手持式无线膀胱测容系统的设计与实现

庞 超，王晓春，周 盛，计建军*

（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

膀胱容积测量能反映人体当前膀胱内可储存的最大尿量，常应用在泌尿科。对于一些不能自主排尿、对尿量无感知、尿潴留的患者，为避免尿量无法正常排出导致的严重后果，实时测量其膀胱内尿液容量具有重要的参考价值[1]。对于膀胱肿瘤、膀胱出口梗阻等患者，其术后效果的评估也依赖于膀胱尿量的测量[2-3]。

膀胱容积测量的方法有很多，包括导管导尿测量，CT扫描重建、超声测量容积等，而超声成像技术具有无创、低辐射、操作便捷等优势。自20世纪60年代起，超声成像技术就开始应用于膀胱测容中，该方法大多基于B超图像和经验公式求得膀胱容积[4]。如通过普通A超判断膀胱充盈度，也可以根据单幅二维B超图像勾勒膀胱边界，根据膀胱面积拟球体估算膀胱容积，但这些方法的误差都较大。自20世纪90年代起，三维超声膀胱测容技术逐渐应用于临床泌尿科。即在二维B超图像的基础上，采用可旋转的电动机，在电动机旋转的同时进行扫描，以获得每个角度下膀胱截面积的B超图像，进而拟合成膀胱三维体并计算其体积[4]。

目前，膀胱容积测量设备的临床应用较为普遍，如美国Verathon公司的BVI 9400用于前列腺癌术后膀胱充盈度评估[5]，韩国Mcube公司的Biocon-700用于测量残余尿量。各设备测量结果表明其准确度较好，可减少导管感染的风险[6]。膀胱容积测量设备普遍采用三维扫描探头，换能器中心频率大多为2.5 MHz，也有 3.7 和 1.74 MHz，测量精度多为 15%[5，7-8]。外观一般是台式主机，通过线缆连接探头，操作不够便捷[9]；也有手持式膀胱测容仪器，但其功能单一，不具备无线传输及数据管理功能[10]。

随着科技的进步，无线超声探头具有使用便捷、方便携带的优点，可应用于掌上超声、超声骨密度探头和超声多普勒等领域[11-12]。而智能手机普及率高，医疗设备与智能手机相结合，在远程医疗、社区医疗及精准医疗方面可发挥优势[13-14]。

本文设计的基于三维超声膀胱测容技术的手持式无线膀胱测容系统摆脱了传统超声产品受探头线缆的约束，将数字控制电路、超声发射/接收电路、显示屏、电池等集成于三维探头内，用于社区医疗或家庭医疗，可通过Wi-Fi与手机之间建立数据传输，实现图像显示、数据存储、病案管理和无线打印等功能。

1 系统设计及实现

无线超声膀胱测容系统包含下位机和上位机2个部分，下位机由具有3D超声扫描功能的无线探头组成，上位机由智能手机和应用软件组成。无线探头采用手持便携式设计，探头内3D扫描机构和控制电路高度集成，可实时无损传输超声图像信息，并对膀胱内尿液容量进行准确测量。

1.1 总体设计

无线膀胱测容系统由智能手机（上位机）和无线探头（下位机）组成。无线探头需满足小型化、手持式的要求，系统整体结构如图1所示。

图1 无线膀胱测容系统整体框图

上位机的智能手机基于Android操作系统、通过Wi-Fi与无线探头通信。上位机应用软件包含新建病例、数据存储、病例加载、病例报告打印、系统设置等功能模块，可解析图像数据并实时构建、显示图像。病例报告通过蓝牙连接至无线打印机，以实现病例报告打印功能。

下位机无线探头将锂电池充放电管理电路、具有三维扫描结构的超声探头（包含2.5 MHz换能器）、无线模块、现场可编程门阵列（field-programmable gate array，FPGA）、超声信号采集电路集成在一起。下位机中嵌入式软件用来实现用户交互及容积测量算法。

1.2 无线探头设计

无线探头的研制是整个系统的关键。无线探头由基于FPGA的控制电路、CPU、电动机驱动电路、超声信号发射/接收电路、3D超声扫描探头、有机发光二极管（organic light emitting diode，OLED）显示屏、按键单元、锂电池、充放电管理电路、嵌入式Wi-Fi网络协处理器的无线模块构成，如图2所示。

图2 无线探头结构框图

考虑便携式设计，无线探头的处理器选择Altera公司的CycloneIV系列中功耗较低的EP4C系列FPGA芯片内嵌NiosⅡ软核作为主控CPU。通过编程实现采样、控制，内嵌主频为100 MHz的嵌入式Wi-Fi网络协处理器，运行软件、固件以解析按键输入、分析ADC采样的数据结果，寻找膀胱边界并计算膀胱容积，并将测量结果显示出来；同时与协处理器通信，发送数据、接收指令。

处理器（Nios）及外围模块的配置通过Sopc Builder实现，CPU、存储器EPCS16、32 MB的同步动态随机存储器（synchronous dynamic random access memory，SDRAM）和系统ID构成嵌入式系统；时间增益补偿（time gain compensate，TGC）接口、JTAG（joint test action group）调试、I/O控制和串行外设接口（serial peripheral interface，SPI）数据总线等模块构成外围设备接口。

显示屏显示界面菜单和测量容积值，按键单元是系统输入接口，用于接收操作者控制指令。

锂电池是可充电锂离子电池，为系统提供电能。充放电管理电路包含电源转换芯片，可将电池输出的DC 7.2 V电压转换为各单元需要的工作电压。

3D超声探头由2.5 MHz超声换能器和步进电动机组成，受电动机驱动控制电路控制，控制信号来源于FPGA。探头采用双电动机传动机构，分为主电动机和从电动机。从电动机带动换能器，以120°扇形扫描方式完成单幅B超图像的扫描，主电动机带动从电动机及换能器旋转（如图3所示）。每隔15°获取一幅膀胱截面图像，完成12个扫描平面的扇形扫描，这12幅截面图像构成整个膀胱三维图像。

图3 三维扫描结构示意图

超声信号发射/接收电路产生高压脉冲，激励换能器发射超声信号；组织反射的超声回波信号经放大、滤波、检波、ADC采样后形成数字信号，传入FPGA处理。

无线模块是无线探头的核心部件，是系统与其他智能设备沟通的桥梁。无线模块选择德州仪器TI公司专用于物联网的Simple-Link Wi-Fi芯片，该芯片内嵌80 MHz主频的ARM Cortex-M4 MCU处理器，支持SPI数据总线，集成了TCP/IP（transmission control protocol/internet protocol）协议栈，可以运行嵌入式实时操作系统TI-RTOS。无线模块与FPGA之间通过SPI通信，为保证数据的高速传输而不占用CPU，使用直接内存存取（direct memory access，DMA）传输技术，无线模块将接收到的数据存入DMA缓存，到达设定DMA缓存长度时触发一次中断，发送已缓存的DMA数据。其中，无线模块协处理器需把测量结果打包成符合Wi-Fi协议的数据传送至上位机；同时能协同主控CPU处理网络数据，主要负责解析来自上位机的指令。

1.3 系统软件设计

软件设计包括2个部分：基于Android操作系统的上位机软件和基于NiosⅡ的下位机嵌入式软件。上位机软件、下位机软件均通过Wi-Fi交换数据，系统软件主要功能如图4所示。

图4 系统软件主要功能图

上位机软件运行于Android智能手机平台，主要与无线膀胱测容系统配合使用，为其提供实时图像显示、患者管理、病案管理、病例报告、参数设置等功能。上位机软件首先进入主界面，初始化Wi-Fi，与无线探头配对、建立连接后，可接收下位机无线探头上传的图像数据和测量结果，并作为病例数据保存。同时，上位机软件可以加载病例、管理数据、显示病例报告，并通过无线打印机打印病例报告。上位机软件的运行流程如图5所示。

图5 上位机软件运行流程图

下位机嵌入式软件基于FPGA的嵌入式核心 NiosⅡ，包含解析指令、数据采集、数据传输，计算膀胱容积并显示结果等功能。下位机嵌入式软件的运行流程如图6所示。当按下扫描按钮时，下位机控制主电动机转动至第1个扫描平面，然后从电动机以扇形扫描方式转动，每转动至一条扫描线的位置，发射超声脉冲并接收回波信息，重复此步骤完成第1个扫描平面的扫描，同时将数据通过Wi-Fi上传至上位机；然后主电动机转动至第2个扫描平面，重复上述过程，直至第12个扫描平面，即完成三维扫描。根据12个扫描平面的数据计算膀胱容积、显示结果并将结果上传至上位机。

图6 下位机嵌入式软件运行流程图

1.4 数据采集系统及传输关键技术

在无线实时传输图像的过程中，为了保证传输数据的可靠性，通过Wi-Fi将数据搭载于通信协议上并传输至上位机，上位机收到数据后显示测量结果。

1.4.1 数据采集系统设计

数据采集系统由具有三维扫描结构的超声探头、超声信号发射/接收电路、FPGA和无线模块组成。

膀胱超声图像中包含12个扫描平面的扇形数据，每个扫描平面由80条扫描线构成，每条扫描线有266个采样点。超声换能器的中心频率是2.5MHz，采用脉冲宽度为200 ns的高压脉冲信号完成激励，并通过前级放大电路接收回波信息。设计使用采样频率为20 MHz的ADC将放大的超声回波信号转换为数字信号，再由16点均值检波模块、对数压缩模块等完成数字信号处理。在每条超声采样线上获得266个采样点。该采样线的数据采集完成后，从电动机旋转1.5°，以上述方式采集下一条扫描线的数据，单帧扇形图像由80条扫描线组成。

在FPGA的NiosⅡ处理器中读取扇形图像的数据，通过SPI传输至无线模块，并转发给上位机软件。SPI的时钟频率为20 MHz，Wi-Fi的传输速率为800 KB/s，单帧扇形图像传输耗时约30 ms，可实现实时图像传输。

1.4.2 无线传输通信协议

在无线传输过程中，可能会遇到网络不稳定、外界干扰等问题。为保证数据的完整性，本文设计了一种适用于完整图像传输的协议。不同的数据遵循一定的通信格式，一个数据包由数据包头、有效数据、校验位、数据包尾构成。其中数据包头包含起始位、数据/命令标识位、有效数据长度位和预留位；有效数据指待传输的数据；校验位校验数据包的完整性；包尾表示数据包的结尾。

数据通信协议中的有效数据包含扫描的图像数据，由图像数据头、扫描线地址、图像地址、图像有效数据、校验位、图像数据尾构成。图像在存储单元中按照扫描线地址、图像地址依次存储，为保证每幅图像数据的完整性，图像传输协议中加入每条扫描线的地址，使数据流按照地址位分类传输、解析。按照传输协议收/发数据，如果产生数据错误、丢失的情况，可以统计错误地址和图像地址，并由上位机向无线探头请求重新发送，以保证传输数据的完整性和可靠性。

1.4.3 图像重建

每条扫描线的原始数据经过无线传输、通信协议解析和图像重建构成B超图像。本系统为保证较大扫描面积以覆盖膀胱，采用扇形扫描方式，因此在构建图像时需通过数字扫描变换器（digital scan converter，DSC）对像素坐标进行变换，变换公式如下：

其中，（x0，y0）表示扇形顶点坐标，n表示第n条扫描线，m表示第n条扫描线上第m点，αn表示第n条扫描线对应的扫描角度。

在本系统中，原始扫描线像素坐标数据用Pm，n（x，y）表示，经过DSC变换后的坐标数据用Pm，n（x′，y′）表示。考虑到图像重建效率，只需计算一次每个像素点在显示界面的坐标位置Pm，n（x′，y′），然后解析到的采样点数据直接根据坐标位置对应放置，省略重复DSC变换。

扇形扫描线有疏密不均匀的现象，因此系统采用邻线均值的方法对扫描线横向插值，最多可插入3点。设已知的扫描线上相邻2个像素点为Pm-2，n（x′，y′）和Pm+2，n（x′，y′），按照公式（3）所示的插值方法插值，插入3个像素点Pm，n（x′，y′）、Pm-1，n（x′，y′）、Pm+1，n（x′，y′），实现扇形B超图像的构建：

2 系统验证

2.1 体模测试平台搭建

为验证本系统的准确性和有效性，选择50和130 ml的仿组织超声体模进行容积测量。首先将体模充满脱气蒸馏水并排空水内气泡。将本系统主机放在体模测试部位，经脱气蒸馏水接触体模；同时将本系统与智能手机相连，测量膀胱容积，观察智能手机上的超声图像并得到测量结果，连续多次测量并记录结果以验证系统的准确性。

体模测试实验装置平台如图7所示。体模参数：（1）声速：1 540 m/s；（2）模拟膀胱容积：Model 616 为（130±2）ml，Model 1501 为（50±2）ml；（3）尺寸（内径×高度）：Model616为Φ15.5cm×14.5cm，Model 1501为Φ13cm×11cm。上位机软件应用效果如图8所示。

图7 体模测试实验装置平台

图8 上位机软件应用效果图

2.2 膀胱容积测量实验设计

临床使用时，真实的人体膀胱性状、容积、周边组织、测量方法与水囊不同且较为复杂，因此设计实验验证本系统在真实测量环境下的可用性和准确性。在被测者下腹部涂抹医用超声耦合剂，被测者平躺，然后按照图9所示，把无线探头声窗部分对准被测者下腹部、耻骨联合处上方部位。同时将智能手机与无线探头连接，开始扫描并实时观察膀胱位置，获得膀胱图像，测量膀胱容积。

图9 膀胱容积测量实验扫描方位示意图

3 结果及讨论

3.1 体模实验结果

使用本系统对2种不同容积的仿组织超声体模进行容积测试，测试结果如图10所示。可以看出，图像显示清晰，模拟膀胱轮廓明显。分别对 50、130 ml体模重复测试20次，得到的测量结果如图11所示。实验数据表明，130 ml体模中最大误差 9 ml（6.90%），最小误差0 ml（0.00%），方差11.6 ml；50 ml体模中最大误差-5 ml（-10.00%），最小误差0 ml（0.00%），方差5.5 ml。测量误差范围均在±15%以内，因此本系统能够实现准确测量。

图10 体模容积测量结果

图11 体模容积测量结果分布图

3.2 膀胱容积测量结果

使用本系统实际测量人体膀胱容积，成像及测量结果如图12所示，被测者测量容积值为717 ml；实验完成后立即对被测者实施导尿，用量杯测量尿量，实际尿量值729 ml，测量误差-1.65%。

图12 膀胱容积测量结果

结果显示，本系统能够获得膀胱的B超图像，膀胱壁清晰可见，图像无损失。为进一步验证本系统测量的准确性，随机选取30位被试者，测量膀胱容积，测量结果详见表1。

表1 测量精度实验结果

通过实测尿量数据与本系统测量结果对比，最大误差13.33%，最小误差-0.20%，平均误差绝对值4.54%，总体来说测量误差值小于15.00%，准确度较高。分析误差原因大概是误操作使得无线探头未对准膀胱区域中心，三维扫描旋转过程中扫描平面面积变化影响了容积测量结果。

4 结论

本文设计了一种新型手持式无线膀胱测容系统，基于三维B超测量膀胱容积的方法，结合Wi-Fi无线传输技术，实现了准确实时容积测量、图像显示、病例报告管理等功能。本系统由无线探头和智能手机组成，二者通过Wi-Fi连接，充分发挥了智能手机平台的便携式优势，扩展了其使用范围，在出诊急救、家庭患者监护、远程医疗等方面有较好的应用价值。

下一步将增加每个扫描平面的扫描线数和采样点数，以提高测量精度；同时优化传输速率以确保图像实时传输；优化软件算法，分析膀胱图像大数据对算法加以校正，以减少测量结果对膀胱中心的依赖程度，改善操作便捷性，提升测量准确度。