基于回波幅值信号的医用超声探头性能快速检测系统的研制

杨林，胡海洋，陆阳

1.苏州大学附属第一医院 医学工程处，江苏 苏州 215006；2.东南大学 生物科学与医学工程学院，江苏 南京 210000

引言

医用超声成像系统作为一种重要的医学影像诊断技术，以实时成像、无创无辐射、方便快捷等特点，在消化科、妇产科、泌尿科等多个临床科室广泛应用，在助力临床疾病诊断和治疗中发挥着重要的作用[1-3]。探头是超声诊断仪的核心部件，其性能的优劣直接影响超声设备的成像效果，进而影响整个设备的工作性能。医用超声探头阵元属于损耗元器件，且超声设备在临床检查中使用频率高，受环境、操作规范性影响大，因此，超声探头的阵元存在功率衰减、失效等情况[4-6]。如何通过技术手段检测探头阵元的工作状态，并及时掌握探头性能是保障设备质量、确保诊断成效和医疗安全的重要工作。

幅值信号是反映探头阵元状态的关键指标，也是晶体发生故障时最关键的反应信号，因此，准确快速检测幅值信号是评价探头性能状态的有效方法。本文根据医用超声探头的工作原理和结构特点，结合临床使用情况，开发一套医用超声探头检测系统，以实现对超声探头性能的准确快速检测，为超声图像的质量保证及超声探头的性能评价提供参考[7-9]，同时可用于新产品验收、预防性维护、维修效果评判和报废评估等，对提升诊疗水平和医疗质量安全具有一定的实用价值[10-13]。

1 检测参数

医用超声探头是利用材料的压电效应实现电能、声能转换的换能器。探头中的关键部件是由晶片构成的一个个阵元，晶片是一个具有压电效应的单晶或多晶体薄片，其作用是将电能和声能互相转换。本研究系统主要是对图像暗道、彩色血流或多普勒灵敏度等与超声图像质量有直接关系的参数进行检测，包括幅值、中心频率、相对带宽、相对脉冲回波灵敏度等，其中，幅值信号是最能直观反映探头性能的信号，是快速、高效、可靠检测的首选信号。本文根据GB/T 18694-2002、YY/T 0938-2014 和GB 10152-2009 等相关指南定义系统地检测相关参数[14-19]。

1.1 信号幅值

探头阵元性能可直接在上位机接收信号的幅值上反映出来，通过对上位机接收到的幅度信号与标准值进行比较，得出探头阵元的工作状态，再根据接收到的信号幅值与标准数据得到被测阵元幅值与标准幅值的比例，并做出相应的判断。

1.2 信号中心频率、带宽、截止低频、截止高频

对上位机处理过的回波信号进行傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号显示出来，傅里叶转换如公式（1）～（2）所示。根据公式（1）～（2）可将时域的电信号转换为频域信号并对其进行分析，即将信号中的不同频率成分分离并表示出来。

式中，f(x)为周期函数；a0为周期函数在一个周期内的平均值；an、bn为傅里叶级数；nπ/L 为信号角频率；f(t)为非周期函数；F(ω)为频域；e-jωt为复指数函数；ω为角频率。

当信号由时域转化为频域时，可从设备的上位机界面清楚地显示，同时用户可根据频域信号对探头阵元进行分析，典型的频域图如图1所示。其中，中心频率表明一个电路的信号特性，即和该频率相近的信号是本系统所需要的，远离该频率的信号是需要滤除的。截止频率一般为-6 dB 的信号频率，因为当信号的幅值衰减到-6 dB 以下即原始信号幅值的二分之一时，一般认为信号是衰减无用的，所以-6 dB 所对应的频率为截止频率。截止频率又分为截止高频和截止低频，截止高频和截止低频之间的频率范围称为通频带，通频带与中心频率的比值即为带宽。从图1 可以看出，这是一个中心频率为3 MHz 左右、截止低频为1.4 MHz、截止高频为4.2 MHz 的探头阵元信号，信号带宽约为93%。医用超声探头根据检查部位的不同设置不同中心频率，再通过本系统所检测的信号频域信息与探头出厂的频域信息进行比对，进而判断探头阵元的实际性能状态。

图1 超声探头频域信号图

2 系统设计

现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）是一种可编程逻辑器件，具有用户现场可编程、集成度高、可靠性高等优点。本系统以FPGA 芯片作为仪器的主控制核心部件，利用内部脉冲信号激励的方式，通过切换仪器内部的信号通道激励超声探头的不同阵元。系统内置一个阵元电激励源，该激励源发射出激励电信号使被测探头阵元工作并产生回波信号。机器内部带有的小信号处理系统，将采集到的探头阵元信号经过处理后传输到上位机，由上位机汇总处理后与标准数据进行对比以分析探头的损耗程度。

2.1 检测系统构成：硬件部分

检测系统主机硬件部分共包含8 个模块：电源模块、FPGA 主控制模块、电激励信号生成模块、面板连接模块、信号通道切换模块、信号接收处理模块、信号显示模块、上下位机交互模块，主机系统框图如图2所示。

图2 主机系统框架图

各部件功能实现如下：① 选用Cyclone IV EP4CE[ ALINX 芯驿电子科技（上海）有限公司]，负责系统所有处理模块，包括通道切换、电激励生成、上下位机交互等的控制实现。② 电激励信号生成模块选用Microchip（美国微芯，美国）的HV7360 高压脉冲发射芯片，该系列芯片最高可支持产生35 MHz 的激励信号，且信号输出稳定，满足频域测试需要（图3）。③ 通道信号切换模块选用美信max148（Maxim 美信公司，美国）系列高压模拟开关芯片，通过高压模拟开关的方式实现对不同探头阵元的检测：首先由上位机对FPGA 芯片[易灵思（深圳）科技有限公司]发送命令；FPGA芯片在收到命令后为开关芯片内部寄存器配置相应的数字信号参数，进而打开相应的传输通道；电激励信号通过该通道对相应的探头阵元进行激励。④ 面板连接模块是系统与探头的接口，可根据系统模块配备ITT260 和QLC260 等常用接口，也可根据待测试探头规格型号选配相应接口或转接板，如ITT260、QLC260、DLP408 等。⑤ 上下位机交互模块主要包含USB 串口和电平转换电路，此部分电路的主要功能是实现上下位机之间的通信，使上位机根据下位机收集的信号进行数据处理，下位机根据上位机的命令执行相应的功能切换。⑥ 信号接收处理模块和显示模块的关键性能在所测信号的信噪比及显示的准确性上体现，信号接收处理部分（模数转换器模块）选用8 通道的模数转换芯片AD9288 [ 亚德诺半导体技术（上海）有限公司]，可将接收的模拟信号转换为数字信号进行处理。显示模块以 STM32MP157F Arm（ST 意法半导体，瑞士）作为处理芯片，显示屏幕选用B-LCD40-DSI1（ST 意法半导体，瑞士）的4 寸液晶屏实时显示所采集的信号。

图3 激励信号电路原理图

2.2 检测系统构成：软件部分

系统的软件部分与硬件部分相对应，系统数据处理流程如图4所示。系统界面设计选用美国国家仪器有限公司的Labview 软件进行编写，该软件是一种图形化语言，适合人机交互处理，其界面友好、数据直观、易于操作。界面包含了时域信号、频谱、探头损坏基元数、探头基元衰减幅度、理论建议等部分，以探头GE-12L为例，输出生成检测报告如图5所示。

图4 系统数据处理流程图

图5 检测结果报告输出

3 系统测试

为了检验本系统的快速检测功能及效果，本文分别选取几组不同使用年限及状态的探头进行检测，通过分析检测结果评估系统性能。选取的探头状态为全新、不同年限且存在故障，选测参数为信号幅值。

3.1 新探头幅值快速检测

选取3 把同一品牌型号（荷兰飞利浦L12-3 型浅表探头）同一批次的全新探头，使用本系统对3 把新探头进行检测，得出的数据汇总如图6所示。3 把全新探头的幅值范围为550～575 mV，整体误差小于0.5 dB，由此可得，3 把全新探头的幅值数据基本一致。数据中幅值最高的阵元与幅值最低的阵元之间相差大约25 mV，整体幅值误差小于4%。测试结果的幅值与阵元一致性符合产品出厂描述，有效验证了该系统的测试稳定性和测试一致性。

图6 3把全新探头输出幅值测试数据

3.2 不同使用年限探头检测

第2 组实验选取3 把探头：1 把是全新探头、1 把是使用1年的探头、1 把是使用3年的探头。使用本系统对3 把探头进行测试，汇总数据如图7所示。全新探头和使用1年的探头阵元整体幅值范围为550～590 mV，其中使用1年的探头相比全新探头幅值衰减0.6 dB左右，幅值几乎无衰减，探头的一致性也与全新探头误差小于3%。使用3年的探头出现部分阵元工作异常情况，其中有十多个阵元幅值信号衰减大于3 dB，还有十余个阵元幅值衰减大于6 dB，个别衰减大于10 dB。图8 为使用了3年的探头所成的超声图像，与图7所示的输出幅值结果基本一致。

图7 3把使用不同年限的探头检测输出幅值结果图

图8 使用了3年的探头所成超声图像

3.3 完好探头与故障探头比较

实验选择1 把新探头与1 把待修探头进行测试对比，检测本机能否准确判断探头故障，测试数据汇总如图9所示，完好新探头的幅值集中在585 mV 左右，幅值误差小于0.5 dB，一致性较高。故障探头中三十多个阵元幅值衰减大于10 dB，可以判定为损坏；十多个阵元衰减大于3 dB，可以判定为幅值偏弱。从图10 故障探头所成的超声图像中可知，幅值衰减和阵元损坏的位置与测试数据结果基本一一对应。

图9 完好新探头与故障探头输出幅值测试结果图

图10 故障探头所成超声图像

4 讨论与结论

医用超声诊断设备以其无创、无辐射、方便快捷等成像特点被广泛应用于临床疾病的诊疗中，而探头作为超声诊断设备的关键部件，其性能的好坏将直接影响成像质量，进而影响诊疗救治成效。如何快速、准确地检测超声探头的性能状态已经成为临床工程师进行医用超声诊断设备质量控制、维修维护等工作的首要任务。传统及市面上常见的超声探头检测系统主要以图像质量本身作为检测对象，一方面容易受到检测人员个体因素的影响，另一方面需要在探头连接主机时进行检测，既需要有主机且要求主机工作正常。贾龙洋等[20]设计的检测系统运用了频域分析和可视化技术，并基于超声脉冲回波测试方法，使用示波器和个人计算机进行数据的收集和读取。该系统主要部件基于已有的成熟设备搭建，成本较高，集成度较低。张辉等[21]设计的基于FPGA 的超声环形探头性能检测系统主要以中心频率、带宽及回波灵敏度为主要检测参数，不能全面准确地反映探头状态。

本系统以FPGA 作为主控制芯片，具有高集成、低成本、可自动检测等特点。系统选取回波信号幅值作为判断标准，通过自主发出激励信号提高检测效率，简化了检测操作流程，且操作简便，便于临床工程师在多种环境及实际条件下进行探头性能的快速评估。该检测系统可及早发现在超声图像质量上不易被察觉的探头晶体的微小故障点，一方面减少了对主机的依赖（部分维修机构不备有全部型号超声设备以备探头检测维修所用），另一方面也可有效防止因设备主机原因造成的故障误判，再者也可减少人为因素对检测结果的干扰。同时，本系统具有将超声时域信号转换为频域信号的功能，可将灵敏度、带宽等参数进行数字化、图形化呈现，进一步提升了性能评估的准确性。

目前，为了达到简单快速的目标，本系统主要选择最能反映探头性能状态的幅值信号作为检测参数，可以直观反映晶体阵元的完好程度和性能指标。接下来，可以根据需要增加检测参数如中心频率、高低端截止频率、相对带宽、相对脉冲回波灵敏度等的全面精细化分析，实现多参数的快速准确检测[22-23]。同时，由于系统仍处于使用初级阶段，实验的样本量相对较少，没有经过大量的各异样本验证，所以系统需要对更多不同品牌、型号、使用状态的探头进行更多的实验，以验证其性能的稳定性和准确性。未来的研究可通过进一步拓展探头功能，提高其安全性、有效性及鲁棒性，再结合超声图像质量检测评价结果，对超声探头性能检测进行综合评价，为超声性能全面综合评价提供重要的数据支撑。

综上所述，本文通过对探头阵元幅值信号进行检测，并与所成超声图像进行对比，准确地反映了探头阵元的故障部位、损耗程度及数量，达到了检测故障的目的，可有效指导探头性能状态评估及协助故障维修，具有很高的实用和推广价值。