一种低成本的超声连续波多普勒电路方案

周桂荣 李德来 汕头市超声仪器研究所有限公司 （汕头 515041）

最早报道超声多普勒效应在医学上的应用是用CWD（连续波多普勒）来测量血液。连续波多普勒采用两组（或两个）晶片，其中一组连续地发射超声波，另一组连续地接收回波。它的探测深度不受限制，没有折返现象，可以测量高速血流，具有很高的速度分辨力，主要应用于血流的定量分析，可以用来计算血管狭窄口的面积、判断狭窄口的严重程度，估计肺动脉压力，估计分流两侧腔室之间的压力阶差。[1]

1.CWD 基本原理

下面的框图表示了一种基本的连续波多普勒设备。在CWD 模式下，换能器的一半用来发射，另一半用来接收，沿声束出现的血流和组织运动多谱勒频移信息全部被接收，不能从回波中提取距离的信息，但是由于发射声束与接收声束聚焦区域的多普勒信息在回波信号中更加突出，可以借助二维声像图判定诊断部位。

图1. 连续波超声多普勒成像系统原理框图

图2. 连续波多普勒原理框图

接收频率与发射频率之差即为多普勒频移，可以按照下面的步骤获取多普勒频移信息：首先把原始信号解调到基带，接着通过低通滤波滤掉高频成份，再用高通滤波器（又名壁滤波器）滤掉固定或慢速目标信号，这些信号由组织和低速运动的血管壁产生，最后由谱分析器计算出多普勒频谱，信号处理的频谱如图2 所示。[2]

由于血流回波信号是变化的，所以提取血流信息实际上就是进行时间－频率分析。现代的超声成像系统通常采用短时傅里叶变换，用一个移动窗口对信号进行傅里叶变换，即是对相临的32-256 个样本数据进行快速傅里叶变换，得到的频谱就代表该状态下血流速度的分布情况。

2.电路原理

2.1 模拟波束合成方案

连续波多普勒系统获取诊断信息的电路原理与其他类型系统类似，前端也由换能器、发射激励电路和接收放大电路组成；CWD 模式的扫查机制简单，不需要侧向扫描等复杂控制；CWD的信号处理过程就不太一样。

虽然CWD 模式没有距离选通，但是可以通过波束聚焦来增强感兴趣区域的血流信息。由于沿声束出现的血流和组织运动多谱勒频移信号全部被接收，所以回波信号既包含近场强信号，又包含远场弱信号，动态范围很大，加上对相位噪声的要求很严格，所以CWD 的波束合成一般使用独立的模拟电路来处理，在所有波束合成方法中，无源混频方式效果最好，能够满足大动态范围和低相位噪声的要求。各通道的接收信号经过解调、相位调整和波束合成，合成的波束信号通过高通滤波器滤掉血管壁强信号，降低有用信号的动态范围。经过解调和滤波后的多普勒频移信号接近普通音频信号，使用16 位以上的音频ADC 就可以满足需要，转换成数字信号后送给谱分析器计算出CWD 频谱。图3 是普通CWD原理框图，其中CWD 专用模拟电路性能要求高，成本也高，还有占用空间、电源供应和电磁兼容等其他问题也不容易解决，这些问题制约了CWD 功能的普及，为此，本文提出一种低成本的CWD 电路方案。

图3. 普通CWD 原理框图

图4. 数字波束合成方法的CWD 电路原理图

2.2 数字波束合成方案

CWD 不能分辩距离，没有TGC，回波信号的动态范围在110dB 以上，经过壁滤波后动态范围降低十几dB，通常使用大动态范围的16 位ADC。早期全数字彩超的数字波束合成器使用的ADC 一般只有10bit，输入动态范围小于57dB，远小于CWD 信号的要求。随着近年来器件技术和工艺的发展，性能越来越高，常用的有ADI 公司的AD9674 和TI 公司的AFE5808 等超声前端器件，采用14 位ADC，输入动态范围接近77dB，勉强满足CWD 电路的要求。如果回波信号经过ADC 转换成数字信号后送给FPGA 进行数字波束合成，就可以不用CWD 模拟电路。主要存在的问题是信号输入ADC 之前没有经过高通滤波，血管壁信号较强，AD 转换后血流分量的动态范围较小，降低了频移信号的信噪比。[3]

如果使用AD9674，它的采样率高达125MHz，相对于一般CWD 电路的ADC 只有100KHz，通过过采样也可以提高AD 量化精度。这样ADC 的分辩率相当于增加了log4(125MHz/100KHz)=5bit，提高了ADC 的输入动态范围，基本达到CWD 信号的要求。

3.方案设计和实验

3.1 方案设计

新电路方案仅限于对接收电路的修改，发射电路保持不变。接收电路省去专用的CWD 解调、滤波和转换电路，改为使用FPGA 来实现相应功能，在FPGA 上增加CWD 功能的原理图如图5所示。

CWD 回波信号经过AFE（模拟前端）放大和模数转换，送给FPGA（波束合成器），不同于B 型波束合成的是，CWD 信号对距离没有分辩能力，所以不需要粗延时，只需要相位延时就可以进行波束合成，首先对回波信号进行正交解调，然后乘以相移因子，就得到移相后的回波正交信号。

接收回波信号可表示为：

把x(t)分别乘以2cosω0t 和-2sinω0t，并且经过低通滤波滤除高频成分，得到I 通道的输出为[4]

图5. FPGA 处理功能原理框图

图6. 采用传统电路的CWD 效果

图7. 简化电路后的CWD 效果

同理得到Q 通道的输出为

将VA(t)和VB(t)合成复合信号V(t) = VA(t) +jVB(t)，就可以得到x(t)的复数包络函数，它的功率谱如图2 所示。

各通道信号还需要根据当前焦点位置进行相位延迟才能合成波束，实现时只需把本振信号进行相应相移就可以，如图5 中本振信号的相移角度θn。

3.2 实验结果

为了方便实验和对比效果，在公司自主开发的中高端彩超产品Apogee5500 上试验，根据3.1的设计方案进行FPGA 逻辑设计，在原来数字波束合成器的基础上增加CWD 波束合成器，使系统既支持CWD 模拟波束合成器，也支持CWD数字波束合成器，按下面设置同样的实验参数，可以方便地对比频谱图像效果[5]。

（1）中心频率为2.8MHz 的相控阵探头P3FC（2）声功率80%

（3）增益44DB

（4）图谱7

（5）速度4

（6）平滑0

（7）伪彩4

（8）发射频率2.0MHz

（9）速度标尺3

（10）壁滤波器488Hz

（11）校正角˚。

两种CWD 波束合成方式得到的图像如图6和图7 所示，图6 是采用传统电路，图7 是使用数字波束合成器的CWD 效果。

采用模拟波束合成器的CWD 频谱相对柔和饱满一些，高速血流弱信号能显示出来的，频谱轮廓清晰，相对完整，信噪比高。

数字波束合成器基本能够得到CWD 频谱，不过底噪比较大，且有用弱信号被掩盖了，高速血流弱信号丢失，轮廓不够完整。

4.结束语

自从连续波多普勒在医学上应用以来，性能已经相当成熟，但是由于高动态范围和低相位噪声的严格要求，需要使用模拟的混频器和模拟滤波电路，长期以来少有变化，随着近年来器件技术的发展，使用数字波束合成器有了可能，这样可以省去专用模拟电路的成本，缩小系统体积。通过试验，我们看到了这种可能性存在，虽然从效果来看，背景噪声还较大，灵敏度较低，还是能够满足较低要求的使用，可以在低端彩超甚至B 超上扩展该功能。随着器件技术的发展，数字波束合成的CWD 性能将进一步提高。

[1] 巫立新, 刘战. 超声多普勒原理及临床应用和进展[J]. 海军医学, 1988, (3).

[2] 伍于添.医学超声设备原理•设计•应用[M].北京：科学技术文献出版社.2012.

[3] John.超声成像系统连续波多普勒设计的挑战[J].电子产品世界,2009(2):52-53。

[4] 高上凯. 超声脉冲多普勒血流测量的一般原理和方法[J]. 中国医疗器械杂志, 1980, (5).

[5] 万明习等.生物医学超声实验.[M].西安：西安交通大学出版社.2010.