujących

ogniskowanie, przysłanych z modułu

CCPU

.

64 kryształy, z 500 czy 1000 ogólnej liczby wszystkich kryształów , wybrane przy

pomocy 48 sygnałów sterujących, stają się dla danej linii obrazowania kryształami

nadawczymi i odbiorczymi. Po nadaniu wiązki, podczas odsłuchu ech stają się

źródłem słabych sygnałów. Sygnały te, po wstępnym wzmocnieniu w 64

identycznych wzmacniaczach, wysyłane są do modułu multipleksera

MUX

.

Moduł multipleksera

MUX

może połączyć każdy z 64 sygnałów z głowicy z

każdym wejściem linii opóźniającej, realizując programowane przez

CCPU

ogniskowanie przy odbiorze. W typowych badaniach, w których wiązka USG nie była

pochylana względem głowicy, moduł

MUX

sumuje sygnały symetryczne względem

osi wiązki, formując z 64 sygnałów 32. Sygnały te trafiają na wejścia linii

opóźniających

SDEL.

W liniach opóźniających

SDEL

sumowane są grupami i w

formie do 15 niezależnych sygnałów przesyłane są na wejścia linii opóźniających

LDEL.

Po zsumowaniu z przesunięciami czasowymi grup, wynikającymi z

ogniskowania przy odbiorze, tworzą jeden sygnał, wysyłany do procesora cyfrowego

DSP,

na wejście modułu

BUFM

.. W nowoczesnych aparatach przesunięcia czasowe

modyfikowane są w trakcie odbioru echa z coraz większych głębokości.

Przypominam z rozważań w rozdziale o przetwornikach, że przesunięcia te dla

głowic liniowych mieszczą się w granicach od 0,1ns dla sąsiednich kryształów i

głębokości 20cm do 2011ns dla skrajnych kryształów i głębokości 1cm. Dla głowic

convex są jeszcze większe i dochodzą do 5µs.

Sygnał analogowy jest przetwarzany na cyfrowy przy pomocy przetwornika o

bezpośrednim przetwarzaniu, próbkującego sygnał co 80ns. Długość słowa

reprezentacji cyfrowej sygnału wynosi 6 do 8 bitów. Obraz w postaci cyfrowej jest

zapisywany w pierwszej pamięci buforowej obrazu o adresacji współrzędnymi (

R, )

.

Moduł

BUFM

zawiera jeszcze uproszczony interpolator, dokonujący konwersji

obrazu ze współrzędnych biegunowych na współrzędne prostokątne (X,Y) i pamięć

obrazu o adresacji prostokątnej (X,Y). Z modułu pamięci buforowej obraz jest

przesyłany do modułu pamięci obrazów

FRMM.

Moduł

FRMM

dokonuje operacji ważonego uśredniania ciągu obrazów

(

sc

an

c

orelation) oraz zapewnia zapamiętanie dwóch obrazów. Użytkownik ma

możliwość wyboru z klawiatury wyświetlania obrazu z pamięci

L

– lewej,

R

– prawej,

lub może zadeklarować wyświetlanie obu obrazów jednocześnie. Jeżeli to za mało,

54

aparat USG może być wyposażony w moduł pamięci dodatkowej

MM

o pojemności

od kilkudziesięciu do kilkuset obrazów.

Opcjonalny moduł pamięci dodatkowej

MM

może być ustawiony w jeden z

dwóch trybów pracy:

1. Cine loop – pętla animacyjna, cała pamięć ładowana jest na bieżąco

obrazami poprzedzającymi naciśnięcie klawisza FREEZE,

rejestrując fazy ruchu struktur ruchomych. Po naciśnięciu klawisza

FREEZE można je pojedyńczo odtworzyć, możliwa jest także

animacja automatyczna lub ręczna.

2. Multimemory – pamięć wielu pojedyńczych obrazów. Za każdym

naciśnięciem klawisza FREEZE zapamiętywany jest jeden obraz.

Po pewnym czasie można je pojedyńczo wyświetlić, porównać

poprzez pamięci L i R lub wszystkie wydrukować albo

zarejestrować.

Moduł

MM

współpracuje bezpośrednio z modułem

FRMM

, stanowiąc tylko jego

rozszerzenie.

Z modułu

FRMM

obraz transmitowany jest do modułu

DISP

, gdzie następuje

jego ostateczne przygotowanie do wyświetlania. Składają się na to:

•

operacje post – procesingu, np. dobór krzywej kontrastu

,

•

dodanie grafiki do obrazu (standardowa ramka z parametrami zobrazowania i

piktogramami)

•

dodanie w formie graficznej sygnałów bioelektrycznych z przystawki BIOAMP

•

konwersja sygnału cyfrowego na sygnał analogowy

•

dodanie impulsów synchronizacji by utworzyć zespolony sygnał wizyjny w

standardzie PAL lub NTSC.

Moduł

MCPU

dekoduje i interpretuje polecenia operatora z klawiatury, wysyła do

modułów

DISP

i

CDISP

grafikę stanowiącą uzupełnienie obrazu USG a przede

wszystkim za pośrednictwem wspólnego obszaru adresowego przekazuje

modułowi

CCPU

żądania operatora dotyczące technicznych parametrów

zobrazowania.

Moduł

CCPU

organizuje pracę sprzętu. Na podstawie informacji odebranych z

MCPU

procesor

CCPU

przygotowuje kody sterujące ogniskowaniem przy

nadawaniu i odbiorze, sterujące pracą interpolatora, sterujące post –

processingiem obrazu USG czy też sterujące pracą toru zobrazowania barwnego.

Moduł

BIO AMP

stanowi klasyczny wzmacniacz sygnału bioelektrycznego,

wspomagający najczęściej badania USG w kardiologii poprzez dostarczenie

sygnału EKG. Oprócz dodatkowej informacji diagnostycznej sygnał ten bardzo

często służy do synchronizacji obrazu USG przy prezentacji

M

lub

DOPPLER

.

Moduł

BIO

dokonuje konwersji sygnału bioelektrycznego na postać cyfrową,

pamięta wartości próbek a następnie, po kompresji dynamiki, wybiera kolejne

wartości próbek i wyświetla je w postaci graficznej synchronicznie z kolejnymi

liniami TV, formowanymi w module

DISP

. Przetwarzając sygnał bioelektryczny w

ten sposób, umożliwia jego wyświetlenie np. na dolnych 40 liniach obrazu USG.

Wyżej wyświetlany jest obraz USG.

55

Moduł

KBiF

jest interfejsem klawiatury i trackball’a. Zawiera rejestry klawiatury,

rejestry lampek podświetlających oraz kodery i dekodery umożliwiające

dwukierunkową transmisję między modułąmi

KbiF

oraz

MCPU

.

Moduł

CW

jest modułem służącym do dopplerowskich badań przepływu z falą

ciągłą. Moduł ten generuje sygnał nadawany, wzmacnia sygnał odbierany a

następnie zdudnia go z sygnałem nadawanym uzyskując sygnał doplerowski o

częstotliwości różnicowej. Sygnał doplerowski może być odsłuchany przy pomocy

wzmacniacza audio i głośnika lub za pośrednictwem modułów PW, FFT, BUFM,

FRMM i DISP wyświetlony na monitorze.

Moduł

PW

wzmacnia odebrane impulsy PW, demoduluje je i w układzie

próbkująco – pamiętającym uciągla próbki sygnału doplerowskiego. Wzmacnia

także sygnały przeznaczone do wizualizacji w torze zobrazowania barwnego.

Moduł

FFT

wraz z wejściowym i wyjściowym przetwornikami analogowo –

cyfrowymi umożliwia wizualizację widma sygnału doplerowskiego na ekranie

monitora w formie wykresu f

d

(t).

Tor zobrazowania barwnego

(u dołu schematu blokowego) aktywowany jest

tylko wtedy, gdy obszar bieżącego obrazowania znajduje się wewnątrz

zadeklarowanego sektora zobrazowania barwnego. Odbywa się to poprzez

przerwanie CCPU w chwili, gdy adres bieżący (

r,

) pamięci BUFM zrówna się z

adresem początku sektora zobrazowania barwnego. Wyłączenie zobrazowania

barwnego następuje w chwili generacji kolejnego przerwania, o innym numerze,

gdy adres bieżący zrówna się z adresem końca sektora.

Moduł MTI jest pierwszym modułem zobrazowania barwnego CFM. Wyposażony

w przetwornik ADC na wejściu, ładujący pamięć jednej linii, stanowi filtr

korelacyjny umożliwiający identyfikację ech od obiektów stałych i od obiektów

ruchomych. Sygnał doplerowski od obiektów ruchomych analizowany jest jako

wirujący wektor reprezentatywny dla danego punktu obrazu. W module

MTI

obliczana jest długość tego wektora.

Moduł

VELO

oblicza pozostałe parametry wirowania wektora, prędkość kołową

wirowania

i wariancję

, która przyjmuje wartości niezerowe dla przepływów

turbulentnych.

Moduł

VARI

zestawia kompleksową informację dla całej bieżącej linii

n

.

Kolejne moduły,

CBUFM, CFRMM

i

CDISP

pełnią te same funkcje w torze

zobrazowania barwnego, co analogiczne moduły w torze zobrazowania czarno-

białego.

56