第6讲 B超回波的接收与预处理

第6讲

B超回波的接收与预处理

卢广文南方医科大学2008年9月

2008-9医学超声仪器原理－之六2CONTENTS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124332008-9医学超声仪器原理－之六31超声回波的接收B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：2008-9医学超声仪器原理－之六4①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。②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。③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。④由于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。⑤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20~30dB，所以必须解决回波动态范围的压缩。⑥接收电路的稳定性问题。2008-9医学超声仪器原理－之六5超声接收系统的结构框图2008-9医学超声仪器原理－之六6前置放大器来自探头振元的信号都十分微弱，其回波幅度通常在10~30μVp-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。由于所接收的回波是矩形脉冲所调制的超声振荡，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。2008-9医学超声仪器原理－之六7接收多路转换开关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。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（F0~F5）输出。2008-9医学超声仪器原理－之六8可变孔径电路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辨力降低。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。2008-9医学超声仪器原理－之六9相位调整接收多路转换开关已将11路回波对称合成为6路（F0~F5）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。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。2008-9医学超声仪器原理－之六10增益控制和动态滤波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（TimeGainControl，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回波提取出，而滤除近场过强的低频和深部的高频干扰。2008-9医学超声仪器原理－之六11对数放大器TGC已将回波从100~110dB压缩到40~60dB，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（20~26dB）相“吻合”，使所显示的图像层次更加丰富，表现力更强。2008-9医学超声仪器原理－之六12检波器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。8．勾边电路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。2008-9医学超声仪器原理－之六132前置信号放大2008-9医学超声仪器原理－之六14该电路增益约为7倍（17dB）电路特点为：①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。②为提高电路的稳定性，R62对输入级引深度负反馈。③二极管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。④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）。2008-9医学超声仪器原理－之六15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。2008-9医学超声仪器原理－之六163超声回波信号的合成在对超声回波进行接收处理时，应考虑超声回波信号是来自各个不同深度的区域。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。2008-9医学超声仪器原理－之六17（1）回波合成－直接合成法2008-9医学超声仪器原理－之六18二步合成法2008-9医学超声仪器原理－之六19（2）接收多路转换开关2008-9医学超声仪器原理－之六202008-9医学超声仪器原理－之六212008-9医学超声仪器原理－之六22（3）可变孔径电路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：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；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；对于远场为扩大孔径则接收用较多的振元投入工作。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2008-9医学超声仪器原理－之六232008-9医学超声仪器原理－之六242008-9医学超声仪器原理－之六25孔径电路2008-9医学超声仪器原理－之六26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。X是受控端，A为控制端。X接通X0（＋8V），还接通X１（-8V），由A端的输入信号AP0所控制。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。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。2008-9医学超声仪器原理－之六27AX端与谁接通？X值？二极管D33状态F0通路有无脉冲输出？孔径变化LX与X0接通X=+8V正偏导通输出脉冲孔径增大HX与X1接通X=-8V反偏截止无脉冲输出孔径缩小2008-9医学超声仪器原理－之六282008-9医学超声仪器原理－之六292008-9医学超声仪器原理－之六30（4）接收相位调整电路接收相位调整是二步合成法中的最后一步——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。2008-9医学超声仪器原理－之六312008-9医学超声仪器原理－之六32探头工作频率进入调相电路信号的延时量(ns)孔径大小焦点焦距(mm)F5F4F3F2F1F03.5MHzN320002402101200--7M500012702402101200-9F175010270270240180100011F2140011150150120100600115MHzN2010012090600--7M3210112012090600-9F14211015015012018060011F210011160606040200112008-9医学超声仪器原理－之六334预处理电路2008-9医学超声仪器原理－之六34（1）问题的提出1．动态范围超声反射回波信号动态范围达120dB，产生的原因主要有二：①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；②同距离上反射目标，由于反射系数不同造成反射回波信号幅度差异很大。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。2．工作频率工作频率越高，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。3．高频载波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。4．边界对反射源的边界需要用勾边电路来突出，以便于测量。2008-9医学超声仪器原理－之六35（2）TGC电路实现深度增益补偿的意义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。近距离处，增益大，远距离处，增益少。2008-9医学超声仪器原理－之六36实现TGC的方法有二：①可在周期性信号的控制下，改变射频放大器的反馈或偏置；②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。（1）改变放大器的反馈或偏置，如图5-15所示。（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2008-9医学超声仪器原理－之六37改变放大器的反馈或偏置电控衰减器2008-9医学超声仪器原理－之六383．控制电压发生器2008-9医学超声仪器原理－之六39（3）动态滤波定义所谓动态滤波，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。2008-9医学超声仪器原理－之六40实现方法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。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。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。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。2008-9医学超声仪器原理－之六41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，则结电容愈小。变容二极管具有与衬底材料电阻率有关的串联电阻。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，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。2008-9医学超声仪器原理－之六422008-9医学超声仪器原理－之六432008-9医学超声仪器原理－之六44日立EUB-240型B超仪中的DF电压发生器2008-9医学超声仪器原理－之六45具有增益控制和动态滤波的放大器2008-9医学超声仪器原理－之六46（4）对数放大器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。在这一动态范围中：①由于界面声阻抗差异引起的动态范围为20dB。②声与界面成不同角度的“对准效应”产生的动态范围为30dB。③超声衰减产生的动态范围为1dB/cm·MHz。TV显像管显示的有效动态范围为20~26dB，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。2008-9医学超声仪器原理－之六47对数放大器分为：真对数放大器和似对数放大器。（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。（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。2008-9医学超声仪器原理－之六482008-9