專利名稱：一種醫(yī)用b超前端激勵裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域，具體涉及一種醫(yī)用B超前端激勵裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的B超前端系統(tǒng)采用單極性高壓激勵脈沖，發(fā)射波束的特性和頻譜都有極限 性。其主要的缺點包括單極性高壓激勵發(fā)射波形是周期方波(可以是一周期或多周期)， 其頻譜特性與探頭特性難于匹配，發(fā)射能量的效率不高，穿透力能力較弱，圖像細節(jié)部分難 以分辨的缺點。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是針對上述問題的存在，提供一種采用變跡雙極性發(fā)射電路， 克服傳統(tǒng)的B超前端系統(tǒng)采用單極性高壓激勵脈沖情況下發(fā)射波束的特性和頻譜的極限 性。通過接近高斯形狀的能量分布變跡激勵技術(shù)，有效改善了發(fā)射波束的特性和旁瓣抑制； 既提高了發(fā)射能量的利用率，又在發(fā)射高壓不變的情況下，有效的提升系統(tǒng)的探測穿透率； 并可以得到明顯的變頻效果，提高圖像的分辨率，使圖像更加均勻細膩，提升系統(tǒng)的整體性 能的醫(yī)用B超前端激勵裝置。 本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的 —種醫(yī)用B超前端激勵裝置，包括 —基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(英文Field Programmable Gate Array)的用于 實現(xiàn)發(fā)射波束的聚焦、發(fā)射驅(qū)動波形的產(chǎn)生、發(fā)射波束變跡的控制、多路高壓開關(guān)電路和電 平轉(zhuǎn)換及高壓驅(qū)動脈沖電路的控制的發(fā)射波束主控單元； —用于接收發(fā)射波束主控制單元輸出的時鐘信號和配置數(shù)據(jù)、對內(nèi)部的寄存器進 行配置、在高壓開關(guān)的邏輯配置使能信號LE信號的控制下對最終的開關(guān)狀態(tài)進行設(shè)置，用 于實現(xiàn)換能器陣元陣列的多路選擇和高壓激勵脈沖及超聲回波信號的切換的多路高壓開 關(guān)電路； —用于接收來自現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(英文Field Programmable GateArray)
控制單元的發(fā)射驅(qū)動波形和高壓電平控制波形，實現(xiàn)激勵脈沖的電平轉(zhuǎn)換及高壓驅(qū)動和變
跡驅(qū)動脈沖的輸出，用于控制高壓激勵產(chǎn)生電路的電平轉(zhuǎn)換及高壓驅(qū)動脈沖電路； —可在前級電平轉(zhuǎn)換及高壓驅(qū)動脈沖電路輸出的發(fā)射驅(qū)動波形和高壓分配波形
的控制下，實現(xiàn)變跡雙極性激勵高壓脈沖的輸出，用于換能器陣元的激勵的高壓激勵產(chǎn)生
電路； —用于高壓脈沖與后級接收放大電路的隔離的隔離二極管橋及其控制信號電路。 本實用新型由于采用變跡雙極性發(fā)射電路，克服傳統(tǒng)的B超前端系統(tǒng)采用單極性 高壓激勵脈沖情況下發(fā)射波束的特性和頻譜的極限性。通過接近高斯形狀的能量分布變跡 激勵技術(shù)，有效改善了發(fā)射波束的特性和旁瓣抑制；既提高了發(fā)射能量的利用率，又在發(fā)射 高壓不變的情況下，有效的提升系統(tǒng)的探測穿透率；并可以得到明顯的變頻效果，提高圖像的分辨率，使圖像更加均勻細膩，提升系統(tǒng)的整體性能，且本實用新型所述的激勵裝置控制 相對簡單，電路實現(xiàn)方便，對電源本身和其輸出的發(fā)射高壓不需要特別的控制要求，易于實 現(xiàn)，工作穩(wěn)定性好，成本也較低。
以下結(jié)合附圖詳細描述本實用新型的實現(xiàn)。
圖1是本實用新型的基于FPGA的B超前端變跡雙極性激勵電路框圖； 圖2是本實用新型的基本的雙極性激勵脈沖圖； 圖3是本實用新型的變跡發(fā)射的一種波形圖； 圖4是本實用新型所述的逼近高斯形狀的變跡發(fā)射波束能量分布圖。
具體實施方式
如圖1 圖4所示，本實用新型所述的一種醫(yī)用B超前端激勵裝置，包括 —基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(英文Field Programmable Gate Array)的用于
實現(xiàn)發(fā)射波束的聚焦、發(fā)射驅(qū)動波形的產(chǎn)生、發(fā)射波束變跡的控制、多路高壓開關(guān)電路和電
平轉(zhuǎn)換及高壓驅(qū)動脈沖電路的控制的發(fā)射波束主控單元；其中，基于型號為XILINX公司的
高性能SPARTAN 3E系列FPGA中的XC3S1200E-4FG320C，作為整個發(fā)射波束的主控單元，用
于實現(xiàn)發(fā)射波束的聚焦、發(fā)射驅(qū)動波形的產(chǎn)生、發(fā)射波束變跡的控制、多路高壓開關(guān)邏輯控
制和電平轉(zhuǎn)換及高壓驅(qū)動脈沖電路用Supertex公司的MD1711FG芯片的控制； —用于接收發(fā)射波束主控制單元輸出的時鐘信號和配置數(shù)據(jù)、對內(nèi)部的寄存器進
行配置、在高壓開關(guān)的邏輯配置使能信號LE信號的控制下對最終的開關(guān)狀態(tài)進行設(shè)置，用
于實現(xiàn)換能器陣元陣列的多路選擇和高壓激勵脈沖及超聲回波信號的切換的多路高壓開
關(guān)電路； —用于接收來自現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(英文Field Programmable GateArray)
控制單元的發(fā)射驅(qū)動波形和高壓電平控制波形，實現(xiàn)激勵脈沖的電平轉(zhuǎn)換及高壓驅(qū)動和變
跡驅(qū)動脈沖的輸出，用于控制高壓激勵產(chǎn)生電路的電平轉(zhuǎn)換及高壓驅(qū)動脈沖電路； —可在前級電平轉(zhuǎn)換及高壓驅(qū)動脈沖電路輸出的發(fā)射驅(qū)動波形和高壓分配波形
的控制下，實現(xiàn)變跡雙極性激勵高壓脈沖的輸出，用于換能器陣元的激勵的高壓激勵產(chǎn)生
電路； —用于高壓脈沖與后級接收放大電路的隔離的隔離二極管橋及其控制信號電路。 其中型號為Supertex的多路高壓開關(guān)HV2701FG芯片，用于實現(xiàn)換能器陣元陣列 的多路選擇和高壓激勵脈沖及回波信號的切換； 型號為Supertex的MD1711FG芯片，接收來自FPGA控制單元的原始發(fā)射驅(qū)動波 形，實現(xiàn)激勵脈沖的電平轉(zhuǎn)換及高壓驅(qū)動和變跡驅(qū)動脈沖的輸出； 型號為Supertex的TC6320TG芯片，在發(fā)射驅(qū)動波形的控制下，實現(xiàn)激勵高壓脈沖 的輸出，用于換能器陣元的激勵； 型號為Fairchild的兩個BAV99組成二極管橋，用于高壓脈沖與后級接收放大電 路的隔離，其作用在于當其接通時，呈現(xiàn)低阻抗，允許弱回聲信號通過二極管橋開關(guān)送至前 置放大器，而同時限制大幅度的發(fā)射脈沖的通過，以避免損壞前置放大器或破壞前置放大器的正常工作。 本實用新型的結(jié)構(gòu)組成框圖如附圖1所示，利用基于FPGA的收發(fā)控制模塊和 MD1711FG為核心的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷蛯Ｓ玫碾娖睫D(zhuǎn)換和信號驅(qū)動芯片及配套的 各種外圍電路，實現(xiàn)B超前端雙極性的變跡發(fā)射激勵硬件平臺；收發(fā)控制FPGA模塊根據(jù) 系統(tǒng)控制模塊送來的發(fā)射同步信號SYNC、復(fù)位信號SysRst和一系列的參數(shù)及控制信號 Acdbus、 Apaddr、 AmasterEn、 Aatck、 Aack、 Awen、 SCS、 SD和SCLK等，在發(fā)射同 步信號SYNC為低電平期間，根據(jù)相關(guān)的參數(shù)，對發(fā)射前端的高壓開關(guān)的狀態(tài)和數(shù)字發(fā)射波 束電路的延時狀態(tài)、發(fā)射孔徑和變跡參數(shù)等進行設(shè)置，當發(fā)射同步信號信號由低變高時，發(fā) 射控制FPGA產(chǎn)生前端發(fā)射波束的控制信號、雙極性發(fā)射驅(qū)動脈沖、發(fā)射加權(quán)控制脈沖、發(fā) 射結(jié)束標識信號等，包括Hilol、 Hilo2、 Enbcon、 Probelnt、 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 路的發(fā)射脈沖從FPGA輸出之后，經(jīng)過驅(qū)動芯片電路、發(fā)射驅(qū)動電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動芯片電路和 發(fā)射高壓脈沖輸出電路，形成高壓脈沖激勵探頭HP[0:31]，完成一次超聲的發(fā)射。接著回波 信號由相同的一組陣元接收，組織反射的超聲回聲信號經(jīng)過隔離二極管橋得到ECH0[0:31] 信號到達前置放大器、第一級TGC放大電路得到V0H[0:31]和VOL[0:31]、第二級TGC放大 電路和抗混疊濾波器之后輸出的差分回波信號RFP[0:31]和RFN[0:31]又送入D/A轉(zhuǎn)換 器，由波束合成電路接收后進行后續(xù)的處理。 發(fā)射激勵高壓和發(fā)射加權(quán)產(chǎn)生電路采用2通道的MD1711FG和外圍的高壓場效應(yīng) 管TC6320TG組成，共同完成輸出加權(quán)的雙極性高壓激勵脈沖激勵探頭的一組陣元，產(chǎn)生 超聲波。本實用新型的前端發(fā)射電路硬件平臺中，F(xiàn)PGA是控制的核心部分，MD1711FG和 TC6320TG是高壓脈沖產(chǎn)生的核心部分。 本實用新型的一大特點是在變跡方法的采用上。假如采用高壓運放來實現(xiàn)變跡發(fā)
射并直接采用改變發(fā)射高壓脈沖的幅度來實現(xiàn)，那么各通道高壓脈沖的輸出可設(shè)定的臺階
數(shù)可以達到通道數(shù)的一半，變跡的效果可能較為明顯的，但是這樣電路的成本將很高，電路
實現(xiàn)規(guī)模也將很大，電路的穩(wěn)定性也存在問題；本實施例采用簡單的電源輸出，通過對發(fā)射
驅(qū)動邏輯和發(fā)射電路的控制，來實現(xiàn)逼近高斯分布形狀的激勵，雖然高壓脈沖的臺階數(shù)有
限，變跡的效果可能沒有前者好，但是節(jié)省系統(tǒng)的成本，實現(xiàn)方便，實現(xiàn)后的系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，
對發(fā)射電路的散熱沒有特別的要求。本實施例的發(fā)射變跡的實現(xiàn)具體實現(xiàn)時是由FPGA輸
出控制波形來實現(xiàn)雙極性高壓激勵脈沖幅度的變化，改變發(fā)射波束在各個通道中的能量分
配，實現(xiàn)類似高斯波的發(fā)射波束，經(jīng)過實際在產(chǎn)品中的應(yīng)用，取得了明顯的效果。 系統(tǒng)只需要提供的4組高壓輸出，分別為最高士56V(即±HV)和士28V(即
±HV/2)。 如圖1 圖4所示，本實用新型所述的一種醫(yī)用B超前端的激勵方法，包括以下步 驟 (1)、基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(英文Field Programmable Gate Array)的 發(fā)射波束主控單元根據(jù)系統(tǒng)控制模塊送來的發(fā)射同步信號SYNC(超聲掃描同步信號)、復(fù) 位信號SysRst(系統(tǒng)總復(fù)位信號)和一系列的參數(shù)及控制信號Acdbus (前端數(shù)據(jù)總線)、 Apaddr(8位并行總線端口地址)、AmasterEn(主設(shè)備(本地總線控制器)握手信號)、 Atck(并行總線時鐘信號)、Aack(并行本地總線控制器對各用戶端口中斷的應(yīng)答信號)、
5Awen(并行總線讀寫方向控制信號)、SCS(串行總線片選信號)、SD(串行總線數(shù)據(jù)信號) 和SCLK(串行總線時鐘信號)，在發(fā)射同步信號SYNC(超聲掃描同步信號)為低電平期間， 根據(jù)相關(guān)的參數(shù)，對發(fā)射前端的高壓開關(guān)電路的狀態(tài)和數(shù)字發(fā)射波束電路的延時狀態(tài)、發(fā) 射孔徑和變跡參數(shù)等進行設(shè)置，當發(fā)射同步信號信號由低變高時，發(fā)射控制現(xiàn)場可編程門 陣列FPGA(英文Field Programmable GateArray)產(chǎn)生前端發(fā)射波束的控制信號、雙極性 發(fā)射驅(qū)動脈沖、發(fā)射加權(quán)控制脈沖、發(fā)射結(jié)束標識信號，其包括Hilol (第一級PGA的增益 控制信號)、Hilo2 (第二級PGA的增益控制信號)、Enbcon (模擬回波信號放大器的開啟信 號)、Probelnt (前端探頭狀態(tài)改變中斷申請信號)、Mode (放大器增益控制電壓斜率信號)、 PHD(發(fā)射激勵正極性驅(qū)動信號)、NHD(發(fā)射激勵負極性驅(qū)動信號)、ApoPHD(發(fā)射激勵正極 性變跡驅(qū)動信號)、ApoNHD(發(fā)射激勵負極性變跡驅(qū)動信號)、Tend(發(fā)射結(jié)束標識信號)、 Din(高壓開關(guān)配置數(shù)據(jù))、StrobeClk(高壓開關(guān)串行數(shù)據(jù)所存信號)、LE(高壓開關(guān)的邏輯 配置使能信號)、PrCS (前端工作探頭座高壓開關(guān)陣列選擇信號)、AslaveEn (從設(shè)備(本地 總線客戶端口)握手信號)等信號； (2)、多路發(fā)射脈沖從發(fā)射波束主控單元輸出之后，經(jīng)過驅(qū)動輸出電路、發(fā)射驅(qū)動 電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動芯片電路和發(fā)射高壓脈沖輸出電路，形成高壓脈沖激勵探頭HP (換能器陣 元高壓激勵信號和弱回波信號)，完成一次超聲的發(fā)射； (3)、超聲回波信號由相同的一組陣元接收，組織反射的超聲回波信號經(jīng)過隔離二 極管橋及其控制信號電路得到ECHO(回波信號經(jīng)過二極管橋之后的弱超聲回波信號)信號 到達前置放大器、第一級TGC(時間增益控制信號)放大電路得到V0H(經(jīng)過第一級放大之 后的正差分回波)和V0L(經(jīng)過第一級放大之后的負差分回波)、第二級TGC(時間增益控 制信號)放大電路和抗混疊濾波器之后輸出的差分回波信號RFP(經(jīng)過抗混疊濾波之后的 正差分回波)和RFN(經(jīng)過抗混疊濾波之后的負差分回波)又送入A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)轉(zhuǎn)換 器，由波束合成電路接收后進行后續(xù)的處理。 本實用新型基于型號為XILINX公司的高性能SPARTAN 3E系列FPGA中的 XC3S1200E-4FG320C，作為整個發(fā)射波束的主控單元，用于實現(xiàn)發(fā)射波束的聚焦、發(fā)射驅(qū)動 波形的產(chǎn)生、發(fā)射波束變跡的控制、多路高壓開關(guān)邏輯控制和電平轉(zhuǎn)換及高壓驅(qū)動脈沖電 路用Supertex的MD1711FG芯片的控制該發(fā)射電路的控制相對簡單，電路實現(xiàn)方便，對電源 本身和其輸出的發(fā)射高壓不需要特別的控制要求，易于實現(xiàn)，成本也較低。同時，本實用新 型采用的雙極性高壓激勵脈沖中，由于激勵超聲換能器的不同高壓脈沖波，更大程度上決 定了超聲圖像的整體質(zhì)量。采用雙極性激勵發(fā)射，可以有效地控制發(fā)射的頻率，使變頻效果 明顯的顯現(xiàn)出來，能夠提高回波信號的信噪比和整體質(zhì)量。 單極性高壓激勵發(fā)射波形是周期方波(可以是一周期或多周期)，其頻譜特性與 探頭特性難于匹配，發(fā)射效率不高，穿透力能力較弱，圖像細節(jié)部分難于分辨；在單極性高 壓激勵發(fā)射的情況下，發(fā)射能量有很大一部分是直流，而直流能量將在探頭內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能； 采用雙極性激勵(可以是一周期或多周期)發(fā)射時，發(fā)射能量基本上不存在直流成份，探頭 回波信號的峰峰值明顯的比單極性的回波信號強，雙極性發(fā)射方式的能量利用率最高，因 此，不同發(fā)射激勵對圖像的整體質(zhì)量有很大的影響，采用雙極性激勵可以得到明顯的變頻 效果。 本實用新型采用的電平控制變跡發(fā)射技術(shù)中，由于超聲的每次發(fā)射波束是一組物
6理位置相鄰的探頭陣元陣列參加發(fā)射，在沒有發(fā)射變跡的傳統(tǒng)超聲前端中，這些陣元陣列
受到的發(fā)射激勵波形是完全相同的，即是說每個陣元受到的激勵能量相同，由于發(fā)射聚焦
的存在，受到激勵的陣列中的不同陣元有先后而已，這樣的發(fā)射結(jié)果是發(fā)射聲場在焦點附
近會有較好的聚焦，聚焦區(qū)域的橫向分辨率較好，但是聚焦區(qū)域之外波束的發(fā)散就很嚴重，
橫向分辨率變差，旁瓣嚴重，圖像的整體質(zhì)量較差，偽像較為嚴重。主瓣和旁瓣之間及相鄰
旁瓣之間不存在聲壓的零點，甚至最小聲壓與旁瓣峰之間只差幾個分貝。這是因為在脈沖
工作狀態(tài)下，各陣元發(fā)射信號在空間的干涉時間很短，導(dǎo)致空間聲壓分布起伏大大減小。變
跡用幅度函數(shù)越陡，中心陣元與邊緣陣元的發(fā)射強度差越大，焦點處的主瓣就展得越寬，旁
瓣抑制越好；非焦點處的主瓣較窄，旁瓣抑制也好。采用變跡雙極性發(fā)射技術(shù)，根據(jù)一定的
加權(quán)形狀，對參與發(fā)射的一組陣元施以不同能量的激勵，使中心陣元受到的激勵能量最大，
由中心陣元往兩側(cè)的陣元按照逼近高斯分布形狀，激勵能量遞減，使發(fā)射頻帶接近高斯形
狀分布，這樣發(fā)射焦點處雖然聚焦效果會略微下降，但是圖像的整體聚焦效果更好，圖像的
整體均勻度較好，有效抑制非焦點區(qū)域的旁瓣，使整體圖像更加完美和細膩。本前端發(fā)射裝
置采用的變跡雙極性發(fā)射電路，其控制相對簡單，電路實現(xiàn)較為方便，對電源輸出的發(fā)射高
壓不需要特別的控制要求，只需輸出4路高壓，易于實現(xiàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定，成本也較低。采用電壓
變跡雙極性的發(fā)射激勵波形，使發(fā)射頻率帶寬與探頭本身的特性達到最佳匹配。同時，采用
電壓變跡雙極性的發(fā)射激勵波形，能量利用率最高，可以在不增加發(fā)射功率的前提下提高
穿透力，在同等探測深度的情況下，加大每次發(fā)射的頻率，提高圖像的分辨率，使圖像更加
均勻細膩。
權(quán)利要求一種醫(yī)用B超前端激勵裝置，其特征在于包括一基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的用于實現(xiàn)發(fā)射波束的聚焦、發(fā)射驅(qū)動波形的產(chǎn)生、發(fā)射波束變跡的控制、多路高壓開關(guān)電路和電平轉(zhuǎn)換及高壓驅(qū)動脈沖電路的控制的發(fā)射波束主控單元；一用于接收發(fā)射波束主控制單元輸出的時鐘信號和配置數(shù)據(jù)、對內(nèi)部的寄存器進行配置、在高壓開關(guān)的邏輯配置使能信號LE信號的控制下對最終的開關(guān)狀態(tài)進行設(shè)置，用于實現(xiàn)換能器陣元陣列的多路選擇和高壓激勵脈沖及超聲回波信號的切換的多路高壓開關(guān)電路；一用于接收來自現(xiàn)場可編程門陣列FPGA控制單元的發(fā)射驅(qū)動波形和高壓電平控制波形，實現(xiàn)激勵脈沖的電平轉(zhuǎn)換及高壓驅(qū)動和變跡驅(qū)動脈沖的輸出，用于控制高壓激勵產(chǎn)生電路的電平轉(zhuǎn)換及高壓驅(qū)動脈沖電路；一可在前級電平轉(zhuǎn)換及高壓驅(qū)動脈沖電路輸出的發(fā)射驅(qū)動波形和高壓分配波形的控制下，實現(xiàn)變跡雙極性激勵高壓脈沖的輸出，用于換能器陣元的激勵的高壓激勵產(chǎn)生電路；一用于高壓脈沖與后級接收放大電路的隔離的隔離二極管橋及其控制信號電路。
專利摘要一種醫(yī)用B超前端激勵裝置，包括一基于FPGA的發(fā)射波束主控單元；一多路高壓開關(guān)電路；一電平轉(zhuǎn)換及高壓驅(qū)動脈沖電路；一高壓激勵產(chǎn)生電路；一隔離二極管橋及其控制信號電路。本實用新型由于采用變跡雙極性發(fā)射電路，克服傳統(tǒng)的B超前端系統(tǒng)采用單極性高壓激勵脈沖情況下發(fā)射波束的特性和頻譜的極限性。通過接近高斯形狀的能量分布變跡激勵技術(shù)，有效改善了發(fā)射波束的特性和旁瓣抑制；既提高了發(fā)射能量的利用率，又在發(fā)射高壓不變的情況下，有效的提升系統(tǒng)的探測穿透率；并可以得到明顯的變頻效果，提高圖像的分辨率，使圖像更加均勻細膩，提升系統(tǒng)的整體性能。
文檔編號A61B8/00GK201516046SQ20092006045
公開日2010年6月30日 申請日期2009年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月14日
發(fā)明者李德來, 林武平 申請人:汕頭市超聲儀器研究所有限公司