超聲波呼吸監(jiān)測儀的設(shè)計和臨床應(yīng)用

邢旭東，李功杰，揣征宇，張洪濤

超聲波呼吸監(jiān)測儀的設(shè)計和臨床應(yīng)用

邢旭東，李功杰，揣征宇，張洪濤

目的：研制一種非接觸式高精度超聲波呼吸監(jiān)測裝置，用于CT放療定位時患者呼吸狀態(tài)的顯示，并滿足臨床上對其他患者呼吸監(jiān)控的需要。方法：將超聲波探頭對準患者的腹部，利用超聲波獨特的反向回波定位方法實現(xiàn)微米級的高精度測距，并進行實時追蹤。結(jié)果：利用該超聲波呼吸監(jiān)測儀在肺部放療定位時，醫(yī)生可實時掌握患者的呼吸狀態(tài)，并在勾畫靶區(qū)時對病變的范圍進行準確測量，達到精確放療照射的目的。結(jié)論：該高精度超聲波呼吸監(jiān)測儀的測量精度可達微米級，且非接觸，安裝方便，非常適合在醫(yī)療監(jiān)護工作中使用。

超聲波；呼吸監(jiān)測；放療定位

0 引言

對肺部腫瘤進行放射治療時，呼吸運動一直是靶區(qū)勾畫中需要重點考慮的問題，測量病變的運動范圍很重要。在CT定位掃描時，我們要求患者在呼氣末及吸氣末期2個時相憋住氣。進行2次CT掃描，并測量肺部病變在2次CT圖像中的三維坐標數(shù)據(jù)差，可得出病變的運動范圍[1]。但是在實際工作中，僅靠工作人員口頭要求患者憋住氣，不能確保其實際呼吸時相與要求的呼吸時相一致。我們增加了一個自由呼吸時的CT掃描，理論上此時的病變范圍在CT圖像上的三維坐標數(shù)據(jù)應(yīng)該包含在呼吸末時相與吸氣末時相的病變位置之間，但是在實際工作中，有的患者呼吸動度超出了這個范圍，說明名義上的呼氣末CT或吸氣末CT不一定完全符合實際情況。因此，需要更加精確、敏感的呼吸監(jiān)測儀，在患者進行CT定位掃描時，實時監(jiān)測患者的呼吸情況，當其呼吸達到我們的要求時再進行CT掃描[2]。

1 超聲波呼吸監(jiān)測儀的研制

1.1 超聲波測距的原理

超聲波測距是一種用途廣泛的非接觸式測距方法，其測距原理如圖1所示。

圖1 超聲波測距原理圖

處理器通過控制波形發(fā)生電路產(chǎn)生一定頻率的交流信號，交流信號經(jīng)過驅(qū)動電路的放大和阻抗匹配后驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭，發(fā)射出一段超聲波。當超聲波遇到障礙物時會產(chǎn)生反射，超聲波接收探頭將反射回來的超聲波（回波）轉(zhuǎn)化為電信號，然后經(jīng)過濾波放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入到處理器進行處理[3]。處理器通過比較超聲波發(fā)射和接收的時間差，便可計算出障礙物距離探頭的距離，如圖2所示。

圖2 超聲波接收與發(fā)射的時間間隔圖

當發(fā)射探頭和接收探頭之間的距離遠遠小于探頭和障礙物之間的距離時，探頭和障礙物之間的距離可如下計算：L=v×t/2，其中，v是聲速，t是超聲波接收探頭接收到信號的時間與發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波的時間間隔[4]。在實際使用過程中，由于探頭起振（起振需要時間）和余振的影響，發(fā)射探頭和接收探頭的電壓信號如圖3所示。

圖3 發(fā)射探頭和接收探頭的電壓波形圖

在圖3中，CH1為發(fā)射的波形，CH2為接收波形。超聲波發(fā)射的起始時間T0很容易確定，而超聲波接收信號是一個振幅逐漸增大的過程，其起始時間T1卻不太好確定，目前常用的方法是電平閾值法[5]，如圖4所示。

圖4 電平閾值法

當接收信號的電平超過某一個電平閾值V0時，則認為是接收信號的開始。然后再根據(jù)經(jīng)驗測出時間偏置Δt，則t=T1-T0-Δt。如果由于振動、噪聲等引起接收電平的小幅抖動，則可能使T1產(chǎn)生一個周期的偏差，如圖5所示。

使用這種方法，t的最小誤差為超聲波的一個波長的時間，如果超聲波的頻率為f=40 kHz，則一個波長的時間為T=1/f=25 μs。距離的誤差為ΔL=v× 25 μs/2=340 m/s×25 μs/2=4.25 mm。所以，使用這種方法測量的誤差為mm級，不適用對精度要求比較高的場合。

圖5 接收電平示意圖

1．2 高精度超聲測距的方法

步驟1：處理器通過控制波形發(fā)生電路產(chǎn)生一定頻率的交流信號，交流信號經(jīng)過驅(qū)動電路的放大和阻抗匹配后驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭，發(fā)射出一段超聲波，超聲波發(fā)射的起始時間為T0。

步驟2：利用一種反相回波定位法來準確地確定超聲波回波的起始時間，發(fā)射一個周期的超聲波后，緊接著發(fā)射一個反相的超聲波，疊加后在回波中有一個下凹的波峰，其波峰點的時間為Tr。

步驟3：超聲波接收探頭接收到信號的時間與發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波的時間間隔為t，根據(jù)經(jīng)驗測出時間偏置Δt。

步驟4：此時的距離可按下式計算：L=（Tr-T0-Δt）×v/2，其中，Δt是一個固定值，可根據(jù)經(jīng)驗測得；v為聲速。

當超聲波發(fā)射探頭發(fā)射一個周期的超聲波時，其回波波形如圖6所示。圖中發(fā)射的一個周期的超聲波用粗線表示。如果延遲一個周期后，發(fā)射一個反相的超聲波，其波形及回波如圖7所示。用粗線表示一個周期的超聲波，比圖6中滯后一個周期且反相。

圖6 超聲波回波波形示意圖

將上述2個步驟疊加起來，即發(fā)射一個周期的超聲波后，緊接著發(fā)射一個反相的超聲波，疊加后的效果如圖8所示。

圖7 反相超聲波波形及回波示意圖

圖8 反相超聲波的疊加效果圖

疊加后在回波中有一個下凹的波峰，即這個周期的波峰比前一個周期和后一個周期的波峰都要低，其波峰點的時間為Tr，不管是發(fā)射功率的變化，還是測量距離變化、振動等，這個下凹的波峰始終存在，而且Tr與T0的間隔只與距離有關(guān)。測量Tr的誤差極小，不會出現(xiàn)整周期的誤差。用L=（Tr-T0-Δt）× v/2這種方法測距的結(jié)果誤差小于0.05 mm。相對于傳統(tǒng)的測量結(jié)果mm級的誤差，精度有了質(zhì)的提高。普通的超聲波測距技術(shù)只能達到mm級，這種精度不足以準確追蹤呼吸時相，而本設(shè)計利用獨特的反相回波定位方法實現(xiàn)了高精度的測距，測量精度可達μm級，可進行實時追蹤[6-7]。

1.3 超聲波呼吸監(jiān)測儀的組成

超聲波呼吸監(jiān)測儀包括超聲波探頭、單片機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集電路、終端顯示設(shè)備。

超聲波探頭將測量得到的距離微小的變化轉(zhuǎn)化為電信號輸出到數(shù)據(jù)采集電路，數(shù)據(jù)采集電路對傳感器輸出的電信號進行采集，然后將所生成的數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)浇K端設(shè)備，終端設(shè)備對輸出的電信號進行采集[8]，實時展現(xiàn)患者的呼吸時相。

超聲波測距儀包括單片機系統(tǒng)連接的超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路。超聲波發(fā)射電路主要由555振蕩器和1個共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，開始工作時，由單片機發(fā)出一個控制信號去觸發(fā)發(fā)射電路，使發(fā)射電路起振，發(fā)生器產(chǎn)生振蕩波。電能的振蕩波通過換能器轉(zhuǎn)變成機械能的超聲波，當超聲波到達人體皮膚時發(fā)生反射，換能器根據(jù)壓電原理將超聲波信號轉(zhuǎn)換為電能信號。

圖9 超聲波呼吸監(jiān)測儀組成示意圖

超聲波接收電路包括通濾波放大電路和模數(shù)電路，采用索尼公司生產(chǎn)的紅外線檢波接收集成芯片CX20106A，濾波放大電路接收反射回的信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。信號經(jīng)放大濾波電路處理，送至單片機系統(tǒng)進行時間的測量和距離的計算。數(shù)據(jù)采集電路與終端設(shè)備并行通信接口或通用串行總線轉(zhuǎn)USB接口與計算機相連接。其不但可以實現(xiàn)將單片機的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C端，而且能實現(xiàn)計算機對單片機的控制。

2 超聲波呼吸監(jiān)測儀的臨床應(yīng)用

進行肺部CT定位掃描時，將超聲波探頭通過支架固定在定位床板上，可隨床板移動，超聲波探頭對準患者的腹部，隨著呼吸運動的起伏，超聲波探頭到腹部的距離會有微小的變化，可實現(xiàn)對呼吸狀態(tài)的實時追蹤。根據(jù)波形顯示，醫(yī)生可實時掌握患者當前是在呼氣、吸氣或是屏氣狀態(tài)，特別是能提供患者屏氣時所處的呼吸時相，方便醫(yī)生在勾畫靶區(qū)時對病變的三維移動范圍進行準確測量，從而達到精確放療照射的目的[9]。

目前，臨床應(yīng)用的呼吸監(jiān)測裝置一般都是腹帶式或電阻式等[10]，都需要接觸患者，固定操作很麻煩，需要耗材。而高精度超聲波呼吸監(jiān)測儀在應(yīng)用中不需要接觸患者，避免了交叉感染，安裝方便，除了可以在CT定位檢查時使用，還可以應(yīng)用于胸部X線攝片等檢查，提高檢查的成功率，更可以用于很多需要監(jiān)控患者呼吸狀態(tài)的場合。

3 結(jié)語

高精度超聲波呼吸監(jiān)測儀緊密結(jié)合診療工作中的實際需求，克服了其他各種呼吸監(jiān)測儀的缺點，進一步提高了醫(yī)療診療質(zhì)量，非常值得在實際工作中推廣和使用。

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（收稿：2014-01-20 修回：2014-05-21）

Design and clinical application of ultrasonic breathing monitor

XING Xu-dong,LI Gong-jie,CHUAI Zheng-yu,ZHANG Hong-tao
（Department of Radiology,the 307th Hospital of the PLA,Beijing 100071,China）

ObjectiveTo develop a high-precision non-contact ultrasonic respiratory monitoring device for displaying the respiratory status of the patient undergoing CT radiotherapy positioning.MethodsWith the probe oriented to the abdomen,backward echo positioning method was used to realize micron-grade ranging and real-time tracing.ResultsThe monitor made the doctor be aware of the respiration status of the patient at real time while chest radiotherapy positioning performed,and facilitated precision measurement of lesion range when outlining the target area.ConclusionThe monitor can realize micron-grade non-contact measurement,and thus can be applied in medical monitoring.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（9）：19-21，32]

ultrasound;respiratory monitoring;radiotherapy positioning

R318.6；TH772.2

A

1003-8868（2014）09-0019-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.09.019

邢旭東（1970—），男，副主任，主管技師，主要從事醫(yī)學影像設(shè)備、PACS的管理和維護方面的研究工作，E-mail：307xxd@163.com。

100071北京，解放軍307醫(yī)院放射科（邢旭東，李功杰，揣征宇，張洪濤）