CN101601594A - 一种医用b超前端激励装置及激励方法 - Google Patents
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Abstract
一种医用B超前端激励装置，包括：一基于FPGA的发射波束主控单元；一多路高压开关电路；一电平转换及高压驱动脉冲电路；一高压激励产生电路；一隔离二极管桥及其控制信号电路。本发明由于采用变迹双极性发射电路，克服传统的B超前端系统采用单极性高压激励脉冲情况下发射波束的特性和频谱的极限性。通过接近高斯形状的能量分布变迹激励技术，有效改善了发射波束的特性和旁瓣抑制；既提高了发射能量的利用率，又在发射高压不变的情况下，有效的提升系统的探测穿透率；并可以得到明显的变频效果，提高图像的分辨率，使图像更加均匀细腻，提升系统的整体性能。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种医用B超前端激励装置及激励方法。
背景技术
传统的B超前端系统采用单极性高压激励脉冲，发射波束的特性和频谱都有极限性。其主要的缺点包括：单极性高压激励发射波形是周期方波(可以是一周期或多周期)，其频谱特性与探头特性难于匹配，发射能量的效率不高，穿透力能力较弱，图像细节部分难以分辨的缺点。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题的存在，提供一种采用变迹双极性发射电路，克服传统的B超前端系统采用单极性高压激励脉冲情况下发射波束的特性和频谱的极限性。通过接近高斯形状的能量分布变迹激励技术，有效改善了发射波束的特性和旁瓣抑制；既提高了发射能量的利用率，又在发射高压不变的情况下，有效的提升系统的探测穿透率；并可以得到明显的变频效果，提高图像的分辨率，使图像更加均匀细腻，提升系统的整体性能的医用B超前端激励装置及激励方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种医用B超前端激励装置，包括：
一基于FPGA(现场可编程门阵列(英文：Field Programmable Gate Array))的用于实现发射波束的聚焦、发射驱动波形的产生、发射波束变迹的控制、多路高压开关电路和电平转换及高压驱动脉冲电路的控制的发射波束主控单元；
一用于接收发射波束主控制单元输出的时钟信号和配置数据、对内部的寄存器进行配置、在LE(高压开关的逻辑配置使能信号)信号的控制下对最终的开关状态进行设置，用于实现换能器阵元阵列的多路选择和高压激励脉冲及超声回波信号的切换的多路高压开关电路；
一用于接收来自FPGA(现场可编程门阵列(英文：Field Programmable GateArray))控制单元的发射驱动波形和高压电平控制波形，实现激励脉冲的电平转换及高压驱动和变迹驱动脉冲的输出，用于控制高压激励产生电路的电平转换及高压驱动脉冲电路；
一可在前级电平转换及高压驱动脉冲电路输出的发射驱动波形和高压分配波形的控制下，实现变迹双极性激励高压脉冲的输出，用于换能器阵元的激励的高压激励产生电路；
一用于高压脉冲与后级接收放大电路的隔离的隔离二极管桥及其控制信号电路。
一种医用B超前端的激励方法，包括以下步骤：
(1)、基于FPGA(现场可编程门阵列(英文：Field Programmable GateArray)的发射波束主控单元根据系统控制模块送来的发射同步信号SYNC(超声扫描同步信号)、复位信号SysRst(系统总复位信号)和一系列的参数及控制信号Acdbus(前端数据总线)、Apaddr(8位并行总线端口地址)、AmasterEn(主设备(本地总线控制器)握手信号)、Atck(并行总线时钟信号)、Aack(并行本地总线控制器对各用户端口中断的应答信号)、Awen(并行总线读写方向控制信号)、SCS(串行总线片选信号)、SD(串行总线数据信号)和SCLK(串行总线时钟信号)，在发射同步信号SYNC(超声扫描同步信号)为低电平期间，根据相关的参数，对发射前端的高压开关电路的状态和数字发射波束电路的延时状态、发射孔径和变迹参数等进行设置，当发射同步信号信号由低变高时，发射控制FPGA(现场可编程门阵列(英文：Field ProgrammableGate Array))产生前端发射波束的控制信号、双极性发射驱动脉冲、发射加权控制脉冲、发射结束标识信号，其包括Hilo1(第一级PGA的增益控制信号)、Hilo2(第二级PGA的增益控制信号)、Enbcon(模拟回波信号放大器的开启信号)、ProbeInt(前端探头状态改变中断申请信号)、Mode(放大器增益控制电压斜率信号)、PHD(发射激励正极性驱动信号)、NHD(发射激励负极性驱动信号)、ApoPHD(发射激励正极性变迹驱动信号)、ApoNHD(发射激励负极性变迹驱动信号)、Tend(发射结束标识信号)、Din(高压开关配置数据)、StrobeClk(高压开关串行数据所存信号)、LE(高压开关的逻辑配置使能信号)、PrCS(前端工作探头座高压开关阵列选择信号)、AslaveEn(从设备(本地总线客户端口)握手信号)等信号；
(2)、多路发射脉冲从发射波束主控单元输出之后，经过驱动输出电路、发射驱动电平转换和驱动芯片电路和发射高压脉冲输出电路，形成高压脉冲激励探头HP(换能器阵元高压激励信号和弱回波信号)，完成一次超声的发射；
(3)、超声回波信号由相同的一组阵元接收，组织反射的超声回波信号经过隔离二极管桥及其控制信号电路得到ECHO(回波信号经过二极管桥之后的弱超声回波信号)信号到达前置放大器、第一级TGC(时间增益控制信号)放大电路得到VOH(经过第一级放大之后的正差分回波)和VOL(经过第一级放大之后的负差分回波)、第二级TGC(时间增益控制信号)放大电路和抗混叠滤波器之后输出的差分回波信号RFP(经过抗混叠滤波之后的正差分回波)和RFN(经过抗混叠滤波之后的负差分回波)又送入A/D(模数转换器)转换器，由波束合成电路接收后进行后续的处理。
本发明由于采用变迹双极性发射电路，克服传统的B超前端系统采用单极性高压激励脉冲情况下发射波束的特性和频谱的极限性。通过接近高斯形状的能量分布变迹激励技术，有效改善了发射波束的特性和旁瓣抑制；既提高了发射能量的利用率，又在发射高压不变的情况下，有效的提升系统的探测穿透率；并可以得到明显的变频效果，提高图像的分辨率，使图像更加均匀细腻，提升系统的整体性能，且本发明所述的激励装置控制相对简单，电路实现方便，对电源本身和其输出的发射高压不需要特别的控制要求，易于实现，工作稳定性好，成本也较低。
以下结合附图详细描述本发明的实现。
附图说明
图1是本发明的基于FPGA的B超前端变迹双极性激励电路框图；
图2是本发明的基本的双极性激励脉冲图；
图3是本发明的变迹发射的一种波形图；
图4是本发明所述的逼近高斯形状的变迹发射波束能量分布图。
具体实施方式
如图1～图4所示，本发明所述的一种医用B超前端激励装置，包括：
一基于FPGA(现场可编程门阵列(英文：Field Programmable Gate Array))的用于实现发射波束的聚焦、发射驱动波形的产生、发射波束变迹的控制、多路高压开关电路和电平转换及高压驱动脉冲电路的控制的发射波束主控单元；其中，基于型号为XILINX公司的高性能SPARTAN 3E系列FPGA中的XC3S1200E-4FG320C，作为整个发射波束的主控单元，用于实现发射波束的聚焦、发射驱动波形的产生、发射波束变迹的控制、多路高压开关逻辑控制和电平转换及高压驱动脉冲电路用Supertex公司的MD1711FG芯片的控制；
一用于接收发射波束主控制单元输出的时钟信号和配置数据、对内部的寄存器进行配置、在LE(高压开关的逻辑配置使能信号)信号的控制下对最终的开关状态进行设置，用于实现换能器阵元阵列的多路选择和高压激励脉冲及超声回波信号的切换的多路高压开关电路；
一用于接收来自FPGA(现场可编程门阵列(英文：Field Programmable GateArray))控制单元的发射驱动波形和高压电平控制波形，实现激励脉冲的电平转换及高压驱动和变迹驱动脉冲的输出，用于控制高压激励产生电路的电平转换及高压驱动脉冲电路；
一可在前级电平转换及高压驱动脉冲电路输出的发射驱动波形和高压分配波形的控制下，实现变迹双极性激励高压脉冲的输出，用于换能器阵元的激励的高压激励产生电路；
一用于高压脉冲与后级接收放大电路的隔离的隔离二极管桥及其控制信号电路。
其中型号为Supertex的多路高压开关HV2701FG芯片，用于实现换能器阵元阵列的多路选择和高压激励脉冲及回波信号的切换；
型号为Supertex的MD1711FG芯片，接收来自FPGA控制单元的原始发射驱动波形，实现激励脉冲的电平转换及高压驱动和变迹驱动脉冲的输出；
型号为Superex的TC6320TG芯片，在发射驱动波形的控制下，实现激励高压脉冲的输出，用于换能器阵元的激励；
型号为Fairchild的两个BAV99组成二极管桥，用于高压脉冲与后级接收放大电路的隔离，其作用在于当其接通时，呈现低阻抗，允许弱回声信号通过二极管桥开关送至前置放大器，而同时限制大幅度的发射脉冲的通过，以避免损坏前置放大器或破坏前置放大器的正常工作。
本发明的结构组成框图如附图1所示，利用基于FPGA的收发控制模块和MD1711FG为核心的大规模可编程逻辑器件和专用的电平转换和信号驱动芯片及配套的各种外围电路，实现B超前端双极性的变迹发射激励硬件平台；收发控制FPGA模块根据系统控制模块送来的发射同步信号SYNC、复位信号SysRst和一系列的参数及控制信号Acdbus[0:7]、Apaddr[0:7]、AmasterEn、Aatck、Aack、Awen、SCS、SD和SCLK等，在发射同步信号SYNC为低电平期间，根据相关的参数，对发射前端的高压开关的状态和数字发射波束电路的延时状态、发射孔径和变迹参数等进行设置，当发射同步信号信号由低变高时，发射控制FPGA产生前端发射波束的控制信号、双极性发射驱动脉冲、发射加权控制脉冲、发射结束标识信号等，包括Hilo1、Hilo2、Enbcon、ProbeInt、Mode、PHD[0:31]、NHD[0:31]、ApoPHD[0:31]、ApoNHD[0:31]、Tend、Din[0:3]、StrobeClk、LE、PrCS[0:2]、AslaveEn等。多路的发射脉冲从FPGA输出之后，经过驱动芯片电路、发射驱动电平转换和驱动芯片电路和发射高压脉冲输出电路，形成高压脉冲激励探头HP[0:31]，完成一次超声的发射。接着回波信号由相同的一组阵元接收，组织反射的超声回声信号经过隔离二极管桥得到ECHO[0:31]信号到达前置放大器、第一级TGC放大电路得到VOH[0:31]和VOL[0:31]、第二级TGC放大电路和抗混叠滤波器之后输出的差分回波信号RFP[0:31]和RFN[0:31]又送入D/A转换器，由波束合成电路接收后进行后续的处理。
发射激励高压和发射加权产生电路采用2通道的MD1711FG和外围的高压场效应管TC6320TG组成，共同完成输出加权的双极性高压激励脉冲激励探头的一组阵元，产生超声波。本发明的前端发射电路硬件平台中，FPGA是控制的核心部分，MD1711FG和TC6320TG是高压脉冲产生的核心部分。
本发明的一大特点是在变迹方法的采用上。假如采用高压运放来实现变迹发射并直接采用改变发射高压脉冲的幅度来实现，那么各通道高压脉冲的输出可设定的台阶数可以达到通道数的一半，变迹的效果可能较为明显的，但是这样电路的成本将很高，电路实现规模也将很大，电路的稳定性也存在问题；本实施例采用简单的电源输出，通过对发射驱动逻辑和发射电路的控制，来实现逼近高斯分布形状的激励，虽然高压脉冲的台阶数有限，变迹的效果可能没有前者好，但是节省系统的成本，实现方便，实现后的系统稳定可靠，对发射电路的散热没有特别的要求。本实施例的发射变迹的实现具体实现时是由FPGA输出控制波形来实现双极性高压激励脉冲幅度的变化，改变发射波束在各个通道中的能量分配，实现类似高斯波的发射波束，经过实际在产品中的应用，取得了明显的效果。
系统只需要提供的4组高压输出，分别为最高±56V(即±HV)和±28V(即±HV/2)。
如图1～图5所示，本发明所述的一种医用B超前端的激励方法，包括以下步骤：
(1)、基于FPGA(现场可编程门阵列(英文：Field Programmable GateArray))的发射波束主控单元根据系统控制模块送来的发射同步信号SYNC(超声扫描同步信号)、复位信号SysRst(系统总复位信号)和一系列的参数及控制信号Acdbus(前端数据总线)、Apaddr(8位并行总线端口地址)、AmasterEn(主设备(本地总线控制器)握手信号)、Atck(并行总线时钟信号)、Aack(并行本地总线控制器对各用户端口中断的应答信号)、Awen(并行总线读写方向控制信号)、SCS(串行总线片选信号)、SD(串行总线数据信号)和SCLK(串行总线时钟信号)，在发射同步信号SYNC(超声扫描同步信号)为低电平期间，根据相关的参数，对发射前端的高压开关电路的状态和数字发射波束电路的延时状态、发射孔径和变迹参数等进行设置，当发射同步信号信号由低变高时，发射控制FPGA(现场可编程门阵列(英文：FieldProgrammable Gate Array))产生前端发射波束的控制信号、双极性发射驱动脉冲、发射加权控制脉冲、发射结束标识信号，其包括Hilo1(第一级PGA的增益控制信号)、Hilo2(第二级PGA的增益控制信号)、Enbcon(模拟回波信号放大器的开启信号)、ProbeInt(前端探头状态改变中断申请信号)、Mode(放大器增益控制电压斜率信号)、PHD(发射激励正极性驱动信号)、NHD(发射激励负极性驱动信号)、ApoPHD(发射激励正极性变迹驱动信号)、ApoNHD(发射激励负极性变迹驱动信号)、Tend(发射结束标识信号)、Din(高压开关配置数据)、StrobeClk(高压开关串行数据所存信号)、LE(高压开关的逻辑配置使能信号)、PrCS(前端工作探头座高压开关阵列选择信号)、AslaveEn(从设备(本地总线客户端口)握手信号)等信号；
(2)、多路发射脉冲从发射波束主控单元输出之后，经过驱动输出电路、发射驱动电平转换和驱动芯片电路和发射高压脉冲输出电路，形成高压脉冲激励探头HP(换能器阵元高压激励信号和弱回波信号)，完成一次超声的发射；
(3)、超声回波信号由相同的一组阵元接收，组织反射的超声回波信号经过隔离二极管桥及其控制信号电路得到ECHO(回波信号经过二极管桥之后的弱超声回波信号)信号到达前置放大器、第一级TGC(时间增益控制信号)放大电路得到VOH(经过第一级放大之后的正差分回波)和VOL(经过第一级放大之后的负差分回波)、第二级TGC(时间增益控制信号)放大电路和抗混叠滤波器之后输出的差分回波信号RFP(经过抗混叠滤波之后的正差分回波)和RFN(经过抗混叠滤波之后的负差分回波)又送入A/D(模数转换器)转换器，由波束合成电路接收后进行后续的处理。
本发明基于型号为XILINX公司的高性能SPARTAN 3E系列FPGA中的XC3S1200E-4FG320C，作为整个发射波束的主控单元，用于实现发射波束的聚焦、发射驱动波形的产生、发射波束变迹的控制、多路高压开关逻辑控制和电平转换及高压驱动脉冲电路用Supertex的MD1711FG芯片的控制该发射电路的控制相对简单，电路实现方便，对电源本身和其输出的发射高压不需要特别的控制要求，易于实现，成本也较低。同时，本发明采用的双极性高压激励脉冲中，由于激励超声换能器的不同高压脉冲波，更大程度上决定了超声图像的整体质量。采用双极性激励发射，可以有效地控制发射的频率，使变频效果明显的显现出来，能够提高回波信号的信噪比和整体质量。
单极性高压激励发射波形是周期方波(可以是一周期或多周期)，其频谱特性与探头特性难于匹配，发射效率不高，穿透力能力较弱，图像细节部分难于分辨；在单极性高压激励发射的情况下，发射能量有很大一部分是直流，而直流能量将在探头内转化为热能；采用双极性激励(可以是一周期或多周期)发射时，发射能量基本上不存在直流成份，探头回波信号的峰峰值明显的比单极性的回波信号强，双极性发射方式的能量利用率最高，因此，不同发射激励对图像的整体质量有很大的影响，采用双极性激励可以得到明显的变频效果。
本发明采用的电平控制变迹发射技术中，由于超声的每次发射波束是一组物理位置相邻的探头阵元阵列参加发射，在没有发射变迹的传统超声前端中，这些阵元阵列受到的发射激励波形是完全相同的，即是说每个阵元受到的激励能量相同，由于发射聚焦的存在，受到激励的阵列中的不同阵元有先后而已，这样的发射结果是发射声场在焦点附近会有较好的聚焦，聚焦区域的横向分辨率较好，但是聚焦区域之外波束的发散就很严重，横向分辨率变差，旁瓣严重，图像的整体质量较差，伪像较为严重。主瓣和旁瓣之间及相邻旁瓣之间不存在声压的零点，甚至最小声压与旁瓣峰之间只差几个分贝。这是因为在脉冲工作状态下，各阵元发射信号在空间的干涉时间很短，导致空间声压分布起伏大大减小。变迹用幅度函数越陡，中心阵元与边缘阵元的发射强度差越大，焦点处的主瓣就展得越宽，旁瓣抑制越好；非焦点处的主瓣较窄，旁瓣抑制也好。采用变迹双极性发射技术，根据一定的加权形状，对参与发射的一组阵元施以不同能量的激励，使中心阵元受到的激励能量最大，由中心阵元往两侧的阵元按照逼近高斯分布形状，激励能量递减，使发射频带接近高斯形状分布，这样发射焦点处虽然聚焦效果会略微下降，但是图像的整体聚焦效果更好，图像的整体均匀度较好，有效抑制非焦点区域的旁瓣，使整体图像更加完美和细腻。本前端发射装置采用的变迹双极性发射电路，其控制相对简单，电路实现较为方便，对电源输出的发射高压不需要特别的控制要求，只需输出4路高压，易于实现，系统稳定，成本也较低。采用电压变迹双极性的发射激励波形，使发射频率带宽与探头本身的特性达到最佳匹配。同时，采用电压变迹双极性的发射激励波形，能量利用率最高，可以在不增加发射功率的前提下提高穿透力，在同等探测深度的情况下，加大每次发射的频率，提高图像的分辨率，使图像更加均匀细腻。
Claims (2)
1、一种医用B超前端激励装置，其特征在于包括：
一基于FPGA(现场可编程门阵列)的用于实现发射波束的聚焦、发射驱动波形的产生、发射波束变迹的控制、多路高压开关电路和电平转换及高压驱动脉冲电路的控制的发射波束主控单元；
一用于接收发射波束主控制单元输出的时钟信号和配置数据、对内部的寄存器进行配置、在LE(高压开关的逻辑配置使能信号)信号的控制下对最终的开关状态进行设置，用于实现换能器阵元阵列的多路选择和高压激励脉冲及超声回波信号的切换的多路高压开关电路；
一用于接收来自FPGA(现场可编程门阵列)控制单元的发射驱动波形和高压电平控制波形，实现激励脉冲的电平转换及高压驱动和变迹驱动脉冲的输出，用于控制高压激励产生电路的电平转换及高压驱动脉冲电路；
一可在前级电平转换及高压驱动脉冲电路输出的发射驱动波形和高压分配波形的控制下，实现变迹双极性激励高压脉冲的输出，用于换能器阵元的激励的高压激励产生电路；
一用于高压脉冲与后级接收放大电路的隔离的隔离二极管桥及其控制信号电路。
2、一种医用B超前端的激励方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、基于FPGA(现场可编程门阵列)的发射波束主控单元根据系统控制模块送来的发射同步信号SYNC(超声扫描同步信号)、复位信号SysRst(系统总复位信号)和一系列的参数及控制信号Acdbus(前端数据总线)、Apaddr(8位并行总线端口地址)、AmasterEn(主设备(本地总线控制器)握手信号)、Atck(并行总线时钟信号)、Aack(并行本地总线控制器对各用户端口中断的应答信号)、Awen(并行总线读写方向控制信号)、SCS(串行总线片选信号)、SD(串行总线数据信号)和SCLK(串行总线时钟信号)，在发射同步信号SYNC(超声扫描同步信号)为低电平期间，根据相关的参数，对发射前端的高压开关电路的状态和数字发射波束电路的延时状态、发射孔径和变迹参数等进行设置，当发射同步信号信号由低变高时，发射控制FPGA(现场可编程门阵列)产生前端发射波束的控制信号、双极性发射驱动脉冲、发射加权控制脉冲、发射结束标识信号，其包括Hilo1(第一级PGA的增益控制信号)、Hilo2(第二级PGA的增益控制信号)、Enbcon(模拟回波信号放大器的开启信号)、ProbeInt(前端探头状态改变中断申请信号)、Mode(放大器增益控制电压斜率信号)、PHD(发射激励正极性驱动信号)、NHD(发射激励负极性驱动信号)、ApoPHD(发射激励正极性变迹驱动信号)、ApoNHD(发射激励负极性变迹驱动信号)、Tend(发射结束标识信号)、Din(高压开关配置数据)、StrobeClk(高压开关串行数据所存信号)、LE(高压开关的逻辑配置使能信号)、PrCS(前端工作探头座高压开关阵列选择信号)、AslaveEn(从设备(本地总线客户端口)握手信号)等信号；
(2)、多路发射脉冲从发射波束主控单元输出之后，经过驱动输出电路、发射驱动电平转换和驱动芯片电路和发射高压脉冲输出电路，形成高压脉冲激励探头HP(换能器阵元高压激励信号和弱回波信号)，完成一次超声的发射；
(3)、超声回波信号由相同的一组阵元接收，组织反射的超声回波信号经过隔离二极管桥及其控制信号电路得到ECHO(回波信号经过二极管桥之后的弱超声回波信号)信号到达前置放大器、第一级TGC(时间增益控制信号)放大电路得到VOH(经过第一级放大之后的正差分回波)和VOL(经过第一级放大之后的负差分回波)、第二级TGC(时间增益控制信号)放大电路和抗混叠滤波器之后输出的差分回波信号RFP(经过抗混叠滤波之后的正差分回波)和RFN(经过抗混叠滤波之后的负差分回波)又送入A/D(模数转换器)转换器，由波束合成电路接收后进行后续的处理。
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