双频超声内镜系统设计与实现分析

白晓淞 深圳英美达医疗技术有限公司 （广东 深圳 518055）

内容提要： 超声内镜成像技术是一种无损检查技术，广泛应用于消化道及其他部位的病变诊断。文章提出一种新的双频超声内镜系统，通过引入双频超声内镜，提供一种高效、准确的超声图像采集方法和相应的设备，以协助医生更好地进行病情分析。该技术系统一方面提供了一种基于双频超声内镜的超声图像采集方法，可实现双频信号同步采集同屏显示，根据采集到的超声数据生成对应的超声图像，支持对不同频率的超声图像进行角度配准等算法处理，充分利用不同超声频率的优势，获得更加精确的超声图像。另一方面，该技术系统也兼容单频信号采集同屏多幅图像显示，这些超声图像可以清晰地展示在不同的显示区域，方便用户进行图像比对、关联分析，可协助医生更好地完成病情分析。

随着超声内镜的发展，现有的超声内镜可以支持不同频率的探头（例如，12MHz/20MHz等），以利用不同的超声频率的优势提高超声内镜检测的可靠性。然而，现有的超声内镜均是单幅成像，至多仅能通过电影回放的模式，回看上一次扫描状态下的超声内镜图像，无法同时对多幅图像进行对比[1]。在实际临床中，临床医护人员仅能对最近一次的扫描冻结图像进行回顾，无法对之前的扫描冻结的图像进行回顾，难以进行关联分析。由于支持不同频率的超声内镜无法在同一显示界面上实现同步采集，这就导致用户无法对不同频率的超声图像进行有效的比较，难以结合不同超声频率的优势对病情进行分析[2]。为了克服当前技术的局限性，本文提出一种新的基于双频超声内镜的超声图像采集方法和相关设备，以期解决技术上的挑战。

1.系统设计思路

为了解决上述问题，在本系统中，开辟多个储存区域及显示区域，储存区域及显示区域一一对应。当双频超声内镜的采集模式为双频采集时，将各采集频率对应的超声数据储存于各自对应的储存区域，并将基于各超声数据生成的超声图像显示于各自对应的显示区域，在超声图像回放模式时，同步从各自的储存区域中获取同一时刻的超声数据，进行处理显示，实现同步回放；当双频超声内镜的采集模式为单频采集时，获取单频采集对应的目标采集频率，依据当前所激活的显示区域将所述目标采集频率对应的超声数据储存于对应的储存区域，并将基于所述目标采集频率对应的超声数据生成的超声图像显示于对应显示区域上，使激活的显示区域的图像为解冻状态，非激活显示区域的图像为冻结状态，在超声图像回放模式中，对激活区域的图像进行回放查看，实现不同采集时刻的超声图像的同屏对比。

2.双频超声内镜图像采集原理

采集频率指的是双频超声内镜中的超声探头对应的探头频率，其中，本设计发明的超声探头携带有两组超声换能器。在一个典型实现方式中，两组超声换能器的探头频率不同，每种探头频率的超声换能器对应一个采集通道。由此，在扫描模式为单通道扫描时，获取所述扫描指令对应的采集频率，根据采集频率可以确定需要获取的超声信号对应的超声换能器，进而确定处于工作状态的采集通道，以及处于休眠状态的采集通道[3]。所述控制两个采集通道同步进行数据采集以得到超声数据指的是两个采集通道同步采集各自对应的超声换能器所扫描到的超声信号，以得到两组超声数据[4]。本系统所述方法基于双频超声内镜，其中，双频超声内镜包括超声探头以及驱动器，超声探头用于对生物组织进行超声扫描，超声探头通过超声换能器发射超声波对生物组织进行检测，接收生物组织的反射信号并转换为电信号；驱动器用于驱动超声探头运动以实现360°环扫。其中，所述超声探头包括两组超声换能器，两组超声换能器的工作频率可以不同，例如，一组超声换能器的工作频率为12MHz，另一组超声换能器的工作频率为20MHz。

本系统提供的基于双频超声内镜的超声图像采集方法流程框架见图1。

图1.超声图像采集显示方法

具体地而言，所述双频超声内镜配置有两个采集频率，分别记为第一采集频率和第二采集频率，并为双频超声内镜配置两个储存区域和两个显示区域，分别记为显示区域1、显示区域2、储存区域1和储存区域2，其中，储存区域1和储存区域2分别与两个采集频率相对应，显示区域1和显示区域2均用于显示超声图像。如图2所示，双频超声为第一采集频率配置一个储存区域1，为第二采集频率配置一个储存区域2，其中，两个储存区域相互独立，两个显示区域相互独立并位于同一显示界面上。

图2.显示区域

可以理解的是，在同一显示界面上为双频超声内镜分配两个显示区域，两个显示区域均用于显示超声图像，其中，两个显示区域可以同步显示两个采集频率各自对应的超声图像，也可以一个显示区域显示一个采集频率实时采集的超声图像，另一个显示区域显示该采集频率上一次超声扫描的超声图像，还可以是一个显示区域显示一个采集频率实时采集的超声图像，另一个显示区域显示另一采集频率上一次超声扫描采集的超声图像。此外，还可以预先为各采集频率配置相应的采集参数，各自采集参数可以储存于各采集频率各自对应储存区域内，在通过获取各采集频率各自对应的超声图像时，可以直接从各自对应的储存区域调用各自对应的采集参数来对各采集频率进行配置，其中，采集参数可以包括发射波形控制、增益控制、成像算法等。可以通过设置显示区域的显示参数来设置各显示区域的显示状态，其中，显示区域的显示参数设置为解冻状态，显示区域用于显示实时采集的超声图像，当显示区域的显示参数设置为冻结状态，显示区域用于显示上一次采集的超声图像，或者需要冻结的超声图像。例如，如图3所示，显示区域1的显示参数为解冻状态，显示区域2的显示参数为冻结状态。

图3.显示区域参数

基于扫描模式确定采集通道指的是基于扫描模式选取用于采集超声数据的采集通道，其中，当所述扫描模式为双通道扫描时，将两个采集通道全部作为工作采集通道，当所述扫描模式为单通道扫描时，将两个采集通道中的选定的一个采集通道作为工作采集通道，将另一个采集通道设置为休眠状态[5]。此外，由于当所述扫描模式为单通道扫描时，需要确定两个采集通道中处于工作状态的工作采集通道以及处于休眠状态的采集通道。从而所述扫描指令会携带需要获取的超声数据对应的探头频率，由此可以基于探头频率在两个采集通道中选定处于工作状态的工作采集通道，以及处于休眠状态的采集通道。本系统通过对双频超声内镜进行控制，使得其可以通过采用双通道进行超声数据采集，也可以采用单一通道进行超声数据采集，提高了双频超声内镜控制的灵活性，同时，还可以将不同频率超声探头的优势进行结合，有助于临床医护人员作出更为准确的判断。

3.双频模式下图像采集的实现

具体地，双频采集指的是双频超声内镜采集的两个频率的超声图像同步实时显示，也就是说，双频超声内镜同一采集时刻采集到的两张不同超声频率的超声图像同步显示于各种对应的显示区域[6]。由此，在双频采集时，在将各采集频率对应的超声数据储存于各自储存区域后，基于各超声数据生成超声图像，并将生成的超声图像显示于各自对应的显示区域。例如，如图4所示，双频超声内镜配置有12MHz的超声换能器和20MHz的超声换能器，那么在通过12MHz的超声换能器和20MHz的超声换能器采集到超声数据后，将12MHz的超声换能器的超声数据A储存于其对应的储存区域1和将20MHz的超声换能器的超声数据B储存于其对应的储存区域2，然后分别基于超声数据A生成超声图像C，基于超声数据B生成超声图像D，将超声图像C显示于12MHz的超声换能器对应的显示区域1，将超声图像D显示于20MHz的超声换能器对应的显示区域2。

图4.双频采集模式下的一个采集过程的流程示意图

当双频超声内镜的采集模式为单频采集时，获取单频采集对应的目标采集频率，获取当前激活的显示区域，将所述目标采集频率对应的超声数据储存于显示区域对应的储存区域，并将基于所述目标采集频率对应的超声数据生成的超声图像显示于一显示区域上[7]。

具体地，单频采集指的是显示界面的两个显示区域中均有一个显示区域显示本次超声扫描实时采集的超声图像，另一显示区域显示上一次或之前任意一次扫描确定的超声图像，或者是处于空闲状态。由此，如图5所示，在单频采集模式下，需要获取单频采集模式所采用的目标采集频率，然后将目标采集频率对应的超声图像显示于当前激活的显示区域，而另一个显示区域显示一次或之前任意一次扫描确定的超声图像，或者是处于空闲状态，或者显示需要冻结的其他的超声图像。其中，在单频采集时，除目标采集频率外的另一采集频率对应的超声换能组可以处于休眠状态，即该超声换能组不进行超声数据采集。

图5.单频采集模式下的一个采集过程的流程示意图

所述目标采集频率等于双频超声内镜中的两组超声换能器中的一组超声换能器的超声换能器的探头频率，也就是说，将采集通道切换至目标采集频率对应的超声换能器所对应的采集通道[8]。其中，切换指令可以是在扫描模式为单通道模式下接收到，通过切换指令在两个采集通道之间切换或者是将单通道模式切换为双通道模式；也可以是在双通道模式下接收到，通过切换指令将双通道模式切换为单通道模式。例如，双频超声内镜的两个超声换能器的探头频率分别为12MHz和20MHz，当前采集通道对应的探头频率为12MHz，切换指令携带的目标采集频率为20MHz，那么将采集通道切换至20MHz对应的采集通道，并通过切换后的采集通道进行数据采集。这样操作者可以根据操作需要，快速切换探头频率以得到不同超声频率的超声图像，使得在双频超声内镜的过程中既能利用高频超声频率的近场高分辨率优势，又能利用低频超声频率的深层次的图像信息。

4.超声图像回放

在本系统中，将两个采集频率对应的超声数据均储存于各自对应的储存空间，从而在进行超声扫描后，可以基于各储存空间储存的超声数据对超声图像进行回放。在一个实现方式中，所述回放过程的流程示意图见图6、图7。

图6.单频采集模式下的一个回放过程的流程示意图

图7.双频采集模式下的一个回放过程的流程示意图

回放模式包括双频回放和单频回放。其中，双频回放指的是同步回放两个采集频率的超声图像；单频回放可以是实时回放一个采集频率的超声图像，或者交替回放两个采集频率的对应的超声图像。其中，实时回放一个采集频率的超声图像时，两个显示区域交替显示该采集频率对应的实时回放图像，而冻结前一回放图像，交替回放两个采集频率的对应的超声图像为两个显示区域中一个显示区域显示一个采集频率的实时回放图像，另一个显示区域显示另一采集频率前一回放图像，并且两个采集频率对应的超声图像交替处于实时回放状态[9]。在双频回放时，从各储存区域中同步提取超声数据，并对同步提取到的超声数据进行处理以生成超声图像，并将超声图像显示于各自对应的显示区域，其中，在同步从储存区域提取超声数据时，可以以时间戳作为提取依据，每次从各储存区域提取到的超声数据对应的时间戳相同，这样可以使得两个采集频率同一采集时间采集到的超声图像同步回放于各自对应的显示区域，以便对同一采集时刻的超声图像的回放对比。

此外，值得说明的是，在回放过程中也可以自由切换回放模式，例如，将双频回放模式切换为单频回放模式，切换单频回放模式对应的回放采集频率，以及将单频回放模式切换为双频回放模式等。其中，回放模式切换的处理过程与上述采集过程中的模式切换的处理过程相同。

5.系统实现

根据上述基于双频超声内镜的超声图像采集方法，本系统提供了一种基于双频超声内镜的超声图像采集系统，如图8所示。所述的系统包括：配置模块S1，用于为双频超声内镜的各采集频率分配储存区域以及显示区域；第一控制模块S2，用于当双频超声内镜的采集模式为双频采集时，将各采集频率对应的超声数据储存于各自对应的储存区域，并将基于各超声数据生成的超声图像显示于各自对应的显示区域；第二控制模块S3，用于当双频超声内镜的采集模式为单频采集时，获取单频采集对应的目标采集频率，将所述目标采集频率对应的超声数据储存于对应的储存区域，并将基于所述目标采集频率对应的超声数据生成的超声图像显示于一显示区域上。

6.小结

综上所述，本系统提供了一种基于双频超声内镜的超声图像采集方法，可实现双频信号同步采集同屏显示，根据采集到的超声数据生成对应的超声图像，支持对不同频率的超声图像进行角度配准、融合等处理，从而获得更加精确的超声图像。另一方面，本技术系统也兼容单频信号采集同屏多幅图像显示，这些超声图像可以清晰地展示在不同的显示区域，方便用户进行图像比对、关联分析，可更好地满足用户的需求。