CN108037191A - 一种基于虚拟仪器的多参数谐波成像超声显微镜 - Google Patents
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Abstract
一种基于虚拟仪器的多参数谐波成像超声显微镜，基于GPIB总线的虚拟仪器技术开发，硬件上采用GPIB总线连接通用示波器为数据采集设备，软件上基于Measurement Studio和C++开发。该超声显微镜从原始超声回波信号中提取多种参数为特征值成像，能提取的参数有时域参数幅度、延时、相位及频域参数频移和宽带衰减系数。对待测物品内部声阻抗差较大的结构和组织，进行高次谐波成像，从原始波形中提取二次、三次谐波，利用高次谐波的幅度、延时、相位等特性成像。此成像系统可进行三维扫描，通过调整聚焦平面获取三维的数据场；对该三维数据场进行插值得到三维均匀数据场，再利用VTK进行三维显示，得到三维超声显微成像。此超声显微镜有扩展性强、组态灵活、成本低廉等特点。
Description
技术领域
本发明涉及超声显微镜系统设计和虚拟仪器技术领域，基于虚拟仪器技术开发了一种多参数谐波成像超声显微镜。硬件上采用通用示波器作为数据采集设备，GPIB(General-Purpose Interface Bus)总线作为通信总线；上位机采用Measurement Studio和C++进行开发，使用NI-VISA(Virtual Instrument Software Architecture)作为通信的应用编程接口；不需要采用昂贵的超声专用数据采集设备而能获得更好的带宽、采样率和数据存储深度，系统搭建和组件更换灵活方便，易于扩展。
背景技术
超声显微镜是利用声学成像原理对物质进行显微观察的一种设备，即利用样品声学性能的差别，用声成像的方法来生成高反差、高放大倍率的超声图像的装置。许多物质不透光，但能透声，声波对某些物质具有很强的“穿透”能力，超声显微镜可以直接观察不透光而透声的各类物质。由于各类物质及内部各部分的结构、密度、强度，压缩性和粘滞性等各不相同，因此声在其中传播的反射、折射、吸收和衰减等特性也有很大差别。超声显微检测具有高灵敏度、高分辨率和图像直观等特点，在电子工业、医学、材料科学等领域具有广阔的应用前景。
但是，现有的超声显微镜成像系统一般为专用的封闭系统，存在价格昂贵，成本高，结构不灵活等缺点。而基于虚拟仪器技术，可以将一系列的通用部件组合到一起，快速实现超声显微成像系统，并保留开放性。
虚拟仪器是基于计算机和标准总线技术的模块化系统，通常由控制模块、仪器模块和软件组成。由软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，缩小了仪器硬件的成本和体积，并通过软件对数据进行显示、存储以及分析处理，广泛应用于民用和军用测量领域。
虚拟仪器软件架构(Virtual Instrument Software Architecture，VISA)是对带有GPIB、VXI、PXI、串口(RS232/485)、以太网、USB或IEEE 1394接口的仪器系统进行配置、编程和故障排除的标准。VISA提供了硬件与Measurement Studio(用于Microsoft VisualStudio)应用开发环境之间的编程接口。它提供用于仪器编程的标准I/O函数库，称为VISA库。VISA函数库驻留在计算机系统内，是计算机与仪器的标准软件通信接口，计算机通过它来控制仪器。作为通用I/O标准，VISA提供了统一的设备资源管理、操作和使用机制，它独立于硬件设备、接口、操作系统和编程语言，具有与硬件结构无关的特点。VISA的这一特性使之适用于各种仪器接口，无论仪器使用的串口还是其他任何一种总线，诸如GPIB、VXI、PXI和LXI等，都具有相同的操作函数，从而实现了控制操作上的统一。
作为虚拟仪器技术的一种，基于GPIB总线的虚拟仪器，一般需要有计算机、GPIB接口卡、GPIB连接电缆和带有GPIB接口的测试仪器。由GPIB接口设备完成信号的采集、测量与调理，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理以及显示等，从而构成一套大型多功能的计算机仪器系统即虚拟仪器系统，由此可以充分利用计算机的软件和硬件资源，使本来需要硬件或电路难以实现或根本无法实现的技术软件化和虚拟化，最大限度的降低成本，增强系统的功能和灵活性。
本发明基于虚拟仪器技术，硬件上采用GPIB总线作为通信总线，软件上采用Measurement Studio的NI-VISA作为通信的应用编程接口，实现了一套多参数谐波成像超声显微镜。
发明内容
本发明要解决的问题是：现有的超声显微镜成像系统一般由专用硬件构成，存在价格昂贵、硬件成本高、结构不灵活、扩展性不强等问题，所以需要设计一个扩展性强、组态灵活、信息交换方便、成本低廉的超声显微成像系统。
本发明的技术方案为：一种基于虚拟仪器的多参数谐波成像超声显微镜系统，该系统包括控制计算机、GPIB总线控制器、通用运动控制器/驱动器(ESP300)、三维运动系统、超声换能器、水槽、远程脉冲前置放大器(5910RPP)、超声波脉冲激励/接收器(5910R)、Agilent 54642A示波器；被检样品固定在水槽中的夹具上，其空间位置受三维运动系统控制，三维运动系统负责执行通用运动控制器/驱动器(ESP300)指令；超声换能器设于被检样品的两侧，可以工作在自发自收的反射状态或者一发一收的透射状态；运行于控制计算机上的成像软件，设置超声波脉冲激励/接收器5910R的工作状态，发出激励脉冲，激励脉冲信号作用于样品后的回波信号经过远程脉冲前置放大器5910RPP预放大后，送入5910R进一步放大并输出到Agilent 54642A示波器的输入通道，数字化后的回波信号通过GPIB接口送入系统软件，提取出基波或谐波中的一种或多种参数作为当前位置的特征值，系统软件控制三维运动系统依次运动到设定的空间位置点，完成各点的特征值的提取并进行成像。
该系统中使用了远程脉冲前置放大器(5910RPP)、Agilent 54642A示波器，远程脉冲前置放大器的带宽为400MHz，示波器的带宽为500MHz，采样率为2GSa/s，存储深度为8MB，可以进行400MHz以内的显微成像。
本发明基于虚拟仪器技术，通过控制三维运动平台对样品进行定位；随后设置超声波脉冲激励/接收器的工作状态，发出激励脉冲。激励脉冲信号作用于样品所产生的回波信号由示波器采集后通过GPIB总线送到计算机；并由在计算机上采用Measurement Studio和C++开发的成像软件提取基波或者其高次谐波中的时域、频域多种参数，作为特征值来进行成像。本系统将电机控制、超声激励、数据采集和存储功能以及实时成像功能集于一体，构建了控制灵活、功能强大的多参数谐波成像超声显微镜系统，可以实现三维的超声显微成像。
三轴运动控制平台可以控制样品在x、y、z三个方向上自由运动，设定一个z轴位置后，控制样品在x、y方向上运动，即可完成二维平面上每一个点的超声回波数据的采集，从此超声回波数据中提取特征参数，利用所得到的二维平面上的每一个点的特征值，即可得到二维的实时图像。改变z轴位置，即可改变聚焦换能器在样品内的聚焦深度，从而得到样品内部不同聚焦平台上面的二维像，将一系列二维像整合到一起，即可得到三维的数据场，利用VTK对该三维数据场进行体绘制，即可实现三维超声显微成像。
运行在计算机上的成像软件完成从回波数据中提取特征参数的算法，所能提取的特征参数，既包括传统的时域参数，如幅度、延时、相位等，也包括频域参数，如频移和宽带衰减系数。根据需要，成像软件既可以从原始波形中提取所需要的特征参数，也可以从高次谐波信号中提取该特征参数。为了获得高次谐波信号，有两种技术手段，对于待测样品内部声阻抗差异比较大的组织和结构，此时高次谐波信号本身较强，可以直接对原始波形进行傅里叶变换，从中提取出高次谐波信号。如果组织中本身高次谐波信号没有那么强，可以采用脉冲翻转的激励方法，将脉冲翻转前后获取的回波信号进行叠加，从而抵消基波信号，获取高次谐波信号。
本发明使用通用示波器采集数据，发挥示波器采集频带宽、灵敏度高、抗干扰性强的优点；相比于使用昂贵的专用采集设备的系统，本发明性能更高，成本更低。同时本发明借助虚拟仪器中VISA的I/O控制功能对示波器进行操作控制，实现示波器与PC机之间的数据传输。由于VISA不受各种通信总线的影响，采集部件可以灵活更换。
本发明基于虚拟仪器技术开发，可以充分利用计算机的软件和硬件资源，使本来需要硬件或电路难以实现或根本无法实现的技术软件化和虚拟化，最大限度的降低成本，增强系统的功能和灵活性；根本上消除了仪器编程的复杂性，各种仪器组建和拆散灵活，使用方便，易于扩展。
附图说明
图1是系统总体结构框图。
图2是PC端程序流程图。
具体实施方式
如图1所示的基于虚拟仪器的多参数谐波成像超声显微镜，包含软硬件两个部分，硬件部分包含控制计算机、GPIB总线控制器、通用运动控制器/驱动器(ESP300)、三维运动系统、超声换能器、水槽、远程脉冲前置放大器(5910RPP)、超声波脉冲激励/接收器(5910R)、Agilent 54642A示波器；软件部分运行于控制计算机上，控制各个硬件单元，并运行成像算法。
待测样品固定于夹具上，夹具呈圆环形，中间为透声窗。超声探头夹具位于样品夹具的两侧，用于夹持超声换能器，两个换能器的中心轴是同轴的，两个超声换能器相对于待测样品的距离可以手动精确调节。根据需要，两个超声换能器可以工作在一发一收的透射状态或者自发自收的反射状态。
待测样品与两个超声换能器均置于水槽中，水槽中注满脱氧后的水，作为声的耦合介质，防止水中的气泡对超声形成衰减，从而影响成像过程。夹持待测样品的夹具，其空间位置受三维运动系统控制，三维运动系统负责执行通用运动控制器/驱动器(ESP300)的指令，从而改变超声声速在样品中聚焦点的空间位置。通过连续改变聚焦点的位置，并采集透射或者反射的超声声速，即可完成超声显微成像原始信号的采集。
主控计算机通过USB接口连接NI公司的GPIB-USB-HS适配器，该适配器提供了最高IEEE 488.2性能，用户可以通过它使用高速USB端口控制多达14个可编程GPIB仪器。设备可完全兼容IEEE 488.2。该设备提供了NI-488.2驱动软件的许可证，该驱动软件可以最大化地提升与第三方仪器的GPIB连接可靠性。
通过GPIB-USB-HS适配器，完成USB到GPIB总线的协议转换。在本超声显微镜的GPIB总线上挂接有美国泛美超声波脉冲发射接收器Model 5910PR，以及Agilent公司的通用示波器54642A。主控计算机通过NI-VISA接口与GPIB总线上的其他设备通信。
本超声显微镜系统通过VISA标准，访问GPIB总线上的其他设备，从而保证了软硬件的标准性，当需要根据成本或者性能进行组件更换时，只要采用标准接口，硬件上无缝兼容，软件上只需要做简单的调整，即可适配多种型号的通用运动控制器/驱动器、超声波脉冲激励/接收器和作为数据采集单元的示波器。
主控计算机通过GPIB接口配置5910PR和54642A的工作模式，让5910PR发出高压激励脉冲，该高压激励脉冲RPP/+SYNC OUT送入远程脉冲前置放大器5910RPP的TRIG IN口，并从T/R口输出，用于激励超声换能器，高压激励脉冲的同步信号，从+SYNC OUT输出到示波器的Ext Trigger接口，作为示波器的外部触发信号，用于触发示波器的数据采集。超声回波信号，送入5910RPP的T/R口(自发自收的反射模式)或者R口(一发一收的透射模式)，经5910RPP预放大后，提供信噪比，从5910RPP的RF SIGNAL OUT口送至5910PR的RF IN口，再一次放大后送入示波器的CH1，由示波器采集后并缓存。由于54642A具有8MB的缓存长度，故可以缓存8M个点的采样数据。主控计算机可以通过GPIB接口读取示波器中的缓存数据，并进一步处理，从中提取特征参数以进行成像。
主控计算机通过USB转RS232接口连接通用运动控制器/驱动器(ESP300)，设置其相关运动参数，然后发出运动控制指令，改变样品所处的位置，激励超声脉冲并完成成像过程。
运行在主控计算机上的成像软件由Measurement Studio和Visual C++开发，利用Measurement Studio的NI-VISA底层通信协议，完成和超声脉冲发射接收器5910PR和54642A示波器之间的通信。由于此部分通信协议采用标准框架，所以更换部件时只需要代码进行简单调整即可，会比较方便。成像软件利用Measurement Studio中的NI-VISA底层通信协议和Graph波形显示控件，而采用Visual C++开发了软件界面、信号处理、成像算法、三维插值、体绘制三维重建等部分，这样的组合兼具通信的标准性和算法开发的灵活性。
成像软件的运行流程图如图2所示，软件启动后，首先进行初始化，初始化的主要步骤如下：
(1)初始化通用运动控制器/驱动器(ESP300)：主要包括读取x、y、z三个轴的运动控制器的信息；初始化x、y、z三个轴的运动参数，包括速度、加速度和减速度；设置到位过冲值。
(2)初始化超声波脉冲激励/接收器(5910R)：设置其工作模式为P/E(单换能器自发自收的脉冲反射状态)或者THROUGHT(双换能器一发一收的透射状态)，脉冲重复频率PRF为200Hz，触发能量为HIGH uJ，阻尼电阻为50欧姆，高通滤波器为5MHz，低通滤波器为400MHz；
(3)初始化示波器54642A：通过GPIB总线读取示波器型号，并配置其触发模式和缓存长度；
初始化完成后，在示波器上可以观察到回波信号，根据样品的厚度和声阻抗特性，调节5910R的回波增益，使回波的幅度处于合适的范围，然后通过成像软件的人机界面，发出运动控制指令，使超声换能器的聚焦点对准样品中的合适位置，发出指令给ESP300，设置该点为运动原点。以该原点为基准，设置扫描范围，包括x方向的间距和扫描点数，y方向的间距和扫描点数，z方向的间距和扫描平面数。然后点击扫描，成像软件开始驱动ESP300，带动样品运动，换能器在样品中的聚焦点每运动到空间的某一个设定点，成像软件即通过示波器采集超声回波信号。
为了保证数据采集的速度、成像过程的实时性和人机交互的响应速度，成像软件采用了多线程的程序设计方法，分为采集和主界面两个线程，在采集线程中，调用Measurement Studio的底层NI-VISA通信接口，从GPIB总线上读取示波器中的缓存信息，每读完一个点的缓存数据后，发送消息给主线程，主线程响应该消息，将采集线程送来的超声脉冲回波数据送入Measurement Studio的Graph控件，进行采集波形的显示，然后对该波形进行特征值提取，根据提取到的特征值，依据成像规则，绘制当前采样点的图像信息。
在提取超声脉冲回波波形的特征值时，有如下几种选项：
(1)要提取的是时域特征值还是频域特征值，成像软件可以提取传统的时域参数，如幅度、延时、相位等，也可以提取频域参数，如频移和宽带衰减系数。
(2)根据需要，成像软件既可以从原始波形中提取所需要的特征参数，也可以从高次谐波信号中提取该特征参数。
(3)为了获得高次谐波信号，有两种技术手段：对于待测样品内部声阻抗差异比较大的组织和结构，此时高次谐波信号本身较强，可以直接对原始波形进行傅里叶变换，从中提取出高次谐波信号；如果组织中本身高次谐波信号没有那么强，可以采用脉冲翻转的激励方法，将脉冲翻转前后获取的回波信号进行叠加，从而抵消基波信号，获取高次谐波信号。
从提取出的每个点的特征值到该点的灰度值之间的映射关系，即为成像规则，为保证适应性，本成像软件支持如下四种成像规则：
(1)线性规则：将特征参数的最小值Min到最大值Max之间的范围[Min Max]线性地映射到灰度值的0-255之间；
(2)带饱和的线性规则：最小值Min到最大值Max之间的某个部分[a b]映射到灰度值的0-255之间，[Min a]全部映射到0，[b Max]全部映射到255；
(3)对数规则：将特征参数的最小值Min到最大值Max之间的范围[Min Max]取对数后，再线性地映射到灰度值的0-255之间；
(4)带饱和的对数规则：最小值Min到最大值Max之间的某个部分[a b]，取对数后，再线性地映射到灰度值的0-255之间，[Min a]全部映射到0，[b Max]全部映射到255；
这四种成像规则，可根据待测样品的声阻抗的动态范围进行配置。如果声阻抗的动态范围较小，可选择线性规则；如果声阻抗的动态范围较大，可选择对数规则。当采集信号中噪声很小，信噪比较高时，可直接选择线性规则或者对数规则；如果采集的信号信噪比较低，则视动态范围选择带饱和的线性规则或者对数规则，从而避免由于强噪声的影响导致所成图像的有效灰度范围极低而导致图像对比度不高的问题。使用线性规则或者对数规则，成像过程是自适应的，与系统的参数配置无关，不需要手动设置。而使用带饱和的成像规则，虽然抗噪声能力增强，但是选取的线性范围与系统的参数配置和样品的特性都有关系，需要手动设置。
当选择带饱和的成像规则时，在所有点的数据扫描过程完成后，成像软件在会根据所有点特征参数的统计分布，推荐一个合适的线性范围，用户在此线性范围的基础之上再进行调整，即可快速得到一个合理的设置值。
如果设置的采集平面大于1，则成像软件会采集到三维数据场。成像软件在完成一系列的二维实时成像后，最终会采集到三维数据场。为了显示该三维数据场，成像软件集成了Visualization ToolKit(VTK)。
VTK最初是针对医疗领域的应用而设计的，所以对于医疗的可视化方面，如处理CT的扫描数据等，具有强大的功能。它将在可视化过程中经常遇到的细节屏蔽起来，并封装了一些常用的可视化算法，如将面绘制中常用的MC(Marching Cubes)算法和体绘制中常用的光线投射(Ray-Casting)算法封装成类的形式提供给使用者。这样在进行医学体数据的可视化时就可以直接使用VTK中已提供的相关类。
VTK主要提供了三种体绘制技术，除了光线投射法外，还有二维纹理映射和基于VolumePro硬件辅助的体绘制。二维纹理映射是基于物体空间扫描的，也就是对物体空间的数据点加以处理，计算每个数据点对屏幕像素的贡献并加以合成，形成最终的图像。它的绘制速度较快，但是成像质量远不及采用三线性插值的光线投射法精确，当视角改变时还会产生伪迹。基于VolumePro硬件辅助的体绘制方法，成像质量虽然不及光线投射法，但是要比二维纹理映射好。利用VolumePro硬件支持的体绘制速度是最快的，一般每秒至少20帧画面，但目前只支持平行投影且价格昂贵。因此，本系统中采用光线投射法。
光线投射法是一种基于图像空间扫描的，生成高质量图像的典型的体绘制算法，基本思想是从图像平面的每个像素都沿着视线方向发出一条射线，此射线穿过体数据集，按一定步长进行采样，由内插计算每个采样点的颜色值和不透明度，然后由前向后或由后向前逐点计算累计的颜色值和不透明度值，直至光线完全被吸收或穿过物体。该方法能很好地反映物质边界的变化，使用Phong模型，引入镜面反射、漫反射和环境反射能得到很好的光照效果，可将待测样品中的性质属性、形状特征及相互之间的层次关系表现出来，从而丰富了图像的信息。
在使用VTK对超声回波中提取出的特征数据场进行光线投射时，首先需要对该三维数据场进行三维插值，使其成为均匀的数据场，插值时的依据为数据采集时定义的x、y、z三个方向的采样间距。得到均匀的三维数据场后，再定义不透明度、颜色、梯度等三个传递函数，即可进行光线投射，形成三维超声显微成像。
在超声显微镜的当前配置中，远程脉冲前置放大器的带宽为400MHz，示波器的带宽为500MHz，采样率为2GSa/s，存储深度为8MB，可以进行400MHz以内的显微成像。根据成本和性能的要求不同，可以灵活更换超声换能器、放大器、采样示波器等部件，硬件接口上保持兼容，软件部分只需要做简单的调整，即可在给定的性能约束下将成本最低化，通用性强，性价比高。
Claims (5)
1.一种基于虚拟仪器的多参数谐波成像超声显微镜，其特征在于：该系统包括控制计算机、GPIB总线控制器、通用运动控制器/驱动器(ESP300)、三维运动系统、超声换能器、水槽、远程脉冲前置放大器(5910RPP)、超声波脉冲激励/接收器(5910R)、Agilent 54642A示波器；被检样品固定在水槽中的夹具上，其空间位置受三维运动系统控制，三维运动系统负责执行通用运动控制器/驱动器(ESP300)指令；超声换能器设于被检样品的两侧，可以工作在自发自收的反射状态或者一发一收的透射状态；运行于控制计算机上的成像软件，设置超声波脉冲激励/接收器5910R的工作状态，发出激励脉冲，激励脉冲信号作用于样品后的回波信号经过远程脉冲前置放大器5910RPP预放大后，送入5910R进一步放大并输出到Agilent 54642A示波器的输入通道，数字化后的回波信号通过GPIB接口送入系统软件，提取出基波或谐波中的一种或多种参数作为当前位置的特征值，系统软件控制三维运动系统依次运动到设定的空间位置点，完成各点的特征值的提取并进行成像。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的多参数谐波成像超声显微镜，其特征是使用通用示波器作为数据采集设备，NI-VISA作为通信的应用编程接口，不需要采用昂贵的超声专用数据采集设备而能获得更好的带宽、采样率和数据存储深度，同时通信不受总线的影响能兼容USB、GPIB、VXI、PXI和以太网接口，组件更换灵活，系统搭建方便，易于扩展，通用性好。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的多参数谐波成像超声显微镜，其特征是成像软件通过获取到的原始超声射频信号，从中提取多种参数作为特征值进行成像，所能提取的参数包括时域参数幅度、延时、相位，以及频域参数频移和宽带衰减系数。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的多参数谐波成像超声显微镜，其特征是对于待测样品内部声阻抗差异比较大的组织和结构，可进行高次谐波成像，从原始波形中提取高次谐波信号的途径有两种：一种是直接对原始波形进行傅里叶变换，从中分离出高次谐波信号；另一种是通过脉冲翻转叠加，消除基波信号后得到高次谐波信号；获得高次谐波信号后，再利用高次谐波信号的特性参数进行成像。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器的多参数谐波成像超声显微镜，其特征是此成像系统可以进行三维扫描，通过调整聚焦平面获取三维的数据场，对该三维数据场进行插值，得到三维均匀数据场，然后利用VTK进行体绘制，从而得到三维显微成像。
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