试析便携式超声诊断仪信号处理电路设计
Design of signal processing circuit for portable ultrasonic diagnostic instrument
摘要：超声诊断仪具有灵敏度高、无损伤、操作简单、成像清晰等特点，在临床医学领域应用广泛。文章简要介绍了超声诊断仪，重点对便携式超声诊断仪的信号处理电路设计进行分析，以达到简化电路的目的。
关键词：便携式超声诊断仪；信号处理电路；超声发生电路；超声接收电路；设计
ABSTRACT: Ultrasound diagnostic instrument is widely used in clinical medicine because of its high sensitivity, noninvasive, simple operation and clear imaging. This paper briefly introduces the ultrasonic diagnostic instrument, focusing on the analysis of the signal processing circuit design of the portable ultrasonic diagnostic instrument, in order to simplify the circuit.
Key words: Portable ultrasonic diagnostic instrument; Signal processing circuit; Ultrasound generating circuit; Ultrasound receiving circuit; Design
超声诊断仪的组成主要包括电源、探头、录入设备、发射单元、接收单元、面板控制系统、显像记录系统、数字扫描转换器等几部分，实现超声信号的及时、有效处理，是确保仪器设备正常工作的关键所在，对此，必须对超声诊断仪的信号处理电路的设计进行重点考虑，确保其运行的稳定性。
1、超声诊断仪简要介绍
超声诊断仪的原理是将探头产生的超声波辐射至人体内，再根据超声波的波长、频率等特性，通过反射形成对应的影像，将人体内部组织情况呈现出来，进而完成临床诊断[1]。此类仪器的成像系统通常包括波束形成器、探头、回波接收处理模块、显示控制模块、波束形成器五部分，系统构成如图1所示。但是传统超声诊断仪体积较大，功耗较高，且不易携带，在山区、战场、室外等场地应用难度较大，不利于其价值和作用的充分发挥，在此背景下，便携式超声诊断仪受到了越来越多人的关注，已经成为未来主流发展方向，所以应加大对便携式超声诊断仪的研究力度。
图1 超声成像系统构成
2、便携式超声诊断仪信号处理电路设计
信号处理电路设计是便携式超声诊断仪器研发的关键环节，将会直接关系到超声信号的发射及接收，要想在确保仪器成像质量和诊断结果可靠性的前提下，尽可能的简化电路、缩小电路板，就需要从超声发生和接收两方面进行考虑，做好电路设计。
2.1电路组成及原理
便携式超声诊断仪硬件系统电路主要分为三部分，具体包括信号处理电路、信号显示电路及FPGA（现场可编程门阵列）电路，其中超声信号的发生及接收均在信号处理电路中完成；信号显示电路则是将采集转换后的超声信号呈现处理；而借助FPGA电路可提高系统的可靠性与集成度。信号处理是便携式超声诊断仪运行的关键所在，涉及到超声信号的发生和接收两项工作，在设计信号处理电路时，则也需从这两方面分析，分别完成发生电路和超声接收电路的设计[2]。使用仪器时，超声发生电路中会有高压脉冲信号生成，超声换能器在其作用下进入工作这状态，进而产生超声波并对外辐射；基于反射原理，对外发射的超声波会形成回波信号，超声换能器接收后进行信号转换，再以电信号的形式对其进行放大处理；然后将处理过的信号传输至滤波电路中，完成A/D转换，电信号转变为数字信号形式；最后再将信号传输至显示电路中，通过显示器以影像方式将其呈现出来，即可实现超声诊断操作。
2.2超声发生电路设计
在使用便携式超声诊断仪时，是借助晶体的正压电效应产生超声信号的，具体是指通过对压电晶体施加一定的机械压力，使其发生电极化现象，进而便会有电势差的存在，形成正压电效应，实现超声信号的发生。对于超声发生电路设计来讲，所产生的信号为高频脉冲信号，不仅要满足硬件系统运行要求，而且还应与超声换能器各项参数相匹配，尤其是高频脉冲信号的输出频率，应以超声转换器的中心频率为参照，保证两者一致或者是其整倍数，并可以自行调节激励信号波形。超声信号接收质量最佳时，超声换能器发射面是垂直于接收面的，这就需控制两者之间的夹角保持正在90°，而超声探头的扫描方式比较常见的包括两种，分别为电子凸阵和电子线阵，需结合实际需求做出合理选择。压电晶体是超声换能器的核心组成部分，具有体积小、数量多的特点，此次研究所用晶体材料为复合型材料，由聚偏二氟乙烯与锆钛酸铅结合制成，中心频率为5MHz，超声发射面积为3mmx3mm，振动时按照同一厚度发生伸缩[3]。
如图2所示，为此次研究所设计的超声发生电路，主要分为三大部分，分别为效应管驱动电路、调谐匹配电路和功率放大电路，图中所示TC6320为效应管驱动阵列，所用晶体管为金氧半场效晶体管，可通过高压激励作用是超声换能器进入工作状态，效应管驱动阵列运行时，能够产生与带容性负载电路相同的运行效果，如果频率较高，在充电放电时必然损耗相应的能量，要想驱动金氧半场效晶体管正常运行，所需峰值电流大小为数安培，所以，此次研究所用驱动器为一款高速双MOSFET驱动器——MD1211驱动器，具有带容性负载能力较强、输出电流峰值较高、外围电路元件较少等优点，不仅可以满足驱动效应管驱动阵列驱动需求，还易于调试。在MD1211驱动器中输入现场可编程门阵列所产生的脉冲控制信号，具体包括INA和INB，在7号引脚和5号引脚产生相对应产生与其相一致的脉冲信号，作用于效应管驱动阵列，驱动气进入工作状态，进而生成高压高频脉冲信号，此时超声换能器便会在高压高频脉冲信号的驱动下对外发出超声信号。
图2 超声发生电路
2.3超声接收电路设计
人体接收到超声信号后，在反射作用下会有对应的回波信号产生，超声换能器接收后经放大、滤波、转换处理，最终以数字信号形式通过显示装置呈现出来，即可得到超声诊断结果。能量形式的转换是超声接收过程中的关键所在，不仅要实现超声信号与电信号的转换，而且还影尽可能的避免造成能量损失，降低电路功耗。结合超声换能器阻抗特点考虑，当采用串联方式进行连接时，电路中的阻抗值为零时，可实现能量转换率的最大化，由此可知，超声换能器的串联谐振频率便是其最佳工作状态时的频率。对于超声换能器来讲，可以将其视作采用并联方式将LRC串联电路与电容C0进行连接，两者所体现出的电路效果一致，要想降低换能器外阻抗大小，应分别采用并联和串联的方式，在其两端接入电容CL和电感LC，保证整体的匹配性。如果存在关系LC=R2（CL+C0）/［1+ω2R2（CL+C0）2］，则此时系统表现为纯阻性。
此次研究在设计超声接收电路时，所用超声接收器型号为AD9271，其体积较小、集成度较高，该芯片主要由12位A/D转换器、低噪声前置放大器、8通道可变增益放大器及抗混迭滤波器组成。其中12位A/D转换器的输出形式为低电压差分信号，其信噪比和无杂散动态范围分别为70dB和80dB，可按照10~50M SPS的速度进行采样。低噪声前置放大器输入方式为单端输入，最大输入及最大输出电压峰峰值分别400/333/250 mv和2V，可以表现群体特征且具有代表性的噪声值为1.2 nV，频带宽度为70 MHz，其放大增益可借助SPI 接口编程控制进行选择，具体包括18dB、15.6dB和14dB三种情况。如果频带宽度和低噪声前置放大器的增益值分别为15Hz和15.6dB，此时信噪比为大小为86dB。8通道可变增益放大器的组成增益值为24dB的放大器和衰减范围为0~30dB的衰减器，在两者的共同作用下，可变增益放大器的增益效果可在—6~24dB范围内发生变化，全通道控制方法为dB线性增益控制，具体收益范围为10~40dB。此次设计时，为实现增益误差的最小化，利用X-AMP增益插值方法对频带宽度加以统一，尽可能的避免出现差动信号失真现象，实现对增益效果的有效控制。
3、总结
超声诊断仪作为一种大型医学影像设备，在医院诊断治疗工作中发挥着重要作用，而便携式超声诊断仪具有体积小、集成度好、易于携带、适用范围广、功耗较低等优点，在确保诊断结果精准性的前提下，实现了对传统落地式超声诊断仪的改进和优化。以信号处理电路为切入点，对其设计过程进行分析，可以保证电路设计的科学性及合理性，为超声信号的产生及接收提供基础保障，进而可顺利得到超声诊断影像，达到预期工作效果，有利于便携式超声诊断仪的推广和应用。
参考文献：
[1]詹湘琳,石志超.数字超声波探伤仪发射电路的参数分析[J].中国民航大学学报，2017，(1):52-55.
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[3]郑可欣,于志勇,吕科,等.便携式综合超声诊断仪[J].民营科技,2017，(9):9-9.
[4]沈春鹏,周凤星,汤建强,等.基于Android的便携式故障诊断仪的设计与实现[J]. 仪表技术与传感器,2018，(2)：31-35.
