一种新型眼科超声生物显微镜

一种新型眼科超声生物显微镜 一种新型眼科超声生物显微镜 第27卷第6期 上海理工大学学报 J.UniversityofShanghaiforScienceandTechnologyVo1.27No.62005 文章编号:1007—6735(2005)06—0512—05 一 种新型眼科超声生物显微镜 郑政,计建军2,李穗2,张渝生2, 高建民,李跃杰2,王延群2 (1.上海理工大学医疗器械学院,上海200093;2.中国医学科学院,中国协和医科大学生物医学212程研究所 天津300192;3.天津眼科医院,天津300020) 摘要:介绍一种新型的眼科超声生物显微镜系统.该系统利用长焦距(13mm)换能器和机械扇扫, 实现了宽景扫描,具有4.81TIrYI×61TIrYI和9.61TIrYI×121TIrYI两种扫描窗宽.使用长焦距换能器还使 得检查时换能器远离角膜,极大地减小角膜损伤的风险.用现场可编程门阵列器件(FP()实现了 硬件动态帧平均从而增强了图像的信噪比.系统中心频率为50MHz,纵向和横向分辨力分别为50 肿和100m.一个专门设计的层状靶被用来测试系统的纵向分辨力,其独特的结构保证了高分辨 力超声设备的测试精度. 关键词:甚高频超声;超声生物显微镜;机械扇扫;眼科 中图分类号:R445.1文献标识码:A Newmodelofultrasoundbiomicroscope(UBM)forophthalmology ZHENGZheng~,JIJian.jun2,LISui2,ZHANGYu.sheng2, GAOJian.rni#,LIYue-jie2,WANGYan-qur~ (1.CollegeofMedicalInstrumentation,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,CJnina; 2.InstituteofBiomedicalEngineering,CJnineseAcademyofMedicalSciencesandPekingUnionMedicalCollege, Tianjin300192,C~ina;3.TiainEyeHospital,Tianjin300020,C/aina) Abstract:Anewmodelofultrasoundbiomicroscope(UBM)systemforophthalmologywasdesigned andimplemented.Withafairlylongfocallength(13ram)transducerandasectorSCanprobe,thesys. temfeaturesthewide— viewimagingforeyes.ThescanwindowCanbeswitchedbetween4.8mm (6mmand9.6mm(12mm(width(depth).Anotheradvantageisthatthetransducerisfarenough fromthecorneaduringcheckSOthatthedangerforhurtingthecorneaislargelyreduced.Thesignalto noiseratiooftheimageisenhancedbydynamicframeaveraging,whichisperformedwithhardware basedonaFieldProgrammableGateArray(FPGA)chip.Withcenterfrequencyof50MHztheradial andlateralreSOlutionpowerofthesystemisbetterthan50(mandlO0(mrespectively.Anovelstrati— fledphantomwasdesignedtoevaluatetheaxialreSOlutionaccurately. Keywords:very-highfrequencyultrasound;ultrasoundbiomicroscopy;sectorscan;ophthalmology 甚高频B模式超声成像技术在20世纪90年代 开始应用于眼科,因为使用了40MHz以上的超声 脉冲,所以其分辨力优于70,超过人类裸眼,又 被称为超声生物显微术(ultrasoundbiomicroscopy, 收稿日期:2005—03—23 基金项目:科技部"十五"科技攻关计划资助项目(2001BA706B18);天津市自然科学 基金资助项目(013614511);上海市重 点学科建设资助项目(P0502) 作者简介:郑政(1961一),男,副研究员. ll 第6期郑政,等:一种新型眼科超声生物显微镜 UBM)E1J.由于眼前节的许多不透明的精细结构在 UBM下成像非常清晰,所以UBM检查渐渐成为临 床眼前节检查的常规手段,比如青光眼诊断,眼外伤 探查以及前节肿瘤的检查等l2]2.目前商品化的眼科 UBM检查仪用的是20世纪90年代初期的技术,比 如占世界市场主导地位的P40型UBM(Paradigm MedicalIndustries,Inc.),自问世后其基本结构没 有改变,存在着许多需要改进的地方:超声换能器焦 距过短,容易损伤受试者的角膜;探头笨重,不便使 用;在超声图像管理,信息交换等方面的功能较弱, 难以满足现代医院信息化的要求.本文提出一种新 型的眼科用UBM诊断仪,由于采用了新的技术,避 免了现有设备的缺点,功能明显增强,而且成本比 较低. 1系统构成及其特点 本文所研制设备的最大特点就是采用了长焦距 换能器结合扇形扫描.使用长焦距换能器的好处是换 能器可以远离角膜,从而大大降低损伤角膜的风险. 扇扫探头的结构是所有机械式探头中最简单的,可以 做得非常紧凑和轻便,便于使用.另外,机械扇扫容易 得到大范围扫描,因此系统增加了宽景扫描方式,在 固定的显示尺寸下,既可以用高倍率扫描观察细节, 也可以用宽景扫描方式察看目标周围广阔的区域. 与P40型UBM相比,本文提出的系统还有另 外一些新的功能.首先,利用高速大规模可编程集成 电路,实现了动态帧平均从而明显地提高了信噪比. 其次,具有电影存储和回放功能,这一功能在观察眼 前节结构动态改变时特别重要,例如在瞳孑L对光反 射有关的检查中.另外,具有海量图像信息非易失性 存储,管理和通过互联网远程传送的功能. 图1是所研制设备的系统框图.仪器采用 Capistrano的薄膜(thinfilm)凹面换能器,直径 7mm,中心频率50MHz,焦距131Tim.选取两种扫 描角度,得到高倍率4.81TimX61Tim和宽景9.6 mmX12mm两种扫描窗.扇扫成像电路的核心是 数字扫描变换(DSC)和插值电路,由现场可编程逻 辑门阵列(FPGA)实现.采用这一技术既能够满足 速度的要求,又能极大地缩小体积,提高可靠性. FPGA同时实现动态帧平均. 图l眼科UBM系统框图 Fig.1Schematicofthenewmodeloful~asoundbiomicroscopeforophthalmology 虽然本系统有效降低了角膜损伤的风险,但仍 然设计了专门的电路来预防这一危险的发生.系统 工作时,防护电路连续监测角膜的回波信号,当测得 的距离低于设定的门限时即发出声音报警,若进一 步接近则中止换能器摆动.操作者的控制指令通过 MicrosoftWindows下运行的应用程序发送到嵌人 式控制器,由其分送至有关电路,以控制整个系统协 调工作.数字超声图像传送至系统内嵌的个人计算 机(PC)后,应用软件完成超声图像在计算机显示器 上的实时显示.电影回放,超声图像管理,远程通信 和外部接口也都在PC平台上实现. 2分辨力测试 所研制的仪器完成后首先接受了分辨力测试, 以检验其是否达到了设计指标.然后进行临床实验, 以判断有效性和评价其功能. 2.1纵向分辨力 一 个专门设计的层靶被用来测试纵向分辨 力[3]3.如图2(a)所示(见下页),两块3mnl厚的有机 玻璃夹板用两个螺钉固定在一起,中间夹人一定厚 度的金属箔,使两个有机玻璃之间的中间区域形成 一 个狭缝.当这个靶被平放人水槽后,水渗人这个狭 514上海理工大学学报2005年第27卷 缝,形成一个水层,分别与上下两夹板形成两个界 面,这两个界面之间的距离就是金属箔的厚度,这一 狭缝连接螺钉 金属箔 (a)层状靶结构 上央板 下夹板 水层即是所要的靶层.选用50m厚的金属箔,即 可得到符合要求的层靶. 脱气蒸馏 (b)测试装鼍示意图 (c)靶层的声像(d)靶层声像的局部放大(e)超声发射和回波信号 图2纵向分辨力测试装备及试验结果 Fig.2Axialresolutiont~wertestandtheresult 如图2(b)所示,把探头垂直固定在上述层靶上 方,层靶下放置吸声橡胶,水槽中注入脱气蒸馏水. 调整探头和靶之问的距离,使靶层处于换能器焦点 附近.扫描后可得到如图2(c)所示的图像,局部放 大后如图2(d)所示.中间的两条亮带是靶层的两个 界面的像,可以看到,这两条亮带区分非常清楚,说 明仪器实现了50m的纵向分辨力.扫描停止后, 从对数放大器的输出端用示波器可以观察到如图2 (e)所示的稳定的回波包络波形,在大约10s处有一 个高的回波,这是由层靶上夹板的上面与水的 界面引起的,后面相随的靶层回波经时间轴展开显 示出间隔68.8nS的两个峰,分别由靶层的上下界 面引起.若设水中超声速度为1550m/s,则可以算 得靶层厚度为51.6m. 2.2横向分辨力 利用传统的线靶测试横向分辨力,靶线材料为 10m钨丝,两条靶线平行排列,间距100m,以 读数显微镜校准.将测试靶置于底部敷有吸声材料 的水槽中,探头置于测试靶上方,在与靶线垂直的平 面上进行扫描;增益,亮度和对比度等调节机构置于 最佳位置,从显示器上观察扫描的图像.图3即是在 这个100m线靶的声像图,可以看到两条靶线的 横截面像区分非常明显 _局部放大 图3确定横向分辨力所得到的图像 Fig.3Lateralresolutiont~wertest 3眼科临床实验 用研制的仪器在志愿者的正常眼和病眼上做了 上百例试验,得到了数百张眼前节正常和病理结构 的显微声像图.结果证明,该仪器使用方便,安全,成 像清晰,功能强大,是一种具有竞争力的新设计. 实验时受试者取仰卧位,受试眼滴人局部麻醉 剂,眼睑中夹人眼杯,内置生理盐水作为耦合剂,盐 水在眼杯中的高度大于15iTlrn.手握探头,待换能 器浸入盐水后即开启仪器进行扫描,一边小心调整 换能器位置,一边观察屏上的超声像,直至捕捉到 待观察部位的满意图像.图4是试验仪器从正常眼 516上海理工大学学报2005年第27卷 4讨论 换能器和探头是超声成像设备的核心部件,影 响着整机功能的许多方面.从Sherar的原型机_4J一 直到P40型UBM,都采用了短焦距换能器配合机 械直线扫描的方案.为了减小高频超声的传输损失 和避免发射脉冲干扰接收系统产生的检查盲区, UBM超声换能器前都不设防护声窗,而是使用眼 杯内的耦合剂作为声耦合[51.短焦距换能器的好处 是超声传输损失小,所以允许减小换能器直径,有利 于其在眼杯的狭小空间里运动.但是短焦距换能器 和被测目标的距离很近,而眼球表面具有很大的曲 率,为保证回波强度的均匀性,扫描方式和扫描的范 围都受到限制.P40型UBM使用焦距5.51TlIn的换 能器,直线扫描,扫描范围51TlIn×51TlIn.这个方案 有两个明显的缺点:第一,检查时换能器和角膜的距 离在多数情况下小于31TlIn,实施检查时超声换能 器需要在没有声窗防护的情况下高速摆动,眼球直 接暴露在换能器下方,即使使用者受过良好的训练, 仍然存在着损伤角膜的危险;第二,直线扫描的机械 结构比较复杂,探头体积和重量难以减小.P40型 UBM的探头直径达501TlIn左右,为了方便控制探 头和眼球之间的距离,不得不使用一个复杂的摇臂 装置.本文所研制设备的最大特点就是采用了焦距 长达131TlIn的换能器结合扇形扫描,虽然也要使用 眼杯,但是检查时换能器和眼球的距离增加到10 1TlIn左右,所以大大降低了损伤角膜的风险.扇扫探 头的结构是所有机械式探头中最简单的,可以做得 非常紧凑,本设备采用的探头直径只有241TlIn,十 分轻便,所以不需要摇臂装置,操作者只要稍作训练 就可以熟练使用.虽然使用了扇形扫描,但当焦点处 扫描宽度为61TlIn时,换能器只需摆动15.,实验证 明此扫描范围内的回波均匀性令人满意,和直线扫 描方式相比没有明显的差别.而当扫描宽度增加到 121TlIn时,摆角也只有30.,回波均匀性还能基本满 足要求. 由于P40型UBM出现于20世纪90年代初 期,当时全球的医院信息化要求都还不高,因此该机 在这方面的功能较弱.本文研制的系统基于功能强 大的PC和Windows平台,因此很容易就实现了超 声图像的海量存储,管理和远程交换功能以满足现 代医院信息化的要求. 从理论上讲,50MHz超声的横向极限分辨力 为30/zm,P40型UBM的标称横向极限分辨力已达 ,有 到50/zm.本设备的横向分辨力只达到100脚可能是因为换能器的聚焦不理想所为. 由于材料和工艺水平的限制,目前无论国内外 UBM都只能使用单晶片换能器.单晶片换能器的 最大缺点是焦点固定,而且聚焦强度和聚焦深度互 相矛盾.高频超声影像通常只有在图像中央对应于 换能器焦区的一个条状区域达到标称分辨力,在图 像的上下两端由于横向分辨力下降,一个点状目标 将显示成一条横向线段,造成图像模糊,且越到边缘 模糊越严重.这一问题的解决有待于换能器技术和 数字处理技术的进步. 参考文献: [1]PavlinCJ,HarasiewiczK,Sher~MD,eta1.Clinicaluse ofultrasoundbiomicroscopy[J].Ophthalmology,1991, 98(3):287--295. [2]郑政.高频超声(HFUs)及其医学应用[J].中国医疗器 械杂志,2005,29(1):1,5. [3]郑政,张渝生.一种用于测试甚高频B型超声诊断设备 纵向分辨力的层状靶[J].医疗卫生装备,待发表. [4]SherarMD,StarkoskiBG,TaylorWB,eta1.A100MHz B-scanultrasoundbackscattermicroscope[J].U/trasonic Imaging,1989,11(2):95,105. [5]王宁利,刘文.超声活体显微镜眼科学[M].北京:科学 出版社,2003,34,39.