胎兒監(jiān)護(hù)儀的電路研究

楊衛(wèi)東，肖林玲，趙祥欣.浙江醫(yī)藥高等專(zhuān)科學(xué)校 醫(yī)療器械學(xué)院，浙江 寧波 3500；.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 35800

胎兒監(jiān)護(hù)儀的電路研究

楊衛(wèi)東1，肖林玲2，趙祥欣1
1.浙江醫(yī)藥高等專(zhuān)科學(xué)校 醫(yī)療器械學(xué)院，浙江 寧波 315100；2.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315800

胎兒監(jiān)護(hù)儀是一種已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床的醫(yī)療器械，超聲波對(duì)胎兒的損傷雖然尚未有醫(yī)療界定，但臨床上仍需通過(guò)提高胎兒監(jiān)護(hù)儀超聲波信號(hào)的發(fā)射效率以及回波信號(hào)的接收靈敏度來(lái)降低超聲波信號(hào)強(qiáng)度，以避免未知損傷的發(fā)生。本文基于分立元件設(shè)計(jì)了可用于胎兒監(jiān)護(hù)儀的超聲發(fā)射、接收和解調(diào)電路，能夠降低集成電路形式的電源損耗，可通過(guò)阻抗匹配和多級(jí)諧振放大提高回波信號(hào)的接收靈敏度，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，解調(diào)效率高。測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果表明整體電路的性能較好。

胎兒監(jiān)護(hù)儀；超聲換能器；發(fā)射電路；接收電路；解調(diào)電路

0 前言

胎兒監(jiān)護(hù)儀是一種利用超聲波對(duì)胎心率提供連續(xù)監(jiān)護(hù)、顯示和記錄的醫(yī)療儀器，可及早發(fā)現(xiàn)胎兒對(duì)低氧的耐受力及宮內(nèi)窘迫等，從而減少缺氧所致的胎兒損傷，提高胎兒生產(chǎn)質(zhì)量，降低圍產(chǎn)兒死亡率[1]。大量臨床研究證明，胎心監(jiān)護(hù)能有效發(fā)現(xiàn)妊娠過(guò)程中的胎兒異常[2]。目前，胎兒監(jiān)護(hù)儀已經(jīng)在各級(jí)醫(yī)院中廣泛應(yīng)用于產(chǎn)前檢查和產(chǎn)程監(jiān)護(hù)。

超聲波對(duì)胎兒的損傷雖然尚未有醫(yī)療界定，但臨床上仍需通過(guò)提高胎兒監(jiān)護(hù)儀超聲波信號(hào)的發(fā)射效率以及回波信號(hào)的接收靈敏度來(lái)降低超聲波信號(hào)強(qiáng)度，以避免未知損傷的發(fā)生。影響胎兒監(jiān)護(hù)儀整體靈敏度的因素主要有超聲換能器以及超聲發(fā)射、接收和解調(diào)電路[3]。目前市場(chǎng)上的國(guó)產(chǎn)胎兒監(jiān)護(hù)儀普遍存在靈敏度不足的缺點(diǎn)，基于此，本研究設(shè)計(jì)了超聲發(fā)射、接收和解調(diào)電路，用以提升胎兒監(jiān)護(hù)儀的整體靈敏度。

1 系統(tǒng)電路整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)電路主要由超聲換能器、超聲發(fā)射電路、接收匹配電路、接收前置放大電路、主放大電路以及解調(diào)電路等構(gòu)成（圖1）。臨床常用的超聲頻率為1、2、2.5、3 MHz，超聲頻率越高，超聲衰減越嚴(yán)重，其探測(cè)深度亦越淺，但是對(duì)輕微運(yùn)動(dòng)的靈敏度卻越高。

圖1 系統(tǒng)電路整體結(jié)構(gòu)框圖

超聲波的多普勒效應(yīng)原理是：當(dāng)聲波遇到運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，反射聲波將發(fā)生頻移，頻移量與運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)。醫(yī)用超聲回波信號(hào)的表達(dá)公式[4-5]如下：

2 超聲發(fā)射電路

2.1 電路設(shè)計(jì)

超聲發(fā)射電路圖，見(jiàn)圖2。發(fā)射功率的強(qiáng)弱直接影響接收信號(hào)的強(qiáng)弱，為了獲得最佳的發(fā)射效率，本研究采用變壓器耦合，兩級(jí)推挽放大的電路結(jié)構(gòu)，觸發(fā)信號(hào)由單片機(jī)提供，為一對(duì)反相推挽振蕩信號(hào)。電路元件采用對(duì)管形式，以獲得一致的電性能參數(shù)。

圖2 超聲發(fā)射電路圖

作為超聲波發(fā)射元件，換能器總體表現(xiàn)為容性負(fù)載，該負(fù)載通過(guò)變壓器線(xiàn)圈形成并聯(lián)諧振電路；同時(shí)，該電容中累積的電荷在振蕩的正負(fù)半周轉(zhuǎn)換過(guò)程中需要快速充電與泄放。為了減少換能器的振蕩轉(zhuǎn)換時(shí)間，消除死區(qū)時(shí)間的效率浪費(fèi)，本研究采用功率MOSFET元件（T9、T10）作為第一級(jí)的推挽功率輸出。MOSFET元件的導(dǎo)通電阻只有0.5～3 Ω，瞬態(tài)電流可以達(dá)到10 A，因此電路振蕩迅速。但是，MOSFET元件自身有一個(gè)較大的柵極分布電容，該電容的充放電時(shí)間會(huì)影響其導(dǎo)通和截止速度，進(jìn)而削弱電路效率和發(fā)射能量。因此，本研究又采用了第二級(jí)的推挽電路，其中T1、T2用以驅(qū)動(dòng)T9，T3、T4用以驅(qū)動(dòng)T10，以提供快速的電容泄放通道。

2.2 電路性能測(cè)試

換能器轉(zhuǎn)換效率低且易受耦合環(huán)境影響，測(cè)量超聲能量的測(cè)試方式會(huì)受到各種因素干擾，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確；而在電路中串入電流表的測(cè)試方式又會(huì)影響電路工作狀態(tài)。本研究測(cè)試方案為：在超聲晶片一端串入一個(gè)1 Ω電阻，再將其接入發(fā)射電路，然后測(cè)量晶片兩端電壓。因此，本測(cè)試方案僅測(cè)量了到達(dá)超聲晶片的能量，而未對(duì)發(fā)射出的超聲能量進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)得超聲晶片兩端為正弦振蕩波形，測(cè)試參數(shù)結(jié)果，電源電壓6 V，電源電流0.31 A，晶片兩端電壓峰峰值20 V，1Ω電阻兩端電壓峰峰值0.52 V，效率69.8%。本研究電路中，耦合變壓器是效率降低的一個(gè)主要原因，采用優(yōu)質(zhì)環(huán)形磁芯，且正副線(xiàn)圈采用緊密繞制方式可以提高能量傳輸效率。

3 超聲接收電路和解調(diào)電路

3.1 接收電路設(shè)計(jì)

1.2.3 秸稈沼氣 秸稈沼氣技術(shù)是以秸稈為主要原料，經(jīng)微生物厭氧發(fā)酵作用生產(chǎn)沼氣的秸稈處理利用技術(shù)，有效解決秸稈直燃效率低[6]的問(wèn)題，且副產(chǎn)品(沼渣、沼液)可作為有機(jī)肥料。按規(guī)模可分為戶(hù)用秸稈沼氣和秸稈聯(lián)戶(hù)沼氣集中供氣工程兩類(lèi)。目前，揚(yáng)州市秸稈戶(hù)用沼氣及聯(lián)戶(hù)沼氣利用秸稈量分別達(dá)到1.37萬(wàn)t和1.08萬(wàn)t，應(yīng)用區(qū)域主要集中在儀征、高郵等地。

為了獲得最佳的接收靈敏度和阻抗特性，需要對(duì)換能器進(jìn)行電路匹配[6-7]。換能器接收等效電路圖，見(jiàn)圖3。

圖3 超聲換能器接收等效電路圖

超聲接收電路圖，見(jiàn)圖4。通過(guò)調(diào)配電感L0的參數(shù)，用以匹配電容Cb。本研究采用手工磁芯繞制并控制繞制線(xiàn)圈匝數(shù)，從而獲得合適的電感量以實(shí)現(xiàn)L0調(diào)配。

圖4 超聲接收電路圖

根據(jù)多普勒效應(yīng)公式，運(yùn)動(dòng)物體的速度越大，頻率偏移越大；運(yùn)動(dòng)速度越小，頻率偏移越小。為了獲得足夠的靈敏度，發(fā)射基頻需要足夠的選頻放大。本研究采用三級(jí)諧振選頻放大。

諧振電路部分由L1、C1、C2構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，對(duì)反射信號(hào)進(jìn)行選頻，電容C1兩端可以獲得數(shù)倍于源信號(hào)的電壓。

一級(jí)放大電路采用低噪聲JFET元件，共源極電路，該電路結(jié)構(gòu)相比三極管放大電路可以降低三極管中結(jié)電容等分布參數(shù)的影響，同時(shí)JFET可以獲得較高的放大倍數(shù)以及較低的噪聲。電阻R1為靜態(tài)直流偏執(zhí)電阻，結(jié)構(gòu)為自給柵極偏壓。L2、C4構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，構(gòu)成二次選頻放大。

二級(jí)放大電路由T2、T3等元件構(gòu)成。C5、R3構(gòu)成交流耦合電路；T2、T3構(gòu)成共射共基放大電路，以獲得較寬的頻帶范圍和較高的放大倍數(shù)；L3、C7、C8構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，形成三次選頻放大[8]。

3.2 解調(diào)電路設(shè)計(jì)

多普勒信號(hào)解調(diào)方式有多種，如檢波、鑒頻、鑒相、乘法等。本研究采用集成模擬開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)多普勒信號(hào)的解調(diào)[9]，該解調(diào)方案具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、成本低等優(yōu)勢(shì)。

將開(kāi)關(guān)信號(hào)用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)為：

接收的回波多普勒信號(hào)為：

多普勒信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬開(kāi)關(guān)后表現(xiàn)為兩者的乘積：

將公式(3)和公式(4)代入公式(5)可得：

超聲解調(diào)電路圖，見(jiàn)圖5。其中4053模擬開(kāi)關(guān)為3通道、單刀雙擲模擬開(kāi)關(guān)。A、B、C 控制端口分別用來(lái)控制X、Y、Z 3個(gè)通道。4053模擬開(kāi)關(guān)真值表，見(jiàn)表1。解調(diào)電路使用了Y和Z通道，X通道為多余通道，為了降低干擾，將X通道的輸入和輸出端作短路并接地處理。B、C為控制端口，控制信號(hào)函數(shù)表達(dá)式如公式(2)所示，其頻率為超聲發(fā)射頻率。該電路采用兩級(jí)解調(diào)處理，超聲回波信號(hào)簡(jiǎn)化的函數(shù)表達(dá)式如公式(4)所示，輸入到Y(jié)1管腳，由Y管腳輸出，并再次輸入到Z0管腳，最終由Z管腳輸出。

圖5 超聲解調(diào)電路圖

表1 4053模擬開(kāi)關(guān)真值表

3.3 接收電路及解調(diào)電路性能測(cè)試

由于無(wú)法獲知準(zhǔn)確的超聲晶片發(fā)射和接收效率，因此脫離超聲晶片的單純電路性能測(cè)試方案為較優(yōu)選擇，但是由于超聲晶片電路參數(shù)復(fù)雜，完全脫離晶片進(jìn)行測(cè)試又有一定的局限性。因此，本研究采用帶晶片的電路測(cè)試方案，晶片并不實(shí)際接收信號(hào)，而是通過(guò)函數(shù)發(fā)生器將調(diào)制信號(hào)接入超聲晶片。

測(cè)試條件：電源電壓6 V，載波頻率2 MHz，調(diào)制信號(hào)頻率2 kHz。測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 接收電路及解調(diào)電路測(cè)試參數(shù)

由測(cè)試結(jié)果可以看出，該電路對(duì) 2 mV的小信號(hào)調(diào)制已經(jīng)有足夠的電壓輸出。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了可用于胎兒監(jiān)護(hù)儀的超聲發(fā)射、接收以及解調(diào)電路，電路均采用分立元件構(gòu)成，能夠降低集成電路形式的電源損耗，可通過(guò)阻抗匹配和多級(jí)諧振放大提高回波信號(hào)的接收靈敏度，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，解調(diào)效率高。

[1] 劉飛飛,魏守水,景天磊．自動(dòng)監(jiān)護(hù)與無(wú)痛分娩閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．中國(guó)醫(yī)療設(shè)備,2012,27(11):59-61．

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《中國(guó)醫(yī)療設(shè)備》雜志臨床工程欄目簡(jiǎn)介

臨床醫(yī)學(xué)工程是運(yùn)用工程學(xué)的理論與方法解決醫(yī)學(xué)中實(shí)際問(wèn)題的新興學(xué)科，學(xué)科領(lǐng)域較廣。故本欄目包括的內(nèi)容也較廣，凡與臨床醫(yī)學(xué)工程的理論、技術(shù)、方法等有關(guān)的文章均可。諸如現(xiàn)代先進(jìn)醫(yī)療儀器設(shè)備的構(gòu)成原理、性能特點(diǎn)、應(yīng)用功能開(kāi)發(fā)、醫(yī)用設(shè)備和計(jì)算機(jī)的安全使用技術(shù)、設(shè)備改裝、醫(yī)療新技術(shù)革新、小發(fā)明和專(zhuān)利等稿件。本欄目的稿件要求論述簡(jiǎn)單明了，突出技術(shù)重點(diǎn)，具有科學(xué)性和實(shí)用性。

Research on the Electric Circuit of the Ultrasound Fetal Monitor

YANG Wei-dong1, XIAO Lin-ling2, ZHAO Xiang-xin1
1.School of Medical Equipment, Zhejiang Pharmaceutical College, Ningbo Zhejiang 315100, China;2.Ningbo Polytechnic College, Ningbo Zhejiang 315800, China

The ultrasound fetal monitor has been a kind of clinically widely-used medical devices. Although ultrasound’s damage to fetuses is still ill-defined, the transmitting efficiency of the fetal monitor’s ultrasound signals and the receiving sensitivity of echo signals need to be increased to reduce the signal intensity of ultrasound and avoid the occurrence of un-known damages in its clinical application. In this paper, the simplystructured transmitter, receiver demodulation circuits are constructed based on the separate components to reduce the power loss and consumption of integrated circuits. With the characteristics of high efficiency of demodulation, the circuits can increase the receiving sensitivity of echo signals through impedance matching and multi-stage resonance amplification. The whole circuit has demonstrated its outstanding performance in the verification test.

fetal monitor; ultrasound transducers; transmitter circuit; receiver circuit; demodulation circuit

R318.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.04.006

1674-1633(2015)04-0022-03

2014-12-26

2015-01-21

作者郵箱：543719177@qq．com