謝 傲，李爭平，栗卓然，趙韋晨，梁 越，*** （北方工業(yè)大學 信息學院，北京 100144） 摘 要 ：目前，氣胸的診斷一般以 CT 和 X 光為主要手段，常常作為氣胸診斷的金標準。在救援領(lǐng)域，由于CT 和 X 光設(shè)備體積比較龐大，轉(zhuǎn)運的難度大、費用高，并且 CT 診斷會使患者暴露在有嚴重輻射的環(huán)境中，而 X光在胸部創(chuàng)傷疾病的診斷中作用有限，因此可攜帶的超聲設(shè)備就成為了醫(yī)療救援領(lǐng)域診斷氣胸的首選。為此，本文提供了一種便攜式的超聲氣胸診斷儀，具有成本低、檢查快、便于攜帶的特點。 中圖分類號 ：TP39 文獻標識碼 ：A? 文章編號 ：2095-1302（2022）09-0073-03

0 引 言

目 前， 常規(guī)胸部X線攝影(Chest X-Rayradiography,CXR)和計算機斷層掃描（Computed Tomography, CT）常用于判定創(chuàng)傷患者是否有可疑氣胸，同時 CT 檢測已經(jīng)成為創(chuàng)傷性疾病診斷的標準。雖然CT診斷的準確度非常高，但會使患者暴露在嚴重輻射的環(huán)境中，當患者病情不穩(wěn)定時，無法長時間通過CT 進行檢查。X光有著低劑量輻射、檢查時間短及可移動等特點，臨床常用于氣胸的診斷，其診斷靈敏度、特異度均較高 [1]。但其存在電離輻射可重復性較差，并且受體位影響容易引起誤診、漏診[2]。在救援領(lǐng)域，X光CT設(shè)備常受轉(zhuǎn)運風險大、耗時多、費用高等缺點限制，很難在艱險的救援現(xiàn)場對可能的氣胸患者進行診斷。因此，尋找一種新的方法診斷創(chuàng)傷性氣胸十分必要。與傳統(tǒng)放射檢查相比，超聲具有無輻射、操作簡單、安全快速及便攜的特點，在急診急救中應用越來越廣泛[3-4]。但是，由于超聲本身的成像機理，導致超聲圖像往往噪聲較多，清晰度、分辨率相較于CT和X光等醫(yī)學影像來說明顯較弱。這使得超聲成像存在很多不足：第一，超聲診斷結(jié)果準確性受超聲診斷醫(yī)師的操作技能影響較大；第二，對超聲檢查醫(yī)師的讀圖能力要求較高，與CT、MRI相比，超聲圖像清晰度和分辨率有待提升 ；第三，對肺和胃腸器官的滲透性差，在肺和胃腸器官檢查過程中，如果采用超聲檢查方法，將影響最終檢查數(shù)據(jù)的準確性。由于超聲診斷對患者肺部和胃腸道的穿透性差，在一定程度上其應用會受到限制[5]。但相關(guān)研究顯示，超聲對急性氣胸的診斷結(jié)果與 CT 基本一致，并且優(yōu)于胸部X射線檢查結(jié)果[6] ；床旁胸部 X 射線檢查的時間長于肺部超聲檢查 [7]，而超聲相對于X射線可以更早地發(fā)現(xiàn)少量氣胸 [8]。

1 肺部超聲氣胸檢測技術(shù)

1.1 肺部超聲典型征象

1.1.1 肺滑動征

肺滑動是鑒別氣胸的一個重要征象。在實時超聲下，當探頭與肋骨垂直掃描時，可在胸膜線處看到臟層胸膜和壁層胸膜之間產(chǎn)生一種水平相對滑動并伴隨呼吸運動，即“肺滑”，它是人在呼吸運動時臟層胸膜和壁層胸膜相對運動產(chǎn)生的高回聲閃爍。氣胸患者兩層胸膜之間存有空氣，影響胸膜的可視性，因此肺滑動消失，如圖1所示。而肺搏動和肺點通常是指在呼吸過程中存在吸氣、呼氣運動，出現(xiàn)在正常、異常影像交替顯示的分界點，該肺點的存在可判斷為氣胸，但若為重度氣胸時也可能不出現(xiàn)肺點[9]。

1.1.2 B 線特征

從胸膜線開始并垂直于胸膜線輻射至肺野深部的線性高回聲稱為 B 線。B 線是從胸膜線延伸到屏幕底部的離散垂直混響偽影，它不隨距離的增加而減少，與肺的滑動和呼吸同步地前后移動?；祉憘斡笆侵赋暡▊鞑ヂ窂缴系膬蓚€或兩個以上反射，主要發(fā)生在兩個聲阻抗差異較大的平滑聲學界面上；而B線是由超聲波在肺泡氣液平面上的反射而形成的，也稱為“彗星尾征”。B線不是氣胸的直接征象，臨床上主要用于判斷間質(zhì)性肺疾病的嚴重程度。然而，如果B線與胸膜線結(jié)合，如圖2所示，氣胸可以在很大程度上被排除。

1.1.3 A 線特征

當聲束垂直于胸膜時，混響偽影引起的多次反射將產(chǎn)生平行于胸膜線的線性超回聲，它位于胸膜線下方。超聲下可見一系列平滑、清晰、規(guī)則的線性高回聲，與胸膜線平行，間隔均勻；從淺肺到深肺，回聲逐漸減弱，最后消失。

在遇到胸膜的多次反射后，超聲形成的平行于胸膜的多條亮線是一種混響偽影，有助于氣胸的診斷，表現(xiàn)為平行于胸膜的高回聲水平線，等距、弱信號。每條A線之間的距離表示壁胸膜與皮膚表面之間的距離。A線通常在肺密度正常時出現(xiàn)，在氣胸患者中也可以看到，如圖3所示。

1.1.4 肺點征

肺點可見于正常肺組織和病理性肺組織（如氣胸）之間的過渡區(qū)。通過 M 型超聲識別更為明顯，海灘標志和平流層標志與呼吸運動交替出現(xiàn)。肺斑塊是氣胸診斷的主要征象，特異性為 100%。

1.2 超聲氣胸的診斷

超聲氣胸的診斷常常是根據(jù)肺部超聲出現(xiàn)的不同征象進行。首先，判斷是否存在肺滑征，若出現(xiàn)肺滑征，則可排除發(fā)生氣胸的可能性 ；然后，觀察是否出現(xiàn)B線，若出現(xiàn)B線則一定不發(fā)生氣胸 ；最后，在肋間掃查，是否出現(xiàn)肺點征，若出現(xiàn)肺點征則可以判斷產(chǎn)生氣胸。

1.3 壓電效應

壓電體在受到外機械力作用下發(fā)生電極化，在壓電體兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，使得電荷密度與外機械力成正比，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。壓電體受到外加電場的作用而發(fā)生形變，其形變量與外加電場強度成正比，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應。具有正壓電效應的固體，也一定具有逆壓電效應，反之亦然。

如果壓力是一種高頻震動，則會產(chǎn)生高頻電流。當壓電陶瓷中加入高頻電信號時，會產(chǎn)生高頻聲信號，通常稱為超聲波信號。也就是說，壓電陶瓷具有在機械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能，因此超聲探頭常常被稱為換能器。

2 基于氣胸超聲診斷的基本原理、實現(xiàn)與分析

2.1 氣胸超聲診斷的實現(xiàn)原理

本文提供了一種便攜式的超聲氣胸診斷儀，該診斷儀包括超聲發(fā)射和采集模塊、成像模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、診斷判別模塊。

超聲發(fā)射和采集模塊是設(shè)置超聲探頭發(fā)射超聲，并收集發(fā)射的超聲在人體組織內(nèi)反射、散射的回聲。成像模塊是根據(jù)探頭采集到的回聲進行一定的轉(zhuǎn)換，形成超聲圖像。數(shù)據(jù)處理模塊是對通過成像模塊得到的超聲圖像進行濾波、降噪等預處理，然后對預處理后的圖像進行圖像分割和目標檢測。診斷判別模塊是對經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊分割后的圖像進行判別，判斷是否產(chǎn)生氣胸，同時將結(jié)果進行反饋。

針對氣胸的便攜式應急救援診斷裝置包括震蕩電路、高頻脈沖發(fā)生器、超聲探頭、高頻信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、氣胸識別處理單元、LED指示燈。其中震蕩電路、高頻脈沖發(fā)生器、超聲探頭、高頻信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、氣胸識別處理單元依次連接，氣胸識別處理單元還與揚聲器和LED 指示燈連接。震蕩電路用于周期性地產(chǎn)生同步觸發(fā)脈沖信號，并發(fā)送至高頻脈沖發(fā)生器。

高頻脈沖發(fā)生器在收到震蕩電路同步信號的觸發(fā)之后向超聲探頭發(fā)送高頻脈沖。超聲探頭用于發(fā)出高頻脈沖，接收來自人體內(nèi)的超聲回波并將其轉(zhuǎn)換為高頻電信號，將接收到的高頻電信號發(fā)送至高頻信號放大電路，相關(guān)研究顯示采用高頻探頭相對低頻探頭可提高超聲檢查的靈敏度 [10]。高頻信號放大電路用于放大超聲探頭發(fā)送來的高頻電信號，并發(fā)送至A/D轉(zhuǎn)換器。

A/D轉(zhuǎn)換器用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并發(fā)送至氣胸識別處理單元。氣胸識別處理單元用于對經(jīng)過數(shù)字化處理后的高頻信號進行處理，對超聲氣胸進行識別，并控制 LED指示燈和揚聲器工作，包括圖像預處理模塊、圖像分割模塊、目標檢測模塊、診斷反饋模塊，其中圖像預處理模塊用于對超聲圖像進行濾波和降噪處理，將預處理后的超聲圖像發(fā)送至圖像分割模塊 ；圖像分割模塊用于檢測出胸膜線位置，在胸膜線部位進行分割，保留胸膜線以下部位，將分割后的圖像發(fā)送至目標檢測模塊 ；目標檢測模塊對超聲圖像進行兩次膨脹，對膨脹后的圖像進行二值化處理后再進行霍夫變換，檢測平流征的直線以及沙灘征和平流征的交匯點后將檢測標記后的圖像發(fā)送至診斷判別模塊 ；診斷判別模塊根據(jù)檢測結(jié)果判斷是否產(chǎn)生氣胸。

進一步地，所述氣胸識別處理單元控制LED指示燈和揚聲器工作方式為：當在某一部位未檢測出氣胸時，LED指示燈顯示為綠燈，同時揚聲器伴有一聲時間較長的“嘀”聲；當檢測到某部位產(chǎn)生氣胸時，LED指示燈顯示為紅色，同時揚聲器伴有一陣短促的“嘀嘀”聲，表示檢測到氣胸。另外，超聲探頭采用單晶片結(jié)構(gòu)探頭。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文的便攜式超聲氣胸診斷儀具有如下優(yōu)點 ：根據(jù)氣胸超聲診斷的基本原理，利用現(xiàn)代電子技術(shù)、信號處理技術(shù)，設(shè)計針對氣胸的專病診療設(shè)備，將傳統(tǒng)的超聲設(shè)備進行小型化處理，降低設(shè)備成本和使用門檻 ；檢測速度較快，提高了氣胸的診斷效率 ；非常適用于災害救援與戰(zhàn)場急救等場景。

2.2 實現(xiàn)方案

下面針對兩大主要模塊對超聲氣胸診斷儀的技術(shù)方案進行闡述。

2.2.1 超聲模塊

超聲模塊的主要結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。震蕩電路，即同步信號觸發(fā)器，周期性地產(chǎn)生同步觸發(fā)脈沖信號，用以觸發(fā)高頻脈沖發(fā)生器產(chǎn)生高頻脈沖，以激活超聲探頭產(chǎn)生超聲。超聲脈沖產(chǎn)生的重復頻率決定于觸發(fā)脈沖的重復頻率，其下限大于探測目標運動波形頻率的 2 倍，上限則取決于聲波達到人體的最大探查深度所需的時間。

高頻脈沖發(fā)生器收到同步信號的觸發(fā)之后，產(chǎn)生高頻脈沖激發(fā)超聲探頭（換能器）；超聲探頭受到激發(fā)后便可以發(fā)射一定頻率的脈沖超聲波。該產(chǎn)品針對超聲氣胸而設(shè)計，只要求超聲儀發(fā)射 M 型的超聲，因此可將超聲探頭設(shè)置為單晶片結(jié)構(gòu)探頭。超聲波的穿透力和縱向分辨能力在很大程度上取決于高頻脈沖發(fā)生器，高頻脈沖發(fā)生器發(fā)出的脈沖要求具有一定的幅度和較短的持續(xù)時間。

超聲探頭在高頻脈沖發(fā)出后，接收來自人體的超聲波回波，并將其轉(zhuǎn)換為高頻電信號 ；然后通過高頻信號放大電路進行放大。高頻信號放大電路可由前置放大、保護電路、高頻放大及非線性放大的時間增益電路等組成。為了獲得足夠的靈敏度與保真度，應該使得高頻信號放大電路具有足夠大帶寬和增益。

被放大后的高頻信號，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器，將高頻的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，方便進行數(shù)字化處理。在氣胸處理識別單元對經(jīng)過數(shù)字化處理后的高頻信號進行處理，并對是否是氣胸進行識別。當在某一部位未檢測出氣胸時，LED 指示燈顯示為綠燈，同時揚聲器伴有一聲較長的“嘀”聲 ；當檢測到某部位產(chǎn)生氣胸時，LED 指示燈顯示為紅色，同時揚聲器伴有一陣短促的“嘀嘀”聲，表示檢測到氣胸。

2.2.2 圖像處理和診斷模塊

圖像處理和診斷模塊如圖5所示。首先，對生成的超聲圖像做簡單的圖像預處理，降低超聲圖像的噪聲 ；然后對超聲圖像進行分割，針對超聲氣胸圖像，需要檢測出胸膜線位置，保留胸膜線以下部位，進行目標檢測和分割。

M模式下肺部氣胸超聲圖像如圖6所示。黑框標注位置為胸膜線所在位置，保留胸膜線以下位置，并對超聲圖像繼續(xù)進行目標檢測。

超聲氣胸的金標準是在 M 模式下檢測發(fā)現(xiàn)肺點，也就是 A 線以下發(fā)生沙灘征和平流征交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，其中沙灘征和平流征的交匯點為肺點，如圖 7 所示，沙灘征表現(xiàn)為無序的散點 ；平流征表現(xiàn)為密集、水平排列的線段?？衫没舴蜃儞Q檢測線段的方法，檢測平流征的特征。

對超聲圖像進行兩次膨脹，再對膨脹后的圖像進行二值化處理，如圖 8 所示。對二值化圖像進行霍夫變換，檢測平流征的直線，結(jié)果如圖 9 所示。

3 結(jié) 語

本文中的便攜式超聲氣胸診斷儀有著檢查速度快、便于攜帶的優(yōu)點 ；將傳統(tǒng)的超聲設(shè)備進行小型化處理，設(shè)備的電路結(jié)構(gòu)較簡單、成本較低。還可以將診斷儀做成類似于智能手機的大小，做到真正的便攜式設(shè)計，方便救援人員在救援現(xiàn)場使用。相比于傳統(tǒng)的超聲氣胸診斷流程，本文的診斷儀只須檢測到胸膜線以下有氣體，在超聲中的表現(xiàn)是 A 線下出現(xiàn)平流征，即可確診。相較于傳統(tǒng)流程，檢測速度較快，非常適用于災害現(xiàn)場與戰(zhàn)場等救援場景。

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編輯：黃飛

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