試析便攜式超聲診斷儀信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

施博愛(ài)　匡紹龍　尹健

摘 要：超聲診斷儀具有靈敏度高、無(wú)損傷、操作簡(jiǎn)單、成像清晰等特點(diǎn)，在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。文章簡(jiǎn)要介紹了超聲診斷儀，重點(diǎn)對(duì)便攜式超聲診斷儀的信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，以達(dá)到簡(jiǎn)化電路的目的。

關(guān)鍵詞：便攜式超聲診斷儀；信號(hào)處理電路；超聲發(fā)生電路；超聲接收電路；設(shè)計(jì)

超聲診斷儀的組成主要包括電源、探頭、錄入設(shè)備、發(fā)射單元、接收單元、面板控制系統(tǒng)、顯像記錄系統(tǒng)、數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器等幾部分，實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)的及時(shí)、有效處理，是確保儀器設(shè)備正常工作的關(guān)鍵所在，對(duì)此，必須對(duì)超聲診斷儀的信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)考慮，確保其運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 超聲診斷儀簡(jiǎn)要介紹

超聲診斷儀的原理是將探頭產(chǎn)生的超聲波輻射至人體內(nèi)，再根據(jù)超聲波的波長(zhǎng)、頻率等特性，通過(guò)反射形成對(duì)應(yīng)的影像，將人體內(nèi)部組織情況呈現(xiàn)出來(lái)，進(jìn)而完成臨床診斷。[1]此類儀器的成像系統(tǒng)通常包括波束形成器、探頭、回波接收處理模塊、顯示控制模塊、波束形成器五部分。但是傳統(tǒng)超聲診斷儀體積較大，功耗較高，且不易攜帶，在山區(qū)、戰(zhàn)場(chǎng)、室外等場(chǎng)地應(yīng)用難度較大，不利于其價(jià)值和作用的充分發(fā)揮，在此背景下，便攜式超聲診斷儀受到了越來(lái)越多人的關(guān)注，已經(jīng)成為未來(lái)主流發(fā)展方向，所以應(yīng)加大對(duì)便攜式超聲診斷儀的研究力度。

2 便攜式超聲診斷儀信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)是便攜式超聲診斷儀器研發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將會(huì)直接關(guān)系到超聲信號(hào)的發(fā)射及接收，要想在確保儀器成像質(zhì)量和診斷結(jié)果可靠性的前提下，盡可能的簡(jiǎn)化電路、縮小電路板，就需要從超聲發(fā)生和接收兩方面進(jìn)行考慮，做好電路設(shè)計(jì)。

2.1 電路組成及原理

便攜式超聲診斷儀硬件系統(tǒng)電路主要分為三部分，具體包括信號(hào)處理電路、信號(hào)顯示電路及FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）電路，其中超聲信號(hào)的發(fā)生及接收均在信號(hào)處理電路中完成；信號(hào)顯示電路則是將采集轉(zhuǎn)換后的超聲信號(hào)呈現(xiàn)處理；而借助FPGA電路可提高系統(tǒng)的可靠性與集成度。信號(hào)處理是便攜式超聲診斷儀運(yùn)行的關(guān)鍵所在，涉及到超聲信號(hào)的發(fā)生和接收兩項(xiàng)工作，在設(shè)計(jì)信號(hào)處理電路時(shí)，則也需從這兩方面分析，分別完成發(fā)生電路和超聲接收電路的設(shè)計(jì)。[2]使用儀器時(shí)，超聲發(fā)生電路中會(huì)有高壓脈沖信號(hào)生成，超聲換能器在其作用下進(jìn)入工作這狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生超聲波并對(duì)外輻射；基于反射原理，對(duì)外發(fā)射的超聲波會(huì)形成回波信號(hào)，超聲換能器接收后進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，再以電信號(hào)的形式對(duì)其進(jìn)行放大處理；然后將處理過(guò)的信號(hào)傳輸至濾波電路中，完成A/D轉(zhuǎn)換，電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)形式；最后再將信號(hào)傳輸至顯示電路中，通過(guò)顯示器以影像方式將其呈現(xiàn)出來(lái)，即可實(shí)現(xiàn)超聲診斷操作。

2.2 超聲發(fā)生電路設(shè)計(jì)

在使用便攜式超聲診斷儀時(shí)，是借助晶體的正壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲信號(hào)的，具體是指通過(guò)對(duì)壓電晶體施加一定的機(jī)械壓力，使其發(fā)生電極化現(xiàn)象，進(jìn)而便會(huì)有電勢(shì)差的存在，形成正壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)的發(fā)生。對(duì)于超聲發(fā)生電路設(shè)計(jì)來(lái)講，所產(chǎn)生的信號(hào)為高頻脈沖信號(hào)，不僅要滿足硬件系統(tǒng)運(yùn)行要求，而且還應(yīng)與超聲換能器各項(xiàng)參數(shù)相匹配，尤其是高頻脈沖信號(hào)的輸出頻率，應(yīng)以超聲轉(zhuǎn)換器的中心頻率為參照，保證兩者一致或者是其整倍數(shù)，并可以自行調(diào)節(jié)激勵(lì)信號(hào)波形。超聲信號(hào)接收質(zhì)量最佳時(shí)，超聲換能器發(fā)射面是垂直于接收面的，這就需控制兩者之間的夾角保持正在90°，而超聲探頭的掃描方式比較常見(jiàn)的包括兩種，分別為電子凸陣和電子線陣，需結(jié)合實(shí)際需求做出合理選擇。壓電晶體是超聲換能器的核心組成部分，具有體積小、數(shù)量多的特點(diǎn)，此次研究所用晶體材料為復(fù)合型材料，由聚偏二氟乙烯與鋯鈦酸鉛結(jié)合制成，中心頻率為5MHz，超聲發(fā)射面積為3mmx3mm，振動(dòng)時(shí)按照同一厚度發(fā)生伸縮。

如下圖所示，為此次研究所設(shè)計(jì)的超聲發(fā)生電路，主要分為三大部分，分別為效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)諧匹配電路和功率放大電路，圖中所示TC6320為效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)陣列，所用晶體管為金氧半場(chǎng)效晶體管，可通過(guò)高壓激勵(lì)作用是超聲換能器進(jìn)入工作狀態(tài)，效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)陣列運(yùn)行時(shí)，能夠產(chǎn)生與帶容性負(fù)載電路相同的運(yùn)行效果，如果頻率較高，在充電放電時(shí)必然損耗相應(yīng)的能量，要想驅(qū)動(dòng)金氧半場(chǎng)效晶體管正常運(yùn)行，所需峰值電流大小為數(shù)安培，所以，此次研究所用驅(qū)動(dòng)器為一款高速雙MOSFET驅(qū)動(dòng)器——MD1211驅(qū)動(dòng)器，具有帶容性負(fù)載能力較強(qiáng)、輸出電流峰值較高、外圍電路元件較少等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以滿足驅(qū)動(dòng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)陣列驅(qū)動(dòng)需求，還易于調(diào)試。在MD1211驅(qū)動(dòng)器中輸入現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列所產(chǎn)生的脈沖控制信號(hào)，具體包括INA和INB，在7號(hào)引腳和5號(hào)引腳產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)產(chǎn)生與其相一致的脈沖信號(hào)，作用于效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)陣列，驅(qū)動(dòng)氣進(jìn)入工作狀態(tài)，進(jìn)而生成高壓高頻脈沖信號(hào)，此時(shí)超聲換能器便會(huì)在高壓高頻脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下對(duì)外發(fā)出超聲信號(hào)。

2.3 超聲接收電路設(shè)計(jì)

人體接收到超聲信號(hào)后，在反射作用下會(huì)有對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)產(chǎn)生，超聲換能器接收后經(jīng)放大、濾波、轉(zhuǎn)換處理，最終以數(shù)字信號(hào)形式通過(guò)顯示裝置呈現(xiàn)出來(lái)，即可得到超聲診斷結(jié)果。能量形式的轉(zhuǎn)換是超聲接收過(guò)程中的關(guān)鍵所在，不僅要實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，而且還影盡可能的避免造成能量損失，降低電路功耗。結(jié)合超聲換能器阻抗特點(diǎn)考慮，當(dāng)采用串聯(lián)方式進(jìn)行連接時(shí)，電路中的阻抗值為零時(shí)，可實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換率的最大化，由此可知，超聲換能器的串聯(lián)諧振頻率便是其最佳工作狀態(tài)時(shí)的頻率。對(duì)于超聲換能器來(lái)講，可以將其視作采用并聯(lián)方式將LRC串聯(lián)電路與電容C0進(jìn)行連接，兩者所體現(xiàn)出的電路效果一致，要想降低換能器外阻抗大小，應(yīng)分別采用并聯(lián)和串聯(lián)的方式，在其兩端接入電容CL和電感LC，保證整體的匹配性。如果存在關(guān)系LC=R2（CL+C0）/[1+ω2R2（CL+C0）2]，則此時(shí)系統(tǒng)表現(xiàn)為純阻性。

此次研究在設(shè)計(jì)超聲接收電路時(shí)，所用超聲接收器型號(hào)為AD9271，其體積較小、集成度較高，該芯片主要由12位A/D轉(zhuǎn)換器、低噪聲前置放大器、8通道可變?cè)鲆娣糯笃骷翱够斓鼮V波器組成。其中12位A/D轉(zhuǎn)換器的輸出形式為低電壓差分信號(hào)，其信噪比和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍分別為70dB和80dB，可按照10～50M SPS的速度進(jìn)行采樣。低噪聲前置放大器輸入方式為單端輸入，最大輸入及最大輸出電壓峰峰值分別400/333/250 mv和2V，可以表現(xiàn)群體特征且具有代表性的噪聲值為1.2 nV，頻帶寬度為70 MHz，其放大增益可借助SPI 接口編程控制進(jìn)行選擇，具體包括18dB、15.6dB和14dB三種情況。如果頻帶寬度和低噪聲前置放大器的增益值分別為15Hz和15.6dB，此時(shí)信噪比為大小為86dB。8通道可變?cè)鲆娣糯笃鞯慕M成增益值為24dB的放大器和衰減范圍為0～30dB的衰減器，在兩者的共同作用下，可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆嫘Ч稍?～24dB范圍內(nèi)發(fā)生變化，全通道控制方法為dB線性增益控制，具體收益范圍為10～40dB。此次設(shè)計(jì)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)增益誤差的最小化，利用X-AMP增益插值方法對(duì)頻帶寬度加以統(tǒng)一，盡可能的避免出現(xiàn)差動(dòng)信號(hào)失真現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)增益效果的有效控制。

3 總結(jié)

超聲診斷儀作為一種大型醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，在醫(yī)院診斷治療工作中發(fā)揮著重要作用，而便攜式超聲診斷儀具有體積小、集成度好、易于攜帶、適用范圍廣、功耗較低等優(yōu)點(diǎn)，在確保診斷結(jié)果精準(zhǔn)性的前提下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)落地式超聲診斷儀的改進(jìn)和優(yōu)化。以信號(hào)處理電路為切入點(diǎn)，對(duì)其設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分析，可以保證電路設(shè)計(jì)的科學(xué)性及合理性，為超聲信號(hào)的產(chǎn)生及接收提供基礎(chǔ)保障，進(jìn)而可順利得到超聲診斷影像，達(dá)到預(yù)期工作效果，有利于便攜式超聲診斷儀的推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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