一種低成本的超聲連續(xù)波多普勒電路方案

周桂榮 李德來 汕頭市超聲儀器研究所有限公司 （汕頭 515041）

最早報道超聲多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用是用CWD（連續(xù)波多普勒）來測量血液。連續(xù)波多普勒采用兩組（或兩個）晶片，其中一組連續(xù)地發(fā)射超聲波，另一組連續(xù)地接收回波。它的探測深度不受限制，沒有折返現(xiàn)象，可以測量高速血流，具有很高的速度分辨力，主要應(yīng)用于血流的定量分析，可以用來計算血管狹窄口的面積、判斷狹窄口的嚴(yán)重程度，估計肺動脈壓力，估計分流兩側(cè)腔室之間的壓力階差。[1]

1.CWD 基本原理

下面的框圖表示了一種基本的連續(xù)波多普勒設(shè)備。在CWD 模式下，換能器的一半用來發(fā)射，另一半用來接收，沿聲束出現(xiàn)的血流和組織運(yùn)動多譜勒頻移信息全部被接收，不能從回波中提取距離的信息，但是由于發(fā)射聲束與接收聲束聚焦區(qū)域的多普勒信息在回波信號中更加突出，可以借助二維聲像圖判定診斷部位。

圖1. 連續(xù)波超聲多普勒成像系統(tǒng)原理框圖

圖2. 連續(xù)波多普勒原理框圖

接收頻率與發(fā)射頻率之差即為多普勒頻移，可以按照下面的步驟獲取多普勒頻移信息：首先把原始信號解調(diào)到基帶，接著通過低通濾波濾掉高頻成份，再用高通濾波器（又名壁濾波器）濾掉固定或慢速目標(biāo)信號，這些信號由組織和低速運(yùn)動的血管壁產(chǎn)生，最后由譜分析器計算出多普勒頻譜，信號處理的頻譜如圖2 所示。[2]

由于血流回波信號是變化的，所以提取血流信息實際上就是進(jìn)行時間－頻率分析。現(xiàn)代的超聲成像系統(tǒng)通常采用短時傅里葉變換，用一個移動窗口對信號進(jìn)行傅里葉變換，即是對相臨的32-256 個樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到的頻譜就代表該狀態(tài)下血流速度的分布情況。

2.電路原理

2.1 模擬波束合成方案

連續(xù)波多普勒系統(tǒng)獲取診斷信息的電路原理與其他類型系統(tǒng)類似，前端也由換能器、發(fā)射激勵電路和接收放大電路組成；CWD 模式的掃查機(jī)制簡單，不需要側(cè)向掃描等復(fù)雜控制；CWD的信號處理過程就不太一樣。

雖然CWD 模式?jīng)]有距離選通，但是可以通過波束聚焦來增強(qiáng)感興趣區(qū)域的血流信息。由于沿聲束出現(xiàn)的血流和組織運(yùn)動多譜勒頻移信號全部被接收，所以回波信號既包含近場強(qiáng)信號，又包含遠(yuǎn)場弱信號，動態(tài)范圍很大，加上對相位噪聲的要求很嚴(yán)格，所以CWD 的波束合成一般使用獨立的模擬電路來處理，在所有波束合成方法中，無源混頻方式效果最好，能夠滿足大動態(tài)范圍和低相位噪聲的要求。各通道的接收信號經(jīng)過解調(diào)、相位調(diào)整和波束合成，合成的波束信號通過高通濾波器濾掉血管壁強(qiáng)信號，降低有用信號的動態(tài)范圍。經(jīng)過解調(diào)和濾波后的多普勒頻移信號接近普通音頻信號，使用16 位以上的音頻ADC 就可以滿足需要，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送給譜分析器計算出CWD 頻譜。圖3 是普通CWD原理框圖，其中CWD 專用模擬電路性能要求高，成本也高，還有占用空間、電源供應(yīng)和電磁兼容等其他問題也不容易解決，這些問題制約了CWD 功能的普及，為此，本文提出一種低成本的CWD 電路方案。

圖3. 普通CWD 原理框圖

圖4. 數(shù)字波束合成方法的CWD 電路原理圖

2.2 數(shù)字波束合成方案

CWD 不能分辯距離，沒有TGC，回波信號的動態(tài)范圍在110dB 以上，經(jīng)過壁濾波后動態(tài)范圍降低十幾dB，通常使用大動態(tài)范圍的16 位ADC。早期全數(shù)字彩超的數(shù)字波束合成器使用的ADC 一般只有10bit，輸入動態(tài)范圍小于57dB，遠(yuǎn)小于CWD 信號的要求。隨著近年來器件技術(shù)和工藝的發(fā)展，性能越來越高，常用的有ADI 公司的AD9674 和TI 公司的AFE5808 等超聲前端器件，采用14 位ADC，輸入動態(tài)范圍接近77dB，勉強(qiáng)滿足CWD 電路的要求。如果回波信號經(jīng)過ADC 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送給FPGA 進(jìn)行數(shù)字波束合成，就可以不用CWD 模擬電路。主要存在的問題是信號輸入ADC 之前沒有經(jīng)過高通濾波，血管壁信號較強(qiáng)，AD 轉(zhuǎn)換后血流分量的動態(tài)范圍較小，降低了頻移信號的信噪比。[3]

如果使用AD9674，它的采樣率高達(dá)125MHz，相對于一般CWD 電路的ADC 只有100KHz，通過過采樣也可以提高AD 量化精度。這樣ADC 的分辯率相當(dāng)于增加了log4(125MHz/100KHz)=5bit，提高了ADC 的輸入動態(tài)范圍，基本達(dá)到CWD 信號的要求。

3.方案設(shè)計和實驗

3.1 方案設(shè)計

新電路方案僅限于對接收電路的修改，發(fā)射電路保持不變。接收電路省去專用的CWD 解調(diào)、濾波和轉(zhuǎn)換電路，改為使用FPGA 來實現(xiàn)相應(yīng)功能，在FPGA 上增加CWD 功能的原理圖如圖5所示。

CWD 回波信號經(jīng)過AFE（模擬前端）放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，送給FPGA（波束合成器），不同于B 型波束合成的是，CWD 信號對距離沒有分辯能力，所以不需要粗延時，只需要相位延時就可以進(jìn)行波束合成，首先對回波信號進(jìn)行正交解調(diào)，然后乘以相移因子，就得到移相后的回波正交信號。

接收回波信號可表示為：

把x(t)分別乘以2cosω0t 和-2sinω0t，并且經(jīng)過低通濾波濾除高頻成分，得到I 通道的輸出為[4]

圖5. FPGA 處理功能原理框圖

圖6. 采用傳統(tǒng)電路的CWD 效果

圖7. 簡化電路后的CWD 效果

同理得到Q 通道的輸出為

將VA(t)和VB(t)合成復(fù)合信號V(t) = VA(t) +jVB(t)，就可以得到x(t)的復(fù)數(shù)包絡(luò)函數(shù)，它的功率譜如圖2 所示。

各通道信號還需要根據(jù)當(dāng)前焦點位置進(jìn)行相位延遲才能合成波束，實現(xiàn)時只需把本振信號進(jìn)行相應(yīng)相移就可以，如圖5 中本振信號的相移角度θn。

3.2 實驗結(jié)果

為了方便實驗和對比效果，在公司自主開發(fā)的中高端彩超產(chǎn)品Apogee5500 上試驗，根據(jù)3.1的設(shè)計方案進(jìn)行FPGA 邏輯設(shè)計，在原來數(shù)字波束合成器的基礎(chǔ)上增加CWD 波束合成器，使系統(tǒng)既支持CWD 模擬波束合成器，也支持CWD數(shù)字波束合成器，按下面設(shè)置同樣的實驗參數(shù)，可以方便地對比頻譜圖像效果[5]。

（1）中心頻率為2.8MHz 的相控陣探頭P3FC（2）聲功率80%

（3）增益44DB

（4）圖譜7

（5）速度4

（6）平滑0

（7）偽彩4

（8）發(fā)射頻率2.0MHz

（9）速度標(biāo)尺3

（10）壁濾波器488Hz

（11）校正角?。

兩種CWD 波束合成方式得到的圖像如圖6和圖7 所示，圖6 是采用傳統(tǒng)電路，圖7 是使用數(shù)字波束合成器的CWD 效果。

采用模擬波束合成器的CWD 頻譜相對柔和飽滿一些，高速血流弱信號能顯示出來的，頻譜輪廓清晰，相對完整，信噪比高。

數(shù)字波束合成器基本能夠得到CWD 頻譜，不過底噪比較大，且有用弱信號被掩蓋了，高速血流弱信號丟失，輪廓不夠完整。

4.結(jié)束語

自從連續(xù)波多普勒在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用以來，性能已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是由于高動態(tài)范圍和低相位噪聲的嚴(yán)格要求，需要使用模擬的混頻器和模擬濾波電路，長期以來少有變化，隨著近年來器件技術(shù)的發(fā)展，使用數(shù)字波束合成器有了可能，這樣可以省去專用模擬電路的成本，縮小系統(tǒng)體積。通過試驗，我們看到了這種可能性存在，雖然從效果來看，背景噪聲還較大，靈敏度較低，還是能夠滿足較低要求的使用，可以在低端彩超甚至B 超上擴(kuò)展該功能。隨著器件技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字波束合成的CWD 性能將進(jìn)一步提高。

[1] 巫立新, 劉戰(zhàn). 超聲多普勒原理及臨床應(yīng)用和進(jìn)展[J]. 海軍醫(yī)學(xué), 1988, (3).

[2] 伍于添.醫(yī)學(xué)超聲設(shè)備原理?設(shè)計?應(yīng)用[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社.2012.

[3] John.超聲成像系統(tǒng)連續(xù)波多普勒設(shè)計的挑戰(zhàn)[J].電子產(chǎn)品世界,2009(2):52-53。

[4] 高上凱. 超聲脈沖多普勒血流測量的一般原理和方法[J]. 中國醫(yī)療器械雜志, 1980, (5).

[5] 萬明習(xí)等.生物醫(yī)學(xué)超聲實驗.[M].西安：西安交通大學(xué)出版社.2010.