超声增益补偿中的带通滤波器设计

超声增益补偿中的带通滤波器设计

医学超声内窥成像系统是将微型超声探头通过 电子内窥镜的活检通道伸人体腔、接近目标器官，由 微型电机驱动超声探头做360。旋转，对人体内腔断 层扫描成像。本系统采用微型电机前置的超声探头 设计，与国际上主流的体外电机驱动的超声探头不 同，将超声探头和旋转电机整合成一体，实现整体的 微型化。微型超声探头的电机前置这一新型设计方 案延长超声探头的使用寿命，但是探头的平均发射 功率较普通体外超声探头有所降低，而且引入电机 旋转的噪声。 水份计| 水份仪| 分析仪| 溶氧计| 电导度计| PH计| 酸碱计| 糖度计| 盐度计| 酸碱度计| 电导计| 水分测定仪| 浊度计| 超声增益补偿技术是通过控制放大器的增益变 化，使沿传播路径由近及远的超声回波按照增益衰 减——传播距离曲线获得不同的增益，弥补超声回 波因传播距离造成的衰减，从而使超声诊断设备所 显示的波形幅度能正确反映组织界面的声反射特 性。与此同时，回波信号中夹杂的噪声也按照此曲 线放大，在图像上表现为距离探头越远，噪声越大， 使超声成像的信噪比降低。 根据增益补偿的原理和内窥超声成像系统的特 点，笔者采用改进的带通滤波器设计方案，该方案能 够有效避免滤波器调试过程中的自激，在提取超声 回波信号的同时，降低图像噪声。

1 超声内窥成像系统
1．1 超声内窥成像系统构成 医学超声内窥成像系统是以微型超声探头为传 感元件，由微型电机驱动超声探头做360。旋转，对 人体内腔断层扫描成像。采用单探头分时共用的方 法 ]，即在一定的时间内超声探头受到发射脉冲的 激励，发射出超声波，而在发射结束后它又作为接收 传感器接收组织反射的超声回波信号，并将其转化 为电信号，进行信号处理，获得组织断层扫描图像。 其系统框图(见图1)。微型超声探头的电机前置这 一新型设计方案延长超声探头的使用寿命，但是探 头的平均发射功率较普通体外超声探头有所降低， 意味着超声信号减弱，而且电机旋转引入高频噪声。 图1 数字化医学超声内窥成像系统框图
1．2 增益补偿的原理 超声在人体组织中传播时，其强度将随着穿透深 度的增加而减弱。具有相同声反射系数的组织位于不 同深度时，其回波信号幅度也不同(见图2)。随着超声 频率的提高，这种衰减更为严重。为使超声诊断设备 所显示的波形幅度能正确反映组织的声反射特眭，就 需要根据深度(即时间)的变化对超声回波信号作不同 程度的放大，实现该功能的电路称为时间增益补偿 (Time Gain Compensation)电路，简称TGC电路 。噪 声并不具有超声信号的衰减特眭，因而经过增益补偿 后，噪声随着不同距离的增益而增大(见图3)。 资助：教育部重点项目“医用超声内窥镜关键技术及数字化研究(106048)” ． 增益补偿前 增益补偿后 图2 超声回波及其增益补偿效果图

2 带通滤波器的设计
2．1 滤波方案的比较 在医学超声内窥成像系统中，超声探头中心频率 范围为6～10MHz，带宽一般比较固定，回波信号较 弱，因此需要中心频率高、品质因数Q值较高、稳定性 强和中心频率可调的带通滤波电路，以滤除系统电源 引入的低频噪声和电机旋转带来的高频噪声。 从滤波器的电路组成来看，常用的带通滤波器 有LC无源滤波器、RC无源滤波器、RC有源滤波器 和特殊元件(如压电陶瓷)构成的滤波器 。LC无 源滤波器电磁辐射强，稳定性差，不宜在超声医疗设 备中使用；RC无源滤波器损耗大通常用于精度不高 的场合；压电陶瓷滤波器品质因数高，稳定性好，但 价格昂贵调整不便，仅适用于少数频点。RC有源滤 波器由RC元件与运算放大器组成，可制成低通、高 通、带通、带阻特性，它体积小，重量轻，品质因数Q 较高，由于滤波器的中心频率受运算放大器增益带 宽的限制，在以往的应用中很难实现高频滤波。
2．2 基于AD8021的带通滤波电路 AD8021是美国ADI公司生产的高速高精度运 算放大器，具有490MHz增益带宽积和2．1nV／Jnz 的电压噪声，输入电容为1pF，能够很好的满足超声 内窥成像系统中带宽和精度的要求。
2．2．1 常规带通滤波电路 当前RC有源滤波器 设计的理论和方法比较成熟，有现成的设计方案可 供选择，常规带通滤波器设计的电路(见图4)。 输入信号 输出信号 图4 RC有源带通滤波器 根据超声回波信号的带通滤波要求，确定合适 的中心频率和带宽。根据图4，首先确定电容c。。 44 根据经验，中心频率越高，C，越小。C，确定后，利用 公式1～3，就可以确定电路中其他参数 ]。 R=1／(2~foC ) (1) Q=fo／BW=1／(2一尺／尺，) (2) }}R =R =2R (3) 为准确地匹配超声探头的中心频率，滤波电路常 设计成中心频率和带宽可调的方式，即在电路上采用 可变电阻，通过阻值的改变调节中心频率和带宽。 常规带通滤波器的设计方法，容易生成一个自 激振荡电路，如图4中的线框所示，R：、c 、R 以及 放大器的输入电容Ci 构成自激电路中的选频网络 结构，当改变R 和R：的值来调整滤波电路的中心 频率和带宽时，电路可能发生自激振荡。
2．2．2 改进的带通滤波电路常规滤波电路结构 的调试比较困难，中心频率和电路Q值的选取牵涉 到多个电阻电容的取值，很容易造成电路的自激，为 此设计改进滤波电路(见图5)。通过改变电路结 构，破坏自激振荡电路形成的条件，可以在保证Q 值不变的情况下调整中心频率的值，并且通过合理 的电路参数选择，控制电路自激，使其能够应用到超 声回波增益补偿系统中。改进滤波电路中的参数计 算方法不变。 RI CI． 输入信号—1仁] 图5 改进的滤波电路

3 实验结果及分析
输出信号 将滤波电路与超声回波接收系统相连，系统采 用的超声换能器所激发出的超声波频率为6MHz， 保留2MHz的带宽。超声波经过相同的两层反射面 得到两个回波，回波经过前置放大后进入增益补偿 系统。 图6中左边曲线表示的是未经过滤波时，增益 补偿后的超声回波，从图6看出，经过增益补偿电 路，噪声和信号同时被放大，在图6中只能看到第一 层回波(圆圈中所示)，第二层回波已经被噪声淹 没，无法分辨；图中右边曲线表示的是经过滤波后， 得到的超声两层回波，从图上可以很容易的分辨出 超声信号经过增益补偿后的两层回波，与不接滤波 电路的增益补偿系统相比，信噪比明显提高。 滤波后 图6 经增益补偿的超声回波信号在 滤波前后的波形比较 以上分析滤波电路在超声增益补偿系统的作用， 广州市骏凯电子科技有限公司并提出一种改进的带通滤波电路，该电路能够避免传 统带通滤波电路容易产生自激振荡的缺点，并将此电 路接人内窥超声成像系统中进行试验。试验结果表 明，在超声时间增益补偿系统中加人滤波电路，能够有 效地提取有用超声回波信号，同时抑制噪声。 此带通滤波电路与前置放大、增益补偿电路共 同组成超声内窥成像系统的接收系统，是一种稳定 可靠的医学超声内窥成像系统的前端方案。