基于模塊化的超聲生物顯微鏡設(shè)計

高 旋，齊 珊，王曉春，楊 軍，周 盛*

（1.天津邁達醫(yī)學(xué)科技股份有限公司，天津 300384；2.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津 300192）

0 引言

超聲生物顯微鏡是一種利用頻率在50～100 MHz的高頻超聲作為探測源，作用于人體淺表器官，將反射的超聲信號轉(zhuǎn)換成電信號再經(jīng)放大濾波后數(shù)字化處理，形成二維灰階圖像的設(shè)備。超聲生物顯微鏡具有高分辨力、實時、非侵入、定量分析、不依賴介質(zhì)透明度等優(yōu)點[1-2]。在臨床上，超聲生物顯微鏡已被廣泛應(yīng)用于眼前節(jié)、皮膚等淺表器官的臨床診斷[3-12]。

市場上現(xiàn)有的超聲生物顯微鏡存在一些不足之處，例如體積較大，且使用的探頭掃描方式多為線性掃描，導(dǎo)致探頭笨重，多需要機械臂支撐，同時存在攜帶不便、顯示終端單一、使用場地受限、圖像查看便利性差等問題?；谝陨蠁栴}與不足，本文設(shè)計一種基于模塊化的超聲生物顯微鏡。

1 超聲生物顯微鏡設(shè)計

基于模塊化的超聲生物顯微鏡整體設(shè)計為采集模塊和上位機模塊2 個部分。采集模塊包括掃描探頭模塊、主機模塊、電源適配器模塊。上位機模塊可配置為個人計算機、平板計算機和手機等，并可外接腳踏開關(guān)作為輔助控制。

模塊間各自獨立又相互兼容，便于信息交互又能獨立開發(fā)改進。其中主機模塊、掃描探頭模塊、上位機模塊各自為一個整體部件。主機模塊用于提供超聲發(fā)射、電動機驅(qū)動、增益調(diào)節(jié)、后級放大、USB 通信等功能，掃描探頭模塊實現(xiàn)前置放大、電動機傳動、前端超聲探測等功能，上位機模塊實現(xiàn)人機交互功能。超聲生物顯微鏡組成框圖如圖1 所示。

圖1 基于模塊化的超聲生物顯微鏡組成框圖

1.1 采集模塊設(shè)計

1.1.1 掃描探頭模塊設(shè)計

掃描探頭模塊為自行設(shè)計，采用小角度扇形掃描方案，包含超聲換能器、前置放大電路、電動機傳動裝置3 個部分。按照當(dāng)前材料加工水平，超聲換能器橫向分辨力為十幾微米的數(shù)量級時，無法實現(xiàn)傳統(tǒng)B 超的陣列超聲掃描，只能采用單陣元機械扇形或線性掃描方案。線性掃描時聲束入射角最小，此時回波損失也最小，但也導(dǎo)致在現(xiàn)有穩(wěn)定傳動工藝狀態(tài)下觀察較大掃描范圍需要掃描探頭體積較大。小角度扇形掃描方案既可以適當(dāng)放大視野，又不會造成大角度扇形掃描時聲束入射角過大而損失回波，同時可以減小掃描探頭體積，在視野放大與回波利用上實現(xiàn)一種平衡。掃描探頭模塊掃描角度設(shè)計為22°，最大入射角為11°。小角度掃描還有利于維持掃描探頭模塊高頻率掃描，提高圖像幀頻，利于超聲生物顯微鏡圖像實時顯示。

超聲生物顯微鏡的設(shè)計分辨力高達50 μm，因此采用高頻特性好的高分子復(fù)合材料制作的單陣元超聲換能器，中心工作頻率50 MHz。超聲換能器在高精度的電動機傳動裝置配合下作機械扇形掃描運動，完成超聲穩(wěn)步輸出。

因信號放大電路通常設(shè)計在主機內(nèi)，而超聲生物顯微鏡信號微弱、工作頻率高，故將前置放大電路置于掃描探頭模塊內(nèi)并采用可變增益放大設(shè)計，其最大增益可達55 dB。這樣的設(shè)計方案可減小回波信號在掃描探頭模塊線纜中的傳輸損失，避免耦合較多外界高頻干擾，減少信號損失，提升信噪比。在超聲生物顯微鏡調(diào)節(jié)至最大增益時，可將信噪比提升至99 dB。

電動機傳動裝置由高精度步進電動機驅(qū)動，經(jīng)傘齒帶動超聲換能器擺動。步進電動機采用細分頻設(shè)計，課實現(xiàn)超聲換能器位移高精度控制，保證傳動裝置穩(wěn)定性，提升超聲生物顯微鏡橫向分辨力。

1.1.2 主機模塊設(shè)計

主機模塊由現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）控制單元、超聲發(fā)射電路、電動機驅(qū)動電路、增益調(diào)節(jié)電路、后級放大電路和USB通信接口組成。主機模塊負責(zé)與上位機模塊、掃描探頭模塊之間的通信及時序控制，因此，高頻超聲掃描、圖像數(shù)據(jù)采集與傳輸對主機模塊的運行效率提出較高要求。采用FPGA 控制單元并合理配置其外圍資源，為提升超聲生物顯微鏡運行效率提供了有效支撐。

FPGA 控制單元芯片為Cyclone Ⅳ系列中的EP4CE22F17-C8N 高性能芯片[13]，其有22 320 個邏輯單元、594 KiB 存儲器總?cè)萘俊?6 個18×18 乘法器、153 個I/O 接口，可滿足采集模塊控制各單元的需要。FPGA 控制單元外置靜態(tài)隨機存取存儲器（static random-access memory，SRAM）、只讀存儲器（readonly memory，ROM）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter，ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（digital to analog converter，DAC）等。其中SRAM 為FPGA 芯片與USB 芯片通信提供緩存空間；ADC 將后級放大回波信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再輸入FPGA 芯片進行數(shù)據(jù)處理；DAC 為掃描探頭模塊的前置放大電路提供增益調(diào)節(jié)。FPGA控制單元可產(chǎn)生超聲前置發(fā)射脈沖信號、步進電動機控制信號。超聲前置發(fā)射脈沖信號輸入超聲發(fā)射電路中形成高壓脈沖激勵，經(jīng)超聲換能器產(chǎn)生超聲波；步進電動機控制信號經(jīng)電動機芯片驅(qū)動步進電動機。整個過程中FPGA 芯片負責(zé)總體信息協(xié)調(diào)，同步超聲生物顯微鏡各模塊各單元協(xié)同運作，為圖像實時顯示和用戶實時操作提供有效支撐。

超聲發(fā)射電路和電動機驅(qū)動電路采用集成電路芯片并由FPGA 控制單元編程控制，為超聲換能器提供可靠的超聲發(fā)射和穩(wěn)定傳動控制，提升采集模塊協(xié)調(diào)性和工作效率。超聲發(fā)射電路高壓部分采用德國RECOM Power 公司防短路設(shè)計的高壓芯片，以防止高壓短路造成的芯片損毀，提升電路穩(wěn)定性，有效降低維護成本。電動機驅(qū)動電路使用高細分兩相混合式步進電動機驅(qū)動芯片THB6128，出色的細分頻設(shè)定和電流設(shè)定可為步進電動機提供穩(wěn)定的驅(qū)動力。

增益調(diào)節(jié)電路由DAC 及外圍器件組成。FPGA控制單元通過USB 通信接口接收上位機模塊設(shè)置的增益數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輸入DAC，產(chǎn)生增益調(diào)節(jié)信號，為掃描探頭模塊的前置放大電路提供時間增益補償，用戶可實時調(diào)節(jié)上位機模塊增益，以獲取最佳質(zhì)量圖像。

后級放大電路由雙運放構(gòu)成，接收掃描探頭模塊的前置放大電路的輸出信號，將回波信號進一步放大、調(diào)整到2～3 V 范圍，以適應(yīng)ADC 2 V 基準(zhǔn)電壓。

USB 通信接口采用符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高速數(shù)據(jù)傳輸芯片CY7C68013A-56 作為核心芯片，其最高通信傳輸速率為48 Mbit/s，具有通用可編程接口，可連接并行接口。其PA1、PA0管腳可監(jiān)控USB 芯片在上傳狀態(tài)（10、11）還是下載狀態(tài)（00、01），區(qū)分并行接口PD0～PD7 通道在下載上位機模塊地址數(shù)據(jù)（00）還是命令數(shù)據(jù)（01），或在上傳地址數(shù)據(jù)（10）還是命令數(shù)據(jù)（11）。其并行接口PB0～PB7 引腳連接SRAM 圖像數(shù)據(jù)上傳通道，在USB 芯片上傳狀態(tài)時為上位機模塊提供圖像數(shù)據(jù)。采集模塊可通過USB通信接口連接到上位機模塊。

1.1.3 電源適配器模塊選配

電源適配器模塊采用經(jīng)過中國、歐盟、美國醫(yī)療器械產(chǎn)品認證產(chǎn)品，為超聲生物顯微鏡提供穩(wěn)定、可靠、抗干擾能力強的電源輸入。

1.2 上位機模塊設(shè)計

上位機模塊運行上位機應(yīng)用程序，用于實現(xiàn)人機交互，可控制超聲生物顯微鏡采集模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，在上位機模塊顯示圖像并可實現(xiàn)圖像處理。超聲生物顯微鏡在臨床應(yīng)用中有多應(yīng)用場景需求，醫(yī)療影像設(shè)備也越來越依賴圖像顯示終端多樣化。本設(shè)計實現(xiàn)了上位機模塊終端多樣化，運行平臺也涉及到Windows 和Android 2 種。上位機應(yīng)用程序的運行平臺可選擇個人計算機、平板計算機或手機等，多樣化的運行平臺可有效拓展超聲生物顯微鏡主機模塊連接終端。運行于Android 平臺的上位機應(yīng)用程序由Java 語言編寫，軟件開發(fā)平臺為Eclipse（V4.5）。運行于Windows 平臺的上位機應(yīng)用程序基于MFC 平臺開發(fā)，軟件開發(fā)工具為Microsoft Visual Studio 2015。2 個運行平臺的上位機應(yīng)用程序基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理模塊相同，客戶端分別開發(fā)。由于擴展了不同的運行平臺，圖像可同步到更多的應(yīng)用終端，如運行Windows 系統(tǒng)的工控板或運行Android 系統(tǒng)的視頻電視等，這使超聲生物顯微鏡應(yīng)用場景更靈活，醫(yī)生使用更便利。上位機應(yīng)用程序軟件功能結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 上位機應(yīng)用程序軟件功能結(jié)構(gòu)圖

超聲生物顯微鏡檢查界面具有一鍵啟動或凍結(jié)掃描功能，并配置采集功能，用來實時存儲目標(biāo)圖像到圖片緩存區(qū)，供后續(xù)打印或電子病例存儲。緩存圖像可右鍵另存到指定路徑或標(biāo)記為打印選定狀態(tài)，也可以保存為單幅DICOM 格式圖像并上傳至影像存儲與傳輸系統(tǒng)（picture archiving and communication system，PACS），便于用戶導(dǎo)出圖片，加強后期處理便捷性。

軟件的操作流程亦符合常規(guī)操作，便捷直接，醫(yī)生操作方便，可快速實現(xiàn)臨床圖像采集需要，提升工作效率。軟件流程圖如圖3 所示。

圖3 超聲生物顯微鏡軟件流程圖

2 超聲生物顯微鏡驗證

2.1 分辨力性能測試

使用直徑10 μm、平行間距50 μm（經(jīng)讀數(shù)顯微鏡校正）且固定在有機玻璃靶塊的靶線進行分辨力性能測試。將平行靶線2 條線水平放置，淹沒至盛滿水的水槽中，靶線到水面距離至少1 cm，啟動超聲生物顯微鏡與靶線方向垂直掃描，且靶線要置于超聲換能器焦點（超聲換能器焦距為9 mm）區(qū)域位置。得到側(cè)向分辨力的靶線圖像如圖4（a）所示，2 條靶線高亮且中間有斷開，證明超聲生物顯微鏡側(cè)向分辨力能達到50 μm。

圖4 超聲生物顯微鏡分辨力測試實驗圖

將平行靶線2 條線垂直方向放置，得到軸向分辨力的靶線圖像如圖4（b）所示，2 條靶線高亮且中間有斷開，證明超聲生物顯微鏡軸向分辨力能夠達到50 μm。

2.2 臨床性能測試

使用本超聲生物顯微鏡對正常人的眼睛和皮膚進行圖像掃描，采集的正常眼睛圖像如圖5（a）所示，可清晰觀察到正常眼睛的角膜、前房、鞏膜、后房、睫狀體等。其中眼睛的角膜、鞏膜顯示高回波信息，虹膜、睫狀體、晶狀體前囊顯示中高回波信息，前后房區(qū)域則呈現(xiàn)低回波信息。采集的皮膚圖像如圖5（b）所示，可清晰觀察到正常皮膚的表皮、真皮、淺表的皮下組織等。其中皮膚表皮層顯示高回波信息，真皮層顯示中高回波信息，皮下組織則呈現(xiàn)低回波信息，一些纖維組織呈高回波信息。

圖5 超聲生物顯微鏡采集圖像

2.3 應(yīng)用模式

超聲生物顯微鏡整機如圖6 所示，個人計算機裝載上位機應(yīng)用程序，通過USB 線連接主機模塊得到USB 通信數(shù)據(jù)，控制主機模塊和掃描探頭模塊完成超聲生物顯微鏡圖像掃描，并可在掃描過程中采集存儲超聲生物顯微鏡圖像，供用戶作臨床診斷或打印形成紙質(zhì)病例報告。個人計算機與主機模塊、掃描探頭模塊相互獨立，拔插USB 線即可相互脫離或連接，方便醫(yī)生攜帶個人計算機至?xí)h室、教研室場地展開專家交流、線下教學(xué)等活動。超聲生物顯微鏡整體也方便攜帶和移動，便于帶至手術(shù)室場景下完成手術(shù)輔助診斷，亦可在超聲科室、眼科或皮膚科等臨床科室間流動使用，提高設(shè)備使用率，降低醫(yī)院設(shè)備投入成本。

圖6 超聲生物顯微鏡整機實物圖

2.4 便攜性分析

市場上現(xiàn)有常見的超聲生物顯微鏡探頭直徑達到60 mm、長度250 mm，質(zhì)量達到1 kg，需用機械臂配合使用；主機體積通常為350 mm×300 mm×50 mm（長×寬×高），質(zhì)量達4 kg；主機與探頭需裝入體積1 200 mm×600 mm×600 mm（長×寬×高）臺車中，整機體積大，探頭笨重、操控不靈活。有些超聲生物顯微鏡探頭體積進行了縮小改進，但為拓展功能，常與20 MHz 和10 MHz 等探頭共用一個主機，50 MHz 探頭往往降至輔助檢測地位，不僅增加了整機連線讓使用者不敢輕易拔插與變換場地，而且功能的增加反而使設(shè)備被使用科室作為常規(guī)圖像檢測設(shè)備使用，如超聲室，固定在特定場地由專人負責(zé)操作，只對特定疾病進行診斷，限制了超聲生物顯微鏡功能的開發(fā)與多場景應(yīng)用模式的拓展。

本文設(shè)計的超聲生物顯微鏡掃描探頭模塊直徑28 mm、長度160 mm，質(zhì)量0.3 kg，不使用機械臂作為輔助控制，比市面上常見探頭體積和質(zhì)量都小了1/2 以上，手持方便，操作靈活；主機模塊體積為250 mm×160 mm×36 mm（長×寬×高），質(zhì)量1.2 kg，比市面上常見主機體積和質(zhì)量都小了1/3 以上；整機皆可放入一個便攜式計算機包攜帶，方便移動，適應(yīng)多場景應(yīng)用環(huán)境；單探頭設(shè)計使超聲生物顯微鏡的功能設(shè)計簡潔化，便于多場景應(yīng)用。

3 結(jié)語

本文設(shè)計的超聲生物顯微鏡分辨力、圖像質(zhì)量等都達到較高水平，方便醫(yī)生獲取患者微小病變信息，滿足臨床高頻超聲診斷需要；整機結(jié)構(gòu)緊湊，掃描探頭模塊小巧，不輔用機械臂，主機模塊、掃描探頭模塊、電源適配器模塊與上位機模塊間相互獨立，拆卸簡單，便于攜帶轉(zhuǎn)移，拓寬了應(yīng)用場景；采集界面簡潔，減小了用戶對便攜式計算機的熟悉和操作時間，提高了患者診斷效率?？傊暽镲@微鏡模塊化方案簡潔、系統(tǒng)性能優(yōu)越、小巧便攜、便于醫(yī)生靈活使用，能有效滿足臨床多場景高清圖像采集需要。

隨著光學(xué)相干成像等技術(shù)在眼科領(lǐng)域中的應(yīng)用和發(fā)展[14]，臨床對眼科檢測設(shè)備微米級別分辨力的要求不斷提升，同時對超聲生物顯微鏡實時圖像采集性能也提出要求。在超聲領(lǐng)域，超聲生物顯微鏡單陣元超聲與陣列超聲相比，圖像幀頻采集速度明顯較低，視頻流暢度還有待提升。因此，提升超聲生物顯微鏡分辨力和圖像幀頻是未來研究的方向，可通過提高掃描探頭擺動速度或?qū)崿F(xiàn)掃描探頭超聲換能器往復(fù)過程中皆能采集圖像以提高幀頻。亦可通過提升掃描探頭運動穩(wěn)定性、微調(diào)整掃描路徑，改善超聲入射眼球角度，從而細分超聲換能器掃描步進，改善超聲生物顯微鏡分辨力。