基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)臋C(jī)械掃描式高頻超聲成像技術(shù)

謝旭，王寧浩，黃文昌，呂加兵，韓志樂(lè)，顧磊，簡(jiǎn)小華

(1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213022；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（蘇州），生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部，江蘇蘇州 215000；3.中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所醫(yī)用聲學(xué)技術(shù)研究室，江蘇蘇州 215163)

0 引 言

超聲成像作為一種無(wú)損、無(wú)輻射、實(shí)時(shí)性好、檢測(cè)價(jià)格低的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，廣泛用于獲取體內(nèi)結(jié)構(gòu)和功能信息[1]。高頻超聲成像[2-3]因其比常規(guī)超聲圖像分辨率更高，能夠清晰地顯示組織圖像和精細(xì)結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于臨床眼科、皮膚[4]、心血管等領(lǐng)域[5-6]。在皮膚成像方面[7-8]，高頻超聲用于精確測(cè)量皮膚各層厚度、病變范圍以及腔內(nèi)檢查、淺表小血管[9]血流多普勒掃描等。

此外，其潛在應(yīng)用包括對(duì)腫瘤分期和邊界定義，探索炎癥性皮膚病，研究皮膚老化和傷口愈合等。實(shí)驗(yàn)用小動(dòng)物無(wú)損檢查主要是對(duì)小動(dòng)物進(jìn)行高頻超聲成像實(shí)驗(yàn)[10-11]，比如對(duì)白鼠和兔子的胚胎、心臟[12]等的觀察為腫瘤學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、心血管學(xué)提供研究意義。眼前節(jié)顯微檢查[13-14]，包括診察和治療青光眼、眼外傷、前節(jié)腫瘤和囊腫、角膜病以及人工晶體評(píng)價(jià)等?；谘軆?nèi)成像是一種新型介入式超聲成像技術(shù)，用以實(shí)時(shí)提供患者冠狀動(dòng)脈血管橫截面圖像的檢查手段，當(dāng)前血管內(nèi)超聲(Intra‐verous Ultrasound,IVUS)成像技術(shù)在不影響臨床經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈成形術(shù)手術(shù)過(guò)程與療效的前提下，能夠有效提供脈壁微結(jié)構(gòu)灰度圖像。高頻血流成像方面多采用多普勒技術(shù)來(lái)評(píng)估微血管內(nèi)流量，使用高頻超聲能夠克服傳統(tǒng)多普勒系統(tǒng)空間分辨率不足和靈敏度不高的缺點(diǎn)，除了改善多普勒信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)，更容易檢測(cè)較慢的血流。Fer‐rara等[15]用頻率為38 MHz的脈沖多普勒系統(tǒng)觀察兔子晶狀體內(nèi)直徑為100 μm 的血管，其血流速度降低至0.2 mm·s-1。超聲內(nèi)窺成像是在體內(nèi)腔道進(jìn)行超聲檢查成像，通過(guò)安裝在介入導(dǎo)管前段的微型高頻超聲探頭，插入支氣管、食道、胃腸等進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描成像，相對(duì)于傳統(tǒng)胃腸鏡只是對(duì)胃腸道“照鏡子”，超聲內(nèi)窺成像可以觀察到胃壁的五層結(jié)構(gòu)，腫瘤生長(zhǎng)層次、浸潤(rùn)深度以及常規(guī)檢驗(yàn)設(shè)備難以觀察腸道附近的胰腺、膽囊、膽管病變等。

然而，多陣元高頻超聲換能器的制作工藝難度較大，其頻率很難做到20 MHz以上，另外陣列式高頻超聲成像系統(tǒng)價(jià)格昂貴，多為國(guó)外公司壟斷，如加拿大Visual Sonics 開(kāi)發(fā)的Vevo 3100 超聲成像平臺(tái)，圖像分辨率最高可達(dá)30 μm，但售價(jià)高達(dá)300～500萬(wàn)元人民幣，S-Sharp公司針對(duì)實(shí)驗(yàn)小動(dòng)物所開(kāi)發(fā)的高頻、高分辨率Prospect小動(dòng)物超聲影像系統(tǒng)，同樣售價(jià)不菲。多通道高頻超聲成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受制于收發(fā)、模數(shù)(Analog Digital,A/D)采樣等核心芯片技術(shù)的制約，導(dǎo)致高頻超聲系統(tǒng)開(kāi)發(fā)受限。

此外，目前市場(chǎng)上的高頻超聲成像系統(tǒng)一般具有128甚至更多的通道，但是不提供開(kāi)放接口和原始數(shù)據(jù)，無(wú)法兼容不同廠商的探頭。通常為了使用某個(gè)專用超聲系統(tǒng)，就必須購(gòu)置與其匹配的超聲探頭，而高性能的超聲探頭的價(jià)格也極高，例如飛利浦xMatrix 探頭的售價(jià)高達(dá)百萬(wàn)元人民幣，易造成資源浪費(fèi)。在科研級(jí)高頻成像系統(tǒng)研究方面，Stitt等[16]設(shè)計(jì)了16通道模擬波束合成器的高頻超聲成像系統(tǒng)，用于配合頻率30 MHz線性陣列換能器使用，但是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，同時(shí)幀率相對(duì)較低。Lu等[17]研制了一種用于研究有限衍射波束的高幀率系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有128 個(gè)獨(dú)立通道，頻率為40 MHz 發(fā)射能力和12 位A/D 轉(zhuǎn)換接收能力，但是該系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)波束形成，必須在數(shù)據(jù)采集后進(jìn)行離線處理。可見(jiàn)，目前多通道的高頻超聲成像系統(tǒng)在研發(fā)方面仍存在諸多挑戰(zhàn)。

與多通道高頻超聲成像系統(tǒng)相比，基于單陣元換能器的機(jī)械掃描式成像方法為高頻超聲成像提供合適且緊湊的解決方案[18-19]。傳統(tǒng)的機(jī)械掃描方式主要包括機(jī)械扇形掃描和機(jī)械旋轉(zhuǎn)式掃描[20-21]。扇形掃描成像技術(shù)適合檢查心臟，掃查聲束經(jīng)肋骨間的窄細(xì)小窗進(jìn)入胸腔內(nèi)后，掃查聲束呈扇形對(duì)心臟進(jìn)行大范圍掃查，避免了用線性掃查時(shí)聲束經(jīng)肋骨產(chǎn)生強(qiáng)反射而難以到達(dá)心臟的缺點(diǎn)。機(jī)械旋轉(zhuǎn)式多用于血管內(nèi)超聲成像，一般采用內(nèi)置頻率為20～40 MHz 高頻微型超聲探頭[22]，在冠狀動(dòng)脈及周圍動(dòng)脈血管內(nèi)成像[23]，獲得動(dòng)脈管壁的環(huán)式B 超圖像[24]。但現(xiàn)有機(jī)械掃描系統(tǒng)的共性問(wèn)題是機(jī)械掃描的非線性[25]及定位依靠編碼器等，無(wú)法監(jiān)測(cè)反饋，導(dǎo)致機(jī)械掃描定位精度差，圖像存在失真。

為了克服這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試了多種方法。例如，Zhang 等[1]設(shè)計(jì)了手持式單陣元高頻超聲皮膚成像系統(tǒng)，通過(guò)光學(xué)傳感器檢測(cè)行走距離并提供超聲波換能器位移，傳感器可以直接精確地跟蹤位置，但光學(xué)傳感器檢測(cè)到的位移是用分辨率表示的，必須經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化為實(shí)際距離值，然后才能正確地形成B模式圖像。此外，其他的方法，比如Choi等[18]設(shè)計(jì)了一種基于鏡掃描的單陣元超聲成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)中聲學(xué)鏡通過(guò)掃描儀內(nèi)的線圈與鏡中磁體之間的電磁力快速控制，聲波束在鏡面掃描后傾斜，達(dá)到陣列超聲換能器的效果。這種掃描儀尺寸小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是回波信號(hào)經(jīng)折射后損耗較大，成像分辨率不高，仍需解決掃描鏡的非線性和掃描圖形的補(bǔ)償問(wèn)題[26]。而He 等[27]則采用管狀壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)前視高頻單陣元換能器進(jìn)行成像的方案，能夠進(jìn)行B掃描和C掃描成像，但是該結(jié)構(gòu)提供的定位需要提高定位精度，同時(shí)成像效率較低。

為了實(shí)現(xiàn)高頻超聲換能器短距離高速往復(fù)移動(dòng)，在掃描過(guò)程中同步輸出高精度位置信息，并用于觸發(fā)成像，本文研發(fā)了一種高精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)臋C(jī)械掃描式高頻超聲成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)理論計(jì)算分析了掃描位置規(guī)律、對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)加工、掃描成像系統(tǒng)并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化的方法，最終實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高精度掃描成像。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的是通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高頻換能器的直線往復(fù)移動(dòng)，在掃描范圍內(nèi)對(duì)檢測(cè)物直線往復(fù)掃描，期望達(dá)到傳統(tǒng)超聲線型陣列換能器的成像效果。工業(yè)上根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)[28]，常用的方法有氣動(dòng)、液壓、齒輪齒條、同步帶、絲杠傳動(dòng)等等。根據(jù)不同應(yīng)用需求，如行程、精度、直線推力、機(jī)械效率、安裝、維護(hù)等，上述將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的方式得到了廣泛的應(yīng)用，但也存在很多缺點(diǎn)。

在方案設(shè)計(jì)階段，我們選擇齒輪齒條和連桿傳動(dòng)兩種方案。齒輪齒條將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)[29]，根據(jù)機(jī)械加工的水平，可以達(dá)到較高精度，由于齒條可以拼接，行程沒(méi)有限制，通過(guò)齒的嚙合，可以得到很大的推力。這種方案的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便[30]，且齒輪齒條的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)是勻速可控的。但實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)需要步進(jìn)電機(jī)不斷地正反轉(zhuǎn)切換，而步進(jìn)電機(jī)的正反切換需要更多的相應(yīng)時(shí)間，因而影響實(shí)時(shí)成像的時(shí)效性。齒嚙合存在反向間隙，振動(dòng)大，會(huì)造成超聲成像存在嚴(yán)重偽影，同時(shí)齒輪齒條機(jī)加工精度的一致性難以保證，運(yùn)行速度較低。連桿機(jī)構(gòu)是由若干(兩個(gè)以上)有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件用低副(轉(zhuǎn)動(dòng)副或移動(dòng)副)聯(lián)接而成的機(jī)構(gòu)。低副是面接觸，耐磨損，加上轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副的接觸表面是圓柱面和平面，制造簡(jiǎn)便，制造精度較高[31]。這種方式步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)為整周運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)換能器連貫的直線往復(fù)移動(dòng)，不需要步進(jìn)電機(jī)來(lái)回正反轉(zhuǎn)，與齒輪齒條機(jī)構(gòu)相比，連桿機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)成像的幀率得到了提高，但其缺點(diǎn)是曲柄連桿機(jī)構(gòu)存在急回特性[32]。

因此，本文選擇連桿傳動(dòng)方案，將高頻超聲成像的實(shí)時(shí)性，高分辨率作為主要考量因素。連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是非線性的，易造成高頻超聲系統(tǒng)錯(cuò)誤成像，但通過(guò)本文提出的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法[33]，可以實(shí)現(xiàn)正確成像。

高頻超聲探頭機(jī)械結(jié)構(gòu)中包含的零部件主要是同級(jí)傳動(dòng)齒輪，齒輪軸，軸承(NSK 681X-H-ZZ)，軸套，卡簧，滑塊導(dǎo)軌組(THK RSR3M)，曲柄，連桿，彈簧，支撐座，陣元座，電機(jī)固定板，連接板，連接柱，滑軌固定板，等組成。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 高頻超聲探頭機(jī)械掃描模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design drawing of the mechanical scanning structure of high frequency ultrasonic probe

1.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的實(shí)質(zhì)是對(duì)心曲柄滑塊結(jié)構(gòu)[34]，曲柄R繞A點(diǎn)做勻速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)連桿L帶動(dòng)滑塊C在固定導(dǎo)軌內(nèi)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)心曲柄滑塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 對(duì)心曲柄滑塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of centering crank slider

設(shè)滑塊C的運(yùn)動(dòng)距離為0～2R，根據(jù)對(duì)心曲柄滑塊結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，通過(guò)計(jì)算可以得到曲柄R轉(zhuǎn)動(dòng)任意角度時(shí)滑塊C的運(yùn)行距離S：

式中：S為滑塊運(yùn)行距離；R為曲柄長(zhǎng)度；L為連桿長(zhǎng)度；α為曲柄與AC之間的夾角；β為連桿與AC之間的夾角，Lsinβ=Rsinα(假設(shè)=λ)。因此可得：

將sin2α=(1-cos 2α)代入式(2)，得到：

所以，得到滑塊運(yùn)行距離S：

由式(4)可以計(jì)算出曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與滑塊位移距離之間的關(guān)系。曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)是由步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸經(jīng)同級(jí)齒輪傳遞的，因此曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸同步，步進(jìn)電機(jī)的步距角是1.8°，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板傳輸給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)脈沖，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)1.8°，因此，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，驅(qū)動(dòng)板需要傳輸200個(gè)脈沖，滑塊位移為2R，高頻換能器的有效掃描行程也就是2R。本文中，曲柄R與連桿L長(zhǎng)度相等，得到λ=1，將λ代入式(4)，得到文中曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度與滑塊位移距離的關(guān)系式：

運(yùn)用Matlab 軟件仿真模擬式(5)，得到滑塊理論運(yùn)動(dòng)曲線，如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，該曲線整體上是對(duì)稱的，在0～18°滑塊緩慢移動(dòng)，在36°～108°加速運(yùn)動(dòng)，126°～162°逐漸減速，162°～180°處于停滯狀態(tài)，180°～360°的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與0°～180°的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)則是相反的。

圖3 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與換能器位移理論關(guān)系Fig.3 Theoretical relationship between rotation angle of stepping motor and displacement of transducer

通過(guò)光電傳感器對(duì)滑塊位移點(diǎn)進(jìn)行采樣，滑塊一次直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的采樣數(shù)為100次，即步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)3.6°采集一次位置數(shù)據(jù)。將采集數(shù)據(jù)通過(guò)Matlab 軟件生成曲線圖，該曲線以角度為橫坐標(biāo)，間隔為45°，位移為縱坐標(biāo)，滑塊實(shí)際位移曲線如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與換能器位移實(shí)際關(guān)系Fig.4 Actual relationship between rotation angle of stepping motor and displacement of transducer

滑塊實(shí)際位移曲線與理論運(yùn)動(dòng)曲線保持相對(duì)一致。實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線中，在72°與284°附近存在非平滑點(diǎn)。綜合考慮是由于滑塊運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)軌中心處的螺紋孔造成卡頓而產(chǎn)生的。滑動(dòng)導(dǎo)軌組(THK RSR3M)總長(zhǎng)度為30 mm，是目前市面上最小機(jī)械尺寸的滑動(dòng)導(dǎo)軌組之一，在機(jī)械加工中精度很難完全保證，因此會(huì)造成不可避免的實(shí)際應(yīng)用偏差。滑動(dòng)導(dǎo)軌組及螺紋孔如圖5所示。

圖5 滑動(dòng)導(dǎo)軌組及螺紋孔Fig.5 Sliding guide rail set and threaded hole

綜上，通過(guò)將滑塊理論計(jì)算運(yùn)動(dòng)曲線與實(shí)際采樣點(diǎn)曲線相結(jié)合，形成運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償曲線，將其應(yīng)用到高頻超聲成像算法中[2]，可以實(shí)現(xiàn)單陣元高頻超聲系統(tǒng)機(jī)械掃描的高精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，以此達(dá)到機(jī)械掃描式高頻超聲的正確成像，同時(shí)提高圖像質(zhì)量。超聲成像算法[35]加入運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后，成像系統(tǒng)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)超聲波束形成，采集的RF信號(hào)不需要離線處理，即可完成實(shí)時(shí)成像。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

高精度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)臋C(jī)械掃描式高頻超聲成像系統(tǒng)由連桿機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)(SUMTOR 20HS2806A4)、旋轉(zhuǎn)編碼器(Omron E6A2 CWZ3E)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板(DRV884EVM)、電源、計(jì)算機(jī)、Vantage超聲研究平臺(tái)(Verasonics公司,USA)等組成，系統(tǒng)組成如圖6 所示。工作時(shí)，首先通過(guò)計(jì)算機(jī)DRV8884 EVM V1.0控制界面設(shè)置每秒脈沖數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，為了提高成像分辨率和電機(jī)定位精度，減弱電機(jī)低頻時(shí)的振動(dòng)，降低機(jī)械結(jié)構(gòu)在共振區(qū)工作的概率[36]，設(shè)置細(xì)分1/8。驅(qū)動(dòng)板將脈沖信號(hào)傳輸給步進(jìn)電機(jī)，每秒發(fā)射100個(gè)脈沖信號(hào)，即步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要2 s。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸為通軸，一端連接傳動(dòng)齒輪，驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，另一端通過(guò)聯(lián)軸器連接旋轉(zhuǎn)編碼器，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與編碼器相同，編碼器分辨率為每轉(zhuǎn)發(fā)射100個(gè)脈沖和500個(gè)脈沖，分別記為編碼器100 P/R 和編碼器500 P/R。傳動(dòng)齒輪將步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)角度傳遞至曲柄軸，帶動(dòng)曲柄做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿終端與滑塊導(dǎo)軌組相連接，換能器通過(guò)陣元座與滑塊相連接，并沿著導(dǎo)軌直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌總長(zhǎng)為30 mm，除去滑塊長(zhǎng)度11 mm 以及固定邊界等情況，有效行程為14 mm。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，每轉(zhuǎn)一圈，編碼器產(chǎn)生100個(gè)脈沖或500 個(gè)脈沖激勵(lì)信號(hào)，發(fā)送至Vantage，Van‐tage將同等線數(shù)的短脈沖信號(hào)發(fā)送至換能器，換能器產(chǎn)生掃描超聲波探測(cè)目標(biāo)物，將產(chǎn)生的回波信號(hào)由換能器接收至Vantage，經(jīng)系統(tǒng)圖像算法生成超聲圖像。

圖6 成像系統(tǒng)組成示意圖Fig.6 Schematic diagram of imaging system composition

圖6中，為了提高成像的軸向分辨率，采用頻率為20 MHz 的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)換能器[37-39]，探測(cè)距離為20 mm，主要參數(shù)如表1所示，測(cè)試回波的時(shí)域信號(hào)及頻譜如圖7所示。

表1 換能器特性參數(shù)Table 1 Characteristics parameters of the transducer

圖7 頻率為20 MHz 換能器接收的脈沖回波時(shí)域信號(hào)及其頻譜圖Fig.7 Time domain signal and its spectrum of the pulse echo received by the 20 MHz transducer

3 結(jié)果與結(jié)論

首先對(duì)直徑為10 μm，間距為6 mm 的兩根鎢絲體模進(jìn)行掃描成像，驗(yàn)證經(jīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后探頭的成像精度。鎢絲體模如圖8所示。

圖8 鎢絲體模Fig.8 Tungsten wire phantom

鎢絲體膜的成像對(duì)比如圖9 所示。圖9(a)共出現(xiàn)四個(gè)白色亮點(diǎn)，現(xiàn)實(shí)中正確圖像應(yīng)該為兩個(gè)亮點(diǎn)。這是因?yàn)閾Q能器對(duì)鎢絲是往復(fù)掃描的，其運(yùn)動(dòng)軌跡從起始點(diǎn)至終點(diǎn)再回到起始點(diǎn)，此段有效行程內(nèi)所形成的圖像是前進(jìn)段位移與回程段位移掃描所成的拼接圖像。圖9(b)則是經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的掃描圖像，經(jīng)測(cè)量?jī)蓚€(gè)靶點(diǎn)之間的距離是6.1 mm，計(jì)算可得橫向位置精度誤差為1.67%。掃描成像鎢絲的直徑為10 μm，只有人體頭發(fā)直徑的1/10，但圖中能清晰辨別鎢絲的位置，可見(jiàn)成像精度較高。

圖9 機(jī)械掃描運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前后的鎢絲成像Fig.9 Tungsten wire images before and after mechanical scanning motion compensation

進(jìn)一步利用系統(tǒng)對(duì)仿體進(jìn)行掃描成像。仿體由聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol,PVA)和氧化鋁經(jīng)熱水?dāng)嚢枞诨湃肽＞吆罄洳刂瞥?。PVA是一種安全的高分子有機(jī)物，具有良好的生物相容性，其水性凝膠在眼科、傷口敷料[40]和人工關(guān)節(jié)方面有廣泛應(yīng)用。用PVA制成仿體的聲學(xué)性能參數(shù)更接近人體組織，其超聲成像圖可以為探頭優(yōu)化提供合理化的參考。氧化鋁不溶于水，但吸水性很強(qiáng)，有較強(qiáng)的吸附能力與催化活性，可以作為強(qiáng)散射子[41]。實(shí)驗(yàn)室制作的仿體如圖10所示。

圖10 仿體實(shí)物圖Fig.10 Photo of the actual imitation object

重點(diǎn)對(duì)圖10 所示仿體的兩個(gè)縱向?yàn)閳A孔進(jìn)行掃描成像，上孔面積約為7 mm2，下孔面積約12.56 mm2，兩個(gè)圓孔的邊界尺寸為3 mm，仿體成像對(duì)比如圖11所示。

圖11 機(jī)械掃描運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償前后的仿體成像Fig.11 Imitation object images before and after mechanical scanning motion compensation

圖11(a)為掃描的初始圖像，探頭的掃描方式從圖10所示a點(diǎn)至b點(diǎn)再回到a點(diǎn)，圖11(a)中間的陰影拉長(zhǎng)線對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)曲線的頂點(diǎn)位置。仿體的初始成像圖與線靶存在差異，部分位置有明顯的壓縮痕跡，這對(duì)應(yīng)實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線中的非平滑點(diǎn)。在成像算法中，加入運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，得到圖11(b)所示的掃描圖像。圖11(b)正確顯示了仿體圖像，能明顯區(qū)分出上下孔的面積差異。

最后使用分辨率分別為每轉(zhuǎn)發(fā)射100個(gè)脈沖和每轉(zhuǎn)發(fā)射500個(gè)脈沖的編碼器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。兩款編碼器的成像對(duì)比如圖12所示。

圖12 編碼器100 P/R與編碼器500 P/R成像對(duì)比Fig.12 Comparison of imaging results between the encoder 100 P/R and the encoder 500 P/R

使用100 P/R 編碼器時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)設(shè)置為每秒發(fā)射800 個(gè)脈沖，細(xì)分為1/8，掃描成像的速度較快，但是圖像的分辨率較差。圖12(b)是使用500 P/R編碼器后系統(tǒng)的掃描圖像，圖12(b)圖的成像質(zhì)量明顯高于圖12(a)，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)設(shè)置為每秒發(fā)射200個(gè)脈沖，細(xì)分為1/16，高頻換能器16 s往復(fù)掃描1次。通過(guò)測(cè)量，使用兩款編碼器后系統(tǒng)的成像結(jié)果如表2所示。

表2 編碼器100 P/R與編碼器500 P/R的成像參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of imaging parameters between the encoder 100 P/R and the encoder 500 P/R

由表2 可見(jiàn)使用500 P/R 編碼器后，高頻超聲成像圖的橫向位置精度誤差降低了0.33 個(gè)百分點(diǎn)，縱向位置精度誤差降低了5.34 個(gè)百分點(diǎn)，平均面積測(cè)量誤差降低了4.4 個(gè)百分點(diǎn)。針對(duì)不同編碼器，成像系統(tǒng)的成像速度不同，根據(jù)使用場(chǎng)景來(lái)決定不同編碼器的選用。

4 結(jié) 論

本文利用滑塊運(yùn)動(dòng)的實(shí)際采樣曲線對(duì)滑塊運(yùn)動(dòng)理論曲線進(jìn)行修正以提高掃描精度。進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償時(shí)，首先通過(guò)理論計(jì)算和光學(xué)檢測(cè)的方法分別獲取運(yùn)動(dòng)的理論曲線和實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線。然后，將運(yùn)動(dòng)曲線應(yīng)用到高頻超聲成像算法當(dāng)中：針對(duì)理論曲線中生成的超聲圖像出現(xiàn)拉伸或者壓縮的跡象/區(qū)域，結(jié)合實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線如曲線的上升段和下降段進(jìn)行運(yùn)動(dòng)位置的修正。在曲線最高處的直線段由于進(jìn)入穩(wěn)定階段，理論和實(shí)際曲線相近，可以采用理論曲線，有助于消除超聲圖像中的偽影，提高超聲成像質(zhì)量。

線靶成像實(shí)驗(yàn)中，線靶的掃描成像圖能精確顯示直徑為10 μm的鎢絲。仿體成像實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)測(cè)量和計(jì)算，高頻超聲成像探頭的橫向幾何位置精度誤差為1.34%，縱向幾何位置精度誤差為1.33%，面積測(cè)量精度為3.15%。根據(jù)國(guó)標(biāo)對(duì)頻率＞9 MHz 超聲診斷設(shè)備的橫向(縱向)幾何位置精度要求是≤5%，本文高頻超聲探頭在編碼器500 P/R的支持下能夠達(dá)到臨床使用要求。同時(shí)，該成像探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好，可以減少系統(tǒng)對(duì)高端芯片的依賴，在高分辨率生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃采用更高頻率的如頻率為30 MHz和50 MHz換能器進(jìn)行掃描成像，并采用不同的成像系統(tǒng)。目前的試驗(yàn)受限于Vantage系統(tǒng)80 MHz 的采樣率。此外，仿體實(shí)驗(yàn)后，針對(duì)皮膚淺表組織進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)，并檢測(cè)盲區(qū)、探測(cè)深度、橫向(縱向)分辨率、橫向(縱向)幾何位置精度等技術(shù)參數(shù)。未來(lái)希望對(duì)高頻超聲成像系統(tǒng)進(jìn)行整合，使成像系統(tǒng)更加完善，通過(guò)增強(qiáng)發(fā)射強(qiáng)度和接收靈敏度的方法，提高高頻超聲成像的質(zhì)量。