Mätning av hudens ytprofil med hjälp av fokuserat ultraljud.

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 ultra- ljudsgivare vi anvŠnt oss av.

Nils-Gunnar Holmer, Professor i medicinsk teknik vid Lunds Universitet/Malmšhus LŠns Landsting, som rest frŒn Lund till Lu- leŒ fšr att dela med sig av sin breda kunskap inom ultraljudstek- nik, 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 av- delningen signalbehandlings uppbyggnad av verksamhet inom bio- medicinsk signalbehandling. Programmet stšds av fšljande finan- siŠrer: H šgskolans kontaktsekretariat, Norrbottens forsk- ningsrŒd, LKAB-fonden och PROSAM BD.

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 . . . . . . . 1 0

6. UTRUSTNING . . . . . . . . . 1 1

6.1 Koordinatbord . . . . . . . 1 1

6.2 Stegmotorstyrning . . . . . . 1 1 6.2.1 Styrkommandon . . . . . 1 1 6.3 Instrumentbuss GPIB . . . . . . 1 2 6.3.1 Konfiguration . . . . . 1 2 6.3.2 Kommunikation pc - oscilloskop . 1 2

6.4 Oscilloskop . . . . . . . . 1 3

6.5 Ultraljuds sŠndare/mottagare . . . . 1 3

6.6 PC . . . . . . . . . . 1 3

6.7 Fšrslag till fšrbŠttringar . . . . . 1 4 6.7.1 Oscilloskop . . . . . . 1 4 6.7.2 Ultraljudsgivare . . . . . 1 4

6.7.3 PC . . . . . . . . 1 4

7. BER€KNINGAR OCH SIGNALBEHANDLING . . . 1 5

7.1 Fšrkortningar . . . . . . . 1 5

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 . . . . . . . 1 7

7.5 Ankomsttidsskattning . . . . . . 1 7

7.5.1 Flank . . . . . . . 1 8

7.5.2 Envelopp . . . . . . . 1 9

7.5.3 Korrelation . . . . . . 2 0 8. PROGRAMUPPBYGGNAD . . . . . . . 2 2 9. RESULTAT OCH UTV€RDERING . . . . . 2 3

9.1 Resultat . . . . . . . . . 2 3

9.2 UtvŠrdering . . . . . . . . 2 4

10. REFERENSER . . . . . . . . 2 5

BILAGOR

BILAGA 1: PLOTTNINGAR

BILAGA 2: ANV€NDARBESKRIVNING

1 SAMMANFATTNING

Bakgrunden till detta examensarbete var ett behov av en mŠtut- rustning som klarar av att registrera ett parti av hudens ytprofil.

En sŒdan utrustning kan vara till hjŠlp fšr att bedšma sjukdoms- utvecklingen hos diabetespatienter med kŠrlfšrŠndringar.

Syftet med arbetet har varit att bygga upp och utveckla ett sy- stem som mŠter ytprofilen hos hud med hjŠlp av fokuserat ultra- l j u d .

Det utvecklade systemet fungerar pŒ fšljande sŠtt: En ultraljuds- givare 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 ABSTRACT

The background for this degree project was the need for measu- ring equipment which would enable registration of the skin«s sur- face. Such equipment can be of use when monitoring the develop- ment 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 oscil- loscope, which sends data to a personal computer. In the comput- er, the echo arrival time is estimated so that the distance be- tween 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 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, Pro- fessor 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 utrust- ning Šr undersškning av hur huden lŠks t ex efter stygn.

3.2 Metod

MŠtningen gšrs med ultraljudsteknik. En ultraljudsgivare fšr- flyttas 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 mŠt- ningar Šn pŒ en nŠstan plan (jŠmfšr samplingsteoremet). Den in- lŠsta datamŠngden presenteras som en bild och fŒr utgšra under- lag 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 giva- rens avstŒnd ifrŒn hudytan mŒste hŒllas konstant.

4 ULTRALJUD - TEORI

Avbildningen med ultraljud bygger pŒ att en utsŠnd ljudpuls re- flekteras mot grŠnsskikten mellan olika medier. Metoden har fŒtt flera viktiga tillŠmpningar, bl a inom fosterdiagnostik. Den Šr sŒ- vitt man vet oskadlig vid de intensiteter som anvŠnds fšr avbild- ning.

(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 k g / m³ k g / ( m²s ) * 1 0^{- 6}

L u f t 3 3 0 1.2 0.0004

F e t t 1 5 4 0 9 5 0 1.37

MuskelvŠvnad 1 5 8 0 1 0 2 5 1.61

BenvŠvnad 4 0 0 0 1 7 0 0 6.8

NŠr en ultraljudvŒg infaller vinkelrŠtt mot grŠnsytan mellan tvŒ medier med impedanserna v₁p₁ och v₂p₂ reflekteras en del av vŒgens energi enligt

R = ((v₁p₁-v₂p₂)/(v₁p₁+v₂p₂))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.

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 givar- ytan 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 foku- seringsgrad. Den axiella upplšsningen Šr i stort sett omvŠnt pro- portionell 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 signalbe- handling och/eller kortare fokusavstŒnd.

4.2.3 VinkelkŠnslighet

BŠsta mšjliga eko fŒs mot en jŠmn yta vinkelrŠtt mot ultraljuds- pulsens riktning och pŒ det avstŒnd som ultraljudsgivaren Šr an- passad 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

Figur 4.1 b Diagram fšr vinkelkŠnslighet, luft

Resultatet kan fšrklaras med enkel geometri, se figur:

Figur 4.2 Givargeometri

Antag vinkeln v=0 nŠr ytan Šr vinkelrŠt mot pulsens utbrednings- riktning. 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 fokusav- stŒnd 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 av- stŒnd. Dessutom bšr mŠtfelet i hšjdled kunna hŒllas konstant i fšrhŒllande till fokusavstŒndet, dvs mindre avstŒnd ger mindre absoluta fel.

5 M€TNINGAR

HŠr presenteras mŠtningens utfšrande och mŠtuppstŠllningen.

5.1 Utfšrande

Objektet placeras pΠkoordinatbordet 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 fšr- stŠrks 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 gra- fikpaket. Hšjddata kan antingen presenteras tredimensionellt, i perspektiv, eller tvŒdimensionellt (grŒskala).

5.2 MŠtuppstŠllning

Figur 5.1 MŠtuppstŠllning

6 UTRUSTNING

I detta avsnitt beskrivs den utrustning som ingŒr i mŠtsystemet.

6.1 Koordinatbord

Modell Solectro art.nr E2273

Arbetsbord 750*750 mm

ArbetsomrŒde XYZ 500*500*100 mm Stegmotor X/Y 2 st stegvinkel 1.8^o

bromsmoment 110 N-cm Stegmotor Z 1 st stegvinkel 1.8^o

bromsmoment 55 N-cm Repeternoggrannhet +/- 10 um

Steg/Varv 400 st

Spindelstigning 5 mm

Antal steg StrŠcka * (Steg/Varv) / Spindelstigning (80 steg = 1mm)

Hastighet mm/sek Spindelstigning * Steg/Sek * (Steg/Varv)

V i k t 48 kg

6.2 Stegmotorstyrning

Avsedd fšr tre axlar med seriellt interface.

Modell Solectro art.nr E3380

…verfšringshastighet 9600 Bd I n t e r f a c e RS232 Minneskapacitet 256 KB Statiskt ramminne 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.

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 pΠen kommunikation: Kommando:

Initiera GPIB-bussen i b s i c

Enheterna aktiveras att lyssna i b s r e

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"

6.4 Oscilloskop

Modell : Tektronix 2230 Bandbredd : 100 MHz

Kombinerat analogt icke-lagrande och digitalt lagrande instru- ment, vilket kan kommunicera med en dator via GPIB. …verfšrings- hastigheten 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 kombi- neras med ett oscilloskop. Instrumentets sŠndardel genererar korta pulser med kontrollerad energi, som i givaren omvandlas till ultraljudpulser. Ultraljudsekot mottas sedan av givaren och om- vandlas 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

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 datainsamlingsutrust- ning, 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 berŠkningskapaci- tet, framfšrallt dŒ det gŠller ankomsttidsskattningen. En 286:a med hšgre klockfrekvens eller en 386:a hade naturligtvis gjort dessa problem mindre pŒtagliga.

7 BER€KNINGAR OCH SIGNALBEHANDLING

I detta avsnitt presenteras de berŠkningar och den signalbehand- ling som utfšrts.

7.1 Fšrkortningar

t_a ankomsttid (s) t_l lšptid (s)

t_f lšptid vid fokusering (s) t_u tidpunkt fšr utsŠnd puls (s) t_m tidpunkt fšr mottaget eko (s) t_k korrigeringstid (s)

d_a diskret ankomsttidpunkt (sampel)

n_s sampel/tidsenhet pΠoscilloskopet (sampel/us) t_d tid/div (s/div)

n_d sampel/div (sampel/div) s_f fokusavstŒnd (mm)

s_a avstŒnd frŒn fokus, korrektion (mm) s_s avstŒnd frŒn fokus, korrektion (steg)

s_z z-position som lŠses av frŒn stegmotorstyrningen (steg) s_l lagrat avstŒnd (steg)

v_m hastighet i media (km/s) v_l hastighet i luft (km/s) f s_z feluppskattning av s_z (mm) f s_s felupskattning av s_s (mm) fd_a feluppskattning av d_a (sampel) f s_l feluppskattning av s_l (mm)

7.2 Fokusering av givare

tl = tu - tm tf = 2 . sf / vm t k = tl - tf sa = tk . vm / 2

ss = sa . 80 (1 mm = 80 steg se 6.1)

7.3 BestŠmning av position i hšjdled

sl = sz + ss

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 oscilloskop- instŠllningar som Šr beskrivna i bilaga1.

fsz = +/- 10 um enligt manual. Detta fel fšrsummas.

ns = nd / td = 400 /40 sampel/us = 10 sampel/us fda = +/- (1/2+1/2) sampel(*)

fss = fda / ns . vl mm

fsl = fsz + fss = +/- 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 tvΠsampel.

2 . Eftersom samplingsfšrloppet Šr inte synkroniserat med ultraljudspulserna sŒ kan ett fel pŒ hšgst en halv samplingsperiod adderas.

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 cent- rerat kring noll beror pŒ att givaren inte kunnat fokuseras helt exakt, och har ingen betydelse fšr mŠtnoggrannheten. Standardav- vikelsen blev mindre Šn 0.013 mm.

Figur 7.1 Histogram

Antal mŠtpunkter

Avvikelse (antal sampel) 2 0 0

4 0 0

2 0 1

- 2 - 1

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

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 be-

rŠkningstiden 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 ut- sŠnda 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 skrov- liga reflexionsytor blir dŠrfšr ekot ofta svŒrt att detektera pŒ ett t i l l f š r l i t l i g t s Š t t .

Figur 7.2 Ekots detektering med flankmetoden

7.5.2 Envelopp

Kurvan lŒgpassfiltreras fšrst fšr att fŒ bort det mest hšg- frekventa bruset, den likriktas och lŒgpassfiltreras igen, nu sŒ att endast dess envelopp ŒterstŒr. Resultatet sšks av och en max- punkt 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 fel-

detektering. Trots den fšrsta filtreringen ger bruset ett visst lik- spŠnningsbidrag 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 derivata- metoden nŠr ekot Šr tillrŠckligt starkt.

Figur 7.3 Ekots detektering med enveloppmetoden

7.5.3 Korrelation

Kurvan korskorreleras med en existerande kurvform som inne- hŒller ett "idealeko". LŠget pŒ resultatets maxpunkt anger tids- fšrskjutningen 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 sig- naler 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 resul- tatet. 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 max- punkten i korrelationen lika mycket.

I praktiken brukar berŠkningen gšras via FFT (Fast Fourier Transform) fšr att minska berŠkningstiden. DŒ Fouriertrans- formeras 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.

Figur 7.4 Ekots detektering med korrelationsmetoden

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 me- nyer. SjŠlva programmet Šr nŠmligen till stšrsta delen menystyrt, eller med andra ord, skrivet med tanke pŒ anvŠndaren. Kodens lŠs- barhet har škats genom mšjligheten att bryta upp denna till mo- duler, 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 vi- sualisera 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 M A T L A B^¨ fšr filterdimensionering, nŒgot som exempelvis kan anvŠndas vid ankomsttidsskattningen av ultraljudsekot.

9 RESULTAT OCH UTV€RDERING 9.1 Resultat

MŒlet med examensarbetet Šr uppfyllt och ett fungerade mŠt- system Šr uppbyggt och utvecklat.

Exempel pŒ tidsŒtgŒng fšr en mŠtpunkt:

Koordinatstyrning 0.2 s

- UppmŠtt vid steglŠngd 2 mm.

Ekotid, medelvŠrde av 8 ekon 0.02 s

- BerŠknat fšr fokusavstŒnd 45 mm.

…verfšring mellan oscilloskop och PC 4.0 s - Enligt manual fšr 4 KB.

Bearbetning i PC 10.0 s

- UppmŠtt nŠr 1 KB av inlŠst kurva anvŠnds vid korskorrelation.

Summa 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.

9.2 UtvŠrdering

Fšr att snabba upp mŠtningen mŒste šverfšrings- och bearbet- ningstiderna 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 programm- erad 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.

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, 1 9 8 7

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

3 . KlŠdkrok

1 mm mellan mŠtpunkterna

Hšjd 4 mm

X-led 35 mm Y-led 70 mm

4 . Samma klŠdkrok frŒn en annan vinkel

5 . Hudimitation (lŠderplŒnbok) 2 mm mellan mŠtpunkterna.

X-led 40 mm Y-led 40 mm

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 (YtProfilM Štning)

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 !!

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

O s c i l l o s k o p

Acqusition 4K, scan, posttrig, continue ,store Select mode Sample

X-led 10 us/div uncal

motsvarar denna instŠllning 40 us/div

Y-led 0.2 V/div

Oscilloskopets display vid dessa instŠllningar.