CN103698756A

CN103698756A - 一种便携式超声系统的前端装置

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Publication number: CN103698756A
Application number: CN201310656528.XA
Authority: CN
Inventors: 李慧慧; 文夏清; 周永进; 王磊
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2014-04-02

Abstract

本发明公开一种便携式超声系统的前端装置，包括集成模拟前端、FPGA控制器、发射驱动电路、阵元选通电路、换能器；发射驱动电路，用于接收FPGA控制器的时序控制信号，并将发送信号经阵元选通电路传至换能器；其中，发射驱动电路包括发射波形产生电路及发射驱动模块；发射波形产生电路接收FPGA控制器的时序控制信号并传送至发射驱动模块。本发明采用发射驱动模块，避免了电容的充放电回路经过场效应管，对场效应管起到一定的保护作用；利用集成模拟前端实现TGC部分的电路，大大地减小了系统的体积，易于便携式设备的制作，且具有省电模式，功耗低。

Description

一种便携式超声系统的前端装置

技术领域

本发明涉及超声成像技术领域，具体涉及一种便携式超声系统的前端装置。

背景技术

现有的超声成像系统的前端装置，包括两部分：用于发射高压脉冲激发换能器产生超声波的发射部分和用于接收超声回波信号的接收部分。如图1所示，Q为开关管，一般选用MOS管，通过控制信号对Q的通断进行控制。Q导通时，在B点会产生负的高压脉冲，此脉冲加载到换能器两端便能激发探头形成超声波。上述电路中电容C充电后放电，放电回路直接通过Q，对开关器件的工作效率、使用寿命等产生较大的影响。

超声接收通道由接收隔离与前置放大器、时间增益控制（TGC）放大器、波束形成器组成。传统的超声成像系统中，前端系统的放大器、抗混叠滤波器和模数（A/D）转换分别用电路实现，导致了系统的元件复杂、占用体积大、功耗高等问题，不利于装置的便携性，且使用单独的A/D转换电路会增加系统控制的复杂性，消耗的系统资源增加。

专利号CN201110301717.6中，提出一种便携式超声成像系统的接收前端装置，该装置改进了回波接收的隔离电路和FPGA对系统的控制方案。该方案中未设计发射电路和超声回波的滤波部分，以提高回波信号的信噪比。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有的超声成像系统的前端装置存在的上述问题，提供一种便携式超声系统的前端装置。

本发明的技术方案包括一种便携式超声系统的前端装置，包括集成模拟前端、FPGA控制器、发射驱动电路、阵元选通电路、换能器；

所述FPGA控制器，用于所述发射驱动电路和集成模拟前端控制；所述集成模拟前端，用于接收所述阵元选通电路传送的超声回波信号并进行前置放大、可变增益放大、滤波和模数转换；所述发射驱动电路，用于接收所述FPGA控制器的时序控制信号，并将发送信号经所述阵元选通电路传至所述换能器；

其中，所述发射驱动电路包括发射波形产生电路及发射驱动模块；所述发射波形产生电路接收所述FPGA控制器的时序控制信号并传送至所述发射驱动模块，所述发射驱动模块将所述发送信号传送至所述阵元选通电路；

所述发射驱动模块包括串联的第一场效应管和第二场效应管、串联的第一电容和稳压电路；所述第一场效应管和第二场效应管经并联的第一电阻和第一稳压管电连接，所述第一场效应管的漏极与所述第一电容和稳压电路的连接点电连接，所述第一场效应管的源极与电源连接，所述所述第二场效应管的源极与地连接；所述第一电容与所述发射波形产生电路电连接，所述稳压电路与所述阵元选通电路电连接。

优选地，所述第一场效应管为P型管，第二场效应管为N型管。

优选地，所述集成模拟前端包括依次连接的放大器、抗混叠滤波器、模数转换器，所述放大器与所述阵元选通电路电连接，所述模数转换器输出所述超声回波信号。

优选地，所述放大器包括低噪声前置放大器、可变增益放大器，依次对所述超声回波信号进行前置放大和可变增益放大。

优选地，所述集成模拟前端和阵元选通电路之间还设置有收发隔离电路，所述收发隔离电路，用于隔离所述阵元选通电路的高压脉冲进入所述集成模拟前端。

优选地，所述集成模拟前端和收发隔离电路之间还设置有滤波器，所述滤波器为四阶的无源低通滤波器。

优选地，所述阵元选通电路具有8通道的高压模拟开关，采用HV20220芯片。

优选地，还包括调谐匹配电路，所述调谐匹配电路由第三电阻和第三电感并联组成。

本发明的有益效果包括：采用发射驱动模块，避免了电容的充放电回路经过场效应管，对场效应管起到一定的保护作用；利用集成模拟前端实现TGC部分的电路，大大地减小了系统的体积，易于便携式设备的制作，且具有省电模式，功耗低。

附图说明

图1是现有技术中的发射电路。

图2是本发明实施例的前端装置结构框图。

图3是本发明实施例的发射驱动电路的电路图。

图4是本发明实施例的发射驱动电路的仿真图。

图5是本发明实施例的调谐匹配电路的电路图。

图6是本发明实施例的滤波器的电路图图。

图7是本发明实施例的滤波器的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图2所示，本发明提供一种便携式超声系统的前端装置，包括集成模拟前端、FPGA控制器、发射驱动电路、阵元选通电路、换能器。

FPGA控制器，用于发射驱动电路和集成模拟前端控制；集成模拟前端，用于接收阵元选通电路传送的超声回波信号并进行前置放大、可变增益放大、滤波和模数转换；发射驱动电路，用于接收FPGA控制器的时序控制信号，并将发送信号经阵元选通电路传至换能器。

其中，FPGA控制器用于产生正确的控制时序信号对发射驱动电路和集成模拟前端进行控制，除此之外，FPGA控制器还对数字回波信号进行处理，如解调和滤波。

发射驱动电路包括发射波形产生电路及与发射波形产生电路电连接的发射驱动模块；发射波形产生电路接收FPGA控制器的时序控制信号并传送至发射驱动模块，发射驱动模块将发送信号传送至阵元选通电路。

发射驱动模块包括串联的第一场效应管和第二场效应管、串联的第一电容和稳压电路；第一场效应管和第二场效应管经并联的第一电阻和第一稳压管电连接，第一场效应管的漏极与第一电容和稳压电路的连接点电连接，第一场效应管的源极与电源连接，第二场效应管的源极与地连接；第一电容与发射波形产生电路电连接，稳压电路与阵元选通电路电连接。

其中，第一场效应管为P型管，第二场效应管为N型管。

本发明实施例采用发射驱动模块，避免了电容的充放电回路经过场效应管，对场效应管起到一定的保护作用；利用集成模拟前端实现TGC部分的电路，大大地减小了系统的体积，易于便携式设备的制作，且具有省电模式，功耗低。

如图3所示，本发明一实施例中，第一场效应管Q1、第二场效应管Q2分别采用IRFR9210和IRFR210，其耐高压、开关速度快；发射波形产生电路采用场效应管驱动芯片ISL55110，其具高电平输出范围和低导通电阻。场效应管驱动芯片ISL55110发出的脉冲控制第一场效应管Q1、第二场效应管Q2的通断。

发射驱动电路的工作原理：当场效应管驱动芯片输出脉冲的低电平到来时，第二场效应管Q2截止，第一电容C1充电，第一场效应管Q1导通，输出约为高压的电压值+HV，当脉冲的高电平到来时，第二场效应管Q2导通，第一电容C1放电，第一场效应管Q1截止，输出为低电平0。第一场效应管Q1和第二场效应管Q2交替工作，实现高压脉冲的输出。

如图4所示，发射驱动电路的仿真结果，其中脉冲重复频率是1KHz，由图可看出，电路能达到稳定的高压脉冲输出。

本发明实施例的前端装置采用脉冲回波法来进行超声检测。超声波由换能器产生开始传播，超声波进入人体组织中传播，在不同组织的分界面会发生波的反射，通过采集超声回波来检测组织结构。超声波在人体组织中传播的速度几乎是不变的，假定超声波在人体组织中的传播速度是恒定的，为1540m/s。采用脉冲回波法进行超声测量，超声波传播的距离应是实际检测深度的2倍，因此，计算出超声波在人体组织中传播1cm时间是13us。因此，计算实际应用所需的检测深度，才能选择好发射电路中脉冲发射信号的脉冲重复频率，不影响接收信号。

本发明一实施例中，集成模拟前端包括依次连接的8通道的放大器、抗混叠滤波器（AAF）、模数转换器（ADC）；放大器与阵元选通电路电连接，模数转换器输出超声回波信号。其中，集成模拟前端可采用AD9276芯片。进一步还包括具有可编程相位旋转的I/Q解调。集成的ADC转换器降低系统控制的复杂性，以及节省资源。

放大器包括低噪声前置放大器（LNA）、可变增益放大器（VGA），依次对超声回波信号进行前置放大和可变增益放大，本发明实施例的集成模拟前端具有省电模式，功耗低。

阵元选通电路具有8通道的高压模拟开关，开关的通断由芯片的输入信号控制，本发明一实施例采用HV20220芯片。

为保证换能器发射的超声波以最大幅度输出，需要在探头前加调谐匹配电路，调谐匹配电路由第三电阻和第三电感并联组成。如图5所示，左侧为换能器等效电路，右侧为调谐匹配电路，当等效电阻R₁=0，此时压电陶瓷振子的机械损耗等于零，当振子发生串联谐振时，超声波的发射幅值最大，由此可以得到振子的最小阻抗频率为

f = \frac{1}{2 π \sqrt{L_{1} C_{1}}}

频率即超声探头的中心频率，利用换能器自身的电容C₀和附加电感L，由下式计算L，

L = \frac{1}{{(2 π f_{0})}^{2} C_{0}}

其中，f₀为中心频率；L取得后，通过改变调谐匹配电路中R的值进一步改变超声波的幅值。

换能器接收到高压脉冲会发出超声波，超声波的幅值比较小，在不同的组织中传播会发生反射，反射的回波通过换能器接收进入集成模拟前端中进行放大等处理，为阻止高压脉冲同超声回波信号一并进入集成模拟前端，如图2所示，在集成模拟前端和阵元选通电路之间还设置有收发隔离电路，上述收发隔离电路，用于隔离阵元选通电路的高压脉冲进入集成模拟前端。本发明实施例中，收发隔离电路由高压隔离开关芯片MD0100实现，可以很好的起到保护集成模拟前端。

本发明一实施例，为滤除回波信号中的高频噪声，集成模拟前端和收发隔离电路之间还设置有滤波器，其中，该滤波器为四阶的无源低通滤波器。如图6所示，滤波器由共端点的电阻R11（10K），电容C11（390pF）、C12（390pF）、C13（1uF），电感L11（900nH）组成；其中，电阻R11、电容C11、电感L11共端点，电阻R11、电容C11的另一端与电容C12共端点，电容C12、C13与电感L11共端点。上述设置滤除了回波信号的高频噪声，提高了信号的信噪比。

超声回波信号是一种调制波，载波是换能器产生的超声波；一般地，载波频率等于换能器的中心频率，本发明实施例换能器采用中心频率为10MHz的单阵元探头，因此，滤波器的截止频率高于10MHz。同时，考虑滤波器的回波损耗，如图7所示，滤波器仿真的插入损耗和回波损耗，滤波器的截止频率约为13MHz，当频率为10MHz时，插入损耗仅为-0.178dB，回波损耗为-14.77dB，此时最为适合。

本发明实施例中，系统电源由外置电源提供，共三路电源输入，+12V和±80V。其中，±80V用于发射驱动电路供电，+12V用于FPGA控制器供电以及模拟电路供电，为了达到电源的稳定性，将数字电源和模拟电源分开，具体分配如表1所示。

表1系统电压分配

本发明实施例的前端装置上电后，通过FPGA控制器控制发射驱动电路产生高压脉冲激发换能器，超声回波信号进入集成模拟前端，超声回波信号经过放大和AD转换后进入FPGA控制器，经过处理，用示波器观察输出。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种便携式超声系统的前端装置，其特征在于，包括集成模拟前端、FPGA控制器、发射驱动电路、阵元选通电路、换能器；

所述FPGA控制器，用于所述发射驱动电路和集成模拟前端控制；

所述集成模拟前端，用于接收所述阵元选通电路传送的超声回波信号并进行前置放大、可变增益放大、滤波和模数转换；

所述发射驱动电路，用于接收所述FPGA控制器的时序控制信号，并将发送信号经所述阵元选通电路传至所述换能器；

2.如权利要求1所述的前端装置，其特征在于，所述第一场效应管为P型管，第二场效应管为N型管。

3.如权利要求1所述的前端装置，其特征在于，所述集成模拟前端包括依次连接的放大器、抗混叠滤波器、模数转换器，所述放大器与所述阵元选通电路电连接，所述模数转换器输出所述超声回波信号。

4.如权利要求3所述的前端装置，其特征在于，所述放大器包括低噪声前置放大器、可变增益放大器，依次对所述超声回波信号进行前置放大和可变增益放大。

5.如权利要求1所述的前端装置，其特征在于，所述集成模拟前端和阵元选通电路之间还设置有收发隔离电路，所述收发隔离电路，用于隔离所述阵元选通电路的高压脉冲进入所述集成模拟前端。

6.如权利要求5所述的前端装置，其特征在于，所述集成模拟前端和收发隔离电路之间还设置有滤波器，所述滤波器为四阶的无源低通滤波器。

7.如权利要求1所述的前端装置，其特征在于，所述阵元选通电路具有8通道的高压模拟开关，采用HV20220芯片。

8.如权利要求1所述的前端装置，其特征在于，还包括调谐匹配电路，所述调谐匹配电路由第三电阻和第三电感并联组成。