（测试计量技术及仪器专业论文）usb接口超声多普勒血流仪pc外置盒.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 本文介绍了通过u s b 接口配接p c 机的血液流速测量装置。该装置是基于连续波超 声多普勒效应原理而设计的目前，超声多普勒技术已成为无损诊断血管疾病的一种重 要手段。血细胞就是血液中的散射体，它们随血流一起运动，因此，它的运动速度代表 着血流的流速。当用多普勒效应原理来测定血液流速时，实际上是通过测定血细胞的多 普勒频移，利用多普勒方程计算出血细胞的运动速度。 多普勒仪器测量血流特性的性能不仅与仪器本身的物理特性有关，而且和所使用的 信号分析技术密切相关。本文主要包括如下部分：超声信号的发射与接收、模拟信号处 理、对模拟信号进行采样及a d 转换、a 跚芯片的使用、采样信号的u s b 传输、数字信 号处理、频谱图的显示和数据显示。前端模拟信号处理包括放大、带通滤波、混频、低 通滤波等步骤。对模拟信号的处理保证了a d 转换器可以采到频率稳定，幅值适中的信 号，为后续一系列处理提供了可靠的前提保障。通过对数字信号的处理，如f f t 变换、 加权平均等算法的应用，提高了信号处理的速度及精度。文中还简单地介绍了有关u s b 接口的基础知识，给出了u s b 控制器的程序流程图，并且针对本仪器要实现的功能，给 出了p c 机端的设备驱动程序开发过程及一个专用的控制及显示界面。 相对于传统专用的超声多普勒血流测量仪器，该系统采用带u s b 接口的a 跚处理器， 做成标准p c 机u s b 接口的外置设备形式，仪器虚拟化，可降低成本，提高灵活性。通过 p c 机的软件升级，可不断改进功能，配接笔记本电脑可增强便携性。如对该课题进行进 一步的深入研究，应有一定的应用前景。 关键词：超声多普勒，流速测量，频谱分析 旦塑矍旦塑主童苎墅坐堕堡鉴! ! 亘垒 t h e d e s i g n o f u l t r 略o u n dd o p p l e rb i o o df l o ws p e e dd e 忙c t o r w i t l a n u s b i n t e r e a b s l “l c t 1 1 1 i s p a p e rs i 鲥丘c a n 廿y d i 鲫l s s c s a b l o o d n o w 叩c c dd 蝴谢t l l 锄u s b i n l 舭t h 砒 啪c o m m u n i c 锄e 、】l ，i mt h cp cd i r e c t l y t h e 如c e c t o rc 趾i m i k el l o ft l l ec o n v 删伽i a l u l 嘶岫d d o p p l e rs b i f is i 酬t o 础e c t 恤s p e c d o f n o w a t 删t l l cu l a 删d 0 p p l c r t e c b n i c a ih ：c ) 埘i 器o n eo f t h e 脚s ti m p o r t a n tw a y s 如r 血咖t od i a 掣1 0 t h ed i s e a o f b l o o d v e s 1 a s w ea l l 姗b l o o d c o 叩u s c l e i s t h c d i 删o n j n 血e b l o o l d ，w e c a ng e t t h e 删 o f l e n 0 0 d b y m e 札w e w 咀t t o l 【i l o w t h e s p e c d o f t h cb l o o d w e 伽c a l c u l 砒e t h e s p e c d o f t h e b l o o dc o r p u s c l e 丘l 锄t l i el l l 昀s 0 忸l dd o p p l c r 麟p r e s s i o n s 1 1 嵋p c r f o 彻a n c eo f l l l ed e 钯咖ri s t 伽崎l i 嚣0 n1 h ed e t i 蔽o r s 舯叩e r t y ，b l i ta l s o 咒s t s 诚t h 也et e i 灿血畔w ed i s p o s m gt h cs i 驴a l1 艟m 咖d e s i 口c ri n c l l l d 鹧h i 曲丘e q u e i l c y 锄l i s s i o n 锄dr e c e i v i i 强d i s p o s u o f 觚a l o gs i g 【l a 王s c o n v 粥i o nb e c w e a i l a l o ga n dd i 舀t a l s i 刚s ，u o fa r m ，仃锄湖i s 如no fd i g 眦葫刚sw i mu s b ，d i s p o s 峨o fd i g 砌s i 粤埔1 s ， a n d 协c 硫a n ds o 帆md i 驯嘴o f 姗砌锄l o gs i 吣c 0 蛐s i 刚 m a 鲥胸g ，b a n dp a 鹞五i t s i 扣a ln l i x t u r e ，l o wp a s sf i l t e f 觚d o n 州c hc a nn l a k et h e s i g r l a l 矗w u e n c ym o r es t e a d i l y 锄d 砖v a l m o 坞s i | i t a b l e w 1 1 i l el h ed i s p o s u o fd i g i t a l s i 刚s 鼬鹤f f ra n d 嘶蝴a v 嘴e 枇锄m a k c 恤d i 啊滁f 妇a n d m o a c c u m l c t h 雠粥a l s 0 m 础i n g a b o m u s b i n n l i sp a l 埘j l l s t l 妇m c 咖咖l o f 龇p r o g r a m f i o wc h a l ，l l l ed e 、，i c ed m 盯e x p l o i t a l i o n 锄d o n c 0 畔t 0 1 h e 缸a d i t i o n m h u g c 锄d s p e c i a l 蛐，m e 删啡d c ! 删i 1 1 吐1 i s p a p 髓 u s e st l 艟a r m 雒t h em c uw h i c h 唧1 t a i l l s 锄u s bi i i t e 】旺h t l l 缸c 锄m a k el l l em i c r o c l l i p c o 删i l i c a l e 诵t l lt 量圮c o m p u e rm o 佗印e c d i l ya n dn 咖l y s oi ti sm 哦s m a n p c 舶l ea i 】d 沈阳工业大学硕士学位论文 a l s o m o r ec h e a p t l l 锄t l l e 触o n c t 1 1 i sd 晰c c 咖妇p r o v e i t s f 0 埘删o nb yu p 吐吐1 1 9 t h e s o f 蛔a r em l 蛐肋t a r i l y i t i s 锄a n ，以a c t a n dc 趾b e 删嘶d e l y i i l 协e k e yw o r d s ：u l 仃鹬。蚰dd o p p i e r ，n o ws p e e dd n e c t i 咖，f r e q u 姐c ya n a l y s i s i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：起；他日期：& 护7 ? - “ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 么篚 导师躲啦眺么里芝五么 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 最近几十年来，超声无损检测技术得到了迅速的发展。这主要体现在两个方面：一是 各种超声检测技术和新方法的研究得到了很大进展，有些已在走向实用阶段；二是超声检 测设备在自动测量，智能化和成像技术方面获得长足的进步。医学超声诊断技术产生于2 0 世纪4 0 年代，其发展主要依赖于声学原理、探头技术、电子电路、计算机技术、实验研 究及临床应用的紧密配合。由于其操作无创伤及对患者无电离辐射损伤而深得医学界推 崇。目前多普勒超声诊断技术已成为观察心血管系统和其他系统脏器血液循环情况必不可 少的工具，其在仪器性能开发和临床应用方面还处于蓬勃发展的阶段。 1 1 超声检测技术简史 1 8 4 2 年，多普勒解出了速度与音高的数学关系，并通过火车头以不同的速度来回拖着 平板车运动而成功地验证了这个关系。吹号手在平板车上吹出各种音调，在地面上，具有 绝对音高感的音乐家记录火车经过时的声音变化。因此，这种音高变化被称为多普勒效应。 在2 0 世纪七八十年代，由于超声全息、回波频谱分析、超声探头、大规模集成电路 以及计算机技术的迅速发展，使得数字化、自动化、智能化超声检测和超声成像技术变成 了热点。另一方面，由于各种新型材料，特别是高性能功能材料的发展( 如先进复合材料、 功能陶瓷材科、微电子材料等) ，使得超声检测广泛地用于材料的物质评价和工程寿命评 估，超声检测技术与断裂力学和材料间发生了更加深入密切的联系，在工业领域中得到广 泛地应用【”。在医学方面。从显示解剖结构的黑白超声显像技术发展到可以显示动态血流 的频谱和彩色多普勒技术，是超声诊断乃至医学影像技术的一次革命。 1 2 研究医学超声检测技术的意义 超声波是一种高频变化的压力波，频率超过2 0 l h z ( 诊断用超声超过1 m h z ) 在体内 传播时，因组织间声特性阻抗差别而产生散射、反射，因界面两侧声速差别而产生折射、 全反射、回声失落、侧后声影等。上述现象所形成的声像图，携带体内大量信息( 物理信 息) 。不同的正常组织与不同病交组织对入射超声的吸收、散射、反射等的程度不同，敌 u s b 接口超声多普勒血流仪p c 外置盒 病变后方的声能衰减亦不相同，用超声衰减亦可判断几类病变。超声多普勒效应为运动靶 标的回声产生频移，根据多普勒效应可计算运动速度。这可以用作产生血流成像及多普勒 频谱图( 流速曲线) ，以分祈、诊断与血流供应及流速改变有关的疾病。频谱多普勒就是 以频谱的形式显示血流中某一声束照射方向上的高速血流区血流频移和强度信息的技 术【2 】。 1 3 医学超声波技术的发展及原理 二维超声成像，又称b 型超声，应用回声原理，即发射脉冲超声进入人体，然后接受 各层组织界面的回声作为诊断依据。由于b 超能矗观地显示脏器的大小、形态、内部结构， 并可将实质性、液性或含气性组织区分开来，故医生根据得到的一系列人体切面声像图进 行诊断。它所构成的二维( 2 d ) 实时动态图像具有真实性强、直观性好、无损伤、操作方 便等优点，目前应用最广泛。主要用于心脑血管疾病、腹部脏器损伤、肿瘤、儿科和妇产 科疾病及其它疾病的诊断。如二维超声诊断感染性心内膜炎时可清楚地观察到心内膜赘生 物的形状大小及部位，检查率达8 0 1 0 0 ，特异性达8 0 以上，还可以发现腱索断裂瓣 周脓肿、心包积液等并发症1 3 】。但二维超声对含气空腔( 胃、肠) 和含气组织( 肺) 以及 骨骼显示不清，还由于切面范围和扫查深度有限，对病变所在脏器或组织的毗邻结构显示 不清。 三维超声成像，又称3 d 超声成像的基本原理主要有立体几何构成法、表现轮廓提取 法和体元模型法。3 d 超声成像的基本步骤是利用二维超声成像的探头，按一定的空间顺序 采集一系列的2 d 图像存入3 d 重建工作站中，计算机对按照某一规律采集的2 d 图像进行 空间定位，并对相邻切面之间的空隙进行像素补差平滑，形成个3 d 立体数据库，即图 像的后处理，然后勾划感兴趣区，通过计算机进行3 d 重建，将重建好之3 d 图像在计算机 屏幕上显示出来。3 d 超声成像技术包括数据获取、三维图像重建和三维图像的显示。1 9 6 1 年b a u m 和g r e e w o o d 最先提出3 d 超声的概念，但其后的3 0 年发展比较缓慢【4 1 。近十年来， 随着计算机技术与超声影像技术的不断发展，3 d 超声成像技术已由实验研究阶段走向临床 应用阶段，可分为静态3 d 和动态3 肌静态3 d ：收集一定数量的2 d 图后作3 d 组图，然后 沈阳工业大学硕士学位论文 作各种3 d 显示，其中又分脏器实质3 d 和血管流道3 d 。动态3 d ：在不同时间点取不同空间 的多幅2 d 图输入存储，然后用心电统一时间点，将原不同时间中取得的图形作3 d 组图， 依心电图时间序列组图后回放。目前在心脏、妇产科、小器官、血管、泌尿生殖系统等各 系统与部位都有广泛应用嗍。与2 d 超声相比，3 d 超声能够显示组织结构的立体解剖形态 和空间关系，具有图像显示直观、能精确测量医学诊断参数等优点。 介入性超声，是在超声显像基础上。应用超声显像仪通过侵入性方法达到诊断和治疗 的目的。可在实时超声引导下完成各种穿刺活检、x 线造影、抽吸、插管、局部注射药物 等同。伴随着各种导管、穿刺针、活检针及活检技术的不断改进和发展，介入性超声使超 声导向细胞学诊断提高到组织病理学诊断的水平。由此，将介入性超声学推向了“影像和 病理相结合，诊断与治疗相结合”的新阶段，为促进现代临床医学的发展，发挥了不可替 代的重要作用。 m 型超声，该技术在心脏形状和定位异常的情形下，采用m 模式解剖成像取代探头成 像产生更为准确的信息。自上世纪8 0 年代起，m 型超声心动图测量房室平面的移动作为一 种简单指标评价左室功能，左侧的房室平面的移动与二维超声心动图、核素左室造影以及 左室造影计算的左室射血分数之间已经显示很好的相关性，它被用于所有不同疾病患者左 室功能的评价【7 l 。 彩色多普勒血流显像( c d f i ) ，它的全称是实时二维彩色多普勒血流显像，它是使用 多频道法获取断面不同深度的脉冲多普勒信号，用高速计算机进行相位检测、自相关处理、 彩色灰阶编码，把平均血流速度以彩色显示，实现解剖断面和血流空间与时间分布的实时 二维重叠显示。这是彩色多普勒血流显像技术发展的第一阶段，也是多普勒技术发展的里 程碑嘲。 定量组织速度成像技术( q t v i ) 是近年来发展起来的一项多普勒组织成像新技术，可 对左心室壁各节段心肌运动进行速度取样，获得全心动周期的速度图，达到定量测定左心 功能的目的唧。 u s b 接口超声多普勒血流仪p c 外置盒 1 4 国内外的现状及发展 目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波检测仪器的发展 速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。国际上对超声波 检测数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究的公司有美国的泛美 ( p a n a m e t r i c s ) 公司、m e t e c 公司、加拿大的r dt e c h 公司、德国的k - k 公司、法国的 s o f r a t e s t 公司和西班牙的t b c n a t o m 公司等等，上述这些公司生产的超声波检测采集、分 析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平。国外已把1 0 0 z 以上采样 频率的高速a d 技术用于超声波信号的采集，大容量缓冲技术也达到一定的水平，信号的 分析和成像处理己实现a 、b c 扫描。虽然国内已开展这方面的研究与开发，但是在技术 应用上还是存在一定的差距。 因此，开展该项技术的研究，如何把高速a d 技术、大容量缓冲技术以及信号的处理、 分析和成像技术进行开发和研究，并应用到超声波检测的工程需要上去，是一项具有现实 意义的课题，它可提高我国无损检测技术水平，跟上世界先进的现代工业检测技术步伐， 使我国超声波检测水平上一个台阶l 嘲。 1 5 课题研究的内容及目的 在计算机出现以前及计算机的应用初期，大部分测量仪器都要完成一般测量所需的全 部工作。如测量数据的收集计算，信号的转化，图形显示，结果分析等。这就使得仪器的 体积庞大，测量速度也因任务繁多而受到相当的影响。随着计算机的出现和广泛应用，使 得计算机为仪器分担了许多重任，从而大大减轻了仪器的任务。因此仪器向着精确、高速、 轻小便携且智能化方向发展。 课题研究的u s b 接口超声多普勒血流仪p c 外置盒正是基于精确、高速、便携且智能 化的思想而进行设计的。这个盒体主要包括模拟前置通道( 包括超声波的发射和接收及电 源部分等) 及数字处理( 包括数据的转换和压缩，以及数据传送接口) 两大部分，而数据 最终变换成图形显示及结果分析等均由计算机来完成。这样用户只需携带小小的盒体及p c 应用软件，就可以在有p c 机的场合方便地完成测量了 一一 沈阳工业大学硕士学位论文 课题包含主要内容如下： ( 1 ) 超声波流速测量方法及超声多普勒技术 ( 2 ) 矗跏芯片的使用 ( 3 ) 信号采集及处理电路的设计 ( 4 ) 应用v c + + 进行上位机操作及显示界面的设计 u s b 接口超声多普勒血流仪p c 外置盒 2 超声波流速测量方法及超声多普勒技术 由于超声波在流动的流体中传播时可以载上流体速度的信息，因此我们可以通过对接 收到的超声波信号进行处理，得到相应的流体速度。超声波流量计的换能器安装在被测管 道的外侧，它基本上不干扰流体的流场，无压力损失，维修方便，除了可测量水和石油等 一般导声流体外还可以测量高压，强腐蚀，非导电，易爆和放射性等导声流体。它对流体 的温度，粘度，密度等因素也不敏感。灵敏度高输出特性线性范围宽，没有零漂问题。通 用性好，仪表造价基本上与管径大小无关。又因为它无运动部件无摩擦所以使用寿命长。 但是它在低流速，小管径面温度条件、媒质物理性能和流体流动条件很不稳定的情况下较 难得到比较满意的结梨l 。 2 1 超声波测量流速方法及原理 超声波流速测量采用的信号检测方法有时差法、相位差法、频差法、多普勒法、相关 法、波速偏移法和噪声法等。由于时差法，相位差法，频差法的基本原理都是通过测量超 声波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来反应流体流速的，故又统称为传播速度差法。其中 时差法和频率法克服了声速随流体变化带来的误差，准确度较高，被广泛的应用。但当用 于测量带有杂质或气泡的液体流速时，误差会大大增强。多普勒法是利用声学多普勒原理， 通过流动不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流速的。相关法是利用 相关技术测量流量，因此在原理上此法的测量准确度与流体中的声速无关，基本也与温度、 浓度等无关，准确度高，适用范围广，特别在微处理器普及且相关器产品繁多价格较低廉 的今天，相关流量计有着十分广阔的发展前途。噪声法( 听音法) 利用管道中流体流动时 产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值，其结构及原理最 为简单但只适用于流速测量准确度要求不高的场创投 1 3 】 目前，时差法和多普勒法是工业超声波流量计中采用最多的方法。 一6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 1 1 时差法 时差法的工作原理是，在被测管道上游和下游放有超声换能器，两个换能器交替发射 和接收超声波信号，如图2 1 所示。l 为两换能器之间的距离，v 为声道上的流体平均流速， c 为超声波传播速度，e 是声波通道和流体流速的夹角。 顺流方向的传播时间为： 逆流方向的传播时间为 图2 1 时差法原理图 f 晷2 1r 帆i l l 9 1 1 1 l yc i 化u h 上 f + = 一 p + v f ) f 一= ( c 一订) 顺流和逆流情况下超声波传播的时间差为： ( 2 2 ) ，= ( ，) 一( f + ) 一兰l ! ! ；! i 耋铲= 器( 2 3 ) 由于流体的速度相对而言很小，v c o s 2 口可忽略因此 血= 鼍竽 一一 ( 2 4 ) u s b 接口超声多普勒血流仪p c 外置盒 2 1 2 多普勒法 如图2 2 所示，一个换能器发射出频率为f 。的声波，当它受到运动中的散射粒子( 杂质、 气泡、或悬浮粒子) 的反射时，它的频率发生了改变，使得另一个换能器接收到的声波频率 变为f 2 。假设c 是声波在流体中的传播速度，a 为其波长，u 是散射体粒子的运动速度，o 是 声波通道和流体流速的夹角。则f 。与f 2 的关系简述如下：当超声波束在管轴线上遇到一颗固 体颗粒，该粒子以速度u 沿轴线运动。对超声波发射器而言，该粒子以村c o s 口的速度向其运 动。这相当于声波对观察者得速度增大为从c + “c o s 伊即在单位时间内，声波以本身的传 播速度，通过固体颗粒传播了c 的距离；与此同时，固体颗粒又向着发射源移动了“c o s 口的 距离，所以声波实际通过固体颗粒的总距离为c + c o s 口。也就是说，视在声速为c + “c o s 口。 所以粒子收到的超声波频率f 应高于发射的超声波频率f 1 ，其值为： 厂= 警产听石华 ( 2 。) 当固体粒子又将超声波束反射给接收换能器时，相当于接收端不动而发射源向着接收端运 动。当固体粒子即发射源发出第一个波后，在此波以声速c 向外传播的同时，固体粒子也 在以”c o s 护的速度向着接收传感器运动在下一个周期运动发出时，声源已向接收端移动 了段距离t “c o s 口。即在一个周期内发射端向接收端运动的距离实际为z t c o s 口。 从接收端的角度来看，这相当于受到的声波波长 变短为： 五；2 一甄c o s 9 ：掷一坐堂) c 于是，接收端受到的频率升高为： 。 正2 云2 三丢， 将式2 7 中f 用式2 5 替换掉，整理可得： 五：z ( 1 + 等 c 一材c 0 s 伊 由于声速c 远远大于颗粒运动速度u ，所以上式可写为： 一8 一 ( 2 。6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 五：石( 1 + 三坚竺旦) c 鹭：f 2 书；巡f l f 舻蠹丽y 图2 2 多普勒法原理图 f i 晷2 2 u h a m 日d o p p i 仃1 1 踟y c h n | i t ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 实际的超声多普勒血液流速测量系统除了上述那种将发射，接收探头置于血管两侧的 测量方法外，还可将发射，接收压电片置于一个探头内加以测量，其原理如图2 3 所示。 有两块平行放置的压电晶体，分别作为发射极和接收极。发射极在高频电压信号的作用下， 通过压电效应( 由电场作用使压电陶瓷产生形变) 产生2 5 删z 的超声波，超声波透射到 血管中的微小颗粒( 主要是血液中的红细胞) 时，会发生散射。散射时，红细胞将成为新 的声源，并向四周发射超声波。接收极在红细胞散射回波的作用下，因正压电效应( 由压 力使压电陶瓷产生充、放电现象) 而转换成高频电压信号因此，在超声波的发射到接 收的传播过程中，有两次多普勒频移现象。为了计算方便，可先作两点假设。( 1 ) 假设血 液是向着发射极和接收极运动的；( 2 ) 假设超声入射波和散射波对于血流方向的倾角相同， 都等于o 。再设f 为发射极发出的超声波频率，f 。为红细胞接收到的超声波频率，f 2 为接 收极收到的散射回波的频率，c 为超声波在血液中的传播速度，u 为红细胞的运动速度，它 u s b 接口超声多普勒血流仪p c 外置盒 在超声波入射方向上的分量为c o s 口。 图2 3 多普勒测量原理 f i 晷2 3u i 仃a u n dd 叩p l e rm 懿u m g c i 姒血 血管 同上所述当发生第一次频移时，相当于发射极不动，血细胞向发射极运动。其表达式 如式2 5 。当发生第二次频移时，相当于发射极向接收端运动，而接收端不动。其表达式 见式2 9 。最终可获得的速度与频移之间的关系表达式如式2 1 l 【i 7 】。 2 2 超声波多普勒测流速的新进展 ( 1 ) 传统超声波流速测量的局限 1 ) 传统的多普勒流量计的被测介质必须是液体或液一固混合物，不能是洁净的液体， 否则不适于基于多普勒原理的测量仪器地使用。 2 ) 早期的多普勒流量计使用振幅调制，发射和接收由一个换能器完成，不能在管道 上搜寻最大接收信号，且信噪比很差。 3 ) 多普勒流量计的一个关键限制是装置不知反射信号来自何处，所以精度受限制。 另外多普勒流量计对管子的振动很敏感，不能区分由流体而产生的频率变化和由杂质振动 产生的频率变化，因此得出不正确的流速数据 ( 2 ) 超声波流速测量的新进展 1 ) 采用双头传感器( 各自具有独立的接收和发射头) 提供了搜寻最大信号强度的能 力并提高了信噪比。 一l o 沈阳工业大学硕士学位论文 2 ) 采用频率调制解调技术提高了系统的灵敏度和对管子振动的免疫力。采用频谱跟 踪和信号滤波还原等技术，大大提高了测量洁净液体时捕捉微小反射信号的能力，流量计 可在几乎干净的液体中进行测量。 3 ) 快速傅立叶频谱分析的应用，代替了旧的锁相环( p l l ) 装置，使多普勒测流速有 了明显的进步，在多普勒流量计工业中引起了一场革命。f f r 频率分析和图形显示功能可 对接收信号非相关流量的噪声进行滤波，可以避免管子的振动和电噪声的影响。图形显示 功能和特性可以进行流量曲线的校正【嘲。 2 3 超声多普勒技术的分支 多普勒超声技术目前可分为脉冲波多普勒、连续波多普勒、高脉冲重复频率多普勒及 彩色多普勒等。 脉冲多普勒是最常用的一种频谱多普勒技术，它与超声成像技术相似，探头是作为声 源先发出超声脉冲，然后转为接收状态，与超声成像不同之处是它是在选择性的时间延迟 后才接收一定时间范围的回声信号，它所分析的是血细胞散射信号的频移成分，并以灰阶 的方式显示出来，在时间轴上加以展开f 1 9 1 。 连续波多普勒是最早出现的一种多普勒技术，这种技术在早期使用双晶片探头，一个 晶片连续地发射超声波，另一个晶片连续地接收血细胞的背向散射信号。后来使用相控阵 技术的超声诊断仪将探头晶片分为两组，一组连续发射另一组连续接收。从理论上讲，连 续波多普勒的取样频率为无穷大，最大可测血流速度不受限制。但实际上，连续波多普勒 的最大可测血流速度受数字模拟转换器工作速度的限制，最大可测血流速度一般不大于 1 0 m s ，但这已经完全满足临床需要刚。 克服脉冲多普勒最大可测血流速度受限的另一方法就是增加脉冲重复频率，高脉冲重 复频率多普勒是对脉冲波多普勒的一种改进。它的特点是探头在发射个脉冲波之后，不 等取样部位的回声信号返回探头，就又发射第二个脉冲。因此，在同一时刻，取样深度范 围内可有一个以上的取样容积，随着脉冲重复频率的成倍增加，最大可测血流速度的范围 也相应地成倍增加。 u s b 接口超声多普勒血流仪p c 外置盒 彩色多普勒是一种对心血管三维血流实体的切面( 二维) 血流成像技术。它是以显示 解剖结构的二维声像图为背景，对感兴趣的血流区域进行实时的多点取样，用红和蓝两种 颜色、亮度和附加绿色斑点的亮度来分别表示血流的方向、速度和血流状态的技术。 在上述超声多普勒技术中，脉冲多普勒具有脉冲选通能力，适于对血流进行定位探查， 但不能用于高速血流的定量分析。连续多普勒则具有测量高速血流的能力，可用于多种病 变的血流动力学定量分析，但却不能进行定位诊断。高脉冲重复频率多普勒介于这两者之 间，虽能测量较高速血流，但最大可测血流速度仍不及连续多普勒，定位诊断又不及脉冲 多普勒。彩色多普勒可实时显示血流信号的空间分布情况，但在许多情况下不能用于血流 动力学的定量分析。课题采用的是连续多普勒技术对人体主要动脉血流速度进行测 量 2 卜2 3 1 。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 硬件电路设计 3 1 硬件电路原理框图 课题整体电路设计框图如图3 1 所示。 图3 1 硬件电路原理框图 f 嘻3 1h a d w a 坤s 虮蚰鹏d i a 鲫n 首先将u s b 提供的5 v 电压，通过升压和负压产生电路转变成1 5 v ，以供后续驱动电 路使用。发射电路产生频率为2 姗z 左右的正弦波。该正弦波信号频率经血细胞反射、折 射后发生一定的偏移。使用接收电路将产生一定频率偏移的超声波信号转变为电信号，并 经放大，滤波等步骤将发生频移的信号放大到合适的幅值，以便为后续混频等电路提供幅 u s b 接口超声多普勒血流仪p c 外置盒 值稳定适中的频移信号。混频电路是一种处理所接收的超声波信号的电路，在乘法器的作 用下，它将接收信号与发射信号比较，从而得出多普勒差频信号即多普勒频移f d 。接收回 路信号大都十分微弱例。经过低通滤波及差频放大电路便可将幅值稳定适中的频率偏移信 号输送到a d 转换电路的输入端。在a d 转换器进行采样后便将数字信号传输至a 跚处理器。 a r m 处理器将所获得的数字信号经过u s b 端口传输到p c 中，由p c 完成处理运算及波形的 显示。 3 2 电源的设计 电源是电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能 否安全可靠地工作。 课题信号发射部分需要的工作电压为1 5 v ，信号放大部分所用的功率放大器工作电压为 1 5 v ，而装置通过u s b 从p c 获得的电压为5 v ，这显然是无法满足工作需要的。如果单独为外 置盒另配一套电源系统，对装置的体积及便携性都会造成影响。选用升压型d c d c 转换器 m a x 6 6 8 和负压输出d c d c 转换器h 【a ) ( 1 8 4 6 不但可以很好的完成任务，而且可以使电源部分体积 大大减小，增加了装置的便携性 姒x 6 6 8 是一种频率固定，脉冲宽度可调的升压型d c d c 转换器，其输入电压范围为1 8 v 至2 8 v 。m a ) ( 6 6 8 典型应用电路如图3 2 所示。m a x l 8 4 6 是一种频率固定，脉宽调制型的d c d c 转换器，在输入为3 v 置1 6 5 v 范围内，输出范围为一5 0 0 m v 至一2 0 0 v 。其典型应用电路如图3 3 所示。 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 2 m a 】秭8 应用电路图 f i g t 3 t 2 c i i c i l i t o f m x 6 6 3 图3 3 m a x l 8 4 6 应用电路图 f 培3 3c i l c l l i to f m a x l 8 4 6 一1 5 一 u s b 接口超声多普勒血流仪p c 外置盒 3 3 信号采集及处理电路的设计 具体信号采集及处理电路框图如图3 4 所示。 图3 4 信号采集处理电路框图 f i 舀3 4s i 粤l a lc o j l e c n 叩锄dd i s p o s a is 1 n t 哦d i 理，锄 3 3 1 发射及驱动电路 不管何种超声诊断仪，a 型、b 型、m 型或多普勒型，其探头结构大致相同，主要都 是由超声振子( 即压电晶体) 组成，超声振子为声一电讯号换能器组成探头，将电脉冲信 号转换为超声信号，发射进入人体，从人体组织、器官反射回来的回波信号接收并转换成 对应的电信号，送给后级进行数据处理。传感器的振荡源采用正弦波振荡器，它简单可 靠，频率调节范围大。另外，每个换能片都有一个固有的机械振动频率f d ，在此频率下， 压电换能片电能转换机械能的效率最高，故应使振荡源振荡频率f - 及换能片的固有频率 f d 二者一致，此时，传感器的发射端发射超声波的能力最强，超声波也比较纯净瞵】。 发射电路采用正弦波振荡器。由于普通的l c 振荡器的日频率稳定度大约为1 0 - 2 至 1 0 3 数量级。即使采用了一系列稳频措旌，一般也难以获得比1 0 1 更高的频率稳定度。 为了使发射频率更加稳定，可以利用石英晶体的压电效应，将石英晶体作为振荡回路元 件，构成石英晶体振荡器。采用石英晶体作为振荡回路元件，便能使振荡器的频率稳定 度大大提高的原因如下： 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 石英晶体的物理和化学性能都十分稳定，因此，它的等效谐振回路有很高的标 准性。 ( 2 ) 它具有正、反压电效应，而且在谐振频率附近， 很小，r q 也不高。因此，晶体的q 值可高达数百万量级。 ( 3 ) 在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内， 因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。 晶体的等效参数l q 很大，c q 具有极陡峭的电抗特性曲线， 根据石英晶体在振荡线路中的作用原理，振荡电路可分为两类：一类是石英晶体在电 路中作为等效电感元件使用，这类振荡器称为并联谐振型晶体振荡器；另一类是把石英晶 体作为串联谐振元件使用，使它工作于串联谐振频率上，称为串联谐振型晶体振荡器。与 并联型晶体振荡器相比，串联型晶体振荡电路与电容三端振荡电路十分相似，因此其输出 波形较好。这是因为集电极和基极电流可通过对谐波为低阻抗的电容支路回到发射极，所 以高次谐波的反馈减弱，输出的谐波分量减小，波形更加接近于正弦波。其次，该电路中 的不稳定电容( 分布电容、器件的结电容等) 都是与该电路并联的，因此适当加大回路电 容量，就可以减弱不稳定因素对振荡频率的影响，从而提高了频率稳定度嘲。课题采用的 是串联型晶体振荡电路，其原理如图3 5 所示。 图3 5 信号发生电路 f i 晷3 5s i 叫g e 脚ec i 彻】i t u s b 接口超声多普勒血流仪p c 外置盒 经实验可知，当输入电压为5 v 时，其输出电压幅值为3 5 v 。当输入电压为1 5 v 时， 其输出电压幅值为1 2 v 该信号经放大后便可送入后续电路。 通常，接收端所接收到的多普勒频移是十分微弱的。为了增大其接收信号，就要尽可 能地增大发射信号电压幅值。在发射信号接到压电片之前，对发射信号进行一次放大可以 有效的解决这一问题，但这也对设计提出了更多的要求。如发射信号频率较高，使用普通 的运算放大器由于受压摆率及频带影响是无法实现在不失真前提下对信号进行放大的。互 导型放大器( 又称跨导) 的输入信号是电压量，输出信号是电流量，其增益称为互导g m 。 互导型放大器是一种电压，电流模式混合电路，由于其内部只有电压一电流变化级和电流 传输级，而没有电压传输级，因此没有大摆幅电压信号与米勒倍增效应。其具有频带宽、 高频性能好及大信号转换速度高等特性田l 。 采用1 f i 公司的高速全差分运算放大器t h s 4 1 5 0 可以完成设计要求。t h s 4 1 5 0 具有 1 5 0 m 的带宽，6 5 0 w l l s 的转换速率，最高电源电压1 6 5 v 等特性。其最高输入差分电压 值为6 v ，最大输出电流可达1 5 0 l i l a 。t h s 4 1 5 0 的电源电压与输出电流关系如图3 6 所示。 e i & 罡 置 召 墓 舌 l 掌 l t at 棚c t 22 5c一 - _ _ 一劳 ， i 艺 多 一一嚏 2s 。c 夕 ， 多 一一 一，r 1 一= 8 jc j巴夕 j r ， l 23s鑫7o 鲁o1 11 2 3 41 5 8 v c c 一飘i p p v b 睫9 一v 图3 61 l 1 5 0 电源电压关系框图 f 嘻3 6d i a g r a mo f r e l 砒咖t h s 4 1 5 0v o l 协g ca i l do 唧i l tc u 玎e i i t 一般情况下，即使采用轨对轨运算放大器，其输出电压幅值也只能是接近电源电压幅 值。即如要进一步提高输出电压幅值，则只能继续加大运算放大器的电源电压，而一款放 们 ” 钟 仲o 沈阳工业大学硕士学位论文 大器的电源电压范围是有限的，况且若只是一味地增加电源电压则又会对系统电源产生较 高的要求。为了能在固定的电源幅值范围内产生较大的输出电压，可以使用“推拉式”放 大器，其原理如图3 7 所示发射信号分另输入到放大器u 2 的正输入端及u 1 负输入端。 由图可知u 1 组成的是反相放大器，u 2 则构成的是同相放大器。当输入信号幅值为u 时， u 2 为同相放大，若放大倍数为a 则v o u t 2 输出的电压幅值为a u 。u 1 为反相放大。若放大 倍数也为a 则v o u t l 输出的电压幅值为一a u 。取u 2 一u 1 为输出信号。可得到幅值为2 a u 的输出信号，信号幅值得到了进一步地增强网。 在实际应用中，对于信号发射电路来说，只有当其输出阻抗等于或接近于其负载时， 输出的功率才能达到最大值。所以，为了尽可能地使信号发射电路输出功率达到最大值， 必须在信号发射电路与放大电路之间加一电压跟随器以达到使输入输出阻抗匹配的目的。 其电路如图3 8 所示鲫。 r l 图3 7 摊蛊弼时淝图 f i 吕3 7 p u s l i 锄d d m w 锄p i i f i e d 帅c 她血 u s b 接口超声多普勒血流仪p c 外置盒 r i 图3 8 电压跟随器 f 培3 8v o i 姆f o l l o w 啊 3 3 2 信号处理电路 信号处理电路主要包括前端的高频滤波，混频电路和后端的低通滤波电路。高频滤波 电路用来对接收探头接收到的信号进行初步滤波，得到固定发射频率附近的频带。 混频电路主要由混频( 乘法) 器组成。乘法器原理图如图3 9 所示。设输入信号为 u x = u 。s i n ( 2 万厶f ) 及u y = u ：s i n ( 2 疗) ，其对应频率分别为f i 及f ，。为了简化叙述，这 里令输入信号相角均为零。u o 为输出信号。当u l 2 u t ，u 2 u f 时，输入输出关系为： u o = u i $ u ，( 3 1 ) 即： 2 u o = c o s ( 2 万( 一厶) r ) 一c o s ( 2 万( + 厶) f ) ( 3 2 ) u t 在常温下约为2 6 m v 课题混频器采用m c l 4 9 6 ，将固定发射频率与发生多普勒频移 之后的频率进行混频。在混频之后会有多种新的频率产生，其中就包括课题研究所需要的 两路频率的差频即多普勒频移量。如式3 2 所示。实际电路原理图如图3 1 0 所示。通过 低通滤波电路，将倍频等高频分量虑除我们就可得到一个较纯净的多普勒频移量，对该频 移量进行抽样之后便可送入计算机进行后续计算。 沈阳工业大学硕士学位论文 + u l + u ， 图3 9 乘法器原理图 f i 吕3 9m u m p l i c 甜1 1 啪r yc k l i i c 图3 1 0 乘法器电路图 f 唔3 1 0m u n p i j 晒n c 沁咄 一2 1 u s b 接口超声多普勒血流仪p c 外置盒 当实际测量流速时，提取的信号是夹杂在其它噪声信号之中的，而且有用信号是十分 微弱的。所以如果直接将经乘法器混频的信号加入a d 输入端，则必定得不到预期的测量数 据。 所谓滤波电路，就是对于信号的频率具有选择性的电路。它的功能是使特定频率范围 内的信号顺利通过，而阻止其他频率信号通过。通常，按照滤波电路工作频带可将其划分 为：低通滤波器( l p f ) 、高通滤波器( 肿f ) 、带通滤波器( b p f ) 、全通滤波器( a _ p f ) 。 设截至频率为昂，频率低于$ 的信号可以通过，高于s 的信号被衰减的滤波电路称为 低通滤波器；反之，频率高于f ；的信号可以通过，而频率低于的信号被衰减的滤波电路 称为高通滤波器。 设低频段的截止频率为岛，高频段的截止频率为缸。频率为s l 到之间的信号可 以通过，低于勘或高于的信号被衰减的滤波电路称为带通滤波器；反之，频率低于如 和高于缸的信号可以通过，而频率是昂l 到轨之间的信号被衰减的滤波器称为带阻滤波器。 全通滤波器对于频率从零到无穷大的信号具有同样的比例系数，但对于不同频率的信号将 产生不同的相移。 若滤波电路仅由无源元件( 电阻、电感、电容) 组成，则称为无源滤波电路。若滤波电 路不仅由无源元件，还由有源元件( 双极型管、单极型管、集成运放) 组成，则称为有源滤 波电路。无源滤波电路的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，这一缺点常常不符 合信号处理的要求，因而通常在电路中有源滤波电路使用较多。有源滤波电路一般由r c 网络和集成运放组成，因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能起到滤波作用，与此 同时还可以进行放大。组成电路时应选用带宽合适的集成运放。课题实际设计电路图如图 3 1 1 所示： 厶= 去 ( 3 3 ) 对于每一路差分输出信号来说，高频截止频率s 的计算如式3 3 所示当r 为1 6 0 q 。 c 为o 1 u 时，低通滤波电路的高频截止频率约为9 9 4 7 h z 。多普勒信号频率大约为6 0 0 h z 左右，可以通过。而混频电路的基准发射频率及各级高次谐波频率均远大于截止频率。在 进入放大器前就可以被滤除掉i 明。 放大器采用a d 公司的低噪声高增益带宽运算放大器o p 2 7 。其噪声峰峰值为8 0 n v ， 温度漂移为o 2 u v oc ，具有较高的压摆率为2 8 v l l s 及较高的单位增益带宽8 m h z 放大 器带宽增益、摆率及温度关系如图3 1 2 所示。 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 1 l 滤波放大电路 融3 1 l c 鼬0 f l a w 胁a n d 娜 图3 1 2 放大器参数示意图 f 皓3 1 2 晰s c i l c m m i cd i a g r a mo f a r n p 腼盯 3 3 3a d 转换器原理及选择 模数转换芯片采用a d 公司的a d 7 6