超聲彈性成像聲輻射力激勵(lì)模塊設(shè)計(jì)

【作 者】邱明波，李喬亮，陳昕，易萬貫，唐滸，張欣茹，陳思平，汪天富

1 深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，518060

2 醫(yī)學(xué)超聲關(guān)鍵技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，廣東省醫(yī)學(xué)信息檢測與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

0 引言

超聲彈性成像的基本原理是對(duì)組織施加一個(gè)動(dòng)態(tài)或者準(zhǔn)靜態(tài)的激勵(lì)，組織在激勵(lì)作用下將產(chǎn)生響應(yīng)，例如位移、應(yīng)變等。利用超聲的方法對(duì)組織內(nèi)部的響應(yīng)進(jìn)行檢測，從而根據(jù)生物力學(xué)模型估計(jì)組織內(nèi)部的彈性模量等力學(xué)參數(shù)[1～3]。超聲彈性成像技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)超聲成像、磁共振成像、計(jì)算機(jī)斷層掃描等組織形態(tài)學(xué)成像模式不能提供生態(tài)學(xué)特性的不足，具有無創(chuàng)、簡便、容易應(yīng)用等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)被學(xué)者及臨床醫(yī)師廣泛關(guān)注并得到迅速發(fā)展。

目前，超聲彈性成像的方法有很多，其中聲輻射力超聲彈性成像應(yīng)用比較廣泛，其原理是對(duì)組織發(fā)射一定強(qiáng)度的超聲脈沖，利用超聲脈沖對(duì)組織進(jìn)行聲輻射力激勵(lì)，產(chǎn)生應(yīng)變等信息。和其他方式相比，用超聲輻射力來評(píng)估組織特性有很多優(yōu)點(diǎn)，如非入侵、無需接觸；與現(xiàn)有超聲技術(shù)及設(shè)備兼容性好；聲輻射力可以深入組織內(nèi)部而且可以精確定位，不受淺表組織的影響；可以產(chǎn)生比較寬的頻率和時(shí)間變化范圍的輻射力，便于檢測不同的組織，等等。因此聲輻射力彈性成像成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

一直以來對(duì)于聲輻射力超聲彈性成像驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)存在一些困難，對(duì)于電路體積，發(fā)射功率，工作溫度，耐壓值以及激勵(lì)信號(hào)的可編碼等很難同時(shí)滿足需求，而且對(duì)于多通道集成的驅(qū)動(dòng)電路模塊的設(shè)計(jì)以及激勵(lì)參數(shù)控制等問題，都是聲輻射力彈性成像中急需解決的問題。本研究提出了基于TC6320的可編碼驅(qū)動(dòng)電路，將此驅(qū)動(dòng)電路集成為64通道的激勵(lì)電路模塊，通過FPGA技術(shù)和上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)激勵(lì)頻率、脈沖重復(fù)頻率、脈沖個(gè)數(shù)、陣元個(gè)數(shù)和聚焦深度等參數(shù)可調(diào)。從而可根據(jù)實(shí)際中對(duì)彈性成像聲輻射力的激勵(lì)要求靈活的控制聲輻射力。因此，此平臺(tái)的搭建將對(duì)聲輻射力超聲彈性成像的研究工作產(chǎn)生很大的意義。

1 超聲聲輻射力的理論基礎(chǔ)

聲輻射力是由于物體對(duì)入射聲波的吸收和散射作用引起聲能密度變化而產(chǎn)生的。由于逆壓電效應(yīng)，超聲探頭將會(huì)根據(jù)作用于其陣元上的高壓激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生超聲波，超聲波在傳播過程中碰到耗散介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)的吸收或反射，超聲波的動(dòng)量會(huì)發(fā)生改變，同時(shí)介質(zhì)也會(huì)受到超聲波的作用，發(fā)生能量的改變，介質(zhì)在平面波中所受的聲輻射力可以表示為[4-5]：

F是待檢材料所受的聲輻射力，c(m/s)為介質(zhì)中的聲速，α(m-)為材料吸收系數(shù)，I(W/cm2)為給定點(diǎn)的聲波時(shí)間平均能量強(qiáng)度。由式（1）可以發(fā)現(xiàn)超聲聲輻射力大小主要取決于平均能量強(qiáng)度I，而I又取決于換能器的輸入能量和換能器的電聲轉(zhuǎn)換效率η。換能器的輸入能量We和輻射的聲功Wa率以及他們跟聲電效率的關(guān)系式分別為(2)，(3)和(4)。

式中G為換能器的并聯(lián)電導(dǎo)值，UT為激勵(lì)電壓的有效值。d為遠(yuǎn)場中聲軸上的測量點(diǎn)到換能器中心的距離，Pd和Pθ分別為聲壓和指向系數(shù)，ρ為介質(zhì)的密度。將方程(2)、(3)和(4)代入(1)可得聲輻射力表達(dá)式為：

本文將在詳細(xì)介紹聲輻射力激勵(lì)模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合聲場和聲功率測試實(shí)驗(yàn)，得出聲場聚焦情況，以及激勵(lì)脈沖個(gè)數(shù)、激勵(lì)電壓幅值和陣元個(gè)數(shù)等參數(shù)對(duì)聲輻射力的影響。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究根據(jù)彈性成像聲輻射力激勵(lì)電路的要求，提出一種基于TC6320 的雙極性驅(qū)動(dòng)電路，并在此基礎(chǔ)上，用64個(gè)這樣的單通道電路集成為64通道的激勵(lì)電路模塊。通過上位機(jī)可以控制激勵(lì)頻率、脈沖重復(fù)頻率、脈沖個(gè)數(shù)、聚焦的陣元個(gè)數(shù)和聚焦深度等參數(shù)，上位機(jī)通過RS232串口將這些數(shù)據(jù)傳給FPGA下位機(jī)，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的激勵(lì)信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)64線陣超聲探頭的激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)聚焦。采用的超聲探頭是64陣元的線陣探頭，陣元間距1.5 mm。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 The block diagram of the system

2.1 基于TC6320的雙極驅(qū)動(dòng)電路

TC6320是由supertex公司生產(chǎn)的專用于超聲發(fā)射電路的N溝道和P溝道的雙增強(qiáng)型MOSFET。TC6320兩MOSFET漏極和源極最小擊穿電壓分別是200 V和-200 V，導(dǎo)通電阻分別是7 Ω和8 Ω，驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升和下降時(shí)間都是15 ns。驅(qū)動(dòng)芯片采用intersil公司生產(chǎn)的雙通道高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)芯片ISL5510和ISL5511。芯片輸入兼容CMOS和TTL電平邏輯，最高驅(qū)動(dòng)電流3.5 A，驅(qū)動(dòng)信號(hào)上升和下降時(shí)間為1.2 ns（負(fù)載100 pF電容），輸出邏輯電平最高12 V，是一款非常好的超聲發(fā)射驅(qū)動(dòng)芯片。如圖2所示，電路由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片ISL5510和ISL5511，兩個(gè)TC6320芯片組成。圖2中上面兩個(gè)芯片（ISL5510和TC6320)用來產(chǎn)生高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，下面兩個(gè)芯片(ISL5511和TC6320)用來對(duì)探頭進(jìn)行放電。

電路輸出的波形很平緩?fù)暾姨筋^明顯得到放電，幾乎沒有探頭放電造成的拖尾現(xiàn)象。對(duì)輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形利用FPGA進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)調(diào)制編碼，可以發(fā)現(xiàn)TC6320電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)探頭實(shí)行編碼驅(qū)動(dòng)輸出。用13 bit bark碼編碼的驅(qū)動(dòng)電路輸出波形，采用BPSK調(diào)制方式，每個(gè)碼片內(nèi)調(diào)制4個(gè)周期的方波。結(jié)果編碼信號(hào)輸出波形完整，相位跳變時(shí)過渡平滑，幾乎沒有波形畸變。這就對(duì)驗(yàn)證編碼激勵(lì)對(duì)組織產(chǎn)生聲輻射力[6]的效果有重要意義。

圖2 TC6320雙極驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.2 The schematic of TC6320 bipolar driving circuit

2.2 FPGA設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。具有I/O口豐富、數(shù)據(jù)高速處理能力強(qiáng)、并行性以及擴(kuò)展能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

64通道線陣激勵(lì)電路采用的FPGA控制芯片為ALTERA公司的EP3C16Q240C8，F(xiàn)PGA下位機(jī)的編寫是基于Verilog的硬件描述語言。程序的設(shè)計(jì)原理是根據(jù)線陣激勵(lì)電路的聚焦原理（如圖3所示）來設(shè)計(jì)的，在FPGA中創(chuàng)建一個(gè)ROM存儲(chǔ)空間[7]，將十個(gè)不同深度下的延時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算出來后，存入ROM表中，根據(jù)不同聚焦參數(shù)下所需要的延時(shí)量，對(duì)ROM表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用。延時(shí)量計(jì)算[8]的幾何位置圖如圖4所示。假設(shè)在nCh個(gè)通道中，第n個(gè)通道對(duì)應(yīng)的陣元到P點(diǎn)的距離為rn。在計(jì)算延時(shí)的時(shí)候，采用以兩端陣元為參考的計(jì)算方法，即兩端陣元到P點(diǎn)的距離最大為rnCh，需要施加的延時(shí)也最小。在P點(diǎn)施加的延遲時(shí)間所對(duì)應(yīng)的距離為sn。

圖3 聚焦過程Fig.3 The process of focusing

圖4 延時(shí)理論計(jì)算的幾何位置圖Fig.4 the geometrical configurations of theoretical delay calculation

根據(jù)上圖中的空間幾何關(guān)系，我們可由勾股定理求出rn和rnCh的大?。?/p>

因此根據(jù)公式（6）和（7），將計(jì)算出的Sn除以聲速，就可以得出第n個(gè)通道對(duì)應(yīng)的延時(shí)量。

通過對(duì)編寫的Verilog程序進(jìn)行邏輯仿真、綜合、FPGA硬件驗(yàn)證后，達(dá)到了預(yù)定的延時(shí)效果。圖5是利用qurtus II軟件自帶的邏輯分析工具signaltap II把信號(hào)實(shí)時(shí)抓取出來后的時(shí)序圖，圖中有16個(gè)陣元受到激勵(lì)，從中可以看出各個(gè)陣元延時(shí)的具體情況。按照調(diào)用的延時(shí)數(shù)據(jù)，從兩邊依次向中間陣元激勵(lì)。

圖5 signaltap II測試波形圖Fig.5 The waveform of signaltap II test

3 結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中分別用到了OptiSon激光聲場系統(tǒng)和RFB2000聲輻射力天平兩種設(shè)備對(duì)線陣的64通道激勵(lì)電路模塊的激勵(lì)聚焦效果和輻射聲功率進(jìn)行測量，兩種設(shè)備中提供聲傳播的介質(zhì)都為蒸餾水。OptiSon激光聲場系統(tǒng)是ONDA公司的一款用于實(shí)時(shí)聲場測量的設(shè)備。能快速、精確地測量不同時(shí)刻的聲場，從而了解聲場的瞬態(tài)變化過程，具有高空間分辨率、高時(shí)間分辨率的特性。

RFB2000也是ONDA公司的一款專用于測量超聲輻射功率和聲輻射力的儀器。本實(shí)驗(yàn)中測得的數(shù)據(jù)是激勵(lì)電路輻射的聲功率，根據(jù)(1)和(3)式可推得：

由(8)式可得探頭聲輻射功率Wa和聲輻射力F成正比例關(guān)系，所以聲功率的大小能直接反應(yīng)電路驅(qū)動(dòng)探頭所發(fā)出的超聲對(duì)組織的聲輻射力的大小，從而反映聲輻射力激勵(lì)電路的性能。

3.1 OptiSon激光聲場測試

圖6為OptiSon激光聲場聚焦效果圖，從圖中可以看出，最左邊為探頭處，向右依次為聚焦的五個(gè)位置，可以清楚的看到聚焦的整個(gè)過程。聚焦參數(shù)是激勵(lì)頻率為3.5 MHz，脈沖重復(fù)頻率為10 kHz，脈沖個(gè)數(shù)為4個(gè)，陣元個(gè)數(shù)為16，聚焦深度為7 cm，從圖6中可以看出向右隨著深度的增加，聲束的縱向?qū)挾仍谥饾u地由寬變窄，到位置4處，聲束幾乎趨于一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)距離探頭的距離正好為7 cm左右，過了這個(gè)中心焦點(diǎn)區(qū)，又開始擴(kuò)散。通過提取的位置4處中心聚焦區(qū)的縱軸方向上的灰度值進(jìn)比，可以得出一個(gè)反映聚焦聲場橫向分辨力的曲線（如圖7所示）。坐標(biāo)橫軸為圖6縱向從上到下的位置偏移距離，坐標(biāo)縱軸上的值代表聚焦點(diǎn)的相對(duì)強(qiáng)度。從圖7中可以看到，中間凸起的部分的是主瓣，旁邊凸起的兩個(gè)是旁瓣，從中提取主瓣寬度大約為3 mm，即焦斑的寬度。

圖6 OptiSon激光聲場實(shí)時(shí)聚焦效果圖Fig.6 OptiSon laser acoustic feild effect of realtime focusing

圖7 激光聲場圖的橫向分辨力Fig.7 Lateral resolutin of laser acoustic feild picture

3.2 RF2000聲輻射力天平聲功率測試

圖8 聲功率隨脈沖個(gè)數(shù)變化的測試圖Fig.8 The test picture of acoustic power when the number the pulses changes

圖9 聲功率隨電壓峰峰值變化的測試圖Fig.9 The test picture of acoustic power when the peak-to-peak value of voltage changes

圖10 聲功率隨陣元個(gè)數(shù)變化測試圖Fig.10 The test picture of acoustic power when the number of elements changes

當(dāng)激勵(lì)頻率FRE為3.5 MHz，脈沖重復(fù)頻率PRF為100 Hz時(shí)，電壓峰峰值為60 V，陣元個(gè)數(shù)為16個(gè)時(shí)，可以看到聲功率隨脈沖個(gè)數(shù)的增加呈線性增加的趨勢（如圖8所示），當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)為40個(gè)的時(shí)候，聲功率為0.02 W；當(dāng)脈沖個(gè)數(shù)增加到1000個(gè)的時(shí)候，聲功率達(dá)到了0.37 W。當(dāng)激勵(lì)頻率FRE為3.5 MHz，脈沖重復(fù)頻率PRF為100 Hz，脈沖個(gè)數(shù)為280個(gè)，陣元個(gè)數(shù)為16個(gè)時(shí)，從圖9可以看出聲功率與電壓峰峰值的平方是成正比例的關(guān)系，當(dāng)電壓峰峰值為20 V時(shí)，聲功率為0.01 W；當(dāng)電壓峰峰值為60 V時(shí)，聲功率達(dá)到了0.1 W；根據(jù)前面公式（5）可知，聲輻射力與脈沖個(gè)數(shù)成正比例關(guān)系，和電壓幅值的平方成正比例關(guān)系，而又根據(jù)公式（8）可知，聲功率和聲輻射力也是成正比例關(guān)系的，因此對(duì)于脈沖個(gè)數(shù)和電壓峰峰值變化時(shí)，聲功率的測試結(jié)果是符合理論要求的。另外，當(dāng)激勵(lì)頻率FRE為3.5 MHz，脈沖重復(fù)頻率PRF為100 Hz時(shí)，電壓峰峰值為60 V時(shí)，脈沖個(gè)數(shù)為280個(gè)時(shí)，從圖10可以看出，聲功率隨陣元個(gè)數(shù)的增加是呈線性增加的趨勢，當(dāng)陣元個(gè)數(shù)為2個(gè)的時(shí)候，聲功率為0.01 W；當(dāng)陣元個(gè)數(shù)為32個(gè)的時(shí)候，聲功率達(dá)到了0.19 W?？偟膩碚f，本聲輻射力驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)是一個(gè)可靠和穩(wěn)定的系統(tǒng)，非常適合于聲輻射力彈性成像中聲輻射力激勵(lì)的需要。

4 討論和結(jié)論

本文中基于TC6320的驅(qū)動(dòng)電路是正負(fù)雙電壓驅(qū)動(dòng)的，耐壓值能能達(dá)到200 V，它將兩個(gè)互補(bǔ)的MOSFET集成在一個(gè)小的SO-8封裝的芯片中，只需外接一個(gè)電容就可以直接驅(qū)動(dòng)，電路十分簡便，輸出波形完整平滑。接放電電路時(shí)，電路也比較簡便，大大節(jié)省了集成電路板上空間，方便集成為多通道的驅(qū)動(dòng)電路。集成后的64通道激勵(lì)模塊通過編寫FPGA下位機(jī)和上位機(jī)控制軟件，可以實(shí)現(xiàn)激勵(lì)頻率、PRF、脈沖個(gè)數(shù)、陣元個(gè)數(shù)、聚焦深度等參數(shù)可調(diào)，適應(yīng)于聲輻射力控制的實(shí)際需要。利用OptiSon激光聲場系統(tǒng)對(duì)聲場聚焦過程進(jìn)行成像，清晰顯示出聲束聚焦的焦斑明顯，聚焦深度符合預(yù)先設(shè)定的參數(shù)值。用RF2000聲輻射力天平對(duì)探頭激勵(lì)后產(chǎn)生的聲功率進(jìn)行測量，確定了聲功率與激勵(lì)脈沖個(gè)數(shù)、激勵(lì)電壓和陣元個(gè)數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而得出聲輻射力與這三個(gè)參數(shù)的關(guān)系?？偟膩碚f，基于線陣的64通道集成激勵(lì)電路性能穩(wěn)定，參數(shù)控制靈活，聚焦效果良好，能夠較好地滿足超聲彈性成像中聲輻射力激勵(lì)部分的需要。相信在接下來超聲信號(hào)檢測部分的工作完成之后，將會(huì)對(duì)聲輻射力超聲彈性成像方面的研究作出更為重大的貢獻(xiàn)。

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