謝 傲，李爭平，栗卓然，趙韋晨，梁 越，王立軍

（北方工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100144）

0 引 言

目前，常規(guī)胸部X線攝影（Chest X-Rayradiography,CXR）和計(jì)算機(jī)斷層掃描（Computed Tomography, CT）常用于判定創(chuàng)傷患者是否有可疑氣胸，同時(shí)CT檢測已經(jīng)成為創(chuàng)傷性疾病診斷的標(biāo)準(zhǔn)。雖然CT診斷的準(zhǔn)確度非常高，但會(huì)使患者暴露在嚴(yán)重輻射的環(huán)境中，當(dāng)患者病情不穩(wěn)定時(shí)，無法長時(shí)間通過CT進(jìn)行檢查。X光有著低劑量輻射、檢查時(shí)間短及可移動(dòng)等特點(diǎn)，臨床常用于氣胸的診斷，其診斷靈敏度、特異度均較高。但其存在電離輻射可重復(fù)性較差，并且受體位影響容易引起誤診、漏診。在救援領(lǐng)域，X光和CT設(shè)備常受轉(zhuǎn)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)大、耗時(shí)多、費(fèi)用高等缺點(diǎn)限制，很難在艱險(xiǎn)的救援現(xiàn)場對可能的氣胸患者進(jìn)行診斷。因此，尋找一種新的方法診斷創(chuàng)傷性氣胸十分必要。與傳統(tǒng)放射檢查相比，超聲具有無輻射、操作簡單、安全快速及便攜的特點(diǎn)，在急診急救中應(yīng)用越來越廣泛。但是，由于超聲本身的成像機(jī)理，導(dǎo)致超聲圖像往往噪聲較多，清晰度、分辨率相較于CT和X光等醫(yī)學(xué)影像來說明顯較弱。這使得超聲成像存在很多不足：第一，超聲診斷結(jié)果準(zhǔn)確性受超聲診斷醫(yī)師的操作技能影響較大；第二，對超聲檢查醫(yī)師的讀圖能力要求較高，與CT、MRI相比，超聲圖像清晰度和分辨率有待提升；第三，對肺和胃腸器官的滲透性差，在肺和胃腸器官檢查過程中，如果采用超聲檢查方法，將影響最終檢查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。由于超聲診斷對患者肺部和胃腸道的穿透性差，在一定程度上其應(yīng)用會(huì)受到限制。但相關(guān)研究顯示，超聲對急性氣胸的診斷結(jié)果與CT基本一致，并且優(yōu)于胸部X射線檢查結(jié)果；床旁胸部X射線檢查的時(shí)間長于肺部超聲檢查，而超聲相對于X射線可以更早地發(fā)現(xiàn)少量氣胸。

1 肺部超聲氣胸檢測技術(shù)

1.1 肺部超聲典型征象

1.1.1 肺滑動(dòng)征

肺滑動(dòng)是鑒別氣胸的一個(gè)重要征象。在實(shí)時(shí)超聲下，當(dāng)探頭與肋骨垂直掃描時(shí)，可在胸膜線處看到臟層胸膜和壁層胸膜之間產(chǎn)生一種水平相對滑動(dòng)并伴隨呼吸運(yùn)動(dòng)，即“肺滑”，它是人在呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)臟層胸膜和壁層胸膜相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的高回聲閃爍。氣胸患者兩層胸膜之間存有空氣，影響胸膜的可視性，因此肺滑動(dòng)消失，如圖1所示。而肺搏動(dòng)和肺點(diǎn)通常是指在呼吸過程中存在吸氣、呼氣運(yùn)動(dòng)，出現(xiàn)在正常、異常影像交替顯示的分界點(diǎn)，該肺點(diǎn)的存在可判斷為氣胸，但若為重度氣胸時(shí)也可能不出現(xiàn)肺點(diǎn)。

圖1 氣胸的超聲診斷肺滑動(dòng)

1.1.2 B線特征

從胸膜線開始并垂直于胸膜線輻射至肺野深部的線性高回聲稱為B線。B線是從胸膜線延伸到屏幕底部的離散垂直混響偽影，它不隨距離的增加而減少，與肺的滑動(dòng)和呼吸同步地前后移動(dòng)?；祉憘斡笆侵赋暡▊鞑ヂ窂缴系膬蓚€(gè)或兩個(gè)以上反射，主要發(fā)生在兩個(gè)聲阻抗差異較大的平滑聲學(xué)界面上；而B線是由超聲波在肺泡氣液平面上的反射而形成的，也稱為“彗星尾征”。B線不是氣胸的直接征象，臨床上主要用于判斷間質(zhì)性肺疾病的嚴(yán)重程度。然而，如果B線與胸膜線結(jié)合，如圖2所示，氣胸可以在很大程度上被排除。

圖2 氣胸的超聲診斷B線

1.1.3 A線特征

當(dāng)聲束垂直于胸膜時(shí)，混響偽影引起的多次反射將產(chǎn)生平行于胸膜線的線性超回聲，它位于胸膜線下方。超聲下可見一系列平滑、清晰、規(guī)則的線性高回聲，與胸膜線平行，間隔均勻；從淺肺到深肺，回聲逐漸減弱，最后消失。

在遇到胸膜的多次反射后，超聲形成的平行于胸膜的多條亮線是一種混響偽影，有助于氣胸的診斷，表現(xiàn)為平行于胸膜的高回聲水平線，等距、弱信號。每條A線之間的距離表示壁胸膜與皮膚表面之間的距離。A線通常在肺密度正常時(shí)出現(xiàn)，在氣胸患者中也可以看到，如圖3所示。

圖3 氣胸的超聲診斷A線

1.1.4 肺點(diǎn)征

肺點(diǎn)可見于正常肺組織和病理性肺組織（如氣胸）之間的過渡區(qū)。通過M型超聲識別更為明顯，海灘標(biāo)志和平流層標(biāo)志與呼吸運(yùn)動(dòng)交替出現(xiàn)。肺斑塊是氣胸診斷的主要征象，特異性為100%。

1.2 超聲氣胸的診斷

超聲氣胸的診斷常常是根據(jù)肺部超聲出現(xiàn)的不同征象進(jìn)行。首先，判斷是否存在肺滑征，若出現(xiàn)肺滑征，則可排除發(fā)生氣胸的可能性；然后，觀察是否出現(xiàn)B線，若出現(xiàn)B線則一定不發(fā)生氣胸；最后，在肋間掃查，是否出現(xiàn)肺點(diǎn)征，若出現(xiàn)肺點(diǎn)征則可以判斷產(chǎn)生氣胸。

1.3 壓電效應(yīng)

壓電體在受到外機(jī)械力作用下發(fā)生電極化，在壓電體兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，使得電荷密度與外機(jī)械力成正比，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。壓電體受到外加電場的作用而發(fā)生形變，其形變量與外加電場強(qiáng)度成正比，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。具有正壓電效應(yīng)的固體，也一定具有逆壓電效應(yīng)，反之亦然。

如果壓力是一種高頻震動(dòng)，則會(huì)產(chǎn)生高頻電流。當(dāng)壓電陶瓷中加入高頻電信號時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高頻聲信號，通常稱為超聲波信號。也就是說，壓電陶瓷具有在機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能，因此超聲探頭常常被稱為換能器。

2 基于氣胸超聲診斷的基本原理、實(shí)現(xiàn)與分析

2.1 氣胸超聲診斷的實(shí)現(xiàn)原理

本文提供了一種便攜式的超聲氣胸診斷儀，該診斷儀包括超聲發(fā)射和采集模塊、成像模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、診斷判別模塊。

超聲發(fā)射和采集模塊是設(shè)置超聲探頭發(fā)射超聲，并收集發(fā)射的超聲在人體組織內(nèi)反射、散射的回聲。成像模塊是根據(jù)探頭采集到的回聲進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換，形成超聲圖像。數(shù)據(jù)處理模塊是對通過成像模塊得到的超聲圖像進(jìn)行濾波、降噪等預(yù)處理，然后對預(yù)處理后的圖像進(jìn)行圖像分割和目標(biāo)檢測。診斷判別模塊是對經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊分割后的圖像進(jìn)行判別，判斷是否產(chǎn)生氣胸，同時(shí)將結(jié)果進(jìn)行反饋。

針對氣胸的便攜式應(yīng)急救援診斷裝置包括震蕩電路、高頻脈沖發(fā)生器、超聲探頭、高頻信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、氣胸識別處理單元、LED指示燈。其中震蕩電路、高頻脈沖發(fā)生器、超聲探頭、高頻信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、氣胸識別處理單元依次連接，氣胸識別處理單元還與揚(yáng)聲器和LED指示燈連接。震蕩電路用于周期性地產(chǎn)生同步觸發(fā)脈沖信號，并發(fā)送至高頻脈沖發(fā)生器。高頻脈沖發(fā)生器在收到震蕩電路同步信號的觸發(fā)之后向超聲探頭發(fā)送高頻脈沖。超聲探頭用于發(fā)出高頻脈沖，接收來自人體內(nèi)的超聲回波并將其轉(zhuǎn)換為高頻電信號，將接收到的高頻電信號發(fā)送至高頻信號放大電路，相關(guān)研究顯示采用高頻探頭相對低頻探頭可提高超聲檢查的靈敏度。高頻信號放大電路用于放大超聲探頭發(fā)送來的高頻電信號，并發(fā)送至A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并發(fā)送至氣胸識別處理單元。氣胸識別處理單元用于對經(jīng)過數(shù)字化處理后的高頻信號進(jìn)行處理，對超聲氣胸進(jìn)行識別，并控制LED指示燈和揚(yáng)聲器工作，包括圖像預(yù)處理模塊、圖像分割模塊、目標(biāo)檢測模塊、診斷反饋模塊，其中圖像預(yù)處理模塊用于對超聲圖像進(jìn)行濾波和降噪處理，將預(yù)處理后的超聲圖像發(fā)送至圖像分割模塊；圖像分割模塊用于檢測出胸膜線位置，在胸膜線部位進(jìn)行分割，保留胸膜線以下部位，將分割后的圖像發(fā)送至目標(biāo)檢測模塊；目標(biāo)檢測模塊對超聲圖像進(jìn)行兩次膨脹，對膨脹后的圖像進(jìn)行二值化處理后再進(jìn)行霍夫變換，檢測平流征的直線以及沙灘征和平流征的交匯點(diǎn)后將檢測標(biāo)記后的圖像發(fā)送至診斷判別模塊；診斷判別模塊根據(jù)檢測結(jié)果判斷是否產(chǎn)生氣胸。

進(jìn)一步地，所述氣胸識別處理單元控制LED指示燈和揚(yáng)聲器工作方式為：當(dāng)在某一部位未檢測出氣胸時(shí)，LED指示燈顯示為綠燈，同時(shí)揚(yáng)聲器伴有一聲時(shí)間較長的“嘀”聲；當(dāng)檢測到某部位產(chǎn)生氣胸時(shí)，LED指示燈顯示為紅色，同時(shí)揚(yáng)聲器伴有一陣短促的“嘀嘀”聲，表示檢測到氣胸。另外，超聲探頭采用單晶片結(jié)構(gòu)探頭。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文的便攜式超聲氣胸診斷儀具有如下優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)氣胸超聲診斷的基本原理，利用現(xiàn)代電子技術(shù)、信號處理技術(shù)，設(shè)計(jì)針對氣胸的專病診療設(shè)備，將傳統(tǒng)的超聲設(shè)備進(jìn)行小型化處理，降低設(shè)備成本和使用門檻；檢測速度較快，提高了氣胸的診斷效率；非常適用于災(zāi)害救援與戰(zhàn)場急救等場景。

2.2 實(shí)現(xiàn)方案

下面針對兩大主要模塊對超聲氣胸診斷儀的技術(shù)方案進(jìn)行闡述。

2.2.1 超聲模塊

超聲模塊的主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。震蕩電路，即同步信號觸發(fā)器，周期性地產(chǎn)生同步觸發(fā)脈沖信號，用以觸發(fā)高頻脈沖發(fā)生器產(chǎn)生高頻脈沖，以激活超聲探頭產(chǎn)生超聲。超聲脈沖產(chǎn)生的重復(fù)頻率決定于觸發(fā)脈沖的重復(fù)頻率，其下限大于探測目標(biāo)運(yùn)動(dòng)波形頻率的2倍，上限則取決于聲波達(dá)到人體的最大探查深度所需的時(shí)間。

圖4 便攜式應(yīng)急救援氣胸診斷裝置整體結(jié)構(gòu)

高頻脈沖發(fā)生器收到同步信號的觸發(fā)之后，產(chǎn)生高頻脈沖激發(fā)超聲探頭（換能器）；超聲探頭受到激發(fā)后便可以發(fā)射一定頻率的脈沖超聲波。該產(chǎn)品針對超聲氣胸而設(shè)計(jì)，只要求超聲儀發(fā)射M型的超聲，因此可將超聲探頭設(shè)置為單晶片結(jié)構(gòu)探頭。超聲波的穿透力和縱向分辨能力在很大程度上取決于高頻脈沖發(fā)生器，高頻脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖要求具有一定的幅度和較短的持續(xù)時(shí)間。

超聲探頭在高頻脈沖發(fā)出后，接收來自人體的超聲波回波，并將其轉(zhuǎn)換為高頻電信號；然后通過高頻信號放大電路進(jìn)行放大。高頻信號放大電路可由前置放大、保護(hù)電路、高頻放大及非線性放大的時(shí)間增益電路等組成。為了獲得足夠的靈敏度與保真度，應(yīng)該使得高頻信號放大電路具有足夠大帶寬和增益。

被放大后的高頻信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器，將高頻的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，方便進(jìn)行數(shù)字化處理。在氣胸處理識別單元對經(jīng)過數(shù)字化處理后的高頻信號進(jìn)行處理，并對是否是氣胸進(jìn)行識別。當(dāng)在某一部位未檢測出氣胸時(shí)，LED指示燈顯示為綠燈，同時(shí)揚(yáng)聲器伴有一聲較長的“嘀”聲；當(dāng)檢測到某部位產(chǎn)生氣胸時(shí)，LED指示燈顯示為紅色，同時(shí)揚(yáng)聲器伴有一陣短促的“嘀嘀”聲，表示檢測到氣胸。

2.2.2 圖像處理和診斷模塊

圖像處理和診斷模塊如圖5所示。首先，對生成的超聲圖像做簡單的圖像預(yù)處理，降低超聲圖像的噪聲；然后對超聲圖像進(jìn)行分割，針對超聲氣胸圖像，需要檢測出胸膜線位置，保留胸膜線以下部位，進(jìn)行目標(biāo)檢測和分割。

圖5 氣胸識別處理單元結(jié)構(gòu)

M模式下肺部氣胸超聲圖像如圖6所示。黑框標(biāo)注位置為胸膜線所在位置，保留胸膜線以下位置，并對超聲圖像繼續(xù)進(jìn)行目標(biāo)檢測。

圖6 M模式下肺部氣胸超聲圖像

超聲氣胸的金標(biāo)準(zhǔn)是在M模式下檢測發(fā)現(xiàn)肺點(diǎn)，也就是A線以下發(fā)生沙灘征和平流征交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，其中沙灘征和平流征的交匯點(diǎn)為肺點(diǎn)，如圖7所示，沙灘征表現(xiàn)為無序的散點(diǎn)；平流征表現(xiàn)為密集、水平排列的線段?？衫没舴蜃儞Q檢測線段的方法，檢測平流征的特征。

圖7 M模式下肺部氣胸超聲圖像

對超聲圖像進(jìn)行兩次膨脹，再對膨脹后的圖像進(jìn)行二值化處理，如圖8所示。對二值化圖像進(jìn)行霍夫變換，檢測平流征的直線，結(jié)果如圖9所示。

圖8 二值化處理后的超聲圖像

圖9 超聲圖像檢測結(jié)果

3 結(jié) 語

本文中的便攜式超聲氣胸診斷儀有著檢查速度快、便于攜帶的優(yōu)點(diǎn)；將傳統(tǒng)的超聲設(shè)備進(jìn)行小型化處理，設(shè)備的電路結(jié)構(gòu)較簡單、成本較低。還可以將診斷儀做成類似于智能手機(jī)的大小，做到真正的便攜式設(shè)計(jì)，方便救援人員在救援現(xiàn)場使用。相比于傳統(tǒng)的超聲氣胸診斷流程，本文的診斷儀只須檢測到胸膜線以下有氣體，在超聲中的表現(xiàn)是A線下出現(xiàn)平流征，即可確診。相較于傳統(tǒng)流程，檢測速度較快，非常適用于災(zāi)害現(xiàn)場與戰(zhàn)場等救援場景。