超聲衰減增益補(bǔ)償電路的設(shè)計

1、文章編號:100023630(2003)0420243203超聲衰減增益補(bǔ)償電路的設(shè)計孫穎,李醒飛,張國雄(天津大學(xué)精密測試技術(shù)與儀器國家重點試驗室,天津300072)摘要:醫(yī)用超聲儀器發(fā)出的超聲波在人體內(nèi)的傳播過程中,能量被人體組織吸收,隨著探測深度的增加,超聲波能量逐漸衰減,回波信號的動態(tài)范圍很大,因此要進(jìn)行聲程補(bǔ)償。文章簡要介紹了超聲診斷儀器的深度時間增益補(bǔ)償電路(TGC)的基本原理,即用一定的電壓曲線來控制放大器的增益,使不同深度下的超聲回波獲得不同的放大倍數(shù)。文中還提出了一種采用新型電子元器件的數(shù)字控制解決方案,能有效減小送入A/D轉(zhuǎn)換器的信號的動態(tài)范圍。該方案采用新型的高精度、低噪

2、聲、增益可變放大器AD604,電路簡單,控制信號穩(wěn)定可靠,能準(zhǔn)確地補(bǔ)償超聲波在人體內(nèi)的衰減,并為控制系統(tǒng)實現(xiàn)高速數(shù)字化提供了一個方法。關(guān)鍵詞:醫(yī)用超聲診斷設(shè)備;衰減;深度增益補(bǔ)償電路(TGC);AD604中圖分類號:TB535文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ADesignoftimegaincompensationcircuitforultrasonicsignalsSUNYing,LIXing2fei,ZHANGGuo2xiong(StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasuringTechnologyandInstruments,TianjinUniversity,Tianjin300

3、072,China)Abstract:Ultrasonicenergyisabsorbedbythepenetratedmediumandisattenuatedwithdepth.Therefore,itneedscom2pensationsoastolimitthedynamicrangeofthesignalsenttotheA/Dconverter.Basicprinciplesofthemedicalultrason2icdiagnosticinstrumentsandthetimegaincompensationcircuitarebrieflyintroduced,andanew

4、designofTGCcircuitsusingnewelectroniccomponentsisproposedinthispaper.AD604isanultra2lownoise,veryaccurate,andlinear2in2dBvariablegainamplifieroptimizedfortime2basedvariablegaincontrolinultrasoundapplications.Thedescribeddesignmethodissimpleanditsdigitalcontrolisstable.Keywords:ultrasonicdiagnosticde

5、vice;attenuationtimegaincompensation;AD6041概述超聲在人體內(nèi)傳播的過程中,遇到不同的界面時,就會發(fā)生部分反射和部分透射。當(dāng)兩個反射的分界面的性質(zhì)相同時,反射和透射的百分率是相同的。因此,相同性質(zhì)的分界面處于相同深度時,反射回來的超聲能量是相等的。但是相同性質(zhì)的分界面處于不同的深度時,超聲強(qiáng)度隨探測深度的增加而逐漸衰減。超聲波在人體組織內(nèi)的衰減是一個很復(fù)雜的物理過程,它是由于超聲在人體組織內(nèi)傳播時,被人體組織吸收、反射、繞射、折射和散射等原因造成,其中吸收是主要的。超聲波在人體內(nèi)的傳播過程中,能量被人體組織吸收,隨著探測深度的增加超聲波能量逐漸衰減。對于

6、均勻的生物體軟組織,聲衰減系數(shù)在區(qū)域內(nèi)基本上是相同的。有實驗表明振動能量沿生物體表層傳播的規(guī)律,類似于無生命物體表面收稿日期:2002209228;修回日期:2003203213作者簡介:孫穎(19752),女,天津人,碩士研究生,研究方向為超聲對人體軟組織的測量。圖1信號強(qiáng)度及回聲振幅隨距離的變化波傳播的特征,即其振動的振幅按負(fù)指數(shù)規(guī)律衰減,如圖1所示。超聲波被生物組織所吸收,其吸收系數(shù)主要由超聲頻率、傳播距離、媒質(zhì)粘滯性等決定。實驗結(jié)果表明,當(dāng)頻率在1MHz15MHz范圍內(nèi),超聲波被人體組織吸收的系數(shù)幾乎與頻率成正比,其吸收系數(shù)在0.5dB/cmMHz3.5dB/cmMHz范圍內(nèi)。例如,超

7、聲波在人體軟組織中平均吸收系數(shù)為0.8dB/cmMHz;在腹腔吸收系數(shù)為0.6dB/cmMHz。對于性質(zhì)相同而所處深度不同的界面,其反射的回波強(qiáng)度會有很大的不同。這樣就不能真實反映所檢查的分界面的輪廓。為使深度不同但性質(zhì)相同的界面反射的回波信號能顯示出相同的幅值,必須243聲學(xué)技術(shù) 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.根據(jù)深度(即時間)逐步增大放大器的增益,從而使超聲波在傳播衰減過程中所引起遠(yuǎn)距離反射波弱的情況得到相應(yīng)的補(bǔ)償。也就是說使接收機(jī)的增益G隨距離la增加而增加,即Gla。理想的掃

8、描增益Gs應(yīng)該根據(jù)實際的衰減函數(shù)d=f(a,l)來設(shè)計,使接收機(jī)的掃描增益Gs=g(d)。因而在任一距離補(bǔ)償增益與傳輸衰減的乘積為一常數(shù)。也就是說,理想的深度補(bǔ)償增益,可使不同距離的相同聲界面的反射信號經(jīng)接收機(jī)處理后變?yōu)橥瑯哟笮〉碾娦盘?如圖2所示,補(bǔ)償了傳輸衰減。理想的掃描增益可使輸入動態(tài)范圍更接近信號的實際動態(tài)范圍。圖3AD604的功能方框圖范圍,其原理如圖3所示。AD604的每一個通道都有一個高性能的前置放大器,通過給其反饋回路連接一個外部電阻,放大倍數(shù)可以控制在+14dB+20dB。前置放大的輸出作為指數(shù)放大器的微分輸入,以獲得線性增益(以分貝計)。每一個微分輸入指數(shù)放大器(DSX2A

9、MP)都是由一個0-48.4dB的衰減控制器及其后的固定增益高速放大器組成。而具體的增益控制由VGN端輸入。圖2深度補(bǔ)償增益特性曲線及補(bǔ)償后的波形2應(yīng)用電路的設(shè)計超聲在人體中傳播時,其回波信號一般都較小,所以首先應(yīng)進(jìn)行必要的放大。而由于超聲波在人體組織內(nèi)的衰減,其回波信號的動態(tài)范圍很大。為了使不同深度組織界面的回波幅值相同,要把不同深度下的回波信號進(jìn)行不同程度的衰減放大,實現(xiàn)聲程補(bǔ)償。即,使接收機(jī)增益隨掃描時間的增加而增加。這樣,從較深部位聲界面反射的回聲信號的放大倍數(shù)較大,而距換能器較近的反射信號,也就是在時間上較早到達(dá)的回波信號放大倍數(shù)較小。在超聲波診斷類儀器中,一般均使用TGC(Time

10、GainCompensation)深度時間增益補(bǔ)償電路。即用一定的電壓曲線來控制放大器的增益,使不同深度下的超聲回波獲得不同的放大倍數(shù),以此來起補(bǔ)償作用。例如,軟組織的衰減系數(shù)是0.6dB/cmMHz,就要把回波信號按照0.6dB/cm的斜率予以放大。2.1AD604簡介AD604是一個超低噪聲(0.8nV/)、高精因此,AD604的每一個通道都可以提供一個可變范圍為48dB的增益。具體的放大倍數(shù)可以用以下公式計算:G(dB)=(增益檔(dB/V)VGN(V)+(前置放大器增益(dB)-19)例如,前置放大倍數(shù)設(shè)置為+14dB(即FBK和PAO短接),而增益檔選20dB/V(即VREF接電壓2

11、.5V),增益公式就可簡化為:G(dB)=(20(dB/V)VGN(V)-5dB)2.2AD604在醫(yī)用超聲設(shè)備中的應(yīng)用圖4所示就是一個用AD604驅(qū)動AD9095(10bit,40MSPS的ADC)的醫(yī)用超聲增益補(bǔ)償電路。AD7226D/A轉(zhuǎn)換器與其它微處理器接口,讀入所需的放大倍數(shù)的數(shù)字量,并轉(zhuǎn)換為模擬量。把這個模擬量作為AD604的增益控制信號輸入與其VGN端相連,從而實現(xiàn)增益的可控變化。經(jīng)過AD604衰減補(bǔ)償?shù)男盘?再經(jīng)過可選擇的濾波器及AD9631(低畸變、低噪聲、高速運(yùn)算放大器),即成為ADC的有效輸入。運(yùn)算放大器的輸出和ADC的自偏輸入交流耦合,由AD9095A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)

12、轉(zhuǎn)換,采樣速率為40MSPS。度、雙通道、增益可變放大器,它的增益(dB)和增益控制電壓成正比。TGC電路的要求就是增益要和控制電壓呈指數(shù)關(guān)系,也就是增益(以分貝計)和控制電壓成線性關(guān)系,這正是AD604的特點,因此它是一個理想的醫(yī)用超聲儀器的時間增益控制放大器,它能有效地減小送入A/D轉(zhuǎn)換器的信號的動態(tài)2443結(jié)束語該方案解決了醫(yī)用超聲軟組織測量過程中由聲程22卷4期(2003) 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.圖4TGC回路的醫(yī)用超聲應(yīng)用圖5醫(yī)用超聲診斷儀接收電路原理圖導(dǎo)致的回波信

13、號非線性的補(bǔ)償問題。與傳統(tǒng)的分立元件電路相比,具有電路簡單、TGC控制信號穩(wěn)定可靠、調(diào)節(jié)靈活等特點,能準(zhǔn)確地補(bǔ)償超聲波在人體內(nèi)的衰減,并為控制系統(tǒng)實現(xiàn)高速數(shù)字化提供一個方法。如將該電路應(yīng)用于圖5所示的原理圖中,即可組成實用的醫(yī)用超聲診斷儀接收電路。參考文獻(xiàn):1謝嘉平,任力峰.振動減肥中腹壁脂肪的超聲檢測與力學(xué)特征J.中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,1996,13(4):2132216.2萬明習(xí),卞正中,程敬之.醫(yī)學(xué)超聲學(xué)M.西安:西安交通大學(xué)出版社,1992.41243,1112157.3關(guān)立勛,雷紀(jì)勝.超聲診斷儀原理與維護(hù)M.北京:人民衛(wèi)生出版社,1983.9721064ChebliR,KassemA,

14、SawanM.Integratedfront2endpreamplifierdedicatedtoultrasonicreceiversA.Elec2tronics,CircuitsandSystems.2001.ICECS2001.The8thIEEEInternationalConferenceon(Vol.3)C,2001.110321106.2003年全國檢測聲學(xué)學(xué)術(shù)會議在上海召開由中國聲學(xué)學(xué)會檢測聲學(xué)分會、上海市聲學(xué)學(xué)會、同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所聯(lián)合主辦的2003年全國檢測聲學(xué)學(xué)術(shù)會議,于2003年11月10日12日在上海同濟(jì)大學(xué)召開。來自中科院聲學(xué)所、北京大學(xué)電子學(xué)系、南京大學(xué)聲學(xué)所及同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)所等單位的45名全國各地聲學(xué)工作者出席了會議。中國聲學(xué)學(xué)會、上海市聲學(xué)學(xué)會及聲學(xué)技術(shù)編輯部分別派員參加了會議。三天的會議中,有36篇報告在會上宣讀。與會代表在會上就當(dāng)前檢測聲學(xué)中的一些相關(guān)