楊衛(wèi)東，肖林玲，趙祥欣.浙江醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校 醫(yī)療器械學(xué)院，浙江 寧波 3500；.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 35800

胎兒監(jiān)護(hù)儀的電路研究

楊衛(wèi)東1，肖林玲2，趙祥欣1
1.浙江醫(yī)藥高等專科學(xué)校 醫(yī)療器械學(xué)院，浙江 寧波 315100；2.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315800

胎兒監(jiān)護(hù)儀是一種已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床的醫(yī)療器械，超聲波對胎兒的損傷雖然尚未有醫(yī)療界定，但臨床上仍需通過提高胎兒監(jiān)護(hù)儀超聲波信號的發(fā)射效率以及回波信號的接收靈敏度來降低超聲波信號強(qiáng)度，以避免未知損傷的發(fā)生。本文基于分立元件設(shè)計了可用于胎兒監(jiān)護(hù)儀的超聲發(fā)射、接收和解調(diào)電路，能夠降低集成電路形式的電源損耗，可通過阻抗匹配和多級諧振放大提高回波信號的接收靈敏度，且電路結(jié)構(gòu)簡單，解調(diào)效率高。測試驗證結(jié)果表明整體電路的性能較好。

胎兒監(jiān)護(hù)儀；超聲換能器；發(fā)射電路；接收電路；解調(diào)電路

0 前言

胎兒監(jiān)護(hù)儀是一種利用超聲波對胎心率提供連續(xù)監(jiān)護(hù)、顯示和記錄的醫(yī)療儀器，可及早發(fā)現(xiàn)胎兒對低氧的耐受力及宮內(nèi)窘迫等，從而減少缺氧所致的胎兒損傷，提高胎兒生產(chǎn)質(zhì)量，降低圍產(chǎn)兒死亡率[1]。大量臨床研究證明，胎心監(jiān)護(hù)能有效發(fā)現(xiàn)妊娠過程中的胎兒異常[2]。目前，胎兒監(jiān)護(hù)儀已經(jīng)在各級醫(yī)院中廣泛應(yīng)用于產(chǎn)前檢查和產(chǎn)程監(jiān)護(hù)。

超聲波對胎兒的損傷雖然尚未有醫(yī)療界定，但臨床上仍需通過提高胎兒監(jiān)護(hù)儀超聲波信號的發(fā)射效率以及回波信號的接收靈敏度來降低超聲波信號強(qiáng)度，以避免未知損傷的發(fā)生。影響胎兒監(jiān)護(hù)儀整體靈敏度的因素主要有超聲換能器以及超聲發(fā)射、接收和解調(diào)電路[3]。目前市場上的國產(chǎn)胎兒監(jiān)護(hù)儀普遍存在靈敏度不足的缺點，基于此，本研究設(shè)計了超聲發(fā)射、接收和解調(diào)電路，用以提升胎兒監(jiān)護(hù)儀的整體靈敏度。

1 系統(tǒng)電路整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)電路主要由超聲換能器、超聲發(fā)射電路、接收匹配電路、接收前置放大電路、主放大電路以及解調(diào)電路等構(gòu)成（圖1）。臨床常用的超聲頻率為1、2、2.5、3 MHz，超聲頻率越高，超聲衰減越嚴(yán)重，其探測深度亦越淺，但是對輕微運動的靈敏度卻越高。

圖1 系統(tǒng)電路整體結(jié)構(gòu)框圖

超聲波的多普勒效應(yīng)原理是：當(dāng)聲波遇到運動物體時，反射聲波將發(fā)生頻移，頻移量與運動物體的運動速度相關(guān)。醫(yī)用超聲回波信號的表達(dá)公式[4-5]如下：

2 超聲發(fā)射電路

2.1 電路設(shè)計

超聲發(fā)射電路圖，見圖2。發(fā)射功率的強(qiáng)弱直接影響接收信號的強(qiáng)弱，為了獲得最佳的發(fā)射效率，本研究采用變壓器耦合，兩級推挽放大的電路結(jié)構(gòu)，觸發(fā)信號由單片機(jī)提供，為一對反相推挽振蕩信號。電路元件采用對管形式，以獲得一致的電性能參數(shù)。

圖2 超聲發(fā)射電路圖

作為超聲波發(fā)射元件，換能器總體表現(xiàn)為容性負(fù)載，該負(fù)載通過變壓器線圈形成并聯(lián)諧振電路；同時，該電容中累積的電荷在振蕩的正負(fù)半周轉(zhuǎn)換過程中需要快速充電與泄放。為了減少換能器的振蕩轉(zhuǎn)換時間，消除死區(qū)時間的效率浪費，本研究采用功率MOSFET元件（T9、T10）作為第一級的推挽功率輸出。MOSFET元件的導(dǎo)通電阻只有0.5～3 Ω，瞬態(tài)電流可以達(dá)到10 A，因此電路振蕩迅速。但是，MOSFET元件自身有一個較大的柵極分布電容，該電容的充放電時間會影響其導(dǎo)通和截止速度，進(jìn)而削弱電路效率和發(fā)射能量。因此，本研究又采用了第二級的推挽電路，其中T1、T2用以驅(qū)動T9，T3、T4用以驅(qū)動T10，以提供快速的電容泄放通道。

2.2 電路性能測試

換能器轉(zhuǎn)換效率低且易受耦合環(huán)境影響，測量超聲能量的測試方式會受到各種因素干擾，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確；而在電路中串入電流表的測試方式又會影響電路工作狀態(tài)。本研究測試方案為：在超聲晶片一端串入一個1 Ω電阻，再將其接入發(fā)射電路，然后測量晶片兩端電壓。因此，本測試方案僅測量了到達(dá)超聲晶片的能量，而未對發(fā)射出的超聲能量進(jìn)行測量。

測得超聲晶片兩端為正弦振蕩波形，測試參數(shù)結(jié)果，電源電壓6 V，電源電流0.31 A，晶片兩端電壓峰峰值20 V，1Ω電阻兩端電壓峰峰值0.52 V，效率69.8%。本研究電路中，耦合變壓器是效率降低的一個主要原因，采用優(yōu)質(zhì)環(huán)形磁芯，且正副線圈采用緊密繞制方式可以提高能量傳輸效率。

3 超聲接收電路和解調(diào)電路

3.1 接收電路設(shè)計

1.2.3 秸稈沼氣 秸稈沼氣技術(shù)是以秸稈為主要原料，經(jīng)微生物厭氧發(fā)酵作用生產(chǎn)沼氣的秸稈處理利用技術(shù)，有效解決秸稈直燃效率低[6]的問題，且副產(chǎn)品(沼渣、沼液)可作為有機(jī)肥料。按規(guī)?？煞譃閼粲媒斩捳託夂徒斩捖?lián)戶沼氣集中供氣工程兩類。目前，揚(yáng)州市秸稈戶用沼氣及聯(lián)戶沼氣利用秸稈量分別達(dá)到1.37萬t和1.08萬t，應(yīng)用區(qū)域主要集中在儀征、高郵等地。

為了獲得最佳的接收靈敏度和阻抗特性，需要對換能器進(jìn)行電路匹配[6-7]。換能器接收等效電路圖，見圖3。

圖3 超聲換能器接收等效電路圖

超聲接收電路圖，見圖4。通過調(diào)配電感L0的參數(shù)，用以匹配電容Cb。本研究采用手工磁芯繞制并控制繞制線圈匝數(shù)，從而獲得合適的電感量以實現(xiàn)L0調(diào)配。

圖4 超聲接收電路圖

根據(jù)多普勒效應(yīng)公式，運動物體的速度越大，頻率偏移越大；運動速度越小，頻率偏移越小。為了獲得足夠的靈敏度，發(fā)射基頻需要足夠的選頻放大。本研究采用三級諧振選頻放大。

諧振電路部分由L1、C1、C2構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，對反射信號進(jìn)行選頻，電容C1兩端可以獲得數(shù)倍于源信號的電壓。

一級放大電路采用低噪聲JFET元件，共源極電路，該電路結(jié)構(gòu)相比三極管放大電路可以降低三極管中結(jié)電容等分布參數(shù)的影響，同時JFET可以獲得較高的放大倍數(shù)以及較低的噪聲。電阻R1為靜態(tài)直流偏執(zhí)電阻，結(jié)構(gòu)為自給柵極偏壓。L2、C4構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，構(gòu)成二次選頻放大。

二級放大電路由T2、T3等元件構(gòu)成。C5、R3構(gòu)成交流耦合電路；T2、T3構(gòu)成共射共基放大電路，以獲得較寬的頻帶范圍和較高的放大倍數(shù)；L3、C7、C8構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，形成三次選頻放大[8]。

3.2 解調(diào)電路設(shè)計

多普勒信號解調(diào)方式有多種，如檢波、鑒頻、鑒相、乘法等。本研究采用集成模擬開關(guān)電路實現(xiàn)多普勒信號的解調(diào)[9]，該解調(diào)方案具有電路結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、成本低等優(yōu)勢。

將開關(guān)信號用傅里葉級數(shù)展開為：

接收的回波多普勒信號為：

多普勒信號經(jīng)過模擬開關(guān)后表現(xiàn)為兩者的乘積：

將公式(3)和公式(4)代入公式(5)可得：

超聲解調(diào)電路圖，見圖5。其中4053模擬開關(guān)為3通道、單刀雙擲模擬開關(guān)。A、B、C 控制端口分別用來控制X、Y、Z 3個通道。4053模擬開關(guān)真值表，見表1。解調(diào)電路使用了Y和Z通道，X通道為多余通道，為了降低干擾，將X通道的輸入和輸出端作短路并接地處理。B、C為控制端口，控制信號函數(shù)表達(dá)式如公式(2)所示，其頻率為超聲發(fā)射頻率。該電路采用兩級解調(diào)處理，超聲回波信號簡化的函數(shù)表達(dá)式如公式(4)所示，輸入到Y(jié)1管腳，由Y管腳輸出，并再次輸入到Z0管腳，最終由Z管腳輸出。

圖5 超聲解調(diào)電路圖

表1 4053模擬開關(guān)真值表

3.3 接收電路及解調(diào)電路性能測試

由于無法獲知準(zhǔn)確的超聲晶片發(fā)射和接收效率，因此脫離超聲晶片的單純電路性能測試方案為較優(yōu)選擇，但是由于超聲晶片電路參數(shù)復(fù)雜，完全脫離晶片進(jìn)行測試又有一定的局限性。因此，本研究采用帶晶片的電路測試方案，晶片并不實際接收信號，而是通過函數(shù)發(fā)生器將調(diào)制信號接入超聲晶片。

測試條件：電源電壓6 V，載波頻率2 MHz，調(diào)制信號頻率2 kHz。測試結(jié)果，見表2。

表2 接收電路及解調(diào)電路測試參數(shù)

由測試結(jié)果可以看出，該電路對 2 mV的小信號調(diào)制已經(jīng)有足夠的電壓輸出。

4 結(jié)語

本研究設(shè)計了可用于胎兒監(jiān)護(hù)儀的超聲發(fā)射、接收以及解調(diào)電路，電路均采用分立元件構(gòu)成，能夠降低集成電路形式的電源損耗，可通過阻抗匹配和多級諧振放大提高回波信號的接收靈敏度，且電路結(jié)構(gòu)簡單，解調(diào)效率高。

[1] 劉飛飛,魏守水,景天磊．自動監(jiān)護(hù)與無痛分娩閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．中國醫(yī)療設(shè)備,2012,27(11):59-61．

[2] 程志厚,宋樹良．胎兒電子監(jiān)護(hù)學(xué)[M]．人民衛(wèi)生出版社,北京：2001:308-316．

[3] 唐滸,彭玨,陳思平．醫(yī)學(xué)超聲單晶探頭的進(jìn)展及新技術(shù)[J]．中國醫(yī)療器械信息,2014,(4):16-21．

[4] 王威琪,汪源源．醫(yī)學(xué)超聲信號及其特征提取[J]．中國醫(yī)療器械信息,2004,(1):4-11．

[5] 汪源源,劉斌,吳曉峰,等．超聲多普勒信號的頻譜分析[J]．聲學(xué)技術(shù),1998,(2):57-62．

[6] 林書玉．匹配電路對壓電陶瓷超聲換能器振動性能的影響[J]．壓電與聲光,1995,(3):27-30．

[7] 張偉濤,張永俊,姚震．基于Matlab壓電超聲換能器匹配電路的研究[J]．電加工與模具,2014,(2):47-50．

[8] 陸堯勝,鄧松茂,崔忠藝,等．超聲多普勒胎心檢測前置電路的研究[J]．電路與系統(tǒng)學(xué)報,2011,(2):114-118．

[9] 李勇,李巍,李社偉,等．基于模擬開關(guān)和OPA548的同步相敏解調(diào)電路[J]．電子器件,2007,(5):1816-1818．

《中國醫(yī)療設(shè)備》雜志臨床工程欄目簡介

臨床醫(yī)學(xué)工程是運用工程學(xué)的理論與方法解決醫(yī)學(xué)中實際問題的新興學(xué)科，學(xué)科領(lǐng)域較廣。故本欄目包括的內(nèi)容也較廣，凡與臨床醫(yī)學(xué)工程的理論、技術(shù)、方法等有關(guān)的文章均可。諸如現(xiàn)代先進(jìn)醫(yī)療儀器設(shè)備的構(gòu)成原理、性能特點、應(yīng)用功能開發(fā)、醫(yī)用設(shè)備和計算機(jī)的安全使用技術(shù)、設(shè)備改裝、醫(yī)療新技術(shù)革新、小發(fā)明和專利等稿件。本欄目的稿件要求論述簡單明了，突出技術(shù)重點，具有科學(xué)性和實用性。

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

作者郵箱：543719177@qq．com