超声弹性成像声辐射力激励模块设计

【作 者】邱明波，李乔亮，陈昕，易万贯，唐浒，张欣茹，陈思平，汪天富

1 深圳大学医学院生物医学工程系，深圳市，518060

2 医学超声关键技术国家地方联合工程实验室，广东省医学信息检测与超声成像重点实验室，深圳市，518060

0 引言

超声弹性成像的基本原理是对组织施加一个动态或者准静态的激励，组织在激励作用下将产生响应，例如位移、应变等。利用超声的方法对组织内部的响应进行检测，从而根据生物力学模型估计组织内部的弹性模量等力学参数[1～3]。超声弹性成像技术弥补了传统超声成像、磁共振成像、计算机断层扫描等组织形态学成像模式不能提供生态学特性的不足，具有无创、简便、容易应用等独特优点被学者及临床医师广泛关注并得到迅速发展。

目前，超声弹性成像的方法有很多，其中声辐射力超声弹性成像应用比较广泛，其原理是对组织发射一定强度的超声脉冲，利用超声脉冲对组织进行声辐射力激励，产生应变等信息。和其他方式相比，用超声辐射力来评估组织特性有很多优点，如非入侵、无需接触；与现有超声技术及设备兼容性好；声辐射力可以深入组织内部而且可以精确定位，不受浅表组织的影响；可以产生比较宽的频率和时间变化范围的辐射力，便于检测不同的组织，等等。因此声辐射力弹性成像成为当前研究的热点。

一直以来对于声辐射力超声弹性成像驱动电路设计存在一些困难，对于电路体积，发射功率，工作温度，耐压值以及激励信号的可编码等很难同时满足需求，而且对于多通道集成的驱动电路模块的设计以及激励参数控制等问题，都是声辐射力弹性成像中急需解决的问题。本研究提出了基于TC6320的可编码驱动电路，将此驱动电路集成为64通道的激励电路模块，通过FPGA技术和上位机程序实现了对激励频率、脉冲重复频率、脉冲个数、阵元个数和聚焦深度等参数可调。从而可根据实际中对弹性成像声辐射力的激励要求灵活的控制声辐射力。因此，此平台的搭建将对声辐射力超声弹性成像的研究工作产生很大的意义。

1 超声声辐射力的理论基础

声辐射力是由于物体对入射声波的吸收和散射作用引起声能密度变化而产生的。由于逆压电效应，超声探头将会根据作用于其阵元上的高压激励信号产生超声波，超声波在传播过程中碰到耗散介质时，由于介质的吸收或反射，超声波的动量会发生改变，同时介质也会受到超声波的作用，发生能量的改变，介质在平面波中所受的声辐射力可以表示为[4-5]：

F是待检材料所受的声辐射力，c(m/s)为介质中的声速，α(m-)为材料吸收系数，I(W/cm2)为给定点的声波时间平均能量强度。由式（1）可以发现超声声辐射力大小主要取决于平均能量强度I，而I又取决于换能器的输入能量和换能器的电声转换效率η。换能器的输入能量We和辐射的声功Wa率以及他们跟声电效率的关系式分别为(2)，(3)和(4)。

式中G为换能器的并联电导值，UT为激励电压的有效值。d为远场中声轴上的测量点到换能器中心的距离，Pd和Pθ分别为声压和指向系数，ρ为介质的密度。将方程(2)、(3)和(4)代入(1)可得声辐射力表达式为：

本文将在详细介绍声辐射力激励模块的系统设计的基础上，结合声场和声功率测试实验，得出声场聚焦情况，以及激励脉冲个数、激励电压幅值和阵元个数等参数对声辐射力的影响。

2 系统设计

本研究根据弹性成像声辐射力激励电路的要求，提出一种基于TC6320 的双极性驱动电路，并在此基础上，用64个这样的单通道电路集成为64通道的激励电路模块。通过上位机可以控制激励频率、脉冲重复频率、脉冲个数、聚焦的阵元个数和聚焦深度等参数，上位机通过RS232串口将这些数据传给FPGA下位机，产生对应的激励信号，最终实现对64线阵超声探头的激励，实现聚焦。采用的超声探头是64阵元的线阵探头，阵元间距1.5 mm。整个系统构架如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 The block diagram of the system

2.1 基于TC6320的双极驱动电路

TC6320是由supertex公司生产的专用于超声发射电路的N沟道和P沟道的双增强型MOSFET。TC6320两MOSFET漏极和源极最小击穿电压分别是200 V和-200 V，导通电阻分别是7 Ω和8 Ω，驱动信号上升和下降时间都是15 ns。驱动芯片采用intersil公司生产的双通道高速MOSFET驱动芯片ISL5510和ISL5511。芯片输入兼容CMOS和TTL电平逻辑，最高驱动电流3.5 A，驱动信号上升和下降时间为1.2 ns（负载100 pF电容），输出逻辑电平最高12 V，是一款非常好的超声发射驱动芯片。如图2所示，电路由两个驱动芯片ISL5510和ISL5511，两个TC6320芯片组成。图2中上面两个芯片（ISL5510和TC6320)用来产生高压驱动信号，下面两个芯片(ISL5511和TC6320)用来对探头进行放电。

电路输出的波形很平缓完整，而且探头明显得到放电，几乎没有探头放电造成的拖尾现象。对输入驱动信号波形利用FPGA进行编程实现调制编码，可以发现TC6320电路能够实现对探头实行编码驱动输出。用13 bit bark码编码的驱动电路输出波形，采用BPSK调制方式，每个码片内调制4个周期的方波。结果编码信号输出波形完整，相位跳变时过渡平滑，几乎没有波形畸变。这就对验证编码激励对组织产生声辐射力[6]的效果有重要意义。

图2 TC6320双极驱动电路原理图Fig.2 The schematic of TC6320 bipolar driving circuit

2.2 FPGA设计及验证

FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。具有I/O口丰富、数据高速处理能力强、并行性以及扩展能力强等特点。

64通道线阵激励电路采用的FPGA控制芯片为ALTERA公司的EP3C16Q240C8，FPGA下位机的编写是基于Verilog的硬件描述语言。程序的设计原理是根据线阵激励电路的聚焦原理（如图3所示）来设计的，在FPGA中创建一个ROM存储空间[7]，将十个不同深度下的延时数据计算出来后，存入ROM表中，根据不同聚焦参数下所需要的延时量，对ROM表中的数据进行调用。延时量计算[8]的几何位置图如图4所示。假设在nCh个通道中，第n个通道对应的阵元到P点的距离为rn。在计算延时的时候，采用以两端阵元为参考的计算方法，即两端阵元到P点的距离最大为rnCh，需要施加的延时也最小。在P点施加的延迟时间所对应的距离为sn。

图3 聚焦过程Fig.3 The process of focusing

图4 延时理论计算的几何位置图Fig.4 the geometrical configurations of theoretical delay calculation

根据上图中的空间几何关系，我们可由勾股定理求出rn和rnCh的大小：

因此根据公式（6）和（7），将计算出的Sn除以声速，就可以得出第n个通道对应的延时量。

通过对编写的Verilog程序进行逻辑仿真、综合、FPGA硬件验证后，达到了预定的延时效果。图5是利用qurtus II软件自带的逻辑分析工具signaltap II把信号实时抓取出来后的时序图，图中有16个阵元受到激励，从中可以看出各个阵元延时的具体情况。按照调用的延时数据，从两边依次向中间阵元激励。

图5 signaltap II测试波形图Fig.5 The waveform of signaltap II test

3 结果

实验中分别用到了OptiSon激光声场系统和RFB2000声辐射力天平两种设备对线阵的64通道激励电路模块的激励聚焦效果和辐射声功率进行测量，两种设备中提供声传播的介质都为蒸馏水。OptiSon激光声场系统是ONDA公司的一款用于实时声场测量的设备。能快速、精确地测量不同时刻的声场，从而了解声场的瞬态变化过程，具有高空间分辨率、高时间分辨率的特性。

RFB2000也是ONDA公司的一款专用于测量超声辐射功率和声辐射力的仪器。本实验中测得的数据是激励电路辐射的声功率，根据(1)和(3)式可推得：

由(8)式可得探头声辐射功率Wa和声辐射力F成正比例关系，所以声功率的大小能直接反应电路驱动探头所发出的超声对组织的声辐射力的大小，从而反映声辐射力激励电路的性能。

3.1 OptiSon激光声场测试

图6为OptiSon激光声场聚焦效果图，从图中可以看出，最左边为探头处，向右依次为聚焦的五个位置，可以清楚的看到聚焦的整个过程。聚焦参数是激励频率为3.5 MHz，脉冲重复频率为10 kHz，脉冲个数为4个，阵元个数为16，聚焦深度为7 cm，从图6中可以看出向右随着深度的增加，声束的纵向宽度在逐渐地由宽变窄，到位置4处，声束几乎趋于一个点，这个点距离探头的距离正好为7 cm左右，过了这个中心焦点区，又开始扩散。通过提取的位置4处中心聚焦区的纵轴方向上的灰度值进比，可以得出一个反映聚焦声场横向分辨力的曲线（如图7所示）。坐标横轴为图6纵向从上到下的位置偏移距离，坐标纵轴上的值代表聚焦点的相对强度。从图7中可以看到，中间凸起的部分的是主瓣，旁边凸起的两个是旁瓣，从中提取主瓣宽度大约为3 mm，即焦斑的宽度。

图6 OptiSon激光声场实时聚焦效果图Fig.6 OptiSon laser acoustic feild effect of realtime focusing

图7 激光声场图的横向分辨力Fig.7 Lateral resolutin of laser acoustic feild picture

3.2 RF2000声辐射力天平声功率测试

图8 声功率随脉冲个数变化的测试图Fig.8 The test picture of acoustic power when the number the pulses changes

图9 声功率随电压峰峰值变化的测试图Fig.9 The test picture of acoustic power when the peak-to-peak value of voltage changes

图10 声功率随阵元个数变化测试图Fig.10 The test picture of acoustic power when the number of elements changes

当激励频率FRE为3.5 MHz，脉冲重复频率PRF为100 Hz时，电压峰峰值为60 V，阵元个数为16个时，可以看到声功率随脉冲个数的增加呈线性增加的趋势（如图8所示），当脉冲个数为40个的时候，声功率为0.02 W；当脉冲个数增加到1000个的时候，声功率达到了0.37 W。当激励频率FRE为3.5 MHz，脉冲重复频率PRF为100 Hz，脉冲个数为280个，阵元个数为16个时，从图9可以看出声功率与电压峰峰值的平方是成正比例的关系，当电压峰峰值为20 V时，声功率为0.01 W；当电压峰峰值为60 V时，声功率达到了0.1 W；根据前面公式（5）可知，声辐射力与脉冲个数成正比例关系，和电压幅值的平方成正比例关系，而又根据公式（8）可知，声功率和声辐射力也是成正比例关系的，因此对于脉冲个数和电压峰峰值变化时，声功率的测试结果是符合理论要求的。另外，当激励频率FRE为3.5 MHz，脉冲重复频率PRF为100 Hz时，电压峰峰值为60 V时，脉冲个数为280个时，从图10可以看出，声功率随阵元个数的增加是呈线性增加的趋势，当阵元个数为2个的时候，声功率为0.01 W；当阵元个数为32个的时候，声功率达到了0.19 W。总的来说，本声辐射力驱动电路系统是一个可靠和稳定的系统，非常适合于声辐射力弹性成像中声辐射力激励的需要。

4 讨论和结论

本文中基于TC6320的驱动电路是正负双电压驱动的，耐压值能能达到200 V，它将两个互补的MOSFET集成在一个小的SO-8封装的芯片中，只需外接一个电容就可以直接驱动，电路十分简便，输出波形完整平滑。接放电电路时，电路也比较简便，大大节省了集成电路板上空间，方便集成为多通道的驱动电路。集成后的64通道激励模块通过编写FPGA下位机和上位机控制软件，可以实现激励频率、PRF、脉冲个数、阵元个数、聚焦深度等参数可调，适应于声辐射力控制的实际需要。利用OptiSon激光声场系统对声场聚焦过程进行成像，清晰显示出声束聚焦的焦斑明显，聚焦深度符合预先设定的参数值。用RF2000声辐射力天平对探头激励后产生的声功率进行测量，确定了声功率与激励脉冲个数、激励电压和阵元个数的关系，进而得出声辐射力与这三个参数的关系。总的来说，基于线阵的64通道集成激励电路性能稳定，参数控制灵活，聚焦效果良好，能够较好地满足超声弹性成像中声辐射力激励部分的需要。相信在接下来超声信号检测部分的工作完成之后，将会对声辐射力超声弹性成像方面的研究作出更为重大的贡献。

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