超声衰减增益补偿电路的设计

　　1 概述

　　超声在人体内传播的过程中,遇到不同的界面时,就会发生部分反射和部分透射。当两个反射的分界面的性质相同时,反射和透射的百分率是相同的。因此,相同性质的分界面处于相同深度时,反射回来的超声能量是相等的。但是相同性质的分界面处于不同的深度时,超声强度随探测深度的增加而逐渐衰减。

　　超声波在人体组织内的衰减是一个很复杂的物理过程,它是由于超声在人体组织内传播时,被人体组织吸收、反射、绕射、折射和散射等原因造成,其中吸收是主要的。超声波在人体内的传播过程中,能量被人体组织吸收,随着探测深度的增加超声波能量逐渐衰减。对于均匀的生物体软组织,声衰减系数在区域内基本上是相同的。有实验表明振动能量沿生物体表层传播的规律,类似于无生命物体表面波传播的特征,即其振动的振幅按负指数规律衰减,如图1所示。

　　超声波被生物组织所吸收,其吸收系数主要由超声频率、传播距离、媒质粘滞性等决定。实验结果表明,当频率在1MHz~15MHz范围内,超声波被人体组织吸收的系数几乎与频率成正比,其吸收系数在0.5dB/cm.MHz~3.5dB/cm.MHz范围内。例如,超声波在人体软组织中平均吸收系数为0.8dB/cm.MHz;在腹腔吸收系数为0.6dB/cm.MHz。对于性质相同而所处深度不同的界面,其反射的回波强度会有很大的不同。这样就不能真实反映所检查的分界面的轮廓。为使深度不同但性质相同的界面反射的回波信号能显示出相同的幅值,必须根据深度(即时间)逐步增大放大器的增益,从而使超声波在传播衰减过程中所引起远距离反射波弱的情况得到相应的补偿。也就是说使接收机的增益G随距离la增加而增加,即。

　　理想的扫描增益Gs应该根据实际的衰减函数d=f(a,l)来设计,使接收机的扫描增益Gs=g(d)。因而在任一距离补偿增益与传输衰减的乘积为一常数。也就是说,理想的深度补偿增益,可使不同距离的相同声界面的反射信号经接收机处理后变为同样大小的电信号,如图2所示,补偿了传输衰减。理想的扫描增益可使输入动态范围更接近信号的实际动态范围。

　　2 应用电路的设计

　　超声在人体中传播时,其回波信号一般都较小,所以首先应进行必要的放大。而由于超声波在人体组织内的衰减,其回波信号的动态范围很大。为了使不同深度组织界面的回波幅值相同,要把不同深度下的回波信号进行不同程度的衰减放大,实现声程补偿。即,使接收机增益随扫描时间的增加而增加。这样,从较深部位声界面反射的回声信号的放大倍数较大,而距换能器较近的反射信号,也就是在时间上较早到达的回波信号放大倍数较小。在超声波诊断类仪器中,一般均使用TGC(Time GainCompensation)深度时间增益补偿电路。即用一定的电压曲线来控制放大器的增益,使不同深度下的超声回波获得不同的放大倍数,以此来起补偿作用。例如,软组织的衰减系数是0.6dB/cm#MHz,就要把回波信号按照0. 6dB/cm的斜率予以放大。