（通信与信息系统专业论文）高性能tcd的研制.pdf

摘要 经颅多普勒( t c d ) 是利用超声波来检查颅内血管血流动力学参数的一种技 术，主要用于神经科疾病的检查。它测量的信号在“y 量级，属微弱信号的检测。 灵敏度、信噪比和抗干扰能力是它的三个关键指标。实际临床检查中，由于颅骨 对超声波具有强衰减作用，测量颅内血流十分困难，限制了它的应用。所以必须 提高仪器性能，特别是前端的灵敏度。 本文主要研究高性能t c d 的设计和实现方法。首先介绍了超声多普勒测血 流的多普勒原理，接着阐述了系统的基本原理和结构，对关键电路包括发射、接 收电路进行优化，提高了发射电路的效率和接收电路的灵敏度；本文给出了一种 设计方法，即延迟相减壁滤波器，利用延迟相减的原理抵消掉血管壁回波混频得 到的大直流信号，从而降低了对壁滤波的要求，增加了电路的动态范围；论文最 后设计了f p g a 实现的立体血流音频电路，把模拟音频转化为数字音频，方便了 音频档案的记录以及处理。这些优化工作都取得一定的效果，提高了系统的性能。 关键词：超声测血流经颅多普勒 电路优化 a b s t r a c t t r a n s c r a n i a ld o p p l e r ( t c d ) i san o n i n v a s i v ed e v i c ef o rm e a s u r i n gb l o o df l o w v e l o c i t i e sb yl o wf r e q u e n c yu l t r a s o u n dw a v e s f o rp r a c t i c a lu s e ，t h eo p e r a t i o no ft h e d e v i c ei sv e r yd i f f i c u l tb e c a u s eo ft h eh i g ha t t e n u a t i o nf r o mt h es k u l l s s e n s i t i v i t yi s o n eo f t h ek e yc a p a b i l i t i e so f t c d i ti st h eo p t i m i z a t i o no f t h ec i r c u i tt oi m p r o v et h es e n s i t i v i t yo f t h es y s t e mt h a ti s t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e r i no r d e rt oi m p r o v et h et r a n s m i te f f i c i e n c y ，t h et r a n s m i t a m p l i f i e ri sr e d e s i g n e ds ot h a ti t sp o w e ri sm a t c h e dw i t ht h e 仃a n s d u c e r l o wn o i s e a m p l i f i e r ( l n a ) ，d e t e r m i n i n gt h es y s t e m ss e n s i t i v i t ya n dn o i s ef i g u r e ( n f ) ，i s r e d e s i g n e db ya d j u s t i n gi t sd cl e v e la n dt h ep a r a m e t e r so f t h ec o m p o n e n t s i no r d e rt o r e d u c en f ，t w ot r a n s i s t o r sa l ep l a c e di np a r a l l e la n dt h el n ai sm a t c h e dw i t ht h e u l t r a s o u n dt r a n s d u c e ri ni m p e d a n c e as i m p l e d e l a y e dc a n c e l l e ri sd e s i g n e da n d a p p l i e dt or e m o v et h es t a t i o n a r ye c h ow h i c hi s1 0 0t i m e sb i g g e rt h a nt h ef l o we c h o a t l a s tad i g i t a lm e t h o do ft h ed o p p l e ra u d i oi sr e a l i z e d t h ei pc o r eo fx i l i n xf p g ai s u s e dt o r e p l a c et h ea n a l o gm o d u l et om a k et h eh i l b e r tt r a n s f o r m i ti sm o r e c o n v e n i e n tf o rd o c t o rt os t o r ea n d a n a l y z et h ep a t i e n t s a u d i or e c o r d t h e p e r f o r m a n c e so f t h ed e v i c eh a v eb e e ni m p r o v e db yt h e s ew o r k s k e y w o r d s ：b l o o dv e l o c i t ye s t i m a t i o nt r a n s c r a n i a ld o p p l e r ( t c d )c i r c u i t o p t i m i z a t i o n 独剑性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人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 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：i 丛生：耋 日期 洲；，z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名； 这坐签 妲 f 1 期 妒7 ，；2 - 日期型：! ：! 兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 经颅多普勒的研究背景 脑血管疾病是危害人体健康的主要疾病之一，研究脑血管疾病的诊断方法是 临床研究中的重要课题。 虽然x 射线c t 、磁共振c t 等成像方法可用于脑血管疾病的诊断，但是， 这些成像方法只能给出组织形态学上的诊断，没有提供脑血流动力学参数，并且 检查费用很高。超声测量是在医学上应用比较广泛的测量方法，如b 超、彩色多 普勒等。但超声一直没能应用于颅内测量，原因是颅骨对超声波具有很强的衰减， 超声很难进入颅内。1 9 8 1 年，瑞典科学家a a s l i d 创造性的将低频( 2 m h z ) 和脉 冲超声波结合起来研制出首台脉冲波多普勒( p w ) 颅内血流测量仪，也叫经颅多 普勒( t r a n s c r a n i a ld o p p l e r ，简称t c d ) 血流测量仪，填补了这项空白“3 。 a a s l i d 采用了2 m h z 频率的超声发射，并且让超声透过颅骨较薄部位超 声窗，直接投射到脑底大血管上，从而获得该血管内的血流速度。它采用脉冲方 式发射超声，结合距离选通技术，能够测量特定深度处的血管的血流方向和大小。 t c d 所提供的有关血液动力学方面的参数反映了脑血管的功能状态，在临床检测 有以下一些主要应用： a ) 判断脑血管狭窄和闭塞的范围及程度； b ) 诊断动静脉畸形、动脉瘤及上述病人手术和介入治疗前后作脑部状态的评 估及术后诊断等； c ) 诊断脑血管痉孪，尤其是蛛网膜下腔出血和血管瘤破裂后的血管痉挛的诊 断： d ) 一些侧支动脉血流异常状态的检测，例如脑部中央支及皮质支动脉( 大脑 中动脉、前动脉、后动脉、基底动脉、椎动脉、眼动脉等) ； e ) 动脉硬化，判定和定性分析其病理状态及程度； f ) 脑部手术后，大脑供血情况的监测予后评估。 1 2 经颅多普勒的现状 t c d 技术问世虽然不久，但发展却非常迅速，国外发达国家，如德国、丹麦、 美国等，都是技术的领导者。有关t c d 的研究范围非常广，总结起来主要有两个 方向。一是关于t c d 的应用的广度以及应用的深度的研究，其中的热点包括：颅 2 高性能t c d 的研制 内压与脑血流速度间的定量关系的确定；微拴子( h i t s ) 的检测及评估，检测 h i t s 的类型、活动参数、能量反馈与h i t s 大小的定量关系、h i t s 的运动轨迹、 形成栓塞可能性的评估；局部脑血流量变化与t c d 的相关研究及频谱图像的分 析；脑梗塞、脑中风、脑死亡的评价等。这些研究都试图充分利用1 d 提供的关 于脑血管系统的动力学信息，对各种脑血管疾病进行诊断。 另一个方向是脑血管检测方法及仪器的研究。包括新的检测方法的研究，如 m 模t c d 、三维t c d 等。 在传统的t c d 中，对超声窗和大脑血管定位的困难以及对微栓子检测的不 确定，均限制了超声经颅多普勒的发展。 文献【2 中提出了一种全新的方法m 模多普勒( p o w e r m m o d e d o p p l e r , p m d ) ， 在超声束方向上进行多个深度的采样，比如文中提出的3 3 个深度，在每个采样门 都显示以红色或蓝色( 颜色代表血流的方向) 表示的多普勒信号的功率，这样就 可以很容易的确定超声束方向上血管的位置。p m d 使超声窗的定位变得很容易， 且不用听血流声音或显示频谱线就能轻易地同时观察多条血管或同一条血管的多 个深度。在p m d 的图像中，微栓子以其特有的特征高能量的轨迹出现。p m d 多普勒系统是一种全新的检测方法，它使得血管定位、诊断、监护和微栓子检测 等变得更加容易。 三维r r d ( 3 d t d ) 借助一个头架定位，利用三个探头分别从三个不同 位置的声窗测量颅内血管，在上位机进行图像重构，就能显示颅内血管的三维分 布图，并可以用彩色编码标明三维超声动脉图中每条血管中各点的血流方向和速 度。它可显示出w i l l i s 环及其分支的完整脑动脉模拟图和相应的血流动力学参数， 也可对三维脑血管图上的任意一点取样，进行频谱计算，显示其频谱图“1 。 我国从1 9 8 8 年引进t c d 技术，在国外学者的工作和研究基础上，国内的工 作人员也取得了一定的成果“1 。总的来说，主要集中于t c d 仪器实现方法以及 实现功能的改进。如从当初的单通道单深度到现在的多通道多深度的改进，从模 拟t c d 到数字t c d 的改进，以及t c d 的智能化、便携化和网络化等。目前国内 已经出现多家t c d 生产厂商，其产品也得到了国内外用户的广泛认可。 1 3 本文的工作 t c d 是回波式的测量仪器，它测量的超声波信号经换能器转换后是微伏量级 的，属微弱信号检测。本文的主要任务是对现有t c d 检测仪优化，提高它的灵敏 度、信噪比和抗干扰能力等主要性能，方便临床检测。主要从发射电路、接收电 路最前端入手，这部分决定着仪器的信噪比、灵敏度和抗干扰性等重要性能。t c d 检测仪所独有的血管壁信号滤波器也是电路的重点，本文给出了改进方法。论文 第一章绪论 还给出立体血流音频电路的f p g a 实现，提高系统的数字化程度，方便检测的血 流信号的存储。论文的章节安排如下： 第一章：介绍了论文的背景及主要完成的工作。 第二章：介绍了超声测血流的基本原理，提出了一个模型，详细分析多普勒 原理。 第三章：详细介绍了t c d 的信号处理流程和系统框架，给出了各关键电路 的原理框图，并且指出了存在的缺点，提出了可能的优化方案。 第四章：优化工作，包括发射电路与功率匹配，接收电路与噪声匹配，壁滤 波器的设计和数字音频的f p g a 实现。 第五章：总结全文，提出新的测血流的方法。 第二章超卢测血流原理 第二章超声测血流原理 本章首先介绍超声波及其传播，接着介绍超声波的发射装置超声换能 器，它也是t c d 系统中关系到灵敏度等各项性能的关键部件：然后介绍了超声测 血流的理论基础多普勒效应原理；最后介绍超声在人体中的反射原理，给出 了一个血流反射模型，详细分析了血流多普勒回波信号的来源。 2 1 超声波及其传播 人们所能感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起听觉 的机械波其频率范围为2 0 h z 2 0 k h z 。超声波是频率大于2 0 k h z 的机械波。 警 声波 塑生丝 ， 声 声波 竺! 坚 ， 波 01 01 0 0l k l o k 1 0 0 kl m1 0 ml o 图2 1 卢波 根据波动中质点振动方向与波的传播方向的不同关系，可将波动分为多种波 形，在超声检测中主要应用的波形有纵波、横波、表面波和兰姆波。t c d 系统换 能器产生的超声波属于纵波。 超声中几个重要的概念有：声压、声强和声阻抗。下面作简单介绍。 声压：在声波传播的介质中，某一点在某一时刻所具有的压强与没有声波存 在时该点的静压强之差。单位是p a ( 帕斯卡) ，用p 表示。 p ：一p c a c o s i n f 一兰1 = p c ( 2 1 ) c 式中：p 一介质的密度；c 一介质的声速；a 一质点位移振幅；一角频率；u 一质点 振动速度。 声强：在垂直于声波传播方向的平面上，单位面积上单位时问内所通过的声 能量。用i 表示。 6 高性能t c d 的研制 ，：旦 ( 2 2 ) 2 p c 声阻抗：以字母z 表示。z = p c 。当p 的单位是g c m 3 时，声阻抗的单位 是瑞利。人体的各种组织的声阻抗是不同的，在不同声阻抗的界面，超声波会像 普通波一样，发生发射和折射现象。如果反射物体的直径可以和超声波的波长比 拟的时候还会产生衍射现象。 超声波的传播衰减是超声波在通过材料传播时，声压或声能随距离的增大逐 渐减小的现象。 衰减的原因主要有两个方面：超声在其传播过程中由于反射和散射，使其一 部分声能偏离其探测方向，而造成探测方向上声能的减小。另一方面是介质的吸 收作用，将一部分声能转化成另一种能量( 往往是热能) ，使声强减小。衰减为反 射、散射及吸收等效应的总和。 由于介质对超声能量的吸收和衰减作用，同样的组织在不同的距离上所得到 的强度就不同。 衰减的强弱通常用衰减系数来表示，其单位d b c m ，即经过l c m 距离超声能 量减小的分贝数。不同的介质有不同的衰减系数。不同频率的超声波，介质对它 的衰减也不相同。一般认为：人体软组织的衰减系数与频率的平方成正比。所以 频率低的超声波其穿透力要强一些，反之，其穿透力弱些。 2 2 超声换能器 换能器是将一种物理能量变为另一种物理能量的器件。凡能将其它物理能量 转变为超声能量的器件均为超声换能器。超声诊断仪的探头里安装着具有压电效 应的晶体片，能将电能转变为声能，又能将声能转变为电能，完成物理能量的转 变。 压电晶片是以压电效应发射并接收超声波的元件，是探头中最重要的元件， 晶片的性能决定着探头的性能。晶片的尺寸和谐振频率，决定着超声发射声场的 强度、距离幅度特性与指向性。晶片制作质量的好坏，也关系到声场对称性、分 辨力、信噪比等特性。 图2 2 换能器等效电路图”1 。其中l 称为压电振子的动态电感，c 称为压电振 子的动态电容，l c 谐振频率等于压电振子的串联共振频率；e , o 代表了压电振子的 机械损耗，称为压电振子的动态电阻；c n 称为压电振子的静态电容或并联电容。 探头正常工作时l 和c 形成串联谐振，对外阻抗为零，所以整个换能器对外显示 为容性阻抗。为了使换能器能够对外显示纯阻性，往往对换能器进行匹配。这里 第一章超卢测血流原理 只需并联一个电感即可。 图2 2 换能器等效电路图 在实际检测时，要在皮肤表面图一层耦合剂，一是排除空气，因为空气对超 声的衰减很大；二是声阻抗匹配。耦合剂的声阻抗和皮肤的声阻抗相同，超声在 皮肤界面就不会发生反射，这样才能保证大部分超声能够进入人体。 2 3 多普勒效应 多普勒效应是指由于波源或接收器相对于波的传播媒质运动，从而使接收器 所接收到的波长或频率发生变化( 相对于发射波) 的现象。此现象是奥地利物理学 家克早斯琴多普勒( c h r i s t i a nd o p p l e r ) 在研究天体运动时首先发现，因而称为多普 勒效应”1 。下面分四种情况讨论。 假设波源和接收器在同一直线上运动，如图2 3 ，波源发射频率为，：l ，波长 为九，波在介质中传播速度为c ，波的周期为r ，接收器速度为v 。，波源速度为v 。 波源接收器 l 口 斗一一一一一一一一一一一一一一 l ( 6 ) 图2 3 换能器、反射体运动产生多普勒效应 a 波源接收器相对介质静止 即v o = v ，= 0 ，从而当波传播到接收器时，在单位时间内通过接收器的波数 是接收器所接收到的频率石，为： 媚 一 音 高性能t c d 的研制 z = = 三= 厶 - 2 石一e i o 歹。( 2 - 3 ) b 波源不动，接收器运动 此时v ，= 0 ，0 ，如图2 3 ( a ) ，此时： 五2 等2 等2 半厶，( 2 - 4 ) 其频率变化量为：五= 石一f o = v o f o c ，称为多普勒频移。若接收器背向波源运 动，显然有_ = ( 1 一v o c ) y o ，其多普勒频移为i d = 一v o f o c 。综合两种情形有： z = ( 士詈卜厶= 詈厶 协s ， c 波源运动接收器不动 图2 3 ( b ) ，v ，0 ，v 。= 0 。波源在一个周期内运动距离( 位移) v ，t ，故接收 器接收的波长为a = 2 0 + v ，其中正号表示波源朝远离接收器方向运动，负号 表示波源向着接收器运动。此时，接收器接收到的频率石为： ；2 三2 古兀 ( 2 - 6 ) d 波源和和接收器一起运动 如图2 3 ( c ) ，接收器运动对频率变化的贡献为p v 。) v ，波源运动对频率变 化的贡献为c ( c v 。) ，二者同时引起的频率变化应为二者乘积，所以接收器接收 的频率为： z = 譬五 ( 2 7 ) 2 4 超声测血流模型 本节给出一个简单的模型，详细分析超声作用在血管中运动着的物体后的反 射现象，并且通过理论运算计算出血流速度。 2 4 1 超声测血流反射模型 超声进入身体后，在各种界面上发生反射现象。图2 4 为超声回波反射图。 换能器发射出超声透过人体，在皮肤、肌肉脂肪等组织、血管壁以及血液等分解 面反射，其中皮肤等各种组织的回波信号比血流的回波信号要大1 0 0 倍，且它的 9 t c d 的工作原理a 下面给出一个模型 多普勒回波信号的产生。 爱壤； 其中成为反射物的初始位置口设探头于5 。g ”。屈圳一“ l o高性能t c d 的研制 p 。( f ) = ( f 一乞弦 ( 2 9 ) 图2 6 超声与反射物体时间位置图 如图2 6 ，超声与反射物体之问的时间位置示意图。由于反射物体本身也 是运动的，所以，超声在t 时刻爿与反射物体相遇，发生反射现象，而不是在t 时 刻。此时有： p ，( f ，) = p 。( f ，) ( 2 1 0 ) 结合式( 2 7 ) ，( 2 8 ) ，( 2 9 ) ，可得： f ，：o _ + l r 。 ( 2 1 1 ) c v ： c v 2 发射和反射之日j 的时间间隔为： 舡= t t 。 ( 2 - 1 2 ) 反射波也要经过f 时间j 能到达接收端探头。接收时刻为f ，则： t ，= t 。+ 2 a t = t e + 2 ( t ，一t 。) = 2 t 。- t 。 ( 2 - 1 3 ) 把t 代入，得： r ，t2 l + 竺旦，。 ( 2 1 4 ) c v ：c v ： 信号在被接收t ，时刻被接收，然后在t 。时刻又发射： 铲盖卜罴( 2 - 1 5 ) 设发射信号为p ( f ) ，则反射信号为： s ( f ，) = a e ( t ，一a t ) ( 2 - 1 6 ) 第二章超卢测血流原理 具甲a 是及射强发。攒收到即信号为： 盹垆州( 羞。一兰) 用f 代替t ，得： 心) j 盟f _ 堕1 l c + v =c + v ： 令 口= 羞z ( ，一等) ， 则： ，“) = a e ( a ( t 一“ 其中口叫时间压缩系数，f o ：堕。鱼f l + 兰1 c v ： c c 接收脉冲与发射脉冲相比，首先有一个时间延迟， 射脉冲的频率相比也发生了变化，这就是多普勒效应。 设发射信号为： p ( f ) = g ( t ) s i n ( 2 n f o t ) 非 舯j ， v 。从此式可推出血流速度为： ， v = 生l ( 2 2 5 ) 2 f oc o s o 血流速度公式( 2 - 2 5 ) 中含有一个角0 ，即探头与血流运动方向的夹角，在进行 颅脑血管检测时，我们无法估计超声束与血管走向之间的夹角。但是由于人体的 高性能t c d 的研制 解剖结构决定了超声只能以小角度检测颅内血管的血流速度，因此，可以略去这 一角度引起的误差，即认为超声束与血管走向之间的夹角为零。 2 4 2 脉冲多普勒的真实意义 实际中，探头发射信号是有一定的时间宽度的，所以，位罨图可以画成图2 7 。 图2 7 超声束和发射物体的时间位置图 发射信号和接收信号的时间延迟用灰色表示出来，发射脉冲时间长度和接收 脉冲时间长度存在着差异，这个差异是由多普勒频移引起的，但这个差异很小， 使得它很不容易被检测到。在p w t c d 系统中，要想靠一个脉冲回波来检测这种 发射脉冲长度和接收脉冲长度之间的差异来检测多普勒信息是根本不可能的，因 为，因衰减而引起的频率下降要比这个变化要大的多。 血液流动而产生的多普勒效应除了对单一的脉冲表现为脉冲的压缩或展宽， 还表现为对一系列脉冲串的压缩或展宽。这个可以用来检测多普勒频移，因衰减 而引起的频率下移对此毫无影响，所以这种方法检测出来的于是真正的多普勒频 移。下面给出此法的理论证明。 设脉冲发生的丑j 隔为k ，探头和反射物体的距离为d 。，所以， t 。 竺(一o 22 6 ) c 即脉冲发射间隔要比超声到达反射物体的时间与从反射物体返回探头时间之和要 大，这样系统才能正常运行。 第一个脉冲的回波信号是： ( t ) = e ( c t ( t - t o ) ) ( 2 2 7 ) 第二个脉冲的回波为： 第二章超声测血流原理 哪) ：啪一生) 口 ( 2 2 8 ) 脉冲的发射间隔为，如果没有运动，则两个脉冲会完全相同；如果有运动， 则两个脉冲之间会产生一个时间的变化，这个变化是： 等2 壶z ( + 孙c ) p r f 2 ”， z ， = 堡 ( 2 3 0 ) f t ，这个时间延迟，或者视为相位偏移，是从两个连续的脉冲串求出的。设：发射 脉冲时刻为t = t 。l 和f 。2 = t m 。+ l r ，则这两个连续的回波信号为： 2 ( f ，2 ) = 1 ( ( f 。2 7 ) 一t ，) = l ( r 训一t ，) ( 2 3 1 ) 把发射时间都换成t ，得： 2 ( f ) = ，f l ( ，一f ，) ( 2 3 2 ) 式( 2 3 1 ) 是一个近似( 忽略多普勒现象对脉冲宽度的影响) ，但对理解脉冲系统 十分重要，它的物理意义是，由于多普勒效应的原因，第二个回波脉冲要比第一 个回波脉冲晚( 或早) ，。，这个f 。的长短是与血流速度有关系的，见式( 2 - 2 8 ) 。 图2 8 多个脉冲之间的时间伉置i 璺i 考虑到图2 5 ，亏表示f = f 。时刻发射物体的位置，乏表示= f 2 时物体的位置。 ，z 与f l 之间的时间差是：，速度向量为矿，位置的变化可以表示为： 矿= ( 弓一i ) ( 2 3 3 ) 反射物离开探头的距离为： 高性能t c d 的研制 a z = i 矿ic o s l 9 = 匕 这段距离如果是超声传播所需的时间是： t t 2 2 a z2 i 舌lc o s 0 一 cc ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) 从式( 2 - 3 5 ) 可以看出，如果知道了t ，就可以得到血流的速度v ，而f ，是前后两 个连续脉冲之间的时间变化，所以只要求出这个时间变化来就能够求出v 。 2 5 本章小结 本章的重点是超声测血流的理论基础多普勒效应。论文结合一个超声测 血流模型，详细分析了超声在遇到血流产生的多普勒反射现象，得到脉冲波多普 勒系统是通过测量多普勒效应引起的相邻脉冲之间的时间偏移来计算血流速度的 结论。 第二章1 d 系统的原理与实现 第三章t c d 系统的原理与实现 本章开始介绍系统原理及具体的工程实现。t c d 的信号处理流程大概可分成 两部分：第一部分是模拟信号的处理，包括信号的发射、信号的接收放大、正交 混频和壁滤波多个部分，这部分是决定仪器性能好坏的关键，发射放大器的功率 匹配、低噪声接收放大器的设计、换能器的噪声匹配和壁滤波器的设计是重点和 难点。第二部分是数字信号的处理，包括模数转换器( a d c ) 、数字信号处理器 ( d s p ) 、f p g a 设计和u s b 接口，主要完成前端板给出的血流信号的数字处理， 血流信号的短时傅立叶变换、包络算法等是本部分的重点。 3 1 系统总述 系统分两块电路板：前端板和信号处理板。 图3 i 系统框图 在图3 1 中，前端板主要完成超声信号的发射和接收。包括发射放大器驱动 电路，接收低噪声放大器和正交混频电路。信号处理板一方面完成短时傅立叶变 换，结果通过u s b 接口传到上位机p c 上显示频谱图：另一方面，经过h i l b e r t 变换网络等处理得到血流音频信号，从扬声器输出立体血流音频。声谱图和血流 音频都是t c d 的输出，它们都是临床诊断的重要依据。探头共分四种，其中1 m h z 和2 m h z 为脉冲式，检测颅内血管；4 m h z 和8 m h z 为连续式，检测周围血管。 下面分不同模块分别介绍。 图3 2 是前端板的原理框图。这部分电路是整个血流检测系统性能的关键部 分，决定着检测灵敏度、噪声系数、抗干扰能力等关键指标。回波超声经换能器 变成电信号进入电路，经低噪声放大器放大后，再与本地参考信号进行j 下交混频， 得到血流信号。控制取样积分的门控制信号的位置和长短代表了测量的血管的深 度和采样容积。 接收电路的关键部分是低噪声放大器，要求放大倍数要在4 0d b 以上，噪声 系数要小，频率响应要好。现有的集成放大器很难满足上述要求，所以电路采用 高性能t c d 的研制 分立元件构成三极管放大器，它能够很好的提高前端的灵敏度，提高整板的性能。 但这种放大器的设计比较复杂，需要反复的实验，是一个难点。 同相等制信号 fj 拧制 恒l q 冉麴 亩晰 ) 发射放大器厂一i 正交解调i 哐畛q 霉“孙踹挣 接收放大器 一牛 十门控制 图3 2 前端板原理框图 整个前端电路的另一个难点就是匹配网络的设计。这包括两个方面的内容： 第一，发射电路的功率匹配。只有达到功率匹配j + 能使发射电路高效的工作，同 时也要考虑到探头的传递函数，尽量减少无用频率信号，这样就能够降低探头的 发热；第二，接收电路的噪声匹配。噪声系数是t c d 前端的重要的参数，怎样在 保证放大倍数的同时降低噪声系数是一个难点，实际的设计和调试过程也表明， 这部分工作具有相当的难度。这两部分的内容将在下几节重点介绍。 图3 3 信号处理板电路 图3 3 是信号处理板电路框图。可控增益放大器是用来调整系统的放大倍数， 方便对不同血管信号进行测量；壁滤波器的设计是一个重点。壁回波信号混频的 结果有直流信号和超低频信号，而且这些信号一般都要比血流信号大很多，所以 必须要滤除掉；经a d c 模数转换换器后的信号被送往d s p ，完成短时傅立叶变 换。另外，前端板信号经9 0 。相移电路和音频功率驱动电路驱动扬声器发声。 第二章t c d 系统的原理与实现 3 2 发射、接收电路 t c d 是回波式测量仪器，发射电路的发射功率和接收电路的接收灵敏度都是 系统最重要的性能，是系统中最关键的电路之一。脉冲波t c d 发射脉冲宽度相对 于整个接收时阃很小，所以单个超声换能器就能完成发射和接收。 由于颅骨的衰减作用，要求超声探头能够发射足够强的超声波。在多普勒系 统中一般由峰峰值为2 0 v 到3 6 v 的电压激励产生超声波。对脉冲波t c d 脉冲宽 度一般为l 到1 0 u s ，具体宽度由取样容积决定。 图3 4 给出一种发射电路。该电路采用了推挽功放的电路结构，2 m h z 的方 波通过两个异或门输出相位相反的方波，并由门选择控制脉冲长度。输出两路相 位相反的方波驱动t l 和t 2 组成的推挽功放，然后通过变压器耦合输出，驱动压 电晶片发射超声。控制电压通过一个运算放大器电平转换，再接一个射随器形成 0 v 到8 v 的可调电压来控制超声的发射功率。 r 图3 4 发射电路 实际调试时发现此电路产生的发射信号的波形不是很好，有很多杂波。因为 换能器都有其自身的谐振频率，杂波会被换能器滤除掉，转换成热能造成探头参 数的改变，造成功率匹配网络失配。所以对发射电路来说，改善发射波形和设计 更好的功率匹配网络就是十分重要的问题。 超声回波被探头接收到，由于压电效应的逆效应，产生很小的电压信号，电 压的幅度与对应的回波信号的强弱有关。逆压电效应产生的信号中包括多普勒信 号，也包括静止目标的回波信号，而且后者往往比l j 者大1 0 0 倍”3 。图3 5 为一种 三极管放大器。 从探头回来的信号通过l 1 和c 1 选频后进入放大器。这个放大器是一个n p n 高性能t c d 的研制 三极管和一个p n y 三极管级的级联，两个三极管都接成共发射极放大器，从后一 个三极管的发射极取交流分量反馈到第一个三极管的基极。整个电路构成两级负 反馈放大器。 r 5c 4 图3 5 接收放大器 3 3 多普勒信号的解调 通常情况下超声载波的频率是2 m h z ，而血流的多普勒效应使其产生的频率 偏移一般在i k h z 以内，所以血流的回波信号的属窄带信号。对窄带信号采用解 析表示是信号处理中常用的方法，它能够使信号在处理时简化。 3 3 1 信号的解析表示 设x ( f ) 为一实数信号，那么它的频谱为： x ( 门= x ( r ) p 埘种衍 ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 说明实数信号的频谱含有负频率，当然频率不能真的为负，这是在 数学分析上为方便起见所设定的。与实信号相比，复数信号有以下性质：一，解 析信号不含负频率，即解析信号的傅立叶变换的全部频率都是正频率。二，解析 信号的振幅就是实际信号的包络。 如果实信号为x ( f ) ，那么它的解析信号是z ( f ) = 工( r ) + j ：c ( t ) ，其中k ( t ) 为x ( f ) 的 h i l b e r t 变换。由h i l b e r t 变换性质知：j ( ，) = 一j s g n ( f ) x ( f ) 。z ( t ) 的频谱为： z ( f ) = x ( f ) + j x ( f ) = 2 x ( f ) u ( f ) ( 3 - 2 ) 肌岍位；： 第二章t c d 系统的原理与实现 9 从式( 3 - 2 ) 可看出，解析信号z ( f ) 的频谱没有负频率部分，只有难频率部分， 而且是实信号正频率部分的两倍。我们这里的声谱图显示的就是多普勒信号的频 谱，用解析信号表示处理起来十分直观和方便，且频谱又是实信号的两倍。在电 路中，解析信号是正交解调得到的，下面给出脉冲波系统的正交解调。 3 3 2 多普勒信号的解调 结合图3 2 和第二章的模型，接收信号为： ( ，) = a e ( a ( t f o ) ) 口。l 一堡，耐。2 d o ，v ： 矿lc 。s 0 两个相邻的回波信号有： 2 ( r ) = l ( t t ，) p 冬稀 那么对于第i 个回波脉冲有： ，( ，) = l ( f 一( i 1 ) t ，) = 口- e ( a t 一( i 一1 ) 一a t o ) 把式( 2 1 5 ) 代入上式，得： ，。( r ) = a g ( a t 一( i 一1 ) t ，一a t o ) s i n ( a t 一( i 1 ) t ，一a t o ) 咖t n 耐一”剐 g ，o ) = g ( a t 一( i 1 ) 一c ) 本地参考信号为： 朴c o s ( z 矾 ，一剐 则，混频低通滤波后得： ( ，) = 2 z e m ( t ) r 。，( f ) 】 一洲n ( 2 矾卜卜等”- ， 删n ( z 矾 一争等”， 因为t 是表示相对于发射时刻的时间，所以对于一系列的脉冲串， ( 3 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 4 7 ( o v ：t c 是一 高性能t c d 的研制 个固定的相移。所以有： 屯一吣艇) s i n ( z 矾等( h ) + 刁( 3 - 1 3 ) c 。 上式如果把( f 一1 ) t p e 看作时间t 的话，那么信号的频率就是2 v ：f o c ，为多普勒频 率。 3 3 3 混频电路 混频器的实现方法很多，如二极管混频、三极管混频、模拟乘法器混频。”以 及开关斩波混频等。模拟乘法器构成的混频电路有以下几个缺点：一，模拟乘法 器要求本地的参考输入信号精度非常高，因为输出信号的幅度正比于参考信号的 幅度的。实际电路因为乘法器太灵敏，参考信号线要用屏蔽电缆；二，一般的 模拟乘法器都存在一定的非线性，输出包含了很多的谐波分量，当噪声比较大时， 噪声平方项会含有较大的直流分量，这可能会导致较大的输出误差3 。三，模拟 乘法器一般价格比较高。采用的是高速模拟开关来完成混频功能，也叫斩波混频。 x ，( t ) x o ( t ) 图3 5 正交解调 图3 5 为用斩波混频进行正交解调的原理框图，x o ( t ) 是参考输入信号，是个 幅度为1 方波，它的频率和发射信号的频率一样。x o ( ，) 是x o ( f ) 的h i l b e r t 变换后 的波形，即是x o ( f ) 延迟9 0 。后的波形。斩波混频就相当于参考输入信号为1 的模 拟乘法器，输出信号的幅度便不受参考输入信号的影响了。斩波混频器电路简单， 运行速度块，而且没有线性问题，动态范围大。我们的电路采用的是高速模拟开 关s d 5 4 0 0 ，电路调试后工作很好。 3 4 壁滤波器 超声的回波信号包括两个部分，一部分是固定反射体的回波信号，如皮肤、 脏器等；另一部分是运动的反射体的回波信号，如血流、脉动的血管等。前者在 混频后为直流信号，而且很大，会影响电路的动态范围，所以一定要滤除掉，而 且是越靠前滤掉越好。传统的做法是在混频后滤除，这样做法不是很好。因为这 第二章t c d 系统的原理与实现 个信号非常大，那么前面放大器的大部分动态范围所放大的信号在后面都要被滤 除掉，是一种浪费。最好的方法就是在放大之前滤除这些信号，锁相环壁滤波器 就是这样的m 1 。 圈3 8 血管层流示意图 正常情况下，人体动脉血管为层流方式，如图3 8 。血管中央流速最快，越靠 近血管壁流速越慢，在血管壁附近流速接近于零。壁滤波器的作用可归纳为以下 两点：一，滤除固定组织的回波混频后的直流；二，滤除不关心的低速血流和血 管脉冲的回波混频后的超低频信号。壁滤波器在滤除固定组织回波等信号的同时 还不能滤除很多低速血流信号，所以要求非常高。除了要求有很陡的上升沿，还 要求阻带要有很大的抑制比，要大于4 0 d b 以上。如果用椭圆滤波器，阶数要在7 阶以上”。壁滤波器采用l i n e a r 公司的l t c 系列产品，通过配置外接电阻，芯片 能够通过自带的设计软件方便的设计成各种滤波器。滤波器的截止频率由定时器 控制，信号由f p g a 给出。 上述滤波器的一个坏处就是，因为壁信号往往比血流信号大1 0 0 倍以上，信 号在混频器时有可能己经产生失真了，这样考虑下来，壁滤波器的位置越靠| j i 端 越好。所以在第四章的优化后的电路中，滤波器的位置是被改变了，脉冲波是利 用雷达原理中延迟相减的方法放在混频器之后采样保持电路之前。这样使得整个 电路的布局更加合理，提高了电路的性能。 3 5 音频电路 t c d 血流检测仪的输出有两个：一个是血流声音，另外一个是声谱图。不同 血管的血流声音以及声谱图频谱的形状都是不一样的；不同状态血管的血流声音 以及声谱图频谱的形状也是不一样的。如有血栓时，声音听起来会有微弱的爆破 声，频谱上看起来就会有一些亮点。音频电路的要求很高，声音要干净、清脆， 这对电路提出了很高的要求。 习惯上把血流的音频叫立体声音频，它和通常意义下的立体声的含义是不一 样的。通常的立体声是从不同角度采集多个声音信号，然后播放出立体效果出来。 而t c d 中的立体声却采集一个信号，在信号的处理过程中，通过正交解调碍到信 号的解析表达式，然后再经过计算得到正向血流和反向血流。所以，t c d 的立体 音频指得是正向血流和反向血流的声音。 高性能t c d 的研制 同 波 信 号 同相 反向 血流 正向 血流 图3 9 示出，前向血流的回波信号的频率比发射信号高，所以混频解调后的 频率是正的，相应的后向血流信号解调后的频率是负的。所以，设前向血流和后 向血流分别为： 聊，：等e x p f 腻牮， ：等e 毗r ) 2 v ，l c 0 8 口 咖= 2 9 0 1 二l 一 删= 詈唧卜矾生警， = 争。 咖：2 矾鲤 这两个信号是夹杂在一起的，现在的工作就是把这两个信号给分开。两者实部相 加有： r k ，( f ) = 了a jc 。s 协，) + 了a rc 。s ( _ 诈f ) ( 3 1 6 ) 虚部相加有： ，扫) = 等s i n 协r ) + 了a rs i n ( - 办归了a fc 。s ( + 訇+ c 。s ( 一妒一訇 ( 3 - 1 7 ) 把实部相移x 2 再加上虚部得： 力c d = 等c 。s ( 妒+ 訇+ 鲁c 。s ( 一如+ 訇+ 等c 。s ( + 訇+ 詈c 。s ( 一妒一三) 第二章t c d 系统的原理与实现 = 口，c 0 8 h 吲 1 8 ) 式( 3 1 8 ) 的只剩下正向血流了。同理，把虚部相移r 2 再加上实部得到的就是反 向血流。 传统的模拟音频是用模拟移相器实现9 0 度相移的，由于受模拟电路佳能的限 制，不能够准确的实现9 0 。相移。m c l 3 1 2 p 是一个四通道的逻辑运算器，可用来 实现的9 0 。相移电路“”，但它相移的精度不高，5 。的相位偏差引起的串扰( c r o s s t a l k ) 就为2 0 d b ，所以只能用在要求不是很高的场合。 3 6 多普勒频谱 回波信号经过放大、混频、滤波和a d 转换后变成数字信号，进入数字域的 处理。其中最重要的处理就是多普勒频谱的计算。多普勒血流信号是非平稳信号， 谱分析方法很多，文献【2 4 1 给出了多种方法，文献 2 5 1 给出了小波频谱计算的方法， 能够同时提高频谱的时i 日j 分辨率和频率分辨率。但目前采用的最多的是短时傅立 叶变换( s t f t ) ，可以是1 2 8 点，也可以是2 5 6 点，或者设计为可调。数字信号 处理芯片( d s p ) 是美国德州仪器的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 。这罩可以给出一个对d s p 速度的一个基本要求：在1 p j 盯的时问内要完成2 5 6 点的s t f t 运算。当然这是 最基本的要求，d s p 还要完成一些其它的工作，如滤波和其它实时统计数据的计 算等。t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 是一款比较高端的处理器，能够比较顺利的完成这些功能。 信号x ( f 1 的短时傅立叶变换为： s t m ( t ，) = )