基于运动补偿的机械扫描式高频超声成像技术

谢旭，王宁浩，黄文昌，吕加兵，韩志乐，顾磊，简小华

(1.河海大学机电工程学院，江苏常州 213022；2.中国科学技术大学生物医学工程学院（苏州），生命科学与医学部，江苏苏州 215000；3.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所医用声学技术研究室，江苏苏州 215163)

0 引 言

超声成像作为一种无损、无辐射、实时性好、检测价格低的医学成像技术，广泛用于获取体内结构和功能信息[1]。高频超声成像[2-3]因其比常规超声图像分辨率更高，能够清晰地显示组织图像和精细结构，广泛应用于临床眼科、皮肤[4]、心血管等领域[5-6]。在皮肤成像方面[7-8]，高频超声用于精确测量皮肤各层厚度、病变范围以及腔内检查、浅表小血管[9]血流多普勒扫描等。

此外，其潜在应用包括对肿瘤分期和边界定义，探索炎症性皮肤病，研究皮肤老化和伤口愈合等。实验用小动物无损检查主要是对小动物进行高频超声成像实验[10-11]，比如对白鼠和兔子的胚胎、心脏[12]等的观察为肿瘤学、发育生物学、心血管学提供研究意义。眼前节显微检查[13-14]，包括诊察和治疗青光眼、眼外伤、前节肿瘤和囊肿、角膜病以及人工晶体评价等。基于血管内成像是一种新型介入式超声成像技术，用以实时提供患者冠状动脉血管横截面图像的检查手段，当前血管内超声(Intra‐verous Ultrasound,IVUS)成像技术在不影响临床经皮冠状动脉成形术手术过程与疗效的前提下，能够有效提供脉壁微结构灰度图像。高频血流成像方面多采用多普勒技术来评估微血管内流量，使用高频超声能够克服传统多普勒系统空间分辨率不足和灵敏度不高的缺点，除了改善多普勒信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)，更容易检测较慢的血流。Fer‐rara等[15]用频率为38 MHz的脉冲多普勒系统观察兔子晶状体内直径为100 μm 的血管，其血流速度降低至0.2 mm·s-1。超声内窥成像是在体内腔道进行超声检查成像，通过安装在介入导管前段的微型高频超声探头，插入支气管、食道、胃肠等进行实时扫描成像，相对于传统胃肠镜只是对胃肠道“照镜子”，超声内窥成像可以观察到胃壁的五层结构，肿瘤生长层次、浸润深度以及常规检验设备难以观察肠道附近的胰腺、胆囊、胆管病变等。

然而，多阵元高频超声换能器的制作工艺难度较大，其频率很难做到20 MHz以上，另外阵列式高频超声成像系统价格昂贵，多为国外公司垄断，如加拿大Visual Sonics 开发的Vevo 3100 超声成像平台，图像分辨率最高可达30 μm，但售价高达300～500万元人民币，S-Sharp公司针对实验小动物所开发的高频、高分辨率Prospect小动物超声影像系统，同样售价不菲。多通道高频超声成像系统结构复杂，受制于收发、模数(Analog Digital,A/D)采样等核心芯片技术的制约，导致高频超声系统开发受限。

此外，目前市场上的高频超声成像系统一般具有128甚至更多的通道，但是不提供开放接口和原始数据，无法兼容不同厂商的探头。通常为了使用某个专用超声系统，就必须购置与其匹配的超声探头，而高性能的超声探头的价格也极高，例如飞利浦xMatrix 探头的售价高达百万元人民币，易造成资源浪费。在科研级高频成像系统研究方面，Stitt等[16]设计了16通道模拟波束合成器的高频超声成像系统，用于配合频率30 MHz线性阵列换能器使用，但是该系统设计复杂，同时帧率相对较低。Lu等[17]研制了一种用于研究有限衍射波束的高帧率系统。该系统具有128 个独立通道，频率为40 MHz 发射能力和12 位A/D 转换接收能力，但是该系统无法进行实时波束形成，必须在数据采集后进行离线处理。可见，目前多通道的高频超声成像系统在研发方面仍存在诸多挑战。

与多通道高频超声成像系统相比，基于单阵元换能器的机械扫描式成像方法为高频超声成像提供合适且紧凑的解决方案[18-19]。传统的机械扫描方式主要包括机械扇形扫描和机械旋转式扫描[20-21]。扇形扫描成像技术适合检查心脏，扫查声束经肋骨间的窄细小窗进入胸腔内后，扫查声束呈扇形对心脏进行大范围扫查，避免了用线性扫查时声束经肋骨产生强反射而难以到达心脏的缺点。机械旋转式多用于血管内超声成像，一般采用内置频率为20～40 MHz 高频微型超声探头[22]，在冠状动脉及周围动脉血管内成像[23]，获得动脉管壁的环式B 超图像[24]。但现有机械扫描系统的共性问题是机械扫描的非线性[25]及定位依靠编码器等，无法监测反馈，导致机械扫描定位精度差，图像存在失真。

为了克服这一问题，国内外学者尝试了多种方法。例如，Zhang 等[1]设计了手持式单阵元高频超声皮肤成像系统，通过光学传感器检测行走距离并提供超声波换能器位移，传感器可以直接精确地跟踪位置，但光学传感器检测到的位移是用分辨率表示的，必须经过转化为实际距离值，然后才能正确地形成B模式图像。此外，其他的方法，比如Choi等[18]设计了一种基于镜扫描的单阵元超声成像系统，该系统中声学镜通过扫描仪内的线圈与镜中磁体之间的电磁力快速控制，声波束在镜面扫描后倾斜，达到阵列超声换能器的效果。这种扫描仪尺寸小，结构简单，但是回波信号经折射后损耗较大，成像分辨率不高，仍需解决扫描镜的非线性和扫描图形的补偿问题[26]。而He 等[27]则采用管状压电驱动器驱动前视高频单阵元换能器进行成像的方案，能够进行B扫描和C扫描成像，但是该结构提供的定位需要提高定位精度，同时成像效率较低。

为了实现高频超声换能器短距离高速往复移动，在扫描过程中同步输出高精度位置信息，并用于触发成像，本文研发了一种高精度运动补偿的机械扫描式高频超声成像系统。该系统理论计算分析了扫描位置规律、对运动系统结构进行设计加工、扫描成像系统并通过实验验证优化的方法，最终实现了系统的高精度扫描成像。

1 机械结构

1.1 机械结构设计

本系统设计目的是通过机械结构运动实现高频换能器的直线往复移动，在扫描范围内对检测物直线往复扫描，期望达到传统超声线型阵列换能器的成像效果。工业上根据应用场景，把电机的旋转运动转化为直线运动[28]，常用的方法有气动、液压、齿轮齿条、同步带、丝杠传动等等。根据不同应用需求，如行程、精度、直线推力、机械效率、安装、维护等，上述将旋转运动转化为直线运动的方式得到了广泛的应用，但也存在很多缺点。

在方案设计阶段，我们选择齿轮齿条和连杆传动两种方案。齿轮齿条将旋转运动转化为直线运动[29]，根据机械加工的水平，可以达到较高精度，由于齿条可以拼接，行程没有限制，通过齿的啮合，可以得到很大的推力。这种方案的结构简单，安装方便[30]，且齿轮齿条的直线往复运动是匀速可控的。但实现往复运动需要步进电机不断地正反转切换，而步进电机的正反切换需要更多的相应时间，因而影响实时成像的时效性。齿啮合存在反向间隙，振动大，会造成超声成像存在严重伪影，同时齿轮齿条机加工精度的一致性难以保证，运行速度较低。连杆机构是由若干(两个以上)有确定相对运动的构件用低副(转动副或移动副)联接而成的机构。低副是面接触，耐磨损，加上转动副和移动副的接触表面是圆柱面和平面，制造简便，制造精度较高[31]。这种方式步进电机旋转为整周运动，能够实现换能器连贯的直线往复移动，不需要步进电机来回正反转，与齿轮齿条机构相比，连杆机构实时成像的帧率得到了提高，但其缺点是曲柄连杆机构存在急回特性[32]。

因此，本文选择连杆传动方案，将高频超声成像的实时性，高分辨率作为主要考量因素。连杆机构的运动是非线性的，易造成高频超声系统错误成像，但通过本文提出的运动补偿方法[33]，可以实现正确成像。

高频超声探头机械结构中包含的零部件主要是同级传动齿轮，齿轮轴，轴承(NSK 681X-H-ZZ)，轴套，卡簧，滑块导轨组(THK RSR3M)，曲柄，连杆，弹簧，支撑座，阵元座，电机固定板，连接板，连接柱，滑轨固定板，等组成。该结构的设计图如图1所示。

图1 高频超声探头机械扫描模块结构设计图Fig.1 Design drawing of the mechanical scanning structure of high frequency ultrasonic probe

1.2 机构运动分析

连杆机构运动的实质是对心曲柄滑块结构[34]，曲柄R绕A点做匀速旋转，通过连杆L带动滑块C在固定导轨内直线往复运动，对心曲柄滑块结构示意图如图2所示。

图2 对心曲柄滑块结构示意图Fig.2 Structural diagram of centering crank slider

设滑块C的运动距离为0～2R，根据对心曲柄滑块结构的运动分析，通过计算可以得到曲柄R转动任意角度时滑块C的运行距离S：

式中：S为滑块运行距离；R为曲柄长度；L为连杆长度；α为曲柄与AC之间的夹角；β为连杆与AC之间的夹角，Lsinβ=Rsinα(假设=λ)。因此可得：

将sin2α=(1-cos 2α)代入式(2)，得到：

所以，得到滑块运行距离S：

由式(4)可以计算出曲柄转动的角度与滑块位移距离之间的关系。曲柄的转动是由步进电机转动轴经同级齿轮传递的，因此曲柄转动的角度与步进电机转动轴同步，步进电机的步距角是1.8°，由步进电机驱动板传输给步进电机一个脉冲，曲柄转动1.8°，因此，曲柄转动一圈，驱动板需要传输200个脉冲，滑块位移为2R，高频换能器的有效扫描行程也就是2R。本文中，曲柄R与连杆L长度相等，得到λ=1，将λ代入式(4)，得到文中曲柄转动角度与滑块位移距离的关系式：

运用Matlab 软件仿真模拟式(5)，得到滑块理论运动曲线，如图3所示。由图3可见，该曲线整体上是对称的，在0～18°滑块缓慢移动，在36°～108°加速运动，126°～162°逐渐减速，162°～180°处于停滞状态，180°～360°的运动状态与0°～180°的运动状态则是相反的。

图3 步进电机转动角度与换能器位移理论关系Fig.3 Theoretical relationship between rotation angle of stepping motor and displacement of transducer

通过光电传感器对滑块位移点进行采样，滑块一次直线往复运动的采样数为100次，即步进电机每转动3.6°采集一次位置数据。将采集数据通过Matlab 软件生成曲线图，该曲线以角度为横坐标，间隔为45°，位移为纵坐标，滑块实际位移曲线如图4所示。

图4 步进电机转动角度与换能器位移实际关系Fig.4 Actual relationship between rotation angle of stepping motor and displacement of transducer

滑块实际位移曲线与理论运动曲线保持相对一致。实际运动曲线中，在72°与284°附近存在非平滑点。综合考虑是由于滑块运动到导轨中心处的螺纹孔造成卡顿而产生的。滑动导轨组(THK RSR3M)总长度为30 mm，是目前市面上最小机械尺寸的滑动导轨组之一，在机械加工中精度很难完全保证，因此会造成不可避免的实际应用偏差。滑动导轨组及螺纹孔如图5所示。

图5 滑动导轨组及螺纹孔Fig.5 Sliding guide rail set and threaded hole

综上，通过将滑块理论计算运动曲线与实际采样点曲线相结合，形成运动补偿曲线，将其应用到高频超声成像算法中[2]，可以实现单阵元高频超声系统机械扫描的高精度运动补偿，以此达到机械扫描式高频超声的正确成像，同时提高图像质量。超声成像算法[35]加入运动补偿后，成像系统能够进行实时超声波束形成，采集的RF信号不需要离线处理，即可完成实时成像。

2 实验系统

高精度运动补偿的机械扫描式高频超声成像系统由连杆机构、步进电机(SUMTOR 20HS2806A4)、旋转编码器(Omron E6A2 CWZ3E)、步进电机驱动板(DRV884EVM)、电源、计算机、Vantage超声研究平台(Verasonics公司,USA)等组成，系统组成如图6 所示。工作时，首先通过计算机DRV8884 EVM V1.0控制界面设置每秒脉冲数控制步进电机驱动板，为了提高成像分辨率和电机定位精度，减弱电机低频时的振动，降低机械结构在共振区工作的概率[36]，设置细分1/8。驱动板将脉冲信号传输给步进电机，每秒发射100个脉冲信号，即步进电机转一圈需要2 s。步进电机的转动轴为通轴，一端连接传动齿轮，驱动连杆机构，另一端通过联轴器连接旋转编码器，步进电机转动角度与编码器相同，编码器分辨率为每转发射100个脉冲和500个脉冲，分别记为编码器100 P/R 和编码器500 P/R。传动齿轮将步进电机的传动角度传递至曲柄轴，带动曲柄做相应的转动，连杆终端与滑块导轨组相连接，换能器通过阵元座与滑块相连接，并沿着导轨直线往复运动，导轨总长为30 mm，除去滑块长度11 mm 以及固定边界等情况，有效行程为14 mm。步进电机运转时，每转一圈，编码器产生100个脉冲或500 个脉冲激励信号，发送至Vantage，Van‐tage将同等线数的短脉冲信号发送至换能器，换能器产生扫描超声波探测目标物，将产生的回波信号由换能器接收至Vantage，经系统图像算法生成超声图像。

图6 成像系统组成示意图Fig.6 Schematic diagram of imaging system composition

图6中，为了提高成像的轴向分辨率，采用频率为20 MHz 的铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-PT)换能器[37-39]，探测距离为20 mm，主要参数如表1所示，测试回波的时域信号及频谱如图7所示。

表1 换能器特性参数Table 1 Characteristics parameters of the transducer

图7 频率为20 MHz 换能器接收的脉冲回波时域信号及其频谱图Fig.7 Time domain signal and its spectrum of the pulse echo received by the 20 MHz transducer

3 结果与结论

首先对直径为10 μm，间距为6 mm 的两根钨丝体模进行扫描成像，验证经运动补偿后探头的成像精度。钨丝体模如图8所示。

图8 钨丝体模Fig.8 Tungsten wire phantom

钨丝体膜的成像对比如图9 所示。图9(a)共出现四个白色亮点，现实中正确图像应该为两个亮点。这是因为换能器对钨丝是往复扫描的，其运动轨迹从起始点至终点再回到起始点，此段有效行程内所形成的图像是前进段位移与回程段位移扫描所成的拼接图像。图9(b)则是经过运动补偿后的扫描图像，经测量两个靶点之间的距离是6.1 mm，计算可得横向位置精度误差为1.67%。扫描成像钨丝的直径为10 μm，只有人体头发直径的1/10，但图中能清晰辨别钨丝的位置，可见成像精度较高。

图9 机械扫描运动补偿前后的钨丝成像Fig.9 Tungsten wire images before and after mechanical scanning motion compensation

进一步利用系统对仿体进行扫描成像。仿体由聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol,PVA)和氧化铝经热水搅拌融化放入模具后冷藏制成。PVA是一种安全的高分子有机物，具有良好的生物相容性，其水性凝胶在眼科、伤口敷料[40]和人工关节方面有广泛应用。用PVA制成仿体的声学性能参数更接近人体组织，其超声成像图可以为探头优化提供合理化的参考。氧化铝不溶于水，但吸水性很强，有较强的吸附能力与催化活性，可以作为强散射子[41]。实验室制作的仿体如图10所示。

图10 仿体实物图Fig.10 Photo of the actual imitation object

重点对图10 所示仿体的两个纵向为圆孔进行扫描成像，上孔面积约为7 mm2，下孔面积约12.56 mm2，两个圆孔的边界尺寸为3 mm，仿体成像对比如图11所示。

图11 机械扫描运动补偿前后的仿体成像Fig.11 Imitation object images before and after mechanical scanning motion compensation

图11(a)为扫描的初始图像，探头的扫描方式从图10所示a点至b点再回到a点，图11(a)中间的阴影拉长线对应运动曲线的顶点位置。仿体的初始成像图与线靶存在差异，部分位置有明显的压缩痕迹，这对应实际运动曲线中的非平滑点。在成像算法中，加入运动补偿，得到图11(b)所示的扫描图像。图11(b)正确显示了仿体图像，能明显区分出上下孔的面积差异。

最后使用分辨率分别为每转发射100个脉冲和每转发射500个脉冲的编码器进行实验。两款编码器的成像对比如图12所示。

图12 编码器100 P/R与编码器500 P/R成像对比Fig.12 Comparison of imaging results between the encoder 100 P/R and the encoder 500 P/R

使用100 P/R 编码器时，步进电机的参数设置为每秒发射800 个脉冲，细分为1/8，扫描成像的速度较快，但是图像的分辨率较差。图12(b)是使用500 P/R编码器后系统的扫描图像，图12(b)图的成像质量明显高于图12(a)，此时步进电机设置为每秒发射200个脉冲，细分为1/16，高频换能器16 s往复扫描1次。通过测量，使用两款编码器后系统的成像结果如表2所示。

表2 编码器100 P/R与编码器500 P/R的成像参数对比Table 2 Comparison of imaging parameters between the encoder 100 P/R and the encoder 500 P/R

由表2 可见使用500 P/R 编码器后，高频超声成像图的横向位置精度误差降低了0.33 个百分点，纵向位置精度误差降低了5.34 个百分点，平均面积测量误差降低了4.4 个百分点。针对不同编码器，成像系统的成像速度不同，根据使用场景来决定不同编码器的选用。

4 结 论

本文利用滑块运动的实际采样曲线对滑块运动理论曲线进行修正以提高扫描精度。进行运动补偿时，首先通过理论计算和光学检测的方法分别获取运动的理论曲线和实际运动曲线。然后，将运动曲线应用到高频超声成像算法当中：针对理论曲线中生成的超声图像出现拉伸或者压缩的迹象/区域，结合实际运动曲线如曲线的上升段和下降段进行运动位置的修正。在曲线最高处的直线段由于进入稳定阶段，理论和实际曲线相近，可以采用理论曲线，有助于消除超声图像中的伪影，提高超声成像质量。

线靶成像实验中，线靶的扫描成像图能精确显示直径为10 μm的钨丝。仿体成像实验中，经测量和计算，高频超声成像探头的横向几何位置精度误差为1.34%，纵向几何位置精度误差为1.33%，面积测量精度为3.15%。根据国标对频率＞9 MHz 超声诊断设备的横向(纵向)几何位置精度要求是≤5%，本文高频超声探头在编码器500 P/R的支持下能够达到临床使用要求。同时，该成像探头结构简单，经济性好，可以减少系统对高端芯片的依赖，在高分辨率生物医学和工业无损检测领域具有广阔的应用前景。

在后续的实验计划采用更高频率的如频率为30 MHz和50 MHz换能器进行扫描成像，并采用不同的成像系统。目前的试验受限于Vantage系统80 MHz 的采样率。此外，仿体实验后，针对皮肤浅表组织进行成像实验，并检测盲区、探测深度、横向(纵向)分辨率、横向(纵向)几何位置精度等技术参数。未来希望对高频超声成像系统进行整合，使成像系统更加完善，通过增强发射强度和接收灵敏度的方法，提高高频超声成像的质量。