1 引 言
超声波有着广泛的应用范围,工业上它可用于测距、测深、测厚、探伤等。在医学领域,超声被广泛用于诊断、治疗和手术等,它不仅解决了人眼看不到的体内病变的检测,而且消除了其它射线检查带来的辐射危害。
在超声测量系统中,超声换能器及其发射电路是超声检测系统中的关键组成部分,它决定了一个系统所能达到的最终指标。超声换能器一旦选定,其性能参数(如机械共振频率、声波辐射等效电阻等)也已确定。发射电路设计是否合理直接影响到发射功率和波形的重复性。在以往的超声发射电路中,为了产生高电压的触发脉冲,常常需要为电路提供高达百伏甚至几百伏的直流电压,这不仅提高了电路的成本,增加了电路的体积,而且带来了严重的安全隐患。
在设计软组织生物特性的无损检测系统中,为了满足仪器便于携带和安全的要求,我们设计了一种新的超声发射和接收电路。该发射电路不需要提供高的直流电源,就可以产生高达几百伏的超声探头触发脉冲。超声回波的接收电路使用了MAX4104进行放大,A/D转换芯片采用TLC5540,电路简单,精度、可靠性大大提高。
2 硬件设计
2.1 超声发射电路
该超声发射装置以场效应管Q1作为开关元件,采用脉冲波激励方式,靠电感储能形成触发脉冲,不需要高电压供电,其储能仅与换路时的电感电流平方成正比。如图1所示,P1为超声探头的输入端,该电路的激励脉冲在正脉冲期间,Q1导通,Q1相当于一个小电阻,电感L1与此电阻串联,和电压源一起构成回路,电感电流上升进行储能。负脉冲期间,Q1的栅极置低,Q1快速关断,L1,C2,VR2组成谐振电路快速放电,形成触发脉冲,可以达到几百伏电压,如图2所示。D1,D2,D3起单项开关的作用。分析表明,激励脉冲宽度对超声探头发射功率影响极大,探头取得最大发射功率所对应的激励脉冲宽度为其谐振周期的一半。
2.2 接收部分的电路设计
回波的接收和处理包括两个部分,一是前置放大,另一个是设计一种带宽比较窄的带通滤波器。这两部分均选用美信公司生产的MAX4104放大器,它具有低噪音、低扭曲、增益带宽大的特点,能够满足对5MHz的超声信号的放大。带通滤波器设计成无限增益带通滤波器,本系统的A/D转换芯片为TI公司的TLC5540,采样率最大可以达到40MSPS,采用外部基准,简单、准确、可行。
前置放大电路如图3,R1,D4,D5组成双向限幅电路,以避免很高的脉冲电压进入放大电路。在发射过程中,两个二极管导通,使得输出电压不会超过±0.7V。在接收过程中,二极管不能导通,只要R1相对与图1中VR2的足够大,限幅电路就对整个电路没有影响。此放大电路最大可将mV级超声信号放大100倍,然后等待进一步处理。图4为接收到的回波信号。
带通滤波器如图5,其中心频率为5M,增益K=4,品质因数Q=5,带宽B=1M。图6为滤波后的信号,可以清楚地看到肌肉组织不同层的回波信号。
2.3 发射和接受的控制
由DSP的XF引脚发出方波信号,在方波信号的上跳沿时,同时触发场效应管和A/D,当场效应管导通时, A/D也开始工作,实现发射和接收的同时进行,然后把数据存储。在方波信号的负半周期,对数据进行处理,包括数字滤波、可变增益控制、互相关运算。然后,在下一个上跳沿开始采集另一组数据。
3 结 论
采用DSP作为中央处理器设计软组织生物力学特性的无损检测系统是切实可行的,实现了仪器的小型化、智能化;所设计的超声发射和接收电路,不需要高电压供电,降低了成本,保证了仪器使用的安全;以上电路设计对超声检测的其它领域也有重要的参考价值。
参考文献
[1]白净.医学超声成像机理.北京:清华大学出版社,2000,42~46
[2]孙颖,李醒飞,张国雄.生物软组织特性测定仪的研究,航空精密制造技术,2002,12:34~36
[3]马庆云,杨辉.激励脉冲宽度对超声发射能量的影响,矿业研究与开发,2000,10:38~39
[4]张国雄,沈生培.精密仪器电路.北京:机械工业出版社,1988,124~128
作者简介:邱爽(1980年生)辽宁沈阳人,天津大学精密仪器与光电子工程学院硕士研究生,在读,主要研究领域为超声波生物检测。
