基于后端掃描的三維超聲成像系統(tǒng)

齊建，陳益民，丁明躍，尉遲明

華中科技大學(xué)，武漢，430074

0 引言

在臨床診斷領(lǐng)域，超聲成像是目前應(yīng)用最為廣泛的一種成像模式。在過(guò)去的幾十年中，隨著科技的發(fā)展，超聲成像技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，從傳統(tǒng)的A型、B型、M型和多普勒超聲成像模式，進(jìn)入到目前的三維超聲、彈性成像和靶向性造影劑諧波成像。

傳統(tǒng)的B型超聲成像系統(tǒng)所提供的是人體某一斷面的二維圖像，醫(yī)生必須根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)對(duì)多幅二維圖像在大腦中進(jìn)行構(gòu)建以理解其三維解剖結(jié)構(gòu)。三維超聲的概念由Baun和Greewood在1961年提出，他們?cè)诓扇∫幌盗衅叫械娜梭w器官二維超聲界面的基礎(chǔ)上，用疊加的方法獲得了人體器官的三維圖像[1]。

與二維超聲相比，三維超聲成像具有以下明顯的優(yōu)勢(shì)：(1) 圖像顯示直觀；(2)在醫(yī)學(xué)教學(xué)和手術(shù)規(guī)劃方面有廣泛的應(yīng)用前景；(3)可進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷參數(shù)的精確測(cè)量；(4)可以縮短醫(yī)生診斷需要的時(shí)間。鑒于上述原因，三維超聲在疾病的定性、定位及定量診斷中發(fā)揮著舉足輕重的作用[2]。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外三維超聲圖像的獲得主要有：基于面陣探頭和基于機(jī)械掃描的兩種方式。

基于面陣探頭的三維超聲圖像的成像模式由Duke大學(xué)Vonn Ramm等人提出，圖1為面陣超聲探頭超聲換能器排列示意圖[3]。

圖1 二維面陣超聲探頭換能器陣列示意圖Fig.1 Transducer arrays of 2D planer ultrasound probe

二維面陣探頭也就是二維相控陣探頭，通過(guò)控制二維面陣中的陣元發(fā)射超聲束并實(shí)現(xiàn)空間的偏轉(zhuǎn)，直接采集三維數(shù)據(jù)。面陣的每一個(gè)陣元都配置了相應(yīng)的延遲線，采集數(shù)據(jù)時(shí)，只要控制不同陣元的延遲時(shí)間就能改變波束的指向。二維相控陣超聲探頭避免了復(fù)雜的機(jī)械定位裝置，采集數(shù)據(jù)的速度較快，并且較穩(wěn)定[4]。它能在兩個(gè)橫向方向上聚焦，聚焦聲場(chǎng)為針狀或棒狀，檢測(cè)的空間分辨率較高，相控陣系統(tǒng)不需要移動(dòng)探頭即可在特定空間自由地實(shí)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)和聚焦，極大改善了聲場(chǎng)的可達(dá)性和檢測(cè)速度。但二維面陣探頭的陣元數(shù)目大，通道數(shù)多，單陣元的尺寸小，加工困難。同時(shí)，陣元的靈敏度低，接收到的信號(hào)弱且信噪比低。若探頭由64×64的陣元組成，通道數(shù)變成了4096，技術(shù)難度大，不易實(shí)現(xiàn)，因此市場(chǎng)上這類探頭只有GE，Philips，Siemens等大公司才能生產(chǎn)，且價(jià)格較昂貴[5-7]。

基于機(jī)械掃描的三維超聲圖像主要是由一組二維超聲數(shù)據(jù)重建得到的，大致分為圖像采集、三維重建和三維圖像的顯示三個(gè)步驟[8]。其中圖像的采集是三維成像的關(guān)鍵步驟，直接影響重建結(jié)果的優(yōu)劣。一般來(lái)說(shuō)，二維超聲探頭被固定在特點(diǎn)裝置內(nèi)，依靠馬達(dá)驅(qū)動(dòng)超聲探頭掃描完成數(shù)據(jù)的采集。對(duì)于二維超聲探頭而言，傳統(tǒng)的掃描模式包括平行掃描(又稱為線性掃描，圖2)、基于前端掃描的扇掃掃描(圖3)和旋轉(zhuǎn)掃描(圖4)三種方式[8]。其中前兩種模式適用于腹部探頭，后一種掃描主要適用于腔內(nèi)探頭。

圖2 平行掃描Fig.2 Parallel scanning mode

圖3 傳統(tǒng)扇形掃描Fig.3 Traditional fan-shaped scanning mode

圖4 旋轉(zhuǎn)掃描Fig.4 Rotational scanning mode

平行掃描模式獲得的每一幅二維圖像之間相互平行[8]。掃描時(shí)，二維超聲探頭在馬達(dá)和機(jī)械裝置的控制下沿人體體表平行滑動(dòng)，完成二維超聲圖像數(shù)據(jù)的采集。二維探頭平行移動(dòng)的速度和數(shù)據(jù)采集的抽樣率的控制對(duì)三維重建結(jié)果有很大的影響?；谇岸藪呙璧纳葤攉@得的圖像相互間成等距夾角。掃描時(shí)，二維超聲探頭后端保持固定，前端（超聲發(fā)射端）扇形旋轉(zhuǎn)采集數(shù)據(jù)。但當(dāng)采用上述兩種掃描模式對(duì)病人胸部臟器掃描時(shí)，發(fā)射的超聲波易被人體肋骨遮擋，影響二維超聲圖像質(zhì)量，并造成重建后得到的三維超聲圖像質(zhì)量下降[10]。

為了避免扇形掃描和平行掃描模式的缺陷，本文設(shè)計(jì)了一種后端掃描的扇形掃描（圖5），二維超聲探頭前端固定，后端扇形旋轉(zhuǎn)。在此掃描模式下，如果探頭前端置于人體肋骨之間，由超聲探頭發(fā)射的超聲束將通過(guò)人體肋骨的間隙進(jìn)入人體，成功采集二維數(shù)據(jù)且避免了肋骨的影響，極大提高了三維超聲圖像的質(zhì)量。

圖5 基于后端掃描的三維超聲的成像模式Fig.5 Fan-shaped scanning approach based on back-end scanning

1 系統(tǒng)架構(gòu)

為了驗(yàn)證基于后端掃描模式的有效性，本文搭建了一個(gè)包括三維超聲圖像數(shù)據(jù)的采集、重建和顯示的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由機(jī)械掃描裝置、超聲機(jī)、工作站（配有圖像采集卡的PC機(jī)）、單片機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片等構(gòu)成。工作站和超聲機(jī)由視頻輸出線相連接，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片通過(guò)串口線和工作站通訊，系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.6 System structure

以下我們就掃描裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)計(jì)，三維數(shù)據(jù)采集和重建結(jié)果分別介紹。

1.1 機(jī)械裝置

機(jī)械裝置主要包括探頭支架、探頭夾、弧形導(dǎo)航滑塊和弧形齒輪軌道等，如圖7所示。裝置采用鋁質(zhì)材料加工而成，步進(jìn)電機(jī)固定在探頭支架兩側(cè)。選擇形狀、大小、力矩和歩矩角合適的步進(jìn)電機(jī)兩臺(tái)，如寶來(lái)公司生產(chǎn)的兩相42BY100BX型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)。探頭夾可以進(jìn)行伸縮，可固定當(dāng)前市面上的大部分二維超聲探頭。

為了確保二維超聲探頭前端固定、后端掃描，設(shè)計(jì)必須保證機(jī)械裝置的弧形軌道和弧形齒輪的半徑R與探頭固定的位置到探頭頂端的距離L始終保持相等，如圖8所示。此裝置設(shè)計(jì)的掃描范圍最大角度為60o。

圖7 機(jī)械裝置的整體示意圖1手柄；2探頭模型；3支架；4步進(jìn)電機(jī)；5弧形導(dǎo)航滑塊；6弧形齒輪軌道；7探頭夾；Fig.7 Mechanical scanning device: (1)hand shank, (2) mode of the probe,(3)support, (4)stepper moter, (5) the arc navigation slider,(6) the arc gear track, (7) the probe clip

圖8 探頭與探頭夾位置關(guān)系Fig.8 The location relations between probe and probe clip.

1.2 步進(jìn)電機(jī)的硬件控制和二維超聲數(shù)據(jù)的采集

二維超聲探頭由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)掃描，其掃描速度和掃描角度通過(guò)步進(jìn)電機(jī)單片機(jī)控制板細(xì)分驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)程序控制。為了保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，步進(jìn)電機(jī)的控制板由單片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成。上位機(jī)PC工作站通過(guò)串口將命令傳給單片機(jī)，單片機(jī)將接收到的命令轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，該信號(hào)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)電路部分，輸出步進(jìn)電機(jī)所需要的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

電機(jī)控制電路是硬件部分的核心，完成對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制，從而對(duì)探頭的掃描進(jìn)行控制，此外，控制電路還負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，為上位機(jī)提供電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)。本系統(tǒng)使用的電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，因此采用脈沖方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制，通過(guò)控制發(fā)送脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，通過(guò)改變脈沖的頻率來(lái)控制電機(jī)的速度和加速度。該硬件控制電路主要由電源、單片機(jī)系統(tǒng)、光電隔離、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)流保護(hù)電路等幾部分構(gòu)成。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用A3977 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。此種驅(qū)動(dòng)器以DMOS 為基礎(chǔ)的PWM控制全橋驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置譯碼器，不需要外接微處理器，可操作雙極性步進(jìn)電機(jī)的整步、半步、1/4 步和1/8步模式。

超聲機(jī)和PC機(jī)的圖像采集卡通過(guò)視頻傳輸線連接，通過(guò)編程控制圖像采集卡獲得超聲機(jī)的圖像并在PC機(jī)工作站上顯示。PC機(jī)和控制板通過(guò)串口線通訊。給控制板上電，在串口通訊助手將指令通過(guò)串口線傳送給單片機(jī)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)部分將驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)二維超聲探頭的數(shù)據(jù)掃描和采集。三維超聲圖像的采集和重建流程如圖9所示。首先初始化圖像采集卡參數(shù)，然后發(fā)送掃描開(kāi)始信號(hào)給串口。控制電路接收到開(kāi)始指令后，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)探頭掃描?？刂齐娐返挠行呙栝_(kāi)始信號(hào)，通過(guò)串口回傳給工作站程序，工作站程序控制數(shù)據(jù)采集卡開(kāi)始進(jìn)行循環(huán)采集數(shù)據(jù)到內(nèi)存，直到從串口接收到有效采集停止信號(hào)為止。記錄下采集的二維圖像數(shù)據(jù)序列的幀數(shù)并置于內(nèi)存中，用于三維重建。本系統(tǒng)的三維重建采用本實(shí)驗(yàn)室自主開(kāi)發(fā)的三維重建庫(kù)和DLL完成的。

圖9 二維超聲數(shù)據(jù)的采集和重建流程圖Fig.9 The flow chart of 2D data’s acquisition and reconstruction

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文中，應(yīng)用基于后端掃描的三維超聲成像系統(tǒng)，分別以胎兒體模和真人為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，做掃描實(shí)驗(yàn)，采集二維數(shù)據(jù)并進(jìn)行三維重建。步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始和結(jié)束工作時(shí)，因電機(jī)轉(zhuǎn)速等原因工作不穩(wěn)定，因此對(duì)此階段超聲探頭掃描得到的二維數(shù)據(jù)不進(jìn)行采集。經(jīng)計(jì)算，得到的有效掃描角度為58.8o，所以三維圖像的重建角度亦定為58.8o。

圖10體模中胎兒的大小為36周，圖10a所示為胎兒面部三維重建后的結(jié)果，圖10b為對(duì)胎兒整體掃描得到的重建結(jié)果。

圖10 以胎兒體模為對(duì)象做掃描實(shí)驗(yàn)的重建結(jié)果Fig.10 The reconstruction results of fetus

圖11 以人體腎臟和肝臟為對(duì)象做掃描實(shí)驗(yàn)的重建結(jié)果Fig.11 The results of human’s liver and kidney

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一成年男子，身體健康，年齡28周歲，身高170 cm，體重65 Kg。圖11的(a)、(b)、(c)為該男子左腎的掃描重建圖像，圖11 d為肝臟掃描重建結(jié)果。掃描時(shí)，二維超聲探頭前端固定于人體兩肋骨之間。

3 結(jié)論和展望

本文從機(jī)械掃描裝置的設(shè)計(jì)到步進(jìn)電機(jī)的控制，搭建了一套基于前端固定后端掃描的掃描模式的三維超聲成像系統(tǒng)，先后對(duì)胎兒體模和成人做了掃描重建實(shí)驗(yàn)，成功的采集了一系列的二維超聲圖像數(shù)據(jù)，并各自實(shí)現(xiàn)了三維重建和顯示。

根據(jù)二維數(shù)據(jù)的重建結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)象的現(xiàn)實(shí)形狀參數(shù)尚有一定的差異（主要是重建面被拉伸變形），這與數(shù)據(jù)采集過(guò)程的穩(wěn)定性和精確性有關(guān)。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，需要探頭支架保持平穩(wěn)不動(dòng)，但操作人員人很難做到理想的相對(duì)靜止，此外，采集對(duì)象身體的運(yùn)動(dòng)（如呼吸）等也會(huì)影響數(shù)據(jù)采集的精確性。

為了完善此三維超聲成像系統(tǒng)，得到更精準(zhǔn)的三維超聲圖像，后續(xù)工作將從提高電機(jī)控制穩(wěn)定性，減小機(jī)械掃描裝置體積，增大二維超聲探頭的掃描范圍，以及三維顯示的參數(shù)設(shè)置優(yōu)化等方面進(jìn)行完善和改進(jìn)。

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