胎兒監護儀的電路研究

楊衛東，肖林玲，趙祥欣.浙江醫藥高等專科學校 醫療器械學院，浙江 寧波 3500；.寧波職業技術學院，浙江 寧波 35800

胎兒監護儀的電路研究

楊衛東1，肖林玲2，趙祥欣1
1.浙江醫藥高等專科學校 醫療器械學院，浙江 寧波 315100；2.寧波職業技術學院，浙江 寧波 315800

胎兒監護儀是一種已經廣泛應用于臨床的醫療器械，超聲波對胎兒的損傷雖然尚未有醫療界定，但臨床上仍需通過提高胎兒監護儀超聲波信號的發射效率以及回波信號的接收靈敏度來降低超聲波信號強度，以避免未知損傷的發生。本文基于分立元件設計了可用于胎兒監護儀的超聲發射、接收和解調電路，能夠降低集成電路形式的電源損耗，可通過阻抗匹配和多級諧振放大提高回波信號的接收靈敏度，且電路結構簡單，解調效率高。測試驗證結果表明整體電路的性能較好。

胎兒監護儀；超聲換能器；發射電路；接收電路；解調電路

0 前言

胎兒監護儀是一種利用超聲波對胎心率提供連續監護、顯示和記錄的醫療儀器，可及早發現胎兒對低氧的耐受力及宮內窘迫等，從而減少缺氧所致的胎兒損傷，提高胎兒生產質量，降低圍產兒死亡率[1]。大量臨床研究證明，胎心監護能有效發現妊娠過程中的胎兒異常[2]。目前，胎兒監護儀已經在各級醫院中廣泛應用于產前檢查和產程監護。

超聲波對胎兒的損傷雖然尚未有醫療界定，但臨床上仍需通過提高胎兒監護儀超聲波信號的發射效率以及回波信號的接收靈敏度來降低超聲波信號強度，以避免未知損傷的發生。影響胎兒監護儀整體靈敏度的因素主要有超聲換能器以及超聲發射、接收和解調電路[3]。目前市場上的國產胎兒監護儀普遍存在靈敏度不足的缺點，基于此，本研究設計了超聲發射、接收和解調電路，用以提升胎兒監護儀的整體靈敏度。

1 系統電路整體結構

系統電路主要由超聲換能器、超聲發射電路、接收匹配電路、接收前置放大電路、主放大電路以及解調電路等構成（圖1）。臨床常用的超聲頻率為1、2、2.5、3 MHz，超聲頻率越高，超聲衰減越嚴重，其探測深度亦越淺，但是對輕微運動的靈敏度卻越高。

圖1 系統電路整體結構框圖

超聲波的多普勒效應原理是：當聲波遇到運動物體時，反射聲波將發生頻移，頻移量與運動物體的運動速度相關。醫用超聲回波信號的表達公式[4-5]如下：

2 超聲發射電路

2.1 電路設計

超聲發射電路圖，見圖2。發射功率的強弱直接影響接收信號的強弱，為了獲得最佳的發射效率，本研究采用變壓器耦合，兩級推挽放大的電路結構，觸發信號由單片機提供，為一對反相推挽振蕩信號。電路元件采用對管形式，以獲得一致的電性能參數。

圖2 超聲發射電路圖

作為超聲波發射元件，換能器總體表現為容性負載，該負載通過變壓器線圈形成并聯諧振電路；同時，該電容中累積的電荷在振蕩的正負半周轉換過程中需要快速充電與泄放。為了減少換能器的振蕩轉換時間，消除死區時間的效率浪費，本研究采用功率MOSFET元件（T9、T10）作為第一級的推挽功率輸出。MOSFET元件的導通電阻只有0.5～3 Ω，瞬態電流可以達到10 A，因此電路振蕩迅速。但是，MOSFET元件自身有一個較大的柵極分布電容，該電容的充放電時間會影響其導通和截止速度，進而削弱電路效率和發射能量。因此，本研究又采用了第二級的推挽電路，其中T1、T2用以驅動T9，T3、T4用以驅動T10，以提供快速的電容泄放通道。

2.2 電路性能測試

換能器轉換效率低且易受耦合環境影響，測量超聲能量的測試方式會受到各種因素干擾，導致測量不準確；而在電路中串入電流表的測試方式又會影響電路工作狀態。本研究測試方案為：在超聲晶片一端串入一個1 Ω電阻，再將其接入發射電路，然后測量晶片兩端電壓。因此，本測試方案僅測量了到達超聲晶片的能量，而未對發射出的超聲能量進行測量。

測得超聲晶片兩端為正弦振蕩波形，測試參數結果，電源電壓6 V，電源電流0.31 A，晶片兩端電壓峰峰值20 V，1Ω電阻兩端電壓峰峰值0.52 V，效率69.8%。本研究電路中，耦合變壓器是效率降低的一個主要原因，采用優質環形磁芯，且正副線圈采用緊密繞制方式可以提高能量傳輸效率。

3 超聲接收電路和解調電路

3.1 接收電路設計

1.2.3 秸稈沼氣 秸稈沼氣技術是以秸稈為主要原料，經微生物厭氧發酵作用生產沼氣的秸稈處理利用技術，有效解決秸稈直燃效率低[6]的問題，且副產品(沼渣、沼液)可作為有機肥料。按規模可分為戶用秸稈沼氣和秸稈聯戶沼氣集中供氣工程兩類。目前，揚州市秸稈戶用沼氣及聯戶沼氣利用秸稈量分別達到1.37萬t和1.08萬t，應用區域主要集中在儀征、高郵等地。

為了獲得最佳的接收靈敏度和阻抗特性，需要對換能器進行電路匹配[6-7]。換能器接收等效電路圖，見圖3。

圖3 超聲換能器接收等效電路圖

超聲接收電路圖，見圖4。通過調配電感L0的參數，用以匹配電容Cb。本研究采用手工磁芯繞制并控制繞制線圈匝數，從而獲得合適的電感量以實現L0調配。

圖4 超聲接收電路圖

根據多普勒效應公式，運動物體的速度越大，頻率偏移越大；運動速度越小，頻率偏移越小。為了獲得足夠的靈敏度，發射基頻需要足夠的選頻放大。本研究采用三級諧振選頻放大。

諧振電路部分由L1、C1、C2構成串聯諧振電路，對反射信號進行選頻，電容C1兩端可以獲得數倍于源信號的電壓。

一級放大電路采用低噪聲JFET元件，共源極電路，該電路結構相比三極管放大電路可以降低三極管中結電容等分布參數的影響，同時JFET可以獲得較高的放大倍數以及較低的噪聲。電阻R1為靜態直流偏執電阻，結構為自給柵極偏壓。L2、C4構成并聯諧振電路，構成二次選頻放大。

二級放大電路由T2、T3等元件構成。C5、R3構成交流耦合電路；T2、T3構成共射共基放大電路，以獲得較寬的頻帶范圍和較高的放大倍數；L3、C7、C8構成并聯諧振電路，形成三次選頻放大[8]。

3.2 解調電路設計

多普勒信號解調方式有多種，如檢波、鑒頻、鑒相、乘法等。本研究采用集成模擬開關電路實現多普勒信號的解調[9]，該解調方案具有電路結構簡單、靈敏度高、成本低等優勢。

將開關信號用傅里葉級數展開為：

接收的回波多普勒信號為：

多普勒信號經過模擬開關后表現為兩者的乘積：

將公式(3)和公式(4)代入公式(5)可得：

超聲解調電路圖，見圖5。其中4053模擬開關為3通道、單刀雙擲模擬開關。A、B、C 控制端口分別用來控制X、Y、Z 3個通道。4053模擬開關真值表，見表1。解調電路使用了Y和Z通道，X通道為多余通道，為了降低干擾，將X通道的輸入和輸出端作短路并接地處理。B、C為控制端口，控制信號函數表達式如公式(2)所示，其頻率為超聲發射頻率。該電路采用兩級解調處理，超聲回波信號簡化的函數表達式如公式(4)所示，輸入到Y1管腳，由Y管腳輸出，并再次輸入到Z0管腳，最終由Z管腳輸出。

圖5 超聲解調電路圖

表1 4053模擬開關真值表

3.3 接收電路及解調電路性能測試

由于無法獲知準確的超聲晶片發射和接收效率，因此脫離超聲晶片的單純電路性能測試方案為較優選擇，但是由于超聲晶片電路參數復雜，完全脫離晶片進行測試又有一定的局限性。因此，本研究采用帶晶片的電路測試方案，晶片并不實際接收信號，而是通過函數發生器將調制信號接入超聲晶片。

測試條件：電源電壓6 V，載波頻率2 MHz，調制信號頻率2 kHz。測試結果，見表2。

表2 接收電路及解調電路測試參數

由測試結果可以看出，該電路對 2 mV的小信號調制已經有足夠的電壓輸出。

4 結語

本研究設計了可用于胎兒監護儀的超聲發射、接收以及解調電路，電路均采用分立元件構成，能夠降低集成電路形式的電源損耗，可通過阻抗匹配和多級諧振放大提高回波信號的接收靈敏度，且電路結構簡單，解調效率高。

[1] 劉飛飛,魏守水,景天磊．自動監護與無痛分娩閉環系統的設計與實現[J]．中國醫療設備,2012,27(11):59-61．

[2] 程志厚,宋樹良．胎兒電子監護學[M]．人民衛生出版社,北京：2001:308-316．

[3] 唐滸,彭玨,陳思平．醫學超聲單晶探頭的進展及新技術[J]．中國醫療器械信息,2014,(4):16-21．

[4] 王威琪,汪源源．醫學超聲信號及其特征提取[J]．中國醫療器械信息,2004,(1):4-11．

[5] 汪源源,劉斌,吳曉峰,等．超聲多普勒信號的頻譜分析[J]．聲學技術,1998,(2):57-62．

[6] 林書玉．匹配電路對壓電陶瓷超聲換能器振動性能的影響[J]．壓電與聲光,1995,(3):27-30．

[7] 張偉濤,張永俊,姚震．基于Matlab壓電超聲換能器匹配電路的研究[J]．電加工與模具,2014,(2):47-50．

[8] 陸堯勝,鄧松茂,崔忠藝,等．超聲多普勒胎心檢測前置電路的研究[J]．電路與系統學報,2011,(2):114-118．

[9] 李勇,李巍,李社偉,等．基于模擬開關和OPA548的同步相敏解調電路[J]．電子器件,2007,(5):1816-1818．

《中國醫療設備》雜志臨床工程欄目簡介

臨床醫學工程是運用工程學的理論與方法解決醫學中實際問題的新興學科，學科領域較廣。故本欄目包括的內容也較廣，凡與臨床醫學工程的理論、技術、方法等有關的文章均可。諸如現代先進醫療儀器設備的構成原理、性能特點、應用功能開發、醫用設備和計算機的安全使用技術、設備改裝、醫療新技術革新、小發明和專利等稿件。本欄目的稿件要求論述簡單明了，突出技術重點，具有科學性和實用性。

Research on the Electric Circuit of the Ultrasound Fetal Monitor

YANG Wei-dong1, XIAO Lin-ling2, ZHAO Xiang-xin1
1.School of Medical Equipment, Zhejiang Pharmaceutical College, Ningbo Zhejiang 315100, China;2.Ningbo Polytechnic College, Ningbo Zhejiang 315800, China

The ultrasound fetal monitor has been a kind of clinically widely-used medical devices. Although ultrasound’s damage to fetuses is still ill-defined, the transmitting efficiency of the fetal monitor’s ultrasound signals and the receiving sensitivity of echo signals need to be increased to reduce the signal intensity of ultrasound and avoid the occurrence of un-known damages in its clinical application. In this paper, the simplystructured transmitter, receiver demodulation circuits are constructed based on the separate components to reduce the power loss and consumption of integrated circuits. With the characteristics of high efficiency of demodulation, the circuits can increase the receiving sensitivity of echo signals through impedance matching and multi-stage resonance amplification. The whole circuit has demonstrated its outstanding performance in the verification test.

fetal monitor; ultrasound transducers; transmitter circuit; receiver circuit; demodulation circuit

R318.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.04.006

1674-1633(2015)04-0022-03

2014-12-26

2015-01-21

作者郵箱：543719177@qq．com