基于labview平台的超声内窥成像系统的电磁兼容检验

基 于 labview平台的超声内窥成像系统的电磁兼容检验

郑毅 曾俏 伍倚明 陈嘉晔 樊翔

广东省医疗器械质量监督检验所 (广州 510700 ）

摘要： 本文提出了一种基于LabVIEW平台的超声内窥镜成像系统的设计方法，该方法降低了超声内镜成像设备的硬件成本，提高了在线信号处理能力。它可以降低超声内镜成像设备的开发成本，具有广阔的应用前景。本文也基于该平台分析了其电磁兼容试验的方法和试验关注点，提高该类实验的可靠性和可重复性，以方便医疗设备设计人员和测试工程师对试验结果的判定。

关键词：Labview平台；超声内窥成像；电磁兼容

A method of ultrasonic endoscopic imaging system based on LabVIEW platform

ZHENG Yi ZENG Qiao Wu Yi-ming Chen Jia-ye FAN Xiang

Guangdong Medical Devices Quality Surveillance and Test Institute (Guangzhou 510663)

Abstract: This paper presents a design method of ultrasonic endoscope imaging system based on LabVIEW platform, which reduces the hardware cost of ultrasonic endoscope imaging equipment and improves the on-line signal processing ability. It can reduce the development cost of endoscopic ultrasound imaging equipment and has broad application prospects. Based on this platform, this paper also analyzes its EMC test methods and test concerns, so as to improve the reliability and repeatability of this kind of experiment, so as to facilitate the judgment of test results by medical equipment designers and test engineers.

Keywords: LabVIEW platform; Ultrasonic endoscopic imaging; EMC

1引言

超声成像是一种方便、省时、有效的临床检查方法。目前，它广泛应用于各种医疗器械中。医用超声内窥镜是电子内窥镜技术与超声传感技术、微机电技术、现代计算机技术等高新技术不断发展和融合的产物。它是一种应用前景十分广阔的医疗器械。目前，超声内镜不仅能定位和定性诊断食管、胃、肠、肝、胆汁和胰腺的占位性病变，而且能准确地显示胃肠壁及其邻近组织^[1]。与体外超声相比，探头与器官之间的距离避免了体腔中的脂肪和气体对成像的影响。获得的图像信息比在体表上获得的扫描信息更精确和详细。随着超声内镜技术的不断发展和完善，超声内镜在医学诊断和外科治疗中将发挥越来越重要的作用。本文重点介绍介绍基于Labview平台实现的超声内窥成像及其电磁兼容试验方法。

2超声内窥成像原理及基于labview的实现方式

2.1超声波成像的原理

仪器的探头向人体发射一束超声波，并以线性、扇形或其他形式对其进行扫描。如果两个组织之间的界面具有不同的声阻抗，则超声波会反射回来。被探头接收后，经过信号放大和信息处理后显示在屏幕上，形成人体的横断面图像，用于临床诊断。

该Labview平台基于一种光声超声内窥成像设备改进而来，该设备技术特点是光声超声内窥成像仪采用共焦检测模式， 该设备具有光声、超声双模态扫描成像功能，见图1。探头内置的超声信号探测器接收来自患者组织的超声波（包括光声信号和超声信号）。主控器执行一系列动作：命令激光器发射激光、超声脉冲发射接收器发射负高压超声脉冲并接收光声和超声信号；输出脉冲信号命令步进电机驱动器驱动探头内的旋转机构执行旋转任务；采集探头的各个位置接收到的原始数据；对数据进行处理并成像。当脉冲激光或者经声光调制的连续激光照射组织后，组织会吸收光能，产生细微的振动，由此发射出超声波。这个超声波我们称之为被照射组织的光声信号。超声换能器接收光声信号，继而在主机内处理，将组织反馈的代表光吸收差异的光声信号反演成像。超声换能器在接到主机内的超声脉冲发射接收器的负高压激励信号后，产生超声波照射组织，组织内的声阻抗差异会使得组织反射超射波，我们称之为被照射组织的回波。超声换能器接收回波信号，继而在主机内处理，将组织反馈的代表声阻抗差异的回波信号反演成像。

图1 光声超声内窥设备原理图

探头内部主要分为以下几个部分：旋转机构、光声和超声成像组件。探头内置的步进电机在接收主控器通过电机驱动器发送的控制信号后，进行旋转或者停止动作。电机通过联轴器和位于导管内，并且与导管同轴的内管紧固连接。电机与内管之间的电气线路连接通过电滑环中转。光纤贯穿光纤卡位器、电机、联轴器、电滑环、内管，由手柄入口处的光纤卡位器固定。

成像组件用于最初发送给人体直肠组织的激励信号（激光和超声）、以及原始的人体直肠组织反馈信号的产生与获取。该部分包括光声成像组件、超声成像组件。光声成像组件是由光纤耦合、非球面镜以及反射镜构成。来自外部光纤的激光经过光纤耦合器进入光路，非球面透镜对其聚焦后，穿过超声换能器中空部分，在反射镜面上反射出光窗，照射人体直肠组织，激发出的组织光声信号返回导管内，被超声换能器接收，上传给超声脉冲发射接收装置进行处理。

超声成像组件由中空的超声换能器构成。超声脉冲发射接收装置发射的负高压脉冲经过电气线缆激励超声换能器产生超声波，超声波透过光声窗，照射人体直肠组织，组织回波返回导管内，被超声换能器接收，上传给超声脉冲发射接收装置进行处理。具体成像参数见表1。

表1内窥扫描探头成像参数

2.2 Labview平台基本工作流程

如图2所示，基于GPU的腔内扫描光声系统，包括信号触发器1、数据采集卡2、超声发射接收器3、内窥扫描头4、图像显示器5、通用计算机6以及图像处理器GPU7；信号触发器1与数据采集卡2、超声发射接收器3连接；数据采集卡2与超声发射接收器连接，采集超声信号；超声发射接收器3与内窥扫描头4连接，激发内窥扫描头发射超声波；通用计算机6与图像处理器GPU7连接，进行数据传递。

图2 内窥成像工作流程图

工作时，信号触发器1发送同步触发器信号以触发超声波发射接收器。超声波发射接收器产生频率为10MHz的脉冲高压电信号，以激励内窥镜扫描头中的超声波换能器进行超声波传输。被检物体发射超声波并被内窥镜扫描头接收，然后返回超声收发两用机进行接收和信号放大，信号触发器1同步触发数据采集卡采集并存储超声收发两用机返回的超声信号，并将A/D转换后的超声信号存储在通用计算机6中。通用计算机6通过PCIE总线协议将存储的信号发送到图像处理器GPU7进行数据图像重建，以获得超声图像矩阵，图像处理器GPU7中的最终数据返回给通用计算机进行显示^[2]。

3 电磁兼容试验标准和关注点

3.1试验标准

根据基于Labview光声内窥成像系统构成可知，电磁兼容试验需满足以下标准YY 0505-2012^[3]、GB 9706.9-2008^[4]、GB 9706.19-2000、GB 9706.20-2000，由于GB 9706.19-2000标准较为老旧，其在36章规定与组织超声波吸引相连的内窥镜附件及其医用电气设备按CISPR11第2组，而光声内窥成像设备并不满足GB4824-2019中定义的2组设备，再者，GB 9706.19对应最新国际标准IEC60601-2-18:2009版已经取消该条款，所以本试验不考虑该条款的相关规定。GB 9706.20-2000未有具有对电磁兼容的特殊要求，只要求按YY0505执行，故本试验主要考虑YY 0505-2012和GB 9706.9-2008标准的相关要求，具体检验项目和要求见表2。

表2 电磁兼容试验标准及要求

3.2试验关注点

GB 9706.9在性能判定中给了一定的放宽，如在附录BB给出了影像型超声诊断设备在抗扰度试验时应能提供基本性能及维持安全，只要其不被识别为生理信号并不影响诊断即可的合格情况包括：（1）图像可以有扰动所产生的有规律的点或断线或线段；（2）图像可以在多普勒轨迹上产生线段；（3）图像和多普勒轨迹可能被噪声信号所覆盖。 从上述可知，由于超声探头发射频率一般在1MHz以上，试验时，出现干扰耦合叠加所产生的图像质量问题是可以理解的，但未对其他方面的性能下降有所放宽，这是需要重点关注，抗扰度测试项目判定举例如下：

（1）静电放电试验：对设备的显示屏，光声探头外壳等进行空气放电；对外壳螺钉，金属支架等进行接触放电。若出现系统死机、系统误报警等现象，则可判定不符合要求。

（2）传导抗扰度试验：对光声探头进行电流钳试验，图像在某些频率段会出现有规律的线段或者噪声点，这些频率段通常是超声探头工作频率的倍频。由于探头最常用的工作频率范围是2MHz-12MHz，传导抗扰度试验的注入频率范围在0.15MHz-80MHz，干扰信号的频率范围包含了探头的工作频率和工作频率的倍频。由这种干扰引起的图像噪声具有一定的规律性，可以与有用的生理信号识别出来，这种试验现象是可判定符合要求。

（3）辐射抗扰度试验：对光声设备的暴露在80MHz-2500MHz的场强中，可能由于光声探头线缆屏蔽性能较差，耦合较多的干扰信号，若出现显示屏黑屏等现象，则可判定不符合要求。

4.结语

本文介绍了基于LabVIEW平台的超声内窥镜成像系统的设计，也分析了该平台下电磁兼容试验的标准与关注点，由于超声内窥技术实现的形式较为多样且不断发展，还有很多需要研究和探讨的问题，为超声内窥设备电磁兼容检验提供一定的指导和借鉴意义。

参考文献

[1]郁道银, 鲍 静, 陈晓冬, 温世杰, 用于医学超声内窥成像系统的数字编码发射电路[J].生物医学工程学杂志，2009，26(03): 484-487.

[2]郑毅,曾俏,熊科迪,伍倚明,宋盟春.基于Labview平台的超声内窥成像系统及方法.中国，CN201810973424.4[p], 2019-01-29.

[3]国家食品药品监督管理局.YY 0505-2012医用电气设备 第1-2部分：安全通用要求并列标准：电磁兼容要求和试验[S].北京：中国标准出版社，2012.

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB 9706.9-2008医用电气设备　第2-37部分：超声诊断和监护设备安全专用要求[S].北京：中国标准出版社，2008.

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