白曉淞 深圳英美達醫(yī)療技術(shù)有限公司 （廣東 深圳 518055）

內(nèi)容提要： 前置驅(qū)動系統(tǒng)是內(nèi)鏡超聲成像系統(tǒng)的一個重要組成部分。雙頻內(nèi)鏡超聲成像設(shè)備使用超聲傳感器檢測組織特性，并使用記錄放大器電路和數(shù)字處理電路來記錄、處理和轉(zhuǎn)換回聲信號，從而產(chǎn)生組織的超聲斷層圖像。超聲成像程序控制系統(tǒng)是驅(qū)動超聲模塊完成圖像采集周期的關(guān)鍵部件，其運行對超聲圖像的質(zhì)量有很大影響。根據(jù)雙頻超聲內(nèi)鏡的功能要求，設(shè)計了一套采用雙頻雙通超聲內(nèi)鏡的系統(tǒng)。主要工作有以下幾點：①根據(jù)超聲診斷設(shè)備前面板顯示系統(tǒng)的功能及功能要求，完成各功能單元的功能劃分并擬定設(shè)計方案。②完成電機驅(qū)動裝置的設(shè)計，為了實現(xiàn)高精度的電機控制，采用了脈沖輸出可調(diào)、電源可調(diào)的芯片自調(diào)功能、D/A調(diào)節(jié)軟件、脈寬調(diào)節(jié)。這種電機控制系統(tǒng)的優(yōu)點是精度高、響應(yīng)快、可靠性高、靈活性好、便于攜帶。該驅(qū)動器的理論響應(yīng)時間為20μs，在設(shè)計的速度范圍內(nèi)和可變負載下對電機進行測試，最大速度誤差為2r/min，平均不穩(wěn)定性僅為0.11%。該驅(qū)動器保證了可變負載下的電機恒定轉(zhuǎn)速，從而保證了圖像質(zhì)量，提高了醫(yī)生診斷的效率和準確性。③高壓驅(qū)動設(shè)計配備了一個高壓輸出模塊和一個D/A和A/D微控制器反饋系統(tǒng)，精確控制傳感器的高壓輸出。

隨著計算機、微電子學(xué)、影像學(xué)和傳感器的發(fā)展，大量結(jié)合光學(xué)、機械和計算技術(shù)的新型醫(yī)療診斷和治療技術(shù)以及設(shè)備被開發(fā)出來。醫(yī)學(xué)雙頻超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)是電子內(nèi)鏡和超聲傳感器技術(shù)、微處理器、現(xiàn)代計算機、高級圖像處理等先進技術(shù)不斷融合產(chǎn)生的代表性系統(tǒng)之一，具有非常廣闊的發(fā)展前景。雙頻超聲內(nèi)鏡傳感成像裝置將超聲探頭送入人體，利用編碼的高電壓激勵探頭發(fā)出超聲波，同時通過軟軸帶動探頭旋轉(zhuǎn)掃描，將接收到的組織反射的回聲轉(zhuǎn)換成超聲斷層圖像，醫(yī)生可以在屏幕上觀察和診斷。除了定性診斷組織病變，如食道和胃中的病變，超聲掃描系統(tǒng)還可以確定病變的位置、深度和大小。診斷性超聲掃描還具有無痛、無輻射、無破壞性和可重復(fù)性的優(yōu)點，是一種為診斷病變組織提供準確成像依據(jù)的檢查技術(shù)。本文根據(jù)雙頻超聲內(nèi)鏡的功能要求，設(shè)計了一套采用雙頻雙通超聲內(nèi)鏡的系統(tǒng)。

1.雙頻雙通超聲內(nèi)鏡成像原理與其前端驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1 雙頻超聲內(nèi)鏡成像的基本原理

超聲波是頻率高于20kHz的聲波。超聲波因其波長短、頻率高、指向性好、穿透力強、能量低且對人體無害，廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1]。超聲波可以通過氣體、固體和液體傳播，而人體組織是合適的超聲波媒介。當超聲產(chǎn)生不連續(xù)的反射時，通過對各種介質(zhì)的聲阻抗進行檢測，根據(jù)回波的方向確定病變的空間位置，從而通過聲速關(guān)系確定組織病變的深度，以達到診斷目的。超聲波可以是橫波，也可以是縱波，能在人體中傳播的是縱波，而超聲波的傳播受流體波動方程的制約。

在超聲從具有獨立聲阻抗的界面向人體組織傳輸時，由于壓電效應(yīng)、超聲換能器的振動和人體組織的超聲散射，部分超聲被反射并產(chǎn)生超聲回波，如圖1所示。

圖1.脈沖回波成像原理

接收反射回波信號的換能器利用逆壓電效應(yīng)將其轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過濾波、放大、增益補償、信號解調(diào)和坐標轉(zhuǎn)換等一系列過程，將電信號送入超聲信號處理電路，得到超聲圖像，最后送入上位機的計算機顯示[2]。

1.2 雙頻超聲內(nèi)鏡成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

雙頻超聲內(nèi)鏡成像系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。該系統(tǒng)由一個探頭、一個前端驅(qū)動模塊、一個主機信號處理模塊和一個上位機組成。探頭由超聲換能器、可使換能器旋轉(zhuǎn)的軟軸和進入人體的外鞘管、接口連接器組成，主要功能是發(fā)射和接收超聲波。前置驅(qū)動模塊包括電機驅(qū)動和高壓驅(qū)動，其主要功能是驅(qū)動換能器旋轉(zhuǎn)并發(fā)射超聲波。

圖2.雙頻超聲內(nèi)鏡成像設(shè)備原理圖

因為是單陣元換能器，超聲探頭需要在人體中旋轉(zhuǎn)以獲得環(huán)形圖像，而超聲探頭需要高電壓激勵才能產(chǎn)生超聲波，所以內(nèi)鏡超聲驅(qū)動系統(tǒng)需要一個電機驅(qū)動模塊和一個高壓發(fā)生器模塊。由于電機驅(qū)動軟軸旋轉(zhuǎn)探頭，軟軸越短越好，而高壓傳輸距離不宜過大，所以將電機驅(qū)動和高壓驅(qū)動分開，放置在主機和探頭之間的前驅(qū)動模塊。在內(nèi)鏡超聲手術(shù)過程中，醫(yī)生應(yīng)根據(jù)自己的需要調(diào)整電機轉(zhuǎn)速和高壓電壓值，從而調(diào)整電機轉(zhuǎn)速和發(fā)射電壓，并將調(diào)整后的高壓值和轉(zhuǎn)速通過通信模塊傳輸給前端驅(qū)動系統(tǒng)[3]。前端驅(qū)動系統(tǒng)的通信模塊是一個探頭接口模塊，它能識別探頭的類型，以確定要產(chǎn)生的發(fā)射頻率。作為患者直接使用的醫(yī)療設(shè)備，超聲掃描儀必須是安全可靠的，因此在設(shè)計之初就必須考慮到臨床使用過程中可能出現(xiàn)的問題和風險，并提供適當?shù)慕鉀Q方案以確保醫(yī)生和患者的人身安全以及設(shè)備在使用過程中的安全。綜上所述，雙頻內(nèi)鏡超聲成像設(shè)備的驅(qū)動系統(tǒng)由電機驅(qū)動模塊、高壓控制模塊、探頭識別模塊和通信模塊組成。

2.雙頻超聲內(nèi)鏡前端驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 電機驅(qū)動模塊設(shè)計

為了保證超聲波成像的準確性，該系統(tǒng)要求電機驅(qū)動模塊的速度不穩(wěn)定度在0.5%以下，并在不同的負載條件下保持恒定的速度。因此，電機驅(qū)動模塊需要靈敏且非常精確。實驗表明，傳統(tǒng)的基于微控制器的PWM輸出頻率控制已經(jīng)不能滿足這一要求，所以需要一個新的設(shè)計方案。為了解決這個問題，本文利用可調(diào)開關(guān)輸出電流的自振功能，設(shè)計了一個自振硬件電路，結(jié)合單片機軟件的D/A控制，實現(xiàn)了PMW速度控制器的高精度電機控制。該電機驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)點是精度高、響應(yīng)快、可靠性高、通用性和便攜性非常好。該電機驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。

圖3.電機驅(qū)動原理圖

電機驅(qū)動系統(tǒng)由主機的MCU、輸出控制的開關(guān)穩(wěn)壓器和其他部件組成的自振式調(diào)速器電路部分、由PWM調(diào)速的直流電機和傳感器組成的電機部分組成。該系統(tǒng)的基礎(chǔ)是一個基于輸出控制開關(guān)電流的硬件自穩(wěn)定電路。該系統(tǒng)由一個52kHz的振蕩器、一個參考電路、一個電流限制電路、一個過熱保護電路、一個放大器、一個比較器和一個內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器組成。根據(jù)調(diào)節(jié)輸出開關(guān)電源電路的原理，如果反饋引腳上的電壓低于集成電路的參考電壓，開關(guān)電源電路將自動增加輸出PWM的占空比，反之亦然。這個動作允許硬件自動關(guān)閉電機速度控制。

當驅(qū)動模塊啟動時，MCU接收來自主機的速度信息，然后計算并通過DAC輸出一個參考電壓，控制V2電機以一定的速度運行。MCU使用一個計數(shù)器來測量單位時間內(nèi)的代碼脈沖數(shù)，計算電機的實際速度，將其與設(shè)定速度進行比較，并根據(jù)誤差值調(diào)整V2 DAC的輸出電壓，直到電機達到設(shè)定速度[4]。

2.2 高壓驅(qū)動模塊設(shè)計

超聲波換能器必須在高壓下激發(fā)才能發(fā)出超聲波。本工作中開發(fā)的高壓驅(qū)動模塊的原理圖如圖4所示。

圖4.高壓驅(qū)動原理圖

高壓驅(qū)動模塊由高壓發(fā)生器模塊、中央控制單元MCU部分、部分電壓反饋控制單元和緊急開關(guān)部分組成。該驅(qū)動裝置的核心是一個高壓發(fā)生器模塊，能夠?qū)?2V的輸入電壓按比例轉(zhuǎn)換為0～200V的高壓，控制電壓范圍為0～5V。由于單片機DAC的最大輸出電壓不得超過3V，單片機DAC的直接控制可以產(chǎn)生高達120V的輸出電壓，所以單片機DAC的輸出電壓必須經(jīng)過放大。為了保證對高電壓的實時監(jiān)測，設(shè)計了一個電阻分壓器，將高電壓按比例轉(zhuǎn)換為低電壓，并傳輸給微控制器的ADC，ADC計算出高電壓的實際值，并根據(jù)測得的高電壓實際值評估高電壓的工作狀態(tài)，進行適當?shù)捻憫?yīng)處理[5]。在發(fā)生危及人身和設(shè)備安全的高電壓報警時，應(yīng)通過I/O控制的緊急開關(guān)斷開高壓發(fā)生器電源，以達到高電壓斷開的目的。

2.3 探頭識別模塊設(shè)計

探頭識別功能是記錄探頭的頻率類型和參數(shù)信息，以方便臨床醫(yī)生在使用儀器過程中更換探頭時自動識別，并實時監(jiān)測探頭在使用過程中的位移或損壞情況。該單元使用雙頻超聲內(nèi)鏡換能器中的EEPROM來存儲探頭的頻率和參數(shù)信息，并使用I2C總線接口從EEPROM中讀取信息[6]。I2C總線是一種兩線制的串行總線，用于微控制器和外圍器件的互連，是微電子通信和控制行業(yè)中廣泛使用的總線標準。它的優(yōu)點是控制模式簡單，接口線數(shù)量少，體積小，數(shù)據(jù)速率高。由于微控制器本身集成了I2C總線接口，并提供了應(yīng)用實例，因此可以大大簡化系統(tǒng)硬件，縮短開發(fā)時間，從而形成一個功能強大的解決方案。傳感器識別模塊的基本接線圖如圖5所示[7]。

圖5.探頭識別原理圖

探頭安裝的EEPROM識別卡的尺寸為22mm×12mm×10mm。圖6是內(nèi)鏡超聲探頭識別卡的尺寸圖。

3.小結(jié)

內(nèi)鏡超聲診斷是近十年來發(fā)展起來的一種體內(nèi)超聲診斷技術(shù)。它可以用肉眼直接診斷早期癌變，主要用于檢測和篩查食道、腸道和胃黏膜下組織的癌變和腫瘤，并用于診斷胰腺腫瘤、膽結(jié)石等疾病。與計算機體層成像、磁共振成像和體外超聲相比，雙頻超聲內(nèi)鏡在診斷胃腸道和胰腺周圍的軟組織結(jié)構(gòu)方面具有明顯優(yōu)勢。診斷性超聲檢查對于發(fā)現(xiàn)胃腸道的癌變、性質(zhì)、發(fā)展階段和手術(shù)切除至關(guān)重要。內(nèi)鏡超聲和電子內(nèi)鏡成像技術(shù)的結(jié)合，可以同時對體內(nèi)組織進行超聲和電子內(nèi)鏡成像。

圖6.接口板尺寸示意圖

雙頻超聲內(nèi)鏡可以對胃腸壁不同層次的病變進行檢測和分類，診斷侵蝕的深度和面積，以及病變向鄰近組織和器官的擴散和轉(zhuǎn)移情況。診斷胃腸癌和胃腸黏膜下病變是雙頻超聲內(nèi)鏡的一個主要應(yīng)用。雙頻超聲內(nèi)鏡成像系統(tǒng)的優(yōu)點是診斷方便，圖像清晰，無損傷，無電離輻射，臨床應(yīng)用的通用性強。一次掃描，即可形成兩幅超聲圖像，一幅圖像關(guān)注穿透深度（探頭中心頻率12MHz），一幅圖像關(guān)注圖像細膩程度（探頭中心頻率20MHz）。

隨著國內(nèi)外醫(yī)療事業(yè)的蓬勃發(fā)展，雙頻超聲內(nèi)鏡技術(shù)也得到了較為成熟的進步。作為癌癥診斷的一項重要手段，對該課題的研究分析具有較大的現(xiàn)實意義。

本文從雙頻超聲內(nèi)鏡的應(yīng)用原理及其結(jié)構(gòu)分析入手，首先對其前驅(qū)系統(tǒng)做出論述，從而以現(xiàn)階段使用廣泛的超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，設(shè)計出一種具有技術(shù)優(yōu)越性的雙頻超聲內(nèi)鏡成像系統(tǒng)，基于醫(yī)生以及患者不同的診療需求，獨特地完善了驅(qū)動系統(tǒng)的相關(guān)功能。并從電機驅(qū)動，探頭識別以及高壓驅(qū)動三個模塊入手，應(yīng)用了獨特的系統(tǒng)原理，提升了設(shè)計的雙頻超聲內(nèi)鏡的使用上限，對于相關(guān)課題的研究提供了較大的參考作用。