龐 超，王曉春，周 盛，計建軍*

（1.天津邁達(dá)醫(yī)學(xué)科技股份有限公司，天津 300384；2.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津 300192）

0 引言

膀胱容積測量能反映人體當(dāng)前膀胱內(nèi)可儲存的最大尿量，常應(yīng)用在泌尿科。對于一些不能自主排尿、對尿量無感知、尿潴留的患者，為避免尿量無法正常排出導(dǎo)致的嚴(yán)重后果，實時測量其膀胱內(nèi)尿液容量具有重要的參考價值[1]。對于膀胱腫瘤、膀胱出口梗阻等患者，其術(shù)后效果的評估也依賴于膀胱尿量的測量[2-3]。

膀胱容積測量的方法有很多，包括導(dǎo)管導(dǎo)尿測量，CT掃描重建、超聲測量容積等，而超聲成像技術(shù)具有無創(chuàng)、低輻射、操作便捷等優(yōu)勢。自20世紀(jì)60年代起，超聲成像技術(shù)就開始應(yīng)用于膀胱測容中，該方法大多基于B超圖像和經(jīng)驗公式求得膀胱容積[4]。如通過普通A超判斷膀胱充盈度，也可以根據(jù)單幅二維B超圖像勾勒膀胱邊界，根據(jù)膀胱面積擬球體估算膀胱容積，但這些方法的誤差都較大。自20世紀(jì)90年代起，三維超聲膀胱測容技術(shù)逐漸應(yīng)用于臨床泌尿科。即在二維B超圖像的基礎(chǔ)上，采用可旋轉(zhuǎn)的電動機(jī)，在電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的同時進(jìn)行掃描，以獲得每個角度下膀胱截面積的B超圖像，進(jìn)而擬合成膀胱三維體并計算其體積[4]。

目前，膀胱容積測量設(shè)備的臨床應(yīng)用較為普遍，如美國Verathon公司的BVI 9400用于前列腺癌術(shù)后膀胱充盈度評估[5]，韓國Mcube公司的Biocon-700用于測量殘余尿量。各設(shè)備測量結(jié)果表明其準(zhǔn)確度較好，可減少導(dǎo)管感染的風(fēng)險[6]。膀胱容積測量設(shè)備普遍采用三維掃描探頭，換能器中心頻率大多為2.5 MHz，也有 3.7 和 1.74 MHz，測量精度多為 15%[5，7-8]。外觀一般是臺式主機(jī)，通過線纜連接探頭，操作不夠便捷[9]；也有手持式膀胱測容儀器，但其功能單一，不具備無線傳輸及數(shù)據(jù)管理功能[10]。

隨著科技的進(jìn)步，無線超聲探頭具有使用便捷、方便攜帶的優(yōu)點，可應(yīng)用于掌上超聲、超聲骨密度探頭和超聲多普勒等領(lǐng)域[11-12]。而智能手機(jī)普及率高，醫(yī)療設(shè)備與智能手機(jī)相結(jié)合，在遠(yuǎn)程醫(yī)療、社區(qū)醫(yī)療及精準(zhǔn)醫(yī)療方面可發(fā)揮優(yōu)勢[13-14]。

本文設(shè)計的基于三維超聲膀胱測容技術(shù)的手持式無線膀胱測容系統(tǒng)擺脫了傳統(tǒng)超聲產(chǎn)品受探頭線纜的約束，將數(shù)字控制電路、超聲發(fā)射/接收電路、顯示屏、電池等集成于三維探頭內(nèi)，用于社區(qū)醫(yī)療或家庭醫(yī)療，可通過Wi-Fi與手機(jī)之間建立數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)圖像顯示、數(shù)據(jù)存儲、病案管理和無線打印等功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

無線超聲膀胱測容系統(tǒng)包含下位機(jī)和上位機(jī)2個部分，下位機(jī)由具有3D超聲掃描功能的無線探頭組成，上位機(jī)由智能手機(jī)和應(yīng)用軟件組成。無線探頭采用手持便攜式設(shè)計，探頭內(nèi)3D掃描機(jī)構(gòu)和控制電路高度集成，可實時無損傳輸超聲圖像信息，并對膀胱內(nèi)尿液容量進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

1.1 總體設(shè)計

無線膀胱測容系統(tǒng)由智能手機(jī)（上位機(jī)）和無線探頭（下位機(jī)）組成。無線探頭需滿足小型化、手持式的要求，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線膀胱測容系統(tǒng)整體框圖

上位機(jī)的智能手機(jī)基于Android操作系統(tǒng)、通過Wi-Fi與無線探頭通信。上位機(jī)應(yīng)用軟件包含新建病例、數(shù)據(jù)存儲、病例加載、病例報告打印、系統(tǒng)設(shè)置等功能模塊，可解析圖像數(shù)據(jù)并實時構(gòu)建、顯示圖像。病例報告通過藍(lán)牙連接至無線打印機(jī)，以實現(xiàn)病例報告打印功能。

下位機(jī)無線探頭將鋰電池充放電管理電路、具有三維掃描結(jié)構(gòu)的超聲探頭（包含2.5 MHz換能器）、無線模塊、現(xiàn)場可編程門陣列（field-programmable gate array，F(xiàn)PGA）、超聲信號采集電路集成在一起。下位機(jī)中嵌入式軟件用來實現(xiàn)用戶交互及容積測量算法。

1.2 無線探頭設(shè)計

無線探頭的研制是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。無線探頭由基于FPGA的控制電路、CPU、電動機(jī)驅(qū)動電路、超聲信號發(fā)射/接收電路、3D超聲掃描探頭、有機(jī)發(fā)光二極管（organic light emitting diode，OLED）顯示屏、按鍵單元、鋰電池、充放電管理電路、嵌入式Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器的無線模塊構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 無線探頭結(jié)構(gòu)框圖

考慮便攜式設(shè)計，無線探頭的處理器選擇Altera公司的CycloneIV系列中功耗較低的EP4C系列FPGA芯片內(nèi)嵌NiosⅡ軟核作為主控CPU。通過編程實現(xiàn)采樣、控制，內(nèi)嵌主頻為100 MHz的嵌入式Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器，運行軟件、固件以解析按鍵輸入、分析ADC采樣的數(shù)據(jù)結(jié)果，尋找膀胱邊界并計算膀胱容積，并將測量結(jié)果顯示出來；同時與協(xié)處理器通信，發(fā)送數(shù)據(jù)、接收指令。

處理器（Nios）及外圍模塊的配置通過Sopc Builder實現(xiàn)，CPU、存儲器EPCS16、32 MB的同步動態(tài)隨機(jī)存儲器（synchronous dynamic random access memory，SDRAM）和系統(tǒng)ID構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)；時間增益補(bǔ)償（time gain compensate，TGC）接口、JTAG（joint test action group）調(diào)試、I/O控制和串行外設(shè)接口（serial peripheral interface，SPI）數(shù)據(jù)總線等模塊構(gòu)成外圍設(shè)備接口。

顯示屏顯示界面菜單和測量容積值，按鍵單元是系統(tǒng)輸入接口，用于接收操作者控制指令。

鋰電池是可充電鋰離子電池，為系統(tǒng)提供電能。充放電管理電路包含電源轉(zhuǎn)換芯片，可將電池輸出的DC 7.2 V電壓轉(zhuǎn)換為各單元需要的工作電壓。

3D超聲探頭由2.5 MHz超聲換能器和步進(jìn)電動機(jī)組成，受電動機(jī)驅(qū)動控制電路控制，控制信號來源于FPGA。探頭采用雙電動機(jī)傳動機(jī)構(gòu)，分為主電動機(jī)和從電動機(jī)。從電動機(jī)帶動換能器，以120°扇形掃描方式完成單幅B超圖像的掃描，主電動機(jī)帶動從電動機(jī)及換能器旋轉(zhuǎn)（如圖3所示）。每隔15°獲取一幅膀胱截面圖像，完成12個掃描平面的扇形掃描，這12幅截面圖像構(gòu)成整個膀胱三維圖像。

圖3 三維掃描結(jié)構(gòu)示意圖

超聲信號發(fā)射/接收電路產(chǎn)生高壓脈沖，激勵換能器發(fā)射超聲信號；組織反射的超聲回波信號經(jīng)放大、濾波、檢波、ADC采樣后形成數(shù)字信號，傳入FPGA處理。

無線模塊是無線探頭的核心部件，是系統(tǒng)與其他智能設(shè)備溝通的橋梁。無線模塊選擇德州儀器TI公司專用于物聯(lián)網(wǎng)的Simple-Link Wi-Fi芯片，該芯片內(nèi)嵌80 MHz主頻的ARM Cortex-M4 MCU處理器，支持SPI數(shù)據(jù)總線，集成了TCP/IP（transmission control protocol/internet protocol）協(xié)議棧，可以運行嵌入式實時操作系統(tǒng)TI-RTOS。無線模塊與FPGA之間通過SPI通信，為保證數(shù)據(jù)的高速傳輸而不占用CPU，使用直接內(nèi)存存取（direct memory access，DMA）傳輸技術(shù)，無線模塊將接收到的數(shù)據(jù)存入DMA緩存，到達(dá)設(shè)定DMA緩存長度時觸發(fā)一次中斷，發(fā)送已緩存的DMA數(shù)據(jù)。其中，無線模塊協(xié)處理器需把測量結(jié)果打包成符合Wi-Fi協(xié)議的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)；同時能協(xié)同主控CPU處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，主要負(fù)責(zé)解析來自上位機(jī)的指令。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括2個部分：基于Android操作系統(tǒng)的上位機(jī)軟件和基于NiosⅡ的下位機(jī)嵌入式軟件。上位機(jī)軟件、下位機(jī)軟件均通過Wi-Fi交換數(shù)據(jù)，系統(tǒng)軟件主要功能如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件主要功能圖

上位機(jī)軟件運行于Android智能手機(jī)平臺，主要與無線膀胱測容系統(tǒng)配合使用，為其提供實時圖像顯示、患者管理、病案管理、病例報告、參數(shù)設(shè)置等功能。上位機(jī)軟件首先進(jìn)入主界面，初始化Wi-Fi，與無線探頭配對、建立連接后，可接收下位機(jī)無線探頭上傳的圖像數(shù)據(jù)和測量結(jié)果，并作為病例數(shù)據(jù)保存。同時，上位機(jī)軟件可以加載病例、管理數(shù)據(jù)、顯示病例報告，并通過無線打印機(jī)打印病例報告。上位機(jī)軟件的運行流程如圖5所示。

圖5 上位機(jī)軟件運行流程圖

下位機(jī)嵌入式軟件基于FPGA的嵌入式核心 NiosⅡ，包含解析指令、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸，計算膀胱容積并顯示結(jié)果等功能。下位機(jī)嵌入式軟件的運行流程如圖6所示。當(dāng)按下掃描按鈕時，下位機(jī)控制主電動機(jī)轉(zhuǎn)動至第1個掃描平面，然后從電動機(jī)以扇形掃描方式轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)動至一條掃描線的位置，發(fā)射超聲脈沖并接收回波信息，重復(fù)此步驟完成第1個掃描平面的掃描，同時將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi上傳至上位機(jī)；然后主電動機(jī)轉(zhuǎn)動至第2個掃描平面，重復(fù)上述過程，直至第12個掃描平面，即完成三維掃描。根據(jù)12個掃描平面的數(shù)據(jù)計算膀胱容積、顯示結(jié)果并將結(jié)果上傳至上位機(jī)。

圖6 下位機(jī)嵌入式軟件運行流程圖

1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及傳輸關(guān)鍵技術(shù)

在無線實時傳輸圖像的過程中，為了保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，通過Wi-Fi將數(shù)據(jù)搭載于通信協(xié)議上并傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)收到數(shù)據(jù)后顯示測量結(jié)果。

1.4.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由具有三維掃描結(jié)構(gòu)的超聲探頭、超聲信號發(fā)射/接收電路、FPGA和無線模塊組成。

膀胱超聲圖像中包含12個掃描平面的扇形數(shù)據(jù)，每個掃描平面由80條掃描線構(gòu)成，每條掃描線有266個采樣點。超聲換能器的中心頻率是2.5MHz，采用脈沖寬度為200 ns的高壓脈沖信號完成激勵，并通過前級放大電路接收回波信息。設(shè)計使用采樣頻率為20 MHz的ADC將放大的超聲回波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由16點均值檢波模塊、對數(shù)壓縮模塊等完成數(shù)字信號處理。在每條超聲采樣線上獲得266個采樣點。該采樣線的數(shù)據(jù)采集完成后，從電動機(jī)旋轉(zhuǎn)1.5°，以上述方式采集下一條掃描線的數(shù)據(jù)，單幀扇形圖像由80條掃描線組成。

在FPGA的NiosⅡ處理器中讀取扇形圖像的數(shù)據(jù)，通過SPI傳輸至無線模塊，并轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)軟件。SPI的時鐘頻率為20 MHz，Wi-Fi的傳輸速率為800 KB/s，單幀扇形圖像傳輸耗時約30 ms，可實現(xiàn)實時圖像傳輸。

1.4.2 無線傳輸通信協(xié)議

在無線傳輸過程中，可能會遇到網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、外界干擾等問題。為保證數(shù)據(jù)的完整性，本文設(shè)計了一種適用于完整圖像傳輸?shù)膮f(xié)議。不同的數(shù)據(jù)遵循一定的通信格式，一個數(shù)據(jù)包由數(shù)據(jù)包頭、有效數(shù)據(jù)、校驗位、數(shù)據(jù)包尾構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)包頭包含起始位、數(shù)據(jù)/命令標(biāo)識位、有效數(shù)據(jù)長度位和預(yù)留位；有效數(shù)據(jù)指待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；校驗位校驗數(shù)據(jù)包的完整性；包尾表示數(shù)據(jù)包的結(jié)尾。

數(shù)據(jù)通信協(xié)議中的有效數(shù)據(jù)包含掃描的圖像數(shù)據(jù)，由圖像數(shù)據(jù)頭、掃描線地址、圖像地址、圖像有效數(shù)據(jù)、校驗位、圖像數(shù)據(jù)尾構(gòu)成。圖像在存儲單元中按照掃描線地址、圖像地址依次存儲，為保證每幅圖像數(shù)據(jù)的完整性，圖像傳輸協(xié)議中加入每條掃描線的地址，使數(shù)據(jù)流按照地址位分類傳輸、解析。按照傳輸協(xié)議收/發(fā)數(shù)據(jù)，如果產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯誤、丟失的情況，可以統(tǒng)計錯誤地址和圖像地址，并由上位機(jī)向無線探頭請求重新發(fā)送，以保證傳輸數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。

1.4.3 圖像重建

每條掃描線的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過無線傳輸、通信協(xié)議解析和圖像重建構(gòu)成B超圖像。本系統(tǒng)為保證較大掃描面積以覆蓋膀胱，采用扇形掃描方式，因此在構(gòu)建圖像時需通過數(shù)字掃描變換器（digital scan converter，DSC）對像素坐標(biāo)進(jìn)行變換，變換公式如下：

其中，（x0，y0）表示扇形頂點坐標(biāo)，n表示第n條掃描線，m表示第n條掃描線上第m點，αn表示第n條掃描線對應(yīng)的掃描角度。

在本系統(tǒng)中，原始掃描線像素坐標(biāo)數(shù)據(jù)用Pm，n（x，y）表示，經(jīng)過DSC變換后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)用Pm，n（x′，y′）表示?？紤]到圖像重建效率，只需計算一次每個像素點在顯示界面的坐標(biāo)位置Pm，n（x′，y′），然后解析到的采樣點數(shù)據(jù)直接根據(jù)坐標(biāo)位置對應(yīng)放置，省略重復(fù)DSC變換。

扇形掃描線有疏密不均勻的現(xiàn)象，因此系統(tǒng)采用鄰線均值的方法對掃描線橫向插值，最多可插入3點。設(shè)已知的掃描線上相鄰2個像素點為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個像素點Pm，n（x′，y′）、Pm-1，n（x′，y′）、Pm+1，n（x′，y′），實現(xiàn)扇形B超圖像的構(gòu)建：

2 系統(tǒng)驗證

2.1 體模測試平臺搭建

為驗證本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性，選擇50和130 ml的仿組織超聲體模進(jìn)行容積測量。首先將體模充滿脫氣蒸餾水并排空水內(nèi)氣泡。將本系統(tǒng)主機(jī)放在體模測試部位，經(jīng)脫氣蒸餾水接觸體模；同時將本系統(tǒng)與智能手機(jī)相連，測量膀胱容積，觀察智能手機(jī)上的超聲圖像并得到測量結(jié)果，連續(xù)多次測量并記錄結(jié)果以驗證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

體模測試實驗裝置平臺如圖7所示。體模參數(shù)：（1）聲速：1 540 m/s；（2）模擬膀胱容積：Model 616 為（130±2）ml，Model 1501 為（50±2）ml；（3）尺寸（內(nèi)徑×高度）：Model616為Φ15.5cm×14.5cm，Model 1501為Φ13cm×11cm。上位機(jī)軟件應(yīng)用效果如圖8所示。

圖7 體模測試實驗裝置平臺

圖8 上位機(jī)軟件應(yīng)用效果圖

2.2 膀胱容積測量實驗設(shè)計

臨床使用時，真實的人體膀胱性狀、容積、周邊組織、測量方法與水囊不同且較為復(fù)雜，因此設(shè)計實驗驗證本系統(tǒng)在真實測量環(huán)境下的可用性和準(zhǔn)確性。在被測者下腹部涂抹醫(yī)用超聲耦合劑，被測者平躺，然后按照圖9所示，把無線探頭聲窗部分對準(zhǔn)被測者下腹部、恥骨聯(lián)合處上方部位。同時將智能手機(jī)與無線探頭連接，開始掃描并實時觀察膀胱位置，獲得膀胱圖像，測量膀胱容積。

圖9 膀胱容積測量實驗掃描方位示意圖

3 結(jié)果及討論

3.1 體模實驗結(jié)果

使用本系統(tǒng)對2種不同容積的仿組織超聲體模進(jìn)行容積測試，測試結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，圖像顯示清晰，模擬膀胱輪廓明顯。分別對 50、130 ml體模重復(fù)測試20次，得到的測量結(jié)果如圖11所示。實驗數(shù)據(jù)表明，130 ml體模中最大誤差 9 ml（6.90%），最小誤差0 ml（0.00%），方差11.6 ml；50 ml體模中最大誤差-5 ml（-10.00%），最小誤差0 ml（0.00%），方差5.5 ml。測量誤差范圍均在±15%以內(nèi)，因此本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測量。

圖10 體模容積測量結(jié)果

圖11 體模容積測量結(jié)果分布圖

3.2 膀胱容積測量結(jié)果

使用本系統(tǒng)實際測量人體膀胱容積，成像及測量結(jié)果如圖12所示，被測者測量容積值為717 ml；實驗完成后立即對被測者實施導(dǎo)尿，用量杯測量尿量，實際尿量值729 ml，測量誤差-1.65%。

圖12 膀胱容積測量結(jié)果

結(jié)果顯示，本系統(tǒng)能夠獲得膀胱的B超圖像，膀胱壁清晰可見，圖像無損失。為進(jìn)一步驗證本系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性，隨機(jī)選取30位被試者，測量膀胱容積，測量結(jié)果詳見表1。

表1 測量精度實驗結(jié)果

通過實測尿量數(shù)據(jù)與本系統(tǒng)測量結(jié)果對比，最大誤差13.33%，最小誤差-0.20%，平均誤差絕對值4.54%，總體來說測量誤差值小于15.00%，準(zhǔn)確度較高。分析誤差原因大概是誤操作使得無線探頭未對準(zhǔn)膀胱區(qū)域中心，三維掃描旋轉(zhuǎn)過程中掃描平面面積變化影響了容積測量結(jié)果。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種新型手持式無線膀胱測容系統(tǒng)，基于三維B超測量膀胱容積的方法，結(jié)合Wi-Fi無線傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了準(zhǔn)確實時容積測量、圖像顯示、病例報告管理等功能。本系統(tǒng)由無線探頭和智能手機(jī)組成，二者通過Wi-Fi連接，充分發(fā)揮了智能手機(jī)平臺的便攜式優(yōu)勢，擴(kuò)展了其使用范圍，在出診急救、家庭患者監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等方面有較好的應(yīng)用價值。

下一步將增加每個掃描平面的掃描線數(shù)和采樣點數(shù)，以提高測量精度；同時優(yōu)化傳輸速率以確保圖像實時傳輸；優(yōu)化軟件算法，分析膀胱圖像大數(shù)據(jù)對算法加以校正，以減少測量結(jié)果對膀胱中心的依賴程度，改善操作便捷性，提升測量準(zhǔn)確度。