一种高信噪比的胎心监护系统的制作方法

本发明涉及超声检测技术领域，具体为一种高信噪比的胎心监护系统。

背景技术：

目前超声波检测技术，被广泛地应用于母婴健康监护领域，胎儿胎心检测是其中的一项主要的内容，该监测利用超声波的多普勒效应，通过向母亲腹部胎儿心脏位置发射超声波，然后接收胎儿心脏组织反射的回波，将回波信号进行解调处理后，能够把胎心组织运动的频率偏移解析出来，从而得到胎心的运动变化，进而计算胎儿的胎心率。

现有胎心监护设备只能够解析出胎心是否产生运动，进而通过计算两次运动之间时间间隔得到瞬时心率，但是，随着目前超声信号处理技术的发展，单纯地通过获得胎心心率，已经难以满足临床对于胎儿健康指征评价的诸多佐证，如何从胎心回波中获得更多的信息，是目前胎心设备发展的一个趋势。当前，对于胎心信号的正交解调，获得胎心组织的频谱和运动信息，是一个全新的发展领域，但是，获得高质量的超声回波，就成为一个必要的课题，传统设备发射超声信号，一般采用方波进行发射，只有0到1两个电平激励，即激励采用0和1电平进行激励，常态也采用0电平(如图1所示)，这样不可避免的造成超声激励信号的畸变，进而引入不相关的频谱，将频谱发散，能量无法集中在载波频段内，需要带宽较宽的超声波换能器才能得到较好的超声发射波，提高了成本，也影响后续对超声回波的解析。并且，传统设备的回波接收质量也不高，由于没有设计对应的匹配电路，容易造成超声回波的过阻尼现象，造成近场回波效果差，分辨不清。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种高信噪比的胎心监护系统。本发明通过采用与常规胎心监护系统不同的超声激励和回波接收电路，获得更好的发射激励波形，在使用与传统设备同样激励电压的情况下，通过产生-1、0、1三个电平，使-1和1两个电平进行激励，常态采用0电平(如图1所示)，这样的设计将能够得到很好的发射波频谱，将能量集中在超声载波频段内，即使使用带宽较窄的超声波换能器，依然可以充分利用其带宽发射高质量的超声波束，超声发射波的能量将集中在载波频段内，该设计能够让超声波的发射能量提高3倍，获得更好的信噪比。同时，针对该发射信号，回波接收电路采用了基于b型超声设备优化的回波接收电路，可以更快地消除超声回波中的过阻尼现象，使系统能够获得更优的回波信号，进行频谱的分析。最后，采用单电源供电的放大滤波电路，能够降低系统成本，实现高质量信号增益放大。

本发明的具体技术方案如下：

一种高信噪比的胎心监护系统，其特征在于，所述系统包括：超声激励电路、回波接收阻抗匹配电路以及放大与滤波电路，所述超声激励电路用于获得正负交替的超声激励信号，所述通过匹配的超声发射电路激励换能器发射超声波，超声回波经过回波接收阻抗匹配电路后，经过放大与滤波电路，得到标准的超声回波放大信号。

所述超声激励电路采用中周变压器和mos管驱动芯片的组合，所述mos管驱动芯片在使用与传统设备同样激励电压的情况下，将0到5v的电压交替变换，并使用中周变压器进行电平转换，获得三电平超声激励信号，产生-1、0、1三个电平，使-1和1两个电平进行激励，常态采用0电平(如图1所示)，这样的设计将能够得到很好的发射波频谱，将能量集中在超声载波频段内，即使使用带宽较窄的超声波换能器，依然可以充分利用其带宽发射高质量的超声波束，该设计能够让超声波的发射能量提高3倍，获得更好的信噪比。

同时，针对该发射信号，所述回波接收阻抗匹配电路采用了基于b型超声设备优化的回波接收电路，可以更快地消除超声回波中的过阻尼现象，使系统能够获得更优的回波信号，进行频谱的分析。

所述回波接收阻抗匹配电路中设置有二极管对管，所述中周变压器产生的发射脉冲经过所述二极管对管后，连接至超声换能器。这个电路能够有效防止超声回波信号被发射电路强制拉低为0。所述二极管对管采用bav23s芯片。

所述回波接收阻抗匹配电路中设置有发射阻抗匹配电阻，用于消除信号中的毛刺。

所述回波接收阻抗匹配电路中设置有进行隔离直流的电容以及超声接收电路匹配电感，所述超声接收电路匹配电感使回波接收电路形成一个临界阻尼设计，消除回波信号中的过阻尼拖尾，提高近场信号的质量。所述超声接收电路匹配电感选用高频线绕电感，有一定的阻值，阻值量在1ω左右。

所述回波接收阻抗匹配电路中还设置有用于钳位的二极管对管，一般也采用bav23s芯片，该设计可以使前端过来的信号被钳位至±300mv内部，保护后续的放大器，不会承受超出范围的输入电压损坏。随后，信号进入后续的放大与滤波电路中。

所述放大与滤波电路采用单电源供电，避免了常规放大器采用正负双电源供电所带来的成本增加的弊端，第一级部分是放大部分，将正负交替的超声回波信号加直流，并且进行增益放大；第二级是高通滤波器，通过调节电阻电容值，将截止频率设置为400khz，导通频率设置为800khz，用于滤除电源纹波噪声，并且，该级也有放大功能；第三级是低通滤波部分，导通频率设计为1.2mhz，截止频率设计为2mhz；第四级是单纯进行增益放大，经过滤波后，送入后续的采样和数字信号处理电路。

通过采用本发明所示电路设计，超声发射波的能量将集中在载波频段内，能够让超声波的发射能量提高3倍，获得更好的信噪比。同时，回波接收电路可以更快地消除超声回波中的过阻尼信号，使系统能够获得更优的回波信号，进行频谱的分析，最后，采用单电源供电的放大滤波电路，能够降低系统成本，实现高质量信号增益放大。

与现有技术对比，本发明存在以下有益效果：

1、本发明提出了用于胎心监护系统的超声探头发射电路，该电路通过采用中周变压器和mos管驱动芯片的组合，将0到5v的电压通过交替变换，并使用中周变压器进行电平转换，获得三电平超声激励信号，通过匹配的超声发射电路激励换能器发射超声波，将能量集中在超声载波频段内，即使使用带宽较窄的超声波换能器，依然可以充分利用其带宽发射高质量的超声波束，该设计能够让超声波的发射能量提高3倍，获得更好的信噪比。

2、回波接收电路可以更快地消除超声回波中的过阻尼信号，使系统能够获得更优的回波信号，进行频谱的分析，最后，采用单电源供电的放大滤波电路，能够降低系统成本，实现高质量信号增益放大。

3、本发明提出了一种针对胎心监护系统的超声探头回波接收电路，该电路是一种经过优化的b超回波接收电路，剔除了冗余的设计，调整了电路结构，使之专门适配于胎心监护环境，能够有效地消除目前传统设备中胎心超声回波接收电路中所产生的过阻尼现象，提高近场回波质量。

附图说明

图1为传统设备与本发明的超声激励信号对比示意图；

图2为本发明电路原理示意图；

图3为超声激励电路电路图；

图4为回波接收阻抗匹配电路图；

图5为放大与滤波电路图；

附图说明：u5-mos管驱动芯片，t1-中周变压器，d4-二极管对管，d1-二极管对管，u10a-放大部分，u10b-高通滤波器，u10c-低通滤波部分，u10d-增益放大部分。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明，实施例的具体参数设置等可因地制宜做出选择而对结果并无实质性影响。

如图2所示，本发明为一种高信噪比的胎心监护系统，所述系统包括：超声激励电路、回波接收阻抗匹配电路以及放大与滤波电路，所述超声激励电路用于获得正负交替的超声激励信号，所述通过匹配的超声发射电路激励换能器发射超声波，超声回波经过回波接收阻抗匹配电路后，经过放大与滤波电路，得到标准的超声回波放大信号。

如图3所示，所述超声激励电路采用中周变压器和mos管驱动芯片的组合，所述mos管驱动芯片在使用与传统设备同样激励电压的情况下，将0到5v的电压交替变换，并使用中周变压器进行电平转换，获得三电平超声激励信号，产生-1、0、1三个电平，使-1和1两个电平进行激励，常态采用0电平(如图1所示)，这样的设计将能够得到很好的发射波频谱，将能量集中在超声载波频段内，即使使用带宽较窄的超声波换能器，依然可以充分利用其带宽发射高质量的超声波束，该设计能够让超声波的发射能量提高3倍，获得更好的信噪比。

其中，u5为mos管驱动芯片，激励信号为driver_n和driver_p，当两个信号同为高电平时，芯片的out_a输出低电平，电压幅值为0，而out_b管脚输出高电平，电压幅值为vcc_drive，当两个信号同为低电平时，芯片的out_b输出低电平，电压幅值为0，而out_a管脚输出高电平，电压幅值为vcc_drive，out_a和out_b管脚各通过串联一个电容，连接至中周变压器t1，经过转换后，在中周变压器t1的1管脚上，就能够产生正负交替的驱动波形，激励探头上的超声换能器。c12和c20是为了匹配中周变压器的感性阻抗而设计，其电容值为超声换能器等效电容值的一半。t1的电感量设计，需要考虑跟超声换能器进行阻抗匹配，其计算公式如下：

上式中，l为t1的单边绕线电感量，即4脚和5脚之间的电感量，以及1脚和3脚之间的电感量，c为超声换能器等效电容值，ω为超声脉冲的载波频率，t1一般采用铁氧体和线径1mm的漆包线进行绕制。经过t1的转换之后，1脚输出的激励波形能够很好地匹配超声换能器，将大部分能量集中在ω频率，从而得到良好的超声发射波。

所述回波接收阻抗匹配电路如图4所示，t1的发射脉冲必须经过一个二极管对管d4后，才能连接至超声换能器，这个电路能够有效防止超声回波信号被发射电路强制拉低为0，有了该设计，±300mv内的超声回波信号可以顺利输送至后续的回波，将接收信号阻挡在发射电路外，d4一般采用bav23s芯片。r9作为一个发射的阻抗匹配电阻，用于消除信号中的毛刺，激励信号为rf_out，输送给超声换能器，换能器发射超声脉冲后，开始进行接收，同样从rf_out端回来，经过c7进行隔离直流，再通过l2，l2是一个超声接收电路匹配电感，使回波接收电路形成一个临界阻尼设计，消除回波信号中的过阻尼拖尾，提高近场信号的质量。l2选用高频线绕电感，有一定的阻值，阻值量在1ω左右。

d1是一个用于钳位的二极管对管，一般也采用bav23s芯片，该设计可以使前端过来的信号被钳位至±300mv内部，保护后续的放大器，不会承受超出范围的输入电压损坏。随后，信号进入后续的放大与滤波电路中。

所述放大与滤波电路如图5所示，所述放大与滤波电路采用单电源vcc_anolog供电，避免了常规放大器采用正负双电源供电所带来的成本增加的弊端，第一级u10a部分是放大部分，将正负交替的超声回波信号加直流，并且进行增益放大，放大倍数通过r15和r17进行调节；第二级u10b是高通滤波器，通过调节r24、c27、c28和r25，将截止频率设置为400khz，导通频率设置为800khz，用于滤除电源纹波噪声，并且，该级也有放大功能，通过调节r16和r10的比值实现；第三级u10c是低通滤波部分，导通频率设计为1.2mhz，截止频率设计为2mhz，通过调节r18、r19、c34、c32四个器件实现，放大增益通过调节r13和r11的比值实现；第四级u10d是单纯进行增益放大，同理，通过r14和r12的比值实现，经过c30滤波后，送入后续的采样和数字信号处理电路。

其中，vcom是偏置电压，其电压为vcc_anolog的一半，通过vcc_anolog的分压实现，并且，vcom必须与后续的ad采样电路的偏置电压一致。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。