高頻超聲檢測(cè)儀的研制及其在中耳積液診斷中的應(yīng)用

周 盛，王曉春，計(jì)建軍，楊 軍，王延群

高頻超聲檢測(cè)儀的研制及其在中耳積液診斷中的應(yīng)用

周 盛，王曉春，計(jì)建軍，楊 軍，王延群

目的:研制一種簡(jiǎn)單、可移動(dòng)、性?xún)r(jià)比高的超聲轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來(lái)診斷中耳炎。方法:超聲換能器和鼓膜之間以水囊作為中間傳輸介質(zhì)，通過(guò)測(cè)量超聲反射回波信號(hào)的幅值和波峰數(shù)來(lái)判斷是否存在積液。將中心頻率10 MHz、直徑0.5 mm的寬頻帶單陣元超聲換能器置于狹長(zhǎng)水囊之中，水囊充滿(mǎn)水并伸入外耳道，使其前端與鼓膜接觸。當(dāng)中耳充滿(mǎn)積液時(shí)，由于液體對(duì)超聲能量的吸收，回波信息強(qiáng)度大幅下降，并伴有2個(gè)反射脈沖；當(dāng)中耳內(nèi)無(wú)積液時(shí)，回波信息為單一反射脈沖，幅值較強(qiáng)。結(jié)果:該檢測(cè)儀可有效檢測(cè)中耳積液的存在，進(jìn)而可早期、準(zhǔn)確而可靠地診斷中耳炎。結(jié)論:由于超聲換能器發(fā)射和接收超聲波束都是以水作為中間介質(zhì)，對(duì)外界的噪聲干擾不敏感，也不需要病患良好的配合，因此，臨床上用高頻超聲來(lái)診斷中耳炎，特別是對(duì)于嬰幼兒患者是一種可行的方法。

中耳炎；鼓膜；超聲換能器；嬰幼兒患者

0 引言

中耳炎是一種好發(fā)于兒童的細(xì)菌感染性疾病。大量研究資料表明，約80%的兒童曾得過(guò)中耳炎，多數(shù)在6個(gè)月～4歲時(shí)發(fā)病。1歲及1歲以?xún)?nèi)發(fā)病率約占50%，2歲以?xún)?nèi)發(fā)病率則增加到60%。部分患者可在3個(gè)月內(nèi)自愈，但30%～40%的兒童會(huì)反復(fù)出現(xiàn)中耳炎，5%～10%的患兒癥狀會(huì)持續(xù)1 a以上[1]。嬰幼兒期發(fā)生中耳炎首先會(huì)使患兒的聽(tīng)力大幅下降，直接妨礙其在言語(yǔ)發(fā)育過(guò)程中獲得必要的言語(yǔ)信息，嚴(yán)重影響心智發(fā)育，給患兒今后的生活質(zhì)量帶來(lái)很大影響。因此，早期、準(zhǔn)確而可靠地診斷中耳炎有著重大意義[2]。

中耳炎的臨床表現(xiàn)主要為聽(tīng)力下降，輕微的耳痛、耳鳴，并伴隨完整的鼓膜后中耳積液。對(duì)中耳炎的準(zhǔn)確診斷有助于判斷鼓膜異常，并可酌情給予抗生素治療。臨床上，診斷中耳炎的常用方法主要包括耳鏡鼓膜檢查、鼓室聲導(dǎo)抗圖測(cè)試和聲反射譜梯度圖測(cè)試。耳鏡鼓膜檢查即臨床醫(yī)生通過(guò)耳鏡直接觀察患者鼓膜，該方法主要依賴(lài)于醫(yī)生的診斷技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，由于嬰幼兒外耳道較狹窄塌陷，鼓膜較成人厚且傾斜，進(jìn)一步加大了診斷難度。鼓室聲導(dǎo)抗圖[1，3-4]為測(cè)定外耳道在壓力變化影響下，鼓膜連同聽(tīng)骨鏈對(duì)探測(cè)音產(chǎn)生的順應(yīng)性變化，并以壓力聲順函數(shù)曲線(xiàn)的形式記錄下來(lái)。該方法需要病患在診斷過(guò)程中良好的配合，然而由于嬰幼兒中耳炎缺乏主訴，診斷中常伴有反抗行為，嚴(yán)重影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。聲反射譜梯度圖作為常用診斷方法的一種補(bǔ)充，是通過(guò)檢測(cè)鼓膜的聲反射信號(hào)來(lái)判斷是否有中耳積液，信號(hào)頻率一般介于1.8～4.4 kHz。由于發(fā)射接收的低頻聲信號(hào)都通過(guò)外耳道中的空氣來(lái)傳輸，如果在外耳道中存在耳屎、液體或者外部過(guò)大的噪聲，如哭聲或說(shuō)話(huà)聲，都將會(huì)對(duì)結(jié)果造成一定的影響。

高頻超聲波成像是一種安全準(zhǔn)確的診斷方法，已在醫(yī)療界得到廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，有學(xué)者將超聲診斷應(yīng)用于中耳的檢查中[5-6]。Discolo等[7]認(rèn)為耳超聲波檢查可清楚地顯示出中耳的情況，并能區(qū)分出中耳積液的性質(zhì)。但實(shí)際上，這項(xiàng)診斷在臨床上應(yīng)用得并不多，因?yàn)樘筋^如果與鼓膜接觸會(huì)造成疼痛，得不到患兒的配合，而不與鼓膜接觸又會(huì)影響探測(cè)結(jié)果。在此文中，我們提出了一種簡(jiǎn)易、無(wú)損傷且廉價(jià)的方法來(lái)診斷中耳炎。該方法通過(guò)一個(gè)很小的超聲換能器來(lái)判斷中耳中是否存在積液。通過(guò)分析鼓膜的反射回波，可獲得準(zhǔn)確的判斷。用高頻超聲來(lái)診斷無(wú)需過(guò)多的患者配合，不會(huì)對(duì)患兒造成疼痛感與創(chuàng)傷性，且對(duì)于提高診斷靈敏度與特異性都有重要的研究意義。

1 高頻超聲檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

1.1 原理

本文用來(lái)診斷中耳炎的超聲換能器的工作原理類(lèi)似于眼科超聲生物測(cè)量系統(tǒng)。與常用的如鼓室聲導(dǎo)抗圖測(cè)試和聲反射譜梯度圖測(cè)試等方法相比較，超聲換能器發(fā)射的超聲波束需要通過(guò)一個(gè)水囊或水流柱作為中間傳輸介質(zhì)，這樣就在換能器和鼓膜之間形成超聲波束的透射窗。中耳的結(jié)構(gòu)為一密閉的含氣腔，除一側(cè)為鼓膜外，其余腔壁均為骨質(zhì)，常規(guī)條件下，當(dāng)超聲波通過(guò)外耳道探測(cè)中耳時(shí)，氣體的干擾使聲波全部被反射，中耳腔結(jié)構(gòu)無(wú)法探測(cè)[8]。如果中耳受到感染有了炎癥，就會(huì)在鼓膜后存在一定量的液體。通過(guò)測(cè)量反射回波信號(hào)的幅值和波峰數(shù)來(lái)判斷是否存在積液。當(dāng)存在中耳積液時(shí)，由于液體對(duì)超聲的能量吸收，鼓膜反射回來(lái)的峰值將會(huì)降低。當(dāng)出現(xiàn)2個(gè)反射回波（鼓膜和中耳中間骨壁）時(shí)，說(shuō)明中耳內(nèi)充滿(mǎn)積液；當(dāng)出現(xiàn)1個(gè)反射回波，且幅值較高時(shí)（僅從鼓膜反射來(lái)），表明中耳內(nèi)無(wú)積液。

1.2 結(jié)構(gòu)

1.2.1 整體結(jié)構(gòu)

用來(lái)診斷中耳炎的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)包括探頭、超聲發(fā)射接收電路、USB傳輸接口和上位機(jī)個(gè)人計(jì)算機(jī)（personal computer，PC）端。

超聲發(fā)射電路中采用N&P雙溝道高速M(fèi)OSFET管，構(gòu)成超聲換能器驅(qū)動(dòng)電路，可產(chǎn)生雙極脈沖序列，電源電壓±24 V；高速M(fèi)OSFET管的導(dǎo)通延遲時(shí)間td（on）、上升時(shí)間tr、關(guān)斷延遲時(shí)間td（off）和下降時(shí)間tf均小于20 ns，并達(dá)到一定的額定功率，確保發(fā)射頻率達(dá)到10 MHz。超聲接收電路中將選取低噪聲放大器ad4899-1和可變?cè)鲆娣糯笃鱝d8331改良前置放大電路結(jié)構(gòu)，使其頻帶達(dá)到10 MHz的要求，總增益在65 dB以上，可變?cè)鲆娣秶_(dá)到40 dB。

圖1 中耳炎診斷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖

為確保由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)過(guò)程中數(shù)據(jù)的精確性，一般要求數(shù)據(jù)的采樣頻率達(dá)到信號(hào)頻率的8倍以上，從而抑制旁瓣，提高檢測(cè)精度。設(shè)計(jì)中將采用最高120 MHz高速AD芯片并結(jié)合外圍電路，準(zhǔn)確獲取10 MHz的超聲回波信號(hào)。

利用現(xiàn)有PC的大容量存儲(chǔ)器與強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，將中耳炎超聲診斷圖像通過(guò)USB接口在PC上進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸與處理，不僅大大地方便了診斷過(guò)程，而且有利于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與診斷可靠性的提高；此平臺(tái)一方面接收中耳炎超聲診斷圖像數(shù)據(jù)，另一方面將該數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至PC上。硬件電路部分采用Altera公司的FPGA芯片，USB驅(qū)動(dòng)芯片采用Cypress公司的68013A，編程語(yǔ)言包括Verilog和C語(yǔ)言。

1.2.2 探頭

在本實(shí)驗(yàn)中，換能器選用中心頻率10 MHz、直徑0.5 mm寬頻帶單陣元超聲換能器，換能器與系統(tǒng)的電信號(hào)連接通過(guò)一條長(zhǎng)約1 m的同軸電纜實(shí)現(xiàn)。超聲換能器位于狹長(zhǎng)水囊之中，當(dāng)需要檢測(cè)時(shí)，將水囊充滿(mǎn)水后置于外耳道內(nèi)。耳廓向后下輕拉，伸直耳道，使聲束直射鼓膜。在檢測(cè)過(guò)程中，換能器前端包裹水囊來(lái)接觸鼓膜測(cè)量，以減輕人體不適感。探頭外套計(jì)劃采用軟管式設(shè)計(jì)，使得探頭能夠自由進(jìn)出人體外耳道，便于測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)方法

在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，超聲換能器是重要的組成部分。為了達(dá)到較高的能量轉(zhuǎn)換效率，超聲發(fā)射電路需發(fā)射與換能器諧振頻率一致的激勵(lì)信號(hào)。因此，實(shí)驗(yàn)中首先對(duì)超聲換能器進(jìn)行了掃頻跟蹤，掃頻范圍為2～18 MHz。系統(tǒng)根據(jù)換能器的反饋電壓得到了該換能器的頻譜響應(yīng)。

在參考了一些關(guān)于鼓膜厚度的文章[9-10]后，本文選取了厚度為25 μm的Mylar薄膜作為實(shí)驗(yàn)中對(duì)鼓膜的仿真。薄膜置于換能器前方，距離為3 cm。為了評(píng)估該換能器對(duì)中耳感染的敏感度，實(shí)驗(yàn)中在薄膜后放置一個(gè)水囊，水囊中充滿(mǎn)水，測(cè)得該水囊層的反射回波。

3 結(jié)果與討論

3.1 換能器的頻率響應(yīng)

換能器的頻譜響應(yīng)如圖2所示。掃頻范圍為2～18MHz，中心頻率為9.94MHz，6dB帶寬約為6.65MHz，下限和上限分別為6.61和13.3 MHz。

圖2 換能器的頻譜響應(yīng)

3.2 反射回波結(jié)果

對(duì)2種情況的反射回波進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3所示，一種是25 μm厚的Mylar薄膜后面沒(méi)有水囊，另一種是薄膜后面放置了一個(gè)水囊。其中，Mylar薄膜與換能器的距離為3 cm。單薄膜的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于健康無(wú)感染的中耳，后置水囊的結(jié)構(gòu)是對(duì)中耳有積液的仿真。圖3（a）中第一個(gè)波為發(fā)射接收始波，第二個(gè)波為對(duì)單層Mylar膜的反射回波；圖3（b）中第一個(gè)波為發(fā)射接收始波，后面2個(gè)明顯的回波是對(duì)薄膜的反射回波。其中第一個(gè)反射回波是對(duì)前端Mylar膜的反射，第二個(gè)反射回波是對(duì)后置水囊的Mylar膜的反射，分別對(duì)應(yīng)仿真鼓膜和中耳腔骨壁的反射回波。

圖3 超聲反射回波信號(hào)比較圖

4 結(jié)論

用超聲波來(lái)診斷各種疾病已在臨床上得到了廣泛的應(yīng)用。超聲診斷中耳疾病也同樣基于回聲的原理，即發(fā)射脈沖超聲進(jìn)入組織，然后接收各層組織界面的回聲聲像圖。本文通過(guò)構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)易且有效的超聲探頭，提出了用超聲波束和水囊來(lái)檢測(cè)在中耳中是否存在積液的方法。由于換能器發(fā)射和接收超聲波束都是通過(guò)水作為中間介質(zhì)，對(duì)外界的噪聲如哭聲等不敏感，也不需要病患良好的配合，因此，在臨床上用超聲來(lái)診斷中耳炎，特別對(duì)嬰幼兒患者是一種可行的方法。

在以后的實(shí)驗(yàn)中，我們將和相關(guān)醫(yī)院進(jìn)行合作，收集一定數(shù)量的患者進(jìn)行定量的在體實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證該超聲診斷方法的可靠性與有效性。同時(shí)，對(duì)采集到的回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)合臨床診斷結(jié)果，根據(jù)回波幅值的不同來(lái)區(qū)分中耳積液的不同性質(zhì)。此外，對(duì)探頭的進(jìn)一步改進(jìn)和研發(fā)也可提高此項(xiàng)診斷的靈敏度和特異性，使該項(xiàng)操作更加簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確。

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（收稿：2014-12-03 修回：2015-03-16）

Accurate assessment of middle ear effusion using high-frequency ultrasound

ZHOU Sheng,WANG Xiao-chun,JI Jian-jun,YANG Jun,WANG Yan-qun
（Biomedical Engineering Institute,Chinese Academy of Medical Sciences,Tianjin 300192,China）

ObjectiveTo develop a simple,portable and cost-effective ultrasonography to diagnose middle ear effusion. MethodsA water sac was filled with water as the transmission media between the ultrasonic transducer and the tympanic membrane.The presence of the fluid in the middle ear was determined by evaluating the reflected signal amplitude and counting the number of peaks.The center frequency of the ultrasound transducer was 10 MHz,and the diameter was 0.5 mm. The ultrasound transducer was input into a water sac.The water sac was filled with water and input into the external auditory canal when diagnosing.In case there was any infection in the middle ear,the fluid was built up behind the tympanic membrane.The presence of fluid made reflection signal amplitude from the tympanic membrane lower than a healthy middle ear.In addition,a second echo might be detected if the fluid covered up the whole tympanic membrane.If there was no fluid as in case of healthy ear,then only one strong echo from the membrane was detected.ResultsThe ultrasonography detected middle ear effusion and thus could diagnose otitis media early and accurately.ConclusionThe transducer transmits and receives ultrasound beam through the water,which is insensitive to the excessive background noise and does not require significant co-operation from the pediatric patients.So,high-frequency ultrasonography may be an accurate method for diagnosing otitis media in children.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（6）：15-17]

otitis media;tympanic membrane;ultrasound transducer;pediatric patient

R318.6；TH772+.1

A

1003-8868（2015）06-0015-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.06.015

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAI13B02）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專(zhuān)項(xiàng)資助課題（3332013136）

專(zhuān) 利:國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利（ZL 201210107879.0）

周 盛（1982—），女，博士，助理研究員，主要從事醫(yī)學(xué)超聲工程方面的研究工作，E-mail:cindy_zs1222@126.com。

300192天津，中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所（周 盛，王曉春，計(jì)建軍，楊 軍，王延群）

王延群，E-mail:wangyanqun-2008@163.com