基于回波幅值信號(hào)的醫(yī)用超聲探頭性能快速檢測(cè)系統(tǒng)的研制

楊林，胡海洋，陸陽(yáng)

1.蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程處，江蘇 蘇州 215006；2.東南大學(xué) 生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210000

引言

醫(yī)用超聲成像系統(tǒng)作為一種重要的醫(yī)學(xué)影像診斷技術(shù)，以實(shí)時(shí)成像、無(wú)創(chuàng)無(wú)輻射、方便快捷等特點(diǎn)，在消化科、婦產(chǎn)科、泌尿科等多個(gè)臨床科室廣泛應(yīng)用，在助力臨床疾病診斷和治療中發(fā)揮著重要的作用[1-3]。探頭是超聲診斷儀的核心部件，其性能的優(yōu)劣直接影響超聲設(shè)備的成像效果，進(jìn)而影響整個(gè)設(shè)備的工作性能。醫(yī)用超聲探頭陣元屬于損耗元器件，且超聲設(shè)備在臨床檢查中使用頻率高，受環(huán)境、操作規(guī)范性影響大，因此，超聲探頭的陣元存在功率衰減、失效等情況[4-6]。如何通過(guò)技術(shù)手段檢測(cè)探頭陣元的工作狀態(tài)，并及時(shí)掌握探頭性能是保障設(shè)備質(zhì)量、確保診斷成效和醫(yī)療安全的重要工作。

幅值信號(hào)是反映探頭陣元狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)，也是晶體發(fā)生故障時(shí)最關(guān)鍵的反應(yīng)信號(hào)，因此，準(zhǔn)確快速檢測(cè)幅值信號(hào)是評(píng)價(jià)探頭性能狀態(tài)的有效方法。本文根據(jù)醫(yī)用超聲探頭的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合臨床使用情況，開發(fā)一套醫(yī)用超聲探頭檢測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲探頭性能的準(zhǔn)確快速檢測(cè)，為超聲圖像的質(zhì)量保證及超聲探頭的性能評(píng)價(jià)提供參考[7-9]，同時(shí)可用于新產(chǎn)品驗(yàn)收、預(yù)防性維護(hù)、維修效果評(píng)判和報(bào)廢評(píng)估等，對(duì)提升診療水平和醫(yī)療質(zhì)量安全具有一定的實(shí)用價(jià)值[10-13]。

1 檢測(cè)參數(shù)

醫(yī)用超聲探頭是利用材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能、聲能轉(zhuǎn)換的換能器。探頭中的關(guān)鍵部件是由晶片構(gòu)成的一個(gè)個(gè)陣元，晶片是一個(gè)具有壓電效應(yīng)的單晶或多晶體薄片，其作用是將電能和聲能互相轉(zhuǎn)換。本研究系統(tǒng)主要是對(duì)圖像暗道、彩色血流或多普勒靈敏度等與超聲圖像質(zhì)量有直接關(guān)系的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，包括幅值、中心頻率、相對(duì)帶寬、相對(duì)脈沖回波靈敏度等，其中，幅值信號(hào)是最能直觀反映探頭性能的信號(hào)，是快速、高效、可靠檢測(cè)的首選信號(hào)。本文根據(jù)GB/T 18694-2002、YY/T 0938-2014 和GB 10152-2009 等相關(guān)指南定義系統(tǒng)地檢測(cè)相關(guān)參數(shù)[14-19]。

1.1 信號(hào)幅值

探頭陣元性能可直接在上位機(jī)接收信號(hào)的幅值上反映出來(lái)，通過(guò)對(duì)上位機(jī)接收到的幅度信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，得出探頭陣元的工作狀態(tài)，再根據(jù)接收到的信號(hào)幅值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)得到被測(cè)陣元幅值與標(biāo)準(zhǔn)幅值的比例，并做出相應(yīng)的判斷。

1.2 信號(hào)中心頻率、帶寬、截止低頻、截止高頻

對(duì)上位機(jī)處理過(guò)的回波信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)顯示出來(lái)，傅里葉轉(zhuǎn)換如公式（1）～（2）所示。根據(jù)公式（1）～（2）可將時(shí)域的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行分析，即將信號(hào)中的不同頻率成分分離并表示出來(lái)。

式中，f(x)為周期函數(shù)；a0為周期函數(shù)在一個(gè)周期內(nèi)的平均值；an、bn為傅里葉級(jí)數(shù)；nπ/L 為信號(hào)角頻率；f(t)為非周期函數(shù)；F(ω)為頻域；e-jωt為復(fù)指數(shù)函數(shù)；ω為角頻率。

當(dāng)信號(hào)由時(shí)域轉(zhuǎn)化為頻域時(shí)，可從設(shè)備的上位機(jī)界面清楚地顯示，同時(shí)用戶可根據(jù)頻域信號(hào)對(duì)探頭陣元進(jìn)行分析，典型的頻域圖如圖1所示。其中，中心頻率表明一個(gè)電路的信號(hào)特性，即和該頻率相近的信號(hào)是本系統(tǒng)所需要的，遠(yuǎn)離該頻率的信號(hào)是需要濾除的。截止頻率一般為-6 dB 的信號(hào)頻率，因?yàn)楫?dāng)信號(hào)的幅值衰減到-6 dB 以下即原始信號(hào)幅值的二分之一時(shí)，一般認(rèn)為信號(hào)是衰減無(wú)用的，所以-6 dB 所對(duì)應(yīng)的頻率為截止頻率。截止頻率又分為截止高頻和截止低頻，截止高頻和截止低頻之間的頻率范圍稱為通頻帶，通頻帶與中心頻率的比值即為帶寬。從圖1 可以看出，這是一個(gè)中心頻率為3 MHz 左右、截止低頻為1.4 MHz、截止高頻為4.2 MHz 的探頭陣元信號(hào)，信號(hào)帶寬約為93%。醫(yī)用超聲探頭根據(jù)檢查部位的不同設(shè)置不同中心頻率，再通過(guò)本系統(tǒng)所檢測(cè)的信號(hào)頻域信息與探頭出廠的頻域信息進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而判斷探頭陣元的實(shí)際性能狀態(tài)。

圖1 超聲探頭頻域信號(hào)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）是一種可編程邏輯器件，具有用戶現(xiàn)場(chǎng)可編程、集成度高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)以FPGA 芯片作為儀器的主控制核心部件，利用內(nèi)部脈沖信號(hào)激勵(lì)的方式，通過(guò)切換儀器內(nèi)部的信號(hào)通道激勵(lì)超聲探頭的不同陣元。系統(tǒng)內(nèi)置一個(gè)陣元電激勵(lì)源，該激勵(lì)源發(fā)射出激勵(lì)電信號(hào)使被測(cè)探頭陣元工作并產(chǎn)生回波信號(hào)。機(jī)器內(nèi)部帶有的小信號(hào)處理系統(tǒng)，將采集到的探頭陣元信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)匯總處理后與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比以分析探頭的損耗程度。

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成：硬件部分

檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)硬件部分共包含8 個(gè)模塊：電源模塊、FPGA 主控制模塊、電激勵(lì)信號(hào)生成模塊、面板連接模塊、信號(hào)通道切換模塊、信號(hào)接收處理模塊、信號(hào)顯示模塊、上下位機(jī)交互模塊，主機(jī)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 主機(jī)系統(tǒng)框架圖

各部件功能實(shí)現(xiàn)如下：① 選用Cyclone IV EP4CE[ ALINX 芯驛電子科技（上海）有限公司]，負(fù)責(zé)系統(tǒng)所有處理模塊，包括通道切換、電激勵(lì)生成、上下位機(jī)交互等的控制實(shí)現(xiàn)。② 電激勵(lì)信號(hào)生成模塊選用Microchip（美國(guó)微芯，美國(guó)）的HV7360 高壓脈沖發(fā)射芯片，該系列芯片最高可支持產(chǎn)生35 MHz 的激勵(lì)信號(hào)，且信號(hào)輸出穩(wěn)定，滿足頻域測(cè)試需要（圖3）。③ 通道信號(hào)切換模塊選用美信max148（Maxim 美信公司，美國(guó)）系列高壓模擬開關(guān)芯片，通過(guò)高壓模擬開關(guān)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)不同探頭陣元的檢測(cè)：首先由上位機(jī)對(duì)FPGA 芯片[易靈思（深圳）科技有限公司]發(fā)送命令；FPGA芯片在收到命令后為開關(guān)芯片內(nèi)部寄存器配置相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)參數(shù)，進(jìn)而打開相應(yīng)的傳輸通道；電激勵(lì)信號(hào)通過(guò)該通道對(duì)相應(yīng)的探頭陣元進(jìn)行激勵(lì)。④ 面板連接模塊是系統(tǒng)與探頭的接口，可根據(jù)系統(tǒng)模塊配備ITT260 和QLC260 等常用接口，也可根據(jù)待測(cè)試探頭規(guī)格型號(hào)選配相應(yīng)接口或轉(zhuǎn)接板，如ITT260、QLC260、DLP408 等。⑤ 上下位機(jī)交互模塊主要包含USB 串口和電平轉(zhuǎn)換電路，此部分電路的主要功能是實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的通信，使上位機(jī)根據(jù)下位機(jī)收集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，下位機(jī)根據(jù)上位機(jī)的命令執(zhí)行相應(yīng)的功能切換。⑥ 信號(hào)接收處理模塊和顯示模塊的關(guān)鍵性能在所測(cè)信號(hào)的信噪比及顯示的準(zhǔn)確性上體現(xiàn)，信號(hào)接收處理部分（模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊）選用8 通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9288 [ 亞德諾半導(dǎo)體技術(shù)（上海）有限公司]，可將接收的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。顯示模塊以 STM32MP157F Arm（ST 意法半導(dǎo)體，瑞士）作為處理芯片，顯示屏幕選用B-LCD40-DSI1（ST 意法半導(dǎo)體，瑞士）的4 寸液晶屏實(shí)時(shí)顯示所采集的信號(hào)。

圖3 激勵(lì)信號(hào)電路原理圖

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成：軟件部分

系統(tǒng)的軟件部分與硬件部分相對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)選用美國(guó)國(guó)家儀器有限公司的Labview 軟件進(jìn)行編寫，該軟件是一種圖形化語(yǔ)言，適合人機(jī)交互處理，其界面友好、數(shù)據(jù)直觀、易于操作。界面包含了時(shí)域信號(hào)、頻譜、探頭損壞基元數(shù)、探頭基元衰減幅度、理論建議等部分，以探頭GE-12L為例，輸出生成檢測(cè)報(bào)告如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程圖

圖5 檢測(cè)結(jié)果報(bào)告輸出

3 系統(tǒng)測(cè)試

為了檢驗(yàn)本系統(tǒng)的快速檢測(cè)功能及效果，本文分別選取幾組不同使用年限及狀態(tài)的探頭進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)分析檢測(cè)結(jié)果評(píng)估系統(tǒng)性能。選取的探頭狀態(tài)為全新、不同年限且存在故障，選測(cè)參數(shù)為信號(hào)幅值。

3.1 新探頭幅值快速檢測(cè)

選取3 把同一品牌型號(hào)（荷蘭飛利浦L12-3 型淺表探頭）同一批次的全新探頭，使用本系統(tǒng)對(duì)3 把新探頭進(jìn)行檢測(cè)，得出的數(shù)據(jù)匯總?cè)鐖D6所示。3 把全新探頭的幅值范圍為550～575 mV，整體誤差小于0.5 dB，由此可得，3 把全新探頭的幅值數(shù)據(jù)基本一致。數(shù)據(jù)中幅值最高的陣元與幅值最低的陣元之間相差大約25 mV，整體幅值誤差小于4%。測(cè)試結(jié)果的幅值與陣元一致性符合產(chǎn)品出廠描述，有效驗(yàn)證了該系統(tǒng)的測(cè)試穩(wěn)定性和測(cè)試一致性。

圖6 3把全新探頭輸出幅值測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2 不同使用年限探頭檢測(cè)

第2 組實(shí)驗(yàn)選取3 把探頭：1 把是全新探頭、1 把是使用1年的探頭、1 把是使用3年的探頭。使用本系統(tǒng)對(duì)3 把探頭進(jìn)行測(cè)試，匯總數(shù)據(jù)如圖7所示。全新探頭和使用1年的探頭陣元整體幅值范圍為550～590 mV，其中使用1年的探頭相比全新探頭幅值衰減0.6 dB左右，幅值幾乎無(wú)衰減，探頭的一致性也與全新探頭誤差小于3%。使用3年的探頭出現(xiàn)部分陣元工作異常情況，其中有十多個(gè)陣元幅值信號(hào)衰減大于3 dB，還有十余個(gè)陣元幅值衰減大于6 dB，個(gè)別衰減大于10 dB。圖8 為使用了3年的探頭所成的超聲圖像，與圖7所示的輸出幅值結(jié)果基本一致。

圖7 3把使用不同年限的探頭檢測(cè)輸出幅值結(jié)果圖

圖8 使用了3年的探頭所成超聲圖像

3.3 完好探頭與故障探頭比較

實(shí)驗(yàn)選擇1 把新探頭與1 把待修探頭進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，檢測(cè)本機(jī)能否準(zhǔn)確判斷探頭故障，測(cè)試數(shù)據(jù)匯總?cè)鐖D9所示，完好新探頭的幅值集中在585 mV 左右，幅值誤差小于0.5 dB，一致性較高。故障探頭中三十多個(gè)陣元幅值衰減大于10 dB，可以判定為損壞；十多個(gè)陣元衰減大于3 dB，可以判定為幅值偏弱。從圖10 故障探頭所成的超聲圖像中可知，幅值衰減和陣元損壞的位置與測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果基本一一對(duì)應(yīng)。

圖9 完好新探頭與故障探頭輸出幅值測(cè)試結(jié)果圖

圖10 故障探頭所成超聲圖像

4 討論與結(jié)論

醫(yī)用超聲診斷設(shè)備以其無(wú)創(chuàng)、無(wú)輻射、方便快捷等成像特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于臨床疾病的診療中，而探頭作為超聲診斷設(shè)備的關(guān)鍵部件，其性能的好壞將直接影響成像質(zhì)量，進(jìn)而影響診療救治成效。如何快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)超聲探頭的性能狀態(tài)已經(jīng)成為臨床工程師進(jìn)行醫(yī)用超聲診斷設(shè)備質(zhì)量控制、維修維護(hù)等工作的首要任務(wù)。傳統(tǒng)及市面上常見的超聲探頭檢測(cè)系統(tǒng)主要以圖像質(zhì)量本身作為檢測(cè)對(duì)象，一方面容易受到檢測(cè)人員個(gè)體因素的影響，另一方面需要在探頭連接主機(jī)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，既需要有主機(jī)且要求主機(jī)工作正常。賈龍洋等[20]設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用了頻域分析和可視化技術(shù)，并基于超聲脈沖回波測(cè)試方法，使用示波器和個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和讀取。該系統(tǒng)主要部件基于已有的成熟設(shè)備搭建，成本較高，集成度較低。張輝等[21]設(shè)計(jì)的基于FPGA 的超聲環(huán)形探頭性能檢測(cè)系統(tǒng)主要以中心頻率、帶寬及回波靈敏度為主要檢測(cè)參數(shù)，不能全面準(zhǔn)確地反映探頭狀態(tài)。

本系統(tǒng)以FPGA 作為主控制芯片，具有高集成、低成本、可自動(dòng)檢測(cè)等特點(diǎn)。系統(tǒng)選取回波信號(hào)幅值作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)自主發(fā)出激勵(lì)信號(hào)提高檢測(cè)效率，簡(jiǎn)化了檢測(cè)操作流程，且操作簡(jiǎn)便，便于臨床工程師在多種環(huán)境及實(shí)際條件下進(jìn)行探頭性能的快速評(píng)估。該檢測(cè)系統(tǒng)可及早發(fā)現(xiàn)在超聲圖像質(zhì)量上不易被察覺的探頭晶體的微小故障點(diǎn)，一方面減少了對(duì)主機(jī)的依賴（部分維修機(jī)構(gòu)不備有全部型號(hào)超聲設(shè)備以備探頭檢測(cè)維修所用），另一方面也可有效防止因設(shè)備主機(jī)原因造成的故障誤判，再者也可減少人為因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾。同時(shí)，本系統(tǒng)具有將超聲時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)的功能，可將靈敏度、帶寬等參數(shù)進(jìn)行數(shù)字化、圖形化呈現(xiàn)，進(jìn)一步提升了性能評(píng)估的準(zhǔn)確性。

目前，為了達(dá)到簡(jiǎn)單快速的目標(biāo)，本系統(tǒng)主要選擇最能反映探頭性能狀態(tài)的幅值信號(hào)作為檢測(cè)參數(shù)，可以直觀反映晶體陣元的完好程度和性能指標(biāo)。接下來(lái)，可以根據(jù)需要增加檢測(cè)參數(shù)如中心頻率、高低端截止頻率、相對(duì)帶寬、相對(duì)脈沖回波靈敏度等的全面精細(xì)化分析，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)的快速準(zhǔn)確檢測(cè)[22-23]。同時(shí)，由于系統(tǒng)仍處于使用初級(jí)階段，實(shí)驗(yàn)的樣本量相對(duì)較少，沒有經(jīng)過(guò)大量的各異樣本驗(yàn)證，所以系統(tǒng)需要對(duì)更多不同品牌、型號(hào)、使用狀態(tài)的探頭進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證其性能的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。未來(lái)的研究可通過(guò)進(jìn)一步拓展探頭功能，提高其安全性、有效性及魯棒性，再結(jié)合超聲圖像質(zhì)量檢測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)超聲探頭性能檢測(cè)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為超聲性能全面綜合評(píng)價(jià)提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

綜上所述，本文通過(guò)對(duì)探頭陣元幅值信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并與所成超聲圖像進(jìn)行對(duì)比，準(zhǔn)確地反映了探頭陣元的故障部位、損耗程度及數(shù)量，達(dá)到了檢測(cè)故障的目的，可有效指導(dǎo)探頭性能狀態(tài)評(píng)估及協(xié)助故障維修，具有很高的實(shí)用和推廣價(jià)值。