（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）高性能tcd的研制.pdf

摘要 經(jīng)顱多普勒( t c d ) 是利用超聲波來檢查顱內(nèi)血管血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的一種技 術(shù)，主要用于神經(jīng)科疾病的檢查。它測(cè)量的信號(hào)在“y 量級(jí)，屬微弱信號(hào)的檢測(cè)。 靈敏度、信噪比和抗干擾能力是它的三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。實(shí)際臨床檢查中，由于顱骨 對(duì)超聲波具有強(qiáng)衰減作用，測(cè)量顱內(nèi)血流十分困難，限制了它的應(yīng)用。所以必須 提高儀器性能，特別是前端的靈敏度。 本文主要研究高性能t c d 的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。首先介紹了超聲多普勒測(cè)血 流的多普勒原理，接著闡述了系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)，對(duì)關(guān)鍵電路包括發(fā)射、接 收電路進(jìn)行優(yōu)化，提高了發(fā)射電路的效率和接收電路的靈敏度；本文給出了一種 設(shè)計(jì)方法，即延遲相減壁濾波器，利用延遲相減的原理抵消掉血管壁回波混頻得 到的大直流信號(hào)，從而降低了對(duì)壁濾波的要求，增加了電路的動(dòng)態(tài)范圍；論文最 后設(shè)計(jì)了f p g a 實(shí)現(xiàn)的立體血流音頻電路，把模擬音頻轉(zhuǎn)化為數(shù)字音頻，方便了 音頻檔案的記錄以及處理。這些優(yōu)化工作都取得一定的效果，提高了系統(tǒng)的性能。 關(guān)鍵詞：超聲測(cè)血流經(jīng)顱多普勒 電路優(yōu)化 a b s t r a c t t r a n s c r a n i a ld o p p l e r ( t c d ) i san o n i n v a s i v ed e v i c ef o rm e a s u r i n gb l o o df l o w v e l o c i t i e sb yl o wf r e q u e n c yu l t r a s o u n dw a v e s f o rp r a c t i c a lu s e ，t h eo p e r a t i o no ft h e d e v i c ei sv e r yd i f f i c u l tb e c a u s eo ft h eh i g ha t t e n u a t i o nf r o mt h es k u l l s s e n s i t i v i t yi s o n eo f t h ek e yc a p a b i l i t i e so f t c d i ti st h eo p t i m i z a t i o no f t h ec i r c u i tt oi m p r o v et h es e n s i t i v i t yo f t h es y s t e mt h a ti s t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e r i no r d e rt oi m p r o v et h et r a n s m i te f f i c i e n c y ，t h et r a n s m i t a m p l i f i e ri sr e d e s i g n e ds ot h a ti t sp o w e ri sm a t c h e dw i t ht h e 仃a n s d u c e r l o wn o i s e a m p l i f i e r ( l n a ) ，d e t e r m i n i n gt h es y s t e m ss e n s i t i v i t ya n dn o i s ef i g u r e ( n f ) ，i s r e d e s i g n e db ya d j u s t i n gi t sd cl e v e la n dt h ep a r a m e t e r so f t h ec o m p o n e n t s i no r d e rt o r e d u c en f ，t w ot r a n s i s t o r sa l ep l a c e di np a r a l l e la n dt h el n ai sm a t c h e dw i t ht h e u l t r a s o u n dt r a n s d u c e ri ni m p e d a n c e as i m p l e d e l a y e dc a n c e l l e ri sd e s i g n e da n d a p p l i e dt or e m o v et h es t a t i o n a r ye c h ow h i c hi s1 0 0t i m e sb i g g e rt h a nt h ef l o we c h o a t l a s tad i g i t a lm e t h o do ft h ed o p p l e ra u d i oi sr e a l i z e d t h ei pc o r eo fx i l i n xf p g ai s u s e dt o r e p l a c et h ea n a l o gm o d u l et om a k et h eh i l b e r tt r a n s f o r m i ti sm o r e c o n v e n i e n tf o rd o c t o rt os t o r ea n d a n a l y z et h ep a t i e n t s a u d i or e c o r d t h e p e r f o r m a n c e so f t h ed e v i c eh a v eb e e ni m p r o v e db yt h e s ew o r k s k e y w o r d s ：b l o o dv e l o c i t ye s t i m a t i o nt r a n s c r a n i a ld o p p l e r ( t c d )c i r c u i t o p t i m i z a t i o n 獨(dú)劍性( 或創(chuàng)新性) 聲明 秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)和優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在 導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo) 注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成 果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的 材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說 明并表示了謝意。 申請(qǐng)學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切的法律責(zé)任。 本人簽名：i 叢生：耋 日期 洲；，z 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究 生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保 留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)校可以公布論文的全部或部分內(nèi) 容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。同時(shí)本人保證，畢業(yè)后 結(jié)合學(xué)位論文研究課題再撰寫的文章一律署名單位為西安電子科技大學(xué)。 ( 保密的論文在解密后遵守此規(guī)定) 本學(xué)位論文屬于保密，在一年解密后適用本授權(quán)書。 本人簽名： 導(dǎo)師簽名； 這坐簽 妲 f 1 期 妒7 ，；2 - 日期型：! ：! 蘭 第一章緒論 第一章緒論 1 1 經(jīng)顱多普勒的研究背景 腦血管疾病是危害人體健康的主要疾病之一，研究腦血管疾病的診斷方法是 臨床研究中的重要課題。 雖然x 射線c t 、磁共振c t 等成像方法可用于腦血管疾病的診斷，但是， 這些成像方法只能給出組織形態(tài)學(xué)上的診斷，沒有提供腦血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并且 檢查費(fèi)用很高。超聲測(cè)量是在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用比較廣泛的測(cè)量方法，如b 超、彩色多 普勒等。但超聲一直沒能應(yīng)用于顱內(nèi)測(cè)量，原因是顱骨對(duì)超聲波具有很強(qiáng)的衰減， 超聲很難進(jìn)入顱內(nèi)。1 9 8 1 年，瑞典科學(xué)家a a s l i d 創(chuàng)造性的將低頻( 2 m h z ) 和脈 沖超聲波結(jié)合起來研制出首臺(tái)脈沖波多普勒( p w ) 顱內(nèi)血流測(cè)量?jī)x，也叫經(jīng)顱多 普勒( t r a n s c r a n i a ld o p p l e r ，簡(jiǎn)稱t c d ) 血流測(cè)量?jī)x，填補(bǔ)了這項(xiàng)空白“3 。 a a s l i d 采用了2 m h z 頻率的超聲發(fā)射，并且讓超聲透過顱骨較薄部位超 聲窗，直接投射到腦底大血管上，從而獲得該血管內(nèi)的血流速度。它采用脈沖方 式發(fā)射超聲，結(jié)合距離選通技術(shù)，能夠測(cè)量特定深度處的血管的血流方向和大小。 t c d 所提供的有關(guān)血液動(dòng)力學(xué)方面的參數(shù)反映了腦血管的功能狀態(tài)，在臨床檢測(cè) 有以下一些主要應(yīng)用： a ) 判斷腦血管狹窄和閉塞的范圍及程度； b ) 診斷動(dòng)靜脈畸形、動(dòng)脈瘤及上述病人手術(shù)和介入治療前后作腦部狀態(tài)的評(píng) 估及術(shù)后診斷等； c ) 診斷腦血管痙孿，尤其是蛛網(wǎng)膜下腔出血和血管瘤破裂后的血管痙攣的診 斷： d ) 一些側(cè)支動(dòng)脈血流異常狀態(tài)的檢測(cè)，例如腦部中央支及皮質(zhì)支動(dòng)脈( 大腦 中動(dòng)脈、前動(dòng)脈、后動(dòng)脈、基底動(dòng)脈、椎動(dòng)脈、眼動(dòng)脈等) ； e ) 動(dòng)脈硬化，判定和定性分析其病理狀態(tài)及程度； f ) 腦部手術(shù)后，大腦供血情況的監(jiān)測(cè)予后評(píng)估。 1 2 經(jīng)顱多普勒的現(xiàn)狀 t c d 技術(shù)問世雖然不久，但發(fā)展卻非常迅速，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，如德國(guó)、丹麥、 美國(guó)等，都是技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。有關(guān)t c d 的研究范圍非常廣，總結(jié)起來主要有兩個(gè) 方向。一是關(guān)于t c d 的應(yīng)用的廣度以及應(yīng)用的深度的研究，其中的熱點(diǎn)包括：顱 2 高性能t c d 的研制 內(nèi)壓與腦血流速度間的定量關(guān)系的確定；微拴子( h i t s ) 的檢測(cè)及評(píng)估，檢測(cè) h i t s 的類型、活動(dòng)參數(shù)、能量反饋與h i t s 大小的定量關(guān)系、h i t s 的運(yùn)動(dòng)軌跡、 形成栓塞可能性的評(píng)估；局部腦血流量變化與t c d 的相關(guān)研究及頻譜圖像的分 析；腦梗塞、腦中風(fēng)、腦死亡的評(píng)價(jià)等。這些研究都試圖充分利用1 d 提供的關(guān) 于腦血管系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)信息，對(duì)各種腦血管疾病進(jìn)行診斷。 另一個(gè)方向是腦血管檢測(cè)方法及儀器的研究。包括新的檢測(cè)方法的研究，如 m 模t c d 、三維t c d 等。 在傳統(tǒng)的t c d 中，對(duì)超聲窗和大腦血管定位的困難以及對(duì)微栓子檢測(cè)的不 確定，均限制了超聲經(jīng)顱多普勒的發(fā)展。 文獻(xiàn)【2 中提出了一種全新的方法m 模多普勒( p o w e r m m o d e d o p p l e r , p m d ) ， 在超聲束方向上進(jìn)行多個(gè)深度的采樣，比如文中提出的3 3 個(gè)深度，在每個(gè)采樣門 都顯示以紅色或藍(lán)色( 顏色代表血流的方向) 表示的多普勒信號(hào)的功率，這樣就 可以很容易的確定超聲束方向上血管的位置。p m d 使超聲窗的定位變得很容易， 且不用聽血流聲音或顯示頻譜線就能輕易地同時(shí)觀察多條血管或同一條血管的多 個(gè)深度。在p m d 的圖像中，微栓子以其特有的特征高能量的軌跡出現(xiàn)。p m d 多普勒系統(tǒng)是一種全新的檢測(cè)方法，它使得血管定位、診斷、監(jiān)護(hù)和微栓子檢測(cè) 等變得更加容易。 三維r r d ( 3 d t d ) 借助一個(gè)頭架定位，利用三個(gè)探頭分別從三個(gè)不同 位置的聲窗測(cè)量顱內(nèi)血管，在上位機(jī)進(jìn)行圖像重構(gòu)，就能顯示顱內(nèi)血管的三維分 布圖，并可以用彩色編碼標(biāo)明三維超聲動(dòng)脈圖中每條血管中各點(diǎn)的血流方向和速 度。它可顯示出w i l l i s 環(huán)及其分支的完整腦動(dòng)脈模擬圖和相應(yīng)的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)， 也可對(duì)三維腦血管圖上的任意一點(diǎn)取樣，進(jìn)行頻譜計(jì)算，顯示其頻譜圖“1 。 我國(guó)從1 9 8 8 年引進(jìn)t c d 技術(shù)，在國(guó)外學(xué)者的工作和研究基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)的工 作人員也取得了一定的成果“1 ?？偟膩碚f，主要集中于t c d 儀器實(shí)現(xiàn)方法以及 實(shí)現(xiàn)功能的改進(jìn)。如從當(dāng)初的單通道單深度到現(xiàn)在的多通道多深度的改進(jìn)，從模 擬t c d 到數(shù)字t c d 的改進(jìn)，以及t c d 的智能化、便攜化和網(wǎng)絡(luò)化等。目前國(guó)內(nèi) 已經(jīng)出現(xiàn)多家t c d 生產(chǎn)廠商，其產(chǎn)品也得到了國(guó)內(nèi)外用戶的廣泛認(rèn)可。 1 3 本文的工作 t c d 是回波式的測(cè)量?jī)x器，它測(cè)量的超聲波信號(hào)經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換后是微伏量級(jí) 的，屬微弱信號(hào)檢測(cè)。本文的主要任務(wù)是對(duì)現(xiàn)有t c d 檢測(cè)儀優(yōu)化，提高它的靈敏 度、信噪比和抗干擾能力等主要性能，方便臨床檢測(cè)。主要從發(fā)射電路、接收電 路最前端入手，這部分決定著儀器的信噪比、靈敏度和抗干擾性等重要性能。t c d 檢測(cè)儀所獨(dú)有的血管壁信號(hào)濾波器也是電路的重點(diǎn)，本文給出了改進(jìn)方法。論文 第一章緒論 還給出立體血流音頻電路的f p g a 實(shí)現(xiàn)，提高系統(tǒng)的數(shù)字化程度，方便檢測(cè)的血 流信號(hào)的存儲(chǔ)。論文的章節(jié)安排如下： 第一章：介紹了論文的背景及主要完成的工作。 第二章：介紹了超聲測(cè)血流的基本原理，提出了一個(gè)模型，詳細(xì)分析多普勒 原理。 第三章：詳細(xì)介紹了t c d 的信號(hào)處理流程和系統(tǒng)框架，給出了各關(guān)鍵電路 的原理框圖，并且指出了存在的缺點(diǎn)，提出了可能的優(yōu)化方案。 第四章：優(yōu)化工作，包括發(fā)射電路與功率匹配，接收電路與噪聲匹配，壁濾 波器的設(shè)計(jì)和數(shù)字音頻的f p g a 實(shí)現(xiàn)。 第五章：總結(jié)全文，提出新的測(cè)血流的方法。 第二章超盧測(cè)血流原理 第二章超聲測(cè)血流原理 本章首先介紹超聲波及其傳播，接著介紹超聲波的發(fā)射裝置超聲換能 器，它也是t c d 系統(tǒng)中關(guān)系到靈敏度等各項(xiàng)性能的關(guān)鍵部件：然后介紹了超聲測(cè) 血流的理論基礎(chǔ)多普勒效應(yīng)原理；最后介紹超聲在人體中的反射原理，給出 了一個(gè)血流反射模型，詳細(xì)分析了血流多普勒回波信號(hào)的來源。 2 1 超聲波及其傳播 人們所能感覺到的聲音是機(jī)械波傳到人耳引起耳膜振動(dòng)的反應(yīng)，能引起聽覺 的機(jī)械波其頻率范圍為2 0 h z 2 0 k h z 。超聲波是頻率大于2 0 k h z 的機(jī)械波。 警 聲波 塑生絲 ， 聲 聲波 竺! 堅(jiān) ， 波 01 01 0 0l k l o k 1 0 0 kl m1 0 ml o 圖2 1 盧波 根據(jù)波動(dòng)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向的不同關(guān)系，可將波動(dòng)分為多種波 形，在超聲檢測(cè)中主要應(yīng)用的波形有縱波、橫波、表面波和蘭姆波。t c d 系統(tǒng)換 能器產(chǎn)生的超聲波屬于縱波。 超聲中幾個(gè)重要的概念有：聲壓、聲強(qiáng)和聲阻抗。下面作簡(jiǎn)單介紹。 聲壓：在聲波傳播的介質(zhì)中，某一點(diǎn)在某一時(shí)刻所具有的壓強(qiáng)與沒有聲波存 在時(shí)該點(diǎn)的靜壓強(qiáng)之差。單位是p a ( 帕斯卡) ，用p 表示。 p ：一p c a c o s i n f 一蘭1 = p c ( 2 1 ) c 式中：p 一介質(zhì)的密度；c 一介質(zhì)的聲速；a 一質(zhì)點(diǎn)位移振幅；一角頻率；u 一質(zhì)點(diǎn) 振動(dòng)速度。 聲強(qiáng)：在垂直于聲波傳播方向的平面上，單位面積上單位時(shí)問內(nèi)所通過的聲 能量。用i 表示。 6 高性能t c d 的研制 ，：旦 ( 2 2 ) 2 p c 聲阻抗：以字母z 表示。z = p c 。當(dāng)p 的單位是g c m 3 時(shí)，聲阻抗的單位 是瑞利。人體的各種組織的聲阻抗是不同的，在不同聲阻抗的界面，超聲波會(huì)像 普通波一樣，發(fā)生發(fā)射和折射現(xiàn)象。如果反射物體的直徑可以和超聲波的波長(zhǎng)比 擬的時(shí)候還會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。 超聲波的傳播衰減是超聲波在通過材料傳播時(shí)，聲壓或聲能隨距離的增大逐 漸減小的現(xiàn)象。 衰減的原因主要有兩個(gè)方面：超聲在其傳播過程中由于反射和散射，使其一 部分聲能偏離其探測(cè)方向，而造成探測(cè)方向上聲能的減小。另一方面是介質(zhì)的吸 收作用，將一部分聲能轉(zhuǎn)化成另一種能量( 往往是熱能) ，使聲強(qiáng)減小。衰減為反 射、散射及吸收等效應(yīng)的總和。 由于介質(zhì)對(duì)超聲能量的吸收和衰減作用，同樣的組織在不同的距離上所得到 的強(qiáng)度就不同。 衰減的強(qiáng)弱通常用衰減系數(shù)來表示，其單位d b c m ，即經(jīng)過l c m 距離超聲能 量減小的分貝數(shù)。不同的介質(zhì)有不同的衰減系數(shù)。不同頻率的超聲波，介質(zhì)對(duì)它 的衰減也不相同。一般認(rèn)為：人體軟組織的衰減系數(shù)與頻率的平方成正比。所以 頻率低的超聲波其穿透力要強(qiáng)一些，反之，其穿透力弱些。 2 2 超聲換能器 換能器是將一種物理能量變?yōu)榱硪环N物理能量的器件。凡能將其它物理能量 轉(zhuǎn)變?yōu)槌暷芰康钠骷鶠槌晸Q能器。超聲診斷儀的探頭里安裝著具有壓電效 應(yīng)的晶體片，能將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷?，又能將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，完成物理能量的轉(zhuǎn) 變。 壓電晶片是以壓電效應(yīng)發(fā)射并接收超聲波的元件，是探頭中最重要的元件， 晶片的性能決定著探頭的性能。晶片的尺寸和諧振頻率，決定著超聲發(fā)射聲場(chǎng)的 強(qiáng)度、距離幅度特性與指向性。晶片制作質(zhì)量的好壞，也關(guān)系到聲場(chǎng)對(duì)稱性、分 辨力、信噪比等特性。 圖2 2 換能器等效電路圖”1 。其中l(wèi) 稱為壓電振子的動(dòng)態(tài)電感，c 稱為壓電振 子的動(dòng)態(tài)電容，l c 諧振頻率等于壓電振子的串聯(lián)共振頻率；e , o 代表了壓電振子的 機(jī)械損耗，稱為壓電振子的動(dòng)態(tài)電阻；c n 稱為壓電振子的靜態(tài)電容或并聯(lián)電容。 探頭正常工作時(shí)l 和c 形成串聯(lián)諧振，對(duì)外阻抗為零，所以整個(gè)換能器對(duì)外顯示 為容性阻抗。為了使換能器能夠?qū)ν怙@示純阻性，往往對(duì)換能器進(jìn)行匹配。這里 第一章超盧測(cè)血流原理 只需并聯(lián)一個(gè)電感即可。 圖2 2 換能器等效電路圖 在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，要在皮膚表面圖一層耦合劑，一是排除空氣，因?yàn)榭諝鈱?duì)超 聲的衰減很大；二是聲阻抗匹配。耦合劑的聲阻抗和皮膚的聲阻抗相同，超聲在 皮膚界面就不會(huì)發(fā)生反射，這樣才能保證大部分超聲能夠進(jìn)入人體。 2 3 多普勒效應(yīng) 多普勒效應(yīng)是指由于波源或接收器相對(duì)于波的傳播媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)，從而使接收器 所接收到的波長(zhǎng)或頻率發(fā)生變化( 相對(duì)于發(fā)射波) 的現(xiàn)象。此現(xiàn)象是奧地利物理學(xué) 家克早斯琴多普勒( c h r i s t i a nd o p p l e r ) 在研究天體運(yùn)動(dòng)時(shí)首先發(fā)現(xiàn)，因而稱為多普 勒效應(yīng)”1 。下面分四種情況討論。 假設(shè)波源和接收器在同一直線上運(yùn)動(dòng)，如圖2 3 ，波源發(fā)射頻率為，：l ，波長(zhǎng) 為九，波在介質(zhì)中傳播速度為c ，波的周期為r ，接收器速度為v 。，波源速度為v 。 波源接收器 l 口 斗一一一一一一一一一一一一一一 l ( 6 ) 圖2 3 換能器、反射體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多普勒效應(yīng) a 波源接收器相對(duì)介質(zhì)靜止 即v o = v ，= 0 ，從而當(dāng)波傳播到接收器時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過接收器的波數(shù) 是接收器所接收到的頻率石，為： 媚 一 音 高性能t c d 的研制 z = = 三= 厶 - 2 石一e i o 歹。( 2 - 3 ) b 波源不動(dòng)，接收器運(yùn)動(dòng) 此時(shí)v ，= 0 ，0 ，如圖2 3 ( a ) ，此時(shí)： 五2 等2 等2 半厶，( 2 - 4 ) 其頻率變化量為：五= 石一f o = v o f o c ，稱為多普勒頻移。若接收器背向波源運(yùn) 動(dòng)，顯然有_ = ( 1 一v o c ) y o ，其多普勒頻移為i d = 一v o f o c 。綜合兩種情形有： z = ( 士詈卜厶= 詈厶 協(xié)s ， c 波源運(yùn)動(dòng)接收器不動(dòng) 圖2 3 ( b ) ，v ，0 ，v 。= 0 。波源在一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)距離( 位移) v ，t ，故接收 器接收的波長(zhǎng)為a = 2 0 + v ，其中正號(hào)表示波源朝遠(yuǎn)離接收器方向運(yùn)動(dòng)，負(fù)號(hào) 表示波源向著接收器運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，接收器接收到的頻率石為： ；2 三2 古兀 ( 2 - 6 ) d 波源和和接收器一起運(yùn)動(dòng) 如圖2 3 ( c ) ，接收器運(yùn)動(dòng)對(duì)頻率變化的貢獻(xiàn)為p v 。) v ，波源運(yùn)動(dòng)對(duì)頻率變 化的貢獻(xiàn)為c ( c v 。) ，二者同時(shí)引起的頻率變化應(yīng)為二者乘積，所以接收器接收 的頻率為： z = 譬五 ( 2 7 ) 2 4 超聲測(cè)血流模型 本節(jié)給出一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，詳細(xì)分析超聲作用在血管中運(yùn)動(dòng)著的物體后的反 射現(xiàn)象，并且通過理論運(yùn)算計(jì)算出血流速度。 2 4 1 超聲測(cè)血流反射模型 超聲進(jìn)入身體后，在各種界面上發(fā)生反射現(xiàn)象。圖2 4 為超聲回波反射圖。 換能器發(fā)射出超聲透過人體，在皮膚、肌肉脂肪等組織、血管壁以及血液等分解 面反射，其中皮膚等各種組織的回波信號(hào)比血流的回波信號(hào)要大1 0 0 倍，且它的 9 t c d 的工作原理a 下面給出一個(gè)模型 多普勒回波信號(hào)的產(chǎn)生。 愛壤； 其中成為反射物的初始位置口設(shè)探頭于5 。g ”。屈圳一“ l o高性能t c d 的研制 p 。( f ) = ( f 一乞弦 ( 2 9 ) 圖2 6 超聲與反射物體時(shí)間位置圖 如圖2 6 ，超聲與反射物體之問的時(shí)間位置示意圖。由于反射物體本身也 是運(yùn)動(dòng)的，所以，超聲在t 時(shí)刻爿與反射物體相遇，發(fā)生反射現(xiàn)象，而不是在t 時(shí) 刻。此時(shí)有： p ，( f ，) = p 。( f ，) ( 2 1 0 ) 結(jié)合式( 2 7 ) ，( 2 8 ) ，( 2 9 ) ，可得： f ，：o _ + l r 。 ( 2 1 1 ) c v ： c v 2 發(fā)射和反射之日j 的時(shí)間間隔為： 舡= t t 。 ( 2 - 1 2 ) 反射波也要經(jīng)過f 時(shí)間j 能到達(dá)接收端探頭。接收時(shí)刻為f ，則： t ，= t 。+ 2 a t = t e + 2 ( t ，一t 。) = 2 t 。- t 。 ( 2 - 1 3 ) 把t 代入，得： r ，t2 l + 竺旦，。 ( 2 1 4 ) c v ：c v ： 信號(hào)在被接收t ，時(shí)刻被接收，然后在t 。時(shí)刻又發(fā)射： 鏟蓋卜羆( 2 - 1 5 ) 設(shè)發(fā)射信號(hào)為p ( f ) ，則反射信號(hào)為： s ( f ，) = a e ( t ，一a t ) ( 2 - 1 6 ) 第二章超盧測(cè)血流原理 具甲a 是及射強(qiáng)發(fā)。攢收到即信號(hào)為： 盹壚州( 羞。一蘭) 用f 代替t ，得： 心) j 盟f _ 墮1 l c + v =c + v ： 令 口= 羞z ( ，一等) ， 則： ，“) = a e ( a ( t 一“ 其中口叫時(shí)間壓縮系數(shù)，f o ：墮。魚f l + 蘭1 c v ： c c 接收脈沖與發(fā)射脈沖相比，首先有一個(gè)時(shí)間延遲， 射脈沖的頻率相比也發(fā)生了變化，這就是多普勒效應(yīng)。 設(shè)發(fā)射信號(hào)為： p ( f ) = g ( t ) s i n ( 2 n f o t ) 非 舯j ， v 。從此式可推出血流速度為： ， v = 生l ( 2 2 5 ) 2 f oc o s o 血流速度公式( 2 - 2 5 ) 中含有一個(gè)角0 ，即探頭與血流運(yùn)動(dòng)方向的夾角，在進(jìn)行 顱腦血管檢測(cè)時(shí)，我們無法估計(jì)超聲束與血管走向之間的夾角。但是由于人體的 高性能t c d 的研制 解剖結(jié)構(gòu)決定了超聲只能以小角度檢測(cè)顱內(nèi)血管的血流速度，因此，可以略去這 一角度引起的誤差，即認(rèn)為超聲束與血管走向之間的夾角為零。 2 4 2 脈沖多普勒的真實(shí)意義 實(shí)際中，探頭發(fā)射信號(hào)是有一定的時(shí)間寬度的，所以，位罨圖可以畫成圖2 7 。 圖2 7 超聲束和發(fā)射物體的時(shí)間位置圖 發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的時(shí)間延遲用灰色表示出來，發(fā)射脈沖時(shí)間長(zhǎng)度和接收 脈沖時(shí)間長(zhǎng)度存在著差異，這個(gè)差異是由多普勒頻移引起的，但這個(gè)差異很小， 使得它很不容易被檢測(cè)到。在p w t c d 系統(tǒng)中，要想靠一個(gè)脈沖回波來檢測(cè)這種 發(fā)射脈沖長(zhǎng)度和接收脈沖長(zhǎng)度之間的差異來檢測(cè)多普勒信息是根本不可能的，因 為，因衰減而引起的頻率下降要比這個(gè)變化要大的多。 血液流動(dòng)而產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)除了對(duì)單一的脈沖表現(xiàn)為脈沖的壓縮或展寬， 還表現(xiàn)為對(duì)一系列脈沖串的壓縮或展寬。這個(gè)可以用來檢測(cè)多普勒頻移，因衰減 而引起的頻率下移對(duì)此毫無影響，所以這種方法檢測(cè)出來的于是真正的多普勒頻 移。下面給出此法的理論證明。 設(shè)脈沖發(fā)生的丑j 隔為k ，探頭和反射物體的距離為d 。，所以， t 。 竺(一o 22 6 ) c 即脈沖發(fā)射間隔要比超聲到達(dá)反射物體的時(shí)間與從反射物體返回探頭時(shí)間之和要 大，這樣系統(tǒng)才能正常運(yùn)行。 第一個(gè)脈沖的回波信號(hào)是： ( t ) = e ( c t ( t - t o ) ) ( 2 2 7 ) 第二個(gè)脈沖的回波為： 第二章超聲測(cè)血流原理 哪) ：啪一生) 口 ( 2 2 8 ) 脈沖的發(fā)射間隔為，如果沒有運(yùn)動(dòng)，則兩個(gè)脈沖會(huì)完全相同；如果有運(yùn)動(dòng)， 則兩個(gè)脈沖之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間的變化，這個(gè)變化是： 等2 壺z ( + 孫c ) p r f 2 ”， z ， = 堡 ( 2 3 0 ) f t ，這個(gè)時(shí)間延遲，或者視為相位偏移，是從兩個(gè)連續(xù)的脈沖串求出的。設(shè)：發(fā)射 脈沖時(shí)刻為t = t 。l 和f 。2 = t m 。+ l r ，則這兩個(gè)連續(xù)的回波信號(hào)為： 2 ( f ，2 ) = 1 ( ( f 。2 7 ) 一t ，) = l ( r 訓(xùn)一t ，) ( 2 3 1 ) 把發(fā)射時(shí)間都換成t ，得： 2 ( f ) = ，f l ( ，一f ，) ( 2 3 2 ) 式( 2 3 1 ) 是一個(gè)近似( 忽略多普勒現(xiàn)象對(duì)脈沖寬度的影響) ，但對(duì)理解脈沖系統(tǒng) 十分重要，它的物理意義是，由于多普勒效應(yīng)的原因，第二個(gè)回波脈沖要比第一 個(gè)回波脈沖晚( 或早) ，。，這個(gè)f 。的長(zhǎng)短是與血流速度有關(guān)系的，見式( 2 - 2 8 ) 。 圖2 8 多個(gè)脈沖之間的時(shí)間伉置i 璺i 考慮到圖2 5 ，虧表示f = f 。時(shí)刻發(fā)射物體的位置，乏表示= f 2 時(shí)物體的位置。 ，z 與f l 之間的時(shí)間差是：，速度向量為礦，位置的變化可以表示為： 礦= ( 弓一i ) ( 2 3 3 ) 反射物離開探頭的距離為： 高性能t c d 的研制 a z = i 礦ic o s l 9 = 匕 這段距離如果是超聲傳播所需的時(shí)間是： t t 2 2 a z2 i 舌l(xiāng)c o s 0 一 cc ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) 從式( 2 - 3 5 ) 可以看出，如果知道了t ，就可以得到血流的速度v ，而f ，是前后兩 個(gè)連續(xù)脈沖之間的時(shí)間變化，所以只要求出這個(gè)時(shí)間變化來就能夠求出v 。 2 5 本章小結(jié) 本章的重點(diǎn)是超聲測(cè)血流的理論基礎(chǔ)多普勒效應(yīng)。論文結(jié)合一個(gè)超聲測(cè) 血流模型，詳細(xì)分析了超聲在遇到血流產(chǎn)生的多普勒反射現(xiàn)象，得到脈沖波多普 勒系統(tǒng)是通過測(cè)量多普勒效應(yīng)引起的相鄰脈沖之間的時(shí)間偏移來計(jì)算血流速度的 結(jié)論。 第二章1 d 系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn) 第三章t c d 系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn) 本章開始介紹系統(tǒng)原理及具體的工程實(shí)現(xiàn)。t c d 的信號(hào)處理流程大概可分成 兩部分：第一部分是模擬信號(hào)的處理，包括信號(hào)的發(fā)射、信號(hào)的接收放大、正交 混頻和壁濾波多個(gè)部分，這部分是決定儀器性能好壞的關(guān)鍵，發(fā)射放大器的功率 匹配、低噪聲接收放大器的設(shè)計(jì)、換能器的噪聲匹配和壁濾波器的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)和 難點(diǎn)。第二部分是數(shù)字信號(hào)的處理，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器( a d c ) 、數(shù)字信號(hào)處理器 ( d s p ) 、f p g a 設(shè)計(jì)和u s b 接口，主要完成前端板給出的血流信號(hào)的數(shù)字處理， 血流信號(hào)的短時(shí)傅立葉變換、包絡(luò)算法等是本部分的重點(diǎn)。 3 1 系統(tǒng)總述 系統(tǒng)分兩塊電路板：前端板和信號(hào)處理板。 圖3 i 系統(tǒng)框圖 在圖3 1 中，前端板主要完成超聲信號(hào)的發(fā)射和接收。包括發(fā)射放大器驅(qū)動(dòng) 電路，接收低噪聲放大器和正交混頻電路。信號(hào)處理板一方面完成短時(shí)傅立葉變 換，結(jié)果通過u s b 接口傳到上位機(jī)p c 上顯示頻譜圖：另一方面，經(jīng)過h i l b e r t 變換網(wǎng)絡(luò)等處理得到血流音頻信號(hào)，從揚(yáng)聲器輸出立體血流音頻。聲譜圖和血流 音頻都是t c d 的輸出，它們都是臨床診斷的重要依據(jù)。探頭共分四種，其中1 m h z 和2 m h z 為脈沖式，檢測(cè)顱內(nèi)血管；4 m h z 和8 m h z 為連續(xù)式，檢測(cè)周圍血管。 下面分不同模塊分別介紹。 圖3 2 是前端板的原理框圖。這部分電路是整個(gè)血流檢測(cè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部 分，決定著檢測(cè)靈敏度、噪聲系數(shù)、抗干擾能力等關(guān)鍵指標(biāo)?；夭ǔ暯?jīng)換能器 變成電信號(hào)進(jìn)入電路，經(jīng)低噪聲放大器放大后，再與本地參考信號(hào)進(jìn)行j 下交混頻， 得到血流信號(hào)?？刂迫臃e分的門控制信號(hào)的位置和長(zhǎng)短代表了測(cè)量的血管的深 度和采樣容積。 接收電路的關(guān)鍵部分是低噪聲放大器，要求放大倍數(shù)要在4 0d b 以上，噪聲 系數(shù)要小，頻率響應(yīng)要好?，F(xiàn)有的集成放大器很難滿足上述要求，所以電路采用 高性能t c d 的研制 分立元件構(gòu)成三極管放大器，它能夠很好的提高前端的靈敏度，提高整板的性能。 但這種放大器的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，需要反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，是一個(gè)難點(diǎn)。 同相等制信號(hào) fj 擰制 恒l q 冉麴 畝晰 ) 發(fā)射放大器廠一i 正交解調(diào)i 哐畛q 霉“孫踹掙 接收放大器 一牛 十門控制 圖3 2 前端板原理框圖 整個(gè)前端電路的另一個(gè)難點(diǎn)就是匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。這包括兩個(gè)方面的內(nèi)容： 第一，發(fā)射電路的功率匹配。只有達(dá)到功率匹配j + 能使發(fā)射電路高效的工作，同 時(shí)也要考慮到探頭的傳遞函數(shù)，盡量減少無用頻率信號(hào)，這樣就能夠降低探頭的 發(fā)熱；第二，接收電路的噪聲匹配。噪聲系數(shù)是t c d 前端的重要的參數(shù)，怎樣在 保證放大倍數(shù)的同時(shí)降低噪聲系數(shù)是一個(gè)難點(diǎn)，實(shí)際的設(shè)計(jì)和調(diào)試過程也表明， 這部分工作具有相當(dāng)?shù)碾y度。這兩部分的內(nèi)容將在下幾節(jié)重點(diǎn)介紹。 圖3 3 信號(hào)處理板電路 圖3 3 是信號(hào)處理板電路框圖?？煽卦鲆娣糯笃魇怯脕碚{(diào)整系統(tǒng)的放大倍數(shù)， 方便對(duì)不同血管信號(hào)進(jìn)行測(cè)量；壁濾波器的設(shè)計(jì)是一個(gè)重點(diǎn)。壁回波信號(hào)混頻的 結(jié)果有直流信號(hào)和超低頻信號(hào)，而且這些信號(hào)一般都要比血流信號(hào)大很多，所以 必須要濾除掉；經(jīng)a d c 模數(shù)轉(zhuǎn)換換器后的信號(hào)被送往d s p ，完成短時(shí)傅立葉變 換。另外，前端板信號(hào)經(jīng)9 0 。相移電路和音頻功率驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。 第二章t c d 系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn) 3 2 發(fā)射、接收電路 t c d 是回波式測(cè)量?jī)x器，發(fā)射電路的發(fā)射功率和接收電路的接收靈敏度都是 系統(tǒng)最重要的性能，是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的電路之一。脈沖波t c d 發(fā)射脈沖寬度相對(duì) 于整個(gè)接收時(shí)閫很小，所以單個(gè)超聲換能器就能完成發(fā)射和接收。 由于顱骨的衰減作用，要求超聲探頭能夠發(fā)射足夠強(qiáng)的超聲波。在多普勒系 統(tǒng)中一般由峰峰值為2 0 v 到3 6 v 的電壓激勵(lì)產(chǎn)生超聲波。對(duì)脈沖波t c d 脈沖寬 度一般為l 到1 0 u s ，具體寬度由取樣容積決定。 圖3 4 給出一種發(fā)射電路。該電路采用了推挽功放的電路結(jié)構(gòu)，2 m h z 的方 波通過兩個(gè)異或門輸出相位相反的方波，并由門選擇控制脈沖長(zhǎng)度。輸出兩路相 位相反的方波驅(qū)動(dòng)t l 和t 2 組成的推挽功放，然后通過變壓器耦合輸出，驅(qū)動(dòng)壓 電晶片發(fā)射超聲。控制電壓通過一個(gè)運(yùn)算放大器電平轉(zhuǎn)換，再接一個(gè)射隨器形成 0 v 到8 v 的可調(diào)電壓來控制超聲的發(fā)射功率。 r 圖3 4 發(fā)射電路 實(shí)際調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)此電路產(chǎn)生的發(fā)射信號(hào)的波形不是很好，有很多雜波。因?yàn)?換能器都有其自身的諧振頻率，雜波會(huì)被換能器濾除掉，轉(zhuǎn)換成熱能造成探頭參 數(shù)的改變，造成功率匹配網(wǎng)絡(luò)失配。所以對(duì)發(fā)射電路來說，改善發(fā)射波形和設(shè)計(jì) 更好的功率匹配網(wǎng)絡(luò)就是十分重要的問題。 超聲回波被探頭接收到，由于壓電效應(yīng)的逆效應(yīng)，產(chǎn)生很小的電壓信號(hào)，電 壓的幅度與對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)的強(qiáng)弱有關(guān)。逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)中包括多普勒信 號(hào)，也包括靜止目標(biāo)的回波信號(hào)，而且后者往往比l j 者大1 0 0 倍”3 。圖3 5 為一種 三極管放大器。 從探頭回來的信號(hào)通過l 1 和c 1 選頻后進(jìn)入放大器。這個(gè)放大器是一個(gè)n p n 高性能t c d 的研制 三極管和一個(gè)p n y 三極管級(jí)的級(jí)聯(lián)，兩個(gè)三極管都接成共發(fā)射極放大器，從后一 個(gè)三極管的發(fā)射極取交流分量反饋到第一個(gè)三極管的基極。整個(gè)電路構(gòu)成兩級(jí)負(fù) 反饋放大器。 r 5c 4 圖3 5 接收放大器 3 3 多普勒信號(hào)的解調(diào) 通常情況下超聲載波的頻率是2 m h z ，而血流的多普勒效應(yīng)使其產(chǎn)生的頻率 偏移一般在i k h z 以內(nèi)，所以血流的回波信號(hào)的屬窄帶信號(hào)。對(duì)窄帶信號(hào)采用解 析表示是信號(hào)處理中常用的方法，它能夠使信號(hào)在處理時(shí)簡(jiǎn)化。 3 3 1 信號(hào)的解析表示 設(shè)x ( f ) 為一實(shí)數(shù)信號(hào)，那么它的頻譜為： x ( 門= x ( r ) p 塒種衍 ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 說明實(shí)數(shù)信號(hào)的頻譜含有負(fù)頻率，當(dāng)然頻率不能真的為負(fù)，這是在 數(shù)學(xué)分析上為方便起見所設(shè)定的。與實(shí)信號(hào)相比，復(fù)數(shù)信號(hào)有以下性質(zhì)：一，解 析信號(hào)不含負(fù)頻率，即解析信號(hào)的傅立葉變換的全部頻率都是正頻率。二，解析 信號(hào)的振幅就是實(shí)際信號(hào)的包絡(luò)。 如果實(shí)信號(hào)為x ( f ) ，那么它的解析信號(hào)是z ( f ) = 工( r ) + j ：c ( t ) ，其中k ( t ) 為x ( f ) 的 h i l b e r t 變換。由h i l b e r t 變換性質(zhì)知：j ( ，) = 一j s g n ( f ) x ( f ) 。z ( t ) 的頻譜為： z ( f ) = x ( f ) + j x ( f ) = 2 x ( f ) u ( f ) ( 3 - 2 ) 肌岍位；： 第二章t c d 系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn) 9 從式( 3 - 2 ) 可看出，解析信號(hào)z ( f ) 的頻譜沒有負(fù)頻率部分，只有難頻率部分， 而且是實(shí)信號(hào)正頻率部分的兩倍。我們這里的聲譜圖顯示的就是多普勒信號(hào)的頻 譜，用解析信號(hào)表示處理起來十分直觀和方便，且頻譜又是實(shí)信號(hào)的兩倍。在電 路中，解析信號(hào)是正交解調(diào)得到的，下面給出脈沖波系統(tǒng)的正交解調(diào)。 3 3 2 多普勒信號(hào)的解調(diào) 結(jié)合圖3 2 和第二章的模型，接收信號(hào)為： ( ，) = a e ( a ( t f o ) ) 口。l 一堡，耐。2 d o ，v ： 礦lc 。s 0 兩個(gè)相鄰的回波信號(hào)有： 2 ( r ) = l ( t t ，) p 冬稀 那么對(duì)于第i 個(gè)回波脈沖有： ，( ，) = l ( f 一( i 1 ) t ，) = 口- e ( a t 一( i 一1 ) 一a t o ) 把式( 2 1 5 ) 代入上式，得： ，。( r ) = a g ( a t 一( i 一1 ) t ，一a t o ) s i n ( a t 一( i 1 ) t ，一a t o ) 咖t n 耐一”剮 g ，o ) = g ( a t 一( i 1 ) 一c ) 本地參考信號(hào)為： 樸c o s ( z 礬 ，一剮 則，混頻低通濾波后得： ( ，) = 2 z e m ( t ) r 。，( f ) 】 一洲n ( 2 礬卜卜等”- ， 刪n ( z 礬 一爭(zhēng)等”， 因?yàn)閠 是表示相對(duì)于發(fā)射時(shí)刻的時(shí)間，所以對(duì)于一系列的脈沖串， ( 3 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 4 7 ( o v ：t c 是一 高性能t c d 的研制 個(gè)固定的相移。所以有： 屯一吣艇) s i n ( z 礬等( h ) + 刁( 3 - 1 3 ) c 。 上式如果把( f 一1 ) t p e 看作時(shí)間t 的話，那么信號(hào)的頻率就是2 v ：f o c ，為多普勒頻 率。 3 3 3 混頻電路 混頻器的實(shí)現(xiàn)方法很多，如二極管混頻、三極管混頻、模擬乘法器混頻?！币?及開關(guān)斬波混頻等。模擬乘法器構(gòu)成的混頻電路有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：一，模擬乘法 器要求本地的參考輸入信號(hào)精度非常高，因?yàn)檩敵鲂盘?hào)的幅度正比于參考信號(hào)的 幅度的。實(shí)際電路因?yàn)槌朔ㄆ魈`敏，參考信號(hào)線要用屏蔽電纜；二，一般的 模擬乘法器都存在一定的非線性，輸出包含了很多的諧波分量，當(dāng)噪聲比較大時(shí)， 噪聲平方項(xiàng)會(huì)含有較大的直流分量，這可能會(huì)導(dǎo)致較大的輸出誤差3 。三，模擬 乘法器一般價(jià)格比較高。采用的是高速模擬開關(guān)來完成混頻功能，也叫斬波混頻。 x ，( t ) x o ( t ) 圖3 5 正交解調(diào) 圖3 5 為用斬波混頻進(jìn)行正交解調(diào)的原理框圖，x o ( t ) 是參考輸入信號(hào)，是個(gè) 幅度為1 方波，它的頻率和發(fā)射信號(hào)的頻率一樣。x o ( ，) 是x o ( f ) 的h i l b e r t 變換后 的波形，即是x o ( f ) 延遲9 0 。后的波形。斬波混頻就相當(dāng)于參考輸入信號(hào)為1 的模 擬乘法器，輸出信號(hào)的幅度便不受參考輸入信號(hào)的影響了。斬波混頻器電路簡(jiǎn)單， 運(yùn)行速度塊，而且沒有線性問題，動(dòng)態(tài)范圍大。我們的電路采用的是高速模擬開 關(guān)s d 5 4 0 0 ，電路調(diào)試后工作很好。 3 4 壁濾波器 超聲的回波信號(hào)包括兩個(gè)部分，一部分是固定反射體的回波信號(hào)，如皮膚、 臟器等；另一部分是運(yùn)動(dòng)的反射體的回波信號(hào)，如血流、脈動(dòng)的血管等。前者在 混頻后為直流信號(hào)，而且很大，會(huì)影響電路的動(dòng)態(tài)范圍，所以一定要濾除掉，而 且是越靠前濾掉越好。傳統(tǒng)的做法是在混頻后濾除，這樣做法不是很好。因?yàn)檫@ 第二章t c d 系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn) 個(gè)信號(hào)非常大，那么前面放大器的大部分動(dòng)態(tài)范圍所放大的信號(hào)在后面都要被濾 除掉，是一種浪費(fèi)。最好的方法就是在放大之前濾除這些信號(hào)，鎖相環(huán)壁濾波器 就是這樣的m 1 。 圈3 8 血管層流示意圖 正常情況下，人體動(dòng)脈血管為層流方式，如圖3 8 。血管中央流速最快，越靠 近血管壁流速越慢，在血管壁附近流速接近于零。壁濾波器的作用可歸納為以下 兩點(diǎn)：一，濾除固定組織的回波混頻后的直流；二，濾除不關(guān)心的低速血流和血 管脈沖的回波混頻后的超低頻信號(hào)。壁濾波器在濾除固定組織回波等信號(hào)的同時(shí) 還不能濾除很多低速血流信號(hào)，所以要求非常高。除了要求有很陡的上升沿，還 要求阻帶要有很大的抑制比，要大于4 0 d b 以上。如果用橢圓濾波器，階數(shù)要在7 階以上”。壁濾波器采用l i n e a r 公司的l t c 系列產(chǎn)品，通過配置外接電阻，芯片 能夠通過自帶的設(shè)計(jì)軟件方便的設(shè)計(jì)成各種濾波器。濾波器的截止頻率由定時(shí)器 控制，信號(hào)由f p g a 給出。 上述濾波器的一個(gè)壞處就是，因?yàn)楸谛盘?hào)往往比血流信號(hào)大1 0 0 倍以上，信 號(hào)在混頻器時(shí)有可能己經(jīng)產(chǎn)生失真了，這樣考慮下來，壁濾波器的位置越靠| j i 端 越好。所以在第四章的優(yōu)化后的電路中，濾波器的位置是被改變了，脈沖波是利 用雷達(dá)原理中延遲相減的方法放在混頻器之后采樣保持電路之前。這樣使得整個(gè) 電路的布局更加合理，提高了電路的性能。 3 5 音頻電路 t c d 血流檢測(cè)儀的輸出有兩個(gè)：一個(gè)是血流聲音，另外一個(gè)是聲譜圖。不同 血管的血流聲音以及聲譜圖頻譜的形狀都是不一樣的；不同狀態(tài)血管的血流聲音 以及聲譜圖頻譜的形狀也是不一樣的。如有血栓時(shí)，聲音聽起來會(huì)有微弱的爆破 聲，頻譜上看起來就會(huì)有一些亮點(diǎn)。音頻電路的要求很高，聲音要干凈、清脆， 這對(duì)電路提出了很高的要求。 習(xí)慣上把血流的音頻叫立體聲音頻，它和通常意義下的立體聲的含義是不一 樣的。通常的立體聲是從不同角度采集多個(gè)聲音信號(hào)，然后播放出立體效果出來。 而t c d 中的立體聲卻采集一個(gè)信號(hào)，在信號(hào)的處理過程中，通過正交解調(diào)礙到信 號(hào)的解析表達(dá)式，然后再經(jīng)過計(jì)算得到正向血流和反向血流。所以，t c d 的立體 音頻指得是正向血流和反向血流的聲音。 高性能t c d 的研制 同 波 信 號(hào) 同相 反向 血流 正向 血流 圖3 9 示出，前向血流的回波信號(hào)的頻率比發(fā)射信號(hào)高，所以混頻解調(diào)后的 頻率是正的，相應(yīng)的后向血流信號(hào)解調(diào)后的頻率是負(fù)的。所以，設(shè)前向血流和后 向血流分別為： 聊，：等e x p f 膩牮， ：等e 毗r ) 2 v ，l c 0 8 口 咖= 2 9 0 1 二l 一 刪= 詈唧卜礬生警， = 爭(zhēng)。 咖：2 礬鯉 這兩個(gè)信號(hào)是夾雜在一起的，現(xiàn)在的工作就是把這兩個(gè)信號(hào)給分開。兩者實(shí)部相 加有： r k ，( f ) = 了a jc 。s 協(xié)，) + 了a rc 。s ( _ 詐f ) ( 3 1 6 ) 虛部相加有： ，掃) = 等s i n 協(xié)r ) + 了a rs i n ( - 辦歸了a fc 。s ( + 訇+ c 。s ( 一妒一訇 ( 3 - 1 7 ) 把實(shí)部相移x 2 再加上虛部得： 力c d = 等c 。s ( 妒+ 訇+ 魯c 。s ( 一如+ 訇+ 等c 。s ( + 訇+ 詈c 。s ( 一妒一三) 第二章t c d 系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn) = 口，c 0 8 h 吲 1 8 ) 式( 3 1 8 ) 的只剩下正向血流了。同理，把虛部相移r 2 再加上實(shí)部得到的就是反 向血流。 傳統(tǒng)的模擬音頻是用模擬移相器實(shí)現(xiàn)9 0 度相移的，由于受模擬電路佳能的限 制，不能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)9 0 。相移。m c l 3 1 2 p 是一個(gè)四通道的邏輯運(yùn)算器，可用來 實(shí)現(xiàn)的9 0 。相移電路“”，但它相移的精度不高，5 。的相位偏差引起的串?dāng)_( c r o s s t a l k ) 就為2 0 d b ，所以只能用在要求不是很高的場(chǎng)合。 3 6 多普勒頻譜 回波信號(hào)經(jīng)過放大、混頻、濾波和a d 轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入數(shù)字域的 處理。其中最重要的處理就是多普勒頻譜的計(jì)算。多普勒血流信號(hào)是非平穩(wěn)信號(hào)， 譜分析方法很多，文獻(xiàn)【2 4 1 給出了多種方法，文獻(xiàn) 2 5 1 給出了小波頻譜計(jì)算的方法， 能夠同時(shí)提高頻譜的時(shí)i 日j 分辨率和頻率分辨率。但目前采用的最多的是短時(shí)傅立 葉變換( s t f t ) ，可以是1 2 8 點(diǎn)，也可以是2 5 6 點(diǎn)，或者設(shè)計(jì)為可調(diào)。數(shù)字信號(hào) 處理芯片( d s p ) 是美國(guó)德州儀器的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 。這罩可以給出一個(gè)對(duì)d s p 速度的一個(gè)基本要求：在1 p j 盯的時(shí)問內(nèi)要完成2 5 6 點(diǎn)的s t f t 運(yùn)算。當(dāng)然這是 最基本的要求，d s p 還要完成一些其它的工作，如濾波和其它實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的計(jì) 算等。t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 是一款比較高端的處理器，能夠比較順利的完成這些功能。 信號(hào)x ( f 1 的短時(shí)傅立葉變換為： s t m ( t ，) = )