人体软组织超声检测仪的电路设计

　　1　引　言

　　超声波有着广泛的应用范围,工业上它可用于测距、测深、测厚、探伤等。在医学领域,超声被广泛用于诊断、治疗和手术等,它不仅解决了人眼看不到的体内病变的检测,而且消除了其它射线检查带来的辐射危害。

　　在超声测量系统中,超声换能器及其发射电路是超声检测系统中的关键组成部分,它决定了一个系统所能达到的最终指标。超声换能器一旦选定,其性能参数(如机械共振频率、声波辐射等效电阻等)也已确定。发射电路设计是否合理直接影响到发射功率和波形的重复性。在以往的超声发射电路中,为了产生高电压的触发脉冲,常常需要为电路提供高达百伏甚至几百伏的直流电压,这不仅提高了电路的成本,增加了电路的体积,而且带来了严重的安全隐患。

　　在设计软组织生物特性的无损检测系统中,为了满足仪器便于携带和安全的要求,我们设计了一种新的超声发射和接收电路。该发射电路不需要提供高的直流电源,就可以产生高达几百伏的超声探头触发脉冲。超声回波的接收电路使用了MAX4104进行放大,A/D转换芯片采用TLC5540,电路简单,精度、可靠性大大提高。

　　2　硬件设计

　　2.1　超声发射电路

　　该超声发射装置以场效应管Q1作为开关元件,采用脉冲波激励方式,靠电感储能形成触发脉冲,不需要高电压供电,其储能仅与换路时的电感电流平方成正比。如图1所示,P1为超声探头的输入端,该电路的激励脉冲在正脉冲期间,Q1导通,Q1相当于一个小电阻,电感L1与此电阻串联,和电压源一起构成回路,电感电流上升进行储能。负脉冲期间,Q1的栅极置低,Q1快速关断,L1,C2,VR2组成谐振电路快速放电,形成触发脉冲,可以达到几百伏电压,如图2所示。D1,D2,D3起单项开关的作用。分析表明,激励脉冲宽度对超声探头发射功率影响极大,探头取得最大发射功率所对应的激励脉冲宽度为其谐振周期的一半。

　　2.2　接收部分的电路设计

　　回波的接收和处理包括两个部分,一是前置放大,另一个是设计一种带宽比较窄的带通滤波器。这两部分均选用美信公司生产的MAX4104放大器,它具有低噪音、低扭曲、增益带宽大的特点,能够满足对5MHz的超声信号的放大。带通滤波器设计成无限增益带通滤波器,本系统的A/D转换芯片为TI公司的TLC5540,采样率最大可以达到40MSPS,采用外部基准,简单、准确、可行。

　　前置放大电路如图3,R1,D4,D5组成双向限幅电路,以避免很高的脉冲电压进入放大电路。在发射过程中,两个二极管导通,使得输出电压不会超过±0.7V。在接收过程中,二极管不能导通,只要R1相对与图1中VR2的足够大,限幅电路就对整个电路没有影响。此放大电路最大可将mV级超声信号放大100倍,然后等待进一步处理。图4为接收到的回波信号。