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試析便攜式超聲診斷儀信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)
蘇州大學(xué) 施博愛 匡紹龍 尹健 2019/5/7 9:01:35
Design of signal processing circuit for portable ultrasonic diagnostic instrument
摘要：超聲診斷儀具有靈敏度高、無損傷、操作簡(jiǎn)單、成像清晰等特點(diǎn)，在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。文章簡(jiǎn)要介紹了超聲診斷儀，重點(diǎn)對(duì)便攜式超聲診斷儀的信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，以達(dá)到簡(jiǎn)化電路的目的。
關(guān)鍵詞：便攜式超聲診斷儀；信號(hào)處理電路；超聲發(fā)生電路；超聲接收電路；設(shè)計(jì)
ABSTRACT: Ultrasound diagnostic instrument is widely used in clinical medicine because of its high sensitivity, noninvasive, simple operation and clear imaging. This paper briefly introduces the ultrasonic diagnostic instrument, focusing on the analysis of the signal processing circuit design of the portable ultrasonic diagnostic instrument, in order to simplify the circuit.
Key words: Portable ultrasonic diagnostic instrument; Signal processing circuit; Ultrasound generating circuit; Ultrasound receiving circuit; Design
超聲診斷儀的組成主要包括電源、探頭、錄入設(shè)備、發(fā)射單元、接收單元、面板控制系統(tǒng)、顯像記錄系統(tǒng)、數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器等幾部分，實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)的及時(shí)、有效處理，是確保儀器設(shè)備正常工作的關(guān)鍵所在，對(duì)此，必須對(duì)超聲診斷儀的信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)考慮，確保其運(yùn)行的穩(wěn)定性。
1、超聲診斷儀簡(jiǎn)要介紹
超聲診斷儀的原理是將探頭產(chǎn)生的超聲波輻射至人體內(nèi)，再根據(jù)超聲波的波長(zhǎng)、頻率等特性，通過反射形成對(duì)應(yīng)的影像，將人體內(nèi)部組織情況呈現(xiàn)出來，進(jìn)而完成臨床診斷[1]。此類儀器的成像系統(tǒng)通常包括波束形成器、探頭、回波接收處理模塊、顯示控制模塊、波束形成器五部分，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。但是傳統(tǒng)超聲診斷儀體積較大，功耗較高，且不易攜帶，在山區(qū)、戰(zhàn)場(chǎng)、室外等場(chǎng)地應(yīng)用難度較大，不利于其價(jià)值和作用的充分發(fā)揮，在此背景下，便攜式超聲診斷儀受到了越來越多人的關(guān)注，已經(jīng)成為未來主流發(fā)展方向，所以應(yīng)加大對(duì)便攜式超聲診斷儀的研究力度。
圖1 超聲成像系統(tǒng)構(gòu)成
2、便攜式超聲診斷儀信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)
信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)是便攜式超聲診斷儀器研發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將會(huì)直接關(guān)系到超聲信號(hào)的發(fā)射及接收，要想在確保儀器成像質(zhì)量和診斷結(jié)果可靠性的前提下，盡可能的簡(jiǎn)化電路、縮小電路板，就需要從超聲發(fā)生和接收兩方面進(jìn)行考慮，做好電路設(shè)計(jì)。
2.1電路組成及原理
便攜式超聲診斷儀硬件系統(tǒng)電路主要分為三部分，具體包括信號(hào)處理電路、信號(hào)顯示電路及FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）電路，其中超聲信號(hào)的發(fā)生及接收均在信號(hào)處理電路中完成；信號(hào)顯示電路則是將采集轉(zhuǎn)換后的超聲信號(hào)呈現(xiàn)處理；而借助FPGA電路可提高系統(tǒng)的可靠性與集成度。信號(hào)處理是便攜式超聲診斷儀運(yùn)行的關(guān)鍵所在，涉及到超聲信號(hào)的發(fā)生和接收兩項(xiàng)工作，在設(shè)計(jì)信號(hào)處理電路時(shí)，則也需從這兩方面分析，分別完成發(fā)生電路和超聲接收電路的設(shè)計(jì)[2]。使用儀器時(shí)，超聲發(fā)生電路中會(huì)有高壓脈沖信號(hào)生成，超聲換能器在其作用下進(jìn)入工作這狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生超聲波并對(duì)外輻射；基于反射原理，對(duì)外發(fā)射的超聲波會(huì)形成回波信號(hào)，超聲換能器接收后進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，再以電信號(hào)的形式對(duì)其進(jìn)行放大處理；然后將處理過的信號(hào)傳輸至濾波電路中，完成A/D轉(zhuǎn)換，電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)形式；最后再將信號(hào)傳輸至顯示電路中，通過顯示器以影像方式將其呈現(xiàn)出來，即可實(shí)現(xiàn)超聲診斷操作。
2.2超聲發(fā)生電路設(shè)計(jì)
在使用便攜式超聲診斷儀時(shí)，是借助晶體的正壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲信號(hào)的，具體是指通過對(duì)壓電晶體施加一定的機(jī)械壓力，使其發(fā)生電極化現(xiàn)象，進(jìn)而便會(huì)有電勢(shì)差的存在，形成正壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)超聲信號(hào)的發(fā)生。對(duì)于超聲發(fā)生電路設(shè)計(jì)來講，所產(chǎn)生的信號(hào)為高頻脈沖信號(hào)，不僅要滿足硬件系統(tǒng)運(yùn)行要求（未完，下一頁）
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