超声移液及微量移液技术进展和展望

近年来,合成生物学、新药研究以及体外诊断等现代生物、医学技术的快速发展对微量移液技术的精准度、通量、成本等各方面提出了越来越高的要求。传统基于活塞原理的移液技术虽然可以做到自动化,通量可以很高,但是移液精度局限于亚微升级。基于电磁阀、压电驱动等移液技术可以大幅度提高移液精度,但是由于结构复杂,通量难以与活塞式移液技术相媲美。基于电场、磁场、激光等新型移液技术的移液精度可以实现纳升级和皮升级,但是这些技术主要基于微流控平台,针对一些特定应用,通用性差。此外,上述移液技术都需要使用吸头、毛细管、喷嘴等移液头,会与液体直接接触,存在移液头容易堵塞、液体残留、样品交叉污染的风险,而且移液头大都是一次性耗材,成本高,污染环境。非接触式超声移液技术是一种声镊技术,利用超声波声场调制的声辐射力实现对液滴的无接触式操控,无需一次性移液头辅助,无需与液体接触,且具有精度高、移液速度快等特点,是较为理想的精密微量移液技术,展现了重要的应用前景。本文对微量移液技术的发展和代表性研究进展进行了系统性介绍,重点介绍了非接触式超声移液技术的发展和研究进展,并分析讨论了微量移液技术值得关注的发展方向,比如高通量及高通用性的非接触式超声移液技术、智能化移液工作站,以及基于微流控平台的微量液体处理技术等。

一种基于FPGA的高分辨率超声血流测速系统

0引言临床医学研究表明,血液的动力学参数能够直接反映血管的生理功能[1]。通过血流测量可以得到血流速度、血流量等参数,从而判定心脏机能,对心血管系统疾病进行早期诊断、确定血管疾病的治疗方案和评估效果。传统的多普勒血流测量系统采用模拟电路来实现对回波信号的检测。

基于以太网的信号发生与采集控制系统的研究

介绍了带以太网接口功能的信号发生与采集控制系统的设计方法。其中,使用ARM移植LwIP协议栈实现TCP/IP协议完成以太网通讯。信号发生部分使用FPGA依据DDS原理产生可调的信号波形,同时,系统采用ARM内置的A/D转换器采集外部信号用于反馈控制。

开放式的高分辨率超声成像系统(英文)

在医学和生物学研究当中,对活体组织进行无创性成像具有重要意义。高分辨率超声成像技术,可以对细微组织实现高空间分辨率的成像,已被广泛应用于皮肤、眼睛、心血管和小动物成像等生物医学领域。目前领域内的相关研究需要不同的成像系统参数,例如要求不同的探头性能、数据采集策略、信号处理以及图像重建、显示和保存方法。因此需要一种灵活和开放的超声成像系统,能让用户根据各种研究需求实现个性化设置并能全面获取原始实验数据。文章提出了一种实时的、便携式设计的开放式超声成像系统,可支持定制的高分辨率超声成像研究。系统基于高速现场可编程逻辑门阵列(FPGA)实现灵活多样的超声成像。用户可以轻松地根据个性化应用需求来调整系统结构。测试结果表明,本系统能实现B超成像、编码激励成像、多普勒成像、血管内成像、多模态组合成像等,为高分辨率生物医学应用研究提供了非常灵活的成像工具。

基于DSP与单片机的激光加工数控系统的研究

通过对激光加工特性的研究,设计了基于DSP与单片机为核心的激光加工数控系统。整个系统全部采用数字化设计,具有矢量切割、矢量雕刻与位图雕刻三种加工功能,并经过软件优化,实现了较好的加工效果。

一种基于平面波技术的三维超声成像方法研究

三维超声成像能提供直观和真实感的组织信息,便于医生对医学体进行观察和分析,已广泛应用于疾病诊断、手术规划和导航中。针对现有超声技术在采集速度和图像质量上的不足,该文采用一种新型的多角度平面波技术获得超声回波信号,并通过USB3.0高速端口传输到PC端,然后进行平面波相干合成、对数压缩、超声序列存储及三维重建等操作,搭建了实验平台并进行测试,研究表明该文方法具有采集速度高,成像效果好的优势。

基于CUDA的声辐射力弹性成像算法研究

声辐射力弹性成像是一种新的测量组织硬度的超声成像方法。不同于其他超声组织弹性成像方法,声辐射力弹性成像能够定量测量组织的弹性模量数值,并且具有对操作者经验依赖性低的特点。然而,由于成像算法数据处理量大,运算时间长,声辐射力弹性成像还无法进行准实时的二维成像。为了获得实时的二维声辐射力弹性图像,提出并实现了一种适合于在GPU上并行计算的声辐射力弹性成像算法。通过与运行在CPU上的原始声辐射力弹性成像算法进行对比,证明在GPU上实现的算法大幅度地提高了运算速度。在自制弹性仿体上,比较了基于GPU和CPU两种算法所成的二维弹性分布图像的质量,结果证明两者的图像质量没有明显差异。

DSP和FPGA在大尺寸激光数控加工系统中的运用

基于DSP和FPGA的特性,设计了以DSP、FPGA为核心器件的激光数控加工系统及相关软件。系统采用了加、减速区分析算法和双存储器组交替加工等技术,使其在加工非规则图形时也可以达到很快的加工速度,并且从根本上解决了加工中的停顿问题。

超声神经调控技术与科学仪器

认识大脑是新世纪的重大科学任务。理解脑功能疾病的发病机制和发明新的治疗技术已成为科学界的紧迫任务。神经调控技术是开展神经科学研究与神经系统疾病临床治疗的基本手段。本文对多种模态的神经调控方法进行综述,重点阐述超声脑神经调控技术的发展历程、技术原理、仪器研制和应用优势,并讨论超声脑刺激科学仪器的发展前景。

基于DSP、FPGA和单片机的大尺寸激光数控加工系统的软硬件设计

为了满足大尺寸激光加工的精度和速度要求,本文设计了以DSP、FPGA和单片机为核心的数控系统。系统使用单片机控制人机界面、使用DSP对加工数据进行处理并由FPGA输出加工信号,从硬件上保证了系统的高速运算和精密加工。此外系统将加工数据保存于非易失性存储器中,使得系统拥有脱机加工的能力。通过对以DSP和FPGA为核心的加工控制部分的软、硬件进行优化,该系统达到了设计目标并取得了令人满意的加工效果。

一种面向超声胶囊内窥镜的成像装置

针对现有胶囊内窥镜不能检测深层次组织病变信息的缺点,设计了一种面向超声胶囊内窥镜的单振元超声扫描成像装置.该装置通过往复运动的微型电机带动单阵元超声换能器进行扫描成像,超声成像由外部控制电路和个人计算机上位机组成,胶囊内窥镜扫描装置由外壳、微型扇型转动电机和单振元超声换能器组成.利用单振元超声扫描成像装置可完成扇扫的胶囊内窥镜装置的组装和超声成像系统设计,搭建实验平台,在上位机上显示成像效果.结果表明,该装置成像清晰,有应用于超声胶囊超声器件中的潜力.

基于CORDIC算法的血管内超声成像系统数字坐标转换的FPGA实现

为了方便医生利用血管内超声成像系统更好地获取心血管图像,做出更加精准的诊断,该研究提出了一种基于CORDIC算法的血管内超声成像系统的数字坐标转换方法,通过角度旋转和定向计算将极坐标转换为直角坐标。利用FPGA在血管内超声成像系统平台上进行实验仿真测试,实验仿真表明,CORDIC算法能有效地输出正余弦值,与传统的查找表方法相比,速度更快,实时性更强,消耗硬件资源少,更适用于血管内超声成像系统。

超声平面波两种数据压缩方法初步比较

超声平面波成像是超声成像研究的热点之一,超声平面波带来超高帧频的同时也带来了超大数据量。如果将这些数据量直接通过硬件传输,势必对硬件带来极大的负担,也对硬件处理数据的能力提出了极高的要求。为了减少大数据量高帧频所带来的问题,该文通过数据压缩的方式来降低采集数据的传输量。分别从有损压缩和无损压缩方向进行了研究,选择了LZW压缩算法来尝试无损压缩的效果,而根据平面波特点,提出频域切割压缩算法作为有损压缩方法。将LZW算法在FGPA进行了实施,通过对超声仿真数据进行测试,可以达到一定的压缩比。在已知分数带宽的条件下,可以求出频谱中需要保留的带宽,而其余部分频率信号对图像影响的意义不大。通过对超声仿真数据的测试,频域切割压缩算法可以达到较高的压缩比,而比较原始图像和压缩重建图像,其差异是微小的。所以从压缩比角度,频域切割压缩算法是进行超声数据压缩的优先选择。

我国高端医学影像技术与装备及其产业化成果与思考

当前,高端医学影像技术,如磁共振(MRI)、计算机断层扫描(CT)、超声和正电子发射型计算机断层显像(PET)等已经成为生物医疗产业的支柱领域。中国科学院深圳先进技术研究院高端医学影像团队,开展了专门针对高端医学影像技术的前沿研究工作,在MRI、CT、超声和PET等成像技术上取得了一系列创新研究成果,并在较短时间内实现了产业化,助力推动了我国高端医学影像技术的发展。

基于应变式传感器的料位测控系统

针对水泥等行业中对料位进行实时测量的需求,开发出一种新型的料位测控系统。系统的传感器采用应变式传感器,传感器的核心部分是应变片,通过应变片感测物料的侧压力并获得料位信息。传感器是该系统的关键部分,通过传感器的优化设计可以很好地实现在恶劣环境下的测量工作,很好地解决了在恶劣环境下高粉尘、干扰大等普通测量方法无法解决的问题。采用以MSP430为核心的控制电路,使该系统具有了高速、稳定及实时测量的优点。

一种超高频血管内超声成像系统设计与实现

介绍了一种超高频(UHF)血管内超声成像系统,该系统基于80 MHz超高频血管内超声探头,运用高性能集成电子芯片实现超声脉冲的发射和回波数据的接收及高速可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片实现有限冲激响应(FIR)滤波、包络提取、数字扫描变换等数字信号处理算法。测试结果表明,在80 MHz频率下,系统可接收的最小信号电压为25μV,在47dB增益下动态范围可达51dB。通过钨丝(wire)线模和离体血管的实验,来评估系统的高分辨率成像性能,通过对回波数据-6dB带宽的分析计算,80 MHz超声探头的轴向分辨率和横向分辨率分别为32μm和103μm。实验表明,此系统可实现高分辨率的超声成像效果。

视网膜假体专用集成电路研究进展

近些年来,人工视网膜假体的研究成为视觉修复领域的一个热点。文中根据不同的视网膜假体实现方案,概括介绍了视网膜假体专用集成电路的主要种类及实现方法;分析比较了视网膜上假体和视网膜下假体两种实现方式的优缺点。重点论述了视网膜假体专用集成电路中能量和数据收发、全局数字控制器以及神经驱动阵列等模块的基本原理及研究进展。最后讨论了视网膜假体专用集成电路设计上所面临的一些挑战及关注问题的展望。

基于超声平面波的功率多普勒成像方法研究

基于平面波的超声成像方法可实现超快速的帧频,有利于检测人体组织中快速变化的信号,已成为超声领域研究的热点之一。采用多角度平面波相干复合的方法可有效抑制旁瓣,改善单一平面波的成像质量,权衡帧频和信噪比,可将其应用于血流的功率多普勒成像中。实验证明发射十个以上不同角度的平面波进行相干复合波束形成,B超图像对比度约为40 d B,且帧频可达1000 Hz。利用该方法在低速血流模型中进行实验,可以有效滤除组织信号,提取血流信号,信号强度表征血容量等血液动力学参数,说明基于平面波的功率多普勒方法对低速血流的检测具有较高的敏感性。在此基础上,深入探讨了复合图像采样帧数、时间分辨率和多普勒信息的关系。选取不同数量的复合图像计算血流功率多普勒信号,其帧频大于传统功率多普勒成像方法,可达百赫兹。复合图像帧数增多,帧频和时间分辨率降低,多普勒信息增强;反之亦然。高时间分辨率有利于快速血流检测,而提高灵敏度有利于微细低速血流检测。因此,基于平面波的功率多普勒成像技术有可能为心血管疾病和脑部血流检测开辟一条新思路。

高速的血管内超声数据传输及成像

血管内超声(IVUS)成像技术能提供动脉粥样斑块的组织信息,便于医生对血管病变作出全面、准确的评价,已广泛应用于心血管疾病的诊断。针对现有的超声数据采集装置在传输速度、成本、灵活性等方面的不足,提出并实现了一种高速的血管内超声成像数据传输及成像方法。采集到的血管内超声信号经过处理后通过高速USB3.0接口传输到PC端,再进行对数压缩以及坐标变换等操作,最后实时显示图像。实际传输速率统计显示,传输速度稳定在2040 Mb/s上下。血管仿体成像实验中管壁组织清晰、内腔轮廓平滑。

基于超声驻波的径向悬浮移动系统研究

常用的声悬浮系统是采用一维单轴式超声悬浮装置,利用驻波特性仅能使少量小颗粒悬浮在声压节点处。为改善实验效果,该文在传统悬浮装置的基础上作了改进,设计了一种径向悬浮移动系统,采用相控阵探头板作为发射端和反射端,结合高频时钟驱动的现场可编程门阵列(FPGA)作延时控制,改变发射波束与反射波束间的相位差,使小颗粒可呈阵列式悬浮移动。系统中所设计的驱动电路是采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS)结合变压器的电压驱动方式,无需考虑输入端信号的电流大小及MOS管无需接高上拉电压。通过对系统的硬件测试及仿真,结果表明,该文方法比传统方法能稳定悬浮多个小颗粒,且能使悬浮小颗粒平滑移动,具有较好悬浮稳定性和可靠性。