專(zhuān)利名稱(chēng)：高頻環(huán)陣數(shù)字化超聲系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于超聲波檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域、檢測(cè)儀器，特別涉及一種高頻環(huán)陣數(shù)字化超聲系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在目甜常用的B型超聲診斷儀中，主要采用單晶片換能器和線(xiàn)陣換能器，側(cè)向分辨率比 軸向分辨率差幾倍，這將影響對(duì)小病變的檢測(cè)。單晶片換能器焦點(diǎn)確定，只在焦點(diǎn)區(qū)有較高 分辨率；線(xiàn)陣換能器采用電子聚焦，能獲得從近距離道遠(yuǎn)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(shí)用新型內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于克服線(xiàn)陣等掃描技術(shù)只能一維聚焦的 缺點(diǎn)，提高各向分辨率，有效提高信噪比，最大限度的提高圖象質(zhì)量。
為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是， 一種高頻環(huán)陣數(shù)字化超聲系統(tǒng)，包 括依次相連的環(huán)陣換能器、接收系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、接收動(dòng)態(tài)聚焦與可變孔徑控制波束形 成模塊、數(shù)字回波合成模塊、超聲信號(hào)處理模塊、顯示單元，還包括處理器，處理器依次通 過(guò)時(shí)序控制系統(tǒng)、超聲發(fā)射驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與環(huán)陣換能器相連接，處理器還分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器、接 收動(dòng)態(tài)聚焦與可變孔徑控制波束形成模塊相連接。
環(huán)陣換能器是中心頻率10MHz的五環(huán)高頻環(huán)陣換能器，由一組同心圓的多陣元晶體組 成，每一個(gè)晶體均獨(dú)立連接到超聲發(fā)射/接收驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，換能器的環(huán)半徑從最外環(huán)到中心環(huán)分 別為3.60mm、 3.22mm、 2.97mm、 2.28mm、 1.61mm，五環(huán)換能器各環(huán)面積保持相等。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器為單芯片8通道超聲接收器，型號(hào)為AD9271。
超聲發(fā)射驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為FPGA芯片輸出的脈沖信號(hào)電壓經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換芯片形成兩路 輸出， 一路輸出經(jīng)電容連接到場(chǎng)效應(yīng)管柵極，另一路輸出連接到另一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，連 接電容的場(chǎng)效應(yīng)管漏極接電源，其源極接另一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極并作為發(fā)射輸出端，另一個(gè) 場(chǎng)效應(yīng)管的源極接地。
接收動(dòng)態(tài)聚焦與可變孔徑控制波束形成模塊、數(shù)字回波合成模塊、超聲信號(hào)處理模塊、 處理器集成設(shè)置在一片現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA中。 本實(shí)用新型具備以下技術(shù)效果
本實(shí)用新型提供的高頻環(huán)陣水浴旋轉(zhuǎn)式超聲探頭，及相應(yīng)的發(fā)射、接收電路，經(jīng)AD9271 數(shù)字化處理后進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)二維全程動(dòng)態(tài)聚焦，提高各向分辨率，采用數(shù)字化成 像技術(shù)可有效提高信噪比，最大限度的提高圖象質(zhì)量，提高早期乳腺腫塊的檢出率。

圖1是高頻環(huán)陣檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是環(huán)陣探頭截面圖。 圖3是發(fā)射電路原理圖。 圖4是激勵(lì)脈沖信號(hào)波形圖。 圖5是接收電路原理圖。
具體實(shí)施方式
高頻環(huán)陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。高頻超聲檢測(cè)系統(tǒng)由微處理器控制超聲 探頭發(fā)射/接收電路，通過(guò)環(huán)陣水浴探頭對(duì)乳腺進(jìn)行檢測(cè)，回波信號(hào)在通過(guò)接收電路后，經(jīng) AD9271進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字化后的信號(hào)再進(jìn)行一系列數(shù)字信號(hào)處理后形成視頻頻信號(hào)顯示， 數(shù)字化成像技術(shù)可有效提高信噪比，最大限度的提高圖象質(zhì)量。 一種高頻環(huán)陣數(shù)字化超聲系 統(tǒng)，包括，探頭、探頭的發(fā)射/接收電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)控制及處理電路。
探頭
環(huán)陣換能器由一組同心圓的多陣元晶體組成，每一個(gè)晶體通過(guò)脈沖信號(hào)激勵(lì)，通過(guò)電子 聚焦是波束在沿軸方向聚焦成為非常精確的點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整脈沖延時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)動(dòng)態(tài)聚焦， 同時(shí)采用可變孔徑的方法，隨著掃査深度的增加，有效孔徑逐漸增大，環(huán)陣的合成視野深度 得到增加，從而提高了整個(gè)成像深度的側(cè)向分辨率，實(shí)現(xiàn)二維全程動(dòng)態(tài)聚焦。
根據(jù)研究需要，探頭設(shè)計(jì)了中心頻率在10MHz的五環(huán)高頻環(huán)陣換能器，換能器的環(huán)半徑 從最外環(huán)到中心環(huán)分別為3. 60mra、 3. 22mm、 2. 97mm、 2. 28mm、 1. 61mm，五環(huán)換能器各環(huán)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(nèi)的衰減越快，我們選定 的組織檢測(cè)深度是0-50隱。超聲頻率10MHz、探測(cè)深度50mm、軸向分辨力150微米、側(cè)向分 辨力200微米，滿(mǎn)足超聲檢測(cè)需要，可有效提高早期疾病的檢出率，同吋數(shù)字化成像技術(shù)可 有效提高信噪比，最大限度的提高圖象質(zhì)量。
發(fā)射/接收電路
超聲發(fā)射驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)即超聲發(fā)射電路是脈沖回波法超聲診斷設(shè)備的關(guān)鍵部分，主要用來(lái)產(chǎn) 生高壓窄脈沖信號(hào)來(lái)激勵(lì)超聲波換能器發(fā)射超聲波。發(fā)射脈沖的幅度和寬度是兩個(gè)重要的指 標(biāo)。通常情況下，幅度大則超聲功率強(qiáng)，接收靈敏度高；脈寬窄，則分辨率高，盲區(qū)小。電 路低壓可調(diào)脈寬的激勵(lì)脈沖信號(hào)由FPGA芯片EP2C35672C6提供，由于FPGA芯片的I/O端口 電壓為3.3V，可以采用電壓轉(zhuǎn)換芯片對(duì)脈沖信號(hào)電壓進(jìn)行升壓輸出，使相應(yīng)的場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通， 從而激勵(lì)換能器的發(fā)射。發(fā)射電路的原理圖如圖3所示，F(xiàn)PGA芯片輸出的脈沖信號(hào)DINA輸 出到電壓轉(zhuǎn)換芯片的IN-A、 IN-B輸入端，電壓轉(zhuǎn)換芯片的PD、 GND端接地，VDD端接5v， VH 端接12V，輸出端OA經(jīng)電容C2接場(chǎng)效應(yīng)管Ql柵極，電阻Rl確定Ql工作電壓，Ql通過(guò)并接 的二極管D1、電阻R9接場(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極，Q2的柵極連接電壓轉(zhuǎn)換芯片0B端，Q2的源極 接地，Ql的源極經(jīng)過(guò)反向并接的二級(jí)管D9、 D10進(jìn)行脈沖輸出，脈沖輸出直流分量被電感L1 短接到地，脈沖輸出是通過(guò)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(tǒng)電路如圖5所示，包括二極管D60、 D61、 D62、 D63，電阻R212、 R213、 R230， 來(lái)自換能器的信號(hào)經(jīng)串接的二極管D60、 D61間的輸入端接入，最終通過(guò)電容C209接入模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9271， Q3s器件為MMBD4148se，是封裝的兩個(gè)不同方向的二極管，sot23封裝， 電阻R95、 R96、 R97、 R109，電容C171、 C172、 C175、 C176、 C215為AD9271外圍器件。
激勵(lì)脈沖信號(hào)有FPGA芯片EP2C35672C6產(chǎn)生，最后經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管放大后的探頭激勵(lì)脈沖信 號(hào)如圖4所示。
接收電路如圖5所示，回波信號(hào)經(jīng)過(guò)二極管隔離后直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。控制信號(hào)由FPGA 芯片EP2C35672C6產(chǎn)生。
接收動(dòng)態(tài)聚焦與可變孔徑控制波束形成模塊、數(shù)字回波合成模塊、超聲信號(hào)處理模塊、 處理器集成設(shè)置在前述FPGA芯片EP2C35672C6中。
A/D轉(zhuǎn)換電路
傳統(tǒng)全數(shù)字超聲儀器中放大器電路和A/D轉(zhuǎn)換電路分別集成在不同的芯片上，這種多芯 片分立組成回波信號(hào)通路的技術(shù)目前己經(jīng)很成熟，目前被眾多廠家所采用。但在多通道超聲 儀器中采用這種方案不可避免的造成回波通路芯片數(shù)量眾多，電路板占用面積大，功耗高， 導(dǎo)致儀器體積大，無(wú)法滿(mǎn)足目前超聲儀器向低功耗、便攜式方向發(fā)展的要求。在全數(shù)字超聲 儀器中，接收到的超聲回波模擬信號(hào)要經(jīng)過(guò)放大、A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)榛夭〝?shù)字信號(hào)以便于后期 的數(shù)字信號(hào)處理。為解決上述問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用美國(guó)模擬器件公司(ADI)新推出的單芯片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(zhuǎn)換器集成在1枚芯 片上的產(chǎn)品，相當(dāng)于2個(gè)4通道放大器AD8335和8通道A/D轉(zhuǎn)換器AD9222集成在了 1枚芯 片上。這種前所未有的高集成度芯片可使超聲系統(tǒng)的信號(hào)通道尺寸減少50%，功耗降低25%， 電路板占用面積減少近40%。同時(shí)，噪聲水平及其他性能均達(dá)到檢測(cè)所需要求。
效果
本實(shí)用新型最終獲得的是從AD9271中輸出的數(shù)字信號(hào)。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，利用探頭 對(duì)水杯杯底進(jìn)行了檢測(cè)，并將所得數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并經(jīng)示波器顯示所得結(jié) 果與預(yù)想相同，證明回波信號(hào)是正確的。本實(shí)驗(yàn)采用的IOM發(fā)射脈沖，隨著發(fā)射脈沖頻率的 提高，分辨率就能提高，探測(cè)深度》50mm，軸向分辨力150微米，側(cè)向分辨力200微米。
權(quán)利要求1、一種高頻環(huán)陣數(shù)字化超聲系統(tǒng)，其特征在于，包括依次相連的環(huán)陣換能器、接收系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、接收動(dòng)態(tài)聚焦與可變孔徑控制波束形成模塊、數(shù)字回波合成模塊、超聲信號(hào)處理模塊、顯示單元，還包括處理器，處理器依次通過(guò)時(shí)序控制系統(tǒng)、超聲發(fā)射驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與環(huán)陣換能器相連接，處理器還分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器、接收動(dòng)態(tài)聚焦與可變孔徑控制波束形成模塊相連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高頻環(huán)陣數(shù)字化超聲系統(tǒng)，其特征在于，環(huán)陣換能器是中心頻率10MHz的五環(huán)高頻環(huán)陣換能器，由一組同心圓的多陣元晶體組成，每一個(gè)晶體均獨(dú)立 連接到超聲發(fā)射/接收驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，換能器的環(huán)半徑從最外環(huán)到中心環(huán)分別為3.60mm、 3.22mm、 2.97mm、 2.28mm、 1.61mm，五環(huán)換能器各環(huán)面積相等。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高頻環(huán)陣數(shù)字化超聲系統(tǒng)，其特征在于，模數(shù)轉(zhuǎn)換器為單芯片 8通道超聲接收器，型號(hào)為AD9271。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高頻環(huán)陣數(shù)字化超聲系統(tǒng)，其特征在于，超聲發(fā)射驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)為FPGA芯片輸出的脈沖信號(hào)電壓經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換芯片形成兩路輸出， 一路輸出經(jīng)電容 連接到場(chǎng)效應(yīng)管柵極，另一路輸出連接到另一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，連接電容的場(chǎng)效應(yīng)管漏 極接電源，其源極接另一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的漏極并作為發(fā)射輸出端，另一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的源極接 地。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高頻環(huán)陣數(shù)字化超聲系統(tǒng)，其特征在于，接收動(dòng)態(tài)聚焦與可變 孔徑控制波束形成模塊、數(shù)字回波合成模塊、超聲信號(hào)處理模塊、處理器集成設(shè)置在一片 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA中。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型屬于超聲波檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及高頻環(huán)陣數(shù)字化超聲系統(tǒng)。為克服線(xiàn)陣等掃描技術(shù)只能一維聚焦的缺點(diǎn)，提高各向分辨率，有效提高信噪比，最大限度的提高圖象質(zhì)量，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是包括依次相連的環(huán)陣換能器、接收系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、接收動(dòng)態(tài)聚焦與可變孔徑控制波束形成模塊、數(shù)字回波合成模塊、超聲信號(hào)處理模塊、顯示單元，還包括處理器，處理器依次通過(guò)時(shí)序控制系統(tǒng)、超聲發(fā)射驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與環(huán)陣換能器相連接，處理器還分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器、接收動(dòng)態(tài)聚焦與可變孔徑控制波束形成模塊相連接。本實(shí)用新型主要應(yīng)用于超聲波檢測(cè)儀器的設(shè)計(jì)制造。
文檔編號(hào)A61B8/00GK201312811SQ20082014453
公開(kāi)日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者盛 周, 段炳柱, 王延群, 王曉春, 王立偉 申請(qǐng)人:中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所