本文設計并完成了一種經直腸三維超聲成像系統。該系統主要用于前列腺的三維超聲成像,通過采集經直腸二維超聲圖像序列來重建三維圖像,并可用于前列腺的穿刺導引。系統由硬件設備和軟件程序兩部分組成,硬件設備包括用于固定直腸探頭并進行旋轉掃描的機械裝置、步進電機、步進電機控制電路、二維B超成像系統,以及計算機(PC)工作站;軟件程序包括控制電路的單片機程序和PC工作站的軟件程序。通過水和瓊脂對該系統進行了驗證,試驗結果表明通過該系統能夠采集到目標體的三維超聲圖像,且精度較高。
引用本文： 陳益民, 齊建, 丁明躍, 張旭明. 一種經直腸三維超聲成像系統. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(4): 917-922. doi: 10.7507/1001-5515.20140172 復制
引言
前列腺是男性泌尿系統的一部分，前列腺癌是男性高發的疾病之一，致死率高[1]。目前前列腺癌的檢測手段主要為直腸指診(digital rectal examination，DRE)、前列腺特異性抗原(prostate specific antigen，PSA)篩查、經直腸超聲檢查和前列腺穿刺活檢，其中前列腺穿刺活檢可以獲取病變組織進行病理學檢查，是前列腺癌診斷的金標準[2-3]。
在各種前列腺穿刺活檢方法中，經直腸超聲引導因具有安全可靠、經濟且簡單易行等優點，在臨床中得到了廣泛的應用[4]。醫生采用經直腸超聲探頭來引導穿刺針到達前列腺部位。穿刺過程中，穿刺針始終位于超聲探頭的上端平面上，這樣穿刺針在超聲圖像中總是可見的。醫生操作探頭插入人體直腸來對前列腺進行成像。一般在每次穿刺過程中，平均需要取10個活檢組織來進行檢測[5]。每個活檢組織取于前列腺的不同部位，病理分析人員能夠通過這些組織來確定腫瘤的大小和擴散范圍。
雖然經直腸超聲成像引導穿刺已廣泛應用于泌尿疾病診斷，但是它仍然存在一定的局限性。目前經直腸超聲引導主要采用二維超聲，醫生需要將獲得的二維圖像根據自己的解剖知識和經驗來想象針在人體三維組織結構中的位置，較難精確定位穿刺點，易造成漏穿、誤穿[6]。相比于二維圖像，三維超聲圖像能夠提供立體的直觀圖像，醫生在穿刺過程中，能夠準確地掌握前列腺與穿刺針的位置，可大大提高穿刺的準確率[7]。因此，經直腸三維超聲成像系統對于前列腺穿刺活檢具有重要的意義。
本文設計了一個簡單易用的低成本經直腸三維超聲成像系統，該系統采集經直腸二維超聲圖像序列并重建為三維超聲圖像顯示，用于前列腺的三維超聲成像，為前列腺穿刺導引提供圖像導引。
1 系統設計
1.1 系統硬件設計
三維超聲系統硬件部分主要由機械裝置、步進電機、電機控制電路、B超系統、帶數據采集卡計算機(personal computer，PC)工作站組成。通過各部分的協調工作，實現探頭旋轉掃描、位置信息記錄、二維圖像采集等功能。以下主要對硬件系統中的重要部分--機械裝置、電機以及控制電路進行介紹。
1.1.1 機械裝置
機械裝置由三部分組成：探頭支架、傳動系統以及底座支架，其中探頭支架固定直腸探頭，傳動系統帶動探頭轉動，底座支架用來支持上述兩部分。本機械裝置設計的裝配圖和實物圖如圖 1所示，為了降低重量，采用鋁合金材料來加工探頭支架和傳動系統。
圖1
機械設計圖和實物圖
Figure1.
Mechanical design and actual map
直腸探頭如圖 2所示，探頭可以分為兩部分：前端壓電晶體陣列和后端手持部分。探頭中的壓電晶體陣列位于探頭前端的側面，且前端為圓柱形，對患者進行檢查時，該部分經直腸插入體內。后端手持部分為扁平狀，在B超成像時，醫生手持該部分將探頭插入直腸對前列腺進行掃描。探頭的基本尺寸如圖 2所示，其中前半部分長度約為23.0 cm，直徑約為1.8 cm，后端手持部分長度約為20.0 cm，手持部分整體截面最高約為4.1 cm。本系統采用U型槽裝置來裝載并固定探頭(見圖 1)。U型槽長度為20.5 cm，寬度為25.0 cm，高度為6.2 cm，在U型槽兩側，各設計了兩個螺紋孔，用于探頭的固定，為了保證探頭在直腸內旋轉掃描時與U型槽相對靜止，螺紋孔的直徑應該較大，以增大螺絲與探頭的接觸面積，從而使得探頭穩固，本研究中螺紋孔的直徑為6.0 cm，且采用兩側對稱的方式來穩定探頭。
圖2
直腸探頭及尺寸
Figure2.
Rectal probe and its size
采用直腸探頭旋轉掃描進行三維成像時，后期的三維圖像重建程序假定所掃描的二維平面均具有同一個軸心，這樣二維圖像序列根據一定的角度進行插值并進行立體顯示可得到三維圖像，因此要求探頭前端圓柱部分在旋轉時，與電機同軸轉動。為了達到這一要求，在U型槽的前端設計了一個帶圓孔的方形板，在U型槽背部設計了與傳動軸相連的圓盤，在機械設計上，方形板的中心與圓盤的中心在同一個軸上。方形板的圓孔直徑為18.5 cm，在使用U型槽將探頭后端固定前，將探頭的前端圓柱部分套入方形板圓孔中，且將方形板滑至距離手持部分最近處，然后將方形板固定在U型槽的前端，最后用U型槽兩端的螺絲將探頭壓緊固定，這樣探頭的中心與后端圓盤的中心位于一個軸上，即圓盤與探頭為同軸轉動。采用該方式固定探頭時，由于方形板具有一定的厚度，實現同軸轉動的同時，也能對探頭起到一定的穩固作用。
傳動系統用來連接U型槽與步進電機，使得步進電機能夠帶動U型槽轉動，主要包括傳動軸、軸承以及固定裝置。其中傳動軸一端與U型槽背部的圓盤相連，另一端與電機軸相連。
1.1.2 步進電機和控制電路
本系統采用步進電機來控制探頭旋轉掃描，它放置在傳動系統后端的槽中，與傳動軸相連，帶動傳動軸以及前端用于固定探頭的U型槽一起轉動，電機軸與傳動軸以及前端探頭軸在一條直線上，從而使得掃描的三維體是一個以電機軸為中心的扇形結構，為減少電機振動導致的位移，在傳動系統的電機槽兩邊對稱采用螺絲對電機進行固定。為了使得后期三維重建圖像更為精確，考慮后期重建程序速度的前提下，要求電機控制旋轉掃描時，盡可能在掃描的扇形體的各個角度采集到二維超聲圖像，減少重建過程的插值面。
電機控制電路是硬件部分的核心，控制電機的轉動，并負責與上位機進行通訊，為上位機提供電機轉動的狀態。本系統使用的電機為混合式步進電機，采用脈沖方式來實現電機的轉動控制，通過控制發送脈沖的個數來控制電機旋轉的角度，通過改變脈沖的頻率來控制電機的速度和加速度。該硬件控制電路主要由以下幾部分構成：電源、單片機系統、光電隔離、電機驅動電路、過流保護電路。單片機是整體控制系統的核心，它通過輸入輸出(input/output,I/O)口發射電信號控制電機轉動，并通過串口負責與上位機進行通訊[8]。過流保護電路是電機控制中對驅動芯片的一種保護電路，由于步進電機內部主要器件為電感，驅動芯片通過控制電流的方式來驅動電機轉動，當在某個瞬間電機突然掉電時，其內部的電感具有儲能特性，電流不會突變[9]，不會引起一個很大的電壓加在驅動芯片上而使芯片損壞。本電路在外圍加入了過流保護電路。
1.2 系統軟件設計
三維超聲成像系統軟件程序主要包括兩部分：控制系統中單片機的固件程序和PC工作站的軟件程序。單機機固件程序實現電機參數的設置并控制I/O口發射信號實現電機的轉動、停止、換向、復位等功能，它還通過串口與PC工作站進行通訊，根據PC工作站的指令控制電機并回傳電機的工作狀態。PC工作站軟件程序通過串口向單片機發送控制指令，同時根據串口的返回信號控制圖像采集卡采集圖像序列的數據進入內存并進行三維圖像重建。
1.2.1 單片機控制程序
單片機控制程序是硬件電路中控制的大腦，它主要完成兩大功能：與PC串口通訊和控制電機轉動。單片機需要循環向外發送脈沖信號，脈沖信號的頻率決定了電機的旋轉速度，同時單片機需要能夠接收上位機的串口信號，串口中斷負責上位機的通訊，定時器中斷負責發射脈沖頻率的設定。
探頭旋轉的方式如圖 3所示。探頭在起始位置1時，它的壓電晶體陣列面朝正上方，從串口得到開始掃描的指令后，探頭的運動路徑為1-2-1-3-1，其中有效掃描路徑為2-1-3這部分，即該部分采集的圖像數據序列用于后期的三維圖像重建。單片機程序啟動時，主函數中初始化單片機和電機的各個參數。單片機的參數包括各個定時器的初值、工作方式以及各個中斷的開閉和優先級等，電機的參數則包括發射的脈沖數。在對單片機和電機的各個參數進行初始化之后，單片機進入串口通訊的死循環，不斷等待上位機的控制指令，當接收到上位機開始掃描的信號后，單片機通過中斷控制電機轉動，其轉動路徑即為探頭的旋轉路徑，其中在位置2和位置3均通過串口向PC工作站發送位置信號，在掃描完成后，電機復位至中間。
圖3
探頭掃描方式
Figure3.
Probe scanning mode
1.2.2 PC工作站程序
主要完成三個功能：串口通訊、圖像采集和三維圖像重建。其中串口通訊負責發送控制指令給串口并接收來自串口的消息，以獲得探頭的轉動狀態，圖像采集負責初始化圖像采集卡，采集B超圖像的圖像數據等功能，三維圖像重建負責將獲得的二維圖像序列按照一定的算法進行重建并進行三維顯示。工作站程序流程圖如圖 4所示。
圖4
工作站程序流程圖
Figure4.
Flow chart of the workstation
程序啟動時，首先初始化圖像采集卡參數，然后發送掃描開始信號給串口，控制電路接收到開始指令后，電機轉動帶動探頭掃描，在探頭開始有效掃描時，控制電路的有效掃描開始信號通過串口回傳給工作站程序，工作站程序控制數據采集卡開始進行循環采集圖像到內存，直到從串口接收到有效采集停止信號，記錄下采集的二維圖像序列的幀數，置于內存中的圖像數據用于三維重建，本系統的三維重建是采用本實驗室自主開發的三維重建庫和DLL完成的。
2 實驗結果
我們設計了三個實驗來對本系統進行驗證和精度分析，在實驗中分別選用了不同的媒介和成像物體作為目標，實驗結果表明，本系統能夠進行三維成像且精度在1 mm以下。
2.1 直線實驗
本系統中，三維圖像是由序列二維圖像重建得到的，在二維圖像采集過程中，采集圖像的不均勻性和連續性會影響重建三維圖像的變形程度，進而導致測量成像物體長度、體積等參數時出現誤差。為了評估本系統對于長度測量的精確度，我們對一個已知尺寸的體模進行成像并測量所獲得三維圖像中的長度參數。本實驗選擇如圖 5所示帶線盒子進行實驗，該盒子有8根細線對稱穿過盒子，我們選擇2根作為目標進行成像，它們之間的距離為20 mm。在進行實驗前，首先將盒子中注入水且淹過線，然后將探頭直立放入其中找準線的位置并對線進行三維成像，實驗過程如圖 5所示。圖 6為三維重建結果，其中圖 6(a)為掃描得到的三維圖像，兩條較亮的線即為直線的三維圖像，圖 6(b)為掃描面圖像，圖 6(c)為重建面圖像。測量重建面兩條線之間的距離為19.7 mm，與實際誤差為0.3 mm。
圖5
直線測量實驗和精度測量盒子
Figure5.
Experiments on lines and the box with lines
圖6
直線的三維重建結果
(a)掃描得到的三維圖像;(b)掃描面圖像;(c)重建面圖像
Figure6. Results of the lines after 3D reconstruction(a) 3D scanned image; (b) scanning plane; (c) reconstructed plane
2.2 塑膠手套實驗
直線實驗說明本系統重建圖像在重建面長度測量上能夠準確得到物體的尺寸，但受限于系統所采用的B超系統和探頭，直線在整個三維體中并不是特別明顯，僅能在重建面上顯示直線的圖像，對于整個物體的變形程度沒有一個直觀的成像說明。為了進一步評估該系統三維成像效果的變形度，我們采用規則的圓形物體進行成像，這樣對于成像結果有一個直觀定量的評估。選用水來作為傳播介質，塑膠手套手指作為成像物體，該手指較為均勻，充滿水后，手指近似為一個圓柱形物體。手指直徑約為18.5 mm。在方形的盒子里注入水，塑膠手套內也裝入水并垂直放置在水盒中，實驗中探頭垂直放入水中，將手套的手指作為成像目標，用于支撐整體機械裝置的LCD支架固定在桌子的邊緣，如圖 7所示。
圖7
塑膠手套實驗和塑膠手套模型
Figure7.
Experiments on plastic gloves
水對超聲波的吸收系數較小，1 MHz時僅為0.002 2 dB/cm，且成像體僅包括水和手套，因此得到的成像效果較為理想，如圖 8所示。能夠清楚地看到手套的手指形狀，邊緣非常清晰，且在重建面其形狀為規則的圓形。在重建面對手指直徑進行測量，六次測量結果分別為：18.8、18.5、18.5、18.1、18.1、18.8 mm，平均值約為18.5 mm(手指直徑真實值為18.5 mm)。
圖8
塑膠手套的重建結果
Figure8.
Reconstruction results of the plastic gloves
2.3 瓊脂假體實驗
為了進一步模擬真實人體的成像效果，我們制作了瓊脂體模和相應的模具，體模的配方根據國家標準GB10152-1997《B超診斷設備》和JJG639-1998《醫用超聲診斷儀超聲源》規定來進行設計，利用瓊脂制作的體模聲學特性較好，與人體的聲阻抗特性類似，可以用于前期三維超聲成像系統的質量評估。本實驗制作體模的配方為：800 mL蒸餾水；32 mL甘油；16 g 瓊脂粉。
本實驗采用的模具制作流程如下：在一個方向塑膠盒的兩個側面對稱地鉆兩個圓孔，將一個圓柱體插入孔中穿過盒子，然后用密封膠條將圓柱體與盒子處的縫隙封住，就做成了一個簡易的模仿直腸的模具。此外，我們采用鵪鶉蛋作為成像物體模仿前列腺，用細線穿過煮熟的鵪鶉蛋，并固定在模具內，鵪鶉蛋位于圓柱體的正上方，且盡量遠離四個盒壁，這樣進行三維成像掃描時能夠對它進行整體成像并減少盒壁的干擾。最后的體模如圖 9上圖所示，探頭插入其中，進行旋轉掃描。在探頭表面涂有耦合劑用于與瓊脂假體進行耦合，實驗結果如圖 9下圖所示。三維體中較亮的那條直線為瓊脂假體的表面，直線以上為瓊脂假體的三維超聲成像結構，其中我們可以看到鵪鶉蛋的基本形狀。
圖9
瓊脂假體和三維掃描結果
Figure9.
Agar phantom and the 3D reconstruction result
3 結論
上述兩個實驗，水中的效果明顯好于瓊脂假體。在水中實驗時，可清晰看到成像目標手套手指的邊界輪廓，而在瓊脂假體中，對鵪鶉蛋的成像則顯得較為模糊。主要有以下幾個原因：① 水中實驗時，介質比較單一，均勻性好，且成像目標明確；② 水對超聲波的衰減較小；③ 自制的瓊脂假體均勻性較差，瓊脂假體和鵪鶉蛋本身對超聲波的衰減系數相差不大，導致對鵪鶉蛋成像結果較為模糊。
本文設計了一種經直腸的三維超聲成像系統，并通過三個實驗對該系統進行了評價。該三維超聲成像系統體積龐大，不方便操作，三維重建速度較慢，無法達到實時處理，系統在假體上進行實驗并給出了相應的實驗結果以及部分參數的評估。本系統采用的B超系統所得到的二維圖像質量不佳，直接影響了后期三維重建結果。為了對該系統進行更客觀的評價需要設計更多的假體來進行掃描實驗，比較實驗值和真實值之間幾何尺寸的差異。為了提高掃描的速度和精度，需要對機械掃描裝置進行重新設計，提升系統的工作性能。在將來的工作中，將采用更高質量的B超系統獲取高分辨率的二維圖像序列進行重建，并將重建結果與現有結果進行比較，并最終應用于臨床。
引言
前列腺是男性泌尿系統的一部分，前列腺癌是男性高發的疾病之一，致死率高[1]。目前前列腺癌的檢測手段主要為直腸指診(digital rectal examination，DRE)、前列腺特異性抗原(prostate specific antigen，PSA)篩查、經直腸超聲檢查和前列腺穿刺活檢，其中前列腺穿刺活檢可以獲取病變組織進行病理學檢查，是前列腺癌診斷的金標準[2-3]。
在各種前列腺穿刺活檢方法中，經直腸超聲引導因具有安全可靠、經濟且簡單易行等優點，在臨床中得到了廣泛的應用[4]。醫生采用經直腸超聲探頭來引導穿刺針到達前列腺部位。穿刺過程中，穿刺針始終位于超聲探頭的上端平面上，這樣穿刺針在超聲圖像中總是可見的。醫生操作探頭插入人體直腸來對前列腺進行成像。一般在每次穿刺過程中，平均需要取10個活檢組織來進行檢測[5]。每個活檢組織取于前列腺的不同部位，病理分析人員能夠通過這些組織來確定腫瘤的大小和擴散范圍。
雖然經直腸超聲成像引導穿刺已廣泛應用于泌尿疾病診斷，但是它仍然存在一定的局限性。目前經直腸超聲引導主要采用二維超聲，醫生需要將獲得的二維圖像根據自己的解剖知識和經驗來想象針在人體三維組織結構中的位置，較難精確定位穿刺點，易造成漏穿、誤穿[6]。相比于二維圖像，三維超聲圖像能夠提供立體的直觀圖像，醫生在穿刺過程中，能夠準確地掌握前列腺與穿刺針的位置，可大大提高穿刺的準確率[7]。因此，經直腸三維超聲成像系統對于前列腺穿刺活檢具有重要的意義。
本文設計了一個簡單易用的低成本經直腸三維超聲成像系統，該系統采集經直腸二維超聲圖像序列并重建為三維超聲圖像顯示，用于前列腺的三維超聲成像，為前列腺穿刺導引提供圖像導引。
1 系統設計
1.1 系統硬件設計
三維超聲系統硬件部分主要由機械裝置、步進電機、電機控制電路、B超系統、帶數據采集卡計算機(personal computer，PC)工作站組成。通過各部分的協調工作，實現探頭旋轉掃描、位置信息記錄、二維圖像采集等功能。以下主要對硬件系統中的重要部分--機械裝置、電機以及控制電路進行介紹。
1.1.1 機械裝置
機械裝置由三部分組成：探頭支架、傳動系統以及底座支架，其中探頭支架固定直腸探頭，傳動系統帶動探頭轉動，底座支架用來支持上述兩部分。本機械裝置設計的裝配圖和實物圖如圖 1所示，為了降低重量，采用鋁合金材料來加工探頭支架和傳動系統。
圖1
機械設計圖和實物圖
Figure1.
Mechanical design and actual map
直腸探頭如圖 2所示，探頭可以分為兩部分：前端壓電晶體陣列和后端手持部分。探頭中的壓電晶體陣列位于探頭前端的側面，且前端為圓柱形，對患者進行檢查時，該部分經直腸插入體內。后端手持部分為扁平狀，在B超成像時，醫生手持該部分將探頭插入直腸對前列腺進行掃描。探頭的基本尺寸如圖 2所示，其中前半部分長度約為23.0 cm，直徑約為1.8 cm，后端手持部分長度約為20.0 cm，手持部分整體截面最高約為4.1 cm。本系統采用U型槽裝置來裝載并固定探頭(見圖 1)。U型槽長度為20.5 cm，寬度為25.0 cm，高度為6.2 cm，在U型槽兩側，各設計了兩個螺紋孔，用于探頭的固定，為了保證探頭在直腸內旋轉掃描時與U型槽相對靜止，螺紋孔的直徑應該較大，以增大螺絲與探頭的接觸面積，從而使得探頭穩固，本研究中螺紋孔的直徑為6.0 cm，且采用兩側對稱的方式來穩定探頭。
圖2
直腸探頭及尺寸
Figure2.
Rectal probe and its size
采用直腸探頭旋轉掃描進行三維成像時，后期的三維圖像重建程序假定所掃描的二維平面均具有同一個軸心，這樣二維圖像序列根據一定的角度進行插值并進行立體顯示可得到三維圖像，因此要求探頭前端圓柱部分在旋轉時，與電機同軸轉動。為了達到這一要求，在U型槽的前端設計了一個帶圓孔的方形板，在U型槽背部設計了與傳動軸相連的圓盤，在機械設計上，方形板的中心與圓盤的中心在同一個軸上。方形板的圓孔直徑為18.5 cm，在使用U型槽將探頭后端固定前，將探頭的前端圓柱部分套入方形板圓孔中，且將方形板滑至距離手持部分最近處，然后將方形板固定在U型槽的前端，最后用U型槽兩端的螺絲將探頭壓緊固定，這樣探頭的中心與后端圓盤的中心位于一個軸上，即圓盤與探頭為同軸轉動。采用該方式固定探頭時，由于方形板具有一定的厚度，實現同軸轉動的同時，也能對探頭起到一定的穩固作用。
傳動系統用來連接U型槽與步進電機，使得步進電機能夠帶動U型槽轉動，主要包括傳動軸、軸承以及固定裝置。其中傳動軸一端與U型槽背部的圓盤相連，另一端與電機軸相連。
1.1.2 步進電機和控制電路
本系統采用步進電機來控制探頭旋轉掃描，它放置在傳動系統后端的槽中，與傳動軸相連，帶動傳動軸以及前端用于固定探頭的U型槽一起轉動，電機軸與傳動軸以及前端探頭軸在一條直線上，從而使得掃描的三維體是一個以電機軸為中心的扇形結構，為減少電機振動導致的位移，在傳動系統的電機槽兩邊對稱采用螺絲對電機進行固定。為了使得后期三維重建圖像更為精確，考慮后期重建程序速度的前提下，要求電機控制旋轉掃描時，盡可能在掃描的扇形體的各個角度采集到二維超聲圖像，減少重建過程的插值面。
電機控制電路是硬件部分的核心，控制電機的轉動，并負責與上位機進行通訊，為上位機提供電機轉動的狀態。本系統使用的電機為混合式步進電機，采用脈沖方式來實現電機的轉動控制，通過控制發送脈沖的個數來控制電機旋轉的角度，通過改變脈沖的頻率來控制電機的速度和加速度。該硬件控制電路主要由以下幾部分構成：電源、單片機系統、光電隔離、電機驅動電路、過流保護電路。單片機是整體控制系統的核心，它通過輸入輸出(input/output,I/O)口發射電信號控制電機轉動，并通過串口負責與上位機進行通訊[8]。過流保護電路是電機控制中對驅動芯片的一種保護電路，由于步進電機內部主要器件為電感，驅動芯片通過控制電流的方式來驅動電機轉動，當在某個瞬間電機突然掉電時，其內部的電感具有儲能特性，電流不會突變[9]，不會引起一個很大的電壓加在驅動芯片上而使芯片損壞。本電路在外圍加入了過流保護電路。
1.2 系統軟件設計
三維超聲成像系統軟件程序主要包括兩部分：控制系統中單片機的固件程序和PC工作站的軟件程序。單機機固件程序實現電機參數的設置并控制I/O口發射信號實現電機的轉動、停止、換向、復位等功能，它還通過串口與PC工作站進行通訊，根據PC工作站的指令控制電機并回傳電機的工作狀態。PC工作站軟件程序通過串口向單片機發送控制指令，同時根據串口的返回信號控制圖像采集卡采集圖像序列的數據進入內存并進行三維圖像重建。
1.2.1 單片機控制程序
單片機控制程序是硬件電路中控制的大腦，它主要完成兩大功能：與PC串口通訊和控制電機轉動。單片機需要循環向外發送脈沖信號，脈沖信號的頻率決定了電機的旋轉速度，同時單片機需要能夠接收上位機的串口信號，串口中斷負責上位機的通訊，定時器中斷負責發射脈沖頻率的設定。
探頭旋轉的方式如圖 3所示。探頭在起始位置1時，它的壓電晶體陣列面朝正上方，從串口得到開始掃描的指令后，探頭的運動路徑為1-2-1-3-1，其中有效掃描路徑為2-1-3這部分，即該部分采集的圖像數據序列用于后期的三維圖像重建。單片機程序啟動時，主函數中初始化單片機和電機的各個參數。單片機的參數包括各個定時器的初值、工作方式以及各個中斷的開閉和優先級等，電機的參數則包括發射的脈沖數。在對單片機和電機的各個參數進行初始化之后，單片機進入串口通訊的死循環，不斷等待上位機的控制指令，當接收到上位機開始掃描的信號后，單片機通過中斷控制電機轉動，其轉動路徑即為探頭的旋轉路徑，其中在位置2和位置3均通過串口向PC工作站發送位置信號，在掃描完成后，電機復位至中間。
圖3
探頭掃描方式
Figure3.
Probe scanning mode
1.2.2 PC工作站程序
主要完成三個功能：串口通訊、圖像采集和三維圖像重建。其中串口通訊負責發送控制指令給串口并接收來自串口的消息，以獲得探頭的轉動狀態，圖像采集負責初始化圖像采集卡，采集B超圖像的圖像數據等功能，三維圖像重建負責將獲得的二維圖像序列按照一定的算法進行重建并進行三維顯示。工作站程序流程圖如圖 4所示。
圖4
工作站程序流程圖
Figure4.
Flow chart of the workstation
程序啟動時，首先初始化圖像采集卡參數，然后發送掃描開始信號給串口，控制電路接收到開始指令后，電機轉動帶動探頭掃描，在探頭開始有效掃描時，控制電路的有效掃描開始信號通過串口回傳給工作站程序，工作站程序控制數據采集卡開始進行循環采集圖像到內存，直到從串口接收到有效采集停止信號，記錄下采集的二維圖像序列的幀數，置于內存中的圖像數據用于三維重建，本系統的三維重建是采用本實驗室自主開發的三維重建庫和DLL完成的。
2 實驗結果
我們設計了三個實驗來對本系統進行驗證和精度分析，在實驗中分別選用了不同的媒介和成像物體作為目標，實驗結果表明，本系統能夠進行三維成像且精度在1 mm以下。
2.1 直線實驗
本系統中，三維圖像是由序列二維圖像重建得到的，在二維圖像采集過程中，采集圖像的不均勻性和連續性會影響重建三維圖像的變形程度，進而導致測量成像物體長度、體積等參數時出現誤差。為了評估本系統對于長度測量的精確度，我們對一個已知尺寸的體模進行成像并測量所獲得三維圖像中的長度參數。本實驗選擇如圖 5所示帶線盒子進行實驗，該盒子有8根細線對稱穿過盒子，我們選擇2根作為目標進行成像，它們之間的距離為20 mm。在進行實驗前，首先將盒子中注入水且淹過線，然后將探頭直立放入其中找準線的位置并對線進行三維成像，實驗過程如圖 5所示。圖 6為三維重建結果，其中圖 6(a)為掃描得到的三維圖像，兩條較亮的線即為直線的三維圖像，圖 6(b)為掃描面圖像，圖 6(c)為重建面圖像。測量重建面兩條線之間的距離為19.7 mm，與實際誤差為0.3 mm。
圖5
直線測量實驗和精度測量盒子
Figure5.
Experiments on lines and the box with lines
圖6
直線的三維重建結果
(a)掃描得到的三維圖像;(b)掃描面圖像;(c)重建面圖像
Figure6. Results of the lines after 3D reconstruction(a) 3D scanned image; (b) scanning plane; (c) reconstructed plane
2.2 塑膠手套實驗
直線實驗說明本系統重建圖像在重建面長度測量上能夠準確得到物體的尺寸，但受限于系統所采用的B超系統和探頭，直線在整個三維體中并不是特別明顯，僅能在重建面上顯示直線的圖像，對于整個物體的變形程度沒有一個直觀的成像說明。為了進一步評估該系統三維成像效果的變形度，我們采用規則的圓形物體進行成像，這樣對于成像結果有一個直觀定量的評估。選用水來作為傳播介質，塑膠手套手指作為成像物體，該手指較為均勻，充滿水后，手指近似為一個圓柱形物體。手指直徑約為18.5 mm。在方形的盒子里注入水，塑膠手套內也裝入水并垂直放置在水盒中，實驗中探頭垂直放入水中，將手套的手指作為成像目標，用于支撐整體機械裝置的LCD支架固定在桌子的邊緣，如圖 7所示。
圖7
塑膠手套實驗和塑膠手套模型
Figure7.
Experiments on plastic gloves
水對超聲波的吸收系數較小，1 MHz時僅為0.002 2 dB/cm，且成像體僅包括水和手套，因此得到的成像效果較為理想，如圖 8所示。能夠清楚地看到手套的手指形狀，邊緣非常清晰，且在重建面其形狀為規則的圓形。在重建面對手指直徑進行測量，六次測量結果分別為：18.8、18.5、18.5、18.1、18.1、18.8 mm，平均值約為18.5 mm(手指直徑真實值為18.5 mm)。
圖8
塑膠手套的重建結果
Figure8.
Reconstruction results of the plastic gloves
2.3 瓊脂假體實驗
為了進一步模擬真實人體的成像效果，我們制作了瓊脂體模和相應的模具，體模的配方根據國家標準GB10152-1997《B超診斷設備》和JJG639-1998《醫用超聲診斷儀超聲源》規定來進行設計，利用瓊脂制作的體模聲學特性較好，與人體的聲阻抗特性類似，可以用于前期三維超聲成像系統的質量評估。本實驗制作體模的配方為：800 mL蒸餾水；32 mL甘油；16 g 瓊脂粉。
本實驗采用的模具制作流程如下：在一個方向塑膠盒的兩個側面對稱地鉆兩個圓孔，將一個圓柱體插入孔中穿過盒子，然后用密封膠條將圓柱體與盒子處的縫隙封住，就做成了一個簡易的模仿直腸的模具。此外，我們采用鵪鶉蛋作為成像物體模仿前列腺，用細線穿過煮熟的鵪鶉蛋，并固定在模具內，鵪鶉蛋位于圓柱體的正上方，且盡量遠離四個盒壁，這樣進行三維成像掃描時能夠對它進行整體成像并減少盒壁的干擾。最后的體模如圖 9上圖所示，探頭插入其中，進行旋轉掃描。在探頭表面涂有耦合劑用于與瓊脂假體進行耦合，實驗結果如圖 9下圖所示。三維體中較亮的那條直線為瓊脂假體的表面，直線以上為瓊脂假體的三維超聲成像結構，其中我們可以看到鵪鶉蛋的基本形狀。
圖9
瓊脂假體和三維掃描結果
Figure9.
Agar phantom and the 3D reconstruction result
3 結論
上述兩個實驗，水中的效果明顯好于瓊脂假體。在水中實驗時，可清晰看到成像目標手套手指的邊界輪廓，而在瓊脂假體中，對鵪鶉蛋的成像則顯得較為模糊。主要有以下幾個原因：① 水中實驗時，介質比較單一，均勻性好，且成像目標明確；② 水對超聲波的衰減較小；③ 自制的瓊脂假體均勻性較差，瓊脂假體和鵪鶉蛋本身對超聲波的衰減系數相差不大，導致對鵪鶉蛋成像結果較為模糊。
本文設計了一種經直腸的三維超聲成像系統，并通過三個實驗對該系統進行了評價。該三維超聲成像系統體積龐大，不方便操作，三維重建速度較慢，無法達到實時處理，系統在假體上進行實驗并給出了相應的實驗結果以及部分參數的評估。本系統采用的B超系統所得到的二維圖像質量不佳，直接影響了后期三維重建結果。為了對該系統進行更客觀的評價需要設計更多的假體來進行掃描實驗，比較實驗值和真實值之間幾何尺寸的差異。為了提高掃描的速度和精度，需要對機械掃描裝置進行重新設計，提升系統的工作性能。在將來的工作中，將采用更高質量的B超系統獲取高分辨率的二維圖像序列進行重建，并將重建結果與現有結果進行比較，并最終應用于臨床。
