[发明专利]一种基于虚拟仪器的多参数谐波成像超声显微镜

说明书

一种基于虚拟仪器的多参数谐波成像超声显微镜，基于GPIB总线的虚拟仪器技术开发，硬件上采用GPIB总线连接通用示波器为数据采集设备，软件上基于Measurement Studio和C++开发。该超声显微镜从原始超声回波信号中提取多种参数为特征值成像，能提取的参数有时域参数幅度、延时、相位及频域参数频移和宽带衰减系数。对待测物品内部声阻抗差较大的结构和组织，进行高次谐波成像，从原始波形中提取二次、三次谐波，利用高次谐波的幅度、延时、相位等特性成像。此成像系统可进行三维扫描，通过调整聚焦平面获取三维的数据场；对该三维数据场进行插值得到三维均匀数据场，再利用VTK进行三维显示，得到三维超声显微成像。此超声显微镜有扩展性强、组态灵活、成本低廉等特点。

技术领域

本发明涉及超声显微镜系统设计和虚拟仪器技术领域，基于虚拟仪器技术开发了一种多参数谐波成像超声显微镜。硬件上采用通用示波器作为数据采集设备，GPIB(General-Purpose Interface Bus)总线作为通信总线；上位机采用Measurement Studio和C++进行开发，使用NI-VISA(Virtual Instrument Software Architecture)作为通信的应用编程接口；不需要采用昂贵的超声专用数据采集设备而能获得更好的带宽、采样率和数据存储深度，系统搭建和组件更换灵活方便，易于扩展。

背景技术

超声显微镜是利用声学成像原理对物质进行显微观察的一种设备，即利用样品声学性能的差别，用声成像的方法来生成高反差、高放大倍率的超声图像的装置。许多物质不透光，但能透声，声波对某些物质具有很强的“穿透”能力，超声显微镜可以直接观察不透光而透声的各类物质。由于各类物质及内部各部分的结构、密度、强度，压缩性和粘滞性等各不相同，因此声在其中传播的反射、折射、吸收和衰减等特性也有很大差别。超声显微检测具有高灵敏度、高分辨率和图像直观等特点，在电子工业、医学、材料科学等领域具有广阔的应用前景。

但是，现有的超声显微镜成像系统一般为专用的封闭系统，存在价格昂贵，成本高，结构不灵活等缺点。而基于虚拟仪器技术，可以将一系列的通用部件组合到一起，快速实现超声显微成像系统，并保留开放性。

虚拟仪器是基于计算机和标准总线技术的模块化系统，通常由控制模块、仪器模块和软件组成。由软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件对数据进行显示、存储以及分析处理，广泛应用于民用和军用测量领域。

虚拟仪器软件架构(Virtual Instrument Software Architecture，VISA)是对带有GPIB、VXI、PXI、串口(RS232/485)、以太网、USB或IEEE 1394接口的仪器系统进行配置、编程和故障排除的标准。VISA提供了硬件与Measurement Studio(用于Microsoft VisualStudio)应用开发环境之间的编程接口。它提供用于仪器编程的标准I/O函数库，称为VISA库。VISA函数库驻留在计算机系统内，是计算机与仪器的标准软件通信接口，计算机通过它来控制仪器。作为通用I/O标准，VISA提供了统一的设备资源管理、操作和使用机制，它独立于硬件设备、接口、操作系统和编程语言，具有与硬件结构无关的特点。VISA的这一特性使之适用于各种仪器接口，无论仪器使用的串口还是其他任何一种总线，诸如GPIB、VXI、PXI和LXI等，都具有相同的操作函数，从而实现了控制操作上的统一。

作为虚拟仪器技术的一种，基于GPIB总线的虚拟仪器，一般需要有计算机、GPIB接口卡、GPIB连接电缆和带有GPIB接口的测试仪器。由GPIB接口设备完成信号的采集、测量与调理，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理以及显示等，从而构成一套大型多功能的计算机仪器系统即虚拟仪器系统，由此可以充分利用计算机的软件和硬件资源，使本来需要硬件或电路难以实现或根本无法实现的技术软件化和虚拟化，最大限度的降低成本，增强系统的功能和灵活性。