梁振士，劉 毅，孫京昇，馮 磊

(北京市醫(yī)療器械檢驗(yàn)所，北京101111)

醫(yī)用超聲設(shè)備聲強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)(AIMS)數(shù)據(jù)文件解析方法

梁振士，劉 毅，孫京昇，馮 磊

(北京市醫(yī)療器械檢驗(yàn)所，北京101111)

本文簡(jiǎn)要介紹了NTR公司的聲強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)(AIMS:Acoustic Intensity Measurement System)及其生成的測(cè)量數(shù)據(jù)文件的結(jié)構(gòu)，著重闡述了解析該類型數(shù)據(jù)文件、獲取聲場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)并將其保存為特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方法。這些數(shù)據(jù)的獲得有利于借助計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)聲場(chǎng)特性進(jìn)行研究。

超聲聲場(chǎng);數(shù)據(jù)文件;數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

0 引言

當(dāng)前，醫(yī)用超聲設(shè)備已成為一類重要的醫(yī)用電氣設(shè)備，廣泛應(yīng)用于臨床診斷、監(jiān)護(hù)、物理治療等領(lǐng)域。為了評(píng)估醫(yī)用超聲設(shè)備在使用中的安全性和有效性，很有必要對(duì)超聲設(shè)備的聲場(chǎng)特性的進(jìn)行檢測(cè)和分析。

在實(shí)踐中，常借助于水聽(tīng)器來(lái)測(cè)量液體水中超聲聲場(chǎng)的特性。由NTR公司設(shè)計(jì)、Onda公司制造和銷售的聲強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)(AIMS)，可實(shí)現(xiàn)采用水聽(tīng)器法測(cè)量診斷和治療用超聲設(shè)備的聲輸出參數(shù)。該設(shè)備可以通過(guò)在聲場(chǎng)中進(jìn)行一維、二維甚至三維的掃描，獲取被掃描各位置點(diǎn)的聲學(xué)數(shù)據(jù)。同時(shí)，該系統(tǒng)還具有一定的計(jì)算能力，能通過(guò)獲得的聲學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算出機(jī)械指數(shù)(MI)等相關(guān)的聲學(xué)參數(shù)。此外，該設(shè)備還可將獲得的數(shù)據(jù)輸出保存至一組特定的數(shù)據(jù)文件中，利用文本編輯器可以打開(kāi)數(shù)據(jù)文件并查看其中的數(shù)據(jù)信息。盡管AIMS已經(jīng)具有一定的計(jì)算能力，但這些功能都是固定的，不能完全滿足檢測(cè)人員根據(jù)實(shí)際需要計(jì)算、研究聲場(chǎng)的特定屬性的需要。要想充分利用AIMS的掃描數(shù)據(jù)，首先需要對(duì)AIMS文件進(jìn)行解析，提取出其中的測(cè)量數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)化為可被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析處理，獲得所需要的聲場(chǎng)特性。本文將為此設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并說(shuō)明如何從AIMS的數(shù)據(jù)文件中提取出掃描數(shù)據(jù)，并將其存入設(shè)計(jì)好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。

1 AIMS數(shù)據(jù)文件結(jié)構(gòu)介紹

AIMS三維掃描(X－Y－Z)是由一系列Z坐標(biāo)值不同的二維掃描(X－Y)組成的。測(cè)量人員在測(cè)量前設(shè)定了本次掃描的X、Y、Z方向首、末點(diǎn)位置以及每個(gè)方向上相鄰兩點(diǎn)的間隔距離，由此規(guī)定了掃描中各測(cè)量點(diǎn)的位置。對(duì)于每一特定的Z值，設(shè)備進(jìn)行一次X－Y平面內(nèi)的二維掃描。AIMS三維掃描文件由一個(gè)總描述文件和一組二維掃描文件組成。每個(gè)二維掃描文件記錄了對(duì)應(yīng)特定的Z坐標(biāo)值進(jìn)行二維掃描時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)。總描述文件記錄了此次三維掃描的傳感器、定位裝置、示波器等的設(shè)置參數(shù)，還包括了此次掃描數(shù)據(jù)記錄的聲學(xué)數(shù)據(jù)類型(如VRMS，MI等，可以是多個(gè)類型)，以及X、Y、Z方向掃描的點(diǎn)數(shù)和各自首末位置、兩次掃描的間隔距離等信息。每個(gè)二維掃描(X－Y)數(shù)據(jù)文件的文件名按一定規(guī)則編制而成，由三部分組成，第一部分與總描述文件的名稱相同，第二部分為該二維掃描對(duì)應(yīng)的Z坐標(biāo)值的字符串形式，應(yīng)為3個(gè)字符，不足時(shí)在第一個(gè)字符處用’0’補(bǔ)齊，第三部分為固定形式“00”。第一、二部分之間用’_’相連，第二、三部分間用‘.’相連。在二維掃描文件中，也記錄了定位裝置、示波器等的設(shè)置參數(shù)，記錄的數(shù)據(jù)類型，以及X、Y方向掃描的點(diǎn)數(shù)和各自首、末位置、兩次掃描的間隔距離等信息。這些信息與總描述文件中的信息是一致的。

在數(shù)據(jù)文件中，數(shù)據(jù)是以“節(jié)”(section)為單元保存的，每節(jié)中包含了相關(guān)的特定信息。如“Oscilloscope”節(jié)中包含了所用示波器的制造商、型號(hào)、各通道設(shè)置等信息，“2D Scan Data 0”節(jié)則包含了一組二維掃描的測(cè)量數(shù)據(jù)，其中的“Data 0”表示數(shù)據(jù)為預(yù)先設(shè)定的聲場(chǎng)特性中的第一個(gè)特性的測(cè)量值。除測(cè)量數(shù)據(jù)節(jié)外，各“節(jié)”中包含的信息的一般包括關(guān)鍵字和相應(yīng)值，中間用 “” (字符“TAB”)字符隔開(kāi)，如示波器的制造商保存格式為“ManufacturerAgilent”。聲學(xué)特性測(cè)量數(shù)據(jù)節(jié)的基本格式為:所有數(shù)據(jù)成矩陣狀排列。第一行為X方向各點(diǎn)的位置值，第一列為Y方向各點(diǎn)的位置值，測(cè)量數(shù)據(jù)分別處于各自對(duì)應(yīng)的(X，Y)坐標(biāo)位置上。同處一行的各數(shù)據(jù)之間用 “”(字符“TAB”)隔開(kāi)。

2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

針對(duì)以上文件結(jié)構(gòu)特征，可用圖1所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)文件信息進(jìn)行保存。其數(shù)據(jù)部分的核心為一個(gè)Frame(幀)隊(duì)列，該隊(duì)列包含了一組Frame，每個(gè)Frame對(duì)應(yīng)一個(gè)特定Z值的X－Y二維掃描數(shù)據(jù)文件，這個(gè)Frame隊(duì)列最終將保存該三維掃描中所有的聲場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)。此外，數(shù)據(jù)部分還包括了此次三維掃描的幀數(shù)、Z坐標(biāo)首末位置、測(cè)量的聲場(chǎng)特性類型等信息。

圖1 聲場(chǎng)特性數(shù)據(jù)保存結(jié)構(gòu)

本文中利用C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，設(shè)計(jì)了兩個(gè)數(shù)據(jù)類(USData類和CUSFrame類)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)文件解析，并將文件中所包含的特定信息通過(guò)這兩個(gè)類保存起來(lái)。USData類用來(lái)從一組三維掃描的文件中實(shí)現(xiàn)文件解析和數(shù)據(jù)提取，它包含了一個(gè)Frame隊(duì)列，用來(lái)保存所有Frame的數(shù)據(jù)信息。Frame隊(duì)列中的每個(gè)單元為一個(gè)CUSFrame對(duì)象，對(duì)應(yīng)一個(gè)二維掃描文件，即一幀。CUSFrame類實(shí)現(xiàn)了從每個(gè)對(duì)應(yīng)的二維掃描文件中提取信息，并保存在自己的數(shù)據(jù)成員中。其數(shù)據(jù)成員主要包括:二維掃描文件中各聲場(chǎng)特性的測(cè)量數(shù)據(jù)，各測(cè)量點(diǎn)的X、Y位置等。借助這兩個(gè)類即可將三維掃描文件中包含的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和保存，保存的聲場(chǎng)特性數(shù)據(jù)可根據(jù)研究的需要進(jìn)行進(jìn)一步的運(yùn)算、處理。

USData類提供的功能函數(shù)，最主要是BOOL GetUSData(CString strFilePath，CString strFolderPath，CString strFileTitle);該函數(shù)實(shí)現(xiàn)了從一組三位掃描文件中提取信息的功能。

USData類的主要成員如下:

class USData

{

public:

……

CUSFrame＊＊ m_ppFrame;//指向 Frame隊(duì)列的指針

int m_nFrameNum;//Frame數(shù)量

int m_nZStartPos;//Z起始位置

int m_nZEndPos;//Z終點(diǎn)位置

int m_nDataType;//本次測(cè)量的聲場(chǎng)特性數(shù)目

BOOL GetUSData(CString strFilePath，CString strFolder-Path，CString strFileTitle);//從指定路徑下的一組三維掃描文件中提取測(cè)量數(shù)據(jù)

int GetFrameNum(char*pFileData);//從文件信息中提取幀數(shù)(X－Y平面掃描次數(shù))

int GetDataType(char*pFileData);//從文件信息中提取本次測(cè)量的聲場(chǎng)特性數(shù)目

CString GetString(char*pFileData，CString strSection，CString strTitle);//從文件中提取指定“節(jié)”下的指定關(guān)鍵字的字符信息

int GetInt(char*pFileData，CString strSection，CString strTitle);//從文件中提取指定“節(jié)”下的指定關(guān)鍵字的數(shù)值信息

……

};

(2)符合構(gòu)音障礙診斷標(biāo)準(zhǔn)[2],構(gòu)音障礙的患者其臨床表現(xiàn):說(shuō)話費(fèi)力、緩慢、鼻音重、語(yǔ)音語(yǔ)調(diào)異常、嗆咳吞咽困難等癥狀。

CUSFrame類的主要功能函數(shù)為:

BOOL CUSFrame::GetFrameData(CString strFileName，int nDataType)，該函數(shù)實(shí)現(xiàn)了從一個(gè)二維掃描文件中，將各聲場(chǎng)特性的測(cè)量數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)隊(duì)列中。

CUSFrame類的主要成員如下:

class CUSFrame

{

……

public:

char* m_pFileData;//對(duì)應(yīng)的二維掃描文件的字符信息

int m_nXCount;//在X方向掃描的點(diǎn)數(shù)

int m_nYCount;//在Y方向掃描的點(diǎn)數(shù)

double* m_pdXPosArr;//保存 X方向各點(diǎn)位置的隊(duì)列

double* m_pdYPosArr;//保存 Y方向各點(diǎn)位置的隊(duì)列

long*m_parrFrmData;//指向各聲場(chǎng)特性測(cè)量數(shù)據(jù)隊(duì)列的指針

int m_nDataType;//聲場(chǎng)特性數(shù)目

public:

BOOL GetFrameData(CString strFileName，int nData-Type);//從指定的二維掃描文件中提取測(cè)量數(shù)據(jù)信息

char* GetDataSection(CString strSec);//獲取指定的某一節(jié)

double＊＊Data2Array(char* pDataSec);//將指定的數(shù)據(jù)節(jié)中的數(shù)據(jù)提取、保存至隊(duì)列中

……

};

3 文件解析過(guò)程

通過(guò)可視化界面，可以指定一組三維掃描文件的位置，選中總描述文件，即可啟動(dòng)對(duì)這組文件的解析。此時(shí)可以定義一個(gè)USData類的對(duì)象，并由其調(diào)用相應(yīng)的功能函數(shù)對(duì)文件進(jìn)行解析。在解析過(guò)程中，USData首先讀取總描述文件的內(nèi)容，從中確定此組文件所含幀數(shù)(二維掃描文件數(shù))、測(cè)量的聲場(chǎng)特性數(shù)目、Z值的首末位置等信息。然后，按照所含幀數(shù)，逐一生成 CUSFrame對(duì)象，由 CUSFrame實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)二維掃描文件的解析和數(shù)據(jù)保存。CUSFrame對(duì)二維掃描文件解析時(shí)，按照聲場(chǎng)特性測(cè)量的先后順序，逐一獲取相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)節(jié)，然后分配保存各點(diǎn)位置數(shù)據(jù)的內(nèi)存以及保存測(cè)量數(shù)據(jù)的內(nèi)存，接著對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)節(jié)進(jìn)行逐行解析，將位置信息和測(cè)量數(shù)據(jù)信息存入各自的隊(duì)列中。

4 結(jié)論

將一組三維掃描數(shù)據(jù)中聲場(chǎng)均方根聲壓對(duì)應(yīng)的電壓有效值按照本文提出的方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提取和保存后，利用OpenGL實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)特性的可視化(如圖2所示)，有助于研究聲場(chǎng)中均方根聲壓對(duì)應(yīng)的電壓有效值的空間分布情況。此次掃描共包含9幀X－Y二維掃描，圖中各點(diǎn)的位置為測(cè)量點(diǎn)的空間位置，各點(diǎn)的亮度反映出該點(diǎn)測(cè)量值的強(qiáng)度。圖3為第一幀X－Y二維掃描的正視圖。實(shí)驗(yàn)證明，利用以上的數(shù)據(jù)類，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維掃描數(shù)據(jù)文件的解析，獲取文件中所含聲場(chǎng)特性的測(cè)量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將有利于利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)聲場(chǎng)特性做進(jìn)一步的分析和評(píng)估。

圖2 聲場(chǎng)中均方根聲壓對(duì)應(yīng)的電壓有效值的空間分布

圖3 聲場(chǎng)中均方根聲壓對(duì)應(yīng)的電壓有效值的平面分布

［1］國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T16540－1996聲學(xué) 在0.5～15MHz頻率范圍內(nèi)的超聲場(chǎng)特性及其測(cè)量水聽(tīng)器法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

［2］國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局.YY/T 0750－2009超聲理療設(shè)備0.5MHz～5MHz頻率范圍內(nèi)聲場(chǎng)要求和測(cè)量方法［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［3］中華人民共和國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB9706.9－2008醫(yī)用電氣設(shè)備第2－37部分:超聲診斷和監(jiān)護(hù)設(shè)備安全專用要求［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［4］鄭莉，董淵.C++語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)(第2版)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.

［5］(美)福特，(美)托普.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)C++語(yǔ)言描述［M］.劉衛(wèi)東，沈官林譯.北京:清華大學(xué)出版社，1998.10.

［6］(美)Mason Woo等.OpenGL編程權(quán)威指南［M］.吳斌等譯.北京:中國(guó)電力出版社，2001.

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