基于气胸超声诊断的基本原理、实现与分析

谢 傲，李争平，栗卓然，赵韦晨，梁 越，*** （北方工业大学 信息学院，北京 100144） 摘 要 ：目前，气胸的诊断一般以 CT 和 X 光为主要手段，常常作为气胸诊断的金标准。在救援领域，由于CT 和 X 光设备体积比较庞大，转运的难度大、费用高，并且 CT 诊断会使患者暴露在有严重辐射的环境中，而 X光在胸部创伤疾病的诊断中作用有限，因此可携带的超声设备就成为了医疗救援领域诊断气胸的首选。为此，本文提供了一种便携式的超声气胸诊断仪，具有成本低、检查快、便于携带的特点。 中图分类号 ：TP39 文献标识码 ：A  文章编号 ：2095-1302（2022）09-0073-03

0 引 言

目 前， 常规胸部X线摄影(Chest X-Rayradiography,CXR)和计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）常用于判定创伤患者是否有可疑气胸，同时 CT 检测已经成为创伤性疾病诊断的标准。虽然CT诊断的准确度非常高，但会使患者暴露在严重辐射的环境中，当患者病情不稳定时，无法长时间通过CT 进行检查。X光有着低剂量辐射、检查时间短及可移动等特点，临床常用于气胸的诊断，其诊断灵敏度、特异度均较高 [1]。但其存在电离辐射可重复性较差，并且受体位影响容易引起误诊、漏诊[2]。在救援领域，X光CT设备常受转运风险大、耗时多、费用高等缺点限制，很难在艰险的救援现场对可能的气胸患者进行诊断。因此，寻找一种新的方法诊断创伤性气胸十分必要。与传统放射检查相比，超声具有无辐射、操作简单、安全快速及便携的特点，在急诊急救中应用越来越广泛[3-4]。但是，由于超声本身的成像机理，导致超声图像往往噪声较多，清晰度、分辨率相较于CT和X光等医学影像来说明显较弱。这使得超声成像存在很多不足：第一，超声诊断结果准确性受超声诊断医师的操作技能影响较大；第二，对超声检查医师的读图能力要求较高，与CT、MRI相比，超声图像清晰度和分辨率有待提升 ；第三，对肺和胃肠器官的渗透性差，在肺和胃肠器官检查过程中，如果采用超声检查方法，将影响最终检查数据的准确性。由于超声诊断对患者肺部和胃肠道的穿透性差，在一定程度上其应用会受到限制[5]。但相关研究显示，超声对急性气胸的诊断结果与 CT 基本一致，并且优于胸部X射线检查结果[6] ；床旁胸部 X 射线检查的时间长于肺部超声检查 [7]，而超声相对于X射线可以更早地发现少量气胸 [8]。

1 肺部超声气胸检测技术

1.1 肺部超声典型征象

1.1.1 肺滑动征

肺滑动是鉴别气胸的一个重要征象。在实时超声下，当探头与肋骨垂直扫描时，可在胸膜线处看到脏层胸膜和壁层胸膜之间产生一种水平相对滑动并伴随呼吸运动，即“肺滑”，它是人在呼吸运动时脏层胸膜和壁层胸膜相对运动产生的高回声闪烁。气胸患者两层胸膜之间存有空气，影响胸膜的可视性，因此肺滑动消失，如图1所示。而肺搏动和肺点通常是指在呼吸过程中存在吸气、呼气运动，出现在正常、异常影像交替显示的分界点，该肺点的存在可判断为气胸，但若为重度气胸时也可能不出现肺点[9]。

1.1.2 B 线特征

从胸膜线开始并垂直于胸膜线辐射至肺野深部的线性高回声称为 B 线。B 线是从胸膜线延伸到屏幕底部的离散垂直混响伪影，它不随距离的增加而减少，与肺的滑动和呼吸同步地前后移动。混响伪影是指超声波传播路径上的两个或两个以上反射，主要发生在两个声阻抗差异较大的平滑声学界面上；而B线是由超声波在肺泡气液平面上的反射而形成的，也称为“彗星尾征”。B线不是气胸的直接征象，临床上主要用于判断间质性肺疾病的严重程度。然而，如果B线与胸膜线结合，如图2所示，气胸可以在很大程度上被排除。

1.1.3 A 线特征

当声束垂直于胸膜时，混响伪影引起的多次反射将产生平行于胸膜线的线性超回声，它位于胸膜线下方。超声下可见一系列平滑、清晰、规则的线性高回声，与胸膜线平行，间隔均匀；从浅肺到深肺，回声逐渐减弱，最后消失。

在遇到胸膜的多次反射后，超声形成的平行于胸膜的多条亮线是一种混响伪影，有助于气胸的诊断，表现为平行于胸膜的高回声水平线，等距、弱信号。每条A线之间的距离表示壁胸膜与皮肤表面之间的距离。A线通常在肺密度正常时出现，在气胸患者中也可以看到，如图3所示。

1.1.4 肺点征

肺点可见于正常肺组织和病理性肺组织（如气胸）之间的过渡区。通过 M 型超声识别更为明显，海滩标志和平流层标志与呼吸运动交替出现。肺斑块是气胸诊断的主要征象，特异性为 100%。

1.2 超声气胸的诊断

超声气胸的诊断常常是根据肺部超声出现的不同征象进行。首先，判断是否存在肺滑征，若出现肺滑征，则可排除发生气胸的可能性 ；然后，观察是否出现B线，若出现B线则一定不发生气胸 ；最后，在肋间扫查，是否出现肺点征，若出现肺点征则可以判断产生气胸。

1.3 压电效应

压电体在受到外机械力作用下发生电极化，在压电体两端表面出现符号相反的束缚电荷，使得电荷密度与外机械力成正比，这种现象称为正压电效应。压电体受到外加电场的作用而发生形变，其形变量与外加电场强度成正比，这种现象称为逆压电效应。具有正压电效应的固体，也一定具有逆压电效应，反之亦然。

如果压力是一种高频震动，则会产生高频电流。当压电陶瓷中加入高频电信号时，会产生高频声信号，通常称为超声波信号。也就是说，压电陶瓷具有在机械能与电能之间的转换和逆转换的功能，因此超声探头常常被称为换能器。

2 基于气胸超声诊断的基本原理、实现与分析

2.1 气胸超声诊断的实现原理

本文提供了一种便携式的超声气胸诊断仪，该诊断仪包括超声发射和采集模块、成像模块、数据处理模块、诊断判别模块。

超声发射和采集模块是设置超声探头发射超声，并收集发射的超声在人体组织内反射、散射的回声。成像模块是根据探头采集到的回声进行一定的转换，形成超声图像。数据处理模块是对通过成像模块得到的超声图像进行滤波、降噪等预处理，然后对预处理后的图像进行图像分割和目标检测。诊断判别模块是对经过数据处理模块分割后的图像进行判别，判断是否产生气胸，同时将结果进行反馈。

针对气胸的便携式应急救援诊断装置包括震荡电路、高频脉冲发生器、超声探头、高频信号放大电路、A/D转换器、气胸识别处理单元、LED指示灯。其中震荡电路、高频脉冲发生器、超声探头、高频信号放大电路、A/D转换器、气胸识别处理单元依次连接，气胸识别处理单元还与扬声器和LED 指示灯连接。震荡电路用于周期性地产生同步触发脉冲信号，并发送至高频脉冲发生器。

高频脉冲发生器在收到震荡电路同步信号的触发之后向超声探头发送高频脉冲。超声探头用于发出高频脉冲，接收来自人体内的超声回波并将其转换为高频电信号，将接收到的高频电信号发送至高频信号放大电路，相关研究显示采用高频探头相对低频探头可提高超声检查的灵敏度 [10]。高频信号放大电路用于放大超声探头发送来的高频电信号，并发送至A/D转换器。

A/D转换器用于将模拟信号转换为数字信号，并发送至气胸识别处理单元。气胸识别处理单元用于对经过数字化处理后的高频信号进行处理，对超声气胸进行识别，并控制 LED指示灯和扬声器工作，包括图像预处理模块、图像分割模块、目标检测模块、诊断反馈模块，其中图像预处理模块用于对超声图像进行滤波和降噪处理，将预处理后的超声图像发送至图像分割模块 ；图像分割模块用于检测出胸膜线位置，在胸膜线部位进行分割，保留胸膜线以下部位，将分割后的图像发送至目标检测模块 ；目标检测模块对超声图像进行两次膨胀，对膨胀后的图像进行二值化处理后再进行霍夫变换，检测平流征的直线以及沙滩征和平流征的交汇点后将检测标记后的图像发送至诊断判别模块 ；诊断判别模块根据检测结果判断是否产生气胸。

进一步地，所述气胸识别处理单元控制LED指示灯和扬声器工作方式为：当在某一部位未检测出气胸时，LED指示灯显示为绿灯，同时扬声器伴有一声时间较长的“嘀”声；当检测到某部位产生气胸时，LED指示灯显示为红色，同时扬声器伴有一阵短促的“嘀嘀”声，表示检测到气胸。另外，超声探头采用单晶片结构探头。

与现有技术相比，本文的便携式超声气胸诊断仪具有如下优点 ：根据气胸超声诊断的基本原理，利用现代电子技术、信号处理技术，设计针对气胸的专病诊疗设备，将传统的超声设备进行小型化处理，降低设备成本和使用门槛 ；检测速度较快，提高了气胸的诊断效率 ；非常适用于灾害救援与战场急救等场景。

2.2 实现方案

下面针对两大主要模块对超声气胸诊断仪的技术方案进行阐述。

2.2.1 超声模块

超声模块的主要结构如图 4 所示。震荡电路，即同步信号触发器，周期性地产生同步触发脉冲信号，用以触发高频脉冲发生器产生高频脉冲，以激活超声探头产生超声。超声脉冲产生的重复频率决定于触发脉冲的重复频率，其下限大于探测目标运动波形频率的 2 倍，上限则取决于声波达到人体的最大探查深度所需的时间。

高频脉冲发生器收到同步信号的触发之后，产生高频脉冲激发超声探头（换能器）；超声探头受到激发后便可以发射一定频率的脉冲超声波。该产品针对超声气胸而设计，只要求超声仪发射 M 型的超声，因此可将超声探头设置为单晶片结构探头。超声波的穿透力和纵向分辨能力在很大程度上取决于高频脉冲发生器，高频脉冲发生器发出的脉冲要求具有一定的幅度和较短的持续时间。

超声探头在高频脉冲发出后，接收来自人体的超声波回波，并将其转换为高频电信号 ；然后通过高频信号放大电路进行放大。高频信号放大电路可由前置放大、保护电路、高频放大及非线性放大的时间增益电路等组成。为了获得足够的灵敏度与保真度，应该使得高频信号放大电路具有足够大带宽和增益。

被放大后的高频信号，经过 A/D 转换器，将高频的模拟信号转换为数字信号，方便进行数字化处理。在气胸处理识别单元对经过数字化处理后的高频信号进行处理，并对是否是气胸进行识别。当在某一部位未检测出气胸时，LED 指示灯显示为绿灯，同时扬声器伴有一声较长的“嘀”声 ；当检测到某部位产生气胸时，LED 指示灯显示为红色，同时扬声器伴有一阵短促的“嘀嘀”声，表示检测到气胸。

2.2.2 图像处理和诊断模块

图像处理和诊断模块如图5所示。首先，对生成的超声图像做简单的图像预处理，降低超声图像的噪声 ；然后对超声图像进行分割，针对超声气胸图像，需要检测出胸膜线位置，保留胸膜线以下部位，进行目标检测和分割。

M模式下肺部气胸超声图像如图6所示。黑框标注位置为胸膜线所在位置，保留胸膜线以下位置，并对超声图像继续进行目标检测。

超声气胸的金标准是在 M 模式下检测发现肺点，也就是 A 线以下发生沙滩征和平流征交替出现的现象，其中沙滩征和平流征的交汇点为肺点，如图 7 所示，沙滩征表现为无序的散点 ；平流征表现为密集、水平排列的线段。可利用霍夫变换检测线段的方法，检测平流征的特征。

对超声图像进行两次膨胀，再对膨胀后的图像进行二值化处理，如图 8 所示。对二值化图像进行霍夫变换，检测平流征的直线，结果如图 9 所示。

3 结 语

本文中的便携式超声气胸诊断仪有着检查速度快、便于携带的优点 ；将传统的超声设备进行小型化处理，设备的电路结构较简单、成本较低。还可以将诊断仪做成类似于智能手机的大小，做到真正的便携式设计，方便救援人员在救援现场使用。相比于传统的超声气胸诊断流程，本文的诊断仪只须检测到胸膜线以下有气体，在超声中的表现是 A 线下出现平流征，即可确诊。相较于传统流程，检测速度较快，非常适用于灾害现场与战场等救援场景。

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编辑：黄飞