專利名稱：全數字化超聲醫學裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種全數字化超聲醫學裝置，屬于醫療器械領域，主要用于探查 人體內組織和成像顯示的醫療設備。
背景技術：
超聲診斷技術由于它具有安全、對軟組織鑒別力強、靈活及價廉方面的優點，已成 為當代圖像診斷中的首選技術，在現代診斷技術中占有極為重要的地位。超聲診斷儀在我國已經有了多年的發展歷史。現有的絕大部分超聲診斷儀(簡稱 B超)是模擬式的，其關鍵部分，即聚焦采用模擬方法實現，只有圖像的顯示才利用數字技 術，因此從根本意義上說，這一類是模擬B超。目前，多數醫院早年配置的超聲系統趨于老 化，面臨更新換代，醫生們更趨向于選用性能更優異、圖像更清晰、操作更簡便的超聲系統。發明內容本實用新型提供了一種全數字化超聲醫學裝置，將探頭采集到的信號，迅速進行 模數轉換，并傳遞給信息處理系統(DSP系統)進行處理和計算，最后再還原出具有高清晰 度和高穩定性的圖像。本實用新型是以如下技術方案實現的一種基于嵌入式PC平臺實現的全數字化 超聲醫學裝置，包括超聲探頭陣元單元、波束形成單元、超聲波束收發通道單元、系統供電 單元、波束處理與控制單元、背板連接器單元、通道轉接單元和顯示控制單元；其相互連接 依照PC工業標準，繼而實現人機界面控制操作，用戶可通過計算機提供的人機接口來控制 系統的工作。采用數字方式的波束形成單元和數字方式的波束處理與控制單元。所述的波束形成單元采用數字信號處理DSP方式以實現數字波束方式，具體信號 連接流程是它包括依次連接的雙脈沖選通/TGC變頻控制/脈沖延遲/聚焦排序電路、128 通道脈沖發送選通電路、128通道陣元驅動與電平轉換邏輯電路和LVDS連接器；其波束形 成部分用以提供控制信號，LVDS連接器與通道轉單元連接，128通道的發射脈沖信號以及 兩路TGC信號經過背板連接器送至發射接收部分，發射接收部分的回波信號經過背板連接 器送至波束形成部分；發射接收部分與探頭轉接部分的探頭及基元選擇電路經通道轉接單 元建立128路的信號連接，通過通道轉接單元，可外接各種不同陣元類型的探頭。所述的波束處理與控制單元的實現方式是數字波束處理方式。它的組成模塊包括 64路A/D變換器、LVDS數據接口、數字延遲和數字變跡、聚焦求和數字TGC、基帶解調動態 濾波電路、求模對數壓縮和對數變換、電路LVDS總線控制接口和嵌入式PC控制部分；技術 實現方案是將探頭發送單元形成的64路通道TGC波束變為數字信號，經過系列數字優化算 法、信號整形、雜波濾除等變換程序，轉換為與計算機輸入輸出信號匹配的通信方式，便于 實現計算機輸入輸出人機接口界面，方便醫生臨床操作及實施控制。所述的波束處理方式，其處理順序不同是基于模擬處理技術和基于數字處理技術 的超聲波束形成與處理的主要區別。已有基于模擬處理技術的超聲波束形成處理順序為延 時一合成一檢測一采樣(DSDS)。而本實用新型的超聲波束形成與處理是采用基于數字技術 的方案，其超聲波束形成與處理順序為采樣一延時一合成一檢測(SDSD)，顯然，采樣與處理順序位置的變化是模擬處理技術與本新型裝置數字處理技術的區別所在，也是本裝置在波 束上所采用的數字處理技術方案。所述的數字波束處理單元的基帶解調濾波電路采用數字直接合成器DDS，摒棄了 以往波束處理部分的分立電路連接系統，使得電路結構單元集成為一體，大大降低了雜波 的干擾，提升了數字信號的精準度，便于后續圖像信號的精確處理和更加清晰度地再現，給 醫生的臨床觀察和診療帶來準確可靠的依據。本實用新型的有益效果是相對于采用模擬電子技術開發的波束形成與處理超聲 診斷設備，本裝置超聲波束數字形成與處理技術、超聲圖像的數字掃描變換(DSC)技術和 基于嵌入式計算機技術組成統一的操作控制平臺，實現了真正意義上的全數字化超聲診斷 設備裝置，由此大大提升了圖像采集的質量、數據處理的速度；在操作上也具有簡單便捷、 形成的數字化圖像清晰以及安全性更高、成本更低廉方面的優點。

附圖是本實用新型的系統組成框圖。圖中1、超聲探頭陣元單元，1-1、陣元探頭A，1-2、陣元探頭B，2、數字波束形成單 元，2-1、雙脈沖選通/TGC變頻控制/脈沖延遲/聚焦排序功能項，2-2、128通道脈沖發送選 通功能項，2-3、128通道陣元驅動與電平轉換邏輯電路功能項，2-4、LVDS連接器電路接口， 3、超聲波束收發通道單元，3- 1、128通道收發隔離/收發選通功能項，3-2、128通道前置放 大電路，3-3、128-64整序對折功能項，3-4、64通道TGC放大功能項，4、數字波束處理與控制 單元，4-1、64路A/D變換，4-2、LVDS數據接口，4_3、數字延遲/數字變跡，4_4、聚集求和/ 數字TGC，4-5、基帶解調/動態濾波，4-6、求模/對數壓縮/對數變換，4-7、LVDS總線控制 接口，4-8、嵌入式PC控制部分，5、系統供電單元，6、背板連接器，7、通道轉接單元，8、顯示 控制單元。
具體實施方式
如附圖所示，基于PC平臺的全數字化超聲醫學裝置，系統按功能模塊組成及連接 關系劃分為八大單元，分別是超聲探頭陣元單元1、數字波束形成單元2、超聲波束收發通 道單元3、數字波束處理與控制單元4、系統供電單元5、背板連接器單元6、通道轉接單元7 和顯示控制單元8。本系統是采用基于嵌入式PC平臺實現的全數字化超聲裝置，其中的超 聲探頭單元為一至四只可選的80/128/256陣元探頭A1-1或80/128/256陣元探頭B1-2 ； 超聲波束收發單元3由128通道收發隔離/收發選通功能項3-1、128通道前置放大電路 3-2、128-64整序對折功能項3-3、64通道TGC放大功能項3_4組成；波束形成單元2包括 雙脈沖選通/TGC變頻控制/脈沖延遲/聚焦排序功能項2-1、128通道脈沖發送選通功能 項2-2、128通道陣元驅動與電平轉換邏輯電路功能項2-3和LVDS連接器電路接口 2_4 ；背 板連接器6設有數字波束形成單元、超聲收發通道單元、通道控制轉換單元和系統供電電 源部分的接口插座，其接口依照PC工業標準，各模塊接口間采用USB2. 0連接方式，各單元 模塊間可通過其接口建立信號轉接；通道轉接單元7可實現在超聲收發通道、超聲探頭、波 束形成單元間建立通道信號間的轉接，各模塊輸出或輸入采用LVDS信號連接方式，與超聲 探頭轉接口連接可實現各陣元探頭間、或探頭與探頭間的信號識別和轉接。系統供電單元5經過分壓、整流、濾波和穩壓控制等處理過程，向系統各組成部分提供合適的工作電壓和能 量，便于系統正常工作。顯示控制單元8為系統顯示終端，提供數字圖像顯示及用于數據控 制輸入。數字波束處理與控制單元4由64路A/D變換4-1、LVDS數據接口 4_2、數字延遲 /數字變跡4-3、聚集求和/數字TGC4-4、基帶解調/動態濾波4-5、求模/對數壓縮/對數 變換4-6、LVDS總線控制接口 4-7和嵌入式PC控制部分4_8組成。附圖中關于波束形成單元2部分，其脈沖產生是采用雙脈沖激勵，在發射脈沖后 進行；選通采用雙四選一型電子開關(74HC4052)，控制128通道陣元選通3_1需要32片雙 四選一型多路電子選擇開關。雙脈沖產生電路提供基本發射脈沖，脈沖寬度由發射變頻數 據控制，然后分兩路進行延時聚焦；脈沖排序對序亂脈沖整序排列，使被選通的探頭陣元始 終處于中心對稱狀態。其產生與控制電路由兩片FPGA芯片實現。整序由四片8X16矩陣開 關芯片MT8816實現；32路回聲信號分別連接到矩陣開關芯片的八個Y輸入端(Y0 Y7)， 四片矩陣開關芯片的十六個X輸入端(X0 X15)按對應序號連接在一起(X0接X0、X1接 XI、…、X15接X15)，其開關由接收整序數據控制打開/關閉。因此，三十二路輸入回聲信 號的任何一路都可以在接收整序數據控制下連接到需要的輸出端上，在矩陣開關的輸出端 得到整序后的回聲輸出信號。附圖中關于數字波束處理和控制接口單元4，所包括的各功能項組成如上述所介 紹，并在附圖中標示出。其中來自收發通道3預處理后的波束信號，在本單元3施行64路 A/D變換4-1后送入LVDS接口 4-2，此接口 4_2為低電壓差分信號接口電路，可實現高速數 據傳輸，并具有低功耗和無失真數據傳輸的特性；此單元4中的數字延遲4-3功能項，采用 粗延遲和細延遲兩種措施，可在后續處理步驟中實現波束信號的同步傳送；數字直接合成 器(DDS)為基帶解調4-5所采用的技術；濾波器4-5為FIR線性相位濾波器。此外，本單元 4中的數字延遲/數字變跡4-3、聚集求和/數字TGC4-4、求模/對數壓縮/對數變換4_6 等功能均采用相應的數學算法公式，由軟件編程實現，目的是對數字波束信號作進一步處 理，以達到降低噪聲、去除干擾、補償波束損耗、抑制溫漂等優化與處理波束的效果。至此， 經過完全數字化處理后的波束信號送入具有LVDS接口的總線控制端口 4-7，經由PCI總線 插槽實現了將完全數字化的波束信號與嵌入式PC控制處理單元對接，并最終由顯示終端 再現出患者肌體組織的清晰圖像，供醫務人員方便、準確地臨床診斷患者的病情；此外，本 超聲裝置具有對患者使用無痛苦，安全性能更高、使用成本更低廉方面的優點。
權利要求一種全數字化超聲醫學裝置，包括超聲探頭陣元單元(1)、波束形成單元(2)、超聲波束收發通道單元(3)、系統供電單元(5)、波束處理與控制單元(4)、背板連接器單元(6)、通道轉接單元(7)和顯示控制單元(8)；其相互連接依照PC工業標準，其特征是采用數字方式的波束形成單元(2)和數字方式的波束處理與控制單元(4)。
2.根據權利要求1所述的全數字化超聲醫學裝置，其特征是數字波束形成單元(2)包 括依次連接的雙脈沖選通/TGC變頻控制/脈沖延遲/聚焦排序電路(2-1)、128通道脈沖 發送選通電路(2-2)、128通道陣元驅動與電平轉換邏輯電路(2-3)和LVDS連接器(2_4)； 波束形成部分提供控制信號，LVDS連接器(2-4)與通道轉接單元(7)連接，128通道的發射 脈沖信號(2-2)以及兩路TGC信號經過背板連接器送至發射接收單元(3)，發射接收單元(3)的回波信號經過背板連接器送至波束形成單元(2)；發射接收單元(3)與探頭轉接單元 (1)的探頭及基元選擇電路經通道轉接單元單元(7)建立128路的信號連接。
3.根據權利要求1所述的全數字化超聲醫學裝置，其特征是數字波束處理與控制單元(4)包括依次連接的64路A/D變換器(4-l)、LVDS數據接口(4_2)、基帶解調動態濾波電路 (4-5)、電路LVDS總線控制接口(4-7)和嵌入式PC控制部分(4_8)。
4.根據權利要求2所述的基于嵌入式PC平臺的全數字化超聲醫學裝置，其特征是數字 超聲波束形成單元(2)的發射脈沖產生電路(2-2)為雙脈沖選通電路。
5.根據權利要求1所述的全數字化超聲醫學裝置，其特征是探頭陣元單元(1)具有兼 容80/128/256陣元探頭。
6.根據權利要求1所述的全數字化超聲醫學裝置，其特征是數字波束處理與控制單元 (4)的基帶解調濾波電路(4-5)采用數字直接合成器DDS。
7.根據權利要求1所述的全數字化超聲醫學裝置，其特征是嵌入式PC控制單元(4-8) 接口采用LVDS信號連接方式。
專利摘要本實用新型公開了一種全數字化超聲醫學裝置，屬于醫療器械領域。它包括超聲探頭陣元單元(1)、波束形成單元(2)、超聲波束收發通道單元(3)、系統供電單元(5)、波束處理與控制單元(4)、背板連接器單元(6)、通道轉接單元(7)和顯示控制單元(8)；其相互連接依照PC工業標準，其特征是采用數字方式的波束形成單元(2)和數字方式的波束處理與控制單元(4)。本實用新型的有益效果是超聲采集與再現的肌體組織圖像更清晰、圖像采集速度快，并具有操作簡便、安全性能更高、成本較低廉方面的優點。
文檔編號A61B8/00GK201683911SQ200820238340
公開日2010年12月29日 申請日期2008年12月29日 優先權日2008年12月29日
發明者劉尊亮, 呂磊, 岳忠良, 張志忠, 高衛東 申請人:徐州雷奧醫療設備有限公司