УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к области медицинского приборостроения, в частности, к устройствам для ультразвуковой эхолокации внутренних органов, и может быть использовано в системах медицинской диагностики.
Устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов является частью многофункционального ультразвукового сканера и поддерживает следующие режимы ультразвукового сканирования:
Линейное сканирование при использовании линейного датчика (сканирование выполняется путем коммутации элементов датчика и угловой подкачкой луча).
Линейно-выпуклое сканирование при использовании конвексного датчика (сканирование выполняется путем коммутации элементов датчика и угловой подкачкой луча).
Секторное сканирование при использовании фазированной антенной решетки с дальнейшим преобразованием полярных координат в линейные (сканирование выполняется путем электронного управления угловым направлением ультразвукового луча - режим Steering).
Из уровня техники известно адаптивное диаграммо-формирующее устройство для приема ультразвуковых сигналов, включающее приемно-передающий модуль, в состав которого входят приемные каналы сигналов с элементов датчика, индивидуальные аналого-цифровые преобразователи, первичная оперативная память типа FIFO, фильтры-интерполяторы, при этом каждый приемный канал сигналов приемно-передающего модуля электрически соединен через индивидуальный аналого-цифровой преобразователь с первичной оперативной памятью типа FIFO, соединенной, в свою очередь, с фильтром-интерполятором, соединеннымс модулями вторичной оперативной памяти типа FIFO, при этом выход каждого модуля вторичной оперативной памяти типа FIFO подключен к первому входу соответствующего сумматора каналов, выход каждого сумматора каналов подключен к входу соответствующего формирователя амплитуды сигнала, к соответствующему входу общего коммутатора и первому входу соответствующего индивидуального коммутатора, а выход каждого формирователя амплитуды сигнала соединен с соответствующим входом компаратора, выход компаратора соединен с управляющим входом общего коммутатора, выход которого соединен со вторыми входами всех индивидуальных коммутаторов, причем выход каждого индивидуального коммутатора подключен ко второму входу сумматора каналов соседнего приемного канала сигналов. (RU 125451, A61B 8/00, 10.03.2013).
Недостатком данного технического решения является то, что при реализации приема увеличение количества приемных каналов с целью улучшения качества формируемого изображения связано с пропорциональным увеличением количества сумматоров.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству передачи и приема ультразвуковых сигналов является устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов для формирования ультразвукового изображения внутренних органов, которое включает в себя коммутатор каналов, подключенный к датчикам, формирователю луча и приемнику, управляющий процессор (Л.В. Осипов «Ультразвуковые диагностические приборы», М., ВИДАР, 1999, стр. 70, рис. 7).
Недостатком данного устройства является то, что для цифровой обработки ультразвуковых сигналов используются набор специализированных вычислительных устройств, что приводит к увеличению массогабаритных характеристик устройства, стоимости устройства и невозможности модернизации программного обеспечения.
Технический результат заявленного устройства заключается в обеспечении необходимого качества изображения для больших глубин зондирования.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве передачи и приема ультразвуковых сигналов, включающее коммутатор каналов, подключенный к датчикам, формирователю луча и приемнику, управляющий процессор, согласно полезной модели приемник содержит каналы прима данных, причем каждый канал прима данных содержит приемный модуль и канальный процессор сигналов, причем к каждому из канальных процессоров сигналов подключены генератор задержки сигналов, формирователь канального ослабления и общий сумматор, а к каждому приемному модулю подключен контроллер регулировки усиления.
При этом каждый приемный модуль содержит ограничитель, предусилитель, усилитель временной автоматической регулировки усиления, аналогово-цифровой преобразователь, связанные последовательно от ограничителя до аналогово-цифрового преобразователя; каждый канальный процессор сигналов содержит блок временной задержки связанный с умножителем, при этом каждый блок временной задержки содержит оперативную память типа FIFO, входом связанную с аналогово-цифровым преобразователем, а выходом связанную с входом фильтром-интерполятором, при этом фильтр-интерполятор выходом связан с умножителем.
При этом каждый умножитель выходом связан с входом общего сумматора, генератор задержки сигналов выходом подключен к входам каждого фильтра-интерполятора, формирователь канального ослабления выходом подключен к входам каждого умножителя, общий сумматор выходом подключен через модуль интерфейса к персональному компьютеру, формирователь приемной апертуры выходом подключен к общему сумматору, контроллер регулировки усиления выходом подключен к входу временной автоматической регулировки усиления, а управляющий процессор входом подключен к модулю интерфейса.
Сущность заявленного устройства поясняется чертежом, не охватывающим и, тем более, не ограничивающим объем притязаний по данному решению, а лишь являющимся иллюстрирующим материалом частного случая выполнения устройства. На чертеже изображено:
На фиг. 1 - блок-схема устройства передачи и приема ультразвуковых сигналов.
Устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов 1, включающее коммутатор 2 каналов, подключенный к датчикам 3, формирователю 4 луча и приемнику 5, управляющий процессор 6. Приемник 5 содержит каналы 7 приема данных, причем каждый канал 7 приема данных содержит приемный модуль 8 и канальный процессор 9 сигналов, при этом к каждому из канальных процессоров 9 сигналов подключены генератор 10 задержки сигналов, формирователь 11 канального ослабления и общий сумматор 12, а к каждому приемному модулю 8 подключен контроллер 13 регулировки усиления.
Каждый приемный модуль 8 содержит ограничитель 14, предусилитель 15, усилитель 16 временной автоматической регулировки усиления, аналогово-цифровой преобразователь 17, связанные последовательно от ограничителя 14 до аналогово-цифрового преобразователя 17; каждый канальный процессор 9 сигналов содержит блок 18 временной задержки связанный с умножителем 19; каждый блок 18 временной задержки содержит оперативную память 20 типа FIFO, входом связанную с аналогово-цифровым преобразователем 17, а выходом связанную с фильтром-интерполятором 21, при этом фильтр-интерполятор 21 выходом связан с умножителем 19; каждый умножитель 19 выходом связан с входом общего сумматора 12.
Генератор 10 задержки сигналов выходом подключен к входам каждого фильтра-интерполятора 21; формирователь 11 канального ослабления выходом подключен к входам каждого умножителя 19; общий сумматор 12 выходом подключен через модуль 23 интерфейса к персональному компьютеру 24; формирователь 22 приемной апертуры выходом подключен к общему сумматору 12; контроллер 13 регулировки усиления выходом подключен к входу усилителя 16 временной автоматической регулировки усиления; управляющий процессор 6 входом подключен к модулю 23 интерфейса.
Устройство работает следующим образом:
Устройство передачи и приема ультразвуковых сигналов 1 подключается через модуль 23 интерфейса к персональному компьютеру 24. Фронтальная часть устройства передачи и приема ультразвуковых сигналов 1 включает в себя по меньшей мере три ZIF-разъема для подключения датчиков 3 (с возможностью выбора одного из них). После включения питания из персонального компьютера 24 через модуль 23 интерфейса осуществляется загрузка программ управляющего процессора 6. Полный набор программ работы хранится в персональном компьютере 24. После проведения режимов самоконтроля управляющий процессор 6 принимает от персонального компьютера 24 исходные данные, необходимые для формирования циклограммы работы.
По команде, поступающей от персонального компьютера 24, производится запуск циклограммы. Во время выполнения циклограммы управляющий процессор 6 может принимать от персонального компьютера 24 исходные данные для формирования новых режимов зондирования. Прием и расчет новых параметров проводится без прерывания циклограммы.
Рассчитанные управляющим процессором 6 параметры передаются в отдельные блоки перед началом каждого такта зондирования через модуль 23 интерфейса.
Информация о подключенном датчике передается в управляющий процессор 6, а от управляющего процессора 6 на коммутатор 2 каналов поступает номер разъема датчика 3, используемого для текущего обследования. При использовании ультразвукового датчика 3 для диагностики происходит эмиссия ультразвуковой волны и в свою очередь прием отраженных эхо-сигналов. Ультразвуковой датчик 3 представляет собой многоэлементную решетку пьезопреобразователей, при этом каждый элемент датчика используется для формирования зондирующего сигнала и приема эхо-сигнала. В зависимости от области применения ультразвуковые датчики различаются количеством элементов их геометрической конфигурацией, а также рабочей частотой. Во время такта зондирования сигналы возбуждения элементов датчика подаются на активные элементы датчика.
Этими же элементами датчика выполняется прием эхо-сигналов.
Формирователь 4 луча формирует задержанные между собой сигналы возбуждения пьезоэлементов датчика 3 в соответствии с установленным фокусом на излучение. Зондирующие сигналы, поступающие на линейку пьезопреобразователей датчика 3 задерживаются в соответствии с законом геометрической оптики в зависимости от пространственного положения фокуса излучения. В пьезопреобразователях электрические импульсы преобразуются в механические колебания, сфокусированные в определенную область зондирования. Значения канальных задержек сигналов излучения поступают от управляющего процессора 6.
Ультразвуковые эхо-сигналы, отраженные от неоднородностей тканей преобразуются элементами, в электрические сигналы и поступают через коммутатор 2 каналов на приемник 5.
В режимах линейного и линейно- выпуклого сканирования коммутатор 2 каналов обеспечивает динамическое переключение группы передатчиков или приемников для формирования диаграммы направленности. В случае фазируемой антенной решетки одновременно задействуются все элементы датчика 3, и такое переключение не производится.
Коммутация каналов 7 приема данных реализуется на основе мультиплексора. Управляющие сигналы для коммутации каналов 7 приема данных в различных режимах зондирования формируются контроллером мультиплексора (на фигуре не показаны).
Приемник 5 является диаграмма-формирующем устройством, которое содержит N каналов 7 приема данных, генератор 10 задержки сигнала, формирователь 11 канального ослабления, общий сумматор 12, формирователь 22 приемной апертуры, контроллер 13 временной автоматической регулировки усиления. В ультразвуковых приборах среднего класса количество каналов 7 приема данных составляет величину N=64, а в ультразвуковых приборах высокого класса - N=128.
Каждый канал 7 приема данных включает в себя: приемный модуль 8 и канальный процессор 9 сигналов.
Приемный модуль 8 включает в себя последовательно связанные ограничитель 14 (схему ограничения) сигнала для предотвращения перегрузок приемного усилителя на момент формирования импульса зондирования; малошумящий предусилитель 15 с фиксированным коэффициентом усиления; усилитель 16 с возможностью временной автоматической регулировки усиления; аналого-цифровой преобразователь 17. Кривая изменения усиления по времени, что эквивалентно изменению усиления сигнала по глубине, задается контроллером 13 регулировки усиления.
Канальный процессор 9 сигналов включает в себя последовательно связанные блок 18 временной задержки, содержащий память 20 типа ПРО, фильтр-интерполятор 21 и умножитель 19.
Фокусировка на прием производится за счет компенсации задержек, обусловленных разными путями распространения ультразвукового эхо-сигнала на элементы датчика. Каждый канал 7 приема данных реализует задержку эхо-сигнала с одного пьезоэлемента датчика.
В каждом канале 7 приема данных сначала выполнятся преобразование эхо-сигнала из аналоговой в цифровую форму с помощью аналогово-цифрового преобразователя 17, и далее производится обработка данных, представленных в цифровом виде.
Канальный процессор 9 сигналов производит формирование приемной диаграммы направленности. При этом каждый блок 18 временной задержки включает в себя 2 элемента: оперативную память 20 типа FIFO (First Input First Output) для реализации грубой задержки сигнала с точностью до шага дискретизации сигнала и фильтр-интерполятор 21 для формирования плавной задержки сигнала, составляющую величину, меньшую шага дискретизации сигнала. К каждому фильтру-интерполятору 21 подключен генератор 10 задержки сигналов для расчета временных задержек, обеспечивающих угловое отклонение и фокусировку ультразвукового луча в режиме приема.
Уменьшение уровня боковых лепестков приемной диаграммы направленности (аподизация на прием) достигается ослаблением эхо-сигналов от центра апертуры к краям с помощью умножителей 19, установленных в каждом канале 7 приема данных. Формирователь 11 канального ослабления подключен к каждому умножителю 19 для формирования заданного амплитудного распределения по апертуре для аподизации принимаемого ультразвукового луча.
Формирователь 22 приемной апертуры обеспечивает динамическое формирование размера апертуры на этапе приема ультразвукового сигнала, что передает в общий сумматор 12.
В общем сумматоре в результате суммирования эхо-сигналов всех каналов 7 приема данных, входящих в динамическую апертуру, формируется сфокусированный сигнал с заданного направления зондирования. Номера каналов, входящих в динамическую апертуру, поступают от формирователя приемной апертуры.
Далее данные через модуль 23 интерфейса поступают на персональный компьютер 24.
Таким образом, за счет того, что приемник содержит каналы приема данных, генератор задержки сигналов, формирователь канального ослабления и общий сумматор, с подключенным к нему формирователем приемной апертуры, и контроллер регулировки усиления, достигается необходимое качество изображения для больших глубин зондирования.