基于凌華科技PCI-9846高速數字化儀的復雜超聲場自動檢測與分析

 

　　第一作者：王煒、男、1956.8.27、教授、西安交通大學生物醫(yī)學工程專業(yè)，現(xiàn)從事醫(yī)學儀器相關的研究。

 

　　主要作者：鄧允、女、1984.6.34、碩士生、蘭州大學信息學院生物醫(yī)學工程專業(yè)，現(xiàn)從事醫(yī)學電子學研究。

 

　　主要作者：李嵐、女、1986.5.6、碩士生、蘭州大學信息學院生物醫(yī)學工程專業(yè)，現(xiàn)從事醫(yī)學電子學研究。

 

 

　　該研究為復雜醫(yī)學超聲傳感器的設計與超聲場自動測量分析及參數建模領域

 

 

　　為了適應人體組織結構的特點，醫(yī)學超聲換能器的設計正向復合聲場方面發(fā)展，復雜超聲場的測量與建模是業(yè)界公認的難題。傳統(tǒng)的超聲場測量信號采集效率低，不能進行信號的自動采集分析，更不能滿足復雜超聲場的參數評估與準確建模，制約了復雜醫(yī)用超聲換能器的設計與應用。為了適應復雜超聲換能器設計和應用的要求，迫切需要研究一種適合復雜超聲場信號的自動檢測與分析系統(tǒng)，以解決復雜超聲場的計算建模及實際測量中存在的諸多困難。

 

 

　　以凌華科技PCI-9846高速數字化儀為中心，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)，通過高效的數據采集模塊，將三維聲場的聲壓數據實時顯示和保存。設計、制作步進電機驅動的四軸精密工業(yè)機器人系統(tǒng)，開發(fā)自動控制與自動測量系統(tǒng)，實現(xiàn)超聲場任意部位的立體定位，實現(xiàn)機器人測量點自動定位控制和數據采集之間的協(xié)調。開發(fā)聲場測量數據的回放及多功能綜合分析系統(tǒng)，可視化顯示結果。

 

 

　　基于凌華科技PCI-9846高速數字化儀的復雜超聲場自動檢測與分析

 

 

　　醫(yī)用超聲診斷和治療設備已經成為醫(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確測定，需要引起超聲設備研究人員和換能器生產單位的足夠重視?，F(xiàn)在國內對聲換能器性能的全面測試還沒有普及，尤其是與國外產品相比，有的制造者不能對其生產的換能器提供可靠的性能數據，價格，性能，穩(wěn)定程度的差距不小，成為國內超聲換能器設備研制和生產工藝的瓶頸[1]。

 

　　面對復雜的醫(yī)療臨床要求，超聲設備對換能器的選型和設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想，因此急需設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研究的基礎，隨著超聲技術應用更廣泛，目前國內外開展了許多對超聲輻射的生物效應的研究課題，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不斷發(fā)展，但是可視化成像技術和計算機應用仍然是醫(yī)學超聲工程中的薄弱緩解，因此需要在硬件設備和軟件開發(fā)的基礎上自主創(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)基于計算機輔助計算的仿真軟件上，另一方面研究進行超聲實際測量的多功能系統(tǒng)。目前生物醫(yī)學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用于工業(yè)探傷檢測，如浙江大學開發(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，將機電一體化的自動控制技術應用于超聲信號的采集，量化處理的研制。雖然目前針對醫(yī)療超聲技術應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)相關的超聲醫(yī)療設備，如fluke的Sonora超聲聲場檢測系統(tǒng)等。

 

 

　　雖然目前對超聲換能器聲場性能的測量進行了許多研究工作，但是測量過程中普遍使用示波器人工方法，效率低，機械化程度差，人為誤差大，嚴重影響了檢測結果的精確性和可信性。隨著超聲設備在醫(yī)學診斷和治療中的應用越來越廣泛，對超聲換能器的功能要求更多元化和精確化。

 

　　為了適應人體組織結構的特點，醫(yī)學超聲換能器的設計正向復合聲場方面發(fā)展，復雜超聲場的測量與建模是業(yè)界公認的難題。特別對于組合陣列換能器和復頻率換能器的設計和測試評估中，通過先進的超聲場自動檢測技術可以節(jié)省檢測時間和經費；另外，由于醫(yī)療應用中傳播超聲的介質是生理材料，具有特殊性如非均質和各向異性的需要，對超聲波診斷和治療中換能器使用的方案和參數設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，不能進行信號的自動采集分析，更不能滿足復雜超聲場的參數評估與準確建模，制約了復雜醫(yī)用超聲換能器的設計與應用。為了適應復雜超聲換能器設計和應用的要求，迫切需要研究一種適合復雜超聲場信號的自動檢測與分析系統(tǒng)，以解決復雜超聲場的計算建模及實際測量中存在的諸多困難。

 

 

　　本文設計和開發(fā)以凌華科技PCI-9846高速數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)，通過高效的數據采集模塊，將三維聲場的聲壓數據實時顯示和保存。設計、制作步進電機驅動的四軸精密工業(yè)機器人系統(tǒng)，開發(fā)自動控制與自動測量系統(tǒng)，實現(xiàn)超聲場任意部位的立體定位與數據采集之間的協(xié)調。開發(fā)聲場測量數據的回放及多功能綜合分析系統(tǒng)，可視化結果顯示。實現(xiàn)超聲換能器性能指標的快速準確地測量，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度，縮短計量檢定的工作時間，提高超聲換能器設計和使用的規(guī)范化，標準化和結果的可信度。

 

 

　　1）信號采集單元

　　超聲信號采集以高速數據采集卡為中心，聯(lián)合前置放大器與信號采集傳感器，再經計算機平臺的信號采集軟件實現(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，再經前置放大器放大后進預處理，由高速數據采集卡A/D轉換輸入計算機中保存和顯示。采集過程中，采樣頻率和帶寬是重要指標。帶寬一般是取頻率譜的-3dB帶寬，或者功率譜上的半功率點為信號帶寬。超聲信號采集的帶寬直接影響整個設備的總分辨率，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。

 

圖3-1 超聲信號自動采集方案原理框圖

 

 

　　高速數據采集卡采用凌華科技科技高速高分辨數字化儀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，可廣泛應用與中頻信號、雷達應用、光達應用、超聲波信號以及無損傷檢測方面。該數字化儀完全可以滿足應用需求。

 

　　水聽器選用海鷹ZS-500型針式水聽器頻率響應范圍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，受溫度限制等特點，本研究測量方法是高密度逐點自動掃描法，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。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。

 

 

　　對超聲瞬態(tài)的時域信號進行頻譜分析時，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；調整表面回波信號的采樣頻率和采樣點數，經過模擬數字數據離散處理，對采樣的點數進行FFT轉換；根據測得的波形幅度數據，經處理后，畫出負載的頻率響應曲線；計算超聲換能器的頻率特性參數，如中心頻率。測量聲場的關鍵參數包括聲壓，聲強和聲焦域等，相應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據，需要利用可視化技術。該技術將復雜的計算和仿真結果用具體形象的圖形方式表示，加深了對數據的理解和規(guī)律分析，提高了處理效率，可以分析試驗過程的變化，LabVIEW可視化技術為復雜超聲換能器的分析和設計提供了有力的工具[6]。

 

 

　　整個測量過程的控制和測量點的定位是由一個成都海葳科技直角坐標機器人完成，其中將運動控制和數據采集模塊有機地聯(lián)系在一起，一方面控制機械臂帶動水聽器作自動掃描運動，另一方面控制信號采集模塊采集信號，并對采集的數據進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)，結合控制和測量的硬件，建立人機交互界面，完成對硬件的控制，數據分析和顯示。

圖3-2 自動測量控制平臺的結構見圖

 

　　根據超聲輻射場測量和分析的需要，分為測量模塊和分析模塊。測量功能模塊包含有上位機控制平臺和數據實時處理平臺。在綜合分析平臺中根據聲場描述的需要，將采集到的電信號，轉換成聲壓或聲強值，并且將轉換的值投影到對應的采集區(qū)域，采用可視化技術直觀顯示聲場分布的變化規(guī)律。

 

　　進行自動測量最主要的是運動控制模塊，數據采集控制模塊。運動控制模塊和采集模塊的功能是與下位機DMC2410四軸運動卡和信號采集單元通訊，通過硬件組件提供的動態(tài)連接庫DLL，向運動控制卡和數字示波器發(fā)送或提取需要的信息，驅動X、Y、Z軸步進電機運動，達到快速準確測量的目的。因此該模塊的一端與硬件提供的動態(tài)鏈接庫的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，即機器人X、Y、Z 軸的位置坐標，和采集到的超聲波信息，并把信息進行基礎的處理后傳送給顯示輸出模塊進行顯示和輸出，其原理框圖如下圖3-3所示。在進行數據結構和軟件框架的設計上，要考慮人機界面友好，硬件控制和糾錯功能要完善，還包括數據顯示模塊，數據可視化模塊等。

 

圖3-3 精密機器人數據處理流程圖

 

 

　　系統(tǒng)功能按照上述設計方案全部實現(xiàn)，按自動采集定位控制及信號采集分析分別分兩步實現(xiàn)。根據實際測量的需要，根據功能不同分為四個部分，水聽器定位，單軸掃描，三維掃描和聲譜分析控制平臺。

 

　　數據采集模塊是該系統(tǒng)的核心，該模塊的開發(fā)要首先下載凌華科技科技提供的PCI-9846H相關的LabVIEW支持函數庫，并加載到LabVIEW工具庫中（見圖4-1），然后可以很方便的與原工具一樣編制采集程序。實現(xiàn)了4通道數據的高速采集模塊，并實現(xiàn)了該模塊內置的在線觀察預處理功能，如多參數濾波器、功率譜、頻譜分析與幅值、頻率等參數的測量（見圖4-2）。同時該模塊還實現(xiàn)了多種時域、高階譜、短時傅里葉變化與小波等分析方法，可以對采集到的信號根據需要進行以上預處理，并進行同步三維顯示，然后傳到后面的三維聲場自動分析模塊進行建模分析。該模塊可以作為單獨的4通道超聲信號采集與分析使用，可以將數據以文本、數據文件格式存儲，也可以將存儲的數據回放分析。將該模塊作為一個LabVIEW超聲信號采集類使用，將其植入相應的數據節(jié)點，用于后面的綜合分析。

圖4-1 加載了凌華科技PCI-9846 支持函數庫的LabVIEW工具欄

 

4-2 超聲4通道信號采集與分析基本模塊界面

 

　　實現(xiàn)直線掃描運動控制，平面掃描運動控制，和三軸立體掃描空間運動控制，以一步一停的運動方式逐點采集數據?？梢钥焖賹鞲衅饕苿拥叫枰杉膮^(qū)域，然后從以上信號采集功能模塊的數據節(jié)點讀取數據，觀察傳感器所在位置的電信號變化，并定量判斷該點的聲壓值。聲場自動定位定位功能模塊的參數控制面板見圖4-3。

圖4-3 聲場測量自動定位單軸掃描測試面板圖

 

　　單軸掃描，三維掃描和聲譜分析軟件，是測量聲場空間分布和時頻特性的專用軟件。單軸掃描可以顯示在X，Y，Z方向上每個測量點的聲壓或聲強沿直線方向的分布曲線圖，通過與設計的各軸向聲場分布理論值比較，可快速對超聲換能器的性能作出評估。

 

圖4-4 精密機器人測量和分析系統(tǒng)三維顯示軟件前面板圖

 

　　三維掃描軟件能詳細描繪整個三維空間和XY，XZ，YZ平面上的聲場分布的情況，由于空間分辨率高，可以顯示平面上的微小變化，通過不同聲壓或聲強與顏色的對應關系，可以直觀看出聲場在空間的變化規(guī)律，為研究和工程人員提供可靠精確的分析途徑，其應用界面見圖4-5、6。

 

　　頻譜分析采用離散傅里葉變換，對采集的聲場電信號處理。利用頻譜分析方法可研究高頻超聲信號的頻域分布（見圖4-6），對超聲場全面了解，也是換能器性能測定的重要指標。

圖4-5三維自動測量和分析功能面板圖

圖4-6頻譜分析功能面板圖

 

　　系統(tǒng)整合了精密機器人，硬件和各軟件子系統(tǒng)的組成聲場自動化測量系統(tǒng)。在實際測量中，利用其高空間分辨率和實時準確性，可對超聲換能器的聲場特性和頻率特性準確測定，及理論模型的建立提供了有效數據。

 

 

　　為了驗證系統(tǒng)的主要功能，選擇一標準的凹球殼自聚焦超聲換能器，連續(xù)波超聲功率源驅動進行超聲場聲壓分布參數的驗證測試。換能器設計的幾何參數分別為：換能器輻射面出口半徑r=30mm，球殼曲率半徑R=90mm，輻射中心頻率f=1.3MHz，水介質的聲速取1500m/s。測量聲場的關鍵參數包括聲壓，聲強和聲焦域等，相應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，焦平面聲場曲面圖，焦斑三維立體圖。

 

　　經過測試換能器軸線聲壓曲線圖顯示了軸線上聲壓幅值隨距離的變化的規(guī)律。水聽器初始位置為聲束中心軸線距離換能器40mm，經逐點掃描到140mm處結束，各點間距為0.5mm，測量值與理論值驗證的結果如圖5-1所示：

 

圖5-1 軸向聲壓分布的理論值與測量值；(a)本文系統(tǒng)的實際測量值 (b)聚焦超聲場理論模型仿真值和測量值比較

 

　　圖5-1(a)是本文開發(fā)的系統(tǒng)的實際測量的數據值，該數據點是由機器人單軸掃描方式測試而得。圖5-1(b)是在軸向上根據經典聲場軸向聲壓分布模型建模計算的聲壓理論值與實測值比較的結果，波動的曲線是實際測量值，光滑實線是理論模型值。由模型可知在焦點以外的聲壓分布顯示為低能量振蕩，并逐漸衰減，而且在近場區(qū)和遠場區(qū)的衰減幅度并不對稱。測試結果顯示測量值與理論值在主峰處擬和得很好，但是在旁瓣處，測量的聲壓值偏大，主要由于高頻超聲換能器在連續(xù)脈沖的激勵下產生復雜的諧波，水聽器和凌華科技9846H數字化儀響應頻率范圍寬，檢測到的多種諧波頻率分量疊加產生的能量，而理論模型和手工示波器檢測固定在一個核心頻率處，使信息不全。

 

　　由于發(fā)射換能器為凹球殼面，傳播的波面也為球面，可以測量在焦平面一條直徑的聲壓曲線圖，作為超聲場分布的一個特性，反映了沿徑向聲壓幅值隨距離的變化規(guī)律，掃描各點間距為0.05mm，實驗結果如圖5-2所示。

 

圖5-2 焦平面面徑向聲壓分布的理論值與測量值比較結果；(a)測量系統(tǒng)的實際測量值 (b)聚焦超聲場理論模型仿真值和測量值比較結果

 

　　圖5-2(a)是本文系統(tǒng)的實際測量的數據點，該數據是由單軸掃描方式測得。圖5-2(b)是在焦平面徑向上經經典聲壓理論建模計算的值與實際值比較結果。波動的曲線是實際測量值，光滑實線是理論模擬值，可見焦平面聲壓分布是振蕩而且沿中心點對稱分布的。從圖5-2(b)理論值與實際測量值比較結果可知，主峰處擬和得比較好，但是在旁瓣處，實際測的值豐富，原因仍是由于超聲換能器有復雜的諧波，水聽器與凌華科技9846H數字化儀頻率響應寬，可采集到諧波能量，理論模型只是核心頻率建立的模型。

 

　　在焦平面上，按規(guī)定的掃描路徑，順序測量聲場中各點的聲壓值，掃描步距為0.5mm，實驗結果和焦平面的理論模型如下圖5-3所示：

 

圖5-3 測試換能器焦平面聲壓分布的實際測量值(a)與聲場理論模型仿真值

 

　　圖5-3圖中(a)圖是基于精密機器人測量和分析系統(tǒng)的實際測量的焦平面數據點，該數據點是由機器人聲場掃描運動軟件測試并保存，經測量超聲聲場分析軟件處理而得。(b)圖是由在焦平面上建模計算的聲壓理論值。從焦域的二維模型可知，焦平面上聲壓的能量比較集中，聲壓沿徑向是振蕩衰減的，非焦點區(qū)域的能量分布很低，而且單頻凹球殼的聲場在焦平面是沿超聲換能器的主軸線中心對稱分布的。比較實際值與理論值可知，在聚焦區(qū)域的主峰處擬合很好，在非聚焦區(qū)域實際測量值更豐富，表現(xiàn)出凌華科技PCI-9846H良好的寬帶頻率響應，使采集到的數據比單頻率的理論模型貼切實際情況，對換能器設計參數及制作工藝及產品質量評估及安全使用有重要的意義。

 

 

　　通過驗證試驗可見，以凌華科技9846高性能數字化儀為中心的，超聲信號采集與分析系統(tǒng)可滿足超聲場自動測量與建模的應用，使信號采集的精度、速度，及參數的測量比以往有很多的改進。本文以凌華科技PCI-9846高速數字化儀為中心，組合前置放大器與水聽器，開發(fā)高效聲場信號采集系統(tǒng)，通過高效的數據采集模塊，將三維聲場的聲壓數據實時顯示和保存。通過電機驅動的四軸精密工業(yè)機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動控制與自動信號采集與測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了超聲場任意部位的立體定位及測量點自動定位控制和數據采集之間的協(xié)調。實現(xiàn)了聲場測量數據的回放及多功能綜合分析系統(tǒng)及三維聲場的可視化分析與顯示。

 

　　該超聲場自動化測量系統(tǒng)，對聲場的分布參數和頻率特性進行了準確可靠的測量。測量結果顯示，測量點可達到較高的高空間分辨率，能精確快速的完成聲場檢測，使采集到得超聲場信號譜更廣。經過驗證試驗驗證了測量功能的的準確性，通過可視化圖形顯示，對數據分析更直觀，全面和精確，為超聲換能器的性能評估及超聲場人體的生物效應建模提供了有效的參數。

 

 

　　感謝凌華科技科技提供PCI-9846H高速數字化儀，為本文研發(fā)的超聲場自動測量與分析系統(tǒng)的研究提供了有力支持。

 

 

　　[1] 趙玉柱, 王玲君, 孫國斌. 醫(yī)用超聲源的檢定及其意義[J]. 2009, 3, 31-32.

 

　　[2] 張志偉, 剛鐵, 王軍. 超聲波檢測計算機模擬和仿真的研究及應用現(xiàn)狀[J]. 應用聲學, 2003, 22(3) ,39-44.

 

　　[3] Takashi, F., Kazuhiro, D. Materials Evaluation [M]. 1994, 52(9):1108-1111.

 

　　[4] 王秀, 程建政, 倪園. 高速超聲信號采集系統(tǒng)的設計[J], 無損檢測. 2009, 02(31): 144-146.

 

　　[5] 劉俊松. 醫(yī)用超聲技術的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢與新技術展望[J]. 醫(yī)療設備信息, 2005, 12(20): 38-39.

 

　　[6] 雷振山, 趙晨光, 魏麗, 郭濤. LabVIEW 8.2 基礎教程[M]. 中國鐵道出版社，2008.