高频超声检测仪的研制及其在中耳积液诊断中的应用

周 盛，王晓春，计建军，杨 军，王延群

高频超声检测仪的研制及其在中耳积液诊断中的应用

周 盛，王晓春，计建军，杨 军，王延群

目的:研制一种简单、可移动、性价比高的超声转换系统来诊断中耳炎。方法:超声换能器和鼓膜之间以水囊作为中间传输介质，通过测量超声反射回波信号的幅值和波峰数来判断是否存在积液。将中心频率10 MHz、直径0.5 mm的宽频带单阵元超声换能器置于狭长水囊之中，水囊充满水并伸入外耳道，使其前端与鼓膜接触。当中耳充满积液时，由于液体对超声能量的吸收，回波信息强度大幅下降，并伴有2个反射脉冲；当中耳内无积液时，回波信息为单一反射脉冲，幅值较强。结果:该检测仪可有效检测中耳积液的存在，进而可早期、准确而可靠地诊断中耳炎。结论:由于超声换能器发射和接收超声波束都是以水作为中间介质，对外界的噪声干扰不敏感，也不需要病患良好的配合，因此，临床上用高频超声来诊断中耳炎，特别是对于婴幼儿患者是一种可行的方法。

中耳炎；鼓膜；超声换能器；婴幼儿患者

0 引言

中耳炎是一种好发于儿童的细菌感染性疾病。大量研究资料表明，约80%的儿童曾得过中耳炎，多数在6个月～4岁时发病。1岁及1岁以内发病率约占50%，2岁以内发病率则增加到60%。部分患者可在3个月内自愈，但30%～40%的儿童会反复出现中耳炎，5%～10%的患儿症状会持续1 a以上[1]。婴幼儿期发生中耳炎首先会使患儿的听力大幅下降，直接妨碍其在言语发育过程中获得必要的言语信息，严重影响心智发育，给患儿今后的生活质量带来很大影响。因此，早期、准确而可靠地诊断中耳炎有着重大意义[2]。

中耳炎的临床表现主要为听力下降，轻微的耳痛、耳鸣，并伴随完整的鼓膜后中耳积液。对中耳炎的准确诊断有助于判断鼓膜异常，并可酌情给予抗生素治疗。临床上，诊断中耳炎的常用方法主要包括耳镜鼓膜检查、鼓室声导抗图测试和声反射谱梯度图测试。耳镜鼓膜检查即临床医生通过耳镜直接观察患者鼓膜，该方法主要依赖于医生的诊断技术和经验，由于婴幼儿外耳道较狭窄塌陷，鼓膜较成人厚且倾斜，进一步加大了诊断难度。鼓室声导抗图[1，3-4]为测定外耳道在压力变化影响下，鼓膜连同听骨链对探测音产生的顺应性变化，并以压力声顺函数曲线的形式记录下来。该方法需要病患在诊断过程中良好的配合，然而由于婴幼儿中耳炎缺乏主诉，诊断中常伴有反抗行为，严重影响检测的准确性。声反射谱梯度图作为常用诊断方法的一种补充，是通过检测鼓膜的声反射信号来判断是否有中耳积液，信号频率一般介于1.8～4.4 kHz。由于发射接收的低频声信号都通过外耳道中的空气来传输，如果在外耳道中存在耳屎、液体或者外部过大的噪声，如哭声或说话声，都将会对结果造成一定的影响。

高频超声波成像是一种安全准确的诊断方法，已在医疗界得到广泛的应用。近年来，有学者将超声诊断应用于中耳的检查中[5-6]。Discolo等[7]认为耳超声波检查可清楚地显示出中耳的情况，并能区分出中耳积液的性质。但实际上，这项诊断在临床上应用得并不多，因为探头如果与鼓膜接触会造成疼痛，得不到患儿的配合，而不与鼓膜接触又会影响探测结果。在此文中，我们提出了一种简易、无损伤且廉价的方法来诊断中耳炎。该方法通过一个很小的超声换能器来判断中耳中是否存在积液。通过分析鼓膜的反射回波，可获得准确的判断。用高频超声来诊断无需过多的患者配合，不会对患儿造成疼痛感与创伤性，且对于提高诊断灵敏度与特异性都有重要的研究意义。

1 高频超声检测仪的设计

1.1 原理

本文用来诊断中耳炎的超声换能器的工作原理类似于眼科超声生物测量系统。与常用的如鼓室声导抗图测试和声反射谱梯度图测试等方法相比较，超声换能器发射的超声波束需要通过一个水囊或水流柱作为中间传输介质，这样就在换能器和鼓膜之间形成超声波束的透射窗。中耳的结构为一密闭的含气腔，除一侧为鼓膜外，其余腔壁均为骨质，常规条件下，当超声波通过外耳道探测中耳时，气体的干扰使声波全部被反射，中耳腔结构无法探测[8]。如果中耳受到感染有了炎症，就会在鼓膜后存在一定量的液体。通过测量反射回波信号的幅值和波峰数来判断是否存在积液。当存在中耳积液时，由于液体对超声的能量吸收，鼓膜反射回来的峰值将会降低。当出现2个反射回波（鼓膜和中耳中间骨壁）时，说明中耳内充满积液；当出现1个反射回波，且幅值较高时（仅从鼓膜反射来），表明中耳内无积液。

1.2 结构

1.2.1 整体结构

用来诊断中耳炎的实验系统原理框图如图1所示，系统包括探头、超声发射接收电路、USB传输接口和上位机个人计算机（personal computer，PC）端。

超声发射电路中采用N&P双沟道高速MOSFET管，构成超声换能器驱动电路，可产生双极脉冲序列，电源电压±24 V；高速MOSFET管的导通延迟时间td（on）、上升时间tr、关断延迟时间td（off）和下降时间tf均小于20 ns，并达到一定的额定功率，确保发射频率达到10 MHz。超声接收电路中将选取低噪声放大器ad4899-1和可变增益放大器ad8331改良前置放大电路结构，使其频带达到10 MHz的要求，总增益在65 dB以上，可变增益范围达到40 dB。

图1 中耳炎诊断实验系统原理框图

为确保由模拟信号转换为数字信号过程中数据的精确性，一般要求数据的采样频率达到信号频率的8倍以上，从而抑制旁瓣，提高检测精度。设计中将采用最高120 MHz高速AD芯片并结合外围电路，准确获取10 MHz的超声回波信号。

利用现有PC的大容量存储器与强大数据处理能力，将中耳炎超声诊断图像通过USB接口在PC上进行实时传输与处理，不仅大大地方便了诊断过程，而且有利于数据的存储与诊断可靠性的提高；此平台一方面接收中耳炎超声诊断图像数据，另一方面将该数据实时传输至PC上。硬件电路部分采用Altera公司的FPGA芯片，USB驱动芯片采用Cypress公司的68013A，编程语言包括Verilog和C语言。

1.2.2 探头

在本实验中，换能器选用中心频率10 MHz、直径0.5 mm宽频带单阵元超声换能器，换能器与系统的电信号连接通过一条长约1 m的同轴电缆实现。超声换能器位于狭长水囊之中，当需要检测时，将水囊充满水后置于外耳道内。耳廓向后下轻拉，伸直耳道，使声束直射鼓膜。在检测过程中，换能器前端包裹水囊来接触鼓膜测量，以减轻人体不适感。探头外套计划采用软管式设计，使得探头能够自由进出人体外耳道，便于测量。

2 实验方法

在本实验系统中，超声换能器是重要的组成部分。为了达到较高的能量转换效率，超声发射电路需发射与换能器谐振频率一致的激励信号。因此，实验中首先对超声换能器进行了扫频跟踪，扫频范围为2～18 MHz。系统根据换能器的反馈电压得到了该换能器的频谱响应。

在参考了一些关于鼓膜厚度的文章[9-10]后，本文选取了厚度为25 μm的Mylar薄膜作为实验中对鼓膜的仿真。薄膜置于换能器前方，距离为3 cm。为了评估该换能器对中耳感染的敏感度，实验中在薄膜后放置一个水囊，水囊中充满水，测得该水囊层的反射回波。

3 结果与讨论

3.1 换能器的频率响应

换能器的频谱响应如图2所示。扫频范围为2～18MHz，中心频率为9.94MHz，6dB带宽约为6.65MHz，下限和上限分别为6.61和13.3 MHz。

图2 换能器的频谱响应

3.2 反射回波结果

对2种情况的反射回波进行比较，结果如图3所示，一种是25 μm厚的Mylar薄膜后面没有水囊，另一种是薄膜后面放置了一个水囊。其中，Mylar薄膜与换能器的距离为3 cm。单薄膜的结构类似于健康无感染的中耳，后置水囊的结构是对中耳有积液的仿真。图3（a）中第一个波为发射接收始波，第二个波为对单层Mylar膜的反射回波；图3（b）中第一个波为发射接收始波，后面2个明显的回波是对薄膜的反射回波。其中第一个反射回波是对前端Mylar膜的反射，第二个反射回波是对后置水囊的Mylar膜的反射，分别对应仿真鼓膜和中耳腔骨壁的反射回波。

图3 超声反射回波信号比较图

4 结论

用超声波来诊断各种疾病已在临床上得到了广泛的应用。超声诊断中耳疾病也同样基于回声的原理，即发射脉冲超声进入组织，然后接收各层组织界面的回声声像图。本文通过构建一个简易且有效的超声探头，提出了用超声波束和水囊来检测在中耳中是否存在积液的方法。由于换能器发射和接收超声波束都是通过水作为中间介质，对外界的噪声如哭声等不敏感，也不需要病患良好的配合，因此，在临床上用超声来诊断中耳炎，特别对婴幼儿患者是一种可行的方法。

在以后的实验中，我们将和相关医院进行合作，收集一定数量的患者进行定量的在体实验，来验证该超声诊断方法的可靠性与有效性。同时，对采集到的回波信号进行数据分析，结合临床诊断结果，根据回波幅值的不同来区分中耳积液的不同性质。此外，对探头的进一步改进和研发也可提高此项诊断的灵敏度和特异性，使该项操作更加简便、准确。

[1]Richard M，Rosen F，Culpepper L，et al.Otitis media with effusion[J]. Pediatrics，2004，113（5）：1 412-1 429.

[2]张亚梅.分泌性中耳炎临床诊疗进展[J].继续医学教育，2006，20（20）：56-59.

[3]Subcommittee on Management of Acute Otitis Media.Diagnosis and managementofacuteotitismedia[J].Pediatrics，2004，113（5）：1 451-1 465.

[4]Chianese J，Hoberman A，Paradise J L，et al.Spectral gradient acoustic reflectometry compared with tympanometry in diagnosing middle ear effusion in children aged 6 to 24 months[J].Arch Pediatr Adolesce Med，2007，161（9）：884-888.

[5]Takata G S，CHAN L S，Morphew T，et al.Evidence assessment of the accuracy of methods of diagnosing middle ear effusion in children with otitis meida with effusion[J].Pediatrics，2003，112：1 379-1387.

[6]Pichichero M E，Poole M D.Assessing diagnosis accuracy and tympanocentesis skills in the management of otitis media[J].Arch Pediatr Adolesc Med，2001，155：1 137-1 142.

[7]Discolo C M，Byrd M C，Bates T，et al.Ultrasonic detection of middle ear effusion：a preliminary study[J].Arch Otolayngol Head Neck Surg，2004，130：1 407-1 410.

[8]肖跃明，戴径捷，孟雅君，等.超声诊断中耳疾病的探头及临床应用研究[J].中国超声医学杂志，2000，16（7）：491-494.

[9]Gyo K，Wada H，Hato N.Middle ear mechanics in research and otology[C]//Proceedings of the 5th International Symposium on Middle Ear Mechanics in Research and Otology.Zurich，Switzerland：World Scientific Publishing Company，2007.

[10]Nakao M，Okusa T，Hatamura Y.Measurement of mechanical properties of eardrum middle ear exudates and inner ear membranes[J]. Sensors and Actuators，2000，83：76-79.

（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

国家科技支撑计划课题（2012BAI13B02）；中央级公益性科研院所基本科研业务专项资助课题（3332013136）

专 利:国家发明专利（ZL 201210107879.0）

周 盛（1982—），女，博士，助理研究员，主要从事医学超声工程方面的研究工作，E-mail:cindy_zs1222@126.com。

300192天津，中国医学科学院生物医学工程研究所（周 盛，王晓春，计建军，杨 军，王延群）

王延群，E-mail:wangyanqun-2008@163.com