超声波呼吸监测仪的设计和临床应用

邢旭东，李功杰，揣征宇，张洪涛

超声波呼吸监测仪的设计和临床应用

邢旭东，李功杰，揣征宇，张洪涛

目的：研制一种非接触式高精度超声波呼吸监测装置，用于CT放疗定位时患者呼吸状态的显示，并满足临床上对其他患者呼吸监控的需要。方法：将超声波探头对准患者的腹部，利用超声波独特的反向回波定位方法实现微米级的高精度测距，并进行实时追踪。结果：利用该超声波呼吸监测仪在肺部放疗定位时，医生可实时掌握患者的呼吸状态，并在勾画靶区时对病变的范围进行准确测量，达到精确放疗照射的目的。结论：该高精度超声波呼吸监测仪的测量精度可达微米级，且非接触，安装方便，非常适合在医疗监护工作中使用。

超声波；呼吸监测；放疗定位

0 引言

对肺部肿瘤进行放射治疗时，呼吸运动一直是靶区勾画中需要重点考虑的问题，测量病变的运动范围很重要。在CT定位扫描时，我们要求患者在呼气末及吸气末期2个时相憋住气。进行2次CT扫描，并测量肺部病变在2次CT图像中的三维坐标数据差，可得出病变的运动范围[1]。但是在实际工作中，仅靠工作人员口头要求患者憋住气，不能确保其实际呼吸时相与要求的呼吸时相一致。我们增加了一个自由呼吸时的CT扫描，理论上此时的病变范围在CT图像上的三维坐标数据应该包含在呼吸末时相与吸气末时相的病变位置之间，但是在实际工作中，有的患者呼吸动度超出了这个范围，说明名义上的呼气末CT或吸气末CT不一定完全符合实际情况。因此，需要更加精确、敏感的呼吸监测仪，在患者进行CT定位扫描时，实时监测患者的呼吸情况，当其呼吸达到我们的要求时再进行CT扫描[2]。

1 超声波呼吸监测仪的研制

1.1 超声波测距的原理

超声波测距是一种用途广泛的非接触式测距方法，其测距原理如图1所示。

图1 超声波测距原理图

处理器通过控制波形发生电路产生一定频率的交流信号，交流信号经过驱动电路的放大和阻抗匹配后驱动超声波发射探头，发射出一段超声波。当超声波遇到障碍物时会产生反射，超声波接收探头将反射回来的超声波（回波）转化为电信号，然后经过滤波放大电路和模数转换电路输入到处理器进行处理[3]。处理器通过比较超声波发射和接收的时间差，便可计算出障碍物距离探头的距离，如图2所示。

图2 超声波接收与发射的时间间隔图

当发射探头和接收探头之间的距离远远小于探头和障碍物之间的距离时，探头和障碍物之间的距离可如下计算：L=v×t/2，其中，v是声速，t是超声波接收探头接收到信号的时间与发射探头发射出超声波的时间间隔[4]。在实际使用过程中，由于探头起振（起振需要时间）和余振的影响，发射探头和接收探头的电压信号如图3所示。

图3 发射探头和接收探头的电压波形图

在图3中，CH1为发射的波形，CH2为接收波形。超声波发射的起始时间T0很容易确定，而超声波接收信号是一个振幅逐渐增大的过程，其起始时间T1却不太好确定，目前常用的方法是电平阈值法[5]，如图4所示。

图4 电平阈值法

当接收信号的电平超过某一个电平阈值V0时，则认为是接收信号的开始。然后再根据经验测出时间偏置Δt，则t=T1-T0-Δt。如果由于振动、噪声等引起接收电平的小幅抖动，则可能使T1产生一个周期的偏差，如图5所示。

使用这种方法，t的最小误差为超声波的一个波长的时间，如果超声波的频率为f=40 kHz，则一个波长的时间为T=1/f=25 μs。距离的误差为ΔL=v× 25 μs/2=340 m/s×25 μs/2=4.25 mm。所以，使用这种方法测量的误差为mm级，不适用对精度要求比较高的场合。

图5 接收电平示意图

1．2 高精度超声测距的方法

步骤1：处理器通过控制波形发生电路产生一定频率的交流信号，交流信号经过驱动电路的放大和阻抗匹配后驱动超声波发射探头，发射出一段超声波，超声波发射的起始时间为T0。

步骤2：利用一种反相回波定位法来准确地确定超声波回波的起始时间，发射一个周期的超声波后，紧接着发射一个反相的超声波，叠加后在回波中有一个下凹的波峰，其波峰点的时间为Tr。

步骤3：超声波接收探头接收到信号的时间与发射探头发射出超声波的时间间隔为t，根据经验测出时间偏置Δt。

步骤4：此时的距离可按下式计算：L=（Tr-T0-Δt）×v/2，其中，Δt是一个固定值，可根据经验测得；v为声速。

当超声波发射探头发射一个周期的超声波时，其回波波形如图6所示。图中发射的一个周期的超声波用粗线表示。如果延迟一个周期后，发射一个反相的超声波，其波形及回波如图7所示。用粗线表示一个周期的超声波，比图6中滞后一个周期且反相。

图6 超声波回波波形示意图

将上述2个步骤叠加起来，即发射一个周期的超声波后，紧接着发射一个反相的超声波，叠加后的效果如图8所示。

图7 反相超声波波形及回波示意图

图8 反相超声波的叠加效果图

叠加后在回波中有一个下凹的波峰，即这个周期的波峰比前一个周期和后一个周期的波峰都要低，其波峰点的时间为Tr，不管是发射功率的变化，还是测量距离变化、振动等，这个下凹的波峰始终存在，而且Tr与T0的间隔只与距离有关。测量Tr的误差极小，不会出现整周期的误差。用L=（Tr-T0-Δt）× v/2这种方法测距的结果误差小于0.05 mm。相对于传统的测量结果mm级的误差，精度有了质的提高。普通的超声波测距技术只能达到mm级，这种精度不足以准确追踪呼吸时相，而本设计利用独特的反相回波定位方法实现了高精度的测距，测量精度可达μm级，可进行实时追踪[6-7]。

1.3 超声波呼吸监测仪的组成

超声波呼吸监测仪包括超声波探头、单片机系统、数据采集电路、终端显示设备。

超声波探头将测量得到的距离微小的变化转化为电信号输出到数据采集电路，数据采集电路对传感器输出的电信号进行采集，然后将所生成的数据信号传输到终端设备，终端设备对输出的电信号进行采集[8]，实时展现患者的呼吸时相。

超声波测距仪包括单片机系统连接的超声波发射电路和超声波接收电路。超声波发射电路主要由555振荡器和1个共发射极放大电路构成，开始工作时，由单片机发出一个控制信号去触发发射电路，使发射电路起振，发生器产生振荡波。电能的振荡波通过换能器转变成机械能的超声波，当超声波到达人体皮肤时发生反射，换能器根据压电原理将超声波信号转换为电能信号。

图9 超声波呼吸监测仪组成示意图

超声波接收电路包括通滤波放大电路和模数电路，采用索尼公司生产的红外线检波接收集成芯片CX20106A，滤波放大电路接收反射回的信号，通过模数转换电路转换成数字信号。信号经放大滤波电路处理，送至单片机系统进行时间的测量和距离的计算。数据采集电路与终端设备并行通信接口或通用串行总线转USB接口与计算机相连接。其不但可以实现将单片机的数据传输到计算机端，而且能实现计算机对单片机的控制。

2 超声波呼吸监测仪的临床应用

进行肺部CT定位扫描时，将超声波探头通过支架固定在定位床板上，可随床板移动，超声波探头对准患者的腹部，随着呼吸运动的起伏，超声波探头到腹部的距离会有微小的变化，可实现对呼吸状态的实时追踪。根据波形显示，医生可实时掌握患者当前是在呼气、吸气或是屏气状态，特别是能提供患者屏气时所处的呼吸时相，方便医生在勾画靶区时对病变的三维移动范围进行准确测量，从而达到精确放疗照射的目的[9]。

目前，临床应用的呼吸监测装置一般都是腹带式或电阻式等[10]，都需要接触患者，固定操作很麻烦，需要耗材。而高精度超声波呼吸监测仪在应用中不需要接触患者，避免了交叉感染，安装方便，除了可以在CT定位检查时使用，还可以应用于胸部X线摄片等检查，提高检查的成功率，更可以用于很多需要监控患者呼吸状态的场合。

3 结语

高精度超声波呼吸监测仪紧密结合诊疗工作中的实际需求，克服了其他各种呼吸监测仪的缺点，进一步提高了医疗诊疗质量，非常值得在实际工作中推广和使用。

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[1] 闫婧，于金明，李宝生，等.主动呼吸控制系统在非小细胞肺癌精确放疗中的应用[J].癌症，2006，25（10）：1 311-1 314.

[2] 田菲，徐子海，朱超华，等.放疗中患者呼吸运动与身体位移计算机监测系统的设计[J].医疗卫生装备，2013，34（5）：21-23.

[3] 熊春山，彭刚，黄心汉，等.基于超声测距的三维精确定位系统与设计[J].自动化仪表，2001，22（3）：7-10.

[4] 孙鸿昌，许红梅，张绿原.基于MSP430F149的高精度超声波测距仪设计[J].自动化与仪器仪表，2012（4）：93-94.

[5] 晁沛荫，郭宏，王晓玲，等.超声波测距数字电路实验装置的设计[J].实验技术与管理，2007，24（7）：59-60，66.

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[7] 刘永星，王健琪，荆西京，等.基于超宽谱生物雷达微弱生命信号的非接触监测系统[J].医疗卫生装备，2011，32（5）：19-23.

[8] 张禾，李俊兰，葛亮，等.一种高精度超声波测距系统的设计[J].自动化仪表，2012，33（2）：62-64.

[9] 伍锐，陈超敏.呼吸控制技术在肺部肿瘤精确放疗中的应用[J].生物医学工程研究，2009，28（2）：159-162.

[10]刘官正，吴丹，梅占勇，等.基于体域网的动态呼吸监测系统设计[J].中国生物医学工程学报，2013，31（4）：316-320.

（收稿：2014-01-20 修回：2014-05-21）

Design and clinical application of ultrasonic breathing monitor

XING Xu-dong,LI Gong-jie,CHUAI Zheng-yu,ZHANG Hong-tao
（Department of Radiology,the 307th Hospital of the PLA,Beijing 100071,China）

ObjectiveTo develop a high-precision non-contact ultrasonic respiratory monitoring device for displaying the respiratory status of the patient undergoing CT radiotherapy positioning.MethodsWith the probe oriented to the abdomen,backward echo positioning method was used to realize micron-grade ranging and real-time tracing.ResultsThe monitor made the doctor be aware of the respiration status of the patient at real time while chest radiotherapy positioning performed,and facilitated precision measurement of lesion range when outlining the target area.ConclusionThe monitor can realize micron-grade non-contact measurement,and thus can be applied in medical monitoring.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（9）：19-21，32]

ultrasound;respiratory monitoring;radiotherapy positioning

R318.6；TH772.2

A

1003-8868（2014）09-0019-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.09.019

邢旭东（1970—），男，副主任，主管技师，主要从事医学影像设备、PACS的管理和维护方面的研究工作，E-mail：307xxd@163.com。

100071北京，解放军307医院放射科（邢旭东，李功杰，揣征宇，张洪涛）