第10章超声成像仪器3讲义..ppt

第三节B型超声诊断仪一、基本原理B超是辉度调制型（BrightModulation）超声诊断的简称。B超中回波信号的强度通过光斑的形式出现在示波器上,回波信号强，光点就亮，反之就暗。因此光点的亮暗程度（灰度）表征了反射界面两侧声阻抗的特性,而且两个光点间的距离也能反映出两个界面间的距离。,当超声探头固定不动时，一束超声波产生的回波信号将显示为一条由明暗不等的断续光点构成的直线。当超声探头平行于物体或身体表面移动时，调节垂直偏转板的电压，使得沿水平方向移动的光迹一条能落在另一条的上方，多条直线依次排列，这样就可以构成一幅物体或人体的断面图像。后来B超利用了多阵元探头，用多个探头同时测量，这样就能一次性将图像显示在荧光屏上。,B型超声仪是一种超声切面显像仪。在探测时超声探头在人体表面以一定规律运动,超声束切面扫查人体,以回波信号调辉显示,获得明暗光点,这光点在显示屏上按探头同样的规律运动,构成一幅超声切面图像。B型超声根据其扫描方式分为线性电子扫描,相控聚焦扫描,机械或电子扇扫.在临床应用中,扇形扫描在探查心脏方面有独到好处,线性和相控聚焦扫描适用于腹部区域大面积的探测.,二、基本结构1、发射与接收：电子聚焦数据的形成；超声的发射与接收；TGC信号的形成；信号的对数压缩；接收信号的放大与检波等。2、中央控制单元：A/D和D/A；数据的存储和读取；数字扫描变化；焦点的控制与切换；主控信号；数据的实时相关处理；字符显示及测量功能。,1、概述接收系统的主要作用（1）换能器接收灵敏度范围的控制接收阵元(位置)转接(线阵中)；接收方向控制（相控阵中)；接收孔径变换；接收聚焦。（2）回波信号预处理前置放大，TGC放大，动态滤波，对数放大，检波，边缘增强等。,三、超声接收系统概况,接收系统的位置及特点,信号通道的前段接收系统模拟处理。信号通道中后段数字扫描变换器数字处理。（信号通道：信号经过的从换能器至显示器的所有电路）,接收系统典型结构框图（EUB-240型线扫式B超）（双线箭头多路信号；单线箭头单路信号）,各部分的简要工作原理,探头作用：声电换能。发射接收两用。结构：80阵元线阵，二极管开关,以减少连线和前置放大器。前置放大器作用：放大微弱的接收信号，以利传输，提高信噪比。要求：外部干扰小，内部噪声低，灵敏度高，频带宽。数量：前置放大器有16路。接收多路转换开关作用：选择16路前置放大器输出中的11路扫查。并合成为6个信号F0-F5。控制：RQA/RQE/码。,可变孔径电路,作用：实现可变孔径接收。具体：近距离(近场)回波，用小孔径接收，波束窄。远距离(远场)回波，用大孔径接收，以利聚焦。方法：随时间逐次开通孔径边缘信号F2、F1、F0。控制：AP0/AP2/信号。相位调整（接收聚焦电路）作用：接收灵敏范围的聚焦。方法：对F0F5各信号按二次曲线变化延迟，再相加。控制：FCN0FCN2码，控制延迟变化的二次曲线曲率，也即控制聚焦焦距。,增益控制和动态滤波,TGC电路时间增益控制技术作用：补偿回波因深度增加而造成的衰减：I=I0e-2x方法：由TGC控制电压，控制压控放大器的增益，随接收深度而上升。结果：使近区增益适当小，远区增益逐渐增大。DF动态滤波技术作用：滤除近场过强的低频，和深部的高频杂波干扰。方法：由DF控制电压，控制压控带通滤波器的通带中心频率，随接收深度而下降。结果：近场滤除低频，提高分辨力；远场滤除高频，提高信噪比。,对数放大器,作用：压缩信号的动态范围，适配显像管的动态范围，防止有用信息的丢失。动态范围：信号100dB，显像管约30dB，特点：信号越大，增益越小。检波器作用：检出调制信号。射频信号视频信号回波调制：超声振荡受矩形脉冲幅度调制。勾边电路（边缘增强电路）作用：增强视频信号的边缘，突出图像的轮廓，使之便于识别和测量。控制：ENH信号，控制增强效果。,1）基本要求原因：阵元获取信号10-30Vp-p，合成电路本身噪音30Vp-p，故需加前置放大器，以提高信噪比。路数：线阵B超，前置放大常为多路，各机型有所差异。EUB-240型B超有16路，EUB-40型B超有24路。基本要求：（1）与探头馈线匹配良好。馈线特性阻抗前放输入阻抗。否则：信号被反射入馈线，信号减弱。多重反射，造成图象重影。,2、前置信号放大,（2）动态范围大,前放动态范围信号动态范围100dB，不丢失有价值的信息。（3）功率增益(P)大P=10lgKP(dB)其中，KP放大器功率放大倍数P大，则极限灵敏度高，信噪比高。日立EUB系列B超，前放P24dB。（4）噪声系数(F)小F输入端信噪比/输出端信噪比1理想：F1，即放大器无附加噪声。实际：F1，晶体管、电阻等总有噪声。F小，有限噪声灵敏度高，放大器动态范围大。,2）前置放大器电路,（1）前置放大器之一东芝SAL系列线扫B超的前置放大器,特点分析,由三级直接耦合放大器组成。A7（17dB）TR20为射随器，使之与延时线负载阻抗匹配。R62引入深度负反馈，展宽频带，提高稳定性。D33,D34组成双向限幅器，防止大信号阻塞放大器。15V，5V供电，使输出信号动态范围达15V以上。各级射极直流负反馈，稳定工作点，最小可辨信号小。L20，C31，C32电源滤波，减小噪声。C25高频补偿，C18耦合电容。,（2）前置放大器之二,日立公司B超常用的前置放大器。EUB-240型也用此。特点：IC1是大动态、高稳定的集成运算放大器H724B01。D1，D17组成双向限幅器，防止大信号造成放大器阻塞。L1，R1，C1为高通滤波器。C17，C33，C148，C149电源退耦电容。VR1电位器可调节增益，设计增益24dB。,C33,1）回波合成法（1）直接合成法方法：各阵元信号孔径控制聚焦延迟相加合成。优点：可不对称延迟，进行微角扫查。缺点：路数多，设备量大,3、超声回波信号的合成,（2）二步合成法,方法：各阵元信号对称合成孔径控制聚焦延迟相加合成。条件：具有对称延迟特性（无偏向）。优点：孔径控制电路、聚焦电路减少一半。实例：日立EUB系列B超（如EUB-240）采用此法。,2）接收多路转换开关,（1）组成IC17IC38：8选1转接开关TR2TR6：倒相驱动管。（2）信号输入：CH1CH16：前放输出,输出：F0F5：转接合成输出，控制：RQA/RQE/码（3）功能从16路前置放大器输出中，每次选通11路，并对称合成为F0F5的6个信号。控制码变化，选择通路变化，实现切换扫查。,（4）电路分析,转接开关的使能端与RQE,RQD的连接，简化为图5-7.RQE,RQD1,0或0,1，有输出的芯片编号，如图5-8。,前置放大输出的转接合成关系(HPi=CHi),例如：RQE/RQA/01111，经TR2TR6倒相，为10000，则F0CH1+CH11,F1CH2+CH10,F2CH3+CH9,F3CH4+CH8,F4CH5+CH7,F5CH6RQE/RQA/01110，经TR2TR6倒相，为10001，则F0CH2+CH12,F1CH3+CH11,F2CH4+CH10,F3CH5+CH9,F4CH6+CH8,F5CH7,3）可变孔径电路,可变孔径的提出及其实现方法（1）接收灵敏范围与孔径的关系根据：发射与接收的互易性；发射超声场的结论。非聚焦：近场：孔径越小，灵敏范围越小；远场：孔径越大，灵敏范围扩散角越小。聚焦：焦点处直径：df2.44F/DD接收孔径即：为使df小，当F增大时，D也应增大。（2）方法近场用小孔径，远场用大孔径可变孔径技术。（3）意义近场、远场灵敏范围(波束)均较窄，横向分辨力好。,可变孔径电路,（1）组成及作用MXIC：模拟调制分离器A=“0”,XX0,A=“1”,XX1,X端RC：低通滤波器；C：隔低频，通高频信号；L：隔高频，通低频信号。D：二极管开关；（2）信号F0-5：回波信号(高频)AP0-2：门控信号(低频)（3）单路工作原理因D负极经L，低频接地AP“1”：X-8V，D截止AP“0”：X+8V，D导通,（4）组合工作过程,由于，各阵元接收的回波信号对应为：F0F5周边中心因此，切断F0，F1，F2等信号进入回波合成电路，使周边阵元接收信号无效，即缩小了接收孔径。,（5）时间段计算举例,将探测深度分四段：近场，中场，远场，远场。分界距离：S120mm，S250mm，S390mm。由式：tKiSi/VD2Si/c可算得各段时间：tK0117s，tK165s，tK226s,4）接收相位调整电路（接收聚焦电路）,（1）作用对各阵元接收的回波信号进行延迟调整（二次曲线变化），使焦点处回波达到同相位叠加。其实质是换能器空间灵敏范围的聚焦。（2）分段聚焦的类型非实时分段动态聚焦：多次发射，多次接收。发射与接收同焦距，每次固定。实时分段动态聚焦：一次发射，一次接收。发射固定焦距，接收动态焦距。（3）实时分段动态聚焦原理（1）简述：以超声探查速度，同步分段地移动焦点。（2）例接收实时4段动态聚焦：若对应距离z1,z2,z3，回波所需时间为t1,t2,t3。则：,回波接收过程：,0t1时间：接收0z1内回波，用48阵元，焦点N，波束如()。t1t2时间：接收z1z2内回波,用39阵元，焦点M，波束如()。t2t3时间：接收z2z3内回波,用210阵元，焦点F1，波束如()。t3以后时间：接收z3以外回波，用111阵元，焦点F2，波束如()。可见：有效接收范围如图中粗线所围区域，有四个焦点。,（4）接收聚焦电路（EUB-240型B超所用）,电路组成DL1DL5：模拟延时线。IC39IC43：多路转接开关。信号输入：接收回波信号F0F5。输出：合成信号。控制：聚焦码FCN0-2/。功能对各阵元接收回波信号经二次曲线变化延迟，相加合成为一个信号。聚焦码控制二次曲线曲率，即焦距。与可变孔径电路，协同完成接收动态聚焦。,各控制状态下的延时关系,有两种频率(3.5MHz，5MHz)，各4个焦点，共8个焦点。,1）时间增益补偿（TGC）电路实现时间增益补偿的意义及方法（1）补偿的意义由于超声波随传播距离（时间）的衰减，使相同反射系数的界面近距离反射强，远距离反射弱，若不给予补偿，则图像将随深度（时间）而逐渐变暗。时间增益补偿：控制放大器增益随探测深度（时间）的增加而加大，以补偿超声随传播距离的衰减。（2）各种名称时间增益补偿(TimeGainCompensationTGC)深度增益补偿(DepthGainCompensationDGC)灵敏度时间控制(SensitivityTimeControlSTC),4、预处理电路,（3）补偿原理,声传播强度与时间(距离)的关系：II0e-2xI0e-2ct时间负指数关系。声-电转换、前置放大等时间线性关系。经声-电转换、前置放大等处理，回波信号仍是：时间负指数关系。可用时间正指数放大补偿。,（4）实际情况及措施,上述分析忽略了多种因素，仅为大致的补偿关系。.实际情况的复杂性受超声工作频率的影响f，f，频率高，衰减快。多重界面反射的影响实际常有多重界面，回波穿过界面越多，强度越弱。临床诊断感兴趣深度的不同临床对同一患者不同部位，或同一部位不同患者，成像时关注深度往往有所不同。.对策TGC控制波形指数波形(可变速率)修正波形操作者可调节：指数波形速率，修正波形形状根据实际情况，通过面板按钮、电位器操作。,（5）电路框图,TGC电压发生器产生一个随接收时间（深度）而变的TGC控制电压，用以控制可变增益放大器的增益变化。操作者由面板输入调节量，可调整TGC电压的波形，实现临床干预TGC过程。可变增益放大器在TGC电压控制下，放大器增益可变，对不同时间（深度）的回波信号有不同的放大量。,TGC电压产生电路,通常：TGC电压波形指数电压波形可调电压波形（1）可调电压波形受调节的型式：斜率控制型可调电压的大致形状不变，但参数可由面板调节。其中增益“台柱”用来增强特定深度的回波。距离增量控制型整个探测深度分成n段(如n=8)，每段一个控制点，由面板上的滑杆电位器调节。调节值连线，即是可调电压波形。,（2）TGC电压产生电路,有多种型式。数字合成式函数发生器适用性强，目前较多。基本原理ROM中存TGC电压函数值，在回波接收过程中：逐一读出函数值D/A各点电压连接TGC电压波形函数值寻址地址A0A9，由加法计数器计数产生。,TGC波形的改变调整手段,a)制造时预先设计在ROM中在ROM的不同区域，预先存入不同的波形函数值，工作时根据情况选择。有八种TGC曲线供选择。A12FCN20（3.5MHz探头），1（5MHz探头）A11ZOOM0（电子放大率1），1（电子放大率2）A10FAR0（近程），1（远程）,b)操作时随机调节,调节附加在ROM中读出的固定函数曲线之上。调节输入：操作者面板（滑杆电位器）仪器产生：修正数据GAIN0-7,修正方法：TGC波形ROM数据修正数据GAIN0-7波形,增益控制电路（可变增益放大器）,（1）控制放大器增益的方法改变放大器的偏置右图因晶体管(一定范围内)：Ib从而：TGC电压IbA改变放大器的反馈右图由于晶体管：Rce1/Ib而：ARce/R，从而：TGC电压IbRceA,R,串入电控衰减器,右图电路的总增益为：AG1G2其中：G11放大器G21衰减器。若TGC电压控制下，G2可变，即能起TGC作用。a)衰减器基本结构(右图)Uo(R2/(R1+R2)UiGUo/UiR2/(R1+R2)1,b)电控变阻元件,)二极管IIs(eVq/KT-1)其中：Is反向饱和电流，K波尔兹曼常数q电子的电荷量，T绝对温度V(KT/q)ln(I+Is)RDdV/dI(KT/q)/(I+Is)(KT/q)/I(IIs)RD1/I)晶体管Rce1/Ib)场效应管RDS1/VGS,c)电控衰减器举例,以上：(a)串联二极管型，(b)并联二极管型，(c)并联场效应管型说明：由于：回波信号高频，控制信号低频利用：L隔高频通低频、C隔低频通高频，可防止：回波信号控制信号相互干扰。,（2）可变增益放大器实例,TR19第一级放大TR20，TR21具正向压控增益特性的双栅极场效应管放大器。控制G1、G2电位可控制场效应管的跨导，从而改变放大器增益。VR17调节G1电位静态增益调节。TGC电压控制G2电位TGC控制。TR22，TR23为射极跟随器。,TGC作用下的场效应管特性曲线,TGC控制电压工作点Q沿IDVG曲线斜率增益如：近场(t1t2)，回波强(Vi1，Vi2)，但增益小，信号压缩。远场(t3t4)，回波弱(Vi3，Vi4)，但增益大，信号放大。,2）动态滤波（DynamicFilter：DF）电路,动态滤波的意义（1）原因超声传播时：I=I0e-2x,=f所以：高频快，低频慢，造成：探测距离信号f0(f0频谱中心频率)（2）接收频带范围固定的不利接收电路f0信号f0高频损失分辨力接收电路f0信号f0噪声增加信噪比（3）动态滤波的过程和意义随探测距离接收电路的f0，近区：选通高频，抑制低频分辨力；远区：选通低频，抑制高频信噪比。,动态滤波(DF)电路,动态滤波，也就是通频带可变的带通滤波器。（1）电路结构及特性如图：Dc为变容二极管，L、C1、Dc构成LC并联回路。当信号频率f等于回路谐振频率f0时，回路阻抗Z0最大。此时电路（可看成R与Z0构成的衰减器）对信号的衰减最小，输出Uo最大。当ff0时，输出Uo减小。f0也称为滤波器通带中心频率。,（2）DF工作过程,由于变容二极管的反偏结电容CD电压特性：ECD所以在回波信号接收过程中：DDF电压CDC=C1CD/(C1+CD)滤波器f0,（3）动态滤波电路实例,如图为EUB-27所用带通滤波器。V1、V2变容二极管并联目的：增大电容变化量增大频率控制范围。反偏结电容变化范围：30PF(9V)400PF(1V)L、C1和V1、V2组成LC选频网络。,DF电压发生器,（1）DF电压的取值范围和变化规律由以下因素确定变容二极管的变容特性。被探测介质（人体）对超声衰减的频率特性。探头工作频率（频谱中最强分量频率）的变化。观察视野的移动。图像电子放大与否。可见，后三种因素是不确定的，由操作者决定。故DF电压也应是可变的，由操作者临时确定。（2）DF电压发生器电路形式可有多种形式，由于波形的可变性，在微机化B超中，用数字函数发生器获取DF函数电压比较方便。,（3）DF电压发生器实例(EUB-240B超用),电路组成IC42：驱动器，74HC244。IC44：D/A转换器。DAC-08CN。IC46：流压变换器，TL081，有滤波回路。R150、L2、C156：低通滤波器，平滑输出波形。,工作过程,CPU以一定速率送出数据DDF0-4(5位)，经驱动器后，由D/A转换成模拟电流输出，再流压变换成电压。各数据电压相连，经滤波光滑，形成DF电压波形。CPU送出不同数据可得不同波形。波形图接收期，DF电压以近似指数规律下降。周期性变化。,TGC和DF综合实例（EUB-240中用）,动态滤波电路设置在两个虚线框内。L20、C212、C136和变容二极管D37、D38组成选频槽路。L21、C213、C150和变容二极管D39、D40组成选频槽路。,5、对数放大器,1）对数放大的意义（1）原因回波信号动态范围：LD100dB显像亮度动态范围：LD2030dB若直接显示：强信号图像一片模糊弱信号图像星星点点如同胶片曝光太过和曝光不足。需要压缩信号动态范围：100dB2030dB同时，并不丢失亮度信息。对数放大器能起到这样的作用。,信息淹没、丢失,（）对数放大器的特性,输入、输出关系uoK1lg(K2ui)K1lgK2+(K1/20)(20lgui)其中：K1斜率，K2对数偏差。输入、输出关系曲线均匀座标系中：斜率递减、数值递增曲线。输入对数座标输出均匀座标系中：递增直线。,对数放大器参数的外部调整原理,对于对数放大器：VoK1lg(K2Vi)经如上前后线性放大后，输入输出关系：uoG2K1lg(K2G1ui)其中：G1，G2线性放大器增益令：K1G2K1K2G1K2则：uoK1lg(K2ui)故可：改变G1、G2改变K1、K2,小信号放大特性的修正,当ui0时：uoK1lg(K2ui)-不可实现实际的对数放大器，小信号时：u0K3ui线性放大动态范围压缩特性当线性-对数放大特性平滑过渡时，可推得：LDo1+lnLDi其中：LDiuimax/uimin输入信号动态范围LDouomax/uomin输出信号动态范围一般：LDi1，右图可见：LDoLDi即：可压缩信号的动态范围。,2）对数放大和TGC放大的比较和关系,（）动态压缩比较TGC放大浅部信号(含Umax)增益小：UOmaxA1Uimax，A1小深部信号(含Umin)增益大：UOminA2Uimin，A2大UOmax/UOminA1Uimax/A2UiminUimax/Uimin也有压缩信号动态范围的作用。但中间信号并不按比例压缩。总动态范围压缩。对数放大增益只与Ui有关，与时间无关。信号全部按一定规律压缩。瞬时动态范围和总动态范围全面压缩。,（）位置安排的影响,先TGC放大，再对数放大TGC放大压缩信号动态范围：100dB60dB要求对数放大器：LDi60dB，电路可简化。先对数放大，再TGC放大要求对数放大器：LDi100dB。输入信号伴有随传播距离(时间)的指数衰减：II0e-2xI0e-2ct经线性声-电变换和放大得：VV0e-2ct时间指数衰减经对数放大：UK1lg(K2V0e-2ct)K1lg(K2V0)-2K1ctlge时间线性衰减这使TGC简化线性补偿，TGC电压产生电路简化。,3）基本对数放大器电路原理,（）二极管特性IIs(eVq/KT-1)室温下（20），KT/q26mV当VKT/q时，可有：IIseVq/KT或：V(KT/q)ln(I/Is)（）基本对数放大器(如图)IUi/RIDUO-VD-(KT/q)ln(I/Is)-(KT/q)ln(Ui/IsR)但是，二极管对数工作的动态范围很窄，温度稳定性，频率稳定性，也不理想。,4）集成对数放大器TL441,现代B超通常采用集成对数放大器，TL441应用最普遍。产品公司：美国德州仪器公司（TexasInstrumentInc）（）TL441的内部电路图,（）电路分析,如图为一半电路。组成T1-T2；T3-T4；T5-T6；T7-T8：四级差分放大器。T11,T12,T13,T14：射极恒流源负载。T9,T10：差分输出级。电阻：R1590R22.73KR3590R4147K,单级差分放大器工作原理,假设：Is1Is2管子对称，uiVb1-Vb2Vbe1-Vbe2则：或：其中：再令：射极恒流源电流为Ik，则：,IC1-IC2与ui关系的归一化曲线：（取：KT/q26mV）,特点：非线性限幅函数。分区：对数区：ui13mV75mV（15dB）。(在对数-线性座标系中，曲线线性段)线性区：ui-40dB.限幅区：ui-20dB.,级联关系,.输入级联T1-T2与T3-T4：R2,R3衰减量为：.输出级联uoVY+-VY-(V+-Ic9R9)-(V+-Ic10R10)(Ic10-Ic9)R(Ie10-Ie9)R(Ic1+Ic3+Ic5+Ic7)-(Ic2+Ic4+Ic6+Ic8)R(Ic1-Ic2)+(Ic3-Ic4)+(Ic5-Ic6)+(Ic7-Ic8)RT9,T10：流压变换，合成差分电压输出,总体框图,每级对数动态范围15dB，级间衰减-15dB，两级组合对数放大输入动态范围：LDi30dB。非线性限幅并联相加型对数放大器CA2,CA2,CB2,CB2：对数线性度调节，以利匹配。,5）集成对数放大器TL441在B超中的应用,（）一个实用对数放大器的方框图非线性限幅并联相加型对数放大器对数放大输入动态范围：LDi430dB120dB,（2）EUB-240型B超用对数放大器,TL441小动态应用实例适用：先TGC，后对数要求：IC线性增益30dB输入动态范围:理论：LDi23060dB实际：LDi50dB因对数放大动态范围之外有过度区，与前述的理论分析之间产生误差。输出动态范围：LDo27dB,电路输入输出关系曲线,对数放大输入动态范围限制因素：下限：主要受噪声电平和线性-对数过渡点限制。上限：主要受限幅电平限制。,6、检波电路,（1）概述检波定义：振幅调制波的解调信号包络检波。信号包络含信息包络大小界面反射的强弱，包络时间反射界面的距离。信号称谓检波前射频信号；检波后视频信号。检波方框图非线性器件：二极管、三极管、集成运算放大器。检波类型a)峰值包络检波：输出反馈到二极管两端。二极管。b)平均包络检波：输入与输出隔离。三极管、运放。,（2）二极管峰值包络检波电路,基本型原理当UiUc时，D导通，C充电。RDC，小，充电快。当UiUc时，D截止，C放电。RC，大，放电慢。形成Ui的峰值包络输出。要求R