（测试计量技术及仪器专业论文）便携式软组织特性超声测试系统.pdf

中文摘要 本课题的目的是设计一个便携式的软组织特性超声测试系统，通过超声探头 和压力传感器构成的组合传感器，提取出软组织的厚度和弹性信息。其中对弹性 的检测是本系统的难点。超声软组织弹性定征的基本方法是利用超声回波考察软 组织在外力作用下的形变来估计软组织的弹性参数。 软组织的形变信息是通过超声回波延迟时间得到的。有很多种算法可以对超 声回波延迟时间进行估计。我们搭建了一个超声形变检测和标定系统，并通过大 量的实验，来比较几种算法的运算精度和运行速度。最后选取出两种最优的算法： 直接互相关法和s s d 算法，系统最终采用的是直接互相关法。 在硬件上，在上届师姐的基础上，改进了超声探头的激励和接收电路；设计 了压力传感器电路；改进了超声、压力信号的采集电路及d s p 电路。并将电源 模块、电路板、传感器集成安装到便于携带的一个盒子里。 设计了系统的软件部分，通过对超声、压力两路信号的处理，得到了软组织 的厚度和弹性参数。软件具有良好的人机接口。 最后，以猪的肌肉组织为样本对系统的精度进行了标定。系统测量形变的最 大误差为1 3 2 i _ t m ，测量厚度的最大误差为1 4 4 1 a m 。并用该系统检测了几种软组织 的弹性参数。 关键词：超声，互相关，软组织，厚度，弹性，d s p a b s t r a c t t h ea i mo ft h et h e s i si st od e s i g nap o r t a b l eu l t r a s o n i ct e s t i n gs y s t e mf o rs o f t t i s s u ep r o p e r t i e s t h es y s t e me x t r a c t st h et h i c k n e s sa n de l a s t i c i t yo fs o f tt i s s u e 、v i t h t h es e n s o rw h i c hc o m b i n e sa l lu l t r a s o n i cp r o b ea n dap r e s s u r es e n s o r t h ed i f f i c u l t yo f t h es y s t e mi st h et e s t i n go fe l a s t i c i t y , o fw h i c ht h eg e n e r a lm e t h o di st oo b t a i ne l a s t i c p a r a m e t e rb ye g i m a t i n gt h ed e f o r m a t i o no f s o f tt i s s u eu n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r e t h ed e f o r m a t i o ni n f o r m a t i o ni so b t a i n e df r o mu l t r a s o n i ce c h ot i m ed e l a y ：a s t h e r ea r em a n ya l g o r i t h m sf o rt i m ed e l a ye s t i m a t i o n , w ed e s i g n e da l lu l t r a s o n i c d e f o r m a t i o nt e s t i n ga n dc a l i b r a t i n gs y s t e ma n dd i dc o n s i d e r a b l ee x p e r i m e n t st o c o m p a r et h ea c c u r a c ya n ds p e e do fs e v e r a la l g o r i t h m s ，t w oo fw h i c h d i r e c t c o r r e l a t i o na n ds s dw e r es e l e c t e d d i r e c tc o r r e l a t i o na l g o r i t h mw a sa d o p t e di no u r s y s t e me v e n t u a l l y t h ed e s i g no f t h es y s t e m sh a r d w a r ei sb a s e do nt h ew o r ko f af o r m e rg r a d u a t e i i m p r o v e dt h eu l t r a s o u n de m i t t i n ga n dr e c e i v i n gc i r c u i t s ，d e s i g n e dt h ec i r c u i tf o r p r e s s u r es e n s o la n di m p r o v e dt h ed s pc i r c u i ta n da du n i tf o r u l t r a s o u n da n d p r e s s u r es i g n a l s t h es y s t e m sp o w e r , t h ec i r c u i t sa n dt h ec o m b i n e d s e n s o rw e r e i n t e g r a t e di n t oap o r t a b l eb o x t h es y s t e m ss o f t w a r ei m p l e m e n t e di nd s ph a sg o o du s e ri n t e r f a c e ，o b t a i n st h e t h i c k n e s sa n de l a s t i cp a r a m e t e rb yp r o c e s s i n gt h e u l t r a s o u n da n dp r e s s u r es i g n a l f i n a l l y , t h es y s t e mw a sc a l i b r a t e du s i n gp i g sm u s c l ea ss p e c i m e n ，w h i c hs h o w e d t h em a x i m a ld e v i a t i o no fm e a s u r i n gd e f o r m a t i o ni s1 3 2 1 a m ，a n dt h em a x i m a l d e v i a t i o no fm e a s u r i n gt h i c k n e s si s1 4 4 1 x m a n dt h ee l a s t i cp a r a m e t e ro fs e v e r a ls o f t t i s s u e sw e r et e s t e dw i t ht h es y s t e m k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c ，c o n c i s i o n ，s o f tt i s s u e ，t h i c k n e s s ，e l a s t i c i t y , d s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤生盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：量 星缓 签字日期：? p ，多年，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁注盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 羹理缓 导师签名 签字日期：2 卯多年月占日签字日期：d ：涮年，月彦日 天津人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 生物软组织的力学特性有与时间有关的，比如粘弹性；也有与方向有关的， 比如各向异性。组织学上讲，生物组织按不同的层排列，不同层的特性是不一样 的。测定的条件不同，比如被测体是活体或标本，是否原地测试等，它们的特性 也不同。 研究表明，很多疾病都能引起组织硬度或弹性的变化。例如，癌症通常表 现为组织硬块；过多的脂肪或骨胶原会使组织的弹性系数增大或减小；一些囊肿 呈现出十分柔软的结构；此外像肝硬化这样的疾病也会使得肝的弹性系数发生明 显的变化。由于对活体评定缺乏定量的生物力学工具，在临床诊断中测量软组织 的硬度时，依然广泛使用触诊的方法。触诊有很大局限性，一方面它受大夫经验 的影响，另一方面，当肿块太小或埋藏太深时，这种方法就无能为力了。 自从六十年代超声成像技术首次应用于医学临床以来，由于其无损无创、 无痛苦、无辐射、对软组织鉴别力高等特点，不仅大大拓展了现代医学诊断的 手段和能力，也使其自身得到了迅猛发展。常规的以“实时”、“灰阶”、“图像重 建”为代表的超声成像技术，提取超声回波的幅度信息作为成像的依据，反映的 是人体组织的超声反射特性。但事实上，人体组织的声学特性是非常丰富的。 超声回波中所蕴含的人体组织信息，除了反射系数，还有声速、衰减系数、散 射系数、弹性系数以及非线性参量等。【l 】 七十年代以后，超声组织定征( u l t r a s o n i ct i s s u ec h a r a c t e r i z a t i o n ) 技术得 到了普遍的重视。它是研究生物组织各种声学参量的数值范围和测量方法，以及 这些参量与组织的生理病理状态和组织构成的对应关系的技术的总称【1 1 。超声组 织定征的参量很多，其中对声速、衰减系数的研究比较早，取得了比较令人满意 的结果 2 1 1 3 1 。进入九十年代，有一些研究小组开始把注意力转移到超声组织弹性 定征上来，试图通过信号处理的方法，从超声散射回波中提取出组织的弹性信息， 甚至于能对弹性系数成像。1 2 组织弹性的改变通常是与一些疾病相关联的。比如说癌症，它通常表现为极 其硬的肿块。有些情况下，这种弹性的变化是可以用常规的b 型超声方法检测 出来的。但在有些情况下，这种硬度的不同却不会在b 超图像上区分出来。比 如弥散性的肝硬化以及充满着复杂液体的囊泡性病变，组织声阻抗变化不明显， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 就不能用常规的b 超方法检测。 3 , 4 1 为此人们一直在试图寻找一种现代的技术方法来检测这些疾病，甚至于能对 组织的弹性进行一些定量测量。比如，通过测量胎儿肺部的弹性可以确定其成熟 状况；另外，定量测量运动员的肌肉伸缩弹性可以用来指导训练等。因此，它将 会在疾病诊断、优生优育以及运动医学等各种领域发挥其应有的作用。p j 这种采用现代的技术方法来检测某些和组织弹性有关的疾病，甚至于能对弹 性进行定量测量，是弹性定征技术希望实现的目标。弹性定征技术在扩大超声成 像的应用范围方面，以及在医学临床诊断方面，都有着十分重要的意义。 本项目的目的是开发一种超声诊断系统来评定软组织的厚度和弹性。系统使 用超声探头获得软组织的厚度和形变信息，压力传感器测量施加给软组织的压 力，形变和压力信息是一一对应的，通过两者的对应关系可以得到软组织的弹性 参数。 1 2 技术现状 1 2 1 软组织的模型及其评定系统 关于软组织的压痕实验的分析模型有很多。h a y e s 等描述了一种数学分析方 法，这种方法针对同性质的组织层( 例如，关节软骨组织) 用一个线性弹性模型 表示 6 1 。该方法后来又被p a r s o n s 和b l a c k 等进行了扩展，以适用于线性弹性情况1 7 j 。 m a l ( 等用双相性模型对压痕分析进行了检验，假定组织层是一水合物的多孔的弹 性结构【剐。m a k 和l i u 运用拟线性粘弹性理论对所收集的正常人和截肢者胫骨附近 的软组织的压痕实验数掘进行了分析例。 不同用途的活体软组织评定系统已经经过了好几代的发展：s c h a d e 开发了一 种设备来研究皮下水肿【1o 】；k i r k 等应用相同的方法比较了不同年龄阶段皮肤和皮 下组织的弹性特性【1 l 】；z i e g e r t 等对覆盖胫骨中前方的软组织薄层进行了压痕蠕变 实验【1 2 】；l e w i s 等开发了一皮下脂肪厚度检测设备来评估皮下水肿 1 3 l ；v a n n a h 等 设计了一压痕设备并对人体的小胫骨区域进行了压痕测试 1 4 1 ：m a k 等为研究膝下 残端的组织和正常年轻人的组织的生物力学特性，提出了一计算机控制的压痕设 备【1 5 】：f e r g s o n p e l l 等为研究与褥疮有关的生理响应，开发了一气动压痕系统【1 6 j ； h o r i k a w a 等为研究肌肉组织的硬度，使用激光来检测两个压头的距离，开发了一 可携带的设备j 。 1 2 2 超声检测软组织弹性特性的方法 对软组织弹性特性的测定，归根到底是要测量出软组织在应力作用下的应 天津大学硕士学位论文第一章绪论 变。因此，这种技术的关键是软组织形变的测定。产生形变的动力既有来自身体 外部的( 如外部机械振动) ，也有来自身体内部的( 如心脏泵血压力等) 。采用超 声波的方法对软组织弹性特性的测量，主要有基于两种技术。一种方法是使用外 部振源和多普勒技术来确定软组织的内部振动和产生相关的图像。另一种方法是 使用外部压痕器，通常采集超声探头在使用压力前和使用压力后，标准的b 超 扫描图像和相应的射频信号。分段协相关方法被用于确定回波的偏差，进而得出 应变或弹性图像。总的来说，目前采用超声波对软组织弹性特性的测定技术可以 分为以下三类。b , 5 , 1 s , 1 9 1 一、图像检查( i m a g ei n s p e c t i o n ) 严格地说，这是属于图像形态学的范畴，不在组织定征的范围之内。图像检 查的实质就是如何读图的问题。它实际上是研究如何用m 超或b 超来检查组织 的硬度。这种方法的缺点是粗糙，只能作定性测量。而且当病变组织与正常组织 在回波图像上相差无几时，它就无能无力了。而且适用范围也较窄。 有人制定了一些准则来从b 超图像上区分恶性肿瘤、良性肿瘤以及正常组 织。【2 0 】这是根据三种组织结构在b 超图像上的异同来进行诊断的。此外，通过 比较组织在受压前后的图像变化也是一种十分有效的方法。有人就曾经考察过胎 儿的肺脏，它的b 超图像在动脉扩张前后的改变是与它的弹性程度相一致的。p t = 、多普勒速度测量( d o p p l e rv e l o c i t ym e a s l l r e m e m ) 多普勒速度测量法是一种动态的测量方法。在组织表面外加低频( 2 0 0 1 0 0 0 h z ) 机械振动，机械能量以剪切波形式向组织内传播，使组织也产生同频振 动。组织质点在外部机械振动激励下的振动速度或者机械波在组织中的传播速度 等机械特性通常都是与组织的弹性模量及可压缩性相关联的。因此，能把这些机 械特性测量出来，也就间接地测量出了我们所需要的组织的弹性模量等定量参 数。 利用多普勒方法估计组织弹性，有两条途径。一条是利用组织振动的速度或 形变大小来判断组织弹性，它是基于这样一个假设：组织质点振动时的最大速度 或离开平衡位置的最大形变是与组织的弹性模量密不可分的。另一条是利用组织 振动时的相位来作判断，它是根据机械波在硬度不同的组织中传播速度不同这样 一个事实来进行估计的。【2 2 2 3 2 4 这种方法借用了已经发展得比较完善的多普勒血流测量技术的一些概念和 方法，并且只对原系统进行微小的改动，硬件部分增加一个外部机械振动装置， 软件部分只在信号处理及显示方面进行一些调整，原血流测量仪就可以用来测量 组织的弹性了。而且最后的显示方式也同血流仪一样，把组织的弹性信息进行伪 彩色编码，直接在b 超图像上进行“涂色”：这种技术还有一个特有名词：“声弹 性力学”( s o n o e l a s t i c i t y ) ，它所获得的图像被称为“声弹性图”( s o n o e l a s t o g r a m ) 。它 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的不足之处在于必须采用外部机械激励，而无法利用人体内部的振动源( 如心 脏) 。这是因为人体内部的振动源，其幅度和速度都太小，无法利用多普勒效应 来检测。另一个缺点是分辨率不够高。 y y a m a k o s h i l 2 3 1 和k j p a r k e r i 冽就是利用d o p p l e r 成像技术获得软组 织弹性波传播速度参量及其分布，来估计组织的动态弹性。 三、互相关技术( c r o s s c o r r e l a t i o nt e c h n i q u e s l 1 2 2 2 5 】 不同于多普勒技术，这是时域的处理方法。它利用互相关的一些特性，找到 组织在外力作用下产生的微小形变，从而得到组织的应变。如果应力是已知的， 那么我们就能得到弹性参数了。 互相关技术在强噪声背景下的信号分析中十分有效。在这里，既可用它来测 定组织的形变。 ( 1 ) 互相关技术在这里被用来对加力前后移动的组织进行跟踪。因为当两 个形状一样的波形完全重合时，其相关函数达到峰值。而峰值处的时| 日j 偏差即为 两个波形在时间上的移位，这对脉冲超声来说，即是深度的移位。我们的系统就 是基于这种方法。其原理和方法将在后面的章节里具体讨论。 ( 2 ) 利用相关函数进行傅立叶特征抽取，通常对m 型超声信号进行这种处 理，因为m 超图象伴随着心动周期呈波浪状起伏，对部分回波作相关分析得到 的相关函数也是周期的。这种方法基于这样的假设：不同硬度的组织，在心动周 期中有不同的表现，因而其相关函数的模式不同，使得傅氏级数的特征项有所差 别。如果事先测得一些正常组织和病变组织的v 空间分布。利用模式识别的方 法就能对现有组织进行分类诊断了。 ( 3 ) 利用相关函数估计组织的被压缩程度。有人用此法来估计胎儿肺脏的 成熟状况。这里也是利用m 型超声信号，而且是直接在感兴趣的区域内对m 超 的辉度信号作相关处理，一般是对心脏收缩期和舒张期的两条信号作互相关处 理。 ( 4 ) 利用信号互相关作信号预处理。当组织振动幅度太小时无法用多普勒 方法进行检测，有人提出了这种方法来检测由心脏搏动所造成的组织微小形 变。这里采用较低频率的信号。但回波图像不是对信号包络进行辉度调制，而是 通过对信号本身进行辉度调制，并令信号的负半周为零而得到的。由于波长较长， 因此很容易分辨出它的相位变化。 o p h i r 利用相关算法跟踪射频信号散斑形变前后的运动，获得组织弹性模量 剖面。1 2 6 1t r a b e y 采用二维散斑模型来测量血流及软组织运动。 2 7 捌 从以上的介绍中可以看出，目前对组织弹性的定征主要是多普勒和互相关两 种技术。多普勒技术主要用于动态测量，反映的是组织的动态弹性特性；而互相 关技术除主要用于静态测量，反映组织的静态弹性特性外，还可作为动态测量的 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 辅助手段。此外，多普勒技术需要外部的机械激励，而互相关技术既利用外部激 励，也利用内部激励。无论是哪一种技术，目前的发展状况都还比较肤浅。因此 如何从超声回波中提取出组织在外力作用下的应变分布，从而定量地测得组织的 弹性特征是目前超声弹性定征的前沿课题。 1 3 应用前景 用超声波测量软组织特性属于生物信息与无创伤测量研究的交叉性课题，这 个交叉领域正是生物力学与仪器科学研究相互结合的部分，预期成果的应用前景 是非常广阔的。 肉类食品的新鲜度检测 医疗诊断：研究皮下水肿、褥疮、皮肤癌等，为软组织病变的确诊提供 科学的诊断系统。 健美减肥：我们所研究的系统，可定量测量运动员的肌肉伸缩弹性，用 来指导训练：可测量肌肉、脂肪等的厚度，应用于运动员康复的监测和 减肥效果的检测。 在修复学中的应用： a ) 在轮椅和假肢的设计方面：在身体的支撑接口，例如臀部和座位的接 触面、假肢凹槽和残肢的接触面、足底软组织和地面的接触面，大部 分的力通过皮肤传导到皮下组织。这时皮肤及皮下组织的生物力学特 性的评估是和身体支撑面的设计相关的。特别是计算机辅助设计，计 算机辅助制造( c a d c a m ) 技术的引入和假肢等设计的有限元( f e ) 分析，受压时残肢软组织的生物力学特性的定量评估变得越来越重要 了，它为更高级的设计工具提供了资料。这就需要有一种简单易用的 方法来评定残肢组织的生物力学特性。 b )在皮肤手术方面：了解皮肤软组织的弹性参数，可以为皮肤移植、伤 口的处理( 比如缝合) ，以及研制新型永久皮肤替代材料提供参考。 1 4 论文的主要研究内容 本系统的目标是检测软组织的厚度和弹性，其中对弹性的检测是本系统的难 点。超声软组织弹性定征的基本方法是利用超声技术考察软组织在外力作用下的 形变来估计软组织的弹性特性。 软组织的形变信息是通过超声回波延迟时间得到的。有很多种算法可以对超 声回波延迟时间进行估计。我们要搭建一个超声形变检测和标定系统，并通过大 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 量的实验，来比较几种算法的运算精度和运行速度。最后选取出最优算法。 在硬件上，要改进上届师姐设计的电路。她设计的电路存在不少问题：超声 探头的激励电路产生的负脉冲不够大，有时会出现激励不了超声探头的现象；超 声接收电路存在较大噪声；压力放大电路使用的是厂家提供的，需要我重新设计 以便和其它电路集成在一个盒子里；另外超声、压力信号的采集电路及d s p 电 路也有需要改进的地方。最后要将电源模块、电路板、，传感器集成安装到便于携 带的一个盒子里。 要设计系统软件，通过对超声、压力两路信号的处理，得到了软组织的厚度 和弹性参数。并要求有良好的人机接1 ：3 ，用户可以通过按键来操作系统。 最后。要对系统的精度进行标定。并用系统研究一些软组织的特性。 天津大学硕士学位论文第二章超声测量形变算法的选择 第二章超声测量形变算法的选择 为了确定软组织的弹性参数，一方面需要获得准确的压力信号，另一方面也 是最关键的部分，就是要对相应压力作用下软组织的形变做出准确的估计。由于 在同一层软组织中的声波是以恒定速度传播的，因此软组织形变的估计可以转化 为超声回波延迟时间的估计( t i m ed e l a ye s t i m a t i o n ) 。这种估计的精度直接影响 到弹性参数估计的精度。 对超声回波延迟时问的估计( 或简称t d e ) 是超声信号处理中普遍遇到的 问题，求解它有很多种算法。主要的算法包括归一化互相关( n o r m a l i z e d c o r r e l a t i o n ) 、直接互相关( d i r e c tc o r r e l a t i o n ) 2 8 1 、s a d 算法( s u ma b s o l u t e d i f f e r e n c e s ) 1 2 9 、s s d 算法( s u ms q u a r e dd i f f e r e n c e s ) 、h y b r i d - s i g nc o r r e l a t i o n 算法【3 叩”，还有最简单的最大值法。它们对超声回波延迟时间估计的精度是不一 样的。本章要搭建一个超声形变检测和标定系统，并通过大量的实验，来比较这 些算法的运算精度和运行速度。最后选取出精度高、速度快的t d e 算法。 2 1 超声形变检测和标定系统的构成 图2 - 1 ( a ) 超声形变检测和标定系统的总体框图 天津大学硕士学位论文 第二章超声测量形变算法的选择 图2 - 1 ( b ) 超声形变检测和标定系统的实物图 图2 - 1 ( a ) ( b ) 分别给出了超声形变检测和标定系统的总体框图和实物图。它 包括两个予系统，一是超声形变检测系统，实现了超声检测软组织形变的功能， 它包含超声探头、超声脉冲发射接收仪5 8 0 0 和n 1 5 1 1 2 数据采集卡；二是超声形 变标定系统，实现了标定超声形变检测系统的功能，它包含光栅位移传感器、计 数电路和单片机串口通信电路。下面分别介绍这两个子系统。 2 1 1 超声形变检测系统 超声形变检测系统，实现了超声检测软组织形变的功能，它包含超声探头、 超声脉冲发射接收仪5 8 0 0 和n 1 5 1 1 2 数据采集卡，其中超声探头将在第三章详细 介绍。 一、超声脉冲发射接收仪： 从传感器得到的信号大多要经过调理才能进入数据采集设备，信号调理功能 包括放大、隔离、滤波、激励、线性化等。由于不同传感器有不同的特性，因此， 除了这些通用功能，还要根据具体传感器的特性和要求来设计特殊的信号调理功 能。 实验中采用p a n a m e t r i c s 公司的m o d e l5 8 0 0 p r 型超声脉冲发射接收仪 器。该仪器主要应用是以电脑为基础的超声波影像处理，缺陷检测，材料分析和 厚度计量系统。其接收器具有高增益，低噪音、宽带接受的特点，因此广泛适用 于金属、陶瓷、合成物和生物标本的检测。 它有多种工作模式和参数可供选择，其触发方式、发射脉冲频率、衰减增益、 天津人学硕士学位论文第二章超声测晕形变算法的选择 总增益、高低通滤波器等都有多档可以选择。m o d e l5 8 0 0 的指令系统包括2 8 个命令，每个可独立用于设置脉冲发射接收器的的参数。这些参数的设置可以通 过前面板的键盘来设定，也可以通过p c 机的串d r s 2 3 2 口或g p i b 总线实现远程 程序控制。所有的仪器设置可以通过一个八位线的液晶显示屏查看。 m o d e l5 8 0 0 p r 的接收器具有声程补偿( t v g t i m ev a r i e dg a i n ) 的功能。这 项技术经常用于既保持前表面检测能力的高分辨率，同时又增加了对被测材料较 深处的敏感度。对于软组织这种衰减系数比较高的被测体来说，这项技术是非常 必要的。超声波在人体内的传播过程中，能量被人体组织吸收，随着探测深度的 增加，超声波能量逐渐衰减，回波信号的动态范围很大，因此要进行声程补偿。 增益补偿电路是通过给靠近前表面加一个低增益放大器，然后随着传播时间的增 加增大增益的办法实现。这样使不同深度组织界面的回波获得不同的放大倍数， 从而使回波幅值接近，有效压缩了接收到的信号的动态范围。 在我们的实验中采用以下的参数的设置： m o d e = t h r o u g h ： p r f = 2 k h z ； e n e r g y = 1 0 0 j ； d a m p i n g = 5 0o h m s ； h i p a s sf i l t e r = l m h z ； l o - p a s sf i l t e r = 3 5 m h z ； i n p u ta t t e n = 3 0 d b ； o u t p u ta t t e n = 1 2 d b ； g a i n = 6 0 d b ： s e n s i t i v i t y = 6 3 9 。 其中，m o d e 为超声脉冲发射接收器的工作方式选择：t h r o u g h 为穿透模 式，因为使用的是双晶探头，它使用起来相当于两个单晶探头工作在穿透模式， 一个晶体连接脉冲发射端和另一个连接回波接收端。 p r f 为触发脉冲的频率设置，它是单位时间内超声波发射的次数( 或脉冲 数) ，也称为重复频率。仪器中它的可选范围为1 0 0 h z 1 0 k h z ，一般为0 1 k h z 3 k h z ，如果重复频率太高会造成多次回波相互干扰。例如，假设被测组织的最 大深度为l o o m m ，超声在软组织中的平均传播速度为1 5 8 0 m s ，则最深处回波的 传播时问为1 3 0 ps ( 即詈老罴) ， 那么脉冲的周期应大于1 3 0 “s ，相应的触 发脉冲的频率应小于7 7 k h z 。当然m o d e l5 8 0 0 p r 还有外部触发模式，用户可 以自己从g p i b 或r s 一2 3 2 口输入触发脉冲。 e n e r g y 为触发脉冲的能量设置。 天津大学硕士学位论文第二章超声测量形变算法的选择 二、n 1 5 1 1 2 数据采集卡 数据采集( d a t a a e q u s i t i o n - - d a q ) 系统的基本任务是产生和测量物理信号。 要使计算机系统能够测量物理信号，首先要用传感器将物理信号转换成电压或电 流之类的电信号，这一点由超声探头来完成；超声脉冲发射接收仪用于超声的发 射，对信号进行一定的预处理：最后还要实现数据的转换，这就要由采集卡来完 成了。 采集卡的选择是p c - - d a q 结构虚拟仪器设计的主要内容之一。选择数据采 集卡时，主要要考虑采集速率、数掘采集精度、输入的通道数、数据存储空间、 数据输入方式、输入电压范围等指标。另外还需要考虑对采集卡操作的灵活性。 在我们的设计中，考虑到超声信号的高速性，为了达到足够的采样精度，设 计中选用了n i 公司生产的型号为n 1 5 1 1 2 的高速数据采集卡，这种插入式数据采 集卡具有操作灵活、性能选择范围大、有大量的软件工具可用、利用p c 技术等 特点。 n 1 5 1 1 2 的主要性能具体如下： p c i 总线，即插即用 双通道同步采样 每通道1 0 0 m s s ( 每秒1 亿次) 的实时采样频率 2 5 g s s 随机内插采样频率 1 0 0 m h z 模拟带宽 8 位垂直分辨率 输入范围土2 5 m v 至u q - 2 5 v ，最大直流偏置电压3 7 v 采样时间精度2 n s 每通道1 6 m b 的存储空间 1 m q i l3 0 p f 或5 0 m q 的输入阻抗，软件可选。 采集卡的最高采样频率为1 0 0 m h z 。因此决定了可以测得的形变精确 度为8 “m 。因为，采样时间间隔为： a t - - - - - 1 1 0 0 m h z = 0 0 1u s 所以，可测得的形变精度为： a d = c x a i ( s ) 2 = 】5 8 0 ( m s ) x a t ( s ) 2 = spm 其中c 为声速。 n i 公司开发了许多基于l a b v i e w 开发平台的数掘采集卡，l a b v i e w 开发 系统带有该类采集卡的驱动程序，可方便地控制采集卡。 天津大学硕士学位论文 第二章超声测量形变算法的选择 图2 2l a b v i e w 控制数据采集卡采集超声信号的界面 图2 2 为该l a b v i e w 程序的前台面板。在我们设计的基于p c - - d a q 的体 系结构中，数据的采集是通过采集卡与计算机的p c i 总线相连实现数据交换的。 信号采集程序设计的主要内容就是对采集卡与计算机通讯程序的编写。图中左部 是对数据采集卡的设置：配置d a q 卡的设备号、选择触发方式、选择被采样的 通道、设置采样速率、设置输入电压的范围、设置每次触发的采样长度等。 l 具体的设置为：上升沿的触发方式，触发电平为1 v ， c h a n n e ll 输入触发 信号，c h a n n e l0 输入超声信号，采样率1 0 0 m s s ，8 v 的电压输入范围，采样长度 4 0 0 0 个点。 分辨率是模数转换所使用的数字位数。分辨率越高，输入信号的细分程度 就越高，能够识别的信号变化量就越小。输入范围，分辨率以及增益( 本实验使 用其默认值1 ) 决定了输入信号可识别的最小模拟变化量，它表示为1l s b 。此 最小模拟变化量对应于数字量的最小位上的0 、l 变化，通常叫做码宽( c o d e w i d t h ) ，其算式为：输入范围( 增益2 髓) 。例如，我们选用的d a q 卡是8 位， 当选择输入范围为0 到5 v ，增益为1 时，则有1 l s b = 5 v ( 1 x 2 5 6 ) z 2 0 m v 。这样， 在数字化过程中，最小能分辨的电压就为2 0 m v 。而当输入范围为- 5 v 到5 v ( 1 0 v ) 时，可检测的电压变化量则为4 0 m v 。 天津大学硕士学位论文 第二章超声测晕形变算法的选择 选择合适的增益和输入范围要与实际被测信号匹配。如果输入信号的改变 量比采集卡的动态范围小，就可以将信号放大，提高增益。选择一个大的输入范 围或降低增益可以测量大范围的信号，但这是以精度的降低为代价的。选择一个 小的输入范围或提高增益可以提高精度，但这可能会使信号超出a d 允许的电 压范围。 图2 - 2 中右部是一个虚拟示波器用于以波形的形式显示一组采样值。 超声探头是手持状态，而且软组织每次试验前需要达到一种预处理状态，即 探头要在测试点处做几次加载和卸载，从而使所获得的从软组织界面反射回来的 超声信号最强最稳定。因此在存数据程序前加上了个选择按钮“s a v e ? ”，使程 序运行后并不马上将数据存储下来，而是通过观察虚拟示波器，选择尽可能少的 有用采样点数，并使回波波形能更真实的反应软组织的特性后，再点击它才开始 存储数据。这样既能保证所采数据有效，又能节省存储空间。数据存储在“f i l e p a t h ”指定的文件中。 2 1 。2 超声形变标定系统 超声形变标定系统，实现了标定超声形变检测系统的功能，它包含光栅位移 传感器、计数电路和单片机串口通信。图2 3 是超声形变标定系统的框图。 l 超声仪l l 同步脉冲i 中啊 b r fd 矗转换 一、光栅位移传感器 用来标定超声测量软组织形变系统的位移传感器，一定要比超声系统的精度 要高，开始选用了一个l l u n 的电感位移传感器，它输出的是模拟信号，要把它 的读数没有精度损失地传给电脑，就要选择一个高分辨率的m d 采集卡，曾选 用了一个凌华公司的1 4 位数据采集卡，理论上能保证无损传递1 t i n 的精度。但 采集时采集卡的模拟通道引入的噪声太大了( 噪声可能源于外界环境或电源系统 天津大学硕士学位论文 第二章超声测量形变赛法的选择 的电磁干扰) ，噪声使位移传感器精度远低于l g r a 。 最后选用了一个光栅位移传感器，精度高达1 i t m ( 栅距2 0 9 m 、2 0 倍细分) 。 它输出的数字信号，用串1 3 传输给电脑时不会象模拟信号那样引入噪声。但它自 带的串口不能实时的把数据传送给电脑( 它只能传送探头稳定时的位移值) ，这 就需要我重新设计能实时传输位移数据的串口通信电路。 二、计数电路 光栅传感器探头外伸时输出负脉冲，探头内缩时输出负脉冲。它的量程为 2 5 c m ，位移l p m 输出一个脉冲，满量程会产生2 5 0 0 0 个脉冲，所以需要设计一 个至少1 5 位的计数器( 2 h 2 5 0 0 0 ) 。有的公司如t i 公司就能提供这样的计数器， 但成本较高，实际采用的方案是4 个4 位的计数器( 7 4 1 s 1 9 3 ，双向可逆计数器) 串联在一起，构成一个1 6 位的计数器。 计数结果一方面输出给锁存器，以便传输给单片机实现串口通信，另一方面 传输给d a 芯片l t c l 6 5 7 ，以便用示波器直观地观察。 瞥 图2 4 计数及d a 电路图 三、串口通信 本来用简单的5 1 单片机就可以实现串口通信，但我们不是开发产品，只是 为了研究算法采集数据，而实验室有一块现成的s y g n a l 公司的c 8 0 5i f 0 2 0 的 开发板，上面引出了所有的i o1 3 ，并带了串1 ：3 通信的电路和接1 2 1 ，可以直接拿 来使用，这样就免去了设计硬件的麻烦，只要设计单片机软件就可以了。 天津大学硕士学位论文第二章超声测量形变算法的选择 因为单片机一次只能从外部i o 口读入8 b i t 的数据，而计数器是1 6 b i t 的， 所以读一个1 6 b i t 的数据，要分两次读入单片机，因此在计数器和单片机之间接 了两个8 b i t 的锁存器，如图2 - 4 所示。这样就可以分别选通两个8 b i t 的锁存器， 分两次将一个1 6 b i t 的数据读入单片机。同样，单片机的串口一次也只能传送8 b i t 的数据，也要分两次传送，然后在上位机上组合还原为1 6 b i t 的数据。 单片机的中断设置为下降沿触发，由超声仪的同步输出脉冲提供。 上位机的串口接收程序是用v b ( v i s u a lb a s i c ) 实现的，在v b 中利用 m s c o m m 控件，可以快速开发出串口通讯程序，从而大大提高编程效率。它提 供了一个事件o n c o m m ，该事件可以截取串口的任何消息，转入事件处理程序。 m s c o m m 控件属性很多，在此仅介绍与实现串口通讯密切相关的核心属性。 c o m m p o r t ：设置通讯所占用的串口号。如设成l ( 默认值) ，表示对c o m l 进行操作。我们采用了默认值。 s e t t i n g ：对串口通讯的相关参数。包括串口通讯的比特率，奇偶校验，数据 位长度、停止位等。我们将其设置为“1 1 5 2 0 0 ，n ，8 ，1 ”，表示串口比特率是 1 1 5 2 0 0 b i t s ，不作奇偶校验，8 位数据位，1 个停止位。 p o r t o p e n ：设置串口状态，值为t r u e 时打开串口，值为f a l s e 时关闭串口。 i n p u t ：从输入寄存器读取数据，返回值为从串1 3 读取的数据内容，同时输入 寄存器将被清空。 o u p u t ：发送数据到输出寄存器。 i n b u f f e r c o u n t ；设置输入寄存器所存储的字符数，当将其值设为0 时，则输 入寄存器将被清空。 i n p u t m o d e ：设置从输入寄存器中读取数据的形式。若值为0 ，则表示以文 本形式读取；值为l ，则表示以二进制形式读取。 o u t b u f f e r c o u n t ：设置输出寄存器所存储的字符数，当将其值设为0 时，则 输出寄存器将被清空。 r t h r e s h o l d ：设置在m s c o m m 控件设置c o m m e v e n t 属性为c o m e v r e c e i v e 并产生o n c o m m 事件之前要接受的字符数。 c o m m e v e n 属性：返回最近的通讯事件或错误。通过对它具体属性值的查询， 我们就可以获得通讯事件和通讯错误的完整信息。当其值是c o m e v r e e e i v e 时表 示接收到数据。 上位机的v b 程序不但实现了串口通讯，它还将两个8 b i t 的数据组合还原成 一个1 6 b i t 的数据，并利用图形控件，实时地把光栅传感器的位移曲线在屏幕上 描绘出来。 天津大学硕士学位论文 第二章超声测量形变算法的选择 2 2 算法 有很多种算法运用于超声回波延迟时间估计( t d e ) 。这节首先介绍从超声回 波t d e 中提取软组织形变的原理，然后介绍六种t d e 算法。这些算法分别是归 一化互相关法( n c ) 、直接互相关法( d c ) 、绝对误差和算法( s a d ) 、差方和算法 ( s s d ) 、h y b r i d s i g nc o r r e l a t i o n ( h s ) 和最大值法( m a x ) 。 2 2 1 提取软组织形变的原理 设软组织厚度为x l ，从发射超声波到接收到回波的时问为t l ，超声波的速度 为c ，那么 五= 2 ( 2 1 ) 同理，对于厚度为x 2 的软组织有 而= 鸥2 ( 2 2 ) 两式相减得 而一 = c ( t z t t ) 2 ( 2 - 3 ) 或表示为 d = c r o 2 ( 2 - 4 ) 其中d = x 2 一x 1 ，为厚度软组织的形变；t o = t 2 - - t l 是与该形变对应的超声回 波延迟时间。 2 2 2 待比较的算法介绍 由上面的分析可知，提取软组织形变信息的关键是获得超声回波延迟时间， 下面将介绍六种估计超声回波延迟时间的算法。 1 归一化互相关- - n o r m a l i z e dc o r r e l a t i o n ( n o ) 归一化互相关表达式为 x t ( i a t ) x z ( i a t + r ) ( r ) ： 净可一 ( 2 - 5 ) j 善砰( 心) 善霹( i a t + r ) 其中，为信号的采样时问间隔；x i ( i a t ) 为参考波，是软组织压缩前的超 声回波，为了减小运算量，它只取了有限的恰好包含了超声回波的n 个点；x z ( i a t ) 为软组织压缩后的超声回波；归一化相关系数r c ( f ) 是时间f 的函数，当且仅当 f 等于超声回波延迟时间时，r 。( f ) 取到最大值。因此对f 进行搜索，0 。( f ) 天津大学硕士学位论文 第二章超声测晕形变算法的选择 为最大值时对应的r 值，即为超声回波延迟时间f 0 。它的特点是即使后面的回波 能量较小，t g g , 要和参考波形状相似，就能得到较大的r m , ( r 1 值。 2 直接互相关一d i r e c tc o r r e l a t i o n ( d c ) 直接互相关的表达式为 ( 加专善水分艺( i a t + r ) ( 2 - 6 ) k ( f ) 为最大值时对应的r 值，即为超声回波延迟时间f 0 。直接互相关与归 一化互相关相似，只是它没有做归一化。 3 绝对误差和一s u ma b s o