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    一種低成本的超聲連續(xù)波多普勒電路方案

    2015-03-21 10:14:22周桂榮李德來汕頭市超聲儀器研究所有限公司汕頭515041
    中國醫(yī)療器械信息 2015年4期
    關(guān)鍵詞:框圖波束頻譜

    周桂榮 李德來 汕頭市超聲儀器研究所有限公司 (汕頭 515041)

    最早報道超聲多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用是用CWD(連續(xù)波多普勒)來測量血液。連續(xù)波多普勒采用兩組(或兩個)晶片,其中一組連續(xù)地發(fā)射超聲波,另一組連續(xù)地接收回波。它的探測深度不受限制,沒有折返現(xiàn)象,可以測量高速血流,具有很高的速度分辨力,主要應(yīng)用于血流的定量分析,可以用來計算血管狹窄口的面積、判斷狹窄口的嚴(yán)重程度,估計肺動脈壓力,估計分流兩側(cè)腔室之間的壓力階差。[1]

    1.CWD 基本原理

    下面的框圖表示了一種基本的連續(xù)波多普勒設(shè)備。在CWD 模式下,換能器的一半用來發(fā)射,另一半用來接收,沿聲束出現(xiàn)的血流和組織運(yùn)動多譜勒頻移信息全部被接收,不能從回波中提取距離的信息,但是由于發(fā)射聲束與接收聲束聚焦區(qū)域的多普勒信息在回波信號中更加突出,可以借助二維聲像圖判定診斷部位。

    圖1. 連續(xù)波超聲多普勒成像系統(tǒng)原理框圖

    圖2. 連續(xù)波多普勒原理框圖

    接收頻率與發(fā)射頻率之差即為多普勒頻移,可以按照下面的步驟獲取多普勒頻移信息:首先把原始信號解調(diào)到基帶,接著通過低通濾波濾掉高頻成份,再用高通濾波器(又名壁濾波器)濾掉固定或慢速目標(biāo)信號,這些信號由組織和低速運(yùn)動的血管壁產(chǎn)生,最后由譜分析器計算出多普勒頻譜,信號處理的頻譜如圖2 所示。[2]

    由于血流回波信號是變化的,所以提取血流信息實際上就是進(jìn)行時間-頻率分析。現(xiàn)代的超聲成像系統(tǒng)通常采用短時傅里葉變換,用一個移動窗口對信號進(jìn)行傅里葉變換,即是對相臨的32-256 個樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換,得到的頻譜就代表該狀態(tài)下血流速度的分布情況。

    2.電路原理

    2.1 模擬波束合成方案

    連續(xù)波多普勒系統(tǒng)獲取診斷信息的電路原理與其他類型系統(tǒng)類似,前端也由換能器、發(fā)射激勵電路和接收放大電路組成;CWD 模式的掃查機(jī)制簡單,不需要側(cè)向掃描等復(fù)雜控制;CWD的信號處理過程就不太一樣。

    雖然CWD 模式?jīng)]有距離選通,但是可以通過波束聚焦來增強(qiáng)感興趣區(qū)域的血流信息。由于沿聲束出現(xiàn)的血流和組織運(yùn)動多譜勒頻移信號全部被接收,所以回波信號既包含近場強(qiáng)信號,又包含遠(yuǎn)場弱信號,動態(tài)范圍很大,加上對相位噪聲的要求很嚴(yán)格,所以CWD 的波束合成一般使用獨立的模擬電路來處理,在所有波束合成方法中,無源混頻方式效果最好,能夠滿足大動態(tài)范圍和低相位噪聲的要求。各通道的接收信號經(jīng)過解調(diào)、相位調(diào)整和波束合成,合成的波束信號通過高通濾波器濾掉血管壁強(qiáng)信號,降低有用信號的動態(tài)范圍。經(jīng)過解調(diào)和濾波后的多普勒頻移信號接近普通音頻信號,使用16 位以上的音頻ADC 就可以滿足需要,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送給譜分析器計算出CWD 頻譜。圖3 是普通CWD原理框圖,其中CWD 專用模擬電路性能要求高,成本也高,還有占用空間、電源供應(yīng)和電磁兼容等其他問題也不容易解決,這些問題制約了CWD 功能的普及,為此,本文提出一種低成本的CWD 電路方案。

    圖3. 普通CWD 原理框圖

    圖4. 數(shù)字波束合成方法的CWD 電路原理圖

    2.2 數(shù)字波束合成方案

    CWD 不能分辯距離,沒有TGC,回波信號的動態(tài)范圍在110dB 以上,經(jīng)過壁濾波后動態(tài)范圍降低十幾dB,通常使用大動態(tài)范圍的16 位ADC。早期全數(shù)字彩超的數(shù)字波束合成器使用的ADC 一般只有10bit,輸入動態(tài)范圍小于57dB,遠(yuǎn)小于CWD 信號的要求。隨著近年來器件技術(shù)和工藝的發(fā)展,性能越來越高,常用的有ADI 公司的AD9674 和TI 公司的AFE5808 等超聲前端器件,采用14 位ADC,輸入動態(tài)范圍接近77dB,勉強(qiáng)滿足CWD 電路的要求。如果回波信號經(jīng)過ADC 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送給FPGA 進(jìn)行數(shù)字波束合成,就可以不用CWD 模擬電路。主要存在的問題是信號輸入ADC 之前沒有經(jīng)過高通濾波,血管壁信號較強(qiáng),AD 轉(zhuǎn)換后血流分量的動態(tài)范圍較小,降低了頻移信號的信噪比。[3]

    如果使用AD9674,它的采樣率高達(dá)125MHz,相對于一般CWD 電路的ADC 只有100KHz,通過過采樣也可以提高AD 量化精度。這樣ADC 的分辯率相當(dāng)于增加了log4(125MHz/100KHz)=5bit,提高了ADC 的輸入動態(tài)范圍,基本達(dá)到CWD 信號的要求。

    3.方案設(shè)計和實驗

    3.1 方案設(shè)計

    新電路方案僅限于對接收電路的修改,發(fā)射電路保持不變。接收電路省去專用的CWD 解調(diào)、濾波和轉(zhuǎn)換電路,改為使用FPGA 來實現(xiàn)相應(yīng)功能,在FPGA 上增加CWD 功能的原理圖如圖5所示。

    CWD 回波信號經(jīng)過AFE(模擬前端)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換,送給FPGA(波束合成器),不同于B 型波束合成的是,CWD 信號對距離沒有分辯能力,所以不需要粗延時,只需要相位延時就可以進(jìn)行波束合成,首先對回波信號進(jìn)行正交解調(diào),然后乘以相移因子,就得到移相后的回波正交信號。

    接收回波信號可表示為:

    把x(t)分別乘以2cosω0t 和-2sinω0t,并且經(jīng)過低通濾波濾除高頻成分,得到I 通道的輸出為[4]

    圖5. FPGA 處理功能原理框圖

    圖6. 采用傳統(tǒng)電路的CWD 效果

    圖7. 簡化電路后的CWD 效果

    同理得到Q 通道的輸出為

    將VA(t)和VB(t)合成復(fù)合信號V(t) = VA(t) +jVB(t),就可以得到x(t)的復(fù)數(shù)包絡(luò)函數(shù),它的功率譜如圖2 所示。

    各通道信號還需要根據(jù)當(dāng)前焦點位置進(jìn)行相位延遲才能合成波束,實現(xiàn)時只需把本振信號進(jìn)行相應(yīng)相移就可以,如圖5 中本振信號的相移角度θn。

    3.2 實驗結(jié)果

    為了方便實驗和對比效果,在公司自主開發(fā)的中高端彩超產(chǎn)品Apogee5500 上試驗,根據(jù)3.1的設(shè)計方案進(jìn)行FPGA 邏輯設(shè)計,在原來數(shù)字波束合成器的基礎(chǔ)上增加CWD 波束合成器,使系統(tǒng)既支持CWD 模擬波束合成器,也支持CWD數(shù)字波束合成器,按下面設(shè)置同樣的實驗參數(shù),可以方便地對比頻譜圖像效果[5]。

    (1)中心頻率為2.8MHz 的相控陣探頭P3FC(2)聲功率80%

    (3)增益44DB

    (4)圖譜7

    (5)速度4

    (6)平滑0

    (7)偽彩4

    (8)發(fā)射頻率2.0MHz

    (9)速度標(biāo)尺3

    (10)壁濾波器488Hz

    (11)校正角?。

    兩種CWD 波束合成方式得到的圖像如圖6和圖7 所示,圖6 是采用傳統(tǒng)電路,圖7 是使用數(shù)字波束合成器的CWD 效果。

    采用模擬波束合成器的CWD 頻譜相對柔和飽滿一些,高速血流弱信號能顯示出來的,頻譜輪廓清晰,相對完整,信噪比高。

    數(shù)字波束合成器基本能夠得到CWD 頻譜,不過底噪比較大,且有用弱信號被掩蓋了,高速血流弱信號丟失,輪廓不夠完整。

    4.結(jié)束語

    自從連續(xù)波多普勒在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用以來,性能已經(jīng)相當(dāng)成熟,但是由于高動態(tài)范圍和低相位噪聲的嚴(yán)格要求,需要使用模擬的混頻器和模擬濾波電路,長期以來少有變化,隨著近年來器件技術(shù)的發(fā)展,使用數(shù)字波束合成器有了可能,這樣可以省去專用模擬電路的成本,縮小系統(tǒng)體積。通過試驗,我們看到了這種可能性存在,雖然從效果來看,背景噪聲還較大,靈敏度較低,還是能夠滿足較低要求的使用,可以在低端彩超甚至B 超上擴(kuò)展該功能。隨著器件技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字波束合成的CWD 性能將進(jìn)一步提高。

    [1] 巫立新, 劉戰(zhàn). 超聲多普勒原理及臨床應(yīng)用和進(jìn)展[J]. 海軍醫(yī)學(xué), 1988, (3).

    [2] 伍于添.醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備原理?設(shè)計?應(yīng)用[M].北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社.2012.

    [3] John.超聲成像系統(tǒng)連續(xù)波多普勒設(shè)計的挑戰(zhàn)[J].電子產(chǎn)品世界,2009(2):52-53。

    [4] 高上凱. 超聲脈沖多普勒血流測量的一般原理和方法[J]. 中國醫(yī)療器械雜志, 1980, (5).

    [5] 萬明習(xí)等.生物醫(yī)學(xué)超聲實驗.[M].西安:西安交通大學(xué)出版社.2010.

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