專利名稱：一種新型的超聲多普勒血流測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種新型的超聲多普勒血流測量儀，屬物理測量技術(shù)領(lǐng)域。
心腦血管疾病是目前危及人類健康的主要疾病之一。基于多普勒原理設(shè)計的超聲血流測量儀可用于無創(chuàng)地檢測人體的血流，從而為心腦血管疾病的診斷提供了有力的工具。
超聲多普勒血流測量的原理當超聲波進入人體后遇到運動的物體，其回波信號就會出現(xiàn)多普勒頻偏(見圖1)，頻偏的大小由下式?jīng)Q定fd=2ν•cosθcfo]]>式中，fo是發(fā)射頻率；fd是多普勒頻偏；v是物體運動的速度；c是超聲在人體中傳播的速度θ是聲束與流速之間的央角。
當發(fā)射連續(xù)的正弦波時，系統(tǒng)稱為連續(xù)波血流測量儀當發(fā)射重復(fù)出現(xiàn)的短脈沖群時系統(tǒng)稱為脈沖波血流測量儀。
圖2是脈沖波血流測量儀工作原理的示意圖。
由控制電路產(chǎn)生的發(fā)射短脈沖信號群經(jīng)過發(fā)射電路后施加到換能器上，由此轉(zhuǎn)換成超聲波信號進入人體。由人體內(nèi)運動組織產(chǎn)生的回波信號(fo+fd)，經(jīng)過放大送入解調(diào)電路。解調(diào)電路再將檢測出的信號(fd)送到距離選通電路，由控制電路發(fā)出的采樣信號對指定深度的回波信號進行采樣。最后，經(jīng)過濾波處理后由譜分析器計算出相應(yīng)的譜圖。
從系統(tǒng)設(shè)計方面看，已有技術(shù)中采用了大量模擬電路，只是在最后一個環(huán)節(jié)才使用了數(shù)字信號處理器或計算機來完成譜分析，如圖3所示。這樣的系統(tǒng)存在以下問題干擾噪聲大，器件選配困難，調(diào)試過程復(fù)雜，加工費用高。
從功能模塊實現(xiàn)時采用的技術(shù)方案上看，已有技術(shù)存在的問題是(1)控制電路中使用了不少中、小規(guī)模的組件。不僅使得控制板面積大，加工費用高，而且也增加了許多不可靠的因素。
(2)在模擬放大通道中使用分立元件。雖然也能達到要求的增益與帶寬，但并不能實現(xiàn)放大器的開/關(guān)控制及增益控制。
本實用新型的目的是設(shè)計一種新型的超聲多譜勒血流測量儀，簡化電路設(shè)計，提高測量系統(tǒng)的集成度，并提高系統(tǒng)的可靠性、靈活性及保密性。
本實用新型設(shè)計的超聲多譜勒血流測量儀，包括換能器和(1)發(fā)射電路由兩個三極管、兩個VMOS管和一個變壓器組成，由系統(tǒng)控制電路產(chǎn)生的兩個互補的發(fā)射脈沖信號(RX、RXN)分別送給兩個三極管，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后控制VMOS管。兩個VMOS管交替導(dǎo)通，所形成的發(fā)射脈沖經(jīng)過變壓器耦合到換能器晶片上；(2)模擬信號檢測電路模擬信號檢測電路由射頻放大器、解調(diào)器與距離選通電路構(gòu)成，其中射頻放大器選用的是一片低噪聲、寬頻帶、可變增益的運算放大器AD600,GAT端是放大器的開/關(guān)控制信號，CH是放大器的增益控制信號，由換能器接收的模擬信號經(jīng)電感(L)、電容(C)耦合至AD600，放大后再送解調(diào)器；解調(diào)器采用的是MC1496乘法器，其中SIN為本振信號，echo是超聲回波信號，射頻放大后的模擬信號經(jīng)乘法器解調(diào)，然后經(jīng)運放NE5534轉(zhuǎn)換成單端輸出信號送給距離選能電路；距離選通電路由積分器和采樣保持器組成，其中包括一個運放(NE5534)和兩個開關(guān)，INTEGER和S/H分別為積分時間和采樣保持時間的控制信號，距離選通電路的輸出再送高速信號處理卡；(3)高速信號處理卡本實施例中采用的高速信號處理部件是以TMS320C30為基礎(chǔ)設(shè)計的信號處理卡；(4)控制電路控制電路產(chǎn)生如下控制信號脈沖重復(fù)頻率PRF、發(fā)射脈沖RX、采樣體積RGATE、正交信號SIN和COS、射頻放大器開/關(guān)控制信號RW以及距離選通信號INTEGER、S/H控制電路的輸入是計算機的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線，由計算機隨時改變上述各控制信號具體形態(tài)，整個系統(tǒng)的邏輯電路，用一塊大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?EPLD)進行控制，該器件可以在線編程，隨意修改程序。它的引用不僅大大簡化了電路設(shè)計，提高了系統(tǒng)的集成度，而且還高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性及保密性。
本實用新型設(shè)計的超聲多普勒血流測量儀，將換能器接收的回波信號，經(jīng)模擬信號檢測電路(包括射頻放大器、解調(diào)電路、距離選通電路等)處理后，不經(jīng)濾波電路濾波，就進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入高速信號處理卡，再做濾波、正反向流分離及譜分析等，如圖4所示。其突出特點是，射頻放大器采用了低噪聲、寬頻帶、可控增益的射頻運算放大器AD600。該器件低噪聲、寬頻帶的特性完全滿足了超聲回波信號放大的要求。與此同時，此類放大器述提供了工作狀態(tài)的開/關(guān)控制以及放大器的增益控制。由于脈沖波超聲多普勒系統(tǒng)中，發(fā)射與接收使用同一個換能器，因此在發(fā)射周期里希望把放大器關(guān)閉，只在接收周期才把它打開。此外，在處理超聲回波信號時，由不同深度的回波信號希望有不同的放大倍數(shù)。因此，可控增益運算放大器可以完美地解決超聲回波信號處理中的控制要求。
數(shù)字信號處理部分，采用了以美國TI公司生產(chǎn)的TMS320C30為基礎(chǔ)構(gòu)成的高速信號處理卡，其中包括兩路A/D及D/A變換器模擬信號處理后的信號，經(jīng)A/D變?yōu)閿?shù)字信號，在高速信號處理卡中可以方便的實現(xiàn)濾波、正反向血流速度分離及譜分析等。
本測量儀的另一個優(yōu)點是，整個系統(tǒng)的邏輯電路僅用了一片大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?EPLD)。該器件可以在線編程，隨意修改程序。它的引用不僅大大簡化了電路設(shè)計，提高了系統(tǒng)的集成度，而且還提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性及保密性。


圖1是超聲多普勒血流測量原理圖。
圖2是已有技術(shù)脈沖多普勒血流測量儀工作原理圖。
圖3是已有技術(shù)實施原理框圖。
圖4是本實用新型設(shè)計的脈沖多普勒血流測量儀工作原理圖。
圖5是本實用新型的實施原理框圖。
圖6是發(fā)射電路原理圖。
圖7是射頻放大器原理電路圖。
圖8是解調(diào)電路原理圖。
圖9是距離選通電路原理圖。
圖10是控制電路的輸入輸出信號。
圖11是可編程器件引腳圖。
圖12是控制電路各信號間的時序關(guān)系。
以下結(jié)合附圖，詳細介紹本實用新型的內(nèi)容。
圖1至圖7中，1是發(fā)射信號fo，2是皮膚，3是血管，4是接收信號fo+fd，5是超聲換能器。
圖5所示為本實用新型的一個實施例。
該系統(tǒng)建立在一個普通微機(PC)硬件平臺上，由PC主機控制系統(tǒng)各部件的協(xié)調(diào)運行。整個系統(tǒng)由發(fā)射電路、模擬信號檢測電路、高速信號處理卡及控制電路等部分組成。各部分的工作原理分述如下
(1)發(fā)射電路，如圖6所示。
發(fā)射電路由兩個三極管、兩個VMOS管和一個變壓器組成。由系統(tǒng)控制電路產(chǎn)生的兩個互補的發(fā)射脈沖信號(RX、RXN)分別送給兩個三極管，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后控制VMOS管。兩個VMOS管交替導(dǎo)通，所形成的發(fā)射脈沖經(jīng)過變壓器耦合到換能器晶片上。
(2)模擬信號檢測電路模擬信號檢測電路由射頻放大器、解調(diào)器與距離選通電路構(gòu)成。其中射頻放大器選用的是一片低噪聲、寬頻帶、可變增益的運算放大器AD600。GAT端是放大器的開/關(guān)控制信號，CH是放大器的增益控制信號，如圖7所示由換能器接收的模擬信號經(jīng)電感(L)、電容(C)耦合送至AD600，放大后再送解調(diào)器。解調(diào)器采用的是MC1496乘法器，其中SIN為本振信號，echo為超聲回波信號。射頻放大后的模擬信號經(jīng)乘法器解調(diào)，然后經(jīng)運放NE5534轉(zhuǎn)換成單端輸出信號送給距離選通電路，如圖8所示距離選通電路由積分器和采樣保持器組成，其中包括一個運放(NE5534)和兩個開關(guān)，INTEGER和S/H分別為積分時間和采樣保持時間的控制信號，如圖9所示。距離選通電路的輸出再送高速信號處理卡。
(3)高速信號處理卡本實施例中采用的高速信號處理部件是市場上可以買到的以美國TI公司生產(chǎn)的TMS320C30為基礎(chǔ)設(shè)計的信號處理卡。由于TMS320C30是一個浮點運算器，用它可以方便地實現(xiàn)濾波、正反方向血流分析及譜分析運算器。
(4)控制電路控制電路根據(jù)電路要求主要應(yīng)產(chǎn)生如下控制信號脈沖重復(fù)頻率PRF、發(fā)射脈沖RX、采樣體積RGATE、正交信號SIN與COS、射頻放大器開/關(guān)控制信號RW以及距離選通信號INTEGER、S/H等?？刂齐娐返妮斎胧怯嬎銠C的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線。由計算機可以隨時改變上述各控制信號的具體形態(tài)(如發(fā)射脈沖的寬度、采樣體積等)。圖10是控制電路原理框圖。本實施例中的控制邏輯是由一片美國ALTERA公司生產(chǎn)的高密度可編程邏輯器件實現(xiàn)的，圖11為它的引腳圖，實際上這就是硬件接線圖。圖12是有關(guān)的控制信號的波形圖。
權(quán)利要求1.一種新型的超聲波多普勒血流測量儀，包括換能器和(1)發(fā)射電路由兩個三極管、兩個VMOS管和一個變壓器組成，由系統(tǒng)控制電路產(chǎn)生的兩個互補的發(fā)射脈沖信號(RX、RXN)分別送給兩個三極管，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后控制VMOS管，兩個VMOS管交替導(dǎo)通，所形成的發(fā)射脈沖經(jīng)過變壓器耦合到換能器晶片上；其特征在于(2)模擬信號檢測電路模擬信號檢測電路由射頻放大器、解調(diào)器與距離選通電路構(gòu)成，其中射頻放大器選用的是一片低噪聲、寬頻帶、可變增益的運算放大器AD600,GAT端是放大器的開/關(guān)控制信號,CH是放大器的增益控制信號，由換能器接收的模擬信號經(jīng)電感(L)、電容(C)耦合至AD600,放大后再送解調(diào)器；解調(diào)器采用的是MC1496乘法器，其中SIN為本振信號,echo是超聲回波信號，射頻放大后的模擬信號經(jīng)乘法器解調(diào)，然后經(jīng)運放NE5534轉(zhuǎn)換成單端輸出信號送給距離選能電路；距離選通電路由積分器和采樣保持器組成，其中包括一個運放(NE5534)和兩個開關(guān)，INTEGER和S/H分別為積分時間和采樣保持時間的控制信號，距離選通電路的輸出再送高速信號處理卡(3)高速信號處理卡高速信號處理部件是以TMS320C30為基礎(chǔ)設(shè)計的信號處理卡；(4)控制電路控制電路產(chǎn)生如下控制信號脈沖重復(fù)頻率PRF、發(fā)射脈沖RX、采樣體積RGATE、正交信號SIN和COS、射頻放大器開/關(guān)控制信號RW以及距離選通信號INTEGER、S/H控制電路的輸入是計算機的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線，由計算機隨時改變上述各控制信號具體形態(tài)，用大規(guī)模可編程邏輯器件(EPLD)進行控制。
專利摘要本實用新型涉及一種新型的超聲多普勒測量儀,該測量儀由換能器、發(fā)射電路、模擬信號檢測電路、高速信號處理卡和控制電路組成。換能器接收的回波信號經(jīng)模擬信號檢測電路處理后,進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入高速信號處理卡,再進行濾波、正反向血流分離及譜分析。從譜圖上可以得到最大流速、最小流速、平均流速、脈動指數(shù)、阻力指數(shù)等參數(shù),這些參數(shù)將直接用于臨床疾病的診斷。
文檔編號G01N33/48GK2315567SQ98202128
公開日1999年4月21日 申請日期1998年3月13日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月13日
發(fā)明者何麗靜, 劉廷文, 高上凱 申請人:清華大學(xué)