反射式超聲CT實驗裝置的研究*

馮利軍，嚴楊飛，何俊梅，裔士源，周夢迪，曾碧新

（溫州醫科大學 信息與工程學院，浙江 溫州325000）

CT是計算機層析成像術（Computer Tomography）的縮寫，自70年代問世以來已日趨成熟，其中超聲CT廣泛應用于醫學、工業無損探測、地質探測等領域中。實際應用中的超聲CT裝置十分龐大復雜，且價格昂貴。目前，國內對反射式超聲CT實驗裝置有一定的研究，但未見相關產品報道。如果能開發出一款用于教學的反射式超聲CT實驗裝置，則將大大有助于學生熟練操作CT及了解CT的工作原理，對物理上反問題的求解過程也有直接的體會[1]。

反射式超聲CT實驗裝置是一款用于模擬反射式超聲CT裝置操作過程的教學實驗儀。其采用對人體無傷害的超聲波，使用大眾化的零件，易于更換及維修，成本低，結構簡單，可用于高校CT教學。學生通過操作該裝置可迅速了解CT的操作過程及工作原理，了解圖形重建，體會進行CT模擬實驗的意義[2]。本裝置在VB操作界面上輸入相應指令，經串口通信將數據傳給單片機，通過STM32單片機控制平臺左右移動、上下升降以及旋轉。通過單片機處理測得待測物體到超聲模塊的距離，并通過串口通信傳給VB操作界面。通過ActiveX控件技術實現Matlab與VB的連接，系統采集的數據經Matlab預處理，篩選出有用的數據進行插值和擬合，運用重建算法還原被測物體輪廓的圖形。

1 裝置設計原理

反射式超聲CT實驗裝置由8個模塊組成：收發一體超聲模塊、單片機控制單元模塊、串口通信模塊、穩壓電源模塊、三維機械平臺、步進電機驅動模塊、Matlab圖形重建模塊和計算機VB操作界面模塊。裝置原理圖如圖1所示。三維機械平臺工作數據通過計算機VB操作界面及串口通信傳輸到單片機控制單元,單片機控制單元對數據判斷后，通過步進電機驅動模塊驅動步進電機，從而控制三維機械平臺工作。單片機控制單元控制收發一體超聲模塊發射接收超聲波，經過單片機處理獲取收發一體超聲模塊到待測物體的距離，將這個數據通過串口通信傳輸給計算機VB操作界面，VB通過連接Matlab，重建輪廓圖形，在VB操作界面成像窗口顯示重建輪廓圖形。

圖1 裝置原理圖

2 下位機硬件構成

2.1 單片機控制單元模塊

單片機是反射式CT實驗裝置的控制中心，負責控制收發一體超聲模塊的發射接收超聲波，通過串口通信與計算機VB操作界面進行數據傳輸以及控制三維機械平臺的旋轉、左右平移和上下升降。采用STM32單片機，工作電壓為 3.3～5.5 V，工作頻率范圍為 0～72 MHz，能很好地控制系統的各個部分。

2.2 三維機械平臺

單片機通過控制步進電機驅動器驅動步進電機工作，從而控制三維機械平臺的旋轉、平移、升降。由于收發一體超聲模塊存在盲區,平移平臺與升降、旋轉平臺相距一定距離，本裝置實際相距32 cm，來消除盲區對實測距離的干擾。本裝置采用的步進電機的型號為42HE1410M-24S，驅動電流為 1.5 A，步距角為 1.8°，通過步進電機驅動器調節細分來改變步距角從而調節掃描精度。三維機械平臺工作流程圖如圖2所示。

圖2 三維機械平臺工作流程圖

2.3 穩壓電源模塊

穩壓電源模塊給STM32單片機、收發一體超聲模塊、步進電機驅動器、三維機械平臺供電。開關電源提供24 V電壓，經過7805穩壓后轉為5 V電壓。穩壓電源模塊電路圖如圖3所示。C1、C2、C3、C4分別是電源模塊輸入輸出的濾波電容,獲得波紋較小的電壓。R2為發光二極管的限流電阻，發光二極管作為電源指示燈，如果電源模塊工作正常，二極管被點亮。

圖3 穩壓電源模塊電路圖

2.4 收發一體超聲模塊

收發一體超聲模塊采用單個超聲波換能器,采用脈沖驅動換能器發射超聲波,當發射停止時換能器轉為接收器,經過一段時間后，接收反射回來的超聲波。經過分析處理后就可以測得障礙物的距離：s＝ct/2，s為超聲波傳播的距離，c為超聲波在介質中的傳播速度(在空氣中超聲波速為340m/s)，因此只要測得超聲波傳播的時間t，就可以得到收發一體超聲模塊到待測物體的距離。其工作電壓為5 V，超聲探頭的余震時間太長，會導致超聲模塊的盲區相應增大[3]。為了減小盲區對收發一體超聲模塊到待測物體所測距離精度的影響，本裝置增大了收發一體超聲模塊與待測物體之間的距離。收發一體超聲模塊原理圖如圖4所示。STM32單片機控制超聲換能器發射超聲波,超聲波遇到待測物體反射回來,超聲換能器接收超聲波,信號經過前放、主放、幅值甄別、電平轉換、A/D轉換之后傳輸到STM32單片機[4]。

圖4 收發一體超聲模塊原理圖

2.5 串口通信模塊

串口是單片機控制單元與計算機VB操作界面的通信通道，實現單片機與VB間的數據傳輸信息交換。采用全雙工、異步通信方式實現STM32單片機與VB間的通信，配置波特率為9 600 b/s。

3 系統軟件設計

3.1 下位機軟件設計

本裝置通過VB中的控件MSCOMM的屬性設置與STM32單片機串口設置相匹配，實現串口連接從而實現數據的人為發射和自動接收。初始化STM32單片機，VB與STM32單片機進行通信后，開啟定時器，就可以通過VB操作界面來發送和接收數據。STM32單片機根據接收的數據進行了分析判斷，從而控制三維機械平臺的升降、旋轉、平移。STM32單片機獲得收發一體超聲模塊到待測物體的距離，通過串口通信傳輸到VB操作界面并保存。下位機程序流程圖如圖5所示。

3.2 上位機軟件設計

上位機程序采用VB編寫，程序主要功能包括：

(1)用戶登入注冊；

(2)接收下位機上傳的數據；

(3)向下位機傳送數據，控制步進電機的左右、升降、旋轉運動；

(4)將待測物體與收發一體超聲模塊的距離、移動距離、旋轉角度等數據保存在txt文檔里；

(5)VB與Matlab連接，調用Matlab軟件處理源數據；

(6)重建待測物體的輪廓圖形。

STM32單片機處理測得待測物體到收發一體超聲模塊的距離，并通過串口通信傳輸給VB操作界面，VB操作界面將采集的數據存儲于txt文檔中。通過ActiveX控件技術實現Matlab與VB的連接，控制VB操作界面，Matlab調用存儲采集數據的txt文檔，對其進行預處理，篩選出有用的數據進行插值和擬合，根據待測物體選擇重建算法，還原待測物體輪廓圖形，在VB操作界面成像窗口顯示重建輪廓圖形。上位機程序流程圖如圖6所示。

圖5 下位機程序流程圖

圖6 上位機程序流程圖

4 系統運行結果

反射式超聲CT實驗裝置操作界面分為三維機械平臺控制部分和圖形重建顯示部分。通過控制機械平臺移動，采集不同位置收發一體超聲模塊到待測物體的距離，以及超聲傳感器的位置，通過圖形重建算法重建待測物體的輪廓圖形，在VB操作界面成像窗口顯示。待測物體實物圖如圖7所示。圓柱組合體重建輪廓圖形如圖8所示。立方體與正三棱柱組合體重建輪廓圖形如圖9所示。

圖7 待測物體實物圖

圖8 圓柱組合體重建輪廓圖形

圖9 立方體與正三棱柱組合體重建輪廓圖形

收發一體超聲模塊測量距離表如表1所示。在一定測量范圍內，收發一體超聲模塊的測量距離越大則測量精度越高，利于待測物體的圖形重建，重建輪廓圖形更接近實際輪廓。

表1 收發一體超聲模塊測量距離

本裝置中Matlab與VB的連接并不復雜，而且與單片機通信的失誤率很低，通信較為可靠。測量的盲區也可控制在20 cm以內。因為聲波的速度與溫度有關，測量值在非室溫下準確度會下降，測量的結果需要校正，經過校正，本裝置的測量距離精度符合實驗教學要求，還可為其他的相關研究提供理論和應用基礎。

本裝置可以針對市場需求，增大其發射功率和測量距離。本裝置還可以增加收發一體超聲換能器的數量，以縮短檢測時間、提高圖像分辨率以及增大待測物體的種類范圍。此外，本裝置可以通過提高超聲換能器測距的精度來提高成像效果。而本裝置具有體積小、結構簡單、零件大眾化、易于更換及維修等優點，市場前景廣闊。

[1]馬文君，梁家惠.反射式超聲CT用于物理實驗教學的開發[J].物理實驗，2004，24(4)：6-8.

[2]舒文鋒，程建政，藍從慶.模擬生物樣品的反射式超聲 CT成像[J].聲學技術，2000，19(1)：19-22.

[3]華亮，堵俊，吳曉.新型高精度一體反射型超聲波傳感器測距系統研制[J].儀表技術與傳感器，2008(4)：80-83，96.

[4]蘭羽，周茜.超聲波測距系統接收電路研究[J].電子設計工程，2012，20(14)：81-83.