CN106324584A - 一种超声内窥镜发射和接收前端装置 - Google Patents

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汪毅
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Abstract

本发明公开了一种超声内窥镜发射和接收前端装置，包括核心控制器、延时模块、多路脉冲发射电路模块、阵元选通电路模块、超声换能器、多路限幅模块和接收前端电路模块；核心控制器用于控制所述延时模块、阵元选通电路模块和接收前端电路模块；在核心控制器控制下，通过所述多路脉冲发射电路模块发射的激励高压脉冲，激励对应连接的超声换能器的阵元，超声换能器的阵元全部接收回波信号，并传送到所述多路限幅模块；多路限幅模块设有输出端，用于抑制激励高压脉冲对信号接收前端电路模块的影响；接收前端电路模块含有集成模拟前端芯片，用于接收所述核心控制器的控制信号，并接收超声回波信号，通过集成模拟前端芯片后，输出到所述核心控制器中。

Description

一种超声内窥镜发射和接收前端装置
技术领域
本发明涉及超声波发射领域，具体的说，是涉及一种超声内窥镜发射和接收前端装置。
背景技术
现有超声阵元的扫描方式有线性步控阵(线阵)和线性相控阵(相控阵)两种。线阵扫描中不是所有阵元都能被同时用到，每次只有部分被激励，激励信号没有延时；相控阵扫描中，所有阵元都被激励使用，激励的控制信号有相应的延时。传统超声系统中，电路具有单一功能，无法充分利用电路功能。
专利号CN201310656528中，提出一种便携式超声成像系统的接收前端装置，该装置改进了设计超声发射电路和超声回波滤波部分方案。但是，该方案未设计延时电路和阵元选通电路。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种超声内窥镜发射和接收前端装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种超声内窥镜发射和接收前端装置，包括核心控制器、延时模块、多路脉冲发射电路模块、阵元选通电路模块、超声换能器、多路限幅模块和接收前端电路模块；
所述核心控制器，用于控制所述延时模块、阵元选通电路模块和接收前端电路模块；
所述延时模块，用于接收所述核心控制器的控制信号，并输出经过延时之后的控制信号；
所述多路脉冲发射电路模块，用于接收所述延时模块的信号，并输出激励高压脉冲；
所述阵元选通电路模块，由选通芯片组成，所述选通芯片与超声换能器相连；在所述核心控制器控制下，通过所述多路脉冲发射电路模块发射的激励高压脉冲，激励对应连接的超声换能器的阵元，超声换能器的阵元全部接收回波信号，并传送到所述多路限幅模块；
所述多路限幅模块设有输出端，用于抑制激励高压脉冲对信号接收前端电路模块的影响；
所述接收前端电路模块含有集成模拟前端芯片，用于接收所述核心控制器的控制信号，并接收由所述多路限幅模块限幅输出的超声回波信号，通过集成模拟前端芯片后，输出到所述核心控制器中。
所述核心控制器件为FPGA。
所述延时模块采用数字延时芯片。
所述阵元选通电路模块由4个选通芯片组成。
所述选通芯片为可编程选通配置的16通道模拟开关芯片。
所述接收前端电路模块设有8个集成模拟前端芯片。
所述集成模拟前端芯片采用AD9297芯片，AD9297芯片内集成有8路模拟处理电路，每个路径均包含一个低噪声放大器，一个可变增益放大器，一个抗混叠滤波器和一个AD转换器，
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.利用核心控制器FPGA的“粗延时”和延时芯片的“精细延时”实现了任意阵元组合的相控阵扫描方式，使得各个阵元延时相等亦可以实现部分阵元相控阵模式，实现电路功能复用。
2.本发明装置内设有阵元选通电路模块，利用较少的发送激励控制较多的阵元。
附图说明
图1(a)是本发明装置的框架结构示意图；图1(b)是本发明装置具体实施例的框架结构示意图。
图2是本发明装置具体实施例的选通电路原理图。
图3是本发明装置具体实施例的限幅电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
如图1(a)所示，本发明提供一种超声内窥镜发射和接收前端装置，包括核心控制器、延时模块、多路脉冲发射电路模块、阵元选通电路模块、超声换能器、多路限幅模块和接收前端电路模块；
如图1(b)所示，核心控制器主要为FPGA，其主要作用：作为整体前端装置的控制信号，包括通过延时模块向多路脉冲发射电路模块中发送控制信号，控制阵元选通电路模块选择的通路，控制接收前端电路模块接收超声回波信号；对芯片进行配置，主要对延时芯片进行配置选择芯片延时时间以及接收前端电路模块的集成模拟前端芯片进行数据配置。
延时模块，接收16路核心控制器的控制信号，输出16路延时之后控制信号；
多路脉冲发射电路模块，接收所述延时模块信号，输出16路激励高压脉冲；
阵元选通电路模块，由4个选通芯片组成，包含64路通道连接到64阵元的超声换能器上；在核心控制器控制下，选择64通路中的小于等于任意16路通过多路脉冲发射电路模块发射的激励高压脉冲，激励对应的连接的超声换能器阵元，然后超声换能器的64路阵元全部接收回波信号，并传送到多路限幅模块；
多路限幅模块包含的64路输出端，用于抑制高压激励对信号接收前端电路模块的影响；
接收前端电路模块包含8个集成模拟前端芯片，用于接收核心控制器的控制信号，并接收64路由多路限幅模块限幅输出的超声回波信号，通过集成模拟前端芯片后，输出到核心控制器中。
本实例延时模块采用的是Dallas Semiconductor公司的DS1023-50系列的精细延时芯片，通过配置芯片在可编程模式下输入的8位数值，能实现0-255档可编程延时。芯片的延时步长0.5ns，延时范围为0-127.5ns；超声相控阵系统通过调整换能器各个阵元之间的发射/接收相位延时，以达到波束控制的目的。
本实例采用多路脉冲发射电路模块，激励脉冲发射电路分为场效应管驱动电路、脉冲激发主电路和协调匹配电路三部分。以FPGA(现场可编程门阵列)为控制核心，在FPGA给出的3.3V正向单脉冲作用下，场效应管驱动电路将该触发脉冲放大，为脉冲激发主电路工作提供足够大的电流，并将具有开关作用的场效应管快速导通。通过电容快速放电产生尖锐的高压脉冲。而协调匹配电路则是通过无源元件电路，对换能器进行匹配，确保其工作在最佳状态。
本实例采用阵元选通电路模块原理图如图2所示，阵元选通电路以FPGA为核心，使用美信公司的max4968作为阵元选通芯片，这是一款16通道模拟开关芯片，有针对性的主要应用于医学超声领域。FPGA通过对max4968进行可编程的选通配置，来实现预期的选通功能。
本实例采用多路限幅模块，每一路超声回波的接收过程中首先要经过限幅电路，限幅电路的原理图如图3所示，用于抑制高压激励对信号接收前端电路模块的影响，将电压钳位在较小的范围内；对于较小的回波信号则要求能够几乎无衰减的通过，使其对信号接收处理系统基本不产生影响。
本实例采用接收前端电路模块，利用的集成模拟前端芯片是ADI公司的AD9272，芯片的集成芯片内集成了8路模拟处理电路，每个回波接收路径依次包含一个低噪声放大器，一个可变增益放大器，一个抗混叠滤波器，和一个12位、采样频率最高为80MHz的AD转换器，芯片通过SPI串行接口，对内部寄存器进行配置，改变芯片内不同模块的参数。由于本实例中需要接收64路超声回波信号，故需要8个AD9272芯片。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超声内窥镜发射和接收前端装置，其特征在于，包括核心控制器、延时模块、多路脉冲发射电路模块、阵元选通电路模块、超声换能器、多路限幅模块和接收前端电路模块；
所述核心控制器，用于控制所述延时模块、阵元选通电路模块和接收前端电路模块；
所述延时模块，用于接收所述核心控制器的控制信号，并输出经过延时之后的控制信号；
所述多路脉冲发射电路模块，用于接收所述延时模块的信号，并输出激励高压脉冲；
所述阵元选通电路模块，由选通芯片组成，所述选通芯片与超声换能器相连；在所述核心控制器控制下，通过所述多路脉冲发射电路模块发射的激励高压脉冲，激励对应连接的超声换能器的阵元，超声换能器的阵元全部接收回波信号，并传送到所述多路限幅模块；
所述多路限幅模块设有输出端，用于抑制激励高压脉冲对信号接收前端电路模块的影响；
所述接收前端电路模块含有集成模拟前端芯片，用于接收所述核心控制器的控制信号，并接收由所述多路限幅模块限幅输出的超声回波信号，通过集成模拟前端芯片后，输出到所述核心控制器中。
2.根据权利要求1所述一种超声内窥镜发射和接收前端装置，其特征在于，所述核心控制器件为FPGA。
3.根据权利要求1所述一种超声内窥镜发射和接收前端装置，其特征在于，所述延时模块采用数字延时芯片。
4.根据权利要求1所述一种超声内窥镜发射和接收前端装置，其特征在于，所述阵元选通电路模块由4个选通芯片组成。
5.根据权利要求1或4所述一种超声内窥镜发射和接收前端装置，其特征在于，所述选通芯片为可编程选通配置的16通道模拟开关芯片。
6.根据权利要求1所述一种超声内窥镜发射和接收前端装置，其特征在于，所述接收前端电路模块设有8个集成模拟前端芯片。
7.根据权利要求1或6所述一种超声内窥镜发射和接收前端装置，其特征在于，所述集成模拟前端芯片采用AD9297芯片，AD9297芯片内集成有8路模拟处理电路，每个路径均包含一个低噪声放大器，一个可变增益放大器，一个抗混叠滤波器和一个AD转换器。
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