Узлы формирования и обработки первичных сигналов
Введение
СовременныеУЗ сканеры являются сложными многофункциональными устройствами. Они позволяютвыполнять исследования в реальном масштабе времени в режиме М и режиме В, атакже в смешанном режиме – М/В, запоминать информацию (режим стоп-кадра, или Freeze), производить различныепреобразования изображения – поворот, инверсию (позитив-негатив), изменениемасштаба (Zoom), некоторые вычисления геометрических характеристик объектов –периметр, площадь, коэффициент формы (отношение площади к периметру) и др.Наиболее сложные сканеры имеют в своем арсенале доплеровский режим, позволяющийисследовать и отображать параметры гемодинамики.
СложностьУЗ сканеров в основном зависит от набора датчиков. Наиболее простые сканерыимеют набор из трех – четырех механических секторных датчиков, которые до сихпор остаются популярными у пользователей. Более сложные (и дорогие) сканерыкомплектуются несколькими секторными и несколькими линейными или конвексными датчиками.Датчики отличаются формой, размерами и частотами. От рабочей частоты датчиказависит его глубина локации, так как от частоты зависит затухание звуковых колебаний.Эта зависимость приведена ниже.
Частота, МГц Глубиналокации, мм
3,5 200
5,0 100
7,5 50
Датчикис частотой 3,5 МГц используются для обследования абдоминальной области исердца, 5 МГц – сердца; 7,5 МГц – щитовидной железы. Датчики с частотой 10 МГциспользуют для офтальмологических исследований. Следует отметить, что В- иМ-эхограммы в УЗ сканерах получают с помощью одних и тех же двухмерныхдатчиков. Для этого, как было сказано выше, в режиме М фиксируют положениепьезопреобразователя секторного датчика или апертуры линейного (конвексного). Всмешанном режиме для формирования М-эхограммы регистрируют эхо-сигналы,приходящие с выбранного направления.
Нарис.1 приведена структурная схема универсального УЗ сканера. В ходе исследованиямогут использоваться датчики разных видов (например, секторный и линейный). Каппарату подключаются сразу несколько датчиков и выбираются по меренеобходимости сенсорами на пульте. Блок управления секторным датчикомосуществляет привод электродвигателя, возбуждение пьезопреобразователя, прием ипредварительное усиление эхо-сигналов, прием сигналов от датчика угловогоположения и их передачу в блок цифрового конвертора изображения. Блокуправления линейным датчиком организует сканирование, фокусировку УЗ луча,предварительное усиление и динамическую фокусировку эхо-сигналов.
Предварительноусиленные сигналы от датчиков поступают на вход общего (основного) усилителя, вкотором осуществляется временная автоматическая регулировка усиления (ВАРУ) иручная регулировка с пульта управления.
Усиленныеаналоговые эхо-сигналы направляются в цифровой конвертор изображения, в которомпроизводится их цифровое преобразование, запись в буферную память и множестводругих весьма сложных преобразований. Из конвертора изображения цифроваяинформация переписывается в экранное ОЗУ.
Вблоке управления выводом она с помощью ЦАП снова преобразуется в аналоговыйсигнал, который подается на модулятор ЭЛТ, формируя изображение.
Микропроцессорнаясистема (микроЭВМ) управляет практически всеми блоками, синхронизируя ихработу.
/>
Из-заих большого количества часть функций она делегирует местным МПС –микроконтроллерам, работа которых инициируется при запуске программы главнойМПС, и в дальнейшем они работают автономно. Приведенная структурная схемадостаточно условна и может быть изменена, например, экранное ОЗУ может бытьвключено в конвертор изображения и т.п.
1. Блокуправления механическим секторным датчиком
Несмотряна относительную простоту механического датчика его блок управления достаточносложен. Это объясняется прежде всего тем, что датчик является инерционнойсистемой и управляющее воздействие на двигатель не может однозначно определятьугловое положение пьезопреобразователя. Движение вращающихся частей датчикаописывается дифференциальным уравнением второго порядка
/>, (1)
гдеj- угол поворота, J – суммарный момент инерции, /> - коэффициент трения, с — коэффициентупругости, М – момент на валу двигателя (М = к1iвх). Идеальной была бырегулировочная характеристика j = к2М. Чтобы к ней приблизиться, применяютразличные корректирующие цепочки и отрицательную обратную связь по углу.
Структурнаясхема блока управления приведена на рис.2. Параметры режима управлениязагружаются в микроконтроллер при запуске программы. Он выдает кодыуправляющего и опорного сигналов на цифро-аналоговые преобразователи ЦАП1 иЦАП2, которые вырабатывают несколько отличающиеся по форме сигналы. Сигнал ЦАП1аппроксимирован функцией arctg (t), которая является наиболее оптимальной для динамикиподвижной системы. Датчик углового положения ДУП, представляющий собойтрансформаторный преобразователь, запитывается от источника переменного токаповышенной частоты и выдает сигнал, пропорциональный углу поворота.Электродвигатель ЭД секторного датчика запитывается током, который являетсярезультатом суммирования управляющего сигнала ЦАП1 и сигнала обратной связи,поступающего от детектора. Далее суммарный сигнал в блоке коррекции разветвляетсяпо звеньям – пропорциональному, дифференцирующему и интегрирующему – и затем сновасуммируется. Благодаря введению корректирующих звеньев и обратной связи по углуповорота удается свести до минимума влияние первого и второго членов уравнения(1), т.е. максимально приблизить реакцию /> к управляющему воздействию.
Для посылкизондирующих УЗ импульсов и записи информации по нужному адресу необходимо вырабатыватьспециальные импульсы с учетом фактического положения ПЭП. Такие импульсыформируются с помощью выходного напряжения датчика углового положения и ЦАП2.На его выходе создается напряжение, близкое по форме к напряжению датчика углового положения (рис3). Оба напряжения подаются на входы компаратора. В моменты равенства напряженийпроисходит переключение компаратора, который вырабатывает импульсы запуска. Онизапускают генератор зондирующих импульсов и поступают в блок конвертора, гдеформируют номер луча для адресации памяти. Таким образом, адресация ОЗУ при использованиимеханического датчика осуществляется непосредственно под его управлением.
Контроллер,кроме того, определяет тип подключенного датчика. Для этого в разъемедатчика устанавливают специальную кодирующую перемычку.
/> />
Рис. 3
/>
2. Генераторы УЗ импульсов
Действиеэтих генераторов обычно основано на заряде – разряде пьезоэлемента. Междуобкладками заряженного пьезоэлемента действует сила, которая сжимает кристалл.При его разряде сжимающее усилие исчезает и кристалл совершает свободныезатухающие колебания. Схемы генераторов зависят от типа и размеров датчика.Например, пьезопреобразователь секторного датчика общего назначения имеетбольшие размеры и должен излучать сравнительно большую мощность. Поэтомувозбуждающий импульс имеет большую амплитуду – до 200 В.
Однаиз простых схем генератора УЗ импульсов приведена на рис.4. До подачи управляющегоимпульса оба транзистора закрыты, и на коллекторе VT2 присутствует высокийпотенциал (около 50 В).
/> />
Рисунок 4.Генератор УЗ импульсов с пассивным разрядом
КонденсаторС1 и пьезоэлемент заряжены. Так как емкость С1 берется намного большейсобственной емкости С0 пьезоэлемента, то к нему будет приложено почти все напряжениепитания.
Сприходом управляющего импульса оба транзистора открываются, и емкости С1 и С0разряжаются, а кристалл пьезопреобразователя совершает затухающие колебания.Такой генератор реализует пассивный способ формирования УЗ импульса. Его формаопределяется параметрами ПЭП и демпфера. Диод VD1 в схеме исключаетнасыщение транзисторов, т.е. обеспечивает высокое быстродействие.
Применяюти активные способы формирования УЗ импульса. Один из них заключается вуправлении разрядом предварительно заряженного пьезоэлемента. Показанный нарис.5 генератор применяется для возбуждения массивных преобразователеймеханических датчиков. Здесь конденсатор заряжается от источника питания черездиод VD1. При этом диод VD2 остается закрытым. Поступающий импульс запуска вызываетсигнал специальной формы, управляющий выходным полевым транзистором./> />
Рисунок 5.Генератор УЗ импульса с управляемой формой
Черезнего и через диод VD2 разряжаются конденсатор и пьезоэлемент. Для запускапьезоэлементов линейных датчиков рассмотренными генераторами их потребовалосьбы столько, сколько элементов содержится в апертуре, т.е. от 16 до 32. Понятно,что возникающие при этом аппаратные затраты получаются большими, и эту задачурешают иным путем.
3.Блок управления линейным датчиком
Содержаниеэтого блока уже известно из описания структурной схемы и принципа сканированиялинейным датчиком. Поэтому не будем здесь приводить его структурную схему. Темболее что, как сейчас увидим, узлы этого блока трудно разделить на отдельныечасти из-за совмещения некоторыми элементами нескольких функций.
Наиболееважным узлом блока линейного датчика является многоканальный приемо-передатчик.Число его каналов равно числу элементов в апертуре. На рис.6 приведенаупрощенная принципиальная схема одного канала, в которой как раз и имеет местосовмещение нескольких функций отдельными элементами.
ТранзисторыVTк (коммутирующие) нетолько коммутируют элементы решетки, но и принимают участие в формировании УЗимпульса. Их количество равно общему числу элементов решетки и если онодостигает 128 – 256, то их следует выделить в отдельный блок. Часть схемы странзисторами VT1 – VT4 осуществляет предварительное усиление эхо-сигналов, участвует взапуске пьезоэлемента и в фокусировке луча.
/>
Рисунок6. Схема канала приемо-передатчика
Фазоимпульсноеуправление запуском пьезоэлементов осуществляется импульсами от сдвигающегорегистра СР и блока фокусировки луча БФ. Сдвигающий регистр тактируетсястрочными импульсами СИ. Каждый такой импульс обозначает начало строки УЗизображения. Взаимное расположение строчных импульсов, СР и БФ показано нарис.227.
/>
Рисунок 7.Управляющие импульсы
Пока ни одиниз импульсов СР и БФ не поступил, все транзисторы в схеме закрыты. Пьеоэлементзаряжен от источника – 50 В через резистор с большим сопротивлением (около 20кОм). Импульс СР подготавливает транзистор VTк к открытию. Полностью он откроется, когда придет импульсБФ. При этом откроются транзисторы VT1-VT3, и ток транзистора VT2 пройдет через VTк. Его ток быстро разрядит ПЭП, чтовызовет колебания кристалла. Этот же ток создаст большой импульс на коллекторе VT3. Для его ограниченияприменяют двухсторонний диодный ограничитель (диоды и резистор R2). Тем не менее, этотимпульс получается намного больше нормального эхо-сигнала, что вызываетперегрузку общего усилителя (в нем на этот случай также предусмотрены ограничители)и довольно длительный переходный процесс. Прием эхо-сигналов в это времяневозможен, и, значит, УЗ информация из некоторой приповерхностной областибудет потеряна. Эта область называется мертвой зоной. Ее протяженностьсоставляет 20-30 мм.
Сдвигфронта импульса БФ относительно СР вырабатывается блоком фокусировки луча длякаждого канала в отдельности в соответствии с алгоритмом фокусировок. От началаимпульса БФ и до конца строки транзисторVTк остается открытым ипропускает в обратном направлении эхо-сигналы. Они усиливаются транзисторами VT2 и VT3, которые дляэхо-сигналов представляют каскодный усилитель. К каналу приемо-передатчикаподключено несколько транзисторов VTк, которые коммутируют элементы пьезорешетки спериодом n.На рис.6 – это VTк1, VTкn+1,VTк2n+1 и т.д. Однако накаждой УЗ строке импульсом от сдвигающего регистра из них выбирается толькоодин.
4. Блоки фокусировок
/>
Задержки дляфокусировки УЗ луча проще всего организовывать цифровыми способами, например,путем подсчета определенного числа импульсов известной частоты – чем большеимпульсов, тем больше задержка. На практике этот принцип реализуется в видеобратного счета с помощью реверсивных счетчиков. В реверсивный счетчикзаносится известное число, и по команде СИ (строчный импульс) начинаетсяобратный счет. Когда число станет равным нулю, счетчик выдаст специальныйсигнал, который используется для запуска соответствующего пьезоэлемента.Структурная схема одного канала задержки, организованного по такому принципу,показана на рис.8.
Рисунок8. Структурная схема блока фокусировки УЗ луча
Передзапуском строки производится загрузка данных о задержках в регистры каналов.Для этого с помощью адреса через дешифратор поочередно формируются сигналызаписи, по которым данные заносятся в регистры. Затем приходит строчныйимпульс, который сбрасывает D-триггер и по входу L одновременно переписывает информацию изрегистров в реверсивные счетчики. Сразу после этого начинают поступать тактовыеимпульсы ТИ, и числа в счетчиках станут убывать. Когда число, первоначальнозаписанное в счетчике, достигнет нуля, на выходе переноса PD возникает импульс,устанавливающий D-триггер в «1». Импульс, снимаемый с его выхода/>, как раз и является темимпульсом БФ в схеме рис.6, который запускает пьезоэлемент. Уровень 1 с выхода Q блокирует логическуюсхему ИЛИ-НЕ и вместе с ней счетчик. Так как задержки лежат в диапазоне 10 –2000 нс, то их можно представлять восьмиразрядными числами. Чтобы получитьминимальную задержку в 10 нс, необходима частота тактовых импульсов 100 МГц.
Динамическаяфокусировка эхо-сигналов осуществляется путем задержки электрических сигналованалоговыми линиями задержки. Впервые линии задержки типа LC для фокусировкиприменила японская фирма Aloka. Такая линия задержки представляет собой цепочкуиз LC-звеньев и являетсяаналогом длинной линии (рис.9).
/> />
Рисунок 9. Линиязадержки типа LC
Линиязадержки состоит из катушки индуктивности, которая наматывается на тонкийферритовый сердечник. Через равные интервалы от нее делаются отводы, к которымприпаивают конденсаторы. Вся эта конструкция заливается компаундом и своими выводамивпаивается в печатную плату. Таким образом, линия задержки состоит из звеньев L1C1. Следует иметь в виду,что LC-цепочка является цепью с сосредоточенными параметрами, по сути,многозвенным ФНЧ. Распространение в ней импульса происходит не так, как в линиис распределенными параметрами. Если на вход линии задержки типа LC подать прямоугольныйимпульс, то на выходе немедленно появится напряжение, и его фронт будет плавнонарастать. Поэтому задержку в такой линии обычно понимают как сдвиг серединыфронта импульса на выходе по отношению к фронту на входе. Главными параметрамиискусственной линии задержки являются характеристическое (волновоесопротивление) и время задержки:
/>; />,
гдеn — число звеньев.Характеристическое сопротивление и постоянная передачи LC –цепочки очень сильнозависят от частоты. Это приводит к искажениям передаваемых импульсов.
Нарис 9 показан также способ получения разных задержек от одной линии. Для этогоотводы от звеньев подключены к многоканальному коммутатору –мультиплексору.Линия при этом нагружается на ее характеристическое сопротивление Zc. Для регулированиязадержки с достаточной точностью в широком диапазоне применяют две линии –точной и грубой задержки. В первой линии задержки коммутируются с шагом 10 –20нс, а во второй – 100 – 200 нс. Однако таким способом трудно обеспечить установкузадержки с высокой точностью (точнее 10 нс). Для этого линии точной задержкиорганизуют по двоичному принципу (рис.10). /> />
Рисунок 10Структурная схема блока динамической фокусировки
Блокдинамической фокусировки также состоит из n каналов. Каждый каналсодержит регистр, секцию точных задержек и секцию грубых задержек. Напомним,что динамическая фокусировка предусматривает большое количество фокусов дляэхо-сигналов – 8 –16. Информация о задержках для каждого следующего фокуса вовсех каналах должна быть подготовлена, пока луч движется к нему от предыдущего.Для этого используется общий дешифратор и двухступенчатые регистры. Насистемной шине поочередно выставляются данные о задержках и адреса. Дешифраторрасшифровывает адрес и вырабатывает импульс загрузки L, по которому данныезагружаются в первую ступень соответствующего регистра. Так будет подготовленаинформация по всем каналам. В расчетное время на входы С всех регистровдействует специальный фокусный импульс ФИ, который переносит данные во вторуюступень, т.е. на выход. Пять младших разрядов данных используются побитно дляуправления коммутирующими ключами секции точной задержки, а три старших – дляадресного управления мультиплексором, подключающим канал к секции грубойзадержки. Коммутирующие ключи S1 – S5 вводят или исключают LC-звенья точной задержки.Очевидно, что время точной задержки можно регулировать в диапазоне t1 – 31t1.
Сигналыотдельных каналов суммируются в общей линии грубых задержек. С помощьюкоммутаторов-мультиплексоров они могут подключаться к любой ее точке. Чемдальше точка подключения отстоит от выхода линии, тем больше будет задержка.Задержки звеньев общей линии Т1 – Т7 можно взять одинаковыми. Если минимальнуюзадержку t1точной секции выбрать равной 7 нс, то задержки Т1 – Т7 можно взять равными 200нс. Не следует однако думать, что звенья с большими задержками можно выполнитьиз одной большой индуктивности и одной большой емкости. Они также дробятся намаленькие звенья, чтобы как можно точнее копировать свойства длинных линий.Иными словами, общее количество LC- звеньев получается очень большим. Ихизготовление требует кропотливой ручной работы и практически не поддаетсяавтоматизации.
Ведутсяразработки искусственных линий задержки в виде полосковых линий сраспределенными параметрами. Конструкция одной из таких линий представлена нарис.11.
/>
Рисунок11. Полосковая линия задержки
Онавыполняется фотогальваническим способом из двухстороннего фольгированногостеклотекстолита и состоит из двух зигзагообразных дорожек (меандров),сдвинутых на половину пространственного периода. Распределенные емкость ииндуктивность такой линии определяются толщиной стеклотекстолита, ширинойдорожек и размерами окна. Индуктивность и емкость одного звена рассчитываютсяпо формулам
/>; /> ,
где
/>, Гн/м; />, Ф/м.
Длястеклотекстолита /> = 4,92.
Волновоесопротивление и время задержки линии определяются по формулам
/>; tз = n/>.
Дляполучения длительности задержки в 12,5 нс требуется около 60 звеньев спараметрами a= 0,5 мм; b= 1 мм; m= 5 мм; d= 0,02 мм. Длина линии при этом получается около 70 мм а волновое сопротивление– 100 Ом. Для сравнения заметим, что такую же задержку можно получить с помощьюотрезка коаксиального кабеля длиной 2 –3 м. Чтобы получить большие задержки, изтаких печатных линий составляют многослойную сборку. Технология изготовленияполосковых линий намного проще, чем линий типа LC. Большинство операцийздесь можно автоматизировать и только на заключительной стадии требуется ручнаясборка.
Полосковаялиния задержки является симметричной линией и поэтому ее выводы нельзязаземлять, а для соединения с другими устройствами приходится применятьсогласующие каскады – обычно дифференциальные усилители на транзисторах (рис.12).
/> />
Рисунок 12. Включениеполосковой линии задержки
Входнойдифференциальный каскад преобразует несимметричный сигнал в симметричный, авыходной – наоборот. Заодно дифференциальные усилители компенсируют затуханиесигнала в линии.
Дополнительнаявозможность уменьшения общего количества линий задержки заключена в симметрии задержекотносительно оси приемно-излучающей группы (апертуры) пьезорешетки. Ее можнореализовать с помощью специального коммутатора, который электрически объединяетэхо-сигналы от симметрично расположенных элементов. При этом общее количестволиний задержки уменьшается более, чем вдвое, так как в одном канале –«крайнем», их вообще не будет. Коммутатор включается после приемо-передатчика иобъединяет попарно его каналы с учетом изменения порядковых номеров элементовапертуры при сканировании.