一種機(jī)械式掃描血管內(nèi)超聲探頭

盧少偉，李明夏，馮志華，江小寧

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，精密機(jī)械與精密儀器系，安徽 合肥 230026;2.北卡羅萊納州立大學(xué)機(jī)械與航天工程系，美國(guó))

0 引言

血管內(nèi)超聲(IVUS)作為介入性治療的一種手段，對(duì)心血管疾病的診斷與治療起著至關(guān)重要的作用[1-8]。血管內(nèi)超聲包括一臺(tái)成像主機(jī)，一個(gè)回撤系統(tǒng)及最關(guān)鍵的超聲探頭部分[1-2]。目前市面上主要存在單一換能器機(jī)械旋轉(zhuǎn)式和相控陣列式[9]兩種結(jié)構(gòu)的血管內(nèi)超聲探頭。機(jī)械旋轉(zhuǎn)式探頭比相控陣列式工藝簡(jiǎn)單，且能達(dá)到更高的分辨率，所以我們選擇機(jī)械旋轉(zhuǎn)式探頭作為研究對(duì)象。然而，當(dāng)探頭經(jīng)過(guò)狹窄病變的區(qū)域時(shí)，由于管壁的摩擦導(dǎo)致探頭不均勻,旋轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致成像質(zhì)量下降，稱為不均勻旋轉(zhuǎn)變形[10-14]。

為了解決不均勻旋轉(zhuǎn)變形問(wèn)題，學(xué)者們提出了很多措施。Soest等[10]提出了一種算法通過(guò)使用一個(gè)矩陣進(jìn)行變換，確保接收到的相鄰超聲信號(hào)連續(xù)。然而，這個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣需經(jīng)相應(yīng)計(jì)算得到，意味著它很難變成一個(gè)實(shí)時(shí)成像的手段，這對(duì)于及時(shí)的診斷不利。另一種辦法是將驅(qū)動(dòng)電機(jī)置于探頭的前端[12-14]。由于血管內(nèi)超聲探頭用于血管內(nèi)的檢測(cè)直徑一般為?(0.87～1.17) mm，所以內(nèi)置式的電機(jī)直徑要足夠小，且能滿足速度1 800 r/min的要求。研究中主要有電磁式電機(jī)及壓電馬達(dá)兩種類型的微型電機(jī)。彭玨等[13]設(shè)計(jì)了一個(gè)?1.2 mm×3.7 mm的同步電磁式電機(jī)，轉(zhuǎn)速可達(dá)16 500 r/min。Tanabe等[12]研制了一個(gè)行波式電機(jī)，利用外部壓電換能器產(chǎn)生振動(dòng)通過(guò)傳動(dòng)軸傳遞到探頭前端的電機(jī)部分，形成轉(zhuǎn)動(dòng)。與電磁式電機(jī)相比，壓電馬達(dá)的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，更易驅(qū)動(dòng)，組裝更方便，易于小型化。所以我們選擇壓電馬達(dá)作為研究對(duì)象進(jìn)行研究。

目前已有文獻(xiàn)關(guān)于微型壓電馬達(dá)的研究[15-18]。Mashimo等[15]利用一個(gè)1 mm正方形金屬塊作為定子設(shè)計(jì)了一個(gè)電機(jī)，在電壓峰-峰值160 V驅(qū)動(dòng)下，該電機(jī)的扭矩為10 μN(yùn)·m，最大轉(zhuǎn)速為1 715 r/min。周鐵英等[18]提出了一種柱式電機(jī)，在電壓峰-峰值100 V驅(qū)動(dòng)下，最大轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。董蜀湘等[17]提出了一種將電機(jī)直徑縮小到?1 mm的管式行波馬達(dá)，在電壓峰-峰值90 V驅(qū)動(dòng)下，其最大轉(zhuǎn)速為3 500 r/min。在文獻(xiàn)[17]的電機(jī)基礎(chǔ)上，本文作者優(yōu)化了一些結(jié)構(gòu)和制作，不僅簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，更提升了性能。

本文展示了一種將直徑?1 mm的壓電馬達(dá)置于探頭前端來(lái)解決不均勻旋轉(zhuǎn)變形的辦法。電機(jī)的主體直徑為?1 mm，長(zhǎng)為10 mm。電機(jī)在峰-峰值20 V、頻率51.5 kHz、相差90°的兩路正弦交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)速可達(dá)6 450 r/min，且驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的最小功率僅需38 mW，與董蜀湘等[17]研究相比，其電機(jī)性能有較大提升。壓電換能器的中心頻率為52 MHz，-6 dB帶寬為40%。所有實(shí)驗(yàn)都是在水中進(jìn)行，用于模擬人體環(huán)境。

1 探頭系統(tǒng)介紹

1.1 電極的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為電極結(jié)構(gòu)圖，其中壓電陶瓷管外徑為?1 mm，內(nèi)徑為?0.6 mm。銅定子通過(guò)膠水(DP460)粘接到壓電陶瓷管上，用于改善壓電陶瓷管與轉(zhuǎn)子間的摩擦，使其更平滑。彈簧用于提供預(yù)緊力，使定子和轉(zhuǎn)子能相互接觸，產(chǎn)生摩擦，從而轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

作為電機(jī)的核心部件，壓電陶瓷管的設(shè)計(jì)最關(guān)鍵。為了能合理選擇壓電陶瓷管的長(zhǎng)度，我們使用COMSOL對(duì)壓電陶瓷管進(jìn)行有限元仿真。通過(guò)改變陶瓷管長(zhǎng)度，可得到陶瓷管一階振動(dòng)頻率和最大位移量與長(zhǎng)度間的關(guān)系，如圖2所示。由圖可知，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，一階諧振頻率越小。綜合振幅和頻率的變化，選擇7 mm作為原型電機(jī)，其一階彎曲振動(dòng)頻率為57 kHz。壓電陶瓷管外壁覆蓋有金電極，將其分割為4個(gè)部分，相互間相差90°。

圖2 陶瓷管長(zhǎng)度優(yōu)化

陶瓷管的極化是另一個(gè)關(guān)鍵步驟。與d51的工作模式相比，d31的工作模式有更大的位移，且對(duì)于壓電陶瓷管更易極化。極化方式主要有：

1) 極化方向均指沿著半徑方向指向內(nèi)或指向外。

2) 兩兩為一對(duì)，分別指向內(nèi)和指向外。

前者需要4路相差90°的正弦信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，后者只需2路。為了簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，選擇后者進(jìn)行極化，如圖3(a)所示。因此，只需要兩路正交信號(hào)驅(qū)動(dòng)。sinωt和cosωt分別加到各自的電極對(duì)上，在一階彎曲振動(dòng)頻率驅(qū)動(dòng)下陶瓷管端部會(huì)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)。結(jié)合極化和激勵(lì)的方式，橢圓運(yùn)動(dòng)在圓周方向傳遞，利用摩擦力帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3(b)所示。

圖3 陶瓷管極化與振動(dòng)模態(tài)

1.2 電機(jī)性能測(cè)試

對(duì)于在血管內(nèi)超聲探頭前端使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)當(dāng)滿足以下要求：

1) 電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)大于1 800 r/min ，以保證30 幀/s的掃描頻率。

2) 電機(jī)能夠工作在水下，因?yàn)閴弘姄Q能器需要在水下工作來(lái)模擬人體血液的環(huán)境。

3) 需要保證電機(jī)自身的速度穩(wěn)定性，以減少由于轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定性帶來(lái)的圖像變形。

為了驗(yàn)證電機(jī)滿足以上條件，使用激光位移傳感器(optoNCDT ILD2300-2(206), MICRO- EPSILON)來(lái)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，為了能清楚地判斷圈數(shù)，在電機(jī)尾部加上一個(gè)標(biāo)志物，如圖4所示。通過(guò)檢測(cè)標(biāo)志物位移的變化可推算出電極的轉(zhuǎn)速及其穩(wěn)定性。

圖4 電機(jī)性能測(cè)試裝置示意圖

1.3 探頭系統(tǒng)

機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描式探頭有旋轉(zhuǎn)換能器和旋轉(zhuǎn)反射鏡兩種方式。由于旋轉(zhuǎn)換能器還需避免導(dǎo)線纏繞，所以要設(shè)計(jì)一個(gè)滑環(huán)，這在狹小的空間較難。圖5(a)為探頭系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，其由直徑?1 mm電機(jī)、超聲換能器及石英玻璃制成的反射鏡組合而成。圖5(b)為1-3復(fù)合換能器的實(shí)物圖，其尺寸為0.8 mm×0.8 mm×1.1 mm，被直徑為?1 mm的反射鏡完全覆蓋。

圖5 探頭結(jié)構(gòu)

1.4 成像系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理

圖6為成像系統(tǒng)。首先,由單片機(jī)(stm32F4)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)來(lái)控制高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)MOSFET管,然后,激勵(lì)超聲換能器發(fā)出超聲波,當(dāng)物體吸收和反射超聲波后，使用一個(gè)增益可控的放大器(A8331D)接收反射信號(hào);最后，用示波器(SDS2304, SIGLENT)采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理主要是通過(guò)MATLAB進(jìn)行。先對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,再將圖像的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)系，以便與實(shí)際比較進(jìn)行觀察，利用線性插值填充坐標(biāo)變換后的空白區(qū)域。最后可得到與實(shí)際情況相符的結(jié)果圖。

圖6 成像系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理過(guò)程

2 結(jié)果分析

2.1 電機(jī)的性能

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)僅使用了一臺(tái)雙通道信號(hào)發(fā)生器(SDG 1032X, SIGLENT)。通過(guò)檢測(cè)電機(jī)兩端的電壓U、電流I及二者間的相位差θ，則電機(jī)的功率為

P=UIcosθ

(1)

實(shí)際測(cè)得電機(jī)在電壓峰-峰值 15 V時(shí)，功率消耗為0.75 W，推動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的功率僅需38 mW，在電壓峰-峰值3 V驅(qū)動(dòng)下，比文獻(xiàn)[17]中的電機(jī)性能有較大提升。電機(jī)消耗的功率太小，以至于可直接用一個(gè)信號(hào)生成器(如直接數(shù)字頻率合成(DDS))來(lái)驅(qū)動(dòng)。與普通電機(jī)的驅(qū)動(dòng)相比，此低功耗不僅能節(jié)約成本，還有利于小型化驅(qū)動(dòng)電路，方便操作和使用。

電機(jī)轉(zhuǎn)速是由激光位移傳感器測(cè)量得到，結(jié)果如圖7所示，主要是通過(guò)計(jì)算在1 s內(nèi)標(biāo)志物的位移變換次數(shù)得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。由圖7(a)可看出，在驅(qū)動(dòng)電壓不變的情況下，改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率，轉(zhuǎn)速隨著頻率先增加后減少，在51.5 kHz速度達(dá)到最大，從而可得電機(jī)的一階諧振頻率為51.5 kHz。由圖7(b)可知，在51.5 kHz的信號(hào)頻率驅(qū)動(dòng)下，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加而增大，基本呈線性關(guān)系，且當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓峰-峰值為20 V時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到最大(為6 450 r/min)， 滿足1 800 r/min 的要求。

圖7 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試

2.2 電機(jī)穩(wěn)定性測(cè)試

電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定測(cè)試是通過(guò)計(jì)算一組電機(jī)每圈所花時(shí)間數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)差得到。每組數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度為0.5 s，且選擇13組作為電機(jī)穩(wěn)定性的驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由石油激光位移傳感器采集，經(jīng)過(guò)MATLAB進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理可計(jì)算出每組的平均值、最大值、最小值及標(biāo)準(zhǔn)差，如圖8所示。由圖可看出，周期的平均值在0.011 s左右有一個(gè)較小的波動(dòng)，說(shuō)明電機(jī)連續(xù)工作時(shí)轉(zhuǎn)速較平穩(wěn)，通過(guò)MATLAB計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)差最大值為2.45×10-4s，取電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)周期0.011 s作為參考，計(jì)算轉(zhuǎn)換為角度標(biāo)準(zhǔn)差為8°。對(duì)比電磁式電機(jī)7°的角度誤差[13]，結(jié)果表明，壓電馬達(dá)的穩(wěn)定性較好，且能滿足檢測(cè)的需求。

圖8 電機(jī)穩(wěn)定性測(cè)試

2.3 成像評(píng)估

圖9為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。由于使用的超聲換能器固定在1根針管上，所以未組裝在管中。實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)裝有水的容器中進(jìn)行的，用于模擬人體的血液環(huán)境。壓電換能器被固定在容器底部，與電機(jī)同軸，以便掃描。為了測(cè)試探頭的掃描成像能力，我們?cè)O(shè)置了4根金屬絲(直徑?0.5 mm)位于同一直線上和一個(gè)半圓形塑料管進(jìn)行掃描。電機(jī)工作在51.5 kHz，15 V(峰-峰值)驅(qū)動(dòng)電壓下。結(jié)果經(jīng)過(guò)MATLAB處理后如圖10所示。由圖可知，待測(cè)物均被清楚地掃描成像，可從結(jié)果圖中判斷物體的形狀，無(wú)圖像的變形。成像結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)的血管內(nèi)超聲探頭可較好地成像，從理論上解決不均勻旋轉(zhuǎn)變形帶來(lái)的成像質(zhì)量下降，提高診斷的準(zhǔn)確率。

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置

圖10 探頭掃描成像實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3 結(jié)束語(yǔ)

本文驗(yàn)證了一種新結(jié)構(gòu)的機(jī)械掃描式血管內(nèi)超聲探頭的可行性，利用改進(jìn)的壓電馬達(dá)進(jìn)行掃描。實(shí)驗(yàn)表明，電機(jī)速度及穩(wěn)定性均能滿足血管內(nèi)超聲探頭的使用要求。同時(shí)，更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、裝配步驟及驅(qū)動(dòng)電路的特性讓壓電馬達(dá)更具實(shí)用性。掃描結(jié)果圖像成像質(zhì)量令人滿意，證明了探頭的可行性。今后工作中將進(jìn)一步縮小電機(jī)的長(zhǎng)度和直徑。