专利名称：一种用于高频超声诊断设备中的超声波发射系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及医学超声诊断技术领域，特别涉及一种用于全数字便携式高频超声诊 断设备中的超声波发射系统。
背景技术：
医学超声成像设备中，进入人体组织超声波波形的好坏，直接影响到信号链下游 回波信息的质量以及最终图像的清晰度。在临床应用中，超声波发射系统需要根据被测组 织的深度变化、扫查模式的切换以及彩色多普勒血流成像的需要，及时对超声波的频率、峰 峰值、占空比和脉冲数等参数进行调整。现有技术中的超声成像系统，每个发射通道需要独立驱动一个场效应管对中的两 个场效应管，且场效应管对的数量与发射通道的数量一致。因此采用传统方式构成的发射 电路元件数量多，导致制造成本、体积和功耗过高，不利于超声诊断设备向便携式方向发 展；同时，由于场效应管驱动器的两个输出并不完全同步，可能导致两个场效应管同时导 通，使分别与场效应管驱动器连接的高压电源与地短路，这会引发电路损坏的危险，可靠性 差。尤其是当检测频率达到10-20MHZ高频范围时，窄触发脉冲会使得发射能量减少，回波 信息容易被噪声淹没，信噪比下降，检测深度降低。
发明内容
为了克服现有技术的不足，降低制造成本、减少发射电路元件的体积和功耗；当检测频率达到10-20MHZ高频范围时，提高发射能量、提高信噪比和提高检测深 度，本发明提供了一种用于高频超声诊断设备中的超声波发射系统，超声波发射系统包括高频阵列式超声换能器、高压矩阵开关电路、发射驱动电路 和FPGA控制电路，所述高压矩阵开关电路将所述高频阵列式超声换能器的阵元与所述发射驱动电 路中的各发射通道相连接，并依据超声成像时超声波声束的扫查顺序进行循环切换；所述 发射驱动电路产生高压脉冲，所述高压脉冲作用于所述高频阵列式超声换能器，产生超声 波；所述FPGA控制电路实现所述高频阵列式超声换能器与所述发射驱动电路中的各发射 通道的切换控制，产生所述发射驱动电路的触发脉冲。所述高压矩阵开关电路由16通道高压矩阵开关芯片构成。所述高压矩阵开关芯片具体为HV2701。所述发射驱动电路由8通道场效应管驱动芯片构成。所述场效应管驱动芯片具体为HDL6V5582。所述FPGA控制电路包括获取单个EP正脉冲模块、32路发射聚焦控制模块和输 出发射重复正脉冲模块，所述获取单个EP正脉冲模块用于获取单个EP正脉冲；所述32路发射聚焦控制模 块用于输出16路延时数据；所述输出发射重复正脉冲模块用于输出发射重复正脉冲。
所述获取单个EP正脉冲模块包括第一延时模块、第一多路选择器、第一非门、第 二非门和二输入或门， 单个负脉冲和80M时钟同时输入所述第一延时模块，输出至少一路延时负脉冲； 上位机提供EP脉冲宽窄选择信号；所述延时负脉冲和所述EP脉冲宽窄选择信号同时输入 所述第一多路选择器；所述第一多路选择器的输出与所述单个负脉冲经过所述第一非门的 输出同时输入所述二输入或门，所述二输入或门的输出通过所述第二非门获取单个EP正 脉冲，所述单个EP正脉冲分别用于所述32路发射聚焦控制模块和所述输出发射重复正脉 冲模块。所述32路发射聚焦控制模块包括第二延时模块和第二多路选择器，所述单个EP正脉冲和80M时钟同时输入所述第二延时模块，输出至少一路精度为 12. 5ns的延时数据；所述延时数据与发射聚焦控制信号同时输入所述第二多路选择器，所 述第二多路选择器输出16路延时数据。所述输出发射重复正脉冲模块包括第三延时模块和多路或门，所述单个EP正脉冲、80M时钟、EP脉冲宽窄选择信号和脉冲重复数N同时输入所 述第三延时模块，输出N路单个EP正脉冲延时，所述N路单个EP正脉冲延时通过所述多路 或门，输出发射重复正脉冲，其中，N的取值为正整数。所述FPGA控制电路具体为芯片EP1C6。本发明提供的技术方案的有益效果是本发明提供了一种用于高频超声诊断设备中的超声波发射系统，本发明采用了 16 通道高压矩阵开关芯片构成的高压矩阵开关电路和8通道场效应管驱动芯片构成的发射 驱动电路，有效的减少了整个超声波发射系统的电路体积，元器件的使用数量大大减少，硬 件成本得到了有效控制；当检测频率达到10-20MHZ高频范围时，提高了发射能量、提高了 信噪比和提高检测深度；超声波最高发射频率可达IOMHz以上，适用于全数字便携式高频 超声诊断设备的使用；并且通过对FPGA控制电路的设计，实现了对触发脉冲频率、脉冲数 和各发射通道触发延时时间的控制。
图1为本发明提供的用于高频超声诊断设备中的超声波发射系统的结构框图；图2为本发明提供的8通道场效应管驱动芯片的连接示意图；图3为本发明提供的FPGA控制电路的结构框图；图4为本发明提供的获取单个EP正脉冲模块的示意图；图5为本发明提供的32路发射聚焦控制模块的示意图；图6为本发明提供的输出发射重复正脉冲模块的示意图；图7为本发明提供的触发脉冲和高压发射波形的示意图；图8-1为本发明提供的高压矩阵开关电路的第一示意图；图8-2为本发明提供的高压矩阵开关电路的第二示意图；图8-3为本发明提供的高压矩阵开关电路的第三示意图；图8-4为本发明提供的高压矩阵开关电路的第四示意图；图8-5为本发明提供的高压矩阵开关电路的第五示意图8-6为本发明提供的高压矩阵开关电路的第六示意图；图8-7为本发明提供的高压矩阵开关电路的第七示意图；图8-8为本发明提供的高压矩阵开关电路的第八示意图；图9为本发明提供的高压矩阵开关电路控制信号的示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方 式作进一步地详细描述。
为了克服现有技术的不足，降低制造成本、减少发射电路元件的体积和功耗；当检 测频率达到10-20MHZ高频范围时，提高发射能量、信噪比和检测深度，本发明实施例提供 了一种用于高频超声诊断设备中的超声波发射系统，参见图1，详见下文描述该超声波发射系统包括高频阵列式超声换能器、高压矩阵开关电路、发射驱动电 路和FPGA控制电路，高压矩阵开关电路将高频阵列式超声换能器的阵元与发射驱动电路中的各发射 通道相连接，并依据超声成像时超声波声束的扫查顺序进行循环切换；发射驱动电路产生 高压脉冲，高压脉冲作用于高频阵列式超声换能器，产生超声波；FPGA控制电路实现高频 阵列式超声换能器与发射驱动电路中的各发射通道的切换控制，产生发射驱动电路的触发 脉冲。本发明实施例中的发射驱动电路由8通道场效应管驱动芯片构成。参见图2，进一步地，为了提高元件的集成度，减少元器件的体积，场效应管驱动芯 片优选为HDL6V5582。HDL6V5582的信号输入端为DPl DP8和Dm DN8，DPl DP8和Dm DN8为 脉冲激励信号；输入端CC0、CC1和ATHP为控制信号；信号输出端HVoutl HVoutS输出的 高压脉冲作用于高频阵列式超声换能器，产生超声波；HVpp和HVrm为正负高压电源，最高 可达到士 IOOV ；Vd为+5V、Vl为+3. 3V ；电阻Rl R18、R35 R36连接输入端和场效应管 驱动芯片HDL6V5582，R19 R26连接场效应管驱动芯片HDL6V5582和输出端，用于在超声 波发射系统运行过程中，便于超声波发射系统的调试与检测。R27 R35为1千欧姆，Iff的 电阻，用于匹配高频阵列式超声换能器的输出阻抗；Cl C12为耐压200V、0. IuF IuF的 旁路电容，C13 C15为耐压15V、0. IuF IuF的旁路电容。在实际应用过程中，可以根据 实际需要确定超声成像设备总的发射接收通道数，决定场效应管驱动芯片的使用个数，例 如在32通道发射系统中，需同时使用4片8通道场效应管驱动芯片。本发明实施例中的高压矩阵开关电路由16通道高压矩阵开关芯片构成。进一步地，为了提高元件的集成度，减少元器件的体积，高压矩阵开关芯片优选为 HV2701。参见图3，通过对FPGA控制电路的设计，该FPGA控制电路包括获取单个EP正脉 冲模块、32路发射聚焦控制模块和输出发射重复正脉冲模块，获取单个EP正脉冲模块用于 获取单个EP正脉冲；32路发射聚焦控制模块用于输出16路延时数据；输出发射重复正脉 冲模块用于输出发射重复正脉冲。参见图4，获取单个EP正脉冲模块包括第一延时模块、第一多路选择器、第一非门、第二非门和二输入或门，单个负脉冲和80M时钟同时输入第一延时模块，输出至少一路 延时负脉冲；上位机提供EP脉冲宽窄选择信号；延时负脉冲和EP脉冲宽窄选择信号同时 输入第一多路选择器；第一多路选择器的输出与单个负脉冲经过第一非门的输出同时输入 二输入或门，二输入或门的输出通过第二非门获取单个EP正脉冲，单个EP正脉冲分别用于 32路发射聚焦控制模块和输出发射重复正脉冲模块。参见图5，32路发射聚焦控制模块包括第二延时模块和第二多路选择器，单个EP 正脉冲和80M时钟同时输入第二延时模块，输出至少一路精度为12. 5ns的延时数据；延时 数据与发射聚焦控制信号同时输入第二多路选择器，第二多路选择器输出16路延时数据。参见图6，输出发射重复正脉冲模块包括第三延时模块和多路或门，单个EP正脉 冲、80M时钟、EP脉冲宽窄选择信号和脉冲重复数N同时输入第三延时模块，输出N路单个 EP正脉冲延时，N路单个EP正脉冲延时通过多路或门，输出发射重复正脉冲。其中，N的取值为正整数，可以根据实际应用情况来确定N的取值，通常N的取值 为10-32，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。进一步地，为了提高元件的集成度，减少元器件的体积，本发明实施例中的FPGA 控制电路具体为芯片EP1C6。
参见图7，DPl DP8、DNl DN8为脉冲激励信号；HVoutl Hvout8为高压脉冲 激励端；脉冲宽度(频率)、脉冲数均由FPGA控制电路控制实现，输入电压Vl范围为0 +3. 3V，输出的发射波形最高频率可达IOMHz以上，输出电压Vpp和Vrm范围为士 100V。在实际应用中，需要根据高频阵列式超声换能器的阵元数和超声成像设备总的发 射通道数来决定高压矩阵开关电路的连接方式和控制方式。参见图8-1、图8-2、图8-3、图8-4、图8-5、图8-6、图8-7和图8-8，本发明实施例 以高频阵列式超声换能器的阵元数为128、超声成像设备总的发射通道数为32为例，说明 高压矩阵开关电路的结构，采用8片16通道高压矩阵开关芯片HV2701，Probel Probel28 连接高频阵列式超声换能器依次排列的128个阵元端口，HVoutl HVout32是高压脉冲激 励端，连接超声波发射系统中与32个信号通道相应的场效应管驱动芯片，Vpp和Vrm为正 负高压电源，最高可达到士 100V，Vd为+5V，Din为数据输入端口，Doutl Dout4为数据输 出端口，Clkl Clk4为时钟控制输入端口，LE为使能控制端口，Clr为清零控制端口，各信 号均由FPGA控制电路控制，实现超声声束的扫查。参见图9，由FPGA控制电路产生的高压矩阵开关电路控制信号的示意图，高频阵 列式超声换能器开始工作前，需进行初始状态设置，清零端Clr和使能端LE置低电平，数 据信号Din置“1”期间，Clkl Clk4连续输入8个时钟信号，将数据写入高压矩阵开关芯 片HV2701的内部寄存器中，使得高压脉冲激励端HVoutl HVout32与高频阵列式超声换 能器前32个阵元端口 Probel Probe32相连接。当高频阵列式超声换能器开始扫描时， Din置“0”，Clkl Clk4按照超声发射的重复周期依次输入时钟信号，调整高压脉冲激励 端HVoutl HVout32与高频阵列式超声换能器的连接次序，实现超声声束的扫查。当一幅 图像扫描完成后，清零端Clr和使能端LE恢复高电平，重复上述过程，即可实现图像的实时 连续扫描。综上所述，本发明实施例提供了一种用于高频超声诊断设备中的超声波发射系 统，通过采用了 16通道高压矩阵芯片构成的高压矩阵开关电路和8通道场效应管驱动芯片构成的发射驱动电路，有效的减少了整个超声波发射系统的电路体积，元器件的使用数量 大大减少，硬件成本得到了有效控制；超声波最高发射频率可达IOMHz以上，适用于全数字 便携式高频超声诊断设备的使用；并且通过对FPGA控制电路的设计，实现了对触发脉冲频 率、脉冲数和各发射通道触发延时时间的控制。本领 域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例 序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种用于高频超声诊断设备中的超声波发射系统，其特征在于，包括高频阵列式超声换能器、高压矩阵开关电路、发射驱动电路和FPGA控制电路，所述高压矩阵开关电路将所述高频阵列式超声换能器的阵元与所述发射驱动电路中的各发射通道相连接，并依据超声成像时超声波声束的扫查顺序进行循环切换；所述发射驱动电路产生高压脉冲，所述高压脉冲作用于所述高频阵列式超声换能器，产生超声波；所述FPGA控制电路实现所述高频阵列式超声换能器与所述发射驱动电路中的各发射通道的切换控制，产生所述发射驱动电路的触发脉冲。
2.根据权利要求1所述的用于高频超声诊断设备中的超声波发射系统，其特征在于， 所述高压矩阵开关电路由16通道高压矩阵开关芯片构成。
3.根据权利要求2所述的用于高频超声诊断设备中的超声波发射系统，其特征在于， 所述高压矩阵开关芯片具体为HV2701。
4.根据权利要求1所述的用于高频超声诊断设备中的超声波发射系统，其特征在于， 所述发射驱动电路由8通道场效应管驱动芯片构成。
5.根据权利要求4所述的用于高频超声诊断设备中的超声波发射系统，其特征在于， 所述场效应管驱动芯片具体为HDL6V5582。
6.根据权利要求1所述的用于高频超声诊断设备中的超声波发射系统，其特征在于， 所述FPGA控制电路包括获取单个EP正脉冲模块、32路发射聚焦控制模块和输出发射重 复正脉冲模块，所述获取单个EP正脉冲模块用于获取单个EP正脉冲；所述32路发射聚焦控制模块用 于输出16路延时数据；所述输出发射重复正脉冲模块用于输出发射重复正脉冲。
7.根据权利要求6所述的用于高频超声诊断设备中的超声波发射系统，其特征在于， 所述获取单个EP正脉冲模块包括第一延时模块、第一多路选择器、第一非门、第二非门和 二输入或门，单个负脉冲和80M时钟同时输入所述第一延时模块，输出至少一路延时负脉冲；上位 机提供EP脉冲宽窄选择信号；所述延时负脉冲和所述EP脉冲宽窄选择信号同时输入所述 第一多路选择器；所述第一多路选择器的输出与所述单个负脉冲经过所述第一非门的输出 同时输入所述二输入或门，所述二输入或门的输出通过所述第二非门获取单个EP正脉冲， 所述单个EP正脉冲分别用于所述32路发射聚焦控制模块和所述输出发射重复正脉冲模 块。
8.根据权利要求7所述的用于高频超声诊断设备中的超声波发射系统，其特征在于， 所述32路发射聚焦控制模块包括第二延时模块和第二多路选择器，所述单个EP正脉冲和80M时钟同时输入所述第二延时模块，输出至少一路精度为 12. 5ns的延时数据；所述延时数据与发射聚焦控制信号同时输入所述第二多路选择器，所 述第二多路选择器输出16路延时数据。
9.根据权利要求7所述的用于高频超声诊断设备中的超声波发射系统，其特征在于， 所述输出发射重复正脉冲模块包括第三延时模块和多路或门，所述单个EP正脉冲、80M时钟、EP脉冲宽窄选择信号和脉冲重复数N同时输入所述第 三延时模块，输出N路单个EP正脉冲延时，所述N路单个EP正脉冲延时通过所述多路或门， 输出发射重复正脉冲，其中，N的取值为正整数。
10.根据权利要求1或6所述的用于高频超声诊断设备中的超声波发射系统，其特征在 于，所述FPGA控制电路具体为芯片EP1C6。
全文摘要
本发明公开了一种用于高频超声诊断设备中的超声波发射系统，属于医学超声诊断技术领域，包括高频阵列式超声换能器、高压矩阵开关电路、发射驱动电路和FPGA控制电路，所述高压矩阵开关电路将所述高频阵列式超声换能器的阵元与所述发射驱动电路中的各发射通道相连接，并依据超声成像时超声波声束的扫查顺序进行循环切换；所述发射驱动电路产生高压脉冲，作用于所述高频阵列式超声换能器，产生超声波；所述FPGA控制电路实现所述高频阵列式超声换能器与所述发射驱动电路中的各发射通道的切换控制，产生所述发射驱动电路的触发脉冲。本发明有效的降低了整个超声波发射系统的电路体积，元器件的使用数量大大减少，硬件成本得到了有效控制。
文档编号A61B8/06GK101972154SQ20101055380
公开日2011年2月16日 申请日期2010年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者周盛, 宋学东, 李穗, 杨军, 王延群, 王晓春, 计建军 申请人:中国医学科学院生物医学工程研究所