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基于凌華PCI-9846高速數(shù)字化儀的復(fù)雜超聲場自動檢測與分析

作者: 時間:2017-02-06 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
• 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

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201702/338147.htm

  • 挑戰(zhàn)

  為了適應(yīng)人體組織結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),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(rèn)的難題。傳統(tǒng)的超聲場測量信號采集效率低,不能進(jìn)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(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(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(shí)時顯示和保存。設(shè)計、制作步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的四軸精密工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng),開發(fā)自動控制與自動測量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)超聲場任意部位的立體定位,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人測量點(diǎn)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(jī)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(jī)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(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(jī)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(jìn)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(jī)械化程度差,人為誤差大,嚴(yán)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(diǎn),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(rèn)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(jìn)的超聲場自動檢測技術(shù)可以節(jié)省檢測時間和經(jīng)費(fèi);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(jìn)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(shí)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(shí)時顯示和保存。設(shè)計、制作步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的四軸精密工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng),開發(fā)自動控制與自動測量系統(tǒng),實(shí)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(shí)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(qiáng)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(jī)平臺的信號采集軟件實(shí)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(jìn)預(yù)處理,由高速數(shù)據(jù)采集卡A/D轉(zhuǎn)換輸入計算機(jī)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(diǎn)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。

  

  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(dá)應(yīng)用、光達(dá)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(diǎn),本研究測量方法是高密度逐點(diǎn)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(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(jìn)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(diǎn)數(shù),經(jīng)過模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)離散處理,對采樣的點(diǎn)數(shù)進(jìn)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(fù)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(qiáng)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(yàn)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(diǎn)的定位是由一個成都海葳科技直角坐標(biāo)機(jī)器人完成,其中將運(yùn)動控制和數(shù)據(jù)采集模塊有機(jī)地聯(lián)系在一起,一方面控制機(jī)械臂帶動水聽器作自動掃描運(yùn)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(jìn)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(jī)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。


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