血管内超声成像系统的旋转控制装置优化设计研究

【作 者】韩韬

陕西国防工业职业技术学院 机械工程学院，西安市，710300

0 引言

心血管疾病是一个常见而严重的疾病，在我国伴随着经济化、城镇化和老龄化发展，每年至少有2.8亿人患有心血管疾病，最常见的有心脏病、高血压和冠心病，已成为我国公共卫生问题。中国每年约350万人死于各类心血管疾病，占总死亡原因之首，平均每十秒钟就死一个患者。由于心血管疾病现状越来越严峻，心血管疾病的诊疗变得更加重要[1]。超声医学诊断发展的初期阶段，有很多专家和学者对腔内超声有很多相关研究，而属于腔内超声的血管内超声（intravascular ultrasound,IVUS）成像技术已成为医学超声成像中专门应用于检测心血管疾病的一种特殊成像技术，该技术用于临床已有十几年的时间，它在冠状动脉介入治疗中起非常重要的作用，对预防、诊断和治疗心血管疾病具有重大意义[2]。

20世纪80年代，血管内超声成像成为迅速发展起来的一种新的介入式超声成像技术，是目前用于临床检测可实时提供患者冠状动脉血管横截面图像的检查手段。

目前国际上已有几家主要的血管内超声成像系统设备供应商，但整体设备的价格非常昂贵，目前应用较多的是美国Boston Scientific和Volcano公司的血管内超声成像系统，国内只有国外公司的代理商，所以该项技术处于被垄断的状态，在核心技术和临床试验阶段都未取得实质性突破，急需要产品国产化的研究和发展。

1 血管内超声成像技术

超声波的频率一般在1 MHz～30 MHz不同，超声波通过阻抗不一样的界面时，会产生类似于光的反射、透射、散射现象。医学上通过检测人体器官不同深度的组织对超声的回波信号的幅值特征来判断组织的健康情况。超声成像技术就是利用超声换能器可发出超声波的原理在人体组织声学性质和超声的物理特性的差异，可借用成像、波形和曲线显示和记录经过人体反射的信号，从而对疾病进行诊断[3]。

血管内超声（IVUS）成像技术具有创断层特点，成像系统导管传动轴末端装有超声换能器即超声探头，探头在导管进行360o旋转，旋转的同时高频超声从探头被发出，系统另一端连接到控制与成像装置，完成血管横截面的数据，最终获得血管壁的圆周图像。

在国际上超声医学上常用的血管内超声成像系统是美国Boston Scientific和Volcano公司的系统，一个特殊的含导管式超声探头即含超声换能器的导管、旋转控制装置、超声激励与接收装置和控制与成像装置，此系统已被临床用来进行诊断[4]。

2 旋转控制装置优化设计

2.1 基本功能

血管内超声成像系统主要由超声激励与接收装置、控制与成像装置、旋转控制装置和含超声换能器的导管组成，旋转控制装置是系统不可缺少的关键组成部分。他们之间的关系如图1所示，结构连接顺序如下：该超声激励与接收装置和该控制与成像装置相连，旋转控制装置连接含超声换能器的导管和该超声激励与接收装置。旋转控制装置的传动轴的另一端通过SMA接头连接含超声换能器的导管，滑环通过连接接头与超声激励与接收装置相连，线缆与超声换能器相连。

图1 血管内超声成像系统组成Fig.1 Composition of intravascular ultrasound imaging system

旋转控制装置的主要功能是进行血管内信号传递和超声换能器的角度检测，最终辅助整个系统获取到清晰、准确的血管壁图像。装置通过带有超声换能器的导管旋转，带动超声导管从血管内按照固定速度缓慢地水平移动回撤，从而一段一段地采集到血管壁的信号，并将超声回波信号向后传输，最终由控制与成像装置进行显示。

2.2 优化设计方案

图2中所展示的为旋转控制装置的产品结构示意图，从左到右共有接有超声换能器的导管、传动轴、传动装置、角度检测装置、支座、电机、滑环和底座，将角度检测装置和电机合理安装在支座上，导管、传动轴、传动装置、支座、电机、滑环合理装配在底座中。

图2 旋转控制装置结构示意图Fig.2 Structure diagram of rotary control device

笔者研究的旋转控制装置在中科院先进技术研究院医工所医疗影像中心完成设计，已成功申请发明专利，随着技术的改进，目前所优化设计的旋转控制装置为自动回撤旋转控制装置，现将部分结构进行优化设计了第二代装置，如图3所示。

图3 旋转控制装置内部结构Fig.3 Internal structure of rotary control device

（1）角度检测装置优化设计

图2中装置所使用的角度检测装置为高精度增量式光电编码器，比起第一代选择的绝对式编码器，工艺简单，可以实现小型化，能够精确检测旋转装置的角度信息，利用FPGA芯片进行角度实时检测通过信号处理实现实时的位置和速度反馈。角度检测的优化参数如表1所示，在低成本国产化的基础上，编码器分辨率高，适合测量前端超声探头旋转的角度。

表1 角度检测装置优化对比Tab.1 Optimization comparison of angle detection device

（2）动力源装置优化设计

如图2所示，装置的动力源由直流无刷电机提供，传动装置二为一对同步带轮，电机主要产生驱动转矩，带动传动装置二旋转，传动装置二旋转带动中的传动装置为一对同步带轮，传动装置一旋转带动角度检测装置旋转测出角度位移，同时传动轴带动接超声换能器的导管旋转，从而可以完成360o环形切面成像。装置内部结构中还使用了大功率步进电机作为底部导轨平台的动力源。

（3）传动装置优化设计

装置的传动装置如图2所示，传动装置一和传动装置二利用同步带传动，传动轴连接整体，传动平稳，能吸震，噪声小，传动速比范围大，安装精度较高。装置优化设计中底座下方设计了自动回撤平台，如图4所示。平台由齿轮齿条机构、导轨和大功率步进电机组成，通过功率步进电机带动整个旋转控制装置向前或向后移动，从而使装有超声换能器的导管根据医疗检测需要进行移动探测。装置优化后的传动性能参数，如表2所示。在传动效率高的基础下实现自动回撤，传动稳定、精度较高。

图4 底部自动回撤平台结构Fig.4 Structural drawing of bottom automatic withdrawal platform

表2 传动性能优化对比Tab.2 Comparison of transmission performance optimization

（4）旋转电气接口装置设计

旋转控制装置的最右端的滑环就是该装置的旋转电气接口，主要通过该装置将回波旋转电信号转变为回波固定电信号传递给后端的硬件电路处理。

旋转控制装置的所有器件全部使用国产零部件，完全实现了国产化，整个装置的所有组成部分和加工部分均选用国内性价比较高的材料，相比国外的血管内超声成像设备，笔者设计的旋转控制装置成本较低。

3 旋转控制装置的硬件系统

3.1 系统电路板

血管内超声成像系统所用的硬件控制电路板为Altera公司的Cyclone系列的40F484C8型号的FPGA芯片，用来控制旋转控制装置的编码器，并发射经过该装置的超声激励信号，该芯片具有低成本、低功耗和高性能的优点，通过外接的FPGA芯片能快速地对编码器进行转向和计数的控制并得到有效数据[5]。

3.2 光电编码器控制系统

将旋转控制装置放到底部自动回撤平台上，底部自动回撤平台使用直流12 V电源，光电编码器使用直流5 V电源，数据输出使用杜邦线接到FPGA电路板上。如图5所示编码器输出3组方波脉冲A、B、Z三相，由于增量式光电编码器分辨率为1 000即旋转一圈能发出1 000个脉冲。如图5所示通过Z相输出0到999，将电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。通过硬件描述语言统计脉冲个数来测定位置和角度，最终得到血管内超声成像系统前端的超声探头的旋转角度，有利于血管横截面的成像。通过测试，输出脉冲波形图毛刺很小，抗干扰能力强，可靠性高，测量精度准，能够实现角度检测和位置反馈[6]。使用FPGA芯片实现对旋转控制装置的光电编码器输出信号进行数据采集，在实现小型化、集成化的同时能够对相应的数据进行处理，提高了数据处理的效率。

图5 光电编码器计数图Fig.5 Counting diagram of photoelectric encoder

4 实验研究和分析

本实验与中科院先进技术研究院医工所医疗影像中心合作完成，借助医疗影像中心的超声成像装置、实验环境及相关设备和材料进行旋转控制装置的验证实验。

利用血管内超声成像平台进行仿真实验，平台需要准备一段介入式超声导管、微型超声换能器、旋转控制装置、二维超声移动平台、FPGA开发板、血管仿体（类似血管的生物组织）、水槽、信号线、SMA接头、直流电源、示波器和电脑[7]，搭建完整的血管内超声成像平台。

实验准备时，将机械旋转控制装置放在自动回撤装置上，装置左端通过滑环引出信号线连接到FPGA开发板的相应端口。装置右端通过SMA接头连接到介入式超声导管，导管的最前端连接微型探头伸入血管仿体内部，由于超声传递过程中在水中的损失最小，故将血管仿体放在水槽当中，没过血管仿体加入适量的水。

实验时，首先通过外部直流电源为机械旋转控制装置的角度检测装置即编码器输入5 V电压，为无刷电机输入12 V电压，为二维超声移动平台通220 V交流电，同时为FPGA开发板上电，通过超声激励模块发射脉冲，经过机械旋转控制装置传递到前端的超声换能器发射出超声，装置内部通过电机旋转带动导管和探头旋转，同时二维超声移动平台水平方向向后回撤，通过回撤扫描完整段血管仿体，最后利用FPGA开发板将探头接受的回波信号进行处理之后，在控制器的屏幕上显示最终采集图像，如图6所示，该图形为测试的血管仿体的血管壁横截面图像，通过分析能够获得血管斑块等有用信息[8]。通过实验验证充分表明了旋转控制装置的科学性、可行性。

图6 实验采集的血管壁横截面图像Fig.6 Cross sectional image of blood vessel wall

5 总结

旋转控制装置是近年来兴起的关键医疗检测技术——血管内超声成像系统的一个关键设备，笔者对该装置的结构进行不断地优化，通过模拟实验验证了旋转控制装置的可行性和有效性。它实现了旋转信号到固定信号的信号传递，通过角度检测装置进行位置检测，将超声换能器所检测到的血管内信息充分展现出来，笔者研究的基于血管内超声成像系统的旋转控制装置已经成功申请专利，装置所有组成部分均为国内生产制造，这为血管内超声成像系统的国产化提供一定技术参考和支持，为血管内超声成像技术的发展提供一定的积累，目前整个研究正处于发展和巩固阶段，基于血管内超声成像系统的旋转控制装置的功能、结构、特点以及外观将不断进行升级优化。