Mätning av hudens ytprofil med hjälp av fokuserat ultraljud

epubl.luth.se

Mätning av hudens ytprofil med hjälp av fokuserat ultraljud

F…RORD

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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: PLOTTNINGAR

BILAGA 2: ANV€NDARBESKRIVNING


1 SAMMANFATTNING

-1-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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 pΠett 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

-2-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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 INTRODUKTION

-3-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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 ULTRALJUD - TEORI

-4-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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 v1p1 och v2p2 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.


4.2 MŠttekniska aspekter

4.2.1 Fokusering

-5-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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.


4.2.3 VinkelkŠnslighet

-6-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

Figur 4.1 b Diagram fšr vinkelkŠnslighet, luft

Resultatet kan fšrklaras med enkel geometri, se figur:

Figur 4.2 Givargeometri


-8-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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.


5 M€TNINGAR

-9-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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 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).


5.2 MŠtuppstŠllning

Figur 5.1 MŠtuppstŠllning

-10-

Examensarbete, ytprofilmŠtning


6 UTRUSTNING

-11-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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 1.8o bromsmoment 110 N-cm

Stegmotor Z 1 st stegvinkel 1.8o 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)

Vikt 48 kg

6.2 Stegmotorstyrning

Avsedd fšr tre axlar med seriellt interface.

Modell Solectro art.nr E3380

…verfšringshastighet 9600 Bd

Interface 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

-12-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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 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"


6.4 Oscilloskop

Modell : Tektronix 2230

Bandbredd : 100 MHz

-13-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

7 BER€KNINGAR OCH SIGNALBEHANDLING

I detta avsnitt presenteras de berŠkningar och den signalbehandling

som utfšrts.

7.1 Fšrkortningar

ta t l

t f

tu tm tk da ns 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 pΠoscilloskopet (sampel/us)

td tid/div (s/div)

nd sampel/div (sampel/div)

sf fokusavstŒnd (mm)

sa avstŒnd frŒn fokus, korrektion (mm)

ss avstŒnd frŒn fokus, korrektion (steg)

sz z-position som lŠses av frŒn stegmotorstyrningen (steg)

sl lagrat avstŒnd (steg)

vm hastighet i media (km/s)

vl hastighet i luft (km/s)

fsz feluppskattning av sz (mm)

fss felupskattning av ss (mm)

fda feluppskattning av da (sampel)

feluppskattning av sl (mm)

fs l


7.2 Fokusering av givare

t l = t u - t m

t f = 2 . sf / v m

tk = tl - tf sa = tk . vm / 2

-16-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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.

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

-17-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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 pΠatt 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

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

0

1

2

Avvikelse

(antal sampel)


-18-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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 alltsΠses

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


7.5.2 Envelopp

-19-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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


7.5.3 Korrelation

-20-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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 tvΠvektorerna, den ena vektorn

konjugeras och de tvΠmultipliceras 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-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

Figur 7.4 Ekots detektering med korrelationsmetoden


8 PROGRAMUPPBYGGNAD

-22-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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,

sΠkallade 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

pΠfil.

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-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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 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

-24-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

Fšr att snabba upp mŠtningen mŒste šverfšrings- och bearbetningstiderna

minskas. …verfšringen šver GPIB-bussen sker nu med

1 KB/s, men det finns oscilloskop pΠmarknaden 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.


10 REFERENSER

-25-

Examensarbete, ytprofilmŠtning

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


BILAGA 1: PLOTTNINGAR

-1-

Bilaga 1

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

-2-

Bilaga 1

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 !!


INSTRUMENTINST€LLNINGAR

-2-

Bilaga 2

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 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.

More magazines by this user