基于凌華PCI-9846的超聲場(chǎng)自動(dòng)檢測(cè)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(jì)與超聲場(chǎng)自動(dòng)測(cè)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(diǎn)，醫(yī)學(xué)超聲換能器的設(shè)計(jì)正向復(fù)合聲場(chǎng)方面發(fā)展，復(fù)雜超聲場(chǎng)的測(cè)量與建模是業(yè)界公認(rèn)的難題。傳統(tǒng)的超聲場(chǎng)測(cè)量信號(hào)采集效率低，不能進(jìn)行信號(hào)的自動(dòng)采集分析，更不能滿足復(fù)雜超聲場(chǎng)的參數(shù)評(píng)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(jì)與應(yīng)用。為了適應(yīng)復(fù)雜超聲換能器設(shè)計(jì)和應(yīng)用的要求，迫切需要研究一種適合復(fù)雜超聲場(chǎng)信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)與分析系統(tǒng)，以解決復(fù)雜超聲場(chǎng)的計(jì)算建模及實(shí)際測(cè)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(tīng)器，用LabVIEW開(kāi)發(fā)高效聲場(chǎng)信號(hào)采集系統(tǒng)，通過(guò)高效的數(shù)據(jù)采集模塊，將三維聲場(chǎng)的聲壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和保存。設(shè)計(jì)、制作步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四軸精密工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)自動(dòng)控制與自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超聲場(chǎng)任意部位的立體定位，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人測(cè)量點(diǎn)自動(dòng)定位控制和數(shù)據(jù)采集之間的協(xié)調(diào)。開(kāi)發(fā)聲場(chǎng)測(cè)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(duì)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(kāi)超聲換能器這一重要的器件。因此對(duì)其聲場(chǎng)特性和頻率等性能的準(zhǔn)確測(cè)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(guó)內(nèi)對(duì)聲換能器性能的全面測(cè)試還沒(méi)有普及，尤其是與國(guó)外產(chǎn)品相比，有的制造者不能對(duì)其生產(chǎn)的換能器提供可靠的性能數(shù)據(jù)，價(jià)格，性能，穩(wěn)定程度的差距不小，成為國(guó)內(nèi)超聲換能器設(shè)備研制和生產(chǎn)工藝的瓶頸[1]。

面對(duì)復(fù)雜的醫(yī)療臨床要求，超聲設(shè)備對(duì)換能器的選型和設(shè)計(jì)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(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(lái)的后果和損失也不堪設(shè)想，因此急需設(shè)計(jì)合理檢測(cè)超聲換能器聲場(chǎng)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(guó)內(nèi)外開(kāi)展了許多對(duì)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(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(jì)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(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上自主創(chuàng)新，加快超聲場(chǎng)的測(cè)量和建模仿真的研究。

生物醫(yī)學(xué)超聲工程中對(duì)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(jì)算機(jī)輔助計(jì)算的仿真軟件上，另一方面研究進(jìn)行超聲實(shí)際測(cè)量的多功能系統(tǒng)。目前生物醫(yī)學(xué)超聲的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)還不多見(jiàn)，超聲的自動(dòng)檢測(cè)主要是應(yīng)用于工業(yè)探傷檢測(cè)，如浙江大學(xué)開(kāi)發(fā)的無(wú)損檢測(cè)工藝制定專家系統(tǒng)(CAPPNDT) [2]，冶金部壓力容器檢測(cè)站研制的無(wú)損檢測(cè)的專用軟件NDTS[3]等，將機(jī)電一體化的自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用于超聲信號(hào)的采集，量化處理的研制。雖然目前針對(duì)醫(yī)療超聲技術(shù)應(yīng)用的超聲測(cè)量和仿真系統(tǒng)的理論研究還鮮見(jiàn)報(bào)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(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)等。
　　　
2.面臨的問(wèn)題
雖然目前對(duì)超聲換能器聲場(chǎng)性能的測(cè)量進(jìn)行了許多研究工作，但是測(cè)量過(guò)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(cè)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(lái)越廣泛，對(duì)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(jì)正向復(fù)合聲場(chǎng)方面發(fā)展，復(fù)雜超聲場(chǎng)的測(cè)量與建模是業(yè)界公認(rèn)的難題。特別對(duì)于組合陣列換能器和復(fù)頻率換能器的設(shè)計(jì)和測(cè)試評(píng)估中，通過(guò)先進(jìn)的超聲場(chǎng)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)可以節(jié)省檢測(cè)時(shí)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(duì)超聲波診斷和治療中換能器使用的方案和參數(shù)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，因此，必須對(duì)超聲換能器發(fā)射聲場(chǎng)的物理作用作深入的研究。傳統(tǒng)的超聲場(chǎng)測(cè)量信號(hào)采集效率低，不能進(jìn)行信號(hào)的自動(dòng)采集分析，更不能滿足復(fù)雜超聲場(chǎng)的參數(shù)評(píng)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(jì)與應(yīng)用。為了適應(yīng)復(fù)雜超聲換能器設(shè)計(jì)和應(yīng)用的要求，迫切需要研究一種適合復(fù)雜超聲場(chǎng)信號(hào)的自動(dòng)檢測(cè)與分析系統(tǒng)，以解決復(fù)雜超聲場(chǎng)的計(jì)算建模及實(shí)際測(cè)量中存在的諸多困難。

3. 解決方案
本文設(shè)計(jì)和開(kāi)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(cè)傳感器，用LabVIEW開(kāi)發(fā)高效聲場(chǎng)信號(hào)自動(dòng)采集與分析系統(tǒng)，通過(guò)高效的數(shù)據(jù)采集模塊，將三維聲場(chǎng)的聲壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和保存。設(shè)計(jì)、制作步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四軸精密工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)自動(dòng)控制與自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超聲場(chǎng)任意部位的立體定位與數(shù)據(jù)采集之間的協(xié)調(diào)。開(kāi)發(fā)聲場(chǎng)測(cè)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(cè)量，并建立超聲輻射場(chǎng)的建模仿真分析系統(tǒng)，以減輕測(cè)量人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短計(jì)量檢定的工作時(shí)間，提高超聲換能器設(shè)計(jì)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(hào)采集與分析
1）信號(hào)采集單元：超聲信號(hào)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(hào)采集傳感器，再經(jīng)計(jì)算機(jī)平臺(tái)的信號(hào)采集軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集。

在超聲信號(hào)采集中，使用寬帶靈敏度較好的水聽(tīng)器接收微伏級(jí)的電壓信號(hào)，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(jì)算機(jī)中保存和顯示。采集過(guò)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(hào)帶寬。超聲信號(hào)采集的帶寬直接影響整個(gè)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(hào)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(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(hào)頻譜確定在5M以下。信號(hào)采集方案原理圖見(jiàn)圖3-1。
　　　　　　
　　
　　　　　　　　　　　　圖3-1 超聲信號(hào)自動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍性能，信號(hào)采集精度及密度高，可廣泛應(yīng)用與中頻信號(hào)、雷達(dá)應(yīng)用、光達(dá)應(yīng)用、超聲波信號(hào)以及無(wú)損傷檢測(cè)方面。該數(shù)字化儀完全可以滿足應(yīng)用需求。

水聽(tīng)器選用海鷹ZS-500型針式水聽(tīng)器頻率響應(yīng)范圍100K-5M。常用的超聲信號(hào)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(yīng)，受溫度限制等特點(diǎn)，本研究測(cè)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(hào)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(hào)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(hào)采集的前置放大要求。

3）超聲信號(hào)分析

對(duì)超聲瞬態(tài)的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行頻譜分析時(shí)，保證信號(hào)處理中不會(huì)發(fā)生失真。為了減弱有限采樣長(zhǎng)度的超聲波信號(hào)造成“泄露”現(xiàn)象，可以通過(guò)加時(shí)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(shí)別能力。調(diào)節(jié)超聲發(fā)射換能器和水聽(tīng)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(hào)的采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)，經(jīng)過(guò)模擬數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)離散處理，對(duì)采樣的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換；根據(jù)測(cè)得的波形幅度數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后，畫(huà)出負(fù)載的頻率響應(yīng)曲線；計(jì)算超聲換能器的頻率特性參數(shù)，如中心頻率。測(cè)量聲場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)。在聲場(chǎng)測(cè)量中會(huì)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(jì)算和仿真結(jié)果用具體形象的圖形方式表示，加深了對(duì)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(guò)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(jì)提供了有力的工具[6]。
　　　
3.2 超聲場(chǎng)自動(dòng)測(cè)量定位
整個(gè)測(cè)量過(guò)程的控制和測(cè)量點(diǎn)的定位是由一個(gè)成都海葳科技直角坐標(biāo)機(jī)器人完成，其中將運(yùn)動(dòng)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(dòng)水聽(tīng)器作自動(dòng)掃描運(yùn)動(dòng)，另一方面控制信號(hào)采集模塊采集信號(hào)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理和可視化顯示。整個(gè)自動(dòng)控制平臺(tái)是用LabVIEW系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，結(jié)合控制和測(cè)量的硬件，建立人機(jī)交互界面，完成對(duì)硬件的控制，數(shù)據(jù)分析和顯示。自動(dòng)測(cè)量控制平臺(tái)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3-2。

根據(jù)超聲輻射場(chǎng)測(cè)量和分析的需要，分為測(cè)量模塊和分析模塊。測(cè)量功能模塊包含有上位機(jī)控制平臺(tái)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理平臺(tái)。在綜合分析平臺(tái)中根據(jù)聲場(chǎng)描述的需要，將采集到的電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成聲壓或聲強(qiáng)值，并且將轉(zhuǎn)換的值投影到對(duì)應(yīng)的采集區(qū)域，采用可視化技術(shù)直觀顯示聲場(chǎng)分布的變化規(guī)律。

進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量最主要的是運(yùn)動(dòng)控制模塊，數(shù)據(jù)采集控制模塊。運(yùn)動(dòng)控制模塊和采集模塊的功能是與下位機(jī)DMC2410四軸運(yùn)動(dòng)卡和信號(hào)采集單元通訊，通過(guò)硬件組件提供的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)DLL，向運(yùn)動(dòng)控制卡和數(shù)字示波器發(fā)送或提取需要的信息，驅(qū)動(dòng)X、Y、Z軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到快速準(zhǔn)確測(cè)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(kù)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(jī)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(jìn)行基礎(chǔ)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和軟件框架的設(shè)計(jì)上，要考慮人機(jī)界面友好，硬件控制和糾錯(cuò)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(jī)器人數(shù)據(jù)處理流程圖

4．系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)功能按照上述設(shè)計(jì)方案全部實(shí)現(xiàn)，按自動(dòng)采集定位控制及信號(hào)采集分析分別分兩步實(shí)現(xiàn)。根據(jù)實(shí)際測(cè)量的需要，根據(jù)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(tái)。

數(shù)據(jù)采集模塊是該系統(tǒng)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(shù)庫(kù)，并加載到LabVIEW工具庫(kù)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(xiàn)了4通道數(shù)據(jù)的高速采集模塊，并實(shí)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(cè)量（見(jiàn)圖4-2）。同時(shí)該模塊還實(shí)現(xiàn)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(duì)采集到的信號(hào)根據(jù)需要進(jìn)行以上預(yù)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(dú)的4通道超聲信號(hào)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(chǔ)，也可以將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)回放分析。將該模塊作為一個(gè)LabVIEW超聲信號(hào)采集類(lèi)使用，將其植入相應(yīng)的數(shù)據(jù)節(jié)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(shù)庫(kù)的LabVIEW工具欄
　　
　　
　　 圖4-2 超聲4通道信號(hào)采集與分析基本模塊界面
　　
實(shí)現(xiàn)直線掃描運(yùn)動(dòng)控制，平面掃描運(yùn)動(dòng)控制，和三軸立體掃描空間運(yùn)動(dòng)控制，以一步一停的運(yùn)動(dòng)方式逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)?？梢钥焖賹鞲衅饕苿?dòng)到需要采集的區(qū)域，然后從以上信號(hào)采集功能模塊的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，觀察傳感器所在位置的電信號(hào)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(shù)控制面板見(jiàn)圖4-3。
　　　
　　　　　　　　　　　　　　圖4-3 聲場(chǎng)測(cè)量自動(dòng)定位單軸掃描測(cè)試面板圖
單軸掃描，三維掃描和聲譜分析軟件，是測(cè)量聲場(chǎng)空間分布和時(shí)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(gè)測(cè)量點(diǎn)的聲壓或聲強(qiáng)沿直線方向的分布曲線圖，通過(guò)與設(shè)計(jì)的各軸向聲場(chǎng)分布理論值比較，可快速對(duì)超聲換能器的性能作出評(píng)估。