第6講 B超回波的接收與預(yù)處理

第6講

B超回波的接收與預(yù)處理

盧廣文南方醫(yī)科大學(xué)2008年9月

2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六2CONTENTS超聲回波的接收前置信號(hào)放大超聲回波信號(hào)的合成預(yù)處理電路124332008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六31超聲回波的接收B超，采用多振元組合發(fā)射與接收，其電路比較復(fù)雜，有以下幾個(gè)問(wèn)題需要解決：2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六4①由于多振元接收，被測(cè)介質(zhì)同一介界的回聲，各振元接收到的回波之間存在相位差，必須對(duì)振元進(jìn)行移相合成。②振元組在發(fā)射和接收時(shí)，其位置是隨著掃描位置的變化而變化的，因此接收電路與振元之間需進(jìn)行切換。③由于采用多振元組合發(fā)射，振元組有效孔徑增大，造成近場(chǎng)橫向分開(kāi)力變差，因此需采用變孔徑技術(shù)。④由于超聲在人體中隨著傳播距離增大，衰減也增大，所以必須解決超聲衰減的補(bǔ)償問(wèn)題。⑤由于人體反射回波的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)100dB以上，而一般接收顯示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍僅有20~30dB，所以必須解決回波動(dòng)態(tài)范圍的壓縮。⑥接收電路的穩(wěn)定性問(wèn)題。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六5超聲接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六6前置放大器來(lái)自探頭振元的信號(hào)都十分微弱，其回波幅度通常在10~30μVp-p范圍內(nèi)。因此對(duì)前置放大器的要求是靈敏度高，同時(shí)要求外部干擾小，內(nèi)部噪聲低。也就是說(shuō)，在做到低噪聲和外部干擾小的前提下，盡可能提高放大器的增益。因?yàn)殪`敏度高，意味著探測(cè)小病灶的能力越強(qiáng)，意味著探測(cè)深度越深。由于所接收的回波是矩形脈沖所調(diào)制的超聲振蕩，占據(jù)頻帶寬，所以要求接收放大器要有足夠的帶寬，否則容易產(chǎn)生波形失真，從而導(dǎo)致縱向分辨力下降。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六7接收多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)由于采用多振元組合發(fā)射與接收，每次發(fā)射和接收的振元只是整個(gè)陣列中的一部分。為了減少發(fā)射和接收電路的數(shù)目，通常采用二極管開(kāi)關(guān)控制。在EUB-240型B超中，二極管開(kāi)關(guān)與發(fā)射、接收電路的連線為16根，接收機(jī)前端共設(shè)置16路放大器。因此接收開(kāi)關(guān)的任務(wù)就是要從前置放大器16路輸出中，選出當(dāng)前有回波輸出的11路，并將其合成為6路（F0~F5）輸出。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六8可變孔徑電路采用多振元組合發(fā)射，雖實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)電子聚焦，但接收就會(huì)帶來(lái)?yè)Q能器有效孔徑增大的問(wèn)題，孔徑增大意味著近場(chǎng)分辨力降低。因此采用可變孔徑接收，近場(chǎng)用小孔徑，中、遠(yuǎn)場(chǎng)用較大孔徑，這樣既保證了近場(chǎng)分辨力不會(huì)降低，又照顧到中、遠(yuǎn)場(chǎng)的指標(biāo)。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六9相位調(diào)整接收多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)已將11路回波對(duì)稱合成為6路（F0~F5）信號(hào)，但這6路信號(hào)之間還存在相差，以F5為基準(zhǔn)（相關(guān)為0）相差依次增大。要實(shí)現(xiàn)同相合成必須以F0為基準(zhǔn)，根據(jù)先到達(dá)的等后來(lái)的原則進(jìn)行調(diào)整。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六10增益控制和動(dòng)態(tài)濾波由于超聲波在人體組織中傳播時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生反射和吸收等能量損失。時(shí)間增益控制（TimeGainControl，TGC）就是補(bǔ)償回波因探測(cè)深度的增加（或工作頻率的更換）而造成的衰減。而動(dòng)態(tài)濾波是為了把有診斷價(jià)值的回波提取出，而濾除近場(chǎng)過(guò)強(qiáng)的低頻和深部的高頻干擾。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六11對(duì)數(shù)放大器TGC已將回波從100~110dB壓縮到40~60dB，這是第一次壓縮，而對(duì)數(shù)放大器是對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行第二次壓縮，即對(duì)數(shù)放大器把60dB的動(dòng)態(tài)范圍再壓縮到30dB以內(nèi)，使之能與顯像管的視放可辨范圍（20~26dB）相“吻合”，使所顯示的圖像層次更加豐富，表現(xiàn)力更強(qiáng)。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六12檢波器由于回波是矩形脈沖調(diào)制的超聲振蕩，檢波器的任務(wù)就是要將高頻（3.5MHZ或5MHZ）的回波轉(zhuǎn)換（解調(diào)）為視頻信號(hào)輸出。8．勾邊電路為了突出圖像的輪廓，使之便于識(shí)別和測(cè)量，采用勾邊（邊緣增強(qiáng)）電路即達(dá)到此目的。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六132前置信號(hào)放大2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六14該電路增益約為7倍（17dB）電路特點(diǎn)為：①為使前置放大器與后級(jí)延遲線的低輸入阻抗相匹配，前置放大器采用低輸出阻抗的射極跟隨器輸出。②為提高電路的穩(wěn)定性，R62對(duì)輸入級(jí)引深度負(fù)反饋。③二極管D33、D34組成雙向限幅（其限幅電平約為±0.6V），這是為了防止過(guò)強(qiáng)信號(hào)輸入時(shí)，放大器產(chǎn)生飽和。④采用高電壓供電（總供電壓為5+15=20V），使獲得大的動(dòng)態(tài)范圍（TR20動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)15V）。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六15電路采用集成運(yùn)算放大器H724B01，具有較大的輸入動(dòng)態(tài)范圍，采用雙電壓供電，電路穩(wěn)定性高，增益可由VR1調(diào)節(jié)，其增益為24dB。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六163超聲回波信號(hào)的合成在對(duì)超聲回波進(jìn)行接收處理時(shí)，應(yīng)考慮超聲回波信號(hào)是來(lái)自各個(gè)不同深度的區(qū)域。為了保證能夠同時(shí)處理回波，就需要一個(gè)超聲回波信號(hào)的合成。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六17（1）回波合成－直接合成法2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六18二步合成法2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六19（2）接收多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六202008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六212008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六22（3）可變孔徑電路多振元組合發(fā)射實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)電子聚焦，但采用多振元組合發(fā)射、接收就會(huì)帶來(lái)?yè)Q能器有效孔徑增大的問(wèn)題，孔徑增大意味著近場(chǎng)分辨力降低。實(shí)現(xiàn)可變孔徑的方法是：在接收過(guò)程中，對(duì)于近場(chǎng)為縮小孔徑（即提高分辨力），接收用較少的振元投入工作；對(duì)于中場(chǎng)，為適當(dāng)擴(kuò)大孔徑，則用比近場(chǎng)較多一點(diǎn)的振元投入工作；對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)為擴(kuò)大孔徑則接收用較多的振元投入工作。隨著探測(cè)深度的增加，分段增加接收振元的工作，從而達(dá)到由淺至深分段增大孔徑，既照顧到近場(chǎng)，也照顧到中、遠(yuǎn)場(chǎng)，使近、中和遠(yuǎn)場(chǎng)都有較好的橫向分辨力2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六232008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六242008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六25孔徑電路2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六26它是由三路受模擬調(diào)制分離器（MXIC）控制的二極管開(kāi)關(guān)組成。MXIC的功能類似于一個(gè)乒乓開(kāi)關(guān)。X是受控端，A為控制端。X接通X0（＋8V），還接通X１（-8V），由A端的輸入信號(hào)AP0所控制。當(dāng)A端為低電平時(shí)，X端與X0接通，當(dāng)A端為高電平時(shí)，X端與X1接通。而A端電平高低又控制二極管D33是正偏導(dǎo)通，還是反偏截止。如果正偏導(dǎo)通，則可變孔徑電路F0通路有脈沖輸出；若反偏截止，則可變孔徑電路F0通路無(wú)脈沖輸出，從而達(dá)到改變孔徑的目的。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六27AX端與誰(shuí)接通？X值？二極管D33狀態(tài)F0通路有無(wú)脈沖輸出？孔徑變化LX與X0接通X=+8V正偏導(dǎo)通輸出脈沖孔徑增大HX與X1接通X=-8V反偏截止無(wú)脈沖輸出孔徑縮小2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六282008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六292008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六30（4）接收相位調(diào)整電路接收相位調(diào)整是二步合成法中的最后一步——第二步，它實(shí)質(zhì)上是發(fā)射聚焦的解焦電路。按理說(shuō)只要根據(jù)發(fā)射焦點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)各振元接收的回波信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整，使之最終完成同相合成就行了。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六312008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六32探頭工作頻率進(jìn)入調(diào)相電路信號(hào)的延時(shí)量(ns)孔徑大小焦點(diǎn)焦距(mm)F5F4F3F2F1F03.5MHzN320002402101200--7M500012702402101200-9F175010270270240180100011F2140011150150120100600115MHzN2010012090600--7M3210112012090600-9F14211015015012018060011F210011160606040200112008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六334預(yù)處理電路2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六34（1）問(wèn)題的提出1．動(dòng)態(tài)范圍超聲反射回波信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍達(dá)120dB，產(chǎn)生的原因主要有二：①超聲在傳播過(guò)程中的衰減，即處在不同深度上反射回波信號(hào)由于衰減量不同造成回波信號(hào)幅度差異很大；②同距離上反射目標(biāo)，由于反射系數(shù)不同造成反射回波信號(hào)幅度差異很大。對(duì)第一種情況可設(shè)計(jì)放大器，其增益隨著穿透深度的增加而增加，即TGC電路，對(duì)第二種情況采用對(duì)數(shù)放大器進(jìn)行壓縮。2．工作頻率工作頻率越高，衰減越大，發(fā)射信號(hào)頻譜的中心頻率隨探測(cè)深度增加而下移，需要采用動(dòng)態(tài)濾波來(lái)解決。3．高頻載波反射回波中包含高頻載波成分，需要用檢波電路得到需要的反射回波幅度信息。4．邊界對(duì)反射源的邊界需要用勾邊電路來(lái)突出，以便于測(cè)量。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六35（2）TGC電路實(shí)現(xiàn)深度增益補(bǔ)償?shù)囊饬x時(shí)間增益補(bǔ)償?shù)脑?，?shí)質(zhì)上是要求動(dòng)態(tài)地提供增益控制，TGC電路提供一個(gè)隨時(shí)間而變的，能跟蹤所預(yù)期的回波信號(hào)的控制電壓，來(lái)控制放大器的增益。近距離處，增益大，遠(yuǎn)距離處，增益少。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六36實(shí)現(xiàn)TGC的方法有二：①可在周期性信號(hào)的控制下，改變射頻放大器的反饋或偏置；②在控制信號(hào)的作用下，使衰減量作周期性改變的電控衰減器串入射頻放大器通道中。（1）改變放大器的反饋或偏置，如圖5-15所示。（2）電控衰減器：將含有二極管、三極管或場(chǎng)效應(yīng)管的網(wǎng)絡(luò)，接入放大器回路中，通過(guò)改變二極管，三極管或場(chǎng)效應(yīng)管的偏置狀態(tài)，來(lái)改變它的阻抗，起到衰減作用，這種網(wǎng)絡(luò)稱為電控衰減器2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六37改變放大器的反饋或偏置電控衰減器2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六383．控制電壓發(fā)生器2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六39（3）動(dòng)態(tài)濾波定義所謂動(dòng)態(tài)濾波，其實(shí)就是一個(gè)頻率可控的選頻網(wǎng)絡(luò)，從醫(yī)學(xué)角度講，就是通過(guò)動(dòng)態(tài)濾波把有診斷價(jià)值的回波提取出來(lái)，而濾除近場(chǎng)的過(guò)強(qiáng)低頻成分和深部的高頻干擾。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六40實(shí)現(xiàn)方法動(dòng)態(tài)濾波電路利用變?nèi)荻O管的結(jié)電容隨其反偏電壓的增大而減小，從而改變了選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率。在探測(cè)淺表段，反偏電壓高，則結(jié)電容小，選頻網(wǎng)絡(luò)諧振頻率高。隨著探測(cè)深度的增加控制反偏電壓減小，則結(jié)電容隨探測(cè)深度的增加而逐漸變大，選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率降低。因此選頻網(wǎng)絡(luò)槽路特性逐漸由高通轉(zhuǎn)低通，從而達(dá)到了動(dòng)態(tài)濾波的目的。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六41又稱“可變電抗二極管”。是一種利用pn結(jié)電容（勢(shì)壘電容)與其反向偏置電壓Vr的依賴關(guān)系及原理制成的二極管。所用材料多為硅或砷化鎵單晶，并采用外延工藝技術(shù)。反偏電壓愈大，則結(jié)電容愈小。變?nèi)荻O管具有與襯底材料電阻率有關(guān)的串聯(lián)電阻。主要參量是：零偏結(jié)電容、零偏壓優(yōu)值、反向擊穿電壓、中心反向偏壓、標(biāo)稱電容、電容變化范圍（以皮法為單位）以及截止頻率等，對(duì)于不同用途，應(yīng)選用不同C和Vr特性的變?nèi)輒極管，如有專用于諧振電路調(diào)諧的電調(diào)變?nèi)荻O管、適用于參放的參放變?nèi)荻O管以及用于固體功率源中倍頻、移相的功率階躍變?nèi)荻O管等。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六422008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六432008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六44日立EUB-240型B超儀中的DF電壓發(fā)生器2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六45具有增益控制和動(dòng)態(tài)濾波的放大器2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六46（4）對(duì)數(shù)放大器對(duì)數(shù)放大器就是用于對(duì)信號(hào)實(shí)施對(duì)數(shù)壓縮的這樣一種非線性放大器超聲回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)100dB以上，甚至可達(dá)120dB。在這一動(dòng)態(tài)范圍中：①由于界面聲阻抗差異引起的動(dòng)態(tài)范圍為20dB。②聲與界面成不同角度的“對(duì)準(zhǔn)效應(yīng)”產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)范圍為30dB。③超聲衰減產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)范圍為1dB/cm·MHz。TV顯像管顯示的有效動(dòng)態(tài)范圍為20~26dB，與超聲回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍差別甚大。如果簡(jiǎn)單地將超聲回波信號(hào)直接通過(guò)TV顯示，不僅不能獲得對(duì)原幅度的不同顯示，還將在強(qiáng)信號(hào)時(shí)出現(xiàn)孔闌效應(yīng)，以至強(qiáng)信號(hào)一片模糊，而弱信號(hào)星星點(diǎn)點(diǎn)，使有價(jià)值的信息丟失。為此必須通過(guò)對(duì)數(shù)壓縮來(lái)均衡這種差異。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六47對(duì)數(shù)放大器分為：真對(duì)數(shù)放大器和似對(duì)數(shù)放大器。（1）真對(duì)數(shù)放大器：其輸出輸入電壓間成嚴(yán)格的對(duì)數(shù)關(guān)系。二極管、三極管都是真對(duì)數(shù)器件，但動(dòng)態(tài)范圍小。B超中不能用。（2）似對(duì)數(shù)放大器：依多致直線或曲線相加的方法來(lái)逼進(jìn)對(duì)數(shù)函數(shù)的原理，采用高級(jí)單元放大器相加構(gòu)成的對(duì)數(shù)放大器稱為似對(duì)數(shù)放大器。2008-9醫(yī)學(xué)超聲儀器原理－之六482008-9