超聲成像儀動態(tài)濾波器設(shè)計

秦鑫，王昌

（新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院 生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

超聲波在人體組織中傳播時，必然會產(chǎn)生反射和吸收等造成能量損失[1-2]。研究與實驗表明，造成能量衰減的除了探測深度外還有超聲波的傳播頻率[2-4]。人體組織對超聲的傳播頻率大致成線性關(guān)系，頻率越高，衰減越大[4-5]。時間增益控制（TGC）就是補償回波因探測深度的增加（或工作頻率的更換）而造成的衰減。動態(tài)濾波是為了把有診斷價值的回波提取出，而濾除近場過強的低頻和深部的高頻干擾。本文設(shè)計了一種簡單實用的動態(tài)濾波電路，能夠很好的滿足超聲成像系統(tǒng)要求。

1 整體設(shè)計與實現(xiàn)

動態(tài)濾波器主要由D/A轉(zhuǎn)換電路、濾波電路等組成。數(shù)字控制信號由D/A轉(zhuǎn)換電路，形成模擬控制信號；模擬控制信號接入到濾波電路的控制端口，實現(xiàn)對濾波電路參數(shù)的控制，達到動態(tài)改變?yōu)V波電路中心頻率的目的，從而完成動態(tài)濾波[6]。

1.1 動態(tài)濾波器電路設(shè)計

在超聲成像系統(tǒng)中，動態(tài)濾波器電路是針對人體組織對不同頻率超聲能量的衰減不同而設(shè)計的[5]。動態(tài)濾波器環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到超聲系統(tǒng)遠場和近場成像的分辨率，影響圖像的清晰度，是整個超聲成像系統(tǒng)的一個關(guān)鍵部分[7]。下圖1為本文設(shè)計的濾波器電子電路。

此動態(tài)濾波電路設(shè)計由電容C680和變?nèi)荻O管V684和V685，L680組成一個選頻槽路；C684，L683和 V686和 V687組成另一個選頻槽路。EFC電壓加在四個變?nèi)荻O管的負端。近場EFC電壓高，變?nèi)荻O管結(jié)電容小，槽路諧振頻率高（諧振阻抗大），槽路高頻傳輸特性好，而對低頻呈現(xiàn)較小的阻抗，使近場低頻分量得到很大的衰減 （即濾除了近場過強的低頻成分），當(dāng)EFC電壓隨探測深度的增加而逐漸下降時，變?nèi)荻O管的結(jié)電容隨之逐漸增大，槽路的諧振頻率也就隨之逐漸降低，因此遠場的低頻傳輸特性好，對高頻呈現(xiàn)的阻抗小，使遠場的高頻分量得到衰減，從而實現(xiàn)了動態(tài)濾波。

1.2 D/A變換器

D/A變換器負責(zé)將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為控制變?nèi)荻O管的模擬電壓信號[6]，D/A芯片型號為DAC0808，電流輸出型。D/A輸出電流信號經(jīng)運放轉(zhuǎn)換為電壓信號，采用運算放大器可以方便的對控制信號進行控制。具體電路如下圖2。

2 濾波器測試結(jié)果與分析

為了驗證所設(shè)計的動態(tài)濾波器的性能，采用Agilent DSO5014A 100 MHz，四通道示波器和Agilent 33220A信號發(fā)生器對其進行測試。動態(tài)濾波電路的信號分兩部分測試，其一是測試3.5 MHz探頭正常工作時動態(tài)濾波電路的輸入、輸出信號及EFC控制電壓波形.；其二用標(biāo)準(zhǔn)信號測試動態(tài)濾波放大模塊的效果。

2.1 動態(tài)濾波電路的輸入輸出信號測試

1）首先用示波器測試3.5 MHz探頭正常工作時動態(tài)濾波電路的輸入輸出信號波形。

2）標(biāo)準(zhǔn)信號EFC測試

圖1 動態(tài)濾波放大電路Fig.1 Dynamic filter amplifying circuit

圖2 動態(tài)濾波控制信號Fig.2 Dynamic filter control signal

圖3 3.5 MHz探頭正常工作時EFC波形Fig.3 3.5 MHz probe the EFCwaveform in normal working conditions

測試方法：標(biāo)準(zhǔn)信號源接入輸入端，與正常接收回波信號疊加，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)信號源輸入信號的頻率由2.0 MHz開始，按0.5 MHz遞增到8.5 MHz。EFC信號在近場時為4.5 V遞減到遠場的1 V。通過對測試結(jié)果波形圖輸出分析可看出，由于EFC的控制，近場EFC濾波器的中心頻率高，遠場的中心頻率低。圖4為信號中心頻率2.0 MHz和5.5 MHz測試圖。

圖4（a）中信號的中心頻率F0為2.0 MHz時的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，在近場輸出信號幅度小，遠場輸出信號幅度大，說明近場對低頻信號衰減大，遠場對低頻信號衰減小，也就是說EFC濾波器遠場的中心頻率低。隨著信號中心頻率的增大，近場的輸出逐漸增大，遠場的輸出逐漸變小。如圖4（b）當(dāng)輸入信號的中心頻率為5.5 MHz時，近場的輸出幅度大，而遠場的幅度小，這也說明了這個EFC電路的中心頻率由近場到遠場是由高到低變化的。符合超聲波在人體內(nèi)傳播高頻信號在近場小，在遠場衰減大，而低頻信號隨深度增加衰減比高頻信號小的設(shè)計要求。

2.2 EFC電路靜態(tài)測試

實驗中采用信號發(fā)生器單獨測試EFC電路。其中信號源輸出接示波器1通道，即1通道接信號源輸出（標(biāo)準(zhǔn)正弦波相當(dāng)EFC控制電壓）即是EFC控制電壓，3通道是輸入信號，4通道是EFC電路的輸出。信號源輸出電壓相當(dāng)VEFC是EFC的控制電壓，F(xiàn)0是對應(yīng)這個EFC電壓濾波器的中心頻率，f1是3 dB帶寬的低端頻率，f2是3 dB帶寬的高端頻率。每次測量VEFC增加0.25 V，從0.5 V增加到4.75 V，可看到濾波器的中心頻濾從2.4 MHz增加到5.6 MHz。在近場要求濾波器的中心頻率高，EFC電壓也就高，在遠場要求濾波器的中心頻率低EFC電壓就低.符合超聲在人體內(nèi)傳波的特點，利用動態(tài)濾波器，提高了系統(tǒng)的信噪比。圖5是VEFC電壓分別在0.5 V和4.75 V時的波形圖。

圖4 信號中心頻率測試圖Fig.4 Signal center frequency test pattern

圖5 EFC電路靜態(tài)測試圖Fig.5 The static test EFCcircuit

3 結(jié)束語

本研究設(shè)計的模擬動態(tài)濾波器，設(shè)計電路成本低，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，易于實現(xiàn)；可以很好地匹配回波信號的中心頻率，根據(jù)要求方便的調(diào)節(jié)控制信號，應(yīng)用于超聲成像系統(tǒng)中對提高成像質(zhì)量有明顯的幫助。

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