便攜式超聲氣胸診斷儀

謝 傲，李爭平，栗卓然，趙韋晨，梁 越，王立軍

（北方工業大學 信息學院，北京 100144）

0 引 言

目前，常規胸部X線攝影（Chest X-Rayradiography,CXR）和計算機斷層掃描（Computed Tomography, CT）常用于判定創傷患者是否有可疑氣胸，同時CT檢測已經成為創傷性疾病診斷的標準。雖然CT診斷的準確度非常高，但會使患者暴露在嚴重輻射的環境中，當患者病情不穩定時，無法長時間通過CT進行檢查。X光有著低劑量輻射、檢查時間短及可移動等特點，臨床常用于氣胸的診斷，其診斷靈敏度、特異度均較高。但其存在電離輻射可重復性較差，并且受體位影響容易引起誤診、漏診。在救援領域，X光和CT設備常受轉運風險大、耗時多、費用高等缺點限制，很難在艱險的救援現場對可能的氣胸患者進行診斷。因此，尋找一種新的方法診斷創傷性氣胸十分必要。與傳統放射檢查相比，超聲具有無輻射、操作簡單、安全快速及便攜的特點，在急診急救中應用越來越廣泛。但是，由于超聲本身的成像機理，導致超聲圖像往往噪聲較多，清晰度、分辨率相較于CT和X光等醫學影像來說明顯較弱。這使得超聲成像存在很多不足：第一，超聲診斷結果準確性受超聲診斷醫師的操作技能影響較大；第二，對超聲檢查醫師的讀圖能力要求較高，與CT、MRI相比，超聲圖像清晰度和分辨率有待提升；第三，對肺和胃腸器官的滲透性差，在肺和胃腸器官檢查過程中，如果采用超聲檢查方法，將影響最終檢查數據的準確性。由于超聲診斷對患者肺部和胃腸道的穿透性差，在一定程度上其應用會受到限制。但相關研究顯示，超聲對急性氣胸的診斷結果與CT基本一致，并且優于胸部X射線檢查結果；床旁胸部X射線檢查的時間長于肺部超聲檢查，而超聲相對于X射線可以更早地發現少量氣胸。

1 肺部超聲氣胸檢測技術

1.1 肺部超聲典型征象

1.1.1 肺滑動征

肺滑動是鑒別氣胸的一個重要征象。在實時超聲下，當探頭與肋骨垂直掃描時，可在胸膜線處看到臟層胸膜和壁層胸膜之間產生一種水平相對滑動并伴隨呼吸運動，即“肺滑”，它是人在呼吸運動時臟層胸膜和壁層胸膜相對運動產生的高回聲閃爍。氣胸患者兩層胸膜之間存有空氣，影響胸膜的可視性，因此肺滑動消失，如圖1所示。而肺搏動和肺點通常是指在呼吸過程中存在吸氣、呼氣運動，出現在正常、異常影像交替顯示的分界點，該肺點的存在可判斷為氣胸，但若為重度氣胸時也可能不出現肺點。

圖1 氣胸的超聲診斷肺滑動

1.1.2 B線特征

從胸膜線開始并垂直于胸膜線輻射至肺野深部的線性高回聲稱為B線。B線是從胸膜線延伸到屏幕底部的離散垂直混響偽影，它不隨距離的增加而減少，與肺的滑動和呼吸同步地前后移動?；祉憘斡笆侵赋暡▊鞑ヂ窂缴系膬蓚€或兩個以上反射，主要發生在兩個聲阻抗差異較大的平滑聲學界面上；而B線是由超聲波在肺泡氣液平面上的反射而形成的，也稱為“彗星尾征”。B線不是氣胸的直接征象，臨床上主要用于判斷間質性肺疾病的嚴重程度。然而，如果B線與胸膜線結合，如圖2所示，氣胸可以在很大程度上被排除。

圖2 氣胸的超聲診斷B線

1.1.3 A線特征

當聲束垂直于胸膜時，混響偽影引起的多次反射將產生平行于胸膜線的線性超回聲，它位于胸膜線下方。超聲下可見一系列平滑、清晰、規則的線性高回聲，與胸膜線平行，間隔均勻；從淺肺到深肺，回聲逐漸減弱，最后消失。

在遇到胸膜的多次反射后，超聲形成的平行于胸膜的多條亮線是一種混響偽影，有助于氣胸的診斷，表現為平行于胸膜的高回聲水平線，等距、弱信號。每條A線之間的距離表示壁胸膜與皮膚表面之間的距離。A線通常在肺密度正常時出現，在氣胸患者中也可以看到，如圖3所示。

圖3 氣胸的超聲診斷A線

1.1.4 肺點征

肺點可見于正常肺組織和病理性肺組織（如氣胸）之間的過渡區。通過M型超聲識別更為明顯，海灘標志和平流層標志與呼吸運動交替出現。肺斑塊是氣胸診斷的主要征象，特異性為100%。

1.2 超聲氣胸的診斷

超聲氣胸的診斷常常是根據肺部超聲出現的不同征象進行。首先，判斷是否存在肺滑征，若出現肺滑征，則可排除發生氣胸的可能性；然后，觀察是否出現B線，若出現B線則一定不發生氣胸；最后，在肋間掃查，是否出現肺點征，若出現肺點征則可以判斷產生氣胸。

1.3 壓電效應

壓電體在受到外機械力作用下發生電極化，在壓電體兩端表面出現符號相反的束縛電荷，使得電荷密度與外機械力成正比，這種現象稱為正壓電效應。壓電體受到外加電場的作用而發生形變，其形變量與外加電場強度成正比，這種現象稱為逆壓電效應。具有正壓電效應的固體，也一定具有逆壓電效應，反之亦然。

如果壓力是一種高頻震動，則會產生高頻電流。當壓電陶瓷中加入高頻電信號時，會產生高頻聲信號，通常稱為超聲波信號。也就是說，壓電陶瓷具有在機械能與電能之間的轉換和逆轉換的功能，因此超聲探頭常常被稱為換能器。

2 基于氣胸超聲診斷的基本原理、實現與分析

2.1 氣胸超聲診斷的實現原理

本文提供了一種便攜式的超聲氣胸診斷儀，該診斷儀包括超聲發射和采集模塊、成像模塊、數據處理模塊、診斷判別模塊。

超聲發射和采集模塊是設置超聲探頭發射超聲，并收集發射的超聲在人體組織內反射、散射的回聲。成像模塊是根據探頭采集到的回聲進行一定的轉換，形成超聲圖像。數據處理模塊是對通過成像模塊得到的超聲圖像進行濾波、降噪等預處理，然后對預處理后的圖像進行圖像分割和目標檢測。診斷判別模塊是對經過數據處理模塊分割后的圖像進行判別，判斷是否產生氣胸，同時將結果進行反饋。

針對氣胸的便攜式應急救援診斷裝置包括震蕩電路、高頻脈沖發生器、超聲探頭、高頻信號放大電路、A/D轉換器、氣胸識別處理單元、LED指示燈。其中震蕩電路、高頻脈沖發生器、超聲探頭、高頻信號放大電路、A/D轉換器、氣胸識別處理單元依次連接，氣胸識別處理單元還與揚聲器和LED指示燈連接。震蕩電路用于周期性地產生同步觸發脈沖信號，并發送至高頻脈沖發生器。高頻脈沖發生器在收到震蕩電路同步信號的觸發之后向超聲探頭發送高頻脈沖。超聲探頭用于發出高頻脈沖，接收來自人體內的超聲回波并將其轉換為高頻電信號，將接收到的高頻電信號發送至高頻信號放大電路，相關研究顯示采用高頻探頭相對低頻探頭可提高超聲檢查的靈敏度。高頻信號放大電路用于放大超聲探頭發送來的高頻電信號，并發送至A/D轉換器。A/D轉換器用于將模擬信號轉換為數字信號，并發送至氣胸識別處理單元。氣胸識別處理單元用于對經過數字化處理后的高頻信號進行處理，對超聲氣胸進行識別，并控制LED指示燈和揚聲器工作，包括圖像預處理模塊、圖像分割模塊、目標檢測模塊、診斷反饋模塊，其中圖像預處理模塊用于對超聲圖像進行濾波和降噪處理，將預處理后的超聲圖像發送至圖像分割模塊；圖像分割模塊用于檢測出胸膜線位置，在胸膜線部位進行分割，保留胸膜線以下部位，將分割后的圖像發送至目標檢測模塊；目標檢測模塊對超聲圖像進行兩次膨脹，對膨脹后的圖像進行二值化處理后再進行霍夫變換，檢測平流征的直線以及沙灘征和平流征的交匯點后將檢測標記后的圖像發送至診斷判別模塊；診斷判別模塊根據檢測結果判斷是否產生氣胸。

進一步地，所述氣胸識別處理單元控制LED指示燈和揚聲器工作方式為：當在某一部位未檢測出氣胸時，LED指示燈顯示為綠燈，同時揚聲器伴有一聲時間較長的“嘀”聲；當檢測到某部位產生氣胸時，LED指示燈顯示為紅色，同時揚聲器伴有一陣短促的“嘀嘀”聲，表示檢測到氣胸。另外，超聲探頭采用單晶片結構探頭。

與現有技術相比，本文的便攜式超聲氣胸診斷儀具有如下優點：根據氣胸超聲診斷的基本原理，利用現代電子技術、信號處理技術，設計針對氣胸的專病診療設備，將傳統的超聲設備進行小型化處理，降低設備成本和使用門檻；檢測速度較快，提高了氣胸的診斷效率；非常適用于災害救援與戰場急救等場景。

2.2 實現方案

下面針對兩大主要模塊對超聲氣胸診斷儀的技術方案進行闡述。

2.2.1 超聲模塊

超聲模塊的主要結構如圖4所示。震蕩電路，即同步信號觸發器，周期性地產生同步觸發脈沖信號，用以觸發高頻脈沖發生器產生高頻脈沖，以激活超聲探頭產生超聲。超聲脈沖產生的重復頻率決定于觸發脈沖的重復頻率，其下限大于探測目標運動波形頻率的2倍，上限則取決于聲波達到人體的最大探查深度所需的時間。

圖4 便攜式應急救援氣胸診斷裝置整體結構

高頻脈沖發生器收到同步信號的觸發之后，產生高頻脈沖激發超聲探頭（換能器）；超聲探頭受到激發后便可以發射一定頻率的脈沖超聲波。該產品針對超聲氣胸而設計，只要求超聲儀發射M型的超聲，因此可將超聲探頭設置為單晶片結構探頭。超聲波的穿透力和縱向分辨能力在很大程度上取決于高頻脈沖發生器，高頻脈沖發生器發出的脈沖要求具有一定的幅度和較短的持續時間。

超聲探頭在高頻脈沖發出后，接收來自人體的超聲波回波，并將其轉換為高頻電信號；然后通過高頻信號放大電路進行放大。高頻信號放大電路可由前置放大、保護電路、高頻放大及非線性放大的時間增益電路等組成。為了獲得足夠的靈敏度與保真度，應該使得高頻信號放大電路具有足夠大帶寬和增益。

被放大后的高頻信號，經過A/D轉換器，將高頻的模擬信號轉換為數字信號，方便進行數字化處理。在氣胸處理識別單元對經過數字化處理后的高頻信號進行處理，并對是否是氣胸進行識別。當在某一部位未檢測出氣胸時，LED指示燈顯示為綠燈，同時揚聲器伴有一聲較長的“嘀”聲；當檢測到某部位產生氣胸時，LED指示燈顯示為紅色，同時揚聲器伴有一陣短促的“嘀嘀”聲，表示檢測到氣胸。

2.2.2 圖像處理和診斷模塊

圖像處理和診斷模塊如圖5所示。首先，對生成的超聲圖像做簡單的圖像預處理，降低超聲圖像的噪聲；然后對超聲圖像進行分割，針對超聲氣胸圖像，需要檢測出胸膜線位置，保留胸膜線以下部位，進行目標檢測和分割。

圖5 氣胸識別處理單元結構

M模式下肺部氣胸超聲圖像如圖6所示。黑框標注位置為胸膜線所在位置，保留胸膜線以下位置，并對超聲圖像繼續進行目標檢測。

圖6 M模式下肺部氣胸超聲圖像

超聲氣胸的金標準是在M模式下檢測發現肺點，也就是A線以下發生沙灘征和平流征交替出現的現象，其中沙灘征和平流征的交匯點為肺點，如圖7所示，沙灘征表現為無序的散點；平流征表現為密集、水平排列的線段?？衫没舴蜃儞Q檢測線段的方法，檢測平流征的特征。

圖7 M模式下肺部氣胸超聲圖像

對超聲圖像進行兩次膨脹，再對膨脹后的圖像進行二值化處理，如圖8所示。對二值化圖像進行霍夫變換，檢測平流征的直線，結果如圖9所示。

圖8 二值化處理后的超聲圖像

圖9 超聲圖像檢測結果

3 結 語

本文中的便攜式超聲氣胸診斷儀有著檢查速度快、便于攜帶的優點；將傳統的超聲設備進行小型化處理，設備的電路結構較簡單、成本較低。還可以將診斷儀做成類似于智能手機的大小，做到真正的便攜式設計，方便救援人員在救援現場使用。相比于傳統的超聲氣胸診斷流程，本文的診斷儀只須檢測到胸膜線以下有氣體，在超聲中的表現是A線下出現平流征，即可確診。相較于傳統流程，檢測速度較快，非常適用于災害現場與戰場等救援場景。