呂鐵軍 韓志樂 李章劍 崔崤峣 中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術(shù)研究所 （蘇州 215163）

一種基于GPU計算的超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)

呂鐵軍 韓志樂 李章劍 崔崤峣 中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術(shù)研究所 （蘇州 215163）

超聲內(nèi)鏡成像（Endoscopic Ultrasound Imaging，EUS）在臨床中具有重要的作用，針對該成像系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計并實現(xiàn)了一種將原始回波數(shù)據(jù)采集傳輸至計算機后，利用GPU（Graphic Processing Unit）作為主要單元進行計算的單陣元旋轉(zhuǎn)式超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包括20MHz壓電陶瓷材料換能器探頭，前端處理模塊，電機以及電機驅(qū)動模塊，基于現(xiàn)場可變編輯門陣列（Field-Programmable Gate Array, FPGA）的數(shù)據(jù)采集與PCI-e數(shù)據(jù)傳輸接口，加速與成像算法部分。利用PDMS（Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）體模和離體豬胃組織進行了成像，驗證了系統(tǒng)成像的性能。

超聲內(nèi)鏡成像系統(tǒng) GPU 壓電陶瓷換能器 離體實驗

崔崤峣，通訊作者

0.引言

超聲內(nèi)鏡（Endoscopic ultrasound imaging，EUS）是將微型高頻超聲探頭安置在內(nèi)鏡頂端或者驅(qū)動軸頂端，插入體腔進行超聲成像的一種技術(shù)。通過實時超聲掃描可以獲取管壁層次的組織聲學特征和臨近臟器的超聲圖像。由于超聲探頭隨內(nèi)鏡插入臟器腔內(nèi)時更加接近病變部位，縮短了聲波的傳導深度并減小了回波信號的衰減，因此提高了圖像分辨率。而與光學內(nèi)鏡成像相比，超聲內(nèi)鏡成像可以提供局部的并可發(fā)現(xiàn)早起病變和微小腫瘤，現(xiàn)在已經(jīng)作為消化道疾病診斷、腫瘤性質(zhì)鑒別、惡性腫瘤分期以及消化管外臟器檢查的重要手段[1～4]。消化道黏膜下腫瘤有時常規(guī)內(nèi)鏡檢查很難明確診斷，內(nèi)鏡超聲檢查可明確其起源層次及性質(zhì)、鑒別壁外壓迫、選擇治療手段[5～6]。依據(jù)探頭類型不同，可以分為凸陣超聲內(nèi)鏡、線陣電子環(huán)掃型超聲內(nèi)鏡和單陣元機械環(huán)掃型超聲內(nèi)鏡[7]。系統(tǒng)的換能器中心頻率、帶寬等參數(shù)影響成像和成像分辨率相比于7.5MHz，12MHz的超聲內(nèi)鏡，中心頻率更高的超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)雖然會降低成像深度，但是會提供更好的成像分辨率，能提供更加細膩的組織表層信息[8]。

本文介紹了一種中心頻率為20MHz的單陣元旋轉(zhuǎn)式超聲內(nèi)鏡系統(tǒng)，并利用自己研制的高頻壓電陶瓷換能器在仿體和離體豬胃組織實驗中驗證了成像效果。

1.系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由換能器、系統(tǒng)前端、基于FPGA的數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊以及成像算法等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)的示意圖如圖1。

1.1 換能器

圖1. 系統(tǒng)示意圖

圖2. 換能器回波測試結(jié)果

用于內(nèi)窺超聲微探頭超聲換能器為自行的研制。換能器主要采用壓電陶瓷作為壓電層，主要采用單匹配層的設(shè)計，仿真和制作后[9]，換能器回波測試結(jié)果如圖2（DPR500，Pulse-echo方式，回波反射材料為亞克力，換能器與發(fā)射材料距離10mm），中心頻率為19.1MHz，帶寬49%；該換能器帶寬參數(shù)和回波強度已經(jīng)能夠達到內(nèi)窺鏡的基本要求。換能器回波測試參數(shù)如圖2。

1.2 系統(tǒng)前端

如圖3所示，系統(tǒng)前端部分包括脈沖發(fā)射模塊、發(fā)射接收開關(guān)、回波信號放大、電機以及電機驅(qū)動。其功能為控制換能器和驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)，換能器的脈沖激勵和回波預處理，并提供機械連接和支撐結(jié)構(gòu)。具體的，通過電機、以及連接旋轉(zhuǎn)變壓器與換能器的驅(qū)動軸來控制換能器的旋轉(zhuǎn)。高壓脈沖模塊發(fā)射激勵脈沖，回波信號通過旋轉(zhuǎn)變壓器耦合后經(jīng)過低噪聲放大然后接入數(shù)據(jù)采集卡。

脈沖發(fā)射部分包括控制時序和脈沖發(fā)射。控制信號由電機編碼器輸出的編碼信號經(jīng)過邏輯電平轉(zhuǎn)換和FPGA中的時序調(diào)節(jié)實現(xiàn)，在此應(yīng)用中實現(xiàn)了中心頻率為20MHz的雙極性激勵脈沖，其電壓峰峰值為100Vp-p，峰值電流2A。

因換能器回波信號較弱，直接通過驅(qū)動軸和探頭傳輸線進行傳輸信噪比會很差，因此在前端部分加入一級低噪聲放大，有效的降低了傳輸過程中噪聲信號的引入。

1.3 成像與加速算法

圖3. 系統(tǒng)前端功能與接口圖

圖4. 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

圖5. 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

系統(tǒng)每條線采樣數(shù)據(jù)為14bit×2048，掃描一周對應(yīng)的每幀數(shù)據(jù)包含512條線。基于PCI-e的數(shù)據(jù)傳輸接口滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸要求，且有著足夠的冗余，相對傳統(tǒng)的回波數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA處理后在上位機顯示的模式，該系統(tǒng)采用原始數(shù)據(jù)全部上傳至上位機進行處理的模式進行處理。數(shù)據(jù)經(jīng)PCI-e接口傳至上位機內(nèi)存進行處理成像。數(shù)據(jù)處理基于GPU的CUDA平臺實現(xiàn)，能顯著提高數(shù)據(jù)處理速度，提高圖像幀率。圖4為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖（A-E）[10]。

圖5為成像算法。具體的，數(shù)據(jù)首先經(jīng)過帶通濾波器進行濾波處理，濾除掉干擾噪聲，然后經(jīng)Hilbert變換和對數(shù)壓縮，之后經(jīng)過灰度變換以及坐標變換，這樣就得到可以顯示的超聲圖像[11]。

2.實驗結(jié)果與討論

圖6.a為仿體成像系統(tǒng)實物圖，利用PDMS仿體進行仿體成像，連接換能器的驅(qū)動軸本方案未設(shè)計和制作。利用剛性軸代替（圖6.b），將PDMS仿體中充滿去離子水，電機帶動剛性驅(qū)動軸保持高速旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)換能器360?掃描成像。

同時也使用中心頻率為19.1MHz的換能器對健康的離體豬胃組織進行了成像實驗，以驗證成像系統(tǒng)和換能器的成像效果。在圖中（圖7）可以清晰的看到豬胃壁組織的五層結(jié)構(gòu)，胃壁組織的邊界分層結(jié)構(gòu)和細節(jié)都較為清晰可見，基本滿足成像需求。

3.結(jié)束語

本文介紹了一種基于自行研制的中心頻率為20MHz的單陣元換能器的機械旋轉(zhuǎn)式成像系統(tǒng)，詳細介紹了該系統(tǒng)的前端模塊設(shè)計、換能器參數(shù)、成像算法等內(nèi)容，并在離體的豬胃實驗中驗證了系統(tǒng)的成像效果。該系統(tǒng)對后期高頻率換能器的單陣元成像應(yīng)用具有實際指導意義。

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A Graphic Processing Unit based Endoscopic UltrasoundImaging System

LU Tie-jun HAN Zhi-le LI Zhang-jian CUI Xiao-yao Suzhou Institute Of Biomedical Engineering And, Technology Chinese Academy Of Sciences (Suzhou 215163)

Endoscopic ultrasound imaging (EUS) has an important role in clinics. In order to meet the functional requirements of this imaging modality, we have designed and implemented a single element rotary endoscopic ultrasound imaging system, using GPU (graphic processing unit) as primary processing component to accomplish most of the computationsafter raw data acquisition and transmission to the computer. The whole system includes a 20MHz-piezoelectric ceramic transducer, front-end processing module, motor and its driver module, data acquisition and PCI-e data transmission interface based on Field – Programmable Gate Array (FPGA), and acceleration imaging algorithm. The imaging performance of the system was verified by using the PDMS phantom and the in-vitro gastric tissue of the pigs.

endoscopic ultrasound imaging (EUS) system, GPU, piezoelectric ceramic transducer， in-vitro experiment

圖6. a仿體成像；b 連接換能器的剛性驅(qū)動軸

圖7. 豬胃成像

1006-6586(2016)05-0001-03

R445.1

A

2016-01-16