胎儿监护仪的电路研究

杨卫东，肖林玲，赵祥欣.浙江医药高等专科学校 医疗器械学院，浙江 宁波 3500；.宁波职业技术学院，浙江 宁波 35800

胎儿监护仪的电路研究

杨卫东1，肖林玲2，赵祥欣1
1.浙江医药高等专科学校 医疗器械学院，浙江 宁波 315100；2.宁波职业技术学院，浙江 宁波 315800

胎儿监护仪是一种已经广泛应用于临床的医疗器械，超声波对胎儿的损伤虽然尚未有医疗界定，但临床上仍需通过提高胎儿监护仪超声波信号的发射效率以及回波信号的接收灵敏度来降低超声波信号强度，以避免未知损伤的发生。本文基于分立元件设计了可用于胎儿监护仪的超声发射、接收和解调电路，能够降低集成电路形式的电源损耗，可通过阻抗匹配和多级谐振放大提高回波信号的接收灵敏度，且电路结构简单，解调效率高。测试验证结果表明整体电路的性能较好。

胎儿监护仪；超声换能器；发射电路；接收电路；解调电路

0 前言

胎儿监护仪是一种利用超声波对胎心率提供连续监护、显示和记录的医疗仪器，可及早发现胎儿对低氧的耐受力及宫内窘迫等，从而减少缺氧所致的胎儿损伤，提高胎儿生产质量，降低围产儿死亡率[1]。大量临床研究证明，胎心监护能有效发现妊娠过程中的胎儿异常[2]。目前，胎儿监护仪已经在各级医院中广泛应用于产前检查和产程监护。

超声波对胎儿的损伤虽然尚未有医疗界定，但临床上仍需通过提高胎儿监护仪超声波信号的发射效率以及回波信号的接收灵敏度来降低超声波信号强度，以避免未知损伤的发生。影响胎儿监护仪整体灵敏度的因素主要有超声换能器以及超声发射、接收和解调电路[3]。目前市场上的国产胎儿监护仪普遍存在灵敏度不足的缺点，基于此，本研究设计了超声发射、接收和解调电路，用以提升胎儿监护仪的整体灵敏度。

1 系统电路整体结构

系统电路主要由超声换能器、超声发射电路、接收匹配电路、接收前置放大电路、主放大电路以及解调电路等构成（图1）。临床常用的超声频率为1、2、2.5、3 MHz，超声频率越高，超声衰减越严重，其探测深度亦越浅，但是对轻微运动的灵敏度却越高。

图1 系统电路整体结构框图

超声波的多普勒效应原理是：当声波遇到运动物体时，反射声波将发生频移，频移量与运动物体的运动速度相关。医用超声回波信号的表达公式[4-5]如下：

2 超声发射电路

2.1 电路设计

超声发射电路图，见图2。发射功率的强弱直接影响接收信号的强弱，为了获得最佳的发射效率，本研究采用变压器耦合，两级推挽放大的电路结构，触发信号由单片机提供，为一对反相推挽振荡信号。电路元件采用对管形式，以获得一致的电性能参数。

图2 超声发射电路图

作为超声波发射元件，换能器总体表现为容性负载，该负载通过变压器线圈形成并联谐振电路；同时，该电容中累积的电荷在振荡的正负半周转换过程中需要快速充电与泄放。为了减少换能器的振荡转换时间，消除死区时间的效率浪费，本研究采用功率MOSFET元件（T9、T10）作为第一级的推挽功率输出。MOSFET元件的导通电阻只有0.5～3 Ω，瞬态电流可以达到10 A，因此电路振荡迅速。但是，MOSFET元件自身有一个较大的栅极分布电容，该电容的充放电时间会影响其导通和截止速度，进而削弱电路效率和发射能量。因此，本研究又采用了第二级的推挽电路，其中T1、T2用以驱动T9，T3、T4用以驱动T10，以提供快速的电容泄放通道。

2.2 电路性能测试

换能器转换效率低且易受耦合环境影响，测量超声能量的测试方式会受到各种因素干扰，导致测量不准确；而在电路中串入电流表的测试方式又会影响电路工作状态。本研究测试方案为：在超声晶片一端串入一个1 Ω电阻，再将其接入发射电路，然后测量晶片两端电压。因此，本测试方案仅测量了到达超声晶片的能量，而未对发射出的超声能量进行测量。

测得超声晶片两端为正弦振荡波形，测试参数结果，电源电压6 V，电源电流0.31 A，晶片两端电压峰峰值20 V，1Ω电阻两端电压峰峰值0.52 V，效率69.8%。本研究电路中，耦合变压器是效率降低的一个主要原因，采用优质环形磁芯，且正副线圈采用紧密绕制方式可以提高能量传输效率。

3 超声接收电路和解调电路

3.1 接收电路设计

1.2.3 秸秆沼气 秸秆沼气技术是以秸秆为主要原料，经微生物厌氧发酵作用生产沼气的秸秆处理利用技术，有效解决秸秆直燃效率低[6]的问题，且副产品(沼渣、沼液)可作为有机肥料。按规模可分为户用秸秆沼气和秸秆联户沼气集中供气工程两类。目前，扬州市秸秆户用沼气及联户沼气利用秸秆量分别达到1.37万t和1.08万t，应用区域主要集中在仪征、高邮等地。

为了获得最佳的接收灵敏度和阻抗特性，需要对换能器进行电路匹配[6-7]。换能器接收等效电路图，见图3。

图3 超声换能器接收等效电路图

超声接收电路图，见图4。通过调配电感L0的参数，用以匹配电容Cb。本研究采用手工磁芯绕制并控制绕制线圈匝数，从而获得合适的电感量以实现L0调配。

图4 超声接收电路图

根据多普勒效应公式，运动物体的速度越大，频率偏移越大；运动速度越小，频率偏移越小。为了获得足够的灵敏度，发射基频需要足够的选频放大。本研究采用三级谐振选频放大。

谐振电路部分由L1、C1、C2构成串联谐振电路，对反射信号进行选频，电容C1两端可以获得数倍于源信号的电压。

一级放大电路采用低噪声JFET元件，共源极电路，该电路结构相比三极管放大电路可以降低三极管中结电容等分布参数的影响，同时JFET可以获得较高的放大倍数以及较低的噪声。电阻R1为静态直流偏执电阻，结构为自给栅极偏压。L2、C4构成并联谐振电路，构成二次选频放大。

二级放大电路由T2、T3等元件构成。C5、R3构成交流耦合电路；T2、T3构成共射共基放大电路，以获得较宽的频带范围和较高的放大倍数；L3、C7、C8构成并联谐振电路，形成三次选频放大[8]。

3.2 解调电路设计

多普勒信号解调方式有多种，如检波、鉴频、鉴相、乘法等。本研究采用集成模拟开关电路实现多普勒信号的解调[9]，该解调方案具有电路结构简单、灵敏度高、成本低等优势。

将开关信号用傅里叶级数展开为：

接收的回波多普勒信号为：

多普勒信号经过模拟开关后表现为两者的乘积：

将公式(3)和公式(4)代入公式(5)可得：

超声解调电路图，见图5。其中4053模拟开关为3通道、单刀双掷模拟开关。A、B、C 控制端口分别用来控制X、Y、Z 3个通道。4053模拟开关真值表，见表1。解调电路使用了Y和Z通道，X通道为多余通道，为了降低干扰，将X通道的输入和输出端作短路并接地处理。B、C为控制端口，控制信号函数表达式如公式(2)所示，其频率为超声发射频率。该电路采用两级解调处理，超声回波信号简化的函数表达式如公式(4)所示，输入到Y1管脚，由Y管脚输出，并再次输入到Z0管脚，最终由Z管脚输出。

图5 超声解调电路图

表1 4053模拟开关真值表

3.3 接收电路及解调电路性能测试

由于无法获知准确的超声晶片发射和接收效率，因此脱离超声晶片的单纯电路性能测试方案为较优选择，但是由于超声晶片电路参数复杂，完全脱离晶片进行测试又有一定的局限性。因此，本研究采用带晶片的电路测试方案，晶片并不实际接收信号，而是通过函数发生器将调制信号接入超声晶片。

测试条件：电源电压6 V，载波频率2 MHz，调制信号频率2 kHz。测试结果，见表2。

表2 接收电路及解调电路测试参数

由测试结果可以看出，该电路对 2 mV的小信号调制已经有足够的电压输出。

4 结语

本研究设计了可用于胎儿监护仪的超声发射、接收以及解调电路，电路均采用分立元件构成，能够降低集成电路形式的电源损耗，可通过阻抗匹配和多级谐振放大提高回波信号的接收灵敏度，且电路结构简单，解调效率高。

[1] 刘飞飞,魏守水,景天磊．自动监护与无痛分娩闭环系统的设计与实现[J]．中国医疗设备,2012,27(11):59-61．

[2] 程志厚,宋树良．胎儿电子监护学[M]．人民卫生出版社,北京：2001:308-316．

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[4] 王威琪,汪源源．医学超声信号及其特征提取[J]．中国医疗器械信息,2004,(1):4-11．

[5] 汪源源,刘斌,吴晓峰,等．超声多普勒信号的频谱分析[J]．声学技术,1998,(2):57-62．

[6] 林书玉．匹配电路对压电陶瓷超声换能器振动性能的影响[J]．压电与声光,1995,(3):27-30．

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[8] 陆尧胜,邓松茂,崔忠艺,等．超声多普勒胎心检测前置电路的研究[J]．电路与系统学报,2011,(2):114-118．

[9] 李勇,李巍,李社伟,等．基于模拟开关和OPA548的同步相敏解调电路[J]．电子器件,2007,(5):1816-1818．

《中国医疗设备》杂志临床工程栏目简介

临床医学工程是运用工程学的理论与方法解决医学中实际问题的新兴学科，学科领域较广。故本栏目包括的内容也较广，凡与临床医学工程的理论、技术、方法等有关的文章均可。诸如现代先进医疗仪器设备的构成原理、性能特点、应用功能开发、医用设备和计算机的安全使用技术、设备改装、医疗新技术革新、小发明和专利等稿件。本栏目的稿件要求论述简单明了，突出技术重点，具有科学性和实用性。

Research on the Electric Circuit of the Ultrasound Fetal Monitor

YANG Wei-dong1, XIAO Lin-ling2, ZHAO Xiang-xin1
1.School of Medical Equipment, Zhejiang Pharmaceutical College, Ningbo Zhejiang 315100, China;2.Ningbo Polytechnic College, Ningbo Zhejiang 315800, China

The ultrasound fetal monitor has been a kind of clinically widely-used medical devices. Although ultrasound’s damage to fetuses is still ill-defined, the transmitting efficiency of the fetal monitor’s ultrasound signals and the receiving sensitivity of echo signals need to be increased to reduce the signal intensity of ultrasound and avoid the occurrence of un-known damages in its clinical application. In this paper, the simplystructured transmitter, receiver demodulation circuits are constructed based on the separate components to reduce the power loss and consumption of integrated circuits. With the characteristics of high efficiency of demodulation, the circuits can increase the receiving sensitivity of echo signals through impedance matching and multi-stage resonance amplification. The whole circuit has demonstrated its outstanding performance in the verification test.

fetal monitor; ultrasound transducers; transmitter circuit; receiver circuit; demodulation circuit

R318.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.04.006

1674-1633(2015)04-0022-03

2014-12-26

2015-01-21

作者邮箱：543719177@qq．com