一种面向超声胶囊内窥镜的成像装置

魏识广，胡　丽,，王杏颖，邱维宝

1) 桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西壮族自治区桂林541004；2) 中国科学院深圳先进技术研究院，广东深圳518055



一种面向超声胶囊内窥镜的成像装置

魏识广1，胡丽1,2，王杏颖2，邱维宝2

1) 桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西壮族自治区桂林541004；2) 中国科学院深圳先进技术研究院，广东深圳518055

摘要：针对现有胶囊内窥镜不能检测深层次组织病变信息的缺点，设计了一种面向超声胶囊内窥镜的单振元超声扫描成像装置．该装置通过往复运动的微型电机带动单阵元超声换能器进行扫描成像，超声成像由外部控制电路和个人计算机上位机组成，胶囊内窥镜扫描装置由外壳、微型扇型转动电机和单振元超声换能器组成．利用单振元超声扫描成像装置可完成扇扫的胶囊内窥镜装置的组装和超声成像系统设计，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，有应用于超声胶囊超声器件中的潜力．

关键词：胶囊内窥镜；超声成像；单振元；现场可编程逻辑门阵列；扇形扫描 ；希尔伯特变换

胶囊内窥镜是一种用来检查人体消化道的医疗仪器设备，形状大小与胶囊类似.传统内窥镜是从口腔进入体内，操作性强，但会给患者带来极大不适感,有些患者因接受不了这种痛苦而拒绝检查[1].胶囊内窥镜体积像普通胶囊大小，患者可将其吞入，肠胃检查后又可从体内排出，这样消除了传统内窥镜插入操作带来的痛苦.现有的胶囊内窥镜检查具有无创伤、无痛苦及无交叉感染的优点[2]，将生物医学、信息通讯、图像处理和光电工程等多学科技术集为一体，是一种新型的无线检测系统.主要用于诊断小肠肿瘤、克罗恩病和不明原因消化道出血等疾病.近年，随着技术的不断发展进步，出现了可用来检查结肠和食管的胶囊内窥镜，进一步扩大了胶囊内窥镜的使用范围.其原理是基于普通光学成像技术，但只能观察肠道内部表面的病变情况，深层次的组织信息难以被探测到[3].管壁壁厚等信息也无法通过胶囊内镜获得.超声成像可以获得表面以下深层次的组织信息，进而获得更多有价值的组织信息[4].本研究提出一种面向超声胶囊内窥镜的单振元超声扫描成像装置的方案，该装置利用微型电机带动超声换能器旋转扫描的超声成像，可显著降低超声成像系统的复杂度和成本.同时，基于单振元成像，可降低超声功耗，延长胶囊工作时间，节约成本[5].

1装置设计

本研究设计的成像装置由3部分组成：胶囊内窥镜扫描装置、超声成像控制电路和个人计算机(personal computer，PC)上位机显示.

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外壳、微型扇型旋转电机和单振元超声换能器组装而成.其外壳如图1.

图1　胶囊内窥镜外壳Fig.1　(Color online) Enclosure of capsule endoscopy

胶囊外壳体积小且薄，可采用3D打印技术进行外壳加工，成本低且精确度高.由于超声信号穿过外壳会有衰减[6]，所以成像窗口采用声透性强的材料，尽量减小信号的衰减.组装过程如图2，微型电机的直径为7 mm,机身长度为10 mm，该微型电机在正负电压下来回旋转一个角度.超声换能器的直径和长度均为4 mm，固定在微型电机的轴上.内窥镜直径为16 mm，长度为25 mm.微型电机带动探头旋转，实现旋转的扇型扫描成像.超声换能器和微型扇扫电机的线从引线口出来与外面的控制电路相连.

图2　胶囊内窥镜组装示意图Fig.2　(Color online) Capsule endoscopy assembly diagram

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、现场可编程逻辑门阵列 (field programmable gate array, FPGA)控制处理模块和PC上位机显示模块组成，如图3.

图3　超声成像控制电路框图Fig.3　Ultrasonic imaging control circuit diagram

1.2.1超声激励发射模块

发送高压脉冲给超声换能器，且该脉冲的频率与超声换能器本身的固有频率一致，超声换能器将接收到的高压脉冲转化成高能量脉冲的超声波[7].高压脉冲产生模块产生正负高压脉冲，本设计应用金属-氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)集成TC6320芯片产生正负高压脉冲.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.由高速FPGA芯片控制脉冲频率和脉冲的发送时间.由于FPGA端口的输出电压幅度较小(≤5 V)[8]，不能直接驱动TC6320芯片，所以在FPGA芯片与TC6320芯片之间增加1个MOSFET驱动器MD1822.

1.2.2回波接收模块

超声波发射后，将经过声阻抗不同的物体界面[9]，从而有不同的反射波回到超声换能器，超声换能器将其转换成电信号发送给系统，称之为回波信号.超声换能器输出的回波信号很微弱，有些高频换能器产生的回波信号幅度仅为几毫伏[10]，需要经过多级低噪声放大器和低通滤波器处理，通过模数转换(analog-to-digital conversion, ADC)将采样量化，并将回波信号转化成数字信号[11].本设计采用了两级放大，其中，1级为低噪声放大，选用信噪比(signal to noise ratio, SNR)较好的SMA231放大器；2级为增益的放大，选用THS4509放大器.放大后的信号经过低通滤波器，进行ADC采样前的抗混叠处理.本设计中的模数转换器芯片ADS58C48(Texas Instruments公司生产)的最大采样频率为2×108次/s，转换精度达11 bit.最后，将ADC采样后的数字信号传送到FPGA中进行中后期的数字信号处理[12].

1.2.3FPGA控制处理模块

该控制处理模块是系统处理和控制的核心，采用Altera公司Cyclone Ⅴ系列的5CGXFC7D7F31C8N芯片，负责USB 3.0的通信控制、数字信号处理和提取回波信号、发射脉冲的频率和时间控制和ADC取样控制等.为更好地满足高速传输和处理高频率超声波信号，FPGA的工作时钟设置为160 MHz,保证系统的可靠性和实时成像[13].

图4为基于FPGA的数字处理流程图，经ADC后的回波数据经过带通滤波器处理，滤除信号的干扰噪声.希尔伯特变换和Cordic算法实现回波信号包络提取，这种方法提取结果准确且快速，超声图像的效果受检波方法性能的影响很大.希尔伯特变换的原理是将输入信号分成两个幅度和频率分量保持不变的输出信号，一个是输入的原始信号，另一个是原始信号经90°相移后的信号，原始输入信号的包络就是组成这两个信号的复数的模[14].数字扫描变化把直角坐标系转换成极坐标系[15].数字扫描后的回波信号经对数压缩后的动态范围固定，避免不同组织成像时产生错误数据.处理后的数据通过USB 3.0传送给PC上位机处理并实时显示[16].

图4　FPGA数字处理流程图Fig.4　The FPGA digital processing flow chart

1.3PC上位机显示

前端回波数据的存储和实时显示二维的超声成像图像在PC上位机上进行.采用Visual Studio 2010设计该上位机的软件系统.经过处理的回波数据由USB 3.0传输到上位机，由上位机软件进行再处理.USB 3.0传输协议可向后兼容USB 2.0[17]. USB 3.0是采用全新的全双工通信方式，传输速度最高可达到5.0 Gbit/s，传输数据较USB 2.0更快、更稳定[18].

2系统成像结果

图5为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，由图5可计算出换能器的中心频率约为35 MHz[19].

图5　回波信号的时域和频域特性图Fig.5　Time domain and frequency domain characteristics of echo signal

超声换能器的谐振频率约为37 MHz，反谐振频率约为91 MHz，灵敏度约为-0.2 dB，在谐振频率处，阻抗约为11.7 Ω.

实验成像对象为直径12 μm的钨丝仿体，该钨丝仿体是将钨丝穿过两块均匀间距的塑料板，相邻钨丝间水平距离是1.0 mm，竖直距离是0.5 mm，离探头最近的钨丝与探头相隔6.0 mm.由于超声成像需要液体耦合剂，为尽量减小耦合剂对器件的腐蚀，采用超纯水做的耦合剂，胶囊内窥镜探头和成像窗口间充满超纯水.

图6　数字扫描变换之前的成像Fig.6　Imaging figure before DSC

图7　数字扫描变换之后的成像Fig.7　Imaging figure after DSC

将钨丝仿体放入装满超纯水的水槽中，胶囊内窥镜靠近探头的一端垂直插入水槽中，靠近钨丝仿体固定.微型电机在控制电路的驱动下带动超声换能器来回旋转一个角度，实现扇扫成像.数字扫描变换(digital scan converter, DSC)之前和之后的图像如图6和图7.由图6可知，焦点位置在深度8 mm(即与探头的距离)附近，此处的钨丝仿体成像最明亮，背景无明显的噪声.每幅图采集300条线，每条线采集1 024个点.本设计采用旋转的超声成像，得到极坐标下的回波信号，因此，要进行数字扫描变换将直角坐标转换成极坐标.数字扫描变换后成像的起始半径为6 mm，约为探头到胶囊壁的距离.

结语

本研究设计了一种面向超声胶囊内窥镜的单振元超声扫描成像装置，阐述了基于扇扫结构的胶囊内窥镜扫描装置的组装和单振元超声成像控制电路系统的设计及验证方案.采用聚焦且是单振元的超声换能器节约了成本.超声换能器的中心频率是35 MHz.成像效果好.通过钨丝仿体的成像实验，证明了该系统的成像性能和聚焦效果稳定.本设计对解决现有胶囊内窥镜仅能检测组织表面的病变信息的缺点，及后期胶囊内窥镜检测组织壁各层次的病变信息，具有实际的指导意义.

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【中文责编：晨兮；英文责编：艾琳】

An imaging device towards ultrasonic capsule endoscopy

Wei Shiguang1, Hu Li1,2, Wang Xingying2, and Qiu Weibao2†

1) School of Life and Environmental Sciences, Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004, Guangxi Zhuang Autonomous Region, P.R.China 2) Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055,Guangdong Province, P.R.China

Abstract：We present a single element ultrasonic transducer based imaging device designed for capsule endoscopy. This device consists of a mechanical scanning capsule module, an imaging circuit and a processing microcomputer. The mechanical scanning module includes a shell, a motor with sector rotation and a single element transducer. The packaging of the capsule device, the design of the ultrasonic imaging circuit and the construction of test platform are achieved. Lastly, wire phantom images are displayed on the computer screen. The results prove that this device can provide clear ultrasound images and have potential applications in the capsule endoscopy.

Key words：capsule endoscopy; ultrasonic imaging; single element transducer; field programmable gate array (FPGA); sector scanning; Hilbert transform

基金项目：广东省自然科学基金资助项目(2014A030313686)；深圳国际合作资助项目(GJHZ20140417113430615)

作者简介：魏识广(1980—)，男，桂林电子科技大学教授、博士. 研究方向：生物信息学. E-mail:weishig@mails.ucas.ac.cn

中图分类号：R 318.6

文献标志码：A

doi：10.3724/SP.J.1249.2016.03259

【光电工程 / Optoelectronic Engineering】

Received：2015-12-23；Accepted：2016-03-07

Foundation：Natural Science Foundation of Guangdong Province (2014A030313686); Shenzhen International Collaboration Grant (GJHZ20140417113430615)

† Corresponding author：Associate professor Qiu Weibao. E-mail:wb.qiu@siat.ac.cn

Citation：Wei Shiguang, Hu Li, Wang Xingying,et al. An imaging device towards ultrasonic capsule endoscopy[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2016, 33(3): 259-263.(in Chinese)

引文：魏识广，胡丽，王杏颖，等. 一种面向超声胶囊内窥镜的成像装置[J]. 深圳大学学报理工版，2016，33(3)：259-263.