藺超文,趙 達(dá),張 寧
(徐州工程學(xué)院機(jī)電學(xué)院,江蘇 徐州 221018)
超聲診斷儀通過超聲波與人體內(nèi)組織間的相互作用而產(chǎn)生多普勒效應(yīng)來檢測(cè)人體組織結(jié)構(gòu)與相關(guān)健康信息。由于超聲波對(duì)人體無電離輻射傷害,無禁忌癥狀,而且超聲診斷時(shí)間短,相比CT和核磁共振成像檢查,超聲診斷設(shè)備較為廉價(jià),能顯示斷層組織不同深度的圖像,除此之外,同時(shí)具有測(cè)量參數(shù)多、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),因此在臨床病理檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用。但是,傳統(tǒng)的基于PC的超聲診斷儀體積龐大、功耗較多、移動(dòng)困難,不適用于室外、戰(zhàn)場(chǎng)或醫(yī)療環(huán)境較差的山區(qū)。為解決以上問題,本文以便攜式為設(shè)計(jì)宗旨,采用微型化、功能集成化的設(shè)計(jì)思路對(duì)超聲診斷儀信號(hào)處理電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
超聲診斷儀的硬件電路原理圖如圖1所示,主要由信號(hào)處理電路、FPGA電路和信號(hào)顯示電路組成,其中信號(hào)處理電路又包括超聲信號(hào)的產(chǎn)生與接收電路兩部分。信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生的高壓脈沖信號(hào)激勵(lì)超聲換能器工作,向外發(fā)射超聲波;回波信號(hào)再次進(jìn)入換能器,由換能器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)進(jìn)入信號(hào)放大與濾波電路,再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出到顯示電路。
圖1 超聲診斷儀硬件原理圖
超聲信號(hào)的產(chǎn)生利用了壓電晶體的正壓電效應(yīng)。超聲產(chǎn)生電路要能夠根據(jù)換能器的參數(shù)與系統(tǒng)的要求產(chǎn)生高頻高壓脈沖信號(hào),且輸出頻率為換能器中心頻率或中心頻率的整數(shù)倍,同時(shí)激勵(lì)信號(hào)波形可以調(diào)節(jié)。按照超聲換能器的發(fā)射面與接受面處于垂直位置上時(shí),其信號(hào)接收效果最好的原理,超聲探頭一般有電子線陣與電子凸陣兩種掃描形式。超聲換能器的主要部分是體積微小的壓電晶體,它數(shù)量眾多。本文選用了聚偏二氟乙烯+鋯鈦酸鉛復(fù)合(PVDF+PZT)型材料作為超聲換能器的壓電晶片,超聲發(fā)射面積為3 mm×3 mm,等厚度伸縮振動(dòng),其中心頻率為5 MHz。
設(shè)計(jì)的超聲產(chǎn)生電路如圖2所示,由場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)電路、功率放大電路和調(diào)諧匹配電路三部分。本系統(tǒng)采用了場(chǎng)效應(yīng)管陣列TC6320實(shí)現(xiàn)對(duì)換能器的高壓激勵(lì)。驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)相當(dāng)于驅(qū)動(dòng)帶容性負(fù)載的電路,在高頻條件下,場(chǎng)效應(yīng)管的充放電過程將造成一定程度的能量損耗,驅(qū)動(dòng)這款MOSFET時(shí)需要幾個(gè)安培的峰值電流,為此選用了MD1211作為場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)器,其外圍電路元件較少,調(diào)試方便,其輸出電流峰值較高,并具有較強(qiáng)的帶容性負(fù)載的能力。
當(dāng)FPGA產(chǎn)生脈沖控制信號(hào)INA、INB輸入到MD1211,將在其7號(hào)與5號(hào)引腳產(chǎn)生兩路完全相同的脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)TC6320工作,從而產(chǎn)生高壓高頻脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)換能器Y1產(chǎn)生超聲信號(hào)。
圖2 超聲產(chǎn)生電路
超聲信號(hào)與人體組織作用后產(chǎn)生的回波信號(hào)進(jìn)入超聲換能器,并通過超聲接收電路進(jìn)行放大、濾波等處理,轉(zhuǎn)化成后續(xù)電路所需要的信號(hào)。
在超聲診斷設(shè)備中,超聲換能器要完成電能量與超聲能量之間的相互轉(zhuǎn)換,并要求這種能量轉(zhuǎn)換要以最大效率進(jìn)行。由換能器的阻抗特性可知,只有串聯(lián)阻抗為零時(shí)才效率最大,因此換能器的最佳工作頻率應(yīng)當(dāng)是換能器的串聯(lián)諧振頻率。而換能器可以等效為一個(gè)電容C0與一個(gè)LRC串聯(lián)電路的并聯(lián),為使換能器的外阻抗特性減小,需要在其兩端并聯(lián)匹配電容CL,同時(shí)串聯(lián)匹配電感LC。當(dāng)LC=R2(CL+C0)/[1+ω2R2(CL+C0)2]時(shí),系統(tǒng)呈現(xiàn)純阻性。
為減小系統(tǒng)的體積,接收電路部分采用了ADI公司的AD9271單芯片超聲接收器。該芯片包括8通道可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA)、低噪聲前置放大器(LNA)、抗混迭濾波器(AAF)和12位ADC。LNA為單端輸入,輸入最大 電壓峰峰值為400/333/250 mv,輸入噪聲典型值為1.2 nV,最大輸出差分電壓峰峰值為2 V,頻帶寬度為70 MHz,通過SPI接口編程控制可以選擇放大增益為14 dB/15.6 dB/1 8dB。當(dāng)噪聲帶寬為15 Hz,LNA增益為15.6dB時(shí),信噪比可達(dá)到86 dB。VGA由一個(gè)衰減器和一個(gè)放大器組成,衰減器的衰減范圍是0到-30 dB,放大器的增益則是24 dB,因此VGA的可變?cè)鲆娣秶鸀?6 dB到24 dB,全通道增益為10 dB到40 dB,采用dB線性(Linear-In-dB)的增益控制。VGA中采用了AD公司先進(jìn)的X-AMP增益插值技術(shù),降低了增益誤差,統(tǒng)一了頻帶寬度,將差動(dòng)信號(hào)失真降到了最低,具有優(yōu)異的增益控制特性。其12位A/D轉(zhuǎn)換器,采樣速度為10 MSPS~50M SPS,信噪比為70 dB,無雜散動(dòng)態(tài)范圍為80 dB,以LVDS模式輸出。
大型超聲診斷儀移動(dòng)能力較弱,難以在室外進(jìn)行快速測(cè)量,本文從超聲信號(hào)處理電路方面入手,以便攜性為研究目的,采用了集成度較高的場(chǎng)效應(yīng)管與回波信號(hào)接收芯片對(duì)超聲信號(hào)處理電路進(jìn)行了設(shè)計(jì),降低了系統(tǒng)的功耗,減小了電路板的面積,達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。