一种超声换能器模拟前端电路和工作方法与流程

1.本发明涉及超声成像设备领域，具体涉及一种超声换能器模拟前端电路和工作方法。


背景技术：

2.超声成像是利用超声声束扫描人体，通过对反射信号的接收、处理，以获得体内器官的图像。超声换能器(超声探头)是医学超声仪器的重要组成部分，它在新型医学仪器的研制和医学研究中，占有相当重要的位置。微机械超声换能器具有声阻抗小、灵敏度高、带宽宽、可大规模制造、成本低、尺寸小和易于实现电子集成等优点。这使得微机械超声换能器也在掌上超声及超声内镜等医疗器械上得到了广泛的应用。相较于微机械超声换能器来说，传统的超声换能器能够产生较大的声压，穿透力更强，制备工艺也较简单。因此，传统的超声换能器仍在台式及桌面式超声诊断仪上被广泛使用。
3.超声成像设备的专用多通道前端集成电路(analog front end,afe)是超声仪器的核心关键部件之一。目前，市面上的超声仪器多采用亚德诺半导体、德州仪器与美信这三家跨国半导体公司的前端电路解决方案。国产的超声前端集成电路解决方案尚未可见。且目前市面上的超声前端电路解决方案都是针对传统的压电超声换能器所设计。电容式微机械超声换能器(capacitive micromachined ultrasonic transducer，cmut)需要采用跨阻放大器以将cmut换能器所产生的电流信号放大为电压信号，而传统的超声前端电路多为电压放大器,因此与微机械超声换能器并不能完全兼容。目前市面上采用的模拟前端电路已经不能适应新设备、新形势的需求，亟需一种能够适应于多种超声换能器的模拟前端电路来填补该项空白。


技术实现要素：

4.本发明的第一目的旨在提供一种超声换能器模拟前端电路，能够适应于多种超声换能器。本发明的第一目的由以下技术方案实现：
5.一种超声换能器模拟前端电路，包括接发开关、脉冲发生器、低噪声放大器、带通滤波器、增益放大器、模数转换器和寄存器；所述接发开关的脉冲接收端连接脉冲发生器的脉冲输出端，接发开关的换能连接端连接超声换能器，所述增益放大器的前端连接所述带通滤波器的输出端，增益放大器的后端连接所述模数转换器的模拟输入端，模数转换器的数字输出端连接超声成像设备；所述寄存器的寄存输入端连接在超声成像设备上，寄存输出端分别与所述带通滤波器、增益放大器、模数转换器的控制端连接；其特征在于：还包括多路复用器，所述低噪声放大器为不同类型的多个，多个所述低噪声放大器的信号输入端分别连接所述接发开关的信号输出端，所述多路复用器的输入端连接所述低噪声放大器的放大信号输出端，多路复用器的输出端连接所述带通滤波器的输入端。
6.上述技术方案中，通过在模拟前端电路中设置多路复用器和多个不同类型的低噪声放大器，当接入不同类型的超声换能器时，选择与超声换能器相适配的低噪声放大器，以
适应不同超声换能器的工作需求，已提高模拟前端电路的通用性和兼容性。
7.作为本发明的进一步改进，所述多路复用器为解多路复用器，所述解多路复用器的输入端连接所述接发开关的信号输出端，所述解多路复用器的输出端连接多个所述低噪声放大器的信号输入端，多个所述低噪声放大器的放大信号输出端分别连接所述带通滤波器的输入端。
8.作为本发明的进一步改进，所述多路复用器为两个，分别为第一多路复用器和第二多路复用器，所述第一多路复用器为解多路复用器，所述第一多路复用器的输入端连接所述接发开关的信号输出端，所述第一多路复用器的输出端连接多个所述低噪声放大器的原信号输入端；所述第二多路复用器的输入端连接所述低噪声放大器的放大信号输出端，第二多路复用器的输出端连接所述带通滤波器的输入端。
9.作为本发明的进一步改进，所述接发开关的脉冲接收端与换能连接端之间设置有第一开关，所述换能连接端和信号输出端之间设置有第二开关，模拟前端电路工作时所述第一开关和第二开关择一闭合。
10.作为本发明的进一步改进，所述低噪声放大器的数量为三个，分别适用于电容型微机械超声换能器、压电式微机械超声换能器、压电式超声换能器。
11.作为本发明的进一步改进，适用于电容型微机械超声换能器的所述低噪声放大器为跨阻放大器。
12.作为本发明的进一步改进，还包括状态监控模块，所述状态监控模块的监控输入端和监控输出端分别与所述低噪声放大器的信号输入端和放大信号输出端连接在相同元件上。
13.本模拟前端电路中，通过设置多个不同类型的低噪声放大器和状态监控模块，能够根据接入的不同类型的超声换能器，手动或自动地选择与接入地超声换能器类型相适配的低噪声放大器，保证超声换能器的工作状态正常。
14.本发明的第二目的旨在提供一种超声换能器模拟前端电路工作方法，能够根据不同的超声换能器类型选择不同的工作模式。本发明的第一目的由以下技术方案实现：
15.一种超声换能器模拟前端电路工作方法，其特征在于：使用前文所述的模拟前端电路，包括如下步骤：
16.(1)将所述模拟前端电路的接发开关的换能连接端连接超声换能器；所述模数转换器的数字输出端、接发开关的接发控制端、脉冲发生器的脉冲控制端、寄存器的寄存输入端、多路复用器的受控端连接到超声成像设备上；
17.(2)所述超声成像设备向所述脉冲发生器的脉冲控制端和接发开关的接发控制端发出信号，控制所述接发开关的脉冲接收端与换能连接端接通，换能连接端和信号输出端断开，所述脉冲发生器通过所述接发开关向所述超声换能器发出脉冲信号；
18.(3)脉冲信号发出后，所述超声成像设备向所述接发开关的接发控制端发出信号，控制所述接发开关的脉冲接收端与换能连接端断开，换能连接端和信号输出端接通；向所述多路复用器的受控端发出信号，控制所述多路复用器选择状态监控模块所在通道；
19.(4)所述超声成像设备根据连接的超声换能器类型，向所述多路复用器的受控端发出信号，控制所述多路复用器选择与超声换能器类型适配的低噪声放大器的类型。
20.上述技术方案中，通过与前文所述的模拟前端电路配合使用，将模拟前端电路连
接在所述超声换能器和超声成像设备之间，能够根据接入的不同类型的超声换能器，选择与接入地超声换能器类型像适配的低噪声放大器，提高了模拟前端电路的通用性。
21.作为本发明的进一步改进，所述步骤(4)中多路复用器选择与超声换能器类型适配的低噪声放大器的类型为手动选择。
22.作为本发明的进一步改进，在所述步骤(3)和步骤(4)之间还包括：
23.所述模拟前端电路从所述超声换能器接收反馈信号，所述状态监控模块监控所述超声换能器的类型和工作状态，并通过监控输出端输出至所述超声成像设备；所述步骤(4)中多路复用器选择与超声换能器类型适配的低噪声放大器的类型为自动选择监控到的超声换能器类型。
24.本工作方法中，通过与前文所述的模拟前端电路配合使用，设置状态监控模块，能够根据接入的不同类型的超声换能器，手动或自动地选择与接入的超声换能器类型像适配的低噪声放大器，保证超声换能器的工作状态正常。
附图说明
25.图1为本发明实施例一提供的超声换能器模拟前端电路的原理图。
26.图2为本发明实施例一提供的第一低噪声放大器的原理图。
27.图3为本发明实施例一提供的第二低噪声放大器的原理图。
28.图4为本发明实施例一提供的第三低噪声放大器的原理图。
29.图5为本发明实施例二提供的超声换能器模拟前端电路工作方法的流程图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，为了便于说明，本技术中可能会对上、下、左、右、前、后等方位进行定义，旨在便于清楚地描述构造的相对位置关系，并不用于产品在生产、使用、销售等过程中实际方位的限制。下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
31.实施例一
32.请参阅图1
‑
图4，一种超声换能器模拟前端电路，包括接发开关、脉冲发生器、低噪声放大器、状态监控模块、第一多路复用器、第二多路复用器、带通滤波器、增益放大器、模数转换器和寄存器。
33.所述接发开关具有三个连接端，分别为脉冲接收端、信号输出端和换能连接端，在所述脉冲接收端与换能连接端之间设置有第一开关，所述换能连接端和信号输出端之间设置有第二开关，模拟前端电路工作时所述第一开关和第二开关择一闭合。
34.所述第一多路复用器为解多路复用器，所述第一多路复用器的输入端连接所述接发开关的信号输出端，所述第一多路复用器的输出端连接多个所述低噪声放大器的原信号输入端；所述第二多路复用器的输入端连接所述低噪声放大器的放大信号输出端，第二多路复用器的输出端连接所述带通滤波器的输入端。所述增益放大器的前端连接所述带通滤波器的输出端，增益放大器的后端连接所述模数转换器的模拟输入端，所述模数转换器的数字输出端连接在超声成像设备上。所述寄存器的寄存输入端连接所述超声成像设备，寄存输出端分别与所述带通滤波器、增益放大器、模数转换器的控制端连接。
35.所述低噪声放大器为不同类型的三个(作为其他可实现的技术方案，所述低噪声放大器的数量和类型可根据可能连接的超声换能器的数量和类型选择和适配)，第一低噪声放大器适用于电容型微机械超声换能器，为跨阻放大器，第二低噪声放大器适用于压电式微机械超声换能器，第三低噪声放大器适用于压电式超声换能器。三个所述低噪声放大器的信号输入端分别连接所述第一多路复用器的三个不同的输出端，放大信号输出端分别连接所述第二多路复用器的三个不同的输入端。所述状态监控模块的监控输入端连接所述第一多路复用器的一个输出端，监控输出端连接所述第二多路复用器的一个输入端。
36.作为其他可实现的技术方案，所述多路复用器可以仅包括第一多路复用器(解多路复用器)或第二多路复用器中的一个。当仅包括所述第一多路复用器时，三个不同类型的低噪声放大器和状态监控模块中仅有一个通道进行信号传输；当仅包括第二多路复用器时，三个不同类型的低噪声放大器和状态监控模块四个通道均进行信号传输，但在第二多路复用器中仅选择其中一个通道的信号传输至后端的带通滤波器。
37.通过将模拟前端电路连接在超声换能器与超声成像设备之间，并通过手动或者自动选择不同的低噪声放大器适配不同类型的超声换能器，将不同类型的超声换能器传来的特性不同的反馈信号转换成超声成像设备能够识别的数字信号，以提高模拟前端电路的通用性和兼容性。
38.实施例二
39.请参阅图5，本实施例提供一种超声换能器模拟前端电路工作方法，其特征在于：使用实施例所提供的超声换能器模拟前端电路，包括如下步骤：
40.(1)将所述模拟前端电路的接发开关的换能连接端连接超声换能器；所述模数转换器的数字输出端、接发开关的接发控制端、脉冲发生器的脉冲控制端、寄存器的寄存输入端、多路复用器的受控端连接到超声成像设备上；
41.(2)所述超声成像设备向所述脉冲发生器的脉冲控制端和接发开关的接发控制端发出信号，控制所述接发开关的脉冲接收端与换能连接端接通，换能连接端和信号输出端断开，所述脉冲发生器通过所述接发开关向所述超声换能器发出脉冲信号；
42.(3)脉冲信号发出后，所述超声成像设备向所述接发开关的接发控制端发出信号，控制所述接发开关的脉冲接收端与换能连接端断开，换能连接端和信号输出端接通；向所述多路复用器的受控端发出信号，控制所述多路复用器选择状态监控模块所在通道；
43.(4)所述模拟前端电路从所述超声换能器接收反馈信号，所述状态监控模块监控所述超声换能器的类型和工作状态，并通过监控输出端输出至所述超声成像设备；
44.(5)所述超声成像设备根据步骤(4)中监控到的超声换能器类型，向所述多路复用器的受控端发出信号，控制所述多路复用器自动选择与超声换能器类型适配的低噪声放大器的类型。
45.作为其他可能实现的技术方案，可以不包含所述步骤(4)，所述步骤(5)中多路复用器选择与超声换能器类型适配的低噪声放大器的类型为手动选择。
46.本模拟前端电路通过与前文所述的模拟前端电路配合使用，设置状态监控模块，能够根据接入的不同类型的超声换能器，手动或自动地选择与接入地超声换能器类型像适配的低噪声放大器，实时对超声换能器的工作状态进行实时监控，保证超声换能器的工作状态正常。
47.以上实施例仅为充分公开而非限制本发明，凡基于本发明的创作主旨、无需经过创造性劳动即可得到的等效技术特征的替换，应当视为本技术揭露的范围。