血管內超聲成像系統的旋轉控制裝置優化設計研究

【作 者】韓韜

陜西國防工業職業技術學院 機械工程學院，西安市，710300

0 引言

心血管疾病是一個常見而嚴重的疾病，在我國伴隨著經濟化、城鎮化和老齡化發展，每年至少有2.8億人患有心血管疾病，最常見的有心臟病、高血壓和冠心病，已成為我國公共衛生問題。中國每年約350萬人死于各類心血管疾病，占總死亡原因之首，平均每十秒鐘就死一個患者。由于心血管疾病現狀越來越嚴峻，心血管疾病的診療變得更加重要[1]。超聲醫學診斷發展的初期階段，有很多專家和學者對腔內超聲有很多相關研究，而屬于腔內超聲的血管內超聲（intravascular ultrasound,IVUS）成像技術已成為醫學超聲成像中專門應用于檢測心血管疾病的一種特殊成像技術，該技術用于臨床已有十幾年的時間，它在冠狀動脈介入治療中起非常重要的作用，對預防、診斷和治療心血管疾病具有重大意義[2]。

20世紀80年代，血管內超聲成像成為迅速發展起來的一種新的介入式超聲成像技術，是目前用于臨床檢測可實時提供患者冠狀動脈血管橫截面圖像的檢查手段。

目前國際上已有幾家主要的血管內超聲成像系統設備供應商，但整體設備的價格非常昂貴，目前應用較多的是美國Boston Scientific和Volcano公司的血管內超聲成像系統，國內只有國外公司的代理商，所以該項技術處于被壟斷的狀態，在核心技術和臨床試驗階段都未取得實質性突破，急需要產品國產化的研究和發展。

1 血管內超聲成像技術

超聲波的頻率一般在1 MHz～30 MHz不同，超聲波通過阻抗不一樣的界面時，會產生類似于光的反射、透射、散射現象。醫學上通過檢測人體器官不同深度的組織對超聲的回波信號的幅值特征來判斷組織的健康情況。超聲成像技術就是利用超聲換能器可發出超聲波的原理在人體組織聲學性質和超聲的物理特性的差異，可借用成像、波形和曲線顯示和記錄經過人體反射的信號，從而對疾病進行診斷[3]。

血管內超聲（IVUS）成像技術具有創斷層特點，成像系統導管傳動軸末端裝有超聲換能器即超聲探頭，探頭在導管進行360o旋轉，旋轉的同時高頻超聲從探頭被發出，系統另一端連接到控制與成像裝置，完成血管橫截面的數據，最終獲得血管壁的圓周圖像。

在國際上超聲醫學上常用的血管內超聲成像系統是美國Boston Scientific和Volcano公司的系統，一個特殊的含導管式超聲探頭即含超聲換能器的導管、旋轉控制裝置、超聲激勵與接收裝置和控制與成像裝置，此系統已被臨床用來進行診斷[4]。

2 旋轉控制裝置優化設計

2.1 基本功能

血管內超聲成像系統主要由超聲激勵與接收裝置、控制與成像裝置、旋轉控制裝置和含超聲換能器的導管組成，旋轉控制裝置是系統不可缺少的關鍵組成部分。他們之間的關系如圖1所示，結構連接順序如下：該超聲激勵與接收裝置和該控制與成像裝置相連，旋轉控制裝置連接含超聲換能器的導管和該超聲激勵與接收裝置。旋轉控制裝置的傳動軸的另一端通過SMA接頭連接含超聲換能器的導管，滑環通過連接接頭與超聲激勵與接收裝置相連，線纜與超聲換能器相連。

圖1 血管內超聲成像系統組成Fig.1 Composition of intravascular ultrasound imaging system

旋轉控制裝置的主要功能是進行血管內信號傳遞和超聲換能器的角度檢測，最終輔助整個系統獲取到清晰、準確的血管壁圖像。裝置通過帶有超聲換能器的導管旋轉，帶動超聲導管從血管內按照固定速度緩慢地水平移動回撤，從而一段一段地采集到血管壁的信號，并將超聲回波信號向后傳輸，最終由控制與成像裝置進行顯示。

2.2 優化設計方案

圖2中所展示的為旋轉控制裝置的產品結構示意圖，從左到右共有接有超聲換能器的導管、傳動軸、傳動裝置、角度檢測裝置、支座、電機、滑環和底座，將角度檢測裝置和電機合理安裝在支座上，導管、傳動軸、傳動裝置、支座、電機、滑環合理裝配在底座中。

圖2 旋轉控制裝置結構示意圖Fig.2 Structure diagram of rotary control device

筆者研究的旋轉控制裝置在中科院先進技術研究院醫工所醫療影像中心完成設計，已成功申請發明專利，隨著技術的改進，目前所優化設計的旋轉控制裝置為自動回撤旋轉控制裝置，現將部分結構進行優化設計了第二代裝置，如圖3所示。

圖3 旋轉控制裝置內部結構Fig.3 Internal structure of rotary control device

（1）角度檢測裝置優化設計

圖2中裝置所使用的角度檢測裝置為高精度增量式光電編碼器，比起第一代選擇的絕對式編碼器，工藝簡單，可以實現小型化，能夠精確檢測旋轉裝置的角度信息，利用FPGA芯片進行角度實時檢測通過信號處理實現實時的位置和速度反饋。角度檢測的優化參數如表1所示，在低成本國產化的基礎上，編碼器分辨率高，適合測量前端超聲探頭旋轉的角度。

表1 角度檢測裝置優化對比Tab.1 Optimization comparison of angle detection device

（2）動力源裝置優化設計

如圖2所示，裝置的動力源由直流無刷電機提供，傳動裝置二為一對同步帶輪，電機主要產生驅動轉矩，帶動傳動裝置二旋轉，傳動裝置二旋轉帶動中的傳動裝置為一對同步帶輪，傳動裝置一旋轉帶動角度檢測裝置旋轉測出角度位移，同時傳動軸帶動接超聲換能器的導管旋轉，從而可以完成360o環形切面成像。裝置內部結構中還使用了大功率步進電機作為底部導軌平臺的動力源。

（3）傳動裝置優化設計

裝置的傳動裝置如圖2所示，傳動裝置一和傳動裝置二利用同步帶傳動，傳動軸連接整體，傳動平穩，能吸震，噪聲小，傳動速比范圍大，安裝精度較高。裝置優化設計中底座下方設計了自動回撤平臺，如圖4所示。平臺由齒輪齒條機構、導軌和大功率步進電機組成，通過功率步進電機帶動整個旋轉控制裝置向前或向后移動，從而使裝有超聲換能器的導管根據醫療檢測需要進行移動探測。裝置優化后的傳動性能參數，如表2所示。在傳動效率高的基礎下實現自動回撤，傳動穩定、精度較高。

圖4 底部自動回撤平臺結構Fig.4 Structural drawing of bottom automatic withdrawal platform

表2 傳動性能優化對比Tab.2 Comparison of transmission performance optimization

（4）旋轉電氣接口裝置設計

旋轉控制裝置的最右端的滑環就是該裝置的旋轉電氣接口，主要通過該裝置將回波旋轉電信號轉變為回波固定電信號傳遞給后端的硬件電路處理。

旋轉控制裝置的所有器件全部使用國產零部件，完全實現了國產化，整個裝置的所有組成部分和加工部分均選用國內性價比較高的材料，相比國外的血管內超聲成像設備，筆者設計的旋轉控制裝置成本較低。

3 旋轉控制裝置的硬件系統

3.1 系統電路板

血管內超聲成像系統所用的硬件控制電路板為Altera公司的Cyclone系列的40F484C8型號的FPGA芯片，用來控制旋轉控制裝置的編碼器，并發射經過該裝置的超聲激勵信號，該芯片具有低成本、低功耗和高性能的優點，通過外接的FPGA芯片能快速地對編碼器進行轉向和計數的控制并得到有效數據[5]。

3.2 光電編碼器控制系統

將旋轉控制裝置放到底部自動回撤平臺上，底部自動回撤平臺使用直流12 V電源，光電編碼器使用直流5 V電源，數據輸出使用杜邦線接到FPGA電路板上。如圖5所示編碼器輸出3組方波脈沖A、B、Z三相，由于增量式光電編碼器分辨率為1 000即旋轉一圈能發出1 000個脈沖。如圖5所示通過Z相輸出0到999，將電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。通過硬件描述語言統計脈沖個數來測定位置和角度，最終得到血管內超聲成像系統前端的超聲探頭的旋轉角度，有利于血管橫截面的成像。通過測試，輸出脈沖波形圖毛刺很小，抗干擾能力強，可靠性高，測量精度準，能夠實現角度檢測和位置反饋[6]。使用FPGA芯片實現對旋轉控制裝置的光電編碼器輸出信號進行數據采集，在實現小型化、集成化的同時能夠對相應的數據進行處理，提高了數據處理的效率。

圖5 光電編碼器計數圖Fig.5 Counting diagram of photoelectric encoder

4 實驗研究和分析

本實驗與中科院先進技術研究院醫工所醫療影像中心合作完成，借助醫療影像中心的超聲成像裝置、實驗環境及相關設備和材料進行旋轉控制裝置的驗證實驗。

利用血管內超聲成像平臺進行仿真實驗，平臺需要準備一段介入式超聲導管、微型超聲換能器、旋轉控制裝置、二維超聲移動平臺、FPGA開發板、血管仿體（類似血管的生物組織）、水槽、信號線、SMA接頭、直流電源、示波器和電腦[7]，搭建完整的血管內超聲成像平臺。

實驗準備時，將機械旋轉控制裝置放在自動回撤裝置上，裝置左端通過滑環引出信號線連接到FPGA開發板的相應端口。裝置右端通過SMA接頭連接到介入式超聲導管，導管的最前端連接微型探頭伸入血管仿體內部，由于超聲傳遞過程中在水中的損失最小，故將血管仿體放在水槽當中，沒過血管仿體加入適量的水。

實驗時，首先通過外部直流電源為機械旋轉控制裝置的角度檢測裝置即編碼器輸入5 V電壓，為無刷電機輸入12 V電壓，為二維超聲移動平臺通220 V交流電，同時為FPGA開發板上電，通過超聲激勵模塊發射脈沖，經過機械旋轉控制裝置傳遞到前端的超聲換能器發射出超聲，裝置內部通過電機旋轉帶動導管和探頭旋轉，同時二維超聲移動平臺水平方向向后回撤，通過回撤掃描完整段血管仿體，最后利用FPGA開發板將探頭接受的回波信號進行處理之后，在控制器的屏幕上顯示最終采集圖像，如圖6所示，該圖形為測試的血管仿體的血管壁橫截面圖像，通過分析能夠獲得血管斑塊等有用信息[8]。通過實驗驗證充分表明了旋轉控制裝置的科學性、可行性。

圖6 實驗采集的血管壁橫截面圖像Fig.6 Cross sectional image of blood vessel wall

5 總結

旋轉控制裝置是近年來興起的關鍵醫療檢測技術——血管內超聲成像系統的一個關鍵設備，筆者對該裝置的結構進行不斷地優化，通過模擬實驗驗證了旋轉控制裝置的可行性和有效性。它實現了旋轉信號到固定信號的信號傳遞，通過角度檢測裝置進行位置檢測，將超聲換能器所檢測到的血管內信息充分展現出來，筆者研究的基于血管內超聲成像系統的旋轉控制裝置已經成功申請專利，裝置所有組成部分均為國內生產制造，這為血管內超聲成像系統的國產化提供一定技術參考和支持，為血管內超聲成像技術的發展提供一定的積累，目前整個研究正處于發展和鞏固階段，基于血管內超聲成像系統的旋轉控制裝置的功能、結構、特點以及外觀將不斷進行升級優化。