胎儿脐血流检测电路的研究

许俊烽，陆尧胜

0 引言

胎儿在宫内生长发育中的疾病30%～50%与胎儿宫内窘迫有关[1]。脐动脉血流收缩期与舒张期血流速度的比值可迅速地反映胎儿胎盘循环阻力的状况。及时发现宫内胎儿是否缺氧，是临床上预测胎儿宫内状况及围产儿预后的重要指标[2-3]。胎儿脐血流监护仪用超声多普勒技术检查胎儿脐动脉的血流速度波形[4-6]，能有效监护宫内胎儿的安危，广泛用于产前胎儿的监护[7]。

采用超声多普勒技术测定脐动脉的血流速度时，用多普勒探头向胎儿脐动脉发射频率为ω0的超声信号，接收到的超声回波信号U可简化为2种信号的叠加，表达式为：

脐血流监护仪的系统结构包括超声换能器、脐血流检测电路以及数字信号处理部分，如图1所示[8]。脐血流检测电路由图1所示的超声发射电路、高频放大电路和解调电路组成。

图1 脐血流监护仪系统结构框图

脐血流监护仪测量的脐带血流信号在μV量级，属微弱生物信号检测，实际临床应用中要求其具备高灵敏度、高信噪比和高抗干扰能力。目前，临床诊断上提取脐动脉的双向血流信息普遍使用的是正交相位法，获取准确的双向血流信息要求解调得到的音频多普勒信号前的信号没有幅度和相位的失真。

目前，市场上的脐血流监护仪普遍灵敏度不高且容易引起正、反向血流的混淆，从而影响脐血流声谱图的正确显示，导致对胎儿宫内状况的错误判断。因此，本文研究影响脐血流监护仪灵敏度与方向性的关键检测电路，通过比较不同检测的方案，研制出新的检测电路，提高脐血流监护仪的灵敏度和提取双向性血流的性能。

1 超声多普勒发射电路研究

超声发射电路的功能是产生满足换能器和系统要求的电激励信号，合理的电路设计能在降低发射功率的同时提高测量精度。超声发射电路的原理如图2所示，振荡电路产生5 MHz的脉冲信号，其功率驱动电路放大脉冲信号，匹配电路使激励信号谐振于换能器的谐振点。

图2 超声发射电路框图

根据胎儿脐动脉血流信号的特点和超声发射电路的原理，研究2种发射电路方案并对其性能进行测试对比。

1.1 超声发射电路的不同实现方案

晶振的类型可以分为无源晶振和有源晶振，据此，超声发射电路可以分为无源晶振发射电路和有源晶振发射电路[9]。如图3所示的超声发射电路使用无源晶振 X2，X2和 U1A、U1B、C51构成振荡器，R46和R47为反馈电阻。通常胎儿脐血流检测使用的超声中心频率为5 MHz[10]。20 MHz的振荡信号经过分频器得到5 MHz的信号，通过驱动放大加载至变压器T2，通过变压器进行阻抗匹配，提高换能器的输出效率，同时有效隔离发射电路的噪声对换能器的影响。

图3 无源晶振超声发射电路

无源晶振也称晶体，需配合振荡电路才能产生振荡信号。有源晶振也称振荡器，可直接产生振荡信号。有源晶振发射电路能比无源晶振发射电路产生更加稳定和准确的振荡信号。图4是本文设计的有源晶振的超声发射电路。电路使用分频器对有源晶振产生的20 MHz信号进行分频，得到所需的5 MHz信号，变压器T1次级线圈和L1、C8组成匹配电路，使发射信号频率谐振于超声换能器的谐振点，换能器的工作效率达到最高。

图4 有源晶振超声发射电路

1.2 发射电路性能比较

将同一个换能器分别接到上述2个电路，使用示波器（TDS2022C）测得2个电路的发射信号波形截图如图5所示。图5（a）为无源晶振发射电路换能器端的波形图，图5（b）为有源晶振发射电路换能器端的波形图。从图中的对比可以看出，在使用相同换能器的情况下，有源晶振方案产生的信号频率更精确，高次谐波的成分更少，波形更干净。通过对比研究，本文采用有源晶振超声发射电路的方案。

图5 发射电路波形比较图

2 超声多普勒接收解调电路研究

同步解调时，式（1）与频率为ω0的参考信号UC=c cos ω0t相乘经低通滤波器得到C通道的输出为：

式（1）与另一路频率为ω0的参考信号US=csin ω0t相乘经低通滤波器得到S通道的输出：

把信号VC和VS合成复值信号V=VC+jVS，就得到回波信号U的复数包络函数，双向的血流信息就包含在这个函数中。

2.1 多普勒接收解调电路的不同方案

理论上，超声多普勒血流频移信号的最佳解调方法是同步解调。下面将讨论同步解调中差分放大同步解调和谐振放大同步解调的电路原理并对其性能进行测试对比。

差分放大同步解调电路结构简单、抗干扰性强，图6是超声多普勒差分放大同步解调电路。换能器接收晶片将超声回波信号转换为电信号，经过L2和C9组成的谐振网络选频放大，再经过小信号低噪声放大器2SK241将信号进行放大，经过隔离变压器T1，在T1的次级线圈产生2个等值反相的信号。经差分放大集成电路LM733放大后输入模拟开关CD4053。模拟开关用来实现解调，本地产生的参考信号S1和C1分别控制开关信号，对反射信号进行相乘解调，得到2路携带有血流信息的信号。

图6 差分放大解调电路

谐振放大电路经常用于对高频微弱信号的检测，图7是本文设计的多级谐振放大解调电路。超声换能器的接收晶片接收回波信号，通过C49、L3组成的串联谐振电路对信号进行选频放大。Q6是低噪声放大器 2SK241，C42、L2、W1 组成谐振放大电路，对信号进行初级放大，同时也实现二次选频。Q5、Q7组成共射共基放大电路，信号二级放大的同时可以防止电路产生自激。经过C55、L4组成的并联谐振电路信号进行第三次选频放大，最后输入模拟开关CD4053进行解调。

2.2 接收电路的性能比较

图7 谐振放大解调电路

表1是差分放大解调电路的实验测试结果。将函数信号发生器产生的信号输入到接收换能器，通过改变输入信号的幅度和频偏，观察得到的解调实验结果。从表1可以看出，差分放大解调方案可以有效地解调出信号的频偏，但当信号的幅度变大时，S通道和C通道解调出的频移信号幅度的一致性较差。

表1 差分放大解调电路的实验结果

表2是谐振放大解调电路的实验测试结果。同理，将函数信号发生器产生的信号输入到接收换能器，通过改变输入信号的幅度和频偏，观察得到的解调实验结果。从表2可以看出，谐振放大解调方案也可以有效地解调出信号的频移，且对于幅度比较大的输入信号，也能保证S通道和C通道解调出频移信号，幅度的一致性。

通过表1和表2的对比可以看出，谐振放大解调方案的灵敏度更高，可以更好地解调出微小信号；对于输入固定频偏的信号，谐振放大解调方案较差分放大解调方案输出端解调出的频率误差更小。谐振放大解调方案方便对电路参数进行调整，解调效率较高，解调后的频移信号失真小，且S通道和C通道解调出的信号一致性较好；而差分放大解调方案的解调效率较低，且解调后的频移信号有失真，S通道和C通道解调出的信号一致性较差。因此，谐振放大解调方案更适合于超声多普勒脐血流信号的解调。通过对比研究，本文采用谐振放大解调电路作为接收解调的方案。

表2 谐振放大解调电路的实验结果

3 胎儿脐血流检测电路的性能评价

通过对超声发射和接收解调电路的研究，采用有源晶振超声发射电路方案和谐振放大解调接收电路方案组成胎儿脐血流检测电路系统，采用模拟血流测量系统进行方向性的检测，效果如图8所示。从图8可以看出，胎儿脐血流检测电路能正确地显示血流方向的声谱图，不存在反向的血流假象。

图8 脐血流检测图

4 结论

胎儿脐动脉双向血流的准确检测有利于对宫内胎儿安危的诊断。常用的多普勒胎儿脐血流监护仪因相位和幅度不平衡而易导致正、反方向血流混淆，使声谱图不能准确反映脐动脉中血流的情况。本文基于多普勒血流检测的信号模型，研究影响脐血流监护仪方向性和灵敏度的检测电路，设计出新型的胎儿脐血流检测电路并运用到胎儿脐血流监护仪中。实验结果表明，本文设计的脐血流检测电路保持了较高的综合灵敏度，提高了超声多普勒技术提取脐动脉血流方向的性能。

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