超聲增益補償中的帶通濾波器設計

醫學(xué)超聲內窺成像系統是將微型超聲探頭通過(guò) 電子內窺鏡的活檢通道伸人體腔、接近目標器官，由 微型電機驅動(dòng)超聲探頭做360。旋轉，對人體內腔斷 層掃描成像。本系統采用微型電機前置的超聲探頭 設計，與國際上主流的體外電機驅動(dòng)的超聲探頭不 同，將超聲探頭和旋轉電機整合成一體，實(shí)現整體的 微型化。微型超聲探頭的電機前置這一新型設計方 案延長(cháng)超聲探頭的使用壽命，但是探頭的平均發(fā)射 功率較普通體外超聲探頭有所降低，而且引入電機 旋轉的噪聲。 水份計| 水份儀| 分析儀| 溶氧計| 電導度計| PH計| 酸堿計| 糖度計| 鹽度計| 酸堿度計| 電導計| 水分測定儀| 濁度計| 超聲增益補償技術(shù)是通過(guò)控制放大器的增益變 化，使沿傳播路徑由近及遠的超聲回波按照增益衰 減——傳播距離曲線(xiàn)獲得不同的增益，彌補超聲回 波因傳播距離造成的衰減，從而使超聲診斷設備所 顯示的波形幅度能正確反映組織界面的聲反射特 性。與此同時(shí)，回波信號中夾雜的噪聲也按照此曲 線(xiàn)放大，在圖像上表現為距離探頭越遠，噪聲越大， 使超聲成像的信噪比降低。 根據增益補償的原理和內窺超聲成像系統的特 點(diǎn)，筆者采用改進(jìn)的帶通濾波器設計方案，該方案能 夠有效避免濾波器調試過(guò)程中的自激，在提取超聲 回波信號的同時(shí)，降低圖像噪聲。

1 超聲內窺成像系統
1．1 超聲內窺成像系統構成 醫學(xué)超聲內窺成像系統是以微型超聲探頭為傳 感元件，由微型電機驅動(dòng)超聲探頭做360。旋轉，對 人體內腔斷層掃描成像。采用單探頭分時(shí)共用的方 法 ]，即在一定的時(shí)間內超聲探頭受到發(fā)射脈沖的 激勵，發(fā)射出超聲波，而在發(fā)射結束后它又作為接收 傳感器接收組織反射的超聲回波信號，并將其轉化 為電信號，進(jìn)行信號處理，獲得組織斷層掃描圖像。 其系統框圖(見(jiàn)圖1)。微型超聲探頭的電機前置這 一新型設計方案延長(cháng)超聲探頭的使用壽命，但是探 頭的平均發(fā)射功率較普通體外超聲探頭有所降低， 意味著(zhù)超聲信號減弱，而且電機旋轉引入高頻噪聲。 圖1 數字化醫學(xué)超聲內窺成像系統框圖
1．2 增益補償的原理 超聲在人體組織中傳播時(shí)，其強度將隨著(zhù)穿透深 度的增加而減弱。具有相同聲反射系數的組織位于不 同深度時(shí)，其回波信號幅度也不同(見(jiàn)圖2)。隨著(zhù)超聲 頻率的提高，這種衰減更為嚴重。為使超聲診斷設備 所顯示的波形幅度能正確反映組織的聲反射特眭，就 需要根據深度(即時(shí)間)的變化對超聲回波信號作不同 程度的放大，實(shí)現該功能的電路稱(chēng)為時(shí)間增益補償 (Time Gain Compensation)電路，簡(jiǎn)稱(chēng)TGC電路 。噪 聲并不具有超聲信號的衰減特眭，因而經(jīng)過(guò)增益補償 后，噪聲隨著(zhù)不同距離的增益而增大(見(jiàn)圖3)。 資助：教育部重點(diǎn)項目“醫用超聲內窺鏡關(guān)鍵技術(shù)及數字化研究(106048)” ． 增益補償前 增益補償后 圖2 超聲回波及其增益補償效果圖

2 帶通濾波器的設計
2．1 濾波方案的比較 在醫學(xué)超聲內窺成像系統中，超聲探頭中心頻率 范圍為6～10MHz，帶寬一般比較固定，回波信號較 弱，因此需要中心頻率高、品質(zhì)因數Q值較高、穩定性 強和中心頻率可調的帶通濾波電路，以濾除系統電源 引入的低頻噪聲和電機旋轉帶來(lái)的高頻噪聲。 從濾波器的電路組成來(lái)看，常用的帶通濾波器 有LC無(wú)源濾波器、RC無(wú)源濾波器、RC有源濾波器 和特殊元件(如壓電陶瓷)構成的濾波器 。LC無(wú) 源濾波器電磁輻射強，穩定性差，不宜在超聲醫療設 備中使用；RC無(wú)源濾波器損耗大通常用于精度不高 的場(chǎng)合；壓電陶瓷濾波器品質(zhì)因數高，穩定性好，但 價(jià)格昂貴調整不便，僅適用于少數頻點(diǎn)。RC有源濾 波器由RC元件與運算放大器組成，可制成低通、高 通、帶通、帶阻特性，它體積小，重量輕，品質(zhì)因數Q 較高，由于濾波器的中心頻率受運算放大器增益帶 寬的限制，在以往的應用中很難實(shí)現高頻濾波。
2．2 基于A(yíng)D8021的帶通濾波電路 AD8021是美國ADI公司生產(chǎn)的高速高精度運 算放大器，具有490MHz增益帶寬積和2．1nV／Jnz 的電壓噪聲，輸入電容為1pF，能夠很好的滿(mǎn)足超聲 內窺成像系統中帶寬和精度的要求。
2．2．1 常規帶通濾波電路 當前RC有源濾波器 設計的理論和方法比較成熟，有現成的設計方案可 供選擇，常規帶通濾波器設計的電路(見(jiàn)圖4)。 輸入信號 輸出信號 圖4 RC有源帶通濾波器 根據超聲回波信號的帶通濾波要求，確定合適 的中心頻率和帶寬。根據圖4，首先確定電容c。。 44 根據經(jīng)驗，中心頻率越高，C，越小。C，確定后，利用 公式1～3，就可以確定電路中其他參數 ]。 R=1／(2~foC ) (1) Q=fo／BW=1／(2一尺／尺，) (2) }}R =R =2R (3) 為準確地匹配超聲探頭的中心頻率，濾波電路常 設計成中心頻率和帶寬可調的方式，即在電路上采用 可變電阻，通過(guò)阻值的改變調節中心頻率和帶寬。 常規帶通濾波器的設計方法，容易生成一個(gè)自 激振蕩電路，如圖4中的線(xiàn)框所示，R：、c 、R 以及 放大器的輸入電容Ci 構成自激電路中的選頻網(wǎng)絡(luò ) 結構，當改變R 和R：的值來(lái)調整濾波電路的中心 頻率和帶寬時(shí)，電路可能發(fā)生自激振蕩。
2．2．2 改進(jìn)的帶通濾波電路常規濾波電路結構 的調試比較困難，中心頻率和電路Q(chēng)值的選取牽涉 到多個(gè)電阻電容的取值，很容易造成電路的自激，為 此設計改進(jìn)濾波電路(見(jiàn)圖5)。通過(guò)改變電路結 構，破壞自激振蕩電路形成的條件，可以在保證Q 值不變的情況下調整中心頻率的值，并且通過(guò)合理 的電路參數選擇，控制電路自激，使其能夠應用到超 聲回波增益補償系統中。改進(jìn)濾波電路中的參數計 算方法不變。 RI CI． 輸入信號—1仁] 圖5 改進(jìn)的濾波電路

3 實(shí)驗結果及分析
輸出信號 將濾波電路與超聲回波接收系統相連，系統采 用的超聲換能器所激發(fā)出的超聲波頻率為6MHz， 保留2MHz的帶寬。超聲波經(jīng)過(guò)相同的兩層反射面 得到兩個(gè)回波，回波經(jīng)過(guò)前置放大后進(jìn)入增益補償 系統。 圖6中左邊曲線(xiàn)表示的是未經(jīng)過(guò)濾波時(shí)，增益 補償后的超聲回波，從圖6看出，經(jīng)過(guò)增益補償電 路，噪聲和信號同時(shí)被放大，在圖6中只能看到第一 層回波(圓圈中所示)，第二層回波已經(jīng)被噪聲淹 沒(méi)，無(wú)法分辨；圖中右邊曲線(xiàn)表示的是經(jīng)過(guò)濾波后， 得到的超聲兩層回波，從圖上可以很容易的分辨出 超聲信號經(jīng)過(guò)增益補償后的兩層回波，與不接濾波 電路的增益補償系統相比，信噪比明顯提高。 濾波后 圖6 經(jīng)增益補償的超聲回波信號在 濾波前后的波形比較 以上分析濾波電路在超聲增益補償系統的作用， 廣州市駿凱電子科技有限公司并提出一種改進(jìn)的帶通濾波電路，該電路能夠避免傳 統帶通濾波電路容易產(chǎn)生自激振蕩的缺點(diǎn)，并將此電 路接人內窺超聲成像系統中進(jìn)行試驗。試驗結果表 明，在超聲時(shí)間增益補償系統中加人濾波電路，能夠有 效地提取有用超聲回波信號，同時(shí)抑制噪聲。 此帶通濾波電路與前置放大、增益補償電路共 同組成超聲內窺成像系統的接收系統，是一種穩定 可靠的醫學(xué)超聲內窺成像系統的前端方案。