秦鑫，王昌

（新乡医学院 生命科学技术学院，河南 新乡 453003）

超声波在人体组织中传播时，必然会产生反射和吸收等造成能量损失[1-2]。研究与实验表明，造成能量衰减的除了探测深度外还有超声波的传播频率[2-4]。人体组织对超声的传播频率大致成线性关系，频率越高，衰减越大[4-5]。时间增益控制（TGC）就是补偿回波因探测深度的增加（或工作频率的更换）而造成的衰减。动态滤波是为了把有诊断价值的回波提取出，而滤除近场过强的低频和深部的高频干扰。本文设计了一种简单实用的动态滤波电路，能够很好的满足超声成像系统要求。

1 整体设计与实现

动态滤波器主要由D/A转换电路、滤波电路等组成。数字控制信号由D/A转换电路，形成模拟控制信号；模拟控制信号接入到滤波电路的控制端口，实现对滤波电路参数的控制，达到动态改变滤波电路中心频率的目的，从而完成动态滤波[6]。

1.1 动态滤波器电路设计

在超声成像系统中，动态滤波器电路是针对人体组织对不同频率超声能量的衰减不同而设计的[5]。动态滤波器环节，直接关系到超声系统远场和近场成像的分辨率，影响图像的清晰度，是整个超声成像系统的一个关键部分[7]。下图1为本文设计的滤波器电子电路。

此动态滤波电路设计由电容C680和变容二极管V684和V685，L680组成一个选频槽路；C684，L683和 V686和 V687组成另一个选频槽路。EFC电压加在四个变容二极管的负端。近场EFC电压高，变容二极管结电容小，槽路谐振频率高（谐振阻抗大），槽路高频传输特性好，而对低频呈现较小的阻抗，使近场低频分量得到很大的衰减 （即滤除了近场过强的低频成分），当EFC电压随探测深度的增加而逐渐下降时，变容二极管的结电容随之逐渐增大，槽路的谐振频率也就随之逐渐降低，因此远场的低频传输特性好，对高频呈现的阻抗小，使远场的高频分量得到衰减，从而实现了动态滤波。

1.2 D/A变换器

D/A变换器负责将数字信号转换为控制变容二极管的模拟电压信号[6]，D/A芯片型号为DAC0808，电流输出型。D/A输出电流信号经运放转换为电压信号，采用运算放大器可以方便的对控制信号进行控制。具体电路如下图2。

2 滤波器测试结果与分析

为了验证所设计的动态滤波器的性能，采用Agilent DSO5014A 100 MHz，四通道示波器和Agilent 33220A信号发生器对其进行测试。动态滤波电路的信号分两部分测试，其一是测试3.5 MHz探头正常工作时动态滤波电路的输入、输出信号及EFC控制电压波形.；其二用标准信号测试动态滤波放大模块的效果。

2.1 动态滤波电路的输入输出信号测试

1）首先用示波器测试3.5 MHz探头正常工作时动态滤波电路的输入输出信号波形。

2）标准信号EFC测试

图1 动态滤波放大电路Fig.1 Dynamic filter amplifying circuit

图2 动态滤波控制信号Fig.2 Dynamic filter control signal

图3 3.5 MHz探头正常工作时EFC波形Fig.3 3.5 MHz probe the EFCwaveform in normal working conditions

测试方法：标准信号源接入输入端，与正常接收回波信号叠加，调节标准信号源输入信号的频率由2.0 MHz开始，按0.5 MHz递增到8.5 MHz。EFC信号在近场时为4.5 V递减到远场的1 V。通过对测试结果波形图输出分析可看出，由于EFC的控制，近场EFC滤波器的中心频率高，远场的中心频率低。图4为信号中心频率2.0 MHz和5.5 MHz测试图。

图4（a）中信号的中心频率F0为2.0 MHz时的标准正弦波，在近场输出信号幅度小，远场输出信号幅度大，说明近场对低频信号衰减大，远场对低频信号衰减小，也就是说EFC滤波器远场的中心频率低。随着信号中心频率的增大，近场的输出逐渐增大，远场的输出逐渐变小。如图4（b）当输入信号的中心频率为5.5 MHz时，近场的输出幅度大，而远场的幅度小，这也说明了这个EFC电路的中心频率由近场到远场是由高到低变化的。符合超声波在人体内传播高频信号在近场小，在远场衰减大，而低频信号随深度增加衰减比高频信号小的设计要求。

2.2 EFC电路静态测试

实验中采用信号发生器单独测试EFC电路。其中信号源输出接示波器1通道，即1通道接信号源输出（标准正弦波相当EFC控制电压）即是EFC控制电压，3通道是输入信号，4通道是EFC电路的输出。信号源输出电压相当VEFC是EFC的控制电压，F0是对应这个EFC电压滤波器的中心频率，f1是3 dB带宽的低端频率，f2是3 dB带宽的高端频率。每次测量VEFC增加0.25 V，从0.5 V增加到4.75 V，可看到滤波器的中心频滤从2.4 MHz增加到5.6 MHz。在近场要求滤波器的中心频率高，EFC电压也就高，在远场要求滤波器的中心频率低EFC电压就低.符合超声在人体内传波的特点，利用动态滤波器，提高了系统的信噪比。图5是VEFC电压分别在0.5 V和4.75 V时的波形图。

图4 信号中心频率测试图Fig.4 Signal center frequency test pattern

图5 EFC电路静态测试图Fig.5 The static test EFCcircuit

3 结束语

本研究设计的模拟动态滤波器，设计电路成本低，结构简单，性能稳定，易于实现；可以很好地匹配回波信号的中心频率，根据要求方便的调节控制信号，应用于超声成像系统中对提高成像质量有明显的帮助。

[1]冯诺．超声手册[M]．南京：南京大学出版社，1999:26-27．

[2]李鹏，陈裕泉，胡大可，等.超声成像系统中自适应动态滤波器的设计[J].传感技术学报，2010，23（1）:78-81.LI Peng，CHEN Yu-quan，HU Da-ke，et al.Adaptive dynamic filter design in ultrasound imaging system[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators，2010，23（1）:78-81.

[3]谢彬，林艺文，周桂荣.基于GC5016的超声回波信号解调及动态滤波设计[J].汕头大学学报，2010，25（2）:56-62.XIE Bin，LIN Yi-wen，ZHOU Gui-rong.Design of demodulation and dynamic filter for ultrasound echo signal based on GC5016[J].Journal of Shantou University：Natural Science Edition，2010，25（2）:56-62.

[4]王文芳，周盛，王晓春，等.一种新型自适应动态滤波器在超声成像中的应用[J].北京生物医学工程，2012，31（1）：26-30.WANG Wen-fang，ZHOU Sheng，WANG Xiao-chun，et al.Application of a new self-adaptive Dynamic Filter in ultrasound imaging system[J].Beijing Biomedical Engineering，2012，31（1）：26-30.

[5]梅文超．基于FPGA的超声诊断仪前端及显示模式的设计[D]．长沙：中南大学，2011.

[6]周盛，李仙琴，王晓春，等.全数字B超动态滤波器的设计与实现[J].中国生物医学工程学报.2010，9（3）:418-421.ZHOU Sheng，LI Xian-qin，WANG Xiao-chun，et al.Design and realization of a dynamic filter in digital B mode ultrasonography[J].Chinese Journalof Biomedical Engineering，2010，9（3）:418-421.

[7]王雷，沈毅，王小涛.B超动态滤波器的设计与实现[J].中国医疗器械杂志，2006，30（5）:372-375.WANGLei，SHENYi，WANGXiao-tao.Designing and realization of thedynamic filter in Bmodeultrasonic scanning[J].Chinese Journal of Medical Instrumentation，2006，30（5）:372-375.