第6讲 B超回波的接收与预处理

1、第第6讲讲 B超回波的接收与预处理超回波的接收与预处理 卢广文 南方医科大学 2008年9月 CONTENTS 超声回波的接收 前置信号放大 超声回波信号的合成 预处理电路 1 2 4 3 3 1超声回波的接收 lB超，采用多振元组合发射与接收，其电路 比较复杂，有以下几个问题需要解决： l由于多振元接收，被测介质同一介界的回声， 各振元接收到的回波之间存在相位差，必须对振 元进行移相合成。 l振元组在发射和接收时，其位置是随着扫描 位置的变化而变化的，因此接收电路与振元之间 需进行切换。 l由于采用多振元组合发射，振元组有效孔径 增大，造成近场横向分开力变差，因此需采用变 孔径技术。 l由于

2、超声在人体中随着传播距离增大，衰减 也增大，所以必须解决超声衰减的补偿问题。 l由于人体反射回波的动态范围高达100dB以 上，而一般接收显示系统的动态范围仅有 2030dB，所以必须解决回波动态范围的压缩。 l接收电路的稳定性问题。 超声接收系统的结构框图 前置放大器 l来自探头振元的信号都十分微弱，其回波幅度通 常在1030Vp-p范围内。因此对前置放大器的要 求是灵敏度高，同时要求外部干扰小，内部噪声 低。也就是说，在做到低噪声和外部干扰小的前 提下，尽可能提高放大器的增益。因为灵敏度高， 意味着探测小病灶的能力越强，意味着探测深度 越深。 l由于所接收的回波是矩形脉冲所调制的超声振荡，

3、 占据频带宽，所以要求接收放大器要有足够的带 宽，否则容易产生波形失真，从而导致纵向分辨 力下降。 接收多路转换开关 l由于采用多振元组合发射与接收，每次发 射和接收的振元只是整个阵列中的一部分。 为了减少发射和接收电路的数目，通常采 用二极管开关控制。在EUB-240型B超中， 二极管开关与发射、接收电路的连线为16 根，接收机前端共设置16路放大器。 l因此接收开关的任务就是要从前置放大器 16路输出中，选出当前有回波输出的11路， 并将其合成为6路（F0F5）输出。 可变孔径电路 l采用多振元组合发射，虽实现了动态电子 聚焦，但接收就会带来换能器有效孔径增 大的问题，孔径增大意味着近场分

4、辨力降 低。 l因此采用可变孔径接收，近场用小孔径， 中、远场用较大孔径，这样既保证了近场 分辨力不会降低，又照顾到中、远场的指 标。 相位调整 l接收多路转换开关已将11路回波对称合成 为6路（F0F5）信号，但这6路信号之间 还存在相差，以F5为基准（相关为0）相差 依次增大。 l要实现同相合成必须以F0为基准，根据先 到达的等后来的原则进行调整。 增益控制和动态滤波 l由于超声波在人体组织中传播时，必然会 产生反射和吸收等能量损失。时间增益控 制（Time Gain Control，TGC）就是补偿 回波因探测深度的增加（或工作频率的更 换）而造成的衰减。而动态滤波是为了把 有诊断价值的

5、回波提取出，而滤除近场过 强的低频和深部的高频干扰。 对数放大器 lTGC已将回波从100110dB压缩到 4060dB，这是第一次压缩，而对数放大 器是对回波信号进行第二次压缩，即对数 放大器把60dB的动态范围再压缩到30dB以 内，使之能与显像管的视放可辨范围 （2026dB）相“吻合”，使所显示的图 像层次更加丰富，表现力更强。 检波器 l由于回波是矩形脉冲调制的超声振荡，检 波器的任务就是要将高频（3.5MHZ或 5MHZ）的回波转换（解调）为视频信号输 出。 l8勾边电路 l为了突出图像的轮廓，使之便于识别和测 量，采用勾边（边缘增强）电路即达到此 目的。 2前置信号放大 l该电路

6、增益约为7倍（17dB）电路特点为： l为使前置放大器与后级延迟线的低输入阻抗 相匹配，前置放大器采用低输出阻抗的射极跟随 器输出。 l为提高电路的稳定性，R62对输入级引深度 负反馈。 l二极管D33、D34组成双向限幅（其限幅电平 约为0.6V），这是为了防止过强信号输入时， 放大器产生饱和。 l采用高电压供电（总供电压为5+15=20V）， 使获得大的动态范围（TR20动态范围可达15V）。 l电路采用集成运算放大器H724B01，具有较大的 输入动态范围，采用双电压供电，电路稳定性高， 增益可由VR1调节，其增益为24dB。 3超声回波信号的合成 l在对超声回波进行接收处理时，应考虑超

7、 声回波信号是来自各个不同深度的区域。 l为了保证能够同时处理回波，就需要一个 超声回波信号的合成 。 （1）回波合成直接合成法 二步合成法 （2）接收多路转换开关 （ 3）可变孔径电路 l多振元组合发射实现了动态电子聚焦，但采用多 振元组合发射、接收就会带来换能器有效孔径增 大的问题，孔径增大意味着近场分辨力降低。实 现可变孔径的方法是： l在接收过程中，对于近场为缩小孔径（即提高分辨 力），接收用较少的振元投入工作； l对于中场，为适当扩大孔径，则用比近场较多一点的 振元投入工作； l对于远场为扩大孔径则接收用较多的振元投入工作。 l随着探测深度的增加，分段增加接收振元的工作， 从而达到由

8、浅至深分段增大孔径，既照顾到近场， 也照顾到中、远场，使近、中和远场都有较好的 横向分辨力 孔径电路 l它是由三路受模拟调制分离器（MXIC）控制的二 极管开关组成。MXIC的功能类似于一个乒乓开关。 lX是受控端，A为控制端。X接通X0（8V），还 接通X（-8V），由A端的输入信号AP0所控制。 l当A端为低电平时，X端与X0接通，当A端为高电 平时，X端与X1接通。而A端电平高低又控制二极 管D33是正偏导通，还是反偏截止。 l如果正偏导通，则可变孔径电路F0通路有脉冲输 出；若反偏截止，则可变孔径电路F0通路无脉冲 输出，从而达到改变孔径的目的。 A X端与谁 接通？ X值？ 二极管D

9、33 状态 F0通路有无脉冲 输出？ 孔径变 化 L X与X0接 通 X=+8V正偏导通输出脉冲 孔径增 大 H X与X1接 通 X=-8V反偏截止无脉冲输出 孔径缩 小 （4）接收相位调整电路 l接收相位调整是二步合成法中的最后一步 l第二步，它实质上是发射聚焦的解焦 电路。按理说只要根据发射焦点数据，对 各振元接收的回波信号进行相位调整，使 之最终完成同相合成就行了。 探头工探头工 作频率作频率 进入调相电路信号的延时量进入调相电路信号的延时量(ns) 孔径孔径 大小大小 焦点焦点 焦距焦距 (mm) F5F4F3F2F1F0 3.5MHz N320002402101200-7 M5000

10、12702402101200-9 F175010270270240180100011 F214001115015012010060011 5MHz N2010012090600-7 M3210112012090600-9 F14211015015012018060011 F21001116060604020011 FCN 2 FCN 1 FCN 0 FCN 4预处理电路 （1）问题的提出 l1动态范围 l超声反射回波信号动态范围达120dB，产生的原因主要有二： l超声在传播过程中的衰减，即处在不同深度上反射回波信号由于 衰减量不同造成回波信号幅度差异很大； l同距离上反射目标，由于反射系数不

11、同造成反射回波信号幅度差 异很大。 l对第一种情况可设计放大器，其增益随着穿透深度的增加而增加，即 TGC电路，对第二种情况采用对数放大器进行压缩。 l2工作频率 l工作频率越高，衰减越大，发射信号频谱的中心频率随探测深度增加 而下移，需要采用动态滤波来解决。 l3高频载波 l反射回波中包含高频载波成分，需要用检波电路得到需要的反射回波 幅度信息。 l4边界 l对反射源的边界需要用勾边电路来突出，以便于测量。 （2）TGC电路 l实现深度增益补偿的意义 l时间增益补偿的原理，实质上是要求动态地提供增益控制， TGC电路提供一个随时间而变的，能跟踪所预期的回波信 号的控制电压，来控制放大器的增益

12、。 l近距离处，增益大，远距离处，增益少。 l实现TGC的方法有二： l可在周期性信号的控制下，改变射频放大器 的反馈或偏置； l在控制信号的作用下，使衰减量作周期性改 变的电控衰减器串入射频放大器通道中。 l（1）改变放大器的反馈或偏置，如图5-15所示。 l（2）电控衰减器：将含有二极管、三极管或场效 应管的网络，接入放大器回路中，通过改变二极 管，三极管或场效应管的偏置状态，来改变它的 阻抗，起到衰减作用，这种网络称为电控衰减器 改变放大器的反馈或偏置 电控衰减器 l3控制电压发生器 （3）动态滤波 l定义 l所谓动态滤波，其实就是一个频率可控的 选频网络，从医学角度讲，就是通过动态 滤

13、波把有诊断价值的回波提取出来，而滤 除近场的过强低频成分和深部的高频干扰。 l实现方法 l动态滤波电路利用变容二极管的结电容随其反偏 电压的增大而减小，从而改变了选频网络的频率。 l在探测浅表段，反偏电压高，则结电容小，选频 网络谐振频率高。 l随着探测深度的增加控制反偏电压减小，则结电 容随探测深度的增加而逐渐变大，选频网络的频 率降低。 l因此选频网络槽路特性逐渐由高通转低通，从而 达到了动态滤波的目的。 l又称“可变电抗二极管”。是一种利用pn结电容 （势垒电容)与其反向偏置电压Vr的依赖关系及原 理制成的二极管。所用材料多为硅或砷化镓单晶， 并采用外延工艺技术。反偏电压愈大，则结电容

14、愈小。变容二极管具有与衬底材料电阻率有关的 串联电阻。 l主要参量是：零偏结电容、零偏压优值、反向击 穿电压、中心反向偏压、标称电容、电容变化范 围（以皮法为单位）以及截止频率等， l对于不同用途，应选用不同C和Vr特性的变容m极 管，如有专用于谐振电路调谐的电调变容二极管、 适用于参放的参放变容二极管以及用于固体功率 源中倍频、移相的功率阶跃变容二极管等。 日立EUB-240型B超仪中的DF电压发生器 具有增益控制和动态滤波的放大器 （4）对数放大器 l对数放大器就是用于对信号实施对数压缩的这样一种非线 性放大器 l超声回波信号的动态范围可达100dB以上，甚至可达 120dB。在这一动态范

15、围中： l由于界面声阻抗差异引起的动态范围为20dB。 l声与界面成不同角度的“对准效应”产生的动态范围为30dB。 l超声衰减产生的动态范围为1dB/cmMHz。 lTV显像管显示的有效动态范围为2026dB，与超声回波 信号的动态范围差别甚大。如果简单地将超声回波信号直 接通过TV显示，不仅不能获得对原幅度的不同显示，还 将在强信号时出现孔阑效应，以至强信号一片模糊，而弱 信号星星点点，使有价值的信息丢失。为此必须通过对数 压缩来均衡这种差异。 l对数放大器分为：真对数放大器和似对数 放大器。 l（1）真对数放大器：其输出输入电压间成 严格的对数关系。二极管、三极管都是真 对数器件，但动态范围小。B超中不能用。 l（2）似对数放大器：依多致直线或曲线相 加的方法来逼进对数函数的原理，采用高 级单元放大器相加构成的对数放大器称为 似对数放大器。 对数放大器集成芯片TL441 TL441的一种应用方式 EUB-240 B超对数放大器电路及其对数特性曲线 （5）检波电路 l检波就是调制的反过程解调. l在无线电技术中 l将音频信号或视频信号加到高频信号(无线 电波)上叫调制。 l将音频信号或视频信号从高频信号(无线电 波)中分离出来叫解调也叫检波。 （6）勾边电路 l在图像处理