全数字彩色超声医疗成像系统多处理机总体结构研究刘羽中、张平刘志言于剑宏2 1哈尔滨工业大学控制工程系（黑龙江，哈尔滨，150001）2中国人民解放军211医院（黑龙江，哈尔滨，150080）提要针对某型号数字彩色超声医疗成像系统，采用一种多处理机共享存储的MIMD体系结构，根据任务处理的复杂度，从整体上将任务进行了划分，分析了多处理机的任务分配，简单讨论了总线型网络的争用总线的解决方法，给出了系统的结构简图。

　　随着信号处理理论的不断深入和发展，处理技术的不断完善，信号处理系统的性能也不断提高，特别是数字信号处理技术的引入，使得信号处理的灵活性得以不断的提高。同时，对大数据量大运算量高精度和实时处理的要求也使得现代信号处理的任务变得异常复杂，如何满足上述的要求也就成为当今信号处理系统的关键问题之一。

　　分析实际的信号处理要求和特性后，可以看出信号处理任务具有并行性和流水线特性，这是信号处理的一个特点。根据信号处收穑日期：1999一11一12理的这一特点，在一定程度上决定了信号处理系统的结构形式，此外，具体信号处理的方式以及采用的处理系统基本单元的性质也会影响整个系统的结构。医用超声诊断设备，是一个复杂的信号处理系统，对于这样一个复杂的信号处理系统，采用全数字的方案可以获得许多优点，但是该信号处理任务的计算量和吞吐量是相当巨大的，若采用单一的系统结构通常很难满足要求，本文就从信号处理任务的复杂性和任务划分等几个方面为某型号的彩色超声诊断设备的体系结构进行分析和设计，从总体上进行系统级的设计，为该类系统进行了总体划分，并且完成了功能1彩色超声诊断设备基本任务分析和划分根据临床诊断要求，超声诊断设备一般具有如下几种工作方式：①2D辉度B型模式，②2D彩色血流图模式，③M超声心动图模式和多普勒声谱图显示，④彩色血流M模式，⑤组合模式。从上述的诊断模，可以将该设备的信号处理工作分为三个基本的任务：①直接处理回声信号的幅度，进行幅度的辉度调制，可以称为辉度信号处理；②处理回声信号的相位信息，得到多普勒信号的频移信息，进行血流或运动组织的速度检测处理；③采用有关血流的速度及其方差得到的彩色血流处理。

　　总结上面的三个基本任务，可以将整个彩色超声诊断设备的信号处理工作做如下的划分：①采用单探头或多探头的超声发射和接收，从而进行基本的信号处理工作；②接收回声信号的处理，得到要求的数据形式；③处理后的信号进行插补和坐标交换的处理，从而进行显示；④协调和管理各部分工作，处理各部分工作的时序，而进行的控制和管理工作，总结起来可以米用如表示。

　　2超声诊断设备多处理机体系结构分析和设计针对上述的彩色超声诊断设备，采用多处理机的结构来进行设计可以提高系统的处理能力，同时还可以进行系统的进一步扩展，对于这样一个复杂的实际系统，也必须采用多处理机来进行设计才能满足实际的信号处理要求。

　　2.1多处理机基本结构的分析和分类据流概念提出了不同计算机系统结构的一种分类方法，并且在实际声发射回声信1图像存储与接收~号处理~和显示超声发射与接收回声信号处理M型B型Doppler谱彩色血流信号处理信号处理估计图像处理系统的层次结构框图性，采用MMD方式来构成实际的系统，并且根据实际的工作任务，进一步采用了模±化，层次化结构设计。整个系统从整体上分为三层来进行处理，见。

　　中对于图像处理部分和超声发射与接收部分的详细内容没有注明，对于超声的发射和聚焦部分，包括超声信号的发射和接收的动态聚焦控制，多路信号的开关网络，以及多路信号的延时采样与求和等；图像处理子系统同样包括很多部分，在此也没有作进一步的注明，具体还包括图像的滤波、平滑、边沿提取处理，图像的视频格式转换，视频处理等，考虑到本文的内容和篇幅的限制，主要详细说明信号处理部分，下面的处理机间的网络结构形式也主要以信号处理部分为例来进行描述和讨论。

　　根据任务的繁简和轻重，具体采用流水线和多处理机并行处理技术，进一步进行系统的分层设计。系统的层是管理层，该层采用80586为处理中心，其主要任务分为三个方面：①系统任务的分配、调度和系统的控制和管理；②对信号处理的结果进行图例分析和综合诊断，如专家系统、人工智能等；③与外部世界的联络和通讯，该部分工作采用8031单片机作为控制和通信联络的中间机环节，并且采用串行通讯的方法来进行通讯处理。第二层是信号处理层，具体由12个处理单元来构成，这是整个系统的中心部分，由于其处理任务繁重，结构复杂，根据信号处理任务的特点，采用流水线处理和并行处理相结合的方法，将该层分为4个流水段，每个流水段根据处理任务的不同分别由1个、1个、8个、2个处理器来构成，该层的主要任务包括：①超声信号的发射、接收以及接收到的信号基本处理，主要有超声发射和接收的波束合成与聚焦，回波信号的前置放大，信号的对数放大压缩等；②信号任务处理的实管理层图像处理与显示数字扫描变换信号的变速率插值恢复与正交解调，信号的进一步对数放大与压缩；③信号的存储和显示处理，主要包括图像的平均、插值、坐标变换、视频信号的处理等工作。系统的第三层是信号的处理层，由许多DSP芯片来构成，主要处理包括以下几个方面：①对解调后的信号进行STFT，得到有关谱图；②对正交解调后的信号进行多普勒声音信号处理，与心电图信号相结合，得到多普勒声音信号；③利用自相关技术求取代表血流信号的平均速度和速度方差信号，进行信号的彩色血流成像。

　　整个系统经过上述的任务分层以及流水线处理后，使系统中的各个CPU在一定程度上进行并行工作，尽量使各流水段的信号处理时间基本相同，从而使系统的整个处理能力得到很大的提高，能够满足信号处理的要求。

　　3多处理器系统的互连网络结构和系统实现对于实际的多处理机系统互连网络的具体结构大体有以下几个类型：①：总线结构形式；②：开关网络结构形式；③：多口RAM作网络接口。各种网络都有其各自的优点与缺点，针对本系统，考虑到其结构的简单性，以及系统实现的连续可扩展性，我们采用了多总线的紧耦合方式来进行系统的实现，其中以图像总线作为主要总线，以图像存储器作为共享的主存储器，从而基本构成了一个总现雕愚；。的变藤A样解调滤波onic！线互连的紧耦合多处理器系统对d于系的vw.，人机接口系统总体处理控制系统的整体结构简图第二层和第三层之间的信息传输，则主要采用以双口RAM芯片来构成网络的方法，使用起来灵活方便，电路实现也较简单整个系统的整体结构可以采用来表示。

　　图中，a图像总线，64位；b：超声回波数据总线，16位；：视频数据总线，16位；d：多普勒音频数据串行总线。此外，系统还有录像机接口图像采集卡，软、硬盘控制器接口。

　　人机接口处理部分还包括键盘接口，鼠标接口，摄像机、数字照相机接口，屏幕标尺和彩色条产牛处理等等，由于是一些较通用的简单的功能，在图中没有作详细的标示。

　　对于具体的某一部分的详细结构将以彩色血流成像为例来进一步的说明，彩色血流成像是一个复杂的功能在80年代被应用到实际的临床之中，见所示。

　　中，与图像存储器联系的总线均是64位的图像总线，其它总线可以看成为局部总线，提供各个板级的数据联系；采样延时动态聚焦部分采用的是80960单片机，解调部分、壁滤波均采用80186微处理器，自相关处理采用的是8031单片机，系统控制采用80586微处理器，控制作用采用一片8051单片机管理的串行总线来进行，其波特率设置为144KHz控制方式采用中断来处理，中断也是由8051单片机来管理。系统采用多处理器、分任务、流水线方式来进行工作，当采样延时聚焦中的FIFO满时，产生一个中断给系统总控，由总控发出命令给解调子系统的80186微处理器，进行数据的读去，从而进行解调处理，处理完后，同样产生中断送总控，并且将数据送到图像存储器，并送与壁滤波部分，各部分基本如此工作，直到送出显示为止。如此采用分段流水处理，可以完成要求有涉及，这里不做进一步的分析，整个系统完全采用该类方式进行了模块化设计，便于扩展和系统的各部分的互连，结构也较简单。

　　4结论对于一复杂的医疗超声系统，采用了多处理机多总线分层设计和流水线处理方式，网络结构采用共享主存储器的紧耦合方式来实现，系统处理速度较高，完全满足某型号全数字彩色超声诊断设备的有关技术要求，结构简单运行效率较高，有较大的实际意义。

　　致谢：本文的部分工作得到沈毅教授、王艳工程师、葛升民副教授的帮助，在此深表感谢。