F RORD Denna rapport behandlar ett examensarbete vilket ingœr som en del i vœr civilingenjšrsutbildning pœ datatekniklinjen. Arbetet har utfšrts vid Tekniska Hšgskolan i LuleŒ under perioden april - augusti 1989 i samarbete med Lunds Universitet och Malmšhus LŠns Landsting. Vi vill hšr passa pœ att tacka vœra handledare utan vilkas hjšlp och rœd examensarbetet hade varit omšjligt att genomfšra. Lennart Olsson, 1:e fo ing, som fšrutom att vara handledare Šven fungerat som vœr examinator. Per-Ola Bšrjesson Professor i signalbehandling vid Tekniska Hšgskolan i LuleŒ. BŒda har delat med sig av sina kunskaper och erfarenheter inom bland annat signalbehandlingsomrœdet. Hans Persson vid Lunds Universitet som konstruerat den ultraljudsgivare vi anvšnt oss av. Nils-Gunnar Holmer, Professor i medicinsk teknik vid Lunds Universitet/Malmšhus LŠns Landsting, som rest frœn Lund till LuleŒ fšr att dela med sig av sin breda kunskap inom ultraljudsteknik, fšrst genom att hœlla ett seminarium i ultraljudsteknik med sœvšl teori som laborationspass, sedan genom att ge oss goda rœd och inspiration under arbetets gœng. Examensarbetet utgšr ett av de konkreta projekt som ingœr i avdelningen signalbehandlings uppbyggnad av verksamhet inom biomedicinsk signalbehandling. Programmet stšds av fšljande finansišrer: Hšgskolans kontaktsekretariat, Norrbottens forskningsrœd, LKAB-fonden och PROSAM BD.
INNEH LLSF RTECKNING 1. SAMMANFATTNING........ 1 2. ABSTRACT......... 2 3. INTRODUKTION........ 3 3.1 Bakgrund och problemstšllning.... 3 3.2 Metod......... 3 4. ULTRALJUD - TEORI....... 4 4.1 Fysikalisk princip....... 4 4.2 MŠttekniska aspekter...... 5 4.2.1 Fokusering...... 5 4.2.2 Upplšsning...... 5 4.2.3 VinkelkŠnslighet..... 6 5. M TNINGAR......... 9 5.1 Utfšrande........ 9 5.2 MŠtuppstŠllning....... 10 6. UTRUSTNING......... 1 1 6.1 Koordinatbord....... 11 6.2 Stegmotorstyrning...... 11 6.2.1 Styrkommandon..... 11 6.3 Instrumentbuss GPIB...... 1 2 6.3.1 Konfiguration..... 12 6.3.2 Kommunikation pc - oscilloskop. 1 2 6.4 Oscilloskop........ 1 3 6.5 Ultraljuds sšndare/mottagare.... 13 6.6 PC.......... 13 6.7 Fšrslag till fšrbšttringar..... 14 6.7.1 Oscilloskop...... 14 6.7.2 Ultraljudsgivare..... 14 6.7.3 PC........ 1 4
INNEH LLSF RTECKNING 7. BER KNINGAR OCH SIGNALBEHANDLING... 1 5 7.1 Fšrkortningar....... 15 7.2 Fokusering av givare...... 1 6 7.3 BestŠmning av position i hšjdled... 1 6 7.4 MŠtnoggrannhet....... 1 6 7.4.1 BerŠknad....... 1 6 7.4.2 UppmŠtt....... 17 7.5 Ankomsttidsskattning...... 17 7.5.1 Flank....... 18 7.5.2 Envelopp....... 1 9 7.5.3 Korrelation...... 20 8. PROGRAMUPPBYGGNAD....... 2 2 9. RESULTAT OCH UTV RDERING..... 2 3 9.1 Resultat......... 23 9.2 UtvŠrdering........ 24 10. REFERENSER........ 2 5 BILAGOR BILAGA 1: BILAGA 2: PLOTTNINGAR ANV NDARBESKRIVNING
-1-1 SAMMANFATTNING Bakgrunden till detta examensarbete var ett behov av en mštutrustning som klarar av att registrera ett parti av hudens ytprofil. En sœdan utrustning kan vara till hjšlp fšr att bedšma sjukdomsutvecklingen hos diabetespatienter med kšrlfšršndringar. Syftet med arbetet har varit att bygga upp och utveckla ett system som mšter ytprofilen hos hud med hjšlp av fokuserat ultraljud. Det utvecklade systemet fungerar pœ fšljande sštt: En ultraljudsgivare monteras pœ ett koordinatbord och flyttas med precisa steg šver det hudomrœde som skall undersškas. De mot huden reflekterade ljudpulserna mšts med hjšlp av ett oscilloskop, vilket sšnder kurvdata i heltalsform via en instrumentbuss till en persondator. I datorn skattas ankomsttiden fšr ljudpulsens eko och hšjddata beršknas. De olika metoder fšr ankomsttidsskattning som undersškts Šr flank, envelopp och korrelation. Av dessa tre fšll valet pœ korrelation pœ grund av dess okšnslighet fšr brus och hšga mštnoggrannhet. Genom mštning av 1000 punkter pœ en jšmn, plan yta erhšlls ett mœtt pœ standardavvikelsen, detta blev mindre Šn 0.013 mm fšr varje mštpunkt. MŠttiden fšr varje punkt Šr ca 15 sekunder.
-2-2 ABSTRACT The background for this degree project was the need for measuring equipment which would enable registration of the skin«s surface. Such equipment can be of use when monitoring the development of diabetes. The purpose of this work has been to build and develop a system that measures the profile of the skin using focused ultrasound. The system works as follows: With the help of a coordinate table the ultrasound transducer moves over the surface that is to be examined. The reflected soundpulses are measured with an oscilloscope, which sends data to a personal computer. In the computer, the echo arrival time is estimated so that the distance between the surface and the transducer can be calculated. The different methods of estimating the arrival time that have been examined are slope, envelope and correlation. The decision was to use correlation due to its insensitivity to noise and its high accuracy. By measuring 1000 points on a smooth, horizontal surface the standard deviation was calculated to be less than 0.013 mm. The total time to process one point is about 15 seconds.
-3-3 INTRODUKTION I detta avsnitt presenteras examensarbetet. Syftet med arbetet har varit att bygga upp och utveckla ett mštsystem, baserat pœ fokuserat ultraljud, fšr registrering av hudens ytprofil. 3.1 Bakgrund och problemstšllning IdŽn till detta examensarbete gavs av Nils-Gunnar Holmer, Professor i medicinsk teknik vid Lunds Universitet. Diabetespatienter drabbas ofta av kšrlfšršndringar som leder till fšrsšmrad blodcirkulation. Exempelvis innebšr detta att delar av huden blir sšmre fšrsšrjd, vilket resulterar i synliga patologiska fšršndringar i form av gropar i hudytan. Fenomenet kan anvšndas fšr bedšmning av sjukdomsutvecklingen hos sœdana patienter. Det Šr dock svœrt fšr en lškare att dokumentera symtomen sœ att de kan jšmfšras mellan undersškningstillfšllena. DŠrfšr behšvs en mštutrustning fšr att avbilda och registrera ytprofilen hos ett hudparti. Ett annat tšnkbart anvšndningsomrœde fšr denna utrustning Šr undersškning av hur huden lšks t ex efter stygn. 3.2 Metod MŠtningen gšrs med ultraljudsteknik. En ultraljudsgivare fšrflyttas lšngs ett antal parallella linjer ovanfšr den undersškta hudytan och avstœndet mšts i ett antal punkter lšngs varje linje. AvstŒndet bestšms genom att mšta ljudets lšptid mellan givare och hudyta. PŒ sœ vis skapas en avstœndsbild av ytan i ett lšmpligt antal punkter. Det inbšrdes avstœndet mellan punkterna bestšms av ytans beskaffenhet, pœ en skrovligare yta fordras tštare mštningar Šn pœ en nšstan plan (jšmfšr samplingsteoremet). Den inlšsta datamšngden presenteras som en bild och fœr utgšra underlag fšr berškningar. tergivningen av hudytan Šr beroende av mštningens upplšsning i bœde djupled och sidled. En fokuserad ultraljudsgivare anvšnds fšr att ge god upplšsning i sidled. Fokuseringen medfšr dock att givarens avstœnd ifrœn hudytan mœste hœllas konstant.
-4-4 ULTRALJUD - TEORI Avbildningen med ultraljud bygger pœ att en utsšnd ljudpuls reflekteras mot gršnsskikten mellan olika medier. Metoden har fœtt flera viktiga tillšmpningar, bl a inom fosterdiagnostik. Den Šr sœvitt man vet oskadlig vid de intensiteter som anvšnds fšr avbildning. (4. Kapitel 16, Kjell Lindstršm LTH) 4.1 Fysikalisk princip Ljud reflekteras nšr det tršffar gršnsytan mellan tvœ medier med olika akustisk impedans. Den akustiska impedansen definieras som produkten av ljudhastigheten v och densiteten p. Som framgœr av tabellen nedan Šr den akustiska impedansen mycket olika fšr ben, luft och den grupp av všvnader som utgšr mjukdelarna. Material Ljudhastighet Densitet Akustisk impedans m/s kg/m 3 kg/(m 2 s)*10-6 Luft 330 1.2 0.0004 Fett 1540 950 1.37 MuskelvŠvnad 1580 1025 1.61 BenvŠvnad 4000 1700 6.8 NŠr en ultraljudvœg infaller vinkelrštt mot gršnsytan mellan tvœ medier med impedanserna v 1 p 1 och v 2 p 2 reflekteras en del av vœgens energi enligt R = ((v 1 p 1 -v 2 p 2 )/(v 1 p 1 +v 2 p 2 )) 2 Vid stora skillnader i mediernas impedans, exempelvis mellan luft och hud, antar reflexionskoefficienten R všrden mycket nšra 1, vilket innebšr att praktiskt taget all energi reflekteras.
-5-4.2 MŠttekniska aspekter 4.2.1 Fokusering En cirkulšr givare vars yta Šr helt plan sšgs vara ofokuserad. Det innebšr att ultraljudet lšmnar givaren i en rak strœle fšr att efter en viss stršcka bšrja spridas ut. StrŒlens bredd Šr dœ i stort sett lika med givarens diameter. Om en smalare strœle šnskas kan alltsœ en mindre givare anvšndas. En nackdel Šr att spridningen bšrjar tidigare och spridningsvinkeln blir stšrre. En annan metod Šr dœ att anvšnda en fokuserad givare som bšjer ihop ljudstrœlen sœ att den blir smalare Šn givarens diameter. Principen Šr precis densamma som vid optisk fokusering, antingen gšrs sjšlva givarytan konkav, eller sœ placeras en akustisk lins framfšr givaren. DŠr strœlen Šr som smalast ligger dœ givarens fokus, bortom denna punkt sprids strœlen snabbt. Om mštobjektet hœlls noggrannt i givarens fokus kan givare med hšg fokuseringsgrad och dšrmed litet fokusomrœde anvšndas. (2. Diagnostiskt Ultraljud kapitel 3, Hans W Persson) 4.2.2 Upplšsning Ultraljudsgivarens upplšsning i sidled Šr direkt proportionell mot ljudstrœlens bredd i fokus. StrŒlbredden minskar vid hšgre fokuseringsgrad. Den axiella upplšsningen Šr i stort sett omvšnt proportionell mot vœglšngden och Šr normalt ett mindre problem Šn upplšsningen i sidled. Vidare anvšnds ankomsttidsskattning som ett verktyg fšr att fšrbšttra den axiella upplšsningen. (2. kapitel 3, Hans W Persson) LjudvŒgor som fortplantar sig i ett medium kommer att dšmpas proportionellt mot den tillryggalagda stršckan. Denna dšmpning Šr frekvensberoende (2. kapitel 2, Stephan Dymling). En hšgre frekvens fšrbšttrar upplšsningen i djupled men medfšr alltsœ stšrre dšmpning i luften och dšrmed svœrare detektering av ekot. Det kan kompenseras med kšnsligare givare, bšttre signalbehandling och/eller kortare fokusavstœnd.
-6-4.2.3 VinkelkŠnslighet BŠsta mšjliga eko fœs mot en jšmn yta vinkelrštt mot ultraljudspulsens riktning och pœ det avstœnd som ultraljudsgivaren Šr anpassad fšr, dvs fokusavstœndet. Med jšmn yta avses dœ nœgon yta som kan reflektera stšrre delen av pulsens energi i en bestšmd riktning med liten spridning. Fšr att undersška hur ytans vinkel i fšrhœllande till givaren inverkar pœ ekots amplitud placerades en plan plexiglaskloss under givaren. Ekots amplitud fšr olika vinklar pœ klossen registrerades med hjšlp av oscilloskop. TvŒ olika givare testades, en avpassad fšr mštning i vatten och en fšr luft, diagrammen visas i fig: Figur 4.1 a Diagram fšr vinkelkšnslighet, vatten
-7- Figur 4.1 b Diagram fšr vinkelkšnslighet, luft Resultatet kan fšrklaras med enkel geometri, se figur: Figur 4.2 Givargeometri
-8- Antag vinkeln v=0 nšr ytan Šr vinkelršt mot pulsens utbredningsriktning. Ekot fœr dœ minskande amplitud fšr všxande v eftersom en allt stšrre andel av dess energi gœr fšrbi givaren till ingen nytta. Fšr v >= w kommer všsentligen ingen energi att tršffa givaren. Detta tyder pœ att stor givardiameter och litet fokusavstœnd škar mšjligheten att detektera ekon frœn lutande ytor. ven om ytan, som fallet Šr med hud, Šr sœ ojšmn att ekot sprids ut i flera riktningar bšr en stor givare pœ litet avstœnd kunna fœnga upp en stšrre del av pulsens energi Šn en liten givare pœ stort avstœnd. Dessutom bšr mštfelet i hšjdled kunna hœllas konstant i fšrhœllande till fokusavstœndet, dvs mindre avstœnd ger mindre absoluta fel.
-9-5 M TNINGAR HŠr presenteras mštningens utfšrande och mštuppstšllningen. 5.1 Utfšrande Objektet placeras pœ koordinatbordet under ultraljudsgivaren. UltraljudssŠndaren sšnder en spšnningspuls som genererar en ultraljudpuls i givaren. Ljudpulsen reflekteras mot objektet, tas emot av givaren och omvandlas till en spšnningspuls, vilken fšrstšrks av ultraljudsmottagaren. SŠndpuls och ekopuls mšts med hjšlp av oscilloskopet. Hela denna kurva sšnds i form av ett antal sampels (heltal) till datorn. I datorn skattas ankomsttiden fšr ekot, nœgot som anvšnds fšr att pœ ett nogrannt sštt rškna ut den relativa hšjden pœ fšremœlet i frœga. Om kristallen Šr fokuserad, det vill sšga avstœndet mellan kristallen och mštobjektet ligger inom ett intervall med pœ fšrhand satta toleranser, lagras hšjden, annars justeras kristallen i hšjdled fšr att uppnœ fokusering. I fallet att nœgot eko ej kan registreras, dvs kristallen lyckas inte fœnga upp tillršckligt med energi frœn den ŒtervŠndande ljudvœgen, sštts hšjden till densamma som vid fšregœende mštpunkt. Orsaken till att detta gœr att gšra beror pœ att ovanstœende uteslutande intršffar vid mštning pœ kanter och spetsar. Givaren flyttas till ny mštpunkt. NŠr mštningen Šr klar skickas hšjddata till ett grafikpaket. Hšjddata kan antingen presenteras tredimensionellt, i perspektiv, eller tvœdimensionellt (grœskala).
-10-5.2 MŠtuppstŠllning Figur 5.1 MŠtuppstŠllning
-11-6 UTRUSTNING I detta avsnitt beskrivs den utrustning som ingœr i mštsystemet. 6.1 Koordinatbord Modell Arbetsbord ArbetsomrŒde XYZ Stegmotor X/Y Stegmotor Z Repeternoggrannhet Steg/Varv Spindelstigning Antal steg Hastighet mm/sek Vikt Solectro art.nr E2273 750*750 mm 500*500*100 mm 2 st stegvinkel 1.8 o bromsmoment 110 N-cm 1 st stegvinkel 1.8 o bromsmoment 55 N-cm +/- 10 um 400 st 5 mm StrŠcka * (Steg/Varv) / Spindelstigning (80 steg = 1mm) Spindelstigning * Steg/Sek * (Steg/Varv) 48 kg 6.2 Stegmotorstyrning Avsedd fšr tre axlar med seriellt interface. Modell verfšringshastighet Interface Minneskapacitet Statiskt ramminne Solectro art.nr E3380 9600 Bd RS232 256 KB 128 KB 6.2.1 Styrkommandon Positioneringen av koordinatbordets axlar sker med kommandon som skickas via RS232 gršnssnitt. LŠttanvŠnda rutiner som skšter positioneringen av ultraljudsgivaren Šr utvecklade.
-12-6.3 Instrumentbuss GPIB Modell : National Instruments Fšrkortningen stœr fšr General Purpose Interface Bus och Šr accepterad som industri standard IEEE-488. GPIB Šr ett interface system genom vilket elektroniska enheter kommunicerar. Ett GPIB-kort monteras i en PC och till detta kan upp till 16 enheter anslutas. Datašverfšringshastigheten kan i bšsta fall komma upp till 1 MB/s. En siffra som i de flesta fall Šr ouppnœelig eftersom denna oftast starkt begršnsas av de anslutna enheterna. 6.3.1 Konfiguration Varje enhet ges en basadress vilken stšlls in med switchar pœ respektive instrument. Lyssnar- och sšndaradress fœs genom att addera 32 respektive 64 till basadressen. 6.3.2 Kommunikation pc-oscilloskop PC Tektronix 2230 Basadress : 0 3 Lyssnaradress : 32 3 5 SŠndaradress : 64 6 7 Exempel pœ en kommunikation: Kommando: Initiera GPIB-bussen ibsic Enheterna aktiveras att lyssna ibsre 2230 ska lyssna, PC:n ska sšnda ibcmd "35 64" Skicka kurvdata ibcmd "CURVE?" PC:n ska lyssna, 2230 ska sšnda ibcmd "32 67" PC:n tar emot kurvdata, 1024 byte ibrd "1024"
-13-6.4 Oscilloskop Modell : Tektronix 2230 Bandbredd : 100 MHz Kombinerat analogt icke-lagrande och digitalt lagrande instrument, vilket kan kommunicera med en dator via GPIB. verfšringshastigheten frœn oscilloskopet till datorn Šr 1 KB/s, vilket Šr en mycket lœg siffra. I digitalt lšge kan vœgformer sparas i minnet fšr att senare kunna ŒterhŠmtas. 6.5 Ultraljuds sšndare/mottagare Modell : Panametrics 5052PR Ultraljudsgivaren kopplas till sšndaren/mottagaren som kombineras med ett oscilloskop. Instrumentets sšndardel genererar korta pulser med kontrollerad energi, som i givaren omvandlas till ultraljudpulser. Ultraljudsekot mottas sedan av givaren och omvandlas till en spšnningssignal som fšrstšrks av instrumentets mottagardel, vilken har en varierbar fšrstšrkning frœn 0 till 40 db i steg om 2 db. Instrumentet skickar Šven en triggsignal till oscilloskopet. 6.6 PC En COMPAQ DESKPRO 286 med klockfrekvens pœ 12 MHz anvšnds. Fšr att mšjliggšra datašverfšring har denna kompletterats med tidigare nšmnda GPIB-interface. Styrprogrammet fšr hela mštningen Šr skrivet i Borlands Turbo Pascal 5.0
-14-6.7 Fšrslag till fšrbšttringar 6.7.1 Oscilloskop Ett problem med nuvarande utrustning Šr att datašverfšringen ifrœn oscilloskopet till datorn tar lœng tid (4 sek fšr 4 KB). Detta kan ŒtgŠrdas genom att anvšnda ett oscilloscop med betydligt hšgre šverfšringshastighet. Det enklaste vore dock att ersštta oscilloskopet med nœgon form av inbyggd datainsamlingsutrustning, nœgot som Šven fœr till fšljd att GPIB-šverfšringstiden sparas in. 6.7.2 Ultraljudsgivare Ultraljudsgivaren som anvšnds i det nuvarande systemet har ett fokusavstœnd pœ 45 mm. En givare med kortare fokusavstœnd skulle innebšra ekon med hšgre amplitud, mindre vinkelkšnslighet och bšttre mštnoggrannhet. Se mšttekniska aspekter. 6.7.3 PC I dagslšget fšrdršjs mštningen Šven av datorns berškningskapacitet, framfšrallt dœ det gšller ankomsttidsskattningen. En 286:a med hšgre klockfrekvens eller en 386:a hade naturligtvis gjort dessa problem mindre pœtagliga.
-15-7 BER KNINGAR OCH SIGNALBEHANDLING I detta avsnitt presenteras de berškningar och den signalbehandling som utfšrts. 7.1 Fšrkortningar t a t l t f t u t m t k d a n s ankomsttid (s) lšptid (s) lšptid vid fokusering (s) tidpunkt fšr utsšnd puls (s) tidpunkt fšr mottaget eko (s) korrigeringstid (s) diskret ankomsttidpunkt (sampel) sampel/tidsenhet pœ oscilloskopet (sampel/us) t d tid/div (s/div) n d s f s a s s s z s l v m v l fs z fs s fd a fs l sampel/div (sampel/div) fokusavstœnd (mm) avstœnd frœn fokus, korrektion (mm) avstœnd frœn fokus, korrektion (steg) z-position som lšses av frœn stegmotorstyrningen (steg) lagrat avstœnd (steg) hastighet i media (km/s) hastighet i luft (km/s) feluppskattning av s z (mm) felupskattning av s s (mm) feluppskattning av d a (sampel) feluppskattning av s l (mm)
-16-7.2 Fokusering av givare t l = t u - t m t f = 2. sf / v m t k = t l - t f s a = t. k v m / 2 s s = s. a 80 (1 mm = 80 steg se 6.1) 7.3 BestŠmning av position i hšjdled s l = s z + s s Det Šr detta avstœnd som lagras. Om omvandling frœn antal steg till avstœnd i mm šnskas kan detta gšras genom att dividera med 80. 7.4 MŠtnoggrannhet 7.4.1 BerŠknad BerŠkningarna Šr grundade pœ 4 KB kurvdata och de oscilloskopinstšllningar som Šr beskrivna i bilaga1. fs z = +/- 10 um enligt manual. Detta fel fšrsummas. n s = n d / t d = 400 /40 sampel/us = 10 sampel/us fd a = +/- ( 1/2+1/2) sampel ( * ) fs s = fd a / n. s v l mm fs l = fs z + fs s = +/- 1/20 us. 0.34 km/s = +/- 0.017 mm Bidraget till det totala felet fšr en mštning blir +/- 0.017 mm. ( * ) 1. Verkliga maxpunkten i korrelationen kan ligga mitt mellan tvœ sampel. 2. Eftersom samplingsfšrloppet Šr inte synkroniserat med ultraljudspulserna sœ kan ett fel pœ hšgst en halv samplingsperiod adderas.
-17-7.4.2 UppmŠtt En serie med 1000 mštpunkter šver en plan yta gjordes. Fšr varje punkt registrerades hur mycket ekot avvek i tiden frœn idealekot (ršknat i antal sampelperioder). En avvikelse pœ en sampelperiod motsvarar ett fel i avstœndsmštningen pœ 0.017 mm. Resultatet visas som ett histogram i figur 7.1. Att materialet inte Šr centrerat kring noll beror pœ att givaren inte kunnat fokuseras helt exakt, och har ingen betydelse fšr mštnoggrannheten. Standardavvikelsen blev mindre Šn 0.013 mm. Figur 7.1 Histogram Antal mštpunkter 400 200-2 -1 0 1 2 Avvikelse (antal sampel) 7.5 Ankomsttidsskattning HŠr beskrivs tre olika metoder fšr att skatta ekots ankomsttid utifrœn den samplade kurvan frœn oscilloskopet. Metoden som slutligen valdes var korrelation pga dess lœga bruskšnslighet och hšga mštnoggrannhet. Fšr samtliga metoder gšller att ankomsttiden i slutšnden ges av ett sampel som utmšrker sig pœ nœgot sštt, t.ex en maxpunkt. Den sškta tidpunkten Šr sšllan densamma som ett samplingstillfšlle. Tidsskillnaden blir som mest en halv samplingsperiod. Felet kan
-18- dšrfšr minskas om samplingsfrekvensen škas, nœgot som enkelt kan simuleras genom att fler punkter interpoleras fram mellan samplen (kallas ocksœ šversampling). Fšr att hœlla ner berškningstiden har detta inte implementerats men kan alltsœ ses som ett sštt att fšrbšttra mštnoggrannheten. 7.5.1 Flank Enklaste tšnkbara metoden. Kurvan sšks av med bšrjan dšr den utsšnda pulsen helt har klingat av. NŠr ett sampel som šverskrider en fšrutbestšmd nivœ hittas anses ekot ha anlšnt. Denna tidpunkt registreras. Se figur 7.2. Metoden Šr enkel, noggrann och mycket snabb, men kšnslig fšr brus. Fšr att undvika att en enstaka spik i bruset tolkas som ett eko sœ mœste tršskeln sšttas med en viss sškerhetsmarginal. I praktiska mštningar med lutande och skrovliga reflexionsytor blir dšrfšr ekot ofta svœrt att detektera pœ ett tillfšrlitligt sštt. Figur 7.2 Ekots detektering med flankmetoden
-19-7.5.2 Envelopp Kurvan lœgpassfiltreras fšrst fšr att fœ bort det mest hšgfrekventa bruset, den likriktas och lœgpassfiltreras igen, nu sœ att endast dess envelopp ŒterstŒr. Resultatet sšks av och en maxpunkt motsvarande ekots hšgsta amplitud tas fram. Tidpunkten registreras. PŒ sœ sštt kan mštning gšras utan nœgot tršskelvšrde som sštter ner noggrannheten. I praktiken bšr nog ŠndŒ en tršskel sšttas, dvs om amplituden i maxpunkten inte šverstiger ett visst všrde sœ fšrkastas resultatet, detta fšr att undvika feldetektering. Trots den fšrsta filtreringen ger bruset ett visst likspšnningsbidrag till enveloppen. Det bidraget fœr bestšmma var tršskeln ska lšggas, men den blir fšrhoppningsvis lšgre Šn med derivatametoden. Maxpunkten pœ enveloppen Šr dock inte lika tydlig och všldefinierad som den fšrsta flanken pœ ekot, dessutom infšrs en ibland svœrbestšmd fasfšrskjutning vid filtreringen. DŠrfšr ger inte denna metod lika hšg noggrannhet som derivatametoden nšr ekot Šr tillršckligt starkt. Figur 7.3 Ekots detektering med enveloppmetoden
-20-7.5.3 Korrelation Kurvan korskorreleras med en existerande kurvform som innehœller ett "idealeko". LŠget pœ resultatets maxpunkt anger tidsfšrskjutningen mellan de tvœ ekona. ven om idealekots exakta lšge pœ tidsskalan inte Šr kšnt sœ kan en hšjdprofil mštas upp genom att t.ex den fšrsta mštpunkten anvšnds som referens fšr de švriga. Korskorrelation mellan tvœ vektorer innehœllande samplade signaler gšrs per definition sœ hšr: "LŠgg" de tvœ vektorerna vid sidan av varandra sœ att ena vektorns fšrsta tal ligger jšmsides med andra vektorns sista tal. Multiplicera ihop dessa och registrera resultatet. Fšrskjut vektorerna sœ att tvœ tal šverlappar varandra, multiplicera ihop dessa parvis, summera och registrera resultatet. Fšrskjut Šnnu ett steg sœ att tre tal šverlappar varandra, multiplicera, addera och registrera osv. tills alla kombinationer anvšnts. Resultatet frœn varje steg lagras i en tredje vektor som dœ utgšr korskorrelationen. Om de tvœ vektorerna innehœller tvœ likadana pulser pœ samma position sœ innehœller korskorrelationen en maxpunkt precis i mitten av vektorn. r Œ andra sidan de tvœ pulserna fšrskjutna i fšrhœllande till varandra sœ fšrskjuts maxpunkten i korrelationen lika mycket. I praktiken brukar berškningen gšras via FFT (Fast Fourier Transform) fšr att minska berškningstiden. DŒ Fouriertransformeras var och en av de tvœ vektorerna, den ena vektorn konjugeras och de tvœ multipliceras med varandra. Resultatet inverstransformeras. Metoden kršver som synes tunga berškningar men Šr mycket robust nšr det gšller att detektera svaga ekon. MŠtnoggrannheten Šr fullt tillfredsstšllande fšr denna tillšmpning.
-21- Figur 7.4 Ekots detektering med korrelationsmetoden
-22-8 PROGRAMUPPBYGGNAD Vi valde att skriva vœrt program i Turbo Pascal 5.0 pœ grund av dess mšjlighet till modularisering, de korta kompileringstiderna samt enkelheten att anvšnda teckengrafik vid skapandet av menyer. SjŠlva programmet Šr nšmligen till stšrsta delen menystyrt, eller med andra ord, skrivet med tanke pœ anvšndaren. Kodens lšsbarhet har škats genom mšjligheten att bryta upp denna till moduler, sœ kallade units. Totalt 15 stycken. Programmets tre huvuddelar Šr : InlŠsning av yta, dšr datorn med hjšlp av koordinatbordet och oscilloskopet samlar in mštdata. I denna del inhšmtas information om mštningens art, ytans storlek samt antalet mštpunkter i x-led och y-led, vidare sker positioneringen av givaren samt de berškningar som behšvs fšr att avstœndet mellan referenspunkten och ytan skall kunna beršknas. AvstŒndet fšr varje punkt sparas pœ fil. Plottning av yta, dšr tidigare inlšsta mštdata anvšnds fšr att visualisera en uppmštt yta. Plottningen kan ske tvœdimensionellt (grœskala) eller tredimensionellt, i perspektiv. Styrning av koordinatbordet frœn tangentbordet. I denna del ingœr separat kurvinlšsning av oscilloskopskšrmen samt plottning av denna kurvform. Den inlšsta kurvan sparas pœ en fil och kan lštt šverfšras till exempelvis MATLAB fšr filterdimensionering, nœgot som exempelvis kan anvšndas vid ankomsttidsskattningen av ultraljudsekot.
-23-9 RESULTAT OCH UTV RDERING 9.1 Resultat MŒlet med examensarbetet Šr uppfyllt och ett fungerade mštsystem Šr uppbyggt och utvecklat. Exempel pœ tidsœtgœng fšr en mštpunkt: Koordinatstyrning - UppmŠtt vid steglšngd 2 mm. Ekotid, medelvšrde av 8 ekon - BerŠknat fšr fokusavstœnd 45 mm. verfšring mellan oscilloskop och PC - Enligt manual fšr 4 KB. Bearbetning i PC - UppmŠtt nšr 1 KB av inlšst kurva anvšnds vid korskorrelation. Summa 0.2 s 0.02 s 4.0 s 10.0 s 14.2 s Om ett omrœde pœ 20*20 mm ska undersškas med steglšngden 2 mm, alltsœ 10*10 mštpunkter, sœ blir totala mšttiden 10*10*14.2 s, dvs ca 23 min. Standardavvikelsen, vilken erhšlls genom mštning av 1000 punkter pœ en jšmn, plan yta, beršknades till 0.013 mm. NŒgra stšrre mštningar pœ huden har ej kunnat genomfšras pga den lœnga mšttiden. DŠremot har en mštning pœ hudimitation Šgt rum. De mštningar som genomfšrts har till stšrsta delen varit pœ fasta fšremœl. De ankomsttidsskattningar som undersškts Šr flank, envelopp samt korrelation. AnvŠnd skattning blev korrelation pga dess okšnslighet fšr brus och hšga mštnoggrannhet. Vid byte av nœgon del i utrustningen mœste programmen modifieras. Byte av ultraljudsgivare Šr fšrberett.
-24-9.2 UtvŠrdering Fšr att snabba upp mštningen mœste šverfšrings- och bearbetningstiderna minskas. verfšringen šver GPIB-bussen sker nu med 1 KB/s, men det finns oscilloskop pœ marknaden som klarar 50 KB/s eller mer. Med ett sœdant skulle en šverfšring ta ca 80 ms. Uppskattningsvis skulle den fšr tillfšllet snabbaste PC;n (80386, 33Mhz) minska bearbetingstiden i tabellen ovan till en tredjedel, dvs ca 3 sekunder. Om alla dessa ŒtgŠrder vidtogs skulle mšttiden i ovanstœende exempel minskas frœn 23 till ca 6 minuter. Datorernas prestanda blir dessutom allt bšttre. MŠtnoggrannheten skulle kunna fšrbšttras pœ flera sštt. Ett Šr att en ultraljudsgivare med kortare fokusavstœnd anvšnds (kap. 4.2.3), ett annat att ška ška samplingsfrekvensen, ev genom programmerad sk šversampling, (kap 7.5) och ett tredje att synkronisera samplingsfšrloppet med ultraljudspulserna (kap 7.4.1). En eventuell fortsšttning pœ detta projekt skulle kunna innehœlla dessa olika punkter: Korta ned mšttiden. Ta fram diameter och djup pœ de nedsjunkningar i huden som uppmštts fšr att kunna gšra jšmfšrelser mellan olika mšttillfšllen.
-25-10 REFERENSER 1. Holm, S., Stokastiska processer fšr E. Gšteborg: Teknologtryck Chalmers, 1986 2. Holmer, N-G. (sammanstšlld av), Diagnostiskt Ultraljud - Grunderna. Lund: Bokfšrlaget Teknikinformation, 1986 3. Holmer, N-G., Lindstršm, K., New Methods in Medical Ultrasound. Lund/Malmš: Lund Institute of Technology/Malmš General Hospital, 1978 4. Jacobson, B., Medicin och Teknik. Stockholm: Modin-Tryck AB, 1987
-1- Bilaga 1 BILAGA 1: PLOTTNINGAR 1. CirkulŠrt hœl i plexiglasskiva 0.5 mm mellan mštpunkterna. Djup 1 mm Diameter 10 mm 2. Trekantigt hœl i plastmall 0.5 mm mellan mštpunkterna Djup 0.7 mm Bredd 5 mm
-2- Bilaga 1 3. KlŠdkrok 1 mm mellan mštpunkterna Hšjd 4 mm X-led 35 mm Y-led 70 mm 4. Samma klšdkrok frœn en annan vinkel
-3- Bilaga 1 5. Hudimitation (lšderplœnbok) 2 mm mellan mštpunkterna. X-led 40 mm Y-led 40 mm
-1- Bilaga 2 BILAGA 2 : ANV NDARBESKRIVNING 1. Koppla upp utrustningen enligt 5.2 MŠtuppstŠllning. 2. Gšr intrumentinstšllningar enligt nšsta sida. 3. SŠtt in disketten och kopiera filer till hœrddisk: A: INSTALL C: 4. Starta programmet: C: CD \YPM YPM (YtProfilMŠtning) 5. Du fœr en frœga: r GPIB installerat? Svara ja eller nej. 6. Om GPIB Šr installerat fœr du upp fšljande meny 1. MŠt ytprofil 2. Plotta ytprofil, 3-D 3. Plotta ytprofil, 2-D 4. Manuell styrning 5. ndra givardata 7. Om GPIB ej Šr installerat fœr du upp fšljande meny 1. Plotta ytprofil, 3-D 2. Plotta ytprofil, 2-D 3. Manuell styrning 4. ndra givardata 8. Programmet Šr sjšlvinstruerande. Lycka till!!
-2- Bilaga 2 INSTRUMENTINST LLNINGAR Dessa instšllningar gšller fšr ultraljudsgivaren LF50-1 med 45 mm fokusavstœnd. Givarens konkava yta bšr ej utsšttas fšr pœfrestningar. Ultraljuds sšndare/mottagare Modell Panametrics 5052PR Energy 4 Atten. 10 db H.P. Filter 0.3 MHz Gain 40 db Oscilloskop Acqusition Select mode X-led Y-led 4K, scan, posttrig, continue,store Sample 10 us/div uncal motsvarar denna instšllning 40 us/div 0.2 V/div Oscilloskopets display vid dessa instšllningar.