超聲成像儀動態濾波器設計

秦鑫，王昌

（新鄉醫學院 生命科學技術學院，河南 新鄉 453003）

超聲波在人體組織中傳播時，必然會產生反射和吸收等造成能量損失[1-2]。研究與實驗表明，造成能量衰減的除了探測深度外還有超聲波的傳播頻率[2-4]。人體組織對超聲的傳播頻率大致成線性關系，頻率越高，衰減越大[4-5]。時間增益控制（TGC）就是補償回波因探測深度的增加（或工作頻率的更換）而造成的衰減。動態濾波是為了把有診斷價值的回波提取出，而濾除近場過強的低頻和深部的高頻干擾。本文設計了一種簡單實用的動態濾波電路，能夠很好的滿足超聲成像系統要求。

1 整體設計與實現

動態濾波器主要由D/A轉換電路、濾波電路等組成。數字控制信號由D/A轉換電路，形成模擬控制信號；模擬控制信號接入到濾波電路的控制端口，實現對濾波電路參數的控制，達到動態改變濾波電路中心頻率的目的，從而完成動態濾波[6]。

1.1 動態濾波器電路設計

在超聲成像系統中，動態濾波器電路是針對人體組織對不同頻率超聲能量的衰減不同而設計的[5]。動態濾波器環節，直接關系到超聲系統遠場和近場成像的分辨率，影響圖像的清晰度，是整個超聲成像系統的一個關鍵部分[7]。下圖1為本文設計的濾波器電子電路。

此動態濾波電路設計由電容C680和變容二極管V684和V685，L680組成一個選頻槽路；C684，L683和 V686和 V687組成另一個選頻槽路。EFC電壓加在四個變容二極管的負端。近場EFC電壓高，變容二極管結電容小，槽路諧振頻率高（諧振阻抗大），槽路高頻傳輸特性好，而對低頻呈現較小的阻抗，使近場低頻分量得到很大的衰減 （即濾除了近場過強的低頻成分），當EFC電壓隨探測深度的增加而逐漸下降時，變容二極管的結電容隨之逐漸增大，槽路的諧振頻率也就隨之逐漸降低，因此遠場的低頻傳輸特性好，對高頻呈現的阻抗小，使遠場的高頻分量得到衰減，從而實現了動態濾波。

1.2 D/A變換器

D/A變換器負責將數字信號轉換為控制變容二極管的模擬電壓信號[6]，D/A芯片型號為DAC0808，電流輸出型。D/A輸出電流信號經運放轉換為電壓信號，采用運算放大器可以方便的對控制信號進行控制。具體電路如下圖2。

2 濾波器測試結果與分析

為了驗證所設計的動態濾波器的性能，采用Agilent DSO5014A 100 MHz，四通道示波器和Agilent 33220A信號發生器對其進行測試。動態濾波電路的信號分兩部分測試，其一是測試3.5 MHz探頭正常工作時動態濾波電路的輸入、輸出信號及EFC控制電壓波形.；其二用標準信號測試動態濾波放大模塊的效果。

2.1 動態濾波電路的輸入輸出信號測試

1）首先用示波器測試3.5 MHz探頭正常工作時動態濾波電路的輸入輸出信號波形。

2）標準信號EFC測試

圖1 動態濾波放大電路Fig.1 Dynamic filter amplifying circuit

圖2 動態濾波控制信號Fig.2 Dynamic filter control signal

圖3 3.5 MHz探頭正常工作時EFC波形Fig.3 3.5 MHz probe the EFCwaveform in normal working conditions

測試方法：標準信號源接入輸入端，與正常接收回波信號疊加，調節標準信號源輸入信號的頻率由2.0 MHz開始，按0.5 MHz遞增到8.5 MHz。EFC信號在近場時為4.5 V遞減到遠場的1 V。通過對測試結果波形圖輸出分析可看出，由于EFC的控制，近場EFC濾波器的中心頻率高，遠場的中心頻率低。圖4為信號中心頻率2.0 MHz和5.5 MHz測試圖。

圖4（a）中信號的中心頻率F0為2.0 MHz時的標準正弦波，在近場輸出信號幅度小，遠場輸出信號幅度大，說明近場對低頻信號衰減大，遠場對低頻信號衰減小，也就是說EFC濾波器遠場的中心頻率低。隨著信號中心頻率的增大，近場的輸出逐漸增大，遠場的輸出逐漸變小。如圖4（b）當輸入信號的中心頻率為5.5 MHz時，近場的輸出幅度大，而遠場的幅度小，這也說明了這個EFC電路的中心頻率由近場到遠場是由高到低變化的。符合超聲波在人體內傳播高頻信號在近場小，在遠場衰減大，而低頻信號隨深度增加衰減比高頻信號小的設計要求。

2.2 EFC電路靜態測試

實驗中采用信號發生器單獨測試EFC電路。其中信號源輸出接示波器1通道，即1通道接信號源輸出（標準正弦波相當EFC控制電壓）即是EFC控制電壓，3通道是輸入信號，4通道是EFC電路的輸出。信號源輸出電壓相當VEFC是EFC的控制電壓，F0是對應這個EFC電壓濾波器的中心頻率，f1是3 dB帶寬的低端頻率，f2是3 dB帶寬的高端頻率。每次測量VEFC增加0.25 V，從0.5 V增加到4.75 V，可看到濾波器的中心頻濾從2.4 MHz增加到5.6 MHz。在近場要求濾波器的中心頻率高，EFC電壓也就高，在遠場要求濾波器的中心頻率低EFC電壓就低.符合超聲在人體內傳波的特點，利用動態濾波器，提高了系統的信噪比。圖5是VEFC電壓分別在0.5 V和4.75 V時的波形圖。

圖4 信號中心頻率測試圖Fig.4 Signal center frequency test pattern

圖5 EFC電路靜態測試圖Fig.5 The static test EFCcircuit

3 結束語

本研究設計的模擬動態濾波器，設計電路成本低，結構簡單，性能穩定，易于實現；可以很好地匹配回波信號的中心頻率，根據要求方便的調節控制信號，應用于超聲成像系統中對提高成像質量有明顯的幫助。

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