超声多普勒胎心检测仪前置电路研究

超声多普勒胎心检测仪前置电路研究

1胎心检测前置电路设计在子宫内和分娩过程中，由于各种原因，胎儿营养不良、生长发育缓慢、胎儿受苦、窒息和死亡。胎心检测的目的是对胎儿心动和胎心率进行监护。大量临床证明,胎心电子监护能有效发现妊娠过程中胎儿的异常,具有十分重要的临床意义。多普勒胎心检测仪是其中一种重要的胎心电子监护仪器。医学超声多普勒技术是利用多普勒效应原理,结合声学、电子技术来实现医学检测,形成一种仅次于超声脉冲回波技术的又一种主要超声医学技术,在胎儿监护、心脏瓣膜和血流检测等方面得到广泛应用。常用的连续超声多普勒接收信号模型如图1所示,接收信号可以看成是超声反射信号和发射部分的声、电漏信号叠加,表达式如式(1)所示。式(1)中a,b为振幅,ϕ1,ϕ2为初相,其中U1=acos(ω0t+ϕ1),主要是探头的发射部分和接收部分之间的声、电漏信号;U2=bcos((ω0±Ω0)t+ϕ2),为携带有多普勒频移的反射信号;Ω0为多普勒频移。为简便起见,令ϕ1,ϕ2均为0,则有:图2是胎心检测仪系统结构框图,包括胎心检测前置电路、超声换能器以及数字信号处理部分。胎心检测前置电路由图2所示超声发射电路和接收解调电路组成。目前市场上的胎心检测仪,特别是国产产品普遍存在综合灵敏度低等问题。胎心检测仪的灵敏度不足,是引发对胎儿状况误检的主要原因,并限制其对早孕周胎儿的监测。因此,本文研究多普勒检测前置电路这一影响灵敏度的核心环节。基于超声多普勒信号检测理论模型,比较不同前置电路技术特点,研制出新型前置电路方案,包括发射驱动电路、接收和解调电路等。2超声换能器超声发射电路在功能上主要包括振荡信号的产生,信号放大,匹配网络等部分,其原理框图如图3所示。其中,振荡器产生一定频率的振荡信号,经功率放大电路放大,由匹配网络加载到超声换能器。匹配网络的目的是使晶振处于谐振频率,提高换能器的能量转换效率。本文根据胎儿心动信号的特点,在研究多种超声发射电路特点的基础上,对其中性能较突出的电路方案及其测试结果进行实验研究。2.1超声发射驱动电路根据使用的晶振类型,超声发射电路可以分为使用无源晶振的超声发射电路和有源晶振的超声发射电路。超声发射驱动电路图4振荡电路使用无源晶振Y1,Y1和C5、C6构成电容三点式振荡器,反相器U1相当于一个大增益的放大器,R5为反馈电阻。振荡信号经放大选频网络至变压器T1,通过变压器的阻抗匹配作用来提高换能器的输出效率,此处变压器可以有效地隔离发射电路引入的噪声。通常,胎心检测使用的超声中心频率为1M,2M,2.5M,3M。陶瓷晶振的稳定性和准确度不如有源晶振,因此,理论上采用有源晶振电路更加稳定。图5是为使用有源晶振的超声发射驱动电路。电路使用U1对有源晶振产生的信号进行分频,以得到所需频率信号,L1、C1、L2组成匹配网络,通过改变L1的值来达到频率匹配的目的,使换能器效率达到最高,考虑到超声换能器的输入阻抗一般不高,此处采用电感直接耦合,亦可达到阻抗匹配的目的。2.2两个电路方案比较用示波器(Lecroy104MXi)测得上述两个电路换能器两端的发射信号的波形截图如图6所示。图6(上)的为有源晶振方案换能器发射端的波形图,图6(下)的波形图为无源晶振方案换能器端的波形图。从图中对比可以看出,有源晶振方案产生的信号频率更精确,波形更干净。表1为两个电路方案性能的比较。从电路的稳定性和调试方便程度看,有源晶振方案总体上要优于无源晶振方案。3超声多普勒信号解调超声换能器在驱动电压作用下产生机械振动发出超声波,超声波在人体传播时遇到活动物体会产生多普勒效应,遇到界面会产生反射。反射回来的携带有多普勒频移信息的超声波在换能器接收晶片两极产生微弱的电信号,此电信号含有胎心率信息。超声多普勒信号解调常用的方法有检波、鉴频、鉴相和乘法;而鉴频方法存在局限,鉴相的方法存在失真大、灵敏度低等问题,实际使用的是检波和乘法的方法。使用包络检波解调时,对于式(2),通过计算,可以改写为:式(3)中,其中m称为调幅度。用检波的方法对式(3)所示的信号进行解调,将幅度因子A(Ω0t)取出。设检波效率为η,则振幅输出为通过检波即可以检出此多普勒频移信号。在同步解调时,对式(2)的输入信号乘以一个本地的参考信号c·cos(ω0t+θ),得经过低通滤波输出后,得到输出式中η为解调效率。此时,这种解调方法输出是一个与bcosΩ0t成正比的信号。3.1基于模拟乘法器的解调过程鉴于超声多普勒频移信号的解调多使用检波和乘法器的方法,下面将讨论多普勒信号解调中检波解调和的乘法器同步解调原理及硬件电路实现,以及电路性能的对比。二极管包络检波由于其电路简单、成本低等特点在检波电路中经常应用。图7是本文设计的超声多普勒包络检波解调电路。换能器接收晶片接收到回波信号,经谐振电路选频放大,再通过小信号放大器Q1将信号进行初级放大,Q2、Q3组成共射共基放大电路,信号二级放大的同时可以防止产生自激。经二极管D1检波出来的信号再经过滤波放大电路选频放大即可得到所需的多普勒频移信号。由于二极管存在死区,而换能器接收的多普勒频移信号很微弱,一般的检波电路不能检出此信号,为克服这个缺点,文中将二极管设计处于持续导通状态,信号反向经过二极管,因此负边带包络被检出。模拟乘法器在相干解调电路设计中应用广泛,高频电路中常采用集成模拟乘法器实现混频、倍频、鉴频、鉴相等调制与解调的过程。图8为使用乘法器解调的电路图,模拟乘法器使用MC1496。超声换能器的接收晶片接收回波信号,通过变压器T2耦合到乘法器MC1496的1、4腿,变压器副边线圈与电容C1组成谐振回路,对信号有选频放大的作用。乘法器的第10腿接入发射电路产生的本地信号作为参考信号,电阻R7为乘法器的增益控制电阻,改变阻值可以改变输出端信号的放大倍数,从乘法器第6腿和第12腿输出的信号再经差动放大,可以输出多普勒频移信号。由于差动放大电路可以有效地抑制温漂和噪声,文中设计将乘法器输出进行差动放大,能有效地抑制噪声。3.2乘法器解调电路实验表2是检波电路的实验测试结果。实验时,在换能器接收晶片两端输入函数信号发生器产生的调幅信号,其中,已调信号的载波信号频率为2.5M,调制度m设为5%,改变调制信号的频率和已调信号的幅度。从表2可以看出,检波方案亦能够有效地解调出调制信号,但当信号频率变大时,信号的幅度变小,说明解调时非线性度比较严重。表3为乘法器解调电路的实验测试结果。实验时,从变压器T2的原边输入信号源产生的正弦信号,改变信号的幅度和频偏,得到实验结果。从表3可以看出,乘法器方案可以有效地解调出信号的频偏,且对于很小的输入信号时,具有很高的灵敏度。通过表2表3对比可以看出,乘法器解调方案的对微小信号的检出能力更强,灵敏度更高;对于给定频偏的输入信号,乘法器方案较检波方案输出端解调出的频率误差小。乘法器方案电路简单,调节方便,解调效率较高,解调出的信号失真较小;而二极管检波方案电路较复杂,二极管检波效率一般不高,使得解调信号有失真;因此,乘法器更适合于超声多普勒信号的解调。4超声检测技术通过对发射和接收解调电路的研究,本文所设计的连续超声多普勒胎心检测前置电路如图9所示。将该前置电路应用于便携式胎心检测仪,并检验胎心仪整机的灵敏度。常用的灵敏度检测方法有两种[6~8]:(1)定性检测法,一般使用指尖血流法,即用探头对准手指尖毛细血管,看能否听到血流声及声音的质量;(2)定量检测法:用综合灵敏度检测仪器来检测多普勒胎心检测仪的灵敏度。目前国内最权威的检测装置为中国计量科学研究院研制的FS-3型超声多普勒胎儿测量仪检测装置。采用指尖血流法检测发现,改进前的胎心仪不能检测出绝大部分人的指尖血流信号,即使个别能检测到血流信号的,信号也很微弱。而采用新型前置电路的胎心仪能检测出大部分人的指尖血流信号,在扬声器端能听到清晰的血流音。再采用FS-3型超声多普勒胎心仪灵敏度检测仪对改进前后的胎心仪进行综合灵敏度检测,并与国际先进的OXFORD公司的高灵敏度FD1型胎心检测仪进行比较,比较结果如表4所示。5测试结果及分析本文针对目前超声多普勒胎心检测仪灵敏度不足的问题,研究多普勒检测前置电路这一影响灵敏度的核心环节。基于超声多普勒信号检测的数学模型,比较不同前置电路技术特点,提出并实现了新型前置电路方案,并成功应用于多普勒胎心检测仪中。测试结果表明,新型胎心仪综合灵敏度明显提高,达到国际同类产品先进水平。通过对前置电路中超声多普勒发射和接收解调电路的实验研究,可以