基于凌華PCI-9846的超聲場(chǎng)自動(dòng)檢測與分析

作者
第一作者：王煒、男、1956.8.27、教授、西安交通大學(xué)生物醫學(xué)工程專(zhuān)業(yè)，現從事醫學(xué)儀器相關(guān)的研究。
主要作者：鄧允、女、1984.6.34、碩士生、蘭州大學(xué)信息學(xué)院生物醫學(xué)工程專(zhuān)業(yè)，現從事醫學(xué)電子學(xué)研究。
主要作者：李嵐、女、1986.5.6、碩士生、蘭州大學(xué)信息學(xué)院生物醫學(xué)工程專(zhuān)業(yè)，現從事醫學(xué)電子學(xué)研究。
應用領(lǐng)域
該研究為復雜醫學(xué)超聲傳感器的設計與超聲場(chǎng)自動(dòng)測量分析及參數建模領(lǐng)域
挑戰
為了適應人體組織結構的特點(diǎn)，醫學(xué)超聲換能器的設計正向復合聲場(chǎng)方面發(fā)展，復雜超聲場(chǎng)的測量與建模是業(yè)界公認的難題。傳統的超聲場(chǎng)測量信號采集效率低，不能進(jìn)行信號的自動(dòng)采集分析，更不能滿(mǎn)足復雜超聲場(chǎng)的參數評估與準確建模，制約了復雜醫用超聲換能器的設計與應用。為了適應復雜超聲換能器設計和應用的要求，迫切需要研究一種適合復雜超聲場(chǎng)信號的自動(dòng)檢測與分析系統，以解決復雜超聲場(chǎng)的計算建模及實(shí)際測量中存在的諸多困難。

解決方案
以凌華科技PCI-9846高速數字化儀為中心，組合前置放大器與水聽(tīng)器，用LabVIEW開(kāi)發(fā)高效聲場(chǎng)信號采集系統，通過(guò)高效的數據采集模塊，將三維聲場(chǎng)的聲壓數據實(shí)時(shí)顯示和保存。設計、制作步進(jìn)電機驅動(dòng)的四軸精密工業(yè)機器人系統，開(kāi)發(fā)自動(dòng)控制與自動(dòng)測量系統，實(shí)現超聲場(chǎng)任意部位的立體定位，實(shí)現機器人測量點(diǎn)自動(dòng)定位控制和數據采集之間的協(xié)調。開(kāi)發(fā)聲場(chǎng)測量數據的回放及多功能綜合分析系統，可視化顯示結果。

1.應用背景
醫用超聲診斷和治療設備已經(jīng)成為醫療衛生事業(yè)中不可或缺的組成，尤其是對患者的健康生活起著(zhù)重要的作用。在超聲診斷和治療中都離不開(kāi)超聲換能器這一重要的器件。因此對其聲場(chǎng)特性和頻率等性能的準確測定，需要引起超聲設備研究人員和換能器生產(chǎn)單位的足夠重視?，F在國內對聲換能器性能的全面測試還沒(méi)有普及，尤其是與國外產(chǎn)品相比，有的制造者不能對其生產(chǎn)的換能器提供可靠的性能數據，價(jià)格，性能，穩定程度的差距不小，成為國內超聲換能器設備研制和生產(chǎn)工藝的瓶頸[1]。

面對復雜的醫療臨床要求，超聲設備對換能器的選型和設計的要求也越來(lái)越高，而在使用過(guò)程中，由于壓電材料自身的特性和其它原因，如溫度變化大，保存不規范和操作失誤等，有可能使換能器性能受損。如果在這種不知情的情況下繼續使用，容易造成醫療事故和漏檢等，其治療和診斷效果的可靠性都很難保證，帶來(lái)的后果和損失也不堪設想，因此急需設計合理檢測超聲換能器聲場(chǎng)特性的系統和方案。超聲的物理特性研究是超聲生物效應研究的基礎，隨著(zhù)超聲技術(shù)應用更廣泛，目前國內外開(kāi)展了許多對超聲輻射的生物效應的研究課題，特別是如換能器頻率，輸出功率，輻射時(shí)間等是如何與組織相互作用的，這方面取得了很多的研究成果，超聲輻射場(chǎng)的特性也倍受人們的重視。雖然超聲工程中各種新技術(shù)不斷發(fā)展，但是可視化成像技術(shù)和計算機應用仍然是醫學(xué)超聲工程中的薄弱緩解，因此需要在硬件設備和軟件開(kāi)發(fā)的基礎上自主創(chuàng )新，加快超聲場(chǎng)的測量和建模仿真的研究。

生物醫學(xué)超聲工程中對超生輻射聲場(chǎng)特性的研究，主要包括兩個(gè)方面：一方面開(kāi)發(fā)基于計算機輔助計算的仿真軟件上，另一方面研究進(jìn)行超聲實(shí)際測量的多功能系統。目前生物醫學(xué)超聲的自動(dòng)檢測系統還不多見(jiàn)，超聲的自動(dòng)檢測主要是應用于工業(yè)探傷檢測，如浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)的無(wú)損檢測工藝制定專(zhuān)家系統(CAPPNDT) [2]，冶金部壓力容器檢測站研制的無(wú)損檢測的專(zhuān)用軟件NDTS[3]等，將機電一體化的自動(dòng)控制技術(shù)應用于超聲信號的采集，量化處理的研制。雖然目前針對醫療超聲技術(shù)應用的超聲測量和仿真系統的理論研究還鮮見(jiàn)報道，但也有一些公司研發(fā)相關(guān)的超聲醫療設備，如fluke的Sonora超聲聲場(chǎng)檢測系統等。
　　　
2.面臨的問(wèn)題
雖然目前對超聲換能器聲場(chǎng)性能的測量進(jìn)行了許多研究工作，但是測量過(guò)程中普遍使用示波器人工方法，效率低，機械化程度差，人為誤差大，嚴重影響了檢測結果的精確性和可信性。隨著(zhù)超聲設備在醫學(xué)診斷和治療中的應用越來(lái)越廣泛，對超聲換能器的功能要求更多元化和精確化。

為了適應人體組織結構的特點(diǎn)，醫學(xué)超聲換能器的設計正向復合聲場(chǎng)方面發(fā)展，復雜超聲場(chǎng)的測量與建模是業(yè)界公認的難題。特別對于組合陣列換能器和復頻率換能器的設計和測試評估中，通過(guò)先進(jìn)的超聲場(chǎng)自動(dòng)檢測技術(shù)可以節省檢測時(shí)間和經(jīng)費；另外，由于醫療應用中傳播超聲的介質(zhì)是生理材料，具有特殊性如非均質(zhì)和各向異性的需要，對超聲波診斷和治療中換能器使用的方案和參數設計提出了更高的要求，因此，必須對超聲換能器發(fā)射聲場(chǎng)的物理作用作深入的研究。傳統的超聲場(chǎng)測量信號采集效率低，不能進(jìn)行信號的自動(dòng)采集分析，更不能滿(mǎn)足復雜超聲場(chǎng)的參數評估與準確建模，制約了復雜醫用超聲換能器的設計與應用。為了適應復雜超聲換能器設計和應用的要求，迫切需要研究一種適合復雜超聲場(chǎng)信號的自動(dòng)檢測與分析系統，以解決復雜超聲場(chǎng)的計算建模及實(shí)際測量中存在的諸多困難。

3. 解決方案
本文設計和開(kāi)發(fā)以凌華科技PCI-9846高速數字化儀為信息采集中心，組合前置放大器與檢測傳感器，用LabVIEW開(kāi)發(fā)高效聲場(chǎng)信號自動(dòng)采集與分析系統，通過(guò)高效的數據采集模塊，將三維聲場(chǎng)的聲壓數據實(shí)時(shí)顯示和保存。設計、制作步進(jìn)電機驅動(dòng)的四軸精密工業(yè)機器人系統，開(kāi)發(fā)自動(dòng)控制與自動(dòng)測量系統，實(shí)現超聲場(chǎng)任意部位的立體定位與數據采集之間的協(xié)調。開(kāi)發(fā)聲場(chǎng)測量數據的回放及多功能綜合分析系統，可視化結果顯示。實(shí)現超聲換能器性能指標的快速準確地測量，并建立超聲輻射場(chǎng)的建模仿真分析系統，以減輕測量人員的勞動(dòng)強度，縮短計量檢定的工作時(shí)間，提高超聲換能器設計和使用的規范化，標準化和結果的可信度。

3.1 超聲信號采集與分析
1）信號采集單元：超聲信號采集以高速數據采集卡為中心，聯(lián)合前置放大器與信號采集傳感器，再經(jīng)計算機平臺的信號采集軟件實(shí)現信號的采集。

在超聲信號采集中，使用寬帶靈敏度較好的水聽(tīng)器接收微伏級的電壓信號，然后采用帶通濾波選擇采集的頻率范圍，再經(jīng)前置放大器放大后進(jìn)預處理，由高速數據采集卡A/D轉換輸入計算機中保存和顯示。采集過(guò)程中，采樣頻率和帶寬是重要指標。帶寬一般是取頻率譜的-3dB帶寬，或者功率譜上的半功率點(diǎn)為信號帶寬。超聲信號采集的帶寬直接影響整個(gè)設備的總分辨率，靈敏度和信噪比等。帶寬范圍大可以使接收到的信號頻譜豐富，高頻分量丟失小，波形失真小。在醫用超聲設備中，要盡量利用超聲發(fā)射和接收換能器帶寬，提高分辨力，同時(shí)又具有較高靈敏度和信噪比，使發(fā)射和采集電路的帶寬要大于超聲換能器的帶寬[4]。采集的信號頻譜確定在5M以下。信號采集方案原理圖見(jiàn)圖3-1。
　　　　　　
　　
　　　　　　　　　　　　圖3-1 超聲信號自動(dòng)采集方案原理框圖
2）主要設備選型

高速數據采集卡采用凌華科技科技高速高分辨數字化儀PCI-9846H，它具有4通道16位高精度、40MS/s的采樣率，具有低噪音及高動(dòng)態(tài)范圍性能，信號采集精度及密度高，可廣泛應用與中頻信號、雷達應用、光達應用、超聲波信號以及無(wú)損傷檢測方面。該數字化儀完全可以滿(mǎn)足應用需求。

水聽(tīng)器選用海鷹ZS-500型針式水聽(tīng)器頻率響應范圍100K-5M。常用的超聲信號采集傳感器有PVDF薄膜型和針式水聽(tīng)器[5]，由于薄膜型水聽(tīng)器在空間分辨率低，而且存在邊緣效應，受溫度限制等特點(diǎn)，本研究測量方法是高密度逐點(diǎn)自動(dòng)掃描法，因此選擇針式水聽(tīng)器作為信號采集傳感器，直徑小于1mm，具有靈敏度高等特點(diǎn)。前置放大器選用鵬翔科技PXPA Ⅳ聲信號采集放大器，該放大器帶寬范圍為15k-2M、低噪音增益40dB，完全可以滿(mǎn)足超聲信號采集的前置放大要求。

3）超聲信號分析

對超聲瞬態(tài)的時(shí)域信號進(jìn)行頻譜分析時(shí)，保證信號處理中不會(huì )發(fā)生失真。為了減弱有限采樣長(cháng)度的超聲波信號造成“泄露”現象，可以通過(guò)加時(shí)間窗函數的方法，有效防止頻譜混疊，還可以抑制噪聲，提高頻率識別能力。調節超聲發(fā)射換能器和水聽(tīng)器的距離，保持換能器軸線(xiàn)和回波聲束共軸；調整表面回波信號的采樣頻率和采樣點(diǎn)數，經(jīng)過(guò)模擬數字數據離散處理，對采樣的點(diǎn)數進(jìn)行FFT轉換；根據測得的波形幅度數據，經(jīng)處理后，畫(huà)出負載的頻率響應曲線(xiàn)；計算超聲換能器的頻率特性參數，如中心頻率。測量聲場(chǎng)的關(guān)鍵參數包括聲壓，聲強和聲焦域等，相應描述聲場(chǎng)的基本形式主要有軸線(xiàn)聲壓曲線(xiàn)圖，焦平面徑向聲壓曲線(xiàn)圖，焦平面聲場(chǎng)。在聲場(chǎng)測量中會(huì )生成海量的數據，需要利用可視化技術(shù)。該技術(shù)將復雜的計算和仿真結果用具體形象的圖形方式表示，加深了對數據的理解和規律分析，提高了處理效率，可以分析試驗過(guò)程的變化，LabVIEW可視化技術(shù)為復雜超聲換能器的分析和設計提供了有力的工具[6]。
　　　
3.2 超聲場(chǎng)自動(dòng)測量定位
整個(gè)測量過(guò)程的控制和測量點(diǎn)的定位是由一個(gè)成都海葳科技直角坐標機器人完成，其中將運動(dòng)控制和數據采集模塊有機地聯(lián)系在一起，一方面控制機械臂帶動(dòng)水聽(tīng)器作自動(dòng)掃描運動(dòng)，另一方面控制信號采集模塊采集信號，并對采集的數據進(jìn)行后處理和可視化顯示。整個(gè)自動(dòng)控制平臺是用LabVIEW系統開(kāi)發(fā)，結合控制和測量的硬件，建立人機交互界面，完成對硬件的控制，數據分析和顯示。自動(dòng)測量控制平臺的結構見(jiàn)圖3-2。

根據超聲輻射場(chǎng)測量和分析的需要，分為測量模塊和分析模塊。測量功能模塊包含有上位機控制平臺和數據實(shí)時(shí)處理平臺。在綜合分析平臺中根據聲場(chǎng)描述的需要，將采集到的電信號，轉換成聲壓或聲強值，并且將轉換的值投影到對應的采集區域，采用可視化技術(shù)直觀(guān)顯示聲場(chǎng)分布的變化規律。

進(jìn)行自動(dòng)測量最主要的是運動(dòng)控制模塊，數據采集控制模塊。運動(dòng)控制模塊和采集模塊的功能是與下位機DMC2410四軸運動(dòng)卡和信號采集單元通訊，通過(guò)硬件組件提供的動(dòng)態(tài)連接庫DLL，向運動(dòng)控制卡和數字示波器發(fā)送或提取需要的信息，驅動(dòng)X(jué)、Y、Z軸步進(jìn)電機運動(dòng)，達到快速準確測量的目的。因此該模塊的一端與硬件提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫的DLL相連，能夠從硬件系統中獲得軟件系統所需要的信息，如超聲接收傳感器的位置信息，即機器人X、Y、Z 軸的位置坐標，和采集到的超聲波信息，并把信息進(jìn)行基礎的處理后傳送給顯示輸出模塊進(jìn)行顯示和輸出，其原理框圖如下圖3-3所示。在進(jìn)行數據結構和軟件框架的設計上，要考慮人機界面友好，硬件控制和糾錯功能要完善，還包括數據顯示模塊，數據可視化模塊等。
　　
　　圖3-3 精密機器人數據處理流程圖

4．系統功能實(shí)現
系統功能按照上述設計方案全部實(shí)現，按自動(dòng)采集定位控制及信號采集分析分別分兩步實(shí)現。根據實(shí)際測量的需要，根據功能不同分為四個(gè)部分，水聽(tīng)器定位，單軸掃描，三維掃描和聲譜分析控制平臺。

數據采集模塊是該系統的核心，該模塊的開(kāi)發(fā)要首先下載凌華科技科技提供的PCI-9846H相關(guān)的LabVIEW支持函數庫，并加載到LabVIEW工具庫中（見(jiàn)圖4-1），然后可以很方便的與原工具一樣編制采集程序。實(shí)現了4通道數據的高速采集模塊，并實(shí)現了該模塊內置的在線(xiàn)觀(guān)察預處理功能，如多參數濾波器、功率譜、頻譜分析與幅值、頻率等參數的測量（見(jiàn)圖4-2）。同時(shí)該模塊還實(shí)現了多種時(shí)域、高階譜、短時(shí)傅里葉變化與小波等分析方法，可以對采集到的信號根據需要進(jìn)行以上預處理，并進(jìn)行同步三維顯示，然后傳到后面的三維聲場(chǎng)自動(dòng)分析模塊進(jìn)行建模分析。該模塊可以作為單獨的4通道超聲信號采集與分析使用，可以將數據以文本、數據文件格式存儲，也可以將存儲的數據回放分析。將該模塊作為一個(gè)LabVIEW超聲信號采集類(lèi)使用，將其植入相應的數據節點(diǎn)，用于后面的綜合分析。

　　
　　 圖4-1.加載了凌華科技PCI-9846 支持函數庫的LabVIEW工具欄
　　
　　
　　 圖4-2 超聲4通道信號采集與分析基本模塊界面
　　
實(shí)現直線(xiàn)掃描運動(dòng)控制，平面掃描運動(dòng)控制，和三軸立體掃描空間運動(dòng)控制，以一步一停的運動(dòng)方式逐點(diǎn)采集數據?？梢钥焖賹鞲衅饕苿?dòng)到需要采集的區域，然后從以上信號采集功能模塊的數據節點(diǎn)讀取數據，觀(guān)察傳感器所在位置的電信號變化，并定量判斷該點(diǎn)的聲壓值。聲場(chǎng)自動(dòng)定位定位功能模塊的參數控制面板見(jiàn)圖4-3。
　　　
　　　　　　　　　　　　　　圖4-3 聲場(chǎng)測量自動(dòng)定位單軸掃描測試面板圖
單軸掃描，三維掃描和聲譜分析軟件，是測量聲場(chǎng)空間分布和時(shí)頻特性的專(zhuān)用軟件。單軸掃描可以顯示在X，Y，Z方向上每個(gè)測量點(diǎn)的聲壓或聲強沿直線(xiàn)方向的分布曲線(xiàn)圖，通過(guò)與設計的各軸向聲場(chǎng)分布理論值比較，可快速對超聲換能器的性能作出評估。