基于凌華PCI-9846的超聲場自動檢測與分析

作者
第一作者：王煒、男、1956.8.27、教授、西安交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，現(xiàn)從事醫(yī)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(yī)學(xué)工程專業(yè)，現(xiàn)從事醫(yī)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(yī)學(xué)工程專業(yè)，現(xiàn)從事醫(yī)學(xué)電子學(xué)研究。
應(yīng)用領(lǐng)域
該研究為復(fù)雜醫(yī)學(xué)超聲傳感器的設(shè)計與超聲場自動測量分析及參數(shù)建模領(lǐng)域
挑戰(zhàn)
為了適應(yīng)人體組織結(jié)構(gòu)的特點，醫(yī)學(xué)超聲換能器的設(shè)計正向復(fù)合聲場方面發(fā)展，復(fù)雜超聲場的測量與建模是業(yè)界公認的難題。傳統(tǒng)的超聲場測量信號采集效率低，不能進行信號的自動采集分析，更不能滿足復(fù)雜超聲場的參數(shù)評估與準(zhǔn)確建模，制約了復(fù)雜醫(yī)用超聲換能器的設(shè)計與應(yīng)用。為了適應(yīng)復(fù)雜超聲換能器設(shè)計和應(yīng)用的要求，迫切需要研究一種適合復(fù)雜超聲場信號的自動檢測與分析系統(tǒng)，以解決復(fù)雜超聲場的計算建模及實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(shù)字化儀為中心，組合前置放大器與水聽器，用LabVIEW開發(fā)高效聲場信號采集系統(tǒng)，通過高效的數(shù)據(jù)采集模塊，將三維聲場的聲壓數(shù)據(jù)實時顯示和保存。設(shè)計、制作步進電機驅(qū)動的四軸精密工業(yè)機器人系統(tǒng)，開發(fā)自動控制與自動測量系統(tǒng)，實現(xiàn)超聲場任意部位的立體定位，實現(xiàn)機器人測量點自動定位控制和數(shù)據(jù)采集之間的協(xié)調(diào)。開發(fā)聲場測量數(shù)據(jù)的回放及多功能綜合分析系統(tǒng)，可視化顯示結(jié)果。

1.應(yīng)用背景
醫(yī)用超聲診斷和治療設(shè)備已經(jīng)成為醫(yī)療衛(wèi)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重要的作用。在超聲診斷和治療中都離不開超聲換能器這一重要的器件。因此對其聲場特性和頻率等性能的準(zhǔn)確測定，需要引起超聲設(shè)備研究人員和換能器生產(chǎn)單位的足夠重視?，F(xiàn)在國內(nèi)對聲換能器性能的全面測試還沒有普及，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(shù)據(jù)，價格，性能，穩(wěn)定程度的差距不小，成為國內(nèi)超聲換能器設(shè)備研制和生產(chǎn)工藝的瓶頸[1]。

面對復(fù)雜的醫(yī)療臨床要求，超聲設(shè)備對換能器的選型和設(shè)計的要求也越來越高，而在使用過程中，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(guī)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(xù)使用，容易造成醫(yī)療事故和漏檢等，其治療和診斷效果的可靠性都很難保證，帶來的后果和損失也不堪設(shè)想，因此急需設(shè)計合理檢測超聲換能器聲場特性的系統(tǒng)和方案。超聲的物理特性研究是超聲生物效應(yīng)研究的基礎(chǔ)，隨著超聲技術(shù)應(yīng)用更廣泛，目前國內(nèi)外開展了許多對超聲輻射的生物效應(yīng)的研究課題，特別是如換能器頻率，輸出功率，輻射時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(yīng)用仍然是醫(yī)學(xué)超聲工程中的薄弱緩解，因此需要在硬件設(shè)備和軟件開發(fā)的基礎(chǔ)上自主創(chuàng)新，加快超聲場的測量和建模仿真的研究。

生物醫(yī)學(xué)超聲工程中對超生輻射聲場特性的研究，主要包括兩個方面：一方面開發(fā)基于計算機輔助計算的仿真軟件上，另一方面研究進行超聲實際測量的多功能系統(tǒng)。目前生物醫(yī)學(xué)超聲的自動檢測系統(tǒng)還不多見，超聲的自動檢測主要是應(yīng)用于工業(yè)探傷檢測，如浙江大學(xué)開發(fā)的無損檢測工藝制定專家系統(tǒng)(CAPPNDT) [2]，冶金部壓力容器檢測站研制的無損檢測的專用軟件NDTS[3]等，將機電一體化的自動控制技術(shù)應(yīng)用于超聲信號的采集，量化處理的研制。雖然目前針對醫(yī)療超聲技術(shù)應(yīng)用的超聲測量和仿真系統(tǒng)的理論研究還鮮見報道，但也有一些公司研發(fā)相關(guān)的超聲醫(yī)療設(shè)備，如fluke的Sonora超聲聲場檢測系統(tǒng)等。
　　　
2.面臨的問題
雖然目前對超聲換能器聲場性能的測量進行了許多研究工作，但是測量過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(jié)果的精確性和可信性。隨著超聲設(shè)備在醫(yī)學(xué)診斷和治療中的應(yīng)用越來越廣泛，對超聲換能器的功能要求更多元化和精確化。

為了適應(yīng)人體組織結(jié)構(gòu)的特點，醫(yī)學(xué)超聲換能器的設(shè)計正向復(fù)合聲場方面發(fā)展，復(fù)雜超聲場的測量與建模是業(yè)界公認的難題。特別對于組合陣列換能器和復(fù)頻率換能器的設(shè)計和測試評估中，通過先進的超聲場自動檢測技術(shù)可以節(jié)省檢測時間和經(jīng)費；另外，由于醫(yī)療應(yīng)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(shù)設(shè)計提出了更高的要求，因此，必須對超聲換能器發(fā)射聲場的物理作用作深入的研究。傳統(tǒng)的超聲場測量信號采集效率低，不能進行信號的自動采集分析，更不能滿足復(fù)雜超聲場的參數(shù)評估與準(zhǔn)確建模，制約了復(fù)雜醫(yī)用超聲換能器的設(shè)計與應(yīng)用。為了適應(yīng)復(fù)雜超聲換能器設(shè)計和應(yīng)用的要求，迫切需要研究一種適合復(fù)雜超聲場信號的自動檢測與分析系統(tǒng)，以解決復(fù)雜超聲場的計算建模及實際測量中存在的諸多困難。

3. 解決方案
本文設(shè)計和開發(fā)以凌華科技PCI-9846高速數(shù)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開發(fā)高效聲場信號自動采集與分析系統(tǒng)，通過高效的數(shù)據(jù)采集模塊，將三維聲場的聲壓數(shù)據(jù)實時顯示和保存。設(shè)計、制作步進電機驅(qū)動的四軸精密工業(yè)機器人系統(tǒng)，開發(fā)自動控制與自動測量系統(tǒng)，實現(xiàn)超聲場任意部位的立體定位與數(shù)據(jù)采集之間的協(xié)調(diào)。開發(fā)聲場測量數(shù)據(jù)的回放及多功能綜合分析系統(tǒng)，可視化結(jié)果顯示。實現(xiàn)超聲換能器性能指標(biāo)的快速準(zhǔn)確地測量，并建立超聲輻射場的建模仿真分析系統(tǒng)，以減輕測量人員的勞動強度，縮短計量檢定的工作時間，提高超聲換能器設(shè)計和使用的規(guī)范化，標(biāo)準(zhǔn)化和結(jié)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(shù)據(jù)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現(xiàn)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預(yù)處理，由高速數(shù)據(jù)采集卡A/D轉(zhuǎn)換輸入計算機中保存和顯示。采集過程中，采樣頻率和帶寬是重要指標(biāo)。帶寬一般是取頻率譜的-3dB帶寬，或者功率譜上的半功率點為信號帶寬。超聲信號采集的帶寬直接影響整個設(shè)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(yī)用超聲設(shè)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圖3-1。
　　　　　　
　　
　　　　　　　　　　　　圖3-1 超聲信號自動采集方案原理框圖
2）主要設(shè)備選型

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

水聽器選用海鷹ZS-500型針式水聽器頻率響應(yīng)范圍100K-5M。常用的超聲信號采集傳感器有PVDF薄膜型和針式水聽器[5]，由于薄膜型水聽器在空間分辨率低，而且存在邊緣效應(yīng)，受溫度限制等特點，本研究測量方法是高密度逐點自動掃描法，因此選擇針式水聽器作為信號采集傳感器，直徑小于1mm，具有靈敏度高等特點。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)的時域信號進行頻譜分析時，保證信號處理中不會發(fā)生失真。為了減弱有限采樣長度的超聲波信號造成“泄露”現(xiàn)象，可以通過加時間窗函數(shù)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(diào)節(jié)超聲發(fā)射換能器和水聽器的距離，保持換能器軸線和回波聲束共軸；調(diào)整表面回波信號的采樣頻率和采樣點數(shù)，經(jīng)過模擬數(shù)字數(shù)據(jù)離散處理，對采樣的點數(shù)進行FFT轉(zhuǎn)換；根據(jù)測得的波形幅度數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后，畫出負載的頻率響應(yīng)曲線；計算超聲換能器的頻率特性參數(shù)，如中心頻率。測量聲場的關(guān)鍵參數(shù)包括聲壓，聲強和聲焦域等，相應(yīng)描述聲場的基本形式主要有軸線聲壓曲線圖，焦平面徑向聲壓曲線圖，焦平面聲場。在聲場測量中會生成海量的數(shù)據(jù)，需要利用可視化技術(shù)。該技術(shù)將復(fù)雜的計算和仿真結(jié)果用具體形象的圖形方式表示，加深了對數(shù)據(jù)的理解和規(guī)律分析，提高了處理效率，可以分析試驗過程的變化，LabVIEW可視化技術(shù)為復(fù)雜超聲換能器的分析和設(shè)計提供了有力的工具[6]。
　　　
3.2 超聲場自動測量定位
整個測量過程的控制和測量點的定位是由一個成都海葳科技直角坐標(biāo)機器人完成，其中將運動控制和數(shù)據(jù)采集模塊有機地聯(lián)系在一起，一方面控制機械臂帶動水聽器作自動掃描運動，另一方面控制信號采集模塊采集信號，并對采集的數(shù)據(jù)進行后處理和可視化顯示。整個自動控制平臺是用LabVIEW系統(tǒng)開發(fā)，結(jié)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(shù)據(jù)分析和顯示。自動測量控制平臺的結(jié)構(gòu)見圖3-2。

根據(jù)超聲輻射場測量和分析的需要，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(shù)據(jù)實時處理平臺。在綜合分析平臺中根據(jù)聲場描述的需要，將采集到的電信號，轉(zhuǎn)換成聲壓或聲強值，并且將轉(zhuǎn)換的值投影到對應(yīng)的采集區(qū)域，采用可視化技術(shù)直觀顯示聲場分布的變化規(guī)律。

進行自動測量最主要的是運動控制模塊，數(shù)據(jù)采集控制模塊。運動控制模塊和采集模塊的功能是與下位機DMC2410四軸運動卡和信號采集單元通訊，通過硬件組件提供的動態(tài)連接庫DLL，向運動控制卡和數(shù)字示波器發(fā)送或提取需要的信息，驅(qū)動X、Y、Z軸步進電機運動，達到快速準(zhǔn)確測量的目的。因此該模塊的一端與硬件提供的動態(tài)鏈接庫的DLL相連，能夠從硬件系統(tǒng)中獲得軟件系統(tǒng)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(biāo)，和采集到的超聲波信息，并把信息進行基礎(chǔ)的處理后傳送給顯示輸出模塊進行顯示和輸出，其原理框圖如下圖3-3所示。在進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和軟件框架的設(shè)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(shù)據(jù)顯示模塊，數(shù)據(jù)可視化模塊等。
　　
　　圖3-3 精密機器人數(shù)據(jù)處理流程圖

4．系統(tǒng)功能實現(xiàn)
系統(tǒng)功能按照上述設(shè)計方案全部實現(xiàn)，按自動采集定位控制及信號采集分析分別分兩步實現(xiàn)。根據(jù)實際測量的需要，根據(jù)功能不同分為四個部分，水聽器定位，單軸掃描，三維掃描和聲譜分析控制平臺。

數(shù)據(jù)采集模塊是該系統(tǒng)的核心，該模塊的開發(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(shù)庫，并加載到LabVIEW工具庫中（見圖4-1），然后可以很方便的與原工具一樣編制采集程序。實現(xiàn)了4通道數(shù)據(jù)的高速采集模塊，并實現(xiàn)了該模塊內(nèi)置的在線觀察預(yù)處理功能，如多參數(shù)濾波器、功率譜、頻譜分析與幅值、頻率等參數(shù)的測量（見圖4-2）。同時該模塊還實現(xiàn)了多種時域、高階譜、短時傅里葉變化與小波等分析方法，可以對采集到的信號根據(jù)需要進行以上預(yù)處理，并進行同步三維顯示，然后傳到后面的三維聲場自動分析模塊進行建模分析。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(shù)據(jù)以文本、數(shù)據(jù)文件格式存儲，也可以將存儲的數(shù)據(jù)回放分析。將該模塊作為一個LabVIEW超聲信號采集類使用，將其植入相應(yīng)的數(shù)據(jù)節(jié)點，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(shù)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
　　
實現(xiàn)直線掃描運動控制，平面掃描運動控制，和三軸立體掃描空間運動控制，以一步一停的運動方式逐點采集數(shù)據(jù)?？梢钥焖賹鞲衅饕苿拥叫枰杉膮^(qū)域，然后從以上信號采集功能模塊的數(shù)據(jù)節(jié)點讀取數(shù)據(jù)，觀察傳感器所在位置的電信號變化，并定量判斷該點的聲壓值。聲場自動定位定位功能模塊的參數(shù)控制面板見圖4-3。
　　　
　　　　　　　　　　　　　　圖4-3 聲場測量自動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，是測量聲場空間分布和時頻特性的專用軟件。單軸掃描可以顯示在X，Y，Z方向上每個測量點的聲壓或聲強沿直線方向的分布曲線圖，通過與設(shè)計的各軸向聲場分布理論值比較，可快速對超聲換能器的性能作出評估。