高頻環陣數位化超聲系統的製作方法
2023-12-07 09:27:41 2
專利名稱：高頻環陣數位化超聲系統的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於超聲波檢測技術領域、檢測儀器，特別涉及一種高頻環陣數位化超聲系統。
背景技術：
在目甜常用的B型超聲診斷儀中，主要採用單晶片換能器和線陣換能器，側向解析度比 軸向解析度差幾倍，這將影響對小病變的檢測。單晶片換能器焦點確定，只在焦點區有較高 解析度；線陣換能器採用電子聚焦，能獲得從近距離道遠距離的合成視野深度，但僅能獲得 聲束截面一維的聚焦效果。
實用新型內容
為克服現有技術的不足，本實用新型的目的在於克服線陣等掃描技術只能一維聚焦的 缺點，提高各向解析度，有效提高信噪比，最大限度的提高圖象質量。
為了達到上述目的，本實用新型採用的技術方案是， 一種高頻環陣數位化超聲系統，包 括依次相連的環陣換能器、接收系統、模數轉換器、接收動態聚焦與可變孔徑控制波束形 成模塊、數字回波合成模塊、超聲信號處理模塊、顯示單元，還包括處理器，處理器依次通 過時序控制系統、超聲發射驅動系統與環陣換能器相連接，處理器還分別與模數轉換器、接 收動態聚焦與可變孔徑控制波束形成模塊相連接。
環陣換能器是中心頻率10MHz的五環高頻環陣換能器，由一組同心圓的多陣元晶體組 成，每一個晶體均獨立連接到超聲發射/接收驅動系統，換能器的環半徑從最外環到中心環分 別為3.60mm、 3.22mm、 2.97mm、 2.28mm、 1.61mm，五環換能器各環面積保持相等。
模數轉換器為單晶片8通道超聲接收器，型號為AD9271。
超聲發射驅動系統的結構為FPGA晶片輸出的脈衝信號電壓經電壓轉換晶片形成兩路 輸出， 一路輸出經電容連接到場效應管柵極，另一路輸出連接到另一個場效應管的柵極，連 接電容的場效應管漏極接電源，其源極接另一個場效應管的漏極並作為發射輸出端，另一個 場效應管的源極接地。
接收動態聚焦與可變孔徑控制波束形成模塊、數字回波合成模塊、超聲信號處理模塊、 處理器集成設置在一片現場可編程門陣列FPGA中。 本實用新型具備以下技術效果
本實用新型提供的高頻環陣水浴旋轉式超聲探頭，及相應的發射、接收電路，經AD9271 數位化處理後進行數位訊號處理，實現二維全程動態聚焦，提高各向解析度，採用數位化成 像技術可有效提高信噪比，最大限度的提高圖象質量，提高早期乳腺腫塊的檢出率。
圖1是高頻環陣檢測系統結構圖。圖2是環陣探頭截面圖。 圖3是發射電路原理圖。 圖4是激勵脈衝信號波形圖。 圖5是接收電路原理圖。
具體實施方式
高頻環陣超聲檢測系統的結構框圖如圖1所示。高頻超聲檢測系統由微處理器控制超聲 探頭髮射/接收電路，通過環陣水浴探頭對乳腺進行檢測，回波信號在通過接收電路後，經 AD9271進行A/D轉換，數位化後的信號再進行一系列數位訊號處理後形成視頻頻信號顯示， 數位化成像技術可有效提高信噪比，最大限度的提高圖象質量。 一種高頻環陣數位化超聲系 統，包括，探頭、探頭的發射/接收電路、A/D轉換電路、信號控制及處理電路。
探頭
環陣換能器由一組同心圓的多陣元晶體組成，每一個晶體通過脈衝信號激勵，通過電子 聚焦是波束在沿軸方向聚焦成為非常精確的點，通過調整脈衝延時，可以實現連續動態聚焦， 同時採用可變孔徑的方法，隨著掃査深度的增加，有效孔徑逐漸增大，環陣的合成視野深度 得到增加，從而提高了整個成像深度的側向解析度，實現二維全程動態聚焦。
根據研究需要，探頭設計了中心頻率在10MHz的五環高頻環陣換能器，換能器的環半徑 從最外環到中心環分別為3. 60mra、 3. 22mm、 2. 97mm、 2. 28mm、 1. 61mm，五環換能器各環面 積保持相等，截面圖如圖2所示。考慮到超聲波頻率越高，在組織內的衰減越快，我們選定 的組織檢測深度是0-50隱。超聲頻率10MHz、探測深度50mm、軸向分辨力150微米、側向分 辨力200微米，滿足超聲檢測需要，可有效提高早期疾病的檢出率，同吋數位化成像技術可 有效提高信噪比，最大限度的提高圖象質量。
發射/接收電路
超聲發射驅動系統即超聲發射電路是脈衝回波法超聲診斷設備的關鍵部分，主要用來產 生高壓窄脈衝信號來激勵超聲波換能器發射超聲波。發射脈衝的幅度和寬度是兩個重要的指 標。通常情況下，幅度大則超聲功率強，接收靈敏度高；脈寬窄，則解析度高，盲區小。電 路低壓可調脈寬的激勵脈衝信號由FPGA晶片EP2C35672C6提供，由於FPGA晶片的I/O埠 電壓為3.3V，可以採用電壓轉換晶片對脈衝信號電壓進行升壓輸出，使相應的場效應管導通， 從而激勵換能器的發射。發射電路的原理圖如圖3所示，FPGA晶片輸出的脈衝信號DINA輸 出到電壓轉換晶片的IN-A、 IN-B輸入端，電壓轉換晶片的PD、 GND端接地，VDD端接5v， VH 端接12V，輸出端OA經電容C2接場效應管Ql柵極，電阻Rl確定Ql工作電壓，Ql通過並接 的二極體D1、電阻R9接場效應管Q2的漏極，Q2的柵極連接電壓轉換晶片0B端，Q2的源極 接地，Ql的源極經過反向並接的二級管D9、 D10進行脈衝輸出，脈衝輸出直流分量被電感L1 短接到地，脈衝輸出是通過電阻RlO和阻抗匹配電阻Rll輸出，電容C1、 C3、 C4、 C5、 C41、 C42、 C301為電源濾波電容。
接收系統電路如圖5所示，包括二極體D60、 D61、 D62、 D63，電阻R212、 R213、 R230， 來自換能器的信號經串接的二極體D60、 D61間的輸入端接入，最終通過電容C209接入模數轉換器AD9271， Q3s器件為MMBD4148se，是封裝的兩個不同方向的二極體，sot23封裝， 電阻R95、 R96、 R97、 R109，電容C171、 C172、 C175、 C176、 C215為AD9271外圍器件。
激勵脈衝信號有FPGA晶片EP2C35672C6產生，最後經場效應管放大後的探頭激勵脈衝信 號如圖4所示。
接收電路如圖5所示，回波信號經過二極體隔離後直接進行A/D轉換。控制信號由FPGA 晶片EP2C35672C6產生。
接收動態聚焦與可變孔徑控制波束形成模塊、數字回波合成模塊、超聲信號處理模塊、 處理器集成設置在前述FPGA晶片EP2C35672C6中。
A/D轉換電路
傳統全數字超聲儀器中放大器電路和A/D轉換電路分別集成在不同的晶片上，這種多芯 片分立組成回波信號通路的技術目前己經很成熟，目前被眾多廠家所採用。但在多通道超聲 儀器中採用這種方案不可避免的造成回波通路晶片數量眾多，電路板佔用面積大，功耗高， 導致儀器體積大，無法滿足目前超聲儀器向低功耗、可攜式方向發展的要求。在全數字超聲 儀器中，接收到的超聲回波模擬信號要經過放大、A/D轉換後變為回波數位訊號以便於後期 的數位訊號處理。為解決上述問題，本設計採用美國模擬器件公司(ADI)新推出的單晶片8通 道超聲接收器——AD9271。 AD9271是首例將8信道的放大器電路和A/D轉換器集成在1枚芯 片上的產品，相當於2個4通道放大器AD8335和8通道A/D轉換器AD9222集成在了 1枚芯 片上。這種前所未有的高集成度晶片可使超聲系統的信號通道尺寸減少50%，功耗降低25%， 電路板佔用面積減少近40%。同時，噪聲水平及其他性能均達到檢測所需要求。
效果
本實用新型最終獲得的是從AD9271中輸出的數位訊號。為驗證設計的正確性，利用探頭 對水杯杯底進行了檢測，並將所得數位訊號經過D/A轉換為模擬信號並經示波器顯示所得結 果與預想相同，證明回波信號是正確的。本實驗採用的IOM發射脈衝，隨著發射脈衝頻率的 提高，解析度就能提高，探測深度》50mm，軸向分辨力150微米，側向分辨力200微米。
權利要求1、一種高頻環陣數位化超聲系統，其特徵在於，包括依次相連的環陣換能器、接收系統、模數轉換器、接收動態聚焦與可變孔徑控制波束形成模塊、數字回波合成模塊、超聲信號處理模塊、顯示單元，還包括處理器，處理器依次通過時序控制系統、超聲發射驅動系統與環陣換能器相連接，處理器還分別與模數轉換器、接收動態聚焦與可變孔徑控制波束形成模塊相連接。
2、 根據權利要求1所述的一種高頻環陣數位化超聲系統，其特徵在於，環陣換能器是中心頻率10MHz的五環高頻環陣換能器，由一組同心圓的多陣元晶體組成，每一個晶體均獨立 連接到超聲發射/接收驅動系統，換能器的環半徑從最外環到中心環分別為3.60mm、 3.22mm、 2.97mm、 2.28mm、 1.61mm，五環換能器各環面積相等。
3、 根據權利要求1所述的一種高頻環陣數位化超聲系統，其特徵在於，模數轉換器為單晶片 8通道超聲接收器，型號為AD9271。
4、 根據權利要求1所述的一種高頻環陣數位化超聲系統，其特徵在於，超聲發射驅動系統的 結構為FPGA晶片輸出的脈衝信號電壓經電壓轉換晶片形成兩路輸出， 一路輸出經電容 連接到場效應管柵極，另一路輸出連接到另一個場效應管的柵極，連接電容的場效應管漏 極接電源，其源極接另一個場效應管的漏極並作為發射輸出端，另一個場效應管的源極接 地。
5、 根據權利要求1所述的一種高頻環陣數位化超聲系統，其特徵在於，接收動態聚焦與可變 孔徑控制波束形成模塊、數字回波合成模塊、超聲信號處理模塊、處理器集成設置在一片 現場可編程門陣列FPGA中。
專利摘要本實用新型屬於超聲波檢測技術領域，特別涉及高頻環陣數位化超聲系統。為克服線陣等掃描技術只能一維聚焦的缺點，提高各向解析度，有效提高信噪比，最大限度的提高圖象質量，本實用新型採用的技術方案是包括依次相連的環陣換能器、接收系統、模數轉換器、接收動態聚焦與可變孔徑控制波束形成模塊、數字回波合成模塊、超聲信號處理模塊、顯示單元，還包括處理器，處理器依次通過時序控制系統、超聲發射驅動系統與環陣換能器相連接，處理器還分別與模數轉換器、接收動態聚焦與可變孔徑控制波束形成模塊相連接。本實用新型主要應用於超聲波檢測儀器的設計製造。
文檔編號A61B8/00GK201312811SQ20082014453
公開日2009年9月23日 申請日期2008年12月17日 優先權日2008年12月17日
發明者盛 周, 段炳柱, 王延群, 王曉春, 王立偉 申請人:中國醫學科學院生物醫學工程研究所