2.辽宁省认证审评院 辽宁沈阳 110036
摘要:针对普通图像胶囊内窥镜无法检测深部组织病变信息的不足，设计了一种单振动超声扫描成像胶囊内镜。该装置通过往复微电机驱动单阵超声换能器进行扫描成像。超声波成像由外部控制电路和上位机组成。胶囊内窥镜扫描装置由壳体、微型旋转电机和单振动超声换能器组成。利用单振动超声扫描成像装置，可完成扇扫胶囊内窥镜装置的装配和超声成像系统的设计，并可搭建实验平台，在上位机上显示成像效果。结果表明，该装置成像清晰，具有潜在的应用前景。
关键词:超声；胶囊；内镜
中图分类号:R318.6 文献标志码:A
引言：胶囊内窥镜是一种在大小和形状上类似于胶囊的医疗设备，用于检查人体的消化道。传统的内窥镜从口腔进入人体，操作方便，但给患者带来极大的不适。有些病人拒绝检查，因为他们无法接受疼痛。胶囊内窥镜是一种普通胶囊大小的内窥镜，可被患者吞食，经胃肠道检查后取出体外，消除了传统内窥镜插入带来的疼痛。现有的胶囊内镜具有无创伤、无疼痛、无交叉感染等优点。它融合了生物医学、信息通信、图像处理、光电工程等多学科技术，是一种新型的无线检测系统。
1.装置设计
本研究设计的成像装置由胶囊内窥镜扫描装置、超声成像控制电路和PC上位机显示三部分组成。
1.1胶囊内窥镜扫描装置结构设计
基于扇扫结构的胶囊内窥镜扫描装置由壳体、微型旋转电机和单振动超声换能器组成。
胶囊壳小而薄，可采用3D打印技术加工，成本低，精度高。由于超声信号经过壳体后会衰减，因此成像窗采用了具有较强声渗透性的材料，使信号衰减最小。微型电机直径为7mm，机身长度为10mm。微电机在正负电压作用下旋转一个角度。超声波换能器直径和长度为4mm，固定在微型电机的轴上。内窥镜的直径和长度分别为16mm和25mm。微型电机驱动探头旋转，实现旋转风扇扫描成像。超声波换能器和微型风机扫频电机的导线从引线口伸出，与外部控制电路连接。
1.2超声成像控制电路设计
超声成像控制电路主要由超声激励发射模块、超声回波接收处理模块、现场可编程门阵列(FPGA)控制处理模块和PC上位机显示模块组成。
1.2.1超声激励发射模块
将高压脉冲发送到超声换能器，脉冲的频率与超声换能器本身的固有频率相一致。超声换能器将接收到的高压脉冲转换成高能脉冲的超声波。高压正负压脉冲产生模块，设计应用金属氧化物半导体场效应晶体管(metal - oxide - semiconductor - field - effect晶体管，MOSFET)集成TC6320芯片产生正负压脉冲。TC6320芯片的正、负击穿电压分别为±200 V，本设计产生的高压脉冲为±50 V，满足设计参数要求。脉冲频率和传输时间由高速FPGA芯片控制。由于FPGA端口输出电压范围小(≤5v)，无法直接驱动TC6320芯片，因此在FPGA芯片和TC6320芯片之间增加了一个MOSFET驱动芯片MD1822。
1.2.2回波接收模块
超声波发射后，通过不同声阻抗的物体界面，使不同的反射波返回到超声波换能器，换能器将其转换成电信号，并将其发送到系统中，称为回波信号。回波信号的输出通过超声换能器是非常微弱的,和一些高频换能器所产生的回波信号幅度只有几毫伏,需要由多级处理低噪声放大器和低通滤波器,通过数模转换(ADC)量化,并转换为数字信号。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆本设计采用两级放大，第一级为低噪声放大，选用信噪比较好的SMA231放大器。第二阶段为增益放大，采用THS4509放大器。放大后的信号经过低通滤波器处理，在ADC采样前进行抗混叠处理。本设计的ADS58C48(德州仪器制造)最大采样频率为2×108次/秒，转换精度为11位。最后，将ADC采样的数字信号传输到FPGA进行中后期数字信号处理。
1.2.3 FPGA控制处理模块
控制处理模块是系统的核心处理和控制,采用Altera公司CycloneⅤ系列芯片,负责通信控制、数字信号处理和提取回波信号,发射脉冲的频率和ADC采样控制和时间控制等。为了更好地满足高频超声信号高速传输和处理要求，FPGA的工作时钟设置为160Mhz，以保证系统的可靠性和实时成像。
利用带通滤波器处理ADC后的回波数据，滤除信号的干扰噪声。希尔伯特变换和Cordic算法实现了回波信号的包络提取，准确、快速，检测方法的性能对超声图像的效果影响很大。希尔伯特变换的原理是将输入信号分解为振幅和频率分量不变的两个输出信号。一个是原始输入信号，另一个是90°相移后的信号。原始输入信号的包络线是构成两个信号复数的模块。数字扫描变换将直角坐标转换为极坐标。数字扫描后的回波信号通过对数压缩后的动态范围固定，避免了不同组织成像时产生的错误数据。处理后的数据通过USB 3.0传输到PC进行处理和实时显示。
1.3 PC上位机显示
前端回波数据存储和实时显示二维超声成像图像在PC机上。利用Visual Studio2010设计了上位机软件系统。处理后的回波数据通过USB 3.0传输到上位机，再由上位机软件进行处理。
2.系统成像结果
单振元超声换能器产生的回波信号经过多级放大后的时域和频域特性，回波信号中没有明显干扰信号，换能器的中心频率约为35 MHz。
实验成像对象为直径为12微米的钨丝模拟体。钨丝仿体是将钨丝通过两个间距均匀的塑料板。相邻钨丝水平距离为1.0 mm，垂直距离为0.5 mm，离探头最近的钨丝为6.0 mm。由于超声成像需要液体偶联剂，为了使偶联剂对设备的腐蚀降到最低，采用超纯水作为偶联剂。在胶囊内窥镜探头与成像窗口之间充入超纯水。
将钨丝仿体放入装满超纯水的水箱中。将探头附近的胶囊内窥镜端部垂直插入水箱内，并将钨丝模拟体固定在其附近。微电机在控制电路的驱动下，驱动超声换能器前后旋转角度，实现扇扫成像。在数字扫描转换器(digital scan converter, DSC)中，聚焦位置接近深度8mm(即距离探头的距离)，其中钨复制图像最亮，背景无明显噪声。每个图采集300条线，每条线采集1024个点。本设计采用旋转超声成像技术获取极坐标系下的回波信号。因此，将直角坐标转换为极坐标需要进行数字扫描变换。数字扫描变换后的初始成像半径为6mm，约为探头到胶囊壁的距离。
3.结语
本文设计了一种用于超声胶囊内窥镜的单振动超声扫描成像装置。介绍了基于风扇扫描结构的胶囊内窥镜扫描装置的装配以及单振动超声成像控制电路系统的设计与验证方案。采用聚焦单元件超声换能器可以节约成本。超声波换能器的中心频率为35MHz。成像效果良好。通过钨丝复制体成像实验，验证了该系统的成像性能和聚焦效果。本设计对解决现有胶囊内窥镜只能检测组织表面病变信息的不足具有实际指导意义，后一种胶囊内窥镜可以检测组织壁各层病变信息。
参考文献：
[1]陈加林,郭明森,邢晓红.基于超声电机的食道胶囊内窥镜光扫描机构[J].振动.测试与诊断,2018,38(04):744-750+872.
[3]王皆宸,邢晓红,蒋建,韩宇航.基于超声电机的胶囊内窥镜调焦机构研究[J].科技视界,2018(12):93-94.
论文作者:李贵阳1, 陈福军2
论文发表刊物:《健康世界》2019年第07期
论文发表时间:2019/7/31
标签：超声论文; 内窥镜论文; 胶囊论文; 回波论文; 信号论文; 钨丝论文; 换能器论文; 《健康世界》2019年第07期论文;