基于模块化的超声生物显微镜设计

高 旋，齐 珊，王晓春，杨 军，周 盛*

（1.天津迈达医学科技股份有限公司，天津 300384；2.中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所，天津 300192）

0 引言

超声生物显微镜是一种利用频率在50～100 MHz的高频超声作为探测源，作用于人体浅表器官，将反射的超声信号转换成电信号再经放大滤波后数字化处理，形成二维灰阶图像的设备。超声生物显微镜具有高分辨力、实时、非侵入、定量分析、不依赖介质透明度等优点[1-2]。在临床上，超声生物显微镜已被广泛应用于眼前节、皮肤等浅表器官的临床诊断[3-12]。

市场上现有的超声生物显微镜存在一些不足之处，例如体积较大，且使用的探头扫描方式多为线性扫描，导致探头笨重，多需要机械臂支撑，同时存在携带不便、显示终端单一、使用场地受限、图像查看便利性差等问题。基于以上问题与不足，本文设计一种基于模块化的超声生物显微镜。

1 超声生物显微镜设计

基于模块化的超声生物显微镜整体设计为采集模块和上位机模块2 个部分。采集模块包括扫描探头模块、主机模块、电源适配器模块。上位机模块可配置为个人计算机、平板计算机和手机等，并可外接脚踏开关作为辅助控制。

模块间各自独立又相互兼容，便于信息交互又能独立开发改进。其中主机模块、扫描探头模块、上位机模块各自为一个整体部件。主机模块用于提供超声发射、电动机驱动、增益调节、后级放大、USB 通信等功能，扫描探头模块实现前置放大、电动机传动、前端超声探测等功能，上位机模块实现人机交互功能。超声生物显微镜组成框图如图1 所示。

图1 基于模块化的超声生物显微镜组成框图

1.1 采集模块设计

1.1.1 扫描探头模块设计

扫描探头模块为自行设计，采用小角度扇形扫描方案，包含超声换能器、前置放大电路、电动机传动装置3 个部分。按照当前材料加工水平，超声换能器横向分辨力为十几微米的数量级时，无法实现传统B 超的阵列超声扫描，只能采用单阵元机械扇形或线性扫描方案。线性扫描时声束入射角最小，此时回波损失也最小，但也导致在现有稳定传动工艺状态下观察较大扫描范围需要扫描探头体积较大。小角度扇形扫描方案既可以适当放大视野，又不会造成大角度扇形扫描时声束入射角过大而损失回波，同时可以减小扫描探头体积，在视野放大与回波利用上实现一种平衡。扫描探头模块扫描角度设计为22°，最大入射角为11°。小角度扫描还有利于维持扫描探头模块高频率扫描，提高图像帧频，利于超声生物显微镜图像实时显示。

超声生物显微镜的设计分辨力高达50 μm，因此采用高频特性好的高分子复合材料制作的单阵元超声换能器，中心工作频率50 MHz。超声换能器在高精度的电动机传动装置配合下作机械扇形扫描运动，完成超声稳步输出。

因信号放大电路通常设计在主机内，而超声生物显微镜信号微弱、工作频率高，故将前置放大电路置于扫描探头模块内并采用可变增益放大设计，其最大增益可达55 dB。这样的设计方案可减小回波信号在扫描探头模块线缆中的传输损失，避免耦合较多外界高频干扰，减少信号损失，提升信噪比。在超声生物显微镜调节至最大增益时，可将信噪比提升至99 dB。

电动机传动装置由高精度步进电动机驱动，经伞齿带动超声换能器摆动。步进电动机采用细分频设计，课实现超声换能器位移高精度控制，保证传动装置稳定性，提升超声生物显微镜横向分辨力。

1.1.2 主机模块设计

主机模块由现场可编程门阵列（field programmable gate array，FPGA）控制单元、超声发射电路、电动机驱动电路、增益调节电路、后级放大电路和USB通信接口组成。主机模块负责与上位机模块、扫描探头模块之间的通信及时序控制，因此，高频超声扫描、图像数据采集与传输对主机模块的运行效率提出较高要求。采用FPGA 控制单元并合理配置其外围资源，为提升超声生物显微镜运行效率提供了有效支撑。

FPGA 控制单元芯片为Cyclone Ⅳ系列中的EP4CE22F17-C8N 高性能芯片[13]，其有22 320 个逻辑单元、594 KiB 存储器总容量、66 个18×18 乘法器、153 个I/O 接口，可满足采集模块控制各单元的需要。FPGA 控制单元外置静态随机存取存储器（static random-access memory，SRAM）、只读存储器（readonly memory，ROM）、模数转换器（analog to digital converter，ADC）、数模转换器（digital to analog converter，DAC）等。其中SRAM 为FPGA 芯片与USB 芯片通信提供缓存空间；ADC 将后级放大回波信号转换成数字信号，再输入FPGA 芯片进行数据处理；DAC 为扫描探头模块的前置放大电路提供增益调节。FPGA控制单元可产生超声前置发射脉冲信号、步进电动机控制信号。超声前置发射脉冲信号输入超声发射电路中形成高压脉冲激励，经超声换能器产生超声波；步进电动机控制信号经电动机芯片驱动步进电动机。整个过程中FPGA 芯片负责总体信息协调，同步超声生物显微镜各模块各单元协同运作，为图像实时显示和用户实时操作提供有效支撑。

超声发射电路和电动机驱动电路采用集成电路芯片并由FPGA 控制单元编程控制，为超声换能器提供可靠的超声发射和稳定传动控制，提升采集模块协调性和工作效率。超声发射电路高压部分采用德国RECOM Power 公司防短路设计的高压芯片，以防止高压短路造成的芯片损毁，提升电路稳定性，有效降低维护成本。电动机驱动电路使用高细分两相混合式步进电动机驱动芯片THB6128，出色的细分频设定和电流设定可为步进电动机提供稳定的驱动力。

增益调节电路由DAC 及外围器件组成。FPGA控制单元通过USB 通信接口接收上位机模块设置的增益数据，并将数据输入DAC，产生增益调节信号，为扫描探头模块的前置放大电路提供时间增益补偿，用户可实时调节上位机模块增益，以获取最佳质量图像。

后级放大电路由双运放构成，接收扫描探头模块的前置放大电路的输出信号，将回波信号进一步放大、调整到2～3 V 范围，以适应ADC 2 V 基准电压。

USB 通信接口采用符合行业标准的高速数据传输芯片CY7C68013A-56 作为核心芯片，其最高通信传输速率为48 Mbit/s，具有通用可编程接口，可连接并行接口。其PA1、PA0管脚可监控USB 芯片在上传状态（10、11）还是下载状态（00、01），区分并行接口PD0～PD7 通道在下载上位机模块地址数据（00）还是命令数据（01），或在上传地址数据（10）还是命令数据（11）。其并行接口PB0～PB7 引脚连接SRAM 图像数据上传通道，在USB 芯片上传状态时为上位机模块提供图像数据。采集模块可通过USB通信接口连接到上位机模块。

1.1.3 电源适配器模块选配

电源适配器模块采用经过中国、欧盟、美国医疗器械产品认证产品，为超声生物显微镜提供稳定、可靠、抗干扰能力强的电源输入。

1.2 上位机模块设计

上位机模块运行上位机应用程序，用于实现人机交互，可控制超声生物显微镜采集模块进行数据传输，在上位机模块显示图像并可实现图像处理。超声生物显微镜在临床应用中有多应用场景需求，医疗影像设备也越来越依赖图像显示终端多样化。本设计实现了上位机模块终端多样化，运行平台也涉及到Windows 和Android 2 种。上位机应用程序的运行平台可选择个人计算机、平板计算机或手机等，多样化的运行平台可有效拓展超声生物显微镜主机模块连接终端。运行于Android 平台的上位机应用程序由Java 语言编写，软件开发平台为Eclipse（V4.5）。运行于Windows 平台的上位机应用程序基于MFC 平台开发，软件开发工具为Microsoft Visual Studio 2015。2 个运行平台的上位机应用程序基础数据处理模块相同，客户端分别开发。由于扩展了不同的运行平台，图像可同步到更多的应用终端，如运行Windows 系统的工控板或运行Android 系统的视频电视等，这使超声生物显微镜应用场景更灵活，医生使用更便利。上位机应用程序软件功能结构图如图2 所示。

图2 上位机应用程序软件功能结构图

超声生物显微镜检查界面具有一键启动或冻结扫描功能，并配置采集功能，用来实时存储目标图像到图片缓存区，供后续打印或电子病例存储。缓存图像可右键另存到指定路径或标记为打印选定状态，也可以保存为单幅DICOM 格式图像并上传至影像存储与传输系统（picture archiving and communication system，PACS），便于用户导出图片，加强后期处理便捷性。

软件的操作流程亦符合常规操作，便捷直接，医生操作方便，可快速实现临床图像采集需要，提升工作效率。软件流程图如图3 所示。

图3 超声生物显微镜软件流程图

2 超声生物显微镜验证

2.1 分辨力性能测试

使用直径10 μm、平行间距50 μm（经读数显微镜校正）且固定在有机玻璃靶块的靶线进行分辨力性能测试。将平行靶线2 条线水平放置，淹没至盛满水的水槽中，靶线到水面距离至少1 cm，启动超声生物显微镜与靶线方向垂直扫描，且靶线要置于超声换能器焦点（超声换能器焦距为9 mm）区域位置。得到侧向分辨力的靶线图像如图4（a）所示，2 条靶线高亮且中间有断开，证明超声生物显微镜侧向分辨力能达到50 μm。

图4 超声生物显微镜分辨力测试实验图

将平行靶线2 条线垂直方向放置，得到轴向分辨力的靶线图像如图4（b）所示，2 条靶线高亮且中间有断开，证明超声生物显微镜轴向分辨力能够达到50 μm。

2.2 临床性能测试

使用本超声生物显微镜对正常人的眼睛和皮肤进行图像扫描，采集的正常眼睛图像如图5（a）所示，可清晰观察到正常眼睛的角膜、前房、巩膜、后房、睫状体等。其中眼睛的角膜、巩膜显示高回波信息，虹膜、睫状体、晶状体前囊显示中高回波信息，前后房区域则呈现低回波信息。采集的皮肤图像如图5（b）所示，可清晰观察到正常皮肤的表皮、真皮、浅表的皮下组织等。其中皮肤表皮层显示高回波信息，真皮层显示中高回波信息，皮下组织则呈现低回波信息，一些纤维组织呈高回波信息。

图5 超声生物显微镜采集图像

2.3 应用模式

超声生物显微镜整机如图6 所示，个人计算机装载上位机应用程序，通过USB 线连接主机模块得到USB 通信数据，控制主机模块和扫描探头模块完成超声生物显微镜图像扫描，并可在扫描过程中采集存储超声生物显微镜图像，供用户作临床诊断或打印形成纸质病例报告。个人计算机与主机模块、扫描探头模块相互独立，拔插USB 线即可相互脱离或连接，方便医生携带个人计算机至会议室、教研室场地展开专家交流、线下教学等活动。超声生物显微镜整体也方便携带和移动，便于带至手术室场景下完成手术辅助诊断，亦可在超声科室、眼科或皮肤科等临床科室间流动使用，提高设备使用率，降低医院设备投入成本。

图6 超声生物显微镜整机实物图

2.4 便携性分析

市场上现有常见的超声生物显微镜探头直径达到60 mm、长度250 mm，质量达到1 kg，需用机械臂配合使用；主机体积通常为350 mm×300 mm×50 mm（长×宽×高），质量达4 kg；主机与探头需装入体积1 200 mm×600 mm×600 mm（长×宽×高）台车中，整机体积大，探头笨重、操控不灵活。有些超声生物显微镜探头体积进行了缩小改进，但为拓展功能，常与20 MHz 和10 MHz 等探头共用一个主机，50 MHz 探头往往降至辅助检测地位，不仅增加了整机连线让使用者不敢轻易拔插与变换场地，而且功能的增加反而使设备被使用科室作为常规图像检测设备使用，如超声室，固定在特定场地由专人负责操作，只对特定疾病进行诊断，限制了超声生物显微镜功能的开发与多场景应用模式的拓展。

本文设计的超声生物显微镜扫描探头模块直径28 mm、长度160 mm，质量0.3 kg，不使用机械臂作为辅助控制，比市面上常见探头体积和质量都小了1/2 以上，手持方便，操作灵活；主机模块体积为250 mm×160 mm×36 mm（长×宽×高），质量1.2 kg，比市面上常见主机体积和质量都小了1/3 以上；整机皆可放入一个便携式计算机包携带，方便移动，适应多场景应用环境；单探头设计使超声生物显微镜的功能设计简洁化，便于多场景应用。

3 结语

本文设计的超声生物显微镜分辨力、图像质量等都达到较高水平，方便医生获取患者微小病变信息，满足临床高频超声诊断需要；整机结构紧凑，扫描探头模块小巧，不辅用机械臂，主机模块、扫描探头模块、电源适配器模块与上位机模块间相互独立，拆卸简单，便于携带转移，拓宽了应用场景；采集界面简洁，减小了用户对便携式计算机的熟悉和操作时间，提高了患者诊断效率。总之，超声生物显微镜模块化方案简洁、系统性能优越、小巧便携、便于医生灵活使用，能有效满足临床多场景高清图像采集需要。

随着光学相干成像等技术在眼科领域中的应用和发展[14]，临床对眼科检测设备微米级别分辨力的要求不断提升，同时对超声生物显微镜实时图像采集性能也提出要求。在超声领域，超声生物显微镜单阵元超声与阵列超声相比，图像帧频采集速度明显较低，视频流畅度还有待提升。因此，提升超声生物显微镜分辨力和图像帧频是未来研究的方向，可通过提高扫描探头摆动速度或实现扫描探头超声换能器往复过程中皆能采集图像以提高帧频。亦可通过提升扫描探头运动稳定性、微调整扫描路径，改善超声入射眼球角度，从而细分超声换能器扫描步进，改善超声生物显微镜分辨力。