第五章 超声回波的接收和预处理 第一节 超声接收系统概况

1. 第五章超声回波的接收和预处理第一节 超声接收系统概况 • 一、概述 • ⒈ 接收系统的主要作用 • （1）换能器接收灵敏度范围的控制 • 接收阵元(位置)转接(线阵中)；接收方向控制 • （相控阵中)；接收孔径变换；接收聚焦。 • （2）回波信号预处理 • 前置放大，TGC放大，动态滤波，对数放大，检波， • 边缘增强等。

2. ⒉ 接收系统的位置及特点 • ① 信号通道的前段——接收系统——模拟处理。 • ② 信号通道中后段——数字扫描变换器——数字处理。 • 信号通道：信号经过的从换能器至显示器的所有电路。 • ⒊ 接收系统典型结构框图（EUB-240型线扫式B超） • （双线箭头——多路信号；单线箭头——单路信号）

3. 二、各部分的简要工作原理 • ⒈ 探头 • 作用：声－电换能。发射－接收两用。 • 结构：80阵元线阵， • 　　　二极管开关, 以减少连线和前置放大器。 • ⒉ 前置放大器 • 作用：放大微弱的接收信号，以利传输，提高信噪比。 • 要求：外部干扰小，内部噪声低，灵敏度高，频带宽。 • 数量：前置放大器有16路。 • ⒊ 接收多路转换开关 • 作用：选择16路前置放大器输出中的11路──扫查。 • 　　　并合成为6个信号——F0-F5。 • 控制：RQA/－RQE/码。

4. ⒋ 可变孔径电路 • 作用：实现可变孔径接收。 • 具体：近距离(近场)回波，用小孔径接收，波束窄。 • 远距离(远场)回波，用大孔径接收，以利聚焦。 • 方法：随时间逐次开通孔径边缘信号F2、F1、F0。 • 控制：AP0/－AP2/信号。 • ⒌ 相位调整（接收聚焦电路） • 作用：接收灵敏范围的聚焦。 • 方法：对F0－F5各信号按二次曲线变化延迟，再相加。 • 控制：FCN0－FCN2码，控制延迟变化的二次曲线曲率， • 　　也即控制聚焦焦距。

5. ⒍ 增益控制和动态滤波 • （1）TGC电路──时间增益控制技术 • 作用：补偿回波因深度增加而造成的衰减：I=I0e-2αx • 方法：由TGC控制电压，控制压控放大器的增益，随接 • 收深度而上升。 • 结果：使近区增益适当小，远区增益逐渐增大。 • （2）DF──动态滤波技术 • 作用：滤除近场过强的低频，和深部的高频杂波干扰。 • 方法：由DF控制电压，控制压控带通滤波器的通带中 • 心频率，随接收深度而下降。 • 结果：近场滤除低频，提高分辨力； • 　　　 远场滤除高频，提高信噪比。

6. ⒎ 对数放大器 • 作用：压缩信号的动态范围，适配显像管的动态范围， • 防止有用信息的丢失。 • 动态范围：信号——100dB，显像管——约30dB， • 特点：信号越大，增益越小。 • ⒏ 检波器 • 作用：检出调制信号。射频信号→视频信号 • 回波调制：超声振荡受矩形脉冲幅度调制。 • ⒐ 勾边电路（边缘增强电路） • 作用：增强视频信号的边缘，突出图像的轮廓，使之 • 便于识别和测量。 • 控制：ENH信号，控制增强效果。

7. 第二节 前置信号放大 • 一、基本要求 • 原因：阵元获取信号＝10-30μVp-p， • 　　　合成电路本身噪音＞30μVp-p， • 　　　故需加前置放大器，以提高信噪比。 • 路数：线阵B超，前置放大常为多路，各机型有所差异。 • EUB-240型B超有16路，EUB-40型B超有24路。 • 基本要求： • （1）与探头馈线匹配良好。 • 　馈线特性阻抗＝前放输入阻抗。 • 　否则：① 信号被反射入馈线，信号减弱。 • ② 多重反射，造成图象重影。

8. （2）动态范围大 • 　前放动态范围＝信号动态范围＞100dB， • 　不丢失有价值的信息。 • （3）功率增益(P)大 • P= 10lgKP (dB) • 其中，KP──放大器功率放大倍数 • P大，则极限灵敏度高，信噪比高。 • 日立EUB系列B超，前放 P＝24dB。 • （4）噪声系数(F)小 • F＝输入端信噪比/输出端信噪比≥1 • 理想：F＝1，即放大器无附加噪声。 • 实际：F＞1，晶体管、电阻等总有噪声。 • F小，有限噪声灵敏度高，放大器动态范围大。

9. 二、前置放大器电路 • 1. 前置放大器之一 • 东芝SAL系列线扫B超的前置放大器

10. 特点分析 • 由三级直接耦合放大器组成。A＝7（17dB） • ① TR20为射随器，使之与延时线负载阻抗匹配。 • ② R62引入深度负反馈，展宽频带，提高稳定性。 • ③ D33,D34组成双向限幅器，防止大信号阻塞放大器。 • ④ ＋15V，－5V供电，使输出信号动态范围达15V以上。 • ⑤ 各级射极直流负反馈，稳定工作点，最小可辨信号小。 • ⑥ L20，C31，C32电源滤波，减小噪声。 • ⑦ C25高频补偿，C18耦合电容。

11. 2. 前置放大器之二 • 日立公司B超常用的前置放大器。EUB-240型也用此。 • 特点： • ① IC1是大动态、高稳定的集成运算放大器H724B01。 • ② D1，D17组成双向限幅器，防止大信号造成放大器阻塞。 • ③ L1，R1，C1为高通滤波器。 • ④ C17，C33，C148，C149电源退耦电容。 • ⑤ VR1电位器可调节增益，设计增益24dB。 C33

12. 第三节 超声回波信号的合成 • 一、回波合成法 • 1. 直接合成法 • 方法：各阵元信号→孔径控制→聚焦延迟→相加合成。 • 优点：可不对称延迟，进行微角扫查。 • 缺点：路数多，设备量大。 • 实例：Aloka SSD-256型B超仪用之。

13. 2. 二步合成法 • 方法：各阵元信号→对称合成→孔径控制→聚焦延迟→ • 相加合成。 • 条件：具有对称延迟特性（无偏向）。 • 优点：孔径控制电路、聚焦电路减少一半。 • 实例：日立EUB系列B超（如EUB-240）采用此法。

14. 二、接收多路转换开关 • （1）组成 • IC17－IC38：8选1转接开关 • TR2－TR6：倒相驱动管。 • （2）信号 • 　输入：CH1－CH16：前放输出, • 　输出：F0－F5：转接合成输出， • 　控制：RQA/－RQE/码 • （3）功能 • 　从16路前置放大器输出中， • 　每次选通11路，并对称合成为 • F0－F5的6个信号。 • 　　控制码变化，选择通路变化，实现切换扫查。

15. （4）电路分析 • 转接开关的使能端与RQE,RQD的连接，简化为图5-7. • RQE,RQD＝1,0或0,1，有输出的芯片编号，如图5－8。

16. 前置放大输出的转接合成关系(HPi=CHi) • 例如： • ① RQE/－RQA/＝01111，经TR2－TR6倒相，为10000，则 • F0＝CH1+CH11, F1＝CH2+CH10, F2＝CH3+CH9, • F3＝CH4+CH8, F4＝CH5+CH7, F5＝CH6 • ② RQE/－RQA/＝01110，经TR2－TR6倒相，为10001，则 • F0＝CH2+CH12, F1＝CH3+CH11, F2＝CH4+CH10, • F3＝CH5+CH9, F4＝CH6+CH8, F5＝CH7

17. 三、可变孔径电路 • ⒈ 可变孔径的提出及其实现方法 • （1）接收灵敏范围与孔径的关系 • 　根据：发射与接收的互易性；发射超声场的结论。 • 　① 非聚焦： • 　　近场：孔径越小，灵敏范围越小； • 　　远场：孔径越大，灵敏范围扩散角越小。 • 　② 聚焦： • 　焦点处直径： • df＝2.44λF/D D─接收孔径 • 　即：为使df小，当F增大时，D也应增大。 • （2）方法 • 　 近场用小孔径，远场用大孔径——可变孔径技术。 • （3）意义 • 　近场、远场灵敏范围(波束)均较窄，横向分辨力好。

18. ⒉ 可变孔径电路 • （1）组成及作用 • MXIC：模拟调制分离器 • A=“0”,X→X0, • A=“1”,X→X1, • X端RC：低通滤波器； • C：隔低频，通高频信号； • L：隔高频，通低频信号。 • D：二极管开关； • （2）信号 • F0-5： 回波信号(高频) • AP0-2：门控信号(低频) • （3）单路工作原理 • 因D负极经L，低频接地 • AP＝“1”：X＝-8V，D截止 • AP＝“0”：X＝+8V，D导通

19. （4）组合工作过程 • 由于，各阵元接收的回波信号对应为： • F0～F5——周边～中心 • 因此，切断F0，F1，F2等信号进入回波合成电路， • 使周边阵元接收信号无效，即缩小了接收孔径。

20. （5）时间段计算举例 • 将探测深度分四段：近场，中场，远场Ⅰ，远场Ⅱ。 • 分界距离：S1＝20mm，S2＝50mm，S3＝90mm。 • 由式： tKi＝Si /VD＝2Si/c • 可算得各段时间： • tK0≈117μs，tK1≈65μs，tK2≈26μs

21. 四、接收相位调整电路（接收聚焦电路） • ⒈ 作用 • 　　对各阵元接收的回波信号进行延迟调整（二次曲线 • 变化），使焦点处回波达到同相位叠加。 • 　 其实质是换能器空间灵敏范围的聚焦。 • ⒉ 分段聚焦的类型 • ① 非实时分段动态聚焦：　 • 多次发射，多次接收。发射与接收同焦距，每次固定。 • ② 实时分段动态聚焦： • 　一次发射，一次接收。发射固定焦距，接收动态焦距。 • ⒊ 实时分段动态聚焦原理 • （1）简述：以超声探查速度，同步分段地移动焦点。 • （2）例——接收实时4段动态聚焦： • 若对应距离z1,z2,z3，回波所需时间为t1,t2,t3。则：

22. 回波接收过程： • ① 0～t1时间： • 　 接收0～z1内回波，用4－8阵元，焦点N，波束如(Ⅰ)。 • ② t1～t2时间： • 　 接收z1～z2内回波,用3－9阵元，焦点M，波束如(Ⅱ)。 • ③ t2～t3时间： • 接收z2～z3内回波,用2－10阵元，焦点F1，波束如(Ⅲ)。 • ④ t3以后时间： • 　 接收z3以外回波，用1－11阵元，焦点F2，波束如(Ⅳ)。 • 可见：有效接收范围如图中粗线所围区域，有四个焦点。

23. ⒋ 接收聚焦电路 （EUB-240型B超所用） • （1）电路组成 • DL1－DL5：模拟延时线。 • IC39－IC43：多路转接开关。 • （2）信号 • 输入：接收回波信号F0－F5。 • 输出：合成信号。 • 控制：聚焦码FCN0-2/。 • （3）功能 • 对各阵元接收回波信号经 • 二次曲线变化延迟，相加合 • 成为一个信号。 • 聚焦码控制二次曲线曲率， • 即焦距。与可变孔径电路， • 协同完成接收动态聚焦。

24. （4）各控制状态下的延时关系 • 有两种频率(3.5MHz，5MHz)，各4个焦点，共8个焦点。 • (书中数值有误)

25. 第四节 预处理电路 • 一、时间增益补偿（TGC）电路 • ⒈ 实现时间增益补偿的意义及方法 • （1）补偿的意义 • 由于超声波随传播距离（时间）的衰减，使相同反射系数的界面近距离反射强，远距离反射弱，若不给予补偿，则图像将随深度（时间）而逐渐变暗。 • 时间增益补偿：控制放大器增益随探测深度（时间）的增加而加大，以补偿超声随传播距离的衰减。 • （2）各种名称 • 　时间增益补偿 (Time Gain Compensation——TGC) • 　深度增益补偿 (Depth Gain Compensation——DGC) • 　灵敏度时间控制(Sensitivity Time Control——STC)

26. （3）补偿原理 • ∵声传播强度与时间(距离)的关系： • I＝I0e-2αx＝I0e-2αct ——时间负指数关系。 • 　 声-电转换、前置放大等——时间线性关系。 • 　 经声-电转换、前置放大等处理，回波信号仍是： • ——时间负指数关系。 • ∴可用时间正指数放大补偿。

27. （4）实际情况及措施 • 上述分析忽略了多种因素，仅为大致的补偿关系。 • Ⅰ.实际情况的复杂性 • 　① 受超声工作频率的影响 • ∵α＝βf，　∴f↑→α↑，频率高，衰减快。 • 　② 多重界面反射的影响 • 　 实际常有多重界面，回波穿过界面越多，强度越弱。 • 　③ 临床诊断感兴趣深度的不同 • 　 临床对同一患者不同部位，或同一部位不同患者， • 　 成像时关注深度往往有所不同。 • Ⅱ.对策 • TGC控制波形＝指数波形(可变速率)＋修正波形 • 　操作者可调节：指数波形速率，修正波形形状 • ——根据实际情况，通过面板按钮、电位器操作。

28. TGC Dynamic Range Focus Depth Gain

29. （5）电路框图 • ① TGC电压发生器 • 产生一个随接收时间（深度）而变的TGC控制电压， • 用以控制可变增益放大器的增益变化。 • 操作者由面板输入调节量，可调整TGC电压的波形， • 实现临床干预TGC过程。 • ② 可变增益放大器 • 在TGC电压控制下，放大器增益可变，对不同时间 • （深度）的回波信号有不同的放大量。

30. ⒉ TGC电压产生电路 • 通常：TGC电压波形＝指数电压波形＋可调电压波形 • （1）可调电压波形受调节的型式： • ① 斜率控制型 • 　 　可调电压的大致形状不变，但参数可由面板调节。 • 　其中增益“台柱”用来增强特定深度的回波。 • ② 距离增量控制型 • 　　　整个探测深度分成n段(如n=8)，每段一个控制点， • 　由面板上的滑杆电位器调节。调节值连线，即是可 • 调电压波形。见书P277。

31. （2） TGC电压产生电路 • 有多种型式。数字合成式函数发生器适用性强，目前较多。 • ① 基本原理 • ROM中存TGC电压函数值，在回波接收过程中： • 逐一读出函数值→D/A→各点电压连接→TGC电压波形 • 函数值寻址地址A0－A9，由加法计数器计数产生。

32. ② TGC波形的改变调整手段 • a)制造时预先设计在ROM中 • 在ROM的不同区域，预先存入不同的波形函数值， • 工作时根据情况选择。有八种TGC曲线供选择。 • A12＝FCN2＝0（3.5MHz探头）， 1（5MHz探头） • A11＝ZOOM＝0（电子放大率1），1（电子放大率2） • A10＝FAR ＝0（近程）， 1（远程）

33. 可调 b)操作时随机调节 • 调节附加在ROM中读出的固定函数曲线之上。 • 调节输入：操作者→面板（滑杆电位器） • 仪器产生：修正数据GAIN0-7, • 修正方法：TGC波形＝ROM数据＋修正数据GAIN0-7 • ③ 波形

34. R ⒊ 增益控制电路（可变增益放大器） • （1）控制放大器增益的方法 • 　① 改变放大器的偏置 • 　右图因晶体管(一定范围内)： • β∝Ib • 　　从而： • TGC电压→Ib→β→A • 　② 改变放大器的反馈 • 　右图由于晶体管： • Rce∝1/Ib • 　而：A＝－Rce/R， • 　从而： • TGC电压→Ib→Rce→A

35. ③ 串入电控衰减器 • 右图电路的总增益为： • A＝G1· G2 • 其中： • G1＞1——放大器 • G2＜1——衰减器。 • 若TGC电压控制下，G2可变， • 即能起TGC作用。 • a)衰减器基本结构(右图) • Uo＝(R2/(R1+R2))Ui • G＝Uo/Ui • ＝R2/(R1+R2) • ≤1

36. b)电控变阻元件 • Ⅰ)二极管 • ∵ I＝Is(eVq/KT-1) • 　　　 其中： • Is——反向饱和电流， K——波尔兹曼常数 • q——电子的电荷量， T——绝对温度 • ∴ V＝(KT/q)ln(I+Is) • RD＝dV/dI • ＝(KT/q)/(I+Is) • ≈(KT/q)/I (∵I>>Is) • ∴ RD∝1/I • Ⅱ)晶体管 • Rce∝1/Ib • Ⅲ)场效应管 • RDS∝1/VGS

37. c)电控衰减器举例 • 以上：(a)串联二极管型，(b)并联二极管型，(c)并联场效应管型 • 说明： • 　由于：回波信号——高频， 控制信号——低频 • 　利用：L——隔高频通低频、C——隔低频通高频， • 　可防止：回波信号－控制信号——相互干扰。

38. （2）可变增益放大器实例 • ① TR19——第一级放大 • ② TR20，TR21——具正向压控增益特性的双栅极场效应管放大器。 • 控制G1、G2电位可控制场效应管的跨导，从而改变放大器增益。 • VR17调节G1电位——静态增益调节。 • TGC电压控制G2电位——TGC控制。 • ③ TR22，TR23为——射极跟随器。

39. ④ TGC作用下的场效应管特性曲线 • TGC控制电压↑→工作点Q沿ID－VG曲线↑→斜率↑→增益↑ • 如：近场(t1～t2)，回波强(Vi1，Vi2)，但增益小，信号压缩。 • 远场(t3～t4)，回波弱(Vi3，Vi4)，但增益大，信号放大。

40. 二、动态滤波（Dynamic Filter：DF）电路 • ⒈ 动态滤波的意义 • （1）原因 • 超声传播时： • I=I0e-2αx, α=βf • 　所以：高频↓快，低频↓慢， • 　造成：探测距离↑→信号f0↓(f0 —频谱中心频率) • （2）接收频带范围固定的不利 • 　接收电路f0＜信号f0→高频损失→分辨力↓ • 　接收电路f0＞信号f0→噪声增加→信噪比↓ • 　 （3）动态滤波的过程和意义 • 随探测距离↑→接收电路的f0↓， • 近区：选通高频，抑制低频→分辨力↑； • 远区：选通低频，抑制高频→信噪比↑。

41. ⒉ 动态滤波(DF)电路 • 动态滤波，也就是通频带可变的带通滤波器。 • （1）电路结构及特性 • 如图：Dc为变容二极管，L、C1、Dc构成LC并联回路。 • 当信号频率f等于回路谐振频率f0时，回路阻抗Z0最大。 • 此时电路（可看成R与Z0构成的衰减器）对信号的衰减最小，输出Uo最大。当f≠f0时，输出Uo减小。 • f0 ——也称为滤波器通带中心频率。

42. Dc E （2）DF工作过程 • 由于变容二极管的反偏结电容CD电压特性： • E↑→CD↓ • 所以在回波信号接收过程中： • D↑→DF电压↓→CD↑→C=C1CD/(C1+CD)↑→滤波器f0↓

43. （3）动态滤波电路实例 • 如图为EUB-27所用带通滤波器。 • V1、V2——变容二极管 • 并联目的：增大电容变化量→增大频率控制范围。 • 反偏结电容变化范围：30PF(9V)－400PF(1V) • L、C1和V1、V2组成LC选频网络。

44. ⒊ DF电压发生器 • （1）DF电压的取值范围和变化规律 • 由以下因素确定 • ① 变容二极管的变容特性。 • ② 被探测介质（人体）对超声衰减的频率特性。 • ③ 探头工作频率（频谱中最强分量频率）的变化。 • ④ 观察视野的移动。 • ⑤ 图像电子放大与否。 • 可见，后三种因素是不确定的，由操作者决定。 • 故DF电压也应是可变的，由操作者临时确定。 • （2）DF电压发生器电路形式 • 可有多种形式，由于波形的可变性，在微机化B超 • 中，用数字函数发生器获取DF函数电压比较方便。

45. （3）DF电压发生器实例(EUB-240B超用) • ① 电路组成 • IC42：驱动器，74HC244。 • IC44：D/A转换器。DAC-08CN。 • IC46：流压变换器，TL081，有滤波回路。 • R150、L2、C156：低通滤波器，平滑输出波形。

46. ② 工作过程 • CPU以一定速率送出数据DDF0-4(5位)，经驱动器后， • 由D/A转换成模拟电流输出，再流压变换成电压。 • 各数据电压相连，经滤波光滑，形成DF电压波形。 • CPU送出不同数据可得不同波形。 • ③ 波形图 • 接收期，DF电压以近似指数规律下降。周期性变化。

47. ⒋ TGC和DF综合实例（EUB-240中用） • 动态滤波电路设置在两个虚线框内。 • L20、C212、C136和变容二极管D37、D38组成选频槽路。 • L21、C213、C150和变容二极管D39、D40组成选频槽路。

48. 三、对数放大器 • 1. 对数放大的意义 • （1）原因 • 　∵回波信号动态范围： LD＞100 dB • 　 显像亮度动态范围： LD＝20～30dB • 　若直接显示： • 　强信号图像一片模糊 • 　弱信号图像星星点点 • 如同胶片曝光太过和曝光不足。 • ∴需要压缩信号动态范围： • 100dB→20～30dB • 　同时，并不丢失亮度信息。 • 对数放大器能起到这样的作用。 信息淹没、丢失

49. （２）对数放大器的特性 • ① 输入、输出关系 • uo＝K1lg(K2ui)＝K1lgK2+(K1/20)(20lgui) • 其中：K1─斜率， K2─对数偏差。 • ② 输入、输出关系曲线 • 均匀座标系中：斜率递减、数值递增曲线。 • 输入对数座标／输出均匀座标系中：递增直线。

50. G1ui K1lg(K2G1ui) G2K1lg(K2G1ui) ui G1 G2 Vo=K1lg(K2Vi) uo ③ 对数放大器参数的外部调整原理 • 对于对数放大器： • Vo＝K1lg(K2Vi) • 经如上前后线性放大后，输入输出关系： • uo＝G2K1lg(K2G1ui) • 其中：G1，G2——线性放大器增益 • 令： K1’＝G2K1 • K2’＝G1K2 • 则： uo＝K1’lg(K2’ui) • 故可：改变G1、G2→改变K1’、K2’