脉冲多普勒超声血流测量装置研究

论文摘要

利用超声波的诊断无创伤、重复性好、灵敏度高等显著优点,以血流为研究对象,以求得血流相关参数为最终目标,可以达到预防、诊断并治疗心脑血管系统疾病的目的。血流速度的测量是基于医学超声多普勒技术,它通过对血液中超声散射体的多普勒频移的检测,就可以了解血流有无异常。目前,该技术具有设备价格便宜、检查费用低等优势,在国内外都得到了广泛应用,具有广阔的发展空间。本文以多普勒效应为原理,采用脉冲式超声多普勒系统。它具有距离鉴别能力的特点,把多普勒技术与脉冲回波技术结合在一起,通过时延,可以得到选定距离上的回波多普勒信息。血流测量系统主要由超声发射电路、超声接收电路以及高速数据采集电路组成。模拟信号的处理包括隔离与低噪声前置放大、带通滤波、可变增益放大等步骤。FPGA作为系统核心,完成激励脉冲产生、系统时序控制、回波信号幅度提取和数据缓存与传输等任务,最后通过USB将数据传送至PC机,利用基于.NET平台设计的显示接收界面,将指定深度处的多普勒频移信号的实时曲线及其频谱图显示出来。通过仿真与调试,验证了系统测试平台的正确性。实验结果表明,高速采样可以较完整地保留回波信息、检测多普勒成分,高速缓存作为A/D与单片机之间的桥梁,起到了很好的数据缓冲作用,保证了数据采集的可靠性。系统采用FPGA,使设计和调试周期都大大缩短,硬件结构简单,软件控制灵活,降低了系统的成本和功耗。但在实验中发现由于血流回波信号非常微弱,噪声与干扰影响较大,所以还需要在硬件和软件两方面进一步改进。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 国内外发展现状与趋势
• 1.3.1 国外发展现状
• 1.3.2 国内发展现状
• 1.4 课题主要研究内容及章节安排
• 第二章 脉冲多普勒超声血流测量原理
• 2.1 血管概述
• 2.2 多普勒效应
• 2.3 脉冲多普勒系统
• 2.3.1 基本组成与基本原理
• 2.3.2 系统检测的约束与限制
• 2.3.3 主要技术参数
• 2.4 多普勒信号处理
• 2.4.1 快速傅里叶变换
• 2.4.2 平均多普勒频率的估计
• 2.5 本章小结
• 第三章 系统硬件设计
• 3.1 硬件系统总体结构
• 3.2 超声发射电路
• 3.2.1 基于电感储能式发射电路
• 3.2.2 基于电容储能式发射电路
• 3.3 超声接收电路
• 3.3.1 隔离与低噪声前置放大电路
• 3.3.2 带通滤波电路
• 3.3.3 可变增益放大电路
• 3.3.4 增益控制电路
• 3.4 高速数据采集电路
• 3.4.1 A/D转换电路
• 3.4.2 FPGA电路
• 3.4.3 单片机电路
• 3.4.4 单片机与PC机通讯电路
• 3.5 印刷电路板设计
• 3.5.1 去耦
• 3.5.2 布局与布线
• 3.6 本章小结
• 第四章 系统软件设计
• 4.1 系统软件总体设计
• 4.2 FPGA程序设计
• 4.2.1 PRF信号
• 4.2.2 ADC工作时间控制信号
• 4.2.3 采样脉冲信号
• 4.2.4 增益控制信号
• 4.2.5 距离选通接收模块
• 4.2.6 双端口RAM数据缓存模块
• 4.3 单片机程序设计
• 4.4 上位机显示界面程序设计
• 4.4.1 界面设计的具体流程
• 4.4.2 频谱分析的具体实现
• 4.5 本章小结
• 第五章 系统仿真与调试
• 5.1 超声发射电路的仿真与调试
• 5.2 超声接收电路的调试
• 5.3 在FPGA中实现的各控制信号的仿真与实验
• 5.4 应用上位机显示界面的实验
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附录A 系统总原理图
• 附录B 系统实物图—超声发射电路
• 附录C 系统实物图—超声接收电路
• 附录D 系统实物图—高速数据采集电路
• 在学研究成果
• 致谢